Mô hình tham chiếu TCP/IP (hay Mô hình TCP/IP, tiếng Anh TCP/IP Reference Model) là mô hình mô tả quá trình kết nối liên mạng giữa các mạng và hệ thống trên Internet. Mô hình này bao gồm kiến trúc phân tầng và tập các giao thức truyền thông thể hiện chồng giao thức sử dụng trên Internet và những mạng máy tính sử dụng bộ giao thức TCP/IP. Hai giao thức cơ bản trong mô hình này là giao thức TCP và giao thức IP. Mô hình TCP/IP đưa ra những quan niệm, đặc tả và chuẩn hoá các chức năng giao tiếp của hệ thống viễn thông và hệ thống tính toán trong mạng. Đặc biệt khả năng kết nối liên mạng thông suốt giữa các mạng khác nhau là một trong những mục tiêu chính của mô hình tham chiếu TCP/IP.

Cấu trúc

Mô hình tham chiếu TCP/IP có những tầng sau:

• Tầng vật lý

• Tầng liên kết;

• Tầng Internet;

• Tầng giao vận;

• Tầng ứng dụng.

Chồng giao thức TCP/IP là kết quả của quá trình thực hiện dự án nghiên cứu phát triển các giao thức truyền thông trong mạng chuyển mạch gói ARPANET do Bộ quốc phòng Mỹ đầu tư. Chồng giao thức bao gồm một nhóm lớn các giao thức đã được Hội đồng IAB (Internet Activities Board) bn hành như chuẩn giao thức của Internet. Một số tài liệu thường gộp tầng Vật lý và tầng Liên kết thành tầng Truy cập mạng (Network Access Layer).

Tầng vật lý (Physical Layer)

Tầng Vật lý đảm nhận giao tiếp vật lý giữa các thiết bị truyền dữ liệu (máy tính, máy trạm, …) và các phương tiện truyền dẫn hoặc mạng truyền dẫn. Tầng Vật lý liên quan tới những đặc tính của các phương tiện truyền dẫn, bản chất của tín hiệu truyền, tốc độ dữ liệu và những vấn đề liên quan. Nhiệm vụ chính của tầng Vật lý là vận chuyển các bit từ một nút mạng tới nút khác bằng các giao thức phụ thuộc vào các phương tiện truyền dẫn như: đôi cáp xoắn kép, cáp quang đơn mốt,…

Tầng Liên kết (Link Layer)

Chuyển đổi những dữ liệu truyền thành dạng phù hợp với kênh truyền thông không chứa lỗi truyền chưa biết. Tầng liên kết dữ liệu xử lý các lỗi truyền trong suốt với tầng mạng. Các gói dữ liệu trên tầng liên kết thường được gọi là khung dữ liệu. Tầng này phân chia dữ liệu gửi thành các khung dữ liệu, và truyền tuần tự các khung. Các dịch vụ trên tầng liên kết phụ thuộc vào các giao thức được thực hiện trên liên kết. Một trong những giao thức đó là giao thức đảm bảo phân phối các khung dữ liệu một cách tin cậy, từ nút gửi, thông qua một liên kết và tới nút nhận. Một số ví dụ về giao thức tầng liên kết là Ethernet, WiFi, …

Tầng Internet

Kết nối toàn bộ kiến trúc và hoạt động của Internet. Tầng này tương ứng với tầng Mạng trong mô hình bảy tầng OSI. Tầng này sẽ cho phép các nút đưa các gói tin đi tới bất kỳ một mạng và gửi chúng theo những đường độc lập tới đích (thường nằm trên các mạng khác nhau). Các gói tin có thể tới đích trong những trình tự hoàn toàn khác với khi chúng được gửi đi. Trong trường hợp đó, tầng phía trên tầng Internet – tầng Giao vận sẽ có nhiệm vụ sắp xếp lại trình tự các gói tin theo trình tự như khi được gửi đi. Giao thức hoạt động trên tầng là giao thức IP – Internet Protocol với các định dạng dữ liệu xác định. Giao thức song hành và hỗ trợ các hoạt động của IP là giao thức ICMP (Internet Control Message Protocol).

Chức năng của tầng Internet là nhận các đoạn dữ liệu cùng địa chỉ đích từ tầng Giao vận và chuyển tới tầng Giao vận ở máy đích. Tầng Internet phân phối các gói tin IP tới đích theo những tuyến đường xác định. Quá trình định tuyến là một trong những quá trình quan trọng trên tầng Internet. Tầng Internet sử dụng các giao thức khác nhau để xác định các tuyến đường vận chuyển các gói tin tới đích. Mặc dù tầng Internet sử dụng giao thức IP cùng nhiều giao thức định tuyến khác nhau cũng như một số giao thức hỗ trợ như ICMP, ARP nhưng tầng này thường được gọi là tầng IP vì giao thức IP có vai trò kết nối Internet với nhau.

Giao thức IP hiện nay có các phiên bản IPv4 và IPv6. Giao thức IP là giao thức hướng không kết nối và chuyển gói tin theo mô hình với nỗ lực cao nhất (best-effort) – trong đó không đảm bảo phân phối đảm bảo trình tự sắp xếp các gói tin cũng như khả năng gói tin có thể bị trùng lặp. Những chức năng kiểm soát đó được tầng Giao vận đảm nhận. Những vấn đề đánh địa chỉ IP và chuyển tiếp gói tin là những chức năng quan trọng của giao thức IP. Đối với phiên bản IPv4, địa chỉ IP có độ dài 32 bit – 4 byte cho phép tới 4 tỷ địa chỉ và thường được viết dưới dạng các chuỗi số thập phân ngăn cách nhau bằng dấu “. ”. Cách đánh địa chỉ IP cho phép xác định địa chỉ của mạng và địa chỉ của nút trong mạng. Đối với giao thức IPv6, không gian địa chỉ được mở rộng với số lượng bit địa chỉ lên tới 128 bit, cho phép số lượng địa chỉ tới 2128 địa chỉ.

Tầng Giao vận

Nhận dữ liệu từ tầng, phân mảnh dữ liệu thành những đơn vị dữ liệu nhỏ hơn khi cần thiết, chuyển tiếp những đơn vị dữ liệu này xuống tầng Internet, và đảm bảo những đơn vị dữ liệu này tới đích. Tầng giao vận đảm bảo duy trì kết nối tin cậy, đảm bảo truyền dữ liệu trong suốt giữa hai điểm đầu – cuối, cung cấp khả năng khôi phục lỗi đầu cuối và điều khiển luồng. Hai giao thức quan trọng được xây dựng trên tầng Giao vận: giao thức TCP (Transmission Control Protocol) và giao thức UDP (User Datagram Protocol).

Giao thức TCP là giao thức tin cậy, hướng kết nối cho phép các luồng bit từ một máy có thể được truyền tới máy đích qua mạng Internet một cách tin cậy và không lỗi. Tầng này phân đoạn các luồng bít tới thành các thông điệp và gửi xuống tầng Internet. Tại trạm nhận, quá trình xử lý TCP sẽ tập hợp các thông điệp, sắp xếp theo đúng trình tự khi gửi và tạo thành luồng bít ra. TCP cũng xử lý các luồng mạng để đảm bảo những luồng tới từ những nguồn phát tốc độ cao không làm tràn ngập những nút nhận với tốc độ làm việc thấp hơn bằng số lượng lớn thông điệp vượt quá khả năng xử lý của nút.

Giao thức thứ hai trên tầng Giao vận là giao thức UDP – giao thức không tin cậy và hướng không kết nối. Giao thức này phục vụ những ứng dụng truyền không yêu cầu cơ chế kiểm soát luồng cũng như sắp xếp lại trình tự gói tin của giao thức TCP. Những cơ chế này sẽ được ứng dụng tự kiểm soát. Giao thức này được sử dụng rộng rãi trong những ứng dụng dạng client-server, những ứng dụng đặt yêu cầu trao đổi dữ liệu nhanh chóng, thời gian thực lên trên yêu cầu phân phối dữ liệu tin cậy như những ứng dụng truyền video, truyền tiếng nói thời gian thực.

Tầng ứng dụng

Là nơi hoạt động của các ứng dụng mạng và các giao thức tầng ứng dụng liên quan. Các giao thức tầng ứng dụng bao gồm các giao thức quan trọng với người sử dụng như giao thức HTTP, FTP, SMTP, DNS, … Tầng này cung cấp truy cập tới môi trường mạng, và cung cấp những dịch vụ phân tán. Các giao thức tầng ứng dụng được phân bố trên các hệ thống đầu cuối với các ứng dụng. Những ứng dụng này trao đổi gói tin với các ứng dụng tại các hệ thống đầu cuối khác. Những gói tin trên tầng ứng dụng thường được gọi là thông điệp.

Các giao thức trên tầng ứng dụng có thể kể đến là: TELNET– giao thức cung cấp khả năng làm việc với Terminal ảo. FTP – dịch vụ truyền file, dịch vụ thư tín điện tử SMTP, dịch vụ DNS, cho phép ánh xạ một địa chỉ trạm nguồn vào một địa chỉ mạng, Giao thức HTTP là giao thức trao đổi các trang web qua dịch vụWWW, RTP là giao thức hỗ trợ phân phối dữ liệu thời gian thực.

So sánh với mô hình tham chiếu OSI

Mô hình tham chiếu OSI và mô hình tham chiếu TCP/IP có nhiều điểm tương đồng, trong đó tầng Internet tương ứng với tầng Mạng của mô hình OSI, tầng Liên kết tương ứng với tầng Liên kết dữ liệu, tầng Vật lý tương ứng với tầng Vật lý; tầng Giao vận tương ứng với tầng Giao vận. Tuy vậy tầng ứng dụng trong mô hình TCP/IP tương ứng với ghép 3 tầng của mô hình OSI: tầng, tầng Trình diễn và tầng Phiên.

Quá trình phát triển

Những nghiên cứu xây dựng chồng giao thức TCP/IP bắt đầu từ những năm 1960 trong các dự án nghiên cứu phát triển của DARPA thuộc Bộ Quốc phòng Mỹ. Sau những khởi động tiên phong của mạng ARPANET vào năm 1969, DARPA tiến hành xây dựng các công nghệ truyền dẫn khác nhau. Các giao thức nhóm TCP/IP đần được xây dựng và đưa vào hoạt động vào những năm 1973-1974 và tới năm 1978, giao thức IP và TCP được tách ra và hoạt động trên các tầng độc lập. Tới năm 1983, phiên bản IPv4 được đưa vào sử dụng và sau đó là phiên bản IPv6.

Trong những năm 1975-1977, một số trường đại học Mỹ và Anh đã kết nối liên mạng sử dụng các công nghệ và chồng giao thức TCP/IP. Tháng 3/1982, Bộ Quốc phòng Mỹ đã công bố việc sử dụng TCP/IP là tiêu chuẩn áp dụng cho kết nối liên mạng quốc phòng. Tới giữa những năm 1980, mạng Internet càng ngày càng phát triển và kiến trúc cũng như chồng giao thức TCP/IP được các nhà phân phối lớn như IBM, AT&T, DEC sử dụng và triển khai. Tới cuối những năm 1980, đầu những năm 1990, các tập đoàn công nghệ lớn, các cơ quan, tổ chức đã dần đưa TCP/IP thành một trong những công nghệ mạng mạnh nhất.TCP/IP là mô hình cốt lõi của mạng Internet.

Tài liệu tham khảo

1. S. Tanenbaum, and D. J. Wetherall (2011). Computer Networks. Pearson 2011.
2. W. Stallings. Data and Computer Communications. Pearson 2007.
3. W. Stallings. Data and Computer Communications. Pearson 2013;
4. Benrouz A. Forouzan. Data Communication and Networking. McGraw-Hill 2012.
5. J. Kurose, K. Ross. Computer Networking A topdown approach.6th edition. Pearson. 2013.