Bài 2 Mô hình OSI (Open Systems Interconnection)

Bài 2 Mô hình OSI (Open Systems Interconnection) 1. Giới thiệu về OSI - Open Systems Interconnection – Mô hình liên kết các hệ thống mở. - Cần có các chuẩn để hỗ trợ sự tương tác giữa các nhà cung cấp thiết bị và khuyến khích sự tiết kiệm. Do sự phức tạp của truyền thông nên không có một chuẩn đơn nào là đầy đủ. - Các chức năng cần phải được chia nhỏ thành các phần để dễ dàng cho việc quản lý và tổ chức như là một kiến trúc truyền thông. Kiến trúc này sẽ tạo nên một khuân mẫu cho sự chuẩn hóa. - Trên cơ sở đó ISO (International Standardization Organization) đã đưa ra mô hình tham chiếu OSI. - Trong mô hình OSI cấu trúc kỹ thuật được lựa chọn là chia tầng. Các chức năng truyền thông đươc phân chia thành một tập hợp có thứ bậc của các tầng. Mỗi một tầng thực hiện một tập con các chức năng để liên kết với hệ thống khác. Mỗi một ầng phụ thuộc vào tầng thấp hơn kề nó để thực hiện các chức năng nguyên thủy (primitive functions) và che đậy các chi tiết của các chức năng này. Nó cung cấp dịch vụ cho tầng cao hơn kề nó. -Một cách lý tưởng hóa là các tầng nên được định nghĩa sao cho những thay đổi trong một tầng không đòi hỏi những thay đổi trong các tầng khác. - Các nguyên tắc được dùng để định nghĩa các tầng của OSI: + Không nên tạo quá nhiều tầng để giảm nhẹ nhiệm vụ mô tả và tích hợp các tầng. + Tạo các tầng riêng rẽ để quản lý các chức năng khác nhau trong quá trình xử lý. + Tập hợp các chức năng giống nhau vào cùng một tầng. + Tạo một tầng sao cho dễ dàng cục bộ hóa các chức năng để cho tầng này có thể dễ dàng được thiết kế lại một cách hoàn toàn và các giao thức của nó có thể được thay đổi để sử dụng các tiến bộ trong kiến trúc, phần cứng, và phần mềm mà không phải thay đổi các dịch vụ được cung cấp bởi tầng kề dưới nó và các dịch vụ mong đợi của tầng kề trên nó. + Cho phép thay đổi những chúc năng hoặc giao thức một trong tầng mà không ảnh hưởng tới các tầng khác. + Tạo một ranh giới tại một số điểm để có được sự tương tác tương ứng đã được chuẩn hóa. + Chỉ tạo ranh giới của mỗi tầng với các tầng liền kề nó + Khi cần thiết có thể tạo hai hay nhiều tầng con có đặc điểm chung và do đó tối thiểu hóa các chức năng để có thể tương tác với các tầng liền kề. + Cho phép bỏ qua các tầng con. 2. Dịch vụ cơ bản và tham số Các dịch vụ giữa các tầng liền kề trong kiến trúc OSI được diễn đạt bằng các thuật ngữ các cơ bản (nguyên thủy) và tham số. Một cơ bản chỉ ra chức năng cần phải thực hiện và các tham số được dùng để truyền dữ liệu và thông tin điều khiển. Có 4 kiểu cơ bản được dùng trong các chuẩn để định nghĩa sự tương tác giữa các tầng liền kề, đó là: + Request (Yêu cầu): Một cơ bản được đưa ra bởi một người sử dụng dịch vụ để gọi một vài dịch vụ và để truyền các tham số cần thiết để chỉ rõ dịch vụ yêu cầu một cách đầy đủ. + Indication (Chỉ dẫn): Một cơ bản được đưa ra bởi nhà cung cấp dịch vụ để: - Chỉ ra một thủ tục được gọi bởi người sử dụng dịch vụ ngang hàng (ở phía bên kia) và cung cấp các tham số kết hợp với cơ bản - Thông báo cho người sử dụng dịch vụ về hành động đầu tiên của người cung cấp dịch vụ. + Response (Trả lời): Một cơ bản được đưa ra bởi người sử dụng dịch vụ để thông báo đã nhận được (acknowledgment - ack) hay hoàn thành một số thủ tục đã được gọi trước đó bởi một chỉ dẫn cho người sử dụng đó + Confirm (xác nhận): Một cơ bản được đưa ra bởi nhà cung cấp dịch vụ để thông báo đã nhận được hay hoàn thành một số thủ tục đã được gọi trước đó bởi các request của người sử dụng dịch vụ. Ví dụ: Việc truyền dữ liệu từ tầng thứ n ở bên gửi sang tầng thứ n tương ứng ở bên nhận: Khi đó các bước sau sẽ sảy ra: i, Tầng n bên nguồn gọi tầng (n-1) của nó với một yêu cầu, cùng với yêu cầu này là các tham số cần thiết chẳng hạn như dữ liệu cần được truyền và địa chỉ đích ii, Tầng (n-1) bên nguồn chuẩn bị một (n-1) PDU (Protocol Data Unit) để gửi sang tầng ngang hàng với nó bên đích. iii, Tầng (n-1) bên đích giao dữ liệu một cách chính xác tới tầng n với một chỉ dẫn (indication) với các tham số bao gồm dữ liệu và địa chỉ nguồn . iv, Nếu một ack được yêu cầu, tầng n bên đích đưa ra một response cho tầng (n-1) của nó v, Tầng (n-1) bên đích truyền ack trong một (n-1) PDU đến tầng (n-1) bên gửi. vi, ack được chuyển đến tầng n bên nguồn như là một xác nhận (confirm) - Quá trình gửi và nhận dữ liệu được minh họa bằng sơ đồ sau: Người dùng dịch vụ Người dùng dịch vụNhà cung cấp dịch vụ Request Indication Response Confirm -Các bước trên được gọi là dịch vụ được xác nhận (confirmed service) nghĩa là bên nguồn đã nhận được xác nhận rằng các dịch vụ yêu cầu đã có hiệu quả mong muốn tại bên đích. Trường hợp ngược lại bên nguồn sẽ không nhận được xác nhận rằng hành động đã được yêu cầu đã được thực hiện (nonconfirm service) và được gọi là dịch vụ không xác nhận. 3. Mô hình OSI Mô hình tham chiếu OSI được chia thành 7 tầng: + Tầng vậy lý (Physical layer) + Tầng liên kết dữ liệu (Data Link Layer) + Tầng mạng (Network Layer) + Tầng truyền tải (Transport Layer) + Tầng phiên (Session Layer) + Tầng trình bày (Presentation Layer) + Tầng ứng dụng (Application Layer) Tầng ứng dụng Tầng trình bày Tầng phiên Tầng truyền tải Tầng mạng Tầng liên kết dữ liệu Tầng vật lý Mô hình tham chiếu OSI - Trong mô hình OSI 3 tầng thấp quan tâm tới việc kết nối và truyền thông với mạng máy tính. Các gói tin (packet) được tạo bởi các hệ thống đầu cuối và được truyền qua một hoặc nhiều nút mạng. Các nút này hoạt động như là các bộ hồi tiếp giữa hai hệ thống đầu cuối. - Các nút mạng được thực hiện từ tầng 1 đến tầng 3. Tầng thứ 3 trong nút này thực hiện chức năng chuyển mạch (switching) và dẫn đường (routing). Bên trong một nút có 2 tầng liên kết dữ liệu và 2 tầng vật lý tương ứng với các liên kết với 2 hệ thống đầu cuối. Mỗi một tầng kết dữ liệu và tầng vật lý bên trong một tầng hoạt động độc lập để cung cấp các dịch vụ cho tầng mạng bên trên các liên kết tương ứng của nó. - 4 tầng còn lại là các giao thức “end-to-end” giữa các hệ thống đầu cuối Đường truyền vật lý 1Physical Physical 1 2Data Link Data Link 2 3Network Network3 4Transport Layer Protocol4 5Session Layer Protocol5 6Presentation Layer Protocol6 7Application Layer Protocol7 End System End System 4. Chức năng của các tầng trong mô hình OSI a, Tầng vật lý. Tầng vật lý liên quan đến việc truyền các bit (thô) trên một kênh truyền thông. Tầng này phải được thiết kế để đảm bảo rằng khi bên gửi truyền đi bit 1 (hoặc 0) thì bên nhận cũng phải nhận được bit 1 (hoặc 0). Một số vấn đề cần phải được giải quyết ở tầng này là: + Sử dụng mức điện áp (Voltage) bao nhiêu để biểu diễn bit 1 và mức điện áp bao nhiêu để biểu diễn bit 0. + Một bit được truyền trong khoảng thời gian là bao nhiêu (nanosec)? + Cơ chế truyền là gì? – Một chiều (simplex transmission), hai chiều không đồng thời (half- duplex transmission) hay hai chiều đồng thời (full-duplex transmission) + Các loại cáp được dùng để nối các thiết bị, các loại đầu nối được dùng , các dây cáp có thể dài bao nhiêu v.v... - Khác với các tầng khác, tầng vật lý là không có gói tin riêng và do vậy không có phần đầu (header) chứa thông tin điều khiển, dữ liệu được truyền đi theo dòng bit. Một giao thức tầng vật lý tồn tại giữa các tầng vật lý để quy định về phương thức truyền (đồng bộ, không đồng bộ), tốc độ truyền… - Các giao thức được xây dựng cho tầng vật lý được phân chia thành phân chia thành hai loại giao thức sử dụng phương thức truyền thông không đồng bộ (asynchronous) và phương thức truyền thông đồng bộ (synchronous). + Phương thức truyền không đồng bộ: không có một tín hiệu quy định cho sự đồng bộ giữa các bit giữa máy gửi và máy nhận, trong quá trình gửi tín hiệu máy gửi sử dụng các bit đặc biệt START và STOP được dùng để tách các xâu bit biểu diễn các ký tự trong dòng dữ liệu cần truyền đi. Nó cho phép một ký tự được truyền đi bất kỳ lúc nào mà không cần quan tâm đến các tín hiệu đồng bộ trước đó. + Phương thức truyền đồng bộ: sử dụng phương thức truyền cần có đồng bộ giữa máy gửi và máy nhận, nó chèn các ký tự đặc biệt như SYN (Synchronization), EOT (End Of Transmission) hay đơn giản hơn, một cái "cờ " (flag) giữa các dữ liệu của máy gửi để báo hiệu cho máy nhận biết được dữ liệu đang đến hoặc đã đến. b, Tầng liên kết dữ liệu - Mục tiêu của tầng liên kết dữ liệu là tạo ra sự liên kết vật lý một cách đáng tin cậy và cung cấp phương tiện để kích hoạt, duy trì và thôi kích hoạt sự liên kết. - Tầng liên kết dữ liệu là tầng mà ở đó ý nghĩa được gán cho các bit được truyền trên mạng. Tầng liên kết dữ liệu phải quy định được các dạng thức, kích thước, địa chỉ máy gửi và nhận của mỗi gói tin được gửi đi. - Tầng liên kết dữ liệu phải xác định cơ chế truy nhập thông tin trên mạng và phương tiện gửi mỗi gói tin sao cho nó được đưa đến cho người nhận đã định. - Tầng liên kết dữ liệu có hai phương thức liên kết dựa trên cách kết nối các máy tính, đó là phương thức "một điểm-một điểm" và phương thức "một điểm-nhiều điểm". Với phương thức "một điểm-một điểm" các đường truyền riêng biệt được thiết lâp để nối các cặp máy tính lại với nhau. Với phương thức "một điểm-nhiều điểm " tất cả các máy phân chia chung một đường truyền vật lý. - Tầng liên kết dữ liệu cũng cung cấp cách phát hiện và sửa lỗi cơ bản để đảm bảo cho dữ liệu nhận được giống hoàn toàn với dữ liệu gửi đi. Nếu một gói tin có lỗi không sửa được, tầng liên kết dữ liệu phải chỉ ra được cách thông báo cho nơi gửi biết gói tin đó có lỗi để nó gửi lại. c, Tầng mạng: Hai chức năng chủ yếu của tầng mạng là chọn đường (routing) và chuyển tiếp (relaying). - Tầng mạng xác định việc chuyển hướng, vạch đường các gói tin trong mạng, các gói này có thể phải đi qua nhiều chặng trước khi đến được đích cuối cùng. Nó luôn tìm các tuyến truyền thông không tắc nghẽn để đưa các gói tin đến đích. - Tầng mạng có nhiệm vụ liên liên kết hai hay nhiều loại mạng khác nhau như mạng Ethernet với mạng Token Ring khi đó phải dùng một bộ tìm đường (quy định bởi tầng mạng) để chuyển các gói tin từ mạng này sang mạng khác và ngược lại - Một kỹ thuật chọn đường phải thực hiện hai chức năng chính sau đây: + Quyết định chọn đường tối ưu dựa trên các thông tin đã có về mạng tại thời điểm đó thông qua những tiêu chuẩn tối ưu nhất định. + Cập nhật các thông tin về mạng, tức là thông tin dùng cho việc chọn đường, trên mạng luôn có sự thay đổi thường xuyên nên việc cập nhật là việc cần thiết. - Có hai phương thức đáp ứng cho việc chọn đường là: xử lý tập trung và xử lý tại chỗ + Phương thức chọn đường xử lý tập trung: được đặc trưng bởi sự tồn tại của một (hoặc vài) trung tâm điều khiển mạng, chúng thực hiện việc lập ra các bảng đường đi tại từng thời điểm cho các nút và sau đó gửi các bảng chọn đường tới từng nút dọc theo con đường đã được chọn đó. Thông tin tổng thể của mạng cần dùng cho việc chọn đường chỉ cần cập nhập và được cất giữ tại trung tâm điều khiển mạng. +Phương thức chọn đường và xử lý tại chỗ: được đặc trưng bởi việc chọn đường được thực hiện tại mỗi nút của mạng. Trong từng thời điểm, mỗi nút phải duy trì các thông tin của mạng và tự xây dựng bảng chọn đường cho mình. Như vậy các thông tin tổng thể của mạng cần dùng cho việc chọn đường cần cập nhập và được cất giữ tại mỗi nút. - Các thông tin được đo lường và sử dụng cho việc chọn đường bao gồm: Trạng thái của đường truyền. d, Tầng giao vận -Tầng giao vận cung cấp một cơ chế cho việc trao đổi dữ liệu giữa các hệ thống đầu cuối, đó là: + Nhận dữ liệu từ tầng trên. + Chia dữ liệu thành các đơn vị nhỏ nếu cần + Chuyển các đơn vị dữ liệu này đến tầng mạng - Dịch vụ truyền tải kết nối có định hướng đảm bảo rằng dữ liệu được chuyển đi là không có lỗi, theo đúng thứ tự không có mất mát và không có sự trùng lặp. + Thời gian trễ khi truyền trên mỗi đường dẫn. + Mức độ lưu thông trên mỗi đường. Tầng giao vận cũng có thể quan tâm đến việc tối ưu hóa việc sử dụng các dịch vụ của mạng và cung cấp một dịch vụ có yêu cầu về chất lượng như: + Các tỷ lệ lỗi chấp nhận được. + Độ trễ cực đại + Quyền ưu tiên và an ninh. Kích thước và độ phức tạp của giao thức tầng giao vận phụ thuộc vào độ tin cậy hay không tin cậy của tầng mạng bên dưới và các dịch vụ của tầng mạng. Người ta chia giao thức tầng mạng thành các loại sau: Mạng loại A, mạng loại B, mạng loại C + Mạng loại A: Có tỷ suất lỗi và sự cố có báo hiệu chấp nhận được (tức là chất lượng chấp nhận được). Các gói tin được giả thiết là không bị mất. Tầng vận chuyển không cần cung cấp các dịch vụ phục hồi hoặc sắp xếp thứ tự lại. + Mạng loại B: Có tỷ suất lỗi chấp nhận được nhưng tỷ suất sự cố có báo hiệu lại không chấp nhận được. Tầng giao vận phải có khả năng phục hồi lại khi xẩy ra sự cố. + Mạng loại C: Có tỷ suất lỗi không chấp nhận được (không tin cậy) hay là giao thức không liên kết. Tầng giao vận phải có khả năng phục hồi lại khi xảy ra lỗi và sắp xếp lại thứ tự các gói tin. - Trên cơ sở loại giao thức tầng mạng chúng ta có 5 lớp giao thức cho tầng giao vận đó là: + Giao thức lớp 0 (Simple Class – Lớp đơn giản): cung cấp các khả năng rất đơn giản để thiết lập liên kết, truyền dữ liệu và hủy bỏ liên kết trên mạng "có liên kết" loại A. Nó có khả năng phát hiện và báo hiệu các lỗi nhưng không có khả năng phục hồi. + Giao thức lớp 1 (Basic Error Recovery Class – Lớp phục hồi lỗi cơ bản) dùng với các loại mạng B, ở đây các gói tin (TPDU) được đánh số. Ngoài ra giao thức còn có khả năng báo nhận cho nơi gửi và truyền dữ liệu khẩn. So với giao thức lớp 0 giao thức lớp 1 có thêm khả năng phục hồi lỗi. + Giao thức lớp 2 (Multiplexing Class - Lớp dồn kênh) là một cải tiến của lớp 0 cho phép dồn một số liên kết chuyển vận vào một liên kết mạng duy nhất, đồng thời có thể kiểm soát luồng dữ liệu để tránh tắc nghẽn. Giao thức lớp 2 không có khả năng phát hiện và phục hồi lỗi. Do vậy nó cần đặt trên một lớp mạng loại A. + Giao thức lớp 3 (Error Recovery and Multiplexing Class - Lớp phục hồi lỗi cơ bản và dồn kênh) là sự mở rộng giao thức lớp 2 với khả năng phát hiện và phục hồi lỗi, nó cần đặt trên một lớp mạng loại B. + Giao thức lớp 4 (Error Detection and Recovery Class - Lớp phát hiện và phục hồi lỗi) là lớp có hầu hết các chức năng của các lớp trước và còn bổ sung thêm một số khả năng khác để kiểm soát việc truyền dữ liệu. e, Tầng phiên - Tầng phiên cung cấp một cơ chế cho việc điều khiển sự đối thoại giữa các ứng dụng trong các hệ thống đầu cuối. Tầng phiên cung cấp những dịch vụ cơ bản sau: + Quy tắc đối thoại (Dialogue discipline): Có thể là hai chiều liên tiếp (full duplex) hoặc hai chiều không đồng thời (half duplex) + Nhóm (Grouping): Dòng dữ liệu có thể được đánh dấu để tạo thành các nhóm dữ liệu. Ví dụ: một cửa hàng bán lẻ đang chuyển số liệu về việc bán hàng cho một văn phòng. Dữ lịệu này có thể được đánh dấu để chỉ ra điểm cuối của dữ liệu cho mỗi phòng trong văn phòng. Phục hồi: Tầng phiên có thể cung cấp một cơ chế điểm kiểm tra (checkpoint), do đó nếu có lỗi sảy ra giữa các điểm kiểm tra thì có thể truyền lại tất cả dữ liệu từ điểm kiểm tra cuối cùng. f, Tầng trình bày - Tầng trình bày định nghĩa khuân dạng của dữ liệu sẽ được trao đổi giữa các ứng dụng và cung cấp cho các chương trình ứng dụng một tập hợp các dịch vụ truyền dữ liệu. -Tầng trình bày định nghĩa các quy định (syntax) được dùng giữa các ứng dụng và cung cấp sự lựa chọn và điều chỉnh các biểu diễn đang được sử dụng. - Một số dịch vụ cụ thể có thể được thực hiện ở Tầng này đó là nén và mã hóa dữ liệu g, Tầng ứng dụng -Cung cấp một phương tiện cho các chương trình ứng dụng để truy nhập vào môi trường của OSI. – - Tầng này bao gồm các chức năng quản lý và các cơ chế có ích chung để hỗ trợ cho các ứng dụng phân tán. Các ứng dụng chung như truyền file (file transfer), thư điện tử (electronic mail) và truy nhập máy tính từ xa (telnet), duyệt web (http) được xem xét để cài đặt ở tầng này. 5. Các giao thức trong mô hình OSI - Trong mô hình OSI có hai loại giao thức chính được áp dụng: giao thức có liên kết (connection - oriented) và giao thức không liên kết (connectionless). + Giao thức có liên kết: trước khi truyền dữ liệu hai tầng đồng mức cần thiết lập một liên kết logic và các gói tin được trao đổi thông qua liên kết này, việc có liên kết logic sẽ nâng cao độ an toàn trong truyền dữ liệu. + Giao thức không liên kết: trước khi truyền dữ liệu không thiết lập liên kết logic và mỗi gói tin được truyền độc lập với các gói tin trước hoặc sau nó. - Với giao thức có liên kết, quá trình truyền thông phải gồm 3 giai đoạn phân biệt: + Thiết lập liên kết (logic): hai thực thể đồng mức ở hai hệ thống thương lượng với nhau về tập các tham số sẽ sử dụng trong giai đoạn sau (truyền dữ liệu). + Truyền dữ liệu: dữ liệu được truyền với các cơ chế kiểm soát và quản lý kèm theo (như kiểm soát lỗi, kiểm soát luồng dữ liệu, cắt/hợp dữ liệu...) để tăng cường độ tin cậy và hiệu quả của việc truyền dữ liệu. + Hủy bỏ liên kết (logic): giải phóng tài nguyên hệ thống đã được cấp phát cho liên kết để dùng cho liên kết khác. - Đối với giao thức không liên kết thì chỉ có duy nhất một giai đoạn truyền dữ liệu mà thôi.