Tổng quan về LANs (MẠNG VIỄN THÔNG SLIDE)

Trần Xuân Nam, Học viện KTQS 6Medium Access Control Sublayer  Trong IEEE 802.1, Data Link Layer được chia thành: 1.. Medium Access Control Sublayer  Điều phối truy nhập tới môi

Bài giảng Mạng Viễn thông (33BB)

Chương 6 Các Giao thức Điều khiển

Truy nhập Môi trường

và Mạng Cục bô

Part II: Mạng Cục bô

Tổng quan về LANs

Ethernet Token Ring and FDDI 802.11 Wireless LAN

LAN Bridges

Chapter 6 Các Giao thức Điều khiển

Truy nhập Môi trường

và Mạng Cục bô

Tổng quan về LANs

Trần Xuân Nam, Học viện KTQS 4

What is a LAN?

 Cự ly ngắn (~1km) giữa các máy tính

 Chi phí thấp

 Tốc đô cao, truyền thông tin cậy

 Không cần sử dụng các phương pháp điều khiển lỗi phức tạp

 Bám theo vị trí của các máy tính phức tạp

 Gán cho mỗi máy môt địa chỉ riêng

trong LAN

Cấu trúc LAN điển hình

RAM

RAM

ROM

Ethernet Processor

 Môi trường truyền dẫn

 Network Interface Card (NIC)

 Địa chỉ vật lý MAC duy nhất

Trần Xuân Nam, Học viện KTQS 6

Medium Access Control Sublayer

 Trong IEEE 802.1, Data Link Layer được chia

thành:

1 Medium Access Control Sublayer

 Điều phối truy nhập tới môi trường

 Dịch vụ chuyển frame không kết nối (connectionless)

 Các máy xác định bởi MAC/physical address

 Các broadcast frames có MAC addresses

2 Logical Link Control Sublayer

 Giữa Network layer & MAC sublayer

MAC Sub-layer

Data link layer 802.3

CSMA-CD

802.5 Token Ring 802.2 Logical link control

Physical layer

OSI IEEE 802

Various physical layers

Other LANs

Trần Xuân Nam, Học viện KTQS 8

Logical Link Control Layer

Reliable frame service

Các dịch vụ Logical Link Control

 Type 1: dịch vụ connectionless không cần xác nhận

 Unnumbered frame mode của HDLC

 Type 2: dịch vụ connection-oriented tin cậy

 Chế đô cân bằng không đồng bô của HDLC

 Type 3: Dịch vụ connectionless có xác nhận

 Đánh địa chỉ bổ sung

 Môt workstation có môt địa chỉ vật lý MAC duy nhất

 Có thể xử lý vài kết nối logic, phân biệt với nhau bởi SAP (service access points) của chúng

Trần Xuân Nam, Học viện KTQS 10

Cấu trúc PDU của LLC

1 Source

C/R

7 bits 1

I/G = Individual or group address

C/R = Command or response frame

FE OSI packet

AA SubNetwork Access protocol (SNAP)

Đóng gói MAC frames

Chapter 6 Medium Access Control

Protocols and Local Area

Networks

Ethernet

A bit of history…

 1970 Mạng vô tuyến ALOHAnet được triển khai ở đảo Hawaii

 1973 Metcalf và Boggs phát minh Ethernet, truy nhập ngẫu nhiên ở mạng hữu tuyến

 1979 Chuẩn DIX Ethernet II

 1985 Chuẩn IEEE 802.3 LAN (10 Mbps)

Trần Xuân Nam, Học viện KTQS 14

IEEE 802.3 MAC: Ethernet

Giao thức MAC:

 CSMA/CD

 Slot Time là môt tham số hệ thống quan trọng

 Biên trên về thời gian phát hiện va chạm

 Biên trên về thời gian chiếm kênh

 Biên trên về đô dài của segment tạo bởi va chạm

 Lượng tử (quantum) cho định trình truyền lại

 max{round-trip propagation, MAC jam time}

 Truncated binary exponential backoff

 Backoff cho lần truyền lại n: 0 < r < 2 k -1, với k=min(n,10)

 Từ bo truyền sau 16 lần truyền lại

Các tham số cơ bản của IEEE 802.3

 Tốc đô truyền dẫn: 10 Mbps

 Frame tối thiểu: 512 bits = 64 bytes

 Slot time: 512 bits/10 Mbps = 51.2 sec

 51.2 sec x 2x105 km/sec =10.24 km

 Cự ly 5.12 km round trip

 Cự ly max: 2500 meters + 4 repeaters

 Để tăng tốc độ gấp 10 lần cần giảm cự ly đi 10 lần

Trần Xuân Nam, Học viện KTQS 16

IEEE 802.3 MAC Frame

Preamble SD Destination

address

Source address Length Information Pad FCS

 Mỗi lần truyền frame bắt đầu từ đầu (“from scratch”)

 Preamble giúp máy thu đồng bô đồng hồ với máy phát

 7 bytes của chuỗi 10101010 tạo nên môt sóng vuông

 Start frame byte chuyển thành 10101011

 Máy thu tìm thay đổi trong mẫu 10

IEEE 802.3 MAC Frame

Preamble SD Destination

address

Source address Length Information Pad FCS

Trần Xuân Nam, Học viện KTQS 18

IEEE 802.3 MAC Frame

Preamble SD Destination

address

Source address Length Information Pad FCS

 Length: số bytes trong trường Information

 Max frame 1518 bytes, trừ preamble & SD

 Pad: đảm bảo min frame bằng 64 bytes

information, pad fields

 NIC loại bo các frames không có đô dài thích hợp hay

không thoa mãn CRC

DIX Ethernet II Frame Structure

 DIX: Digital, Intel, Xerox joint Ethernet specification

 Type Field: xác định protocol của PDU ở trường information, ví dụ,

IP, ARP

 Framing: Làm sao máy thu biết đô dài frame?

 Tín hiệu physical layer, byte count, FCS

Trần Xuân Nam, Học viện KTQS 20

SubNetwork Address Protocol (SNAP)

SNAP PDU

 Các chuẩn của IEEE giả thiết LLC luôn được sử dụng

 Các giao thức lớp trên phát triển cho DIX hy vọng vào trường

Type

 DSAP, SSAP = AA, AA chỉ thị SNAP PDU;

 03 = Type 1 (connectionless) service

 SNAP được sử dụng để đóng khung các Ethernet II frames

IEEE 802.3 Physical Layer

Medium Thick coax Thin coax Twisted pair Optical fiber Max Segment Length 500 m 200 m 100 m 2 km

Topology Bus Bus Star Point-to-point link

Table 6.2 IEEE 802.3 10 Mbps medium alternatives

Thick Coax: Stiff, hard to work with T connectors flaky

Hubs & Switches!

Trần Xuân Nam, Học viện KTQS 22

Ethernet Hubs & Switches

Dây xoắn rẻ tiền

Dễ làm việc

Tin cậy

Cấu hình Star, CSMA-CD

Dây xoắn rẻ tiền Bridging tăng tính mở (scalability) Các collision domains riêng biệt Full duplex operation

 Thông lượng max của CSMA-CD phụ thuôc vào tích trễ băng

thông chuẩn hóa a=t prop /X

 Tăng tốc đô bit lên 10 lần = tăng X lên 10 lần

 Để giữ a không đổi cần: giảm t prop (distance) đi 10 lần; hoặc tăng

đô dài frame lên 10 lần

Trần Xuân Nam, Học viện KTQS 24

Fast Ethernet

Medium Twisted pair category 3

Table 6.4 IEEE 802.3 100 Mbps Ethernet medium alternatives

Để đảm bảo tương thích với 10 Mbps Ethernet:

 Cùng frame format, cùng interfaces, cùng protocols

 Cấu hình Hub chỉ sử dụng với twisted pair & fiber

 Cấu hình Bus & cáp đồng trục bị loại bo

 Cáp xoắn Category 3 (chuẩn cho telephone thông thường) yêu cầu 4 cặp

 Cáp đôi dây xoắn Category 5 yêu cầu 2 pairs (phổ biến nhất)

 Sử dụng trong phần lớn các mạng LAN

Gigabit Ethernet

Table 6.3 IEEE 802.3 1 Gbps Fast Ethernet medium alternatives

Medium

Optical fiber multimode Two strands

Optical fiber single mode Two strands

Shielded copper cable

Twisted pair category 5 UTP

Max Segment

Length 550 m 5 km 25 m 100 mTopology Star Star Star Star

 Slot time increased to 512 bytes

 Small frames need to be extended to 512 B

 Frame bursting to allow stations to transmit burst of short frames

 Frame structure preserved but CSMA-CD essentially abandoned

 Extensive deployment in backbone of enterprise data networks and in server farms

Trần Xuân Nam, Học viện KTQS 26

10 Gigabit Ethernet

Table 6.5 IEEE 802.3 10 Gbps Ethernet medium alternatives

Medium

Two optical fibers Multimode at 850 nm

64B66B code

Two optical fibers

Single-mode at

1310 nm 64B66B

Two optical fibers

Single-mode at 1550 nm

SONET compatibility

Two optical fibers multimode/single- mode with four wavelengths at 1310

nm band 8B10B code

Max Segment

Length 300 m 10 km 40 km 300 m – 10 km

 Giữ nguyên cấu trúc frame

 Chính thức từ bo giao thức CSMA-CD

 LAN PHY cho các ứng dụng thuôc mạng nôi bô

 WAN PHY cho các kết nối vùng rông sử dụng SONET OC-192c

 Triển khai rông khắp ở các mạng metro

100 Mbps links

10 Mbps links

Server Server

Ethernet switch

Ethernet switch

Ethernet switch

Typical Ethernet Deployment

Chapter 6 Medium Access Control

Protocols and Local Area

Networks

Token Ring and FDDI

IEEE 802.5 Ring LAN

 Mạng vòng môt chiều (unidirectional ring

network)

 Xác định 2 tốc đô 4 Mbps và 16 Mbps trên đôi dây xoắn (twisted pair)

 Mã hóa đường dây Manchester vi sai

 Đa truy nhập sử dụng token passing

 Công bằng

 Các mức đô ưu tiên truy nhập

 Môt nút hong làm toàn mạng tê liệt

 Sử dụng star topology để nâng cao tin cậy

Trần Xuân Nam, Học viện KTQS 30

Wiring Center A

B

E

Star Topology Ring LAN

 Các trạm kết nối theo kiểu hình sao tới tủ đấu dây

 Sử dụng dây điện thoại sẵn có

 Thực hiện vòng bên trong hôp thiết bị

 Rơle có thể bo qua tuyến hay trạm bị hong

 Ví dụ trạm E

Token frame format

address

Source address Information FCS

Data frame format

Token Frame Format

Access

control

PPP=priority; T=token bit

M=monitor bit; RRR=reservation T=0 token; T=1 data

Starting

delimiter

J, K nondata symbols (line code)

J begins as “0” but no transition

K begins as “1” but no transition

J K 0 J K 0

Trần Xuân Nam, Học viện KTQS 32

Data frame format

Data Frame Format

Addressing 48 bit format as in 802.3

Information Length limited by allowable token holding time

Các chức năng khác của vòng

 Hoạt đông Ưu tiên

 PPP cung cấp 8 mức ưu tiên

 Các trạm đợi token với ưu tiên như nhau hoặc thấp hơn

 Sử dụng các bit RRR để “đấu thầu” quyền ưu tiên

của token tiếp theo

 Duy trì Vòng

 Trạm phát phải loại bo các frames của nó

 Điều kiện lỗi

 Orphan frames, mất token, lỗi frame

 Trạm giám sát tích cực chịu trách nhiệm loại bo

orphans

Trần Xuân Nam, Học viện KTQS 34

Ring Latency & Token Reinsertion

 Giả thiết M trạm

 Trễ tại mỗi trạm là b bit

 b=2.5 bits (using Manchester coding)

t = 400, last bit enters

ring, reinsert token

t = 840, arrival t = 960, reinsert

(b) High Latency (840 bit) Ring

(a) Low Latency (90 bit) Ring

Trần Xuân Nam, Học viện KTQS 36

Fiber Distributed Data Interface (FDDI)

 Giao thức token ring cho LAN/MAN

 Counter-rotating dual ring topology

 100 Mbps bằng cáp quang

 Đường kính tới 200 km, và 500 trạm

 Trạm có 10-bit “elastic” buffer để lấy định thời giữa input

& output

 Max frame 40,000 bits

 500 stations @ 200 km có ring latency bằng 105,000 bits

 FDDI có tùy chọn làm việc ở chế đô multitoken

E

D C

B

X

Trần Xuân Nam, Học viện KTQS 38

Address

Source Address Information FCS

ED FC

L = address length (16 or 48 bits)

FF = LLC/MAC control/reserved frame type

CLFFZZZZ = 10000000 or 11000000 denotes token frame

FDDI Frame Format

Timed Token Operation

 Two traffic types

 Synchronous

 Asynchronous

 All stations in FDDI ring

agree on target token

rotation time (TTRT)

 Station i has S i max time to

send synch traffic

 Token rotation time is less

 When token arrives, find Token Holding Time

Chapter 6 Medium Access Control

Protocols and Local Area

Networks

802.11 Wireless LAN

Wireless Data Communications

 Các yêu cầu đối với wireless communications

 Dễ triển khai, chi phí thấp

 Mobility & roaming: truy nhập thông tin bất kỳ nơi đâu

 Hỗ trợ các thiết bị cá nhân

 PDAs, laptops, data-cell-phones

 Hỗ trợ các thiết bị liên lạc

 Cameras, thiết bị định vị, nhận dạng vô tuyến

 Khó khăn

 Cường đô tín hiệu biến đổi theo không gian & thời gian

 Tín hiệu có thể bị thu trôm

 Phổ tần bị giới hạn và thường bị hạn chế

Trần Xuân Nam, Học viện KTQS 42

Các chế đô liên lạc WLAN

 Chế đô Adhoc

 Các trạm làm việc trực tiếp với nhau không qua trạm điều khiển trung tâm (Access Point)

 Chế đô có cấu trúc (Infrastructure)

 Các trạm làm việc thông qua môt trạm trung tâm

(Access Point)

B D

C A

Ad Hoc Communications

 Gán tạm thời môt nhóm các trạm

 Trong phạm vi liên lạc của giữa các trạm

 Cần trao đổi thông tin

 VD: Trình chiếu trong hôi nghị, hay game nối mạng

Trần Xuân Nam, Học viện KTQS 44

B1 A1

A transmits data frame

(a)

A

C transmits data frame

& collides with A at B (b)

C senses medium, station A is hidden from C

Data Frame

B

C A

Hidden Terminal Problem

 New MAC: CSMA with Collision Avoidance

Trần Xuân Nam, Học viện KTQS 46

RTS

A requests to send

B

C (a)

Data Frame

A sends

B

C remains quiet (c)

CSMA with Collision Avoidance

IEEE 802.11 Wireless LAN

 Sử dụng băng tần không cấp phép (unlicensed spectrum)

 U.S Industrial, Scientific, Medical (ISM) bands

 902-928 MHz, 2.400-2.4835 GHz, 5.725-5.850 GHz

 Tốc đô mong muốn ban đầu 20 Mbps

 Thiết kế giao thức MAC cho WLAN tốc đô cao

 Mạng Ad Hoc & Cấu trúc (Infrastructure)

 Sử dụng các lớp vật lý khác nhau

Trần Xuân Nam, Học viện KTQS 48

802.11 Definitions

 Basic Service Set (BSS)

 Nhóm các trạm điều phối truy nhập sử dụng môt

phiên bản của MAC

 Đặt tại môt Basic Service Area (BSA)

 Các trạm ở trong BSS có thể liên lạc với nhau

 Có thể tồn tại các BSS trong cùng môt vùng

 Extended Service Set (ESS)

 Các BSSs kết nối với nhau qua Distribution System

(DS)

 Mỗi BSS như môt cell và các trạm trong BSS liên lạc

với môt Access Point (AP)

 Các portals gắn với DS để cung cấp truy nhập tới

Internet

A2 B2

B1 A1

Portal

Infrastructure Network

Trần Xuân Nam, Học viện KTQS 50

Các dịch vụ phân phối

 Các trạm trong BSS có thể liên lạc thẳng với

nhau

 DS cung cấp các dịch vụ phân phối (distribution services):

 Chuyển MAC SDUs giữa các APs trong ESS

 Chuyển MSDUs giữa các portals & BSSs trong ESS

 Chuyển MSDUs giữa các trạm trong cùng 1 BSS

 Multicast, broadcast, theo tùy chọn của trạm

 ESS giống như môt BSS đối với lớp con LLC

Các Dịch vụ Cấu trúc

 Chọn AP và thiết lập gắn mạng (association) với

AP

 Sau đó có thể phát/thu các frame qua AP & DS

 Gắn mạng lại (Reassociation service) để chuyển

từ môt AP tới môt AP khác

 Tách mạng (Dissociation service) để ngắt gắn

mạng

 Nhận thực (Authentication service) để thiết lập

identity của các trạm khác

 Bảo mật (Privacy service) để giữ bảo mật nôi

dung

Trần Xuân Nam, Học viện KTQS 52

IEEE 802.11 MAC

 Nhiệm vụ của MAC sublayer

 Truy nhập kênh

 Đánh địa chỉ PDU, định dạng frame, kiểm tra lỗi

 Phân đoạn (fragmentation) & tái hợp (reassembly) các MAC SDUs

 Tùy chọn dịch vụ an toàn MAC

 Authentication & privacy

 Dịch vụ quản lý MAC

 Chuyển giữa các AP (roaming) trong phạm vi ESS

 Quản lý công suất

Các dịch vụ MAC

 Dịch vụ cạnh tranh: Best effort (không tin cậy)

 Dịch vụ không cạnh tranh (contention-free): truyền giới hạn theo thời gian

 MAC có thể thay đổi giữa Contention Periods (CPs) & Free Periods (CFPs)

MAC

Trần Xuân Nam, Học viện KTQS 54

Distributed Coordination Function (DCF)

 DCF cung cấp dịch vụ truy nhập cơ bản

 Truyền dữ liệu best-effort không đồng bô

 Tất cả các trạm cạnh tranh để truy nhập môi trường

 CSMA-CA

 Trạm sẵn sàng phát đợi khi kết thúc truyền

 Tất cả các trạm phải đợi môt khoảng Interframe Space (IFS)

DIFS

DIFS

PIFS SIFS

Contention window

Gán ưu tiên qua Interframe Spacing

 Các frame ưu tiên cao đợi khoảng thời gian ngắn Short IFS (SIFS)

 Thường để kết thúc trao đổi trao đổi dữ liệu hiện tại

 ACKs, CTS, data frames của các MSDU đã phân đoạn etc

 PCF IFS (PIFS) để khởi tạo Contention-Free Periods

 DCF IFS (DIFS) để phát dữ liệu và & MPDUs

DIFS

DIFS

PIFS SIFS

Contention window