TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN VÀ THIẾT BỊ CHUYỂN MẠCH LỚP 2

Chương này trình bày tổng quan về mạng thông tin và thiết bị chuyển mạch lớp 2, bao gồm hai phần chính. Phần thứ nhất trình bày về mô hình mạng chuyển mạch gói; đưa ra mô hình OSI, giới thiệu về TCPIP, mạng cục bộ, Ethernet, các thành phần cở bản của mạng từ giao diện vật lý, các phương tiện và giao thức truyền dẫn tới định dạng gói tin và cơ chế chuyển mạch; khái niệm mạng cục bộ ảo và ứng dụng. Phần thứ hai trình bày các khái niệm cơ bản liên quan tới đối tượng thiết kế chính trong đồ án là thiết bị chuyển mạch lớp 2. Các nội dung này bao gồm vai trò, vị trí, phân loại, cách thức hoạt động, yêu cầu và thông số kỹ thuật cơ bản của một thiết bị chuyển mạch tiêu chuẩn có tham chiếu với các sản phẩm hiện có trên thị trường.4 1.1 Tổng quan về mô hình mạng thông tin Mô hình OSI Năm 1979, cơ quan Thiết lập Tiêu chuẩn Quốc tế (International Organization for Standardization – ISO) đã phát triển một mô hình trao đổi dữ liệu với mục đích xây dựng cấu trúc và tiêu chuẩn hoá toàn cầu mạng lưới thông tin 24. ISO đưa ra mô hình kết nối các hệ thống mở (Open Systems Interconnection – OSI) để xây dựng một mô hình giao tiếp giữa hai hệ thống thông tin (Hình 1.1)

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN VÀ THIẾT BỊ CHUYỂN MẠCH LỚP 2

Chương này trình bày tổng quan về mạng thông tin và thiết bị chuyển mạch lớp 2, bao gồm hai phần chính Phần thứ nhất trình bày về mô hình mạng chuyển mạch gói; đưa ra mô hình OSI, giới thiệu về TCP/IP, mạng cục bộ, Ethernet, các thành phần cở bản của mạng từ giao diện vật lý, các phương tiện và giao thức truyền dẫn tới định dạng gói tin và cơ chế chuyển mạch; khái niệm mạng cục bộ

ảo và ứng dụng Phần thứ hai trình bày các khái niệm cơ bản liên quan tới đối tượng thiết kế chính trong đồ án là thiết bị chuyển mạch lớp 2 Các nội dung này bao gồm vai trò, vị trí, phân loại, cách thức hoạt động, yêu cầu và thông số kỹ thuật cơ bản của một thiết bị chuyển mạch tiêu chuẩn có tham chiếu với các sản phẩm hiện có trên thị trường

1.1 Tổng quan về mô hình mạng thông tin

Mô hình OSI

Năm 1979, cơ quan Thiết lập Tiêu chuẩn Quốc tế (International Organization for Standardization – ISO) đã phát triển một mô hình trao đổi dữ liệu với mục đích xây dựng cấu trúc và tiêu chuẩn hoá toàn cầu mạng lưới thông tin [24] ISO đưa ra mô hình kết nối các hệ thống mở (Open Systems Interconnection – OSI) để xây dựng một mô hình giao tiếp giữa hai hệ thống thông tin (Hình 1.1)

Lớp mạng Network layer

Lớp liên kết dữ liệu Datalink layer

Lớp liên kết dữ liệu Datalink layer

Lớp vật lý Physical layer

Lớp vật lý Physical layer

Trạm B Host B

Lớp ứng dụng Application layer

Lớp vận chuyển Transport layer

Lớp mạng Network layer

Lớp phiên Session layer

Lớp vật lý Physical layer

Lớp trình bày Presentation layer

Lớp liên kết dữ liệu Datalink layer

Hình 1.1 Mô hình OSI

Theo ISO, mô hình OSI còn được gọi là mô hình 7 lớp giúp hệ thống A và

hệ thống B khác nhau có thể giao tiếp với nhau Ở giữa A và B có thể xây dựng nhiều hệ thống mạng, có thể là riêng tư hoặc công cộng Mạng công cộng là mạng

mà ai cũng có thể truy nhập, còn mạng riêng tư đa số dùng trong nội bộ các tổ chức, công ty hoặc là tại các hộ gia đình Mô hình OSI gồm 7 tầng, mỗi tầng định nghĩa một số giao thức và dịch vụ, các tầng trên sử dụng dịch vụ của tầng dưới để đóng gói bản tin, còn các tầng dưới coi toàn bộ tầng trên là dữ liệu để chuyển tiếp (Hình 1.2) Đơn vị dữ liệu của từng tầng được mô tả như trong Bảng 1.1 Các tầng ngang hàng sẽ không cần quan tâm nhiều đến giao thức của các tầng trên hoặc dưới, giúp chuyên biệt hoá chức năng

Bảng 1.1 Đơn vị dữ liệu từng lớp trong mô hình OSI

Tên tiếng Anh Viết tắt Tên tiếng Việt

Application Protocol Data Unit APDU Đơn vị dữ liệu lớp ứng dụng

Presentation Protocol Data Unit PPDU Đơn vị dữ liệu lớp trình bày

Session Protocol Data Unit SPDU Đơn vị dữ liệu lớp phiên

Transport Protocol Data Unit TPDU Đơn vị dữ liệu lớp vận chuyển

FCS

APDU PPDU SPDU TPDU Packet Frame Bits

Chức năng của các lớp trong mô hình OSI:

‒ Lớp vật lý (Physical Layer): Định nghĩa phương thức kết nối vật lý giữa hai điểm mạng, ví dụ các tiêu chuẩn về điện, quang, các phương thức điều chế tín hiệu

‒ Lớp liên kết dữ liệu (Datalink Layer): Định nghĩa cách các khung dữ liệu được truyền đi qua một mạng, cung cấp các cơ chế phát hiện và sửa lỗi giúp dữ liệu truyền là chính xác giữa hai điểm mạng

‒ Lớp mạng (Network Layer): Đánh địa chỉ cho các điểm mạng, giúp tìm đường và tránh xung đột giữa các luồng dữ liệu, đảm bảo thông tin có thể truyền qua nhiều điểm trung gian trong mạng

‒ Lớp vận chuyển (Transport Layer): Duy trì kết nối logic giữa hai điểm mạng, giúp nhận dữ liệu theo đúng thứ tự

‒ Lớp phiên (Session Layer): Tạo và ngắt các phiên liên lạc giữa các ứng dụng

‒ Lớp trình bày (Presentaion Layer): Cung cấp cách thể hiện, định dạng của

dữ liệu

‒ Lớp ứng dụng (Application Layer): Cung cấp các dịch vụ cho ứng dụng người dùng

Giới thiệu về TCP/IP

Trong thực tế, mô hình OSI chỉ là mô hình tổng quát cung cấp hướng tiếp cận cho các lớp mạng và các giao thức mạng Hiện nay toàn bộ các giao thức truyền thông đều được tập hợp lại và chuẩn hoá dưới cái tên TCP/IP, được đặt theo hai giao thức chính của bộ giao thức là Internet Protocol (IP) và Transmission Control Protocol (TCP) TCP/IP cũng có cấu trúc phân lớp từ lớp vật lý cho đến lớp người dùng Nhờ sự đồng nhất về giao thức ở các lớp trên của TCP/IP nên hạ tầng Ethernet, ATM, Token Ring… đều có thể giao tiếp với nhau khi liên kết các mạng không cùng kiểu Mô hình phân lớp TCP/IP được mô tả trong Hình 1.3 Do

số lớp định nghĩa của TCP/IP ít hơn OSI nhưng vẫn đủ để phân chia rõ ràng cho giao diện vật lý và giao diện người dùng, nên được ưa thích hơn trong việc hiện

thực hoá Nhờ đó TCP/IP trở nên phổ biến và trở thành tiêu chuẩn của hệ thống mạng toàn cầu

Bảng 1.2 Các tiêu chuẩn của LAN

STT Số hiệu chuẩn Tên tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt

1 IEEE 802.1 Bridging (networking)

and Network Management

Cầu mạng và quản lý mạng

2 IEEE 802.2 Logical Link Control Điều khiển liên kết logic

3 IEEE 802.3

Carrier-sense multiple access with collision detection (CSMA/CD)

Đa truy cập nhận biết sóng mang phát hiện xung đột

STT Số hiệu chuẩn Tên tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt

4 IEEE 802.5 Token Ring Mạng truy cập vòng sử

Truy cập băng thông rộng không dây (Chứng chỉ WiMAX)

8 IEEE 802.16e (Mobile) Broadband

Wireless Access

Truy cập băng thông rộng không dây (Dành cho di động)

9 IEEE 802.16.1 Local Multipoint

Distribution Service

Dịch vụ phân phối đa điểm cục bộ

10 IEEE 802.17 Resilient packet ring Vòng gói đàn hồi

Mạng cục bộ là đơn vị mạng nhỏ nhất kết nối trực tiếp các thiết bị đầu cuối Hiện nay mạng cục bộ đã cung cấp rất nhiều tuỳ chọn về tốc độ truyền dẫn cũng như cách thức truyền dẫn như sẽ trình bày chi tiết ở dưới đây Ethernet là một trong những công nghệ được sử dụng để hình thành nên mạng cục bộ, và cũng là

họ công nghệ phổ biến nhất trong lớp truy cập mạng so với ATM, Token Ring và Frame Relay Các đặc điểm của Ethernet sẽ được trình bày ở các phần sau

Ethernet

1.1.4.1 Giới thiệu Ethernet

Ethernet là một họ công nghệ sử dụng trong mạng cục bộ (Local Area Network – LAN), mạng quy mô đô thị (Metropolitan Area Network – MAN), mạng diện rộng (Wide Area Network – WAN) [24] Ethernet sử dụng cáp đồng trục, cáp xoắn đôi hoặc cáp quang làm phương tiện truyền dẫn Khung Ethernet

và các tốc độ hỗ trợ được chuẩn hoá bởi IEEE 802.3 Ngày nay Ethernet đã phát triển thêm truyền dẫn không dây Đối với mạng không dây WLAN thì được chuẩn

hoá bởi IEEE 802.11 Ethernet sử dụng 48-bits địa chỉ điều khiển truy cập phương tiện (Media Access Control – MAC) để phân biệt giữa các thiết bị

Ethernet đã được chuẩn hoá trên các phương tiện truyền dẫn có dây như cáp đồng trục, cáp đồng xoắn đôi, cáp quang và trên phương tiện truyền dẫn không dây sử dụng sóng vô tuyến

1.1.4.2 Ethernet trên các phương tiện truyền dẫn

a) Ethernet trên cáp đồng trục

Ethernet lần đầu được sử dụng trên cáp đồng trục – Thick Ethernet (10Base5/10Base2) 10Base5 hỗ trợ tốc độ 10 Mbps, tín hiệu gửi đi tại băng tần gốc Đối với 10Base5 thì độ dài cáp tối đa là 500 m, còn đối với 10Base2 thì độ dài cáp là 200 m Trên cáp mỗi 2.5 m được đánh dấu vị trí để lắp đặt cổng thu phát Điều này để tránh sóng phản xạ trên đường truyền Do tốc độ hỗ trợ thấp,

dễ gây xung đột, loại hình truyền dẫn này dần bị thay thế bởi các loại hình truyền dẫn tốc độ cao và tin cậy hơn như cáp đồng xoắn đôi hoặc cáp quang

b) Ethernet trên cáp xoắn đôi

Nhược điểm lớn nhất của Ethernet trên cáp đồng trục là chỉ hỗ trợ chế độ bán song công (half-duplex) Để có thể hỗ trợ chế độ song công (full-duplex), cáp xoắn đôi đã được sử dụng Để khuếch đại tín hiệu và tránh nhiễu, các tín hiệu truyền đi là tín hiệu vi sai và ở đầu cuối đường dây được xử lí bởi các bộ khuếch đại vi sai (Hình 1.4)

TX+

RX+

TX-

RX-Chân 1 Chân 2 Chân 3 Chân 6

} }

Cặp 2 Cặp 3

Hình 1.4 Khuếch đại sử dụng cặp tín hiệu vi sai trong cáp xoắn đôi

Việc áp dụng cáp xoắn đôi giúp Ethernet hỗ trợ tốc độ cao hơn: 10 Mbps (10Bast-T), 100 Mbps (100Base-T), 1000 Mbps (1000Base-T) Do đặc tính thu

phát riêng biệt của cáp xoắn đôi, một sợi cáp chỉ có thể nối được hai thiết bị, cho nên muốn thiết lập mạng Ethernet kết nối nhiều thiết bị ta cần dùng đến Hub hoặc Switch

Fast Ethernet: Cáp đồng xoắn đôi không có vỏ bọc (Unshielded Twisted

Pair – UTP) CAT5 hỗ trợ tốc độ lên đến 100 Mbps Cáp gồm 8 dây, chia làm 4 cặp được mô tả trong Bảng 1.2 Độ dài tối đa của cáp là 100 m do sự suy hao điện

áp trên đường truyền Đối với tốc độ 10/100 Mbps thì chỉ có 2 cặp dây được sử dụng là cặp TD và cặp RD Các cặp còn lại không được sử dụng Có hai kiểu đấu dây CAT5 cho hai trường hợp là PC – PC và PC – Hub/Switch Khi nối trực tiếp giữa hai thiết bị cùng là thiết bị đầu cuối hoặc cùng là nút mạng như kết nối

PC – PC (hoặc Hub/Switch – Hub/Switch), ta cần đấu chéo RD – TD để hai thiết

có thể giao tiếp với nhau Đối với kết nối giữa thiết bị đầu cuối và thiết bị nút mạng (PC – Hub/Switch) thì ta sử dụng nối thẳng Hai kiểu đấu dây gồm nối chéo

và nối thẳng được thể hiện ở Hình 1.5 [24] Chức năng các tín hiệu của CAT5 được mô tả ở Bảng 1.3

Đối với 10Base-T, mỗi bit dữ liệu được mã hoá bằng 1 bit tín hiệu Nói cách khác để truyền đi 8 bits dữ liệu thì 8 bits vật lý được truyền đi trên cáp Mã đường dây sử dụng là Manchester Vì vậy tần số clock của 10Base-T là 10 MHz, mỗi chu kì truyền đi 1 bit

Đối với 100Base-T, mỗi 4 bits dữ liệu được mã hoá bằng 5 bits tín hiệu trước khi được truyền đi Vì vậy tốc độ truyền thực tế của 100Base-T là 125 MHz (5/4 × 100), nhưng chỉ truyền dữ liệu với tốc độ 100 Mbps Mã đường dây sử dụng là Multi-Level Transition 3 (MLT3) [21]

Gigabit Ethernet: Gigabit Ethernet cung cấp tốc độ lên đến 1000 Mbps

Nếu sử dụng CAT5 bị giới hạn tốc độ tín hiệu là 125 MHz thì cần các kĩ thuật truyền đặc biệt 1000Base-T sử dụng mã đường dây 4D-PAM5 bao gồm 5 mức điện áp -2, -1, 0, +1, +2 để mã hoá 2 bits dữ liệu (00, 01, 10, 11) và sử dụng cả 4 cặp cáp xoắn để truyền dữ liệu, mỗi cặp truyền 2 bits, truyền cả hai chiều, mức điện áp 0 không được sử dụng [2] Vì vậy trong một chu kì clock 125 MHz truyền

được 8 bits dữ liệu, giúp đạt được tốc độ 1000 Mbps Bảng 1.3 mô tả các chân ở chế độ Gigabit Ethernet, với BI là Bi-direction

Bảng 1.3 Cấu hình chân của CAT5 ở tốc độ 10/100/1000 Mbps

3

5 28

61 4

1

5 68

23 4

Hình 1.5 Nối chéo và nối thẳng đối

với cáp chuẩn CAT5

Các chuẩn tốc độ cao hơn trên cáp xoắn: Cáp đồng xoắn CAT6 hỗ trợ tần

số lên đến 250 MHz, cho nên có thể hỗ trợ chuẩn 10GBASE-T có tốc độ lên đến

10 Gbps Cáp đồng xoắn CAT8 còn có thể hỗ trợ chuẩn 25GBASE-T nhưng độ dài tối đa chỉ đạt 30 m

Nhờ vào sự phổ biến và giá thành phần cứng thấp, tốc độ hỗ trợ cũng tương đối cao, Ethernet trên cáp đồng trở thành phương tiện truyền dẫn rất phổ biến tại mạng đầu cuối của người dùng

c) Ethernet trên cáp quang

Để có thể truyền xa hơn mà không cần trạm lặp, tín hiệu Ethernet được truyền qua sợi quang bằng sợi thuỷ tinh Tín hiệu được điều chế thành các xung ánh sáng sợi quang đa chế độ (mode) hoặc đơn chế độ Gần đây, các chuẩn Ethernet trên cáp quang tốc độ lên đến 10 Gbps đã được đưa vào sử dụng Các thông số về loại cáp hỗ trợ và khoảng cách tối đa của một số chuẩn quang được thể hiện tại Bảng 1.4

Bảng 1.4 Một số chuẩn tốc độ cáp quang

(mode, đường kính lõi, bước sóng)

Khoảng cách tối đa 1000BASE-SX Đa mode (50/62.5 μm) 770 – 860 nm 220 – 550 m 1000BASE-LX Đơn mode (9 μm) 1270 – 1355 nm 5 km

25GBASE-LR Đơn mode (9 μm) 1295 – 1325 nm 10 km

50GBASE-ER Đơn mode (9 μm) 1304.5 – 1317.5 nm 40 km 100GBASE-ZR Đơn mode (9 μm) 1546.119 nm > 80 km Nhờ vào sự ưu việt về tốc độ truyền và khoảng cách hỗ trợ tối đa của cáp quang so với truyền trên cáp đồng, Ethernet trên cáp quang đã trở thành đường truyền xương sống của mạng Ethernet và được sử dụng tại các đường trục, giúp truyền tin đi xa một cách nhanh chóng và hiệu quả

d) Tổng kết về truyền dẫn Ethernet có dây

Tổng hợp lại về các chuẩn tốc độ Ethernet ta có bảng sau:

Bảng 1.5 Tổng kết về các chuẩn Ethernet có dây

Phương tiện truyền Tốc độ hỗ trợ Khoảng cách truyền tối đa

Cáp đồng xoắn đôi 10 Mbps ÷ 25 Gbps 1000 m đối với 1000BASE-TX Cáp quang 100 Mbps ÷ 100 Gbps >80 km tại 100GBASE-ZR

e) Mạng cục bộ không dây

IEEE 802.11 định nghĩa một vài tiêu chuẩn khác nhau cho mạng cục bộ

không dây (Wireless Local Area Network – WLAN) Tần số vô tuyến cho WLAN

là 2.4 GHz hoặc 5 GHz Người dùng có thể sử dụng hai băng tần vô tuyến này mà không cần xin phép Cục Tần Số Vô Tuyến Điện WLAN sử dụng công nghệ trải phổ để truyền dữ liệu do băng tần này được dùng chung bởi nhiều thiết bị và để chống nhiễu do sử dụng sóng vô tuyến trong không gian tự do Do sử dụng phương tiện truyền chung giữa nhiều thiết bị nên tốc độ truyền của WLAN thấp hơn nhiều

so với các chuẩn có dây Bù lại thì WLAN linh hoạt hơn nhiều trong việc kết nối cũng như số lượng kết nối trong mạng

Cấu hình WLAN phổ biến nhất là Infra-structure Configuration Cấu hình này sử dụng các Access Point để kết nối WLAN với LAN Các thiết bị không dây

sẽ kết nối với Access Point thông qua WLAN để có được độ linh hoạt cao và sử dụng mạng có dây làm đường truyền xương sống mạng để cung cấp kết nối tốc

độ cao và ổn định Còn một cấu hình WLAN khác là AdHOC Mỗi thiết bị sẽ tự tạo kết nối không dây với mọi thiết bị khác trong mạng một cách độc lập WLAN

đã được chuẩn hoá về tốc độ như ở Bảng 1.6

Bảng 1.6 Các tiêu chuẩn về tốc độ của WLAN

Có thể thấy hiện nay các chuẩn không dây đã hỗ trợ tốc độ rất cao Do tính linh hoạt và bớt cồng kềnh về mặt kết nối của việc kết nối không dây, các thiết bị

di động đầu cuối sử dụng đang ngày càng phổ biến Mạng có dây hiện nay dần chỉ còn sử dụng cho các thiết bị mạng yêu cầu tốc độ rất cao hoặc yêu cầu độ ổn định mạng cao như các thiết bị mạng đường trục

1.1.4.3 Lớp liên kết dữ liệu

Hiện nay, đa số dữ liệu được truyền thông qua mạng bằng cách chuyển mạch gói [24] Một bản tin dài được cắt thành nhiều gói tin nhỏ hơn để truyền đi Mặc dù hiệu quả sử dụng đường truyền bị giảm do mỗi gói tin nhỏ đều cần thêm phần mào đầu (header) riêng và khoảng cách tối thiểu giữa các gói, nhưng những lợi ích nó mang lại vẫn khiến chuyển mạch gói trở nên phổ biến

Ưu điểm của chuyển mạch gói:

- Đường truyền không phải là hoàn hảo và có tỉ lệ lỗi, cách sửa lỗi đơn giản nhất là truyền lại phần tin bị lỗi Việc chia nhỏ bản tin thành các gói tin nhỏ khiến cho chỉ cần truyền lại các gói tin bị lỗi chứ không cần truyền lại cả bản tin

- Việc gửi lại bản tin bị lỗi được thiết bị đầu cuối xử lí bằng cách chờ bản tin phản hồi trong một thời gian nhất định Nếu bản tin bị sai thì bên nhận chỉ việc loại bỏ bản tin, bên gửi sau khi hết thời gian chờ mà không thấy có phản hổi sẽ tự động gửi lại Cho nên việc giới hạn kích cỡ tối đa của một gói tin giúp các thiết

bị chuyển mạch có thể phục vụ luân phiên đều đặn đối với mọi thiết bị đầu cuối, giúp các bản tin phản hồi có thể đến đích trong thời gian trễ cho phép, tránh việc gửi lại không mong muốn

Mỗi điểm mạng trong LAN đều có một địa chỉ độc nhất gọi là địa chỉ MAC Mỗi thiết bị giao tiếp mạng (Network Interface Card – NIC) đều được nhà sản xuất lưu sẵn giá trị địa chỉ MAC vào bộ nhớ chỉ đọc (Read Only Memory – ROM) của thiết bị Hình 1.6 mô tả cấu trúc địa chỉ MAC

B47 B0

B47 B24 + B23 B0

Mã định danh

nhà sản xuất (OUI) Mã thiết bị

74-DA-88 : TP-LINK TECHNOLOGIES CO.,LTD 34-02-86 : Intel Corporate

CC-29-F5 : Apple, Inc.

B0-6F-E0 : Samsung Electronics Co.,Ltd C8-3D-DC: Xiaomi Communications Co Ltd (nguồn: https://ip.rst.im/oui/)

Hình 1.6 Cấu trúc địa chỉ MAC

Địa chỉ MAC có độ dài là 48 bits, trong đó: 24 bits thể hiện mã nhà sản xuất (Organizationally Unique Identifier – OUI) và 24 bits thể hiện số hiệu sản phẩm Địa chỉ MAC của một thiết bị mạng phải là duy nhất

Mọi khung Ethernet đều chứa phần đầu gồm 7 bytes đồng bộ (Preamble),

1 byte phát hiện khởi đầu khung (Start of Frame Delimiter – SFD), 12 bytes địa chỉ MAC, 2 bytes kiểu giao thức TYPE, 4 bytes soát lỗi (Frame Check Sequence – FCS), 46 – 1500 bytes và 12 bytes khoảng cách tối thiểu giữa 2 khung dữ liệu như

‒ DA: địa chỉ MAC của thiết bị đích

‒ SA: địa chỉ MAC của thiết bị nguồn

‒ TYPE: Đối với Ethernet II (chuẩn DIX) biểu thị độ dài DATA theo byte, đối với chuẩn 802.3 biểu thị kiểu giao thức Ethernet

‒ DATA: phần dữ liệu của khung Ethernet, độ dài 46 – 1500 bytes

‒ PAD: các bit ngẫu nhiên được thêm vào nếu DATA không đủ 46 bytes

‒ FCS: 4 bytes CRC hỗ trợ phát hiện lỗi

‒ Gap: Khoảng trống không truyền dữ liệu giữa hai gói tin, tối thiểu là 96 bits

Lớp phiên Session layer

Lớp vật lý Physical layer

Lớp vận chuyển Transport layer Lớp mạng Network layer

Lớp phiên Session layer

Lớp vật lý Physical layer

Lớp trình bày Presentation layer

Lớp liên kết dữ liệu Datalink layer

Lớp liên kết dữ liệu Datalink layer Lớp vật lý Lớp vật lý

B

C A

Bridge

Hình 1.9 Vị trí của Bridge trong mô hình mạng OSI

Bridge được sử dụng phổ biến trong thời kì mà các thiết bị Ethernet của một mạng nội bộ đều nối chung vào một đường trục, do đó vai trò của Bridge rất quan trọng trong việc cách ly các miền mạng cục bộ

c) Thiết bị chuyển mạch

Thiết bị chuyển mạch (Switch1) sử dụng bảng địa chỉ MAC để tra cứu và chuyển tiếp các gói tin đến chính xác đích cần gửi Switch tạo ra các kênh truyền tạm thời giữa mọi cặp cổng trên thiết bị (Hình 1.10), nhờ đó mọi thiết bị kết nối đến Switch đều có thể giao tiếp với nhau

Mạng cục bộ ảo và ứng dụng

Mạng cục bộ ảo (Virtual Local Area Network) được định nghĩa tại IEEE 802.1Q Trong đó khung Ethernet được định nghĩa thêm 4 bytes tuỳ chọn trong phần mào đầu (header) để dành cho VLAN Hình 1.11 mô tả cấu trúc của một khung Ethernet có “tag” [24]

Preamble SFD DA SA TYPE TYPE DATA PAD FCS

(TAG) TAG

User

Hình 1.11 IEEE 802.1Q tagged frame

• CFI = 1: Token Ring

+ VLAN ID (12 bits): Số nhận dạng của VLAN

Một chức năng quan trọng của Switch là tạo ra các VLAN Nhờ vào VLAN, việc kết nối và quản lý các LAN trở nên tập trung và có thể sử dụng một Switch

để tạo ra nhiều LAN ảo Điều này giúp giảm thiểu độ phức tạp về mặt vật lý của cấu hình mạng Các gói tin quảng bá (broadcast) lớp 2 chỉ có thể phát đi trong một VLAN, giúp bảo mật địa chỉ MAC trong nội bộ VLAN

Giả sử có 3 LAN cần được quản lý bằng một Router Nếu không sử dụng VLAN, mỗi LAN sẽ cần một Switch và mỗi Switch sẽ cần được cắm vào một cổng của Router và mỗi LAN cần được cấu hình trên các miền IP khác nhau (Hình 1.12)

Nếu sử dụng VLAN, mỗi cổng của Switch sẽ được cấu hình thuộc vào một VLAN Ta vẫn tạo ra được nhiều LAN, nhưng sẽ chỉ cần một Switch để làm việc

đó, và cũng chỉ cần kết nối đến Router thông qua một cổng Trunk (kênh liên lạc riêng giữa hai thiết bị nút mạng) (Hình 1.13)

Router

Switch

TRUNK

VLAN 1

Hình 1.13 Sơ đồ kết nối nhiều LAN thông qua VLAN

Ngoài ra, nhờ vào VLAN và cổng Trunk, một hoặc nhiều LAN có thể trải rộng qua nhiều Switch Điều này giúp việc thiết lập và kết nối nhiều LAN không

bị giới hạn bởi địa lý, giúp hình thành các mạng cục bộ rất nhiều máy trạm, ví dụ như trong một công ty hoặc trường học, bệnh viện (Hình 1.14)

Switch 1

TRUNK

Switch 2

Hình 1.14 Sơ đồ kết nối mở rộng LAN trên nhiều Switch bằng VLAN

Do những ưu điểm mang lại cho việc quản lý mạng, VLAN được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng hiện nay Ví dụ đối với dịch vụ truyền hình – điện thoại – Internet của Viettel thì dịch vụ IPTV có VLAN ID là 2502, VoIP có VLAN

mô tả tổng quát vị trí của Switch trong mạng truyền thông

Hình 1.15 Vị trí của Switch trong mạng

Có thể thấy Switch giúp tập trung các kết nối vật lý, dễ dàng hơn cho việc triển khai và quản lý mạng cục bộ, phân phối mạng cho các thiết bị đầu cuối

Phân loại thiết bị chuyển mạch lớp 2

Dựa vào cách thức quản lý thiết bị, Switch được chia làm các loại sau:

Switch không có tính năng quản lý: Đây là loại Switch không hỗ trợ bất kì

giao diện quản lý nào Switch hoạt động chỉ bằng việc cắm và chạy, cho nên người dùng có thể sử dụng rất dễ dàng Ưu điểm của loại Switch này là cách sử dụng rất đơn giản, phù hợp với việc chỉ cần tăng số lượng thiết bị có thể kết nối vào mạng Nhược điểm của loại Switch này là không thể can thiệp vào quá trình hoạt động của thiết bị

Switch thông minh đơn giản: Loại Switch này hỗ trợ một ứng dụng thứ ba

hoặc có giao diện web để có thể dễ dàng quản lý và cấu hình một số tính năng cơ bản như VLAN, QoS, IGMP, phù hợp cho mạng gia đình hoặc doanh nghiệp nhỏ

Switch thông minh: Switch thông minh có thể quản lý bằng giao diện web,

Telnet (giao thức dòng lệnh quản lý từ xa), giao thức dòng lệnh từ xa có mã hoá (Secure Socket Shell – SSH), giao thức quản lý mạng đơn giản (Simple Network Management Protocol – SNMP) Loại Switch này ngoài hỗ trợ các tính năng cơ bản, chúng còn hỗ trợ các tính năng cao cấp hơn như danh sách điều khiển truy cập (Access Control List – ACL), giao thức cây mở rộng (Spanning Tree Protocol – STP) Đây là loại Switch phù hợp cho việc xây dựng một mạng cục bộ nhỏ cần quản lý như trường học, công ty với giá thành phải chăng

Switch quản lý cao cấp: Đây là loại Switch có một cổng kết nối hỗ trợ giao

diện dòng lệnh (Command Line Interface – CLI) Loại Switch này hỗ trợ rất nhiều tính năng như các tính năng quản lý liên quan đến VLAN, phát quảng bá nhóm, quản lý từ xa, điều khiển luồng Các Switch quản lý cao cấp còn có khả năng liên kết nhiều Switch thành một bằng cách kết nối chúng với nhau thông qua cổng kết nối đặc biệt, nhờ đó tăng dung lượng Switch và số lượng cổng kết nối một cách

dễ dàng Đây là loại Switch giúp quản lý hệ thống mạng rất lớn như hệ thống mạng tại các trạm máy chủ, nhà cung cấp mạng

Cách thức hoạt động thiết bị chuyển mạch lớp 2

Thiết bị chuyển mạch lớp 2 (Switch Layer 2) sử dụng địa chỉ MAC để hỗ trợ chuyển tiếp Gói tin đi qua Switch sẽ đi qua 3 khối chính:

Bảng chuyển tiếp lớp 2: Địa chỉ MAC đích của gói tin đóng vai trò một từ

khóa để đưa vào tìm kiếm Nếu chúng được tìm thấy, số hiệu cổng ra và VLAN

ID phù hợp sẽ được đọc từ bảng để làm thông tin chuyển tiếp

Danh sách điều khiển truy cập (Access Control List – ACL): ACL sử dụng

các thông tin nhận dạng gói đến bằng địa chỉ MAC, kiểu giao thức Ethernet, địa chỉ IP, giao thức IP, hay số hiệu cổng của Layer 4 để tìm kiếm trong bảng dữ liệu thông tin gói tin xem nó có được phép chuyển tiếp hay không

ACL quyết định chất lượng dịch vụ (Quality of Service ACL – QoS ACL):

QoS ACL dựa vào một vài thông tin về mức độ ưu tiên của gói tin để quyết định thứ tự chuyển tiếp các gói tin, tốc độ chuyển tiếp và hỗ trợ điều khiển luồng Tính năng này giúp Switch có thể điều khiển nhiều hơn về luồng dữ liệu đi qua

Các yêu cầu kỹ thuật của thiết bị chuyển mạch lớp 2

Các yêu cầu kĩ thuật của Switch phụ thuộc vào mục đích và môi trường sử dụng Hai loại Switch chính có thể quản lý là Switch văn phòng và Switch công nghiệp Giữa Switch dùng cho văn phòng và Switch dùng trong công nghiệp có một vài điểm khác nhau rõ rệt về mục tiêu thiết kế và yêu cầu kĩ thuật Một số yêu cầu có thể có cho Switch văn phòng và Switch công nghiệp được trình bày ở Bảng 1.7 [24]

Bảng 1.7 Một số yêu cầu của Switch văn phòng và Switch công nghiệp

Yêu cầu Switch văn phòng Switch công nghiệp

Tính năng

hỗ trợ

Các tính năng phổ biến

Cần hỗ trợ các tính năng đặc biệt tuỳ yêu cầu khách hàng