Mạng máy tính là một hệ thống gồm nhiều máy tính và các thiết bị được kết nối với nhau bởi đường truyền vật lý theo một kiến trúc [Network Architecture] nào đó nhằm thu thập, trao đổi dữ liệu và chia sẽ tài nguyên cho nhiều người sử dụng.
Các máy tính được kết nối với nhau có thể trong cùng một phòng, một tòa nhà, một thành phố hoặc trên phạm vi toàn cầu.
Mạng máy tính bao gồm ba thành phần chính:
-Các máy tính; -Các thiết bị mạng đảm bảo kết nối các máy tính với nhau;
-Phần mềm cho phép thực hiện việc trao đổi thông tin giữa các máy tính.
Mô hình mạng máy tính
Xét theo chức năng của các máy tính trong mạng, có thể phân mạng thành 3 mô hình chủ yếu sau:
Mô hình mạng ngang hàng [Peer – to – Peer]
Trong mô hình này, tất cả các máy tính tham gia đều có vai trò giống nhau. Mỗi máy vừa có thể cung cấp trực tiếp tài nguyên của mình cho các máy khác, vừa có thể sử dụng trực tiếp tài nguyên của các máy khác trong mạng. Mô hình này chỉ thích hợp với mạng có quy mô nhỏ, tài nguyên được quản lý phân tán, chế độ bảo mật kém.
Mô hình mạng ngang hàng
Trong mô hình này, một hoặc vài máy sẽ được chọn để đảm nhận việc quản lý và cung cấp tài nguyên [chương trình, dữ liệu, thiết bị,…] được gọi là máy chủ [Server], các máy khác sử dụng tài nguyên này được gọi là máy khách [Client]. Máy chủ là máy tính đảm bảo việc phục vụ các máy khách bằng cách điều khiển việc phân phối tài nguyên nằm trong mạng với mục đích sử dụng chung. Máy khách là máy sử dụng tài nguyên do máy chủ cung cấp.
Mô hình khách – chủ có ưu điểm là dữ liệu được quản lý tập trung, bảo mật tốt, thích hợp với các mạng trung bình và lớn.
Mô hình mạng khách chủ [Client-Server]
Ngày nay, do sự phát triển của Internet nên có rất nhiều công ty và cá nhân sử dụng Internet như một mạng “xương sống” và kết nối với mọi người trên toàn cầu. Mạng trên phạm vi Internet được gọi là mạng liên kết nối và ngày càng trở nên phổ biến. Người dùng chỉ cần trình duyệt Web và một kết nối Internet để chia sẻ các tập tin, tải các ứng dụng, xem video hoặc tham gia học tập trực tuyến.
Dưới góc độ địa lý, mạng máy tính có thể phân thành: mạng cục bộ và mạng diện rộng.
Mạng cục bộ [LAN: Local Area Network]
LAN là mạng kết nối các máy tính bên trong một vùng diện tích địa lý tương đối nhỏ, chẳng hạn như trong một phòng, một tòa nhà, một xí nghiệp, một trường học,…
Kết nối với LAN: Cho dù mạng LAN được thiết kế là mạng dựa trên máy chủ hay mạng ngang hàng, người dùng cần phải kết nối với mạng LAN thì mới tham gia được vào mạng. Kết nối với mạng LAN yêu cầu:
– Một card giao tiếp mạng [NIC: Network Interface Card]
– Thiết bị truyền thông [có dây hoặc không dây]
Mạng cục bộ
WAN là mạng kết nối các máy tính ở cách nhau những khoảng cách lớn. Mạng diện rộng thường bao gồm hai hay nhiều LAN bao phủ một vùng diện tích rộng [ví dụ như trong cùng một thành phố hoặc một quốc gia], các LAN được kết nối sử dụng các đường dây của nhà cung cấp dịch vụ truyền tải công cộng.
Xét một doanh nghiệp lớn với các văn phòng nằm ở các vị trí khác nhau trên toàn cầu. Mỗi văn phòng có một LAN riêng được sử dụng để chia sẻ tài nguyên cục bộ. Tuy nhiên, nếu công ty cần chia sẻ tài nguyên với các văn phòng khác, các LAN có thể được kết nối với nhau sử dụng các đường dây truyền thông được cung cấp bởi các nhà cung cấp dịch vụ truyền tải công cộng. Khi hai hay nhiều LAN được kết nối sử dụng mạng công cộng, WAN được tạo ra. WAN lớn nhất trên thế giới chính là Internet.
Các tính năng chính để phân biệt LAN với WAN là:
-LAN bị bó hẹp trong phạm vi kết nối cục bộ tại gia đình hoặc được thiết lập trong phạm vi một văn phòng. Trong LAN, tổ chức sở hữu mọi thành phần. Đối với WAN, tổ chức phải thuê một vài thành phần cần thiết để truyền tải dữ liệu, chẳng hạn như đường truyền tốc độ cao.
-LAN cũng thường có tốc độ cao hơn WAN. Ví dụ, hầu hết các card Ethernet truyền tải dữ liệu ở tốc độ 100 hoặc 10000 Mbps, nếu sử dụng Gigabit Ethernet thì dữ liệu di chuyển với tốc độ 40 Gbps. Tuy nhiên, một kết nối WAN chuẩn chỉ có thể chạy với tốc độ 1.5 Mbps đến 100 Mbps hoặc hơn tùy theo công nghệ sử dụng.
Mạng diện rộng [WAN]
Xem thêm: Học ngành mạng máy tính ? Tương lai ra sao ?
- ở mức độ cơ bản nhất, mạng bao gồm hai máy tính nối với nhau bằng cáp, sao cho chúng có thể dùng chung dữ liệu. Mọi mạng máy tính, cho dù có tinh vi phức tạp đến đâu chăng nữa cũng đều bắt nguồn từ hệ thống đơn giản đó.
- Lý do hình thành mạng máy tính: mạng máy tính phát sinh từ nhu cầu muốn chia sẻ, dùng chung tài nguyên và cho phép giao tiếp trực tuyến [online]. Tài nguyên gồm có tài nguyên phần mềm [dữ liệu, chươg trình ứng dụng, ...] và tài nguyên phần cứng [máy in, máy quét, CD ROOM,.]. Giao tiếp trực tuyến bao gồm gửi và nhận thông điệp, thư điện tử.
- Trước khi mạng máy tính được sử dụng, người ta thường phải tự trang bị máy in, máy vẽ và các thiết bị ngoại vi khác cho riêng mình. Để có thể dùng chung máy tin thì mọi người phải thay phiên nhau ngồi trước máy tính được nối với máy in. Khi mà nối mạng thì cho phép tất cả mọi người đều có quyền sử dụng máy in đó.
- Nếu không có mạng máy tính, nhu cầu trao đổi thông tin đều bị giới hạn ở:
- Truyền đạt thông tin trực tiếp [miệng]
- Gởi thư thông báo
- Copy dữ liệu sang đĩa mềm, đem đĩa copy sang máy khác
→Mạng có thể làm giảm bớt nhu cầu truyền thông trên giấy, tiết kiệm thời gian và công sức.
- Do sự kết hợp của máy tính với các hệ thống truyền thông đặc biệt là viễn thông tạo ra cuộc cách mạng trong vấn đề tổ chức khai thác và sử dụng hệ thống máy tính. Mô hình tập trung dựa trên máy tính lớn được thay thế mô hình các máy tính đơn lẻ được kết nối lại để cùng thực hiện công việc→ hình thành môi trường làm việc nhiều người sử dụng phân tán.
- Mạng máy tính ngày nay đã trở thành một lĩnh vực nghiên cứu phát triển và ứng dụng cốt lõi của CNTT. Các lĩnh vực nghiên cứu phát triển và ứng dụng của mạng: kiến trúc mạng, nguyên lý thiết kế, cài đặt và các mô hình ứng dụng.
- Cuối những năm 60 các hệ thống máy tính được tập trung hoá cao độ như mainfram, minicomputer,... được gọi là máy tính trung tâm và nhiều trạm cuối nối với nó. Máy tính trung tâm hầu như đảm nhiệm tất cả mọi việc :
- Quản lý các thủ tục truyền dữ liệu
- Quản lý sự đồng bộ của các trạm cuối
- Xử lý các ngắt từ các trạm cuối,...
→ Nhược điểm:
- Tốn quá nhiều vật liệu để nối các trạm với trung tâm [tốn đường truyền]
- Máy tính trung tâm quá tải [phải làm việc quá nhiều]
- Để giảm nhiệm vụ của máy tính trung tâm người ta gom các trạm cuối vào bộ gọi là bộ tập trung [hoặc bộ dồn kênh] trước khi chuyển về trung tâm. Các bộ này có chức năng tập trung các tín hiệu do trạm cuối gửi đến vào trên cùng một đường truyền.
- Bộ dồn kênh [multiplexor]: có khả năng truyền song song các thông tin do trạm cuối gửi về trung tâm.
- Bộ tập trung [concentrator]: không có khả năng này, phải dùng bộ đệm để lưu trữ tạm thời dữ liệu
KL: Mọi sự liên lạc giữa các trạm cuối với nhau phải đi qua máy tính trung tâm, không được nối trực tiếp với nhau →hệ thống trên không được gọi là mạng máy tính mà chỉ được gọi là mạng xử lý
- Từ cuối những năm 70, các máy tính được nối trực tiếp với nhau để tạo thành mạng máy tính nhằm phân tán tải của hệ thống và tăng độ tin cậy.
Định nghĩa: Mạng máy tính là một hệ thống các máy tính tự trị [autonomous computer] được kết nối với nhau bằng một được truyền vật lý và theo một kiến trúc nào đó.
- Cũng những năm 70 xuất hiện khái niệm mạng truyền thông [communication network], trong đó các thành phần chính của nó là các nút mạng [Node], được gọi là bộ chuyển mạch [switching unit] dùng để hướng thông tin tới đích.
- Các nút mạng được nối với nhau bằng đường truyền gọi là khung của mạng. Các máy tính xử lý thông tin của người sử dụng [host] hoặc các trạm cuối [terminal] được nối trực tiếp vào các nút mạng để khi cần thì trao đổi thông tin qua mạng. Bản thân các nút mạng thường cũng là máy tính nên có thể đồng thời đóng cả vai trò máy của người sử dụng.
→ Vì vậy chúng ta không phân biệt khái niệm mạng máy tính và mạng truyền thông.
Mục đích kết nối mạng máy tính:
- Chia xẻ các tài nguyên có giá trị cao [thiết bị, chương trình, dữ liệu,..] không phụ thuộc vào khoảng cách địa lý của tài nguyên và người sử dụng.
- Tăng độ tin cậy của hệ thống: do có khả năng thay thế khi xảy ra sự cố đối với một máy tính nào đó.
- Đường truyền vật lý dùng để chuyển các tín hiệu giữa các máy tính. Các tín hiệu đó biểu thị các giá trị dữ liệu dưới dạng các xung nhị phân [on - off]. Tất cả các tín hiệu đó đều thuộc dạng sóng điện từ [trải từ tần số sóng radio, sóng ngắn, tia hồng ngoại]. ứng với mỗi loại tần số của sóng điện tử có các đường truyền vật lý khác nhau để truyền tín hiệu.
- Hiện nay có hai loại đường truyền:
- Đường truyền hữu tuyến: cáp đồng trục, cáp đôi dây xoắn [có bọc kim, không bọc kim] , cáp sợi quang
- Đường truyền vô tuyến: radio, sóng cực ngắn, tia hồng ngoại
- Cáp đồng trục dùng để truyền các tín hiệu số trong mạng cục bộ hoặc làm mạng điện thoại đường dài. Cấu tạo gồm có một sợi kim loại ở trung tâm được bọc bởi một lớp cách điện và một lưới kim loại chống nhiễu. ở ngoài cùng là vỏ bọc cách điện. Sợi kim loại trung tâm và lưới kim loại làm thành hai sợi dẫn điện đồng trục
- Có hai loại cáp đồng trục khác nhau với những chỉ định khác nhau về kỹ thuật và thiết bị ghép nối đi kèm: cáp đồng trục mỏng [giá thành rẻ, dùng phổ biến], cáp đồng trục béo [đắt hơn, có khả năng chống nhiễu tốt hơn, thường được dung liên kết mạng trong môi trường công nghiệp]
- Cáp đôi dây xoắn: được sử dụng rộng rãi trong các mạng điện thoại có thể kéo dài hàng cây số mà không cần bộ khuyếch đại. Cấu tạo gồm nhiều sợi kim loại cách điện với nhau. Các sợi này từng đôi một xoắn lại với nhau nhằm hạn chế nhiễu điện từ. Có hai loại cáp xoắn đôi được sử dụng hiện nay: cáp có bọc kim loại [STP], cáp không bọc kim loại [UTP].
- Cáp STP có lớp bảo vệ dưới vỏ bọc ngoài. Có khả năng chống nhiễu tốt và cũng đắt hơn. Cáp UTP không có lớp bảo vệ dưới bọc ngoài → dùng phổ biến vì giá rẻ
- Cáp sợi quang: là cáp truyền dẫn sóng ánh sáng, có cấu trúc tương tự như cáp đồng trục với chất liệu là thuỷ tinh. Tức là gồm một dây dẫn trung tâm [một hoặc một bó sợi thuỷ tinh hoặc plastic có thể truyền dẫn tín hiệu quang] được bọc một lớp áo có tác dụng phản xạ các tín hiệu trở lại để giảm sự mất mát tín hiệu. Có hai loại cáp sợi quang là: single-mode [chỉ có một đường dẫn quang duy nhất], multi-mode [có nhiều đường dẫn quang]→ cáp sợi quang có độ suy hao tín hiệu thấp, không bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ và các hiệu ứng điện khác, không bị phát hiện và thu trộm, an toàn thông tin trên mạng được bảo đảm. Khó lắp đặt, giá thành cao
- Sóng cực ngắn thường được dùng để truyền giữa các trạm mặt đất và các vệ tinh. Chúng để truyền các tín hiệu quảng bá từ một trạm phát tới nhiều trạm thu.
- Sóng hồng ngoại: Môi trường truyền dẫn sóng hồng ngoại là một môi trường định hướng, trong diện hẹp vì vậy nó chỉ thích hợp cho một mạng diện hẹp bán kính từ 0.5m đến 20 m, với các thiết bị ít bị di chuyển. Tốc độ truyền dữ liệu xung quanh 10Mbps
- Sóng radio: môi trường truyền dẫn sóng radio là một môi trường định hướng trong mạng diện rộng với bán kính 30 km. Tốc độ truyền dữ liệu hàng chục Mbps.
- Kiến trúc mạng máy tính thể hiện cách nối các máy tính với nhau ra sao và tập hợp các quy tắc, quy ước 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 được gọi là hình trạng [topolopy] của mạng hay nói cho gọn là topo mạng
- Tập hợp các quy tắc, quy ước truyền thông được gọi là giao thức [protocol] của mạng
- Có hai kiểu kết nối mạng chủ yếu là điểm - điểm [point-to-point] và quảng bá [broadcast hay point-to-multipoint]
- Kiểu kết nối điểm - điểm, các đường truyền nối từng cặp nút với nhau và mỗi nút đều có trách nhiệm lưu trữ tạm thời sau đó chuyển tiếp dữ liệu đi tới đích. Do cách làm việc như thế nên mạng kiểu này còn được gọi là mạng lưu và chuyển tiếp [store and forward]. Nói chung các mạng diện rộng đều sử dụng nguyên tắc này.
- Kiểu quảng bá: Tất cả các nút mạng dùng chung một đường truyền vật lý. Dữ liệu gửi đi từ một nút mạng có thể được tất cả các nút mạng còn lại tiếp nhận → chỉ cần chỉ ra địa chỉ đích của dữ liệu để mỗi nút kiểm tra xem có phải là gửi cho mình hay không.
Trong các topo dạng vòng hoặc dạng tuyến tính cần có một cơ chế “trọng tài” để giải quyết xung đột khi nhiều nút muốn truyền tin cùng một lúc. Việc cấp phát đường truyền có thể là “động” hoặc “tĩnh”.
- Cấp phát “tĩnh” thường dung cơ chế quay vòng để phân chia đường truyền theo các khoảng thời gian định trước.
- Cấp phát “động” là cấp phát theo yêu cầu để hạn chế thời gian “chết” vô ích của đường truyền.
- Việc trao đổi thông tin cho dù là đơn giản nhất, cũng đều phải tuân theo những quy tắc nhất định. Hai người nói chuyện với nhau muốn cho cuộc nói chuyện có kết quả thì ít nhất cả hai cũng phải ngầm định tuân theo quy tắc: khi người này nói thì người kia phải nghe và ngược lại. Việc truyền tín hiệu trên mạng cũng vậy, cần phải có những quy tắc, quy ước về nhiều mặt
- Khuôn dạng của dữ liệu: cú pháp và ngữ nghĩa
- Thủ tục gửi và nhận dữ liệu
- Kiểm soát chất lượng truyền
- Tập hợp tất cả các quy tắc, quy ước trên gọi là giao thức mạng. Yêu cầu về xử lý và trao đổi thông tin của người sử dụng ngày càng cao thì giao thức mạng càng phức tạp. Các mạng có thể có giao thức khác nhau tuỳ thuộc vào sự lựa chọn của nhà thiết kế.
Có nhiều cách để phân loại mạng máy tính tuỳ thuộc vào yếu tố chính được chọn làm chỉ tiêu để phân loại: khoảng cách địa lý, kỹ thuật chuyển mạch, kiến trúc của mạng.
Phân làm 4 loại: mạng cục bộ, mạng đô thị, mạng diện rộng, mạng toàn cầu
- Mạng cục bộ [Local Area Networks - LAN]: cài đặt trong phạm vi tương đối hẹp, khoảng cách lớn nhất giữa các máy tính nối mạng là vài chục km.
- Mạng đô thị [Metropolitan Area Networks - MAN]: cài đặt trong phạm vi một đô thị, một trung tâm kinh tế xã hội, có bán kính nhỏ hơn 100 km
- Mạng diện rộng [Wide Area Networks - WAN]: phạm vi của mạng có thể vượt qua biên giới quốc gia và thậm chí cả lục địa
- Mạng toàn cầu [Global Area Networks - GAN]: phạm vi rộng khắp các lục địa
Phân làm 3 loại: mạng chuyển mạch kênh, mạng chuyển mạch thông báo, mạng chuyển mạch gói.
Khi có hai thực thể cần trao đổi thông tin với nhau thì giữa chúng sẽ thiết lập một “kênh” cố định và được duy trì cho đến khi một trong hai bên ngắt liên lạc. Các dữ liệu chỉ được truyền theo con đường cố định đó.
→ Nhược điểm: + tốn thời gian để thiết lập kênh cố định giữa hai thực thể
- Hiệu suất sử dụng đường truyền thấp vì sẽ có lúc kênh bị bỏ không do cả hai bên đều hết thông tin cần truyền trong khi các thực thể khác không được phép sử dụng kênh truyền này.
- Thông báo [message] là một đơn vị thông tin của người sử dụng có khuôn dạng được qui định trước. 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 đường dẫn tới đích của nó.
- Mỗi nút cần phải lưu trữ tạm thời để “đọc” để đọc thông tin điều khiển trên thông báo để sau đó chuyển tiếp thông báo đi. Tuỳ thuộc vào điều kiện của mạng, các thông báo khác nhau có thể truyền theo đường truyền khác nhau.
Ưu điểm so với mạng chuyển mạch kênh:
- Hiệu suất sử dụng đường truyền cao vì không bị chiếm dụng độc quyền mà được phân chia giữa nhiều thực thể
- Mỗi nút mạng có thể lưu trữ thông báo cho tới khi kênh truyền rỗi mới gửi thông báo đi → giảm được tình trạng tắc nghẽn mạch
- Có thể điều khiển việc truyền tin bằng cách sắp xếp độ ưu tiên cho các thông báo
- Có thể tăng hiệu suất sử dụng giải thông bằng cách gán địa chỉ quảng bá để gửi thông báo đồng thời tới nhiều đích
Nhược điểm:
- Không hạn chế kích thước của các thông báo, dẫn đến phí tổn lưu trư tạm thời cao và ảnh hưởng tới thời gian đáp và chất lượng truyền
- Thích hợp cho các dịch vụ thư tín điện tử hơn là các áp dụng có tính thời gian thực vì tồn tại độ trễ do lưu trữ và xử lý thông tin điều khiển tại mỗi nút.
- Mỗi thông báo được chia làm nhiều phần nhỏ hơn được gọi là các gói tin có khuôn dạng quy định trước. Mỗi gói tin cũng chứa các thông tin điều khiển, trong đó có địa chỉ nguồn [người gửi] và đích [người nhận] của gói tin. Các gói tin của một thông báo có thể đi qua mạng tới đích bằng nhiều con đường khác nhau. Lúc nhận được, thứ tự nhận được không đúng thứ tự được gửi đi.
So sánh mạng chuyển mạch thông báo và mạng chuyển mạch gói
- Giống nhau: phương pháp giống nhau
- Khác nhau: Các gói tin được giới hạn kích thước tối đa sao cho các nút mạng có thể xử lý toàn bộ gói tin trong bộ nhớ mà không cần phải lưu trữ tạm thời trên đĩa. Vì thế mạng chuyển mạch gói truyền các gói tin qua mạng nhanh chóng và hiệu quả hơn so với mạng chuyển mạch thông báo. Nhưng vấn đề khó khăn của mạng loại này là việc tập hợp các gói tin để tạo lại thông báo ban đầu của người sử dụng, đặc biệt trong trường hợp các gói được truyền theo nhiều đường khác nhau. Cần phải cài đặt cơ chế “đánh dấu” gói tin và phục hồi gói tin bị thất lạc hoặc truyền bị lỗi cho các nút mạng.
- Do có ưu điểm mềm dẻo và hiệu suất cao hơn nên hiện nay mạng chuyển mạch gói được sử dụng phổ biến hơn các mạng chuyển mạch thông báo
- Xu hướng phát triển của mạng ngày nay là tích hợp cả hai kỹ thuật chuyển mạch [kênh và gói] trong một mạng thống nhất → mạng dịch vụ tích hợp số
Phân loại mạng theo topo và giao thức sử dụng
Các mạng thường hay được nhắc đến: mạng SNA của IBM, mạng ISO, mạng TCP/IP