Tài liệu TCP/IP và mạng Internet

ĐỀ TÀI: TCP/IP và mạng Internet

PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG MÁY TÍNH

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ MÁY TÍNH
1.1. Lịch sử máy tính
Trong thời đại khoa học kỹ thuật ngày nay, máy tính điện tử đóng một vai tṛ hết sức quan trọng và là yếu tố không thể thiếu đối với hầu hết các ngành nghề, các dịch vụ cũng như đối với đời sống sinh hoạt của con người. Để trở thành những công cụ hữu ích, công nghệ cao như hiện nay, máy tính điện tử đă trải qua rất nhiều thời ḱ phát triển, đáp ứng những đ̣i hỏi ngày một cao của con người.
Với sự ra đời và thành công của máy ENIAC, năm 1946 được xem như năm mở đầu cho kỷ nguyên máy tính điện tử, kết thúc sự nỗ lực nghiên cứu của các nhà khoa học đă kéo dài trong nhiểu năm trước đó, và mở ra một thời kỳ phát triển mạnh mẽ của công nghệ phần cứng cơ sở chế tạo ra những máy tính điện tử với tính năng ngày càng cao, được sử dụng rộng răi trong rất nhiều lĩnh vực của cuộc sống. Lịch sử phát triển của máy tính có thể chia thành 4 giai đoạn như sau:

1.1.1. Giai đoạn 1: Từ 1945 đến 1958, với máy tính thế hệ thứ nhất sử dụng công nghệ đèn chân không.
§ Máy tính ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer), do John Mauchly và John Presper Eckert (đại học Pensylvania, Mỹ) thiết kế và chế tạo, là chiếc máy số hoá điện tử đa năng đầu tiên trên thế giới.
- Nguồn gốc: Dự án chế tạo máy ENIAC được bắt đầu vào năm 1943. Đây là một nỗ lực nhằm đáp ứng yêu cầu thời chiến của BRL (Ballistics Research Laboratory – Pḥng nghiên cứu đạn đạo quân đội Mỹ) trong việc tính toán chính xác và nhanh chóng các bảng số liệu đạn đạo cho từng loại vũ khí mới.
- Số liệu kỹ thuật: ENIAC là một chiếc máy khổng lồ với hơn 18000 bóng đèn chân không, nặng hơn 30 tấn, tiêu thụ một lượng điện năng vào khoảng 140kW và chiếm một diện tích xấp xỉ 1393 m2. Mặc dù vậy, nó làm việc nhanh hơn nhiều so với các loại máy tính điện cơ cùng thời với khả năng thực hiện 5000 phép cộng trong một giây đồng hồ.
Điểm khác biệt giữa ENIAC & các máy tính khác: ENIAC sử dụng hệ đếm thập phân chứ không phải nhị phân như ở tất cả các máy tính khác. Với ENIAC, các con số được biểu diễn dưới dạng thập phân và việc tính toán cũng được thực hiện trên hệ thập phân. Bộ nhớ của máy gồm 20 “bộ tích lũy”, mỗi bộ có khả năng lưu giữ một số thập phân có 10 chữ số. Mỗi chữ số được thể hiện bằng một ṿng gồm 10 đèn chân không, trong đó tại mỗi thời điểm, chỉ có một đèn ở trạng thái bật để thể hiện một trong mười chữ số từ 0 đến 9 của hệ thập phân. Việc lập tŕnh trên ENIAC là một công việc vất vả v́ phải thực hiện nối dây bằng tay qua việc đúng/mở cỏc công tắc cũng như cắm vào hoặc rút ra các dây cáp điện.
- Hoạt động thực tế: Máy ENIAC bắt đầu hoạt động vào tháng 11/1945 với nhiệm vụ đầu tiên không phải là tính toán đạn đạo (v́ chiến tranh thế giới lần thứ hai đă kết thúc) mà để thực hiện các tính toán phức tạp dùng trong việc xác định tính khả thi của bom H. Việc có thể sử dụng máy vào mục đích khác với mục đích chế tạo ban đầu cho thấy tính đa năng của ENIAC. Máy tiếp tục hoạt động dưới sự quản lư của BRL cho đến khi được tháo rời ra vào năm 1955.
§ Máy tính Von Neumann
Như đă đề cập ở trên, việc lập tŕnh trờn mỏy ENIAC là một công việc rất tẻ nhạt và tốn kém nhiều thời gian. Công việc này có lẻ sẽ đơn giản hơn nếu chương tŕnh có thể được biểu diễn dưới dạng thích hợp cho việc lưu trữ trong bộ nhớ cùng với dữ liệu cần xử lư. Khi đó máy tính chỉ cần lấy chỉ thị bằng cách đọc từ bộ nhớ, ngoài ra chương tŕnh có thể được thiết lập hay thay đổi thông qua sự chỉnh sửa các giá trị lưu trong một phần nào đó của bộ nhớ.
Ư tưởng này, được biết đến với tên gọi “khái niệm chương tŕnh được lưu trữ”, do nhà toán học John von Neumann, một cố vấn của dự án ENIAC, đưa ra ngày 8/11/1945, trong một bản đề xuất về một loại máy tính mới có tên gọi EDVAC (Electronic Discrete Variable Computer). Máy tính này cho phép nhiều thuật toán khác nhau có thể được tiến hành trong máy tính mà không cần phải nối dây lại như máy ENIAC.
§ Máy IAS
Tiếp tục với ư tưởng của ḿnh, vào năm 1946, von Neuman cựng cỏc đồng nghiệp bắt tay vào thiết kế một máy tính mới có chương tŕnh được lưu trữ với tên gọi IAS (Institute for Advanced Studies) tại học viện nghiên cứu cao cấp Princeton, Mỹ. Mặc dù măi đến năm 1952 máy IAS mới được hoàn tất, nó vẫn là mô h́nh cho tất cả các máy tính đa năng sau này.

1.1.2. Giai đoạn 2: Từ 1958 đến 1964, với máy tính thế hệ thứ hai sử dụng công nghệ chất bán dẫn.
Sự thay đổi đầu tiên trong lĩnh vực máy tính điện tử xuất hiện khi có sự thay thế đèn chân không bằng đèn bán dẫn. Đèn bán dẫn nhỏ hơn, rẻ hơn, tỏa nhiệt ít hơn trong khi vẫn có thể được sử dụng theo cùng cách thức của đèn chân không để tạo nên máy tính. Không như đèn chân không vốn đ̣i hỏi phải có dây, có bảng kim loại, có bao thủy tinh và chân không, đèn bán dẫn là một thiết bị ở trạng thái rắn được chế tạo từ silicon có nhiều trong cỏt cú trong tự nhiên.
Đèn bán dẫn là phát minh lớn của pḥng thí nghiệm Bell Labs trong năm 1947. Nú đó tạo ra một cuộc cách mạng điện tử trong những năm 50 của thế kỷ 20. Dù vậy, măi đến cuối những năm 50, các máy tính bán dẫn hóa hoàn toàn mới bắt đầu xuất hiện trên thị trường máy tính. Việc sử dụng đèn bán dẫn trong chế tạo máy tính đă xác định thế hệ máy tính thứ hai, với đại diện tiêu biểu là máy PDP–1 của công ty DEC (Digital EquIPment Corporation) và IBM 7094 của IBM. DEC được thành lập vào năm 1957 và cũng trong năm đó cho ra đời sản phẩm đầu tiên của ḿnh là máy PDP–1 như đă đề cập ở trên. Đây là chiếc máy mở đầu cho ḍng máy tính mini của DEC, vốn rất phổ biến trong các máy tính thế hệ thứ ba.

1.1.3. Giai đoạn 3: Từ 1964 đến 1974, với máy tính thế hệ thứ ba sử dụng công nghệ mạch tích hợp.
Một đèn bán dẫn tự chứa, đơn lẻ thường được gọi là một thành phần rời rạc. Trong suốt những năm 50 và đầu những năm 60 của thế kỷ 20, các thiết bị điện tử phần lớn được kết hợp từ những thành phần rời rạc – đèn bán dẫn, điện trở, tụ điện, v.v . Các thành phần rời rạc được sản xuất riêng biệt, đóng gói trong các bộ chứa riêng, sau đó được dùng để nối lại với nhau trên những bảng mạch. Các bảng này lại được gắn vào trong máy tính, máy kiểm tra dao động, và các thiết bị điện tử khác nữa. Bất cứ khi nào một thiết bị điện tử cần đến một đèn bán dẫn, một ống kim loại nhỏ chứa một mẫu silicon sẽ phải được hàn vào một bảng mạch. Toàn bộ quá tŕnh sản xuất, đi từ đèn bán dẫn đến bảng mạch, là một quá tŕnh tốn kém và không hiệu quả. Những vấn đề như vậy đă làm nền tảng cho việc dẫn đến các bài toán mới trong công nghiệp máy tính. Các máy tính thế hệ thứ hai ban đầu chứa khoảng 10000 đèn bán dẫn. Con số này sau đó đă tăng lên nhanh chóng đến hàng trăm ngàn, làm cho việc sản xuất cỏc mỏy mạnh hơn, mới hơn gặp rất nhiều khó khăn.
Sự phát minh ra mạch tích hợp vào năm 1958 đă cách mạng hóa điện tử và bắt đầu cho kỷ nguyên vi điện tử với nhiều thành tựu rực rỡ. Mạch tích hợp chính là yếu tố xác định thế hệ thứ ba của máy tính. Trong mục tiếp sau đây chúng ta sẽ t́m hiểu một cách ngắn gọn về công nghệ mạch tích hợp. Sau đó, hai thành viên quan trọng nhất trong các máy tính thế hệ thứ ba, máy IBM System/360 và máy DEC PDP–8, sẽ được giới thiệu cùng với các tính năng nổi bật của chúng.

1.1.4. Giai đoạn 4: Từ 1974 đến nay, với máy tính thế hệ thứ tư sử dụng công nghệ mạch tích hợp vô cùng lớn/siờu lớn (VLSI/ULSI).
Với tốc độ phát triển nhanh chóng của công nghệ, mức độ cho ra đời các sản phẩm mới ở mức cao, cũng như tầm quan trọng của phần mềm, của truyền thông và phần cứng, việc phân loại máy tính theo thế hệ trở nên kém rơ ràng và ít có ư nghĩa như trước đây. rong phần tiếp theo, hai thành tựu tiêu biểu về công nghệ của máy tính thế hệ thứ tư sẽ được giới thiệu một cách tóm lược.
§ Bộ nhớ bán dẫn
Vào khoảng những năm 50 đến 60 của thế kỷ này, hầu hết bộ nhớ máy tính đều được chế tạo từ những ṿng nhỏ làm bằng vật liệu sắt từ, mỗi ṿng có đường kính khoảng 1/16 inch. Cỏc vũng này được treo trờn cỏc lưới ở trên những màn nhỏ bên trong máy tính. Khi được từ hóa theo một chiều, một ṿng (gọi là một lơi) biểu thị giá trị 1, c̣n khi được từ hóa theo chiều ngược lại, lơi sẽ đại diện cho giá trị 0. Bộ nhớ lơi từ kiểu này làm việc khá nhanh. Nó chỉ cần một phần triệu giây để đọc một bit lưu trong bộ nhớ. Nhưng nó rất đắt tiền, cồng kềnh, và sử dụng cơ chế hoạt động loại trừ: một thao tác đơn giản như đọc một lơi sẽ xóa dữ liệu lưu trong lừi đú. Do vậy cần phải cài đặt các mạch phục hồi dữ liệu ngay khi nó được lấy ra ngoài.
Năm 1970, Fairchild chế tạo ra bộ nhớ bán dẫn có dung lượng tương đối đầu tiên. ChIP này có kích thước bằng một lơi đơn, có thể lưu 256 bit nhớ, hoạt động không theo cơ chế loại trừ và nhanh hơn bộ nhớ lơi từ. Nó chỉ cần 70 phần tỉ giây để đọc ra một bit dữ liệu trong bộ nhớ. Tuy nhiên giá thành cho mỗi bit cao hơn so với lơi từ.
Kể từ năm 1970, bộ nhớ bán dẫn đă đi qua tám thế hệ: 1K, 4K, 16K, 64K, 256K, 1M, 4M, và giờ đây là 16M bit trên một chIP đơn (1K = 210, 1M = 220). Mỗi thế hệ cung cấp khả năng lưu trữ nhiều gấp bốn lần so với thế hệ trước, cùng với sự giảm thiểu giá thành trên mỗi bit và thời gian truy cập.
§ Bộ vi xử lư
Vào năm 1971, hăng Intel cho ra đời chIP 4004, chIP đầu tiên có chứa tất cả mọi thành phần của một CPU trên một chIP đơn. Kỷ nguyên bộ vi xử lư đă được khai sinh từ đó. ChIP 4004 có thể cộng hai số 4 bit và nhân bằng cách lập lại phép cộng. Theo tiêu chuẩn ngày nay, chIP 4004 rơ ràng quá đơn giản, nhưng nú đó đánh dấu sự bắt đầu của một quá tŕnh tiến hóa liên tục về dung lượng và sức mạnh của các bộ vi xử lư. Bước chuyển biến kế tiếp trong quá tŕnh tiến hóa nói trên là sự giới thiệu chIP Intel 8008 vào năm 1972. Đây là bộ vi xử lư 8 bit đầu tiên và có độ phức tạp gấp đôi chIP 4004.
Đến năm 1974, Intel đưa ra chIP 8080, bộ vi xử lư đa dụng đầu tiên được thiết kế để trở thành CPU của một máy vi tính đa dụng. So với chIP 8008, chIP 8080 nhanh hơn, có tập chỉ thị phong phú hơn và có khả năng định địa chỉ lớn hơn.
Cũng trong cùng thời gian đú, cỏc bộ vi xử lư 16 bit đă bắt đầu được phát triển. Mặc dù vậy, măi đến cuối những năm 70, các bộ vi xử lư 16 bit đa dụng mới xuất hiện trên thị trường. Sau đó đến năm 1981, cả Bell Lab và Hewlett–packard đều đă phát triển các bộ vi xử lư đơn chIP 32 bit. Trong khi đó, Intel giới thiệu bộ vi xử lư 32 bit của riêng ḿnh là chIP 80386 vào năm 1985.

1.2. Cấu trúc và chức năng của máy tính
1.2.1. Cấu trúc tổng quát của máy tính
Máy tính là một hệ thống phức tạp với hàng triệu thành phần điện tử cơ sở. Ở mức đơn giản nhất, máy tính có thể được xem như một thực thể tương tác theo một cách thức nào đó với môi trường bên ngoài. Một cách tổng quát, các mối quan hệ của nó với môi trường bên ngoài có thể phân loại thành các thiết bị ngoại vi hay đường liên lạc.

H́nh 1: Cấu trúc tổng quát của máy tính
§ Thành phần chính, quan trọng nhất của máy tính là Đơn vị xử lư trung tâm (CPU – Central Processing Unit): Điều khiển hoạt động của máy tính và thực hiện các chức năng xử lư dữ liệu.

H́nh 2: Bộ xử lư trung tâm của máy tính (CPU)

CPU thường được đề cập đến với tên gọi bộ xử lư. Máy tính có thể có một hoặc nhiều thành phần nói trên, Ví Dụ như một hoặc nhiều CPU. Trước đây đa phần các máy tính chỉ có một CPU, nhưng gần đây có sự gia tăng sử dụng nhiều CPU trong một hệ thống máy đơn. CPU luôn luôn là đối tượng quan trọng v́ đây là thành phần phức tạp nhất của hệ thống. Cấu trúc của CPU gồm các thành phần chính:
- Đơn vị điều khiển: Điều khiển hoạt động của CPU và do đó điều khiển hoạt động của máy tính.
- Đơn vị luận lư và số học (ALU – Arithmetic and Logic Unit): Thực hiện các chức năng xử lư dữ liệu của máy tính.
- Tập thanh ghi: Cung cấp nơi lưu trữ bên trong CPU.
- Thành phần nối kết nội CPU: Cơ chế cung cấp khả năng liên lạc giữa đơn vị điều khiển, ALU và tập thanh ghi.
Trong các thành phần con nói trên của CPU, đơn vị điều khiển lại giữ vai tṛ quan trọng nhất. Sự cài đặt đơn vị này dẫn đến một khái niệm nền tảng trong chế tạo bộ vi xử lư máy tính. Đó là khái niệm vi lập tŕnh. H́nh dưới đây mô tả tổ chức bên trong một đơn vị điều khiển với ba thành phần chính gồm:
- Bộ lập dăy logic
- Bộ giải mă và tập các thanh ghi điều khiển
- Bộ nhớ điều khiển


H́nh 3: Đơn vị điều khiển của CPU

Các thành phần khác của máy tính:
§ Bộ nhớ chính: Dùng để lưu trữ dữ liệu.
§ Các thành phần nhập xuất: Dùng để di chuyển dữ liệu giữa máy tính và môi trường bên ngoài.
§ Các thành phần nối kết hệ thống: Cung cấp cơ chế liên lạc giữa CPU, bộ nhớ chính và các thành phần nhập xuất.

1.2.2. Chức năng của máy tính
Một cách tổng quát, một máy tính có thể thực hiện bốn chức năng cơ bản sau:
- Di chuyển dữ liệu
- Điều khiển
- Lưu trữ dữ liệu
- Xử lư dữ liệu