Mạng máy tính là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa và khái niệm cơ bản

Mạng máy tính (computer network) là tập hợp các thiết bị điện tử (máy tính, máy chủ, switch, router, thiết bị di động…) được kết nối với nhau bằng kênh truyền (cáp đồng, cáp quang, sóng vô tuyến…) để chia sẻ dữ liệu, tài nguyên và dịch vụ. Mỗi thiết bị trong mạng được gọi là một nút (node), và đường truyền giữa các nút là liên kết (link). Giao thức (protocol) là tập hợp các quy định thống nhất về cách thức đóng gói, truyền nhận và kiểm soát lỗi dữ liệu, được thực thi ở từng lớp trong mô hình mạng.

Phân loại mạng máy tính theo quy mô địa lý gồm:

• LAN (Local Area Network): mạng cục bộ, phủ sóng trong phạm vi một tòa nhà hoặc khuôn viên, băng thông cao, độ trễ thấp.
• WAN (Wide Area Network): mạng diện rộng, kết nối các LAN ở vị trí xa nhau qua đường truyền công cộng hoặc thuê kênh thuê riêng, băng thông thay đổi theo hạ tầng.
• MAN (Metropolitan Area Network): mạng đô thị, mở rộng giữa LAN và WAN, thường do chính quyền hoặc nhà cung cấp dịch vụ xây dựng.
• PAN (Personal Area Network): mạng cá nhân, kết nối thiết bị trong phạm vi vài mét (Bluetooth, ZigBee).

Lịch sử phát triển

Nguồn gốc của mạng máy tính bắt đầu từ dự án ARPANET (Advanced Research Projects Agency Network) do Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ tài trợ vào cuối thập niên 1960. ARPANET ban đầu kết nối bốn trung tâm nghiên cứu, sử dụng gói chuyển mạch (packet switching) để truyền dữ liệu. Đến năm 1972, ARPANET đã triển khai dịch vụ thư điện tử (email), mở ra ứng dụng mạng đại chúng đầu tiên.

Cuộc cách mạng Ethernet ra đời vào năm 1973 do Robert Metcalfe phát triển tại Xerox PARC, đưa ra chuẩn IEEE 802.3 cho truyền dữ liệu bằng cáp đồng tốc độ 10 Mbps. Sau đó, vào năm 1984, Tổ chức quốc tế về tiêu chuẩn hóa (ISO) công bố mô hình chuẩn OSI (Open Systems Interconnection) gồm bảy lớp, tạo cơ sở lý thuyết cho thiết kế và triển khai mạng.

Thập niên 1990 chứng kiến sự bùng nổ của Internet với giao thức TCP/IP, trang web đầu tiên xuất hiện năm 1991 và trình duyệt Mosaic năm 1993. Kể từ đó, băng thông mạng tăng mạnh với ADSL, cáp quang và công nghệ di động 3G, 4G. Gần đây, 5G và Wi-Fi 6 tiếp tục mở rộng khả năng kết nối hàng tỷ thiết bị trong kỷ nguyên IoT.

Kiến trúc và mô hình tham chiếu

Mô hình OSI gồm bảy lớp tách biệt chức năng mạng:

1. Physical: truyền bit qua kênh vật lý.
2. Data Link: đóng gói thành frame, kiểm soát lỗi.
3. Network: định tuyến và chuyển mạch gói (IP).
4. Transport: đảm bảo truyền tin tin cậy (TCP/UDP).
5. Session: quản lý phiên kết nối, đồng bộ hóa.
6. Presentation: mã hóa, nén, chuyển đổi định dạng.
7. Application: giao tiếp với ứng dụng người dùng (HTTP, FTP, SMTP).

Mô hình TCP/IP gộp thành bốn lớp: Link, Internet, Transport, Application, đơn giản và được ứng dụng rộng rãi trên Internet. So sánh hai mô hình:

Kiểu kết nối và cấu trúc mạng

Cấu trúc mạng (topology) mô tả cách thức kết nối vật lý hoặc logic giữa các nút:

• Bus: tất cả thiết bị nối chung một đường truyền; đơn giản nhưng dễ nghẽn.
• Star: các nút kết nối tới một switch hoặc hub trung tâm; dễ quản lý, bảo trì.
• Ring: nút nối tiếp thành vòng; dữ liệu truyền tuần tự qua mỗi nút.
• Mesh: mỗi nút kết nối với nhiều nút khác; độ tin cậy cao, chi phí lớn.
• Tree/Hybrid: kết hợp nhiều kiểu cơ bản để mở rộng và tối ưu.

Căn cứ vào phương tiện truyền dẫn:

Giao thức và chuẩn mực

Giao thức (protocol) định nghĩa cách thức trao đổi dữ liệu giữa các thiết bị, đảm bảo đồng bộ hóa, kiểm soát lỗi và quản lý luồng thông tin. Các giao thức quan trọng ở nhiều lớp khác nhau bao gồm:

• Ethernet (IEEE 802.3): chuẩn phổ biến cho LAN, sử dụng phương pháp truy cập CSMA/CD, tốc độ từ 10 Mbps đến 100 Gbps (IEEE 802.3).
• Wi-Fi (IEEE 802.11): chuẩn LAN không dây, bao gồm 802.11a/b/g/n/ac/ax, cung cấp băng thông từ vài chục Mbps đến vài Gbps (IEEE 802.11).
• Bluetooth (IEEE 802.15.1): kết nối PAN tầm ngắn, tiêu thụ điện năng thấp, phổ biến trong thiết bị di động và IoT.
• TCP/IP: tập hợp giao thức lõi của Internet, gồm IP (định tuyến), TCP (đảm bảo tin cậy) và UDP (không kết nối, thấp độ trễ) (RFC 791).
• HTTP/HTTPS: giao thức ứng dụng trên nền TCP, dùng cho truy cập web; HTTPS thêm lớp mã hóa SSL/TLS để bảo mật (RFC 7230).

Sự chuẩn hóa do IEEE, IETF và các tổ chức quốc tế đảm nhiệm giúp các thiết bị đa nhà cung cấp có thể tương tác ổn định, tạo nền tảng cho sự phát triển của Internet và các mạng LAN, WAN hiện đại.

Lớp vật lý và liên kết dữ liệu

Lớp vật lý và Data Link chịu trách nhiệm truyền và đảm bảo tính toàn vẹn của bit/khung dữ liệu qua kênh vật lý:

• Lớp Physical: xác định đặc tính tín hiệu điện, quang hoặc vô tuyến, kỹ thuật điều chế (modulation), mã hóa bit và đồng bộ hóa clock.
• Lớp Data Link: đóng gói bit thành khung (frame), thêm địa chỉ MAC, CRC để phát hiện lỗi và thực hiện cơ chế ARQ (Automatic Repeat reQuest).

Switch hoạt động tại lớp Data Link, học địa chỉ MAC và chuyển khung dữ liệu đến cổng đích. Cơ chế VLAN (IEEE 802.1Q) phân vùng mạng ảo giúp quản lý an toàn và phân luồng hiệu quả.

Lớp mạng và định tuyến

Lớp mạng xác định cách đưa gói tin (packet) từ nguồn đến đích trên mạng đa phân đoạn:

• Địa chỉ IP: IPv4 (32 bit) và IPv6 (128 bit), cấu trúc phân cấp gồm network và host.
• Định tuyến tĩnh: quản trị viên cấu hình bảng định tuyến thủ công; phù hợp mạng nhỏ, ít thay đổi.
• Định tuyến động: giao thức Distance-Vector (RIP), Link-State (OSPF) và Path-Vector (BGP) tự động cập nhật đường đi tối ưu (IETF).

MPLS (Multiprotocol Label Switching) tạo mạng lớp 2.5, sử dụng nhãn để định tuyến và hỗ trợ QoS. SDN (Software Defined Networking) tách khối điều khiển khỏi khối chuyển tiếp, cho phép lập trình mạng linh hoạt và tự động hóa quản lý.

Lớp vận chuyển và ứng dụng

Lớp vận chuyển chịu trách nhiệm kiểm soát luồng, độ tin cậy và phân mảnh ghép mảnh:

• TCP: thiết lập kết nối ba bước (handshake), đánh số thứ tự gói, ACK, xác định lại khi mất gói, điều phối lưu lượng.
• UDP: không kết nối, không ACK, tốc độ cao, phù hợp với streaming, VoIP, DNS.
• SCTP: kết hợp ưu điểm của TCP và UDP, hỗ trợ đa luồng (multi-homing) và chống giả mạo.

Ứng dụng lớp Application xây dựng trên Transport, gồm:

• HTTP/HTTPS: truy cập web, API REST.
• FTP/SFTP: truyền file, với SFTP bảo mật qua SSH.
• SMTP/IMAP/POP3: dịch vụ email.
• DNS: phân giải tên miền, thiết yếu cho toàn bộ Internet.

Bảo mật và quản lý mạng

Bảo mật mạng bảo vệ thông tin và ngăn chặn truy cập trái phép:

• SSL/TLS: mã hóa kết nối ứng dụng (HTTPS, SMTPS).
• IPSec: mã hóa và xác thực ở lớp mạng, dùng cho VPN.
• ACL & VLAN: phân chia và kiểm soát truy cập dựa trên địa chỉ MAC/IP.
• IDS/IPS: giám sát và phát hiện xâm nhập, chặn tấn công KDD, DDoS.

Quản lý mạng sử dụng SNMP (Simple Network Management Protocol) thu thập số liệu hiệu năng, NetFlow/ sFlow phân tích lưu lượng và Syslog thu nhật ký sự kiện. Giải pháp SIEM tổng hợp và cảnh báo theo thời gian thực.

Ứng dụng thực tiễn và xu hướng tương lai

Ứng dụng mạng máy tính mở rộng trong nhiều lĩnh vực:

• Internet of Things (IoT): kết nối cảm biến, thiết bị thông minh qua MQTT, CoAP.
• 5G/6G: mạng di động tốc độ cao, độ trễ thấp, hỗ trợ URLLC và mMTC.
• Điện toán đám mây: AWS, Azure, Google Cloud cung cấp dịch vụ IaaS/PaaS/SaaS.
• Edge Computing: xử lý phân tán gần nguồn dữ liệu để giảm độ trễ và băng thông.
• AI trong mạng: tự động phát hiện sự cố, tối ưu hóa định tuyến và QoS qua machine learning.

Danh mục tài liệu tham khảo

1. Stallings, W. (2021). Data and Computer Communications (11th ed.). Pearson.
2. Tanenbaum, A. S., & Wetherall, D. J. (2011). Computer Networks (5th ed.). Prentice Hall.
3. IEEE. “IEEE 802 Standards.” Retrieved from https://standards.ieee.org/802/
4. IETF. “RFC 791 – Internet Protocol.” Retrieved from https://tools.ietf.org/html/rfc791
5. Cisco. “Introduction to Networking.” Cisco Documentation, 2024. Retrieved from https://www.cisco.com/
6. RFC Editor. “RFC 7230 – HTTP/1.1.” Retrieved from https://tools.ietf.org/html/rfc7230
7. Intel. “Introduction to 5G and 6G.” Intel Whitepaper, 2025.
8. SNMP.com. “Simple Network Management Protocol.” Retrieved from https://www.snmp.com/