Mạng máy tính

Mạng máy tính là mạng viễn thông kỹ thuật số cho phép các nút mạng chia sẻ tài nguyên. Trong các mạng máy tính, các thiết bị máy tính trao đổi dữ liệu với nhau bằng các kết nối (liên kết dữ liệu) giữa các nút. Các liên kết dữ liệu này được thiết lập qua cáp mạng như dây hoặc cáp quang hoặc phương tiện không dây như Wi-Fi.
Các thiết bị máy tính mạng làm nhiệm vụ khởi động, định tuyến và chấm dứt dữ liệu được gọi là các nút mạng. Các nút thường được xác định bởi địa chỉ mạng và có thể bao gồm máy chủ mạng như máy tính cá nhân, điện thoại và máy chủ, cũng như phần cứng mạng như bộ định tuyến và chuyển mạch. Hai thiết bị như vậy có thể được cho là được kết nối với nhau khi một thiết bị có thể trao đổi thông tin với thiết bị kia, cho dù chúng có kết nối trực tiếp với nhau hay không. Trong hầu hết các trường hợp, các giao thức truyền thông dành riêng cho ứng dụng được xếp lớp (nghĩa là mang theo trọng tải) so với các giao thức truyền thông chung khác. Bộ sưu tập công nghệ thông tin ghê gớm này đòi hỏi phải có những người quản lý mạng lành nghề để giữ cho tất cả hệ thống mạng hoạt động tốt.
Mạng máy tính hỗ trợ một số lượng lớn các ứng dụng và dịch vụ như truy cập vào World Wide Web, video kỹ thuật số, âm thanh kỹ thuật số, sử dụng chung các máy chủ lưu trữ và ứng dụng, máy in và máy fax, và sử dụng email và ứng dụng nhắn tin tức thời cũng như nhiều ứng dụng khác. Mạng máy tính khác nhau về cách thức truyền tin được sử dụng để mang tín hiệu, giao thức truyền thông để tổ chức lưu lượng mạng, kích thước của mạng, cấu trúc liên kết, cơ chế điều khiển lưu lượng và ý định tổ chức mạng. Mạng máy tính nổi tiếng nhất là Internet.

Lịch sử

Máy tính của thập niên 1940 là các thiết bị cơ-điện tử lớn và rất dễ hỏng. Sự phát minh ra transistor bán dẫn vào năm 1947 tạo ra cơ hội để làm ra chiếc máy tính nhỏ và đáng tin cậy hơn.
Năm 1950, các máy tính lớn mainframe chạy bởi các chương trình ghi trên thẻ đục lỗ (punched card) bắt đầu được dùng trong các học viện lớn. Điều này tuy tạo nhiều thuận lợi với máy tính có khả năng được lập trình nhưng cũng có rất nhiều khó khăn trong việc tạo ra các chương trình dựa trên thẻ đục lỗ này.
Vào cuối thập niên 1950, người ta phát minh ra mạch tích hợp (IC) chứa nhiều transistor trên một mẫu bán dẫn nhỏ, tạo ra một bước nhảy vọt trong việc chế tạo các máy tính mạnh hơn, nhanh hơn và nhỏ hơn. Đến nay, IC có thể chứa hàng triệu transistor trên một mạch.
Vào cuối thập niên 1960, đầu thập niên 1970, các máy tính nhỏ được gọi là minicomputer bắt đầu xuất hiện.
Năm 1977, công ty máy tính Apple Computer giới thiệu máy vi tính còn được gọi là máy tính cá nhân (personal computer - PC).
Năm 1981, IBM đưa ra máy tính cá nhân đầu tiên. Sự thu nhỏ ngày càng tinh vi hơn của các IC đưa đến việc sử dụng rộng rãi máy tính cá nhân tại nhà và trong kinh doanh.
Vào giữa thập niên 1980, người sử dụng dùng các máy tính độc lập bắt đầu chia sẻ các tập tin bằng cách dùng modem kết nối với các máy tính khác. Cách thức này được gọi là điểm nối điểm, hay truyền theo kiểu quay số. Khái niệm này được mở rộng bằng cách dùng các máy tính là trung tâm truyền tin trong một kết nối quay số. Các máy tính này được gọi là sàn thông báo (bulletin board). Các người dùng kết nối đến sàn thông báo này, để lại đó hay lấy đi các thông điệp, cũng như gửi lên hay tải về các tập tin. Hạn chế của hệ thống là có rất ít hướng truyền tin, và chỉ với những ai biết về sàn thông báo đó. Ngoài ra, các máy tính tại sàn thông báo cần một modem cho mỗi kết nối, khi số lượng kết nối tăng lên, hệ thống không thề đáp ứng được nhu cầu.
Qua các thập niên 1950, 1970, 1980 và 1990, Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ đã phát triển các mạng diện rộng WAN có độ tin cậy cao, nhằm phục vụ các mục đích quân sự và khoa học. Công nghệ này khác truyền tin điểm nối điểm. Nó cho phép nhiều máy tính kết nối lại với nhau bằng các đường dẫn khác nhau. Bản thân mạng sẽ xác định dữ liệu di chuyển từ máy tính này đến máy tính khác như thế nào. Thay vì chỉ có thể thông tin với một máy tính tại một thời điểm, nó có thể thông tin với nhiều máy tính cùng lúc bằng cùng một kết nối. Sau này, WAN của Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ đã trở thành Internet.

Mô hình tính toán tập trung (Centralized computing)

Toàn bộ các tiến trình xử lý diễn ra tại máy tính trung tâm. Các máy trạm cuối (Terminals) được nối mạng với máy tính trung tâm và chỉ hoạt động như những thiết bị nhập xuất dữ liệu cho phép người dùng xem trên màn hình và nhập liệu qua bàn phím. Các máy trạm đầu cuối không lưu trữ và xử lý dữ liệu. Mô hình tính toán mạng trên có thể triển khai trên hệ thống phần cứng hoặc phần mềm được cài đặt trên máy chủ (Server).
Ưu điểm: Dữ liệu bảo mật an toàn, dễ sao lưu, dễ diệt virus và chi phí cài đặt thấp.
Khuyết điểm: Khó đáp ứng được các yêu cầu của nhiều ứng dụng khác nhau, tốc độ truy xuất chậm.

Mô hình tính toán phân tán (Distributed computing)

Các máy tính có khả năng hoạt động độc lập, các công việc được tách nhỏ và giao cho nhiều máy tính khác nhau trong mạng thay vì tập trung xử lý trên máy trung tâm. Tuy dữ liệu được xử lý và lưu trữ tại máy cục bộ nhưng các máy tính này được nối mạng với nhau nên chúng có thể trao đổi dữ liệu và các dịch vụ.
Ưu điểm: Truy xuất nhanh, phần lớn không giới hạn các ứng dụng.
Khuyết điểm: Dữ liệu lưu trữ rời rạc khó đồng bộ, sao lưu và rất dễ nhiễm virus.

Mô hình tính toán cộng tác (Collaborative computing)

Mô hình tính toán mạng cộng tác bao gồm nhiều máy tính có thể hợp tác để thực hiện một công việc. Một máy tính này có thể mượn năng lực tính toán, xử lý của máy tính khác bằng cách chạy các chương trình trên các máy tính nằm trong mạng.
Ưu điểm: Xử lý rất nhanh và mạnh, có thể dùng để chạy các ứng dụng có các phép toán lớn, xử lý dữ liệu lớn. Ví dụ: bẻ khóa các hệ mã, tính toán ADN,...
Khuyết điểm: Các dữ liệu được lưu trữ trên các vị trí khác nhau nên rất khó đồng bộ và sao lưu, khả năng nhiễm virus rất cao.

Mạng kết hợp (Mesh Network)

Kết hợp hình sao và tuyến tính (Star Bus Network): Cấu hình mạng dạng này có bộ phận tách tín hiệu (splitter) giữ vai trò thiết bị trung tâm, hệ thống dây cáp mạng cấu hình là Star Topology và Linear Bus Topology. Lợi điểm của cấu hình này là mạng có thể gồm nhiều nhóm làm việc ở cách xa nhau, ARCNET là mạng dạng kết hợp Star Bus Network. Cấu hình dạng này đưa lại sự uyển chuyển trong việc bố trí đường dây tương thích dễ dàng đối với bất cứ toà nhà nào.
Kết hợp hình sao và vòng (Star Ring Network): Cấu hình dạng kết hợp Star Ring Network, có một "thẻ bài" liên lạc (Token) được chuyển vòng quanh một cái HUB trung tâm. Mỗi trạm làm việc được nối với HUB – là cầu nối giữa các trạm làm việc và để tǎng khoảng cách cần thiết.

Mạng chuyển mạch thông báo (Message Switching Network)

Không giống chuyển mạch kênh, chuyển mạch thông báo không thiết lập liên kết dành riêng giữa hai trạm giao tiếp mà thay vào đó mỗi thông báo được xem như một khối độc lập bao gồm cả địa chỉ nguồn và địa chỉ đích. Mỗi thông báo sẽ được truyền qua các trạm trong mạng cho đến khi nó đến được địa chỉ đích, mỗi trạm trung gian sẽ nhận và lưu trữ thông báo cho đến khi trạm trung gian kế tiếp sẵn sàng để nhận thông báo sau đó nó chuyển tiếp thông báo đến trạm kế tiếp, chính vì lý do này mà mạng chuyển mạch thông báo còn có thể được gọi là mạng lưu và chuyển tiếp (Store and Forward Network). Một ví dụ điển hình về kỹ thuật này là dịch vụ thư điện tử (e-mail), nó được chuyển tiếp qua các trạm cho đến khi tới được đích cần đến.
Ưu điểm là cung cấp một sự quản lý hiệu quả hơn đối với sự lưu thông của mạng, bằng cách gán các thứ tự ưu tiên cho các thông báo và đảm bảo các thông báo có độ ưu tiên cao hơn sẽ được lưu chuyển thay vì bị trễ do quá trình lưu thông trên mạng; giảm sự tắc nghẽn trên mạng, các trạm trung gian có thể lưu giữ các thông báo cho đến khi kênh truyền rảnh mới gửi thông báo đi; tăng hiệu quả sử dụng kênh truyền, với kỹ thuật này các trạm có thể dùng chung kênh truyền.
Nhược điểm là độ trễ do việc lưu trữ và chuyển tiếp thông báo là không phù hợp với các ứng dụng thời gian thực, Các trạm trung gian phải có dung lượng bộ nhớ rất lớn để lưu giữ các thông báo trước khi chuyển tiếp nó tới một trạm trung gian khác (kích thước của các thông báo không bị hạn chế).

Mô hình mạng Workgroup

Mô hình mạng Workgroup là một nhóm máy tính mạng cùng chia sẻ tài nguyên như file dữ liệu, máy in. Nó là một nhóm lôgíc của các máy tính mà tất cả chúng có cùng tên nhóm. Có thể có nhiều nhóm làm việc (workgroups) khác nhau cùng kết nối trên một mạng cục bộ (LAN).
Mô hình mạng Workgroup cũng được coi là mạng peer-to-peer bởi vì tất cả các máy trong workgroup có quyền chia sẻ tài nguyên như nhau mà không cần sự chỉ định của Server. Mỗi máy tính trong nhóm tự bảo trì, bảo mật cơ sở dữ liệu cục bộ của nó. Điều này có nghĩa là, tất cả sự quản trị về tài khoản người dùng, bảo mật cho nguồn tài nguyên chia sẻ không được tập trung hóa. Bạn có thể kết nối tới một nhóm đã tồn tại hoặc khởi tạo một nhóm mới.
Ưu điểm là Workgroups không yêu cầu máy tính chạy trên hệ điều hành Windows Server để tập trung hóa thông tin bảo mật; workgroups thiết kế và hiện thực đơn giản và không yêu cầu lập kế hoạch có phạm vi rộng và quản trị như domain yêu cầu; workgroups thuận tiện đối với nhóm có số máy tính ít và gần nhau (≤ 10 máy).
Nhược điểm là mỗi người dùng phải có một tài khoản người dùng trên mỗi máy tính mà họ muốn đăng nhập; bất kỳ sự thay đổi tài khoản người dùng, như là thay đổi mật khẩu hoặc thêm tài khoản người dùng mới, phải được làm trên tất cả các máy tính trong Workgroup, nếu bạn quên bổ sung tài khoản người dùng mới tới một máy tính trong nhóm thì người dùng mới sẽ không thể đăng nhập vào máy tính đó và không thể truy xuất tới tài nguyên của máy tính đó; việc chia sẻ thiết bị và file được xử lý bởi các máy tính riêng, và chỉ cho người dùng có tài khoản trên máy tính đó được sử dụng.

Băng thông (Bandwidth - B)

Trong công nghệ máy tính, băng thông là đại lượng được dùng để chỉ một khối lượng dữ liệu có thể truyền tải được trong một thời gian nhất định. Đối với các thiết bị kỹ thuật số, băng thông được tính với đơn vị bps (bit mỗi giây) hay Bps (byte mỗi giây).

Độ trễ (Latency - L)

Độ trễ là khoảng thời gian chuyển một thông điệp từ nút này đến nút khác trong hệ thống mạng.

Thông lượng (Throughput – T)

Thông lượng là lượng dữ liệu đi qua đường truyền trong một đơn vị thời gian. Hay thông lượng là băng thông thực sự mà các ứng dụng mạng được sử dụng trong một thời gian cụ thể (thông lượng có thể được biến đổi theo thời gian).
Thông lượng thường nhỏ hơn nhiều so với băng thông tối đa có thể có của môi trường truyền dẫn được sử dụng (Throughput ≤ Bandwidth).
Thông lượng của mạng máy tính phụ thuộc vào các yếu tố như khoảng cách liên kết, môi trường truyền dẫn, các công nghệ mạng, dạng dữ liệu được truyền, số lượng người dùng trên mạng, máy tính người dùng, máy chủ, …

Các mô hình mạng điển hình

Các mô hình dưới đây, TCP/IP và OSI là các tiêu chuẩn, không phải là các bộ lọc hay phần mềm tạo giao thức.

ATM

ATM(Asynchronous Transfer Mode) là công nghệ chuyển mạch gói tương thích với mọi loại hình dịch vụ hiện nay. Nó được dùng trong cả mạng truy nhập lẫn mạng lõi. Hoạt động ở tầng 2 datalink của OSI
-Dữ liệu cần gởi được chia thành các gói có độ dài cố định là 53 bytes, được gọi là một tế bào (cell).

X.25

X.25 là một giao thức đã được công nhận bởi CCITT (viết tắt từ tiếng Anh: Consultative Committee for International Telegraph and Telephone, nghĩa là Hội đồng Tham Vấn về Điện Thoại và Điện Tín Quốc tế). Giao thức này là giao thức rất phổ biến được đưa ra nhằm bảo đảm sự nguyên vẹn của dữ liệu khi di chuyển trong mạng. Nó định nghĩa sự kết nối với nhau của nhiều mạng dùng kỹ thuật nối chuyển gói với các máy tính liên hệ hoặc các đầu ra. X.25 cho phép các máy tính của nhiều mạng công cộng khác nhau có thể liên lạc xuyên qua một máy tính trung gian ở tầng network.

Frame relay

Frame relay là một giao thức về nối chuyển gói dùng cho việc nối các thiết bị trong WAN. Giao thức này được tạo ra để dùng trong môi trường có vận tốc rất nhanh và khả năng bị lỗi ít. Ở Mỹ, nó hỗ trợ vận tốc T-1 (hay DS1) lên đến 1.544 Mbps. Thực ra, frame relay cơ bản dựa trên giao thức cũ là X.25. Sự khác nhau ở đây, frame relay là kỹ thuật "gói nhanh" (fast-packet) và kỹ thuật này sẽ không tiến hành điều chỉnh lỗi. Khi lỗi tìm ra, thì nó chỉ đơn giản huỷ bỏ gói có lỗi đi. Các đầu cuối chịu trách nhiệm cho việc phát hiện lỗi và yêu cầu gửi lại gói đã hủy bỏ.

ARPANET

ARPANET là mạng kiểu WAN, nse) khởi xướng đầu thập niên 1960 nhằm tạo ra một mạng có thể tồn tại với chiến tranh hạt nhân lúc đó có thể xảy ra giữa Mỹ và Liên Xô. Chữ ARPANET là từ chữ Advance Research Project Agency và chữ NET viết hợp lại. Đây là một trong những mạng đầu tiên dùng kỹ thuật nối chuyển gói, nó bao gồm các mạng con và nhiều máy chính. Các mạng con thì được thiết kế dùng các minicomputer gọi là các IMP, hay Bộ xử lý mẫu tin giao diện, (từ chữ Interface Message Processor) để bảo đảm khả năng truyền thông, mỗi IMP phải nối với ít nhất hai IMP khác và gọi các phần mềm của các mạng con này là giao thức IMP-IMP. Các IMP nối nhau bởi các tuyến điện thoai 56 Kbps sẵn có. ARPANET đã phát triển rất mạnh bởi sự ủng hộ của các đại học. Nhiều giao thức khác đã được thử nghiệm và áp dụng trên mạng này trong đó quan trọng là việc phát minh ra giao thức TCP/IP dùng trong các LAN nối với ARPANET. Đến 1983, ARPANET đã chứng tỏ sự bền bỉ và thành công bao gồm hơn 200 IMP và hàng trăm máy chính. Cũng trong thập niên 1980, nhiều LAN đã nối vào ARPANET và thiết kế DNS, hay hệ thống đặt tên miền, (từ chữ Domain Naming System) cũng ra đời trên mạng này trước tiên. Đến 1990 thì mạng này mới hết được sử dụng. Đây được xem là mạng có tính cách lịch sử là tiền thân của Internet.

NFSNET

Vào 1984 thì tổ chức National Science Foundation của Hoa Kỳ (gọi tắt là NSF) đã thiết kế nhằm phục vụ cho nhu cầu nghiên cứu và thông tin giữa các đại học bao gồm 6 siêu máy tính từ nhiều trung tâm trải rộng trong Hoa Kỳ. Đây là mạng WAN đầu tiên dùng TCP/IP. Cuối thập niên 1990 thì kĩ thuật sợi quang (fiber optics) đã được áp dụng. Tháng 12 năm 1991 thì mạng National Research and Educational Network ra đời để thay cho NSFNET và dùng vận tốc đến hàng giga bit. Đến 1995 thì NSFNET không còn cần thiết nữa.