Giáo trình môn Mạng Máy Tính

Giáo trình mạng máy tính Biên tập bởi: Khoa CNTT - HCEM Giáo trình mạng máy tính Biên tập bởi: Khoa CNTT - HCEM Các tác giả: HCEM MỤC LỤC 1. Giới thiệu tổng quan về giáo trình 2. Chương 1: Tổng quan về mạng máy tính 2.1. Tổng quan về mạng máy tính 3. Chương 2: Các thành phần của mạng máy tính 3.1. Các thành phần của mạng máy tính 4. Chương 3: Tổng quan về tầng vật lý của hệ thống mạng máy tính 4.1. Giới thiệu tầng vật lý của hệ thống truyền dữ liệu 4.2. Vấn đề số hóa thông tin 4.3. Các loại kênh truyền dữ liệu 4.4. Đặc điểm các kênh truyền dữ liệu 4.5. Các hình thức mã hóa dữ liệu số 5. Chương 4: Chức năng của tầng liên kết dữ liệu 5.1. Chức năng cơ bản của tầng liên kết dữ liệu 5.2. Vấn đề xử lý lỗi 5.3. Các giao thức điều khiển lỗi 5.4. Giao thức cửa sổ trượt (Sliding windows) 6. Chương 5: Mạng nội bộ 6.1. Tổng quan về Lan 6.2. Hình thái mạng nội bộ 6.3. Lớp con MAC (Media Access Control Sublayer) 6.4. Chuẩn hóa mạng cục bộ 6.5. Giới thiệu một số công nghệ mạng LAN 7. Chương 6: Tầng mạng (Network Layer) 7.1. Tầng mạng (Network Layer) 7.2. Các vấn đề liên quan đến việc thiết kế tầng mạng 7.3. Giải thuật chọn đường 7.4. Các giải thuật chống tắc nghẽn 7.5. Liên mạng 7.6. Bộ giao thức liên mạng (IPs - Internet Protocols) 8. Chương 7: Tầng vận chuyển 8.1. Dịch vụ của tầng vận chuyển 8.2. Các yếu tố cấu thành giao thức vận chuyển 8.3. Tầng vận chuyển trong mạng Internet 1/244 9. Chương 8: Các ứng dụng mạng 9.1. Dịch vụ tên (DNS) 9.2. Electronic Mail (SMTP, MIME, POP3, IMAP) 9.3. World Wide Web (HTTP) 9.4. Truyền tập tin (FTP) Tham gia đóng góp 2/244 Giới thiệu tổng quan về giáo trình A. MỤC ĐÍCH Giáo trình này nhằm giới thiệu với người đọc những nội dung chủ yếu sau: • • • • • Các khái niệm liên quan đến mạng máy tính Những vấn đề liên quan đến truyền dữ liệu trong mạng máy tính Nguyên tắc thiết kế phân tầng trong các hệ thống mạng máy tính. Chức năng, nhiệm vụ của các thành phần trong một hệ thống mạng máy tính Các giao thức thường được sử dụng trong mạng máy tính. B. NỘI DUNG CỐT LÕI Giáo trình được chia thành 8 chương với nội dung chủ yếu như sau: • Chương 1: Tổng quan về mạng máy tính : Chương này nhằm giới thiệu cho người học các loại mạng truyền dữ liệu đã tồn tại trước khi mạng máy tính ra đời, cấu trúc tổng quát của một mạng máy tính, hai chế độ truyền tải dữ liệu cơ bản là Chuyển mạch và Chuyển gói, những lợi ích mà mạng máy tính mang lại. • Chương 2: Các thành phần của mạng máy tính: Chương này nhằm giới thiệu cho người học các thành phần liên quan đến phần cứng của một mạng máy tính, sự phân loại mạng máy tính theo các tiêu chí khác nhau, kiến trúc phần mềm của một mạng máy tính, đặc biệt là kiến trúc có thứ bậc của các giao thức mạng, mô hình tham khảo OSI. • Chương 3: Tầng vật lý: Chương này nhằm giới thiệu cho người học mô hình của một hệ thống truyền dữ liệu đơn giản và các vấn đề có liên quan đến trong một hệ thống truyền dữ liệu sử dụng máy tính, các phương pháp số hóa thông tin, đặc điểm kênh truyền, tính năng kỹ thuật của các loại cáp truyền dữ liệu, các hình thức mã hóa dữ liệu số để truyền tải trên đường truyền. • Chương 4: Tầng liên kết dữ liệu: Chương này nhằm giới thiệu cho người học các chức năng cơ bản mà tầng liên kết dữ liệu đảm trách, vai trò của khung trong vấn đề xử lý lỗi đường truyền và các phương pháp xác định khung, các phương pháp phát hiện lỗi như Phương pháp kiểm tra chẵn lẽ, Phương pháp kiểm tra theo chiều dọc và Phương pháp kiểm tra phần dư tuần hoàn, các giao thức điều khiển lỗi cho phép theo dõi tình trạng lỗi của dữ liệu gởi đi, các giao thức xử lý lỗi chỉ ra các cách giải quyết trường hợp dữ liệu truyền đi bị lỗi. • Chương 5: Mạng cục bộ và tầng con điều khiển truy cập đường truyền: Chương này nhằm giới thiệu với người đọc các phương chia sẻ đường truyền chung giữa các máy tính trong một mạng cục bộ như: các phương pháp chia kênh, các phương pháp truy cập đường truyền ngẫu nhiên và các phương pháp 3/244 phân lượt truy cập đường truyền, chi tiết về nguyên tắc hoạt động của các chuẩn mạng cục bộ như họ các chuẩn mạng Ethernet, FDDI và mạng không dây • Chương 6: Tầng mạng : Chương này nhằm giới thiệu cho người đọc vai trò của router trong việc xây dựng các liên mạng có phạm vi rộng và không đồng nhất về chuẩn của các mạng cục bộ thành phần, các dịch vụ mà tầng mạng phải cung cấp cho tầng vận chuyển, cơ chế hoạt động của router , các vấn đề liên quan đến giải thuật chọn đường cho các router, bộ giao thức liên mạng IP. • Chương 7: Tầng vận chuyển: Chương này nhằm giới thiệu với người đọc vai trò của tầng vận chuyển và các chức năng mà tầng vận chuyển cung cấp cho tầng ứng dụng, ý nghĩa và cơ chế thiết lập nối kết và giải phóng nối kết cho các nối kết điểm – điểm, Chi tiết về giao thức TCP và UDP thuộc tầng vận chuyển • Chương 8: Tầng ứng dụng: Chương này nhằm giới thiệu cho người đọc một số các ứng dụng và giao thức tiêu biểu trên mạng Internet như DNS, MAIL, WEB và FTP. C. KIẾN THỨC TIÊN QUYẾT • Kiến trúc máy tính • Hệ điều hành D. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Nguyễn Hoàng Việt, Bài giảng Mạng máy tính, Khoa CNTT, 1998 2. Phạm Hoàng Dũng, Nguyễn Đình Tê, Hoàng Đức Hải, Giáo trình Mạng máy tính, nhà xuất bản giáo dục, 1996 3. Nguyễn Thúc Hải, Mạng máy tính và các hệ thống mở, Nhà xuất bản giáo dục, 1999 4. Andrew S. Tanenbeau,Computer Networks, Fourth Edition, Prentice Hall Inc., 2003 5. William Stallings, Data & Computer Communication, Sixth Edition, Prentice Hall Inc. , 2000 6. Behrouz A. Forouzan,Data Communications and Networking, Third Edition, Mc Graw Hill, 2003 7. Larry L. Peterson & Bruce S. Davie, Computer Networks A System Approach, Third Edition, Morgan Haufmann, 2003. 4/244 Chương 1: Tổng quan về mạng máy tính Tổng quan về mạng máy tính Mạng điện báo Mạng điện báo sử dụng hệ thống mã Morse để mã hóa thông tin cần truyền đi. Mã Morse sử dụng hai tín hiệu là tít và te (ký hiệu bằng dấu chấm (.) và dấu gạch ngang (-)). Mỗi một ký tự latin sẽ được mã hóa bằng một chuỗi tíc/te riêng biệt, có độ dài ngắn khác nhau. Để truyền thông tin đi, bên gởi sẽ lần lượt mã hóa từng ký tự của thông điệp thành mã Morse, bên nhận sau đó sẽ thực hiện quá trình giải mã. Văn bản được truyền đi được gọi là một thông điệp (message) hay một thư tín (Telegram). Vào năm 1851 mạng thư tín đầu tiên được sử dụng để nối hai thành phố London và Paris. Sau đó không lâu, hệ thống mạng này được mở rộng toàn châu Âu. Cấu trúc của mạng gồm có hai thành phần là Trạm điện báo (Telegraph Station) và Trạm chuyển điện báo ( Telegraph Switching Station) được nối lại với nhau bằng hệ thống dây truyền dẫn. Trạm điện báo là nơi cho phép truyền và nhận các thông điệp dưới dạng các mã Morse, thông thường được thể hiện bằng âm thanh tít và te. Để truyền và nhận thông tin cần có một điện báo viên thực hiện quá trình mã hóa và giải mã thông tin truyền/nhận. Vì không thể nối trức tiếp tất cả các trạm điện báo lại với nhau, người ta sử dụng các Trạm chuyển điện báo để cho phép nhiều trạm điện báo sử dụng chung một đường truyền để truyền tin. Tại mỗi trạm chuyển điện báo có một thao tác viên chịu trách nhiệm nhận các điện báo gởi đến, xác định đường đi để chuyển tiếp điện báo về nơi nhận. Nếu đường truyền hướng về nơi nhận đang đuợc sử dụng để truyền một điện báo khác, thao tác viên sẽ lưu lại điện báo này để sau đó truyền đi khi đường truyền rãnh. Để tăng tốc độ truyền tin, hệ thống Baudot thay thế mã Morse bằng mã nhị phân 5 bits (có thể mã hóa cho 32 ký tự). Các trạm điện báo cũng được thay thế bằng các máy têlêtíp (teletype terminal) cho phép xuất / nhập thông tin dạng ký tự. Hệ thống sử dụng kỹ thuật biến điệu (Modulation) và đa hợp (Multiplexing) để truyền tải thông tin. 5/244 Mạng điện thoại Mạng chuyển mạch Mạng điện thoại cho phép truyền thông tin dưới dạng âm thanh bằng cách sử dụng hệ thống truyền tín hiệu tuần tự. Mạng điện thoại hoạt động theo chế độ chuyển mạch định hướng nối kết (circuit switching), tức thiết lập đường nối kết tận hiến giữa hai bên giao tiếp trước khi thông tin được truyền đi (connection oriented). Mạng hướng đầu cuối Mạng hướng đầu cuối Đây là mô hình của các hệ thống máy tính lớn (Main Frame) vào những năm của thập niên 1970. Hệ thống gồm một máy chủ mạnh (Host) có năng lực tính toán cao được nối kết với nhiều thiết bị đầu cuối đần độn (Dumb terminal) chỉ làm nhiệm vụ xuất nhập thông tin, giao tiếp với người sử dụng. Mạng máy tính Mạng máy tính là mạng của hai hay nhiều máy tính được nối lại với nhau bằng một đường truyền vật lý theo một kiến trúc nào đó. Mạng có thể có kiến trúc đơn giản như hình dưới đây: 6/244 Mạng cục bộ đơn giản Hoặc phức tạp hơn đó là hệ thống gồm nhiều mạng đơn giản nối lại với nhau như hình sau: Một hệ thống mạng tổng quát được cấu thành từ 3 thành phần: • Đường biên mạng ( Network Edge): Gồm các máy tính (Host) và các chương trình ứng dụng mạng (Network Application) • Đường trục mạng ( Network Core): Gồm các bộ chọn đường (router) đóng vài trò là một mạng trung tâm nối kết các mạng lại với nhau. • Mạng truy cập, đường truyền vật lý (Access Network , physical media): Gồm các đường truyền tải thông tin. Mạng diện rộng phức tạp Đường biên mạng Bao gồm các máy tính (Host) trên mạng nơi thực thi các chương trình ứng dụng mạng (Network Application). Đôi khi người ta còn gọi chúng là các Hệ thống cuối (End Systems) với ý nghĩa đây chính là nơi xuất phát của thông tin di chuyển trên mạng, cũng như là điểm dừng của thông tin. 7/244 Quá trình trao đổi thông tin giữa hai máy tính trên mạng có thể diễn ra theo hai mô hình: Mô hình Khách hàng / Người phục vụ (Client / server model) hay Mô hình ngang hàng (peer-to-peer model). Đường biên mạng Mô hình khách hàng/người phục vụ (client/server): Trong mô hình này một máy tính sẽ đóng vai trò là client và máy tính kia đóng vai trò là server. Máy tính client sẽ gởi các yêu cầu (request) đến máy tính server để yêu cầu server thực hiện công việc gì đó. Chẳng hạn khi người dùng duyệt web trên mạng Internet, trình duyệt web sẽ gởi yêu cầu đến web server đề nghị web server gởi về trang web tương ứng. Máy tính server khi nhận được một yêu cầu từ client gởi đến sẽ phân tích yêu cầu để hiểu được client muốn đều gì, để thực hiện đúng yêu cầu của client. Server sẽ gởi kết quả về cho client trong các thông điệp trả lời (reply). Ví dụ, khi web server nhận được một yêu cầu gởi đến từ trình duyệt web, nó sẽ phân tích yêu cầu để xác định xem client cần nhận trang web nào, sau đó mở tập tin html tương ứng trên đĩa cứng cục bộ của nó để gởi về trình duyệt web trong thông điệp trả lời. Một số ứng dụng được xây dựng theo mô hình client / server như: www, mail, ftp,... Mô hình ngang cấp (peer-to-peer): Trong mô hình này, một máy tính vừa đóng vai trò là client, vừa đóng vai trò là server. Một số ứng dụng thuộc mô hình này như: Gnutella, KaZaA 8/244 Đường trục mạng Mạng đường trục Là hệ thống mạng của các bộ chọn đường (routers), làm nhiệm vụ chọn đường và chuyển tiếp thông tin, đảm bảo sự trao đổi thông tin thông suốt giữa hai máy tính nằm trên hai nhánh mạng cách xa nhau. Câu hỏi đặt ra là làm sao thông tin có thể được truyền đi trên mạng? Người ta có thể sử dụng một trong hai chế độ truyền tải thông tin là: Chuyển mạch (circuit switching) và chuyển gói (packet switching). Chuyển mạch (circuit switching) Mạng chuyển mạch Chế độ này hoạt động theo mô hình của hệ thống điện thoại. Để có thể giao tiếp với máy B, máy A phải thực hiện một cuộc gọi (call). Nếu máy B chấp nhận cuộc gọi, một kênh ảo được thiết lập dành riêng cho thông tin trao đổi giữa A và B. 9/244 Tất cả các tài nguyên được cấp cho cuộc gọi này như băng thông đường truyền, khả năng của các bộ hoán chuyển thông tin đều được dành riêng cho cuộc gọi, không chia sẻ cho các cuộc gọi khác, mặc dù có những khoảng lớn thời gian hai bên giao tiếp “im lặng”. Tài nguyên (băng thông) sẽ được chia thành nhiều những “phần” bằng nhau và sẽ gán cho các cuộc gọi. Khi cuộc gọi sở hữu một “phần” tài nguyên nào đó, mặc dù không sử dụng đến nó cũng không chia sẻ tài nguyên này cho các cuộc gọi khác. Việc phân chia băng thông của kênh truyền thành những “phần” có thể được thực hiện bằng một trong hai kỹ thuật: Phân chia theo tần số (FDMA-Frequency Division Multi Access ) hay phân chia theo thời gian (TDMA- Time Division Multi Access). Mạng chuyển gói Mạng chuyển gói Trong phương pháp này, thông tin trao đổi giữa hai máy tính (end systems) được phân thành những gói tin (packet) có kích thước tối đa xác định. Gói tin của những người dùng khác nhau ( ví dụ của A và B) sẽ chia sẻ nhau băng thông của kênh truyền. Mỗi gói tin sẽ sử dụng toàn bộ băng thông của kênh truyền khi nó được phép. Điều này sẽ dẫn đến tình trạng lượng thông tin cần truyền đi vượt quá khả năng đáp ứng của kênh truyền. Trong trường hợp này, các router sẽ ứng sử theo giải thuật lưu và chuyển tiếp (store and forward), tức lưu lại các gói tin chưa gởi đi được vào hàng đợi chờ cho đến khi kênh truyền rãnh sẽ lần lượt gởi chúng đi. So sánh mạng chuyển mạch và mạng chuyển gói Chuyển gói cho phép có nhiều người sử dụng mạng hơn: 10/244 Chia sẻ đường truyền trong mạng chuyển gói Giả sử: • Một đường truyền 1 Mbit • Mỗi người dùng được cấp 100Kbps khi truy cập “active” • Thời gian active chiếm 10% tổng thời gian. Khi đó: • circuit-switching: cho phép tối đa 10 users • packet switching: cho phép 35 users, (xác suất có hơn 10 “active” đồng thời là nhỏ hơn 0.004) Chuyển gói: • Thích hợp cho lượng lưu thông dữ liệu lớn nhờ cơ chế chia sẻ tài nguyên và không cần thiết lập cuộc. • Cần có cơ chế điều khiển tắt nghẽn và mất dữ liệu. • Không hỗ trợ được cơ chế chuyển mạch để đảm bảo tăng băng thông cố định cho một số ứng dụng về âm thanh và hình ảnh. Mạng truy cập 11/244 Mạng truy cập Cho phép nối các máy tính vào các router ngoài biên. Nó có thể là những loại mạng sau: • Mạng truy cập từ nhà, ví dụ như sử dụng hình thức modem dial qua đường điện thoại hay đường ADSL. • Mạng cục bộ cho các công ty, xí nghiệp. • Mạng không dây. Các lợi ích của mạng máy tính Mạng tạo khả năng dùng chung tài nguyên cho các người dùng. Vấn đề là làm cho các tài nguyên trên mạng như chương trình, dữ liệu và thiết bị, đặc biệt là các thiết bị đắt tiền, có thể sẵn dùng cho mọi người trên mạng mà không cần quan tâm đến vị trí thực của tài nguyên và người dùng. Về mặt thiết bị, các thiết bị chất lượng cao thường đắt tiền, chúng thường được dùng chung cho nhiều người nhằm giảm chi phí và dễ bảo quản. Về mặt chương trình và dữ liệu, khi được dùng chung, mỗi thay đổi sẽ sẵn dùng cho mọi thành viên trên mạng ngay lập tức. Điều này thể hiện rất rõ tại các nơi như ngân hàng, các đại lý bán vé máy bay... Mạng cho phép nâng cao độ tin cậy. Khi sử dụng mạng, có thể thực hiện một chương trình tại nhiều máy tính khác nhau, nhiều thiết bị có thể dùng chung. Điều này tăng độ tin cậy trong công việc vì khi có máy tính hoặc thiết bị bị hỏng, công việc vẫn có thể tiếp tục với các máy tính hoặc thiết bị khác trên mạng trong khi chờ sửa chữa. Mạng giúp cho công việc đạt hiệu suất cao hơn. Khi chương trình và dữ liệu đã dùng chung trên mạng, có thể bỏ qua một số khâu đối chiếu không cần thiết. Việc điều chỉnh chương trình (nếu có) cũng tiết kiệm thời gian hơn do chỉ cần cài đặt lại trên một máy. Về mặt tổ chức, việc sao chép dữ liệu phòng hờ tiện lợi hơn do có thể giao cho chỉ một người thay vì mọi người phải tự sao chép phần của mình. 12/244 Tiết kiệm chi phí. Việc dùng chung các thiết bị ngoại vi cho phép giảm chi phí trang bị tính trên số người dùng. Về phần mềm, nhiều nhà sản xuất phần mềm cung cấp cả những ấn bản cho nhiều người dùng, với chi phí thấp hơn tính trên mỗi người dùng. Tăng cường tính bảo mật thông tin. Dữ liệu được lưu trên các máy phục vụ tập tin (file server) sẽ được bảo vệ tốt hơn so với đặt tại các máy cá nhân nhờ cơ chế bảo mật của các hệ điều hành mạng. Việc phát triển mạng máy tính đã tạo ra nhiều ứng dụng mới Một số ứng dụng có ảnh hưởng quan trọng đến toàn xã hội: khả năng truy xuất các chương trình và dữ liệu từ xa, khả năng thông tin liên lạc dễ dàng và hiệu quả, tạo môi trường giao tiếp thuận lợi giữa những người dùng khác nhau, khả năng tìm kiếm thông tin nhanh chóng trên phạm vi toàn thế giới,... 13/244 Chương 2: Các thành phần của mạng máy tính Các thành phần của mạng máy tính Phần cứng mạng máy tính Phân loại mạng máy tính theo kỹ thuật truyền tin Dựa theo kỹ thuật truyền tải thông tin, người ta có thể chia mạng thành hai loại là Mạng quảng bá (Broadcast Network) và mạng điểm nối điểm (Point – to – point Network) Mạng quảng bá Trong hệ thống mạng quảng bá chỉ tồn tại một kênh truyền được chia sẻ cho tất cả các máy tính. Khi một máy tính gởi tin, tất cả các máy tính còn lại sẽ nhận được tin đó. Tại một thời điểm chỉ cho phép một máy tính được phép sử dụng đường truyền. Mạng điểm nối điểm Trong hệ thống mạng này, các máy tính được nối lại với nhau thành từng cặp. Thông tin được gởi đi sẽ được truyền trực tiếp từ máy gởi đến máy nhận hoặc được chuyển tiếp qua nhiều máy trung gian trước khi đến máy tính nhận. Phân loại mạng máy tính theo phạm vị địa lý Trong cách phân loại này người ta chú ý đến đại lượng Đường kính mạng chỉ khoảng cách của hai máy tính xa nhất trong mạng. Dựa vào đại lượng này người ta có thể phân mạng thành các loại sau: 14/244 Mạng cục bộ Đây là mạng thuộc loại mạng quảng bá, sử dụng một đường truyền có tốc độ cao, băng thông rộng, có hình trạng (topology) đơn giản như mạng hình bus, mạng hình sao (Star topology), mạng hình vòng (Ring topology). Mạng hình bus Mạng hình Bus Tất cả các máy tính được nối lại bằng một dây dẫn (Cáp đồng trục gầy hoặc đồng trục béo). Khi một trong số chúng thực hiện truyền tin, tín hiệu sẽ lan truyền đến tất cả các máy tính còn lại. Nếu có hai máy tính truyền tin cùng một lúc thì sẽ dẫn đến tình trạng đụng độ và trạng thái lỗi xẩy ra. Mạng hình sao Mạng hình sao Các máy tính được nối trực tiếp vào một Bộ tập trung nối kết, gọi là Hub. Dữ liệu được chuyển qua Hub trước khi đến các máy nhận. Hub có nhiều cổng (port), mỗi cổng cho 15/244 phép một máy tính nối vào. Hub đóng vai trò như một bộ khuyếch đại (repeater). Nó khuyếch đại tín hiệu nhận được trước khi truyền lại tín hiệu đó trên các cổng còn lại. Ưu điểm của mạng hình sao là dễ dàng cài đặt, không dừng mạng khi nối thêm vào hoặc lấy một máy tính ra khỏi mạng, cũng như dễ dàng phát hiện lỗi. So với mạng hình Bus, mạng hình sao có tín ổn định cao hơn. Tuy nhiên nó đòi hỏi nhiều dây dẫn hơn so với mạng hình bus. Toàn mạng sẽ bị ngưng hoạt động nếu Hub bị hư. Chi phí đầu tư mạng hình sao cao hơn mạng hình Bus. Mạng hình vòng Mạng hình vòng Tồn tại một thẻ bài (token: một gói tin nhỏ) lần lượt truyền qua các máy tính. Một máy tính khi truyền tin phải tuân thủ nguyên tắc sau: • • • • Chờ cho đến khi token đến nó và nó sẽ lấy token ra khỏi vòng tròn. Gởi gói tin của nó đi một vòng qua các máy tính trên đường tròn. Chờ cho đến khi gói tin quay về Đưa token trở lại vòng tròn để nút bên cạnh nhận token Mạng đô thị Mạng đô thị 16/244 Mạng MAN được sử dụng để nối tất cả các máy tính trong phạm vi toàn thành phố. Ví dụ như mạng truyền hình cáp trong thành phố. Mạng diện rộng Mạng diện rộng Mạng LAN và mạng MAN thông thường không sử dụng các thiết bị chuyển mạch, điều đó hạn chế trong việc mở rộng phạm vi mạng về số lượng máy tính và khoảng cách. Chính vì thế mạng diện rộng được phát minh. Trong một mạng WAN, các máy tính (hosts)được nối vào một mạng con (subnet) hay đôi khi còn gọi là đường trục mạng (Backbone), trong đó có chứa các bộ chọn đường (routers) và các đường truyền tải (transmission lines). Lưu và chuyển tiếp trong mạng WAN Các Routers thông thường có nhiệm vụ lưu và chuyển tiếp các gói tin mà nó nhận được theo nguyên lý cơ bản sau: Các gói tin đến một router sẽ được lưu vào trong một hàng chờ, kế đến router sẽ quyết định nơi gói tin cần phải đến và sau đó sẽ chuyển gói tin lên đường đã được chọn. Mạng không dây Nếu phân biệt mang theo tiêu chí hữu tuyến hay vô tuyến thì ta có thêm các loại mạng không dây sau: Nối kết hệ thống (System interconnection) 17/244 Mạng này nhằm mục đích thay thế hệ thống cáp nối kết các thiết bị cục bộ vào máy tính như màn hình, bàn phím, chuột, phone, loa ,.... (a) Thiết bị không dây, (b) Mạng cục bộ không dây Mạng cục bộ không dây (Wireless LANs): Tất cả các máy tính giao tiếp với nhau thông qua một trạm cơ sở (Base Station) được nối bằng cáp vào hệ thống mạng. Mạng diện rộng không dây (Wireless WANs): Thông thường mạng điện thoại di động số thuộc dạng này. Với các công nghệ mới cho phép băng thông mạng có thể đạt đến 50 Mbps với khoảng cách vài kilomet Mạng diện rộng không dây Trong hình (a ) các máy tính sử dụng công nghệ mạng vô tuyến để nối kết với router. Ngược lại trong hình (b), các máy tính được nối bằng đường dây hữu tuyến với một router, để từ đó router sử dụng kỹ thuật vô tuyến để liên lạc với các router khác. Liên mạng (Internetwork) Thông thường một mạng máy tính có thể không đồng nhất ( homogeneous), tức có sự khác nhau về phần cứng và phần mềm giữa các máy tính. Trong thực tế ta chỉ có thể xây 18/244 dựng được các mạng lớn bằng cách liên nối kết (interconnecting) nhiều loại mạng lại với nhau. Công việc này được gọi là liên mạng (Internetworking). Ví dụ: • Nối kết một tập các mạng LAN có kiểu khác nhau như dạng Bus với dạng vòng của một công ty. • Nối các mạng LAN lại với nhau nhờ vào một mạng diện rộng, lúc đó mạng WAN đóng vai trò là một Subnet. • Nối các mạng WAN lại với nhau hình thành mạng WAN lớn hơn. Liên mạng lớn nhất hiện nay là mạng toàn cầu Internet. Phần mềm mạng Đây là thành phần quan trọng thật sự làm cho mạng máy tính vận hành chứ không phải là phần cứng. Phần mềm mạng được xây dựng dựa trên nền tảng của 3 khái niệm là giao thức (protocol), dịch vụ (service) và giao diện (interface). • Giao thức (Protocol): Mô tả cách thức hai thành phần giao tiếp trao đổi thông tin với nhau. • • Dịch vụ (Services): Mô tả những gì mà một mạng máy tính cung cấp cho các thành phần muốn giao tiếp với nó. • Giao diện (Interfaces): Mô tả cách thức mà một khách hàng có thể sử dụng được các dịch vụ mạng và cách thức các dịch vụ có thể được truy cập đến. Cấu trúc thứ bậc của giao thức Nền tảng cho tất cả các phần mềm làm cho mạng máy tính hoạt động chính là khái niệm kiến trúc thứ bậc của giao thức (protocol hierachies). Nó tổ chức các dịch vụ mà một mạng máy tính cung cấp thành các tầng/lớp (layers) Hai thành phần bộ phận ở hai máy tính khác nhau, nhưng ở cùng cấp, chúng luôn luôn thống nhất với nhau về cách thức mà chúng sẽ trao đổi thông tin. Qui tắc trao đổi thông tin này được mô tả trong một giao thức (protocol). Một hệ mạng truyền tải dữ liệu thường được thiết kế dưới dạng phân tầng. Để minh họa ý nghĩa của nó ta xem xét mô hình hoạt động của hệ thống gởi nhận thư tín thế giới. Hai đối tác A ở Paris và B ở Thành phố Cần Thơ thường xuyên trao đổi thư từ với nhau. Vì A không thể nói tiếng Việt và B không thể nói tiếng Pháp, trong khi đó cả hai có thể hiểu tiếng Anh, cho nên nó được chọn là ngôn ngữ để trao đổi thư từ, văn bản giữa A và 19/244 B. Cả hai gởi thư từ cơ quan của họ. Trong công ty có bộ phận văn thư lãnh trách nhiệm tập hợp và gởi tất cả các thư của công ty ra bưu điện. Tiến trình A gởi cho B một lá thư diễn ra như sau: 1. A viết một lá thư bằng tiếng Pháp bằng bút máy của anh ta. 2. A đưa lá thư cho thư ký, biết tiếng Anh để thông dịch lá thư ra tiếng Anh, sau đó bỏ lá thư vào bao thư với địa chỉ người nhận là địa chỉ của B. 3. Nhân viên của bộ phận văn thư chịu trách nhiệm thu thập thư của công ty ghé qua văn phòng của A để nhận thư cần gởi đi. 4. Bộ phận văn thư thực hiện việc phân loại thư và dán tem lên các lá thư bằng một máy dán tem. 5. Lá thư được gởi đến bưu điện ở Paris. 6. Lá thư được ô tô chuyển đến trung tâm phân loại ở Paris. 7. Những lá thư gởi sang Việt Nam được chuyển đến sân bay ở Paris bằng tàu điện ngầm. 8. Lá thư gởi sang Việt nam được chuyển đến sân bay Tân Sơn Nhất (Thành Phố Hồ Chí Minh) bằng máy bay. 9. Thư được ô tô chở đến trung tâm phân loại thư của Thành Phố Hồ Chí Minh. 10. Thư cho cơ quan của B được chuyển về Bưu điện Cần Thơ bằng ô tô. 11. Thư cho cơ quan của B được chuyển đến công ty của B bằng ô tô. 12. Bộ phận văn thư của công ty của B tiến hành phân loại thư. 13. Thư được phát vào một giờ đã định đến các người nhận, trong trường hợp này có văn phòng của B. 14. Thư ký của B mở thư ra và dịch nội dung lá thư gởi cho B sang tiếng Việt. 15. B đọc lá thư của A đã gởi cho anh ta. Ta có thể tóm tắt lại tiến trình trên bằng một mô hình phân tầng với các nút của mạng thư tín này như sau: 20/244 Mô hình gởi nhận thư tín thế giới Trong mô hình trên,mỗi tầng thì dựa trên tầng phía dưới. Ví dụ, các phương tiện của giao thông của tầng như ô tô, tàu hỏa, máy bay (của tầng liên kết dữ liệu) tầng vận chuyển thì cần hạ tầng cơ sở như đường ô tô, đường sắt, sân bay (của tầng vật lý). Đối với mỗi tầng, các chức năng được định nghĩa là các dịch vụ cung cấp cho tầng phía trên nó. Các đường thẳng màu đỏ trong sơ đồ xác định các dịch vụ được cung cấp bởi các tầng khác nhau. Thêm vào đó, các chức năng của từng tầng tương ứng với các luật được gọi là các giao thức (Protocols). Ví dụ về cấu trúc thứ bậc của giao thức Xem xét một ví dụ khác liên quan đến hệ thống truyền tập tin từ máy tính X sang máy Y. Hai máy này được nối với nhau bởi một dây cáp tuần tự. Chúng ta xem xét một mô hình gồm 3 tầng: • Người sử dụng muốn truyền một tập tin sẽ thực hiện một lời gọi đến tầng A nhờ vào một hàm đã được định nghĩa sẵn, send_file(fileName, destination). Trong đó fileName là tập tin cần truyền đi, destination là điạ chỉ của máy tính nhận tập tin. • Tầng A phân chia tập tin thành nhiều thông điệp và truyền từng thông điệp nhờ lệnh send_message(MessageNo, destination) do tầng B cung cấp. • Tầng B quản lý việc gởi các thông điệp, đảm nhiệm việc phân chia các thông điệp thành nhiều đơn vị truyền tin, gọi là các khung (frame); gởi các khung giữa X và Y tuân theo luật đã định trước (protocol) như tần suất gởi, điều khiển luồng, chờ báo nhận của bên nhận, điều khiển lỗi. 21/244 A : Tầng ứng dụng B : Tầng quản lý thông điệp C : Tầng vật lý • Tầng B giao cho tầng C một chuỗi các bit mà chúng sẽ được truyền lên đường truyền vật lý, không quan tâm gì về ý nghĩa của các bit, để đến nơi nhận. Thông tin được truyền trên một kênh truyền đơn giản hoặc phức tạp và được định hướng đến nơi nhận. Bên nhận thực hiện ngược lại tiến trình của bên gởi. Cả bên nhận và bên gởi cùng có số lần gởi/nhận giống nhau. Đơn vị truyền dữ liệu qua các tầng Ta cũng chú ý rằng, kích thước của các đơn vị truyền tin trong từng tầng là khác nhau. Ở tầng A đơn vị là một tập tin. Tầng B, đơn vị truyền tin là các khung theo một cấu trúc đã được định nghĩa. Tầng C, đơn vị truyền tin là các tín hiện được truyền trên đường truyền vật lý. Dịch vụ mạng Hầu hết các tầng mạng đều cung cấp một hoặc cả hai kiểu dịch vụ: Định hướng nối kết và Không nối kết. • Dịch vụ định hướng nối kết (Connection-oriented): Đây là dịch vụ vận hành theo mô hình của hệ thống điện thoại. Đầu tiên bên gọi phải thiết lập một nối kết, kế đến thực hiện nhiều cuộc trao đổi thông tin và cuối cùng thì giải phóng nối kết. • • Dịch vụ không nối kết (Connectionless): Đây là dịch vụ vận hành theo mô hình kiểu thư tín. Dữ liệu của bạn trước tiên được đặt vào trong một bao thư trên đó có ghi rõ địa chỉ của người nhận và địa chỉ của người gởi. Sau đó sẽ gởi cả bao thư và nội dung đến người nhận. Một số những dịch vụ thường được cung cấp ở mỗi tầng mạng cho cả hai loại có nối kết và không nối kết được liệt kê ở bảng dưới đây: 22/244 Mỗi loại dịch vụ được cung cấp với chất lượng khác nhau. Các loại dịch vụ có nối kết thường đảm bảo thứ tự đến nơi của thông tin như thứ tự chúng đã được gởi đi, cũng như đảm bảo dữ liệu luôn đến nơi. Hai điều này thường không được đảm bảo trong các dịch vụ loại không nối kết. Các phép toán của dịch vụ Một dịch vụ thường được mô tả bằng một tập hợp các hàm cơ bản (primitives) hay đôi khi còn gọi là các tác vụ (operations) sẵn có cho các khách hàng sử dụng. Một số các hàm cơ bản thường có cho một dịch vụ định hướng nối kết như sau: Hàm cơ bản Chức năng LISTEN Nghẽn để chờ một yêu cầu nối kết gởi đến CONNECT Yêu cầu thiết lập nối kết với bên muốn giao tiếp RECIEVE Nghẽn để chờ nhận các thông điệp gởi đến SEND Gởi thông điệp sang bên kia DISCONNECT Kết thúc một nối kết Quá trình trao đổi thông tin giữa Client, người có nhu cầu sử dụng dịch vụ và server, người cung cấp dịch vụ được thực hiện bằng cách sử dụng các hàm cơ sở trên được mô tả như kịch bản sau: 23/244 Mô hình dịch vụ có nối kết Sự khác biệt giữa dịch vụ và giao thức Giao thức và dịch vụ là hai nền tảng rất quan trọng trong việc thiết kết và xây dựng một hệ thống mạng. Cần hiểu rõ ý nghĩa và phân biệt sự khác biệt giữa chúng. • Dịch vụ: là một tập các phép toán mà một tầng cung cấp cho tầng phía trên của nó gọi sử dụng. • Giao thức: là một tập các luật mô tả khuôn dạng dữ liệu, ý nghĩa của các gói tin và thứ tự các gói tin được sử dụng trong quá trình giao tiếp. • Chú ý: Cùng một service có thể được thực hiện bởi các protocol khác nhau; mỗi protocol có thể được cài đặt theo một cách thức khác nhau ( sử dụng cấu trúc dữ liệu khác nhau, ngôn ngữ lập trình là khác nhau, vv...) Quan hệ giữa dịch vụ và giao thức 24/244 Mô hình tham khảo OSI Để dễ dàng cho việc nối kết và trao đổi thông tin giữa các máy tính với nhau, vào năm 1983, tổ chức tiêu chuẩn thế giới ISO đã phát triển một mô hình cho phép hai máy tính có thể gởi và nhận dữ liệu cho nhau. Mô hình này dựa trên tiếp cận phân tầng (lớp), với mỗi tầng đảm nhiệm một số các chức năng cơ bản nào đó. Để hai máy tính có thể trao đổi thông tin được với nhau cần có rất nhiều vấn đề liên quan. Ví dụ như cần có Card mạng, dây cáp mạng, điện thế tín hiệu trên cáp mạng, cách thức đóng gói dữ liệu, điều khiển lỗi đường truyền vv... Bằng cách phân chia các chức năng này vào những tầng riêng biệt nhau, việc viết các phần mềm để thực hiện chúng trở nên dễ dàng hơn. Mô hình OSI giúp đồng nhất các hệ thống máy tính khác biệt nhau khi chúng trao đổi thông tin. Mô hình này gồm có 7 tầng: Tầng 7: Tầng ứng dụng (Application Layer) Đây là tầng trên cùng, cung cấp các ứng dụng truy xuất đến các dịch vụ mạng. Nó bao gồm các ứng dụng của người dùng, ví dụ như các Web Browser (Netscape Navigator, Internet Explorer ), các Mail User Agent (Outlook Express, Netscape Messenger, ...) hay các chương trình làm server cung cấp các dịch vụ mạng như các Web Server (Netscape Enterprise, Internet Information Service, Apache, ...), Các FTP Server, các Mail server (Send mail, MDeamon). Người dùng mạng giao tiếp trực tiếp với tầng này. Tầng 6: Tầng trình bày (Presentation Layer) Tầng này đảm bảo các máy tính có kiểu định dạng dữ liệu khác nhau vẫn có thể trao đổi thông tin cho nhau. Thông thường các mày tính sẽ thống nhất với nhau về một kiểu định dạng dữ liệu trung gian để trao đổi thông tin giữa các máy tính. Một dữ liệu cần gởi đi sẽ được tầng trình bày chuyển sang định dạng trung gian trước khi nó được truyền lên mạng. Ngược lại, khi nhận dữ liệu từ mạng, tầng trình bày sẽ chuyển dữ liệu sang định dạng riêng của nó. Tầng 5: Tầng giao dịch (Session Layer) Tầng này cho phép các ứng dụng thiết lập, sử dụng và xóa các kênh giao tiếp giữa chúng (được gọi là giao dịch). Nó cung cấp cơ chế cho việc nhận biết tên và các chức năng về bảo mật thông tin khi truyền qua mạng. Tầng 4: Tầng vận chuyển (Transport Layer) Tầng này đảm bảo truyền tải dữ liệu giữa các quá trình. Dữ liệu gởi đi được đảm bảo không có lỗi, theo đúng trình tự, không bị mất mát, trùng lắp. Đối với các gói tin có kích 25/244 thước lớn, tầng này sẽ phân chia chúng thành các phần nhỏ trước khi gởi đi, cũng như tập hợp lại chúng khi nhận được. Tầng 3: Tầng mạng (Network Layer) Tầng này đảm bảo các gói tin dữ liệu (Packet) có thể truyền từ máy tính này đến máy tính kia cho dù không có đường truyền vật lý trực tiếp giữa chúng. Nó nhận nhiệm vụ tìm đường đi cho dữ liệu đến các đích khác nhau trong mạng. Tầng 2: Tầng liên kết dữ liệu (Data-Link Layer) Tầng này đảm bảo truyền tải các khung dữ liệu (Frame) giữa hai máy tính có đường truyền vật lý nối trực tiếp với nhau. Nó cài đặt cơ chế phát hiện và xử lý lỗi dữ liệu nhận. Tầng 1: Tầng vật ký (Physical Layer) Điều khiển việc truyền tải thật sự các bit trên đường truyền vật lý. Nó định nghĩa các tín hiệu điện, trạng thái đường truyền, phương pháp mã hóa dữ liệu, các loại đầu nối được sử dụng. Về nguyên tắc, tầng n của một hệ thống chỉ giao tiếp, trao đổi thông tin với tầng n của hệ thống khác. Mỗi tầng sẽ có các đơn vị truyền dữ liệu riêng: • • • • Tầng vật lý: bit Tầng liên kết dữ liệu: Khung (Frame) Tầng Mạng: Gói tin (Packet) Tầng vận chuyển: Đoạn (Segment) Xử lý dữ liệu qua các tầng Trong thực tế, dữ liệu được gởi đi từ tầng trên xuống tầng dưới cho đến tầng thấp nhất của máy tính gởi. Ở đó, dữ liệu sẽ được truyền đi trên đường truyền vật lý. Mỗi khi dữ liệu được truyền xuống tầng phía dưới thì nó bị "gói" lại trong đơn vị dữ liệu của tầng 26/244 dưới. Tại bên nhận, dữ liệu sẽ được truyền ngược lên các tầng cao dần. Mỗi lần qua một tầng, đơn vị dữ liệu tương ứng sẽ được tháo ra. Đơn vị dữ liệu của mỗi tầng sẽ có một tiêu đề (header) riêng. OSI chỉ là mô hình tham khảo, mỗi nhà sản xuất khi phát minh ra hệ thống mạng của mình sẽ thực hiện các chức năng ở từng tầng theo những cách thức riêng. Các cách thức này thường được mô tả dưới dạng các chuẩn mạng hay các giao thức mạng. Như vậy dẫn đến trường hợp cùng một chức năng nhưng hai hệ thống mạng khác nhau sẽ không tương tác được với nhau. Hình dưới sẽ so sánh kiến trúc của các hệ điều hành mạng thông dụng với mô hình OSI. Để thực hiện các chức năng ở tầng 3 và tầng 4 trong mô hình OSI, mỗi hệ thống mạng sẽ có các protocol riêng: • UNIX: Tầng 3 dùng giao thức IP, tầng 4 giao thức TCP/UDP • Netware: Tầng 3 dùng giao thức IPX, tầng 4 giao thức SPX • Microsoft định nghĩa giao thức NETBEUI để thực hiện chức năng của cả tầng 3 và tầng 4 Nếu chỉ dừng lại ở đây thì các máy tính UNIX, Netware và NT sẽ không trao đổi thông tin được với nhau. Với sự lớn mạnh của mạng Internet, các máy tính cài đặt các hệ điều hành khác nhau đòi hỏi phải giao tiếp được với nhau, tức phải sử dụng chung một giao thức. Đó chính là bộ giao thức TCP/IP, giao thức của mạng Internet. Kiến trúc của một số hệ điều hành mạng thông dụng 27/244 Chương 3: Tổng quan về tầng vật lý của hệ thống mạng máy tính Giới thiệu tầng vật lý của hệ thống truyền dữ liệu Giới thiệu mô hình của một hệ thống truyền dữ liệu đơn giản Về cơ bản, một hệ thống mạng truyền dữ liệu đơn giản nhất được mô tả như sau: Hệ thống truyền dữ liệu đơn giản Trong mô hình trên, dữ liệu gồm có văn bản, hình ảnh, âm thanh, phim ảnh cần được số hóa dưới dạng nhị phân (bit 0, 1) để dễ dàng cho xử lý và truyền tải. Thiết bị truyền được nối với thiết bị nhận bằng một đường truyền hữu tuyến hoặc vô tuyến. Truyền tin là quá trình thiết bị truyền gởi đi lần lượt các bit của dữ liệu lên kênh truyền để nó lan truyền sang thiết bị nhận và như thế là dữ liệu đã được truyền đi. Các thiết bị truyền và nhận là các máy tính. Để cho hệ thống này có thể hoạt động được thì các vấn đề sau cần phải được xem xét: • • • • Cách thức mã hóa thông tin thành dữ liệu số. Các loại kênh truyền dẫn có thể sử dụng để truyền tin. Sơ đồ nối kết các thiết bị truyền và nhận lại với nhau. Cách thức truyền tải các bit từ thiết bị truyền sang thiết bị nhận. Hệ thống trên là hệ thống cơ bản nhất cho các hệ thống truyền dữ liệu. Nó thực hiện đầy đủ các chức năng mà tầng vật lý trong mô hình OSI qui định. 28/244 Vấn đề số hóa thông tin Vấn đề số hóa thông tin Thông tin tồn tại dưới nhiều hình thức khác nhau. Để xử lý, mà đặc biệt để truyền tải thông tin ta cần phải mã hóa chúng. Trong thời đại chúng ta, thông tin thường được thể hiện dưới dạng các trang tài liệu hỗn hợp, như các trang web, mà ở đó đồng thời có thể thể hiện văn bản, hình ảnh tĩnh, hình ảnh động, phim ảnh,.... Thông tin thực tế được thể hiện dưới dạng đa phương tiện. Mỗi một loại thông tin sở hữu hệ thống mã hóa riêng, nhưng kết quả thì giống nhau: một chuỗi các số 0 và 1. Việc truyền tải thông tin bao gồm việc truyền tải các bit này. Mô hình mã hóa như sau: Sơ đồ số hóa dữ liệu 29/244 Số hóa văn bản Mã Morse Hệ thống mã hóa đầu tiên liên quan đến văn bản là hệ thống mã Morse, được sử dụng rộng rãi trước khi có máy tính. Đây là một bộ mã nhị phân sử dụng 2 ký tự chấm (.) và gạch (-) để số hóa văn bản (có thể xem tương đương với các bit 0 và 1). Tuy nhiên nó có nhiều điểm bất lợi sau: • Nghèo nàn: ít các ký tự được mã hóa; • Nó sử dụng sự phối hợp của các dấu gạch và dấu chấm với độ dài khác nhau, điều này không được tiện lợi đặc biệt cho các ký tự có tần suất xuất hiện giống nhau. Chính vì thế nó không được dùng để số hóa thông tin. Nếu chúng ta qui định rằng số bit dùng để mã hóa cho một ký tự phải bằng nhau thì với p bit ta có thể mã hóa cho 2p ký tự. Hệ thống mã hóa như thế đã được dùng trong quá khứ. Ví dụ : 5 bit: dùng trong hệ thống ATI (Alphabet Télégraphique International) 7 bit : gọi là mã ASCII (American Standard Code for Informatics Interchange) được dùng rộng rãi trong máy tính. 30/244 Mã ASCII chuẩn Bảng mã này có cả các ký tự không in được gọi là các ký tự điều khiển được dùng để tạo ra các tác vụ trên các thiết bị tin học hay dùng để điều khiển thông tin truyền tải. Bảng mã 8 bits: có mã ASCII mở rộng và mã EBCDIC Vì máy tính lưu thông tin dưới dạng các byte 8 bit nên khi sử dụng mã ASCII 7 bít thì bit có trọng số lớn nhất (vị trí thứ 7) luôn có giá trị là 0. Chúng ta có thể sử dụng bit này để định nghĩa các ký tự đặc biệt bằng cách đặt nó giá trị 1. Và như thế chúng ta có một bảng mã ASCII mở rộng. Tuy nhiên, điều này sẽ dẫn đến việc tồn tại nhiều bảng mã ASCII mở rộng khác nhau làm khó khăn trong việc trao đổi thông tin trên phạm vi toàn thế giới. Mã EBCDIC dùng 8 bits để mã hóa nhờ đó có thể thể hiện được 256 ký tự. Nó được sử dụng trong các máy tính IBM. Tuy nhiên nó không thông dụng như mã ASCII. Mã 16 bits : Mã Unicode Mã này được phát triển gần đây để thỏa mãn nhu cầu trao đổi thông tin giữa những người dùng Web. Nó mã hóa hầu hết tất cả các ký tự của các ngôn ngữ trên thế giới. Nó tương thích với mã ASCII 7 bits ở 127 ký tự đầu tiên. Hiện nay mã Unicode bắt đầu được sử dụng rộng rãi. Số hóa hình ảnh tĩnh Ảnh số thật sự là một ảnh được vẽ nên từ các đường thẳng và mỗi đường thẳng được xây dựng bằng các điểm. Một ảnh theo chuẩn VGA với độ phân giải 640x480 có nghĩa là một ma trận gồm 480 đường ngang và mỗi đường gồm 640 điểm ảnh (pixel). 31/244 Mã hóa hình ảnh tĩnh Một điểm ảnh được mã hóa tùy thuộc vào chất lượng của ảnh: Ảnh đen trắng : sử dụng một bit để mã hóa một điểm : giá trị 0 cho điểm ảnh màu đen và 1 cho điểm ảnh màu trắng. Ảnh gồm 256 mức xám: mỗi điểm được thể hiện bằng một byte (8 bits) ; Ảnh màu: người ta chứng minh rằng một màu là sự phối hợp của ba màu cơ bản là đỏ (Red), xanh lá (Green) và xanh dương (Blue). Vì thế một màu bất kỳ có thể được biểu biễn bởi biểu thức: x = aR + bG +cB Trong đó a, b, c là các lượng của các màu cơ bản. Thông thường một ảnh đẹp sẽ có lượng màu với giá trị từ 0 đến 255. Và như thế, một ảnh màu thuộc loại này được thể hiện bằng 3 ma trận tương ứng cho 3 loại màu cơ bản. Mỗi phần tử của mảng có giá trị của 8 bits. Chính vì thế cần có 24 bit để mã hóa cho một điểm ảnh màu. Kích thước của các ảnh màu là đáng kể, vì thế người ta cần có phương pháp mã hóa để giảm kích thước của các ảnh. Số hóa âm thanh và phim ảnh Dữ liệu kiểu âm thanh và phim ảnh thuộc kiểu tín hiệu tuần tự. Các tín hiệu tuần tự được số hóa theo cách thức sau đây: 32/244 Dung lượng tập tin nhận được phụ thuộc hoàn toàn vào tần số lấy mẫu f và số lượng bit dùng để mã hóa giá trị thang đo p ( chiều dài mã cho mỗi giá trị). 33/244 Các loại kênh truyền dữ liệu Các loại kênh truyền Kênh truyền hữu tuyến Cáp thuộc loại kênh truyền hữu tuyến được sử dụng để nối máy tính và các thành phần mạng lại với nhau. Hiện nay có 3 loại cáp được sử dụng phổ biến là: Cáp xoắn đôi (twisted pair), cáp đồng trục (coax) và cáp quang (fiber optic). Việc chọn lựa loại cáp sử dụng cho mạng tùy thuộc vào nhiều yếu tố như: giá thành, khoảng cách, số lượng máy tính, tốc độ yêu cầu, băng thông Cáp xoắn đôi (Twisted Pair) Cáp xoắn đôi có hai loại: Có vỏ bọc (Shielded Twisted Pair) và không có vỏ bọc (Unshielded Twisted Pair). Cáp xoán đôi có vỏ bọc sử dụng một vỏ bọc đặc biệt quấn xung quanh dây dẫn có tác dụng chống nhiễu. Cáp xoán đôi trở thành loại cáp mạng được sử dụng nhiều nhất hiện nay. Nó hỗ trợ hầu hết các khoảng tốc độ và các cấu hình mạng khác nhau và được hỗ trợ bởi hầu hết các nhà sản xuất thiết bị mạng. (a) Cáp xoắn đôi không có võ bọc – (b) Cáp xoắn đôi có võ bọc Các đặc tính của cáp xoán đôi là: • Được sử dụng trong mạng token ring (cáp loại 4 tốc độ 16MBps), chuẩn mạng Ethernet 10BaseT (Tốc độ 10MBps), hay chuẩn mạng 100BaseT ( tốc độ 100Mbps) • Giá cả chấp nhận được. • UTP thường được sử dụng bên trong các tòa nhà vì nó ít có khả năng chống nhiễu hơn so với STP. • Cáp loại 2 có tốc độ đạt đến 1Mbps (cáp điện thoại) . • Cáp loại 3 có tốc độ đạt đến 10Mbps (Dùng trong mạng Ethernet 10BaseT) (Hình a) • Cáp loại 5 có tốc độ đạt đến 100MBps (dùng trong mạng 10BaseT và 100BaseT) (Hình b) • Cáp loại 5E và loại 6 có tốc độ đạt đến 1000 MBps (dùng trong mạng 1000 BaseT) 34/244 Cáp đồng trục (Coaxial Cable) Cáp đồng trục là loại cáp được chọn lựa cho các mạng nhỏ ít người dùng, giá thành thấp. Có cáp đồng trục gầy (thin coaxial cable) và cáp đồng trục béo (thick coaxial cable) Cáp đồng trục • Cáp đồng trục gầy, ký hiệu RG-58AU, được dùng trong chuẩn mạng Ethernet 10Base2. Cáp đồng trục gầy • Cáp đồng trục béo, ký hiệu RG-11, được dùng trong chuẩn mạng 10Base5 Các loại đầu nối được sử dụng với cáp đồng trục gầy là đầu nối chữ T (T connector), đầu nối BNC và thiết bị đầu cuối (Terminator) Đầu nối chữ T và BNC Cáp quang (Fiber Optic) Cáp quang truyền tải các sóng điện từ dưới dạng ánh sáng. Thực tế, sự xuất hiện của một sóng ánh sáng tương ứng với bit “1”và sự mất ánh sáng tương ứng với bit “0”. Các tín hiệu điện tử được chuyển sang tín hiệu ánh sáng bởi bộ phát, sau đó các tín hiệu ánh sáng sẽ được chuyển thành các sung điện tử bởi bộ nhận. Nguồn phát quang có thể là các đèn LED (Light Emitting Diode) cổ điển, hay các diod laser. Bộ dò ánh sáng có thể là các tế bào quang điện truyền thống hay các tế bào quang điện dạng khối. 35/244 Cấu trúc cáp quang Sự lan truyền tín hiệu được thực hiện bởi sự phản xạ trên bề mặt. Thực tế, tồn tại 3 loại cáp quang. • Chế độ đơn: một tia sáng trên đường truyền tải • Hai chế độ còn lại gọi là chế độ đa: nhiều tia sáng cùng được truyền song song nhau Cáp quang chế độ đơn - chế độ đa không thẩm thấu - chế độ đa thẩm thấu Trong chế độ đơn, chiết suất n2 > n1. Tia laser có bước sóng từ 5 đến 8 micromètres được tập trung về một hướng. Các sợi loại này cho phép tốc độ bit cao nhưng khó xử lý và phức tạp trong các thao tác nối kết. • Chế độ đa không thẩm thấu Các tia sáng di chuyển bằng cách phản xạ giữa bề mặt của 2 môi trường có chiết suất khác nhau (n2>n1) và mất nhiều thời gian hơn để các sóng di chuyển so với chế độ đơn. Độ suy giảm đường truyền từ 30 dB/km đối với các loại cáp thủy tinh và từ 100 dB/km đối với loại cáp bằng chất dẽo. • Chế độ đa bị thẩm thấu Chiết suất tăng dần từ trung tâm về vỏ của ống. Vì thế sự phản xạ trong trường hợp này thì rất nhẹ nhàng. Từ cách đây nhiều năm người ta có thể thực hiện đa hợp trên cùng một sợi quang nhiều thông tin bằng cách dùng các sóng có độ dài khác nhau. Kỹ thuật này được gọi là WDM (Wavelength Division Multiplexing). 36/244 Kênh truyền vô tuyến Kênh truyền vô tuyến thì thật sự tiện lợi cho tất cả chúng ta, đặc biệt ở những địa hình mà kênh truyền hữu tuyến không thể thực hiện được hoặc phải tốn nhiều chi phí (rừng rậm, hải đảo, miền núi). Kênh truyền vô tuyến truyền tải thông tin ở tốc độ ánh sáng. Gọi: • c là tốc độ ánh sáng, • f là tần số của tín hiệu sóng • λ là độ dài sóng. Khi đó ta có c = λf Phân bổ phổ sóng điện từ trên Tín hiệu có độ dài sóng càng lớn thì khoảng cách truyền càng xa mà không bị suy giảm, ngược lại những tín hiệu có tần số càng cao thì có độ phát tán càng thấp. Hình H3.15 mô tả phổ của sóng điện tử được dùng cho truyền dữ liệu. Khoảng tần số càng cao càng truyền tải được nhiều thông tin. 37/244 Đặc điểm các kênh truyền dữ liệu Đặc điểm kênh truyền Phương tiện thường được dùng để truyền tải dữ liệu ( các bits 0,1) từ thiết bị truyền đến thiết bị nhận trên một kênh truyền nhận vật lý là các tín hiệu tuần tự hay tín hiệu số. Truyền tải tín hiệu sóng dạng hình sin Sóng dạng hình sin, không kết thúc hoặc suy giảm sau một khoảng thời gian là dạng tín hiệu tuần tự đơn giản nhất, dễ dàng tạo ra được. Hơn thế nó còn đặc biệt được chú ý đến bởi yếu tố sau: bất kỳ một dạng tín hiệu nào cũng có thể được biểu diễn lại bằng các sóng hình sin. Yếu tố này được rút ra từ một nghiên cứu cụ thể nó cho phép chúng ta có thể định nghĩa một vài đặc điểm của kênh truyền vật lý. Xem xét một kênh truyền, giả sử rằng các điểm nối kết là trực tiếp, không có ngắt quảng, được hình thành từ hai sợi kim loại. Một đoạn của kênh truyền được xem như một đèn 4 cực gồm một điện trở R và một tụ điện C. Mô hình kênh truyền dữ liệu vật lý Tín hiệu hình sin được áp vào giữa các cực (giữa 2 sợi dây) được tín theo biểu thức: vin(t) = Vin sin wt Trong đó 38/244 • Vin : là hiệu điện thế cực đại; • w : nhịp ; f = w/2pi : là tần số; • T = 2pi/w = 1/f : là chu kỳ. Tín hiệu đầu ra sẽ là: vout(t) = Vout sin (wt + F) • Với : F : là độ trễ pha. Mức điện thế ngỏ ra tùy thuộc vào điện thế ngỏ vào và đặc điểm vật lý của đèn bốn cực. Các luật trường điện tử chứng minh rằng trong trường hợp đơn giản nhất ta có: Vout/Vin = (1 + R2C2w2)-1/2 F = atan(-RC w) Ta nhận thấy rằng điện thế ngỏ ra Vout thì yếu hơn điện thế ngỏ vào Vin. Ta nói có một sự giảm thế và một sự lệch phaF giữa hiệu điện thế ngỏ vào và hiệu điện thế ngỏ ra. Nếu ta chồng 2 sóng điện thế ngỏ vào và điện thế ngỏ ra trong một sơ đồ thời gian, ta có kết quả như sau: Cường độĐộ giảm thếTín hiệu vàoTín hiệu raThời gian Sự trể pha và giảm thế của tín hiệu ngỏ ra Độ suy giảm trên kênh truyền A của tín hiệu là một tỷ lệ về công suất Pin/Pout của tín hiệu phát Pin và tín hiệu nhận được Pout. Mỗi công suất được tính với đơn vị là watts. Ta biểu diễn độ suy giảm bằng đơn vị decibel: A(w) = 10 log10(Pin/Pout) 39/244 Truyền tín hiện bất kỳ Lý thuyết toán Fourrier đã chứng minh rằng bất kỳ một tín hiện nào cũng có thể xem như được tạo thành từ một tổng của một số hữu hạn hoặc vô hạn các sóng hình sin. Không đi sâu vào chứng minh ta có kết quả sau: • Một tín hiệu bất kỳ x(t) thì có thể phân tích thành một tập hợp các tín hiệu dạng sóng hình sin. • Nếu là tín hiệu tuần hoàn, thì ta có thể phân tích nó thành dạng một chuỗi Fourier. Thuật ngữ chuỗi ở đây ý muốn nói đến một loạt các sóng hình sin có tần số khác nhau như là các bội số của tần số tối ưu f0. • Nếu tín hiệu không là dạng tuần hoàn, thì ta có thể phân tích nó dưới dạng một bộ Fourier ; với các sóng hình sin có tần số rời rạc. Băng thông của một kênh truyền (Bandwidth) Bởi vì một tín hiệu bất kỳ có thể được xem như là một sự kết hợp của một chuỗi các sóng hình sin, nên ta có thể xem rằng, sự truyền tải một tín hiệu bất kỳ tương đương với việc truyền tải các sóng hình sin thành phần. Vì tần số của chúng là khác nhau, chúng có thể đến nơi với độ suy giảm là khác nhau, một trong số chúng có thể không còn nhận ra được. Nếu ta định nghĩa một ngưỡng còn “nghe” được A0, thì tất cả các tín hiệu hình sin có tần số nhỏ hơn f1 được xem như bị mất. Tương tự các tín hiệu có tần số lớn hơn f2 cũng được xem là bị mất. Những tín hiện có thể nhận ra được ở bên nghe là các tín hiệu có tần số nằm giữa f1 và f2. Khoản tần số này được gọi là băng thông của một kênh truyền. Băng thông WA(db)f 40/244 Băng thông của kênh truyền Nói một các khác, với một tín hiệu phức tạp bất kỳ, tín hiệu này sẽ truyền tải được nếu như tần số của các sóng hình sin thành phần của nó có tần số nằm trong khoảng băng thông của kênh truyền. Chúng ta cũng nhận thấy rằng, băng thông càng lớn thì càng có nhiều tín hiệu được truyền đến nơi. Chính vì thế chúng ta thường quan tâm đến các kênh truyền có băng thông rộng.. Ví dụ :độ rộng băng thông của kênh truyền điện thoại là 3100 Hz vì các tín hiệu âm thanh có thể nghe được nằm ở khoảng tần số từ 300 Hz đến 3400 Hz. Tần số biến điệu và tốc độ dữ liệu (Baund rate and bit rate) Một thông điệp thì được hình thành từ một chuỗi liên tiếp các tín hiệu số hay tuần tự. Mỗi tín hiệu có độ dài thời gian là t. Các tín hiệu này được lan truyền trên kênh truyền với vận tốc 108 m/s trong kênh truyền cáp quang hay 2.106 m/s trong kênh kim loại. Chúng ta thấy rằng tốc độ lan truyền không phải là yếu tố quyết định. Yếu tố quyết định chính là nhịp mà ta đặt tín hiệu lên kênh truyền. Nhịp này được gọi là tần số biến điệu: R = 1/t ( đơn vị là bauds). Nếu thông điệp dạng nhị phân, và mỗi tín hiện chuyển tải n bit, khi đó ta có tốc độ bit được tính như sau: D = nR (đơn vị là bits/s) Giá trị này thể hiện nhịp mà ta đưa các bit lên đường truyền. Ví dụ : Cho hệ thống có R = 1200 bauds và D = 1200 bits/s. Ta suy ra một tín hiện cơ bản chỉ chuyển tải một bit. Một số ví dụ về tần số biến điệu và tốc độ dữ liệu: Ví dụ 1 : Truyền tải các dữ liệu số bằng các tín hiệu tuần tự. 41/244 H3.23 Biến điệu pha DTa sử dụng hai kiểu tín hiệu tuần tự, mỗi loại có độ dài sóng D, sóng thứ nhất có tần số f1, sóng thứ hai có tần số f2 (gấp đôi tần số f1). Cả hai tín hiệu đều có thể nhận được ở ngõ ra. Ta qui định rằng tín hiệu thứ nhất truyền bit “0” và tín hiệu thứ hai truyền bit "1". Nhịp được sử dụng để đưa các tín hiệu lên đường truyền bằng với nhịp truyền các bit bởi vì mỗi tín hiệu thì truyền một bit. Sự phân biệt giữa tín hiệu 0 và 1 dựa trên sự khác biệt về tần số của 2 tín hiệu sin. Sự mã hóa này được gọi là biến điệu tần số. Ví dụ 2 : Truyền dữ liệu số bởi các tín hiệu tuần tự. Trong trường hợp này ta sử dụng 4 loại tín hiệu hình sin lệch pha nhau Pi/4. Mỗi loại tín hiệu có thể vận chuyển 2 bits hoặc 00, 01, 10 hay 11. Với cách thức như thế, tốc độ dữ liệu sẽ gắp đôi tần số biến điệu.Sự phân biệt giữa các tín hiệu trong trường hợp này dự vào pha của tín hiệu. Ta gọi là biến điệu pha. Ví dụ 3 : Truyền tải các dữ liệu số bằng các tín hiệu số. 42/244 Biến điệu biên độ Ta sử dụng 8 tín hiệu số cùng độ dài nhưng có biên độ khác nhau. Mỗi tín hiệu truyền tải 3 bits bởi chúng có thể đại diện cho 8 sự kết hợp khác nhau của 3 bit. Sự phân biệt giữa các tín hiệu trong trường hợp này dựa vào biên độ của các tín hiệu. Ta gọi là biến điệu biên độ. Để có được một tốc độ truyền dữ liệu cao nhất, ta tìm cách cải thiện tốc độ bit. Bởi vì D = n R, ta có thể tăng tốc độ bit bằng cách tăng một trong các yếu tố sau: • Hoặc tăng n (số bit truyền tải bởi một tín hiệu), tuy nhiên nhiễu là một rào cản quan trọng. • Hoặc R( tần số biến điệu), tuy nhiên chúng ta cũng không thể vượt qua tần số biến điệu cực đại Rmax . Kết quả sau đây đã được chứng minh bởi Nyquist (1928) xác định mối ràng buộc giữa tần số biến điệu cực đại và băng thông của kênh truyền W: • Rmax = 2 W, • Kết quả này được tính toán trên lý thuyết, trong thực tế thì Rmax = 1,25 W Nhiễu và khả năng kênh truyền Nhiễu bao gồm các tín hiệu ký sinh chúng chồng lên các tín hiệu được truyền tải và chúng làm cho các tín hiệu này bị biến dạng Nhiễu trên kênh truyền 43/244 Chúng ta có thể phân biệt thành 3 loại nhiễu : • Nhiễu xác định: phụ thuộc vào đặc tính kênh truyền • Nhiễu không xác định • Nhiễu trắng từ sự chuyển động của các điện tử Nhiễu phiền tối nhất dĩ nhiên là loại nhiễu không xác định. Chúng có thể làm thay đổi tín hiệu vào những khoảng thời gian nào đó làm cho bên nhận khó phân biệt được đó là bit “0” hay bit “1”. Chính vì thế mà công suất của tín hiệu nên lớn hơn nhiều so với công suất của nhiễu. Tỷ lệ giữa công suất tín hiệu và công suất nhiễu tính theo đơn vị décibels được biểu diễn như sau : S/B = 10log10(PS(Watt)/PB(Watt)) Trong đó PS và PB là công suất của tín hiệu và công suất của nhiễu. Định lý Shannon (1948) giải thích tầm quan trọng của ty lệ S/B trong việc xác định số bit tối đa có thể chuyên chở bởi một tín hiệu như sau: Kết hợp với định lý của Nyquist, ta có thể suy ra tốc độ bit tối đa của một kênh truyền được tính theo công thức sau: C được gọi là khả năng của kênh truyền , xác định tốc độ bit tối đa có thể chấp nhận được bởi kênh truyền đó. Ví dụ : Kênh truyền điện thoại có độ rộng băng thông là W = 3100 Hz tỷ lệ S/B = 20 dB. Từ đó ta tính được khả năng của kênh truyền điện thoại là : C = 20,6 Kbits/s . 44/244 Giao thông (Traffic) Giao thông là một khái niệm liên quan đến sự sử dụng một kênh truyền tin. Giao thông cho phép biết được mức độ sử dụng kênh truyền từ đó có thể chọn một kênh truyền phù hợp với mức độ sử dụng hiện tại. Để đánh giá giao thông, ta có thể xem một cuộc truyền tải hay một cuộc giao tiếp là một phiên giao dịch (session) với độ dài trung bình là T ( đơn vị là giây). Cho Nc là số lượng phiên giao dịch trung bình trên một giờ. Mật độ giao thông E được tính theo biểu thức sau : E = T Nc / 3600 Nói cách khác, mật độ giao thông là đại lượng dùng để đo mức độ sử dụng kênh truyền trong một giây. Thực tế, khi phân tích kỹ hơn ta sẽ thấy rằng trong một phiên giao dịch sẽ chứa nhiều khoảng im lặng (không dùng kênh truyền), ta có thể phân biệt thành 2 loại phiên giao dịch sau: • Các phiên giao dịch mà ở đó thời gian sử dụng T được sử dụng hết. • Các phiên giao dịch mà ở đó thời gian T có chứa các khoảng im lặng. Trong trường hợp thứ hai, mật độ giao thông thì không phản ánh đúng mức độ bận rộn thật sự của kênh truyền. Ta tách một phiên giao dịch thành nhiều giao dịch (transaction) với độ dài trung bình là p bit, cách khoảng nhau bởi những khoảng im lặng. Giả sử Nt là số giao dịch trung bình trong một phiên giao dịch. Gọi D là tốc độ bit của kênh truyền, tốc độ bit thật sự d trong trường hợp này là: và tần suất sử dụng kênh truyền được định nghĩa bởi tỷ số: 45/244 Ví dụ : Trong một tính toán khoa học từ xa, người dùng giao tiếp với máy tính trung tâm. Cho : • p = 900 bits, Nt = 200, T = 2700 s, Nc = 0.8, D = 1200 b/s. • Khi đó ◦ Mật độ giao thông trung bình là E = 0.6 ◦ Tầng suất sử dụng kênh truyền θ = 0.05 46/244