Giao thức TCP/IP là gì? Một số giao thức chính của họ TCP/IP

Họ giao thức TCP/IP là bộ giao thức được sử dụng phổ biến nhất trên mạng Internet. TCP/IP bao gồm hai giao thức chính là TCP (Transmission Control Protocol) và IP (Internet Protocol). TCP được sử dụng để kiểm soát việc truyền tải dữ liệu giữa các thiết bị kết nối mạng, trong khi IP quản lý việc định tuyến và chuyển tiếp dữ liệu trên mạng. Họ giao thức TCP/IP cung cấp các phương tiện để truyền tải dữ liệu giữa các thiết bị kết nối mạng một cách hiệu quả và đáng tin cậy, và là nền tảng cơ bản cho việc truy cập Internet và các ứng dụng trên mạng.

Họ giao thức TCP/IP là gì?

Họ giao thức TCP/IP là một tập hợp các giao thức mạng được sử dụng để kết nối các thiết bị và truyền tải dữ liệu giữa chúng trên mạng Internet. TCP/IP là viết tắt của hai giao thức chính trong họ giao thức này: Transmission Control Protocol (TCP) và Internet Protocol (IP).

Giao thức IP được sử dụng để định vị và định danh các thiết bị trên mạng, còn giao thức TCP làm nhiệm vụ kiểm soát và xác nhận việc truyền tải dữ liệu giữa các thiết bị. Ngoài ra, TCP/IP còn bao gồm các giao thức khác như UDP, ICMP, ARP, DNS, FTP, HTTP, SMTP, v.v.

Họ giao thức TCP/IP đóng vai trò rất quan trọng trong việc kết nối và truyền tải dữ liệu trên mạng Internet, và được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng như email, truyền tải tập tin, trò chuyện trực tuyến, v.v.

Lịch sử hình thành và phát triển của họ giao thức TCP/IP

Sự ra đời của họ giao thức TCP/IP gắn liền với sự ra đời của Internet mà tiền thân là mạng ARPAnet (Advanced Research Projects Agency) do Bộ Quốc phòng Mỹ tạo ra. Đây là bộ giao thức được dùng rộng rãi nhất vì tính mở của nó. Hai giao thức được dùng chủ yếu ở đây là TCP (Transmission Control Protocol) và IP (Internet Protocol). Chúng đã nhanh chóng được đón nhận và phát triển bởi nhiều nhà nghiên cứu và các hãng công nghiệp máy tính với mục đích xây dựng và phát triển một mạng truyền thông mở rộng khắp thế giới mà ngày nay chúng ta gọi là Internet. 

Đến năm 1981, TCP/IP phiên bản 4 mới hoàn tất và được phổ biến rộng rãi cho toàn bộ những máy tính sử dụng hệ điều hành UNIX. Sau này Microsoft cũng đã đưa TCP/IP trở thành một trong những giao thức căn bản của hệ điều hành Windows 9x mà hiện nay đang sử dụng. 

Đến năm 1994, một bản thảo của phiên bản IPv6 được hình thành với sự cộng tác của nhiều nhà khoa học thuộc các tổ chức Internet trên thế giới để cải tiến những hạn chế của IPv4.  

Khác với mô hình ISO/OSI tầng liên mạng sử dụng giao thức kết nối mạng “không liên kết” (connectionless) IP, tạo thành hạt nhân hoạt động của Internet. Cùng với các thuật toán định tuyến RIP, OSPF, BGP, tầng liên mạng IP cho phép kết nối một cách mềm dẻo và linh hoạt các loại mạng “vật lý” khác nhau như: Ethernet, Token Ring , X.25…  

Giao thức trao đổi dữ liệu “có liên kết” (connection – oriented) TCP được sử dụng ở tầng vận chuyển để đảm bảo tính chính xác và tin cậy việc trao đổi dữ liệu dựa trên kiến trúc kết nối “không liên kết” ở tầng liên mạng IP. 

Tầm quan trọng của họ giao thức TCP/IP với Internet hiện nay

Các giao thức hỗ trợ ứng dụng phổ biến như truy nhập từ xa (telnet), chuyển tệp (FTP), dịch vụ World Wide Web (HTTP), thư điện tử (SMTP), dịch vụ tên miền (DNS) ngày càng được cài đặt phổ biến như những bộ phận cấu thành của các hệ điều hành thông dụng như UNIX (và các hệ điều hành chuyên dụng cùng họ của các nhà cung cấp thiết bị tính toán như AIX của IBM, SINIX của Siemens, Digital UNIX của DEC), Windows9x/NT, Novell Netware,… 

Kiến trúc và vận hành của Họ giao thức TCP/IP

Trong cấu trúc bốn lớp của TCP/IP, khi dữ liệu truyền từ lớp ứng dụng cho đến lớp vật lý, mỗi lớp đều cộng thêm vào phần điều khiển của mình để đảm bảo cho việc truyền dữ liệu được chính xác. Mỗi thông tin điều khiển này được gọi là một header và được đặt ở trước phần dữ liệu được truyền. Mỗi lớp xem tất cả các thông tin mà nó nhận được từ lớp trên là dữ liệu, và đặt phần thông tin điều khiển header của nó vào trước phần thông tin này. Việc cộng thêm vào các header ở mỗi lớp trong quá trình truyền tin được gọi là encapsulation. Quá trình nhận dữ liệu diễn ra theo chiều ngược lại: mỗi lớp sẽ tách ra phần header trước khi truyền dữ liệu lên lớp trên. 

Mỗi lớp có một cấu trúc dữ liệu riêng, độc lập với cấu trúc dữ liệu được dùng ở lớp trên hay lớp dưới của nó. Sau đây là giải thích một số khái niệm thường gặp.  

Stream là dòng số liệu được truyền trên cơ sở đơn vị số liệu là Byte.  

 Số liệu được trao đổi giữa các ứng dụng dùng TCP được gọi là stream, trong khi dùng UDP, chúng được gọi là message.  

 Mỗi gói số liệu TCP được gọi là segment còn UDP định nghĩa cấu trúc dữ liệu của nó là packet.  

Lớp Internet xem tất cả các dữ liệu như là các khối và gọi là datagram. Bộ giao thức TCP/IP có thể dùng nhiều kiểu khác nhau của lớp mạng dưới cùng, mỗi loại có thể có một thuật ngữ khác nhau để truyền dữ liệu.  

Phần lớn các mạng kết cấu phần dữ liệu truyền đi dưới dạng các packets hay là các frames.  

Một số giao thức chính của Họ giao thức TCP/IP

Giao thức IP là gì?

Các phiên bản chính của Giao thức IP 

Hiện nay, có hai phiên bản chính của giao thức IP đang được sử dụng trên mạng Internet, đó là IPv4 và IPv6.

Giao thức liên mạng IP (v4) 

IPv4 (Internet Protocol version 4): Đây là phiên bản đầu tiên và phổ biến nhất của giao thức IP. IPv4 sử dụng địa chỉ IP 32 bit, được biểu diễn dưới dạng bốn đoạn số thập phân, mỗi đoạn có giá trị từ 0 đến 255 và được phân cách bằng dấu chấm. Với 32 bit, IPv4 có thể hỗ trợ tối đa khoảng 4,3 tỷ địa chỉ IP, tuy nhiên, do số lượng thiết bị kết nối tới Internet ngày càng tăng, IPv4 đã gặp phải vấn đề về cạn kiệt địa chỉ IP.

Chức năng chính của – Giao thức liên mạng IP(v4) 

Trong phần này trình bày về giao thức IPv4 (để cho thuận tiện ta viết IP có nghĩa là đề cập đến IPv4). 

Mục đích chính của IP là cung cấp khả năng kết nối các mạng con thành liên mạng để truyền dữ liệu. IP cung cấp các chức năng chính sau: 

• Định nghĩa cấu trúc các gói dữ liệu là đơn vị cơ sở cho việc truyền dữ liệu trên Internet. 
• Định nghĩa phương thức đánh địa chỉ IP. 
• Truyền dữ liệu giữa tầng vận chuyển và tầng mạng . 
• Thực hiện việc phân mảnh và hợp nhất (fragmentation -reassembly) các gói dữ liệu và nhúng / tách chúng trong các gói dữ liệu ở tầng liên kết. 

IPv6 (Internet Protocol version 6)

Để giải quyết vấn đề về cạn kiệt địa chỉ IPv4, IPv6 được phát triển với địa chỉ có độ dài 128 bit, cho phép tạo ra hơn 340 undecillion địa chỉ. IPv6 cũng bao gồm các tính năng cải tiến hơn so với IPv4, bao gồm bảo mật và độ tin cậy cao hơn.

Chức năng chính của giao thức IPv6

Giao thức IPv6 có chức năng chính là định danh và định vị các thiết bị trên mạng Internet và cho phép chúng truyền tải dữ liệu với nhau thông qua địa chỉ IP với độ dài 128 bit. IPv6 được thiết kế để giải quyết các vấn đề của phiên bản trước đó là IPv4, bao gồm:

• Khả năng định danh địa chỉ IP: IPv6 cung cấp khả năng định danh địa chỉ IP đầy đủ cho tất cả các thiết bị kết nối trên mạng Internet mà không sợ bị cạn kiệt địa chỉ như IPv4.
• Độ tin cậy cao hơn: IPv6 cung cấp các tính năng bảo mật và độ tin cậy cao hơn so với IPv4 bằng cách sử dụng các tính năng mã hóa và chữ ký số.
• Tính linh hoạt: IPv6 cung cấp tính linh hoạt cho các thiết bị kết nối trên mạng Internet để có thể tương tác với nhau một cách hiệu quả hơn.
• Hỗ trợ đa phương tiện: IPv6 hỗ trợ truyền tải các loại dữ liệu khác nhau, bao gồm cả âm thanh, hình ảnh, video, và các ứng dụng truyền tải tập tin lớn.
• Tối ưu hóa hiệu suất: IPv6 được thiết kế để tối ưu hiệu suất trên mạng Internet và cung cấp khả năng truyền tải dữ liệu nhanh hơn và ổn định hơn.

Các phiên bản giao thức IP khác

Ngoài ra, còn có một số phiên bản giao thức IP khác như IPv5 (không được sử dụng rộng rãi), IPv4S (IPv4+) và IPv7 (được đề xuất nhưng chưa được phát triển và triển khai). Tuy nhiên, IPv4 và IPv6 là hai phiên bản quan trọng nhất và được sử dụng rộng rãi trong mạng Internet.

Giao thức TCP là gì?

TCP (Transmission Control Protocol) là một giao thức “có liên kết” (connection – oriented), nghĩa là cần thiết lập liên kết (logic), giữa một cặp thực thể TCP trước khi chúng trao đổi dữ liệu với nhau. TCP là một trong 2 giao thức quan trọng nhất trong họ giao thức TCP/IP.

TCP cung cấp khả năng truyền dữ liệu một cách an toàn giữa các máy trạm trong hệ thống các mạng. Nó cung cấp thêm các chức năng nhằm kiểm tra tính chính xác của dữ liệu khi đến và bao gồm cả việc gửi lại dữ liệu khi có lỗi xảy ra. 

TCP cung cấp các chức năng chính sau: 

• Thiết lập, duy trì, kết thúc liên kết giữa hai quá trình. 
• Phân phát gói tin một cách tin cậy. 
• Đánh số thứ tự (sequencing) các gói dữ liệu nhằm truyền dữ liệu một cách tin cậy. 
• Cho phép điều khiển lỗi. 
• Cung cấp khả năng đa kết nối với các quá trình khác nhau giữa trạm nguồn và trạm đích nhất định thông qua việc sử dụng các cổng. 
• Truyền dữ liệu sử dụng cơ chế song công (full-duplex). 

Cấu trúc gói dữ liệu TCP 

Một tiến trình ứng dụng trong một host truy nhập vào các dịch vụ của TCP cung cấp thông qua một cổng (port) như sau: 

 Một cổng kết hợp với một địa chỉ IP tạo thành một socket duy nhất trong liên mạng. TCP được cung cấp nhờ một liên kết logic giữa một cặp socket. Một socket có thể tham gia nhiều liên kết với các socket ở xa khác nhau. Trước khi truyền dữ liệu giữa hai trạm cần phải thiết lập một liên kết TCP giữa chúng và khi kết thúc phiên truyền dữ liệu thì liên kết đó sẽ được giải phóng. Cũng giống như ở các giao thức khác, các thực thể ở tầng trên sử dụng TCP thông qua các hàm dịch vụ nguyên thuỷ (service primitives), hay còn gọi là các lời gọi hàm (function call). 

Thiết lập và kết thúc kết nối TCP 

Thiết lập kết nối 

 Thiết lập kết nối TCP được thực hiện trên cơ sở phương thức bắt tay ba bước (Tree – way Handsake) hình sau. Yêu cầu kết nối luôn được tiến trình trạm khởi tạo, bằng cách gửi một gói TCP với cờ SYN=1 và chứa giá trị khởi tạo số tuần tự ISN của client. Giá trị ISN này là một số 4 byte không dấu và được tăng mỗi khi kết nối được yêu cầu (giá trị này quay về 0 khi nó tới giá trị 2³²). Trong thông điệp SYN này còn chứa số hiệu cổng TCP của phần mềm dịch vụ mà tiến trình trạm muốn kết nối (bước 1). 

 Mỗi thực thể kết nối TCP đều có một giá trị ISN mới số này được tăng theo thời gian. Vì một kết nối TCP có cùng số hiệu cổng và cùng địa chỉ IP được dùng lại nhiều lần, do đó việc thay đổi giá trị INS ngăn không cho các kết nối dùng lại các dữ liệu đã cũ (stale) vẫn còn được truyền từ một kết nối cũ và có cùng một địa chỉ kết nối. 

 Khi thực thể TCP của phần mềm dịch vụ nhận được thông điệp SYN, nó gửi lại gói SYN cùng giá trị ISN của nó và đặt cờ ACK=1 trong trường hợp sẵn sàng nhận kết nối. Thông điệp này còn chứa giá trị ISN của tiến trình trạm trong trường hợp số tuần tự thu để báo rằng thực thể dịch vụ đã nhận được giá trị ISN của tiến trình trạm (bước 2). 

 Tiến trình trạm trả lời lại gói SYN của thực thể dịch vụ bằng một thông báo trả lời ACK cuối cùng. Bằng cách này, các thực thể TCP trao đổi một cách tin cậy các giá trị ISN của nhau và có thể bắt đầu trao đổi dữ liệu. Không có thông điệp nào trong ba bước trên chứa bất kỳ dữ liệu gì; tất cả thông tin trao đổi đều nằm trong phần tiêu đề của thông điệp TCP (bước 3). 

Hình 2.8: Quá trình kết nối theo 3 bước 

Kết thúc kết nối 

 Khi có nhu cầu kết thúc kết nối, thực thể TCP, ví dụ cụ thể A gửi yêu cầu kết thúc kết nối với FIN=1. Vì kết nối TCP là song công (full-duplex) nên mặc dù nhận được yêu cầu kết thúc kết nối của A (A thông báo hết số liệu gửi) thực thể B vẫn có thể tiếp tục truyền số liệu cho đến khi B không còn số liệu để gửi và thông báo cho A bằng yêu cầu kết thúc kết nối với FIN=1 của mình. Khi thực thể TCP đã nhận được thông điệp FIN và sau khi đã gửi thông điệp FIN của chính mình, kết nối TCP thực sự kết thúc. 

Giao thức điều khiển thuộc họ giao thức TCP/IP   

Giao thức ICMP 

ICMP ((Internet Control Message Protocol) là một giao thức điều khiển của mức IP, được dùng để trao đổi các thông tin điều khiển dòng số liệu, thông báo lỗi và các thông tin trạng thái khác của bộ giao thức TCP/IP. Ví dụ: 

• Điều khiển lưu lượng dữ liệu (Flow control). 
• Thông báo lỗi : ví dụ  “Destination Unreachable”. 
• Định hướng lại các tuyến đường: gói tin redirect 
• Kiểm tra các trạm ở xa: gói tin echo 

Ví dụ khuôn dạng của thông điệp ICMP redirect như sau: 

Giao thức ARP và giao thức RARP 

Trên một mạng cục bộ hai trạm chỉ có thể liên lạc với nhau nếu chúng biết địa chỉ vật lý của nhau. Như vậy vấn đề đặt ra là phải thực hiện ánh xạ giữa địa chỉ IP (32 bits) và địa chỉ vật lý (48 bits) của một trạm. Giao thức ARP (Address Resolution Protocol) đã được xây dựng để chuyển đổi từ địa chỉ IP sang địa chỉ vật lý khi cần thiết. Ngược lại, giao thức RARP (Reverse Address Resolution Protocol) được dùng để chuyển đổi địa chỉ vật lý sang địa chỉ IP. Các giao thức ARP và RARP thuộc bộ giao thức TCP/IP tuy nhiên chúng không phải là bộ phận của IP mà IP sẽ dùng đến chúng khi cần. 

Kết luận

Kết luận lại, họ giao thức TCP/IP là bộ giao thức phổ biến nhất trên mạng Internet, bao gồm hai giao thức chính là TCP và IP. Chúng cung cấp các phương tiện để truyền tải dữ liệu một cách hiệu quả và đáng tin cậy trên mạng, và đóng vai trò cơ bản cho việc truy cập Internet và các ứng dụng trên mạng. Hiểu rõ về họ giao thức TCP/IP sẽ giúp chúng ta có thể giải quyết các vấn đề liên quan đến kết nối mạng và đảm bảo an toàn thông tin trên mạng.