Bài giảng mạng máy tính 05 1

Chương 5: Tầng liên kết dữ liệu Mục tiêu: Hiểu rõ các nguyên tắc đằng sau các dịch vụ tầng liên kết dữ liệu:  phát hiện và sửa lỗi chia sẻ một kênh truyền quảng bá: đa truy cập đánh địa chỉ tầng liên kết truyền tải dữ liệu tin cậy, kiểm soát lưu lượng Hiện thực của công nghệ phổ biến ở tầng liên kết dữ liệu Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM MẠNG MÁY TÍNH CĂN BẢN Khoa Khoa Học và Kỹ Thuật Máy Tính Bài giảng 1 Chương 5: Tầng liên kết dữ liệu © 2011 3

Trang 1

Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM Khoa Khoa Học và Kỹ Thuật Máy Tính

ThS NGUYỄN CAO ĐẠT E-mail:dat@cse.hcmut.edu.vn

Bài giảng Mạng máy tính

Trang 2

Bài giảng 11: Tầng liên kết dữ liệu

Tham khảo:

Chương 5: “Computer Networking – A top-down approach”

Trang 3

Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM

Khoa Khoa Học và Kỹ Thuật Máy Tính

MẠNG MÁY TÍNH CĂN BẢN Bài giảng 1 - Chương 5: Tầng liên kết dữ liệu

Hiện thực của công nghệ phổ biến ở tầng liên kết

dữ liệu

Trang 4

Tầng liên kết dữ liệu

 5.1 Giới thiệu và dịch vụ

Trang 5

5

Giới thiệu

Vài thuật ngữ:

 MT và BĐT là các node

 các kênh liên lạc mà kết nối các

node liền kề dọc theo đường liên

lạc đó gọi là các liên kết

 liên kết có dây

 liên kết không dây

 LANs

 gói tin tầng-2 là một khung ,

đóng gói gói tin tầng-3

tầng liên kết-dữ liệu có trách nhiệm

truyền tải gói tin từ một node sang node

liền kề trên một liên kết

Trang 6

Ngữ cảnh

nhiều giao thức khác nhau

qua các liên kết khác nhau:

 vd, Ethernet trên liên kết

đầu, tiếp sóng khung trên liên kết trung gian, 802.11 liên kết cuối

cấp những dịch vụ khác

nhau

 vd: có thể hoặc không cung

cấp truyền tải dữ liệu tin cậy qua liên kết

vd tương đồng: vận tải

 chuyến đi từ Sa Pa tới Tháp Mười

 ngựa: từ bản tới Sa Pa

 ô tô: SaPa tới Hà Nội

 tàu: Hà Nội tới HCM

 ô tô: HCM tới Đồng Tháp

 ghe: Đồng Tháp tới T Mười

định tuyến

Trang 7

7

Dịch vụ tầng liên kết dữ liệu

 chia khung, truy cập liên kết:

 đóng gói gói tin vào các khung, thêm mào đầu, đuôi

 truy cập kênh truyền nếu môi trường chia sẻ

 địa chỉ “MAC” dùng trong mào đầu của khung để xác định nguồn,

đích

• khác với địa chỉ IP!

 truyền tải tin cậy giữa các node cận kề

 chúng ta đã biết về vấn đề này ở tầng truyền tải!

 hiếm khi dùng trên một liên kết ít xảy ra lỗi (sợi quang, vài loại cáp xoắn)

 các liên kết không dây: tần số lỗi cao

• Hỏi: tại sao cần có tính tin cậy ở cả tầng-liên kết và đầu đầu cuối?

Trang 8

cuối-Dịch vụ tầng liên kết dữ liệu(tt)

 kiểm soát lưu lượng:

 đi từng bước giữa các node gửi và nhận kề nhau

 phát hiện lỗi :

 lỗi gây ra bởi sự suy giảm của tín hiệu, nhiễu

 bên nhận phát hiện ra sự tồn tại của lỗi:

• thông báo bên gửi để gửi lại hoặc là bỏ khung

 sửa lỗi:

 bên nhận xác định và sửa các lỗi bit mà không yêu cầu sự gửi lại

 cơ chế một-chiều và hai-chiều (half-, full-duplex)

 với một-chiều các node tại hai đầu không thể truyền tải cùng một

lúc

Trang 9

9

Tầng liên kết dữ liệu được hiện thực ở đâu?

interface card NIC)

 card Ethernet, card PCMCI, card 802.11

thống

phần mềm và firmware

bộ điều khiển

sự tr tải vật lý

cpu bộ nhớ

buýt máy (vd, PCI)

card mạng

lược đồ máy tính

ứng dụng tr.tải mạng liên kết

liên kết vật lý

Trang 10

Giao tiếp giữa card mạng

gói tin

khung

Trang 11

11

 5.2 Sự phát hiện và sửa lỗi

Trang 12

Cơ chế phát hiện lỗi

EDC= các bit dùng cho phát hiện và sửa lỗi (phần thừa)

D = Dữ liệu được bảo vệ bằng cách kiểm tra lỗi, có thể bao gồm các

trường mào đầu

• Cơ chế phát hiện lỗi không đáng tin cậy 100%!

• giao thức có thể bỏ sót vài lỗi, nhưng rất hiếm khi

• trường EDC càng lớn thì khả năng phát hiện và sửa lỗi càng cao

Trang 13

13

Kiểm tra tính chẵn lẻ

Một bit chẵn lẻ:

Phát hiện các lỗi 1 bit

bit chẵn lẻ hai chiều:

Phát hiện và sửa các lỗi 1 bit

Trang 14

Tổng kiểm tra Internet

Ng gửi:

 xem một khúc dữ liệu (segment)

như là một chuỗi các số nguyên

16-bit

 tổng k/tra: tổng bù 1 (1’s

complement sum) của khúc dữ

liệu

 ng/gửi đặt giá trị tổng k/tra vào

trường “tổng k/tra” của mào đầu

 KHÔNG – có lỗi

 CÓ – không phát hiện ra lỗi

Nhưng vẫn có khả năng có lỗi?

Mục đích: phát hiện “các lỗi” (vd: đảo bit) trong gói tin

Trang 15

15

Tính tổng kiểm tra: CRC (Cyclic Redundancy Check)

 xem các bit dữ liệu, D, như là số nhị phân

 chọn r+1 bit mẫu (máy phát), G

 mục đích: chọn r bit CRC , R, sao cho

 <D,R> chính xác chia hết cho G (mô-đun 2)

 ng/nhận biết G, chia <D,R> cho G nếu số dư khác 0: có lỗi!

 có thể phát hiện tất cả các lỗi chùm ngắn hơn r+1 bit

 được sử dụng rộng rãi trong thực tế (Ethernet, 802.11 WiFi, ATM)

Trang 17

17

 5.3 Các giao thức đa truy cập

Trang 18

Các giao thức và liên kết đa truy cập

Hai loại “liên kết”:

 PPP dùng cho truy cập quay số

 liên kết PPP giữa bộ chuyển mạch Ethernet và máy

 quảng bá (đường dây/môi trường truyền chia sẻ)

 Ethernet cổ điển

 đường tải lên HFC

 LAN không dây 802.11

đường đây chia sẻ(vd: tần số radio chia sẻ tần số radio chia sẻ mọi người tại một buổi tiệc đứng

Trang 19

19

Các giao thức Đa Truy Cập

nhiễu

 đụng độ nếu node nhận được hơn 1 tín hiệu tại môt thời điểm

giao thức đa truy cập

sẻ kênh, như là, xác định khi nào node có thể truyền tải

 không có kênh riêng dành cho sự điều phối

Trang 20

Giao thức Đa Truy Cập Lý Tưởng

Kênh quảng bá với tốc độ R bps

1 khi một node muốn truyền, nó có thể truyền với vận tốc R

2 khi M node muốn truyền, mỗi node có thể truyền với vận

tốc trung bình là R/M

3 phân tán một cách hoàn toàn:

 không có node riêng dành cho việc điều phối truyền tải

 không có sự đồng bộ hóa đồng hồ, ô thời gian

4 đơn giản !!!

Trang 21

21

Các giao thức MAC: phân loại

Ba lớp lớn:

 Phân chia kênh

 chia kênh thành những “miếng” nhỏ hơn (ô thời gian, tần số, mã)

 phân phối các miếng cho các node có nhu cầu sử dụng riêng biệt

 Truy cập ngẫu nhiên

 không chia kênh, cho phép xảy ra đụng độ

 “khôi phục lại” từ đụng độ

 “Theo lượt”

 các node truyền theo lượt, nhưng node nào có nhiều dữ liệu hơn có thể có lượt dài hơn

Trang 22

G/Thức MAC phân chia kênh: TDMA

TDMA: đa truy cập phân chia thời gian (time division multiple access)

t/g gửi 1 gói) trong mỗi vòng

khung 6-ô

Trang 23

23

G/Thức MAC phân chia kênh: FDMA

FDMA: đa truy cập phân chia tần số (frequency division multiple access)

Trang 24

Giao thức Truy cập Ngẫu nhiên

 gửi ở vận tốc cao nhất của kênh R

 không có sự điều phối ưu tiên nào giữa các node

 giao thức MAC truy cập ngẫu nhiên chỉ rõ:

 cách phát hiện đụng độ

 cách phục hồi lại từ đụng độ (vd, thông qua truyền lại trễ)

 ALOHA chia ô

 ALOHA

 CSMA, CSMA/CD, CSMA/CA

Trang 25

25

Đa truy cập kiểm tra đường truyền - CSMA

(Carrier Sense Multiple Access)

Nếu thấy kênh rỗi: gửi toàn vẹn khung

khác!

Trang 26

Đụng độ trong CSMA

đụng độ vẫn có thể xảy ra

độ trễ lan truyền nghĩa là hai

node có thể không nghe được

sự truyền tải của nhau

vai trò của khoảng cách và độ trễ

lan truyền trong việc xác định xác

suất đụng độ

Trang 27

27

CSMA/CD

CSMA/CD: kiểm tra đường truyền, trì hoãn như trong CSMA

 phát hiện đụng độ trong khoảng t/g ngắn

 các truyền tải đụng độ sẽ bị bỏ qua, giảm sự hoang phí kênh

 tương đối dễ trong LAN đi dây: đo cường độ của tín hiệu, so sánh

tín hiệu gửi đi và nhận được

 khó trong LAN không dây: cường độ tín hiệu nhận được bị bị áp

đảo bởi cường độ truyền tải cục bộ

Trang 28

G/thức MAC “Theo lượt”

g/thức MAC phân chia kênh:

 chia sẻ kênh hiệu quả và công bằng khi tải cao

 không hiệu quả khi tải thấp: trễ khi truy cập kênh, được sử dụng

1/N băng thông nếu thâm chí chỉ có 1 node làm việc!

g/thức MAC truy cập ngẫu nhiên

 hiệu quả khi tải thấp: một node có thể sử dụng hoàn toàn băng

Trang 29

29

Chỉ định:

node thành viên truyền

tải theo lượt

Trang 30

Truyền thẻ:

 thẻ điều khiển được

truyền từ node này sang node khác theo thứ tự

Trang 31

31

Tổng kết về các g/t MAC

 phân chia kênh, theo t/gian, tần số hoặc mã

 Phân chia Thời Gian, Phân chia Tần Số

 truy cập ngẫu nhiên (động),

 ALOHA, S-ALOHA, CSMA, CSMA/CD

 kiểm tra đường truyền: dễ trong dây dẫn, khó trong m/trường

không dây

 CSMA/CD được dùng trong Ethernet

 CSMA/CA được dùng trong 802.11

 theo lượt

 sự chỉ định từ node chủ trì, sự truyền thẻ

 Bluetooth, FDDI, IBM Token Ring

Trang 32

 5.4 Đánh địa chỉ tầng-Liên kết

Trang 33

33

Địa chỉ MAC và ARP

 địa chỉ tầng-mạng

 dùng để gửi gói tin tới mạng IP đích

 vai trò: chuyển khung từ giao diện này tới giao diện kết nối-vật lý

khác (trong cùng mạng)

 địa chỉ MAC 48 bit (cho hầu hết LANs)

• được gán cứng vào NIC ROM, đôi khi có thể thay đổi được bằng phần mềm

Trang 34

Địa chỉ LAN và ARP

Mỗi card mạng LAN có một địa chỉ LAN độc nhất

Địa chỉ quảng bá = FF-FF-FF-FF-FF-FF

Trang 35

35

Địa chỉ LAN (tt)

MAC (để đảm bảo tính độc nhất)

(a) địa chỉ MAC: số CMND

(b) địa chỉ IP: địa chỉ thư tín

 có thể di chuyển card mạng từ một LAN sang LAN khác

 địa chỉ phụ thuộc vào mạng con IP mà nốt gắn vào

Trang 36

ARP: Giao thức phân giải địa chỉ (Address

 thời gian sống TTL (Time

To Live): thời gian tồn tại của một ánh xạ trong bảng ARP, sau t/g này ánh xạ sẽ

bị xóa đi (thường là 20 phút)

Câu hỏi: làm sao để xác định

địa chỉ MAC của B nếu biết

Trang 37

37

Giao thức ARP: cùng LAN (mạng)

 A muốn gửi gói tin cho B, và địa

chỉ MAC của B không nằm trong

bảng ARP của A

 A quảng bá gói truy vấn ARP,

chưa địa chỉ IP của B

 địa chỉ MAC đích

= FF-FF-FF-FF-FF-FF

 tất cả các máy trên LAN đều

nhận truy vấn ARP

 B nhận được gói truy vấn ARP,

phản hồi cho A với địa chỉ MAC

IP- trạng thái mềm: t/tin sẽ bị xóa khỏi bảng ARP nếu không được làm mới

 các nốt tạo ra bảng ARP của chúng mà không có sự can thiệp từ phía quản trị viên của mạng

Trang 38

Đánh địa chỉ: định tuyến tới LAN khác

giả sử A biết đ/c IP của B

R

1A-23-F9-CD-06-9B

222.222.222.220 111.111.111.110

E6-E9-00-17-BB-4B

CC-49-DE-D0-AB-7D 111.111.111.112

111.111.111.111

A 74-29-9C-E8-FF-55

222.222.222.221 88-B2-2F-54-1A-0F

B

222.222.222.222

49-BD-D2-C7-56-2A

Trang 39

39

 A tạo ra gói IP với nguồn A, đích B

 A sử dụng ARP để lấy địa chỉ MAC của R với IP là

111.111.111.110

 A tạo khung tầng-liên kết với địa chỉ đích là đ/c MAC của R,

khung chứa gói tin IP A-tới-B

 NIC A gửi khung

 NIC R nhận khung

 R gỡ bỏ gói IP từ khung Ethernet, thấy nó gửi cho B

 R sử dụng ARP để lấy địa chỉ MAC của B

 R tạo ra khung chứa gói tin IP A-tới-B ,gửi cho B

R

1A-23-F9-CD-06-9B

222.222.222.220 111.111.111.110

E6-E9-00-17-BB-4B

CC-49-DE-D0-AB-7D 111.111.111.112

111.111.111.111

A

74-29-9C-E8-FF-55

222.222.222.221 88-B2-2F-54-1A-0F

B

222.222.222.222

49-BD-D2-C7-56-2A

Trang 40

 5.5 Ethernet

Trang 41

41

Ethernet

công nghệ “thống trị” của LAN đi dây:

bản phác thảo Ethernet của Metcalfe

Trang 42

Sơ đồ hình Sao

 tất cả nốt trong cùng miền đụng độ (có thể đụng độ với với nhau)

 bộ chuyển mạch hoạt động tại trung tâm

 mỗi “nan hoa” chạy một giao thức Ethernet riêng lẻ (nốt không va

chạm với nhau)

bộ chuyển mạch

buýt: cáp đồng trục hình sao

Trang 43

43

Cấu trúc khung Ethernet

Nic gửi đóng gói gói IP (hoặc là gói tin của giao thức

Phần khởi đầu:

mẫu 10101011

gửi với người nhận

Trang 44

Cấu trúc khung Ethernet (tt)

 Địa chỉ: 6 bytes

 nếu NIC nhận được khung với đúng địa chỉ MAC của nó hoặc là địa chỉ phát tán rộng (vd gói tin ARP), nó sẽ đẩy dữ liệu trong khung lên giao thức tầng mạng

 ngoài ra, NIC bỏ khung

 Loại: xác định giao thức tầng cao hơn (hầu hết là IP nhưng thỉnh thoảng có những g/t khác, vd, Novell IPX, AppleTalk)

Trang 45

45

Ethernet: không tin cậy,không kết nối

 không kết nối: không có bắt tay giữa các NIC gửi và nhận

 không tin cậy: NIC nhận không gửi ACK hoặc là NACK cho NIC gửi

 luồng gói tin truyền tới tầng mạng có thể có chỗ gián đoạn (các gói tin bị mất)

 các chỗ gián đoạn có thể được lấp đầy nếu ứ/d dùng TCP

 ngoài ra, ứ/d sẽ thấy các chỗ gián đoạn này

Trang 46

Giải thuật CSMA/CD Ethernet

1 NIC nhận được gói tin từ

tầng mạng, tạo ra khung

2 Nếu NIC thấy kênh truyền

rỗi, bắt đầu truyền khung

Nếu NIC thấy kênh bận,

đợi đến khi kênh rỗi, sau

đó truyền

3 Nếu NIC gửi toàn bộ khung

đi mà không phát hiện ra

sự truyền tải nào khác, NIC

hoàn thành việc gửi khung!

4 Nếu NIC phát hiện sự truyền tải khác trong khi đang truyền: hủy bỏ và gửi tín hiệu nghẽn

5 Sau khi hủy bỏ việc gửi,

Trang 47

truyền lại cho phù hợp với tải hiện tại

 tải nặng: thời gian chờ ngẫu nhiên sẽ dài hơn

 đụng độ đầu tiên: chọn K từ {0,1}; độ trễ là K· 512 t/g bít

 đụng độ lần 2: chọn K từ {0,1,2,3}…

 sau va chạm lần 10, chọn K từ {0,1,2,3,4,…,1023}

Xem/tương tác với vi mã

Java trên Web AWL:

rất khuyến khích !

Định dạng
Số trang	50
Dung lượng	1,31 MB