Computer Networking : A Top-Down Approach - Tiếng Việt
Chương 1 : Mạng máy tính và
Internet
Phần 1: Internet là gì ?
Internet ngày nay được cho là hệ thống được thiết kế lớn nhất từng được nhân loại tạo ra, với hàng trăm triệu máy tính được kết nối, liên kết giao tiếp và thiết bị chuyển mạch; với hàng tỷ người dùng kết nối qua máy tính xách tay, máy tính bảng và điện thoại thông minh; và với một loạt các “thứ” mới được kết nối Internet bao gồm bảng điều khiển trò chơi, hệ thống giám sát, đồng hồ, kính đeo mắt, bộ điều nhiệt và ô tô. Với điều kiện Internet quá rộng lớn và có quá nhiều thành phần và cách sử dụng đa dạng, liệu có hy vọng hiểu được cách thức hoạt động của nó không? Có những nguyên tắc và cấu trúc hướng dẫn nào có thể cung cấp nền tảng để hiểu một hệ thống lớn và phức tạp đáng kinh ngạc như vậy không? Và nếu vậy, liệu việc tìm hiểu về mạng máy tính có thực sự vừa thú vị lại vừa thú vị không? May mắn thay, câu trả lời cho tất cả những câu hỏi này là CÓ! Thật vậy, mục đích của chúng tôi trong cuốn sách này là cung cấp cho bạn phần giới thiệu hiện đại về lĩnh vực năng động của mạng máy tính, cung cấp cho bạn các nguyên tắc và thông tin chi tiết thực tế mà bạn cần phải hiểu không chỉ mạng của ngày hôm nay mà còn của ngày mai.
Chương đầu tiên này trình bày một cái nhìn tổng quan về mạng máy tính và Internet. Mục tiêu của chúng tôi ở đây là vẽ một bức tranh rộng và đặt bối cảnh cho phần còn lại của cuốn sách này, để ngắm nhìn khu rừng qua những tán cây. Chúng tôi sẽ trình bày rất nhiều nội dung trong chương giới thiệu này và thảo luận về nhiều phần của mạng máy tính mà không làm mất đi bức tranh toàn cảnh.
Chúng ta sẽ cấu trúc tổng quan về mạng máy tính trong chương này như sau. Sau khi giới thiệu một số thuật ngữ và khái niệm cơ bản, trước tiên chúng ta sẽ xem xét các thành phần phần cứng và phần mềm cơ bản tạo nên một mạng. Chúng ta sẽ bắt đầu ở biên của mạng và xem xét các hệ thống cuối và các ứng dụng mạng đang chạy trong mạng. Sau đó, chúng ta sẽ khám phá cốt lõi của mạng máy tính, kiểm tra các liên kết và bộ chuyển mạch vận chuyển dữ liệu, cũng như mạng truy cập và phương tiện vật lý kết nối hệ thống đầu cuối với lõi mạng. Chúng ta sẽ biết rằng Internet là một mạng của các mạng và chúng ta sẽ tìm hiểu cách các mạng này kết nối với nhau.
Sau khi hoàn thành tổng quan này về cạnh và cốt lõi của mạng máy tính, chúng ta sẽ xem xét khái quát rộng hơn và trừu tượng hơn trong nửa sau của chương này. Chúng ta sẽ kiểm tra độ trễ, mất mát và thông lượng của dữ liệu trong mạng máy tính và cung cấp các mô hình định lượng đơn giản cho thông lượng và độ trễ đầu cuối: các mô hình có tính đến độ trễ truyền, truyền và xếp hàng. Sau đó, chúng ta sẽ giới thiệu một số nguyên tắc kiến trúc chính trong mạng máy tính, cụ thể là phân lớp giao thức và mô hình dịch vụ. Chúng ta cũng sẽ biết rằng mạng máy tính dễ bị tấn công bởi nhiều kiểu tấn công khác nhau; chúng ta sẽ khảo sát một số cuộc tấn công này và xem xét cách mạng máy tính có thể được đảm bảo an toàn hơn. Cuối cùng, chúng tôi sẽ kết thúc chương này với một lịch sử ngắn gọn về mạng máy tính.
1.1 Internet là gì ?
Trong cuốn sách này, chúng tôi sẽ sử dụng một mạng máy tính cụ thể, làm phương tiện chính để thảo luận về mạng máy tính và giao thức của chúng. Nhưng Internet là gì? Có một số cách để trả lời câu hỏi này. Đầu tiên, chúng ta có thể mô tả các điểm mấu chốt của Internet, đó là các phần cứng và phần mềm cơ bản tạo nên Internet. Thứ hai, chúng ta có thể mô tả Internet dưới dạng cơ sở hạ tầng mạng cung cấp dịch vụ cho các ứng dụng phân tán. Hãy bắt đầu với những thành phần cơ bản, minh họa hình 1.1.
1.1.1 Các thành phần cơ bản
Internet là một mạng máy tính kết nối hàng tỷ thiết bị máy tính trên khắp thế giới. Cách đây không lâu, những thiết bị tính toán này chủ yếu là máy tính để bàn truyền thống, máy trạm Linux và máy chủ lưu trữ và truyền tải thông tin như trang Web và tin nhắn e-mail. Tuy nhiên, ngày càng có nhiều người dùng kết nối Internet bằng điện thoại thông minh và máy tính bảng — ngày nay, gần một nửa dân số thế giới là người dùng Internet di động tích cực với tỷ lệ dự kiến sẽ tăng lên 75% vào năm 2025 [Statista 2019]. Hơn nữa, “những thứ” Internet phi truyền thống như TV, bảng điều khiển trò chơi, bộ điều nhiệt, hệ thống an ninh gia đình, thiết bị gia dụng, đồng hồ, kính đeo mắt, ô tô, hệ thống kiểm soát giao thông, v.v. đang được kết nối với Internet. Thật vậy, thuật ngữ mạng máy tính đang bắt đầu có vẻ hơi lỗi thời, do nhiều thiết bị phi truyền thống đang được kết nối với Internet. Theo thuật ngữ Internet, tất cả các thiết bị này được gọi là máy chủ hoặc hệ thống đầu cuối. Theo một số ước tính, đã có khoảng 18 tỷ thiết bị được kết nối với Internet vào năm 2017 và con số này sẽ đạt 28,5 tỷ vào năm 2022 [Cisco VNI 2020]
 |
| Hình 1.1 Một số thành phần Internet |
Các hệ thống đầu cuối được kết nối với nhau bằng mạng lưới liên kết truyền thông và chuyển mạch gói. Chúng ta sẽ thấy trong phần 1.2 rằng có nhiều loại liên kết truyền thông, được tạo thành từ các loại phương tiện vật lý khác nhau, bao gồm cáp đồng trục, dây đồng, sợi quang và phổ vô tuyến. Các liên kết khác nhau có thể truyền dữ liệu với tốc độ khác nhau, với tốc độ truyền của một liên kết được đo bằng bit / giây. Khi một hệ thống đầu cuối có dữ liệu để gửi đến một hệ thống đầu cuối khác, hệ thống gửi đầu cuối sẽ phân đoạn dữ liệu và thêm các byte tiêu đề vào mỗi phân đoạn. Các gói thông tin kết quả, được gọi là các packet trong thuật ngữ của mạng máy tính, sau đó được gửi qua mạng đến hệ thống đầu cuối đích, nơi chúng được tập hợp lại thành dữ liệu ban đầu.
Một bộ chuyển mạch gói nhận một gói tin đến trên một trong các liên kết đến của nó và chuyển tiếp gói tin đó trên một trong các liên kết đi của nó. Bộ chuyển mạch gói có nhiều loại, nhưng hai loại nổi bật nhất trong Internet ngày nay là bộ định tuyến và bộ chuyển mạch lớp liên kết. Cả hai loại đều chuyển tiếp các gói đến đích cuối cùng của chúng. Bộ chuyển mạch lớp liên kết thường được sử dụng trong mạng truy cập, trong khi bộ định tuyến thường được sử dụng trong lõi mạng. Chuỗi các liên kết truyền thông và chuyển mạch gói được gói tin truyền đi từ hệ thống đầu cuối gửi đến hệ thống đầu cuối nhận được gọi là một tuyến hoặc đường dẫn qua mạng. Cisco dự đoán lưu lượng IP toàn cầu hàng năm sẽ đạt gần 5 zettabyte (10^21 byte) vào năm 2022 [Cisco VNI 2020]
Mạng chuyển mạch gói (vận chuyển các gói tin) về nhiều mặt tương tự như mạng lưới giao thông đường cao tốc, đường bộ và nút giao thông (vận chuyển các phương tiện giao thông). Ví dụ, hãy xem xét một nhà máy cần chuyển một lượng lớn hàng hóa đến một nhà kho đích nào đó cách xa hàng nghìn km. Tại nhà máy, hàng hóa được phân đoạn và xếp thành đoàn xe tải. Sau đó, mỗi chiếc xe tải sẽ di chuyển độc lập qua mạng lưới đường cao tốc, đường bộ và nút giao thông đến nhà kho đích. Tại kho đích, hàng hoá được dỡ xuống và được nhóm lại với phần còn lại của hàng hoá đến từ cùng một chuyến hàng. Do đó, theo nhiều cách, các gói tin tương tự như xe tải, các liên kết truyền thông tương tự như đường cao tốc và đường bộ, chuyển mạch gói tương tự như giao lộ và hệ thống đầu cuối tương tự như các tòa nhà. Giống như một chiếc xe tải đi qua mạng giao thông, một gói tin sẽ đi qua một mạng máy tính.
Hệ thống đầu cuối truy cập Internet thông qua nhà cung cấp dịch vụ internet (Internet Service Providers hay ISP), bao gồm các ISP dân cư như các công ty truyền hình cáp hoặc điện thoại địa phương; ISP của công ty; ISP của trường đại học; ISP cung cấp truy cập WiFi ở sân bay, khách sạn, quán cà phê và các địa điểm công cộng khác; và ISP dữ liệu di động, cung cấp khả năng truy cập di động vào điện thoại thông minh và các thiết bị khác của chúng tôi. Bản thân mỗi ISP là một mạng lưới chuyển mạch gói và các liên kết truyền thông. ISP cung cấp nhiều loại truy cập mạng khác nhau cho hệ thống đầu cuối, bao gồm truy cập băng thông rộng dân dụng như modem cáp hoặc DSL, truy cập mạng cục bộ tốc độ cao và truy cập không dây di động. ISP cũng cung cấp quyền truy cập Internet cho các nhà cung cấp nội dung, kết nối các máy chủ trực tiếp với Internet. Internet là để kết nối các hệ thống đầu cuối với nhau, vì vậy các ISP cung cấp quyền truy cập vào các hệ thống đầu cuối cũng phải được kết nối với nhau. Do đó, các ISP thấp hơn này được kết nối với nhau thông qua các ISP cấp trên trong nước và quốc tế và các ISP cấp trên này được kết nối trực tiếp với nhau. ISP cấp trên bao gồm các bộ định tuyến tốc độ cao được kết nối với nhau bằng các liên kết cáp quang tốc độ cao. Mỗi mạng ISP, dù là cấp trên hay cấp dưới, đều được quản lý độc lập, chạy giao thức IP (xem bên dưới) và tuân theo các quy ước đặt tên và địa chỉ nhất định. Chúng ta sẽ xem xét kỹ hơn các ISP và kết nối của chúng trong phần 1.3.
Hệ thống đầu cuối, bộ chuyển mạch gói và các phần khác của Internet chạy các giao thức kiểm soát việc gửi và nhận thông tin trong Internet. Giao thức điều khiển truyền (TCP) và giao thức Internet (IP) là hai trong số các giao thức quan trọng nhất trên Internet. Giao thức IP chỉ định định dạng của các gói được gửi và nhận giữa các bộ định tuyến và hệ thống đầu cuối. Các giao thức chính của Internet được gọi chung là TCP / IP. Chúng ta sẽ bắt đầu xem xét các giao thức trong chương giới thiệu này. Nhưng đó mới chỉ là sự khởi đầu — phần lớn cuốn sách này liên quan đến các giao thức mạng !
Với tầm quan trọng của các giao thức đối với Internet, điều quan trọng là mọi người phải chấp nhận về các giao thức, để có thể tạo ra các hệ thống và sản phẩm tương tác với nhau. Đây là lúc các tiêu chuẩn phát huy tác dụng. Các tiêu chuẩn Internet được phát triển bởi Lực lượng Đặc nhiệm Kỹ thuật Internet (IETF) [IETF 2020]. Các tài liệu tiêu chuẩn IETF được gọi là yêu cầu nhận xét (RFC). RFCs bắt đầu như là những yêu cầu nhận xét chung (do đó có tên) để giải quyết các vấn đề về thiết kế mạng và giao thức mà tiền thân của Internet [Allman 2011]. RFC có xu hướng khá kỹ thuật và chi tiết. Chúng định nghĩa các giao thức như TCP, IP, HTTP (cho Web) và SMTP (cho e-mail). Hiện có gần 9000 RFC. Các cơ sở khác cũng chỉ định các tiêu chuẩn cho các thành phần mạng, đáng chú ý nhất là cho các liên kết mạng. Ví dụ: Ủy ban tiêu chuẩn mạng LAN IEEE 802 [IEEE 802 2020] chỉ định tiêu chuẩn Ethernet và WiFi không dây
1.1.2 Dịch vụ
Chúng ta đã xác định nhiều phần tạo nên Internet. Nhưng chúng ta cũng có thể mô tả Internet từ một góc độ hoàn toàn khác — cụ thể là, như một cơ sở hạ tầng cung cấp dịch vụ cho các ứng dụng. Ngoài các ứng dụng truyền thống như e-mail và lướt web, các ứng dụng Internet bao gồm các ứng dụng điện thoại thông minh và máy tính bảng di động, bao gồm nhắn tin Internet, lập bản đồ với thông tin giao thông đường bộ theo thời gian thực, phát nhạc trực tuyến phim và truyền hình, truyền thông xã hội trực tuyến, hội nghị truyền hình , trò chơi nhiều người và hệ thống đề xuất dựa trên vị trí. Các ứng dụng được cho là ứng dụng phân tán, vì chúng liên quan đến nhiều hệ thống đầu cuối trao đổi dữ liệu với nhau. Điều quan trọng là, các ứng dụng Internet chạy trên hệ thống cuối — chúng không chạy trong bộ chuyển mạch gói trong lõi mạng. Mặc dù chuyển mạch gói tạo điều kiện thuận lợi cho việc trao đổi dữ liệu giữa các hệ thống đầu cuối, chúng không quan tâm đến ứng dụng là nguồn hoặc phần chìm của dữ liệu.
Chúng ta hãy tìm hiểu thêm về cơ sở hạ tầng cung cấp dịch vụ cho các ứng dụng. Giả sử bạn có một ý tưởng mới thú vị cho một ứng dụng Internet được đánh giá cao, một ứng dụng có thể mang lại lợi ích to lớn cho nhân loại hoặc một ý tưởng đơn giản có thể khiến bạn trở nên giàu có và nổi tiếng. Bạn có thể chuyển đổi ý tưởng này thành một ứng dụng Internet thực tế như thế nào? Bởi vì các ứng dụng chạy trên hệ thống cuối, bạn sẽ cần phải viết các chương trình chạy trên hệ thống cuối. Ví dụ: bạn có thể viết các chương trình của mình bằng Java, C hoặc Python. Bây giờ, vì bạn đang phát triển một ứng dụng Internet đáng tin cậy, các chương trình chạy trên các hệ thống khác nhau sẽ cần gửi dữ liệu cho nhau. Và ở đây chúng ta đi đến một vấn đề trọng tâm - một vấn đề dẫn đến một cách thay thế để mô tả Internet như một nền tảng cho các ứng dụng. Làm thế nào để một chương trình chạy trên một hệ thống qua Internet chuyển dữ liệu đến một chương trình khác đang chạy trên một hệ thống khác?
Hệ thống đầu cuối kết nối với Internet cung cấp giao diện socket chỉ định cách một chương trình chạy trên một hệ thống đầu cuối yêu cầu cơ sở hạ tầng Internet cung cấp dữ liệu đến một chương trình đích cụ thể đang chạy trên hệ thống đầu cuối khác. Giao diện cổng kết nối Internet này là một tập hợp các quy tắc mà chương trình gửi phải tuân theo để Internet có thể cung cấp dữ liệu đến chương trình đích. Chúng ta sẽ thảo luận chi tiết về giao diện cổng kết nối Internet trong chương 2. Bây giờ, hãy cùng tìm hiểu một phép tương tự đơn giản, một phép tương tự mà chúng ta sẽ thường xuyên sử dụng trong cuốn sách này. Giả sử Alice muốn gửi thư cho Bob bằng dịch vụ bưu chính. Tất nhiên, Alice không thể chỉ viết chữ cái (dữ liệu) và thả chữ cái ra ngoài cửa sổ. Thay vào đó, dịch vụ bưu chính yêu cầu Alice bỏ lá thư vào một phong bì; viết tên đầy đủ, địa chỉ và mã zip của Bob ở giữa phong bì; niêm phong phong bì; đóng dấu vào góc trên bên phải của phong bì; và cuối cùng, thả phong bì vào hộp thư chính thức của dịch vụ bưu chính. Do đó, dịch vụ bưu chính có “giao diện dịch vụ bưu chính” hoặc bộ quy tắc riêng mà Alice phải tuân theo để dịch vụ bưu chính chuyển thư của cô cho Bob. Theo cách tương tự, Internet có một giao diện socket mà chương trình gửi dữ liệu phải tuân theo để Internet cung cấp dữ liệu đến chương trình sẽ nhận dữ liệu.
Tất nhiên, dịch vụ bưu chính cung cấp nhiều hơn một dịch vụ cho khách hàng của mình. Nó cung cấp chuyển phát nhanh, xác nhận tiếp nhận, sử dụng thông thường và nhiều dịch vụ khác. Theo cách tương tự, Internet cung cấp nhiều dịch vụ cho các ứng dụng của nó. Khi bạn phát triển một ứng dụng Internet, bạn cũng phải chọn một trong các dịch vụ của Internet cho ứng dụng của mình. Chúng ta sẽ mô tả các dịch vụ của Internet trong Chương 2.
Chúng ta vừa đưa ra hai mô tả về Internet; một về các thành phần phần cứng và phần mềm của nó, một về cơ sở hạ tầng để cung cấp dịch vụ cho các ứng dụng phân tán. Nhưng có lẽ bạn vẫn đang bối rối không biết Internet là gì. Chuyển mạch gói và TCP / IP là gì? Bộ định tuyến là gì? Những loại liên kết truyền thông nào hiện có trên Internet? Ứng dụng phân tán là gì? Làm cách nào để gắn máy điều nhiệt hoặc cân cơ thể vào Internet? Nếu bây giờ bạn cảm thấy hơi choáng ngợp với tất cả những điều này, đừng lo lắng — mục đích của cuốn sách này là giới thiệu cho bạn cả những điều cơ bản của Internet cũng như các nguyên tắc chi phối cách thức và lý do nó hoạt động. Chúng ta sẽ giải thích các thuật ngữ và câu hỏi quan trọng này trong các phần và chương sau.
1.1.3 Giao thức là gì ?
Bây giờ chúng ta đã hiểu một chút về Internet là gì, chúng ta hãy xem xét một từ thông dụng quan trọng khác trong mạng máy tính: giao thức. Giao thức là gì? Giao thức dùng để làm gì?
 |
| Hình 1.2 Giao thức con người và giao thức máy tính |
Giao thức con người
Có lẽ dễ dàng nhất để hiểu khái niệm về giao thức mạng máy tính bằng cách xem xét đầu tiên một số hành động của con người, vì con người chúng ta thực thi các giao thức mọi lúc. Khi bạn muốn hỏi ai đó về thời gian trong ngày. Một ví dụ điển hình trong Hình 1.2. cho thấy một người đầu tiên đưa ra một lời chào (“Xin chào” đầu tiên trong Hình 1.2) để bắt đầu giao tiếp với người khác. Phản hồi điển hình cho một "Xin chào" là một thông báo "Xin chào" được trả về. Một cách rõ ràng, một người sau đó sẽ nhận một câu trả lời thân mật “Xin chào” như một dấu hiệu cho thấy người ta có thể tiếp tục và hỏi thời gian trong ngày. Một câu trả lời khác với "Xin chào" ban đầu (chẳng hạn như "Đừng làm phiền tôi!" Hoặc "Tôi không nói tiếng Anh" hoặc một số câu trả lời khác) có thể cho thấy sự không muốn hoặc không có khả năng giao tiếp. Trong trường hợp này, giao thức của con người sẽ không hỏi thời gian trong ngày. Đôi khi một người không nhận được câu trả lời nào cho một câu hỏi, trong trường hợp đó, người ta thường từ bỏ việc hỏi người đó về thời gian. Lưu ý rằng trong giao thức con người của chúng tôi, có những thông điệp cụ thể mà chúng tôi gửi và các hành động cụ thể mà chúng tôi thực hiện để phản hồi lại các tin nhắn trả lời đã nhận hoặc các sự kiện khác (chẳng hạn như không trả lời trong một khoảng thời gian nhất định). Rõ ràng, các thông điệp được truyền và nhận, và các hành động được thực hiện khi các thông điệp này được gửi hoặc nhận hoặc các sự kiện khác xảy ra, đóng vai trò trung tâm trong một giao thức của con người. Nếu mọi người chạy các giao thức khác nhau (ví dụ, nếu một người có cách cư xử nhưng người kia thì không, hoặc nếu một người hiểu khái niệm thời gian và người kia thì không) thì các giao thức sẽ không tương tác với nhau và không thể thực hiện được công việc hữu ích nào. Điều này cũng đúng trong mạng — cần hai (hoặc nhiều) thực thể giao tiếp chạy cùng một giao thức để hoàn thành một nhiệm vụ.
Giả sử bạn đang học một lớp đại học (chẳng hạn như một lớp học về mạng máy tính!). Giáo viên đang nghiên cứu về các giao thức và bạn cảm thấy bối rối. Giáo viên dừng lại để hỏi, "Có câu hỏi nào không?" (một thông điệp được truyền đến và nhận bởi tất cả học sinh chưa ngủ). Bạn giơ tay (truyền một thông điệp ngầm cho giáo viên). Giáo viên của bạn nhìn thấy bạn với một nụ cười, nói "Mời em. . . ” (một thông điệp được truyền đi khuyến khích bạn đặt câu hỏi — giáo viên thích được đặt câu hỏi), và sau đó bạn đặt câu hỏi (nghĩa là truyền thông điệp của bạn đến giáo viên của bạn). Giáo viên của bạn nghe câu hỏi của bạn (nhận tin nhắn câu hỏi của bạn) và trả lời (chuyển câu trả lời cho bạn). Một lần nữa, chúng ta thấy rằng việc truyền và nhận tin nhắn cũng như một tập hợp các hành động thông thường được thực hiện khi gửi và nhận những tin nhắn này, là trọng tâm của giao thức hỏi và trả lời này.
Các giao thức mạng
Giao thức mạng tương tự như giao thức con người, ngoại trừ việc các thực thể trao đổi tin nhắn và thực hiện hành động là các thành phần phần cứng hoặc phần mềm của một số thiết bị (ví dụ: máy tính, điện thoại thông minh, máy tính bảng, bộ định tuyến hoặc thiết bị có khả năng kết nối mạng khác). Tất cả các hoạt động trên Internet liên quan đến hai hoặc nhiều thực thể giao tiếp từ xa được điều chỉnh bởi một giao thức. Ví dụ, các giao thức do phần cứng thực hiện trong hai máy tính được kết nối vật lý kiểm soát luồng bit trên “dây” giữa hai card giao diện mạng; các giao thức kiểm soát tắc nghẽn trong hệ thống đầu cuối kiểm soát tốc độ mà các gói được truyền giữa người gửi và người nhận; các giao thức trong bộ định tuyến xác định đường dẫn của gói tin từ nguồn đến đích. Các giao thức đang chạy ở khắp mọi nơi trên Internet và do đó phần lớn cuốn sách này nói về máy tính các giao thức mạng.
Ví dụ về giao thức mạng máy tính mà bạn có thể quen thuộc, hãy xem xét điều gì sẽ xảy ra khi bạn thực hiện một yêu cầu đối với máy chủ Web, tức là khi bạn nhập URL của một trang Web vào trình duyệt Web của mình. Được minh họa trong nửa bên phải của Hình 1.2. Đầu tiên, máy tính của bạn sẽ gửi một thông báo yêu cầu kết nối đến máy chủ Web và chờ phản hồi. Máy chủ Web cuối cùng sẽ nhận được thông báo yêu cầu kết nối của bạn và gửi lại thông báo trả lời kết nối. Biết rằng bây giờ có thể yêu cầu tài liệu Web, máy tính của bạn sau đó sẽ gửi tên của trang Web mà nó muốn lấy từ máy chủ Web đó trong một thông báo GET. Cuối cùng, máy chủ Web trả về trang Web (tệp) vào máy tính của bạn.
Với các ví dụ về con người và mạng ở trên, việc trao đổi thông điệp và các hành động được thực hiện khi các thông điệp này được gửi và nhận là các yếu tố xác định chính của một giao thức:
Một giao thức xác định định dạng và thứ tự của các thông điệp được trao đổi giữa hai hoặc nhiều thực thể giao tiếp, cũng như các hành động được thực hiện đối với việc truyền và / hoặc nhận một thông điệp hoặc sự kiện khác
Internet, và các mạng máy tính nói chung, sử dụng rộng rãi các giao thức. Các giao thức khác nhau được sử dụng để thực hiện các nhiệm vụ giao tiếp khác nhau. Khi bạn đọc qua cuốn sách này, bạn sẽ biết rằng một số giao thức rất đơn giản và dễ hiểu, trong khi những giao thức khác lại phức tạp. Nắm vững lĩnh vực mạng máy tính tương đương với việc hiểu những gì, tại sao và như thế nào của các giao thức mạng.
1.2 Mạng biên
Trong phần trước, chúng ta đã trình bày tổng quan về Internet và các giao thức mạng. Bây giờ chúng ta sẽ nghiên cứu sâu hơn một chút về các thành phần của Internet. Chúng ta bắt đầu phần này ở phần rìa của mạng và xem xét các thành phần mà chúng ta quen thuộc nhất — cụ thể là máy tính, điện thoại thông minh và các thiết bị khác mà chúng ta sử dụng hàng ngày. Trong phần tiếp theo, chúng ta sẽ di chuyển từ mạng biên sang mạng lõi và kiểm tra việc chuyển đổi và định tuyến trong mạng máy tính.
Nhớ lại phần trước rằng trong thuật ngữ mạng máy tính, máy tính và các thiết bị khác được kết nối với Internet thường được gọi là hệ thống đầu cuối. Chúng được gọi là hệ thống đầu cuối vì chúng nằm ở rìa của Internet, như trong Hình 1.3. Hệ thống đầu cuối của Internet bao gồm máy tính để bàn (ví dụ: PC để bàn, máy Mac), máy chủ (ví dụ: máy chủ Web và e-mail) và thiết bị di động (ví dụ: máy tính xách tay, điện thoại thông minh và máy tính bảng). Hơn nữa, ngày càng có nhiều “thứ” phi truyền thống được gắn vào Internet dưới dạng hệ thống đầu cuối.
 |
| Hình 1.3 Sự tương tác giữa các hệ thống đầu cuối |
Hệ thống đầu cuối còn được gọi là máy chủ lưu trữ vì chúng lưu trữ (chạy) các chương trình ứng dụng như trình duyệt Web, máy chủ Web, e-mail máy chủ e-mail. Trong suốt cuốn sách này, chúng tôi sẽ sử dụng các thuật ngữ máy chủ và hệ thống đầu cuối thay thế cho nhau; nghĩa là, hệ thống máy chủ = hệ thống đầu cuối. Máy chủ đôi khi được chia thành hai loại: máy khách và máy chủ. Về mặt không chính thức, khách hàng có xu hướng là máy tính để bàn, máy tính xách tay, điện thoại thông minh, v.v., trong khi máy chủ có xu hướng là những cỗ máy mạnh mẽ hơn để lưu trữ và phân phối các trang Web, phát trực tuyến video, chuyển tiếp e-mail, v.v. Ngày nay, hầu hết các máy chủ mà từ đó chúng tôi nhận kết quả tìm kiếm, e-mail, trang Web, video và nội dung ứng dụng dành cho thiết bị di động đều nằm trong các trung tâm dữ liệu lớn. Ví dụ: tính đến năm 2020, Google có 19 trung tâm dữ liệu trên bốn lục địa, chứa chung vài triệu máy chủ. Hình 1.3 bao gồm hai trung tâm dữ liệu như vậy.
1.2.1 Mạng truy cập
Sau khi đã xem xét các ứng dụng và hệ thống đầu cuối ở “biên của mạng”, tiếp theo hãy xem xét mạng truy cập — mạng kết nối vật lý hệ thống đầu cuối với bộ định tuyến đầu tiên (còn được gọi là “bộ định tuyến biên”) trên một đường dẫn từ hệ thống đầu cuối đến bất kỳ hệ thống đầu cuối nào khác. Hình 1.4 cho thấy một số loại mạng truy cập với các đường dày, bóng mờ và các cài đặt (không dây di động gia đình, doanh nghiệp và diện rộng) mà chúng được sử dụng.
 |
| Hình 1.4 Mạng truy cập |
Truy cập tại nhà: DSL, Cáp, FTTH và Không dây cố định 5G
Tính đến năm 2020, hơn 80% hộ gia đình ở Châu Âu và Hoa Kỳ có truy cập Internet [Statista 2019]. Với việc sử dụng rộng rãi các mạng truy cập gia đình này, chúng ta hãy bắt đầu tổng quan về các mạng truy cập bằng cách xem xét cách các ngôi nhà kết nối với Internet.
Ngày nay, hai loại truy cập dân cư băng rộng phổ biến nhất là đường dây thuê bao kỹ thuật số (DSL) và cáp. Một nơi cư trú thường có được truy cập Internet DSL từ cùng một công ty điện thoại địa phương (telco) cung cấp quyền truy cập điện thoại nội hạt có dây của nó. Do đó, khi DSL được sử dụng, viễn thông của khách hàng cũng là ISP của nó. Như trong Hình 1.5, modem DSL của mỗi khách hàng sử dụng dữ liệu trao đổi đường dây điện thoại hiện có với bộ ghép kênh truy cập đường dây thuê bao kỹ thuật số (DSLAM) được đặt tại văn phòng trung tâm địa phương (CO) của telco. Modem DSL của nhà lấy dữ liệu kỹ thuật số và chuyển nó sang âm tần số cao để truyền qua dây điện thoại tới CO; tín hiệu tương tự từ nhiều ngôi nhà như vậy được dịch ngược lại thành định dạng kỹ thuật số tại DSLAM.
Đường dây điện thoại dân dụng mang đồng thời cả dữ liệu và tín hiệu điện thoại truyền thống, được mã hóa ở các tần số khác nhau:
- Kênh hạ lưu tốc độ cao, trong băng tần 50 kHz đến 1 MHz
- Kênh ngược dòng tốc độ trung bình, trong dải tần 4 kHz đến 50 kHz
- Một kênh điện thoại hai chiều thông thường, trong băng tần 0 đến 4 kHz
 |
| HÌnh 1.5 Mạng truy cập DSL |
Các tiêu chuẩn DSL xác định nhiều tốc độ truyền, bao gồm tốc độ truyền tải xuống là 24 Mb / giây và 52 Mb / giây, và tốc độ truyền tải lên là 3,5 Mb / giây và 16 Mb / giây; tiêu chuẩn mới nhất cung cấp cho tổng tốc độ hướng lên cộng với tốc độ truyền tải xuống là 1 Gbps [ITU 2014]. Bởi vì tỷ lệ hạ nguồn và thượng nguồn khác nhau, truy cập được cho là không đối xứng. Tốc độ truyền tải xuống và truyền tải lên thực tế đạt được có thể nhỏ hơn tốc độ đã nêu ở trên, vì nhà cung cấp DSL có thể giới hạn một cách có chủ đích tốc độ dân cư khi cung cấp dịch vụ phân cấp (các mức giá khác nhau, có sẵn ở các mức giá khác nhau). Tỷ lệ tối đa cũng bị giới hạn bởi khoảng cách giữa nhà và CO, thước đo của đường dây xoắn đôi và mức độ nhiễu điện. Các kỹ sư đã thiết kế DSL rõ ràng cho khoảng cách ngắn giữa nhà và CO; nói chung, nếu nơi cư trú không nằm trong vòng 5 đến 10 dặm tính từ CO, thì nơi cư trú phải sử dụng một hình thức truy cập Internet thay thế.
Trong khi DSL sử dụng cơ sở hạ tầng điện thoại nội hạt hiện có của công ty viễn thông, thì truy cập Internet qua cáp sử dụng cơ sở hạ tầng truyền hình cáp hiện có của công ty truyền hình cáp. Một nơi cư trú có thể truy cập Internet cáp từ cùng một công ty cung cấp truyền hình cáp. Như được minh họa trong Hình 1.6, sợi quang kết nối đầu cáp với các điểm giao cắt cấp khu vực lân cận, từ đó cáp đồng trục bậc thang tradi sau đó được sử dụng để tiếp cận các ngôi nhà và căn hộ riêng lẻ. Mỗi ngã ba lân cận thường hỗ trợ từ 500 đến 5.000 ngôi nhà. Bởi vì cả cáp quang và cáp đồng trục đều được sử dụng trong hệ thống này, nó thường được gọi là cáp đồng trục sợi lai (HFC).
 |
| Hình 1.6 Mạng truy cập cáp quang đồng trục hỗn hợp |
Truy cập internet cáp yêu cầu modem đặc biệt, được gọi là modem cáp. Giống như modem DSL, modem cáp thường là một thiết bị bên ngoài và kết nối với PC gia đình thông qua cổng Ethernet. (Chúng ta sẽ thảo luận chi tiết về Ethernet trong Chương 6.) Ở đầu cáp, hệ thống kết cuối modem cáp (CMTS) phục vụ một chức năng tương tự như DSLAM của mạng DSL - chuyển tín hiệu tương tự được gửi từ modem cáp ở nhiều nhà ở hạ lưu. trở lại định dạng kỹ thuật số. Modem cáp chia mạng HFC thành hai kênh, một kênh xuôi và một kênh ngược lên. Như với DSL, truy cập là không đối xứng điển hình, với kênh hạ lưu thường được phân bổ tốc độ truyền cao hơn kênh hướng lên. Các tiêu chuẩn DOCSIS 2.0 và 3.0 xác định tốc độ bit hạ lưu là 40 Mbps và 1,2 Gbps, và tốc độ truyền tải lên tương ứng là 30 Mbps và 100 Mbps. Như trong trường hợp của mạng DSL, tốc độ tối đa có thể đạt được có thể không đạt được do tốc độ dữ liệu theo hợp đồng thấp hơn hoặc do phương tiện bị suy giảm.
Một đặc điểm quan trọng của truy cập Internet cáp là nó là một phương tiện phát sóng dùng chung. Đặc biệt, mọi gói tin được gửi bởi đầu cuối sẽ đi xuống trên mọi liên kết đến mọi nhà và mọi gói được gửi bởi một nhà sẽ đi trên kênh ngược dòng đến đầu cuối. Vì lý do này, nếu nhiều người dùng đồng thời tải xuống tệp video trên kênh hạ lưu, tốc độ thực tế mà mỗi người dùng nhận được tệp video của họ sẽ thấp hơn đáng kể so với tốc độ truyền xuống cáp tổng hợp. Mặt khác, nếu chỉ có một vài người dùng đang hoạt động và tất cả họ đều đang lướt Web, thì mỗi người dùng có thể thực sự nhận được các trang Web ở tốc độ truyền tải toàn bộ cáp, bởi vì người dùng sẽ hiếm khi yêu cầu một trang web thời gian hoàn toàn giống nhau. Bởi vì kênh ngược dòng cũng được chia sẻ, một giao thức đa truy nhập phân tán là cần thiết để điều phối việc truyền và tránh xung đột. (Chúng ta sẽ thảo luận chi tiết về vấn đề va chạm này trong Chương 6.)
Mặc dù mạng DSL và mạng cáp hiện đại diện cho phần lớn truy cập băng thông rộng dân dụng ở Hoa Kỳ, một công nghệ đang phát triển cung cấp tốc độ cao hơn nữa là cáp quang đến tận nhà (FTTH) [Fiber Broadband 2020]. Như tên cho thấy, khái niệm FTTH rất đơn giản - cung cấp một đường dẫn cáp quang từ CO trực tiếp đến nhà. FTTH có khả năng cung cấp tốc độ truy cập Internet trong phạm vi gigabit trên giây.
Có một số công nghệ cạnh tranh để phân phối quang từ CO đến nhà. Mạng phân phối quang đơn giản nhất được gọi là cáp quang trực tiếp, với một sợi quang rời khỏi CO cho mỗi gia đình. Thông thường hơn, mỗi sợi rời khỏi văn phòng trung tâm thực sự được chia sẻ bởi nhiều nhà; nó không phải là cho đến khi sợi tương đối gần nhà, nó được tách thành các sợi cụ thể cho khách hàng cụ thể. Có hai kiến trúc mạng phân phối quang cạnh tranh thực hiện việc phân tách này: mạng quang chủ động (AON) và mạng quang thụ động (PON). AON về cơ bản là Ethernet chuyển mạch, được thảo luận trong Chương 6.
 |
| Hình 1.7 Mạng truy cập FTTH |
Ở đây, chúng ta thảo luận ngắn gọn về PON, được sử dụng trong dịch vụ FiOS của Verizon. Hình 1.7 cho thấy FTTH sử dụng kiến trúc phân phối PON. Mỗi gia đình có một đầu cuối mạng quang (ONT), được kết nối bằng cáp quang chuyên dụng với bộ chia khu vực lân cận. Bộ chia kết hợp một số ngôi nhà (thường ít hơn 100) vào một sợi quang dùng chung, duy nhất, kết nối với một đầu cuối đường quang (OLT) trong CO của viễn thông. OLT, cung cấp chuyển đổi giữa tín hiệu quang và tín hiệu điện, kết nối với Internet qua bộ định tuyến viễn thông. Tại nhà, người dùng kết nối bộ định tuyến gia đình (thường là bộ định tuyến không dây) với ONT và truy cập Internet qua bộ định tuyến gia đình này. Trong kiến trúc PON, tất cả các gói được gửi từ OLT đến bộ chia đều được sao chép tại bộ chia (tương tự như đầu cáp).
Ngoài DSL, cáp và FTTH, mạng không dây cố định 5G đang bắt đầu được triển khai. Không dây cố định 5G không chỉ hứa hẹn khả năng truy cập khu dân cư tốc độ cao, mà sẽ làm như vậy mà không cần lắp đặt hệ thống cáp tốn kém và dễ hỏng hóc từ telco’s CO đến nhà. Với mạng không dây cố định 5G, sử dụng công nghệ tạo chùm, dữ liệu được gửi không dây từ trạm gốc của nhà cung cấp đến modem trong nhà. Bộ định tuyến không dây WiFi được kết nối với modem (có thể đi kèm với nhau), tương tự như cách bộ định tuyến không dây WiFi được kết nối với cáp hoặc modem DSL. Mạng di động 5G được đề cập trong Chương 7.
Truy cập trong Doanh nghiệp (và Gia đình): Ethernet và WiFi
 |
| Hình 1.8 Mạng truy cập Ethernet |
Trong khuôn viên công ty và trường đại học, và ngày càng nhiều trong môi trường gia đình, mạng cục bộ (LAN) được sử dụng để kết nối hệ thống đầu cuối với bộ định tuyến biên. Mặc dù có nhiều loại công nghệ mạng LAN, Ethernet cho đến nay vẫn là công nghệ truy cập phổ biến nhất trong các mạng công ty, trường đại học và gia đình. Như thể hiện trong Hình 1.8, người dùng Ethernet sử dụng dây đồng xoắn đôi để kết nối với bộ chuyển mạch Ethernet, một công nghệ được thảo luận chi tiết trong Chương 6. Bộ chuyển mạch Ethernet, hoặc mạng của các bộ chuyển mạch được kết nối với nhau, sau đó lần lượt được kết nối với bộ chuyển mạch lớn hơn Internet. Với truy cập Ethernet, người dùng thường có quyền truy cập 100 Mbps đến hàng chục Gbps vào bộ chuyển mạch Ethernet, trong khi các máy chủ có thể có quyền truy cập 1 Gbps 10 Gbps.
Tuy nhiên, ngày càng có nhiều người truy cập Internet không dây từ máy tính xách tay, điện thoại thông minh, máy tính bảng và các “thứ” khác. Trong cài đặt mạng LAN không dây, người dùng không dây truyền / nhận các gói đến / từ một điểm truy cập được kết nối với mạng của doanh nghiệp (rất có thể là sử dụng Ethernet có dây), điểm này lại được kết nối với Internet có dây. Người dùng mạng LAN không dây thường phải cách điểm truy cập vài chục mét. Truy cập mạng LAN không dây dựa trên công nghệ IEEE 802.11, thường được gọi là WiFi, giờ đây có mặt ở khắp mọi nơi — trường đại học, văn phòng kinh doanh, quán cà phê, sân bay, nhà riêng và thậm chí trên máy bay. Như đã thảo luận chi tiết trong Chương 7, 802.11 ngày nay cung cấp tốc độ truyền chia sẻ lên đến hơn 100 Mbps.
Mặc dù các mạng truy cập Ethernet và WiFi ban đầu được triển khai trong các cơ sở doanh nghiệp (công ty, trường đại học), chúng cũng là các thành phần phổ biến của mạng gia đình. Nhiều ngôi nhà kết hợp truy cập khu dân cư băng thông rộng (nghĩa là modem cáp hoặc DSL) với các công nghệ mạng LAN không dây rẻ tiền này để tạo ra các mạng gia đình mạnh mẽ Hình 1.9 cho thấy một mạng gia đình điển hình. Mạng gia đình này bao gồm một máy tính xách tay chuyển vùng, nhiều thiết bị gia dụng được kết nối Internet, cũng như một máy tính có dây; một trạm gốc (điểm truy cập không dây), giao tiếp với PC không dây và các thiết bị không dây khác trong nhà; và bộ định tuyến gia đình kết nối điểm truy cập không dây và bất kỳ thiết bị gia đình có dây nào khác với Internet. Mạng này cho phép các thành viên trong gia đình truy cập Internet băng thông rộng với một thành viên di chuyển từ nhà bếp ra sân sau đến phòng ngủ.
 |
| Hình 1.9 Mạng gia đình thông thường |
Truy cập không dây diện rộng: 3G và LTE 4G và 5G
Các thiết bị di động như iPhone và thiết bị Android đang được sử dụng để nhắn tin, chia sẻ ảnh trên mạng xã hội, thanh toán di động, xem phim, phát trực tuyến nhạc và hơn thế nữa trong khi chạy. Các thiết bị này sử dụng cùng một cơ sở hạ tầng không dây được sử dụng cho điện thoại di động để gửi / nhận các gói thông qua một trạm gốc do nhà cung cấp mạng di động điều hành. Không giống như WiFi, người dùng chỉ cần ở trong phạm vi vài chục km (trái ngược với vài chục mét) của trạm gốc.
Các công ty viễn thông đã đầu tư rất lớn vào cái gọi là mạng không dây thế hệ thứ tư (4G), cung cấp tốc độ tải xuống trong thế giới thực lên đến 60 Mbps. Nhưng ngay cả công nghệ truy cập diện rộng tốc độ cao hơn - thế hệ thứ năm (5G) của mạng không dây diện rộng - đã được triển khai. Chúng tôi sẽ đề cập đến các nguyên tắc cơ bản của mạng không dây và tính di động, cũng như các công nghệ WiFi, 4G và 5G (và hơn thế nữa!) Trong Chương 7.
1.2.2 Phương tiện vật lí
Trong phần trước, chúng tôi đã giới thiệu tổng quan về một số công nghệ truy cập mạng quan trọng nhất trên Internet. Như chúng tôi đã mô tả các công nghệ này, chúng tôi cũng chỉ ra phương tiện vật lý được sử dụng. Ví dụ, chúng tôi đã nói rằng HFC sử dụng kết hợp cáp quang và cáp đồng trục. Chúng tôi đã nói rằng DSL và Ethernet sử dụng dây đồng. Và chúng tôi đã nói rằng các mạng truy cập di động sử dụng phổ vô tuyến. Trong phần phụ này, chúng tôi cung cấp một cái nhìn tổng quan ngắn gọn về những phương tiện này và các phương tiện truyền dẫn khác thường được sử dụng trên Internet.
Để xác định ý nghĩa của một phương tiện vật lý. Hãy xem xét một chút về việc di chuyển từ một hệ thống đầu cuối, thông qua một loạt các liên kết và bộ định tuyến, đến một hệ thống đầu cuối khác. Bit này bị ném khắp nơi và truyền đi rất nhiều lần! Hệ thống cuối đầu tiên truyền bit và ngay sau đó bộ định tuyến đầu tiên trong chuỗi nhận bit; sau đó bộ định tuyến đầu tiên truyền bit, và ngay sau đó bộ định tuyến thứ hai nhận được bit; và như thế. Do đó, bit của chúng ta, khi đi từ nguồn đến đích, đi qua một loạt các cặp máy phát-máy thu. Đối với mỗi cặp máy phát-máy thu, bit được gửi bằng cách truyền sóng điện từ hoặc xung quang qua môi trường vật lý. Môi trường vật lý có thể có nhiều hình dạng và không nhất thiết phải cùng loại đối với mỗi cặp máy phát - máy thu dọc theo đường dẫn. Ví dụ về phương tiện vật lý bao gồm dây đồng xoắn đôi, cáp đồng trục, cáp quang đa mode, phổ vô tuyến mặt đất và phổ vô tuyến vệ tinh. Phương tiện vật lý được chia thành hai loại: phương tiện có hướng dẫn và phương tiện không có hướng dẫn. Với phương tiện được dẫn hướng, sóng được dẫn dọc theo môi trường rắn, chẳng hạn như cáp quang, dây đồng xoắn đôi hoặc cáp đồng trục. Với phương tiện không có hướng dẫn, sóng truyền trong khí quyển và ngoài không gian, chẳng hạn như trong mạng LAN không dây hoặc kênh vệ tinh kỹ thuật số.
Nhưng trước khi đi vào đặc điểm của các loại phương tiện khác nhau, chúng ta hãy nói một vài lời về chi phí của chúng. Chi phí thực tế của liên kết vật lý (dây đồng, cáp sợi quang, v.v.) thường tương đối nhỏ so với các chi phí mạng khác. Đặc biệt, chi phí nhân công liên quan đến việc lắp đặt liên kết vật lý có thể là những đơn hàng có quy mô lớn hơn chi phí vật liệu. Vì lý do này, nhiều nhà xây dựng lắp đặt cáp xoắn đôi, cáp quang và cáp đồng trục trong mỗi phòng trong tòa nhà. Ngay cả khi ban đầu chỉ sử dụng một phương tiện, rất có khả năng một phương tiện khác có thể được sử dụng trong tương lai gần, và do đó, tiền được tiết kiệm bằng cách không phải đặt thêm dây trong tương lai.