Bài giảng Mạng máy tính - Chương 2: Mô hình OSI & giao thức TCP/IP - Nguyễn Quốc Sử

Mô hình osi& giao thức tcp/ip 
Biên soạn: Nguyễn Quốc Sử 
Tổng quan. 
Những năm 70 thường xuyên có sự nhầm lẫn khi gởi các gói tin xuyên qua các hệ thống mạng của các công ty khác nhau: IBM, Honey Well, 
1977, Tổ chức ISO được giao nhiệm vụ nghiên cứu một chuẩn truyền thông chung dựa trên lý thuyết về kiến trúc các hệ thống mở. 
1984, ISO giới thiệu mô hình hệ thống mở OSI(Open System Interconnect). 
Mô hình OSI ra đời đã tạo ra một chuẩn chung về thiết kế và truyền thông mạng. 
Mô hình OSI 
Mô hình OSI (7 lớp ) 
Application Layer (lớp ứng dụng): giao diện ứng dụng. 
Presentation Layer (lớp trình diễn): thoả thuận khuôn dạng trao đổi dữ liệu. 
Session Layer (lớp phiên): cho phép người dùng thiết lập các kết nối. 
Transport Layer (lớp vận chuyển): đảm bảo truyền thông giữa hai hệ thống. 
Network Layer (lớp mạng): định hướng dữ liệu truyền trong môi trường liên mạng. 
Data link Layer (lớp liên kết dữ liệu): xác định việc truy xuất đến các thiết bị. 
Physical Layer (lớp vật lý): chuyển đổi dữ liệu thành các bit và truyền đi. 
OSI 
Mục đích của phân tầng mạng 
Chia hoạt động thông tin mạng thành những phần nhỏ hơn, dễ hiểu hơn giúp ta dễ dàng phân tích, khảo sát. 
Chuẩn hóa các thành phần mạng giúp dễ dàng xây dựng hệ thống mạng từ nhiều nhả cung cấp. 
Ngăn chặn sự ảnh hưởng khi một lớp bị thay đổi, giúp dễ nâng cấp, phát triển và thay thế. 
Ý nghĩa của phân tầng mạng 
OSI cho biết cách thức các thiết bị truyền thông với nhau. 
Phương pháp để thiết bị hiểu khi nào được truyền, khi nào không. 
Đảm bảo truyền đúng dữ liệu và đúng bên nhận. 
Cách thức tải, truyền, sắp xếp, kết nối. 
Cách thức đảm bảo thiết bị mạng duy trì tốc độ truyền thích hợp. 
Cách biểu diễn một bit trên thiết bị truyền. 
Lớp Application: 
Giao diện chương trình ứng dụng mạng của người dùng. 
Xử lý truy nhận mạng chung, kiểm soát luồng, phục hồi lỗi. 
Cấp các dịch vụ cho ứng dụng: FTP, HTTP, SMTP , 
FTP: File Transfer Protocol 
HTTP: Hyper Text Transfer Protocol 
Simple Mail Transfer Protocol 
Lớp Presentation 
Xác nhận khuôn dạng trao đổi dữ liệu. 
Đảm bảo thông tin gởi và nhận của các ứng dụng đầu cuối. 
Thông dịch nhiều dạng dữ liệu khác nhau thông qua một dạng chung. 
Nén , giải nén dữ liệu, các qui tắc Byte, bit, thứ tự bit từ trái sang hay từ phải sang. 
Quản lý cấp độ nén để giảm số bit khi truyền đi. 
Lớp Session 
Thiếp lập, quản lý, kết thúc các phiên thông tin giữa 2 bên. 
Cung cấp các dịch vụ cho lớp Presenstaion. 
Đồng bộ hóa các tác vụ bằng cách đặt những điểm kiểm tra và luồng dữ liệu.Nếu mạng xảy ra lỗi thì chỉ cần truyền lại điểm cuối cùng. 
Kiểm soát hội thoại trong quá trình giao tiếp, quyết định bên nào truyền,khi nào, bao lâu. 
Lớp Session(tt) 
Sesssion kết nối theo 3 cách: 
 Simplex : truyền 1 hướng 
 Hafl-Duplex: truyền 2 hướng. Phải chờ 1 bên gởi xong 
 Full-Duplex : gởi nhận cùng lúc . 
Collision 
Lớp Transport 
Chuyển Segment từ máy truyền và tái thiết lập dữ liệu tại máy nhận để đảm bảo việc bàn giao thông điệp giữa các thiết bị là đáng tin cậy. 
Thiết lập, duy trì và kết thúc các mạch ảo, cung cấp các dịch vụ: 
 + Sắp xếp thứ tự các phân đoạn. 
 + Kiểm soát lỗi, yêu cầu truyền lại khi phân đoạn bị hỏng. 
 + Kiểm soát luồng: dùng các tín hiệu báo nhận để xác nhận. Bên gởi sẽ không thể truyền tiếp nếu chưa xác nhận đã nhận đủ. 
Lớp Network 
Lập địa chỉ các thông điệp(ARP Caching). 
Diễn dịch địa chỉ tên logic thành địa chỉ vật lý(ARP). 
Chịu trách nhiệm gởi Packet từ nguồn đến đích. 
Quyết định đường đi từ nguồn đến đích(Path Detemina..). 
Quyết định dữ liệu sẽ truyền trên đường nào, dựa trên tình trạng, ưu tiên dịch vụ và các yếu tố khác. 
Quản lý lưu lượng trên mạng như chuyển đổi gói, định tuyến, kiểm soát tắt nghẽn dữ liệu. 
Lớp Network 
VD: nếu Router không thể truyền đủ đoạn dữ liệu máy nguồn gởi đi, lớp Network trên Router sẽ tự chia dữ liệu nhỏ hơn để gởi đi. VD: RT cho phép chuyển 10KB, gói tin 20KB sẽ chia làm 2 và lớp Network đầu nhận sẽ ráp lại. 
Giao thức của lớp này : IP, IPX. 
Dữ liệu tại lớp này là Packet hay Datagram. 
Lớp Data Link 
Cung cấp khả năng chuyển dữ liệu tin cậy xuyên qua một lớp liên kết vật lý.Lớp này liên quan: 
 + Địa chỉ vậy lý. 
 + Mô hình mạng. 
 + Cơ chế truy nhập đường truyền. 
 + Thông báo lỗi. 
 + Thứ tự các frame 
 + Điều khiển dòng. 
Các bit đến từ lớp Physical được tập hợp thành các frame dữ liệu bằng cách dùng một số nghi thức tại lớp này. 
Lớp Data Link(tt) 
Lớp Data Link có 2 lớp con: 
+ LLC(Logical Link Control):cung cấp sự mềm dẻo về giao tiếp, LLC không phụ thuộc vào giao thức truy cập đường truyền nên các lớp trên có thể hoạt động mà không phụ thuộc vào các phương tiện mạng. 
+MAC(Media Access Control): cung cấp thứ tự truy cập vào môi trường mạng. 
Để định dang mỗi trạm lớp MAC định nghĩa một trường địa chỉ phần cứng gọi là MAC Address. Địa chỉ MAC là số duy nhất với môi trường mạng. 
Lớp Physical 
Định nghĩa các quy tắc về điện, cơ, thủ tục. 
-Đặc tả các chức năng để kích hoạt, dừng hoặc duy trì liên kết vật lý giữa các thiết bị đầu, cuối. 
Các đặc điểm: 
 + Điện thế. 
 + Thời gian thay đổi điện thế. 
 + Tốc độ dữ liệu vật lý. 
 + Khoảng cách tối đa. 
 + Các đầu nối vật lý. 
Đóng gói dữ liệu Diễn ra từ tầng Application Physical 
Quá trình truyền thông từ máy gởi đến máy nhận 
Bước 1: Trình ứng dụng (trên máy gửi) tạo ra dữ liệu và các chương trình phần cứng, phần mềm cài đặt mỗi lớp sẽ bổ sung vào header và trailer (quá trình đóng gói dữ liệu tại máy gửi). 
Bước 2: Lớp Physical (trên máy gửi) phát sinh tín hiệu lên môi trường truyền tải để truyền dữ liệu. 
Bước 3: Lớp Physical (trên máy nhận) nhận dữ liệu. 
Quá trình truyền thông từ gởi đến nhận 
Bước 4: Các chương trình phần cứng, phần mềm (trên máy nhận) gỡ bỏ header và trailer Xác định địa chỉ IP của máy gởi và nhận (giữa bước 1 và 2) 
Nếu cùng địa chỉ mạng thì máy gửi sẽ tìm trong bảng MAC Table của mình để có được địa chỉ MAC của máy nhận . Nếu khác địa chỉ mạng thì máy gửi sẽ kiểm tra xem máy có được khai báo Default Gateway hay không. 
Nếu có khai báo Default Gateway thì máy gửi sẽ gởi gói tin thông qua Default Gateway. 
Nếu không có khai báo Default Gateway thì máy gởi sẽ loại bỏ gói tin và thông báo "Destination host Unreachable" 
Truyền thông 
Nhận dữ liệu 
Nhận dữ liệu 
Bước 1 : Lớp Physical kiểm tra quá trình đồng bộ bit và đặt chuỗi bit nhận được vào vùng đệm. Sau đó thông báo cho lớp Data Link dữ liệu đã được nhận. 
Bước 2 : Lớp Data Link kiểm lỗi Frame bằng cách kiểm tra FCS trong trailer. Nếu có lỗi thì Frame bị bỏ. Sau đó kiểm tra địa chỉ lớp Data Link (địa chỉ MAC) xem có trùng với địa chỉ máy nhận hay không. Nếu đúng thì phần dữ liệu sau khi loại header và trailer sẽ được chuyển lên cho lớp Network. 
Bước 3 : Địa chỉ lớp Network được kiểm tra xem có phải là địa chỉ máy nhận hay không (địa chỉ IP). Nếu đúng thì dữ liệu được chuyển lên cho lớp Transport xử lý. 
Nhận dữ liệu 
Bước 4 : Nếu giao thức lớp Transport có hỗ trợ việc phục hồi lỗi thì số định danh phân đoạn được xử lý. Các thông tin ACK, NAK (gói tin ACK, NAK dùng để phản hồi về việc các gói tin đã được gởi đến máy nhận chưa) cũng được xử lý ở lớp này. Sau quá trình phục hồi lỗi và sắp thứ tự các phân đọan, dữ liệu được đưa lên lớp Session. 
Bước 5 : Lớp Session đảm bảo một chuỗi các thông điệp đã trọn vẹn. Sau khi các luồn đã hoàn tất, lớp Session chuyển dữ liệu sau header lớp 5 lên cho lớp Presentation xử lý. 
Bước 6 : Dữ liệu sẽ được lớp Presentation xử lý bằng cách chuyển đổi dạng thức dữ liệu. Sau đó kết quả chuyển lên cho lớp Application. 
Bước 7 : Lớp Application xử lý header cuối cùng. Header này chứa các tham số thỏa thuận giữa hai trình ứng dụng. Do vậy tham số này thường chỉ được trao đổi lúc khởi động quá trình truyền thông giữa hai trình ứng dụng. 
Giao thức(Protocol) 
1.Khái niệm: 
Giao thức là các qui tắc giao tiếp giúp 2 hệ thống hiểu được nhau đề truyền thông với nhau. 
Các giao thức: 
IPX(Internetwork Package Exchange) 
TCP/IP(Tranmission Control Protocol/Internet Protocol) 
NetBEUI(NetBIOS Extend User Interface) 
Giao thức TCP/IP 
TCP/IP là giao thức kết nối Internet. 
Được phát triển bởi chính phủ Mỹ. 
Làm việc độc lập với phần cứng mạng. 
Mô hình TCP/IP gồm 4 lớp: 
Application 
Transport 
Internet 
Network Interface 
Giao thức TCP/IP(tt) 
TCP/IP: Application Layer 
Quản lý các giao thức, trình bày dữ liệu, cung cấp dịch vụ. 
HTTP(HyperText Transmission Protocol) : Web 
FTP (File Transfer Protocol): Truyền tập tin mạng 
Telnet : Thâm nhập máy tính từ xa 
SMTP(Simple Mail Transfer Protocol): Truyền thư tín điện tử (Mail) 
DNS(Domain Name System) : Phân giải tên miền 
TCP/IP: Transport Layer 
Truyền dữ liệu từ nguồn đến đích bằng 2 giao thức: 
TCP (transmission Control Protocol) : Giao thức kết nối tin cậy 
UDP (User Datagram Protocol) : Giao thức kết nối không tin cậy 
TCP/IP: Transport Layer 
TCP (transmission Control Protocol) : Giao thức kết nối tin cậy 
Giao thức này đảm bảo chuyển giao dữ liệu tới nơi nhận một cách đáng tin cậy và đúng thứ tự 
TCP còn phân biệt giữa dữ liệu của nhiều ứng dụng (chẳng hạn, dịch vụ Web và dịch vụ thư điện tử) đồng thời chạy trên cùng một máy chủ 
TCP hỗ trợ nhiều giao thức ứng dụng phổ biến nhất trên Internet và các ứng dụng kết quả, trong đó có WWW, thư điện tử, 
TCP/IP: Transport Layer 
Một số đặc điểm cơ bản của TCP để phân biệt với UDP: 
Truyền dữ liệu không lỗi (do có cơ chế sửa lỗi/truyền lại) 
Truyền các gói dữ liệu theo đúng thứ tự 
Truyền lại các gói dữ liệu mất trên đường truyền 
Loại bỏ các gói dữ liệu trùng lặp 
Cơ chế hạn chế tắc nghẽn đường truyền 
TCP/IP: Transport Layer 
TCP sử dụng khái niệm số hiệu cổng (port number) để định danh các ứng dụng gửi và nhận dữ liệu. 
Các port của TCP nằm trong khoản 1-65535. 
Một số port thông dụng: FTP (21), TELNET (23), SMTP (25), HTTP (80),...... 
TCP/IP: Transport Layer 
Quá trình bắt tay 3 bước của giao thức TCP (three way - handshake) 
TCP/IP: Transport Layer 
SYN: các chương trình máy con (ví dụ yêu cầu từ browser, ftp client) bắt đầu connection với máy chủ bằng cách gửi một packet với cờ "SYN" đến máy chủ . 
SYN/ACK: khi yêu cầu mở connection được máy chủ nhận được tại cổng đang mở, server sẽ gửi lại packet chấp nhận với 2 bit cờ là SYN và ACK. Không chấp nhận Server sẽ gởi RST/ACK (Reset Acknowledgement) 
Server bắt buộc phải gửi thông báo lại bởi vì TCP là chuẩn tin cậy nên nếu client không nhận được thông báo thì sẽ nghĩ rằng packet đã bị lạc và gửi lại thông báo mới 
TCP/IP: Transport Layer 
ACK: khi client nhận được SYN/ACK packet thì sẽ trả lời bằng ACK packet. Packet này được gởi với mục đích báo cho máy chủ biết rằng client đã nhận được SYN/ACK packet và lúc này connection đã được thiết lập và dữ liệu sẽ bắt đầu lưu thông tự do 
TCP/IP: Transport Layer 
UDP (User Datagram Protocol) : Giao thức kết nối không tin cậy 
Là một trong những giao thức cốt lõi của giao thức TCP/IP, UDP không cung cấp sự tin cậy và thứ tự truyền nhận mà TCP làm. Tuy nhiên UDP nhanh và hiệu quả hơn đối với các mục tiêu như kích thước nhỏ và yêu cầu khắt khe về thời gian. 
TCP/IP: Transport Layer 
Những ứng dụng phổ biến sử dụng UDP như DNS (Domain Name System), ứng dụng streaming media, Voice over IP, Trivial File Transfer Protocol (TFTP), và game trực tuyến 
TCP/IP: Internet Layer 
Đảm nhận việc xác định địa chỉ và đường đi ngắn nhất cho gói tin. 
Các giao thức dùng tại lớp này: 
IP(Internet Protocol) : Giao thức vận chưyển 
RIP(Route Information Protocol): Tìm đường 
ICMP : Ping (kiểm tra nối mạng) 
ARP(Address Resolution Protocol): phân giải chỉ phần vật lý 
TCP/IP: Internet Layer 
IP(Internet Protocol) : Giao thức liên mạng 
Là một giao thức hướng dữ liệu được sử dụng bởi các máy chủ nguồn và đích để truyền dữ liệu trong một liên mạng chuyển mạch gói . 
Giao thức IP cung cấp một dịch vụ gửi dữ liệu không đảm bảo. 
Giao thức IP rất thông dụng trong mạng Internet công cộng ngày nay. Giao thức tầng mạng thông dụng nhất ngày nay là IPv4; đây là giao thức IP phiên bản 4. 
IPv6 được đề nghị sẽ kế tiếp IPv4 
TCP/IP: Internet Layer 
Địa chỉ IP được chia thành 4 số giới hạn từ 0 - 255. Mỗi số được lưu bởi 1 byte - > IP có kích thước là 4byte, được chia thành các lớp địa chỉ (A, B, C, D, E). 
Trên Internet thì địa chỉ IP của mỗI người là duy nhất và nó sẽ đạI diện cho chính ngườI đó(IP Public) 
TCP/IP: Internet Layer 
Các bước hoạt động của giao thức IP: Đối với thực thể IP ở máy nguồn, khi nhận được một yêu cầu gửi từ tầng trên, nó thực hiện các bước sau đây: 
Tạo một IP datagram dựa trên tham số nhận được. 
Tính checksum và ghép vào header của gói tin. 
Ra quyết định chọn đường: hoặc là trạm đích nằm trên cùng mạng hoặc một gateway sẽ được chọn cho chặng tiếp theo. 
TCP/IP: Internet Layer 
Chuyển gói tin xuống tầng dưới để truyền qua mạng. 
Đối với router, khi nhận được một gói tin đi qua, 
 Tính chesksum, nếu sai thì loại bỏ gói tin. 
Giảm giá trị tham số Time - to Live. nếu thời gian đã hết thì loại bỏ gói tin. 
 Ra quyết định chọn đường. 
Phân đoạn gói tin, nếu cần. 
Kiến tạo lại IP header, bao gồm giá trị mới của các vùng Time - to -Live, Fragmentation và Checksum. 
Chuyển datagram xuống tầng dưới để chuyển qua mạng. 
TCP/IP: Internet Layer 
Cuối cùng khi một datagram nhận bởi một thực thể IP ở trạm đích, nó sẽ thực hiện bởi các công việc sau: 
Tính checksum. Nếu sai thì loại bỏ gói tin. 
Tập hợp các đoạn của gói tin (nếu có phân đoạn) 
Chuyển dữ liệu và các tham số điều khiển lên tầng trên. 
TCP/IP: Internet Layer 
RIP(Route Information Protocol): Tìm đường , định tuyến 
TCP/IP: Internet Layer 
ICMP : 
Trao đổi thông tin điều khiển dòng số liệu. 
Báo cáo lỗi, trạng thái của TCP/IP 
TCP/IP: Internet Layer 
Lệnh Ping thường được sử dụng để kiểm tra kết nối. 
Cú pháp: ping địa_chỉ_đích 
TCP/IP: Internet Layer 
Lệnh ping khởi tạo các thông điệp echo request. Ví dụ ta ping google.com thì lệnh ping gởi 4 gói echo request và nhận về 4 gói echo replay xác nhận kết nối IP giữa hai thiết bị hoạt động tốt 
Phát hiện đường dài quá giới hạn: gói dữ liệu truyền đi trên mạng có thể bị lòng vòng và không bao giờ đến được đích 
Mỗi gói dữ liệu điều có một giá trị TTL. Cứ qua mỗi hop thì TTL sẽ giảm đi 1. Khi giá trị TTL bằng 0 thì router sẽ hủy gói dữ liệu. Khi đó ICMP dùng thông điệp "Time exceeded" để thông báo cho máy nguồn biết là TTL của gói dữ liệu bị hết thời hạn. 
TCP/IP: Internet Layer 
Destination host unreachable 
Gói dữ liệu không đến đích. Trong những trường hợp như vậy thì ICMP gửi thông điệp "Destination host unreachable" 
TCP/IP: Internet Layer 
Request timed out: mạng đích không tồn tại hoặc chặn các gói ICMP 
TCP/IP: Internet Layer 
ARP(Address Resolution Protocol): phân giải địa chỉ IP thành MAC 
1.Broadcast ARP Request:gói tin chứa IP&MAC máy gởi, IP máy nhận. 
2.Unicast ARP Reply: gói tin phản hồi của máy nhận khi so sánh đúng IP của mình. Gói tin chưa: IP&MAC máy nhận; IP&MAC máy vừa gởi. 
TCP/IP: Network Layer 
Tầng này nắm giữ các định dạng dữ liệu 
Truyền dữ liệu đến cáp. 
Các bước đóng gói dữ liệu TCP/IP 
TCP/IP với OSI 
TCP/IP với OSI 
Giống: 
Cùng phân nhiều lớp. 
Đều có các lớp: Applicaion, Transport, Network 
Kỹ thuật chuyển Packet. 
Có sự ảnh hưởng lớn đến các hệ thống mạng. 
Khác: 
TCP/IP kết hợp chung Application, Presentation, Session 
TCP/IP kết hợp Data Link& Physical chung. 
TCP/IP đơn giản hơn 
TCP/IP được chuẩn hóa và dùng trên toàn thế giới.