Bai 1-Tong Quan Internet

1-1

Bài 1

Tổng quan Internet

Computer Networking: A Top Down Approach ,4th edition. Jim Kurose, Keith RossAddison-Wesley, July 2007.

All material copyright 1996-2007

J.F Kurose and K.W. Ross, All Rights Reserved

Điểm lại các khái niệm

Mạng máy tính là gì ?

Môt hệ thống mạng là một hệ bao gồm các thành

phần:

Hạ tầng truyền thông: đường truyền vật lý, thiết bị

kết nối như router, switch, bridge, access point…

Các thiết bị cuối: máy chủ, máy trạm, laptop, thiết bị

di động,…

Các chương trình phần mềm mạng hoạt động trên

thiết bị đầu cuối

1-2

Hệ thống mạng

Hệ thống mạng là một hệ thống cực kỳ phức tạp

Các thành phần phải xây dựng dựa trên một mô

hình kiến trúc chung (mô hình kiến trúc phân tầng)

Sự vận hành và liên kết giữa các thành phần phải

tuân thủ theo hàng loạt các giao thức chuẩn

Mỗi thành phần cần phải ứng dụng các kỹ thuật và

công nghệ riêng

Đường truyền vật lý có những loại công nghệ

nào?

Thiết bị định tuyến Router có kỹ thuật gì? Hoạt

động ở tầng nào?

1-3

Lập trình mạng là gì

Lập trình mạng: thiết kế và cài đặt các chương

trình phần mềm, các ứng dụng phân tán hoạt

động trên các thiết bị cuối (end systems)

Phân tán (distributed): đặt tại nhiều trạm khác

nhau (vị trí địa lý), phối hợp hoạt động qua

phương pháp truyền dữ liệu , dựa trên hạ tầng

truyền thông của mạng.

1-4

Tại sao lập trình mạng?

Mạng máy tính tạo môi trường kết nối các máy

tính với nhau:

Xóa bỏ không gian, hỗ trợ truyền thông từ xa

Tăng cường sức mạnh tính toán

Chia sẻ và phân phối tài nguyên thông tin

Muốn khai thác tính ưu việt môi trường mạng cần

xây dựng các dịch vụ, các ứng dụng phục vụ

cho các mục đích khác nhau của con người

Thông tin liên lạc, giáo dục, giải trí, chia sẻ thông tin

Kinh doanh, quản lý

Nghiên cứu và sản xuất

1-5

Internet

Internet là một hệ thống mạng mang tính toàn

cầu, kết nối các hệ thống mạng chính phủ,

trường đại học, công ty, tổ chức, hệ thống mạng

riêng và mạng công cộng trên toàn thế giới

Internet = Global system of interconnected

network systems

Internet = MẠNG CỦA CÁC MẠNG

1-6

Internet Internet là hệ thống siêu xa lộ thông tin, là hạ

tầng hiện tại và tương lại cho rất nhiều các ứngdụng và dịch vụ Web, Web 2.0, File, Email, Voice, Video…

Mobile computing (điện toán di động)

Cloud computing (điện toán đám mây)

Giới thiệu Internet là cách tiếp cận tốt để có cáinhìn chung về mạng, về ứng dụng, dịch vụ và lậptrình mạng

Bộ giao thức cốt lõi của Internet là TCP/IP ứngdụng trong hầu hết các hệ thống mạng và hệ điềuhành máy tính

1-7

Bài 1 – Tổng quan Internet

1-8

1.1 Internet là gì?

1.2 Thành phần biên của Internet (edge)

1.3 Thành phần lõi của Internet (core)

1.4 Vấn đề hiệu năng: độ trễ, mất gói, và thông lượng

1.5 Kiến trúc phân tầng, các mô hình dịch vụ ứng dụng

1.6 Sự phát triển


1-9

Hệ thống gồm hàng triệu các thiết bị máy tính được kết nối với nhau (trạm cuối)

Trạm cuối (hosts hay là end systems) là nơi chạy các ứng dụng mạng

(net apps) Home network

Institutional network

Mobile network

Global ISP

Regional ISP

router

PC

server

wirelesslaptop

cellular handheld

wiredlinks

access points

Đường truyền Cáp quang, cáp đồng, sóng

radio, vệ tinh

Tốc độ truyền khác nhau

Bộ định tuyến (router)xác định đường đi và vận chuyển dữ liệu trong hệ thống

Các thiết bị cuối của Internet

đang mở rộng

1-10

Một máy chủ Web nhỏ hơn đồng xu

http://www-ccs.cs.umass.edu/~shri/iPic.html

Khung ảnh

http://www.ceiva.com/

Máy nướng bánh + dự báo thời

tiết có giao diện nền Web

Internet phones

Internet là gì: từ góc nhìn hệ thống kết nối

1-11

Internet: “là mạng của các

mạng trên toàn cầu”

Mối quan hệ của các mạng

thành phần là quan hệ phân

cấp nhưng không chặt chẽ.

Mạng Internet công cộng và

mạng riêng Intranet

Các chuẩn (giao thức) của

Internet

RFC: Request for comments

IETF: Internet Engineering Task

Force

Home network

Institutional network

Mobile network

Global ISP

Regional ISP

Internet là gì: từ góc nhìn dịch vụ mà Internet

cung cấp

1-12

Hạ tầng truyền thông cho

phép các ứng dụng phân tán

hoạt động:

Web, VoIP, email, games, e-

commerce, file sharing

Các dịch vụ truyền truyền dữ

liệu:

Chuyển giao dữ liệu reliable

(tin cậy) giữa các trạm cuối

Chuyển giao dữ liệu kiểu

best-effort (nỗ lực tối đa mà

không tính đến lỗi và mất dữ

liệu)

Nhìn từ góc độ của người phát

triển ứng dụng và dịch vụ mạng

Internet là cơ sở hạ tầng, hệ thống xa lộ thông tin

Internet là môi trường cho các ứng dụng phân

tán hoạt động trên đó

1-13


1-14


1.2 Thành phần biên của Internet

trạm (hệ thống cuối), mạng truy nhập, các kênh truyền vật lý

1.3 Thành phần lõi của Internet

hệ thống chuyển mạch gói, cấu trúc liên kết mạng của Internet


1.5 Các tầng giao thức và kiến trúc phân tầng, các mô

hình dịch vụ


Thành phần biên của Internet

1-15

Biên là phần rìa của

Internet: gồm trạm

cuối, ứng dụng,

Phần đường truyền và mạng truy nhập gồm: đường truyền hữu tuyến (wired) và vô tuyến (wireless)

Ví dụ: cable nối máy PC vào mạng LAN tại văn phòng

wireless nối laptop vào mạng Wireless LAN tại trường

Tiếp

1-16

Trạm cuối (hosts): Các trạm cuối truyền dữ liệu với

nhau qua các ứng dụng

Vd: trình duyệt Web trên

laptop/mobile truyền dữ liệu với

trình dịch vụ web server trên máy

chủ

client/server

peer-peer

Thiết bị cuối: laptop/mobile

Thiết bị cuối PC Thiết bị cuối :

máy chủ server

Cách một trạm cuối kết nối vào mạng truy

nhập (Access Network)

1-17

Quay số modem qua đường điện

thoại

Tốc độ < 56Kbps

Đường điện thoại sẽ luôn “bận”

khi đang kết nối

ADSL: đường thuê bao số bất đối xứng

Sử dụng chung với đường điện thoại

Tốc độ tải lên upstream lên đến 1Mbps

Tốc độ tải về downstream lên đến 8Mpbs

Truy nhập qua mạng truyền hình cáp:

1-18

Trung tâm kết nối cáp

Các nhánh cáp tỏa đến khu vực

Truy nhập sử dụng mạng cục bộ LAN

1-19

Hệ thống local area network

(LAN) của công ty/trường

học kết nối các trạm cuối vào

router

Thường sử dụng Ethernet:

10 Mbs, 100Mbps, 1Gbps,

10Gbps Ethernet

Trạm cuối được nhóm tập

trung qua thiết bị Ethernet

switch

Truy nhập mạng không dây công cộng

(Hotspot)

1-20

Một hệ thống mạng Wireless sẽ

kết nối trạm cuối di dộng (mobile

hosts) vào hệ thống LAN qua

base station / access point

wireless LANs:

802.11b/g (WiFi): 11 - 54 Mbps

wider-area wireless access

Còn được gọi là các mạng 3G hoặc

4G cung cấp bởi các mạng di động

Tốc độ ~3.6 Mbps qua mạng di động

3G (EVDO, HSDPA)

Các mạng 4G, WiMAX có thể lên

đến vài chục Mbps

basestation

mobilehosts

router

Mạng gia đình (home networks)

1-21

Gồm các thành phần điển hình:

ADSL modem hoặc Modem cáp truyền hình thường

tích hợp tính năng

Định tuyến/tường lửa/NAT

Ethernet switch cho nhiều trạm

Wireless Access Point (thường là

Wireless Router)

wirelessaccess point

wirelesslaptops

router/firewall

cablemodem

to/fromcable

headend

Ethernet


1-22








hình dịch vụ


Phần lõi của Internet

1-23

Là một mạng lưới các

router kết nối với nhau

Dữ liệu được truyền trên

Internet như thế nào?

Bằng phương pháp

chuyển mạch gói (packet-

switching):

Router làm nhiệm vụ xác định

đường đi cho dữ liệu từ điểm

đầu đến điểm cuối và chuyển

tiếp (forward) dữ liệu

Chuyển mạch gói: dồn kênh kiểu Statistical

Multiplexing

1-24

Thứ tự các gói tin của A và B không có mẫu quy định sẵn,

băng thông của đường truyền được chia sẻ theo nhu cầu

của trạm statistical multiplexing.

A

B

C100 Mb/sEthernet

1.5 Mb/s

D E

statistical multiplexing

Một hàng đợi dành cho gói tin trước khi

được router chuyển tiếp

Chuyển mạch gói: store-and-forward

1-25

Cần L/R giây để truyền xong một gói tin L bits trên đường truyền tốc độ R bps

store and forward: toàn bộ gói tin phải đến router R1 trước khi được chuyển tiếp ra đường truyền kế tiếp đến R2

Có 2 router trên đường truyền nên độ trễ delay = 3L/R

Ví dụ:

L = 7.5 Mbits

R = 1.5 Mbps

Độ trễ truyền gói tin = 15 sec

R R R

L

Gói tin đi qua càng nhiều router độ trễ càng lớn

Ưu nhược điểm của chuyển mạch gói

1-26

Tốt đối với lưu lượng dữ liệu lớn

Chia sẻ tối đa băng thông đường truyền

Không cần thiết lập kênh truyền riêng mà có thể sử dụng chung

Nhược điểm: trễ và mất gói + phải chia nhỏ dữ liệu khi

truyền + hợp dữ liệu khi nhận Mất gói do hàng đợi tại router bị tràn cần có giao thức để đảm bảo

truyền nhận dữ liệu tin cậy

Trễ tại hàng đợi của router và mất gói gây ra tắc nghẽn (congestion)

cần giao thức điều khiển luồng để tránh tắc nghẽn.

Ưu điểm

Cấu trúc Internet:

1-27

Theo dạng phân cấp một cách tương đối

Tại trung tâm của Internet: là các nhà cung cấp dịch vụ

Internet (ISP) “cấp-1” , tầm quốc gia và quốc tế

Các ISP này thường là những tập đoàn viễn thông lớn của

Mỹ (như Verizon, Sprint, AT&T, Cable and Wireless)

Các ISP này được coi là ngang hàng: peer-to-peer

Tier 1 ISP

Tier 1 ISP

Tier 1 ISP

Đường kếtnối riênggiữa 2 ISP “cấp-1”

ISP “cấp-1”: Sprint

1-28

…

to/from customers

peering

to/from backbone

…

.………

POP: point-of-presence

POP: là nơi tập trung các điểm kết nối giữa các ISP với nhau

và với khách hàng

Cấu trúc Internet

1-29

Các ISP “cấp-2”: ISP nhỏ hơn và thường là ISP theo khu vực

Kết nối tới một hoặc nhiều ISP cấp 1, và các ISP cấp 2 khác

Tier 1 ISP

Tier 1 ISP

Tier 1 ISP

Tier-2 ISPTier-2 ISP

Tier-2 ISP Tier-2 ISP

Tier-2 ISP

ISP cấp 2 làkhách hàng củaISP cấp 1


1-30

ISP cấp 3 và ISP nội vùng

Là các ISP gần nhất kết nối trực tiếp với trạm cuối

Tier 1 ISP

Tier 1 ISP

Tier 1 ISP



Tier-2 ISP

localISPlocal

ISPlocalISP

localISP

localISP Tier 3

ISP

localISP

localISP

localISP

Các ISP này làkhách hàng củacác ISP cấptrênKết nối vớiphần còn lại củaInternet qua các ISP cấptrên


1-31

Một gói tin được chuyển giao xuyên qua nhiều hệ thống

mạng trước khi đến đích

Tier 1 ISP

Tier 1 ISP

Tier 1 ISP



Tier-2 ISP

localISPlocal

ISPlocalISP

localISP

localISP Tier 3

ISP

localISP

localISP

localISP

VDC của Việt

Nam là ISP cấp

3 đồng thời là

ISP nội vùng tại

Việt Nam

Ảnh mạng lưới kết nối của

Internet (Wiki)

1-32


1-33








hình dịch vụ


Tại sao xảy ra trễ và mất gói tin?

1-34

Gói tin đến router được đưa vào hàng đợi chờ chuyển

tiếp

Tốc độ gói tin đến router vượt quá tốc độ chuyển tiếp

Các gói tin phải xếp hàng chờ đến lượt

A

B

Gói tin đang được truyền (trễ)

Các gói tin xếp hàng (trễ)

Vùng đệm còn trống và các gói tin đang đến Gói tin đến sẽ bị hủy (mất) nếu không còn chỗ trốngtrong hàng đợi

4 thành phần của độ trễ

1-35

1. trễ do xử lý tại router: Kiểm tra bit có lỗi không

Xác định đường ra cho gói tin

A

B

Lan truyền trên đường

Gửi gói tin ra đường truyền

Xử lý tại routerXếp hàng

2. trễ do xếp hàng Thời gian chờ của gói tin

trong hàng đợi

Phụ thuộc vào tình trạng tắc nghẽn

Delay in packet-switched networks

1-36

3. Trễ gửi gói tin ra đường

truyền

R= băng thông (bps)

L= độ dài gói tin (bits)

Thời gian gửi = L/R

4. Trễ do lan truyền:

d = độ dài đường truyền

vật lý

s = tốc độ lan truyền tín

hiệu (~2x108 m/sec)

Trễ lan truyền= d/s

Chú ý: s và R rất khác nhau

Độ trễ tổng tại mỗi router

1-37

dproc = trễ xử lý

Thông thường vài micro giây

dqueue = trễ xếp hàng

Phụ thuộc vào mức độ tắc nghẽn trên đường truyền và độ dài

hàng đợi

dtrans = trễ gửi gói tin ra đường truyền

= L/R, rất nhỏ với đường truyền tốc độ cao cỡ trăm Mbps - Gbps

dprop = trễ lan truyền

Một vài micro giây cho đến hàng trăm mili giây tùy theo khoảng

cách

proptransqueueprocnodal ddddd

Độ trễ trên Internet

1-38

Độ trễ thật sự trên Internet có thể kiểm tra như thế nào?

Traceroute là chương trình đo độ trễ từ trạm nguồn đến mỗi router dọc theo đường đi của gói tin xuyên qua Internet đến trạm đích.

Giả sử có i router trên đường đi

For all i: Gửi 3 gói tin đến router I trên đường đi đến trạm đích

router i sẽ gửi lại 3 gói tin cho trạm nguồn

Trạm nguồn sẽ tính khoảng thời gian từ khi gửi đến khi nhận

3 probes

3 probes

3 probes

“Độ trễ thật” trên Internet

1-39

1 cs-gw (128.119.240.254) 1 ms 1 ms 2 ms2 border1-rt-fa5-1-0.gw.umass.edu (128.119.3.145) 1 ms 1 ms 2 ms3 cht-vbns.gw.umass.edu (128.119.3.130) 6 ms 5 ms 5 ms4 jn1-at1-0-0-19.wor.vbns.net (204.147.132.129) 16 ms 11 ms 13 ms 5 jn1-so7-0-0-0.wae.vbns.net (204.147.136.136) 21 ms 18 ms 18 ms 6 abilene-vbns.abilene.ucaid.edu (198.32.11.9) 22 ms 18 ms 22 ms7 nycm-wash.abilene.ucaid.edu (198.32.8.46) 22 ms 22 ms 22 ms8 62.40.103.253 (62.40.103.253) 104 ms 109 ms 106 ms9 de2-1.de1.de.geant.net (62.40.96.129) 109 ms 102 ms 104 ms10 de.fr1.fr.geant.net (62.40.96.50) 113 ms 121 ms 114 ms11 renater-gw.fr1.fr.geant.net (62.40.103.54) 112 ms 114 ms 112 ms12 nio-n2.cssi.renater.fr (193.51.206.13) 111 ms 114 ms 116 ms13 nice.cssi.renater.fr (195.220.98.102) 123 ms 125 ms 124 ms14 r3t2-nice.cssi.renater.fr (195.220.98.110) 126 ms 126 ms 124 ms15 eurecom-valbonne.r3t2.ft.net (193.48.50.54) 135 ms 128 ms 133 ms16 194.214.211.25 (194.214.211.25) 126 ms 128 ms 126 ms17 * * *18 * * *

19 fantasia.eurecom.fr (193.55.113.142) 132 ms 128 ms 136 ms

traceroute: gaia.cs.umass.edu to www.eurecom.fr3 giá trị đo được của độ trễ từ trạm gaia.cs.umass.edu đến cs-gw.cs.umass.edu

* Router không trả lời

Đường link qua Biển nên độ trễ

Lớn

Mất gói tin

1-40

Do hàng đợi của gói tin trong router là hữu hạn

Các gói tin đến lúc hàng đợi đầy sẽ bị hủy mất gói

Gói tin bị mất có thể được gửi lại bởi router trước

hoặc trạm nguồn hoặc không hề được gửi lại.

A

B

Gói tin đang được gửi ra

Gói tin đang đến lúc hàng đợi đầy sẽ bị mất

Vùng đệm(hàng đợi gói tin)

Thông lượng (throughput)

1-41

Thông lượng (throughput): là tốc độ (bits/s) truyền

dữ liệu giữa trạm nguồn(sender) và trạm đích

(receiver)

Tức thời: tốc độ tại một thời điểm nhất định

Trung bình: tốc độ tính trong một khoảng thời gian

dài

server, withfile of F bits

to send to clientRs bits/sec

link capacityRc bits/sec

ống có thể vận chuyển ống có thể vận chuyểnRc bits/sec

server gửi luồng bits

vào đường ống

Throughput

1-42

Rs < Rc Thông lượng trung bình ?

Rs bits/sec Rc bits/sec

Rs > Rc Thông lượng trung bình ?

Rs bits/sec Rc bits/sec

Đường truyền vật lý trên đường đi từ nguồn đến đích sẽ giới hạn thông lượng

bottleneck link

Throughput: kịch bản Internet

1-43

Thông lượng của mỗi

kết nối end-to-end là

min(Rc,Rs,R/10)

Trên thực tế: Rc hoặc

Rs thường là nút thắt

cổ chai

10 kết nối chia sẻ 1 đường trục backbone R bits/sec

Rs

Rs

Rs

Rc

Rc

Rc

R


1-44


1.2 Thành phần ngoài rìa của Internet






hình dịch vụ


Giao thức là gì?

1-45

Giao thức giao tiếp

A: “Làm ơn xem giúpmấy giờ rồi?”

B nhìn đồng hồ và “10h kém 5”

A: “Làm ơn chỉ đườngđến ĐHXD”

B: “Tôi không rõ”

… gửi các thông điệp có ý nghĩa xác định

… Khi nhận được thôngđiệp, người nhận thựchiện hành động xác địnhvà phản hồi

Giao thức truyền thông trong mạng:

Mang tính chất chặt chẽ, chính xác

Tất cả các hoạt động truyềnthông trên Internet đều được điềukhiển thông qua giao thức

Giao thức truyền thông định nghĩa khuôn dạng và thứ tựcủa các bản tin được gửi và

nhận giữa các thực thể trong mạng, quy định các hành

động cần thực hiện sau mỗi bản tin

Giao thức là gì?

1-46

Câu hỏi: Kể tên một giao thức mạng bạn biết

Hi

Hi

Got thetime?

2:00

TCP connectionrequest

TCP connectionresponse

Get http://www.awl.com/kurose-ross

<file>

time

Các tầng giao thức trong kiến

trúc phân tầng của Internet

1-47

Mạng máy tính và Internet

rất phức tạp!

Có nhiều thành phần:

Trạm cuối

Router

Nhiều loại đường truyền

vật lý

Nhiều dịch vụ/giao thức

Phần cứng, phần mềm

mạng

Hỏi:

Tổ chức mạng Internet

ntn?

Trả lời:

Xếp các giao thức theo

kiến trúc phân tầng

Tại sao phân tầng?

1-48

Để tổ chức, liên kết các hệ thống phức tạp,

không đồng nhất và nhiều chức năng:

Một kiến trúc phân tầng cho phép xác định hệ thống

cần có các thành phần nào, chức năng và mối quan

hệ giữa chúng một cách rõ ràng.

Dễ bảo trì, nâng cấp

Thay đổi nội dung của một thành phần trở nên

trong suốt đối với phần còn lại trong cả hệ thống

Thực tế là Internet đã được thiết kế và triển khai

theo kiến trúc phân tầng

Kiến trúc phân tầng của Internet

(ngăn xếp giao thức Internet)

1-49

Tầng ứng dụng: hỗ trợ ứng dụng mạng và FTP, SMTP, HTTP

Tầng giao vận: Truyền dữ liệu giữa cáctiến trình chạy trên các trạm cuối TCP, UDP

Mạng: Định tuyến gói tin từ trạm nguồnđến trạm đích IP, routing protocols

Liên kết dữ liệu: Truyền dữ liệu giữa cácthiết bị mạng hay trạm kết nối trực tiếp vớinhau qua đường truyền PPP, Ethernet

Tầng vật lý: thu phát, xử lý các bít tín hiệutrên đường truyền

application

transport

network

link

physical

Đóng gói dữ liệu

1-50

sourceapplicationtransportnetwork

linkphysical

HtHn M

Phân đoạn Ht

Gói IP

destination

applicationtransportnetwork

linkphysical

HtHnHl M

HtHn M

Ht M

M

networklink

physical

linkphysical

HtHnHl M

HtHn M

HtHn M

HtHnHl M

router

switch

Bản tin M

Ht M

Hn

Khung


1-51


1.2 Thành phần ngoài rìa của Internet






hình dịch vụ

1.6 Sự phát triển của Internet

52

Sự phát triển của Internet về mặt số trạm và

thiết bị kết nối vào

Số lượng máy trạm

8 / 1981 213

10 / 1984 1,024

12 / 1987 28,174

10 / 1990 313,000

7 / 1993 1,776,000

7/ 1996 19,540,000

8/ 1999 56,218,000

7/ 2004 285,139,000

7/ 2005 353,284,000

7/ 2007 489,774,000

7/ 2008 570,937,000

1/ 2009 625,226,000CAIDA router

level view

Sự phát triển (tiếp)

1-53

2007, 2008, 2009: các ứng dụng nở rộ

Voice, Video over IP (điện thoại qua mạng

Internet)

Ứng dụng chia sẻ ngang hàng P2P

applications: BitTorrent (chia sẻ file) Skype

(VoIP), PPLive (video)

Interactive Games: MMORPG

Web 2.0: YouTube, Facebook,…

Mobile Internet

Cloud Computing

Documents

Bai 1-Tong Quan Internet