Bài 5: Mạng máy tính

Mạng máy tính hay hệ thống mạng (computer network hay network system) là một tập hợp các máy tính được kết nối với nhau theo một phương thức nào đó, sao cho chúng có thể giao tiếp và chia sẻ tài nguyên (máy in, máy fax, tệp tin, dữ liệu) với nhau.

Các thành phần của mạng bao gồm:

• Các thiết bị đầu cuối (end System) kết nối với nhau tạo thành mạng có thể là các máy tính hoặc các thiết bị khác. Ngày càng có nhiều loại thiết bị có khả năng kết nối vào mạng máy tính như điện thoại di động, ti vi,...
• Môi trường truyền (media) để thực hiện các thao tác truyền thông. Môi trường truyền có thể là các loại dây dẫn (cáp), sóng (đối với các thiết ị bị không dây).
• Giao thức truyền thông (protocol) là quy tắc quy định cách thức trao đổi dữ liệu giữa các thực thể.

Vào giữa những năm 50 của thế kỉ XX, khi những thế hệ máy tính đầu tiên dược đưa vào hoạt động thực tế, việc thực hiện chương trình trên máy tính còn rất khó khăn. Các chương trình được đưa vào máy tính thông qua các tấm bìa đục lỗ. Mồi tấm bìa tương dương với một dòng lệnh, mỗi cột chứa tất cả các kí tự cần thiết mà người viết chương trình phải dục lỗ vào kí tự mình lựa chọn. Các tấm bìa được đưa vào máy tính thông qua thiết bị dọc bìa và sau khi tính toán kết quả chương trình được đưa ra qua máy in.

Như vậy, trong các máy tính thế hệ đầu tiên, thiết bị đọc bìa và máy in được coi là thiết bị vào ra (I/O) cùa máy. Các thế hệ máy tính ra đời sau đó đã cải tiến nhằm nâng cao khả năng giao tiếp kết nối máy tính trung tâm với các thiết bị đầu cuối khác. Vào giữa những năm 60, một số nhà chế tạo đã nghiên cứu thành công những thiết bị truy cập từ xa tới máy tính của họ. Một trong những phương pháp truy cập từ xa được thực hiện bàng việc cài đặt thiết bị đầu cuối ở một vị trí cách xa trung tâm tính toán. Thiết bị đầu cuối này được liên kết với trung tâm bằng việc sử dụng đường dây điện thoại và với hai thiết bị xử lí tín hiệu (thường gọi là Modem) gắn ở hai đầu và tín hiệu được truyền thông qua dây điện thoại thay vì truyền trực tiếp.

Những dạng dầu tiên của thiết bị đầu cuối bao gồm máy đọc bìa, máy in, thiết bị xử lí tín hiệu, các thiết bị cảm nhận. Việc liên kết từ xa có thể thực hiện thông qua những vùng khác nhau và đó là những dạng đầu tiên của hệ thong mạng.

Vào năm 1971, IBM đưa ra là hệ thống thiết bị đầu cuối có tên là hệ thống 3270. Hệ thống này được sử dụng để mở rộng khả năng tính toán của trung tâm máy tính tới các vùng xa nhờ cài đặt các thiết bị như: thiết bị kiểm soát truyền thông, thiết bị kiểm soát nhiều đầu cuối. Thiết bị kiểm soát truyền thông có nhiệm vụ thu gom tín hiệu từ các kênh truyền thông gửi vào máy tính trung tâm để xử lí và chuyển các tín hiệu trả lời tới các trạm ở xa. Thiết bị kiểm soát nhiều đầu cuối cho phép cùng một lúc kiểm soát nhiều thiết bị đầu cuối giao tiếp với máy tính trung tâm. Máy tính trung tâm chỉ cần liên kết với thiết bị kiểm soát, còn các thiết bị kiểm soát được liên kết với các thiết bị đầu cuối. Như vậy, khi thiết bị kiểm soát nằm ở cách xa máy tính cũng chỉ cần sử dụng một đường điện thoại là có thể phục vụ cho nhiều thiết bị đầu cuối.

Hình 1.20. Mô hình trao đổi mạng của hệ thống 3270

Vào giữa những năm 1970, phương pháp liên kết các thiết bị đầu cuối sử dụng đường cáp ra đời. Đường truyền cáp có ưu diêm là tốc độ truyên cao hơn đường truyền điện thoại và qua đường truyên cáp có thê kết hợp được khả năng tính toán của các máy tính lại với nhau. Ke tiếp thành tựu đó, vào những năm 1980, các hệ thống đường truyền tốc độ cao sử dụng đường truyền cáp đã được thiết lập ở Bắc Mỹ và châu Âu.

Với những chi phí thuê bao chấp nhận được, người ta có thể sử dụng đường truyền này để liên kết các máy tính với nhau và bắt đầu hình thành các mạng một cách phổ biến.

Vào năm 1974, công ty IBM đã giới thiệu một loạt các thiết bị đầu cuối được chế tạo cho lĩnh vực ngân hàng và thương mại. Thông qua dây cáp mạng, các thiết bị đầu cuối có thể truy cập cùng lúc vào một máy tính dùng chung. Với việc liên kết các máy tính nằm ở trong một khu vực nhỏ như một toà nhà hay một khu nhà thì tiền chi phí cho các thiết bị và phần mềm là thấp. Từ đó việc nghiên cứu khả năng sử dụng chung môi trường truyền thông và các tài nguyên cùa các máy tính nhanh chóng được đầu tư.            ,

Năm 1977, công ty Datapoint Corporation đã bắt đầu bán hệ điều hành mạng cục bộ đầu tiên Acrnet (Attached Resource Computer Network). Arcnet cho phép liên kết các máy tính và các trạm đầu cuối bằng dây cáp mạng. Từ đó đến nay, có nhiều công ty đă đưa ra các sản phẩm phục vụ cho việc kết nổi mạng máy tính ngày càng tốt hcm. Hiện nay mạng máy tính Internet đã mở rộng ra toàn cầu, kết nổi mọi người ở khắp mọi nơi, điều đó đã làm thay dối bộ mặt của cả thế giới.

Thiết bị đầu cuối gồm các máy tính, server truyền thông, các thiết bị kết nối như repeater (bộ lặp), bridge (cầu), switch, router (bộ định tuyến), và các thiết bị khác như máy in, máy fax,... Các thiết bị này đều dùng 1 một số phương pháp để xác định duy nhất trong mạng. Các thiết bị thường được chính hãng sản xuất gắn một sổ nhận diện duy nhất, ví dụ, card Ethernet được gán một địa chỉ duy nhất bởi hãng sàn xuất.

Hình 1.21. Một số thiết bị kết nối mạng.

Phương tiện truyền thông là môi trường vật lí được sử dụng để kết nối các thành phần của mạng. Phương tiện truyền thông mạng được chia thành hai loại: cáp (cable) và không dây (wireless). Ví dụ, cáp truyền thông có cáp xoắn đôi (twisted-pair), cáp đồng trục (coaxial), cáp sợi quang (fiber-optic cable) (hình 1.22),... Truyền thông không dây sử dụng các thiết bị phát sóng, ví dụ, bộ định tuyến không dây (Hình 1.21: Router) có sóng radio (gồm sóng cực ngắn hay việc truyền thông qua vệ tinh), bức xạ hồng ngoại.

Hình 1.22. Sợi cáp quang.

Giao thức truyền thông mạng (Protocol) giúp các thực thể “hiểu nhau” bằng cách định nghĩa ngôn ngữ chung cho các thành phần mạng. Giao thức bao gồm các quy tắc, thù tục hoặc các đặc tả chính thức được chấp nhận nhằm xác định hành vi và ngôn ngữ trao đổi giữa các bên. Trong mạng 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 ngan gọn, giao thức mạng định nghĩa bảng từ vựng các quy tắc áp dụng truyền thông dữ liệu.

Giao thức truyền thông mạng quen thuộc nhất là TCP/IP - một trong những giao thức của bộ TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet « Protocol). 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. Một số giao thức trong bộ 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 ị 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 chung cho thư điện tử (email) là Post Office Protocol (POP), Simple Mail Transfer Protocol (SMTP) và Internet Mail Access Protocol (IMAP).

Có rất nhiều kiểu mạng máy tính khác nhau. Việc phân loại chúng thường dựa trên các tiêu chí khác nhau. Ví dụ, mạng máy tính thường, được phân loại theo vùng địa lí: 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 truyền dữ liệu đi, ví dụ mạng chuyển mạch ảo, hay chuyển mạch gói.

Mạng cục bộ (LAN - Local Area Network) liên kết các tài nguyên máy tính trong một vùng địa lí kích thước hạn chế. Đó có thể là một phòng, vài phòng trong một toà nhà trong một khu nhà. Cụm từ “kích thước hạn chế” không được xác định cụ thề nên một số người xác định phạm vi của mạng LAN bàng cách định nghĩa bán kính của nó nàm < trong vài chục mét đến vài kilômét. Viện Institute of Electrical and Electrolics Engineers (IEEE) xác định bán kính của mạng LAN nhỏ hơn 10km. Ví dụ về một mạng LAN: Etherne/802.3, token ring, mạng FDDI (Fiber Distributed Data Interface).

Hình 1.23. Hình ảnh mạng LAN đơn giản

Mạng diện rộng (WAN - Wide Area Network) liên kết các tài nguyên máy tính trong vùng địa lí rộng (có bán kính trên 100km) như thị xã, thành phố, tỉnh/bang, quốc gia. Có thể coi mạng WAN gồm nhiều mạng Lan kết nối với nhau. Ví dụ về mạng WAN: ISDN (Integrated Services Data Network), frame relay, SMDS (switched Multimegabit Data Service) và ATM (Asynchronous Transfer Mode).

Hình 1.24. Mạng WAN - kết hợp của nhiều mạng LAN qua các bộ địnlỉ tuyến router

Nhiều khi người ta muốn phân biệt kĩ hơn mạng LAN và WAN. Do đó, mạng thành phố MAN xuất hiện. Mạng này liên kết các tài nguyên máy trong một thành phố. Giả sử có một công ty kinh doanh có nhiều toà nhà trong tỉnh/thành phố. Mỗi toà nhà có một mạng LAN riêng, những mạng LAN này được kết nối với nhau, kết quả ta có một mạng MAN vì tất cả các toà nhà 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 1.25. Mạng MAN - kết hợp nhiều mạng LAN

Mạng toàn cầu GAN là mạng của các mạng WAN trải rộng trên phạm vi toàn cầu. Mạng toàn cầu Internet cũng là một mạng GAN.

Một cách khác để phân loại mạng là theo topo - mô hình ghép nối mạng. Có 3 chiến lược kết nổi tổng quát: điểm - điểm (point - to - point), broadcast (điểm - nhiều điểm) và multidrop (đa chặng).

• Mô hình điểm - điểm (point - to - point): Mạng point - to - point cố thể gồm hàng ngàn nút, các nút chỉ có thể liên lạc với một nút liền kề. Mỗi nút nối trực tiếp với một số nút nào đó. Nếu một nút cần liên lạc với các nút không liền kề, nó buộc phải liên lạc gián tiếp thông qua chuỗi các nút khác. Có một số topo mạng dựa trên mô hình point - to - point, chẳng hạn, hai dạng phổ biến là star (hình sao) và tree (dạng cây).

Hình 1.26. Topo mạng trên mô hình point - to-point

• Mô hình điểm - nhiều điểm (broadcast): gồm các nút dùng chung một kênh truvền thông. Khác với mô hình point - to - point, dừ liệu do một máy gửi đi sẽ được truyền đến tất cả các nút trên kênh truyền dùng chung, do vậy nó dược gọi là broadcast hay quảng bá. Các máy sẽ kiếm tra xem liệu chúng có phải là đích đến của thông điệp đó hay không bằng cách kiểm tra dịa chỉ dến (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. Mô hình điểm - nhiều điểm có một số dạng topo phổ biến, đó là bus và vòng (ring). Các hệ thống truyền thông vệ tinh cũng dựa trên mô hình điểm - nhiều điểm.

Hình 1.27. Mô hình điểm - nhiều điểm

Trong hệ thông truyên thông vệ tinh, các trạm trên mặt đât nhận tín hiệu phát quảng bá từ vệ tinh xuống và truyền tín hiệu tới tất cả các nút trong mạng theo mô hình điểm - nhiều điểm. Ngược lại, các trạm anten này truyền dữ liệu lên vệ tinh theo mô hình điểm - điểm. Mô hình truyền thông tin vệ tinh được xếp vào mô hình điểm - nhiều điểm.

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, tầng mạng (network) của thiết bị t 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, thiết bị broadcast là một thiết bị multicast đặc biệt).