Bài giảng môn mạng máy tính

Khái niệm mạng máy tính Mạng máy tính là một tập hợp các máy tính được nối với nhau bởi đường truyền theo một cấu trúc nào đó và thông qua đó các máy tính trao đổi thông tin qua lại cho

CHƯƠNG 1: CĂN BẢN VỀ MẠNG MÁY TÍNH

1.1 Khái niệm mạng máy tính

Mạng máy tính là một tập hợp các máy tính được nối với nhau bởi đường truyền theo một cấu trúc nào đó và thông qua đó các máy tính trao đổi thông tin qua lại cho nhau

Đường truyền là hệ thống các thiết bị truyền dẫn có dây hay không dây dùng để chuyển các tín hiệu điện tử từ máy tính này đến máy tính khác Các tín hiệu điện tử đó

biểu thị các giá trị dữ liệu dưới dạng các xung nhị phân (on - off) Tất cả các tín hiệu được truyền giữa các máy tính đều thuộc một dạng sóng điện từ Tùy theo tần số của sóng điện từ có thể dùng các đường truyền vật lý khác nhau để truyền các tín hiệu Ở đây đường truyền được kết nối có thể là dây cáp đồng trục, cáp xoắn, cáp quang, dây điện thoại, sóng vô tuyến Các đường truyền dữ liệu tạo nên cấu trúc của mạng Hai khái niệm đường truyền và cấu trúc là những đặc trưng cơ bản của mạng máy tính

Hình1: Một mô hình liên kết các máy tính trong mạng

Những ưu điểm khi kết nối các máy tính thành một mạng máy tính:

• Nhiều người có thể dùng chung một phần mềm tiện ích

• Trao đổi thông tin trong một mạng máy tính dễ dàng

• Dữ liệu được quản lý tập trung nên an toàn hơn, trao đổi giữa những người sử dụng thuận lợi hơn, nhanh chóng hơn

• Có thể dùng chung thiết bị ngoại vi hiếm, đắt tiền (máy in, máy vẽ, )

• Người sử dụng trao đổi với nhau thư tín (E-Mail), tin tức dễ dàng

• Một số người sử dụng không cần phải trang bị máy tính đắt tiền (chi phí thấp

Khái niệm: Repeater là loại thiết bị phần cứng đơn giản nhất trong các thiết bị liên kết

mạng, nó được hoạt động trong tầng vật lý của mô hình hệ thống mở OSI Repeater dùng để nối 2 mạng giống nhau hoặc các phần một mạng cùng có một nghi thức và một cấu hình Khi Repeater nhận được một tín hiệu từ một phía của mạng thì nó sẽ phát tiếp vào phía kia của mạng

Mô hình liên kết mạng của Repeater

Repeater không có xử lý tín hiệu mà nó chỉ loại bỏ các tín hiệu méo, nhiễu, khuếch đại tín hiệu đã bị suy hao (vì đã được phát với khoảng cách xa) và khôi phục lại tín hiệu ban đầu Việc sử dụng Repeater đã làm tăng thêm chiều dài của mạng

Hoạt động của Repeater trong mô hình OSI

Việc sử dụng Repeater không thay đổi nội dung các tín hiện đi qua nên nó chỉ được dùng để nối hai mạng có cùng giao thức truyền thông (như hai mạng Ethernet

hay hai mạng Token ring) nhưng không thể nối hai mạng có giao thức truyền thông khác nhau (như một mạng Ethernet và một mạng Token ring) Thêm nữa Repeater không làm thay đổi khối lượng chuyển vận trên mạng nên việc sử dụng không tính toán nó trên mạng lớn sẽ hạn chế hiệu năng của mạng Khi lựa chọn sử dụng Repeater cần chú ý lựa chọn loại có tốc độ chuyển vận phù hợp với tốc độ của mạng

Khái niệm: Là thiết bị làm việc đến tầng liên kết dữ liệu, nhận tín hiệu vật lý từ 1

cổng, nhận dạng dataframe, phân tích địa chỉ máy đích (địa chỉ MAC : địa chỉ vật lý –

số hiệu NIC)

• Nếu địa chỉ máy nhận và máy gửi cùng nằm trên một đoạn mạng thì cầu chặn

lại không cho chuyển qua

• Nếu là khác đoạn mạng thì cầu cho chuyển qua

• Nếu cầu không xác định được địa chỉ đích, nó chuyển frame dữ liệu tới tất cả

các đoạn mạng trừ đoạn mạng nguồn

• Việc sử dụng cầu làm tăng hiệu quả sử dụng mạng

Bridge phân chia một mạng thành các phân đoạn mạng

Hoạt động của Bridge trong mô hình OSI

d Switch

Khái niệm: Switch được coi như cầu nhiều cổng, là thiết bị làm việc đến tầng liên kết

dữ liệu Một Switch có nhiều port với nhiều đoạn mạng nối đến chúng

Hoạt động của Switch trong mô hình OSI

e Router

Khái niệm: Chức nǎng cơ bản của router là gửi đi các gói dữ liệu dựa trên địa chỉ

phân lớp của mạng và cung cấp các dịch vụ như bảo mật, quản lý lưu thông

Giống như bridge, router là một thiết bị siêu thông minh đối với các mạng thực

sự lớn Router biết địa chỉ của tất cả các máy tính ở từng phía và có thể chuyển các thông điệp cho phù hợp Chúng còn phân đường định truyền để gửi từng thông điệp có hiệu quả

Theo mô hình OSI thì chức nǎng của router thuộc mức 3, cung cấp thiết bị với thông tin chứa trong các header của giao thức, giúp cho việc xử lý các gói dữ liệu

thông minh

Dựa trên những giao thức, router cung cấp dịch vụ mà trong đó mỗi packet dữ

liệu được đọc và chuyển đến đích một cách độc lập

Khi số kết nối tǎng thêm, mạng theo dạng router trở nên kém hiệu quả và cần

suy nghĩ đến sự thay đổi

Hoạt động của Router trong mô hình OSI

1.3.Các loại hình trạng mạng

Khái niệm: Topo mạng xác định cấu trúc của mạng Các loại topo được dùng phổ

biến hiện nay:

a Bus

Theo cách bố trí hành lang các đường như hình vẽ thì máy chủ (host) cũng như tất cả các máy tính khác (workstation) hoặc các nút (node) đều được nối về với nhau

trên một trục đường dây cáp chính để chuyển tải tín hiệu

Tất cả các nút đều sử dụng chung đường dây cáp chính này Phía hai đầu dây

cáp được bịt bởi một thiết bị gọi là terminator Các tín hiệu và gói dữ liệu (packet) khi

di chuyển lên hoặc xuống trong dây cáp đều mang theo điạ chỉ của nơi đến

Loại hình mạng này dùng dây cáp ít nhất, dễ lắp đặt Tuy vậy cũng có những bất lợi đó là sẽ có sự ùn tắc khi di chuyển dữ liệu với lưu lượng lớn và khi có sự hỏng hóc ở đoạn nào đó thì rất khó phát hiện, một sự ngừng trên đường dây để sửa chữa sẽ ngừng toàn bộ hệ thống

b Ring

Mạng dạng này, bố trí theo dạng xoay vòng, đường dây cáp được thiết kế làm thành một vòng khép kín, tín hiệu chạy quanh theo một chiều nào đó Các nút truyền tín hiệu cho nhau mỗi thời điểm chỉ được một nút mà thôi Dữ liệu truyền đi phải có kèm theo địa chỉ cụ thể của mỗi trạm tiếp nhận

Mạng dạng vòng có thuận lợi là có thể nới rộng ra xa, tổng đường dây cần thiết

ít hơn so với hai kiểu trên Nhược điểm là đường dây phải khép kín, nếu bị ngắt ở một nơi nào đó thì toàn bộ hệ thống cũng bị ngừng

c Star

Kết nối tất cả các cáp tới một điểm trung tâm Nếu sử dụng star mở rộng kết nối các star lại với nhau thông qua HUB hoặc SWITCH Dạng này có thể mở rộng phạm

vi và mức độ bao phủ của mạng

Khái niệm: Một tập các tiêu chuNn để trao đổi thông tin giữa hai hệ thống máy tính

hoặc hai thiết bị máy tính với nhau nhằm đảm bảo để thông tin có thể được trao đổi một cách nhanh chóng, chính xác, thông suốt được gọi là giao thức (Protocol) Các

giao thức (Protocol) còn được gọi là nghi thức hoặc định ước của mạng máy tính

Từ quá trình trao đổi thông tin giữa hai đối tượng tham gia truyền thông là con người diễn ra ở nhiều mức:

• Tầng tri thức: hai đối tượng tham gia cùng mức tri thức (cùng cách xử lý thông tin)

• Cùng cách biểu diển thông tin (ngôn ngữ)

• Cùng môi trường vật lý để truyền tin

Đưa ra mô hình phân tầng (7 tầng ) xử lý thông tin trong quá trình trao đổi thông tin giữa hai đối tượng tham gia truyền thông

Mô hình OSI

1.5 Giới thiệu một số mạng thông dụng

a LAN (Local Area Networks): Mạng cục bộ (LAN ) là hệ truyền thông tốc độ cao

được thiết kế để kết nối các máy tính và các thiết bị xử lý dữ liệu khác cùng hoạt động với nhau trong một khu vực địa lý nhỏ như ở một tầng của toà nhà, hoặc trong một toà nhà Một số mạng LAN có thể kết nối lại với nhau trong một khu làm việc

Một mạng LAN bao gồm các thành phần sau:

• Máy tính

• Card giao tiếp mạng

• Các thiết bị ngoại vi, đường truyền thiết lập mạng

• Các thiết bị mạng

b WAN (Wide Area Network): Mạng diện rộng, WAN liên kết các LAN và từ các

LAN này có thể truy xuất đến các máy tính hay các file server tại các vị trí khác nhau WAN có phạm vi địa lý rộng nên có khả năng cung cấp thông tin cự lý xa cho doanh nghiệp

c MAN (Metropolitan Area Network): Kết nối các máy tính trong phạm vi một thành

phố Kết nối này được thực hiện thông qua các môi trường truyền thông tốc độ cao (50-100 Mbit/s) Một MAN thường bao gồm hai hay nhiều LAN cùng trong một vùng địa lý

d GAN (Global Area Network): Kết nối máy tính từ các châu lục khác nhau Thông

thường kết nối này được thực hiện thông qua mạng viễn thông và vệ tinh

d SAN (Storage Area Network): Là một mạng riêng dùng để lưu trữ dữ liệu, nó thích

hợp với các hệ thống cần lưu trữ dữ liệu dự phòng, di chuyển file, tái tạo dữ liệu giữa các hệ thống

e VPN (Virtual Private Network): Mạng dùng riêng ảo, là giải pháp sử dụng thiết bị

phần cứng hoặc phần mềm để liên kết các mạng LAN tại các cơ sở khác nhau của một

cơ quan thành một mạng LAN riêng bằng cách sử dụng Internet làm backbone

CHƯƠNG 2: KIẾN TRÚC PHÂN TẦNG VÀ MÔ HÌNH OSI

2.1 Kiến trúc phân tầng và mô hình OSI

Từ thực tế của quá trình trao đổi thông tin giữa hai đối tượng tham gia truyền thông là con người ta thấy rằng để quá trình trao đổi thông tin được diễn ra ở nhiều mức (nhiều tầng khác nhau)

• Tầng tri thức: Hai đối tượng tham gia trao đổi phải cùng mức tri thức (cùng cách xử lý thông tin)

• Tầng trình diễn: Cùng cách biểu diễn thông tin (N gôn ngữ)

• Tầng truyền dẫn: Cùng môi trường vật lý để truyền tin

Từ đó người ta xây dựng mô hình trao đổi thông tin giữa các máy tính dựa trên kiến trúc phân tầng và điển hình nhất là mô hình OSI N gười ta chia quá trình truyền thông thành 7 tầng và mỗi tầng làm một nhiệm vụ cụ thể trong quá trình truyền thông

2.2 Mô hình tham chiếu hệ thống mở OSI

2.2.1 Lịch sử của OSI

Để mạng đạt khả nǎng tối đa, các tiêu chuNn được chọn phải cho phép mở rộng mạng để có thể phục vụ những ứng dụng không dự kiến trước trong tương lai tại lúc lắp đặt hệ thống và điều đó cũng cho phép mạng làm việc với những thiết bị được sản xuất từ nhiều hãng khác nhau

Hội đồng tiêu chuNn quốc tế là ISO (International Standards Organization), do

các nước thành viên lập nên Công việc ở Bắc Mỹ chịu sự điều hành của AN SI

(American National Standards Institude) ở Hoa Kỳ AN SI đã ủy thác cho IEEE (Institude of Electrical and Electronics Engineers) phát triển và đề ra những tiêu

chuNn kỹ thuật cho LAN

2.2.2 Ý nghĩa của OSI

ISO đã đưa ra mô hình 7 mức (layers, còn gọi là lớp hay tầng) cho mạng, gọi là

kiểu hệ thống kết nối mở hoặc mô hình OSI (Open System Interconnection) Việc ra

đời mô hình OSI đã hỗ trợ việc kết nối và chia sẽ thông tin trên mạng một cách hiệu quả:

- Cung cấp một chuNn chung để các hãng, nhà phát triển phát triển các ứng dụng của mình trên hệ thống mạng máy tính

- Cho phép nhiều kiểu mạng, phần cứng, phần mềm khác nhau có thể giao tiếp được với nhau

- N găn chặn các thay đổi tại một lớp ảnh hưởng đến các lớp khác

- Chia quá trình truyền thông trên mạng máy tính thành những phần nhỏ hơn giúp dễ hiểu và dễ tiếp cận

2.3 Mô hình 7 tầng OSI, chức năng của từng tầng

2.3.1 Tầng vật lý (Physical)

Khái niệm: Tầng vật lý liên quan đến việc truyền các dòng bit giữa các máy bằng kênh truyền thông vật lý, không quan tâm đến ý nghĩa và cấu trúc của chúng Ngoài

ra nó cung cấp các chuNn về điện, dây cáp, đầu nối, kỹ thuật nối mạch điện, điện áp,

tốc độ cáp truyền dẫn, giao diện nối kết và các mức nối kết

Tầng vật lý (Physical layer) là tầng dưới cùng của mô hình OSI cung cấp các đặc trưng điện của các tín hiệu được dùng để khi chuyển dữ liệu trên cáp từ một máy này đến một máy khác của mạng, kỹ thuật nối mạch điện, tốc độ cáp truyền dẫn

Tầng vật lý không qui định một ý nghĩa nào cho các tín hiệu đó ngoài các giá trị nhị phân 0 và 1 Ở các tầng cao hơn của mô hình OSI ý nghĩa của các bit được truyền

ở tầng vật lý sẽ được xác định

Khác với các tầng khác, tầng vật lý là không có gói tin riêng và do vậy không

có phần đầu (header) chứa thông tin điều khiển, dữ liệu được truyền đi theo dòng bit Một giao thức tầng vật lý tồn tại giữa các tầng vật lý để quy định về phương thức truyền (đồng bộ, phi đồng bộ), tốc độ truyền

Các giao thức được xây dựng cho tầng vật lý được phân chia thành hai loại giao thức sử dụng phương thức truyền thông dị bộ (asynchronous) và phương thức truyền thông đồng bộ (synchronous)

• Phương thức truyền dị bộ: không có một tín hiệu quy định cho sự đồng bộ

giữa các bit giữa máy gửi và máy nhận, trong quá trình gửi tín hiệu máy gửi

sử dụng các bit đặc biệt START và STOP được dùng để tách các xâu bit biểu diễn các ký tự trong dòng dữ liệu cần truyền đi N ó cho phép một ký tự được truyền đi bất kỳ lúc nào mà không cần quan tâm đến các tín hiệu đồng

bộ trước đó

• Phương thức truyền đồng bộ: sử dụng phương thức truyền cần có đồng bộ

giữa máy gửi và máy nhận, nó chèn các ký tự đặc biệt như SYN (Synchronization), EOT (End Of Transmission) hay đơn giản hơn, một cái

"cờ " (flag) giữa các dữ liệu của máy gửi để báo hiệu cho máy nhận biết được dữ liệu đang đến hoặc đã đến

2.3.2 Tầng liên kết dữ liệu (Data Link)

Khái niệm: Tầng liên kết dữ liệu (data link layer) là tầng mà ở đó ý nghĩa được gán cho các bít được truyền trên mạng

Tầng liên kết dữ liệu phải quy định được các dạng thức, kích thước, địa chỉ máy gửi và nhận của mỗi gói tin được gửi đi N ó phải xác định cơ chế truy nhập thông tin trên mạng và phương tiện gửi mỗi gói tin sao cho nó được đưa đến cho người nhận đã định Các nhiệm vụ chính của tầng này là:

− Chia thông tin cần gửi thành các frame, gửi các frame đi một cách tuần

tự và xử lý các frame biên nhận (ACK frame) do bên nhận gửi về Các frame có kích thước cỡ vài trăm byte hoặc vài nghìn byte, đầu và cuối frame được ghi thêm các nhóm bit đặc biệt làm ranh giới cho frame (tầng này nhận ra được ranh giới giữa các frame)

− Đường truyền vật lý luôn luôn có thể gây lỗi nên tầng này phải giải quyết vấn đề nảy sinh khi bản tin bị hỏng, bị mất hoặc bị truyền lặp

Tầng này cung cấp cách phát hiện và sửa lỗi cơ bản để đảm bảo cho dữ

liệu nhận được giống hoàn toàn với dữ liệu gửi đi N ếu một gói tin có lỗi không sửa được, tầng liên kết dữ liệu phải chỉ ra được cách thông báo cho nơi gửi biết gói tin đó có lỗi để nó gửi lại

− Giữ cho bên phát có tốc độ không gây “lụt” dữ liệu cho bên nhận

Các giao thức tầng liên kết dữ liệu chia làm 2 loại chính là các giao thức hướng ký tự và các giao thức hướng bit Các giao thức hướng ký tự được xây dựng

dựa trên các ký tự đặc biệt của một bộ mã chuNn nào đó (như ASCII hay EBCDIC), trong khi đó các giao thức hướng bit lại dùng các cấu trúc nhị phân (xâu bit) để xây dựng các phần tử của giao thức (đơn vị dữ liệu, các thủ tục.) và khi nhận, dữ liệu sẽ được tiếp nhận lần lượt từng bit một

2.3.3 Tầng mạng (NetWork)

Khái niệm: Tầng mạng (network layer) nhắm đến việc kết nối các mạng với nhau

bằng cách tìm đường (routing) cho các gói tin từ một mạng này đến một mạng khác

Nó xác định việc chuyển hướng, vạch đường các gói tin trong mạng, các gói này có thể phải đi qua nhiều chặng trước khi đến được đích cuối cùng Nó luôn tìm các tuyến truyền thông không tắc nghẽn để đưa các gói tin đến đích

Tầng mạng cung các các phương tiện để truyền các gói tin qua mạng, thậm chí qua một mạng của mạng (network of network) Bởi vậy nó cần phải đáp ứng với nhiều kiểu mạng và nhiều kiểu dịch vụ cung cấp bởi các mạng khác nhau hai chức năng chủ yếu của tầng mạng là chọn đường (routing) và chuyển tiếp (relaying) Tầng mạng là quan trọng nhất khi liên kết hai loại mạng khác nhau như mạng Ethernet với mạng Token Ring khi đó phải dùng một bộ tìm đường (quy định bởi tầng mạng) để chuyển các gói tin từ mạng này sang mạng khác và ngược lại

Đối với một mạng chuyển mạch gói (packet - switched network) - gồm tập hợp các nút chuyển mạch gói nối với nhau bởi các liên kết dữ liệu Các gói dữ liệu được truyền từ một hệ thống mở tới một hệ thống mở khác trên mạng phải được chuyển qua một chuỗi các nút Mỗi nút nhận gói dữ liệu từ một đường vào (incoming link) rồi chuyển tiếp nó tới một đường ra (outgoing link) hướng đến đích của dữ liệu N hư vậy

ở mỗi nút trung gian nó phải thực hiện các chức năng chọn đường và chuyển tiếp Việc chọn đường là sự lựa chọn một con đường để truyền một đơn vị dữ liệu (một gói tin chẳng hạn) từ trạm nguồn tới trạm đích của nó Một kỹ thuật chọn đường phải thực hiện hai chức năng chính sau đây:

• Quyết định chọn đường tối ưu dựa trên các thông tin đã có về mạng tại thời điểm đó thông qua những tiêu chuNn tối ưu nhất định

• Cập nhật các thông tin về mạng, tức là thông tin dùng cho việc chọn đường, trên mạng luôn có sự thay đổi thường xuyên nên việc cập nhật là việc cần thiết

Mô hình chuyển vận các gói tin trong mạng chuyễn mạch gói

N gười ta có hai phương thức đáp ứng cho việc chọn đường là phương thức xử

lý tập trung và xử lý tại chỗ

• Phương thức chọn đường xử lý tập trung được đặc trưng bởi sự tồn tại của một

(hoặc vài) trung tâm điều khiển mạng, chúng thực hiện việc lập ra các bảng đường đi tại từng thời điểm cho các nút và sau đó gửi các bảng chọn đường tới từng nút dọc theo con đường đã được chọn đó Thông tin tổng thể của mạng cần dùng cho việc chọn đường chỉ cần cập nhập và được cất giữ tại trung tâm điều khiển mạng

• Phương thức chọn đường xử lý tại chỗ được đặc trưng bởi việc chọn đường

được thực hiện tại mỗi nút của mạng Trong từng thời điểm, mỗi nút phải duy trì các thông tin của mạng và tự xây dựng bảng chọn đường cho mình N hư vậy các thông tin tổng thể của mạng cần dùng cho việc chọn đường cần cập nhập và được cất giữ tại mỗi nút

Thông thường các thông tin được đo lường và sử dụng cho việc chọn đường bao gồm:

• Trạng thái của đường truyền

• Thời gian trễ khi truyền trên mỗi đường dẫn

• Mức độ lưu thông trên mỗi đường

• Các tài nguyên khả dụng của mạng

Khi có sự thay đổi trên mạng (ví dụ thay đổi về cấu trúc của mạng do sự cố tại một vài nút, phục hồi của một nút mạng, nối thêm một nút mới hoặc thay đổi về mức

độ lưu thông) các thông tin trên cần được cập nhật vào các cơ sở dữ liệu về trạng thái của mạng

Hiện nay khi nhu cầu truyền thông đa phương tiện (tích hợp dữ liệu văn bản, đồ hoạ, hình ảnh, âm thanh) ngày càng phát triển đòi hỏi các công nghệ truyền dẫn tốc độ cao nên việc phát triển các hệ thống chọn đường tốc độ cao đang rất được quan tâm

2.3.4 Tầng vận chuyển (Transport)

Khái niệm: Có nhiệm vụ tổ chức các kênh trao đổi thông tin giữa các dịch vụ tương

ứng của hai máy tính tham gia truyền thông

• Đòi hỏi tin cậy

• Chấp nhận các sai sót, nhưng thời gian truyền tin phải nhanh nhất có thể được

2.3.5 Tầng phiên (Session)

Khái niệm: Thiết lập, quản lý, kết thúc các phiên làm việc giữa các ứng dụng, đảm bảo việc giao dịch giữa các ứng dụng được quản lý

2.3.6 Tầng trình diễn (Presentation)

Khái niệm: Trong giao tiếp giữa các ứng dụng thông qua mạng với cùng một dữ liệu

có thể có nhiều cách biểu diễn khác nhau Thông thường dạng biểu diễn dùng bởi ứng dụng nguồn và dạng biểu diễn dùng bởi ứng dụng đích có thể khác nhau do các ứng dụng được chạy trên các hệ thống hoàn toàn khác nhau (như hệ máy Intel và hệ máy

Motorola) Tầng trình diễn (Presentation layer) phải chịu trách nhiệm chuyển đổi

dữ liệu gửi đi trên mạng từ một loại biểu diễn này sang một loại khác Để đạt được

điều đó nó cung cấp một dạng biểu diễn chung dùng để truyền thông và cho phép chuyển đổi từ dạng biểu diễn cục bộ sang biểu diễn chung và ngược lại

Tầng trình bày cũng có thể được dùng kĩ thuật mã hóa để xáo trộn các dữ liệu trước khi được truyền đi và giải mã ở đầu đến để bảo mật N goài ra tầng biểu diễn cũng có thể dùng các kĩ thuật nén sao cho chỉ cần một ít byte dữ liệu để thể hiện thông

tin khi nó được truyền ở trên mạng, ở đầu nhận, tầng trình bày bung trở lại để được dữ liệu ban đầu

2.3.7 Tầng ứng dụng (Application)

Khái niệm: Tầng ứng dụng (Application layer) là tầng cao nhất của mô hình OSI,

nó xác định giao diện giữa người sử dụng và môi trường OSI và giải quyết các kỹ thuật mà các chương trình ứng dụng dùng để giao tiếp với mạng

2.4 Quá trình đóng gói dữ liệu và mở gói dữ liệu

Khái niệm: Cũng giống như trong mô hình tham chiếu OSI, dữ liệu trước khi gửi đi

phải được đóng gói, và khi nhận được dữ liệu quá trình mở gói dữ liệu sẽ được diễn ra theo hướng ngược lại Dữ liệu gửi từ tầng ứng dụng đi xuống các tầng dưới của mô hình OSI, mỗi tầng có những định nghĩa riêng về dữ liệu mà nó sử dụng Tại nơi gửi, mỗi tầng coi gói tin của tầng trên gửi xuống là dữ liệu của nó và thêm vào gói tin các thông tin điều khiển của mình sau đó chuyển tiếp xuống tầng dưới Tại nơi nhận, quá trình diễn ra ngược lại, mỗi tầng lại tách thông tin điều khiển của mình ra và chuyển

dữ liệu lên tầng trên

Hình dưới đây mô tả chi tiết quá trình đóng gói dữ liệu thông qua 7 tầng của mô hình OSI

Với 5 bước chuyển đổi để đóng gói dữ liệu:

1 Xây dựng dữ liệu

2 Đóng gói dữ liệu tại tầng vận chuyển

3 Bổ xung địa chỉ IP vào header tại tầng mạng

4 Bỗ xung header và trailer tại tầng liên kết dữ liệu

5 Chuyển thành các bit để truyền tại tầng vật lý

CHƯƠNG 3: MÔI TRƯỜNG TRUYỀN DẪN MẠNG 3.1 Môi trường truyền dẫn bằng cáp đồng

3.1.1 Cáp đồng trục

Cáp đồng trục bao gồm một ống dẫn điện hình trụ tròn rỗng bao quanh một dây

dẫn đơn, tạo thành hai phần tử dẫn điện Phần dây dẫn đơn nằm ngay giữa cáp làm

bằng đồng

Application Header + data

Xung quanh dây cáp đồng này được phủ một lớp cách điện Lưới chắn bằng đồng có vai trò như là dây dẫn thứ hai và làm nhiệm vụ giảm lượng xuyên nhiễu điện

từ từ môi trường ngoài lên dây dẫn đồng bên trong Vỏ bọc làm nhiệm vụ bảo vệ bên ngoài

Ưu điểm: Cho phép truyền tín hiệu dài hơn các cáp STP hay UTP trong trường hợp

không dùng Repeater N ó có giá thành rẻ, truyền tối đa 500m, hỗ trợ các tốc độ 100Mbps Sử dụng cho nhiều dạng số liệu, bao gồm cả vô tuyến điện

10-Cáp đồng trục béo: 10-Cáp đồng trục có đường kính lớn nhất có chiều dài truyền dẫn

lớn, khả năng chống nhiễu cao Đặc tính của loại này là cứng khó lắp đặt và hiện nay ít được dùng 10BASE5 là loại này

Cáp đồng trục gầy: Loại cáp đồng trục này rất dễ dàng trong việc lắp đặt (chỗ gấp

khúc, xoắn) Chi phí lắp đặt rẻ Do cấu tạo của loại cáp này có một lớp lới kim loại làm nhiệm vụ dẫn điện nên khi nối phải đảm bảo để đoạn nối không làm ảnh hưởng đến chất lượng truyền tín hiệu Hiện nay không dùng cáp này cho chuNn 100 Mbps hay cao hơn 10 BASE 2 thuộc loại này Dải thông của cáp này còn phụ thuộc vào chiều dài của cáp Với khoảng cách 1 km có thể đạt tốc độ truyền từ 1– 2 Gbps

3.2 Cáp UTP

3.2.1 Cấu tạo

Mỗi một dây trong 8 dây tách biệt trong cáp UTP được bọc cách điện Mỗi cặp hai dây được xoắn vào nhau Các cặp dây xoắn với nhau nhằm khử nhiễu điện từ lên tín hiệu truyền trong mỗi dây, và số lượng vòng xoắn/mét dây đều thống nhất theo chuNn chung

Ưu điểm: Do kích thước nhỏ, dễ lắp đặt, khi sử dụng đầu nối RJ-45 giảm nhiễu và

đảm bảo đầu nối chắc chắn UTP được xem là đường truyền cáp đồng tốc độ cao

Nhược điểm: Dễ bị xuyên nhiễu hơn các loại cáp khác, khoảng cách truyền tín hiệu tối

đa ngắn hơn so với cáp đồng trục, cáp quang

Kết nối các thiết bị có bản chất hoạt động khác nhau: Các thiết bị có bản chất hoạt

động khác nhau như máy tính – hub/repeater/switch/router…

Khi nối sử dụng cách nối straight-through nối từ thiết bị chuyển mạch đến

cổng của card mạng (N IC)

Khi nối cổng COM trên máy tính với cổng console của router hay switch sử

dụng cách nối rollover Sử dụng đầu nối RJ-45

Kết nối các thiết bị có bản chất hoạt động giống nhau: Các thiết bị có bản chất hoạt

động giống nhau như máy tính- máy tính, hub-hub/repeater…Sử dụng cách nối over

Cross-3.2.4 Cách kiểm tra

3.3 Cáp STP

3.3.1 Cấu tạo

Mỗi dây được gói trong một lá kim loại Bốn đôi như vậy lại được bọc chung một lưới kim loại Có trở kháng là 150 Ω Với cấu tạo trên sẽ giảm nhiễu điện giữa các đôi dây và hạn chế nhiễm điện từ bên ngoài

3.3.2 Thông số kỹ thuật

• Lý thuyết có thể đạt 500Mbps

• Trong thực tế là từ 10 – 100 Mbps

• Giá tiền vừa phải

• Chiều dài tối đa của cáp 100m

3.4 Các loại cáp STP và UTP thường dùng

STP và UTP có các loại (Category - Cat) thường dùng:

1 Loại 1 & 2 (Cat 1 & Cat 2): Thường dùng cho truyền thoại và những đường truyền tốc độ thấp (nhỏ hơn 4Mb/s)

2 Loại 3 (Cat 3): tốc độ truyền dữ liệu khoảng 16 Mb/s , nó là chuNn cho hầu hết các mạng điện thoại

3 Loại 4 (Cat 4): Thích hợp cho đường truyền 20Mb/s

4 Loại 5 (Cat 5): Thích hợp cho đường truyền 100Mb/s

5 Loại 6 (Cat 6): Thích hợp cho đường truyền 300Mb/s

Đây là loại cáp rẻ, dễ cài đặt tuy nhiên nó dễ bị ảnh hưởng của môi trường

3.5 Môi trường truyền dẫn bằng cáp quang

3.5.1 Sự phản xạ ánh sáng

Khi tia sáng đập vào mặt phẳng nhẵn của bản thủy tinh, một phần năng lượng ánh sáng trong tia tới bị phản xạ lại Đây cũng là cách truyền sóng ánh sáng trong cáp quang

Ánh sáng được mở/tắt để thể hiện các giá trị của thông tin (0/1) được truyền vào trong sợi quang phải ở bên trong sợi cho đến khi đến được đầu ra Tia sáng không được khúc xạ vào vật liệu bao bọc sơi quang Vì vậy bề mặt của cáp quang phải đóng vai trò như là gương phản xạ Và hiện tượng phản xạ toàn phần phải xảy ra mỗi khi có sóng ánh sáng truyền qua cáp Vì vậy lõi của sợi quang phải có hệ số khúc xạ lớn hơn vật liệu bao quanh nó Vật liêu bao quanh gọi là lớp phủ (cladding) Góc tới của tia sáng lớn hơn góc tới hạn trong lõi và lớp phủ của nó

3.5.2 Chế độ multimode và single mode

Các Mode: là các con đường mà khi một tia sáng có thể theo khi đi trong sợi

Multimode (đa mode):

Các tia sáng khi đã vào trong lõi, có một số đường đi mà ánh sáng có thể theo, các đường đi này được gọi là mode Với đường kính của lõi đủ lớn có thể có nhiều đường đi và các sợi cáp như vậy gọi là sợi đa mode

Mỗi cáp quang bao gồm hai sợi thủy tinh được bọc riêng biệt Với hai sợi như vậy sẽ hình thành hai đường đi từ thiết bị truyền đến thiết bị nhận và ngược lại Vậy cáp quang được dùng trong truyền tin song công hoàn toàn

SingleMode (đơn mode):

Sợi đơn mode có các thành phần cấu thành giống như ở sợi đa mode Sợi đơn mode khác sợi đa mode ở chỗ chỉ có một đường và có đường kính nhở hơn Lõi của sợi đơn mode có đường kính 5-8 micromet, lớp phủ là 125 micromet Tia sáng đi vào lõi theo góc 900 ánh sáng truyền đi trong lõi theo đường thẳng Sợi đơn mode có thể truyền số liệu trong LAN 3km, và tốc độ hơn đa mode

3.5.3 Các thành phần của cáp quang

Các thiết bị truyền:

Tín hiệu truyền trong cáp là sóng ánh sáng phải có cơ chế chuyển tín hiệu dạng điện sang sóng ánh sáng và ngược lại

LED: Phát ra ánh sáng hồng ngoại với bước sóng 850nm hay 1310nm Bộ khuyếch

đại ánh sáng bằng bức xạ kích ứng (LASER), là một nguồn sáng tạo ra các chùm ánh sáng hồng ngoại mảnh và mạnh thường có bước sóng 1310nm hay 1550nm

PIN: Được chế tạo để cảm biến bước sóng 850nm, 1310nm hay 1550nm Khi bị tác

động bởi một xung ánh sáng với bước sóng thích hợp, nó sẽ ngưng phát điện khi không có ánh sáng tới

Các đầu nối:

Các đầu nối được gắn vào các đầu của sợi quang sao cho các sợi có thể được nối đến các cổng trên thiết bị thu phát Đối với sợi đa mode sử dụng đầu nối SC, sợi đơn mode sử dụng đầu nối ST

3.5.4 Tín hiệu và nhiễu trong cáp quang

Ánh sáng truyền trong cáp không bị ảnh hưởng bởi các yếu tố bên ngoài trừ anh sáng bên ngoài truyền vào mà điều này thì không thể xảy ra Do các ánh sáng truyền trên một sợi không tạo ra nhiễu và vì vậy không có hiện tượng nhiễu xuyên âm Yếu tố ảnh hưởng đến tín hiệu truyền là do sự suy giảm tín hiệu trong quá trình truyền xa, sự tán sắc ánh sáng khi phản xạ

3.5.5 Cài đặt, kiểm tra cáp quang

N guyên nhân dẫn đến sự suy giảm chủ yếu là do lắp đặt không chuNn N ếu sợi dây bị rạn nứt sẽ làm ánh sáng truyền ra ngoài và làm hỏng tín hiệu truyền

Khi lắp đặt việc bẻ cáp cong cũng ảnh hưởng đến chất lượng đường truyền, các đầu nối luôn được giữ sạch để tránh bụi Quá trình ghép nối cáp rất phức tạp đòi hỏi độ chính xác cao và đảm bảo các quy luật quang học Khi kiểm tra sử dụng các thiết bị chuyên dụng

CHƯƠNG 4: CĂN BẢN VỀ CÔNG NGHỆ ETHERNET 4.1 Giới thiệu về Ethernet

Ethernet là mạng cục bộ do ba công ty Xerox, Intel và Digital equipment xây dựng và

phát triển Ethernet là mạng thông dụng nhất đối với các mạng nhỏ hiện nay (chiếm hơn 90% thị phần mạng hiện nay) Ethernet LAN được xây dựng theo chuNn 7 lớp trong cấu trúc mạng của mô hình tham chiếu ISO, mạng truyền số liệu Ethernet cho phép đưa vào mạng các loại máy tính khác nhau kể cả máy tính mini Ethernet có các đặc tính kỹ thuật chủ yếu sau đây:

• Có cấu trúc dạng tuyến phân đoạn, đường truyền dùng cáp đồng trục, tín hiệu truyền

trên mạng được mã hoá theo kiểu đồng bộ (Manchester), tốc độ truyền dữ liệu là 10

Mb/s

• Chiều dài tối đa của một đoạn cáp tuyến là 500m, các đoạn tuyến này có thể được kết nối lại bằng cách dùng các bộ chuyển tiếp và khoảng cách lớn nhất cho phép giữa 2 nút là 2,8 km

Sử dụng tín hiệu bǎng tần cơ bản, truy xuất tuyến (bus access) hoặc tuyến token (token

bus), giao thức là CSMA/CD, dữ liệu chuyển đi trong các gói Gói (packet) thông tin dùng

trong mạng có độ dài từ 64 đến 1518 byte Với việc ra đời Gigabit Ethernet, ban đầu như là một công nghệ LAN thì giờ đây đã trở thành một chuNn MAN và WAN

Thành công chủ yếu của Ethernet là do các yếu tố sau:

• Đơn giản và dễ dàng bảo trì

• Có khả năng phối hợp với các công nghệ khác

• Tin cậy

• Chi phí lắp đặt và nâng cấp thấp

Tất cả các chuNn phát triển sau này về cơ bản đều tương thích với chuNn gốc Một frame của Ethernet xuất phát từ một N IC 10Mbps cáp đồng trục loại cũ trong một máy PC, đặt lên liên kết Ethernet quang tốc độ 10Gbps và kết thúc tại một N IC 100Mbps Các gói trên một mạng Ethernet không bị thay đổi

Ethernet dựa trên topo dạng bus:

4.2 Chuẩn hóa IEEE

Các tốc độ của Ethernet có thể là 10, 100, 1000 hay 10000 Mbps Dạng frame cơ bản

và các tầng phụ IEEE của các tầng 1 và 2 trong mô hình OSI được giữ một cách nhất quán qua tất cả các dạng Ethernet

Khi Ethernet cần mở rộng hay thêm các tính năng mới, IEEE lại công bố một bổ sung mới vào chuNn 802.3

ChuNn hóa IEEE nhằm:

• Cung cấp thông tin công nghệ cần thiết để xây dựng thiết bị tuân theo các chuNn Ethernet

• Khuyến khích sự cải tiến bởi các nhà chế tạo

Tên của các công nghệ Ethernet bao gồm 3 phần:

4.3 Ethernet và mô hình OSI

Ethernet hoạt động ở hai tầng của mô hình OSI, nửa bên dưới của tầng liên kết dữ liệu (Data Link) được gọi là lớp MAC và tầng vật lý

Để di chuyển số liệu giữa hai trạm Ethernet, số liệu thường được chuyển qua repeater Các chuNn đảm bảo băng thông tối thiểu và hoạt động được qua đặc tả chỉ ra số trạm tối đa trên một segment, chiều dài tối đa của một segment, số lượng repeater tối đa giữa các trạm…

4.4 Đặt tên

Để phân phối các frame trong một Ethernet, phải có hệ thống đánh địa chỉ, một phương pháp nhận dạng duy nhất cho các máy tính và các giao tiếp Ethernet dùng các địa chỉ MAC chiều dài 48 bit và được biểu diễn dưới dạng 12 ký tự hexa Sáu số đầu tiên định danh nhà sản xuất, dải địa chỉ MAC được IEEE quản lý Sáu số còn lại là số xêri của giao tiếp, hay giá trị khác được quản lý bởi nhà chế tạo thiết bị Các địa chỉ MAC đôi khi được xem như địa chỉ ghi sẵn bởi chúng được lập trình trong bộ nhớ ROM và được copy vào bộ nhớ RAM khi khởi động N IC

Trên một mạng Ethernet, khi một thiết bị truyền dữ liệu nó có thể mở một đường truyền thông dẫn đến thiết bị khác nhờ vào địa chỉ MAC của thiết bị Thiết bị nguồn gắn một header có chứa địa chỉ MAC của địa chỉ đích và dữ liệu, sau đó gửi vào mạng Khi dữ liệu này lan truyền dọc theo đường truyền mạng, mỗi N IC sẽ kiểm tra xem địa chỉ MAC trong nó

có trùng với địa chỉ MAC đích chứa trong frame dữ liệu không N ếu không trùng N IC bỏ qua frame Khi dữ liệu đến node đích, N IC so thấy trùng địa chỉ, sẽ copy frame và chuyển lên cho các tầng trên của mô hình OSI để xử lý dữ liệu Trên mạng Ethernet, tất các các node đều phải kiểm tra MAC header ngay cả khi các node đang truyền là kế cận nhau

Tất cả các thiết bị được nối vào Ethernet LAN có các giao tiếp được đánh địa chỉ MAC

4.5 Data Frame

Khung dữ liệu (data frame) được xây dựng ở tầng liên kết dữ liệu dưới dạng một dòng các bit (bit stream) để chuyển cho tầng vật lý Việc tạo frame dữ liệu giúp thể hiện thông tin quan trọng như:

• Các máy tính nào đang truyền với một máy tính khác

• Khi nào hoạt động truyền thông giữa các máy tính bắt đầu diễn ra và khi nào thì kết thúc

• Hỗ trợ cho phương pháp kiểm soát lỗi truyền

• Tránh xung đột trong một miền xung đột (collision domain)

Một frame có cấu trúc chung như sau:

Khi một máy tính được kết nối vào môi trường vật lý, chúng phải có một cách thức nào đó để nắm bắt được sự hiện diện của các máy khác để quảng bá thông điệp “đây là một frame” Các công nghệ khác nhau đều có các phương pháp khác nhau để thực hiện quá trình này, nhưng tất cả các frame bất kể công nghệ nào đều có một phần gồm các byte báo hiệu ban đầu

Tất cả các frame chứa thông tin đặt tên, như tên của node nguồn (MAC) và node đích Hầu hết các frame đều có các trường đặc biệt Và một số trường hợp các frame được thêm một số byte để các frame có chiều dài tối thiểu cho mục đích đồng bộ và tương thích giữa các chuNn Ethernet

N ội dung các trường trong frame:

• Preambie: là một mẫu chứa các bit 1 và 0 xen kẽ nhau được dùng để đồng bộ trong hoạt động truyền bất đồng bộ từ 10Mbps trở xuống Các phiên bản nhanh hơn của Ethernet là đồng bộ thì thông tin định thời này là dư thừa nhưng vẫn được giữ lại nhằm mục đích tương thích giữa các chuNn của Ethernet

• Start Frame Delimiter (SFD): gồm một trường dài 1 byte đánh dấu bắt đầu phần dữ liệu của một frame

• Destination Address: chứa địa chỉ đích MAC 6 byte

• Source: chứa địa chỉ nguồn MAC 6 byte

• Length/Type: N ếu giá trị trường này nhỏ hơn 0x600 thì đó là giá trị chỉ chiều dài frame Phần dữ liệu được tính bắt đầu sau trường này trở đi, giá trị của nó chỉ ra loại giao thức lớp trên sẽ tiếp nhận dữ liệu sau khi xử lý frame Ethernet hoàn tất N ếu giá trị bằng hoặc lớn hơn 0x600 chỉ ra loại và nội dung của trường dữ liệu được giải mã trên từng giao thức chỉ định

• Data: có chiều dài tùy ý miễn không vượt quá kích thước tối đa là 1500 byte N ếu khích thước không đủ thì tự động chèn vào để frame không nhỏ hơn 64 byte

• FCS: kiểm soát lỗi của frame khi truyền trên mạng N ếu không đúng sẽ yêu cầu truyền lại frame này

4.6 Tầng MAC và thuật toán CSMA/CD

4.6.1 Tầng truy cập môi trường truyền MAC (Media Access Control)

Tầng này làm nhiệm vụ xác định máy nào trong mạng được truyền dữ liệu trên đường cáp chung MAC và LLC cấu thành phiên bản IEEE của tầng 2 (liên kết dữ liệu) của mô hình OSI

Khi được cài đặt vào trong mạng, các máy trạm phải tuân theo những quy tắc định trước để có thể sử dụng đường truyền, đó là phương thức truy nhập Phương thức truy nhập được định nghĩa là các thủ tục điều hướng trạm làm việc làm thế nào và lúc nào có thể thâm nhập vào đường dây cáp để gửi hay nhận các gói thông tin Có 3 phương thức cơ bản:

CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with CollisionDetection): Giao thức này

thường dùng cho mạng có cấu trúc bus

Các máy trạm cùng chia sẻ một kênh truyền chung, các trạm đều có cơ hội thâm nhập đường truyền như nhau (Multiple Access) Tuy nhiên tại một thời điểm thì chỉ có một trạm được truyền dữ liệu mà thôi Trước khi truyền dữ liệu, mỗi trạm phải lắng nghe đường truyền để chắc chắn rằng đường truyền rỗi (Carrier Sense) Trong trường hợp hai trạm thực hiện việc truyền dữ liệu đồng thời, xung đột dữ liệu sẽ xảy ra, các trạm tham gia phải phát hiện được sự xung đột và thông báo tới các trạm khác gây ra xung đột (Collision Detection), đồng thời các trạm phải ngừng thâm nhập, chờ đợi lần sau trong khoảng thời gian ngẫu nhiên nào đó rồi mới tiếp tục truyền Khi lưu lượng các gói dữ liệu cần di chuyển trên mạng quá cao, thì việc xung đột có thể xNy ra với số lượng lớn dẫn đến làm chậm tốc độ truyền tin của hệ thống Giao thức này thuộc công nghệ Ethernet

Giao thức dùng thẻ bài (Token Ring): Giao thức này được dùng trong các LAN có

cấu trúc vòng sử dụng kỹ thuật chuyển thẻ bài (token) để cấp phát quyền truy nhập đường truyền tức là quyền được truyền dữ liệu đi

Thẻ bài ở đây là một đơn vị dữ liệu đặc biệt, có kích thưóc và nội dung (gồm các thông tin điều khiển) được quy định riêng cho mỗi giao thức Trong đường cáp liên tục có một thẻ bài chạy quanh trong mạng

Phần dữ liệu của thẻ bài có một bit biểu diễn trạng thái sử dụng của nó (bận hoặc rỗi) Trong thẻ bài có chứa một địa chỉ đích và được luân chuyển tới các trạm

theo một trật tự đã định trước Đối với cấu hình mạng dạng xoay vòng thì trật tự của sự truyền thẻ bài tương đương với trật tự vật lý của các trạm xung quanh vòng

Một trạm muốn truyền dữ liệu thì phải đợi đến khi nhận được một thẻ bài rỗi Khi đó trạm sẽ đổi bit trạng thái của thẻ bài thành bận, nén gói dữ liệu có kèm theo địa chỉ nơi nhận vào thẻ bài và truyền đi theo chiều của vòng, thẻ bài lúc này trở thành khung mang dữ liệu Trạm đích sau khi nhận khung dữ liệu này, sẽ copy dữ liệu vào

bộ đệm rồi tiếp tục truyền khung theo vòng nhưng thêm một thông tin xác nhận Trạm nguồn nhận lại khung của mình (theo vòng) đã được nhận đúng, đổi bit bận thành bit rỗi và truyền thẻ bài đi

Vì thẻ bài chạy vòng quang trong mạng kín và chỉ có một thẻ nên việc đụng độ

dữ liệu không thể xNy ra, do vậy hiệu suất truyền dữ liệu của mạng không thay đổi Trong các giao thức này cần giải quyết hai vấn đề có thể dẫn đến phá vỡ hệ thống Một

là việc mất thẻ bài làm cho trên vòng không còn thẻ bài lưu chuyển nữa Hai là một thẻ bài bận lưu chuyển không dừng trên vòng

Ưu điểm của giao thức là vẫn hoạt động tốt khi lưu lượng truyền thông lớn Giao thức truyền thẻ bài tuân thủ đúng sự phân chia của môi trường mạng, hoạt động dựa vào sự xoay vòng tới các trạm

Việc truyền thẻ bài sẽ không thực hiện được nếu việc xoay vòng bị đứt đoạn Giao thức phải chứa các thủ tục kiểm tra thẻ bài để cho phép khôi phục lại thẻ bài bị mất hoặc thay thế trạng thái của thẻ bài và cung cấp các phương tiện để sửa đổi logic (thêm vào, bớt đi hoặc định lại trật tự của các trạm)

Giao thức FDDI: FDDI là kỹ thuật dùng trong các mạng cấu trúc vòng, chuyển thẻ

bài tốc độ cao bằng phương tiện cáp sợi quang

FDDI sử dụng hệ thống chuyển thẻ bài trong cơ chế vòng kép Lưu thông trên mạng FDDI bao gồm 2 luồng giống nhau theo hai hướng ngược nhau FDDI thường được sử dụng với mạng trục trên đó những mạng LAN công suất thấp có thể nối vào Các mạng LAN đòi hỏi tốc độ truyền dữ liệu cao và dải thông lớn cũng có thể sử dụng FDDI

4.6.2 Các quy tắc của MAC và thuật toán CSMA/CD

Ethernet là công nghệ quảng bá trên môi trường chia sẻ Phương pháp truy cập CSMA/CD được dùng trong Ethernet thực hiện ba chức năng sau:

• Truyền và nhận các gói dữ liệu

• Giải mã các gói dữ liệu và kiểm tra các địa chỉ hợp lệ trước khi chuyển chúng đến các tầng cao hơn trong mô hình OSI

• Phát hiện lỗi trong các gói dữ liệu hay trên mạng

N ội dung chính của phương pháp này là khi một node trên mạng muốn truyền tin nó phải lắng nghe xem mạng (cáp) có bận không, nếu không bận sẽ truyền thông tin

Khi đụng độ xảy ra sẽ làm biên độ dao động của các tín hiệu tăng đột ngột, các thiết bị mạng có thể cảm nhận được xung đột này và sẽ không truyền tín hiệu, khi đó thuật toán vãn hồi được sử dụng, sau một khoảng thời gian thì các thiết bị có thể truyền dữ liệu và việc truyền dữ liệu là bình đẳng đối với mọi thiết bị

Với khả năng xảy ra xung đột là rất cao đặc biệt tỷ lệ các gói tin broadcast trong mạng theo chuNn Ethernet là rất lớn việc xảy ra xung đột làm giảm hiệu năng của mạng Khi thiết kế các mạng LAN theo chuNn Ethernet cũng phải tính đến độ trễ thời gian của tín hiệu khi đi qua các thiết bị mạng (hub, repeater….) Độ trễ này nếu xảy ra quá giới hạn cho phép cũng là một trong những nguyên nhân gây ra các xung đột trên mạng, gây ra hiện tượng nghẽn mạng

Các thiết bị như HUB, repeater làm việc ở tầng vật lý không nhận ra địa chỉ MAC nên mỗi khi chúng nhận được một tín hiệu từ một cổng nó sẽ phát tin ra tất cả các cổng còn lại, vì vậy hình thành nên các vùng xung đột

Để hạn chế các miền xung đột do Hub gây ra, sử dụng luật 5-4-3 Luật này quy định giữa hai node bất kỳ trên mạng chỉ có thể có tối đa 5 đoạn mạng, kết nối thông qua 4 Repeater, và chỉ có 3 trong tổng số 5 đoạn mạng có máy tính kết nối mạng

4.7 Các tham số định thời và quản lý lỗi trong Ethernet

4.7.1 Các tham số định thời trong Ethernet

Các qui tắc và đặc tả cho sự hoạt động hoàn hảo của Ethernet không có gì là đặc biệt phức tạp, dẫu cho một vài điều thực hiện ở lớp vật lý tốc độ cao là rối rắm Mặc dù đơn giản nhưng khi có vấn đề xảy ra trên Ethernet thì thường là rất khó xác định được nguyên nhân Bởi kiến trúc bus cung của Ethernet, cũng được xem như là một điểm lỗi phân bố, mà phạm vị của vấn

đề là bao hàm các thiết bị trong miền Trong các tình huống mà repeater được dùng, điều này

có thể bao gồm tất cả các thiết bị của tất cả 4 segment

Bất kỳ một trạm nào trên mạng Ethernet muốn truyền một thông điệp trước tiên phải lắng nghe xem có trạm nào khác đang truyền trên mạng không N ếu đường truyền là hoàn toàn im lặng, trạm sẽ bắt đầu truyền ngay tức thì Tín hiệu điện cần có thời gian để đi vào cáp và mỗi repeater tiếp theo đều tạo ra luồng trễ nào đó trong khi chuyển số liệu từ một port đến một port khác Bởi thời gian trễ này mà có thể có nhiều trạm khác bắt đầu truyền tải cùng một thời điểm hay gần cùng một thời điểm Kết quả là đụng độ xảy ra

N ếu một trạm được gắn vào mạng đang hoạt động ở chế độ song công hoàn toàn thì trạm này

có thể truyền và nhận một cách đồng thời và đụng độ sẽ không xảy ra Hoạt động song công hoàn toàn cũng trao đổi các thông tin định thời và loại bỏ khái niệm khe thời gian Hoạt động song công hoàn toàn cho phép thiết kế kiến trúc mạng lớn hơn vì sự hạn chế định thời cho phát hiện đụng độ bị loại bỏ

N ếu bán song công, giả sử rằng một đụng độ không xảy ra, trạm truyền sẽ truyền 64 bit thông tin định thời đồng bộ (preamble) Sau đó trạm truyền sẽ truyền thông tin sau:

- Thông tin địa chỉ MAC của nguồn và đích

- Thông tin bổ xung nào đó trong header

- Số liệu thực sự

- FCS được dùng để đảm bảo thông điệp không bị hỏng trong quá trình truyền

Các trạm nhận frame tính toán lại FCS để xác định xem thông điệp đến có hợp lệ hay không

và sau đó chuyển các thông điệp hợp lệ lên lớp giao thức cao hơn kế tiếp trong chồng giao thức

Các phiên bản 10Mbps hay thấp hơn của Ethernet là bất đồng bộ Bất động bộ có nghĩa là mỗi trạm nhận sẽ dùng các octet của thông tin định thời để đồng bộ mạch thu với số liệu và sau đó loại bỏ các thông tin định thời này Các hiện thực Ethernet tốc độ 100Mbps hay cao hơn là đồng bộ Đồng bộ có nghĩa là không cần đến thông tin định thời, tuy nhiên vì lí do tương thích nên các Preamble và SFD vẫn còn

Đối với tất cả các tốc độ của Ethernet từ 1000Mbps trở xuống, chuNn này đều mô tả tại sao hoạt động truyền có thể không nhỏ hơn khe thời gian Khe thời gian cho 10 và 100 Mbps là

512 thời bit (thời gian của một bit), hay 64 octet Khe thời gian cho 1000Mbps là 4096 thời bit hay 512 octet Khe thời gian được tính toán với giả sử cáp có chiều dài tối đa trên một kiến trúc mạng lớn nhất Tất cả các thời gian trễ phần cứng đều tối đa và tín hiệu bồi (jam signal)

32 bit được dùng khi phát hiện đụng độ

Khe thời gian thực sự được tính chỉ lớn hơn một ít so với thời lượng lý thuyết cần thiết để đi giữa các điểm xa nhất trong miền đụng độ, va chạm với hoạt động truyền khác có thể xảy ra vào thời điểm nào đó, phát sinh các mảnh đụng độ quay trở về trạm truyền và xung đột này được trạm phát hiện Để hệ thống làm việc được thì trạm truyền đầu tiên phải biết đụng độ trước khi nó hoàn tất truyền một frame có kích thước nhỏ nhất Để cho phép 1000 Mbps Ethernet hoạt động trong chế độ bán song công, field mở rộng được thêm vào khi chỉ truyền toàn là các frame nhỏ để giữ cho trạm truyền ở trạng thái bận đủ lâu, với mục đích chờ các mảnh đụng độ quay về Field này chỉ xuất hiện trên các liên kết bán song công tốc độ 1000Mbps và cho phép kích thước frame tối thiểu có đủ chiều dài phú hợp với các yêu cầu về khe thời gian Các bit bổ sung sẽ bị máy thu loại bỏ

Trên 10Mbps Ethernet một bit tại lớp MAC cần 100 ns để truyền Với tốc độ 100Mbps, thì cần 10 ns để truyền một bit và với tốc độ 1000Mbps chỉ cần 1 ns Ước tính sơ bộ, 20,3 cm trên 1 ns thường dùng để tính toán trễ lan truyền trong cáp UTP Đối với 100m cáp UTP chỉ cần 5 thời gian bit để tín hiệu 10BaseT chạy hết chiều dài cáp này

Để CSMA/CD hoạt động trạm truyền phải nhận thức được một đụng độ trước khi hoàn tất truyền một frame có chiều dài tối thiểu Với tốc độ 100Mbps thì thời gian hệ thống có thể

chấp nhận cáp có chiều dài 100m Với tốc độ 1000Mbps các điều chỉnh đặc biệt được dùng khi gần như toàn bộ frame có kích thước tối thiểu sẽ được truyền trước khi bit đầu tiên tiếp cận đầu xa của 100m cáp UTP Vì lý do này mà chế độ thông tin bán song công không được phép trong 10 Gigabit Ethernet

4.7.2 Kiểm soát lỗi

Điều kiện lỗi phổ biến nhất trên Ethernet là đụng độ Đụng độ là cơ chế giải quyết sự tranh chấp truy xuất mạng Một ít đụng độ đem đến một phương pháp đơn giản với lượng overhead nhỏ cho các node mạng phân xử tranh chấp tài nguyên mạng Khi tranh chấp mạng trở nên nặng nề, các đụng độ có thể trở thành một vật cản đáng kể đối với hoạt động mạng hữu ích

Sự đụng độ dẫn đến sự thất thoát băng thông đó là tổn hao do khởi động truyền và tín hiệu bồi thêm cho sự đụng độ Đây là trễ tiêu thụ và ảnh hưởng đến tất cả các node mạng gây ra sự sụt giảm đáng kể đối với thông lượng của mạng

Phần lớn đụng độ của mạng xảy ra rất sớm trong frame, thường trước SFD Các đụng độ xảy

ra trước khi SFD thường được thông báo cho lớp cao, cứ như là đụng độ không hề xảy ra

N gay khi đụng độ được phát hiện, trạm truyền gửi tín hiệu bồi 32 bit nhằm làm mạnh sự đụng

độ lên Điều này được thực hiện sao cho bất kỳ số liệu nào đang được truyền đều có cơ hội phát hiện ra sự đụng độ này

Một tín hiệu bồi có thể được cấu thành từ bất kỳ số liệu nhị phân nào vì nó không tạo thành checksum cho phần frame đã được truyền Mẫu số liệu được thấy phổ biến nhất của một tín hiệu bồi là một, không, một, không lặp lại, giống như preamble Khi quan sát bởi một phân tích giao thức, mẫu này xuất hiện như một tuần tự lặp lại của 0x5 hay 0xA Các thông điệp bị gián đoán, được truyền một phần được xem như là các mảnh đụng độ Các mảnh đụng độ thông thường nhỏ hơn 64 octet và do đó không thể kiểm tra chiều dài tối thiểu và cả kiểm tra FCS

4.7.3 Các kiểu xung đột

Các kiểu xung đột thường xảy ra khi hai hay nhiều trạm Ethernet truyền một cách đồng thời trong một miền đụng độ Đụng độ đơn là đung độ bị phát hiện trong khi truyền một frame, nhưng với nỗ lực truyền kế tiếp thì frame được truyền thành công Đa đụng độ chỉ ra rằng cùng một frame bị va chạm lặp lại trước khi được truyền một cách thành công Các kết quả đụng độ, các mảnh đụng độ là các frame gián đoạn thường nhỏ hơn 64 octet và có một FCD không hợp lệ Có 3 loại đụng độ:

- Cục bộ

- Từ xa

- Muộn

Để tạo ra một đụng độ trên cáp đồng trục (10Base2 và 10Base5), tín hiệu đi vào cáp cho đến khi gặp phải một tín hiệu từ trạm khác Dạng sóng chồng lấn, triệt hạ một vài phần của tín hiệu và làm gia tăng một số phần khác Sự nhân lên của tín hiệu khiến mức điện áp vượt qua mức tối đa cho phép Đây là điều kiện quá áp đều được cảm nhận bởi tất cả các trạm trên segment cáp cục bộ và được xem là đụng độ

Trên cáp UTP như 10BaseT, 100BaseTX và 1000BaseT, một đụng độ được phát hiện trên segment cục bộ chỉ khi nào trạm phát hiện một tín hiệu trên cặp RX vào cùng một thời điểm truyền số liệu lên cặp TX Vì hai tín hiệu trên hai cặp dây khác nhau nên không có thay đổi đặc tính nào trong tín hiệu Các đụng độ chỉ được nhận biết trên UTP khi trạm hoạt động trong chế độ bán song công Chỉ có sự khác biệt chức năng giữa hoạt động trong chế độ song công hoàn toàn và bán song công được quan tâm ở đây là cặp thu và cặp phát có được dùng đồng thời hay không N ếu trạm không được đặt trong trạng thái truyền nó không thể phát hiện một đụng độ cục bộ N gược lại, các lỗi cáp như nhiễu xuyên âm quá mức có thể khiến cho trạm nhận thức hoạt động truyền của nó như một đụng độ

4.8 Hoạt động của Repeater và Hub

4.8.1 Mô hình ứng dụng của Repeater và Hub

Repeater và Hub là hai thiết bị làm việc ở tầng vật lý, nhiệm vụ của nó dùng để khuyếch đại tín hiệu vì vậy chúng làm tăng chiều dài của mạng Tín hiệu được khuyếch đại tại chúng sẽ có một độ trễ thời gian nhất định, đó cũng là một trong những nguyên nhân làm tăng các miền xung đột Vì vậy, khi sử dụng Repeater hay Hub cần chú ý điều này

4.8.2 Hoạt động của Repeater

Hoạt động của Repeater trong mô hình OSI

Việc sử dụng Repeater không thay đổi nội dung các tín hiện đi qua nên nó chỉ được dùng để nối hai mạng có cùng giao thức truyền thông (như hai mạng Ethernet hay hai mạng Token ring) và không thể nối hai mạng có giao thức truyền thông khác nhau Thêm nữa Repeater không làm thay đổi khối lượng chuyển vận trên mạng nên việc sử dụng không tính toán nó trên mạng lớn sẽ hạn chế hiệu năng của mạng Khi lưa chọn sử dụng Repeater cần chú ý lựa chọn loại có tốc độ chuyển vận phù hợp với tốc độ của mạng

4.8.3 Hoạt động của Hub

Hoạt động của HUB trong mô hình OSI