IT005, Chương 1: Nhập môn Mạng máy tính

Host (hệ thống đầu cuối)” là gì?

Thiết bị tính toán kết nối vào Internet và thực thi các ứng dụng mạng ở rìa mạng.

→ Thiết bị đầu cuối.

(Ví dụ: máy tính, điện thoại thông minh, máy chủ, thiết bị IoT).

Khái niệm Internet theo góc nhìn phần cứng / thực tế là gì?

"Mạng của các mạng" kết nối các ISP lại với nhau, bao gồm các host, các thiết bị chuyển mạch gói (router, switch) và các liên kết truyền thông.

Khái niệm Internet theo góc nhìn dịch vụ là gì?

Hạ tầng cung cấp dịch vụ truyền thông cho các ứng dụng phân tán (như web, streaming video, email), cung cấp giao diện lập trình ứng dụng (API) cho phép “gửi” và “nhận” tương tự như dịch vụ bưu chính.

Giao thức mạng (Protocol) định nghĩa những gì?

Cấu trúc, thứ tự của thông điệp gửi/nhận giữa các thành phần mạng, và các hành động thực hiện khi truyền hoặc nhận thông điệp.

→ Giao thức mạng (Protocol) quy định các quy tắc cho việc truyền tải dữ liệu và cách thức các máy tính giao tiếp trong mạng.

Tài liệu RFC và tổ chức IETF

RFC (Request for Comments) là các tài liệu tiêu chuẩn kỹ thuật chính thức của Internet.

IETF (Internet Engineering Task Force) là tổ chức chịu trách nhiệm phát triển và chuẩn hóa các tài liệu này.

Trình tự trao đổi giao thức cơ bản khi tải một trang web

Yêu cầu kết nối TCP (TCP connection request) → phản hồi kết nối TCP (TCP connection response) → yêu cầu tải tài nguyên (HTTP GET) → máy chủ phản hồi gửi dữ liệu file.

3 thành phần cấu trúc chính của mạng Internet

1. Mạng biên (Network edge): Các host và ứng dụng mạng.

2. Mạng truy cập & đường truyền vật lý (Access networks & physical media): Kết nối host với mạng lõi.

3. Mạng lõi (Network core): Các router kết nối với nhau tạo thành mạng của các mạng.

Mạng HFC (Hybrid Fiber-Coax) (Đồng trục sợi lai)

Hệ thống mạng lai ghép giữa cáp quang và cáp đồng trục;

Đặc điểm: dùng chung đường truyền (shared medium) và băng thông bất đối xứng (tốc độ tải xuống cao hơn nhiều so với tốc độ tải lên); các hộ chia sẻ mạng truy cập đến cable headen.

Kỹ thuật FDM (Frequency-Division Multiplexing) trong mạng truyền hình cáp

Ghép kênh phân chia theo tần số: chia phổ tần số của một đường truyền vật lý thành nhiều dải tần độc lập để truyền đồng thời các kênh truyền hình, dữ liệu và điều khiển.

Thiết bị CMTS (Cable Modem Termination System) làm nhiệm vụ gì?

Thiết bị đặt tại trạm đầu cuối mạng cáp (cable headend), đóng vai trò cầu nối chuyển đổi lưu lượng giữa mạng cáp thuê bao và mạng của nhà cung cấp ISP.

Cơ chế hoạt động của mạng truy cập DSL (Digital Subscriber Line)

Tận dụng đường dây điện thoại đồng chuyên dụng nối tới DSLAM tại tổng đài viễn thông; tín hiệu thoại và dữ liệu số được truyền đồng thời trên các dải tần số khác nhau.

Các thành phần cơ bản trong mạng gia đình điển hình

Cable/DSL modem, router tích hợp tường lửa và bộ dịch địa chỉ mạng (NAT), điểm truy cập không dây (WiFi access point) và các cổng chuyển mạch Ethernet có dây.

So sánh mạng WLAN (WiFi) và mạng tế bào diện rộng (Cellular 4G/5G)

• WiFi: Phạm vi ngắn ($\approx 30\,\text{m}$), băng thông cao ($11\text{--}450\,\text{Mb/s}$), thường triển khai cục bộ trong nhà.

• Cellular: Phạm vi diện rộng (hàng chục km), do nhà mạng viễn thông vận hành phủ sóng di động.

Công nghệ chủ đạo trong mạng doanh nghiệp (Enterprise network)

Kết hợp mạng có dây và không dây thông qua hệ thống switch và router, sử dụng Ethernet tốc độ cao ($100\,\text{Mb/s}$, $1\,\text{Gb/s}$, $10\,\text{Gb/s}$) kết hợp các điểm truy cập WiFi.

Đặc điểm của mạng trung tâm dữ liệu (Data Center Network)

Hệ thống các liên kết băng thông cực cao ($10\text{--}100\,\text{Gb/s}$) kết nối hàng nghìn máy chủ với nhau và với Internet để phục vụ khối lượng tính toán lớn.

Cách thức host gửi gói tin và công thức tính trễ truyền dẫn ($d_{\text{trans}}$)

Host chia thông điệp thành các gói kích thước $L$ bit và đẩy vào liên kết với tốc độ $R$ bit/s.

Thời gian truyền gói tin được tính bằng $d_{\text{trans}} = \frac{L}{R}$ .

Cáp xoắn đôi (Twisted-Pair - TP)

Môi trường truyền dẫn gồm các cặp dây đồng bọc cách điện xoắn lại để giảm nhiễu.

(Ví dụ: chuẩn Cat 5 hỗ trợ $100\,\text{Mbps}$ – $1\,\text{Gbps}$, Cat 6 hỗ trợ tới $10\,\text{Gbps}$).

Cáp đồng trục (Coaxial Cable)

Môi trường truyền dẫn gồm hai dây dẫn đồng tâm, hỗ trợ truyền hai chiều và băng thông rộng với nhiều kênh tần số trên cùng một sợi cáp, hàng trăm Mb/s mỗi kênh.

Cáp quang (Fiber Optic)

Sợi thủy tinh mỏng truyền các xung ánh sáng (mỗi xung tương ứng với một bit); có tốc độ cực cao, tỷ lệ lỗi thấp, khoảng cách truyền xa và hoàn toàn không bị nhiễu điện từ.

Đặc điểm của môi trường truyền vô tuyến không dây (Wireless Radio)

Không cần đường truyền vật lý, tín hiệu truyền dưới dạng quảng bá (broadcast), hoạt động bán song công và chịu ảnh hưởng lớn bởi phản xạ, vật cản và can nhiễu.

Nguyên lý chuyển mạch gói (Packet Switching)

Thông điệp được chia nhỏ thành các gói (packet); mạng thực hiện chuyển tiếp từng gói từ router này sang router khác trên cơ sở dùng chung tài nguyên đường truyền.

Phân biệt định tuyến (Routing) và chuyển tiếp (Forwarding)

• Routing: Hành động toàn cục (global) chạy thuật toán định tuyến để xác định đường đi tối ưu từ nguồn đến đích.

• Forwarding: Hành động cục bộ (local) của router tra bảng chuyển tiếp để đẩy gói từ cổng vào sang cổng ra tương ứng.

Cơ chế lưu và chuyển tiếp (Store-and-forward)

Router phải nhận đầy đủ toàn bộ gói tin vào bộ đệm trước khi có thể bắt đầu truyền bit đầu tiên sang liên kết tiếp theo.

Nguyên nhân gây ra hàng đợi và mất gói

Xảy ra khi tốc độ gói tin đến vượt quá dung lượng xử lý hoặc tốc độ truyền của cổng ra; các gói phải xếp hàng trong bộ đệm và sẽ bị hủy (drop) nếu bộ đệm bị đầy.

Chuyển mạch kênh (Circuit Switching)

Phương thức dành riêng một phần tài nguyên mạng (băng thông, khe thời gian) cố định cho cuộc gọi trong suốt phiên truyền thông; tài nguyên không được dùng chung, hiệu suất được đảm bảo và bị lãng phí khi rảnh rỗi.

→ Dùng trong mạng điện thoại truyền thống.

Phân biệt FDM và TDM trong phân bổ tài nguyên

• FDM: Chia phổ tần số thành các dải tần riêng biệt cho mỗi kết nối trong suốt thời gian truyền.

• TDM: Chia thời gian thành các khe (time slots) luân phiên, mỗi kết nối được sử dụng toàn bộ băng thông trong khe thời gian của mình.

Ưu và nhược điểm của chuyển mạch gói đối với lưu lượng dạng cụm (bursty data)

• Ưu điểm: Chia sẻ tài nguyên linh hoạt, hiệu quả sử dụng cao, không mất thời gian thiết lập phiên.

• Nhược điểm: Dễ dẫn đến nghẽn mạng, gây trễ dao động và mất gói tin khi lưu lượng tăng đột biến.

Lý do không thể kết nối trực tiếp tất cả các ISP truy cập với nhau

Số lượng liên kết cần thiết sẽ tăng theo cấp số nhân ($O(N^2)$ ), làm cho hệ thống trở nên quá tốn kém, phức tạp và không thể mở rộng quy mô.

Khái niệm điểm IXP và Peering link

• IXP (Internet Exchange Point): Điểm nút vật lý tập trung nơi các ISP kết nối trao đổi lưu lượng với nhau.

• Peering link: Đường truyền trực tiếp giữa hai ISP ngang hàng để chuyển tiếp lưu lượng mà không phải trả phí trung gian.

Cấu trúc phân cấp ở trung tâm mạng Internet hiện nay

Gồm một số ít các nhà cung cấp Tier-1 ISP liên kết toàn cầu, kết hợp với các mạng phân phối nội dung lớn (như Google, Meta) triển khai mạng riêng kết nối thẳng đến các trung tâm dữ liệu mà không qua Tier-1.

Công thức tổng độ trễ tại một nút mạng ($d_{\text{nodal}}$ )

$$d_{\text{nodal}} = d_{\text{proc}} + d_{\text{queue}} + d_{\text{trans}} + d_{\text{prop}}$$

Trong đó gồm: trễ xử lý nút, trễ xếp hàng, trễ truyền dẫn và trễ lan truyền vật lý.

Phân biệt trễ truyền ($d_{\text{trans}}$) và trễ lan truyền ($d_{\text{prop}}$)

• Trễ truyền ($d_{\text{trans}} = \frac{L}{R}$): Thời gian cần để đẩy toàn bộ các bit của gói tin vào liên kết.

• Trễ lan truyền ($d_{\text{prop}} = \frac{d}{s}$): Thời gian một bit di chuyển vật lý qua quãng đường $d$ với vận tốc lan truyền $s \approx 2 \times 10^8\,\text{m/s}$.

Cường độ lưu lượng (Traffic Intensity)

Tỉ số $\frac{L \times a}{R}$ (với $a$ là tốc độ gói đến, $L$ là độ dài gói, $R$ là tốc độ truyền).

Khi tỉ số tiến gần tới $1$, trễ xếp hàng tăng vọt.

Khi vượt quá $1$, hàng đợi bị tràn và trễ tiến tới vô hạn.

Công cụ Traceroute

Đo độ trễ từ nguồn đến từng router trên lộ trình: gửi 3 gói đến router thứ i (TTL = i), router phản hồi, bên gửi đo thời gian.

Dấu * * * là không phản hồi (mất gói hoặc router không trả lời).

Thông lượng mạng (Throughput)

Tốc độ truyền dữ liệu thành công từ nút nguồn tới nút đích tính trên một đơn vị thời gian (bit/giây), có thể xét dưới dạng thông lượng tức thời hoặc thông lượng trung bình.

Liên kết nghẽn (Bottleneck link)

Liên kết có tốc độ truyền dẫn nhỏ nhất trên toàn bộ đường truyền từ nguồn đến đích, đóng vai trò giới hạn thông lượng tối đa của toàn bộ phiên truyền.

($\text{Throughput} = \min(R_1, R_2, \dots, R_n)$)

5 tầng trong mô hình ngăn xếp giao thức Internet

1. Tầng ứng dụng (Application): HTTP, SMTP, DNS

2. Tầng giao vận (Transport): TCP, UDP

3. Tầng mạng (Network): IP, các giao thức định tuyến

4. Tầng liên kết (Data Link): Ethernet, WiFi

5. Tầng vật lý (Physical): Truyền dòng bit nhị phân qua môi trường

Cơ chế đóng gói dữ liệu (Encapsulation) và lợi ích của kiến trúc phân tầng

Mỗi tầng nhận dữ liệu tầng trên và bổ sung header riêng ($\text{Data} \rightarrow \text{Segment} \rightarrow \text{Datagram} \rightarrow \text{Frame}$) M → Ht + M (segment) → Hn + Ht + M (datagram) → Hl + Hn + Ht + M (frame).

→ Kiến trúc này giúp hệ thống mạng được mô-đun hóa, dễ dàng bảo trì và thay đổi công nghệ ở từng tầng mà không ảnh hưởng toàn bộ hệ thống.