Mạng máy tính và hệ thống thông tin công nghệ

Mạng máy tính & Hệ thống thông tin công nghiệ Đào Đức Thịnh BM Kỹ thuật đo & THCN Giới thiệu về môn học z Tại sao phảI học môn học này ? z Môn học sẽ học những gì ? z Tài liệu tham khảo: Mạng và các hệ thống mở-Nguyễn Thúc HảI Mạng truyền tin CN-Hoàng Minh Sơn Cấu trúc môn học z Cơ sở lý thuyết của mạng thông tin ( chung cho cả hai môn). z Mạng máy tính. z Hệ thông thông tin CN Ch−ơng 1: Giới thiệu về mạng 1.1 Các khái niệm cơ bản: 1.1.1 Thông tin, dữ liệu: 1.1.2 Lịch sử phát triển của mạng máy tính: 1.1.3 Các yếu tố của mạng máy tính 1.1.4 Phân loại mạng máy tính. 1.2 Kiến trúc phân lớp và mô hình hệ mở: 1.2.1 Kiến trúc phân lớp 1.2.2 Mô hình ISO 1.2.3 Ph−ơng thức hoạt động 1.2.4 Các tổ chức thực hiện chuẩn hoá mạng Ch−ơng 1: Giới thiệu về mạng 1.3 Hệ điều hành mạng: 1.4 Kết nối các mạng máy tính: Thông tin, dữ liệu Thông tin là th−ớc đo mức nhận thức, sự hiểu biết về một vấn đề, một sự kiện hoặc một hệ thống. Thông tin, dữ liệu, tín hiệu z Đối t−ợng của một hệ thông tin: Đối t−ợng chính của một hệ thông tin là truyền thông tin từ nơi này qua nơi khác. z Các nhân tố tạo nên hệ thông tin: z Có nhu cầu truyền thông tin. z Có một bộ phát. z Có một bộ thu z Có một kênh liên lạc. z Dữ liệu ( Data): Là một thuật ngữ dùng để chỉ một phần của bản tin hay thông tin. z Máy tính ( Computer or uP based): Sử lý dữ liệu d−ới dạng 8(- 16,32,64) bit đồng thời. Thông tin, dữ liệu, tín hiệu Tín hiệu: Việc trao đổi thông tin (giữa ng−−ời và ng−−ời, giữa ng−−ời và máy) hay dữ liệu (giữa máy và máy) chỉ có thể thực hiện đ−−ợc nhờ tín hiệu. Có thể định nghĩa, tín hiệu là diễn biến của một đại l−−ợng vật lý chứa đựng tham số thông tin/dữ liệu và có thể truyền dẫn đ−−ợc. Theo quan điểm toán học thì tín hiệu đ−−ợc coi là một hàm của thời gian. z T−ơnq tự: Đây là một hàm liên tục của một đối số liên tục ( thời gian). z Rời rạc: Đây là một hàm liên tục của một đối số rời rạc ( thời gian). z L−ợng tử: Đây là một hàm l−ợng tử của một đối số liên tục ( thời gian). z Số: Đây là một hàm l−ợng tử của một đối số rời rạc ( thời gian). Thông tin, dữ liệu, tín hiệu Lịch sử phát triển của mạng máy tính Lịch sử phát triển của mạng máy tính Lịch sử phát triển của mạng máy tính Các yếu tố của mạng máy tính * Đ−ờng truyền vật lý: Đ−ờng truyền vật lý dùng để chuyển các tín hiệu điện giữa các máy tính. Các tín hiệu điện đó biểu thị các giá trị dữ liệu d−−ới dạng các xung nhị phân (on-off). Tất cả các tín hiệu đ−−ợc truyền giữa các máy tính đều thuộc một dạng sóng điện từ (EM) nào đó, trải từ các tần số radio tới sóng cực ngắn (viba) và tía hồng ngoại. Tùy theo tần số của sóng điện từ có thể dùng các đ−ờng truyền vật lý khác nhau để truyền các tín hiệu. Các yếu tố của mạng máy tính Các yếu tố của mạng máy tính Khi xem xét lựa chọn đ−ờng truyền vật lý, ta cần chú ý tới các đặc tr−ng cơ bản của chúng là giải thông (bandwidth), độ suy hao và độ nhiễu điện từ. * Giải thông của một đ−ờng truyền chính là độ đo phạm vi tần số mà nó có thể đáp ứng đ−−ợc. * Tốc độ truyền dữ liệu trên đ−−ờng truyền còn đ−−ợc gọi là thông l−ợng (throughput) của đ−−ờng truyền th−ờng đ−ợc tính bằng số l−ợng bit đ−ợc truyền đi trong 1 giây (bps). Thông l−ợng còn đ−ợc đo bằng một đơn vị khác là baud . Baud biểu thị số l−ợng thay đổi tín hiệu trong một giây. *Độ suy hao là độ đo sự yếu đi của tín hiệu trên đ−−ờng truyền. Nó cũng phụ thuộc vào độ dài cáp. *Độ nhiễu điện từ (EMI - Electromagnetic Interference) gây ra bởi tiếng ổn điện từ bên ngoài làm ảnh h−ởng đến tín hiệu trên đ−−ờng truyền. Các yếu tố của mạng máy tính Hiện nay cả 2 loại đ−ờng truyền hữu tuyến (cable) và vô tuyến (wireless) đều đ−ợc sử dụng trong việc nối kết mạng máy tính. Đ−ờng truyền hữu tuyến gồm có : - Cáp đồng trục (coaxial cable) - Cáp đôi xoắn (twisted - pair cable), gồm 2 loại : có bọc kim (Shielded) và không bọc kim (Unshielded) - Cáp sợi quang (fiber -optic cable) Đ−−ờng truyền vô tuyến gồm có : - Radio - Sóng cực ngắn (microwave) - Tia hồng ngoại (infrared) Các yếu tố của mạng máy tính *Kiến trúc mạng: Kiến trúc mạng máy tính (network architecture) thể hiện cách nối các máy tính với nhau ra sao và tập hợp các qui tắc, qui −ớc mà tất cả các thực thể tham gia truyền thông trên mạng phải tuân theo để đảm bảo cho mạng hoạt động tốt. Cách nối các máy tính đ−−ợc gọi là hình trạng (topolopy) của mạng (ta gọi là topo của mạng). Còn tập hợp các qui tắc, qui −ớc truyền thông thì đ−ợc gọi là giao thức (protocol) của mạng. To po và giao thức mạng là hai khái niệm rất cơ bản của mạng máy tính. Các yếu tố của mạng máy tính * Topo mạng: Có 2 kiểu nối mạng chủ yếu là điềm-điểm (point- to-point) và quảng bá (broadcast hay point-to-multipoint). Theo kiểu điểm - điểm các đ−ờng truyền nối từng cặp nút với nhau và mỗi nút đều có trách nhiệm l−u trữ tạm thời sau đó chuyển tiếp dữ liệu đi cho tới đích. Do cách thức làm việc nh− thế nên mạng kiểu này còn đ−−ợc gọi là mạng "l−u và chuyển tiếp"(store and forward). Các yếu tố của mạng máy tính Các yếu tố của mạng máy tính Theo kiểu quảng bá, tất cả các nút phân chia chung một đ−ờng truyền vật lý. Dữ liệu đ−ợc gửi đi từ một nút nào đó sẽ có thể đ−ợc tiếp nhận bởi tất cả các nút còn lại, bởi vậy cần chỉ ra địa chỉ đích của dữ liệu để mỗi nút căn cứ vào đó kiểm tra xem dữ liệu có phải dành cho mình hay không? Các yếu tố của mạng máy tính Các yếu tố của mạng máy tính * Giao thức mạng : Việc trao đổi thông tin, cho dù là đơn giản nhất, cũng đều phải tuân theo những qui tắc nhất định. Ngay cả hai ng−−ời nói chuyện với nhau muốn cho cuộc nói chuyện có kết quả thì ít nhất cả hai cũng phải ngầm tuân thủ qui tắc: khi ng−−ời này nói thì ng−ời kia phải nghe và ng−ợc lại. Việc truyền tín hiệu trên mạng cũng vậy, cấn phải có những quy tắc, quy −ớc về nhiều mặt, từ khuôn dạng (cú pháp, ngữ nghĩa) của dữ liệu cho tới các thủ tục gửi, nhận dữ liệu kiểm soát hiệu quả và chất l−ợng truyền tin và xử lý các lỗi và sự cố. Yêu cầu về xử lý và trao đổi thông tin của ng−−ời sử dụng càng cao thì các qui tắc càng nhiều và phức tạp hơn. Tập hợp tất cả những qui tắc, qui −ớc đó đ−ợc gọi là giao thức (protocol) của mạng. Rõ ràng là các mạng có thể sử dụng các giao thức khác nhau tùy sự lựa chọn của ng−−ời thiết kế Phân loại mạng máy tính Nếu lấy "khoảng cách địa lý" làm yếu tố chính để phân loại thì ta có mạng cục bộ, mạng đô thị, mạng diện rộng và mạng toàn cầu. z *Mạng cục bộ (Local Area Networks - viết tắt là LAN): là mạng đ−−ợc cài đặt trong một phạm vi t−ơng đối nhỏ (ví dụ trong 1 tòa nhà, khu tr−ờng học v.v...) với khoảng cách lớn nhất giữa các máy tính nút mạng chỉ trong vòng vài chục ki-lô-mét trở lại. z *Mạng đô thị (Metropolitan Area Networks - viết tắt là MAN): là mạng đ−ợc cài đặt trong phạm vi một đô thị hoặc một trung tâm kinh tế - xã hội có bán kính khoảng 100 ki-lô-mét trở lại. z *Mạng diện rộng (Wide Area Networks : viết tắt là WAN): phạm vi của mạng có thể v−ợt qua biên giới quốc gia và thậm chí cả lục địa. z *Mạng toàn cầu (Global Area Netwoks - viết tắt là GAN): phạm vi của mạng trải rộng khắp các lục địa của Trái Đất). Phân loại mạng máy tính Nếu lấy "kỹ thuật chuyển mạch" (switching) làm yếu tố chính để phân loại thì ta sẽ có : mạng chuyền mạch kênh, mạng chuyển mạch thông báo và mạng chuyển mạch gói. Phân loại mạng máy tính *Mạng chuyển mạch kênh (circuit - switched networks): Trong tr−ờng hợp này, khi có 2 thực thể cần trao đổi thông tin với nhau thì giữa chúng sẽ đ−ợc thiết lập một "kênh" (circuit) cố định và đ−ợc duy trì cho đến khi một trong hai bên ngắt liên lạc. Các dữ liệu chỉ đ−ợc truyền theo con đ−ờng cố định đó. Phân loại mạng máy tính Phân loại mạng máy tính *Mạng chuyển mạch thông báo (message - switched networks) : Thông báo (message) là một đơn vị thông tin của ng−ời sử dụng có khuôn dạng đ−ợc qui định tr−ớc. Mỗi thông báo đều có chứa vùng thông tin điều khiển trong đó chỉ định rõ đích của thông báo. Căn cứ vào thông tin này mà mỗi nút trung gian có thể chuyển thông báo tới nút kế tiếp theo đ−ờng dẫn tới đích của nó. Nh− vậy, mỗi nút cần phải l−u trữ tạm thời để "đọc" thông tin điều khiển trên thông báo để rồi sau đó chuyển tiếp thông báo đi. Tùy thuộc vào điều kiện của mạng, các thông báo khác nhau có thể đ−ợc gửi đi trên các con đ−ờng khác nhau Phân loại mạng máy tính Phân loại mạng máy tính *Mạng chuyển mạch gói (packet -switched networks): Trong tr−ờng hợp này, mỗi thông báo đ−ợc chia thành nhiều phần nhỏ hơn gọi là các gói tin (packet) có khuôn dạng qui định tr−ớc. Mỗi gói tin cũng chứa các thông tin điều khiển, trong đó có địa chỉ nguồn (ng−ời gửi) và đích (ng−ời nhận) của gói tin. Các gói tin thuộc về một thông báo nào đó có thể đ−ợc gửi đi qua mạng để tới đích bằng nhiều con đ−ờng khác nhau Phân loại mạng máy tính Phân loại mạng máy tính *Ng−ời ta còn có thể phân loại mạng theo kiến trúc mạng(topo và giao thức sử đụng). Chẳng hạn chúng ta th−ờng nghe nói đến mạng SNA (System Network Architechture) của IBM, mạng ISO (theo kiến trúc chuẩn quốc tế), hay mạng TCP/IP v.v... Kiến trúc phân tầng Để giảm độ phức tạp của việc thiết kế và cài đặt mạng, hấu hết các mạng máy tính hiện có đều đ−ợc phân tích thiết kế theo quan điểm phân tầng (layering). Mỗi hệ thống thành phần của mạng đ−−ợc xem nh− là một cấu trúc đa tầng, trong đó mỗi tầng đ−ợc xây trên tầng tr−ớc nó. Số l−ợng các tầng cũng nh− tên và chức năng của mỗi tầng là tùy thuộc vào các nhà thiết kế. Mô hình hệ mở z P1 : Để đơn giản cần hạn chế số l−ợng các tầng. z P2 : Tạo ranh giới các tầng sao cho các t−ơng tác và mô tả cân dịch vụ là tối thiểu. z P3 : Chia các tầng sao cho các chức năng khác nhau đ−ợc tách biệt với nhau, và các tầng sử dụng các loại công nghệ khác nhau cũng đ−ợc tách biệt. z P4 : Các chức năng giống nhau đ−ợc đặt vào cùng một tầng z P5 : Chọn ranh giới các tầng theo kinh nghiệm đã đ−ợc chứng tỏ là thành công. z P6 : Các chức năng đ−ợc định vị sao cho có thể thiết kế lại tầng mà ảnh h−ởng ít nhất đến các tầng kế nó. z P7 : Tạo ranh giới các tầng sao cho có thể chuẩn hóa giao diện t−ơng ứng. Mô hình hệ mở z P8 :Tạo một tầng khi dữ liệu đ−−ợc xử lý một cách khác biệt. z P9 : Cho phép các thay đổi chức năng hoặc giao thức trong một tầng không làm ảnh h−ởng đến các tầng khác. z P10 : Mỗi tầng chỉ có các ranh giới (giao diện) với các tầng kề trên và d−ới nó. z Các nguyên tắc t−ơng tự đ−ợc áp dụng khi chia các tầng con(sublayer) : z P11: Có thể chia một tầng thành các tầng con khi cần thiết. z P12 : Tạo các tầng con để cho phép giao diện với các tầng kề cận. z P13 : Cho phép hủy bỏ các tầng con nếu thấy không cần thiết. Mô hình hệ mở Mô hình hệ mở z PHYSLCAL: Liên quan đến nhiệm vụ truyền dòng bit không có cấu trúc qua đ−ờng truyền vật lý, truy nhập đ−ờng truyền vật lý nhờ các ph−ơng tiện cơ, điện, hàm, thủ tục. z DATA LINK: Cung cấp ph−ơng tiện để truyền thông tin qua liên kết vật lý đảm bảo tin cậy; gửi các khối dữ liệu (frame) với các cơ chế đồng bộ hóa, kiểm soát lỗi và kiểm soát tuồng dữ liệu cần thiết. z NETWORK: Thực hiện việc chọn đ−ờng và chuyển tiếp thông tin với công nghệ chuyển mạch thích hợp, thực hiện kiểm soát luồng dữ liệu và cắt/hợp dữ liệu nếu cần. Mô hình hệ mở z TRANSPORT:Thực hiện việc truyền dữ liệu giữa hai đầu mút (end-to-end); thực hiện cả việc kiềm soát lỗi và kiểm soát luồng dữ liệu giữa đầu mút. Cũng có thể thực hiện việc ghép kênh (multiplexing) cắt/hợp dữ liệu nếu cần. z SESSION: Cung cấp ph−ơng tiện quản lý truyền thông giữa các ứng dụng thiết lập, duy trì, đồng bộ hóa và huỷ bỏ các phiên truyền thông giữa các ứng dụng. z PRESENTATLON:Chuyển đổi cú pháp dữ liệu để đáp ứng yêu cầu truyền dữ liệu của các ứng dụng qua môi tr−ờng OSI z APPLICATION: Cung cấp các ph−ơng tiện để ng−ời sử dụng có thể truy nhập đ−ợc vào môi tr−ờng OSI, đồng thời cung cấp các dịch vụ thông tin phân tán. Ph−ơng thức hoạt động ở mỗi tầng trong mô hình OSI có 2 ph−ơng thức hoạt động chính đ−ợc áp dụng : ph−ơng thức có liên kết (connection- onented) và ph−ơng thức không liên kết (connectionless). Với ph−ơng thức có liên kết, tr−−ớc khi truyền dữ liệu cần thiết lập một liên kết lôgic giữa các thực thể đồng mức. Trong khi đó, với ph−ơng thức không liên két thì không cần thiết lập liên kết lôgic và mỗi đơn vị dữ liệu đ−ợc truyền là độc lập với các đơn vị dữ liệu tr−ớc hoặc sau nó. Ph−ơng thức hoạt động Nh− vậy đối với ph−ơng thức có liên kết, quá trình truyền thông phải bao gồm 3 giai đoạn phân biệt : - Thiết lập liên kết (lôgic): hai thực thể đồng mức ở hai hệ thống sẽ th−ơng l−ợng với nhau về tập các tham số sẽ sử dụng trong giai đoạn sau (truyền dữ liệu). - Truyền dữ liệu : dữ liệu đ−−ợc truyền với các cơ chế kiểm soát và quản lý kèm theo (nh−− kiểm soát lỗi, kiểm soát luồng dữ liệu, cắt/hợp dữ liệu v.v...) để tăng c−ờng độ tin cậy và hiệu quả của việc truyền dữ liệu. - Hủy bỏ liên kết (lôgic) : giải phóng các tài nguyên Ph−ơng thức hoạt động Còn đối với ph−ơng thức không liên kết thì chỉ có duy nhất một giai đoạn truyền dữ liệu mà thôi. Các tổ chức chuẩn hoá mạng z ISO z CCITT z ECMA, ANSI, IEEE. Hệ điều hành mạng Cùng với việc ghép nối các máy tính thành mạng, cần thiết phải có các hệ điều hành trên phạm vi toàn mạng có chức năng quản lý dữ liệu và tính toán, xử lý một cách thống nhất. Các hệ thống nh− vậy đ−ợc gọi chung là hệ điều hành mạng (Network Operating Systems-viết tắt là NOS). Để thiết. kế và cài đặt một hệ điều hành mạng, có thể có 2 cách tiếp cận khác nhau. Hệ điều hành mạng ( 1 ) Tôn trọng tính độc lập của các hệ điều hành cục bộ đã có trên các máy tính của mạng. Lúc đó, hệ điều hành mạng đ−ợc cài đặt nh− một tập các ch−ơng trình tiện ích chạy trên các máy khác nhau của mạng. Tuy không đ−ợc "đẹp" nh−ng giải pháp này dễ cài đặt và không vô hiệu hóa các phần mềm đã có. Hệ điều hành mạng (2) Bỏ qua các hệ điều hành cục bộ đã có trên các máy và cài một hệ điều hành thuần nhất trên toàn mạng mà ng−ời ta còn gọi là hệ điều hành phân tán (distnbuted operating system). Rõ ràng là giải pháp này "đẹp hơn" về ph−ơng diện hệ thống so với giải pháp trên nh−ng bù lại là độ phức tạp của công việc lớn hơn nhiều. Mặt khác, việc tôn trọng tính độc lập và chấp nhận sự tổn tại của các sản phẩm hệ thống đã có là một điểm hấp dẫn của cách tiếp cận thứ nhất. Kết nối mạng máy tính. Các tiếp cận: Do nhu cầu trao đổi thông tin trong xã hội phát triển ngày càng cao nên việc kết nối các mạng máy tính lại với nhau đã trở thành một vấn đề đ−ợc quan tâm đặc biệt. Mục tiêu đề ra là phải làm sao để những ng−ời sử dụng trên các mạng khác nhau (về chủng loại, kiến trúc hoặc vị trí địa lý) có thể trao đối thông tin với nhau một cách dễ dàng và hiệu quả. Để kết nối các mạng đang tồn tại lại với nhau, ng−ời ta th−ờng xuất phát từ một trong hai quan điểm sau đây : (1) Xem mỗi nút của mạng con nh− là một hệ thống mở, hoặc (2) Xem mỗi mạng con nh− là một hệ thống mở. Kết nối mạng máy tính. - Quan điểm (l) cho phép mỗi nút của mạng con có thể truyền thông trực tiếp với một nút của mạng con bất kỳ khác. Nh− vậy toàn bộ các mạng con cũng sẽ là nút của mạng lớn và tuân thủ một kiến trúc chung. - Quan điểm (2), hai nút thuộc hai mạng con khác nhau không thể "bắt tay" trực tiếp với nhau đ−ợc mà phải thông qua một phần tử trung gian gọi là giao diện nối kết (Interconnection Interface) đặt giữa hai mạng con đó. Có nghĩa là cũng hình thành một mạng lớn gồm các giao diện nối kết và các máy chủ (host) đ−ợc nối với nhau bởi các mạng con. Kết nối mạng máy tính.