Chơng 1 Một số khái niệm về mạng máy tính
1.1 Giới thiệu sự phát triển của mạng
Mạng máy tính đợc phát sinh do nhu cầu muốn chia sẻ và dùng chung dữ
liệu. Máy tính cá nhân là một công cụ tuyệt vời giúp tạo dữ liệu, bảng tính,
hình ảnh và nhiều dạng thông tin khác nhau, nhng không cho phép bạn nhanh
chóng chia sẻ dữ liệu bạn đã tạo nên. Nếu không có hệ thống mạng, dữ liệu
chỉ có thể chép ra đĩa mềm để mang đến một máy khác.
Từ năm 1960 đã xuất hiện các mạng xử lý trong đó các trạm cuối
(terminal) thụ động đợc nối vào một máy xử lý trung tâm. Máy xử lý trung
tâm làm tất cả mọi việc, từ quản lý các thủ tục nhập xuất dữ liệu, quản lý sự
đồng bộ của các trạm cuối cho đến việc xử lý các ngắt từ các trạm cuối
Để nhận nhiệm vụ của máy xử lý trung tâm, ngời ta thêm vào các tiền xử lý
để nối thành mạng truyền tin, trong đó các thiết bị tập trung và dồn kênh
dùng để tập trung trên một đờng truyền các tín hiệu gửi tới từ trạm cuối. Sự
khác nhau giữa hai thiết bị này là bộ dồn kênh có khả năng truyền song song
các thông tin do các trạm cuối gửi tới, còn bộ tập trung không có khả năng đó
nên phải dùng bộ nhớ đệm để lu trữ tạm thời các thông tin.
Từ đầu những năm 70 máy tính đã đợc nối với nhau trực tiếp để tạo thành
một mạng máy tính nhằm chia sẻ tài nguyên và tăng độ tin cậy.
Cũng trong những năm 70 bắt đầu xuất hiện khái niệm mạng truyền
thông, trong đó các thành phần chính của nó là các nút mạng, đợc gọi là các
bộ truyển mạch dùng để hớng thông tin đến các đích của nó. Các nút mạng
đợc nối với nhau bằng đờng truyền còn các máy tính xử lý thông tin của ngời
sử dụng hoặc các trạm cuối đợc nối trực tiếp vào các nút mạng để khi cần thì
trao đổi thông tin qua mạng. Bản thân các nút mạng thờng cũng là các máy
tính nên có thể đồng thời đóng cả vai trò máy của ngời xử dụng.
1.2 Khái niệm về mạng máy tính
Mạng máy tính là một tập hợp các máy tính và các thiết bị ngoại vi đợc
kết nối với nhau bằng cáp sao cho chúng có thể dùng chung dữ liệu.
1.3 Tại sao phải dùng mạng
7
Các tổ chức sử dụng mạng chủ yếu để chia sẻ, dùng chung tài nguyên và
cho phép giao tiếp trực tuyến. Tài nguyên gồm có dữ liệu, chơng trình ứng
dụng và các thiết bị ngoại vi nh ổ đĩa ngoài, máy in, modem, cần điều
khiển Giao tiếp trực tuyến bao gồm gửi và nhận thông điệp hoặc th điện
tử.
1.4 Phân loại mạng
1.4.1 Phân loại theo phạm vi địa lý
Mạng cục bộ LAN ( Local Area Network ) : là mạng đợc lắp đặt trong
phạm vi hẹp, khoảng cách giữa các nút mạng nhỏ hơn 10 Km.
Mạng đô thị MAN ( Metropolitan Area Network) : Là mạng đợc cài đặt
trong phạm vi một đô thị hoặc một trung tâm kinh tế - xã hội có bán kính
khoảng 100 Km trở lại.
Mạng diện rộng WAN ( Wide Area Network ) : Phạm vi của mạng có thể
vợt qua biên giới quốc gia và thậm chí cả châu lục.
Mạng toàn cầu GAN (Global Area Network ) : Là mạng đợc thiết lập
trên phạm vi trải rộng khắp các châu lục trên trái đất.
1.4.2 Phân biệt theo phơng pháp chuyển mạch ( truyền dữ liệu )
1.4.2.1 Mạng chuyển mạch kênh ( circuit - switched network )
Trong trong trờng hợp này khi có hai trạm cần trao đổi thông tin với nhau
thì giữa chúng sẽ đợc thiết lập một kênh (circuit) cố định và duy trì cho đến
khi một trong hai bên ngắt liên lạc. Các dữ liệu chỉ đợc truyền theo con đờng
cố định ( hình 1).
Hình 1. Mạng chuyển mạch kênh
8
A
S3
S4S2
S1
B
S5
S6
Data1
Data3
Data2
Mạng chuyển mạch kênh có tốc độ truyền cao và an toàn nhng hiệu xuất
xử dụng đờng truyền thấp vì có lúc kênh bị bỏ không do cả hai bên đều hết
thông tin cần truyền trong khi các trạm khác không đợc phép sử dụng kênh
truyền này và phải tiêu tốn thời gian thiết lập con đờng (kênh) cố định giữa 2
trạm.
Mạng điện thoại là ví dụ điển hình của mạng chuyển mạch kênh.
1.4.2.2 Mạng chuyển mạch bản tin ( Message switched network)
Thông tin cần truyền đợc cấu trúc theo một phân dạng đặc biệt gọi là bản
tin. Trên bản tin có ghi địa chỉ nơi nhận, các nút mạng căn cứ vào địa chỉ nơi
nhận để chuyển bản tin tới đích . Tuỳ thuộc vào điều khiện về mạng, các
thông tin khác nhau có thể đợc gửi đi theo các con đờng khác nhau
Ưu điểm :
Hiệu xuất sử dụng đờng truyền cao vì không bị chiếm dụng độc quyền
mà đợc phân chia giữa các trạm
Mỗi nút mạng (hay nút chuyển mạch bản tin) có thể lu dữ thông báo
cho đến khi kênh truyền rỗi mới gửi thông báo đi, do đó giảm đợc tình trạng
tắc nghẽn mạng.
Có điều khiển việc truyền tin bằng cách sắp xếp độ u tiên cho các
thông báo.
Có thể tăng hiệu xuất sử dụng giải thông của mạng bằng cách gán địa
chỉ quảng bá để gửi thông báo đồng thời đến nhiều đích.
Nhợc điểm :
Phơng pháp chuyển mạch bản tin là không hạn chế kích thớc của các
thông báo, làm cho phí tổn lu trữ tạm thời cao và ảnh hởng đến thời gian đáp
ứng và chất lợng truyền đi. Mạng chuyển mạch bản tin thích hợp với các dịch
vụ thông tin kiểu th điện tử hơn là với các áp dụng có tính thời gian thực vì
tồn tại độ trễ nhất định do lu trữ và xử lý thông tin điều khiển tại mỗi nút.
1.4.2.3 Mạng chuyển mạch gói
9
Phơng pháp này mỗi thông báo đợc chia thành nhiều phần nhỏ hơn gọi
là các gói tin (pachet) có khuôn dạng quy định trớc. Mối gói tin cũng chứa
các thông tin điều khiển, trong đó có địa chỉ nguồn (ngời gửi) và đích ( ngời
nhận) của gói tin. Các gói tin về một thông báo nào đó có thể đợc gửi đi qua
mạng để đến đích bằng nhiều con đờng khác nhau. Căn cứ vào số thứ tự các
gói tin đợc tái tạo thành thông tin ban đầu.
Phơng pháp chuyển mach bản tin và phơng pháp chuyển mạch gói là gần
giống nhau. Điểm khác biệt là các gói tin đợc giới hạn kích thớc tối đa sao
cho các nút mạng có thể xử lý toàn bộ thông tin trong bộ nhớ mà không cần
phải lu trữ tạm thời trên đĩa. Nên mạng chuyển mạch gói truyền các gói tin
qua mạng nhanh hơn và hiệu quả hơn so với chuyển mạch bản tin.
Chơng 2. Các mô hình mạng trong LAN
2.1 Kiến thức cơ bản về LAN
Mạng cục bộ (LAN) là hệ truyền thông tốc độ cao đợc thiết kế để kết nối
các máy tính và các thiết bị xử lý dữ liệu khác cùng hoạt động với nhau trong
một vực địa lý nhỏ nh ở một tầng của một toà nhà, hoặc trong một toà nhà
Một số mạng LAN có thể kết nối lại với nhau trong một khu làm việc.
Các mạng LAN trở nên thông dụng vì nó cho phép những ngời sử dụng
dùng chung những tài nguyên quan trọng nh máy in, ổ đĩa CD-ROM, các
phần mềm ứng dụng và những thông tin cần thiết khác. Trớc khi phát triển
công nghệ LAN các máy tính hoạt động độc lập với nhau, bị hạn chế bởi số
lợng các chơng trình tiện ích, sau khi kết nối mạng hiệu quả của chúng tăng
lên gấp đôi.
2.2 Các kỹ thuật mạng cục bộ
2.2.1 Cấu trúc tôpô của mạng cục bộ
Cấu trúc tôpô (network topology) của LAN là kiến trúc hình học thể hiện
cách bố trí các đờng cáp, xắp xếp các máy tính để kết nối thành mạng hoàn
chỉnh Hầu hết các mạng LAN ngày nay đều đợc thiết kế để hoạt động dựa
trên một cấu trúc mạng định trớc. Điển hình và sử dụng nhiều nhất là cấu trúc
: dạng sao, dạng tuyến tính, dạng vòng cùng với những cấu trúc kết hợp của
chúng.
10
2.2.1.1 Mạng dạng sao (Star topology)
Mạng sao bao gồm một bộ kết nối trung tâm và các nút. Các nút này là
các trạm đầu cuối, các máy tính và các thiết bị khác của mạng. Bộ kết nối
trung tâm của mạng điều phối mọi hoạt động trong mạng ( hình 2).
Hình 2. Cấu trúc mạng sao
Mạng dạng sao cho phép nối các máy tính vào một bộ tập trung bằng
cáp, giải pháp này cho phép nối trực tiếp máy tính với bộ tập trung không cần
thông qua trục bus, nên tránh đợc các yếu tố gây ngng trệ mạng.
Mô hình kết nối dạng sao này đã trở lên hết sức phổ biến. Với việc sử
dụng các bộ tập trung hoặc chuyển mạch, cấu trúc sao có thể đợc mở rộng
bằng cách tổ chức nhiều mức phân cấp, do đó dễ dàng trong việc quản lý và
vận hành.
Ưu điểm :
Hoạt động theo nguyên lý nối song song nên nếu có một thiết bị nào
đó ở một nút thông tin bị hỏng thì mạng vẫn hoạt động bình thờng.
Cấu trúc mạng đơn giản và các giải thuật toán ổn định.
Mạng có thể dễ dạng mở rộng hoặc thu hẹp.
Dễ dàng kiểm soát nỗi, khắc phục sự cố. Đặc biệt do sử dụng kêt nối
điểm - điểm nên tận dụng đợc tối đa tốc độ của đờng truyền vật lý.
Nhợc điểm :
11
Khả năng mở rộng của toàn mạng phục thuộc vào khả năng của
trung tâm.
Khi trung tâm có sự cố thì toàn mạng ngừng hoạt động.
Mạng yêu cầu nối độc lập riêng rẽ từng thiết bị ở các nút thông tin đến
trung tâm.
Độ dài đờng truyền nối một trạm với thiết bị trung tâm bị hạn chế
(trong vòng 100m với công nghệ hiện tai).
2.2.1.2 Mạng dạng tuyến (Bus topology)
Thực hiện theo cách bố trí ngang hàng, các máy tính và các thiết bị khác.
Các nút đều đợc nối về với nhau trên một trục đờng dây cáp chính để chuyển
tải tín hiệu. Tất cả các nút đều sử dụng chung đờng dây cáp chính này.
ở hai đầu dây cáp đợc bịt bởi một thiết bị gọi là terminator. Các tín hiệu
và dữ liệu khi truyền đi đều mang theo địa chỉ nơi đến.
terminator
Hình 3. Cấu trúc mạng hình tuyến
Ưu điểm :
Loại cấu trúc mạng này dùng dây cáp ít nhất.
Lắp đặt đơn giản và giá thành rẻ.
Nhợc điểm :
Sự ùn tắc giao thông khi di chuyển dữ liệu với lu lợng lớn.
Khi có sự cố hỏng hóc ở đoạn nào đó thì rất khó phát hiện, lỗi trên đ-
ờng dây cũng làm cho toàn bộ hệ thống ngừng hoạt động. Cấu trúc này ngày
nay ít đợc sử dụng.
12
2.2.1.3 Mạng dạng vòng (Ring topology)
Mạng dạng này bố trí theo dạng xoay vòng, đờng dây cáp đợc thiết kế
làm thành một vòng tròn khép kín, tín hiệu chạy quanh theo một vòng nào
đó. Các nút truyền tín hiệu cho nhau mỗi thời điểm chỉ đợc một nút mà thôi.
Dữ liệu truyền đi phải có kèm theo địa chỉ cụ thể của mỗi trạm tiếp nhận.
Ưu điểm:
Mạng dạng vòng có thuận lợi có thể mở rộng ra xa, tổng đờn dây cần
thiết ít hơn so với hai kiểu trên.
Mỗi trạm có thể đạt đợc tốc độ tối đa khi truy nhập.
Nhợc điểm : Đờng dây phải khép kín, nếu bị ngắt ở một nơi nào đó thì
toàn bộ hệ thống cũng bị ngừng.
Hình 4. Cấu hình mạng vòng
2.2.1.4 Mạng dạng kết hợp
Là mạng kết hợp dạng sao và tuyến ( star/bus topology) : Cấu hình mạng
dạng này có bộ phận tách tín hiệu (spitter) giữ vai trò thiết bị trung tâm, hệ
thống dây cáp mạng có thể chọn hoặc Ring Topology hoặc Linear Bus
Topology. Ưu điểm của cấu hình này là mạng có thể gồm nhiều nhóm làm
việc ở cách xa nhau, ARCNET là mạng dạng kết hợp Star/Bus Topology. Cấu
hình dạng này đa lại sự uyển chuyển trong việc bố trí đờng dây tơng thích dễ
dàng đối với bất kỳ toà nhà nào.
13
Kết hợp cấu hình sao và vòng (Star/Ring Topology). Cấu hình dạng kết
hợp Star/Ring Topology, có một thẻ bài liên lạc đợc chuyển vòng quanh một
cái bộ tập trung.
2.2.2 Các phơng pháp truy cập đờng truyền
Khi đợc cài đặt vào trong mạng, các trạm này tuân theo quy tắc định trớc
để có thể sử dụng đờng truyền, đó là phơng thức truy nhập. Phơng thức truy
nhập đợc định nghĩa là các thủ tục đều hớng trạm làm thế nào và lúc nào có
thể thâm nhập vào đờng dây cáp để gửi hay nhận các gói thông tin
2.2.2.1 Phơng thức CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access Width
Collision Detection)
Phơng thức này thờng dùng cho mạng có cấu trúc hình tuyến, các máy
trạm cùng chia sẻ một kênh truyền chung, các trạm đều có cơ hội thâm nhập
đờng truyền nh nhau (Multiple Access).
Tuy nhiên tại một thời điểm thì chỉ có một đờng truyền dữ liệu mà thôi.
Trớc khi truyền dữ liệu, mỗi trạm phải lắng nghe đờng truyền để chắc chắn
đờng truyền rỗi ( Carrier Sense).
Trong trờng hợp hai trạm thực hiện việc truyền dữ liệu đồng thời, xung
đột dữ liệu sẽ xảy ra, các trạm tham ra phải phát hiện đợc sự xung đột và
thông báo với các trạm khác gây ra xung đột (Collision Detection), đồng thời
các trạm phải ngừng thâm nhập, chời đợi lần sau trong khoảng thời gian ngẫu
nhiên nào đó rồi mới tiếp tục truyền.
Khi lu lợng các gói tin cần di chuyển trên mạng quá cao, thì việc xung
đột có thể xảy ra với số lợng lớn hơn dẫn đến làm chậm tốc độ truyền tin của
hệ thống.
2.2.2.2 Phơng thức truyền thẻ bài (Token Bus )
Nguyên lý hoạt động của phơng pháp này là : để cấp phát quyền truy
nhập đờng truyền của các trạm đang có nhu cầu truyền dữ liệu, một thẻ bài đ-
ợc lu chuyển trên vòng tròn logic thiết lập bởi các trạm đó. Khi một trạm
nhận thẻ bà thì nó có quyền sử dụng đờng truyền trong một thời gian xác
định. Trong thời gian đó nó có thể truyền một hoặc nhiều đơn vị dữ liệu. Khi
đã hết dữ liệu hoặc hết thời gian cho phép, trạm phải chuyển thẻ bài đến trạm
14
tiếp theo trong vòng logic. Nh vậy, công việc đầu tiên là thiết lập vòng logic (
hay còn gọi là vòng ảo) bao gồm các trạm đang có nhu cầu truyền dữ liệu đ-
ợc xác định vị trí theo một chuỗi thứ tự mà trạm cuối cùng của chuỗi sẽ tiếp
liền sau bởi trạm đầu tiên. Mỗi trạm đợc biết địa chỉ của các trạm kề trớc và
sau nó. Thứ tự của các trạm trên vòng logic có thể độc lập với thứ tự vật lý.
Các trạm không hoặc cha có nhu cầu truyền dữ liệu thì không đợc đa vào
vòng logic mà chúng chỉ có thể nhận dữ liệu.
đờng truyền vật lý
vòng logic
Hình 4. Cấu trúc mạng vòng logic
Việc thiết lập vòng logic trong chơng trình là không khó, nhng việc duy
trì nó theo trạng thái thực tế của mạng mới là khó. Ta phải thực hiện các bớc
sau:
Bổ xung một trạm vào mạng logic : Các trạm nằm ngoài vòng logic
cần đợc xem xét định kỳ để nếu có nhu cầu truyền dữ liệu thì bổ sung vào
vòng logic.
Loại bỏ một trạm khỏi vòng logic : Khi một trạm không còn nhu cầu
truyền dữ liệu cần loại nó ra khỏi vòng logic để tối u hoá việc điều khiển
truy nhập bằng thẻ bài.
Quản lý lỗi : Một số lỗi có thể xảy ra, chẳng hạn trùng địa chỉ hoặc đứt
vòng .
Khởi tạo vòng logic : Khi cài đặt mạng hoặc sau khi đứt vòng cần phải
khởi tạo lại vòng.
15
B C D
A
H
G
F
E
bus
Tree token
token
Busy token
token
data
tok
en
Các giải thuật cho các chức năng trên đợc khuyến nghị nh sau:
Để thực hiện bổ sung trạm vào vòng logic, mỗi trạm có trách nhiệm
định kỳ tạo cơ hội cho các trạm mới nhập, vào vòng. Khi chuyển thẻ bài đi,
trạm sẽ gửi theo một thông báo tìm trạm đứng sau để mời các trạm gửi yêu
cầu nhập vòng. Nếu trong một thời gian xác định trớc mà không có yêu cầu
nào thì trạm sẽ chuyển thẻ đến trạm kề sau nó nh thờng lệ. Nếu có yêu cầu
thì trạm gửi thẻ bài sẽ ghi nhận trạm yêu cầu trở thành trạm đứng kế sau nó
và chuyển thẻ bài mới này. Nếu có hơn một trạm yêu cầu nhập vòng thì trạm
giữ thẻ bài sẽ phải lựa chọn một giải thuật nào đó.
Việc loại bỏ trạm ra khỏi vòng logic đơn giản hơn nhiều. Một trạm
muốn ra khởi vòng sẽ đợi đến khi nhận đợc thẻ bài sẽ gửi thông báo nối trạm
đứng sau tới trạm kề trớc nó yêu cầu trạm này nối trực tiếp với trạm kề sau
nó.
Việc quản lý lỗi ở một trạm gửi thẻ bài phải giải quyết nhiều tình
huống bất ngờ. Chẳng hạn, trạm đó nhận đợc tín hiệu cho thấy đã có trạm
khác có thẻ bài. Lập tức nó phải chuyển sang trạng thái nghe. Hoặc sau khi
kết thúc truyền dữ liệu, trạm phải chuyển thẻ bài đến trạm kế sau nó và tiếp
tục nghe xem trạm kề sau đó có hoạt động hay không. Trờng hợp trạm kề sau
nó bị h hỏng thì phải tìm cách để vợt qua nút hỏng đó, cố gắng tìm đợc trạm
hoạt động để gửi thẻ bài tới.
Việc khởi tạo vòng logic đợc thực hiện khi một hoặc nhiều trạm phát
hiện bằng bus không hoạt động trong một thời gian vợt qua một giá trị ngỡng
(time-out) cho trớc - thẻ bài đã bị mất. Có nhiều nguyên nhân, chẳng hạn
mạng bị mất nguồn hoặc trạm giữ thẻ bài bị hỏng. Lúc đó trạm phát hiện sẽ
gửi đi thông báo yêu cầu thẻ bài tới một trạm đợc chỉ định trớc có trách
nhiệm sinh thẻ bài mới và chuyển đi theo vòng logic.
2.2.2.3 Phơng thức truyền vòng thẻ bài (Token Ring)
Phơng pháp này cũng dựa trên nguyên tắc dùng thẻ bày để cấp phát
quyền truy nhập đờng truyền. Nhng ở đây thẻ bài lu chuyển theo vòng vật lý
chứ không cần lập vòng logic nh đối với phơng pháp Token Bus.
Thẻ bài là đơn vị dữ liệu đặc biệt trong đó có một bít đặc biệt biểu diễn
trạmg thái sử dụng của nó (bận hoặc rỗi). Một trạm muốn truyền dữ liệu thì
16
Tree token
token
Busy token
token
data
tok
en
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét