Bài 1 : Mạng và Mô hình tham chiếu

1. Mạng là gì

Mạng (network) là một tập hợp các thiết bị mạng (router, switch,…) và các hệ thống đầu cuối (như các máy tính, các server,…) được kết nối với nhau bởi các đường truyền (cáp quang, cáp đồng, sóng không dây) để có thể trao đổi dữ liệu với nhau.

Mạng có quy mô lớn nhất và được sử dụng rộng rãi nhất là mạng Internet toàn cầu.

Hình 1.1. Mạng là gì

Ví dụ: Trên hình 1.1, nhiều đối tượng khác nhau kết nối vào Internet để có thể trao đổi dữ liệu với nhau. Các đối tượng này có thể là:

• Một người dùng tại nhà truy nhập mạng thông qua một kết nối Internet băng rộng như ADSL, FTTH.
• Một người dùng di động đang sử dụng laptop, smartphone, máy tính bảng,… truy nhập không dây (bằng Wifi hoặc 3G/4G) vào Internet.
• Trụ sở chính (Headquaters) và các văn phòng chi nhánh (Branch Office) của một doanh nghiệp kết nối mạng để chia sẻ thông tin và vận hành các công việc của mình.

Một hệ thống mạng có thể bao gồm rất nhiều thiết bị chuyên dụng phức tạp. Tuy nhiên, về cơ bản nhất, một mạng máy tính ngày nay sẽ có các thành phần như sau (hình 1.2):

Hình 1.2. Các thành phần cơ bản của một mạng máy tính

• Các thiết bị đầu cuối: Là các thiết bị như PC, laptop, smartphone, tablet, máy in, server,… cần phải kết nối vào mạng để truy nhập và chia sẻ dữ liệu cũng như các tài nguyên phần cứng và phần mềm khác.
• Các kết nối: Để có thể truy nhập vào mạng, các thiết bị đầu cuối phải được kết nối đến các thiết bị mạng. Các kết nối này có thể là kết nối có dây hoặc kết nối không dây.
• Switch: Các thiết bị đầu cuối sử dụng kết nối có dây như PC, máy in, server (hình 1.2) sẽ được kết nối về một thiết bị tập trung có tên gọi là Switch.
• Access point: Các thiết bị đầu cuối sử dụng kết nối không dây như laptop, smartphone, tablet (hình 1.2) sẽ thực hiện truy nhập không dây về một thiết bị tập trung có tên gọi là Access point. Access point đến lượt nó lại được kết nối bằng dây đến switch để giúp cho các thiết bị đầu cuối không dây vừa nêu có thể truy nhập mạng.
• LAN (Local Area Network) – Mạng nội bộ: Được định nghĩa là một loại hình kết nối mạng tốc độ cao, phạm vi hẹp, chỉ sử dụng trong khuôn khổ một văn phòng, một trường học, một bệnh viện,.v.v… Trước đây có nhiều công nghệ LAN, ngày nay, gần như chỉ còn một công nghệ LAN duy nhất được sử dụng là Ethernet LAN. Switch là thiết bị chuyển mạch chuyên dụng trong Ethernet LAN (sẽ được đề cập chi tiết ở một chương khác của giáo trình).

Bên cạnh loại hình mạng LAN phải sử dụng kết nối có dây để đấu nối các thiết bị vừa nêu, còn có một loại LAN khác cũng rất phổ biến là LAN không dây (Wireless LAN). LAN không dây chỉ sử dụng sóng điện từ để kết nối các thiết bị. Thiết bị chuyên dụng của LAN không dây chính là Access point. Chủ đề Wireless LAN sẽ được đề cập chi tiết trong một chương khác của giáo trình.

• Switch và access point, cùng với các thiết bị đầu cuối kết nối đến chúng tạo thành một mạng LAN chung của một khu vực. Ví dụ:
  • Trong hình 1.2 là sơ đồ của một mạng doanh nghiệp có hai chi nhánh gồm một trụ sở chính (Headquarters – HQ) và một chi nhánh (Branch – BR). Switch và access point bên khu vực mạng của trụ sở chính thực hiện kết nối các thiết bị đầu cuối tại đây tạo thành mạng nội bộ của khối trụ sở chính (HQ LAN); thiết bị switch bên khu vực mạng của chi nhánh thực hiện kết nối các PC tại chi nhánh tạo thành mạng nội bộ của khối chi nhánh (BR LAN).
• Router: Các Switch đến lượt chúng lại được kết nối về một thiết bị tập trung có tên gọi là Router. Router – bộ định tuyến, là thiết bị cho phép tìm đường đi tối ưu trên mạng, từ đó cho phép các thiết bị đầu cuối có thể truyền thông với nhau và truy nhập được Internet. Ngoài ra, router cũng có thể cung cấp được một số dịch vụ mạng nhất định. Chi tiết về hoạt động định tuyến và triển khai dịch vụ mạng trên router sẽ được trình bày trong các chương khác của giáo trình.
• Kết nối WAN (Wide Area Network – Mạng diện rộng): Để các mạng LAN thuộc các chi nhánh khác nhau có thể trao đổi được dữ liệu, doanh nghiệp phải thuê các đường truyền WAN từ các công ty chuyên cung cấp đường truyền cự ly xa để kết nối chúng lại. Có nhiều loại hình đường truyền WAN được cung cấp bởi các công ty này như: Leased – line kênh trắng, Metro Ethernet, MPLS VPN,… Các kỹ thuật kết nối WAN này sẽ được đề cập trong một chương khác của giáo trình.
• Kết nối Internet: Bên cạnh việc kết nối nội bộ, mạng máy tính doanh nghiệp còn phải đảm bảo hoạt động truy nhập Internet cho người dùng. Hoạt động truy nhập Internet của một tổ chức, cá nhân sẽ được cung cấp bởi các công ty ISP (Internet Service Provider – Nhà cung cấp dịch vụ Internet) thông qua các loại kết nối Internet như: ADSL (Internet qua đường cáp đồng), FTTH (Internet qua đường cáp quang), TV cable (Internet qua đường cáp truyền hình), Leased – line Internet (Internet dành riêng cho doanh nghiệp),…

2. Mô hình tham chiếu

2.1. Tại sao lại cần mô hình tham chiếu ?

Host là một thực thể bất kỳ kết nối vào mạng mà có mang trên mình nó một địa chỉ IP. Địa chỉ IP là một loại địa chỉ dùng để định vị mọi thiết bị kết nối vào mạng trong công nghệ mạng ngày nay. Chúng ta sẽ khảo sát về loại địa chỉ đặc biệt này trong các phần tiếp theo của chương này.

Như vậy, khái niệm “host” là một khái niệm rất rộng, bởi vì trên mạng máy tính, có rất nhiều thực thể được gán địa chỉ IP. Tuy vậy, ngày nay, “host” lại thường được dùng để chỉ một thiết bị đầu cuối như PC, laptop, server,…Do đó, để đơn giản, chúng ta tạm coi “host” là một thiết bị đầu cuối.

Nối mạng – networking, mục đích cuối cùng là đảm bảo tối ưu được hoạt động truyền dữ liệu giữa hai host bất kỳ trên hệ thống mạng. Để thực hiện được điều này, hoạt động truyền dữ liệu giữa hai host cần phải được thực hiện chuyên môn hóa và chuẩn hóa, từ đó dẫn đến sự ra đời của các mô hình phân lớp.

Chuyên môn hóa:

Việc truyền dữ liệu từ một host đến một host không hề đơn giản, có rất nhiều các tác vụ cần phải thực hiện để đảm bảo hoạt động truyền dữ liệu host – to – host diễn ra thành công, ví dụ:

• Các ứng dụng người dùng cần phải chạy thế nào? (Chẳng hạn như truy nhập web được tiến hành khác với truy nhập mail như thế nào.)
• Làm sao để dữ liệu hai host gửi cho nhau được truyền theo một lộ trình tối ưu qua một hệ thống mạng phức tạp?
• Đóng gói dữ liệu qua kết nối LAN phải được thực hiện khác với đóng gói dữ liệu gửi qua kết nối WAN như thế nào?
• Sử dụng loại cáp nào và đầu nối loại nào để truyền dữ liệu? Sử dụng phương thức truyền có dây hay không dây?
• …

Các tác vụ vừa nêu rất phức tạp và trải rộng trên rất nhiều lĩnh vực khác nhau của ngành truyền số liệu. Để giảm thiểu tính phức tạp của việc triển khai một hệ thống truyền số liệu như trên, các tác vụ phải được chia thành nhiều nhóm, mỗi nhóm gồm các tác vụ có tính chất tương tự nhau. Ví dụ: các tác vụ về ứng dụng và giao tiếp người dùng được xếp vào một nhóm, các tác vụ về tìm đường đi tối ưu qua mạng được xếp vào một nhóm, các tác vụ về cáp và đầu nối được xếp vào một nhóm,… Cứ mỗi nhóm tác vụ như vậy được được gọi là một lớp (layer) và một mô hình truyền số liệu gồm nhiều lớp như vậy được gọi là một mô hình phân lớp.

Với mô hình phân lớp, các nhà sản xuất mạnh về lớp nào sẽ chỉ tập trung sản xuất các thiết bị hay viết các phần mềm chuyên cho lớp đó. Như vậy, việc xây dựng các hệ thống truyền số liệu đã được mô đun hóa, chuyên môn hóa, giảm bớt đi sự phức tạp nhưng vẫn đảm bảo tính hiệu quả, từ đó thúc đẩy mạnh mẽ sự phát triển của lĩnh vực truyền số liệu và kết nối mạng.

Chuẩn hóa:

Bên cạnh tác dụng chuyên môn hóa cao độ của các mô hình phân lớp, việc tham chiếu đến các mô hình phân lớp còn giúp cho hoạt động chuẩn hóa trong lĩnh vực mạng máy tính và truyền số liệu diễn ra hết sức thuận lợi. Ngày nay, gần như mọi công nghệ, thiết bị, phần mềm,… trong lĩnh vực Internet và kết nối mạng đã đều được chuẩn hóa theo các tài liệu chuẩn được phát hành bởi các tổ chức chuyên môn lớn có uy tín (ví dụ như các tài liệu RFC của IETF) khiến cho việc giao tiếp giữa các dòng sản phẩm, các loại thiết bị và ứng dụng diễn ra rất dễ dàng và hiệu quả. Từ đó, lĩnh vực mạng máy tính và Internet phát triển ngày một mạnh mẽ hơn.

Hiện nay, có hai mô hình phân lớp nổi tiếng đang được sử dụng: mô hình OSI và mô hình TCP/IP.

Giao thức (protocol) là một tập hợp các quy tắc ứng xử và đóng gói dữ liệu mà các bên tham gia truyền thông phải tuân theo để hoạt động truyền thông giữa chúng có thể diễn ra đúng đắn. Một cách đơn giản, có thể coi giao thức là “ngôn ngữ” của thế giới mạng. Các thiết bị muốn truyền dữ liệu với nhau thì chúng phải sử dụng cùng một giao thức hay “nói cùng một ngôn ngữ”. Ví dụ: các host kết nối Internet ngày nay đều phải sử dụng giao thức IP – “ngôn ngữ chung” của các thiết bị mạng trên Internet.

2.2. Mô hình OSI

Mô hình OSI (Open System Interconnection) do tổ chức ISO đưa ra vào năm 1977 thực hiện chia các tác vụ truyền số liệu giữa hai host thành 7 lớp công việc được đánh số thứ tự từ 1 đến 7. Các lớp của mô hình OSI được thể hiện trong hình 1.3:

Hình 1.3. Các lớp của mô hình OSI

Chức năng của từng lớp trong mô hình OSI có thể được tóm lược như sau:

1. Lớp Physical: Lớp này định nghĩa các đặc tính kỹ thuật vật lý cụ thể của một đường truyền. Chẳng hạn như đường truyền này sử dụng loại cáp nào (cáp đồng hay cáp quang, cáp đồng trục hay cáp xoắn đôi,…); kết cuối bằng loại đầu nối (connector) nào (ví dụ: cáp mạng LAN kết cuối bằng đầu RJ45, cáp điện thoại kết cuối bằng đầu RJ11); các chân (pin) trong card thu phát tín hiệu được sử dụng ra sao (ví dụ: chân 1, 2 làm nhiệm vụ phát tín hiệu – Tx; chân 3, 6 làm nhiệm vụ thu tín hiệu – Rx); nếu sử dụng đường truyền không dây thì dải tần thu phát là dải nào, anten loại gì,…; việc xử lý tín hiệu được thực hiện ra sao (sử dụng kỹ thuật mã hóa đường dây nào, phương thức điều chế gì);.v.v… Nhiệm vụ của lớp vật lý là đảm bảo truyền được các bit nhị phân qua một môi trường vật lý cụ thể nào đó.
2. Lớp Data Link: Định nghĩa cách thức đóng gói dữ liệu cho phù hợp với các loại đường truyền. Lớp data link quy định cách thức mà dữ liệu đến từ các lớp trên truy nhập vào đường truyền vật lý và lớp này cũng thực hiện các tác vụ tương tác với các giao thức ở lớp cao hơn.
3. Lớp Network: Các thực thể của lớp thứ 1 và lớp thứ 2 sẽ giúp tạo ra các đường link kết nối giữa các thiết bị mạng. Rất nhiều các thiết bị mạng được kết nối bởi các đường link sẽ tạo nên một hệ thống mạng có topo phức tạp khiến cho dữ liệu cần di chuyển giữa các host thông qua hệ thống mạng này sẽ có rất nhiều tuyến đường (path) khác nhau để lựa chọn. Nhiệm vụ chính của các thực thể lớp network là định tuyến tìm tuyến đường giúp dữ liệu di chuyển giữa các host theo một lộ trình tốt nhất có thể. Thiết bị chuyên dụng của lớp network là bộ định tuyến – Router. Các router, hoặc theo sự thiết lập của người quản trị, hoặc tự chạy với nhau các giao thức định tuyến (routing protocol) sẽ  thực hiện công việc định tuyến vừa nêu ở trên.
4. Lớp Transport: Khi các thực thể của các lớp 1, 2, 3 hoàn thành nhiệm vụ của chúng, nếu hai host bất kỳ muốn trao đổi dữ liệu với nhau, chúng sẽ không cần phải quan tâm dữ liệu chúng gửi đi sẽ phải làm cách nào để đi đến được host đầu xa bên kia, chúng chỉ việc gửi dữ liệu đi và các thiết bị mạng ở giữa sẽ tìm cách chuyển dữ liệu này đến tay người nhận. Một cách gần đúng, khi đó, giữa hai host như thể đã hình thành một “kết nối tưởng tượng” đi xuyên qua cả hệ thống mạng được xây dựng bởi các thực thể lớp 1, 2, 3 ở dưới. Các giao thức lớp 4 được xây dựng để tối ưu việc truyền tải dữ liệu người dùng qua các “kết nối tưởng tượng” này. Nói cách khác, các thực thể lớp 4 chỉ quản lý và thực hiện các tác vụ truyền dữ liệu giữa hai đầu cuối (end – to – end hay host – to – host), tối ưu hóa hoạt động này; chúng không quan tâm làm cách nào dữ liệu có thể đi được từ đầu cuối này đến đầu cuối kia, đó là công việc của các lớp dưới 1, 2, 3.
5. Lớp Session: Lớp này chịu trách nhiệm trong việc thiết lập, duy trì và giải phóng các session trao đổi dữ liệu giữa các thực thể ứng dụng trên hai host.
6. Lớp Presentation: Khi các ứng dụng trên hai host sử dụng các định dạng dữ liệu khác nhau, lớp trình bày phải chịu trách nhiệm “thông dịch” và diễn giải để hai ứng dụng ở hai host đang truyền thông với nhau có thể hiểu đươc nhau.
7. Lớp Application: Bao gồm rất nhiều giao thức giao tiếp trực tiếp với người dùng đầu cuối, giúp gửi/nhận dữ liệu cho một hoạt động nào đó của người dùng như truy nhập web, gửi mail, truyền file,.v.v…

2.3. Nguyên tắc hoạt động

Với cách thức tổ chức như đã trình bày, sự tương tác giữa các lớp của mô hình OSI diễn ra theo nguyên tắc như sau:

Các lớp dưới cung cấp dịch vụ trực tiếp cho các lớp ngay phía trên nó. Các lớp trên sẽ gửi yêu cầu xuống lớp dưới và nhận lại kết quả, các lớp trên không cần biết hoạt động cụ thể diễn ra tại lớp dưới, hay nói cách khác hoạt động của lớp dưới hoàn toàn trong suốt và là “hộp đen” với lớp trên.

Các lớp ngang hàng trên hai host tương tác trực tiếp với nhau. Tuy nhiên, dữ liệu trao đổi giữa hai thực thể ngang hàng này để đi đến được nhau phải thông qua hoạt động của các lớp bên dưới nó. Cụ thể, quá trình truyền dữ liệu trong mô hình OSI sẽ đi từ các lớp trên xuống các lớp dưới, qua các đường truyền vật lý để đi tới host đầu kia rồi đi ngược lại từ các lớp dưới lên các lớp trên.

Đóng gói và mở gói (Encapsulation and De – encapsulation):

Mạng máy tính ngày nay sử dụng công nghệ chuyển mạch gói – packet switching để truyền tải dữ liệu. Mỗi giao thức truyền dữ liệu của các lớp đã nêu ở trên đều chia dữ liệu cần truyền thành các phần nhỏ khác nhau và thực hiện đóng gói mỗi phần này thành các gói tin để truyền đi xa. Các gói tin này được gọi là các Đơn vị dữ liệu của giao thức (PDU – Protocol Data Unit). Mỗi PDU được xây dựng sẽ gồm hai thành phần: Header và Payload. Header chính là phần thông tin quản lý của gói tin còn payload chính là phần dữ liệu thực sự của gói tin (hình 1.4).

Hình 1.4. Cấu trúc của một PDU.

Khi các PDU của các giao thức đi từ lớp trên xuống lớp dưới, chúng được đóng gói trở thành payload của lớp bên dưới và được đóng thêm header của giao thức lớp dưới. Cứ đi xuống một lớp, một header mới lại được thêm vào. Quy trình đóng gói này được thể hiện trong hình 1.5:

Hình 1.5. Quá trình encapsulation khi đi từ lớp trên xuống lớp dưới

Một điểm đặc biệt là riêng với lớp thứ hai (data link), không chỉ header được thêm vào đầu của nội dung payload mà còn có thêm trường kiểm tra lỗi FCS được thêm vào phần đuôi của payload. Phần này còn được gọi là Trailer. Trailer sử dụng kỹ thuật kiểm tra lỗi FCS (Frame Check Sequence) để đảm bảo nhận biết được lỗi xảy ra khi truyền dữ liệu qua một đường truyền nào đó. Đây là trường đặc thù của đóng gói dữ liệu lớp 2.

Tại đầu nhận, tiến trình lại diễn ra theo chiều ngược lại: dữ liệu sẽ được di chuyển từ lớp dưới lên lớp trên. Cứ mỗi lần đi lên một lớp, header của lớp dưới lại được gỡ bỏ để trả lại PDU cho lớp trên. Cuối cùng, khi đi lên đến lớp Application, dữ liệu sẽ được mở gói hoàn toàn và gửi đến giao diện tương tác với người dùng. Quá trình de – encapsulation được mô tả trong hình 1.6:

Hình 1.6. Quá trình de – encapsulation khi đi từ lớp dưới lên lớp trên

Các PDU của các giao thức thuộc các lớp được gọi tên theo quy ước như sau (hình 1.7):

• Các lớp Application, Presentation, Session: Data.
• Lớp Transport: Segment.
• Lớp Network: Packet.
• Lớp Data Link: Frame.
• Lớp Physical: Bit.

Hình 1.7. Đơn vị dữ liệu của các lớp

2.4. Mô hình TCP/IP

Bên cạnh mô hình OSI, một mô hình phân lớp khác cũng được sử dụng rất rộng rãi là mô hình TCP/IP. Khác với OSI, mô hình TCP/IP tổ chức các tác vụ của việc truyền dữ liệu thành 4 lớp thay vì 7 lớp. Các lớp từ trên xuống dưới lần lượt là: Application, Transport, Internet và Network Access (hình 1.8).

Hình 1.8. Mô hình TCP/IP

Trong đó:

• Lớp Application kiêm nhiệm vai trò của ba lớp 5, 6, 7 của mô hình OSI. Các thực thể của lớp Application cũng cung cấp giao tiếp đến người dùng, cung cấp các giao thức cho phép người dùng trao đổi dữ liệu của nhiều loại ứng dụng qua mạng. Vì đảm nhận luôn vai trò của lớp 5 và lớp 6 của OSI, các thực thể của lớp Application trong mô hình TCP/IP của cùng một giao thức đều thống nhất nhau về định dạng dữ liệu cũng như cách thiết lập và quản lý các session từ đó không cần phải có các phân lớp riêng cho các tác vụ này nữa.
• Lớp Transport đảm nhận nhiệm vụ giống như lớp Transport bên mô hình OSI. Hai giao thức nổi tiếng của tầng Transport thuộc mô hình TCP/IP là TCP và UDP.
• Lớp Internet có nhiệm vụ giống với lớp Network của mô hình OSI. Một giao thức rất nổi tiếng và được sử dụng rộng rãi của lớp Internet là giao thức IP.
• Lớp Network Access đảm nhận nhiệm vụ của hai lớp Data Link và Physical của mô hình OSI.

Như vậy, về mặt so sánh, có thể nói, ba lớp 5, 6, 7 của mô hình OSI đã được tích hợp thành lớp Application; lớp Network của mô hình OSI được chuyển thành lớp Internet và hai lớp Data Link, Physical của mô hình OSI đã được tích hợp thành lớp Network Access của mô hình TCP/IP. Điều này được thể hiện trên hình 1.9:

Hình 1.9. So sánh TCP/IP và OSI

Bên cạnh việc đưa ra một kiến trúc phân lớp mà ta gọi là mô hình tham chiếu như đã trình bày ở trên, mỗi mô hình phân lớp còn định nghĩa ra một hệ thống các giao thức cụ thể cho từng lớp của mô hình. Hệ thống các giao thức đi kèm này được gọi là chồng giao thức (protocol stack).

Cả hai mô hình OSI và TCP/IP đều có chồng giao thức riêng của mình nhưng trong các mạng ngày nay, gần như chỉ còn chồng giao thức TCP/IP được sử dụng. Các giao thức của chồng giao thức OSI chỉ được sử dụng rất ít ỏi trong một số trường hợp đặc thù. Tuy nhiên, khi tham chiếu một công nghệ, người ta vẫn có thói quen tham chiếu đến mô hình 7 lớp OSI.

Ví dụ: khi nói đến các giao thức TCP, UDP, chúng thường được nói là giao thức lớp 4; giao thức IP là giao thức lớp 3; ARP là giao thức lớp 2,… Trong khi đó các lớp 2, 3, 4 là các khái niệm của mô hình OSI còn các giao thức vừa nêu đều thuộc về chồng giao thức TCP/IP.

Do tập quán của lĩnh vực networking là sử dụng TCP/IP nhưng lại tham chiếu đến OSI, nên trong các phần tiếp theo, chúng ta sẽ cùng khảo sát một vài đặc điểm của các lớp Application, Transport, Network, Data Link và Physical, bỏ qua hai lớp Presentation và Session. Các giao thức được nhắc tới trong quá trình khảo sát này hoàn toàn là các giao thức của chồng giao thức TCP/IP nhưng ta vẫn giữ các tên tham chiếu của các lớp tương ứng bên mô hình OSI.