SỞ LAO ĐỘNG THƯƠNG BINH VÀ XÃ HỘI TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ HÀ NAM GIÁO TRÌNH MÔ ĐUN THIẾT KẾ, XÂY DỰNG MẠNG LAN NGHỀ QUẢN TRỊ MẠNG MÁY TÍNH TRÌNH ĐỘ ĐỘ CAO ĐẲNG (Ban hành kèm theo Quyết định số 285QĐ CĐN. GIÁO TRÌNH MÔ ĐUN THIẾT KẾ, XÂY DỰNG MẠNG LAN NGHỀ QUẢN TRỊ MẠNG MÁY TÍNH
TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ VÀ CÀI ĐẶT MẠNG
Mô hình OSI
- Phân biệt được loại mạng chuyên mạch và mạng quảng bá;
- Mô tả được đặc điêm của mạng cục bộ;
- Trình bày được các giao thức truy cập đường truyền;
- Mô tả được các thiết bị sử dụng trong mạng LAN
- Thực hiện các thao tác an toàn với máy tính
- Phân biệt được loại mạng chuyển mạch và mạng quảng bá
Mạng cục bộ LAN (Local Area Network) là hệ thống truyền dữ liệu tốc độ cao được triển khai trong phạm vi nhỏ như một phòng, một tòa nhà hoặc khu vực giới hạn, trong khi mạng diện rộng WAN (Wide Area Network) có phạm vi rộng hơn, có thể trải dài trên một quốc gia, một châu lục hoặc cả hành tinh Đây là cách phân loại mạng dựa trên tiêu chí phạm vi địa lý, ngoài ra người ta còn phân loại mạng dựa vào kỹ thuật truyền tải thông tin được sử dụng trong mạng.
Trong mạng LAN, công nghệ quảng bá cho phép các thiết bị chia sẻ một kênh truyền chung, vì vậy khi một máy tính gửi dữ liệu, tất cả các máy tính khác trên mạng đều nhận được thông tin Ngược lại, mạng WAN dùng kỹ thuật mạng chuyển mạch với nhiều đường kết nối giữa các thiết bị, nên dữ liệu có thể đi theo nhiều tuyến khác nhau Vì vậy cần có các thiết bị định tuyến, gọi là router hay bộ định tuyến, để xác định đường đi cho các gói tin Để giảm số lượng đường vật lý, WAN còn sử dụng các kỹ thuật đa hợp và phân hợp Chương này tập trung giới thiệu các vấn đề liên quan đến mạng cục bộ.
2.2 Mạng cục bộ và giao thức điều khiên truy cập đường truyền
- Trình bày được các giao thức truy cập đường truyền
Trong mạng LAN chỉ có một đường truyền vật lý nên tại mỗi thời điểm chỉ một thiết bị được phép truyền tin; nếu hai máy tính đồng thời gửi dữ liệu sẽ xảy ra đua tranh và dữ liệu có thể bị phủ lấp, làm cho liên lạc không được thực thi Do đó cần có một cơ chế để giải quyết sự cạnh tranh đường truyền giữa các thiết bị, được gọi là Giao thức điều khiển truy cập đường truyền (MAC Protocol) Hai giao thức chính thường được dùng trong mạng cục bộ là CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) và Token Passing.
Trong các mạng máy tính dùng giao thức CSMA/CD, như Ethernet, các thiết bị mạng tranh nhau chia sẻ đường truyền chung Khi một thiết bị có dữ liệu để gửi, nó sẽ lắng nghe kênh để xem có thiết bị nào đang truyền hay không Nếu đường truyền đang được sử dụng, thiết bị sẽ tạm dừng và thực hiện một khoảng đợi ngẫu nhiên (backoff) trước khi thử lại Ngược lại, nếu đường truyền rảnh, thiết bị sẽ bắt đầu truyền và các thiết bị khác sẽ tiếp tục lắng nghe để tránh va chạm Nếu xảy ra va chạm, các thiết bị liên quan sẽ ngừng gửi ngay lập tức và sau đó thực hiện backoff trước khi thử lại CSMA/CD giúp tối ưu hóa việc chia sẻ đường truyền và giảm thiểu xung đột bằng cơ chế nghe-truyền-va-chạm.
CÁC CHUẨN MẠNG CỤC BỘ
Các sơ đồ nối kết mạng LAN (LAN Topologies)
- Mô tả được các loại sơ đồ kết nối mạng LAN
LAN topology định nghĩa cách các thiết bị mạng được bố trí và kết nối với nhau Có ba sơ đồ nối kết mạng LAN phổ biến là dạng thẳng (bus), dạng hình sao (star) và dạng hình vòng (ring) Mỗi topology mang đặc điểm riêng về chi phí, độ tin cậy và khả năng mở rộng Trong topology dạng thẳng, các thiết bị được kết nối theo một dây duy nhất, dễ triển khai nhưng dễ xảy ra sự cố toàn mạng nếu dây bị hỏng Trong topology dạng sao, các thiết bị kết nối tới một điểm trung tâm (hub hoặc switch), cho phép mở rộng dễ dàng nhưng phụ thuộc vào thiết bị trung tâm Trong topology dạng vòng, dữ liệu lưu chuyển theo một chu trình quanh mạng, mang lại đồng bộ cao nhưng có thể gặp khó khăn khi một liên kết gặp sự cố và cần biện pháp dự phòng Chọn topology phù hợp phụ thuộc vào nhu cầu về chi phí, hiệu suất và độ tin cậy cho mạng LAN.
Bus topology là một loại mạng có kiến trúc tuyến tính, trong đó dữ liệu từ một trạm sẽ được phát và lan truyền dọc theo toàn bộ đường dây, và được nhận bởi tất cả các thiết bị kết nối trên mạng Dữ liệu trên dây cáp chung được gửi đến mọi nút, cho phép truyền thông giữa các thiết bị một cách đơn giản nhưng cũng dễ gặp va chạm và giảm hiệu suất khi số lượng thiết bị tăng lên.
0 Star topology là một kiến trúc mạng trong đó các máy trạm được nối kết vào một bộ tập trung nối kết, gọi là HUB
Ring topology hay còn gọi là mạng vòng là kiến trúc mạng trong đó một chuỗi các thiết bị được nối liền với nhau theo một vòng khép kín trên một kênh truyền có hướng Dữ liệu được truyền quanh vòng từ thiết bị này sang thiết bị kế tiếp cho đến khi đến đúng đích, giúp quản lý luồng dữ liệu một cách có tổ chức và dễ dàng mở rộng cho các mạng từ nhỏ đến lớn.
Hình 2.1 - Topology thường sử dụng cho mạng LAN
Các loại thiết bị sử dụng trong mạng LAN
- Mô tả được các thiết bị sử dụng trong mạng LAN Để xây dựng mạng LAN, người ta thường dùng các thiết bị sau:
0 Card giao tiếp mạng (NIC- Network Interface Card)
0 Bộ tập trung nối kết (HUB)
2.5 Các tô chức chuân hóa vê mạng
- Trình bày các tổ chức chuẩn hóa về mạng
Trong mạng cục bộ, để các thiết bị phần cứng mạng của nhiều nhà sản xuất khác nhau có thể đấu nối và trao đổi dữ liệu với nhau, chúng phải được sản xuất theo cùng một chuẩn chuẩn hóa Việc áp dụng chuẩn chung giúp tăng khả năng tương thích và hiệu suất mạng, giảm rủi ro xung đột giao thức và tối ưu hóa quản lý hạ tầng Dưới đây là một số tổ chức chuẩn hóa quan trọng liên quan đến thiết bị mạng, như IEEE (ví dụ các chuẩn 802.3 cho Ethernet và 802.11 cho Wi‑Fi), ISO/IEC, ITU-T và IETF, cùng các cơ quan khác có vai trò định hình các chuẩn liên quan đến truyền tải dữ liệu và cấu hình mạng.
0 ANSI (American National Standard Institute)
0 IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers)
Trong lĩnh vực chuẩn hóa công nghệ truyền dẫn, hai tổ chức TIA và EIA hợp tác để xác lập và công bố các đặc tả kỹ thuật cho các thiết bị truyền dẫn, đồng thời cung cấp nhiều sơ đồ nối dây chi tiết Sự phối hợp này tăng tính tương thích giữa các thiết bị và hệ thống, hỗ trợ thiết kế mạng hiệu quả và giảm thiểu sai sót khi triển khai.
IEEE có nhiều tiểu ban (Committee) với nhiệm vụ chuẩn hóa các công nghệ mạng, trong đó Tiểu ban 802 phụ trách các chuẩn cho mạng cục bộ (LAN) Các chuẩn mạng cục bộ nổi bật do tiểu ban này đề xuất và duy trì bao gồm IEEE 802.3 về Ethernet, IEEE 802.11 về Wi‑Fi và IEEE 802.1Q cho VLAN, cùng các mở rộng liên quan, tạo nền tảng cho kết nối mạng trong văn phòng, trường học và doanh nghiệp trên toàn cầu.
0 802.4: Chuẩn cho mạng Token-Bus
Các chuẩn IEEE 802 định nghĩa cách thực hiện chức năng của tầng 2 trong mô hình tham chiếu OSI; tuy nhiên, tầng này được chia thành hai tầng con: tầng con điều khiển liên kết logic (LLC) và tầng con điều khiển truy cập phương tiện (MAC).
Trong mô hình mạng, tầng con điều khiển truy cập đường truyền đảm bảo cung cấp dịch vụ truyền nhận thông tin theo kiểu không nối kết, tức là dữ liệu được truyền mà không thiết lập một liên kết trước giữa các thiết bị Ngược lại, tầng con điều khiển nối kết luận lý cung cấp dịch vụ truyền tải thông tin theo kiểu định hướng nối kết, với việc thiết lập, duy trì và quản lý một liên kết logic giữa các nút mạng nhằm đảm bảo tính toàn vẹn và điều hòa luồng dữ liệu.
Hình 2.2 - Kiến trúc mạng cục bộ theo IEEE 802
Câu 1: Phân biệt giữa mạng Lan và mạng Wan
Câu 2: Trình bày giao thức điều khiển truy cập đường truyền
Câu 3: Định nghĩa Lan topology là gì?
Câu 4: Nêu các loại thiết bị thông dụng được sử dụng trong mạng Lan Câu 5: Trình bày các chuẩn mạng sử dụng giao thức CSMA/CD
Bài 1: Nhận biết các thiết bị và các thông số của thiết bị mạng:
0 Card giao tiếp mạng (NIC- Network Interface Card)
0 Bộ tập trung nối kết (HUB)
Bài 2: Bấm cáp UTP theo chuẩn T568A và T568B 0 Chuẩn T568A qui định:
Các tổ chức chuẩn hóa về mạng
Bài 3: Đấu cáp vào các thiết bị
CƠ SỞ VỀ CẦU NỐI
Giới thiệu về liên mạng
- Trình bày được hệ thống liên mạng
- Xác định được các thiết bị ở các tầng khác nhau trong liên mạng
Liên mạng (Internetwork) là tập hợp của nhiều mạng riêng lẻ được nối với nhau bằng các thiết bị nối mạng trung gian và vận hành như một mạng lớn duy nhất Mục đích của liên mạng là mở rộng phạm vi và quy mô của mạng máy tính, cho phép các mạng được xây dựng trên các chuẩn khác nhau có thể giao tiếp với nhau Nhờ liên mạng, số lượng máy tính và dịch vụ mạng tăng lên, đồng thời các mạng riêng lẻ có thể trao đổi dữ liệu một cách thông suốt Liên mạng tạo nên hạ tầng mạng rộng và linh hoạt, hỗ trợ tích hợp các chuẩn mạng khác nhau để tối ưu hóa truyền thông giữa các hệ thống máy tính.
Liên mạng có thể được thực hiện ở những tầng khác nhau, tùy thuộc vào mục đích cũng như thiết bị mà ta sử dụng
Tầng nối kết Mục đích Thiết bí sử dụng
Tăng số lượng và phạm vi mạng 1 AN HUB / Repeater
Tầng liên kết dữ liệu
Nối kết các mạng LAN có tầng vật lý khác nhau Phân chia vùng đụng độ để cải thiện hiệu suất mạng
Tầng mạng Mở rộng kích thước và số lượng máy tính trong mạng, hình thành mạng WAN Router
Các tầng còn Nối kết các ứng dụng lại với nhau Gateway
Trong chương này, chúng ta xem xét các vấn đề liên quan đến liên mạng ở tầng 2, giới thiệu cơ chế hoạt động và tính năng của cầu nối (Bridge) Đồng thời, bài viết phân tích nhược điểm của các thiết bị liên mạng ở tầng 1 như repeater và hub.
Cầu nối trong suốt (Transparent Bridge): Cho phép nối các mạng Ethernet/ Fast Ethernet lại với nhau
Cầu nối xác định đường đi từ nguồn (Source Routing Bridge): Cho phép nối các mạng Token Ring lại với nhau
Cầu nối trộn lẫn (Mixed Media Bridge): Cho phép nối mạng Ethernet và Token Ring lại với nhau
Hình 3.1 - Hạn chế của Repeater/HUB
Xét một liên mạng gồm hai LAN, LAN1 và LAN2, được nối với nhau bằng một Repeater Khi máy N2 gửi Frame cho N1, Frame sẽ lan truyền trên LAN1 đến cổng 1 của Repeater ở dạng chuỗi bit Repeater khuếch đại chuỗi bit nhận được từ cổng 1 và chuyển sang cổng 2, vô tình đưa toàn bộ khung do N2 gửi sang LAN2 Trên LAN1, N1 nhận được toàn bộ Frame, trong khi LAN2 không có máy trạm nào nhận Frame Đến thời điểm đó, nếu N5 muốn gửi khung cho N4 thì sẽ không thực hiện được vì đường truyền đang bận.
Trong mạng LAN, Frame N2 từ N1 không cần thiết phải được gửi sang LAN 2 để tránh lãng phí băng thông trên LAN 2 Tuy nhiên, Repeater hoạt động ở tầng vật lý (tầng 1) và không hiểu Frame nên nó sẽ phát tín hiệu nhận được tới mọi cổng còn lại Việc kết nối mạng bằng Repeater hoặc Hub làm tăng vùng đụng độ (collision domain), làm tăng khả năng xảy ra va chạm khi truyền tin giữa các máy tính và dẫn tới giảm hiệu năng mạng.
Giới thiệu về cầu nối
- Trình bày được nhiệm vụ của Bridge
Bây giờ ta thay thế Repeater bằng một Bridge Khi Frame từ N2 gửi đến N1 và đến cổng 1 của Bridge, Bridge phân tích và nhận thấy không cần thiết phải chuyển Frame sang LAN 2, giúp tối ưu hóa luồng dữ liệu và nâng cao hiệu quả liên lạc giữa các mạng.
Bridge là một thiết bị mạng hoạt động ở tầng 2 của mô hình OSI Bridge có nhiệm vụ chuyển tiếp các khung từ nhánh mạng này sang nhánh mạng khác và lọc khung dựa trên địa chỉ MAC của các máy tính Nhờ đó Bridge cho phép các mạng có tầng vật lý khác nhau giao tiếp với nhau Bridge chia liên mạng thành các vùng đụng độ nhỏ, từ đó cải thiện hiệu suất mạng so với việc dùng Repeater hoặc Hub.
Có thể phân Bridge thành 3 loại:
0 Cầu nối trong suốt (Trans parent Bridge): Cho phép nối các mạng Ethernet/
Hình 3.2 - Bridge khắc phục nhược điểm của Repeater/HUB
Cầu nối trong suốt lần đầu được Digital Equipment Corporation (DEC) phát triển vào đầu thập niên 1980, sau đó DEC đã đệ trình phát minh này lên IEEE và nó được đưa vào chuẩn IEEE 802.1, đánh dấu một bước tiến quan trọng cho công nghệ cầu nối và sự giao thoa giữa các mạng máy tính.
Cầu nối trong suốt là thiết bị dùng để nối các mạng Ethernet lại với nhau và hoạt động một cách trong suốt với các máy trạm Vì tính chất trong suốt, khi liên mạng bằng cầu nối trong suốt, các máy trạm không cần phải cấu hình thêm để truyền tải dữ liệu qua liên mạng, giúp quá trình liên mạng trở nên đơn giản và dễ quản trị.
Khi cầu nối trong suốt được cấp nguồn và hoạt động, nó bắt đầu học vị trí của các thiết bị trên mạng bằng cách phân tích địa chỉ nguồn MAC trong các khung được nhận trên từng cổng Ví dụ, nếu cầu nối nhận được một khung từ cổng 1 do một máy tính A gửi đi, nó sẽ kết luận rằng máy A có thể được tiếp cận qua cổng 1 và ghi nhận điều này vào bảng địa chỉ cục bộ của nó Quá trình này cho phép cầu nối xây dựng bảng địa chỉ cục bộ (Local Address Table) mô tả địa chỉ MAC của các máy tính theo từng cổng Do đó, bảng địa chỉ MAC lưu trữ liên kết giữa địa chỉ của thiết bị và cổng mà thiết bị đó được kết nối, giúp cầu nối quyết định cổng gửi khung tương ứng cho lưu lượng sau này.
Hình 3.3 - Bảng địa chỉ cục bộ của cầu nối
Trong mạng máy tính, cầu nối dùng bảng địa chỉ cục bộ (MAC table) làm cơ sở để chuyển tiếp khung dữ liệu Khi khung đến một cổng của cầu nối, thiết bị sẽ đọc 6 byte đầu tiên của khung để xác định địa chỉ máy nhận Nó tra cứu địa chỉ này trong bảng địa chỉ MAC và thực hiện một trong các hành động sau: nếu địa chỉ đích có trong bảng, khung được chuyển tiếp tới cổng liên kết với địa chỉ ấy; nếu địa chỉ chưa có trong bảng, cầu nối sẽ phát tán khung ra tất cả các cổng còn lại để tìm máy đích; đối với địa chỉ broadcast hoặc multicast, cầu nối sẽ xử lý theo quy tắc phù hợp.
0 Nếu máy nhận nằm cùng một cổng với cổng đã nhận khung, cầu nối sẽ bỏ qua khung vì biết rằng máy nhận đã nhận được khung
0 Nếu máy nhận nằm trên một cổng khác với cổng đã nhận khung, cầu nối sẽ chuyển khung sang cổng có máy nhận
Trong mạng máy tính, khi địa chỉ MAC đích không có trong bảng địa chỉ MAC của cầu nối, cầu nối sẽ gởi khung đến tất cả các cổng còn lại của nó, trừ cổng đã nhận khung.
Trong mọi trường hợp, cầu nối đều cập nhật vị trí của máy gởi khung vào trong bảng địa chỉ cục bộ
Cầu nối trong suốt phân chia mạng thành các vùng đụng độ riêng biệt, giúp giảm va chạm và tăng hiệu suất mạng Khi dữ liệu được gửi giữa hai máy tính ở cùng một nhánh cổng của cầu nối, cầu nối sẽ lọc luồng giao thông và không để luồng này ảnh hưởng đến các nhánh mạng khác trên các cổng còn lại Nhờ tính năng này, cầu nối trong suốt cải thiện băng thông liên mạng và tối ưu hóa lưu lượng dữ liệu giữa các phân đoạn mạng.
2.2.I.3 Vấn đề vòng quẩn - Giải thuật Spanning Tree
Cầu nối trong suốt sẽ hoạt động sai nếu như trong hình trạng mạng xuất hiện các vòng Xét ví dụ như hình dưới đây:
Giả sử M gửi khung F đến N, khi hai cầu nối B1 và B2 chưa có thông tin địa chỉ đích của N, chúng sẽ đồng thời chuyển F lên LAN 2 để tạo ra hai bản sao F1 và F2 do B1 và B2 sao chép Sau đó F1 đến B2 và F2 đến B1; tiếp tục, B1 và B2 lần lượt chuyển F2 và F1 sang LAN1, quá trình này lặp đi lặp lại và không có điểm dừng, dẫn đến sự tồn tại của rác trên mạng Hiện tượng này được gọi là vòng lặp mạng.
Hình 3.4 minh họa vấn đề vòng lặp trong mạng, nơi các liên kết có thể tạo ra đường vòng khiến dữ liệu bị trễ và hiệu suất bị suy giảm Để khắc phục vòng lặp mạng, giải thuật nối cây do Digital đề xuất sau này được chuẩn hóa thành IEEE 802.1d, còn được gọi là Spanning Tree Protocol (STP) STP xây dựng một cây mạng tối ưu, vô hiệu hóa các liên kết thừa và ngăn ngừa vòng lặp, từ đó đảm bảo quá trình chuyển tiếp gói tin an toàn và ổn định trên mạng Ethernet.
Thuật toán này nhằm xác định các cổng tạo vòng lặp trong mạng và chuyển chúng về trạng thái standby hoặc bị khóa (blocked), nhằm loại bỏ vòng lặp đồng thời đưa sơ đồ mạng về dạng cây không còn chu trình Các cổng này sẽ được kích hoạt trở lại khi các cổng chính gặp sự cố, đảm bảo mạng vận hành ở chế độ dự phòng và tăng tính ổn định cho hệ thống.
Giải thuật này dựa trên lý thuyết về đồ thị Giải thuật yêu cầu các vấn đề sau:
0 Mỗi cầu nối phải được gán một số hiệu nhận dạng duy nhất
0 Mỗi cổng cũng có một số nhận dạng duy nhất và được gán một giá Giải thuật trải qua 4 bước sau:
■ Chọn cầu nối gốc (Root Bridge): Để đơn giản cầu nối gốc là cầu nối có số nhận dạng nhỏ nhất
Trong mạng sử dụng Spanning Tree Protocol (STP), tại các cầu nối còn lại sau khi loại bỏ vòng lặp, ta chọn cổng gốc (Root Port): đó là cổng có chi phí đường đi từ cầu nối hiện tại đến cầu nối gốc thông qua nó thấp nhất so với các cổng khác Việc chọn Root Port giúp thiết lập đường đi tối ưu về gốc cho nhánh của cầu nối đó, ngăn ngừa vòng lặp và nâng cao hiệu suất mạng.
Trong mỗi LAN, cầu nối được chỉ định (Designated Bridge) là cầu nối có chi phí đường đi từ LAN đến gốc nhỏ nhất; cổng trên LAN thuộc cầu nối này được gọi là Cổng được chỉ định (Designated Port).
■ Đặt tất cả các cổng gốc, cổng chỉ định ở trạng thái hoạt động, các cổng còn lại ở trạng thái khóa
Ví dụ: Cho một liên mạng gồm các LAN V,W,X,Y,Z được nối lại với nhau bằng
Có năm cầu nối được nhận dạng từ 1 đến 5 Trên mạng liên kết này tồn tại nhiều vòng lặp Áp dụng giải thuật nối cây để xác định các cổng gốc (ký hiệu R) và các cổng được chỉ định (ký hiệu D) Bên cạnh các cổng gốc còn có giá trị về gốc thông qua cổng này (được thể hiện dưới dạng R(30)) Từ đó vẽ lại hình trạng mạng sau khi loại bỏ các vòng lặp.
Hình 3.5 - Mạng xây dựng lại bằng giải thuật Spanning tree
2.2.2 Cầu nối xác định đường đi từ nguồn
Cầu nối xác định đường đi từ nguồn (Source Route Bridge – SRB) do IBM phát triển và được trình lên ủy ban IEEE 802.5 như một giải pháp kết nối các mạng Token Ring với nhau SRB cho phép xác định đường đi tối ưu giữa nguồn và đích trong mạng Token Ring, nhằm tích hợp nhiều mạng thành một hệ thống liên kết theo chuẩn IEEE 802.5.