Bài giảng Mạng máy tính - Chương 2: Chuẩn Ethernet

CHƯƠNG II: CHUẨN ETHERNET 2.1 Giới thiệu 2.2 Mạng Ethernet 2.3 Các thiết bị liên mạng 2.1 GIỚI THIỆU 2.1.1 Kiến trúc 2.1.2 Nguyên tắc hoạt động 2.1.3 Khung Ethernet Lịch sử • 1970’s: CSMA/CD phát triển tại Đại học Hawaii • 1980’s: Thử nghiệm Ethernet đầu tiên ở Xerox PARC • 1985, DIX Ethernet Version 2.0 / tương thích với IEEE 802.3 • 1995, IEEE công bố chuẩn cho 100-Mbps Ethernet. • 1998 và 1999. Gigabit ethernet 2.1.1 Kiến trúc Ethernet –Tầng vật lý •Media (đường truyền) •Mã hóa đường truyền (Manchester Code) –Tầng liên kết dữ liệu •MAC (liên lạc các thành phần vật lý & quản lý truyền/nhận dữ liệu giữa 2 máy  địa chỉ MAC) •LLC (quản lý luồng dữ liệu ở tầng 2 & cài đặt SAP). LLC độc lập với phần cứng IEEE 802 Model (1) (3) (4) (5) (6) (7) (2) 802.2 Logical Link Control (LLC) Media Access Control (MAC) Physical Signaling sublayer Media Specifications 802.1 High-level interface 8 0 2 .3 E th e rn e t Ethernet • IEEE 802.3 – Chuẩn LAN phổ biến nhất – Hỗ trợ topology Bus & Star • Phân loại: 2|5|T – 10Base2 (thin coaxial, max. 2 segments of 185m, 30nodes/seg.) – 10Base5 (thick coaxial, max. 5 segments of 500m, 100nodes/seg.) – 10BaseT (twisted-pair) • Các vấn đề cần giải quyết – Định danh các nút mạng – Truy nhập cạnh tranh vào đường truyền – Chuyển đổi dữ liệu  tín hiệu đường truyền – Truyền thông tin giữa hai nút mạng – Phát hiện lỗi & kiểm soát lỗi 10Base5 10Base2 10BaseT A B C D E F đụng độ !!! MAC - Quản lý truy nhập đường truyền• CSMA – Tiếp cận xác suất – Sóng mang (Carrier Sense ~ Manchester Code) – “Nghe” trạng thái đường truyền trước khi truyền  Listen Before Talk – Đụng độ có thể xảy ra do độ trễ truyền dẫn • CSMA/CD – Phát hiện đụng độ (Collision)  Listen While Talk – Giải quyết đụng độ với Backoff 32 - 48 bits (010101...) Giải quyết đụng độ với CSMA/CD JAM • Đụng độ: – dừng truyền Data – duy trì truyền dữ liệu với mẫu JAM • Đảm bảo 2 trạm cùng phát hiện đụng độ • Thông báo cho các trạm khác Thuật toán CDMA/CD 1: Yêu cầu truyền dữ liệu 2: Đường truyền bận ? 3: Tổ chức data thành Frame 4: Truyền Frame 5: Có đụng độ ? 6: Tiếp tục truyền 7: Hết dữ liệu cần truyền ? 8: Kết thúc 9: Truyền tín hiệu JAM 10: Tăng số_lần 11: số_lần > Max SỐ_LẦN 12: Lỗi !!! 13: Tính toán khoảng thời gian backoff = t 14: Delay(t) 2.1.3 Khung Ethernet –Preamble (mở đầu) •7/8 bytes: 1010101010 1010101010 1010101010 1010101010 1010101010 1010101010 1010101010 •Thông báo bắt đầu một frame & đồng bộ hóa thời gian giữa các trạm –Start of Frame Delimeter •1010101011 •Thông báo bắt đầu một frame –Dest. & Source Address •Địa chỉ MAC của máy nhận & gửi •11..11: địa chỉ broadcast –Length/Type •< 0x6 0 ( 536)  length (số bytes trong phần Data) •>= 0x600  Type (protocol tầng trên) –Data (~ LLC Frame) •46 – 1500 bytes dữ liệu •LLC Frame size < 46: chèn thêm các bits để Data size = 46 –FCS: mã kiểm tra lỗi (CRC) Các thông số của MAC & mục đích • Frame size (62 – 1526 bytes) – Lớn quá: dễ xảy ra lỗi đường truyền – Nhỏ quá: đụng độ xảy ra sau khi 2 trạm đã kết thúc truyền  Tối ưu: frame đủ dài để khi bit đầu tiên đã đi đến “tận cùng” của mạng thì bit cuối cùng vẫn chưa được truyền • Khoảng thời gian backoff (tính toán random) – Nhỏ quá hoặc giống nhau cho mọi trạm: đụng độ tiếp tục xảy ra – Lớn quá: lãng phí đường truyền • Interframe spacing (96 bit-time) – Khoảng cách giữa 2 frame – Nhỏ quá: trạm nhận không kịp xử lý frame trước đó – Lớn quá: lãng phí đường truyền t Frame 2 Frame 1 Interframe space CHƯƠNG II: CHUẨN ETHERNET 2.1 Giới thiệu 2.2 Mạng Ethernet 2.3 Các thiết bị liên mạng 2.2 MẠNG ETHERNET 2.2.1 Thicknet 2.2.2 Thinnet 2.2.3 Twisted Pair Ethernet 2.2.4 Fast Ethernet 2.2.5 Giga Ethernet Kiến trúc chung 2.2.1 Thicknet Nối cáp Mở rộng mạng dùng bộ lặp lại Các tham số và luật 10BASE5 • Bus topology. 10 Mbps Baseband (không hỗ trợ full-duplex). • Mã hóa Manchester • Độ dài cực đại một segment 500 m. • 100 trạm được nối đến segment 10Base5 . • Khoảng cách nhỏ nhất giữa các transceivers là 2.5 m. • Độ dài lớn nhất của cap AUI transceiver là 50m. • Terminator 50 ohm được sử dụng 2 đầu . • Áp dụng luật 5-4-3 rule . Vì vậy độ dài cáp cực đại là 2.5 km. 2.2.2 Thinnet Nối cáp Mở rộng mạng dùng bộ lặp lại Các tham số và luật 10BASE2 • Bus topology. 10 Mbps Baseband (không hỗ trợ full- duplex). • Mã hóa Manchester. • Độ dài segment cực đại 185 m. • Số nút cực đại trên một segment 30 • NIC's nối trực tiếp vào mạng qua T-connector. • Khoảng cách tối thiểu giữa 2 Tconnectors là 0.5m. • Dùng hai terminator 50 ohm hai đầu, một đầu tiếp đát. • Mở rộng mạng dùng luật 5-4-3 . Độ dài lớn nhất 925 meters. 2.2.3 Twisted Pair Ethernet Nối cáp Mở rộng mạng Các tham số và luật 10BASE-T • Star topology dùng HUB. 10Mbps Baseband. Loại cáp : UTP 3,4,5 • Dùng mã hóa Manchester . • Transceiver Trên máy • 2 thiết bị trên mỗi segment • Độ dài cực đại mỗi phân đoạn 100m • Số các nút cực đại trên mạng 1024 Công nghệ Ethernet 10Mbps • 10BASE5, 10BASE2, 10BASE-T. • Khỏang Bit : 100ns. • Khe thời gian : 512 khoảng bit. • Mã hóa : Manchester • Cùng khuôn dạng khung • Luật 5-4-3 Ví dụ mã hóa Manchester Ethernet 10Mbps (tiếp.) Standard Topology Medium Maximum cable length Transport 10BASE5 Bus Thick coaxial cable 500m Half-duplex 10BASE2 Bus Thin coaxial cable 185m Half-duplex 10BASE-T Star CAT3 UTP 100m Half / Full- duplex 2.2.4 Fast Ethernet (100Mbps ) • 100BASE-TX, 100BASE-FX • Khoảng bit: 10ns • Khe thời gian: 512 khoảng bit. • Khuôn dạng khung giống như khung 10-Mbps • Mã hóa : 4B/5B • Topology: sao • Bán song công hoặc song công toàn phần 100BASE-TX và 100BASE-FX Standard Medium Maximum cable length Encoding 100BASE-TX CAT5 UTP 100m MLT-3 100BASE-FX Multi-mode fibre (MMF) 412m NRZI 2.2.5 Giga Ethernet (1000 Mbps) • Khoảng bit: 1ns • Khe thời gian: 4096 khoảng bit . • Khung có cùng khuôn dạng đã được dùng cho Ethernet 10 and 100-Mbps . • Sự khác biệt của Ethernet chuẩn, Fast Ethernet và Gigabit Ethernet xuất hiện ở tầng vật lý! 1000BASE - T • Phương tiện truyền: CAT5 UTP. • Mã hóa đường 4D-PAM5 . • 1000BASE-T hỗ trợ cả song công và bán song công. 1000BASE-SX và LX • Phương tiện truyền: – 1000BASE – SX: laser bước sóng ngắn 850nm . – 1000BASE – LX: laser bước sóng dài 1310nm . • Sử dụng mã hóa 8B/10B biến đổi thành mã hóa (NRZ) . • Song công toàn phần Kiến trúc Gigabit Ethernet CHƯƠNG II: CHUẨN ETHERNET 2.1 Giới thiệu 2.2 Mạng Ethernet 2.3 Các thiết bị liên mạng 2.3 CÁC THIẾT BỊ LIÊN MẠNG 2.3.1 Cầu (Bridge) 2.3.2 Chuyển mạch(Switch) 2.3.3 Bộ chọn đường (Router) 2.3.4 Cổng nối (Gateway) Kết nối các mạng cục bộ • Cho phép – Kết nối các mạng cục bộ công nghệ khác nhau – Tránh tắc nghẽn mạng – Tăng khoảng cách giữa hai trạm • Bằng cách – Lọc thông tin lưu chuyển trên mỗi mạng cục bộ – Thiết lập các liên kết vật lí, logíc giữa các mạng cục bộ • Trong khuôn khổ – Một doanh nghiệp – MAN, WAN, .... Các thiết bị Ethernet • Repeater • Hoạt động ở tầng 1 • khuếch đại tín hiệu từ 1 cổng sang cổng khác để kết nối 2 segments • Bộ chia (HUB ) • Hoạt động ở tầng 1 • Broadcast tín hiệu từ 1 cổng sang tất cả các cổng khác • Cầu (Bridge) • Hoạt động ở tầng 2 • Cung cấp một liên kết giữa hai LAN một cách trong suốt, lọc thông tin theo địa chỉ MAC • Chuyển đổi các frame từ một network/segment sang một network/segment khác •Chuyển mạch (Switch ) •Hoạt động ở tầng 2 •Cầu với nhiều đầu vào •Căn cứ vào địa chỉ MAC của frame để switch sang cổng phù hợp •Bộ chọn đường (routers) •Hoạt động ở tầng 3 •Chọn đường bằng địa chỉ mạng 2.3.1 Cầu (Bridge) • Thực hiện một liên kết giữa hai mạng cục bộ • Lưu trữ riêng rẽ địa chỉ MAC của các trạm thuộc mạng phải và trái • Theo dõi các frame lưu chuyển ở cả hai bên mạng • Với những frame cần chuyển giữa 2 mạng, lưu trữ và chuyển sang mạng cần thiết • Sử dụng trong – Ethernet-Ethernet (thông dụng) – Ethernet-Token Ring (khó và hiếm, cần chuyển đổi giữa 2 giao thức) – Token Ring-Token Ring (hiếm) – Vấn đề: khi hai mạng không cùng tốc độ? Theo dõi gói tin mạng phải (trái) Địa chỉ đích nằm trong mạng trái (phải) Chuyển gói tin sang mạng trái Có Không Mạng phải Mạng trái MAC1 MAC4 MAC2 MAC5 MAC3 MAC6 Cầu- kết nối dự trữ • Thông thường các cầu tạo ra một cây (vì sao?) • Một số cầu dự trữ có thể được sử dụng • Cầu dự trữ ở trong trạng thái chờ (vì sao) • Khi có lỗi trên một cầu khác, cầu sẽ được sử dụng • Sẽ có cơ chế tính lại cây bao phủ 2.3.2 Bộ chuyển mạch (Switch) • Có nhiều đầu vào, có khả năng tạo cầu giữa hai đầu vào bất kỳ. • Hỗ trợ các thuật toán tạo cây bao phủ • Có thể tạo nhiều cầu cùng một lúc (phân tải, tăng giải thông) • Có thể hỗ trợ nhiều tốc độ 10,100,1000 Mbps • Hoạt động – Ghi nhận MAC của nguồn và cổng vào vào bảng chọn cổng – Chuyển frame theo MAC của đích theo bảng chọn đường Switch / hub Bộ chuyển mạch (Switch) Bộ chuyển mạch (Switch) • Lưu trữ tất cả các địa chỉ MAC đã đi qua và cổng phải chuyển vào • Khi gặp địa chỉ MAC chưa đăng ký, quảng bá ra tất cả các cổng • Nhiều luồng thông tin có thể cùng được điều khiển Bộ chuyển mạch trong thực tế Hạn chế của bộ chuyển mạch và cầu • Chỉ phục vụ liên kết LAN-LAN • Kich thước giới hạn của các bảng chọn đường, chuyển cổng • Địa chỉ MAC không chỉ ra được vị trí của card, nên phải lưu trữ tất cả các MAC tham gia vào hệ thống ở mỗi một thiết bị 2.3.3 Bộ chọn đường (Router) • Cần một địa chỉ cho mỗi trạm • Bộ chọn đường có thể chọn đường dựa vào địa chỉ đích mà không phải lưu trữ tất cả các địa chỉ • Lọc thông tin trên các kênh có giải thông yếu • Để làm như vậy cần phải – Tạo ra một địa chỉ với định danh • mạng • một máy trong mạng – Bộ chọn đường cần chọn đường mạng-mạng thay cho máy-máy. Bộ chọn đường • LAN 3: Token Ring, chỉ hỗ trợ khung đến 4096 byte • LAN 2 1538 byte • Khung chuyển từ 3 sang 2 cần phải được phân mảnh Chức năng của bộ chọn đường • Phân mảnh dữ liệu cho phù hợp với công nghệ mạng • Chuyển gói tin đi theo đường nhất định • Hợp các gói tin lại thành gói tin ban đầu • Mỗi Router có >=2 địa chỉ MAC, ứng với >=2 mạng • Router hoạt động ở tầng 3 2.3.4 GATEWAY • Gateway nối ghép hai loại giao thức với nhau. Ví dụ: giao thức IP sang giao thức IPX, Novell, DECnet, SNA • Gateway có thể phân biệt ứng dụng. Ví dụ chuyển thư điện tử từ mạng này sang mạng khác, chuyển đổi một phiên làm việc từ xa Chức năng gateway • Một nút mạng giao diện với mạng khác dùng các giao thức khác nhau chứa các thiết bị: dịch giao thức, phối hợp trở kháng, biến đổi tốc độ, cách ly lỗi, dịch tín hiệu. • Bộ biến đổi giao thức: biến đổi chồng giao thức này thành chồng giao thức khác Cổng nối giữa hai hệ điều hành Access Service Network Cổng nối cho mạng truy nhập di động theo chuẩn WIMAX Cổng nối cho CSDL phân tán Câu hỏi BÀI TẬP 1. Vai trò của BRIDGE, SWITCH, ROUTER, GATEWAY 2. Nếu sau đụng độ lần thứ 11 của CSMA/CD thì các thời điểm có thể truy nhập lại của các nút mạng là thế nào? 3. Chỉ ra các thành phần của một địa chỉ MAC 03-D4-62-77-8F- 16 4. Hãy nói về khung Ethernet khi trường Leng/type có giá trị 805H hay 2EH. 5. Số lượng nút mạng tối đa trên mạng mở rộng thinnet và thicknet? 6. Vì sao lại cần ràng buộc cự ly tối thiểu giữa các tranceiver (thicknet) và giữa các T-connector (thinnet)? 7. Hai nút A và B trên cùng một segment LAN dùng 10BASE-T. A muốn gửi 10MB dữ liệu cho B. Tính thời gian tối thiểu để truyền hết . Biết kích thước mỗi gói là cực đại cho phép.