CHƯƠNG 5: tầng liên kết dữ liệu MÔN MẠNG MÁY TÍNH

Chương 6: Tầng liên kết dữ liệu Mục tiêu: • Nắm được các nguyên lý đằng sau các dịch vụ của tầng liên kết dữ liệu LKDL : – định khung và đồng bộ hóa – dò lỗi và sửa lỗi – cách thức ch

Chương 6: Tầng liên kết dữ liệu

Mục tiêu:

• Nắm được các nguyên lý đằng sau các dịch vụ của

tầng liên kết dữ liệu (LKDL) :

– định khung và đồng bộ hóa

– dò lỗi và sửa lỗi

– cách thức chia sẻ một kênh truyền quảng bá: đa truy cập – đánh địa chỉ ở tầng LKDL

– truyền dữ liệu tin cậy, kiểm soát luồng

• Tìm hiểu một số công nghệ/kỹ thuật phổ biến ở tầng LKDL

Giới thiệu

Một số thuật ngữ:

• hosts và routers được gọi là các

nút (nodes)

(bridges và switches cũng vậy)

• Các kênh truyền thông kết nối

các nút gần kề dọc theo đường

dẫn truyền thông được gọi là

các liên kết (links)

– các liên kết hữu tuyến

– các liên kết vô tuyến

một nút đến nút gần kề qua một liên kết truyền thông

Tầng LKDL: ngữ cảnh

Tương tự như sự vận chuyển

• Một chuyến đi từ Nha Trang đến Kiên Giang

– limo: Cần Thơ đến Kiên Giang – plane: HCM đến Cần Thơ

– train: Nha Trang đến HCM

• Gam dữ liệu được chuyên chở

bởi các giao thức khác nhau ở

tầng LKDL qua các liên kết

truyền thông khác nhau:

– Vd: Ethernet ở liên kết đầu tiên,

frame relay ở các liên kết trung

gian, 802.11 ở liên kết cuối cùng

(xem hình ở slide trước)

• Mỗi giao thức ở tầng LKDL

cung cấp các dịch vụ khác nhau

– Vd: có thể cung cấp dịch vụ

chuyển dữ liệu tin cậy hoặc

không qua liên kết truyền thông

Kết nối Host – Mạch giao tiếp mạng

• NIC hay card mạng là thiết bị tầng 2, mỗi NIC có một mã

duy nhất gọi là địa chỉ MAC

• Khi lựa chọn một card mạng cần cân nhắc các yếu tố:

Định khung và đồng bộ hóa

• Vấn đề: dồn dòng bit vào các khung

• Phải xác định các bit đầu tiên và cuối cùng của

khung

– Định khung và đồng bộ hóa có quan hệ chặt chẽ với

nhau

• Thường được thực thi bởi card mạng

• Bộ thích ứng mạng lấy/đặt các khung ra từ/vào

bộ nhớ host/switch

• STX (start of text) và ETX (end of text)

• Vấn đề: khi dữ liệu có chứa những ký tự bắt đầu hay kết thúc?

• Nhồi ký tự

– Nhồi thêm vào trước các ký tự đặc biệt một ký tự “thoát” DLE – Nếu dữ liệu chứa ký tự “thoát” thì sao?

Các phương pháp định khung (tiếp theo)

• Phương pháp hướng bit

– Mỗi frame bắt đầu và kết thúc với một chuỗi bit

đặc biệt

• Flag hay preamble 01111110

– Nhồi bit

• Bên gởi: khi nào có 5 bits 1 liên tiếp nhau trong phần

dữ liệu thì nhồi thêm một bit 0

• Bên nhận: khi 5 bits 1 liên tiếp đến thì

– nếu bit tiếp theo là 0 thì bỏ đi bit đó – nếu các bit tiếp theo là 10: dấu hiệu kết thúc frame – nếu các bit tiếp theo là 11: lỗi

Xử lý lỗi

• Dữ liệu có thể bị sai lệch trong quá trình truyền

– giá trị bit thay đổi

• Đưa thêm vào khung thông tin để kiểm soát lỗi

– đặt vào bởi bên gởi

– được kiểm tra bởi bên nhận

• Dò lỗi so với sửa lỗi

– Cả hai đều cần thông tin “thừa”

– Dò: lỗi có xuất hiện hay không

– Sửa: sửa lỗi nếu xuất hiện lỗi

• Chỉ là sự đảm bảo mang tính thống kê

Sự phát hiện lỗi

EDC= các bít “dư thừa” để dò và sửa lỗi

D = dữ liệu được bảo vệ bằng phương pháp kiểm tra lỗi, có thể bao gồm các trường điều khiển

• Phát hiện lỗi không tin cậy 100%!

• các cơ chế dùng để kiểm soát lỗi có thể bị sót một số lỗi (hiếm);

• trường EDC càng lớn thì có thể dò và sửa lỗi tốt hơn

Kiểm tra tính chẵn lẻ (Parity Checking)

Single Bit Parity:

Detect single bit errors

Two Dimensional Bit Parity:

Detect and correct single bit errors

Các kỹ thuật phát hiện lỗi khác

• Kiểm tra tổng (Checksum)

– Xét dữ liệu như là dãy các số nguyên (integers) – Tính và gửi số kiểm tra tổng

– Xử lý được nhiều bit lỗi

– Không thể xử lý được tất cả các lỗi

• Kiểm dư vòng (Cyclic Redundancy Check)

– Dùng các hàm toán học để xét dữ liệu

– Tính toán phức tạp hơn rất nhiều

– Có thể xử lý được nhiều lỗi hơn

Việc kiểm tra tại bên nhận:

10101001

00111001

00011101 - Sum 11111111

Complement 00000000 điều này có nghĩa không có lỗi xảy ra tại bên nhận

Kiểm dư vòng

Cyclic Redundancy Check

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

• chọn đa thức sinh, G , mẫu r+1 bit

• mục tiêu: chọn r CRC bits, R, sao cho

– <D,R> có thể được chia hết hoàn toàn bởi G (theo modulo 2)

– bên nhận biết G, chia <D,R> bởi G Nếu phần dư khác 0: lỗi bị phát hiện!

– có thể phát hiện tất cả các lỗi ít hơn r+1 bits

• được sử dụng rộng rãi trong thực tế (Ethernet, HDLC)

Tương đương với:

nếu ta chia D.2r cho G,

Tóm tắt về sự phát hiện lỗi

• Để phát hiện lỗi có thể xảy ra trong quá trình

truyền:

– Bên gởi thêm vào gói tin một số thông tin

– Bên nhận dựa vào các thông tin trên để kiểm tra

• Các kỹ thuật dò tìm lỗi phổ biến:

– Kiểm tra tính chẵn lẻ (Parity bit checking)

– Kiểm tra tổng (Checksum)

– Kiểm dư vòng (Cyclic Redundancy Check)

• Chỉ đảm bảo phát hiện được lỗi ở mức thống kê nào

đó mà thôi!

Mạng Cục Bộ (Local Area Networks)

Mạng cục bộ - LANs

• Kết nối các máy tính trong phạm vi ngắn

• Làm thế nào để liên kết nhiều máy tính với nhau

– Mỗi máy kết nối đến tất cả các máy khác

– Tất cả các máy nối đến một liên kết chia sẻ

– Nối theo dạng vòng

– Tất cả nối đến switch

Các ủy ban IEEE 802

802.0 SEC

802.1 High Level Interface (HILI)

802.2 Logical Link Control (LLC)

802.3 CSMA/CD Working Group

802.4 Token Bus

802.5 Token Ring

802.6 Metropolitan Area Network (MAN)

802.7 BroadBand Technical Adv Group (BBTAG)

802.8 Fiber Optics Technical Adv Group (FOTAG)

802.9 Integrated Services LAN (ISLAN)

802.10 Standard for Interoperable LAN Security

IEEE 802 LAN Standard Family

802.11 Wireless

Layer 2 Data Link

Layer 1 Physical

MAC

PHY

Layer 3-5/7

Ethernet Standards

Các đặc tả kỹ thuật cho Ethernet Ethernet

Specifications

10Base-2 10 Mbps baseband Ethernet over coaxial cable with a maximum distance of 185 meters Also referred to as Thin Ethernet or Thinnet or Thinwire 10Base-5 10 Mbps baseband Ethernet over coaxial cable with a maximum distance of 500 meters Also referred to as Thick Ethernet or Thicknet or Thickwire 10Base-T 10 Mbps baseband Ethernet over twisted pair cables with a maximum length of 100 meters 100Base-FX 100 Mbps baseband Ethernet over two multimode optical fibers

100Base-T 100 Mbps baseband Ethernet over twisted pair cable

100Base-T4 100 Mbps baseband Ethernet over four pairs of Category 3 or higher unshielded twisted pair cable 100Base-TX 100 Mbps baseband Ethernet over two pairs of shielded twisted pair or Category 4 twisted pair cable 1000Base-CX 1000 Mbps baseband Ethernet over two pairs of 150 shielded twisted pair cable

1000Base-LX 1000 Mbps baseband Ethernet over two multimode or single-mode optical fibers using longwave laser optics 1000Base-SX 1000 Mbps baseband Ethernet over two multimode optical fibers using shortwave laser optics 1000Base-T 1000 Mbps baseband Ethernet over four pairs of Category 5 unshielded twisted pair cable

Ethernet Cable and Connector

Địa chỉ trong LAN và giao thức ARP

32-bit IP address:

• địa chỉ tầng mạng

• được dùng khi chuyển gói tin đến mạng IP đích

LAN (or MAC or physical or Ethernet) address:

• Được dùng khi chuyển gói tin/frame từ một mạch giao tiếp này đến mạch giao tiếp khác - có kết nối về mặt vật lý (cùng một mạng)

• Địa chỉ MAC có 48 bit (cho đa số các mạng cục bộ) và được đốt vào ROM của bộ thích ứng mạng/card mạng

• e.g.: 1A-2F-BB-76-09-AD

• Địa chỉ quảng bá trong mạng LAN: FF-FF-FF-FF-FF-FF

Mỗi bộ thích ứng mạng trên LAN có một địa chỉ MAC duy nhất

Địa chỉ trong LAN và giao thức ARP (tt)

Địa chỉ trong LAN (tiếp theo)

• Sự phân phối địa chỉ MAC được quản lý bởi IEEE

• Các nhà sản xuất mua một phần còn trống của địa chỉ MAC (để đảm bảo tính duy nhất)

• Sự tương tự:

(a) địa chỉ MAC: tương tự số chứng minh nhân dân

(b) địa chỉ IP: tương tự như địa chỉ thư tín

• địa chỉ MAC là bằng phẳng => có thể mang đi được

– có thể di chuyển một card mạng từ LAN này sang LAN khác

• Địa chỉ IP có tính thứ bậc và KHÔNG mang đi được

– phụ thuộc vào mạng IP mà máy đó kết nối vào

Ví dụ về sự phân phát gói tin

223.1.1.1 223.1.1.2

223.1.1.3

223.1.1.4 223.1.2.9

223.1.2.2 223.1.2.1

223.1.3.2 223.1.3.1

datagram dữ liệu vào khung

(frame) và gởi cho B -> B’s

MAC?

B’s MAC

addr A’s MAC addr A’s IP addr B’s IP addr IP payload

datagram frame

frame: địa chỉ đích, nguồn datagram: địa chỉ nguồn, đích

ARP: Giao thức phân giải địa chỉ

• Mỗi nút IP (Host, Router) trên LAN đều có bảng

ARP

• Bảng ARP: ánh xạ giữa địa chỉ IP và MAC cho một số nút trên LAN

< IP address; MAC address; TTL>

– TTL (Time To Live): thời gian “sống” của mỗi bản ghi trong bảng ARP

(thường là 20 phút)

Câu hỏi: làm thế nào để xác

định địa chỉ MAC của host B

khi đã biết địa chỉ IP của nó?

Giao thức ARP

• A muốn gửi datagram dữ liệu

cho B, và nó đã biết địa chỉ IP

của B

• Giả sử trên bảng ARP của A chưa

có B’s MAC address

• A broadcasts gói truy vấn ARP,

chứa địa chỉ IP của B

– mọi máy trên LAN đều nhận

được truy vấn này

• B nhận gói truy vấn ARP, trả lời

cho A địa chỉ MAC của nó

– frame được gởi trực tiếp tới

A – unicast (nhờ A’s MAC

address)

• A lưu giữ cặp IP-to-MAC address vào bảng ARP của nó cho đến khi thông tin này trở nên hết hiệu lực (times out)

• ARP là giao thức “cắm là chạy”:

– Các nút tự mình tạo bảng ARP mà không cần đến sự can thiệp của nhà quản trị mạng

31

Truyền dữ liệu đến một nút ở LAN khác

Tình huống: A gởi datagram dữ liệu cho B qua router R

với giả thiết A biết địa chỉ IP của B

• A tạo datagram dữ liệu với địa chỉ nguồn là A’s IP address, đích là B’s IP

address

• A dùng ARP để lấy R’s MAC address của IP add 111.111.111.110

• A tạo frame dữ liệu với địa chỉ (MAC) đích là R’s MAC address

• Tầng LKDL của A gởi frame đi

• Tầng LKDL của router R nhận frame

• R trích IP datagram từ Ethernet frame, và biết gói IP đó hướng tới B

• R dùng ARP để lấy địa chỉ MAC của B

• R tạo khung trong đó chứa gam dữ liệu với địa chỉ nguồn là A’s IP, đích là B’s IP

và gửi đến B

Ethernet

Công nghệ “thống trị” trong mạng cục bộ (LAN):

• Công nghệ LAN được sử dụng rộng rãi đầu tiên

• Đơn giản hơn, rẻ hơn so với các công nghệ LAN dùng thẻ bài

(token) và ATM (Asynchronous Transfer Mode)

• Luôn theo kịp trong cuộc đua tốc độ: 10, 100, 1000, 10000 Mbps

Metcalfe’s Ethernet sketch

Lý do cho sự thành công của Ethernet

• Sự thành công của Ethernet là do các nhân tố chính sau:

– Sự đơn giản và dễ dàng trong việc duy trì

– Khả năng kết hợp các công nghệ mới

– Độ tin cậy cao

– Chi phí cho sự lắp đặt và nâng cấp là thấp

– Dải thông của mạng có thể được tăng lên mà

không cần phải thay đổi công nghệ nền tảng

Ethernet: Topology

 Bus: Phổ biến vào giữa những năm 90s

Tất cả các nút có chung miền đụng độ

 Star: Phổ biên ngày nay

Sử dụng switch làm phần tử trung tâm

Các đụng độ tách rời

Khuôn dạng khung Ethernet

 Tại tầng liên kết dữ liệu, cấu trúc khung là gần như giống

nhau cho tất cả mọi tốc độ của Ethernet từ 10 Mbps đến

10,000 Mbps

 Ethernet qui định một khung (frame) không ít hơn 64 octets (bytes) và không nhiều hơn 1518 octets

IEEE 802.3 Ethernet

Cấu trúc khung Ethernet

Bộ thích ứng mạng bên gởi bao bọc các datagram dữ liệu IP

(hoặc gói dữ liệu giao thức tầng mạng khác) trong khung

Đi dây trong Ethernet đầu tiên Original

Ethernet Wiring

Heavy coaxial cable, called thicknet, 10Base5

Original Ethernet Wiring (2)

Đi dây trong Ethernet thế hệ thứ 2 Second

Generation Ethernet Wiring

Thinner coaxial cable, called thinnet, 10Base2

Second Generation Ethernet Wiring (2)

Đi dây trong Ethernet hiện đại Modern

Ethernet Wiring

Uses a hub, called twisted pair Ethernet, 10BaseT

Modern Ethernet Wiring (2)

Tương lai của Ethernet

• Ethernet đã và đang đi qua một cuộc cách mạng từ công nghệ Legacy → Fast → Gigabit → MultiGigabit

• Tương lai của môi trường mạng bao gồm:

– Cáp đồng (tốc độ lên đến 1000 Mbps, có lẻ còn cao hơn)

– Không dây (đang tiến đến 100 Mbps, có lẻ còn cao hơn)

– Cáp quang (hiện tại là 10,000 Mbps và sẽ sớm được nâng cao hơn)

Mạng cục bộ không dây – Wireless LANs

• Các khái niệm cơ bản về WLANs

• Tránh xung đột trong WLANs

• Cách thức triển khai WLANs

• Cơ bản về cài đặt Access Points

Mạng cục bộ không dây là gì?

• Mạng cục bộ không dây -Wireless LAN

(WLAN) – cung cấp tất cả các tính năng và lợi

ích các công nghệ LAN truyền thống như

Ethernet và Token Ring, nhưng không bị giới

hạn bởi dây dẫn hay cáp nối

Mạng cục bộ không dây?

• WLAN, giống như một LAN, đòi hỏi một phương tiện truyền vật lý

để truyền các tín hiệu

• Thay vì sử dụng UTP (phổ biến cho LAN hiện nay), WLANs sử dụng:

– Tia hồng ngoại – Infrared (IR)

• 802.11 có đặc tả kỹ thuật cho WLAN sử dụng IR

• có nhiều hạn chế, dễ dàng bị chặn/cản, không có sản phẩm thực tế – Tần số radio - Radio frequencies (RFs)

• Có thể xuyên qua “phần lớn” các vật cản trong văn phòng

http://earlyradiohistory.us/1920au.htm

Các chuẩn hiện tại – a, b, g

802.11a,b Ratified

1 and 2 Mbps

2.4 GHz

11 Mbps 54 Mbps Standards-based

5 GHz Radio

Network

Speed

 IEEE 802.11Begins Drafting

802.11g tương thích ngược với 802.11b, nhưng có hạn chế!

802.11g Ratified

Các công nghệ ở tầng Vật lý của 802.11

• Tia hồng ngoại

• Ba kiểu truyền sóng vô tuyến bên trong các dải tần số 2.4-GHz không cần cấp phép:

– Frequency hopping spread spectrum (FHSS) 802.11b (not used)

– Direct sequence spread spectrum (DSSS) 802.11b

– Orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) 802.11g

• Một kiểu truyến sóng vô tuyến bên trong các dải tần 5-GHz không cần cấp phép:

802.11a,b Ratified

802.11g Ratified

1 and 2 Mbps

2.4 GHz

11 Mbps 54 Mbps Standards-based

5 GHz Radio

Network

Speed

 IEEE 802.11Begins Drafting

Wireless LANs 1-52

Không khí: phương tiện truyền không dây

• Các tín hiệu không dây là các sóng điện từ

• Không cần phải có phương tiện truyền vật lý

• Khả năng vượt qua các bức tường và bao phủ khoảng cách lớn của sóng vô tuyến giúp cho không dây trở thành một cách linh hoạt để xây dựng mạng

Đặc trưng của một số chuẩn không dây

IS-95 CDMA, GSM UMTS/WCDMA, CDMA2000

.11 p-to-p link

2G 3G

200m – 4Km

Long range outdoor

5Km – 20Km

Một số sản phẩm không dây