Bài giảng Mạng máy tính - Chương 1: Các khái niệm cơ bản - Trần Quang Diệu

MẠNG MÁY TÍNHTS. TRẦN QUANG DIỆUNội dungCác khái niệm cơ bảnCác thành phần cơ bản của mạngPhân loại mạng máy tínhCác mô hình kết nối mạngKiến trúc hạ tầng vật lý mạng InternetLịch sử ra đời và phát triển mạng InternetMạng máy tính - Chương 12Mạng máy tính, mạng Internet là gì?Mạng máy tính - Chương 13Hàng triệu thiết bịhosts = Hệ thống đầu cuốiChạy các ứng dụng mạngĐường truyềnCáp quang, Cáp đồng, Sóng radio, Vệ tinh.Tốc độ truyền tải = băng thông (bandwidth)Thiết bị định tuyến:Chuyển các gói tin tới đíchrouters và switcheswiredlinkswirelesslinksroutermobile networkglobal ISPregional ISPhome networkinstitutional networksmartphonePCserverwirelesslaptop1.1. Các khái niệm cơ bản (tt)Mạng máy tính - Chương 14Internet:– Là mạng của các mạngPhân quyền quản lý và kết nối giữa các ISPGiao thứcĐiều khiển quá trình gửi/nhận các thông điệpVd: TCP, IP, HTTP, Skype, 802.11Chuẩn InternetRFC: Request for commentsIETF: Internet Engineering Task Forcemobile networkglobal ISPregional ISPhome networkinstitutional network1.1. Các khái niệm cơ bản (tt)Mạng MT dưới góc độ dịch vụCơ sở hạ tầng viễn thôngCho phép chạy các ứng dụng mạng: Web, VoIP, email, trò chơi, giao dịch điện tử, chia sẽ tệp tinNhững dịch vụ viễn thông cung cấp cho các ứng dụngSự vận chuyển dữ liệu tin cậy từ nguồn tới đích Sự vận chuyển dữ liệu “tốt nhất có thể” (không tin cậy)Mạng máy tính - Chương 15mobile networkglobal ISPregional ISPhome networkinstitutional networkGiao thức là gì?Mạng máy tính - Chương 16Chào anh!Ờ, chào emMấy giờ rồi anh? 9 giờ đúngTCP connectionresponseGET timeTCP connectionrequestGiao thức là gì ? (tt)7Giao thức (protocol) = Cách thức giao tiếp Protocol quy định cấu trúc thông điệp (message), thứ tự thông điệp và cách ứng sử trên mỗi thông điệp trong quá trình gửi/nhận thông tin.Mọi hoạt động của các thực thể mạng đều tuân theo các giao thứcGiao thức là gì ? (tt)Một số giao thức phổ biếnICMP: Internet Control Management ProtocolTCP: Transmission Control ProtocolIP: Internet ProtocolHTTP: Hypertext Transfer ProtocolSMTP: Simple Mail Transfer ProtocolFTP: File Transfer Protocol Tóm lại giao thức mạng sẽ.Định nghĩa khuôn dạng (cú pháp/ngữ nghĩa) thông điệpThủ tục gửi/nhận thông điệpKiểm soát chất lượng đường truyền/Xử lý lỗi81.2. Các thành phần cơ bản của mạngRìa của mạngCác host: clients, serversCác thiết bị đầu cuối khácMôi trường truyền thôngCác liên kết có dây và không dâyLõi của mạng (core)Các thiết bị mạng phục vụ việc kết nối, truyền tải thông tinRouter, switch, gateway9mobile networkglobal ISPregional ISPhome networkinstitutional networkNetwork edge – rìa của mạngMáy tính đầu cuối (hosts)Chạy các ứng dụng mạngVd: Web, Mail,Mô hình khách/chủMáy khách yêu cầu và nhận dịch vụ từ máy chủVd: Trình duyệt web/máy chủ web; máy khách/máy chủ email10mobile networkglobal ISPregional ISPhome networkinstitutional networkKết nối mạng và đường truyềnHỏi: làm sao để kết nối máy đầu cuối vào bộ định tuyến?Truy cập mạng gia đình Truy cập mạng công sở (trường học, công ty) Truy cập mạng di độngLưu ý:Băng thông (số bit/giây) của mạng truy cậpMạng chia sẻ hay mạng chuyên dụng?11Kết nối mạng qua DSLDigital Subcriber line – Đường thuê bao số12central officeISPtelephonenetworkDSLAMvoice, data transmittedat different frequencies overdedicated line to central officeDSLmodemBộ chia tín hiệuDSL access multiplexerSử dụng hạ tầng điện thoại có sẵndata được truyền qua đường DSL vào Internetdữ liệu thoại truyền qua đường DSL vào mạng điện thoại sốTốc độ upload 1Mbps)23Cáp sợi quangSợi thủy tinh truyền xung ánh sáng, mỗi xung là một bit tốc độ cao:truyền tải điểm-điểm với tốc độ cao(vd: 10/100 Gbps)Ít lỗi: bộ lặp tín hiệu được đặt xa nhau; miễn nhiễm với nhiễu sóng điện từ1.2. Các thành phần cơ bản (tt)Môi trường vật lý: Vô tuyến24Tín hiệu được mang trong dải tần số của sóng điện từKhông có “dây dẫn”Chịu ảnh hưởng nhiều từ tác nhân bên ngoài: phản xạ cản trở bởi vật thể giao thoa/nhiễu Phân loại liên kết radio: sóng ngắn (vi ba)lên tới 45 Mbps Wireless LAN (vd: Wifi) 11Mbps, 54 MbpsDiện rộng (vd: mạng di động)công nghệ 3G: ~ 1 MbpsVệ tinh từ vài Kbps tới 45Mbps270 msec độ trễ đầu cuối-đầu cuốiNội dungCác khái niệm cơ bảnCác thành phần cơ bản của mạngPhân loại mạng máy tínhCác mô hình kết nốiKiến trúc hạ tầng vật lý mạng InternetLịch sử ra đời và phát triển mạng Internet251.3. Phân loại mạng máy tínhTheo quy mô mạngMạng cục bộ (LAN – Local Network Area)Mạng đô thi (MAN – Metropolitan Network Area)Mạng diện rộng (WAN – Wide Network Area)Theo kỹ thuật chuyểnMạng chuyển mạch kênh (ảo)Mạng chuyển mạch góiTheo hình cách thức truyền tinMạng quảng bá (broadcast)Mạng điểm-đểm (point-to-point)Multicast261.3. Phân loại mạng (tt)271.3. Phân loại mạng (tt)Mạng LANBăng thông lớn;Kích thước mạng bị giới hạn;Chi phí triển khai lắp đặt rẻ;Quản trị đơn giản.281.3. Phân loại mạng (tt)Mạng MANGần giống như mạng LAN nhưng giới hạn kích thước của nó là một thành phố hay một quốc gia. Mạng MAN kết nối các mạng LAN lại với nhau thông qua môi trường  truyền dẫn và các phương  thức truyền thông khác nhau.Băng thông ở mức trung bình,đủ để phục vụ các ứng dụng cấp thành phố hay quốc gia như chính phủ điện tử,thương mại điện tử,các ứng dụng của các ngân hàngDo MAN kết nối nhiều LAN nên việc quản trị sẽ gặp khó khăn hơn ,đồng thời độ phức tạp cũng tăng theo.Chi phí các thiết bị MAN tương đối đắt tiền291.3. Phân loại mạng (tt)Mạng WANBăng thông thấp, dễ mất kếtnối thường chỉ phù hợp vớicác ứng dụng online nhưemail , FTP,web.Phạm vi hoạt độngkhông giới hạnDo kết nối nhiều LANvà MAN với nhau nênmạng rất phức tạp và cáctổ chức toàn cầu phảiđứng ra quy định vàquản lýChi phí cho các thiết bị và công nghệ WAN rất đắt301.3. Phân loại mạng (tt)Internet là gì?Là mạng của các mạngHàng triệu/hàng tỉ thiết bị/hệ thống đầu cuối Các trạm làm việc (workstation)Các thiết bị PDA, thiết bị sinh hoạt,Hệ thống đường truyền trải khắp toàn cầuRất nhiều thiết bị “định tuyến” phục vụ nhu cầu “vận chuyển” tin tức giữa các nút.Ai sở hữu Internet ?Không của bất cứ tổ chức hay cá nhân nàoInternet được xây dựng và hoạt động theo các chuẩn chung do một số tổ chức quy định và giám sát (IETF, ICANN, InterNIC, IAB, ITU)31Lõi của mạngHàng triệu thiết bị định tuyến kết nối với nhauChuyển mạch các gói (packet) từ đầu gửi đến đầu nhậnchuyển tiếp các gói từ router này tới router kế tiếp(trên trục đường link từ source đến destination)Sử dụng toàn bộ băng thông của đường link khi gửi các packets32Giữ - Chuyển tiếp (Store-and-forward)33sourceR bpsdestination123L bits/packetR bpsThời gian để đẩy 1 packet vào đường link có băng thong R là: L/R (giây)Giữ và chuyển tiếp: Mỗi packet phải được nhận đủ tại bộ chuyển mạch trước khi nó tiếp tục được truyền điĐộ trễ truyền tải = 2*L/R (g/sử độ trễ lan truyền = 0)Ví dụL = 7.5 MbitsR = 1.5 MbpsĐộ trễ truyền tải = 10sChuyển gói – Queueing delay, lossNếu số packet tới vượt quá băng thông của output link :packets sẽ được xếp vào hàng đợi (queue) packets có thể rớt (drop/lost) nếu hàng đợi đầy34ABCR = 100 Mb/sR = 1.5 Mb/sDEhàng đợi gói tinNguyên nhân của delayXử lý tại node mạngKiểm tra lỗiXác định cổng raXếp hàng (hàng đợi)Gói tin đến phải phải chờ vì cổng ra đang bậnĐức độ tắc nghẽn của bộ định tuyếnTrễ do thời thời gian truyền tảiL: độ dài gói tin (bits)R: băng thông đường truyềnThời gian đẩy hết gói tin lên đường truyền = L/RTrễ do thời gian lan truyền tín hiệuTốc độ truyền tín hiệu điện từ khoảng s = 2*108m/sThời gian lan truyền tín hiệu trên đường truyền dài d(m) là d/s35Delay tại node mạngdxl = độ trễ xử lýKhoảng vài micro-giây hoặc ít hơndxl = độ trễ xếp hàngPhụ thuộc vào mức độ tắc nghẽn của mạngdtt = độ trễ truyền tảiPhụ thuộc vào băng thông của mạng L/Rdlt = độ trễ lan truyềnvài microsecs tới vài trăm microsecs36dnode = dxl + dxh + dtt + dltQueueing delayR = băng thông (bps)L = độ dài gói tin (bits)a = tốc độ trung bình gói tinCường độ lưu lượng gói = La/RLa/R ~ 0: độ trễ xếp hàng trung bình thấp La/R -> 1: độ trễ tăng dần La/R > 1: nhiều “công việc” tới hơn là khả năng xử lý, độ trễ trung bình là vô hạn!37Thông lượng (throughput)Thông lượng: tốc độ (bits/đvtg) mà các bit được truyền tải giữa bên gửi và bên nhậnTức thời: tại một thời điểm cụ thểTrung bình: Tốc độ trong 1 khoảng thời gianRs > Rc: Thông lượng toàn tuyến là bao nhiêu ?Rs 10 người sử dụng mạng cùng lúc là 35 users thì sao ?Packets switching Vs Circurit swichingChuyển gói hoàn toàn vượt trội?Phù hợp với dữ liệu không đều chia sẻ tài nguyên đơn giản, ko yêu cầu khởi tạo cuộc gọi Tắc nghẽn quá mức: gói tin bị trễ và mất cần có các giao thức cho việc truyền tải dữ liệu tin cậy, kiểm soát tắc nghẽnHỏi: làm thế nào để cung cấp dịch vụ tương tự như chuyển mạch kênh? Băng thông cần đảm bảo cho các ứng dụng thời gian thực 461.3. Phân loại mạng (tt)Theo quy mô mạngTheo kỹ thuật chuyểnTheo cách thức truyền tinMạng quảng bá (broadcast)Thông tin được phát từ 1 nút, tất cả các nút còn lại trong mạng sẽ nhận được thông tinMạng điểm-đểm (point-to-point)Thông tin được phát từ 1 nút và chuyển qua nhiều chặng (nút trung gian) đến 1 nút xác địnhPhát đa điểm có lựa chọn (multicast)Thông tin được phát từ 1 nút trong mạng và được chuyển qua nhiều chặng gửi tới 1 nhóm nút xác định nào đó 471.3. Phân loại mạng (tóm tắt)48Mạng chuyển mạch kênh(circuit-switched networks)Communication networkMạng chuyển mạch (switched networks)Mạng chuyển mạch gói (packet-switched networks)FDMTDMPoint -to-Point networksBroadcast networksNội dungCác khái niệm cơ bảnCác thành phần cơ bản của mạngPhân loại mạng máy tínhCác mô hình kết nối mạngKiến trúc hạ tầng vật lý mạng InternetLịch sử ra đời và phát triển mạng Internet491.4. Mô hình kết nối mạngMô hình kết nối vật lý (Toplogy) Bus, Ring, Star, Partial Mesh,....v.v.Tương tác giữa các máy tính trong mạngMô hình Client-Server (Khách-Chủ)Mô hình Peer-to-Peer (ngang hàng )Mô hình Hybird (lai giữa 2 mô hình trên)501.4. Mô hình kết nối mạng (tt)Mô hình Client-ServerCác máy trạm (client) được nối với các máy chủ (server), nhận quyền truy nhập mạng và tài nguyên mạng từ các máy chủ. 511.4. Mô hình kết nối mạng (tt)Mô hình Peer-to-Peer Mô hình này không có máy chủ, các máy trên mạng chia sẻ tài nguyên không phụ thuộc vào các máy khác trên mạng. Mô hình này không có quá trình đăng nhập tập trung, nếu đã đăng nhập vào mạng bạn có thể sử dụng tất cả tài nguyên trên mạngMạng ngang hàng thường được tổ chức thành các nhóm làm việc workgroup.521.4. Mô hình kết nối mạng (tt)Client-ServerPeer-to-PeerHybirdĐộ an toàn/tính bảo mật thông tinCao – Quản trị mạng có thể điều chỉnh quyền truy cậpKém – Phụ thuộc vào mức độ chia sử của mỗi node trong mạngGần giống mô hình Client-ServerKhả năng cài đặtKhóDễKhóYêu cầu phần cứng/phần mềmCần có máy chủ; Hệ điều hành mạng; các phần cứng bổ sungKhông cần máy chủ; hệ điều hành cá nhân;Giống Client-ServerQuản trị mạngCóKhông cầnCóXử lý/lưu trữ tập trungCóKhôngCóChi phía cài đặtCaoThấpCao53So sánh 3 mô hìnhNội dungCác khái niệm cơ bảnCác thành phần cơ bản của mạngPhân loại mạng máy tínhCác mô hình kết nối mạngKiến trúc hạ tầng vật lý mạng InternetLịch sử ra đời và phát triển mạng Internet541.5. Kiến trúc InternetInternet là gì?Là mạng của các mạngHàng triệu/hàng tỉ thiết bị/hệ thống đầu cuối Các trạm làm việc (workstation)Các thiết bị PDA, thiết bị sinh hoạt,Hệ thống đường truyền trải khắp toàn cầuRất nhiều thiết bị “định tuyến” phục vụ nhu cầu “vận chuyển” tin tức giữa các nút.Ai sở hữu Internet ?Không của bất cứ tổ chức hay cá nhân nàoInternet được xây dựng và hoạt động theo các chuẩn chung do một số tổ chức quy định và giám sát (IETF, ICANN, InterNIC, IAB, ITU)551.5. Kiến trúc Internet (tt)Kiến trúc Internet ?56accessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetQuestion: given millions of access ISPs, how to connect them together?1.5. Kiến trúc Internet (tt)Option: connect each access ISP to every other access ISP? accessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetconnecting each access ISP to each other directly doesn’t scale: O(N2) connections.571.5. Kiến trúc Internet (tt)accessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetOption: connect each access ISP to a global transit ISP? Customer and provider ISPs have economic agreement.globalISP581.5. Kiến trúc Internet (tt)accessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetBut if one global ISP is viable business, there will be competitors .ISP BISP AISP C591.5. Kiến trúc Internet (tt)accessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetBut if one global ISP is viable business, there will be competitors . which must be interconnectedISP BISP AISP CIXPIXPpeering linkInternet exchange point601.5. Kiến trúc Internet (tt)accessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnet and regional networks may arise to connect access nets to ISPS ISP BISP AISP CIXPIXPregional net611.5. Kiến trúc Internet (tt)accessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnetaccessnet and content provider networks (e.g., Google, Microsoft, Akamai) may run their own network, to bring services, content close to end usersISP BISP AISP BIXPIXPregional netContent provider network62Nội dungCác khái niệm cơ bảnCác thành phần cơ bản của mạngPhân loại mạng máy tínhCác mô hình kết nối mạngKiến trúc hạ tầng vật lý mạng InternetLịch sử ra đời và phát triển mạng Internet631.6. Lịch sử Internet1961-1972: Thời kỳ đầu của mạng chuyển mạch gói641961: Kleinrock – Chứng minh tính hiệu quả của mạng chuyển mạch gói1964: Paul Baran-Nghiên cứu chuyển mạch gói trong mạng quân sự1967: Mạng ARPAnet được đầu tư xây dựng dưới sự bảo trợ của ARPA1969: Nút mạng ARPAnet đầu tiên hoạt động1972: ARPAnet chính thức công bố và vận hànhRa đời giao thức điều khiển mạng NCP (Network Control Protocol - first host-host protocol )Chương trình e-mail đầu tiênARPAnet phát triển lên15 nút1.6. Lịch sử Internet (tt)1961-1972: Thời kỳ đầu của mạng chuyển mạch gói651.6. Lịch sử Internet (tt)1972-1980: Liên mạng, mạng mới, mạng độc quyền661970: Mạng vệ tinh ALOHA ở Hawaii1974: Kiến trúc kết nối liên mạng mới do Cerf và Kahn đề xuất1976: Xerox PARC cho ra đời EthernetCuối thập niên 70: một số mạng độc quyền DECnet, SNA, XNACuối thập niên 70: mạng chuyển mạch gói (độ dài cố định-tiền thân của mạng ATM)1979: ARPAnet có 200 nútNguyên lý kết nối liên mạng của Cerf và Kahnminimalism, autonomy - no internal changes required to interconnect networks.best effort service model.stateless routers.decentralized control1.6. Lịch sử Internet (tt)1980-1990: nhiều protocol mới, nhiều mạng mới671983: deployment of TCP/IP1982: SMTP e-mail protocol defined 1983: DNS defined for name-to-IP-address translation1985: FTP protocol defined1988: TCP congestion controlnew national networks: CSnet, BITnet, NSFnet, Minitel100,000 hosts kết nối (toàn bộ các mạng)1.6. Lịch sử Internet (tt)68Đầu thập niên1990: ARPAnet chính thức ngừng hoạt động1991: NSFnet bỏ những hạn chế sử dụng NFS cho mục đích thương mại (đến 1995 NFSnet ngừng hoạt động)Đầu thập niên1990: Webhypertext [Bush 1945, Nelson 1960’s]HTML, HTTP: Berners-Lee1994: Mosaic, later Netscapelate 1990’s: Commercialization of the WebCuối 1990’s – 2000’s:Nhiều ứng dụng “chết người”: instant messaging, P2P file sharing.Vấn đề an ninh mạng trở nên cấp thiết.Khoảng 50 triệu host và hơn 100 triệu người dùngTốc độc đường trục backbone đạt cỡ Gbps1990 - 2000’s: Thương mai điện tử, Web, new apps1.6. Lịch sử Internet (tt)2005 – nay~3.8 billion hosts (smartphones and tablets)Truy cập băng thông rộngTruy cập không dây tốc độ cao có ở khắp nơiXuất hiện các “mạng xã hội” onlineFacebook (1,591 bil users – 12/2015)Twitter (0.35 bil users – 12/2015)Các “ông lớn” (Google, Microsoft) xây dựng “mạng riêng”Thông qua internet, các hãng cung cấp khả năng tìm kiếm, truy cập tức thời.E-commerce, universities, enterprises running their services in “cloud” (eg, Amazon EC2)69Số liệu thống kê (tham khảo)Nguồn 70Nguồn: ( tháng4/2016)Số liệu thống kê (tham khảo)Việt Nam71Nguồn: ( tháng 7/2016)Số liệu thống kê (tham khảo)72Nguồn : áng 4/2016Kiến trúc phân tầng trong mạng máy tínhMô hình giao thức mạng hiện nay tuân theo kiến trúc phân tầng (layer architecture).Mỗi tầng đảm nhận những chức năng nhất định.Chỉ có tầng duới cùng là giao tiếp trực tiếp với nhau.Một tầng từ tầng 2 trở lên chỉ giao tiếp với nhiều nhất hai tầng (kề trên, kề dưới).Thông tin truyền từ tầng N của hệ thống 1 sang tầng N của hệ thống 2 phải truyền qua các tầng N-1  N-2 1 của hệ thống 1 và các tầng 12N-1 của hệ thống 2.73Trao đổi dữ liệu giữa các tầng74DataData(N+1) PDU(N+1) PCI(N) PCIUser(N+1) Layer(N) LayerPCI – Protocol Control InformationPDU – Protocol Data UnitKiến trúc phân tầng (tt)75Kiến trúc phân tầng (tt)76Telnet FTPpacketradiocoaxial cablefiberopticApplicationTransmissionMediaHTTPHTTPTelnet FTPpacketradiocoaxial cablefiberopticApplicationTransmissionMediaTransport& NetworkNo-layeredLayeredHai mô hình tham chiếuOpen System Interconnection Reference Model(OSI Reference Model)Đưa ra bởi ISO (International Organization for Standardization) năm 1984.Mô hình tham chiếu lý thuyết cho các hệ thống mở nói chung.7 tầng: Physical, Data Link, Network, Transport, Session, Presentation, Application.TCP/IP Reference ModelSử dụng cho mạng Internet.4 tầng: Host-to-network, Internet, Transport, Application.77Mô hình tham chiếu OSIPhysical: binary transmissionsignals, media, connectors, voltagesData Link: access to mediabits error control, flow control.physical addressing, net topology.Network: address and best pathpath selection, routing, addressing, internetwork.Transport: end-to-end transmissiondata transportation, virtual circuiterror detection and recovery, information flow controlSession: interhost communicationsession managementPresentation: data representationdata format, data syntaxApplication: network services to applications7879TCP/IP Layers & ProtocolsLayersProtocolsNetwork Access = Host-to-network = Data link + PhysicalNetwork = InternetTCP/IP vs OSI8081