Saturday, October 02, 2004

Computer Communication

Truyền thông máy tính (computer communications) là quá trình truyền dữ liệu từ một thiết bị này sang một thiết bị khác. Trước đây chúng ta thường hiểu thiết bị là các máy tính, nhưng ngày nay thiết bị (end-system, device) không chỉ là các máy tính mà còn bao gồm nhiều chủng loại thiết bị khác ví dụ như các máy điện thoại di động, máy tính, …
M¹ng truyÒn th«ng m¸y tÝnh cã rÊt nhiÒu øng dông. Ví dụ, trong công nghiệp truyền thanh truyền hình, các công ty truyền thanh, truyền hình và công ty cáp đều có những mạng độc lập riêng của mình với nhiều trạm phát. Thông qua những mạng này, các chương trình như tin tức, thể thao, điện ảnh, phim truyện… được dùng chung giữa các trạm phát. Một trong những mạng truyền thông ra đời sớm nhất và được biết đến nhiều nhất là mạng điện thoại. Khi nói đến mạng điện thoại, người ta muốn nhắc đến hệ thống điện thoại kiểu cũ (plain old telephone system - POTS) hoặc mạng điện thoại chuyển mạch công cộng (PSTN – public switched telephone network). Mạng PSTN mô tả hệ thống điện thoại truyền thống dựa trên tín hiệu tương tự được sử dụng ở Mỹ. Mạng này ban đầu được thiết kế để truyền tiếng nói.
Một mạng truyền thông mà hầu hết mọi người đều quen thuộc ngày nay là mạng máy tính Internet. Thực ra đây là một tập hợp các mạng - mạng của các mạng.
1.1. Thế nào là một mạng máy tính?
Mạng m¸y tÝnh bao gồm nhiều thành phần, chóng được nối với nhau theo một cách thức nào đó và cùng sử dụng chung một ngôn ngữ:
· Các thiết bị đầu cuối (end system) kết nối với nhau tạo thành mạng có thể là các máy tính (computer) hoặc các thiết bị khác. Nói chung hiện nay ngày càng nhiều các loại thiết bị có khả năng kết nối vào mạng máy tính như điện thoại di động, PDA, tivi…..
· Môi trường truyền (media) mà truyền thông được thực hiện qua đó. Môi trường truyền có thể là các loại dây dẫn (cáp), sóng (đối với các mạng không dây), …
· Giao thức (protocol) là quy tắc quy định cách thức trao đổi dữ liệu giữa các thực thể.
Tãm l¹i, mạng máy tính là một tập hợp các máy tính và các thiết bị khác (các nút), chúng sử dụng một giao thức mạng chung để chia sẻ tài nguyên với nhau nhờ các phương tiện truyền thông mạng.
Thiết bị, nút, máy tính
Thiết bị (device) được dùng có thể là các thiết bị đầu cuối, máy in, máy tính, hoặc một thiết bị phần cứng. Ví dụ như các server truyền thông, repeater (bộ lặp), bridge (cầu), switch, router (bộ định tuyến) và rất nhiều thiết bị đặc biệt khác.
Nói chung tất cả các thiết bị mạng đều dùng một số phương pháp cho phép xác định duy nhất chúng, thường thì thiết bị được chính hãng sản xuất gắn một số nhận dạng duy nhất. Việc làm này tương tự như việc in số seri trên tivi hoặc các đồ dùng điện tử khác. Ví dụ, card Ethernet được gán một địa chỉ duy nhất bởi hãng sản xuất.
Khi mô tả các thành phần mạng, cần phân biệt giữa khái niệm thiết bị (device) và máy tính (computer). Xem xét ở khía cạnh thiết bị mạng, máy tính thường được gọi là host (hoặc server) hoặc trạm làm việc (workstation). Thuật ngữ này thường dùng để chỉ những hệ thống máy tính có hệ điều hành riêng của chúng (ví dụ Windows). Vì vậy một workstation có thể là một máy tính cá nhân, cũng có thể là một workstation đồ họa (ví dụ các workstation đồ họa được sản xuất bởi Sun Microsystems, Silicon Graphics, IBM, Hewlett-Packard, Compaq Computer Corporation); một superminicomputer như Compaq’s VAX hay một hệ thống IBM AS/400, một super-microcomputer như Compaq’s Alpha; hoặc có thể là một máy tính lớn (mainframe) như IBM ES-9000.
Phương tiện và các giao thức truyền thông của mạng
Để chia sẻ thông tin và sử dụng các dịch vụ trên mạng, các thành phần của mạng phải có khả năng truyền thông được với nhau. Để đáp ứng được yêu cầu này, cÇn xét tới hai tiêu chí cụ thể của mạng: Khả năng liên kết (connectivity) và ngôn ngữ (language). Khả năng liên kết chỉ đường truyền hoặc kết nối vật lý giữa các thành phần; ngôn ngữ chỉ một bảng từ vựng cùng các quy tắc truyền thông mà các thành phần phải tuân theo.
Phương tiện truyền thông (media)
Môi trường vật lý được sử dụng để kết nối các thành phần của mạng thường được gọi là phương tiện truyền thông (medium, media). Phương tiện truyền thông mạng được chia thành hai loại: Cáp (cable) và không dây (wireless). Ví dụ, cáp truyền thông có thể là cáp xoắn đôi (twisted-pair), cáp đồng trục (coaxial), cáp sợi quang (fiber-optic cable)... Truyền thông không dây có thể là sóng radio (gồm sóng cực ngắn hay việc truyền thông qua vệ tinh), bức xạ hồng ngoại.
Hình 1. Sợi cáp quang
Giao thức (Protocols)
Ngôn ngữ được sử dụng bởi các thực thể mạng gọi là giao thức truyền thông mạng. Giao thức giúp các bên truyền thông “hiểu nhau” bằng cách định nghĩa một ngôn ngữ chung cho các thành phần mạng. Từ ý nghĩa khái quát như vậy, có thể hiểu giao thức truyền thông mạng là các thủ tục, quy tắc hoặc các đặc tả chính thức đã được chấp nhận nhằm xác định hành vi và ngôn ngữ trao đổi giữa các bên. Nói chung trong cuộc sống hàng ngày, chúng ta cũng áp dụng những quy tắc nào đó. Ví dụ, khi đi đến những nơi đòi hỏi tính trang trọng, mọi người phải tuân theo những nghi thức đặc biệt về ăn mặc (ví dụ nam giới phải mặc áo vét có thắt caravat). Nhưng khi đến các quán ăn bình dân thì lại không cần ăn mặc trang trọng như vậy. Trong mạng và truyền thông máy tính, giao thức mạng là bản đặc tả chính thức định nghĩa cách thức “xử sự” của các thực thể tham gia truyền thông với nhau. Ở đây khái niệm thực thể bao gồm cả các thiết bị phần cứng cũng như các phần mềm. Giao thức mạng cũng định nghĩa khuôn dạng dữ liệu được trao đổi giữa các bên. Nói một cách ngắn gọn, giao thức mạng định nghĩa bảng từ vựng và các quy tắc áp dụng truyền thông dữ liệu.
Không có môi trường truyền, không thể trao đổi thông tin giữa các thực thể mạng; không có một ngôn ngữ chung, không thể hiểu được nhau. Vì vậy, đường truyền cung cấp môi trường để thực hiện truyền thông, trong khi đó ngôn ngữ chung đảm bảo hai bên truyền thông hiểu được nhau. Điều này cũng giống như cuộc nói chuyện điện thoại giữa một người chỉ nói được tiếng Ý và một người khác chỉ nói được tiếng Nga. Đã có đường điện thoại rồi, lúc này hai người có thể nói và nghe thấy giọng nói của nhau (truyền dữ liệu được thực hiện) nhưng họ không giao tiếp được với nhau v× ng­êi nµy kh«ng hiểu được ngôn ngữ của người kia. Họ nói chuyện bằng hai thứ tiếng khác nhau.
Ví dụ về một giao thức mạng quen thuộc là giao thức TCP/IP - một trong những giao thức của bộ giao thức TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) TCP/IP được coi là xương sống của Internet. Tuy tên gọi TCP/IP chỉ hai giao thức cụ thể là TCP và IP nhưng nó thường được sử dụng để chỉ nhóm gồm nhiều giao thức. Có thể kể đến một số giao thức trong bộ giao thức TCP/IP như FTP (File Transfer Protocol) định nghĩa cách chuyển file; HTTP (the Hypertext Transport Protocol) được dùng cho World Wide Web (WWW), định nghĩa cách các server cần phải truyền các các tài liệu (trang Web) tới các client (Web Browser) như thế nào. Ngoài ra cũng phải kể đến ba giao thức được sử dụng cho thư điện tử (email) là Post Office Protocol (POP), Simple Mail Transfer Protocol (SMTP) và Internet Mail Access Protocol (IMAP).
1.2. Phân loại mạng máy tính
Có rất nhiều kiểu mạng máy tính khác nhau. Việc phân loại chúng thường dựa trên các tiªu chÝ kh¸c nhau. Ví dụ, mạng máy tính thường được phân loại theo vùng địa lý: Mạng cục bộ, mạng diện rộng,…;theo topo ghép nối mạng: điểm-điểm (point-to-point) hay broadcast; hoặc theo kiểu đường truyền thông mà mạng sử dụng và cách truyÒn dữ liệu đi, ví dụ mạng chuyển mạch ảo, hay chuyển mạch gói.
Hình 2. Một mạng LAN đơn giản
Phân loại mạng theo diện hoạt động
Nếu phân loại theo diện hoạt động, mạng máy tính có thể được phân chia thành:
· Mạng cục bộ (Local Area Network - LAN)
· Mạng diện rộng (Wide Area Network - WAN)
· Mạng thành phố (Metropolitan Area Network - MAN)
· Mạng toàn cầu (Global Area Network - GAN)
· Mạng cá nhân (Personal Area Network - PAN)
· Mạng lưu trữ (Storage Area Network - SAN)
Mạng cục bộ (LAN) liên kết các tài nguyên máy tính trong một vùng địa lý có kích thước hạn chế. Đó có thể là một phòng, vài phòng trong một tòa nhà, hoặc vài tòa nhà trong một khu nhà. Cụm từ “kích thước hạn chế” không được xác định cụ thể nên một số người xác định phạm vi của mạng LAN bằng cách định bán kính của nó nằm trong khoảng vài chục mét đến vài km. Viện Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) xác định bán kính của mạng LAN nhỏ hơn 10km. Ví dụ về một số mạng LAN: Ethernet/802.3, token ring, mạng FDDI (Fiber Distributed Data Interface).
Mạng diện rộng (WAN), liên kết các tài nguyên máy tính trong một vùng địa lý rộng (có bán kính trên 100km) như thị xã, thành phố, tỉnh/bang, quốc gia. Có thể coi mạng WAN gồm nhiều mạng LAN kÕt nèi víi nhau. Ví dụ về mạng WAN: ISDN (Integrated Services Data Network), frame relay, SMDS (Switched Multimegabit Data Service) và ATM (Asynchronous Transfer Mode).
Hình 3. Mạng WAN - kết hợp của nhiều mạng LAN qua các router
Một số người phân biệt kỹ hơn giữa mạng LAN và WAN. Do vậy xuất hiện phân loại Mạng thành phố (MAN). Mạng này liên kết các tài nguyên máy tính trong một thành phố. Giả sử có một công ty kinh doanh có nhiều tòa nhà trong tỉnh/thành phố. Mỗi tòa nhà có một mạng LAN riêng của nó, những mạng LAN này được kết nối với nhau, kết quả ta có một mạng MAN vì tất cả các tòa nhà là ở trong cùng một tỉnh/thành phố. Nhìn chung, mạng MAN được dùng để chỉ các mạng có diện hoạt động lớn hơn mạng LAN nhưng nhỏ hơn mạng WAN.
Hình 4. Mạng MAN - kết hợp nhiều mạng LAN trong một khu vực địa lý
Một loại mạng nữa là Mạng cá nhân (PAN), chỉ một mạng máy tính nhỏ sử dụng trong gia đình. Giá máy tính ngày càng rẻ làm cho số gia đình có nhiều máy tính ngày càng tăng nhanh, dẫn đến nhu cầu xuất hiện mạng PAN vì người sử dụng máy tính trong gia đình bắt đầu nhận ra tính tiện lợi khi kết nối các máy tính lại với nhau. Ví dụ, có thể nối các máy tính trong nhà đến cùng một máy in, không cần phải mua máy in cho mỗi máy tính. PAN cũng cho phép người dùng máy tính ở nhà sử dụng một máy làm file server chứa tất cả phần mềm ứng dụng và dữ liệu người dùng. Có thể truy cập đến server này từ bất cứ máy nào nối với mạng gia đình. PAN cũng giúp các thành viên trong gia đình truy cập đến bất cứ tài nguyên nào được dùng chung trong gia đình ngay từ phòng riêng của họ.
Mạng toàn cầu (GAN). Mạng này là mạng của các mạng WAN trải rộng trên phạm vi toàn cầu. Ví dụ, nhiều công ty như Mc Donald Restaurants hoạt động ở ở nhiều nước trên thế giới. Việc kết nối những mạng của các công ty con lại với nhau tạo thành mạng GAN. Mạng toàn cầu Internet cũng là một mạng GAN.
Phân loại mạng theo mô hình ghép nối
Một cách khác để phân loại mạng là theo topo - mô hình ghép nối mạng. Có thể so sánh topo mạng với bản thiết kế của một ngôi nhà, trong đó hệ thống điện, sưởi, điều hòa, và nước được tích hợp với nhau trong một thiết kế chung nhất, hoàn chỉnh. Có 3 chiến lược kết nối tổng quát: điểm-điểm (point-to-point), broadcast (điểm-nhiều điểm) và multidrop (đa chặng).
Mô hình điểm-điểm (point-to-point)
Một mạng point-to-point gồm các nút, một nút chỉ có thể liên lạc với một nút liền kề. Một mạng point-to-point có thể bao gồm hàng ngàn nút, mỗi nút nối trực tiếp với một số nút nào đó. Nếu một nút cần liên lạc với một nút không liền kề, nó buộc phải liên lạc gián tiếp thông qua chuỗi các nút khác. Đầu tiên, nút nguồn chuyển thông điệp tới nút liền kề với nó. Thông điệp này sau đó sẽ được chuyển một cách tuần tự qua một dãy các nút liền kề nhau cho đến khi nó đến được nút đích. Việc truyÒn dữ liệu thông qua một nút liền kề đến một nút khác thường được gọi là bridging hoặc routing (định tuyến) - tùy thuộc vào kỹ thuật truyền tin. Có một số topo mạng dựa trên mô hình point-to-point. Xét hai dạng topo mạng point-to-point phổ biến: star (hình sao) và tree (dạng cây).
M« h×nh sao (Star)
Đặc điểm chính của mạng hình sao là có một hub xử lý trung tâm - hub này là trung tâm truyền tin cho tất cả các nút. Cấu hình mạng hình sao đơn giản được minh họa trong hình 5. Để các nút có thể truyền thông cho nhau, tất cả dữ liệu phải được truyÒn qua hub. Do đó khi hub ngừng hoạt động toàn bộ mạng còng ngõng ho¹t ®éng.
Hình 5. Mô hình sao các thiết bị nối vào một HUB duy nhất
M« h×nh c©y
Mô hình cây là mô hình phân cấp. Nó bao gồm một nút gốc hoặc một hub nối đến các nút mức hai hoặc hub mức hai. Các thiết bị ở mức hai này lại được nối đến các thiết bị ở mức ba, mức ba được nối đến các thiết bị ở mức bốn,… Mạng dạng cây đơn giản được cho trong hình 6. Một ứng dụng của mô hình này là mạng IEEE 802.12, hay còn gọi là 100VG-AnyLAN, trong đó các hub được sắp thành tầng tạo thành một mô hình phân cấp.
Hình 6. Mô hình c©y
Mô hình điểm - nhiều điểm (Broadcast)
Mô hình này gồm các nút cùng dùng chung một kênh truyền thông. Khác với mô hình điểm - điểm, dữ liệu do một máy gửi đi sẽ được truyền đến tất cả các nút trên kênh truyền dùng chung do vậy nó được gọi là Broadcast hay Quảng bá. Các máy sẽ kiểm tra xem liệu chúng có phải là đích đến của thông điệp đó hay không bằng cách kiểm tra địa chỉ đến (destination address) của thông điệp. Các máy không phải là đích đến của thông điệp sẽ bỏ qua thông điệp này. Chỉ có nút là đích đến của thông điệp mới tiếp nhận thông điệp. Điều này cũng tương tự như một lớp học gồm nhiều sinh viên và một giáo viên. Nếu giáo viên g gọi một sinh viên lên bảng, tất cả sinh viên đều nghe thấy lời yêu cầu đó nhưng chỉ sinh viên được giáo viên chỉ định mới đi lên bảng. Môi trường dùng chung ở đây chính là không khí, lời yêu cầu của giáo viên là một dạng thông điệp, lan truyền trong không khí và đến tai tất cả các sinh viên.
Mô hình điểm - nhiều điểm có một số dạng topo phổ biến, đó là bus và ring. Các hệ thống truyền thông vệ tinh cũng dựa trên mô hình điểm - nhiều điểm.
Bus
Một cấu hình bus điển hình được minh họa trong hình 7. Rõ ràng topo dạng bus thuộc mô hình điểm - nhiều điểm: Các nút mạng được nối đến cùng một kênh truyền.
Hình 7. Dạng Bus dùng chung
Vßng (ring)
Trong cấu hình ring, tất cả các nút được nối đến cùng một vòng - môi trường truyền thông dùng chung. Trong topo dạng ring truyền thống, thông điệp được truyền lần lượt qua các nút theo vòng. Hướng truyền có thể thuận hay ng­îc chiều kim đồng hồ phụ thuộc vào công nghệ sử dụng. Chú ý rằng, mặc dù dữ liệu được chuyển từ nút nọ đến nút kia, ring vẫn không phải là một topo thuộc mô hình điểm - điểm vì các nút dùng chung một kênh truyền. Vì vậy, về mặt logic, trong topo dạng ring tất cả các nút dùng chung một kênh truyền, nhưng về mặt vật lý, việc truyền thông thuộc mô hình điểm - điểm. Trường hợp này cũng giống như topo dạng bus và tất cả các hệ thống điểm - nhiều điểm khác, mạng dạng ring cần một số phương pháp để quản lý việc truy cập vòng đồng thời.
Hình 8. Dạng vòng
Vệ tinh (Satellite)
Trong hệ thống truyền thông vệ tinh, việc truyền dữ liệu từ một ăng-ten trên mặt đất đến vệ tinh thường là mô hình điểm - điểm. Tuy nhiên, tất cả các nút nằm trong mạng đều có thể nhận được dữ liệu từ vệ tinh truyền xuống - vệ tinh phát quảng bá xuống một hoặc nhiều trạm trên mặt đất. Do đó, các hệ thống truyền thông vệ tinh được xếp vào mô hình điểm - nhiều điểm. Ví dụ, rất nhiều trường học ở Mỹ có khả năng nhận tin từ vệ tinh. Bất cứ chương trình giáo dục nào được phát quảng bá qua hệ thống vệ tinh đều được các trường học thu được bằng cách điều chỉnh thiết bị nhận đến một tần số thích hợp. Mạng vệ tinh được minh họa trên Hình 9.
Hình 9. Vệ tinh và các khu vực phủ sóng
Trong mô hình điểm - nhiều điểm có rất nhiều kiểu truyền thông điệp khác nhau:
· unicast - chỉ có một thiết bị nhận thông điệp.
· multicast - một nhóm thiết bị nhận thông điệp. Chính tầng network của thiết bị nhận sẽ kiểm tra xem thiết bị nhận đó có nằm trong nhóm nhận thông điệp này không.
· broadcast - đích đến của thông điệp này là tất cả các thiết bị trong mạng. Thông điệp broadcast là một thông điệp multicast đặc biệt.
Một đặc điểm khác của mô hình điểm - nhiều điểm là khái niệm tranh chấp (contention). Do tất cả các nút cùng dùng chung một kênh truyền, chúng phải “tranh nhau” kênh truyền khi cần truyền thông. Do vậy mạng dựa trên mô hình broadcast cần giải quyết vấn đề khi có nhiều nút muốn truyền dữ liệu tại cùng một thời điểm. Rất nhiều giao thức đã được phát triển để giải quyết tranh chấp giữa các nút.

0 Comments:

Post a Comment

<< Home