Kiến trúc TCP/IP-Giới thiệu khái quát
TCP/IP là một bộ gao thức (bao gồm nhiều giao thức) hỗ trợ việc truyền thông giữa các máy tính hoặc các thiết bị tương tự trên mạng. Trước hết để hiểu TCP/IP là gì, ta phải hiểu mạng máy tính là gì và tại sao phải có giao thức mạng . ...
TCP/IP là một bộ gao thức (bao gồm nhiều giao thức) hỗ trợ việc truyền thông giữa các máy tính hoặc các thiết bị tương tự trên mạng. Trước hết để hiểu TCP/IP là gì, ta phải hiểu mạng máy tính là gì và tại sao phải có giao thức mạng .
Một hệ thống mạng là tập hợp của nhiều máy tính hoặc các thiết bị tương tự, chúng có thể trao thông tin với nhau thông qua một trung gian truyền tải hình 1.1.
Hình 1.1. Một mạng cục bộ điển hình
Trong phạm vi một hệ thống mạng, các yêu cầu và dữ liệu từ một máy tính được chuyển qua bộ phận trung gian (có thể là dây cáp mạng hoặc đường điện thoại) tới một máy tính khác. Trong hình 1.1, máy tính D phải có khả năng gửi thông tin hoặc yêu cầu tới máy tính F. Máy tính F phải hiểu được thông điệp của máy tính D và đáp lại bằng cách gửi hồi âm cho máy tính D.
Một máy tính tương tác với thế giới thông qua một hoặc nhiều ứng dụng. Những ứng dụng này thực hiện các nhiệm vụ cụ thể và quản lý dữ liệu ra và vào. Nếu máy tính đó là một phần của hệ thống mạng, thì một trong số các ứng dụng trên sẽ có thể giao tiếp với các ứng dụng trên các máy tính khác thuộc cùng hệ thống mạng. Bộ giao thức mạng là một hệ thống các quy định chung giúp xác định quá trình truyền dữ liệu phức tạp. Dữ liệu đi từ ứng dụng trên máy này, qua phần cứng mạng của máy, tới bộ phận trung gian và đến nơi nhận, thông qua phần cứng của máy tính đích rồi tới ứng dụng. (Xem hình 1.2).
Hình 1.2. Vài trò của giao thức mạng
Khái niệm
TCP/IP là bộ các giao thức có vai trò xác định quá trình liên lạc trong mạng và quan trọng hơn cả là định nghĩa “hình dạng” của một đơn vị dữ liệu và những thông tin chứa trong nó để máy tính đích có thể dịch thông tin một cách chính xác. TCP/IP và các giao thức liên quan tạo ra một hệ thống hoàn chỉnh quản lý quá trình dữ liệu được xử lý, chuyển và nhận trên một mạng sử dụng TCP/IP. Một hệ thống các giao thức liên quan, chẳng hạn như TCP/IP, được gọi là bộ giao thức.
Thực tế của quá trình định dạng và xử lý dữ liệu bằng TCP/IP được thực hiện bằng bộ lọc của các hãng sản xuất. Ví dụ, Microsoft TCP/IP là một phần mềm cho phép Windows NT xử lý các dữ liệu được format theo TCP/IP và vì thế có thể hoà vào mạng TCP/IP.
Một chuẩn TCP/IP là một hệ thống các quy định quản lý việc trao đổi trên các mạng TCP/IP. Bộ lọc TCP/IP là một phần mềm có chức năng cho phép một máy tính hoà vào mạng TCP/IP.
Mục đích của các chuẩn TCP/IP là nhằm đảm bảo tính tương thích của tất cả bộ lọc TCP/IP thuộc bất kỳ phiên bản nào hoặc của bất kỳ hãng sản xuất nào.
Lịch sử phát triển của TCPIP
Thiết kế TCP/IP được như ngày hôm nay là nhờ vai trò mang tính lịch sử của nó. Internet, giống như rất nhiều thành tựu công nghệ cao khác, bắt nguồn từ nghiên cứu của Bộ Quốc phòng Mỹ. Vào cuối những năm 60, các quan chức Bộ này bắt đầu nhận thấy lực lượng quân sự đang lưu giữ một số lượng lớn các loại máy tính, một số không được kết nối, số khác được nhóm vào các mạng đóng, do các giao thức “cá nhân” không tương thích.
“Cá nhân”, trong trường hợp này, có nghĩa là công nghệ đó do một nhóm nào đó kiểm soát. Nhóm này có thể không muốn tiết lộ các thông tin liên quan về giao thức của mình để những người sử dụng có thể kết nối.
Họ bắt đầu băn khoăn về khả năng chia sẻ thông tin giữa các máy tính này. Vốn quen với vấn đề an ninh, Bộ Quốc phòng Mỹ lập luận rằng nếu có thể xây dựng được một mạng lưới như thế thì nó dễ trở thành mục tiêu tấn công quân sự. Một trong những yêu cầu trước hết của mạng lưới này là phải nằm phân tán. Các dịch vụ quan trọng không được phép tập trung tại một số chỗ. Bởi vì bất kỳ điểm nào cũng có thể bị tấn công trong thời đại tên lửa. Họ muốn nếu một quả bom đánh vào bất kỳ bộ phận nào trong cơ sở hạ tầng đều không làm cho toàn bộ hệ thống bị đổ vỡ. Kết quả là mạng ARPAnet (Advanced Research Projects Agency). Hệ thống giao thức hỗ trợ sự kết nối qua lại, phi tập trung là khởi điểm của TCP/IP ngày nay.
Một vài năm sau, khi Hiệp hội Khoa học Quốc gia Mỹ muốn xây dựng một mạng lưới để kết nối các tổ chức, họ áp dụng giao thức của ARPAnet và bắt đầu hình thành Internet. Yếu tố phi tập trung của ARPAnet chính là một phần của sự thành công của TCP/IP và Internet.
Các chức năng của TCP/IP
Trước khi xem xét các thành phần của TCP/IP, chúng ta nên bắt đầu bằng cách tìm hiểu qua nhiệm vụ của một hệ thống giao thức. Một hệ thống giao thức như TCP/IP phải đảm bảo khả năng thực hiện những công việc sau:
- Cắt thông tin thành những gói dữ liệu để có thể dễ dàng đi qua bộ phận truyền tải trung gian.
- Tương tác với phần cứng của adapter mạng.
- Xác định địa chỉ nguồn và đích: Máy tính gửi thông tin đi phải có thể xác định được nơi gửi đến. Máy tính đích phải nhận ra đâu là thông tin gửi cho mình.
- Định tuyến: Hệ thống phải có khả năng hướng dữ liệu tới các tiểu mạng, cho dù tiểu mạng nguồn và đích khác nhau về mặt vật lý.
Kiểm tra lỗi, kiểm soát giao thông và xác nhận: Đối với một phương tiện truyền thông tin cậy, máy tính gửi và nhận phải xác định và có thể sửa chữa lỗi trong quá trình vận chuyển dữ liệu.
Chấp nhận dữ liệu từ ứng dụng và truyền nó tới mạng đích.
Để có thể thực hiện các công việc trên, những người sáng tạo ra TCP/IP đã chia nó thành những phần riêng biệt, theo lý thuyết, hoạt động độc lập với nhau. Mỗi thành phần chịu một trách nhiệm riêng biệt trong hệ thống mạng.
Lợi thế của cấu trúc lớp nằm ở chỗ nó cho phép các nhà sản xuất dễ dàng áp dụng phần mềm giao thức cho các phần cứng và hệ điều hành. Các lớp giao thức TCP/IP bao gồm:
Kiến trúc TCP/IP
Lớp truy cập mạng – Cung cấp giao diện tương tác với mạng vật lý. Format dữ liệu cho bộ phận truyền tải trung gian và tạo địa chỉ dữ liệu cho các tiểu mạng dựa trên địa chỉ phần cứng vật lý. Cung cấp việc kiểm tra lỗi trong quá trình truyền dữ liệu.
Lớp Internet – Cung cấp địa chỉ logic, độc lập với phần cứng, để dữ liệu có thể lướt qua các tiểu mạng có cấu trúc vật lý khác nhau. Cung cấp chức năng định tuyến để giao lưu lượng giao thông và hỗ trợ việc vận chuyển liên mạng. Thuật ngữ liên mạng được dùng để đề cập đến các mạng rộng lớn hơn, kết nối từ nhiều LAN. Tạo sự gắn kết giữa địa chỉ vật lý và địa chỉ logic.
Lớp vận chuyển – Giúp kiểm soát luồng dữ liệu, kiểm tra lỗi và xác nhận các dịch vụ cho liên mạng. Đóng vai trò giao diện cho các ứng dụng mạng.
Lớp ứng dụng – Cung cấp các ứng dụng để giải quyết sự cố mạng, vận chuyển file, điều khiển từ xa, và các hoạt động Internet. Đồng thời hỗ trợ Giao diện Lập trình Ứng dụng (API) mạng, cho phép các chương trình được thiết kế cho một hệ điều hành nào đó có thể truy cập mạng.
Khi hệ thống giao thức TCP/IP chuẩn bị cho một khối dữ liệu di chuyển trên mạng, mỗi lớp trên máy gửi đi bổ sung thông tin vào khối dữ liệu đó để các lớp của máy nhận có thể nhận dạng được.
Là chữ viết tắt của "Open System Interconnection", hay còn gọi là mô hình chuẩn OSI. Vậy mô hình OSI là gì?
Thực ra trong quá khứ, việc truyền thông giữa các máy tính từ các nhà cung cấp khác nhau rất khó khăn, bởi lẽ chúng sử dụng các giao thức và định dạng dữ liệu khác nhau. Do vậy Tổ chức tiêu chuẩn hóa quốc tế (ISO) đã phát triển một kiến trúc truyền thông được biết đến như là mô hình Kết nối lẫn nhau qua hệ thống mở - Open System Interconnection (OSI) một mô hình định nghĩa các tiêu chuẩn liên kết các máy tính từ các nhà cung cấp khác nhau.
Để dễ dàng cho việc thực hiện họ đã chia mô hình OSI thành những phần riêng biệt (7 lớp riêng biệt), theo lý thuyết, hoạt động độc lập với nhau. Mỗi thành phần chịu một trách nhiệm riêng biệt trong hệ thống mạng
Nhiệm vụ của các tầng trong mô hình OSI có thể được tóm tắt như sau:
Tầng ứng dụng (Application layer – lớp 7): tầng ứng dụng quy định giao diện giữa người sử dụng và môi trường OSI, nó cung cấp các phương tiện cho người sử dụng truy cập vả sử dụng các dịch vụ của mô hình OSI. Điều khác biệt ở tầng này là nó không cung cấp dịch vụ cho bất kỳ một tầng OSI nào khác ngoại trừ tầng ứng dụng bên ngoài mô hình OSI đang hoạt động. Các ứng dụng cung được cấp như các chương trình xử lý kí tự, bảng biểu, thư tín … và lớp 7 đưa ra các giao thức HTTP, FTP, SMTP, POP3, Telnet.
Tầng trình bày (Presentation layer – lớp 6): tầng trình bày chuyển đổi các thông tin từ cú pháp người sử dụng sang cú pháp để truyền dữ liệu, ngoài ra nó có thể nén dữ liệu truyền và mã hóa chúng trước khi truyền đễ bảo mật.Nói đơn giản thì tầng này sẽ định dạng dữ liệu từ lớp 7 đưa xuống rồi gửi đi đảm bảo sao cho bên thu có thể đọc được dữ liệu của bên phát. Các chuẩn định dạng dữ liệu của lớp 6 là GIF, JPEG, PICT, MP3, MPEG …
Tầng giao dịch (Session layer – lớp 5): thực hiện thiết lập, duy trì và kết thúc các phiên làm việc giữa hai hệ thống. Tầng giao dịch quy định một giao diện ứng dụng cho tầng vận chuyển sử dụng. Nó xác lập ánh xạ giữa các tên đặt địa chỉ, tạo ra các tiếp xúc ban đầu giữa các máy tính khác nhau trên cơ sở các giao dịch truyền thông. Nó đặt tên nhất quán cho mọi thành phần muốn đối thoại riêng với nhau.Các giao thức trong lớp 5 sử dụng là NFS, X- Window System, ASP.
Tầng vận chuyển (Transport layer – lớp 4): tầng vận chuyển xác định địa chỉ trên mạng, cách thức chuyển giao gói tin trên cơ sở trực tiếp giữa hai đầu mút, đảm bảo truyền dữ liệu tin cậy giữa hai đầu cuối (end-to-end). Để bảo đảm được việc truyền ổn định trên mạng tầng vận chuyển thường đánh số các gói tin và đảm bảo chúng chuyển theo thứ tự.Bên cạnh đó lớp 4 có thể thực hiện chức năng đièu khiển luồng và điều khiển lỗi.Các giao thức phổ biến tại đây là TCP, UDP, SPX.
Tầng mạng (Network layer – lớp 3): tầng mạng có nhiệm vụ xác định việc chuyển hướng, vạch đường các gói tin trong mạng(chức năng định tuyến), các gói tin này có thể phải đi qua nhiều chặng trước khi đến được đích cuối cùng. Lớp 3 là lớp có liên quan đến các địa chỉ logic trong mạngCác giao thức hay sử dụng ở đây là IP, RIP, IPX, OSPF, AppleTalk.
Tầng liên kết dữ liệu (Data link layer – lớp 2): tầng liên kết dữ liệu có nhiệm vụ xác định cơ chế truy nhập thông tin trên mạng, các dạng thức chung trong các gói tin, đóng gói và phân phát các gói tin.Lớp 2 có liên quan đến địa chỉ vật lý của các thiết bị mạng, topo mạng, truy nhập mạng, các cơ chế sửa lỗi và điều khiển luồng.
Tầng vật lý (Phisical layer – lớp 1): tầng vật lý cung cấp phương thức truy cập vào đường truyền vật lý để truyền các dòng Bit không cấu trúc, ngoài ra nó cung cấp các chuẩn về điện, dây cáp, đầu nối, kỹ thuật nối mạch điện, điện áp, tốc độ cáp truyền dẫn, giao diện nối kết và các mức nối kết.
Mặc dù đã ra đời từ rất lâu, mô hình tham chiếu OSI vẫn đang là “kim chỉ nam" cho các loại mạng viễn thông, và là công cụ đắc lực nhất được sử dụng để tìm hiểu xem dữ liệu được gửi và nhận ra sao trong một mạng máy tính nói chung.
Khi kiến trúc tiêu chuẩn OSI xuất hiện thì TCP/IP đã trên con đường phát triển. Xét một cách chặt chẽ, TCP/IP không tuân theo OSI. Tuy nhiên, hai mô hình này có những mục tiêu giống nhau và do có sự tương tác giữa các nhà thiết kế tiêu chuẩn nên 2 mô hình xuất hiện những điểm tương thích. Cũng chính vì thế, các thuật ngữ của OSI thường được áp dụng cho TCP/IP. Hình 2.2 thể hiện mối quan hệ giữa tiêu chuẩn TCP/IP bốn lớp và mô hình OSI bảy lớp.
Lưu ý rằng, OSI chia nhiệm vụ của Lớp ứng dụng thành 3 phân lớp: Ứng dụng, Trình Bày và Khu vực. Hoạt động của Lớp tương tác mạng trong OSI được tách thành Lớp Kết nối dữ liệu và Lớp Vật lý. Việc chia nhỏ chức năng làm tăng thêm sự phức tạp, nhưng đồng thời cũng tạo ra sự linh hoạt cho các nhà phát triển.
Điều cần đặc biệt lưu tâm là TCP/IP và OSI là các tiêu chuẩn, không phải là các bộ lọc hay phần mềm tạo giao thức.
