Các nguyên tắc sáng tạo cơ bản và ứng dụng trong lĩnh vực mạng máy tính và truyền thông

Cao Học Khóa 22 Ngành Khoa Học Máy Tính PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CÁC NGUYÊN TẮC SÁNG T Ơ BẢN VÀ ỨNG DỤ LĨ V C M NG MÁY TÍNH VÀ TRUYỀN THÔNG Thầy HD: GS-TSKH Hoàng Kiếm Học viên thực hiện: Trần Hà Lâm MSHV: 1211036 TP. HCM, ĂM 2012 Mở đầu Có thể nói trong lĩnh vực công nghệ thông tin thì mạng máy tính – Internet là một lĩnh vực được khai thác và phát triển gần đây nhất, nghĩa là thời gian phát triển của công nghệ trong lĩnh vực này tương đối ngắn. Tuy nhiên, Internet có một sự phát triển vượt bậc, nhiều công nghệ được cải tiến, nhiều ứng dụng có ý nghĩa được ra đời chỉ trong một khoảng thời gian ngắn. Cho đến bây giờ, Internet đã góp phần không nhỏ vào sự phát triển của các ngành khoa học khác và trở thành một thành phần không thể thiếu trong cuộc sống con người hiện nay. Từ đó, tôi xin tổng kết lại kiến thức đã học trong môn Phương Pháp Nghiên Cứu Khoa Học và đưa ra những ví dụ áp dụng trong thực tế qua quá trình phát triển của Internet thông qua bài tiểu luận này. Bài tiểu luận bao gồm 2 phần chính: - Tóm tắt ngắn gọn 40 phương pháp nghiên cứu khoa học. - Ứng dụng của các phương pháp trên trong lĩnh vực mạng máy tính – Internet. Cũng qua bài tiểu luận này, em xin chân thành gởi lời cảm ơn đến Giáo Sư – Tiến Sĩ Khoa Học Hoàng Kiếm, thầy đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ chúng em trong môn Phương Pháp Nghiên Cức Khoa Học. Mở đầu .......................................................................................................................................................... 2 I. Sơ lược về các phương pháp nghiên cứu khoa học ............................................................................ 4 II. Sự vận dụng các nguyên tắc nghiên cứu khoa học vào quá trình phát triện Internet – Mạng máy tính ........................................................................................................................................................ 6 1. Tóm tắt quá trình phát triển của Mạng máy tính và Internet ........................................................ 6 2. Sự vận dụng của các nguyên lý sáng tạo vào quá trình phát triển của Internet ........................... 7 a. Nguyên tắc phân nhỏ .................................................................................................................. 7 b. Nguyên tắc vạn năng ..................................................................................................................... 8 d. Nguyên tắc dự phòng ................................................................................................................ 10 e. Nguyên tắc linh động ................................................................................................................ 10 f. Sử dụng trung gian ...................................................................................................................... 11 KẾT LUẬN ................................................................................................................................................. 12 I. Sơ lược về các phương pháp nghiên cứu khoa học Theo Atshuler, quy luật phát triển của khoa học kỹ thuật đều tuân theo các nguyên lý sáng tạo cơ bản. Đó là 40 nguyên lý sáng tạo mà ông đã đúc kết trong “Lý thuyết giải các bài toán sáng chế” (TRIZ), đã được GS.TS Phan Dũng biên soạn thành tiếng Việt, bao gồm 40 nguyên tắc sau (vì các nguyên tắc này tương đối phổ biến và dễ dàng tìm thấy nên sẽ chỉ nói tên nguyên tắc mà không trình bày nội dung cụ thể): - Nguyên tắc phân nhỏ - Nguyên tắc tách khỏi - Nguyên tắc phẩm chất cục bộ - Nguyên tắc phản đối xứng - Nguyên tắc kết hợp - Nguyên tắc vạn năng - Nguyên tắc chứa trong - Nguyên tắc phản trọng lượng - Nguyên tắc gây ứng suất sơ bộ - Nguyên tắc thực hiện sơ bộ - Nguyên tắc dự phòng - Nguyên tắc đẳng thế - Nguyên tắc đảo ngược - Nguyên tắc cầu hóa - Nguyên tắc linh động - Nguyên tắc giải “thiếu” hoặc “thừa” - Nguyên tắc chuyển sang chiều khác - Nguyên tắc sử dụng các dao động cơ học - Nguyên tắc tác động theo chu kỳ - Nguyên tắc liên tục tác động có ích - Nguyên tắc “vượt nhanh” - Nguyên tắc biến hại thành lợi - Nguyên tắc quan hệ phản hồi - Nguyên tắc sử dụng trung gian - Nguyên tắc tự phục vụ - Nguyên tắc sao chép - Nguyên tắc “rẻ” thay cho “đắt” - Nguyên tắc thay thế sơ đồ cơ học - Nguyên tắc sử dụng các kết cấu khí và lỏng - Nguyên tắc sử dụng vỏ dẻo và màng mỏng - Nguyên tắc sử dụng vật liệu nhiều lỗ - Nguyên tắc thay đổi màu sắc - Nguyên tắc đồng nhất - Nguyên tắc phân hủy hoặc tái sinh các phần - Nguyên tắc thay đổi các thông số hóa lý của đối tượng - Nguyên tắc sử dụng sự chuyển pha - Nguyên tắc sử dụng sự nở nhiệt - Nguyên tắc sử dụng chất oxy hóa mạnh - Nguyên tắc thay đổi độ trơ - Nguyên tắc sử dụng vật liệu hợp thành composit II. Sự vận dụng các nguyên tắc nghiên cứu khoa học vào quá trình phát triện Internet – Mạng máy tính 1. Tóm tắt quá trình phát triển của Mạng máy tính và Internet Mạng Internet ngày nay được bắt nguồn từ mạng Arpanet đầu tiên do cơ quan quản lý dự án nghiên cứu phát triển ARPA thuộc Bộ Quốc Phòng Mỹ nghiên cứu và phát triển với mạng WAN đầu tiên gồm 4 máy được lắp đặt tại: - Trường đại học California tại Los Angeles. - Trung tâm nghiên cứu phát triển tại Học Viện Nghiên Cức Stanford. - Trường đại học California tại Santa Babarca. - Trường đại học Urtah. Thuật ngữ Internet được sử dụng đầu tiên vào khoảng những năm 1974. Từ năm 1972 đến 1982, các nhà khoa học tại một số trường đại học lớn trên thế giới đã nhiều lần cải tiến và nâng cấp mạng Arpanet để có thể liên kết 40 máy thông qua bộ vi xử lý giao tiếp giữa các trạm cuối, và phát minh ra Email – dùng để gởi thông điệp trên mạng. Năm 1981 ra đời mạng CSNET(Computer Science NETwork) cung cấp các dịch vụ mạng cho các nhà khoa học ở trường đại học mà không cần truy cập vào mạng ARPANET. Năm 1983, giao thức TCP/IP chính thức trở thành một chuẩn đối với ngành quân sự Mỹ và tất cả máy tính nối với mạng Arpanet bấy giờ. Và mạng Arpanet được tách ra thành 2 nhánh: - MILNET là mạng được dùng cho các mục đích quân sự. - ARPANET dành cho các mục đích nghiên cứu và phát triển. Năm 1986 mạng NFNet chính thức được thiết lập. Và khi công nghệ mạng đã phát triển, nhiều mạng mới hình thành và đều được kết nối với Arpanet, CSNet và NFNet, tất cả các mạng này nối với nhau tạo thành Internet. Cuối cùng thì ARPANET và CSNET suy thoái, chỉ còn NSFNET là 1 mạng khá tốt trở thành mạng chính liên kết các mạng khác trên Internet. Lúc này đối tượng sử dụng internet chủ yếu là những nhà nghiên cứu và dịch vụ phổ biến nhất là E-mail và FTP. Ngày nay Internet đã và đang mang lại rất nhiều lợi ích cho con người, bản thân nó là một khối rất nhiều dịch vụ, giao thức… hoạt động kết hợp nhau. Mỗi ngày càng có nhiều ứng dụng ra đời và góp phần vào quá trình hoạt động của Internet. Ta có thể thấy chỉ trong vòng khoảng 50 năm, Internet từ một ý tưởng của một nhóm người đã trở nên rộng rãi, trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống thực tại. Để tìm hiểu lý do này, chúng ta hãy cùng nhau phân tích một số phương lý sáng tạo đã được sử dụng để tạo ra Internt như ngày nay. 2. Sự vận dụng của các nguyên lý sáng tạo vào quá trình phát triển của Internet Internet ngày nay đã phát triển mạnh mẽ, bản chất Internet được cấu thành từ rất nhiều giao thức, ứng dụng, công nghệ được phát triển, cải tiến không ngừng. Tuy nhiên, sự phát triển của các công nghệ của Internet vẫn không nằm ngoài các nguyên lý nghiên cứu khoa học, một số nguyên lý được sử dụng như sau: a. Nguyên tắc phân nhỏ Nguyên tắc phân nhỏ nghĩa là chia đối tượng thành các thành phần độc lập, tăng mức độ phân nhỏ của đối tượng, và làm đối tượng trở nên tháo lắp được. Việc phân nhỏ đối tượng có tác dụng rất tích cực, giúp chia nhỏ vấn đề, tách một vấn đề phức tạp thành các vấn đề con nhỏ hơn, linh động hơn trong việc giải quyết. Trong quá trình phát triển của Internet, việc sử dụng phương pháp này được thực hiện rất nhiều lần. Thực chất Internet là một khái niệm rất chung, Internet bao gồm trong nó rất nhiều các thành phần nhỏ hơn cả về phần mềm lẫn phần cứng. Cụ thể nhất có thể thấy được là giao thức TCP/IP - giao thức cơ bản nhất và cốt lỗi nhất trong Internet, các giao thức khác muốn dùng được trong mạng Internet hiện nay đều dựa trên chuẩn TCP/IP này. Trong đó, bản thân TCP/IP không phải là một thành phần cứng nhắc, mà được tổ hợp từ các thành phần nhỏ, cụ thể, TCP/IP được chia nhỏ thành 4 tầng như sau: - Tầng ứng dụng (Application Layer) - Tầng giao vận (Transportation Layer) - Tầng mạng (Network Layer) - Tầng liên kết (Data Link Layer) Trong đó mỗi phần đảm nhiệm một chức năng khác nhau, được cài đặt riêng biệt, độc lập nhau, dễ dàng cho việc thiết lập, kiểm tra lỗi và nâng cấp hoặc chỉnh sửa. Mỗi tầng được đại diện bằng các giao thức đặc trưng, riêng lẽ, đảm nhiệm các chức năng cụ thể, có thể hoạt động thống nhất nhau. Ngoài giao thức TCP/IP, ta có thể dễ dàng tìm được nhiều ví dụ khác, chẳng hạn như việc truyền dữ liệu trên Internet. Thông thường dữ liệu được truyền đi có dung lượng lớn, chẳng hạn như 1 file có kích thước lớn, một bài nhạc, bộ phim… nếu để một file lớn và truyền thẳng đi, khả năng xảy ra lỗi trên đường truyền là rất cao, và truyền lại thì đòi hỏi truyền cả file. Do đó, khi muốn truyền một file có kích cỡ lớn trên Internet, người ta thường cắt file này thành nhiều phần nhỏ có kích thướt vừa phải, và đóng lại thành gói, gọi là gói tin, gói tin có kích thước nhỏ nên sẽ khó bị lỗi hơn trên đường truyền và một gói tin bị lỗi thì chỉ cần truyền lại gói đó, không cần truyền lại cả file. b. Nguyên tắc vạn năng Nguyên tắc vạn năng là ta sẽ kết hợp nhiều chức năng khác nhau trong cùng một đối tượng, từ đó không cần sự tham gia của các đối tượng khác. Trong suốt quá trình phát triển của Internet, nguyên tắc này cũng được áp dụng, cụ thể là các thiết bị chuyên dụng trong việc truyền thông tín hiệu trên Internet như Hub, Repeater, Bridge, Switch. Hub là loại thiết bị dùng để kết nối nhiều nốt mạng với nhau, tuy nhiên Hub hoạt động kém thông minh, các gói tin gởi trong Hub thường gây ra đụng độ, làm chậm đi sự hoạt động của mạng. Repeater là một loại thiết bị khác, có chức năng khuếch đại tín hiệu trên đường truyền, tín hiệu truyền đi xa sẽ bị yếu, dễ bị nhiễu, do đó cần đến Repeater. Bridge là thiết bị dùng để kết nối 2 nút với nhau, cũng gần giống như Hub, nhưng Bridge hoạt động thông minh hơn, khong làm chậm đi hoạt động của mạng, nhưng Bridge chỉ có thể nối được 2 nút mạng với nhau. Switch là một thiết bị ra đời sau, áp dụng nguyên lý vạn năng, bản thân Switch có thể khuyếch đại tín hiệu, kết nối nhiều nốt mạng với nhau mà không làm chậm hệ thống, kết hợp tất cả các tính năng và ưu điểm của các thiết bị trên. c. Nguyên tắc chứa trong Nguyên tắc chứa trong nghĩa là ta đem một đối tượng đặt bên trong một đối tượng khác, và đối tượng này có thể chứa bên trong nó một đối tượng thứ 3, hoặc có thể hiểu theo nghĩa là cho một đối tượng chuyển động xuyên suốt bên trong một đối tượng khác. Giao thức TCP/IP mà Internet đang sử dụng cũng áp dụng nguyên lý này. Các gói tin TCP/IP được chia thành nhiều lớp, nhiều vỏ bọc. Phần trong cùng là dữ liệu cần truyền, các lớp bên ngoài dùng để quản lý các thông tin truyền nhận, quản lý lỗi… Từ đó, việc quản lý gởi và nhận gói tin trở nên dễ dàng hơn, có thể kiểm soát được lỗi trong khi truyền như sai dữ liệu, mất gói tin, lặp gói tin… d. Nguyên tắc dự phòng Các dịch vụ của Internet đòi hỏi độ sẵn sàng cao, nghĩa là dịch vụ được cung cấp liên tục, không bị ngưng trệ hay tạm hoãn. Do đó, để đảm bảo yêu cầu này, các dịch vụ của Internet thường áp dụng nguyên tắc dự phòng, chẳng hạng như một vài ví dụ sau: Một số mô hình mạng quan trọng hoặc các kết nối giữa các vùng quan trong với nhau, người ta thường dùng 2 dây cáp song song và giống nhau để truyền tải dữ liệu. Kỹ thuật này ngoài việc giúp cho quá trình truyền gởi dữ liệu nhanh hơn, nó còn đảm bảo tính sẵn sàng của đường truyền, nghĩa là cung cấp khả năng dự phòng cho đường truyền đó, khi một dây cáp bị đứt hoặc xảy ra sự cố thì đường truyền vẫn còn hoạt động nhờ dây cáp còn lại. Ngoài ra, các hệ thống máy chủ cung cấp một dịch vụ nào đó (web, mail, cơ sở dữ liệu …) đòi hỏi phải được hoạt động liên tục và không ngừng nghỉ, đồng thời có khả năng dự phòng, không bị gián đoạn. Với vấn đề này người ta cũng áp dụng nguyên tắc trên, nghĩa là thiết lập nhiều server cùng cung cấp một dịch vụ, khi có một server bị sự cố hoặc cần bảo trì, sửa chữa thì dịch vụ vẫn được cung cấp bình thường, do có sự hỗ trợ từ các server dự phòng. e. Nguyên tắc linh động Nguyên tắc linh động nghĩa là ta thay đổi các đặc trưng của đối tượng, hoặc thay đổi môi trường bên ngoài sao cho chúng tối ưu trong từng giai đoạn làm việc, hoặc là phân chia đối tượng thành từng phần, có khả năng dịch chuyển với nhau. Trong quá trình phát triển của Internet, người ta cũng áp dụng nguyên tắc này vào, cụ thể là sự ra đời của mạng không dây. Mạng không dây thường truyền với tốc độ thấp hơn mạng có dây, hơn nữa tỉ lệ lỗi cao hơn và kém bảo mật hơn, nhưng trong một số trường hợp cụ thể, người ta thường sử dụng mạng không dây thay vì mạng có dây trong các trường hợp như: - Cần thiết lập mạng ở những địa hình đặc biệt: đồi núi, biển… - Cần sự linh động, tiện lợi của dịch vụ: người dùng dễ dàng truy cập vào mạng và di chuyển, rời khỏi… Việc linh động chọn lựa mạng không dây và có dây giúp cho việc thiết lập, sử dụng và bảo trì dễ dàng hơn. f. Sử dụng trung gian Ý nghĩa của nguyên tắc này là dùng các đối tượng trung gian để chuyển tiếp đối tượng chính. Trong lĩnh vực Internet, nguyên tắc này được sử dụng rất nhiều, cụ thể như các đối tượng trung gian chuyển tiếp dữ liệu từ máy chủ đến người dùng, các thiết bị nối trên đường truyền. Đầu tiên là các thiết bị chuyên dụng trên đường truyền như Router, Switch, do tín hiệu truyền trên đường truyền thường bị suy yếu khi đi qua một đoạn dây cáp quá dài, do đó người ta thường đặt ở giữa đường truyền các thiết bị nối (Router, Switch…) dùng để khuếch đại tín hiệu trước khi truyền đi tiếp. Ngoài ra, nguyên tắc này còn được áp dụng để tăng tốc độ truyền tải dữ liệu từ máy chủ về người dùng, cụ thể là các proxy. Proxy đứng giữa người dùng và máy chủ, mọi dữ liệu truyền tải giữa người dùng và máy chủ đều phải thông qua proxy, có chức năng chính là tạm thời lưu trữ lại các thông tin mà một người dùng đã truy xuất đến máy chủ, sau đó khi một người dùng khác cần truy xuất đến dữ liệu này thì proxy sẽ gởi dữ liệu này đến cho người dùng mà không cần phải yêu cầu đến máy chủ như trước đó, điều này làm cải thiện đáng kể tốc độ truy xuất đến máy chủ và tiết kiệm được băng thông của mạng. Ế LUẬ Qua các phân tích và ví dụ trên, ta có thể thấy được trong lĩnh vực công nghệ thông tin, cụ thể là chuyên ngành mạng – Internet thì suốt quá trình ra đời và phát triển của nó đều sử dụng các nguyên lý sáng tạo. Và không chỉ trong giới hạn hẹp của công nghệ thông tin, 40 nguyên lý này được áp dụng rất nhiều trong cuộc sống thực tại trên rất nhiều lĩnh vực, góp phần thúc đẩy quá trình nghiên cứu và phát triển dễ dàng hơn và nhanh hơn. Tuy nhiên, để có thể áp dụng được 40 nguyên lý này vào trong thực tế nghiên cứu khoa học, thì việc trước tiên là phải hiểu được chức năng và ứng dụng của từng nguyên lý, do đó việc giảng dạy 40 nguyên lý sáng tạo và phương pháp nghiên cứu khoa học cho người nghiên cứu khoa học là rất càn thiết.