Ở bài trước của Series Nhập môn mạng máy tính, chúng ta đã tìm hiểu tổng quan về các dịch vụ cũng như các giao thức của Internet. Trong bài này chúng ta sẽ tiếp tục tìm hiểu đến một nhóm thành phần tiếp theo của Internet, đó chính là Thành phần mạng biên.
Các thành phần mạng biên
Nhắc lại ở phần trước, các máy tính và thiết bị khác nối kết vào mạng Internet được gọi là thiết bị đầu cuối (end devices, end system). Chúng được gọi là thiết bị đầu cuối là vì chúng nằm ở vùng biên của Internet (mạng biên) như ở hình bên dưới.
Thiết bị đầu cuối của Internet bao gồm các máy tính để bàn, các máy chủ (ví dụ máy chủ web, email), và các thiết bị di động (ví dụ các PDA, máy tính xách tay, điện thoại có thể kết nối vào Internet qua mạng không dây). Ngoài ra, còn một số thiết bị đầu cuối khác không ngừng gia tăng được nối kết vào Internet như: Webcams, khung ảnh, máy giặt, lò nướng,…
Các thiết bị đầu cuối còn được gọi là các host vì chúng chứa các chương trình ứng dụng, như trình duyệt Web, Web Server. Các thiết bị đầu cuối đôi khi được chia làm hai loại: máy khách (client) và máy chủ (server). Nói nôm na, máy khách có khuynh hướng là các máy tính cá nhân. Trong khi đó, máy chủ có khuynh hướng là các máy tính có cấu hình mạnh hơn dùng để lưu trữ các trang Web, đoạn phim video, chuyển tiếp thư điện tử, v.v…
Mô hình Client – Server (Khách – Chủ)
Trong bối cảnh nói về phần mềm mạng, có một định nghĩa khác về thuật ngữ khách và chủ, là một định nghĩa mà chúng ta sẽ sử dụng trong suốt series này.
Chương trình khách (client program) là chương trình chạy trên một thiết bị đầu cuối, yêu cầu và nhận các dịch vụ từ một chương trình chủ (server program) đang chạy trên một thiết bị đầu cuối khác. Các ứng dụng Web, thư điện tử, truyền tập tin, đăng nhập từ xa (remote login), nhóm tin (newsgroup), và nhiều ứng dụng phổ biến khác đêu theo mô hình khách – chủ này.
Cũng vì các chương trình khách chạy trên một máy tính và chương trình chủ chạy trên một máy tính khác, các ứng dụng khách – chủ trên Internet được gọi là các ứng dụng phân tán. Các chương trình khách và chương trình chủ tương tác với nhau bằng cách gửi cho nhau các thông điệp qua lại trên Internet. Các thành phần của mạng như bộ định tuyến, đường truyền và các chi tiết khác phục vụ như một hộp đen chịu trách nhiệm vận chuyển các thông điệp giữa các ứng dụng trên Internet.
Không phải tất cả ứng dụng hiện nay trên Internet đều là các ứng dụng thuần túy theo mô hình khách – chủ. Chúng ta còn có các ứng dụng ngang hàng (peer- to-peer hay P2P), trong đó các thiết bị đầu cuối tương tác và chạy các chương trình thực hiện cả hai chức năng của chương trình khách và chương trình chủ. Ví dụ như ứng dụng chia sẻ tập tin theo mô hình P2P (như BitTorrent và eMule), chương trình đóng vai trò như một chương trình khách khi nó yêu cầu tập tin từ máy khác; và đóng vai trò như một chương trình chủ khi nó gửi tập tin cho máy khác.
Mạng truy cập toàn cầu
Phần trên đã đề cập đến các ứng dụng mạng và thiết bị đầu cuối nằm ở mạng biên, phần này sẽ đề cập đến mạng truy cập (access networks) – là mạng kết nối thiết bị đầu cuối với bộ định tuyến đầu tiên ra Internet (còn được gọi là bộ định tuyến mạng biên hay router biên (edge router). Hình bên dưới cho thấy nhiều phương thức truy cập từ thiết bị đầu cuối đến bộ định tuyến biên mạng. Các router được highlight là các router biên. Phần này khảo sát các kỹ thuật truy cập mạng thông dụng nhất, từ các mạng có tốc độ thấp đến tốc độ cao.
Phần dưới đây sẽ cho thấy có nhiều kỹ thuật truy cập mạng khai thác một phần cơ sở hạ tầng mạng điện thoại hữu tuyến ở các mức độ khác nhau. Cơ sở hạ tầng mạng điện thoại hữu tuyến được các nhà cung cấp dịch vụ điện thoại cung cấp. Chẳng hạn như ở khu vực TP.HCM có các nhà cung cấp dịch vụ điện thoại như Công ty Điện thoại Đông TP.HCM, ở Mỹ có nhà cung cấp dịch vụ như Verizon, ở Pháp có France Telecom.
Kỹ thuật quay số (Dial-up)
Trong thập niên 1990, hầu như người sử dụng ở hộ gia đình đều truy cập Internet thông qua đường điện thoại analog thông thường. Ngày nay, nhiều người sử dụng thuộc các quốc gia đang phát triển và ở khu vực nông thôn của các quốc gia phát triển (ở những nơi này chưa có mạng truy cập băng thông rộng) vẫn còn sử dụng hình thức truy cập Internet bằng hình thức quay số. Ngay ở Mỹ, ước tính ở thời điểm 2008, có khoảng 10% người sử dụng ở hộ gia đình truy cập Internet bằng hình thức này.
Thuật ngữ “quay số” được sử dụng xuất phát từ nguyên nhân các phần mềm của người dùng thật sự quay số kết nối vào số điện thoại của ISP và thiết lập một kết nối điện thoại với ISP (chẳng hạn, với VNN, người dùng có thể quay số 1260, hoặc 1268).
Như ở hình dưới đây, máy tính gia đình được nối với một thiết bị gọi là modem quay số, và thiết bị này lại được nối với đường điện thoại analog ở nhà. Đường này là một dây đồng xoắn cặp, cũng tương tự như đường điện thoại dùng để gọi thường thấy. Modem chuyển đổi tín hiệu số (digital) xuất ra từ máy PC, thành dạng tín hiệu tương tự (analog) để có thể truyền được trên đường điện thoại analog. Ở phía đầu kia của kết nối, một modem khác của ISP sẽ chuyển ngược tín hiệu tương tự thành tín hiệu số.
Truy cập Internet qua mạng quay số có hai nhược điểm. Nhược điểm trước tiên và dễ thấy nhất là tốc độ rất chậm, tối đa cỡ 56 Kbps. Nhược điểm thứ hai là độc chiếm đường điện thoại. Nghĩa là khi một thành viên trong gia đình đang sử dụng modem quay số để lướt Web, thì không ai khác có thể nhận hoặc thực hiện các cuộc gọi thông thường qua đường điện thoại đó.
Kỹ thuật DSL
Hiện nay có hai hình thức thông dụng nhất để truy cập Internet từ hộ gia đình sử dụng băng thông rộng (broadband) là DSL (viết tắt của Digital Subcriber Line) và cáp (cable). Ngày nay, ở hầu hết các nước phát triển, trên 50% hộ gia đình truy cập Internet qua mạng băng thông rộng.
Một hộ gia đình sử dụng kỹ thuật DSL thường từ cùng một công ty cung cấp dịch vụ điện thoại hữu tuyến (tức nhà cung cấp dịch vụ điện thoai địa phương). Do đó, khi sử dụng DSL, nhà cung cấp dịch vụ điên thoại cũng là nhà cung cấp dịch vụ Internet.
Như ở hình sau, mỗi modem DSL của khách hàng đều sử dụng đường điện thoại đang có (dây đồng xoắn cặp) để trao đổi dữ liệu với một thiết bị gọi là DSLAM (Digital Subcriber Line Access Multiplexer), thường đặt tại nhà cung cấp dịch vụ điện thoại. Đường điện thoại có thể mang đồng thời cả dữ liệu lẫn tín hiệu điện thoại. Dữ liệu và tín hiệu điện thoại được mã hóa ở các tần số khác nhau:
- Với kênh dữ liệu tải xuống tốc độ cao: sử dụng dải tần số từ 50 kHz đến 1 MHz
- Với kênh dữ liệu tải lên tốc độ trung bình: sử dụng dải tần số từ 4 kHz đến 50 kHz
- Với kênh điện thoại hai chiều bình thường, sử dụng dải tần từ 0 đến 4 Khz.
Kỹ thuật này cho phép một đường DSL hoạt động như ba đường rời nhau, do đó việc gọi điện thoại và truy cập Internet có thể diễn ra đồng thời.
Ở phía khách thuê bao, khi tín hiệu đến, một bộ tách tín hiệu (splitter) làm nhiệm vụ tách các tín hiệu dữ liệu và tín hiệu thoại ra thành hai phần rời nhau, đồng thời chuyển tín hiệu dữ liệu đến DSL Modem. Ở phía nhà cung cấp dịch vụ điện thoại, tại Central Office, thiết bị DSLAM cũng tách rời các tín hiệu dữ liệu và tín hiệu điện thoại, sau đó gửi dữ liệu vào Internet. Có hàng trăm, thậm chí hàng nghìn hộ gia đình kết nối đến cùng một thiết bị DSLAM.
Truy cập Internet qua DSL có hai lợi thế chính so với hình thức truy cập Internet bằng hình thức quay số. Trước tiên, công nghệ này cho phép truyền và nhận dữ liệu ở tốc độ cao hơn.
Thông thường, một thuê bao có thể có tốc độ tải xuống khoảng từ 1 đến 2 Mbps và tốc độ tải lên khoảng từ 128 kbps đến 1 Mbps. Do tốc độ tải xuống và tải lên khác nhau, công nghệ này được gọi là bất đối xứng. Lợi thế thứ hai là người thuê bao có thể vừa truy cập Internet, vừa nói chuyện điện thoại. Không giống như hình thức quay số, trong công nghệ này, người dùng không cần quay số đến ISP mà luôn có một kết nối thường xuyên đến thiết bị DSLAM.
Để nâng cao tốc độ, DSL sử dụng các kỹ thuật xử lý tín hiệu cao cấp và các thuật toán sửa lỗi. Do đó nếu căn hộ không nằm trong vùng bán kính từ 8 đến 16 km, các kỹ thuật xử lý tín hiệu của DSL không còn tác dụng, và căn hộ nên chuyển sang một hình thức truy cập Internet khác.
Cáp
Nhiều hộ dân cư ở khu vực Bắc Mỹ và các nơi khác tiếp nhận được hàng trăm kênh truyền hình nhờ mạng lưới cáp đồng trục. Trong hệ thống truyền hình cáp truyền thống, trạm đầu cáp phát đi các kênh truyền hình đến hộ dân nhờ một mạng lưới cáp đồng trục (coaxial cable) và bộ khuyếch đại tín hiệu.
Trong khi DSL và hình thức quay số đều sử dụng cơ sở hạ tầng đang có của mạng điện thoại, hình thức truy cập Internet bằng cáp là khai thác hệ thống hạ tầng đang có của mạng truyền hình. Thông thường, hộ dân cư trang bị cáp truy cập Internet từ cùng một nhà cung cấp dịch vụ truyền hình.
Ở hình minh họa sau đây, cáp quang được sử dụng để kết nối trạm đầu cáp với các trạm chuyển cáp (neighborhood-level junctions), từ đây tín hiệu truyền hình được truyền đến các hộ dân cư nhờ vào đường cáp đồng trục. Mỗi trạm chuyển cáp thường có thể phục vụ từ 500 đến 5000 hộ. Do bởi cả cáp quang lẫn cáp đồng trục được sử dụng, hệ thống này thường được gọi là HFC (hybrid fiber coax).
Truy cập Internet dùng cáp đỏi hỏi phải sử dụng một modem đặc biệt, gọi là modem cáp (cable modem). Cũng như modem DSL, modem cáp thường là một thiết bị gắn ngoài, kết nối máy PC ở nhà bằng một cổng Ethernet. Modem cáp chia mạng HFC ra thành hai kênh, một kênh tải xuống và một kênh truyền lên. Cũng như DSL, truy cập dùng cáp thường là bất đối xứng, trong đó tốc độ kênh tải xuống thường cao hơn tốc độ kênh truyền lên.
Một đặc tính quan trọng của cáp là môi trường truyền chung. Cụ thể, mọi gói tin đi từ trạm đầu cáp, đều lan khắp các đường dẫn đến mọi nhà theo kênh tải xuống, và mọi gói tin được gửi từ một nhà, đều truyền tới trạm đầu cáp, theo hướng tải lên. Nghĩa là các thuê bao phải chia sẻ chung một đường truyền, nên tốc độ truy cập bị ảnh hưởng bởi những người dùng khác trong cùng nhánh mạng. Do kênh tải lên cũng là dùng chung, nên cần các giao thức đa truy cập phân tán (distributed multiple access protocol) để điều phối việc tham gia truyền và tránh hiện tượng xung đột tín hiệu.
FTTH (Fiber-To-The-Home)
Cáp quang có tốc độ truyền nhanh hơn đáng kể so với cáp đồng trục và cáp xoắn cặp. Một số nhà cung cấp dịch vụ điện thoại (ở nhiều quốc gia khác nhau) đã trang bị đường cáp quang đến tận nhà của khách hàng thuê bao, mang đến một dịch vụ truy cập Internet tốc độ cao, cũng như các dịch vụ điện thoại và truyền hình truyền thống trên mạng cáp quang.
Có nhiều kỹ thuật cạnh tranh cho việc phân phối cáp quang đến hộ gia đình. Dạng mạng phân phối cáp quang đơn giản nhất được gọi là sợi quang trực tiếp (direct fiber), trong đó chỉ có một sợi quang đến hộ gia đình. Kỹ thuật này có thế cung cấp tốc độ truyền cao, bởi mỗi khách hàng độc chiếm toàn bộ băng thông đường truyền. Tuy nhiên, có một dạng thông dụng hơn, trong đó mỗi sợi quang có thể dùng chung cho nhiều căn hộ. Khi đến tương đối gần nhóm căn hộ, nó tách thành những sợi quang riêng cho từng khách hàng.
Có hai kiến trúc mạng phân phối sợi quang đang cạnh tranh nhau, đều thực hiện việc tách này:
- AON (active optical networks).
- PON (passive optical networks).
Kiến trúc AON về bản chất là kiến trúc Ethernet. Phần này sẽ đề cập sơ lược về PON. Hình bên dưới cho thấy hình thức truy cập Internet sử dụng FTTH với kiến trúc phân phối PON.
Mỗi căn hộ có một đầu kết mạng quang (optical network terminator, viết tắt là ONT) được nối với một bộ tách quang (optical splitter) nhờ một sợi cáp quang dành riêng. Bộ tách này gom chung một số hộ gia đình (thường dưới 100 hộ) thành một cụm và dùng chung một sợi cáp quang để nối vào đầu kết đường quang (optical line terminator, viết tắt là OLT), đặt ở nhà cung cấp dịch vụ điện thoại.
Đầu kết đường quang là thiết bị chuyển đổi qua lại tín hiệu quang và tín hiệu điện tử, kết nối vào Internet nhờ bộ định tuyến của nhà cung cấp dịch vụ điện thoại. Trong mỗi căn hộ, người dùng kết nối bộ định tuyến trong nhà (thường là bộ định tuyến không dây) với ONT và truy cập Internet nhờ bộ định tuyến trong nhà này. Trong kiến trúc PON, tất cả các gói tin được gửi từ OLT đến bộ tách được lặp lại tại bộ tách này (tương tự như trạm đầu cáp).
FTTH có tiềm năng cung cấp truy cập Internet lên tới tốc độ hàng gigabits trong một giây. Tuy nhiên, hầu hết các ISP có FTTH đều đưa ra nhiều tốc độ khác nhau cho khách hàng lựa chọn, tốc độ càng cao thì phí dịch vụ càng cao. Ngày nay, hầu hết các khách hàng FTTH có thể tận hưởng tốc độ tải từ 10 đến 20 Mbps và tốc độ tải lên từ 2 đến 10 Mbps. Ngoài dịch dụ truy cập Internet ra, FTTH còn có thể mang đến các dịch vụ truyền hình và điện thoại truyền thống.
Ethernet
Trong các doanh nghiệp và khuôn viên đại học, mạng cục bộ (Local area network, viết tắt là LAN) thường được sử dụng để kết nối các thiết bị đầu cuối với bộ định tuyến biên. Mặc dù có nhiều loại kỹ thuật mạng LAN, Ethernet vẫn là kỹ thuật truy cập mạng thông dụng nhất ở các mạng doanh nghiệp và trường đại học.
Như ở hình dưới đây, người dùng Ethernet sử dụng cáp đồng xoắn cặp để kết nối vào các thiết bị gọi là Ethernet switch. Với công nghệ Ethernet, người dùng thường truy cập ở tôc độ 100 Mbps, trong khi các máy chủ có thể có tốc độ truy cập 1 Gbps hoặc thậm chí là 10 Gbps.
Wi-Fi
Ngày nay, có hai lối truy cập Internet qua đường vô tuyến.
Trong mạng cục bộ vô tuyến (wireless LAN), người dùng truyền/nhận các gói tin đến/từ một điểm truy cập (access point) mà bản thân thiết bị này lại được kết nối vào Internet qua đường hữu tuyến. Người sử dụng trong mạng này thường phải nằm trong khu vực cách điểm truy cập khoảng vài chục mét.
Trong mạng truy cập không dây diện rộng (wide-area wireless access network), các gói tin được truyền đến một trạm cơ sở (base station) trên cùng một cơ sở hạ tầng vô tuyến dùng trong kỹ thuật điện thoại di động (cellular telephony). Trong trường hợp này, các trạm cơ sở được các nhà cung cấp dịch vụ điện thoại di động quản lý và người dùng thường phải nằm cách trạm cơ sở khoảng vài chục ki-lô-mét.
Truy cập qua mạng cục bộ vô tuyến dựa trên kỹ thuật IEEE 802.11, chính là Wi-Fi, giờ đây xuất hiện khắp mọi nơi – trường đại học, văn phòng công ty, quán cà phê, sân bay, trong gia đình và thậm chí là trên máy bay.
Hầu hết các trường đại học đều có các điểm truy cập IEEE 802.11 nằm dọc theo khuôn viên, cho phép sinh viên gửi hoặc nhận thư điện tử hoặc lướt Web từ bất cứ nơi nào trong khuôn viên. Ở nhiều thành phố, người ta có thể đứng ở một góc đường và nằm trong tầm của hàng chục điểm truy cập. Hiện nay, công nghệ IEEE 802.11 đã cho phép người dùng truy cập với tốc độ lên tới 54 Mbps.
Nhiều gia đình kết hợp cách truy cập Internet qua mạng băng thông rộng (nghĩa là dùng DSL hoặc cáp) với kỹ thuật mạng cục bộ vô tuyến chi phí thấp để tạo ra một mạng sử dụng trong gia đình tiện lợi. Mạng gia đình này có thể cho phép có các máy laptop di dộng, cũng như các máy PC nối mạng bằng cáp; một modem cáp hoặc DSL nhằm cung cấp khả năng truy cập Internet qua đường mạng băng rộng; và một bộ định tuyến nối với điểm truy cập, với các máy PC cố định và với modem cáp hoặc DSL.
Mạng kiểu này cho phép các thành viên trong gia đình có được truy cập băng rộng vào Internet từ máy PC cố định hoặc từ máy laptop di động từ các vị trí khác nhau trong nhà.
Truy cập vô tuyến diện rộng
Khi truy cập Internet từ mạng cục bộ vô tuyến, người ta thường phải nằm trong khoảng cách vài chục mét đến điểm truy cập. Điều này hoàn toàn khả thi cho các tình huống truy cập từ gia đình, quán cà phê, và tổng quát hơn là truy cập bên trong và xung quanh một tòa nhà. Nhưng nếu như từ bãi biển, trên xe buýt, xe ô-tô thì sao? Với những nhu cầu truy cập ở khoảng cách xa (diện rộng) như vậy, người ta có thể truy cập Internet nhờ vào cơ sở hạ tầng Mạng điện thoại di động, cho phép truy cập đến các trạm cơ sở cách xa tới hàng chục ki- lô-mét.
Các công ty viễn thông đã đầu tư rất nhiều vào công nghệ vô tuyến thế hệ thứ ba, mà ta thường gặp dưới tên gọi 3G, hoặc thế hệ thứ 4 – 4G và mới nhất hiện nay là thế hệ thứ 5 – 5G. Công nghệ này cho phép truy cập Internet tầm diện rộng ở tốc độ vượt trội. Ngày nay, hàng triệu người dùng mạng này để đọc và gửi thư điện tử, lướt Web, tải nhạc trong khi vẫn di chuyển.
WiMAX
WiMAX được biết đến với tên gọi tiêu chuẩn IEEE 802.16, là hậu duệ của các công nghệ Wi-Fi 802.11. WiMAX làm việc độc lập với mạng điện thoại di động, và có khả năng cung cấp một tốc độ truy cập từ 5 đến 10 Mbps hoặc cao hơn, ở khoảng cách xa hàng chục ki-lô-mét.
Tham khảo thêm về WiMAX: https://en.wikipedia.org/wiki/WiMAX
Tổng kết
Phần này đã giới thiệu tổng quát về thành phần mạng biên của Internet bao gồm các thành phần cấu tạo và các cách truy cập mạng, ngoài ra mạng biên còn bao gồm các phương tiện truyền dẫn sẽ được khái quát ở bài sau.
