I. Lý thuyết trọng tâm

1. Giao thức mạng

1.1. Khái niệm giao thức mạng

Khi được hỏi mạng Internet là gì, không ít người sẽ trả lời là web, chat, thậm chí là một mạng xã hội cụ thể. Cũng có người hiểu Internet là mạng máy tính giúp kết nối toàn cầu. Những câu trả lời đó là cách nhìn Internet về phương diện sử dụng mà không thấy cơ chế hoạt động của nó. Câu trả lời chính xác về mặt công nghệ là: Internet là mạng thông tin toàn cầu hoạt động theo giao thức TCP/IP.

Vậy giao thức mạng là gì?

Giao thức mạng (network protocol) hay còn gọi là giao thức truyền thông là tập hợp các quy định về cách thức giao tiếp để truyền dữ liệu giữa các đối tượng tham gia mạng.

Các quy định này liên quan tới:

• Định dạng dữ liệu
• Ý nghĩa của các thành phần dữ liệu
• Cách xử lý dữ liệu

Mục đích: Đảm bảo việc gửi và nhận dữ liệu được thực hiện chính xác, tin cậy và hiệu quả.

1.2. Ví dụ về giao thức mạng

Ví dụ 1: Giao thức gửi thư điện tử

Khi gửi thư điện tử, ngoài nội dung văn bản của thư, cần có thêm các thông tin phục vụ cho việc chuyển thư:

• Địa chỉ người gửi và người nhận có dạng: <tên tài khoản>@<tên miền của máy chủ thư điện tử>
• Ví dụ: nguyenvanquang2003@gmail.com hay hungmanhk66@vnu.edu.vn
• Thông tin về các tệp đính kèm (nếu có) theo một định dạng chặt chẽ

Phần mềm soạn thảo thư sẽ định dạng và đóng gói toàn bộ dữ liệu gồm nội dung thư, địa chỉ người gửi và người nhận, các tệp đính kèm rồi chuyển qua Internet tới máy chủ thư điện tử tương ứng với người nhận.

Các quy định liên quan đến gửi thư có tên là giao thức SMTP (Simple Mail Transfer Protocol), còn các quy định về cách người nhận lấy thư có tên là giao thức POP3 (Post Office Protocol phiên bản 3) hoặc IMAP (Internet Message Access Protocol).

Ví dụ 2: Giao thức Ethernet trong mạng cục bộ

Việc trao đổi dữ liệu giữa các máy tính trong mạng cục bộ cũng tuân thủ theo một giao thức, gọi là Ethernet với một số quy định chính như sau:

2. Giao thức TCP/IP

Hai giao thức quan trọng nhất của Internet là IP (Internet Protocol) và TCP (Transmission Control Protocol). Chính vì thế người ta thường coi Internet là mạng toàn cầu hoạt động theo giao thức TCP/IP.

2.1. Giao thức IP (Internet Protocol)

Giao thức IP có hai nội dung chính là cách đánh địa chỉ và định tuyến để dẫn dữ liệu từ LAN của máy gửi đến LAN của máy nhận.

a) Địa chỉ IP

Định nghĩa: Địa chỉ IP là một địa chỉ số được gán cho mỗi thiết bị khi kết nối vào mạng máy tính. Mỗi thiết bị kết nối vào mạng được gán một địa chỉ IP duy nhất.

Hiện nay có hai loại địa chỉ IP là IPv4 và IPv6.

IPv4 (Internet Protocol version 4):

• Là một chuỗi số gồm 32 bit nhị phân
• Chia thành 4 phần, mỗi phần 8 bit (1 byte)
• Giá trị của mỗi byte được viết trong hệ thập phân và phân tách nhau bởi dấu chấm
• Với dãy dài 32 bit có thể tạo ra khoảng 2³² ≈ 4,3 tỷ địa chỉ IPv4 khác nhau

Ví dụ chuyển đổi địa chỉ IPv4:

IPv6 (Internet Protocol version 6):

• Là phiên bản mới để đáp ứng nhu cầu lớn hơn về địa chỉ IP
• Dùng chuỗi 128 bit nhị phân
• Thường biểu diễn dưới dạng thập lục phân, gồm 8 phần ngăn cách nhau bằng dấu hai chấm
• Có thể tạo được 2¹²⁸ địa chỉ IPv6 khác nhau, lớn hơn rất nhiều so với IPv4

Ví dụ địa chỉ IPv6: 2620:0AB2:0D01:2042:0100:8C4D:D370:72B4

So sánh IPv4 và IPv6:

Cấu trúc địa chỉ IPv4:

Địa chỉ IPv4 gồm 2 phần:

• Địa chỉ mạng: Xác định mạng mà thiết bị đang kết nối
• Địa chỉ máy: Xác định thiết bị cụ thể trong một mạng

Ví dụ: Với địa chỉ 192.168.1.100

• 192.168.1 là địa chỉ mạng
• 100 là địa chỉ máy

Phân biệt địa chỉ IP và địa chỉ MAC:

b) Định tuyến

Định nghĩa: Định tuyến là việc xác định đường truyền tối ưu cho phép dữ liệu truyền đi và nhận về đầy đủ mà không bị mất hoặc bị trùng lặp.

Thiết bị hỗ trợ định tuyến: Router

Các gói tin gửi đi trên Internet luôn phải được gán địa chỉ IP của máy tính gửi và máy tính nhận. Để gói tin được chuyển đi trên đường truyền vật lý, nó cần được gán thêm địa chỉ MAC của máy tính nhận.

Trường hợp IP của máy tính nhận nằm ngoài LAN thì yêu cầu tìm địa chỉ MAC theo IP của máy tính nhận sẽ được thay bằng tìm địa chỉ MAC theo IP của một thiết bị định sẵn. Thiết bị đó chịu trách nhiệm chọn đường chuyển gói tin ra Internet và, do vậy, được gọi là router.

Cách hoạt động của Router:

Router có ít nhất hai cổng WAN kết nối với các router khác trên mạng Internet. Khi nhận được một gói dữ liệu từ trong mạng gửi đi, nó sẽ chọn cổng thích hợp trong số nhiều cổng để gửi tới đích. Cách thức chọn cổng là nội dung chính của việc định tuyến (chọn đường) chuyển dữ liệu.

Theo phương pháp định tuyến tĩnh, mỗi router có một bảng định tuyến hướng dẫn nhóm địa chỉ nào sẽ gửi theo cổng nào. Các router bao giờ cũng có một cổng mặc định theo đó nếu địa chỉ đến không có trong bảng hướng dẫn thì gói dữ liệu sẽ được gửi theo cổng mặc định.

Ví dụ bảng định tuyến:

Ví dụ minh họa định tuyến:

Router đóng vai trò như các bưu cục chuyển tiếp bưu phẩm mà bảng định tuyến tương ứng với bảng đường đi của các xe chuyển bưu phẩm.

Ví dụ bảng chỉ đường ở bưu cục Hải Dương có chỉ dẫn: đi Quảng Ninh theo đường 37, đi Thái Bình theo đường 391, đi Hưng Yên theo đường 38B và đi Hà Nội theo đường số 5 (đường mặc định) nhưng không có chỉ dẫn đi tới Cần Thơ. Nếu có bưu phẩm chuyển qua bưu cục Hải Dương đến Cần Thơ, nó sẽ được chuyển theo “đường mặc định” về Hà Nội, sau đó được hướng dẫn đi tiếp.

Phương pháp định tuyến cho phép có thể thay đổi cổng gửi đi tùy thuộc vào điều kiện cụ thể. Điều này cũng tương tự như khi cần chuyển bưu phẩm từ Hà Nội về Thái Bình, bình thường bưu phẩm được chuyển tới Nam Định rồi chuyển tiếp tới Thái Bình. Nhưng nếu xe đi Nam Định đã quá tải mà có xe đi Hưng Yên thì có thể thay đổi hành trình bằng cách chuyển tới Hưng Yên rồi từ đó sẽ chuyển tiếp tới Thái Bình.

Ý nghĩa của giao thức IP:

Lập địa chỉ và định tuyến theo địa chỉ là các quy tắc đảm bảo liên kết các LAN trong phạm vi toàn cầu. Chúng làm thành giao thức liên mạng (Internet Protocol – viết tắt là IP). Nhờ vậy mà Internet có phạm vi hoạt động toàn cầu.

2.2. Giao thức TCP (Transmission Control Protocol)

Hãy tưởng tượng em được chia sẻ một thư mục trên máy của bạn và đang sao chép một tệp vào thư mục đó qua mạng. Đồng thời, em dùng một phần mềm khác để trao đổi (chat) với bạn. Như vậy máy tính của em và máy tính của bạn đang chạy hai phần mềm đồng thời với hai nhóm dữ liệu khác nhau. Liệu dữ liệu dùng cho phần mềm này có bị chuyển nhầm cho phần mềm kia không?

Giao thức IP chỉ đảm bảo chuyển dữ liệu từ mạng này đến mạng kia mà không đảm bảo chuyển dữ liệu đến một ứng dụng cụ thể trên một máy cụ thể.

Cần có quy định chi tiết hơn để đảm bảo kết nối tới mức ứng dụng. Mặt khác cần đảm bảo việc truyền tin cậy, không có sai sót. Giao thức kiểm soát việc truyền dữ liệu (Transmission Control Protocol) viết tắt TCP đáp ứng cho các mục đích đó với những nội dung chính như sau:

Các chức năng của TCP:

Các bước của giao thức TCP:

1. Quá trình thiết lập kết nối
2. Quá trình trao đổi dữ liệu: Truyền dữ liệu, kiểm tra lỗi và khôi phục
3. Quá trình kết thúc kết nối

Ý nghĩa của việc tách dữ liệu thành nhiều gói:

Việc tách dữ liệu thành nhiều gói cho phép nhiều cuộc truyền khác nhau có thể được thực hiện xen kẽ nhau trên cùng một đường truyền vật lý giúp tận dụng được đường truyền.

Khi gọi điện thoại giữa hai máy để bàn, mỗi cuộc gọi sẽ độc chiếm kênh truyền suốt thời gian nói chuyện, nhưng gọi điện qua Internet có thể thực hiện đồng thời hàng trăm cuộc gọi trên cùng một đường truyền vật lý.

Ý nghĩa của giao thức TCP:

• TCP thiết lập liên kết ở mức ứng dụng, đảm bảo được việc truyền dữ liệu giữa hai ứng dụng tại máy gửi và máy nhận
• TCP tách dữ liệu thành các gói ở nơi gửi, và hợp nhất dữ liệu ở nơi nhận, giúp nhiều cuộc truyền có thể thực hiện xen kẽ, tận dụng tối ưu khả năng của đường truyền
• Ngoài ra TCP còn kiểm soát để việc truyền chính xác và tin cậy

Tổng kết về giao thức TCP/IP:

• Hai giao thức IP và TCP xác định cách thức kết nối và trao đổi dữ liệu có tính đặc thù của Internet
• Giao thức IP quy định cách thiết lập địa chỉ cho các thiết bị tham gia mạng và cách dẫn đường các gói dữ liệu theo địa chỉ từ thiết bị gửi đến thiết bị nhận
• Giao thức TCP đảm bảo việc truyền dữ liệu theo từng ứng dụng một cách chính xác, tin cậy và hiệu quả

Thầy Phạm Thành Danh

(Người kiểm duyệt, ra đề)

Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Tin Học THPT

Trình độ: Cử nhân Sư phạm Tin học, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ Tin học, Ngoại ngữ B1

Kinh nghiệm: 8+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Thuận Hóa