Mạng máy tính và Internet: hành trình của một gói tin, hệ thống khái niệm | LUKATO AI
Tin học 10: theo chân một gói tin qua bốn chặng (định danh, chuyển, thỏa thuận, chất lượng), 14 phòng lab tương tác, thẻ ôn nhanh để lật và tự hỏi lại, cùng…
LUKATO AI · TIN HỌC 10 · MẠNG MÁY TÍNH VÀ INTERNET
HÀNH TRÌNH CỦA MỘT GÓI TIN
Từ lúc em bấm Enter đến lúc trang web hiện ra: bốn chặng, mỗi chặng một câu hỏi
- Gói tin rời máy em phải đi qua những trạm nào, và ở mỗi trạm ai quyết định nó đi tiếp đâu?
- Đường truyền ghi 100 Mb/s mà trang web vẫn tải chậm hoặc video vẫn giật: lỗi nằm ở đâu?
- Máy có địa chỉ MAC lại còn địa chỉ IP : vì sao cần cả hai, và khi nào hai máy gọi là “cùng một mạng”?
Chuyên đề này gom các bài về mạng máy tính và Internet vào một khung bốn chặng : định danh, chuyển, thỏa thuận, chất lượng. Em sẽ đi cùng một gói tin từ laptop qua switch, router, các trạm trung gian đến máy chủ web và quay về; tự tay ghép địa chỉ với mặt nạ mạng, cắt đứt một liên kết để xem router tìm đường mới, chạy từng bước một truy vấn DNS, kéo thanh băng thông và độ trễ, rồi đóng vai kĩ thuật viên chẩn đoán lỗi. Điều nào vượt ra ngoài chương trình hiện hành được ghi là kiến thức bổ sung.
- ① ĐỊNH DANH: ai? MAC, IP, tên miền
- ② CHUYỂN: đi đâu? switch, router, gateway
- ③ THỎA THUẬN: nói thế nào? DHCP, DNS, TCP/IP, HTTP
- ④ CHẤT LƯỢNG: băng thông, độ trễ, mất gói; Mb/s khác MB/s
14
phòng lab thao tác: chạy gói tin, ghép mặt nạ, cắt đường, DNS, DHCP, bắt lỗi…
14 bẫy
mỗi bẫy gắn với một chặng và một phòng lab
10 thẻ
thẻ ôn nhanh, bấm để lật và tự hỏi lại
12 bài
bài luyện chọn lọc và báo cáo học tập của riêng em
01
Bản đồ chuyên đề
Hành trình của một gói tin: bốn chặng, năm nhân vật
Em gõ tên một trang web rồi bấm Enter. Chưa đầy một giây sau, một câu hỏi bé xíu đã rời khỏi máy, đi qua vài thiết bị trong nhà, qua nhiều trạm của nhà cung cấp dịch vụ, tới một máy chủ ở xa, và câu trả lời quay về theo đường khác. Mỗi đoạn của hành trình ấy gắn với một câu hỏi riêng. Mục này vẽ bản đồ: hành trình chia thành bốn chặng , mỗi chặng trả lời một câu hỏi.
CHẶNG ① · ĐỊNH DANH
Ai đang nói chuyện?
Mỗi thiết bị và mỗi dịch vụ cần một cách để được gọi đúng: địa chỉ MAC trong mạng cục bộ, địa chỉ IP giữa các mạng, tên miền cho con người. Chưa biết “ai” thì chưa gửi được gì.
CHẶNG ② · CHUYỂN
Đi đường nào, ai đẩy gói đi tiếp?
Gói tin đi qua nhiều thiết bị. Switch chuyển trong một mạng, router chuyển giữa các mạng. Mỗi thiết bị tự quyết định bước kế tiếp dựa trên địa chỉ ghi trên gói.
CHẶNG ③ · THỎA THUẬN
Hai bên nói theo luật nào?
Giao thức là bộ luật hội thoại: DHCP để xin địa chỉ, DNS để hỏi tên, HTTP để xin trang, TCP để đánh số và gửi lại gói mất.
CHẶNG ④ · CHẤT LƯỢNG
Nhanh, đủ và ổn định đến đâu?
Băng thông cho biết “ống” rộng bao nhiêu, độ trễ cho biết “ống” dài bao nhiêu, mất gói cho biết ống có rò hay không. Wi-Fi hay cáp cũng được cân bằng ba tiêu chí này.
Bảng bốn chặng và năm nhân vật: bấm vào từng ô
Mỗi hàng là một nhân vật trong hành trình, mỗi cột là một chặng. Ô giao nhau cho biết nhân vật ấy làm gì ở chặng ấy, nằm ở bẫy nào và luyện ở phòng lab nào (ô không ghi bẫy hoặc lab là ô chưa có bẫy riêng). Bảng này là bản đồ của cả chuyên đề : mục 2 và mục 3 đi qua chặng định danh, mục 4 đi qua chặng chuyển, mục 5 và mục 6 đi qua chặng thỏa thuận, mục 7 đi qua chặng chất lượng. Mục 8 biến cả bốn chặng thành quy trình thao tác.
NHÂN VẬT
① ĐỊNH DANH · ai?
② CHUYỂN · đi đâu?
③ THỎA THUẬN · nói thế nào?
④ CHẤT LƯỢNG · tốt đến đâu?
Thiết bị đầu cuối
Switch và AP
Router và modem
Máy chủ DNS và DHCP
Máy chủ web
↔ Bảng rộng hơn màn hình: vuốt ngang để xem đủ bốn chặng.
Bấm vào một ô để xem nhân vật ấy làm gì ở chặng ấy, nằm ở bẫy nào và luyện ở phòng lab nào.
Sáu thuật ngữ nền
Các thuật ngữ gạch chân chấm trong chuyên đề là thẻ giải nghĩa: bấm hoặc rê chuột để xem. Em thử với các từ dưới đây.
gói tin giao thức gateway băng thông độ trễ thiết bị đầu cuối
Một lần bấm Enter: tám dấu chân của gói tin
Hãy theo một gói tin cụ thể (tình huống minh họa, địa chỉ và tên miền đều là minh họa). Mai ngồi ở nhà, mở laptop và gõ tên một trang web của trường. Laptop của Mai có địa chỉ IP riêng 192.168.1.20 và nối Wi-Fi vào một hộp gồm modem, router và điểm truy cập. Địa chỉ của trang web nằm ở một máy chủ xa. Phòng lab 1 dẫn gói tin qua tám bước. Ở mỗi bước, bảng tiêu đề cho thấy địa chỉ nguồn và đích đang ghi trên gói. Em sẽ thấy hai điều thú vị: địa chỉ IP gần như giữ nguyên suốt chặng đường, còn địa chỉ MAC được thay ở mỗi đoạn mạng cục bộ.
Dự đoán trước khi mở lab: laptop gửi gói đến một máy chủ web nằm ngoài mạng nhà. Ở đoạn đầu (từ laptop đến router), địa chỉ MAC đích ghi trong khung là của thiết bị nào? (Đây là kiến thức bổ sung.)
Phòng lab 1 · Hành trình của gói tin DẠNG: TRÌNH CHIẾU TỪNG BƯỚC · BẢNG TIÊU ĐỀ
Dự đoán, bước, đối chiếu. Bấm “Tiếp” (hoặc “Phát”) để gói tin đi từng bước. Ở mỗi bước, hãy đoán trước địa chỉ nào sẽ đổi rồi mới xem bảng tiêu đề. Lab này gặp bẫy 3 và 5 .
Hai chỗ hay trượt ở chặng định danh
Bẫy 3: cho rằng MAC và IP là hai cách viết của một địa chỉ. MAC gắn với card mạng và có tác dụng trong một đoạn mạng cục bộ; IP cho biết máy ở mạng nào và đi xuyên qua nhiều đoạn.
Gặp ở: Lab 1 và 5 · chưa có bài ở mục 10, luyện bằng lab
Bẫy 5: tưởng địa chỉ 192.168.1.20 là địa chỉ của máy trên toàn Internet. Đó là địa chỉ riêng trong mạng nhà; ra ngoài, router thường đổi nó sang địa chỉ công cộng.
Gặp ở: Lab 1 và 4 · Bài 2
Vì sao một gói tin cần cả địa chỉ IP lẫn địa chỉ MAC? Em đoán trước rồi mở từng gợi ý.
Gợi ý 1
Hình dung một thư gửi đến một căn hộ trong tòa nhà ở thành phố khác. Giữa hai thành phố, bưu điện cần biết địa chỉ nhà . Đoạn cuối trong tòa nhà cần biết số căn hộ .
Gợi ý 2
Địa chỉ IP giống địa chỉ nhà: ghi trên gói suốt chặng đường (trừ khi router đổi sang địa chỉ công cộng). Địa chỉ MAC giống người nhận ở đoạn kế tiếp: mỗi đoạn mạng cục bộ có cặp MAC nguồn và MAC đích riêng.
Kết luận
IP trả lời câu hỏi “đích cuối cùng là ai, ở mạng nào”; MAC trả lời câu hỏi “ở đoạn này, thiết bị nào nhận khung kế tiếp”. Cần cả hai vì đó là hai câu hỏi khác nhau.
Vì sao một khung cho cả chuyên đề
Các bài về mạng nhìn bề ngoài rất khác nhau: chọn thiết bị, tính địa chỉ mạng, đọc triệu chứng lỗi, so sánh băng thông. Nhưng mỗi bài đều đang hỏi về một nhân vật ở một chặng của hành trình. Khi đọc một bài, hãy gạch chân nhân vật (thiết bị nào, dịch vụ nào), gọi tên chặng (định danh, chuyển, thỏa thuận hay chất lượng), rồi mới nhớ lại kiến thức tương ứng.
02
Chặng ① định danh · nhân vật
Bốn thành phần của mạng và bốn hộp hay bị nhầm
Trước khi hỏi “địa chỉ của máy là gì”, ta cần hỏi “đó là loại thiết bị nào, nối cái gì với cái gì”. Mục này gọi đúng tên các nhân vật: thiết bị đầu cuối, thiết bị kết nối mạng, môi trường truyền dẫn và giao thức, rồi phân biệt switch, router, modem và điểm truy cập.
Mở cánh tủ mạng của một phòng máy ra: dây chằng chịt, đèn nhấp nháy, vài cái hộp xếp chồng lên nhau. Muốn đọc được các bài về mạng, trước hết phải gọi đúng tên từng nhân vật và biết mỗi nhân vật nối cái gì với cái gì . Đây là chặng ĐỊNH DANH ở nghĩa rộng nhất: trước khi hỏi địa chỉ của máy, ta hỏi đó là máy loại nào, đứng ở đâu trong mạng.
Bốn thành phần của một mạng máy tính
Một mạng máy tính là tập hợp các thiết bị được kết nối với nhau để trao đổi dữ liệu và chia sẻ tài nguyên như tệp, máy in, đường truyền Internet. Dù nhỏ như mạng trong một phòng hay lớn như Internet, một mạng thường có bốn thành phần.
Thành phần
Ví dụ
Vai trò
Thiết bị đầu cuối
Máy tính, điện thoại, máy in mạng, camera
Nơi dữ liệu bắt đầu hoặc kết thúc: gửi, nhận, hiển thị cho người dùng
Thiết bị kết nối mạng
Switch, router, modem, điểm truy cập (AP)
Nối các thiết bị với nhau và chuyển dữ liệu đi đúng hướng
Môi trường truyền dẫn
Cáp xoắn đôi, cáp quang; sóng vô tuyến
Mang tín hiệu từ nơi này đến nơi khác, có dây hoặc không dây
Giao thức mạng
TCP/IP, HTTP, DNS, DHCP
Bộ quy tắc để các bên trao đổi và hiểu đúng thông điệp của nhau
↔ Hình rộng hơn màn hình: vuốt ngang để xem đầy đủ.
Hình 2.1. Mạng một phòng học (sơ đồ minh họa): sáu máy nối vào switch, điểm truy cập phát Wi-Fi, router làm gateway, modem nối ra đường truyền của nhà cung cấp.
Bốn hộp hay bị nhầm: switch, router, modem, AP
Thiết bị
Nối cái gì với cái gì
Căn cứ để chuyển
Nhận ra trong thực tế
Switch
Các máy trong cùng một mạng cục bộ
Địa chỉ MAC
Hộp nhiều cổng cắm dây, thường đặt trong tủ mạng phòng máy
Router
Mạng cục bộ với các mạng khác
Địa chỉ IP đích
Hộp có cổng “WAN” nối ra ngoài và các cổng “LAN” nối vào trong
Modem
Mạng nhà với đường truyền của nhà cung cấp
Không xem địa chỉ; đổi dạng tín hiệu
Hộp nhận dây từ nhà cung cấp (cáp quang hoặc cáp điện thoại)
Điểm truy cập (AP)
Thiết bị không dây với phần mạng có dây
Địa chỉ MAC của thiết bị không dây
Hộp có ăng-ten, phát mạng Wi-Fi mang một tên (SSID)
Hộp ở gia đình thường gộp ba hoặc bốn chức năng trong một vỏ. Khi đọc một bài, hãy tách hộp ấy ra thành các chức năng: chức năng nào đang được hỏi thì xét theo chức năng ấy.
Ba cách phân loại mạng
THEO PHẠM VI
LAN và WAN
LAN (mạng cục bộ) phủ một phạm vi nhỏ như phòng, nhà, trường. WAN (mạng diện rộng) nối các mạng ở xa nhau, cho nhiều thành phố hoặc nhiều quốc gia. Internet là mạng của các mạng, nối vô số LAN và WAN lại với nhau.
THEO MÔI TRƯỜNG
Có dây và không dây
Mạng có dây dùng cáp xoắn đôi hoặc cáp quang; mạng không dây dùng sóng vô tuyến như Wi-Fi. Một mạng thực tế thường pha trộn cả hai: máy bàn cắm dây, điện thoại dùng Wi-Fi.
THEO MÔ HÌNH
Khách–chủ và ngang hàng
Trong mô hình khách–chủ , máy khách gửi yêu cầu và máy chủ trả lời, như trình duyệt và máy chủ web. Trong mô hình ngang hàng , các máy có vai trò tương đương và chia sẻ tài nguyên cho nhau.
Một phòng máy có 12 máy cần cắm dây. Router của phòng có 4 cổng LAN. Nên thêm thiết bị nào để có đủ cổng cắm dây?
Phòng lab 2 · Ghép chức năng với thiết bị DẠNG: KÉO THẢ HOẶC CHẠM ĐỂ PHÂN LOẠI
Dự đoán trước: trong mười thẻ dưới đây, em nghĩ có mấy thẻ thuộc về router ? Xếp từng thẻ vào đúng thiết bị: kéo thẻ vào ô, hoặc chạm thẻ rồi chạm ô. Xếp xong thì bấm “Kiểm tra”. Lab này gặp bẫy 2 .
Bẫy 1 · có Wi-Fi là có Internet
Biểu tượng Wi-Fi đầy vạch cho biết điện thoại đang nối với điểm truy cập , tức là còn trong mạng cục bộ. Muốn ra Internet, gói tin còn phải qua router và modem, rồi qua đường truyền của nhà cung cấp. Nếu đoạn ra ngoài ấy đứt, điện thoại vẫn hiện đủ vạch sóng, vẫn trao đổi được với máy in mạng cùng phòng, nhưng không mở được trang web. Phòng lab 3 cho em tự dựng mạng và xem thiếu thiết bị nào thì mất tính năng nào.
Gặp ở: Lab 3 · chưa có bài ở mục 10, luyện bằng lab
Bẫy 2 · bốn hộp làm cùng một việc
Switch chuyển khung theo địa chỉ MAC trong một mạng. Router chuyển gói theo địa chỉ IP đích giữa các mạng. Modem đổi dạng tín hiệu. AP đưa thiết bị không dây vào mạng có dây. Nếu coi chúng thay nhau được, em sẽ chọn nhầm khi cần quyết định “thiết bị nào nối hai mạng khác nhau” hay “thiết bị nào cho thêm cổng cắm dây”. Câu mốc để nhớ: trong mạng thì switch, giữa các mạng thì router .
Gặp ở: Lab 2 · Bài 1 và 11
Vì sao một switch thông thường chưa đủ để nối hai mạng khác nhau? Em đoán rồi mở từng gợi ý.
Gợi ý 1
Switch chuyển khung bằng cách tra bảng “địa chỉ MAC nào nằm ở cổng nào”. Địa chỉ MAC có nghĩa trong phạm vi một mạng cục bộ.
Gợi ý 2
Muốn đưa gói sang một mạng khác, thiết bị phải nhìn địa chỉ IP đích và biết mạng đó nằm về hướng nào. Hiểu biết ấy nằm trong bảng định tuyến của router.
Kết luận
Switch thông thường dùng bảng địa chỉ MAC chứ không dùng bảng định tuyến theo IP đích, nên không chọn được đường sang mạng khác. Nối hai mạng khác nhau cần chức năng định tuyến của router (kiến thức tương ứng ở mục 4).
Switch khác hub ở chỗ nào? (kiến thức bổ sung)
Hub là thiết bị cũ hơn: nhận tín hiệu ở một cổng rồi phát lại ra các cổng còn lại, không xem địa chỉ. Switch xem địa chỉ MAC đích và chuyển khung ra đúng cổng có máy nhận, nên giảm đụng độ và dùng băng thông hiệu quả hơn. Vì vậy mạng hiện nay dùng switch.
Chọn môi trường truyền dẫn: cáp xoắn đôi, cáp quang hay sóng vô tuyến?
Cáp xoắn đôi rẻ, dễ bấm đầu và phổ biến trong LAN; mỗi đoạn dây Ethernet thường dài tối đa khoảng 100 m (kiến thức bổ sung). Cáp quang truyền tín hiệu bằng ánh sáng, đi được quãng đường dài, băng thông lớn và ít bị nhiễu điện từ, nên thường dùng cho đường trục và đường vào nhà. Sóng vô tuyến tiện vì không cần dây và cho phép di chuyển, nhưng tín hiệu yếu dần theo khoảng cách, bị vật cản làm suy giảm và dễ bị nhiễu (mục 7 sẽ định lượng).