Mạng Máy Tính: Tổng Quan và Các Khái Niệm Cơ Bản

Tài liệu nghiên cứu Mạng máy tính, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên sâu về ., phục vụ nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

• Người hướng dẫn: Giảng Viên: Bùi Trọng Tùng
• Trường học: Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật máy tính
• Đề tài: Tìm Hiểu Về Mạng Máy Tính: Khái Niệm, Phân Loại và Ứng Dụng
• Loại tài liệu: Giáo trình
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG MÁY TÍNH VÀ TRUYỀN THÔNG
• 1.1. Cơ bản về mạng máy tính
• 1.1.1. Các khái niệm cơ bản
• 1.2. Lịch sử Internet
• 1.3. Đặt vấn đề
• 1.4. Chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói
• 1.5. Các thông số cơ bản
• 1.6. Kiến trúc phân tầng
• 1.7. Truyền thông trong kiến trúc phân tầng

Tóm tắt

I. Tìm Hiểu Về Mạng Máy Tính Khái Niệm Cơ Bản

Mạng máy tính là một tập hợp các máy tính kết nối với nhau để trao đổi dữ liệu. Các máy tính này có thể là máy trạm, máy chủ hoặc thiết bị mạng. Kết nối giữa chúng được thực hiện thông qua các phương tiện truyền dẫn như cáp quang, cáp đồng hoặc sóng vô tuyến. Mạng máy tính không chỉ giúp chia sẻ tài nguyên mà còn tạo điều kiện cho việc giao tiếp giữa các thiết bị.

1.1. Khái Niệm Mạng Máy Tính

Mạng máy tính là hệ thống cho phép các máy tính kết nối và giao tiếp với nhau. Điều này giúp chia sẻ tài nguyên và thông tin một cách hiệu quả.

1.2. Các Thành Phần Của Mạng Máy Tính

Các thành phần chính của mạng máy tính bao gồm máy tính, thiết bị mạng và phương tiện truyền dẫn. Mỗi thành phần đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hoạt động của mạng.

II. Phân Loại Mạng Máy Tính Từ LAN Đến WAN

Mạng máy tính được phân loại thành nhiều loại khác nhau dựa trên phạm vi kết nối và số lượng người dùng. Mạng LAN (Local Area Network) phục vụ cho các khu vực nhỏ như văn phòng hoặc gia đình, trong khi mạng WAN (Wide Area Network) kết nối các khu vực rộng lớn hơn, thậm chí toàn cầu. Mỗi loại mạng có những đặc điểm và ứng dụng riêng.

2.1. Mạng LAN Đặc Điểm và Ứng Dụng

Mạng LAN thường được sử dụng trong các văn phòng hoặc trường học, cho phép kết nối nhanh chóng và chia sẻ tài nguyên giữa các thiết bị trong cùng một khu vực.

2.2. Mạng WAN Kết Nối Toàn Cầu

Mạng WAN kết nối các mạng LAN ở khoảng cách xa, cho phép giao tiếp và chia sẻ dữ liệu giữa các khu vực khác nhau trên toàn cầu.

III. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Mạng Máy Tính Trong Cuộc Sống

Mạng máy tính có nhiều ứng dụng trong cuộc sống hàng ngày, từ việc truy cập Internet, gửi email đến các dịch vụ trực tuyến như mạng xã hội và thương mại điện tử. Các ứng dụng này không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn nâng cao hiệu quả công việc.

3.1. Mạng Máy Tính Trong Doanh Nghiệp

Trong doanh nghiệp, mạng máy tính giúp kết nối các phòng ban, chia sẻ tài nguyên và thông tin, từ đó nâng cao hiệu suất làm việc.

3.2. Mạng Máy Tính Trong Giáo Dục

Mạng máy tính hỗ trợ việc học tập trực tuyến, cho phép sinh viên truy cập tài liệu học tập và tham gia các khóa học từ xa.

IV. Thách Thức Trong Quản Lý Mạng Máy Tính Hiện Nay

Quản lý mạng máy tính hiện nay đối mặt với nhiều thách thức như bảo mật, hiệu suất và khả năng mở rộng. Các mối đe dọa từ virus, malware và các cuộc tấn công mạng ngày càng gia tăng, yêu cầu các biện pháp bảo mật mạnh mẽ hơn.

4.1. Vấn Đề Bảo Mật Mạng

Bảo mật mạng là một trong những thách thức lớn nhất, yêu cầu các tổ chức phải đầu tư vào các giải pháp bảo mật để bảo vệ dữ liệu và thông tin.

4.2. Hiệu Suất Mạng Tối Ưu Hóa và Quản Lý

Đảm bảo hiệu suất mạng ổn định là rất quan trọng, đòi hỏi các biện pháp tối ưu hóa và quản lý tài nguyên hiệu quả.

V. Tương Lai Của Mạng Máy Tính Xu Hướng và Công Nghệ Mới

Tương lai của mạng máy tính hứa hẹn sẽ có nhiều đổi mới với sự phát triển của công nghệ như 5G, IoT và AI. Những công nghệ này sẽ mở ra nhiều cơ hội mới cho việc kết nối và giao tiếp.

5.1. Công Nghệ 5G Tốc Độ và Kết Nối

Công nghệ 5G sẽ mang lại tốc độ truyền tải dữ liệu nhanh hơn, giúp cải thiện trải nghiệm người dùng và mở rộng khả năng kết nối.

5.2. Internet Vạn Vật IoT Kết Nối Mọi Thứ

IoT sẽ kết nối hàng triệu thiết bị, tạo ra một hệ sinh thái thông minh, từ nhà thông minh đến thành phố thông minh.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề  Kết nối điểm-điểm giữa 2 host A B  Thông số của kết nối:  Băng thông (bandwith - R): lượng dữ liệu truyền tối đa trong một đơn vị thời gian (bps – bit per second)  Trễ (Latency): thời gian truyền dữ liệu từ A đến B  Trễ truyền tải: Kích thước dữ liệu / Băng thông  Trễ truyền dẫn: Độ dài liên kết / Tốc độ tín hiệu (~2x108 m/sec) 43 43 Kết nối điểm-điểm giữa 2 host Thời gian để lan  Truyền 100B từ A đến B truyền tín hiệu: 1ms A B 1Mbps, AB = 200km time=0 Thời gian truyền Thời điểm bit 1 bit = 1/106s đầu tiên tới B Thời gian truyền 100Byte packet 800 bits=800x1/106s = 1/106+1/103s Thời điểm bit cuối cùng tới B Time (800x1/106)+1/103s = 1.8ms 44 44 Kết nối giữa nhiều host  Điểm-điểm giữa mọi cặp  Hạn chế? 45 45 Kết nối giữa nhiều nút mạng  Điểm-đa điểm: Sử dụng 1 đường truyền chung cho tất cả  truyền thông “quảng bá”  Hạn chế? 46 46 Kết nối giữa nhiều nút mạng  Giải pháp: mạng chuyển mạch(switching network)  Mỗi host kết nối với 1 thiết bị chuyển mạch  Các thiết bị chuyển mạch kết nối điểm-điểm và thực hiện chuyển tiếp dữ liệu tới đích  Chia sẻ tài nguyên đường truyền G D Câu hỏi: Làm thế A nào để xác định 3 được tuyến đường? 1 Trả lời: Định tuyến C 5 B 2 E F 4 47 47 2. Chuyển mạch kênh  Circuit switching network: cấp phát tài nguyên đường truyền (kênh) dành riêng cho từng kết nối logic giữa 2 nút mạng 10Mb/s? A 10Mb/s? 3 10Mb/s? 10Mb/s? 1 C 5 B 2 E 4 (1) A phát yêu cầu xin thiết lập kênh (2) Các thiết bị chuyển mạch thiết lập kênh (3) A bắt đầu truyền dữ liệu (4) A truyền xong: phát yêu cầu hủy kênh 48 48 Ghép kênh/Phân kênh  Ghép kênh(Multiplexing): gửi dữ liệu của nhiều kênh khác nhau trên cùng một liên kết vật lý  Phân kênh(Demultiplexing): phân dữ liệu nhận được trên liên kết vật lý vào các kênh tương ứng và chuyển đến đúng đích Bộ ghép kênh Bộ phân kênh 1 liên kết N kênh DEMUX MUX 49 49 Một số kỹ thuật ghép kênh  Ghép kênh theo thời  Ghép kênh theo tần gian(TDM): mỗi kết nối số(FDM): mỗi kết nối sử dụng tài nguyên trong sử dụng một băng tần khe thời gian được phân tín hiệu riêng f t t 50 50 Giản đồ thời gian A Sw1 Sw2 B Thiết lập kênh Truyền dữ liệu Information t Hủy kênh 51 51 Ưu điểm và nhược điểm  Ưu điểm:  Kênh được thiết lập sẵn  Trễ khi chuyển mạch rất thấp  Tài nguyên dành riêng cho kênh và không đổi trong quá trình truyền  đảm bảm chất lượng dịch vụ  Nhược điểm? 52 52 Nhược điểm Sw1 Sw2 Thiết lập kênh Truyền Transfer dữ liệu Information t Hủy kênh 53 53 Nhược điểm Sw1 Sw2 Thiết lập kênh Truyền dữ liệu Information Hủy kênh t 54 54 Nhược điểm A 3 1 5 B 2 4  Bắt đầu lại quá trình nếu lỗi trên thiết bị chuyển mạch khi truyền 55 55 2. Chuyển mạch gói  Packet switching network  Dữ liệu được chia thành các gói tin (packet)  Phần tiêu đề (header): địa chỉ, số thứ tự  Phần dữ liệu (payload)  Thiết bị chuyển mạch chuyển tiếp gói tin dựa trên tiêu đề Data Header payload 01000111100010101001110100011001 header 56 56 Chuyển tiếp gói tin NEU tới FTU switch#4 switch#2 switch#1 Forwarding Table 111010010 FTU Destination Next Hop NEU 4 HUST NUCE 5 FTU 2 HUBT 3 NUCE switch#5 tới HUBT switch#3 57 57 Chuyển mạch gói  Mỗi gói tin có thể được xử lý độc lập  Các gói tin có thể tới đích theo các đường khác nhau, không còn đúng thứ tự  Tài nguyên dùng chung cho tất cả các kết nối  Nếu còn tài nguyên, bất kỳ nút nào cũng có thể sử dụng 58 58 Giản đồ thời gian  Thiết bị chuyển mạch A Sw B sẽ chuyển tiếp khi payl h nhận được toàn bộ d oad r gói tin (store and forward)  Thiết bị chuyển mạch cần thời gian để xử lý gói tin (dproc): dproc  Kiểm tra lỗi trên gói tin  Quyết định gói tin gửi đến đâu  Thường rất nhỏ so với t trễ truyền tin 59 59 Chuyển mạch gói vs Chuyển mạch kênh Ví dụ:  Băng thông đi 10 Mb/s  Mỗi kết nối của người dùng N tới: users • Được cấp phát 1 Mb/s 10 Mbps • Thời gian sử dụng để truyền dữ liệu: 10% tổng thời gian  Mạng chuyển mạch kênh:  Tối đa 10 người dùng đồng thời xin cấp phát • Phân phối nhị thức:  Mạng chuyển mạch gói: P(x = k) = Cnk pk (1-p)n-k  Giả sử có 30 người dùng sử dụng chung • Nếu số người dùng tăng  Xác suất để >10 người dùng lên? đồng thời truyền dữ liệu là bao nhiêu? (~0.0001) 60 60 Hàng đợi Hàng đợi (FIFO) 1 Mbps 61 61 Hàng đợi Hàng đợi (FIFO) 1 1 62 62 Hàng đợi Hàng đợi (FIFO) 2 2 1 1 63 63 Hàng đợi Hàng đợi (FIFO) 2 2 1 1 64 64 Hàng đợi Hàng đợi (FIFO) 65 65 Mất gói tin  Kích thước hàng đợi có hạn  Gói tin tới khi hàng đợi đã đầy sẽ bị mất 66 66 Các thông số cơ bản  Băng thông ≡ Tốc độ truyền tin ≡ Dung lượng  Thông lượng  MTU(Maximum Transmission Unit): kích thước lớn nhất của gói tin  Độ trễ  Trễ trên thiết bị đầu cuối  Trễ trên thiết bị trung gian  Trễ truyền tin  Trễ lan truyền  Độ mất gói tin = Số gói bị mất/Tổng số gói truyền 67 67 Thông lượng (throughput)  Thông lượng: tốc độ (bits/sec) truyền tin qua một điểm nào đó trong mạng  Tức thời: thông lượng tại một thời điểm  Trung bình: thông lượng tính trung bình trong một khoảng thời gian Bên gửi: gửi dữ Kênh có Kênh có liệu lên kênh khả năng truyền khả năng truyền Rs bits/sec Rc bits/sec 68 68 Thông lượng (tiếp)  Rs < Rc Thông lượng trung bình là bao nhiêu? Rs bits/sec Rc bits/sec  Rs > Rc Thông lượng trung bình là bao nhiêu? Rs bits/sec Rc bits/sec Nút thắt cổ chai (bottleneck) Là điểm tại đó làm giới hạn thông lượng trên đường truyền 69 69 Nút thắt cổ chai  Xác định nút thắt cổ chai? 70 70 Độ trễ truyền tin A lan truyền B xử lý tại nút đợi trong hàng đợi dnodal = dproc + dqueue + dtrans + dprop dtrans: trễ truyền tin: dprop: trễ lan truyền (truyền dẫn)  L: kích thước dữ liệu (bits)  d: độ dài đường truyền  R: băng thông (bps)  s: tốc độ lan truyền tín hiệu (~2x108  dtrans = L/R m/sec)  dprop = d/s 71 71 Độ trễ (tiếp) truyền tin A lan truyền B xử lý tại nút đợi trong hàng đợi dnodal = dproc + dqueue + dtrans + dprop dproc: trễ xử lý dqueue: trễ hàng đợi  Kiểm tra lỗi bit  Phụ thuộc vào số lượng  Xác định liên kết ra dữ liệu trong hàng đợi  Thường < μsec 72 72 Trễ hàng đợi Trễ trung bình trong hàng đợi  R: băng thông (bps)  L: kích thước gói tin (bits)  a: tốc độ đến của gói tin La/R  La/R ~ 0: trễ hàng đợi nhỏ La/R ~ 0  La/R  1: trễ hàng đợi lớn La/R -> 1  La/R > 1: trễ vô cùng (mất gói tin) 73 73 Round Trip Time  RTT: Trễ khứ hồi (2 chiều) = t3 – t0 A B T = t0 T = t1 B xử lý T = t2 T = t3  Trễ 1 chiều: t1 – t0 74 74 MTU  Maximum Transmission Unit: Kích thước tối đa của gói tin có thể truyền trên đường truyền  Ví dụ: Mạng Ethernet có MTU = 1526 byte  Tại sao?  Lý do 1: Giảm tỉ lệ gói tin bị lỗi bit  BER = Số bit lỗi / Tổng số bit truyền  thường là hằng số  Ví dụ: BER = 10-3  truyền 1000 bit sẽ lỗi 1 bit  Nếu gói tin kích thước L = 1000 bit  xác suất gói tin có lỗi bit?  Nếu L = 100 bit  xác suất gói tin có lỗi bit?  Lý do 2: Giảm xác suất (kích thước dữ liệu) phải truyền lại do mất gói tin  Kích thước hàng đợi: N byte  Nếu gói tin có kích thước L = 1000 byte: hàng đợi đã đầy  gói tin bị mất  truyền lại gói tin  kích thước dữ liệu cần truyền lại: 1000 byte  Nếu gói tin có kích thước L = 100 byte: hàng đợi đầy  ?  Kết luận: MTU làm giảm lượng dữ liệu phải truyền lại 75 75 Tại sao MTU không nên quá nhỏ?  MTU quá nhỏ làm giảm hiệu suất truyền  Giải thích:  Gói tin gồm: tiêu đề (header) + phần thân (payload)  Kích thước header: hằng số  Hiệu suất truyền: H= = =1 − 76 76 3. Kiến trúc phân tầng Tiếp tục với chủ đề “Làm thế nào để các nút mạng trao đổi thông tin?” 77 77 Nguyên tắc “chia để trị”  Xác định các nhiệm vụ cần thực hiện  Tổ chức, điều phối thứ tự thực hiện các nhiệm vụ  Phân định ai làm nhiệm vụ gì  Ví dụ: Giám đốc công ty A gửi công văn cho Giám đốc của công ty B  Giám đốc A: viết công văn và chuyển cho thư ký  Thư ký:  Cho thư vào bì thư và điền tên đầy đủ Giám đốc B và địa chỉ  Đem đến bưu điện VNPT  Bưu điện VNPT:  Đóng gói bưu kiện  Ghi địa chỉ bưu cục nhận  Chuyển bưu kiện lên xe thư  Đưa bưu kiện đến bưu cục nhận 78 78 Bức thư được gửi và nhận như thế nào?  Các bộ phận đồng cấp: Phương tiện và cách thức trao đổi thông tin giống nhau Công ty A Công ty B Công văn Giám đốc Giám đốc Ngôn ngữ tự nhiên Phong thư Thư ký Thư ký Địa chỉ Bưu kiện VNPT VNPT Mã bưu cục 79 79 Trao đổi thông tin giữa các nút mạng  Dữ liệu được tổ chức như thế nào?  Định danh – đánh địa chỉ: Phân biệt các máy với nhau trên mạng?  Tìm đường đi cho dữ liệu qua hệ thống mạng như thế nào?  Làm thế nào để phát hiện lỗi dữ liệu (và sửa)?  Làm thế nào để dữ liệu gửi đi không làm quá tải đường truyền, quá tải máy nhận?  Làm thế nào để chuyển dữ liệu thành tín hiệu?  Làm thế nào để biết dữ liệu đã tới đích?.