Nhóm 15 lớp liên kết dữ liệu và LAN

Trong mô hình OSI, hệ thống truyền thông được chia thành 7 lớp, việc truyền dữ liệu giữa các nút trên phân đoạn mạng đi qua lớp vật lý, cung cấp các phương tiện chức năng và thủ tục để c

KHOA VIỄN THÔNG I

BÀI TIỂU LUẬN

ĐỀ TÀI: LỚP LIÊN KẾT DỮ LIỆU VÀ LAN

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đại - B18DCVT077

Hoàng Quang Quyết - B18DCVT342 Nguyễn Lương Linh - B18DCVT245 Nguyễn Triệu Việt Hùng - B18DCVT189

Giảng viên hướng dẫn: TS Hoàng Trọng Minh

Hà Nội - 2021

LỜI NÓI ĐẦU

Tin học và viễn thông là hai thành phần cốt lõi của công nghệ thông tin Mạng máy tính không còn là thuật ngữ thuần túy khoa học mà đang trở thành một đối tượng nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều phạm vi hoạt động khác nhau Chính vì sự quan trọng của nó trong hệ thống, vào cuối thập niên 70 của thế kỷ 20, tổ chức tiêu chuẩn hoá quốc tế (ISO)

đã lập ra một tiểu ban nhằm phát triển một khung chuẩn cho kiến trúc mạng máy tính, đó chính là mô hình tham chiếu cho việc kết nối các hệ thống mở (OSI) với chức năng giảm thiểu sự không tương thích giữa các hệ thống máy tính Trong mô hình OSI, hệ thống truyền thông được chia thành 7 lớp, việc truyền dữ liệu giữa các nút trên phân đoạn mạng đi qua lớp vật lý, cung cấp các phương tiện chức năng và thủ tục để chuyển khoản dữ liệu giữa các thực thể mạng và có thể cung cấp các phương tiện để phát hiện và có thể sửa các lỗi có thể xảy ra trong lớp vật lý được thực hiện ở lớp thứ 2 – lớp liên kết dữ liệu

Cuộc cách mạng công nghệ thông tin ở nước ta cũng đã và đang diễn ra sôi động Nhiều

dự án phát triển công nghệ thông tin đã được triển khai theo các giải pháp tổng thể và đang trở thành đối tượng nghiên cứu ứng dụng của nhiều người và của mọi ngành nghề khác nhau Trong đó, mạng cục bộ LAN là phổ biến nhất và có tính tập trung, thống nhất dễ quản lý,… đồng thời phản ánh nhu cầu thực tế của cơ quan, trường học, doanh nghiệp cần kết nối các hệ thống đơn lẻ thành mạng nội bộ để tạo khả năng trao đổi thông tin, phân chia tài nguyên đắt giá Ở bài tiểu luận này, nhóm chúng em sẽ đi vào chi tiết hơn các nhiệm vụ và giao thức có trong hai mô hình trên

Bài tiểu luận gồm 2 chương:

Chương I: Tổng quan về lớp liên kết dữ liệu

Chương II: Nhiệm vụ và các giao thức trong mạng cục bộ và lớp liên kết dữ liệu

CHƯƠNG II: NHIỆM VỤ VÀ CÁC GIAO THỨC TRONG MẠNG CỤC BỘ 7

2.2.4: DOCSIS: Giao thức lớp liên kết để truy cập Internet qua cáp 21

2.5 Mạng trung tâm dữ liệu 41

51

Hình 2.12: Biểu đồ không gian-thời gian của hai nút CSMA xung đột 18

Hình 2.14: Các kênh upstream và downstream giữa CMTS và modem cáp 22 Hình 2.15: Một mạng tổ chức được kết nối với nhau bằng bốn thiết bị chuyển

Hình 2.21: Chuẩn Ethernet 100 Mbps: Một lớp liên kết chung, các lớp vật lý

Hình 2.27: Khung Ethernet gốc (trên cùng), khung Ethernet VLAN được gắn

thẻ 802.1Q (bên dưới)

38

Hình 2.28: Tiêu đề MPLS: Nằm giữa lớp liên kết và lớp mạng tiêu đề 39

Hình 2.30: Mạng trung tâm dữ liệu với cấu trúc liên kết phân cấp 41 Hình 2.31: Xu hướng quan trọng nhất trong mạng trung tâm dữ liệu 43 Hình 2.32: Vòng đời của một yêu cầu trang web: Cấu hình và các hành động 45

ISP Internet Service Provider Nhà cung cấp dịch vụ Internet

MAC Media Access Control Địa chỉ điều khiển truy nhập

phương tiện CIDR Classless Inter-Domain Routing Định tuyến liên miền không

phân lớp ARP Address Resolution Protocol Giao thức phân giải địa chỉ TCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền dẫn HTTP Hyper Text Transfer Protocol Giao thức truyền dẫn siêu văn

bản URL Uniform Resource Locator Địa chỉ tham chiếu Internet MPLS Multiprotocol Label Switching Chuyển mạch nhãn đa giao thức

TDM Time Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo thời

gian FDM Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo mã CMTS Cable Modem Termination System Hệ thống kết cuối Modem cáp CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access/

Collision Detection

Đa truy cập nhận biết sóng mang phát hiện xung đột

DOCSIS Data Over Cable Service Interface

Specification

Đặc điểm kỹ thuật giao diện dịch

vụ dữ liệu qua cáp NIC Network Interface Controller Bộ điều khiển giao diện mạng EDC Error Detection & Correction Phát hiện & Sửa lỗi

FEC Forward Error Correction Sửa lỗi chuyển tiếp

ARQ Automatic Repeat Request Yêu cầu lặp lại tự động

CRC Cyclic Redundancy Check Kiểm tra dự phòng theo chu kỳ SDN Software-defined networking Kiểu kiến trúc mạng mới

MDC Media Data Center Trung tâm dữ liệu truyền thông IEEE Institute of Electrical and Electronics

Engineers

Hội Kỹ sư Điện và Điện tử

RFC Request for Comments Đề nghị duyệt thảo và bình luận

FDDI Fiber Distributed Data Interface Giao diện dữ liệu phân tán sợi

quang ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ truyền không đồng bộ UTP Unshielded Twisted-Pair Cáp xoắn đôi không có vỏ bọc

chống nhiễu

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ LỚP LIÊN KẾT DỮ LIỆU 1.1 Giới thiệu về lớp liên kết dữ liệu

1.1.1 Các dịch vụ

* Đóng khung:

-Hầu hết tất cả các giao thức lớp liên kết đều đóng gói mỗi gói dữ liệu lớp mạng trong một khung lớp liên kết trước khi truyền qua liên kết

-Khung bao gồm một trường dữ liệu, trong đó gói dữ liệu lớp mạng được chèn và một

số trường tiêu đề Cấu trúc của khung được xác định bởi giao thức lớp liên kết

* Truy cập liên kết:

-Giao thức điều khiển truy cập phương tiện (MAC) chỉ định các quy tắc mà khung được truyền vào liên kết Đối với các liên kết point-to-point có một người gửi duy nhất ở một đầu của liên kết và một người nhận duy nhất ở đầu kia của liên kết, giao thức MAC rất đơn giản (hoặc không tồn tại) —người gửi có thể gửi một khung bất cứ khi nào liên kết đó không hoạt động

-Trường hợp đặc biệt là khi nhiều nút chia sẻ một liên kết truyền phát duy nhất – vấn

đề đa truy cập, giao thức Mac ở đây sẽ điều phối việc truyền khung giữa các nút

* Truyền tin cậy:

- Khi giao thức lớp liên kết cung cấp dịch vụ phân phối đáng tin cậy, nó đảm bảo di chuyển từng sơ đồ lớp mạng qua liên kết mà không bị lỗi Dịch vụ truyền tin cậy ở lớp liên kết thường được sử dụng cho các liên kết có nguy cơ mắc lỗi cao, chẳng hạn như liên kết không dây, với mục tiêu sửa lỗi cục bộ trên liên kết xảy ra lỗi thay vì truyền lại dữ liệu từ đầu đến cuối

-Tuy nhiên, dịch vụ truyền tin cậy ở lớp liên kết có thể coi là không cần thiết đối với các liên kết ít lỗi bit, bao gồm như cáp quang, cáp đồng trục… Vì lý do này mà nhiều giao thức liên kết có dây không cung cấp dịch vụ truyền tin cậy

* Phát hiện và sửa lỗi:

-Phần cứng lớp liên kết trong một nút nhận có thể quyết định không chính xác rằng một bit trong khung bằng không khi nó được truyền như một và ngược lại

-Các lỗi bit như vậy được tạo ra bởi sự suy giảm tín hiệu và nhiễu điện từ Bởi vì không cần phải chuyển tiếp một gói dữ liệu có lỗi, nhiều giao thức lớp liên kết cung cấp một cơ chế để phát hiện các lỗi bit như vậy Điều này được thực hiện bằng cách để nút truyền bao gồm các bit phát hiện lỗi trong khung và yêu cầu nút nhận thực hiện kiểm tra lỗi

- Phát hiện lỗi trong lớp liên kết thường phức tạp hơn và được thực hiện trong phần cứng Sửa lỗi tương tự như phát hiện lỗi, ngoại trừ việc bộ thu không chỉ phát hiện khi nào các lỗi bit đã xảy ra trong khung mà còn xác định chính xác vị trí các lỗi đã xảy ra trong khung (và sau đó sửa các lỗi này)

* Half Duplex và Full Duplex:

- Hệ thống liên lạc duplex là một hệ thống point-to-point của 2 thiết bị có thể giao tiếp với nhau theo cả 2 hướng Hai loại hệ thống truyền thông duplex này tồn tại trong môi trường Ethernet:

+ Half Duplex: Một cổng chỉ có thể gửi dữ liệu khi nó không nhận dữ liệu Nói cách khác, nó không thể gửi và nhận dữ liệu cùng một lúc Các trung tâm mạng chạy ở chế độ Half Duplex để tránh xung đột Vì các trung tâm rất hiếm trong các mạng LAN hiện đại, nên hệ thống Half Duplex không được sử dụng rộng rãi trong mạng Ethernet nữa

+ Full Duplex: Tất cả các nút có thể gửi và nhận trên cổng của chúng có cùng một lúc Không có xung đột trong chế độ duplex, nhưng NIC chủ và cổng chuyển mạch phải hỗ trợ chế độ duplex Ethernet duplex sử dụng 2 cặp dây cùng một lúc thay vì một cặp dây đơn lẻ như Half Duplex

Hình 1.1: Ảnh minh họa Duplex

1.1.2 Lớp liên kết được thực hiện ở đâu?

-Hình 1.2 dưới đây mô tả kiến trúc máy chủ điển hình Các khả năng của Ethernet được tích hợp vào chipset của bo mạch chủ hoặc được thực hiện thông qua chip Ethernet chuyên dụng giá rẻ Đối với hầu hết các phần, lớp liên kết được thực hiện trên một chip được gọi

là bộ điều hợp mạng, đôi khi còn được gọi là bộ điều khiển giao diện mạng (NIC)

- Bộ điều hợp mạng triển khai nhiều dịch vụ lớp liên kết bao gồm tạo khung, truy cập liên kết, phát hiện lỗi, v.v Do đó, phần lớn chức năng của bộ điều khiển lớp liên kết được thực hiện trong phần cứng

- Về phía gửi, bộ điều khiển lấy một sơ đồ dữ liệu đã được tạo và lưu trữ trong bộ nhớ máy chủ bởi các lớp cao hơn của ngăn xếp giao thức, đóng gói gói dữ liệu trong một khung lớp liên kết (điền vào các trường khác nhau của khung), rồi chuyển- ghép khung vào liên kết truyền thông, tuân theo giao thức truy cập liên kết

- Ở phía bên nhận, bộ điều khiển nhận toàn bộ khung và trích xuất dữ liệu lớp mạng Nếu lớp liên kết thực hiện phát hiện lỗi, thì bộ điều khiển gửi sẽ đặt các bit phát hiện lỗi trong tiêu đề khung và chính bộ điều khiển nhận sẽ thực hiện phát hiện lỗi

- Hình 1.2 cho thấy rằng trong khi hầu hết lớp liên kết được triển khai trong phần cứng, một phần của lớp liên kết được triển khai trong phần mềm chạy trên CPU của máy chủ Các thành phần phần mềm của lớp liên kết thực hiện tính chất chức năng của lớp liên kết cấp cao hơn, chẳng hạn như tập hợp thông tin địa chỉ của lớp liên kết và kích hoạt phần cứng

bộ điều khiển Ở phía bên nhận, phần mềm lớp liên kết phản hồi các ngắt của bộ điều khiển (ví dụ: do nhận một hoặc nhiều khung), xử lý các điều kiện lỗi và chuyển một sơ đồ lên lớp mạng Do đó, lớp liên kết là sự kết hợp giữa phần cứng và phần mềm

Hình 1.2: Bộ điều hợp mạng

1.2 Giới thiệu về mạng cục bộ (LAN)

Mạng cục bộ, thường được gọi là LAN (Local Area Network), là mạng riêng trong một tòa nhà hoặc khuôn viên có phạm vi lên đến vài km Chúng được sử dụng rộng rãi để kết nối máy tính cá nhân và máy trạm trong văn phòng công ty hay tổ chức để chia sẻ tài nguyên (ví dụ như máy in) và trao đổi thông tin LAN được phân biệt với các loại mạng khác bởi

ba đặc điểm: (1) kích thước, (2) công nghệ truyền dẫn, và (3) cấu trúc liên kết Mạng LAN

bị hạn chế về kích thước, do vậy thời gian truyền dẫn được đảm bảo trong giới hạn Điều này tạo ra những thuận lợi nhất định trong thiết kế và quản lí mạng Mạng LAN có thể sử dụng công nghệ truyền dẫn gồm một đường cáp mà tất cả các máy được nối tới Mạng LAN truyền thống chạy ở tốc độ từ 10 Mbps đến 100Mbps, có độ trễ thấp (micro giây hoặc nano giây), và rất ít lỗi Gần đây mạng LAN có thể hoạt động với tốc độ lên đến 10 Gbps (ở đây qui ước 1 Mbps là 1,000,000 bit/giây và 1 Gbps là 1,000,000,000 bit/giây)

Có rất nhiều cấu trúc liên kết có thể được sử dụng cho mạng LAN Hai cấu trúc trong

số đó là bus và ring Trong mạng dạng bus, tại một thời điểm cho phép nhiều nhất một máy tính truyền dữ liệu Tất cả các máy khác không được gửi Một cơ chế điều khiển là cần thiết

để giải quyết xung đột khi hai máy hoặc nhiều hơn muốn truyền dữ liệu đồng thời Cơ chế điều khiển có thể tập trung hoặc phân tán Ví dụ, chuẩn IEEE 802.3, thường được gọi là Ethernet, là một chuẩn mạng dựa trên bus với điều khiển không tập trung, thường hoạt động

ở tốc độ từ 10 Mbps đến 10 Gbps Máy tính trên một mạng Ethernet có thể truyền dữ liệu bất cứ khi nào muốn Nếu có hai hay nhiều gói va chạm, mỗi máy tính chỉ chờ đợi một thời gian ngẫu nhiên và thử lại sau đó

Dạng cấu trúc mạng thứ hai là vòng (ring) Trong mạng này, mỗi bit truyền xung quanh vòng mà không phải chờ phần còn lại của gói tin mà nó thuộc về Thông thường, mỗi bit chạy hết một vòng trong khoảng thời gian có vài bit được đưa vào vòng, cho đến khi toàn

bộ gói tin được truyền đi Giống như với các hệ thống truyền khác, một số quy tắc cần được thiết lập để để điều khiển sự truy nhập đồng thời vào vòng Có nhiều phương pháp khác nhau có thể được sử dụng , chẳng hạn như để các máy thay phiên nhau truyền dữ liệu IEEE 802.5 (IBM Token Ring) là chuẩn LAN dựa trên cấu trúc vòng hoạt động ở tốc độ 4 và 16 Mbps FDDI cũng là một ví dụ của mạng hoạt động theo cấu trúc vòng

Mạng quảng bá có thể được chia thành tĩnh và động, tùy thuộc vào việc kênh được phân bổ như thế nào Cơ chế phân bổ kênh tĩnh điển hình phân chia thời gian thành các khoảng thời gian rời rạc và sử dụng thuật toán quay vòng (round-robin), cho phép mỗi máy truyền khi đến lượt khe thời gian của mình Cơ chế phân bổ kênh tĩnh không hiệu quả ở góc độ sử dụng băng thông khi một máy không có gì để truyền trong khe thời gian được phân bổ Vì vậy hầu hết các hệ thống đều cố gắng để phân bổ kênh động (theo nhu cầu) Phương pháp phân bổ kênh động có thể là tập trung hoặc phân tán Trong phương pháp phân bổ kênh tập trung, có một thực thể duy nhất, ví dụ đơn vị điều khiển bus, xác định người truyền tiếp theo Nó có thể làm điều này bằng cách chấp nhận các yêu cầu và đưa ra quyết định theo một số thuật toán nội bộ Trong phương pháp phân bổ kênh phân tán, không

có thực thể trung tâm, mỗi máy phải tự quyết định khi nào thực hiện truyền tải Có thể nghĩ

rằng điều này sẽ dẫn đến sự hỗn loạn, nhưng không phải như vậy Chúng ta sẽ nghiên cứu

các thuật toán được thiết kế để tránh sự hỗn loạn này sau

CHƯƠNG II: NHIỆM VỤ VÀ CÁC GIAO THỨC TRONG MẠNG CỤC BỘ

VÀ LỚP LIÊN KẾT DỮ LIỆU

2.1 Phát hiện và sửa lỗi

- Hình 2.3 dưới minh họa một cách trực quan về các khả năng mà các kỹ thuật phát hiện lỗi và sửa chữa cung cấp và để xem cách một số kỹ thuật đơn giản hoạt động và được

sử dụng trong thực tế trong lớp liên kết

- Tại nút gửi, dữ liệu, D, được bảo vệ khỏi các lỗi bit được tăng cường với các bit phát hiện lỗi và-điều chỉnh (EDC) Thông thường, dữ liệu được bảo vệ không chỉ bao gồm gói

dữ liệu được truyền từ lớp mạng để truyền qua liên kết mà còn bao gồm thông tin địa chỉ cấp liên kết, số thứ tự và các trường khác trong tiêu đề khung liên kết

- Cả D và EDC đều được gửi đến nút nhận trong khung cấp liên kết Tại nút thu nhận, một chuỗi các bit, D ′ và EDC ′ được nhận Lưu ý rằng D ′ và EDC ′ có thể khác với D và EDC ban đầu do kết quả của sự đảo lộn bit trong quá trình truyền

Hình 2.3: Sơ đồ phát hiện lỗi và sửa lỗi

- Thách thức của người nhận là xác định xem D ′ có giống với D ban đầu hay không,

vì nó chỉ nhận được D ′ và EDC ′ Vấn đề đặt ra là liệu lỗi có được phát hiện chứ không

phải lỗi đã xảy ra hay chưa là quan trọng Các kỹ thuật phát hiện lỗi và sửa lỗi không phải

lúc nào cũng phát hiện ra lỗi bit đã xảy ra Thậm chí với việc sử dụng các bit phát hiện lỗi

vẫn có thể có các lỗi bit không bị phát hiện; nghĩa là, người nhận có thể không biết rằng thông tin nhận được có chứa lỗi bit Do đó, người nhận có thể phân phối một sơ đồ dữ liệu

bị hỏng đến lớp mạng mà không biết rằng nội dung của một trường trong tiêu đề của khung

đã bị hỏng Cho nên, người ta muốn chọn một sơ đồ phát hiện lỗi giữ cho xác suất của những lần xuất hiện như vậy ở mức nhỏ Nói chung sửa chữa và phát hiện lỗi phức tạp hơn các kỹ thuật khác – cần nhiều tính toán hơn để tính toán và chuyển đổi một số lượng lớn hơn các bit phát hiện và sửa chữa

2.1.1 Kiểm tra chẵn lẻ

- Có lẽ phương pháp phát hiện lỗi đơn giản nhất là sử dụng một bit chẵn lẻ

- Giả sử thông rằng thông tin cần gửi, D trong Hình 2.4, có d bit Trong lược đồ chẵn

lẻ, người gửi chỉ cần thêm một bit bổ sung và chọn giá trị của nó sao cho tổng số bit 1 trong các bit d + 1 (thông tin ban đầu cộng với bit chẵn lẻ) là chẵn Đối với lược đồ chẵn lẻ, giá trị bit chẵn lẻ được chọn sao cho có một số lẻ là 1 Hình 2.4 minh họa một lược đồ chẵn lẻ, với một bit chẵn lẻ được lưu trữ trong một trường riêng biệt

Hình 2.4: Chẵn lẻ đơn bit

- Hoạt động của máy thu cũng đơn giản với một bit chẵn lẻ duy nhất Máy thu chỉ cần đếm số bit 1 trong d+1 bit nhận được Nếu tìm thấy một số lẻ các bit có giá trị 1 với lược

đồ chẵn lẻ, bộ thu biết rằng ít nhất một lỗi bit đã xảy ra Cụ thể, nó biết rằng một số lỗi bit

lẻ đã xảy ra nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu một số lỗi bit chẵn xảy ra? điều này sẽ dẫn đến

một lỗi không được phát hiện Trong các điều kiện lỗi liên tục, xác suất lỗi không bị phát hiện trong khung được bảo vệ bởi tính chẵn lẻ bit đơn có thể đạt tới 50% Cho nên chúng

ta cần sơ đồ phát hiện lỗi bít chính xác hơn

- Hình 2.5 cho thấy tổng quát hai chiều của lược đồ chẵn lẻ một bit Ở đây, d bit trong

D được chia thành i hàng và j cột Giá trị chẵn lẻ được tính cho mỗi hàng và cho mỗi cột Kết quả i+j+1 bit chẵn lẻ bao gồm các bit phát hiện lỗi của khung lớp liên kết Giả sử bây giờ có một lỗi bit đơn xảy ra trong d bit thông tin ban đầu Với lược đồ chẵn lẻ hai chiều này, tính chẵn lẻ của cả cột và hàng có chứa bit đảo sẽ bị lỗi Do đó, người nhận không chỉ

có thể phát hiện ra thực tế là đã xảy ra lỗi một bit, mà có thể sử dụng chỉ số cột và hàng của cột và hàng có lỗi chẵn lẻ để thực sự xác định bit bị hỏng và sửa lỗi đó

2.1.2 Phương pháp tổng hợp

- Trong kỹ thuật tổng kiểm tra, d bit dữ liệu trong Hình 2.4 được coi là một chuỗi các

số nguyên k bit Một phương pháp tổng kiểm tra đơn giản là chỉ cần tính tổng các số nguyên k-bit này và sử dụng tổng kết quả làm các bit phát hiện lỗi Trong giao thức TCP và UDP, tổng kiểm tra Internet được tính trên tất cả các trường (bao gồm trường tiêu đề và trường

dữ liệu) Trong IP, tổng kiểm tra được tính trên tiêu đề IP (vì phân đoạn UDP hoặc TCP có tổng kiểm tra riêng của nó)

- Phương pháp tổng hợp kiểm tra yêu cầu chi phí gói tương đối ít Ví dụ, tổng kiểm tra trong TCP và UDP chỉ sử dụng 16 bit Tuy nhiên, chúng cung cấp khả năng bảo vệ tương đối yếu đối với các lỗi so với kiểm tra dự phòng theo chu kỳ (CRC)

2.1.3 Kiểm tra dự phòng theo chu kỳ (CRC)

- Một kỹ thuật phát hiện lỗi được sử dụng rộng rãi trong các mạng máy tính ngày nay dựa trên mã kiểm tra dự phòng theo chu kỳ (CRC) Mã CRC còn được gọi là mã đa thức,

vì có thể xem chuỗi bit được gửi dưới dạng đa thức có hệ số là các giá trị 0 và 1 trong chuỗi bit, với các phép toán trên chuỗi bit được hiểu là số học đa thức

- Mã CRC hoạt động như sau:

+ Xét đoạn dữ liệu d-bit D mà nút gửi muốn gửi đến nút nhận Người gửi và người nhận trước tiên phải đồng ý về một mẫu bit r + 1, được gọi là bộ tạo, ký hiệu là G (yêu cầu bit đầu tiên bên trái của G phải là 1) cụ thể được biểu diễn ở Hình 2.6

+ Đối với một phần dữ liệu nhất định, D, người gửi sẽ chọn r bit bổ sung, R và nối chúng vào D sao cho mẫu d + r bit kết quả (là số nhị phân) chính xác là chia hết cho G sử dụng số học modulo-2

+ Quá trình kiểm tra lỗi với CRC rất đơn giản: Máy thu chia d + r bit nhận được cho

G Nếu phần còn lại là khác 0, máy thu biết rằng đã xảy ra lỗi; nếu không thì dữ liệu được chấp nhận là đúng

Hình 2.6: CRC

2.2 Liên kết đa truy nhập và các giao thức

Trong phần này, chúng ta cùng tìm hiểu hai loại liên kết mạng: liên kết điểm-điểm và liên kết quảng bá

Một liên kết điểm-điểm bao gồm một người gửi duy nhất ở một đầu của liên kết và

một người nhận duy nhất ở đầu kia của liên kết Nhiều giao thức lớp liên kết đã được thiết

kế cho các liên kết điểm-điểm: giao thức PPP (point-to-point) và HDLC (high-level data link control) là hai giao thức như vậy

Loại liên kết thứ hai, liên kết quảng bá: có thể có nhiều nút gửi và nhận, tất cả đều được

kết nối với cùng một kênh quảng bá đơn lẻ, được chia sẻ Thuật ngữ quảng bá được sử dụng

ở đây bởi vì khi một nút bất kỳ truyền một khung, kênh sẽ phát khung đó và mỗi nút khác

sẽ nhận được một bản sao Ethernet và mạng LAN không dây là những ví dụ về công nghệ lớp liên kết quảng bá.

Mạng máy tính cũng có các giao thức - gọi là giao thức đa truy nhập - qua đó các nút

điều chỉnh việc truyền của chúng vào kênh quảng bá được chia sẻ Như thể hiện trong Hình 2.8, cần có nhiều giao thức truy cập trong các cài đặt mạng, bao gồm cả mạng truy cập có dây và không dây, và mạng vệ tinh Mặc dù về mặt kỹ thuật, mỗi nút truy cập kênh quảng

bá thông qua bộ điều hợp của nó, trong phần này, chúng ta sẽ đề cập đến nút như thiết bị gửi và nhận

Hình 2.8: Các kênh đa truy cập Trong thực tế, hàng trăm hoặc thậm chí hàng nghìn nút có thể giao tiếp trực tiếp qua một kênh quảng bá Bởi vì tất cả các nút đều có khả năng truyền khung, nhiều hơn hai nút

có thể truyền khung cùng một lúc Khi điều này xảy ra, tất cả các nút nhận được nhiều khung hình cùng một lúc; nghĩa là, các khung được truyền xung đột ở tất cả các máy thu Thông thường, khi có xung đột, không nút nào trong số các nút nhận có thể hiểu được bất

kỳ khung nào đã được truyền đi; tín hiệu của các khung xung đột trở nên quấn chặt vào nhau Do đó, tất cả các khung hình liên quan đến vụ xung đột đều bị mất và kênh quảng bá

bị lãng phí trong khoảng thời gian xung đột Rõ ràng, nếu nhiều nút muốn truyền khung hình thường xuyên, nhiều lần truyền sẽ dẫn đến xung đột và phần lớn băng thông của kênh quảng bá sẽ bị lãng phí

Trong những năm qua, hàng chục giao thức đa truy cập đã được triển khai trong nhiều công nghệ lớp liên kết khác nhau Tuy nhiên, chúng ta có thể phân loại bất kỳ giao thức đa

truy cập nào thuộc một trong ba loại: giao thức phân vùng kênh, giao thức truy cập ngẫu

nhiên và giao thức thay phiên

Tổng quan: Một giao thức đa truy cập cho một kênh quảng bá tốc độ R bit / giây phải

có các đặc điểm sau đây:

1 Khi chỉ một nút có dữ liệu để gửi, nút đó có thông lượng R bps

2 Khi M nút có dữ liệu để gửi, mỗi nút này có thông lượng R / Mbps Điều này không nhất thiết rằng mỗi nút trong số M luôn có tốc độ tức thời là R / M, mà là mỗi nút phải có tốc độ truyền trung bình là R / M trong một khoảng thời gian xác định thích hợp nào đó

3 Giao thức được phân cấp; nghĩa là không có nút chính đại diện cho một điểm lỗi duy nhất của mạng

4 Giao thức đơn giản, do đó nó không tốn kém để thực hiện

2.2.1 Giao thức phân vùng kênh

Ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM) và ghép kênh phân chia theo tần số (FDM)

là hai kỹ thuật có thể được sử dụng để phân vùng băng thông của kênh quảng bá giữa tất cả

các nút chia sẻ kênh đó Ngoài ra còn có giao thức phân vùng kênh thứ ba là đa truy cập

phân chia theo mã CDMA (code division multiple access)

TDM:

Ví dụ, giả sử kênh hỗ trợ N nút và tốc độ truyền của kênh là R bps TDM chia thời gian thành các khung thời gian và tiếp tục chia mỗi khung thời gian thành N khe thời gian Mỗi khe thời gian sau đó được gán cho một trong N nút Bất cứ khi nào một nút có một gói

để gửi, nó sẽ truyền các bit của gói đó trong khoảng thời gian được chỉ định của nó trong khung TDM quay vòng

Hình 2.9: Ví dụ về TDM và FDM bốn nút Thông thường, kích thước khe cắm được chọn để một gói tin có thể được truyền trong thời gian khe cắm Hình 2.9 cho thấy một ví dụ TDM bốn nút đơn giản

TDM phù hợp vì nó loại bỏ xung đột và hoàn toàn bằng nhau: Mỗi nút có tốc độ truyền riêng biệt là R / N bps trong mỗi thời gian khung hình

Tuy nhiên, nó có hai nhược điểm lớn:

1 Đầu tiên, một nút bị giới hạn ở tốc độ trung bình là R / N bps ngay cả khi nó là nút duy nhất có gói tin để gửi

2 Hạn chế thứ hai là một nút luôn phải đợi đến lượt của nó trong chuỗi truyền lại, ngay

cả khi nó là nút duy nhất có khung để gửi

FDM:

Trong khi TDM chia sẻ kênh quảng bá theo thời gian, FDM chia kênh R bps thành các tần số khác nhau (mỗi tần số có băng thông R / N) và gán mỗi tần số cho một trong N nút

Do đó, FDM tạo ra N kênh R / N bps nhỏ hơn từ kênh R bps đơn, lớn hơn FDM chia sẻ cả

ưu điểm và nhược điểm của TDM

*Ưu điểm: Tránh xung đột và phân chia băng thông bằng nhau giữa N nút

*Nhược điểm: FDM cũng có chung một nhược điểm chính với TDM - một nút bị giới

hạn ở băng thông R / N, ngay cả khi nó là nút duy nhất có gói tin để gửi

CDMA:

Trong khi TDM và FDM ấn định các khe thời gian và tần số tương ứng cho các nút, CDMA chỉ định một mã khác nhau cho mỗi nút Sau đó, mỗi nút sử dụng mã duy nhất của

nó để mã hóa các bit dữ liệu mà nó gửi Nếu các mã được chọn cẩn thận, các mạng CDMA

có đặc tính là các nút khác nhau có thể truyền đồng thời nhưng các bộ thu tương ứng của chúng có thể nhận chính xác các bit dữ liệu được mã hóa của người gửi (giả sử người nhận biết mã của người gửi) bất chấp việc các nút khác làm nhiễu đường truyền

CDMA đã được sử dụng trong các hệ thống quân sự một thời gian (do đặc tính chống nhiễu) và hiện nay đã được sử dụng rộng rãi trong dân sự, đặc biệt là trong điện thoại di động

2.2.2 Giao thức truy cập ngẫu nhiên

Trong giao thức truy cập ngẫu nhiên, một nút truyền luôn truyền ở tốc độ đầy đủ của kênh, cụ thể là R bps Khi có xung đột, mỗi nút liên quan đến xung đột liên tục truyền lại khung của nó (tức là gói) cho đến khi khung của nó vượt qua mà không có xung đột Nhưng khi một nút gặp va chạm, nó không nhất thiết phải truyền lại khung ngay lập tức Thay vào

đó, nó đợi một khoảng thời gian trễ ngẫu nhiên trước khi truyền lại khung hình Mỗi nút tham gia vào một vụ va chạm chọn các độ trễ ngẫu nhiên độc lập Bởi vì độ trễ ngẫu nhiên được chọn độc lập, có thể một trong các nút sẽ chọn độ trễ đủ nhỏ hơn độ trễ của các nút xung đột khác và do đó sẽ có thể đưa khung của nó vào kênh mà không có va chạm

Slotted ALOHA:

*Trong Slotted ALOHA (ALOHA có rãnh), chúng ta giả định như sau:

• Tất cả các khung bao gồm chính xác L bit

• Thời gian được chia thành các khe có kích thước L / R giây (nghĩa là một khe tương đương với thời gian truyền một khung hình)

• Các nút chỉ bắt đầu truyền các khung ở đầu các khe

• Các nút được đồng bộ hóa để mỗi nút biết khi nào các khe bắt đầu

• Nếu hai hoặc nhiều khung xung đột trong một khe, thì tất cả các nút sẽ phát hiện sự kiện xung đột trước khi khe kết thúc

*Gọi p là xác suất, 0 < p < 1 Hoạt động của Slotted ALOHA trong mỗi nút rất đơn giản:

• Khi nút có một khung mới để gửi, nó sẽ đợi cho đến đầu của rãnh tiếp theo và truyền toàn bộ khung trong rãnh

• Nếu không có xung đột, nút đã truyền thành công khung của nó và do đó không cần xem xét việc truyền lại khung (Nút có thể chuẩn bị một khung mới để truyền, nếu nó có một khung.)

• Nếu có xung đột , nút phát hiện xung đột trước khi kết thúc khe Nút truyền lại khung của nó trong mỗi khe tiếp theo với xác suất p cho đến khi khung được truyền mà không có xung đột

Slotted ALOHA sẽ có nhiều lợi thế Không giống như phân vùng kênh, Slotted ALOHA cho phép một nút truyền liên tục ở tốc độ đầy đủ, khi nút đó là nút hoạt động duy nhất (Một nút được cho là đang hoạt động nếu nó có khung để gửi.) Slotted ALOHA cũng được phân cấp cao, bởi vì mỗi nút phát hiện xung đột và quyết định độc lập khi nào sẽ truyền lại (Tuy nhiên, Slotted ALOHA yêu cầu các khe cắm phải được đồng bộ hóa trong các nút) Slotted ALOHA cũng là một cực kỳ giao thức đơn giản Slotted ALOHA hoạt động tốt khi chỉ có một nút hoạt động, nhưng nó hiệu quả như thế nào khi có nhiều nút hoạt động?

Hình 2.10: Sự va chạm của các nút Đầu tiên, như thể hiện trong Hình 2.10, khi có nhiều nút đang hoạt động, một phần nhất định của các khe sẽ có xung đột và do đó sẽ bị “lãng phí” Mối quan tâm thứ hai là một phần khác của các vị trí sẽ trống vì tất cả các nút đang hoạt động không truyền do kết quả của việc truyền theo xác suất Một vị trí trong đó chính xác một nút truyền được cho

là một vị trí thành công Hiệu quả của giao thức đa truy cập có rãnh được định nghĩa là

phần dài hạn của các vùng thành công trong trường hợp có một số lượng lớn các nút đang hoạt động, mỗi nút luôn có một số lượng lớn các khung để gửi

Giả sử có N nút Khi đó xác suất để một khe đã cho là một khe thành công là xác suất

để một trong các nút truyền và N - 1 nút còn lại không truyền Xác suất mà một nút đã cho truyền là p; xác suất để các nút còn lại không truyền là (1 − 𝑝)𝑁−1 Do đó, xác suất một nút đã cho thành công là p (1 − 𝑝)𝑁−1 Bởi vì có N nút, xác suất để bất kỳ một trong N nút thành công là Np(1 − 𝑝)𝑁−1

Do đó, khi có N nút hoạt động, hiệu suất của ALOHA có rãnh là N.p (1 − 𝑝)𝑁−1 Và

để đạt được hiệu quả tối đa cho một số lượng lớn các nút đang hoạt động, chúng ta lấy giới hạn Np*(1 − 𝑝 ∗)𝑁−1 khi N tiến tới vô cùng (p * cực đại)

Sau khi thực hiện các phép tính này, chúng ta sẽ thấy rằng hiệu suất tối đa của giao thức được cho bởi 1 / e = 0,37

Có nghĩa là, khi một số lượng lớn các nút có nhiều khung để truyền, thì chỉ có 37 phần trăm các vị trí thực hiện công việc hữu ích

Như vậy, tốc độ truyền dẫn hiệu quả của kênh không phải là R bps mà chỉ là 0,37 R bps!

ALOHA:

Trong ALOHA thuần túy, khi một khung đến lần đầu tiên (tức là một sơ đồ lớp mạng được truyền xuống từ lớp mạng tại nút gửi), nút ngay lập tức truyền toàn bộ khung đó vào kênh quảng bá Nếu một khung được truyền gặp va chạm với một hoặc nhiều quá trình truyền khác, nút sẽ ngay lập tức (sau khi truyền hoàn toàn khung bị va chạm của nó) truyền lại khung với xác suất p Nếu không, nút sẽ đợi thời gian truyền khung Sau khoảng thời gian chờ này, nó sẽ truyền khung với xác suất p, hoặc đợi (không hoạt động) cho một khung

thời gian khác với xác suất 1 - p

Hình 2.11: Nhiễu truyền trong ALOHA tinh khiết Tại bất kỳ thời điểm nào, xác suất một nút đang truyền một khung là p Giả sử khung

này bắt đầu truyền tại thời điểm t0 Như trong Hình 2.11, để khung này được truyền thành

công, không có nút nào khác có thể bắt đầu quá trình truyền của chúng trong khoảng thời

gian [𝑡0− 1 , 𝑡0] Quá trình truyền như vậy sẽ trùng lặp với thời điểm bắt đầu truyền

khung của nút i Khả năng xác suất mà tất cả các nút khác không bắt đầu truyền trong

khoảng thời gian này là (1 − 𝑝)𝑁−1

Tương tự, không có nút nào khác có thể bắt đầu truyền trong khi nút i đang truyền, vì

quá trình truyền như vậy sẽ chồng chéo với phần sau của quá trình truyền của nút i Xác

suất mà tất cả các nút khác không bắt đầu truyền trong khoảng thời gian này cũng là (1 − 𝑝)𝑁−1 Do đó, xác suất mà một nút đã cho có một lần truyền thành công là

𝑝 (1 − 𝑝)2(𝑁−1)

Bằng cách lấy các giới hạn như trong trường hợp Slotted ALOHA, chúng ta thấy rằng

hiệu suất tối đa của giao thức ALOHA thuần túy chỉ bằng 1 / (2e) —chính xác một nửa so

với Slotted ALOHA

CSMA:

Trong thế giới mạng:

⮚ Cảm biến sóng mang - một nút lắng nghe kênh trước khi truyền Nếu một

khung từ một nút khác hiện đang được truyền vào kênh, một nút sau đó sẽ đợi cho

đến khi nó phát hiện không có đường truyền nào trong một khoảng thời gian ngắn

và sau đó bắt đầu truyền

⮚ Phát hiện xung đột — một nút truyền sẽ lắng nghe kênh trong khi nó đang

truyền Nếu nó phát hiện thấy một nút khác đang truyền một khung giao thoa, nó sẽ

ngừng truyền và đợi một khoảng thời gian ngẫu nhiên trước khi lặp lại chu kỳ cảm

nhận và truyền khi không hoạt động

🡪 Hai quy tắc này được thể hiện trong họ giao thức CSMA (carrier sense multiple

access) và CSMA/CD (CSMA with collision detection)

Hình 2.12: Biểu đồ không gian-thời gian của hai nút CSMA xung đột Hình 2.12 cho thấy một biểu đồ không-thời gian của bốn nút (A, B, C, D) được gắn vào một bus quảng bá tuyến tính Trục hoành thể hiện vị trí của mỗi nút trong không gian; trục tung thể hiện thời gian

Tại thời điểm t0, nút B cảm thấy kênh không hoạt động, vì không có nút nào khác hiện đang truyền Do đó, nút B bắt đầu truyền, với các bit của nó truyền theo cả hai hướng dọc theo phương tiện phát sóng Sự lan truyền đi xuống của các bit B trong Hình 2.12 với thời gian tăng dần cho thấy rằng cần một khoảng thời gian khác không để các bit B thực sự lan truyền (mặc dù ở gần tốc độ ánh sáng) dọc theo phương tiện phát sóng Tại thời điểm t1 (t1

> t0), nút D có khung gửi Mặc dù nút B hiện đang truyền tin tại thời điểm t1, các bit được

B truyền vẫn chưa đến được D, và do đó D cảm nhận được kênh không hoạt động tại t1 Theo giao thức CSMA, D do đó bắt đầu truyền khung của nó Một thời gian ngắn sau, đường truyền của B bắt đầu cản trở đường truyền của D tại D Từ Hình 2.12, ta thấy rằng

độ trễ lan truyền kênh đầu cuối của một kênh quảng bá là thời gian để tín hiệu truyền từ một trong các các nút khác — sẽ đóng một vai trò quan trọng trong việc xác định hiệu suất

của nó Độ trễ lan truyền này càng dài thì khả năng nút cảm nhận sóng mang vẫn chưa thể

cảm nhận được quá trình truyền đã bắt đầu ở một nút khác trong mạng càng lớn

CSMA / CD:

Trong hình 2.12, các nút không thực hiện phát hiện xung đột; cả B và D tiếp tục truyền toàn bộ khung của chúng mặc dù đã xảy ra xung đột Khi một nút thực hiện phát hiện xung đột, nó sẽ ngừng truyền ngay khi phát hiện ra xung đột

Hình 2.13: CSMA với phát hiện xung đột Hình 2.13 cho thấy cách thức hoạt động tương tự như trong Hình 2.12, ngoại trừ việc hai nút mỗi nút ngừng truyền một thời gian ngắn sau khi phát hiện xung đột Rõ ràng, việc thêm tính năng phát hiện xung đột vào giao thức đa truy cập sẽ giúp giao thức hoạt động tốt hơn bằng cách không truyền toàn bộ khung bị hỏng (do can thiệp với khung từ nút khác) Hoạt động CSMA/CD:

1 Bộ điều hợp lấy một sơ đồ từ lớp mạng, chuẩn bị khung lớp liên kết và đặt bộ đệm

bộ điều hợp khung

2 Nếu bộ điều hợp nhận thấy rằng kênh không hoạt động (nghĩa là không có năng lượng tín hiệu đi vào bộ điều hợp từ kênh), nó bắt đầu truyền khung Mặt khác, nếu bộ điều hợp nhận thấy rằng kênh đang bận, nó sẽ đợi cho đến khi không cảm nhận được năng lượng tín hiệu và sau đó bắt đầu truyền khung hình

3 Trong khi truyền, bộ điều hợp giám sát sự hiện diện của năng lượng tín hiệu đến từ các bộ điều hợp khác bằng kênh quảng bá

4 Nếu bộ điều hợp truyền toàn bộ khung hình mà không phát hiện năng lượng tín hiệu

từ các bộ điều hợp khác, bộ điều hợp đã kết thúc với khung Mặt khác, nếu bộ điều hợp phát hiện năng lượng tín hiệu từ các bộ điều hợp khác trong khi truyền, nó sẽ hủy truyền (nghĩa là nó ngừng truyền khung của nó)

5 Sau khi hủy bỏ, bộ điều hợp đợi một khoảng thời gian ngẫu nhiên và sau đó quay lại bước 2

Chúng ta cũng lưu ý rằng mỗi khi một nút chuẩn bị một khung mới để truyền, nó sẽ chạy thuật toán CSMA / CD, không tính đến bất kỳ xung đột nào có thể đã xảy ra trong quá khứ gần đây Vì vậy, có thể một nút với một khung mới sẽ ngay lập tức có thể lén lút truyền thành công trong khi một số nút khác đang ở trạng thái lùi theo cấp số nhân

Hiệu suất CSMA / CD:

Khi chỉ có một nút có khung để gửi, nút có thể truyền ở tốc độ kênh đầy đủ (ví dụ: đối với tốc độ thông thường của Ethernet là 10 Mbps, 100 Mbps hoặc 1 Gbps) Tuy nhiên, nếu nhiều nút có khung để truyền, tốc độ truyền của kênh có thể ít hơn nhiều

Định nghĩa hiệu suất của CSMA / CD: là phần thời gian dài hạn trong đó các khung

đang được truyền trên kênh mà không có xung đột khi có một số lượng lớn các nút đang hoạt động, với mỗi nút có một số lượng lớn các khung để gửi

Đặt 𝑑𝑝𝑟𝑜𝑝 biểu thị thời gian tối đa cần năng lượng tín hiệu để truyền giữa hai bộ điều hợp bất kỳ Gọi 𝑑𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠 là thời gian để truyền một khung kích thước tối đa (khoảng 1,2 msec đối với Ethernet 10 Mbps)

Ta có công thức:

Hiệu suất = 1

1+ 5𝑑𝑝𝑟𝑜𝑝/𝑑𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠

Từ công thức này, chúng ta thấy rằng:

● Khi dprop tiến tới 0, thì hiệu suất tiến tới 1

● Nếu độ trễ lan truyền bằng 0, các nút xung đột sẽ ngừng hoạt động ngay lập tức mà không làm lãng phí kênh

● Ngoài ra, khi dtrans rất lớn > hiệu suất sẽ tiệm cận 1 Điều này cũng trực quan vì khi một khung lấy kênh, nó sẽ giữ kênh trong một thời gian rất dài; do đó, kênh sẽ hoạt động hiệu quả trong hầu hết thời gian

2.2.3 Các giao thức thay phiên

Giao thức bỏ phiếu:

Giao thức bỏ phiếu yêu cầu một trong các nút được chỉ định làm nút chính Nút chính thăm dò từng nút theo kiểu vòng tròn Nút chủ đầu tiên gửi một thông điệp đến nút 1, nói rằng nó có thể truyền tối đa một số khung hình tối đa Sau khi nút 1 truyền một số khung, nút chính cho nút 2 biết rằng nút 2 có thể truyền tối đa số khung (Nút chính có thể xác định khi nào một nút đã hoàn thành việc gửi các khung của nó bằng cách quan sát sự thiếu tín hiệu trên kênh.) Quy trình tiếp tục theo cách này, với nút chính thăm dò từng nút theo cách thức tuần hoàn

⮚ Ưu điểm: Giao thức bỏ phiếu giúp loại bỏ các xung đột và các khe trống gây ảnh hưởng đến các giao thức truy cập ngẫu nhiên Điều này cho phép việc thăm dò

ý kiến đạt được hiệu quả cao hơn nhiều

⮚ Nhược điểm: *Hạn chế đầu tiên là độ trễ thăm dò — lượng thời gian cần thiết

để thông báo cho một nút rằng nó có thể truyền Ví dụ: nếu chỉ có một nút đang hoạt động, thì nút đó sẽ truyền với tốc độ nhỏ hơn R bps, vì nút chính phải thăm dò lần lượt từng nút không hoạt động mỗi khi nút đang hoạt động đã gửi số khung tối đa của nó

*Hạn chế thứ hai là nếu nút chính bị lỗi, toàn bộ kênh sẽ không hoạt động Giao thức chuyển mã thông báo:

Trong giao thức này không có nút chính Một khung nhỏ được gọi là mã thông báo được trao đổi giữa các nút theo một số thứ tự cố định Ví dụ: nút 1 có thể luôn gửi mã thông báo đến nút 2, nút 2 có thể luôn gửi mã thông báo đến nút 3 và nút N có thể luôn gửi mã thông báo đến nút 1 Khi một nút nhận được mã thông báo, nó chỉ giữ mã thông báo nếu

nó có một số khung để truyền; nếu không, nó ngay lập tức chuyển tiếp mã thông báo đến nút tiếp theo Nếu một nút có khung để truyền khi nó nhận được mã thông báo, nó sẽ gửi tối đa số khung và sau đó chuyển tiếp mã thông báo đến nút tiếp theo

🡪 Việc chuyển mã thông báo được phân cấp và đạt hiệu quả cao

*Nhược điểm: - Sự cố của một nút có thể làm hỏng toàn bộ kênh

- Nếu một nút vô tình bỏ qua việc phát hành mã thông báo, thì một số quy trình khôi phục phải được gọi để mã thông báo lưu thông trở lại

2.2.4: DOCSIS: Giao thức lớp liên kết để truy cập Internet qua cáp

Một mạng truy nhập cáp thường kết nối vài nghìn modem cáp dân dụng với hệ thống kết cuối modem cáp (CMTS) ở đầu nối mạng cáp DOCSIS sử dụng FDM để chia các phân đoạn mạng downstream (CMTS tới modem) và upstream (modem tới CMTS) thành nhiều kênh tần số Mỗi kênh downstream có độ rộng từ 24 MHz đến 192 MHz, với thông lượng tối đa khoảng 1,6 Gbps trên mỗi kênh; mỗi kênh upstream có độ rộng kênh nằm trong khoảng từ 6,4 MHz đến 96 MHz, với thông lượng tối đa khoảng 1 Gbps Mỗi kênh upstream

và downstream là một kênh quảng bá Các khung hình được CMTS truyền trên kênh downstream được nhận bởi tất cả các modem cáp nhận kênh đó; vì chỉ có một CMTS duy nhất truyền vào kênh downstream, tuy nhiên, không có vấn đề đa truy cập Tuy nhiên, hướng ngược dòng thú vị hơn và thách thức về mặt kỹ thuật hơn, vì nhiều modem cáp chia

sẻ cùng một kênh ngược dòng (tần số) với CMTS, và do đó có thể xảy ra xung đột

Hình 2.14: Các kênh upstream và downstream giữa CMTS và modem cáp Như minh họa trong Hình 2.14, mỗi kênh ngược dòng được chia thành các khoảng thời gian (giống như TDM), mỗi khoảng chứa một chuỗi các khe cắm nhỏ trong đó modem cáp

có thể truyền đến CMTS CMTS cấp quyền rõ ràng cho các modem cáp riêng lẻ để truyền trong các khe cắm nhỏ cụ thể CMTS thực hiện điều này bằng cách gửi một thông báo điều khiển được gọi là thông điệp MAP trên một kênh downstream để chỉ định modem cáp nào (với dữ liệu để gửi) có thể truyền trong khe cắm nhỏ nào trong khoảng thời gian được chỉ định trong thông báo điều khiển Vì các khe cắm mini được phân bổ rõ ràng cho modem cáp, CMTS có thể đảm bảo không có đường truyền xung đột trong một khe cắm mini Các khung yêu cầu khe cắm mini này được truyền theo cách truy cập ngẫu nhiên và do đó có thể xung đột với nhau Một modem cáp không thể nhận biết liệu kênh ngược dòng có bận hay không cũng như không phát hiện được xung đột Thay vào đó, modem cáp thông báo rằng khung yêu cầu khe cắm nhỏ của nó đã gặp sự cố nếu nó không nhận được phản hồi cho phân bổ được yêu cầu trong thông báo điều khiển hạ nguồn tiếp theo Khi xung đột được suy ra, một modem cáp sử dụng dự phòng hàm mũ nhị phân để trì hoãn việc truyền lại khung yêu cầu khe cắm nhỏ của nó đến một khe thời gian trong tương lai Khi có ít lưu lượng truy cập trên kênh ngược dòng, modem cáp có thể thực sự truyền các khung dữ liệu

trong các khe được chỉ định danh nghĩa cho các khung yêu cầu khe cắm mini (và do đó tránh phải chờ chuyển nhượng khe cắm mini)

Do đó, mạng truy cập cáp đóng vai trò quan trọng đối với các giao thức đa truy cập: FDM, TDM, giao thức truy cập ngẫu nhiên và các khe thời gian được phân bổ tập trung tất cả trong một mạng

2.3 Mạng cục bộ chuyển mạch

Nghiên cứu về các mạng LAN chuyển mạch bằng cách đầu tiên đề cập đến việc định địa chỉ lớp liên kết (Phần 6.4.1) Sau đó, kiểm tra giao thức mạng nhiệt nổi tiếng (Phần 6.4.2) Sau khi kiểm tra địa chỉ lớp liên kết và Ethernet, chúng ta sẽ xem xét cách các bộ chuyển mạch lớp liên kết hoạt động (Phần 6.4.3), sau đó xem (Phần 6.4.4) cách các bộ chuyển mạch này thường được sử dụng để xây dựng mạng LAN quy mô lớn

Hình 2.15: Một mạng tổ chức được kết nối với nhau bằng bốn thiết bị chuyển mạch

2.3.1 Địa chỉ lớp liên kết và ARP

Máy chủ và bộ định tuyến có địa chỉ lớp liên kết, cũng có địa chỉ lớp mạng Tại sao trên thế giới chúng ta cần có địa chỉ ở cả lớp mạng và lớp liên kết? Ngoài việc mô tả cú pháp và chức năng của địa chỉ lớp liên kết, trong phần này bọn mình hy vọng sẽ làm sáng

tỏ lý do tại sao hai lớp địa chỉ lại hữu ích và trên thực tế, không thể thiếu bọn mình cũng

sẽ đề cập đến Giao thức phân giải địa chỉ (ARP), cung cấp cơ chế dịch địa chỉ IP sang địa chỉ lớp liên kết

2.3.1.1 Khái niệm địa chỉ MAC

Trên thực tế, không phải máy chủ và bộ định tuyến có địa chỉ lớp liên kết mà là bộ điều hợp của chúng (nghĩa là giao diện mạng) có địa chỉ lớp liên kết Do đó, một máy chủ hoặc

bộ định tuyến có nhiều giao diện mạng sẽ có nhiều địa chỉ lớp liên kết được liên kết với nó, giống như nó cũng sẽ có nhiều địa chỉ IP được liên kết với nó

Hình 2.16: Mỗi giao diện kết nối với mạng LAN có một địa chỉ MAC duy nhất

Đối với hầu hết các mạng LAN (bao gồm Ethernet và mạng LAN không dây 802.11), địa chỉ MAC dài 6 byte, tạo ra 248 địa chỉ MAC khả dụng Như trong Hình 6.16, các địa chỉ 6 byte này thường được biểu thị bằng ký hiệu thập lục phân, với mỗi byte địa chỉ được biểu thị dưới dạng một cặp số thập lục phân Mặc dù địa chỉ MAC được thiết kế để tồn tại vĩnh viễn, nhưng giờ đây có thể thay đổi địa chỉ MAC của bộ điều hợp thông qua phần mềm

Một thuộc tính thú vị của địa chỉ MAC là không có hai bộ điều hợp nào có cùng địa chỉ, vì các bộ điều hợp được sản xuất ở nhiều quốc gia bởi nhiều công ty Vì vậy chúng ta

có IEEE quản lý không gian địa chỉ MAC Khi một công ty muốn sản xuất bộ điều hợp, họ

sẽ mua một phần không gian địa chỉ bao gồm 224 địa chỉ với một khoản phí nhỏ IEEE phân bổ đoạn 224 địa chỉ bằng cách cố định 24 bit đầu tiên của địa chỉ MAC và cho phép công ty tạo ra các kết hợp duy nhất của 24 bit cuối cùng cho mỗi bộ điều hợp

Địa chỉ MAC của bộ điều hợp có cấu trúc phẳng (trái ngược với cấu trúc phân cấp) và không thay đổi cho dù bộ điều hợp đi đến đâu Máy tính xách tay có giao diện

Ethernet luôn có cùng một địa chỉ MAC, bất kể máy tính đó đi đâu Điện thoại thông minh

có giao diện 802.11 luôn có cùng một địa chỉ MAC, bất kể điện thoại thông minh đó đi đâu