Luận văn thạc sĩ công nghệ thông tin giải pháp cổng biên dịch địa chỉ mạng cho các giao thức giao vận dùng cho ứng dụng hội thảo video từ xa trên internet

Luận văn thạc sĩ công nghệ thông tin trình bày giải pháp cổng biên dịch địa chỉ mạng cho giao thức hội thảo video từ xa trên internet.

• Tác giả: Nguyễn Tiến Uy
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Đình Việt
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Công nghệ thông tin
• Đề tài: Giải Pháp Cổng Biên Dịch Địa Chỉ Mạng Cho Ứng Dụng Hội Thảo Video Trên Internet
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC HÌNH VẼ
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 1.1. Tổng quan mạng Internet [1]
• 1.2. Bộ giao thức Internet TCP/IP [2]
• 1.3. Định tuyến trong mạng Internet [3]
• 1.4. Giao thức IPv4 và IPv6
• 1.4.1. So sánh IPv6 với IPv4 [7]
• 1.5. Các giao thức áp dụng trong biên dịch địa chỉ mạng
• 1.5.1. Giao thức TCP [8][14]
• 1.5.2. Giao thức UDP [9][15]
• 1.5.3. Giao thức SCTP [10][16]
• 1.6. Các vấn đề mà luận văn nghiên cứu và giải quyết
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH TUYẾN VÀ BIÊN DỊCH ĐỊA CHỈ MẠNG
• 2.1. Giới thiệu phương pháp
• 2.2. Áp dụng phương pháp
• 2.2.1. Bước 1: Khởi tạo tài nguyên xử lý hệ thống (initProcessSystem)
• 2.2.2. Bước 2: Thiết lập địa chỉ IP của cổng biên dịch địa chỉ mạng (initNatIP)
• 2.2.3. Bước 3: Thiết lập bảng cấu hình thông tin định tuyến và biên dịch địa chỉ mạng (establishNatCfg)
• 2.2.4. Bước 4: xác định địa chỉ MAC cho các địa chỉ IP tương tác với Hệ thống (updateMAC)
• 2.2.5. Bước 5: xử lý gói tin nhận được để định tuyến và biên dịch địa chỉ mạng (natProcessing)
• 3. CHƯƠNG 3: ÁP DỤNG THỰC TẾ VÀ KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC
• 3.1. Hệ thống thử nghiệm 5G Core được áp dụng
• 3.2. Tổ chức hoạt động của hệ thống
• 3.3. Giao diện quản lý giám sát hệ thống
• 3.4. Kết quả xử lý các nghiệp vụ
• 3.4.1. Luồng xử lý khi hệ thống nội bộ có vai trò là máy khách
• 3.4.2. Luồng xử lý khi hệ thống nội bộ có vai trò là máy chủ
• 3.4.3. Luồng xử lý cho các ứng dụng hội thảo video từ xa trên Internet
• KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• Quyết định chấp nhận đơn đăng ký sáng chế từ cục sở hữu trí tuệ
• Tờ khai đăng ký sáng chế “Phương pháp định tuyến và biên dịch địa chỉ mạng”

Tóm tắt

I. Tổng quan về giải pháp cổng biên dịch địa chỉ mạng cho hội thảo video

Giải pháp cổng biên dịch địa chỉ mạng là một phần quan trọng trong việc tối ưu hóa các ứng dụng hội thảo video trên Internet. Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ thông tin, việc đảm bảo chất lượng và hiệu suất của các ứng dụng này trở nên cần thiết. Cổng biên dịch địa chỉ mạng giúp quản lý và định tuyến lưu lượng video, đảm bảo rằng người dùng có thể tham gia hội thảo mà không gặp phải độ trễ hay gián đoạn.

1.1. Cổng biên dịch địa chỉ mạng là gì

Cổng biên dịch địa chỉ mạng (NAT) là một công nghệ cho phép chuyển đổi địa chỉ IP riêng thành địa chỉ IP công cộng. Điều này giúp các thiết bị trong mạng nội bộ có thể giao tiếp với Internet mà không cần phải công khai địa chỉ IP của mình.

1.2. Tại sao cần giải pháp cho hội thảo video

Hội thảo video yêu cầu băng thông lớn và độ trễ thấp. Giải pháp cổng biên dịch địa chỉ mạng giúp tối ưu hóa băng thông và cải thiện chất lượng video, từ đó nâng cao trải nghiệm người dùng.

II. Vấn đề và thách thức trong ứng dụng hội thảo video trên Internet

Mặc dù hội thảo video mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng tồn tại nhiều thách thức. Các vấn đề như độ trễ, mất gói tin và chất lượng video không ổn định thường xảy ra trong quá trình truyền tải. Những thách thức này cần được giải quyết để đảm bảo trải nghiệm người dùng tốt nhất.

2.1. Độ trễ trong truyền tải video

Độ trễ là một trong những vấn đề lớn nhất trong hội thảo video. Nó có thể gây ra sự gián đoạn trong giao tiếp và làm giảm chất lượng cuộc họp. Việc sử dụng cổng biên dịch địa chỉ mạng giúp giảm thiểu độ trễ này.

2.2. Mất gói tin và ảnh hưởng đến chất lượng

Mất gói tin có thể dẫn đến hình ảnh bị gián đoạn hoặc âm thanh không rõ ràng. Giải pháp cổng biên dịch địa chỉ mạng giúp cải thiện khả năng truyền tải và giảm thiểu tình trạng này.

III. Phương pháp giải pháp cổng biên dịch địa chỉ mạng cho hội thảo video

Để giải quyết các vấn đề trên, một số phương pháp đã được áp dụng trong giải pháp cổng biên dịch địa chỉ mạng. Những phương pháp này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn đảm bảo chất lượng video trong các ứng dụng hội thảo.

3.1. Kỹ thuật định tuyến thông minh

Kỹ thuật định tuyến thông minh giúp tối ưu hóa đường truyền dữ liệu, từ đó giảm thiểu độ trễ và cải thiện chất lượng video. Việc sử dụng các thuật toán định tuyến hiện đại là rất cần thiết.

3.2. Tối ưu hóa băng thông cho video

Tối ưu hóa băng thông là một yếu tố quan trọng trong việc đảm bảo chất lượng video. Các giải pháp như nén video và điều chỉnh bitrate giúp cải thiện trải nghiệm người dùng.

IV. Ứng dụng thực tiễn của giải pháp cổng biên dịch địa chỉ mạng

Giải pháp cổng biên dịch địa chỉ mạng đã được áp dụng thành công trong nhiều hệ thống hội thảo video. Các ứng dụng này không chỉ giúp cải thiện chất lượng cuộc họp mà còn nâng cao hiệu suất làm việc của người dùng.

4.1. Hệ thống hội thảo video tại Viettel

Hệ thống hội thảo video tại Viettel đã áp dụng giải pháp cổng biên dịch địa chỉ mạng, giúp cải thiện đáng kể chất lượng cuộc họp và giảm thiểu độ trễ.

4.2. Kết quả đạt được từ ứng dụng

Kết quả từ việc áp dụng giải pháp này cho thấy sự cải thiện rõ rệt về chất lượng video và độ ổn định trong các cuộc họp trực tuyến.

V. Kết luận và tương lai của giải pháp cổng biên dịch địa chỉ mạng

Giải pháp cổng biên dịch địa chỉ mạng cho ứng dụng hội thảo video trên Internet không chỉ giải quyết các vấn đề hiện tại mà còn mở ra nhiều cơ hội mới cho tương lai. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, các giải pháp này sẽ ngày càng hoàn thiện hơn.

5.1. Tương lai của hội thảo video

Hội thảo video sẽ tiếp tục phát triển và trở thành một phần không thể thiếu trong công việc và học tập. Giải pháp cổng biên dịch địa chỉ mạng sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao chất lượng.

5.2. Các xu hướng công nghệ mới

Các xu hướng công nghệ mới như 5G và AI sẽ tiếp tục thúc đẩy sự phát triển của hội thảo video, tạo ra những trải nghiệm tốt hơn cho người dùng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Sự bùng nổ của các dịch vụ truyền thông trực tuyến và hội thảo từ xa đã khiến lưu lượng dữ liệu đa phương tiện chiếm hơn 70% tổng lưu lượng băng thông trên mạng Internet toàn cầu. Trong bối cảnh không gian địa chỉ IPv4 với khoảng 4.294.967.296 địa chỉ đã hoàn toàn cạn kiệt, việc triển khai các hệ thống mạng viễn thông thế hệ mới như 5G Core đối mặt với thách thức kỹ thuật lớn về kiến trúc định tuyến và tối ưu hóa tài nguyên mạng.

Vấn đề nghiên cứu cốt lõi xuất phát từ yêu cầu thực tiễn tại Tập đoàn Công nghiệp - Viễn thông Quân đội Viettel vào giai đoạn 2020-2021: các hệ thống mạng lõi 5G Core khi giao tiếp với mạng công cộng bên ngoài chỉ được phép công khai duy nhất 01 địa chỉ IP đại diện, trong khi bên trong nội bộ lại bao gồm một cụm nhiều máy chủ phân tán xử lý đa luồng nhằm đảm bảo năng lực chịu tải cao. Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Hệ thống thông tin (mã số 8480104.01) của tác giả Nguyễn Tiến Uy, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Nguyễn Đình Việt tại Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội, đã tập trung giải quyết bài toán này.

Mục tiêu cụ thể của đề tài là xây dựng thành công giải pháp cổng biên dịch địa chỉ mạng (NAT Gateway) chuyên dụng, có khả năng xử lý linh hoạt các giao thức giao vận TCP, UDP và đặc biệt là SCTP với cơ chế Multi-homing. Nghiên cứu được hoàn thiện vào tháng 06/2021, mang lại giải pháp công nghệ có tính ứng dụng cao khi giảm độ trễ xử lý gói tin xuống dưới mức 20 mili-giây, duy trì chất lượng dịch vụ liền mạch cho các ứng dụng hội thảo video thời gian thực và đóng góp hồ sơ sáng chế được Cục Sở hữu trí tuệ chấp nhận đơn hợp lệ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu xây dựng trên nền tảng mô hình chuẩn 4 tầng của bộ giao thức TCP/IP kết hợp mô hình tham chiếu OSI 7 tầng. Ba khái niệm nền tảng được phân tích chuyên sâu gồm: cơ chế biên dịch địa chỉ mạng (Network Address Translation - NAT), kỹ thuật định tuyến gói tin (Routing) và cơ chế đa kết nối dự phòng (Multi-homing) trong truyền thông thời gian thực.

Luận văn phân tích toàn diện các giao thức giao vận cốt lõi:

1. Giao thức UDP: Giao thức phi kết nối với tiêu đề cố định 8 byte, tối ưu hóa độ trễ cho truyền thông đa phương tiện và hội thảo video trực tuyến.
2. Giao thức TCP: Giao thức hướng kết nối với tiêu đề từ 20 đến 60 byte, đảm bảo truyền dữ liệu tin cậy qua cơ chế bắt tay và kiểm soát luồng.
3. Giao thức SCTP: Giao thức truyền điều khiển luồng theo chuẩn RFC 4960 với tiêu đề 12 byte cùng các khối dữ liệu (chunks), hỗ trợ đắc lực tính năng Multi-homing và truyền thông đa luồng trong mạng lõi di động.

Bên cạnh đó, nghiên cứu so sánh chi tiết giữa không gian địa chỉ 32-bit của IPv4 và 128-bit của IPv6 (tiêu đề cố định 40 byte), qua đó làm nổi bật sự cần thiết của cơ chế NAT trong giai đoạn chuyển đổi công nghệ viễn thông.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu áp dụng phương pháp thực nghiệm kết hợp mô phỏng hệ thống trên nền tảng xử lý gói tin hiệu năng cao DPDK (Data Plane Development Kit). Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập trực tiếp từ các luồng lưu lượng mô phỏng dịch vụ mạng lõi 5G Core, bao gồm các giao thức ứng dụng NGAP trên nền SCTP, PFCP và GTPv2 trên nền UDP, cùng giao thức HTTP trên nền TCP.

Cỡ mẫu kiểm thử bao gồm 50.000 phiên giao dịch đồng thời được tạo lập ngẫu nhiên qua công cụ tạo tải chuyên dụng trong giai đoạn từ tháng 01/2021 đến tháng 05/2021. Phương pháp chọn mẫu phi xác suất theo kịch bản định sẵn (purposive sampling) được lựa chọn nhằm tái hiện chính xác 2 luồng nghiệp vụ điển hình: khi hệ thống nội bộ đóng vai trò là máy khách (Client) và khi đóng vai trò là máy chủ (Server).

Lý do lựa chọn nền tảng DPDK và phân tích trực tiếp trên bộ đệm gói tin tầng người dùng (user-space) là nhằm vượt qua nút thắt cổ chai về hiệu năng của ngăn xếp mạng nhân Linux (Linux kernel network stack), từ đó đo lường chính xác các chỉ số về thông lượng (throughput), độ trễ (latency) và tỷ lệ toàn vẹn giá trị tổng kiểm (checksum) ở cấp độ micro-giây.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình kiểm thử thực nghiệm trên hệ thống 5G Core đã mang lại 4 phát hiện quan trọng:

1. Xử lý biên dịch địa chỉ trong suốt cho giao thức SCTP Multi-homing: Cổng biên dịch đã cập nhật chính xác địa chỉ IP trong tiêu đề mạng lẫn các địa chỉ IP liên kết nằm sâu trong bản tin khởi tạo liên kết SCTP ở tầng giao vận. Độ trễ chuyển mạch giữa đường truyền chính và đường truyền dự phòng đạt mức dưới 10 mili-giây.
2. Tối ưu hóa hiệu năng xử lý gói tin UDP cho hội thảo video: Thông qua việc tích hợp thư viện DPDK và quản lý hàng đợi bộ nhớ trực tiếp, hệ thống đạt tốc độ xử lý gói tin tăng hơn 55% so với giải pháp định tuyến phần mềm thông thường, duy trì thông lượng ổn định ở mức 10 Gbps trên cạc mạng chuyên dụng.
3. Hiệu quả phân tải qua thuật toán Round Robin: Hệ thống phân phối đồng đều 99,2% lưu lượng giữa các máy chủ xử lý nội bộ, giảm thiểu hơn 40% nguy cơ quá tải cục bộ tại các nút mạng thành phần.
4. Bảo toàn tính toàn vẹn dữ liệu: Tỷ lệ mất gói tin trong các phiên truyền video trực tiếp đạt mức cực thấp dưới 0,005%, 100% các trường tổng kiểm tra tiêu đề IPv4 (16-bit) và Checksum giao vận (CRC32 của SCTP, 16-bit của TCP/UDP) được tính toán lại chính xác tuyệt đối theo thời gian thực.

Thảo luận kết quả

Hiệu năng vượt trội của cổng biên dịch đạt được là nhờ cơ chế can thiệp trực tiếp vào cấu trúc 5 bước xử lý gói tin: khởi tạo tài nguyên phần cứng (initProcessSystem), thiết lập IP cổng biên dịch (initNatIP), thiết lập bảng cấu hình định tuyến (establishNatCfg), xác định địa chỉ MAC qua switch/gateway (updateMAC) và xử lý gói tin thời gian thực (natProcessing).

Dữ liệu thực nghiệm có thể được mô tả trực quan qua bảng cấu hình quy tắc định tuyến đa trường (gồm IP công cộng, IP cổng biên dịch, số cổng dịch chuyển, cờ định tuyến) kết hợp biểu đồ phân phối tải lưu lượng. So với các nghiên cứu truyền thống vốn chỉ hỗ trợ NAT cho TCP/UDP cơ bản, giải pháp này giải quyết triệt để bài toán biên dịch bản tin điều khiển báo hiệu NGAP và truyền thông đa luồng SCTP phức tạp trong mạng 5G. Việc cấu hình cập nhật quy tắc định tuyến linh hoạt qua giao thức Telnet thời gian thực giúp hệ thống thích ứng ngay lập tức với việc mở rộng tài nguyên máy chủ mà không gây gián đoạn dịch vụ hội thảo video đang diễn ra.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu thực nghiệm, 4 khuyến nghị hành động cụ thể được đưa ra nhằm hoàn thiện và mở rộng phạm vi ứng dụng:

1. Nâng cấp kiến trúc xử lý đa luồng DPDK trên cạc mạng 40Gbps và 100Gbps: Tập đoàn Viettel và các đơn vị R&D viễn thông cần hoàn thành việc tối ưu hóa luồng phân phối gói tin trên các cạc mạng thế hệ mới trước quý 4/2022, hướng tới mục tiêu nâng thông lượng xử lý của cổng biên dịch lên gấp 4 lần.
2. Triển khai cơ chế cân bằng tải thích ứng động theo tải trọng CPU: Nhóm phát triển phần mềm hệ thống cần bổ sung thuật toán giám sát tài nguyên máy chủ nội bộ thời gian thực vào quý 2/2022, thay thế cơ chế xoay vòng cố định nhằm tối ưu hóa thêm 30% hiệu suất sử dụng phần cứng.
3. Chuẩn hóa quy trình chuyển đổi song song IPv4 và IPv6: Đơn vị vận hành mạng cần xây dựng cổng biên dịch kép (Dual-stack NAT Gateway) trong vòng 12 tháng, bảo đảm tương thích 100% với lộ trình quy hoạch tài nguyên Internet quốc gia.
4. Mở rộng ứng dụng công nghệ cho các nền tảng y tế và giáo dục từ xa: Các doanh nghiệp công nghệ thông tin cần tích hợp giải pháp cổng biên dịch này vào các hệ thống hội thảo trực tuyến chuyên dụng trong giai đoạn 2022-2025, phục vụ quy mô kết nối trên 1.000.000 người dùng đồng thời với chất lượng hình ảnh 4K ổn định.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn là tài liệu tham khảo giá trị cho 4 nhóm đối tượng chuyên môn:

1. Kỹ sư thiết kế và tối ưu hóa mạng viễn thông 4G/5G: Nắm bắt phương pháp tích hợp cổng giao tiếp tập trung cho mạng lõi 5G Core, áp dụng trực tiếp vào việc cấu hình định tuyến cho hơn 10.000 trạm phát sóng và các nút mạng dịch vụ.
2. Lập trình viên hệ thống mạng hiệu năng cao: Tham khảo mô hình lập trình C/C++ tích hợp thư viện DPDK để tăng tốc độ truyền nhận dữ liệu qua cạc mạng từ 3 đến 5 lần trong các dự án xử lý gói tin tầng thấp.
3. Học viên cao học và nhà nghiên cứu chuyên ngành Hệ thống thông tin (mã số 8480104.01): Sử dụng phương pháp luận, mô hình toán học và hồ sơ sáng chế năm 2021 làm tài liệu dẫn chứng cho các đề tài nghiên cứu về kiến trúc mạng và chuyển đổi giao thức Internet.
4. Doanh nghiệp cung cấp giải pháp hội nghị truyền hình OTT: Ứng dụng giải pháp NAT tối ưu cho giao thức UDP/RTP để xây dựng hạ tầng máy chủ hội thảo trực tuyến hỗ trợ đồng thời trên 5.000 phòng họp trực tuyến với độ trễ tối thiểu.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao hệ thống 5G Core lại yêu cầu duy nhất một địa chỉ IP đại diện khi giao tiếp ra bên ngoài? Yêu cầu này nhằm chuẩn hóa kiến trúc bảo mật và đơn giản hóa việc khai báo định tuyến tại các nút mạng đối tác viễn thông. Trong thực tế, hệ thống nội bộ gồm hơn 10 máy chủ phân tán xử lý, do đó cổng biên dịch đóng vai trò là điểm tập trung duy nhất để phân tải mà vẫn giữ nguyên tính độc lập của hạ tầng.

2. Sự khác biệt lớn nhất giữa biên dịch địa chỉ cho SCTP so với TCP/UDP là gì? Giao thức SCTP hỗ trợ tính năng Multi-homing với nhiều địa chỉ IP trên cùng một kết nối logic. Cổng biên dịch không chỉ thay đổi IP ở tiêu đề mạng 32-bit mà còn phải giải mã và sửa đổi danh sách IP nằm trong phần dữ liệu khởi tạo liên kết (INIT chunk) mà không làm sai lệch mã kiểm tra CRC32.

3. Nền tảng DPDK đóng vai trò gì trong việc giảm độ trễ của cổng biên dịch? Nền tảng DPDK cho phép ứng dụng đọc và ghi trực tiếp dữ liệu từ cạc mạng vào bộ nhớ người dùng (Zero-copy), bỏ qua các tầng ngắt (interrupt) của nhân Linux. Cơ chế này giúp giảm thời gian xử lý mỗi gói tin xuống dưới 15 micro-giây, đáp ứng tiêu chuẩn khắt khe của truyền hình ảnh thời gian thực.

4. Bảng cấu hình định tuyến hỗ trợ các cơ chế phân tải nào? Hệ thống hỗ trợ 2 cơ chế chính là định tuyến xoay vòng (Round Robin) và định tuyến tới địa chỉ cố định đầu tiên. Quản trị viên có thể cấu hình linh hoạt theo dải cổng từ 1000 đến 9999 hoặc chỉ định số cổng cụ thể thông qua giao diện dòng lệnh Telnet tức thì.

5. Giải pháp này có khả năng mở rộng khi lưu lượng người dùng tăng đột biến không? Hoàn toàn có thể mở rộng nhờ kiến trúc cạc mạng liên kết (Bond) và khả năng gán linh hoạt nhiều lõi CPU độc lập cho từng luồng nhận, xử lý và gửi gói tin. Thử nghiệm thực tế cho thấy hệ thống duy trì độ ổn định cao ngay cả khi lưu lượng tăng gấp 3 lần mức trung bình.

Kết luận

1. Đã giải quyết triệt để bài toán giao tiếp mạng phân tán bằng cách thiết kế cổng biên dịch địa chỉ IP duy nhất cho hệ thống mạng lõi 5G Core.
2. Xử lý thành công việc biên dịch địa chỉ cho đồng thời 3 giao thức giao vận cốt lõi gồm TCP, UDP và SCTP với cơ chế Multi-homing phức tạp.
3. Ứng dụng xuất sắc công nghệ DPDK giúp tối ưu hóa thông lượng đường truyền đạt 10 Gbps và giảm độ trễ truyền thông đa phương tiện xuống dưới 20 mili-giây.
4. Đảm bảo tính toàn vẹn 100% cho các phiên hội thảo video trực tuyến với tỷ lệ mất gói tin duy trì ở mức lý tưởng dưới 0,005%.
5. Đóng góp giải pháp kỹ thuật mang tính sáng tạo cao với hồ sơ đăng ký sáng chế đã được Cục Sở hữu trí tuệ chấp nhận đơn hợp lệ trong năm 2021.

Bước tiếp theo của hướng nghiên cứu là tích hợp trí tuệ nhân tạo để dự đoán lưu lượng mạng và tự động phân bổ tài nguyên định tuyến theo thời gian thực. Các kỹ sư và nhà phát triển quan tâm đến giải pháp tối ưu hóa mạng 5G có thể tham khảo toàn văn luận văn thạc sĩ của tác giả Nguyễn Tiến Uy tại Thư viện Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội để triển khai vào các hệ thống thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1. Tổng quan mạng Internet [1] Internet là hệ thống mạng máy tính toàn cầu sử dụng bộ giao thức TCP/IP để kết nối các mạng và các thiết bị. Nó là một mạng lưới bao gồm mạng tư nhân, công cộng, học thuật, doanh nghiệp và chính phủ trên phạm vi địa phương đến toàn cầu, được liên kết bởi các đường truyền theo các công nghệ truyền dẫn khác nhau, có thể là có dây, không dây và quang học. Internet cung cấp một loạt các tài nguyên và dịch vụ thông tin, chẳng hạn như các tài liệu siêu văn bản được liên kết với nhau và các ứng dụng của World Wide Web (WWW), thư điện tử, điện thoại, chia sẻ tệp và đặc biệt các ứng dụng mạng xã hội đang rất phát triển hiện nay.

Hầu hết các phương tiện truyền thông truyền thống, bao gồm điện thoại, phát thanh, truyền hình, thư giấy và báo chí được định hình lại, xác định lại hoặc thậm chí bị loại bỏ. Qua Internet, nhiều dịch vụ mới như email, VoIP, truyền hình Internet, hội thảo video từ xa trên Internet, âm nhạc trực tuyến, báo kỹ thuật số và các trang web truyền phát video đã xuất hiện và trở nên phổ biến. Báo, sách và xuất bản in khác đang thích ứng với công nghệ trang web hoặc được định hình lại thành blog, web feed và tổng hợp tin tức trực tuyến. Internet đã cho phép và tăng tốc các hình thức tương tác cá nhân mới thông qua tin nhắn tức thời, diễn đàn Internet và mạng xã hội.

Mua sắm trực tuyến đã tăng theo cấp số nhân cho cả các nhà bán lẻ lớn và các doanh nghiệp nhỏ và doanh nhân, vì nó cho phép các công ty mở rộng sự hiện diện sản phẩm của họ để phục vụ thị trường lớn hơn hoặc thậm chí bán hàng hóa và dịch vụ hoàn toàn trực tuyến. Các dịch vụ từ doanh nghiệp đến doanh nghiệp và tài chính trên Internet ảnh hưởng đến chuỗi cung ứng trên toàn bộ các ngành công nghiệp. Bộ giao thức Internet TCP/IP [2] Bộ giao thức Internet là mô hình khái niệm và tập hợp các giao thức truyền thông được sử dụng trong Internet và các mạng máy tính tương tự. Nó thường được gọi là TCP/IP vì các giao thức nền tảng trong bộ này là giao thức điều khiển truyền (TCP) và giao thức Internet (IP).

Bộ giao thức Internet cung cấp các quy tắc về việc truyền dữ liệu end-to-end, cách dữ liệu sẽ được đóng gói, định địa chỉ, truyền, định tuyến và nhận. Chức năng này được tổ 14 chức thành bốn lớp trừu tượng, phân loại tất cả các giao thức liên quan theo phạm vi mạng. Các tầng gia thức và chức năng của chúng so với mô hình OSI được thể hiện trong Hình 1-1. TCP/IP Model OSI Model 7 Application Application 6 Presentation 5 Session Transport 4 Transport Network 3 Network 2 Data Link Network Access Layer 1 Physical Hình 1-1: Mô hình TCP/IP và OSI Truyền thông giữa các thực thể giao thức trong mạng TCP/IP được miêu tả theo Hình 1-2.

Gói tin khi được gửi từ lớp ứng dụng xuống các lớp phía dưới sẽ được đóng gói thêm các thành phần dữ liệu mà tầng giao thức quản lý, được gọi là header, việc đóng gói và xử lý gói tin qua các chồng giao thức TCP/IP được thể hiện trong Hình 1-3. 15 Hình 1-2: Truyền thông giữa các thực thể giao thức trong mạng TCP/IP Hình 1-3: Việc đóng gói gói tin của các tầng giao thức TCP/IP Lớp truy cập mạng (Network Access Layer) Lớp này tương ứng với sự kết hợp của Lớp liên kết dữ liệu và Lớp vật lý của mô hình OSI. Nó tìm kiếm địa chỉ phần cứng và các giao thức có trong lớp này cho phép truyền dữ liệu vật lý. 16 Các giao thức của lớp liên kết hoạt động trong phạm vi kết nối mạng cục bộ mà máy chủ được gắn vào.

Chế độ này được gọi là liên kết dữ liệu (data link) và là lớp thành phần thấp nhất của bộ giao thức. Liên kết bao gồm tất cả các máy chủ có thể truy cập được mà không cần qua bộ định tuyến. Do đó, kích thước của liên kết được xác định bởi thiết kế phần cứng mạng. Về nguyên tắc, TCP/IP được thiết kế để độc lập với phần cứng và có thể được thực hiện trên hầu hết mọi công nghệ lớp liên kết.

Điều này không chỉ bao gồm triển khai phần cứng mà còn bao gồm các lớp liên kết ảo như mạng riêng ảo và đường hầm mạng. Lớp truy cập mạng được sử dụng để di chuyển các gói giữa các giao diện lớp MAC (Ethernet) của hai máy chủ khác nhau trên cùng một liên kết. Quá trình truyền và nhận các gói tin trên liên kết có thể được điều khiển trong trình điều khiển thiết bị cho card mạng, cũng như trong phần mềm tương tác trực tiếp với phần cứng (firmware) hoặc bởi các chipset chuyên dụng. Các chức năng này bao gồm: Đóng khung tin (frame), để chuẩn bị các gói tin ở lớp Ethernet để truyền, và cuối cùng là truyền các khung đến lớp vật lý và qua một phương tiện truyền dẫn.

Mô hình TCP/IP bao gồm các thông số kỹ thuật để dịch các phương pháp đánh địa chỉ mạng được sử dụng trong bộ giao thức Internet sang các địa chỉ lớp liên kết, chẳng hạn như địa chỉ lớp điều khiển truy cập phương tiện truyền (MAC). Tuy nhiên, tất cả các khía cạnh khác bên dưới mức đó đều được giả định là tồn tại và không được xác định rõ ràng trong mô hình TCP/IP. Lớp Network hay còn gọi là lớp Internet Kết nối Internet yêu cầu gửi dữ liệu từ mạng nguồn đến mạng đích. Quá trình này được gọi là định tuyến và được hỗ trợ bởi địa chỉ máy chủ và nhận dạng bằng cách sử dụng hệ thống địa chỉ IP phân cấp.

Lớp Internet cung cấp một phương tiện truyền dữ liệu không đáng tin cậy giữa các máy chủ đặt trên các mạng IP có khả năng khác nhau bằng cách chuyển tiếp các gói dữ liệu tới một bộ định tuyến next-hop thích hợp để chuyển tiếp tới đích của nó. Lớp Internet có trách nhiệm gửi các gói qua nhiều mạng tiềm năng. Với chức năng này, lớp Internet có thể kết nối Internet các mạng IP khác nhau và về cơ bản nó thiết lập Internet. Lớp Internet không phân biệt giữa các giao thức lớp giao vận khác nhau.

IP mang dữ liệu cho nhiều loại giao thức lớp trên khác nhau, ví dụ: Giao thức thông báo điều khiển 17 Internet (ICMP) và Giao thức quản lý nhóm Internet (IGMP) lần lượt có giá trị với trường giao thức ở lớp Internet tương ứng là 1 và 2. Giao thức Internet là thành phần chính của lớp Internet và nó xác định hai địa chỉ IP để xác định các máy chủ mạng và định vị chúng trên mạng. Lớp giao vận (Transport Layer) Lớp giao vận thiết lập các kênh dữ liệu cơ bản mà các ứng dụng sử dụng để trao đổi dữ liệu theo nhiệm vụ cụ thể. Lớp này thiết lập kết nối từ máy chủ đến máy chủ dưới dạng các dịch vụ truyền thông điệp đầu cuối độc lập với mạng bên dưới và không phụ thuộc vào cấu trúc dữ liệu người dùng và logic nghiệp vụ trao đổi thông tin.

Kết nối ở lớp giao vận có thể được phân loại là hướng kết nối, được thực hiện trong TCP hoặc không kết nối, được thực hiện trong UDP. Các giao thức trong lớp này có thể cung cấp khả năng kiểm soát lỗi, phân đoạn (segmentation), kiểm soát luồng, kiểm soát tắc nghẽn và định địa chỉ ứng dụng (theo số cổng). Với mục đích cung cấp các kênh truyền dẫn theo quy trình cụ thể cho các ứng dụng, lớp này thiết lập khái niệm về cổng mạng. Đây là một cấu trúc logic được đánh số và được phân bổ cụ thể cho từng kênh giao tiếp mà ứng dụng cần.

Đối với nhiều loại dịch vụ, số cổng này đã được tiêu chuẩn hóa để các máy khách có thể xử lý các dịch vụ cụ thể của máy chủ mà không cần đến các dịch vụ thư mục hoặc dịch vụ khám phá liên quan. Vì IP chỉ cung cấp dịch vụ phân phối gói tin với nỗ lực tốt nhất (Best-Effort), nên một số giao thức lớp giao vận được bổ sung một số cơ chế để cung cấp dịch vụ giao vận tin cậy. TCP là một giao thức hướng kết nối giải quyết nhiều vấn đề về độ tin cậy trong việc cung cấp luồng byte đáng tin cậy:  Dữ liệu được gửi/nhận theo thứ tự;  Dữ liệu được đảm bảo tính đúng đắn;  Dữ liệu trùng lặp bị loại bỏ;  Các gói bị mất hoặc bị loại bỏ được gửi lại;  Điều khiển lưu lượng và tắc nghẽn. 18 Giao thức truyền điều khiển luồng (SCTP) mới hơn cũng là một cơ chế truyền tải hướng kết nối đáng tin cậy.

Nó được định hướng theo luồng thông điệp, không phải theo luồng byte như TCP và cung cấp nhiều luồng được ghép kênh trên một kết nối duy nhất. Nó cũng cung cấp hỗ trợ thực hiện multihoming, trong đó một đầu kết nối có thể được biểu diễn bằng nhiều địa chỉ IP (đại diện cho nhiều giao diện vật lý), sao cho nếu một trong những đường đó bị lỗi, kết nối không bị gián đoạn. Độ tin cậy cũng có thể đạt được bằng cách sử dụng giao thức liên kết dữ liệu đáng tin cậy như điều khiển liên kết dữ liệu mức cao (HDLC). Giao thức UDP (User Datagram Protocol) là một giao thức phi kết nối, giống như IP, nó là một giao thức không đáng tin cậy.

UDP thường được sử dụng cho các ứng dụng đa phương tiện, truyền trực tuyến (âm thanh, video, thoại qua IP, v.), trong đó việc truyền gói tin đến đúng giờ quan trọng hơn độ tin cậy hoặc cho các ứng dụng kiểu truy vấn/phản hồi đơn giản như tra cứu DNS, trong đó chi phí thiết lập kết nối đáng tin cậy có độ lớn không tương xứng. Giao thức giao vận thời gian thực (RTP) là một giao thức ứng dụng sử dụng giao thức UDP và được thiết kế cho dữ liệu thời gian thực như phương tiện truyền trực tuyến. Các ứng dụng tại bất kỳ địa chỉ mạng nhất định nào được phân biệt bằng cổng TCP hoặc UDP của chúng. Theo quy ước, một số cổng thường dùng được dành sẵn cho các ứng dụng cụ thể.

Lớp ứng dụng (Application layer) Lớp ứng dụng bao gồm các giao thức được hầu hết các ứng dụng sử dụng để cung cấp dịch vụ người dùng hoặc trao đổi dữ liệu ứng dụng qua các kết nối mạng được thiết lập bởi các giao thức cấp thấp hơn. Chúng có thể bao gồm một số dịch vụ hỗ trợ mạng cơ bản như các giao thức để định tuyến và cấu hình máy chủ.