Bài giảng Mô hình kết nối các hệ thống mở - OSI

Chuyên đề: Công nghệ BCVT Mô hình kết nối các hệ thống mở - OSI Học viện công nghệ Bưu chính Viễn thôngLớp Cao học QTKD khoá II Đồng Thị QuyênNguyễn Thị Vân Anh Học viên thực hiện: Thầy giáo hướng dẫn: TS. Bùi Trung Hiếu Các nội dung trình bày Giới thiệu chung về mô hình OSI Sự ra đời, cách thức truyền dữ liệu Mô hình truyền thông Mô hình OSI Các nguyên tắc của mô hình OSI Các giao thức trong mô hình OSI Phương thức truyền thông qua việc gọi các hàm nguyên thuỷ Các chức năng chủ yếu của các lớp trong mô hình OSI I. Giới thiệu chung về mô hình OSI Sự ra đời, cách thức truyền dữ liệu Mô hình liên kết hệ thống mở hay còn gọi là mô hình tham chiếu OSI (Open system interconnection) là một cơ sở dành cho việc chuẩn hoá các hệ thống truyền thông Mô hình OSI được nghiên cứu và xây dựng bởi tổ chức chuẩn hoá quốc tế - ISO (International Standard Organization). I. Giới thiệu chung về mô hình OSI Sự ra đời, cách thức truyền dữ liệu Việc nghiên cứu về mô hình OSI được bắt đầu tại ISO vào năm 1971 với mục tiêu hướng tới việc nối kết các sản phẩm của các hãng sản xuất khác nhau và phối hợp các hoạt động chuẩn hoá trong các lĩnh vực viễn thông và Công nghệ thông tin. Mô hình OSI tách các mặt khác nhau của một mạng máy tính thành bảy lớp theo mô hình phân lớp. Vì vậy mô hình OSI cũng thường được gọi là mô hình 7 lớp. Sự ra đời, cách thức truyền dữ liệu Mỗi hệ thống thành phần trong mạng được xây dựng như một cấu trúc nhiều lớp và đều có cấu trúc giống nhau như: số lượng lớp và chức năng của mỗi lớp. Các lớp nằm chồng lên nhau, dữ liệu chỉ được trao đổi trực tiếp giữa hai lớp kề nhau từ lớp trên xuống lớp dưới và ngược lại. I. Giới thiệu chung về mô hình OSI Sự ra đời, cách thức truyền dữ liệu Chỉ có hai lớp thấp nhất có liên kết vật lý với nhau còn với các lớp trên có cùng thứ tự chỉ có các liên kết logic (liên kết ảo) với nhau. Dữ liệu không được truyền trực tiếp từ lớp thứ i của hệ thống này sang lớp thứ i của hệ thống khác (trừ lớp thấp nhất trực tiếp sử dụng đường truyền vật lý để truyền các bit (0,1) từ hệ thống này sang hệ thống khác). I. Giới thiệu chung về mô hình OSI Với mô hình truyền thông đơn giản người ta chia chương trình truyền thông thành ba lớp không phụ thuộc vào nhau là: lớp tiếp cận mạng lớp truyền dữ liệu lớp ứng dụng. 2. Mô hình truyền thông I. Giới thiệu chung về mô hình OSI lớp tiếp cận mạng liên quan tới việc trao đổi dữ liệu giữa máy tính và mạng mà nó được nối vào. Để dữ liệu đến được đích máy tính gởi cần phải chuyển địa chỉ của máy tính nhận cho mạng và qua đó mạng sẽ chuyển các thông tin tới đích. Trong lớp này có thể sử dụng các phần mềm khác nhau phụ thuộc vào từng loại mạng ví dụ như mạng chuyển mạch kênh, mạng chuyển mạch gói, mạng cục bộ. 2. Mô hình truyền thông I. Giới thiệu chung về mô hình OSI lớp truyền dữ liệu thực hiện quá trình truyền thông không liên quan tới mạng và nằm ở trên lớp tiếp cận mạng. lớp truyền dữ liệu không quan tâm tới bản chất các ứng dụng đang trao đổi dữ liệu mà quan tâm tới việc đảm bảo an toàn cho các dữ liệu được trao đổi. lớp truyền dữ liệu đảm bảo các dữ liệu đến được đích và đến theo đúng thứ tự mà chúng được xử lý. 2. Mô hình truyền thông I. Giới thiệu chung về mô hình OSI lớp ứng dụng chứa các module phục vụ cho tất cả ứng dụng của người sử dụng. Với các loại ứng dụng khác nhau (như là truyền file, truyền thư mục) cần các module khác nhau. 2. Mô hình truyền thông I. Giới thiệu chung về mô hình OSI II.1. Mô hình tham chiếu OSI 7 lớp Hình 1: Mô hình OSI 7 lớp Dựa trên nguyên tắc phân lớp, mô hình OSI được chia thành 7 lớp như hình 1 với những chức năng phân biệt cho từng lớp. Mỗi lớp chịu trách nhiệm thực thi một tập các chức năng cụ thể và cung cấp một tập các dịch vụ cụ thể. Các giao thức xác định cho cả các dịch vụ và các phương thức cung cấp các dịch vụ. Mỗi lớp bao gồm hai phần: Định nghĩa dịch vụ: xác định loại dịch vụ mà lớp đó cung cấp. Đặc tính của giao thức: chi tiết các qui luật chi phối, quản lý việc thực thi một dịch vụ cụ thể. Lớp thấp hơn cung cấp dịch vụ cho lớp cao hơn. II.1. Các nguyên tắc của Mô hình OSI Các đơn vị dữ liệu sử dụng trong mô hình OSI. Thông tin điều khiển giao thức - PCI (Protocol Control Information): có chức năng đưa các dữ liệu vào trong quá trình truyền thông. Đơn vị dữ liệu dịch vụ - SDU (Service Data Unit): có chức năng chuyển thông tin giữa các lớp kề nhau (lớp N+1 xuống lớp N). Đơn vị dữ liệu giao thức - PDU (Protocol Data Unit): có chức năng chuyển thông tin từ lớp N bên gởi sang lớp N bên nhận. PDU = PCI + SDU II.1. Các nguyên tắc của Mô hình OSI II.2. Phương thức xử lý gói tin trong MH OSI II.2. Phương thức xử lý gói tin trong MH OSI Trên quan điểm mô hình mạng phân lớp, mỗi lớp nhận dữ liệu từ lớp trên để chuyển giao xuống cho lớp dưới và ngược lại. Chức năng này thực chất là gắn thêm và gỡ bỏ phần mào đầu đối với các gói tin trước khi chuyển nó đi. Khi đi đến một lớp mới gói tin sẽ được đóng thêm một phần mào đầu khác và được xem như là gói tin của lớp mới, công việc trên tiếp diễn cho tới khi gói tin được truyền lên đường vật lý để đến bên nhận. Tại bên nhận các gói tin được gỡ bỏ phần mào đầu trên từng lớp tướng ứng và đây cũng là nguyên lý của bất cứ mô hình phân lớp nào. II.3. Phương thức truyền thông qua việc gọi các hàm nguyên thuỷ (giữa các lớp) lớp (N+1) Hệ thống B Hê thống A lớp (N+1) Người sử dụng dịch vụ Nhà cung cấp dịch vụ lớp (N) lớp (N) (N) Protocol Giao diện Hình 3: Mô hình tương tác giữa các lớp thông qua việc gọi các hàm nguyên thuỷ Request (yêu cầu) Confirm (Xác nhận) Respone (Phúc đáp) Indication (Chỉ thị) SAP SAP II.3. Phương thức truyền thông qua việc gọi các hàm nguyên thuỷ (giữa các lớp) Trình tương tác giữa hai hệ thống A và B được thực hiện như sau (hình 3): lớp (N+1) của A gởi xuống lớp (N) kề dưới nó một hàm Request. lớp (N) của A cấu tạo một đơn vị dữ liệu (PDU) để gởi yêu cầu dữ liệu đó sang lớp (N) của B theo giao thức lớp (N) đã xác định. Nhận được yêu cầu, lớp (N) của B chỉ báo lên lớp (N+1) kề trên nó bằng hàm Indication. lớp (N+1) trả lời bằng hàm Response gởi xuống lớp (N) kề dưới nó. lớp (N) của B cấu tạo một đơn vị dữ liệu để gởi trả lời đó về lớp (N) của A theo giao thức lớp (N) đã xác định. II.3. Phương thức truyền thông qua việc gọi các hàm nguyên thuỷ (giữa các lớp) Request (yêu cầu): là hàm nguyên thuỷ mà người sử dụng dịch vụ dùng để gọi một chức năng. Hay là khởi đầu yêu cầu các phương tiện cung cấp dịch vụ. Indication (chỉ thị): là hàm nguyên thuỷ mà nhà cung cấp dịch vụ dùng để gọi một chức năng đã được gọi ở một điểm truy nhập dịch vụ (SAP). Response (phúc đáp): là hàm nguyên thuỷ mà người sử dụng dịch vụ dùng để hoàn tất một chức năng đã được gọi từ trước bởi một hàm nguyên thuỷ Indication ở SAP đó. Confirm (xác nhận): là hàm nguyên thuỷ mà nhà cung cấp dịch vụ dùng để hoàn tất một chức năng đã được gọi từ trước bởi một hàm nguyên thuỷ Request tại SAP đó. II.4. 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: trước khi truyền dữ liệu hai lớp đồng mức cần thiết lập một liên kết logic và các gói tin được trao đổi thông qua liên kết này, 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. II.4. Các giao thức trong mô hình OSI Với giao thức có liên kết, quá trình truyền thông phải gồm 3 giai đoạn: 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: 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. II.5. CHỨC NĂNG CỦA CÁC LỚP TRONG MH OSI lớp phiên lớp vận chuyển lớp mạng lớp ứng dụng lớp liên kết dữ liệu lớp vật lý lớp trình diễn Hình 4: Chức năng của cac lớp trong MH OSI CN: truyền dòng bit (1,0) qua cấu trúc vật lý của đường truyền CN: cung cấp p.tiện truyền T.tin qua đường vật lý với các cơ chế truyền đồng bộ/dị bộ,... CN: thực hiện việc chọn đường, chuyển tiếp T.tin với công nghệ chuyển mạch phù hợp CN: thực hiện việc truyền T.tin;K.soát luồng /KS lỗi, có thể ghép kênh,cắt/hợp dữ liệu,... CN: cung cấp P.tiện quản lý truyền thông, thiết lập, duy trì, đồng bộ hóa/hủy phiên CN: Chuyển đổi dữ liệu để đáp ứng yêu cầu truyền thông qua môi trường OSI CN: cung cấp p.tiện để NSD truy nhập vào mạng qua môi trường OSI. II.5. 1. CHỨC NĂNG CỦA lớp VẬT LÝ Lớp vật lý (Physical layer) là lớp dưới cùng của mô hình OSI. Nó mô tả các đặc trưng vật lý của mạng. Lớp vật lý không qui định ý nghĩa nào cho các tín hiệu đó ngoài các giá trị nhị phân 0 và 1. Khác với các lớp khác, lớp vật lý không có gói tin riêng và do vậy không có phần mào đầu chứa thông tin điều khiển, dữ liệu được truyền đi theo dòng bit. Giao thức ứng dụng cho lớp vật lý có 2 phương thức truyền: Phương thức truyền đồng bộ Phương thức truyền dị bộ II.5.1. CHỨC NĂNG CỦA lớp VẬT LÝ Phương thức truyền đồng bộ: Cần có sự đồng bộ giữa máy phát và máy thu Chèn các ký tự đặc biệt như SYN (Synchronization), EOT (End Of Transmission) hay "cờ" (flag) giữa các dữ liệu của máy phát để báo hiệu cho máy thu biết được dữ liệu đang đến hoặc đã đến. Phương thức truyền dị bộ: Không có tín hiệu quy định cho sự đồng bộ giữa các bit giữa máy phát và máy thu. Tín hiệu máy phát sử dụng các bit đặc biệt START và STOP để tách các xâu bit biểu diễn các ký tự trong dòng dữ liệu cần truyền đi. Cho phép một ký tự được truyền đi bất kỳ lúc nào mà không quan tâm đến các tín hiệu đồng bộ trước đó. II.5.2. Lớp liên kết dữ liệu Lớp liên kết dữ liệu (Data link layer) cung cấp các phương tiện để truyền thông tin qua liên kết vật lý đảm bảo tin cậy thông qua cơ chế đồng bộ hoá, kiểm soát lỗi và kiểm soát luồng dữ liệu. Quy định được các dạng thức, kích thước, địa chỉ máy phát và nhận của mỗi gói tin được gởi đi. Xác định cơ chế truy nhập thông tin trên mạng và phương tiện gởi mỗi gói tin sao cho nó được đưa đến cho người nhận đã định. Lớp liên kết dữ liệu có hai phương thức liên kết dựa trên cách kết nối các máy tính: "điểm - điểm“: các đường truyền riêng biệt được thiết lập để nối các cặp máy tính lại với nhau "điểm - đa điểm“: tất cả các máy dùng chung một đường truyền vật lý. II.5.2. Lớp liên kết dữ liệu Lớp liên kết dữ liệu cung cấp cách phát hiện và sửa lỗi cơ bản để đảm bảo cho dữ liệu nhận được giống hoàn toàn với dữ liệu gởi đi. Các giao thức lớp liên kết dữ liệu: Giao thức hướng ký tự: ký tự được xây dựng dựa trên các ký tự đặc biệt của một bộ mã chuẩn nào đó (như ASCII hay EBCDIC) Giao thức hướng bit: dùng các cấu trúc nhị phân (xâu bit) để xây dựng các phần tử của giao thức và khi nhận, dữ liệu sẽ được tiếp nhận lần lượt từng bit một. điểm - điểm điểm - đa điểm Hình 4: Các đường truyền kết nối kiểu "điểm - điểm” và "điểm - đa điểm” II.5. 3. Lớp mạng - Network Layer Lớp mạng (network layer) nhắm đến việc kết nối các mạng với nhau bằng cách tìm đường cho các gói tin từ mạng này đến mạng khác. 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. Tìm các tuyến truyền thông không tắc nghẽn để đưa các gói tin đến đích. Lớp mạng cung cấp các phương tiện để truyền các gói tin qua mạng, thậm chí qua mạng của mạng. Hai chức năng chủ yếu của lớp mạng là: Chọn đường Chuyển tiếp II.5. 3. Lớp mạng - Network Layer Mạng chuyển mạch gói gồm tập hợp các nút chuyển mạch gói nối với nhau bởi các liên kết dữ liệu. Các gói dữ liệu được truyền từ hệ thống này tới hệ thống khác trên mạng phải được chuyển qua một chuỗi các nút. Mỗi nút nhận gói dữ liệu từ đường vào rồi chuyển tiếp nó tới đường ra hướng đến đích của dữ liệu. Ở mỗi nút trung gian thực hiện các chức năng chọn đường và chuyển tiếp. Phương thức chọn đường xử lý tập trung Phương thức chọn đường xử lý phân tán Ví dụ: II.5. 4.Lớp vận chuyển - Transport Layer Lớp vận chuyển cung cấp các chức năng cần thiết giữa lớp mạng và các lớp trên. Là lớp cao nhất có liên quan đến các giao thức trao đổi dữ liệu giữa các hệ thống mở. Nó cùng các lớp dưới cung cấp cho người sử dụng các phục vụ vận chuyển. Là lớp cơ sở mà máy tính của mạng chia sẻ thông tin với máy tính khác. Lớp vận chuyển đồng nhất mỗi trạm bằng một địa chỉ duy nhất và quản lý sự kết nối giữa các trạm. Lớp vận chuyển chia các gói tin lớn thành các gói tin nhỏ hơn trước khi gởi đi. Lớp vận chuyển đánh số các gói tin và đảm bảo chúng chuyển theo đúng thứ tự. Nó là lớp cuối cùng chịu trách nhiệm về mức độ an toàn trong truyền dữ liệu nên giao thức lớp vận chuyển phụ thuộc rất nhiều vào bản chất của lớp mạng. II.5. 4.Lớp vận chuyển - Transport Layer Người ta chia giao thức lớp mạng tương ứng với các mạng như sau: 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. Lớp 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. Lớp vận chuyển phải có khả năng phục hồi lại khi xảy ra sự cố. Mạng loại C: Có tỷ suất lỗi không chấp nhận được hay là giao thức không liên kết. Lớp vận chuyển phải có khả năng phục hồi lại khi xảy ra lỗi và sắp xếp lại thứ tự các gói tin. II.5. 4.Lớp vận chuyển - Transport Layer Có 5 lớp giao thức ở lớp vận chuyển 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. 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. 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. II.5. 5. Lớp phiên - Session Layer Lớp phiên (Session Layer) thiết lập "các giao dịch" giữa các trạm trên mạng, nó đặt tên nhất quán cho mọi thành phần muốn đối thoại với nhau và lập ánh xạ giữa các tên với địa chỉ của chúng. Một phiên phải được thiết lập trước khi dữ liệu được truyền trên mạng, lớp phiên đảm bảo cho các giao dịch được thiết lập và duy trì theo đúng qui định. Lớp phiên cung cấp cho người sử dụng cuối các chức năng cần thiết để quản trị các phiên ứng dụng của họ, đó là: Điều phối việc trao đổi dữ liệu giữa các ứng dụng bằng cách thiết lập và giải phóng (một cách lôgic) các phiên. Cung cấp các điểm đồng bộ hoá để kiểm soát việc trao đổi dữ liệu. Áp đặt các qui tắc cho các tương tác giữa các ứng dụng của người sử dụng. Cung cấp cơ chế "lấy lượt" trong quá trình trao đổi dữ liệu. II.5. 5. Lớp phiên - Session Layer Trong trường hợp mạng là hai chiều luân phiên thì nảy sinh vấn đề: hai người sử dụng luân phiên phải lấy lượt để truyền dữ liệu. Lớp phiên duy trì tương tác luân phiên bằng cách báo cho mỗi người sử dụng khi đến lượt họ được truyền dữ liệu. Vấn đề đồng bộ hóa trong lớp phiên cũng được thực hiện như cơ chế kiểm tra/phục hồi, dịch vụ này cho phép người sử dụng xác định các điểm đồng bộ hóa trong dòng dữ liệu đang chuyển vận và khi cần thiết có thể khôi phục việc hội thoại bắt đầu từ một trong các điểm đó. Ở một thời điểm chỉ có một người sử dụng có quyền đặc biệt được gọi các dịch vụ nhất định của lớp phiên, việc phân bổ các quyền này thông qua trao đổi thẻ bài (token). Ví dụ: Ai có được thẻ bài sẽ có quyền truyền dữ liệu, và khi người giữ thẻ bài trao thẻ bài cho người khác thì cũng có nghĩa trao quyền truyền dữ liệu cho người đó. II.5. 6. Lớp trình bày - Presentation Layer Lớp trình bày (Presentation layer) chịu trách nhiệm chuyển đổi dữ liệu gởi đi trên mạng từ một loại biểu diễn này sang một loại khác. Để thực hiện nó cung cấp một dạng biểu diễn chung dùng để truyền thông và cho phép chuyển đổi từ dạng biểu diễn cục bộ sang biểu diễn chung và ngược lại. Lớp trình bày cũng có thể dùng kỹ thuật mã hóa để xáo trộn các dữ liệu trước khi được truyền đi và giải mã ở đầu đến để bảo mật. Ngoài ra lớp biểu diễn cũng có thể dùng các kỹ thuật nén sao cho chỉ cần một ít byte dữ liệu để thể hiện thông tin khi nó được truyền ở trên mạng, ở đầu nhận, lớp trình bày bung trở lại để được dữ liệu ban đầu. II.5.7. Lớp ứng dụng - Application Layer Lớp ứng dụng (application layer) là lớp cao nhất của mô hình OSI, nó xác định giao diện giữa người sử dụng và môi trường OSI và giải quyết các kỹ thuật mà các chương trình ứng dụng dùng để giao tiếp với mạng. Để cung cấp phương tiện truy nhập môi trường OSI cho các tiến trình ứng dụng, người ta thiết lập các thực thể ứng dụng - AE (Application Entity) Các thực thể ứng dụng sẽ gọi đến các phần tử dịch vụ ứng dụng - ASE (Application Service Element) của chúng. Mỗi thực thể ứng dụng có thể gồm một hoặc nhiều các phần tử dịch vụ ứng dụng. Các phần tử dịch vụ ứng dụng được phối hợp trong môi trường của thực thể ứng dụng thông qua các liên kết gọi là đối tượng liên kết đơn (Single Association Object - SAO). SAO điều khiển việc truyền thông trong suốt vòng đời của liên kết đó cho phép tuần tự hóa các sự kiện đến từ các ASE thành tố của nó. Kết luận Mô hình OSI là mô hình tham chiếu dùng để kết nối các hệ thống mở. Mô hình OSI là mô hình phổ biến nhất trong việc thiết kế các mạng viễn thông, mạng máy tính. Hầu hết các mạng và thiết bị mạng đều có sự tham chiếu đến kiến trúc phân lớp của mô hình này trong quá trình thiết kế, chế tạo và xây dựng nhằm đảm bảo tính nhất quán theo tiêu chuẩn để các mạng có thể kết nối với nhau. Việc nắm vững kiến trúc phân lớp và mô hình tham chiếu OSI 7 lớp là rất quan trọng đối với các nhà thiết kế, chế tạo và lắp đặt vận hành mạng viễn thông, mạng máy tính. Chân thành cảm ơn sự quan tâm theo dõi của Thầy giáo và các bạn.