Bài số 3 Mô hình TCP/IP (transmission control protocol/internet protocol)

Bài số 3 MÔ HÌNH TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) 1. Giới thiệu về giao thức TCP/IP Kiến trúc giao thức TCP/IP là kết quả của nghiên cứu và phát triển giao thức được thực hiện trên thí nghiệm mạng chuyển mạch gói ARPANET được trợ giúp bởi Cơ quan dự án nghiên cứu quốc phòng cao cấp của Mỹ. Mạng chuyển mạch gói này thường được gọi là bộ giao thức TCP/IP. Giao thức này bao gồm một số lượng lớn các giao thức đã được đề xuất như là các chuẩn cho Internet. 2. Các lớp của giao thức TCP/IP - Mô hình TCP/IP tổ chức nhiệm vụ truyền thông thành 5 lớp tương đối độc lập đó là: + Tầng vật lý + Tầng truy nhập mạng + Tậng internet + Tầng giao vận + Tầng ứng dụng - Mô hình của giao thức TCP/IP: Tầng ứng dụng Tầng trình bày Tầng phiên Tầng truyền tải Tầng mạng Tầng liên kết dữ liệu Tầng vật lý Mô hình OSI Mô hình TCP/IP Tầng vật lý Tầng truy nhập mạng Tầng Internet Tầng giao vận Tầng ứng dụng 3. Chức năng của các tầng trong mô hình TCP/IP a, Tầng vật lý: Tầng này bao gồm giao diện vật lý giữa một thiết bị truyền dữ liệu chẳng hạn như một máy tính hay một trạm làm việc và một đường truyền. Tầng này quan tâm đến việc xác định những đặc tính của đường truyền, bản chất của tín hiệu, tốc độ truyền và các vấn đề liên quan. b, Tầng truy nhập mạng: Quan tâm đến việc trao đổi dữ liệu giữa một thiết bị đầu cuối (máy chủ, hay trạm làm việc) và mạng mà thiết bị này được kết nối vào. Máy tính gửi dữ liệu cần phải cung cấp cho mạng địa chỉ của máy tính đích để mạng hướng dữ liệu chính xác đến đích. - Các phần mềm được dùng ở tầng này phụ thuộc vào loại mạng được sử dụng. Có nhiều chuẩn đã được phát triển cho chuyển mạch, chuyển gói, LAN. c, Tầng Internet : Tầng Internet quan tâm đến việc truy nhập và đinh hướng dữ liệu thông qua một mạng cho hai hệ thống đầu cuối được kết nối vào mạng này. Trong những trường hợp khác, khi các thiết bị được kết nối vào các mạng khác nhau cần phải có các thủ tục để cho phép dữ liệu được truyền đi qua liên mạng. - Chức năng này không chỉ được thực hiện bởi các thiết bị đầu cuối mà còn ở cả các router. Một router là một bộ xử lý kết nối 2 mạng, các chức năng cơ bản của router là chuyển tiếp cho dữ liệu từ một mạng đến một mạng khác trên đường đi từ nguồn đến đích. d, Tầng giao vận: Tầng này quan tâm đến việc trao đổi thông tin một cách tin cậy. Người sử dụng mong muốn rằng dữ liệu đến đích theo cùng một thứ tự mà nó đã được gửi đi. Cơ chế để cung cấp độ tin cậy trong truyền dữ liệu là độc lập về bản chất với bản chất của ứng dụng. - Lớp này thường được gọi là host – to – host layer hay transport layer. Giao thức điều khiển truyền thông (Transmission Control Protocol - TCP) là giao thức được dùng phổ biến nhất để cung cấp chức năng này. e, Tầng ứng dụng: Tầng này bao gồm các logic cần thiết để hỗ trợ nhiều lọai ứng dụng. Với mỗi một kiểu khác nhau của ứng dụng, chẳng hạn như ứng dụng gửi file, một modun riêng là cần thiết và là modun riêng biệt cho ứng dụng này. 4. TCP và UDP a, TCP Với hầu hết các ứng dụng chạy như là một phần của kiến trúc giao thức TCP/IP, giao thức của tầng giao vận là TCP (Transmission Control Protocol). - TCP là một giao thức "có liên kết" (connection - oriented), nghĩa là cần phải thiết lập liên kết giữa hai thực thể TCP trước khi chúng trao đổi dữ liệu với nhau. TCP cung cấp một kết nối đáng tin cậy để chuyển dữ liệu giữa các ứng dụng. - Một sự kết nối chỉ đơn giản là một sự liên kết logic tạm thời giữa hai thực thể trong hai hệ thống khác nhau. Mỗi một TCP PDU được gọi là TCP segment bao gồm giá trị của cổng nguồn và cổng đích trong header. Các giá trị này phục vụ như là service access point (SAP) trong mô hình OSI. -Các giá trị cổng xác định các ứng dụng tương ứng trên hai thực thể TCP. Một kết nối logic là nói đến một cặp của các giá trị cổng. -Một cổng TCP kết hợp với địa chỉ IP tạo thành một đầu nối TCP/IP (socket) duy nhất trong liên mạng. Dịch vụ TCP được cung cấp nhờ một liên kết logic giữa một cặp đầu nối TCP/IP. Một đầu nối TCP/IP có thể tham gia nhiều liên kết với các đầu nối TCP/IP ở xa khác nhau. Trước khi truyền dữ liệu giữa 2 trạm cần phải thiết lập một liên kết TCP giữa chúng và khi không còn nhu cầu truyền dữ liệu thì liên kết đó sẽ được giải phóng. - Trong quá trình kết nối, mỗi một thực thể TCP theo dõi các đọan TCP đến nó và các đoạn TCP đi ra từ nó để điều khiển dòng lưu chuyển của các đoạn TCP và khôi phục các đoạn bị hỏng hay bị mất. - Đơn vị dữ liệu sử dụng trong TCP được gọi là segment (đoạn dữ liệu), có các tham số với ý nghĩa như sau: Source Port Destination Port Bit 0 Bit 15 Bit 31 Acknowledgment Number Acknowledgment NumberData O ffset (4 bits) R e se rved (6 bits) U R G P S H C K R S T S Y N F I N Window Check sum Urgent Pointer Options Padding TCP Data TCP Segment Sequence Number + Source Port (16 bits): Số hiệu cổng TCP của trạm nguồn. + Destination Port (16 bit): Số hiệu cổng TCP của trạm đích. + Sequence Number (32 bit): số hiệu của byte đầu tiên của segment trừ khi bit SYN được thiết lập. Nếy bit SYN được thiết lập thì Sequence Number là số hiệu tuần tự khởi đầu (ISN – Initial Sequence Number) và byte dữ liệu đầu tiên là ISN+1. + Acknowledgment Number (32 bit): số hiệu của segment tiếp theo mà trạm nguồn đang chờ để nhận. Ngầm ý báo nhận tốt (các) segment mà trạm đích đã gửi cho trạm nguồn. Data offset (4 bit): số lượng bội của 32 bit (32 bit words) trong TCP header (tham số này chỉ ra vị trí bắt đầu của nguồn dữ liệu). Reserved (6 bit): dành để dùng trong tương lai Control bit (các bit điều khiển): URG: Vùng con trỏ khẩn (Urgent Pointer) có hiệu lực. + ACK: Vùng báo nhận (ACK number) có hiệu lực. + PSH: Chức năng PUSH. + RST: Khởi động lại (reset) liên kết. + SYN: Đồng bộ hóa số hiệu tuần tự (sequence number). + FIN: Không còn dữ liệu từ trạm nguồn. Window (16 bit): cấp phát credit để kiểm soát nguồn dữ liệu (cơ chế cửa sổ). Đây chính là số lượng các byte dữ liệu, bắt đầu từ byte được chỉ ra trong vùng ACK number, mà trạm nguồn đã sẵn sàng để nhận. Checksum (16 bit): mã kiểm soát lỗi cho toàn bộ segment (header + data) Urgent Poiter (16 bit): con trỏ này trỏ tới số hiệu tuần tự của byte đi theo sau dữ liệu khẩn. Vùng này chỉ có hiệu lực khi bit URG được thiết lập. Options (độ dài thay đổi): khai báo các option của TCP, trong đó có độ dài tối đa của vùng TCP data trong một segment. Padding (độ dài thay đổi): phần chèn thêm vào header để đảm bảo phần header luôn kết thúc ở một mốc 32 bit. Phần thêm này gồm toàn số 0. + TCP data (độ dài thay đổi): chứa dữ liệu của tầng trên, có độ dài tối đa ngầm định là 536 byte. Giá trị này có thể điều chỉnh bằng cách khai báo trong vùng options. -Để hỗ trợ cho TCP còn có một giao thức của tầng giao vận được sử dụng rộng rãi như là một phần của bộ giao thức TCP/IP đó là User Datagram Protocol – Giao thức gam dữ liệu người dùng (UDP). - Mỗi gói tin trong giao thức UPD được gọi là một datagram b, UDP (User Datagram Protocol): Là giao thức theo phương thức không liên kết được sử dụng thay thế cho TCP ở trên IP theo yêu cầu của từng ứng dụng. Khác với TCP, UDP không có các chức năng thiết lập và kết thúc liên kết. - Tương tự như IP, nó cũng không cung cấp cơ chế báo nhận (acknowledgment), không sắp xếp tuần tự các gói tin đến và có thể dẫn đến tình trạng mất hoặc trùng dữ liệu mà không có cơ chế thông báo lỗi cho người gửi. UDP cung cấp các dịch vụ vận chuyển không tin cậy. - Khuôn dạng UDP datagram được mô tả với các vùng tham số đơn giản hơn nhiều so với TCP segment. Source Port Destination Port Bit 0 Bit 15 Bit 31 Message Length Checksum Data UDP Datagram UDP cũng cung cấp cơ chế gán và quản lý các số hiệu cổng (port number) để định danh duy nhất cho các ứng dụng chạy trên một trạm của mạng. Do ít chức năng phức tạp nên UDP thường có xu thế hoạt động nhanh hơn so với TCP. Nó thường được dùng cho các ứng không đòi hỏi độ tin cậy cao trong giao vận. 5. Hoạt động của TCP/IP - Toàn bộ hệ thống truyền thông bao gồm nhiều mạng, các mạng thành phần được gọi là các mạng con (subnets). - Một vài dạng giao thức truy nhập mạng, chẳng hạn như Ethernet được sử dụng để kết nối một máy tính với mạng con. Giao thức này cho phép một máy tính gửi dữ liệu dọc theo mạng con để tới máy tính khác, trường hợp máy đích nằm trên mạng con khác thì dữ liệu được gửi tới router, router này sẽ chuyển dữ liệu đi tiếp. - IP được thực hiện trên tất cả các hệ thống đầu cuối và cả trên tất cả router. Ip hoạt động như là 1 bộ chuyển tiếp (relay) để chuyển một khối dữ liệu từ một máy tính qua một hoặc nhiều router đến máy tính khác. - TCP chỉ được thực hiện trên các thiết bị đầu cuối để theo dõi các khối dữ liệu để đảm bảo rằng tất cả các khôi được bàn giao một cách đáng tin cậy đến chính xác ứng dụng. - Mỗi một thực thể trên toàn bộ hệ thống cần phải có một địa chỉ duy nhấy và là địa chỉ 2 lớp cụ thể như sau: mỗi một máy tính trên một mạng con phải có duy nhất một địa chỉ internet, điều này đảm bảo rằng dữ liệu sẽ được chuyển chính xác đến máy đó trên mạng. Mỗi một quá trình (process) trên một máy tính cần phải có một địa chỉ duy nhất trên máy này để cho phép TCP chuyển dữ liệu đến quá trình đích. Ví dụ: Giả sử rằng một quá trình liên kết với cổng 1 trên máy A gửi một thông báo sang cổng 3 của máy B. Các bước tiến hành như sau: + Quá trình trên máy A chuyển thông báo xuống TCP với một chỉ dẫn là gửi thông báo sang máy B cổng 3. + TCP chuyển thông báo xuống IP với một chỉ dẫn là gửi thông báo sang máy B. (IP không được thông báo về địa chỉ cổng đích trên máy B, những gì IP được biết là dữ liệu sẽ được truyền sang máy B) Tiếp theo IP chuyển thông báo xuống tầng truy nhập mạng (network access layer) với chỉ dẫn là gửi thông báo này tới router J. - Để điều khiển quá trình họat động này các thông tin điều khiển cũng như là dữ liệu của người dùng cần phải được truyền đi. Cụ thể là: + Bên gửi sinh ra một khối dữ liệu và truyền nó xuống TCP. + TCP có thể chia nhỏ khối dữ liệu này thành các đoạn để dễ quản lý. Với mỗi đoạn TCP gắn thêm các thông tin điều khiển được biết đến như là TCP header và tạo thành TCP segment. Thông tin điều khiển sẽ được sử dụng bởi giao thức TCP ngang hàng bên máy B. Các thông tin điều khiển trong TCP segment bao gồm: + Cổng đích + Số thứ tự + Mã kiểm tra lỗi - Sau đó TCP chuyển các TCP segment cho IP với chỉ dẫn chuyển các đoạn này cho máy B. Các segment này có thể được truyền xuyên qua một hoặc nhiều mạng con và chuyển tiếp qua một hoặc nhiều router trung gian. Do đó IP gắn thêm vào một header bao gồm thông tin điều khiển cho mỗi segment để tạo thành IP datagram. Thông tin trong IP header có thể bao gồm địa chỉ máy trạm đích (B) - Cuối cùng mỗi một IP datagram được đưa xuống tầng truy nhập mạng để truyền qua mạng con đầu tiên trên con đường đến đích. -Tầng truy nhập mạng gắn thêm vào header của nó để tạo thành một gói hay một frame. Thông tin trong header có thể bao gồm địa chỉ mạng con đích. Sau đó gói tin này được truyền trên mạng đến router J. tại J phần header của gói tin được tách ra và phần IP header được phân tích. - Dựa trên thông tin của IP header, Module IP trong router sẽ truyền gói tin theo mạng con 2 đến B. - Khi gói tin đến B quá trình xử lý ngược lại được tiến hành. Tại mỗi một tầng phần header tương ứng được tách ra và phần còn lại được chuyển lên tầng cao hơn bên trên cho đến khi gói tin đến được quá trình đích. App X App Y TCP IP Network Access Protocol 1 Physical App X App Y TCP IP Network Access Protocol 2 Physical Port or service access point Logical Connection (TCP connection) Global network address Network 1 Network 2 IP NAP 1 NAP 2 Router Network Access Point Network Access Point - Một số lượng các ứng dụng đã được tiêu chuẩn hóa để hoạt động trên đỉnh của TCP, có 3 ứng dụng phổ biến nhất là: + Giao thức truyền thư đơn giản – Simple Mail Transfer Protocol –SMTP: Cung cấp một cách cơ bản dịch vụ thư điện tử (Electronic Mail – Email). Nó cung cấp một cơ chế để chuyển các thông báo giữa các host khác nhau. Những đặc biệt của SMTP là bao gồm danh sách các thư, thống kê các người nhận và người gửi. SMTP không chỉ rõ cách thức mà các thông báo được tạo ra. - Một khi một thông báo đã được tạo, SMTP chấp nhận nó và sử dụng TCP để gửi nó tới một SMTP module trên một host khác. Module SMTP bên nhận sẽ sử dụng một hòm thư điện tử cục bộ để chứa thông báo vừa nhận được trong hộp thư của người dùng. + Giao thức truyền file File Transfer Protocol – FTP: Được sử dụng để gửi các file từ một hệ thống đến một hệ thống khác theo yêu cầu của người dùng.Cả hai loại file là text và file nhị phân đều có thể được gửi. Giao thức này còn cung cấp các điểm đặc biệt để điều khiển sự truy nhập của người dùng. Khi một người dùng muốn gửi file, FTP thiết lập một kết nối TCP với hệ thống đích để trao đổi các thông báo điều khiển. - Cho phép tên người dùng và mật khẩu đươc gửi và cho phép người dùng xác định rõ file và các hành động mong muốn. sau khi một sự chuyển file đã được chấp nhận, một sự kết nối TCP thứ hai được thiết lập cho chuyển dữ liệu. + TELNET: Cung cấp khả năng logon từ xa, nó cho phép một người sử dụng tại một máy tính logon vào một máy tính ở xa và cho phép nó hoạt động như là kết nối trực tiếp với máy tính này. TELNET được thực hiện trong hai loại là TELNET người sử dụng và TELNET máy chủ.