Mô hình OSI và TCP/IP

Mô hình OSI

1. Lịch sử mô hình OSI

Mô hình OSI (Open Systems Interconnection) hay còn gọi là mô hình 7 lớp được International Organization for Standardization (OSI) đưa ra vào năm 1971 với mục tiêu là nhắm đến việc kết nối các sản phẩm của các hãng sản xuất khác nhau, phá vỡ sự độc quyền trong sản xuất, (Ví dụ: Máy IBM chỉ có thể nói chuyện với máy IBM, máy IBM chỉ có thể sử dụng ứng dụng và phần mềm do IBM cung cấp…) và phối hợp các hoạt động chuẩn hóa trong các lĩnh vực viễn thông và hệ thống thông tin.Năm 1984 mô hình tham chiếu OSI chính thức được đưa ra giới thiệu và được ghi trong tiêu chuẩn ISO/IEC 7498-1.

1.2     Mụcđích của mô hình OSI

1.3       Tầng vật lý (Physical Layer)

Tầng vật lý có các chức năng chính sau.

§  Tầng vật lý định nghĩa tất cả các đặc tả về điện và vật lý cho các thiết bị.Trong đó bao gồm việc bố trí các chân cắm(pin),các hiệu điện thế và các chuẩn về cáp (cable).Một số thiết bị tầng vật lý như bộ tập trung (Hub),bộ lặp (repeater),thiết bị tiếp hợp (network adapter)…

§  Thiết lập hoặc ngắt mạch kết nối điện (electrical connection) với một môi trường truyền dẫn phương tiện truyền thông (transmission medium).

§  Tham gia vào quy trình mà trong đó các tài nguyên truyền thông được chia sẻ hiệu quả giữa nhiều người dùng, chẳng hạn giải quyết tranh chấp tài nguyên (contention) và điều khiển lưu lượng.

§  Điều biến hoặc biến đổi giữa các kiểu dữ liệu bằngtín hiệu kỹ thuật số của các thiết bị người dùng và các tín hiệutương tự được truyền qua kênh truyền thông.

Các quá trình truyền các gói tin trên một liên kết cho trước và nhận các gói tin từ một liên kết cho trước có thể được điều khiển cả trong phần mềmđiều khiển thiết bị (device driver) dành cho cạc mạng, cũng như trong phần sụn (firmware) hay các chipset chuyên dụng. Những thứ đó sẽ thực hiện các chức năng liên kết dữ liệu chẳng hạn như bổ sung một nhãn mào đầu (packet header) để chuẩn bị cho việc truyền gói tin đó, rồi thực sự truyền frame dữ liệu qua một môi trường vật lý.

Dữ liệu hoạt động trong lớp này gọi là Bit.
1.4     Tầng liên kết dữ liệu (Data-Link)

Tầng liên kết dữ liệu cung cấp các phương tiện có tính chức năng và quy trình để truyền dữ liệu giữa các thực thể mạng, phát hiện và có thể sửa chữa các lỗi trong tầng vật lý nếu có. Cách đánh địa chỉ mang tính vật lý, nghĩa là địa chỉ MAC được mã hóa cứng vào trong các thẻ mạng (network card) khi chúng được sản xuất. Hệ thống xác định địa chỉ này không được phân cấp (flat scheme),ví dụ điển hình nhất là môi trườngEthernet. Trong các mạng cục bộ theo tiêu chuẩn IEEE 802 và một số mạng theo tiêu chuẩn khác, chẳng hạn FDDI, tầng liên kết dữ liệu được chia ra thành gồm 2 tầng con: tầng MAC (Media Access Control - Điều khiển truy nhập đường truyền) và tầng LLC (Logical Link Control - Điều khiển liên kết lôgic) theo tiêu chuẩn IEEE 802.2.

Tầng liên kết dữ liệu chính là nơi mà các thiết bị chuyển mạch (switches) hoạt động. Kết nối chỉ được cung cấp giữa các nút mạng được nối nội bộ với nhau.

Dữ liệuở tầng này được gọi là khung truyền (Frame).
1.5     Tầng mạng (Network)

Tầng mạng cung cấp các chức năng và qui trình cho việc truyền các chuỗi dữ liệu có độ dài khác nhau, từ một nguồn tới một đích, thông qua một hoặc nhiều mạng, trong khi vẫn duy trì chất lượng dịch vụ (quality of service) mà tầng giao vận yêu cầu, chịu trách nhiệm xây dựng các tuyến đường đi tốt nhất cho dữ liệu. Tầng mạng thực hiện chức năng định tuyến.Các thiết bị định tuyến (router) hoạt động tại tầng này, gửi dữ liệuđịnh tuyến ra khắp mạng mở rộng, làm cho khả năng liên kết giữa các mạng trở nên khả thi. IP là giao thức nền tảng cho các hoạt động của tầng mạng. Dữ liệuở tầng này gọi là gói tin (Packet).

Giao thức IP(Internet Protocol) có các chức năng

§  Định nghĩa cấu trúc các gói dữ liệu là đơn vị cơ sở cho việc truyền dữ liệu trên internet

§  Định nghĩa phương thức đánh địa chỉ IP

§  Truyền dữ liệu giữa tầng vận chuyển và tầng mạng

§  Định tuyến để truyền các gói dữ liệu trong mạng

Thực hiện việc phân mảnh và hợp nhất các gói dữ liệu và nhúng/tách chúng trong các gói dữ liệu ở tầng liên kết.
1.6    Tầng giao vận (Transport)

Tầng giao vận cung cấp dịch vụ chuyển dữ liệu giữa các người dùng tại đầu cuối (end to end). Tầng giao vận kiểm soát độ tin cậy của một kết nối được cho trước, thiết lập, duy trì, kết thúc các đường mạch ảo. Tầng giao vận có thể theo dõi quá trình truyền các gói tin và truyền lại các gói bị rớt.

Việc truyền thông điệp trực tiếp hay gián tiếp kết nối các ứng dụng tại tầng giao vận có thể được phân loại như sau:

§  Định hướng kết nối (connection-oriented), ví dụ TCP.

§  Phi kết nối (connectionless), ví dụ UDP.

TCP và UDP là hai giao thức nền tảng của tầng giao vận.Để phân biệt các lưu lượng của cácứng dụng khác nhau người ta sử dụng cổng (port). Dữ liệuở tầng này được gọi là segments, nếu được truyền bằng giao thức TCP và được gọi là datagram nếu được truyền bằng giao thưc UDP.

Tầng giao vận cung cấp dịch vụ kết nối các ứng dụng với nhau thông qua việc sử dụng các cổng TCP và UDP. Do IP chỉ cung cấp dịch vụ phát chuyển nỗ lực tối đa (best effort delivery), tầng giao vận là tầng đâu tiên giải quyết vấn đề độ tin cậy.
1.7  Tầng phiên (Session)

Tầng phiên kiểm soát các phiên hội thoại giữa các máy tính. Tầng này thiết lập, quản lý và kết thúc các kết nối giữa trình ứng dụng đang chạy trên máy và trình ứng dụng trên máy ở đầu bên kia. Tầng phiên thiết lập,quản lý và giải phóng các phiên làm việc. Mô hình OSI uỷ nhiệm cho tầng phiên chịu trách nhiệm "ngắt mạch nhẹ nhàng" (graceful close) các phiên giao dịch và kiểm tra và phục hồi phiên.
1.8      Tầng trình diễn (Presentation)

          Tầng này trên máy tính truyền dữ liệu làm nhiệm vụ dịch dữ liệu được gửi xuống từ tầng ứng dụng sangđịnh dạng chung và tại máy tính nhận, tầng này lại chuyển từ định dạng chung sang định dạng của tầng ứng dụng. Tầng thực hiện các chức năng chính sau:

- Dịch dữ liệu để 2 bên kết nối có thể hiểu nhau, định dạng và cấu trúc lại dữ liệu.

- Nén dữ liệu để giảm lượng dữ liệu truyền trên mạng.

- Mã hoá và giải mã dữ liệu để đảm bảo sự bảo mật trên mạng.
1.9  Tầng ứng dụng(Application)

Tầng ứng dụng là tầng gần với người sử dụng nhất vàlà nơi các chương trình mạng thường dùng nhất làm việc nhằm liên lạc giữa các nút trong một mạng. Nó cung cấp phương tiện cho người dùng truy nhập các thông tin và dữ liệu trên mạng thông qua chương trình ứng dụng. Tầng này là giao diện chính để người dùng tương tác với chương trình ứng dụng và qua đó với mạng. Giao tiếp xảy ra trong tầng này là tùy theo các ứng dụng cụ thể và dữ liệu được truyền từ chương trình, trong định dạng được sử dụng nội bộ bởi ứng dụng này, và được đóng gói theo một giao thức tầng giao vận.

Dữ liệu thực để gửi qua mạng được truyền cho tầng ứng dụng, nơi nó được đóng gói theo giao thức tầng ứng dụng. Từ đó, dữ liệu được truyền xuống giao thức tầng thấp tại tầng giao vận.

Một số ví dụ về các ứng dụng trong tầng này bao gồm ứng dụng truyền tập tin, ứng dụng thư điện tử,ứng dụngweb HTTP, chat….
1.10    Hoạt Động Của Mô Hình OSI

§  Quá trình đóng gói dữ liệu gửi (Data Encapsulation)

Người gửi: Gửi một dữ liệu người dùng,dữ liệu này đi đầu tiên vào tầngứng dụng và được đóng thêm một nhãnởtầngưng dụng, sau đó đi xuống tầng trình diễn lúc này toàn bộ nội dung của gói tin ở tầngứng dụng trở thành data của gói tin tầng trình diễn và tầng trình diễn đóng thêm một nhãn vào gói tin, tương tự với các tầng còn lại, tức là toàn bộ gói tin tầng trên sẽ là dữ liệu gói tin tầng dưới, riêng tầng mạng sẽ được đóng IP header, còn tầng kết nối dữ liệu sẽ được đóng Frame header và bọc thêm phần kiễm tra lỗi FCS, sau khi gói tin đến tầng vật lý sẽ được chuyển sang dạng tín hiệu điện và được truyền dưới dạng bit 1 và bit 0.

§  Quá trình mở gói dữ liệu (Data Decapsulation)

Người Nhận: Lúc này quá trình diễn ra ngược lại so với quá trình người gửi, lúc này dòng bit nhị phân đi vào đường truyền vật lý và được đưa dần lên trên, đầu tiên khi đưa lên tầng liên kết dữ liệu nó sẽ được chuyển thành cấu trúc khung thành một đơn vị dữ liệu tầng liên kết dữ liệu, sau đó dữ liệu bắt đầu gỡ bỏ Frame header và FCS ở tầng liên kết dữ liệu để chuyển lên tầng mạng, tầng mạng tiếp tục gỡ bỏ IP header để chuyển lên tầng phiên cứ như thế mỗi lần đi lên lần lượt dữ liệu lại bỏ đi một header và cuối cùng khi đến tay người nhận thì nó trả lại nguyên vẹn dữ liệu ban đầu.

§  Quá trình truyền thông ngang hàng (peer to peer)

Quá trình truyền thông ngang hàng mô phỏng cuộc nói chuyện đồng cấp chứ không phải di chuyển từ trên suống, lúc này ta có tầngứng dụng như thể đang nói chuyện với ứng dụng vậy, tương tự cho các tầng còn lại, lúc này chúng ta có đơn vị dữ liệu của các kết nối ngang hàng là có tên riêng, đơn vị của tầng Giao vận là Segment hoạc Datagram, đơn vị của tầng Mạng là Packet, đơn vị của tầng Liên kết dữ liệu là Frame, đơn vị của tầng Vật lý là Bit.

2.   Mô hình TCP/IP

2.1       Lịch sử ra đời của mô hình TCP/IP

Tháng 3 năm 1982, Bộ quốc phòng Hoa Kỳ đã phê duyệt mô hình TCP/IP (Mô hình 4 lớp) thành một tiêu chuẩn cho toàn bộ mạng lưới vi tính truyền thông quốc Phòng.Vào năm 1985,Ủy ban kiến trúc internet (Internet Architecture Board) đã diễn ra buỗi hội thảo nhằm đưa TCP/IP ngày càng phổ biến trên thế giới.

 2.2  Mô hình TCP/IP

TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) được xem là giản lược của mô hình OSI với bốn lớp sau: Application (tích hợp 3 lớp trên cùng của mô hình OSI), Transport (tương đương với lớp Transport của OSI), Internet (tương đương với lớp Network nhưng chỉ sử dụng giao thức IP để định địa chỉ logic cho các máy tính) và Network Access (bao gồm 2 lớp dưới cùng của mô hình OSI).

Mô hình TCP/IP gọn nhẹ hơn mô hình tham chiếu OSI, đồng thời có những biến đổi phù hợp thực tế hơn. Ví dụ: lớp Vận chuyển của mô hình OSI quy định việc truyền dữ liệu phải đảm bảo độ tin cậy hoàn toàn. Tuy nhiên, một số ứng dụng mới phát triển sau này như Voice over IP, Video Conference (hội nghị truyền hình),… đòi hỏi tốc độ cao và cho phép bỏ qua một số lỗi nhỏ. Nếu vẫn áp dụng mô hình OSI vào thì độ trễ trên mạng rất lớn và không đảm bảo chất lượng dịch vụ. Trong khi đó, mô hình TCP/IP, ngoài giao thức chính của tầng Vận chuyển là TCP (Transmission Control Protocol), còn cung cấp thêm giao thức UDP (User Datagram Protocol) để thích ứng với các ứng dụng cần tốc độ cao.

2.3 Mô hình 5 lớp

Mô hình 5 tầng cũng là mô hình TCP/IP nhưng ở đây tầng Network Access không được kết hợp lại mà được giữ nguyên giống mô hình OSI ban đầu,mọi chức năng và hoạt động của mô hình 5 lớp diễn ra tương tự như mô hình 4 tầng,nhưng có nhiều trường hợp ngoại lệ lớp 1 của mô hình có thể là lớp vật lý (Physical) hoặc lớp thiết bị (Hardware).