Bài giảng Thông tin dữ liệu và mạng máy tính - Chương 5: Mạng cục bộ

Bài giảng thông tin dữ liệu và mạng máy tính Chương 5: Mạng cục bộ ĐH Kỹ thuật Công nghệ Trang 95 Chương 5: MẠNG CỤC BỘ 5.1. Tổng quan về mạng máy tính: Mạng máy tính là tập hợp các máy tính, các thiết bị ngoại vi được kết nối với nhau thông qua các phương tiện truyền dẫn như cáp, sóng điện từ, sóng hồng ngoại, giúp cho các thiết bị này có thể trao đổi dữ liệu với nhau một cách dễ dàng 5.1.1 Các loại mạng máy tính a./ Mạng LAN (Local Area Network): Là một nhóm các máy tính và các thiết bị truyền thông mạng được nối kết với nhau trong một khu vực nhỏ như một toà nhà, văn phòng, khuôn viên trường đại học, khu giải trí Mạng LAN thường là sở hữu riêng của một tổ chức nào đó. Do vậy, việc quản lý khai thác mạng hòan tòan tập trung, thống nhất Các mạng LAN thường có các đặc điểm sau đây : ƒ Tốc độ truyền cao, có thể đạt tới 100Mbps. Tỉ số lỗi trên mạng LAN thấp hơn nhiều so với mạng diện rộng. ƒ Băng thông lớn có khả năng chạy các ứng dụng trực tuyến như xem phim, hội thảo qua mạng. ƒ Kích thước mạng bị giới hạn bởi các thiết bị . ƒ Chi phí các thiết bị mạng LAN tương đối rẻ. ƒ Quản trị đơn giản. b./ Mạng MAN (Metropolitan Area Network): Mạng MAN gần giống như mạng LAN nhưng giới hạn của nó là một thành phố hay một quốc gia. Mạng MAN nối kết các mạng LAN lại với nhau thông qua các phương tiện truyền dẫn khác nhau (cáp quang, cáp đồng, sóng) và các phương thức truyền thông khác nhau. Đặc điểm của mạng MAN: ƒ Băng thông mức trung bình, đủ để phục vụ các ứng dụng cấp thành phố hay quốc gia như chính phủ điện tử, thương mại điện tử, các ứng dụng của các ngân hàng ƒ Do MAN nối kết nhiều LAN với nhau nên độ phức tạp cũng tăng đồng thời việc quản lý sẽ khó khăn hơn. ƒ Chi phí các thiết bị mạng MAN tương đối đắt tiền. c./ Mạng WAN (Wide Area Network): Mạng WAN bao phủ vùng địa lý rộng lớn, có thể là một quốc gia, một lục địa hay toàn cầu. Mạng WAN thường là mạng của các công ty đa quốc gia hay toàn cầu, điển hình là mạng Internet. Do phạm vi rộng lớn của mạng WAN nên thông thường mạng WAN là tập hợp các mạng LAN, MAN nối lại với nhau bằng các phương tiện như: vệ tinh, sóng viba, cáp quang, cáp điện thoại. Đặc điểm của mạng WAN : Bài giảng thông tin dữ liệu và mạng máy tính Chương 5: Mạng cục bộ ƒ Băng thông thấp, dễ mất kết nối, thường chỉ phù hợp với các ứng dụng online như: e-mail, web , ftp ƒ Phạm vi hoạt động rộng lớn không giới hạn. ƒ Do kết nối của nhiều LAN, MAN lại với nhau nên mạng rất phức tạp và có tính toàn cầu nên thường là các tổ chức quốc tế đứng ra qui định và quản lý. ƒ Chi phí cho các thiết bị và các công nghệ mạng WAN rất đắt tiền. 5.1.2 Các kiến trúc mạng (Topology): a./ Bus topology: Hình 5.1: Topology dạng bus b./ Ring topology: Hình 5.2: Topology dạng Ring c./ Star topology: Hình 5.3: Topology dạng sao d./ Hierarchical topology: Hình 5.4: Topology dạng phân cấp ĐH Kỹ thuật Công nghệ Trang 96 Bài giảng thông tin dữ liệu và mạng máy tính Chương 5: Mạng cục bộ e./ Mesh topology: Hình 5.5: Topology dạng lưới 5.1.3 Mô hình tham chiếu OSI (Open System Interconnection): - Là mô hình tương kết các hệ thống mở, được tổ chức ISO đề xuất từ năm 1977 và công bố lần đầu vào năm 1984. - Để các máy tính và các thiết bị mạng có thể truyền thông với nhau phải có những qui tắc được các bên chấp nhận. Mô hình OSI là một khuôn mẫu giúp chúng ta hiểu được dữ liệu đi xuyên qua mạng như thế nào, đồng thời giúp ta hiểu được các chức năng mạng diễn ra tại mỗi lớp. - Mô hình OSI có 7 lớp, mỗi lớp mô tả một phần chức năng độc lập. Sự phân chia lớp của mô hình này đem lại những lợi ích như sau: ƒ Chia hoạt động thông tin mạng thành những phần nhỏ hơn, đơn giản hơn để giúp ta dễ khảo sát và dễ tìm hiểu hơn. ƒ Chuẩn hoá các thành phần mạng để cho phép phát triển mạng từ nhiều nhà cung cấp sản phẩm. ƒ Ngăn chặn tình trạng sự thay đổi của một lớp làm ảnh hưởng đến các lớp khác Ỉ giúp mỗi lớp có thể phát triển độc lập và nhanh chóng hơn. - Mô hình tham chiếu OSI định nghĩa các qui tắc cho các nội dung sau: ƒ Các phương pháp để các thiết bị trên mạng khi nào thì được truyền dữ liệu, khi nào thì không được ƒ Cách thức các thiết bị giao tiếp và truyền thông được với nhau ƒ Các phương pháp để đảm bảo truyền đúng dữ liệu và đúng bên nhận ƒ Cách thức vận tải, truyền, sắp xếp và kết nối với nhau ƒ Cách thức đảm bảo các thiết bị mạng duy trì tốc độ truyền dữ liệu thích hợp. ƒ Cách biểu diễn một bit thiết bị truyền dẫn - Mô hình OSI được chia thành 7 lớp với các chức năng như sau: ƒ Application Layer ( lớp ứng dụng ): giao diện giữa ứng dụng và mạng ƒ Presentation Layer ( lớp trình bày ): thoả thuận khuôn dạng trao đổi dữ liệu. ƒ Session Layer ( lớp phiên ) : cho phép người dùùng thiết lập các kết nối. ƒ Transport Layer ( lớp vận chuyển ):đđảm bảo truyền thông giữa hai hệ thống. ƒ Network Layer ( lớp mạng ): định hướng dữ liệu truyền trong môi trường liên mạng. ĐH Kỹ thuật Công nghệ Trang 97 Bài giảng thông tin dữ liệu và mạng máy tính Chương 5: Mạng cục bộ ƒ Data link Layer (lớp liên kết dữ liệu ): xácđđịnh việc truy xuất đến các thiết bị. ƒ Physical Layer ( lớp vật lý ): chuyển đổi dữ liệu thành các bit và truyền đi. Hình 5.6: Mô hình tham chiếu OSI Hình 5.7: Quá trình truyền dữ liệu từ máy tính gởi đến máy tính nhận 5.2. Các phương pháp điều khiển truy nhập đường truyền vật lý: Phương pháp truy nhập đường truyền là tập hợp các quy tắc mà mọi trạm nối vào mạng phải tuân theo để đảm bảo rằng, đường truyền được truy nhập và sử dụng một cách tốt đẹp, nó quy định và điều khiển luồng dữ liệu trong mạng. 5.2.1 Thủ tục CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Acess / Collision Detect): - CSMA/ CD chỉ được dùng cho mạng Bus. Với cấu hình dạng này, tất cả các DTE được nối trực tiếp vào cùng một cáp, cáp này được dùng để truyền số liệu cho bất kỳ ĐH Kỹ thuật Công nghệ Trang 98 Bài giảng thông tin dữ liệu và mạng máy tính Chương 5: Mạng cục bộ một cặp DTE nào trên mạng này. Tổ chức họat động như vậy được gọi là làm việc theo chế độ đa truy cập. Khi có nhiều DTE cùng truy cập một đường truyền chung mà không có quy luật thì sẽ dẫn đến xung đột Ỉ dữ liệu sẽ bị sai. - CSMA/CD là một hệ luật chỉ rõ các hành động mà mỗi thiết bị mạng phải thực hiện khi có xung đột, hiện tượng xảy ra khi có một hoặc nhiều thiết bị cùng truyền dữ liệu tại một thời điểm. Hoạt động của CSMA/CD như sau: - Trước khi truyền dữ liệu, mỗi trạm sẽ kiểm tra phương tiện truyền dẫn để phát hiện lưu lượng mạng. Trạm sẽ gửi dữ liệu nếu đường truyền rỗi, nghĩa là không có lưu lượng mạng. Khi dữ liệu đã được gởi đi, các trạm khác muốn truyền phải đợi cho đến khi dữ liệu tới đích. Lúc này, đường truyền sẽ rỗi trở lại. - Tuy nhiên, vẫn có trường hợp cả 2 trạm hai cùng có nhu cầu truyền dữ liệu cùng lúc. Khi đó, cả hai đều kiểm tra và phát hiện thấy đường truyền rỗi nên truyền dữ liệu cùng lúc Ỉ xảy ra xung đột. Khi phát hiện thấy xung đột, trạm phát sẽ giải quyết đụng độ bằng cách phát tiếp một đọan bit để gây rối (jamping bit) nhằm thông báo cho tất cả các trạm khác biết tình trạng xung đột. Các trạm khi phát hiện tình trạng xung đột sẽ chờ một khoảng thời gian ngẫu nhiên trước khi thử truyền lại dữ liệu. Nếu sau khoảng thời gian này lại phát hiện thấy xung đột thì các máy tính lại phải đợi thêm một khoảng thời gian ngẫu nhiên khác với khoảng chọn ngẫu nhiên được mở rộng hơn. Hình 5.8: Họat động của CSMA/ CD ĐH Kỹ thuật Công nghệ Trang 99 Bài giảng thông tin dữ liệu và mạng máy tính Chương 5: Mạng cục bộ Lưu đồ xử lý đụng độ trong quá trình truyền dữ liệu Hình 5.9: Lưu đồ xử lý đụng độ trong quá trình truyền dữ liệu 1. Một máy muốn truyền dữ liệu 2. Có tín hiệu cảm nhận sóng mang không? 3. Đóng gói dữ liệu thành khung (frame) 4. Bắt đầu truyền 5. Kiểm tra có đụng độ không? 6. Tiếp tục truyền 7. Quá trình truyền đã kết thúc chưa? 8. Kết thúc truyền 9. Phát tín hiệu báo kẹt đường truyền (truyền một tín hiệu nhồi – jam sequence) 10. Chờ một khỏang thời gian ngẫu nhiên 11. Thời gian ngẫu nhiên quá lớn 12. Có quá nhiều đụng độ, hủy bỏ việc truyền dữ liệu 13. Tính toán giải thuật backoff 14. Đợi t μs, rồi truyền lại 5.2.2 Thủ tục truyền Token (Token passing protocols): - Một phương pháp khác cũng nhằm truy xuất vào môi trường chia sẻ là phương pháp dùng Token điều khiển. Token này được chuyển từ một trạm sang một trạm khác tùy vào quy tắc được định nghĩa, và được tất cả các trạm nối vào môi trường hiểu và tuân theo. Một trạm bất kỳ chỉ có thể truyền dữ liệu khi đang nắm giữ thẻ token, sau khi đã truyền xong frame, nó chuyển Token đi sang trạm kế tiếp để cho phép trạm khác truy cập vào môi trường truyền. Tuần tự họat động như sau: + Trước hết một vòng luận lý được thiết lập để liên kết tất cả các trạm nối vào môi trường vật lý này, và một Token điều khiển được tạo ra. + Token này được chuyển từ trạm này sang trạm khác xung quanh vòng luận lý cho tới khi có một trạm đang đợi truyền lấy quyền điều khiển. + Sau đó, trạm đang đợi truyền sẽ truyền các frame của nó qua môi trường vật lý này. Sau khi kết thúc việc truyền, nó sẽ chuyển Token điều khiển đến một trạm khác trong vòng luận lý. - Môi trường vật lý không nhất thiết phải là topo dạng ring, một Token cũng có thể được dùng để điều khiển truy xuất vào một mạng bus. Sự thiết lập vòng luận lý trên 2 lọai mạng bus và ring được trình bày như sau: ĐH Kỹ thuật Công nghệ Trang 100 Bài giảng thông tin dữ liệu và mạng máy tính Chương 5: Mạng cục bộ a./ b./ Hình 5.10 : Điều khiển truy xuất môi trường bằng Token điều khiển a./ Token ring b./ Token bus ™ Token ring: sử dụng dạng vòng ring, vòng ring còn được gọi là vòng logic. Tuy nhiên, hình dạng vật lý của mạng Token ring lại có dạng hình sao, trong đó mỗi máy được nối vật lý tới mỗi máy khác. Hình 5.11: Một Token Ring ĐH Kỹ thuật Công nghệ Trang 101 Bài giảng thông tin dữ liệu và mạng máy tính Chương 5: Mạng cục bộ Phương pháp truy nhập đường truyền sử dụng trong mạng Token ring là chuyển thẻ bài (Token passing). Thẻ bài là một dãy bit đặc biệt được chuyển vòng quanh mạng. Máy tính nào nắm giữ thẻ bài thì có quyền truyền dữ liệu. Khi bật máy tính đầu tiên trên mạng Token ring thì thẻ bài được tạo ra. Sau đó, thẻ bài được chuyển vòng quanh tới mỗi máy trên vòng ring cho tới khi có một máy tính lấy quyền điều khiển thẻ bài. Khi máy tính đã nắm giữ thẻ bài, nó gởi một khung dữ liệu tới mạng. Khung này được chuyển quanh vòng ring cho tới khi nó đến được máy tính có địa chỉ khớp với địa chỉ đích của khung. Khi đó, khung được máy đích sao chép và đánh dấu là dữ liệu đã tới đích. Tiếp theo, khung lại được chuyển quanh vòng ring tới khi nó trở về máy tính nguồn. Lúc này, quá trình truyền dữ liệu được xác nhận là thành công và khung bị xóa. Cuối cùng, máy tính nguồn gởi một thẻ bài mới tới mạng và lúc này các máy tính khác cũng có thể truyền dữ liệu. Các mạng Token ring thường họat động ở tốc độ 4Mbps hoặc 16Mbps. Nĩ cũng cĩ thể hoạt động ở tốc độ 100Mbps. ™ FDDI (Fiber Distributed Data Interface): FDDI cung cấp kết nối tốc độ cao cho nhiều lọai mạng khác nhau. FDDI được thiết kế cho các máy tính cần tốc độ lớn hơn 10Mbps của Ethernet hoặc 16 Mbps của Token ring. Một mạng FDDI gồm 2 luồng dữ liệu tương tự chạy ngược nhau trên 2 vòng ring, một Ring là Ring chính và một Ring là Ring phụ. Nếu có sự cố trên Ring chính, chẳng hạn như lỗi Ring hoặc cáp bị đứt thì dữ liệu được gởi trên vòng Ring phụ để quá trình truyền được liên tục. Giống Token Ring, mạng FDDI cũng sử dụng phương pháp truy nhập chuyển thẻ bài. Tuy nhiên, một máy trên mạng FDDI có thể truyền nhiều gói dữ liệu trong khỏang thời gian giữ thẻ bài được xác định bởi bộ đếm giữ thẻ bài. Sau khi bộ đếm này hết hạn, thẻ bài phải được giải phóng, do máy tính không phải giải phóng thẻ bài trước khi bộ đếm giữ thẻ bài hết hạn nên tại một thời điểm có nhiều gói dữ liệu cũng di chuyển trên mạng . Kiểu chuyển thẻ bài này hiệu quả hơn kiểu chuyển thẻ bài Token Ring (kiểu mà chỉ cho phép một gói dữ liệu di chuyển trên mạng tại một thời điểm). Phương tiện truyền dẫn trong FDDI là cáp quang, cho phép truyền dữ liệu ở tốc độ từ 155 ÷ 622Mbps. 5.3 Các chuẩn của mạng cục bộ (LAN standards) 5.3.1 Giới thiệu: Hình 5.12: LAN so sánh với mô hình OSI ĐH Kỹ thuật Công nghệ Trang 102 Bài giảng thông tin dữ liệu và mạng máy tính Chương 5: Mạng cục bộ IEEE (Institude of Electrical and Electronic Engineers) là tổ chức đi tiên phong trong lĩnh vực chuẩn hóa mạng cục bộ với đề án IEEE 802 nổi tiếng bắt đầu triển khai từ 1980. Dự án 802 không tìm cách thay thế bất kỳ phần nào của mô hình OSI, nó chỉ tìm cách làm rõ các chức năng của lớp vật lý, liên kết dữ liệu và một chút mở rộng cho lớp mạng để cho phép sự nối lẫn của những nghi thức LAN chính. Quan hệ của dự án IEEE đối với mô hình OSI được trình bày như hình 5.11, IEEE đã chia lớp liên kết dữ liệu thành 2 lớp phụ: Logical Link Control (LLC) và Medium Access Control (MAC) 5.3.2 IEEE 802.3 : chuẩn của mạng CSMA/CD - IEEE 802.3 là chuẩn đặc tả một mạng cục bộ dựa trên mạng Ethernet nổi tiếng do Digital, Intel và Xerox hợp tác phát triển từ năm 1980. Ethernet sử dụng phương pháp truy nhập có tên đa truy nhập cảm nhận sóng mang có phát hiện xung đột CSMA/ CD. - Các chuẩn ethernet họat động ở tốc độ 10Mbps, các phiên bản mới là Fast ethernet họat động ở tốc độ 100Mbps và Gigabit ethernet họat động ở tốc độ 1GMbps - Cấu trúc khung của chuẩn IEEE 802.3: Hình 5.13 Khuôn dạng khung tổng quát của IEEE 802.3 + Preamable: phần mở đầu có chiều dài 7 byte, mỗi byte có dạng 10101010 để thông báo cho phía thu biết có khung dữ liệu đang đến để thiết lập đồng bộ bit. + SFD (Start Frame Delimiter): gồm 1 byte 10101011, chỉ ra điểm bắt đầu của gói dữ liệu. + DA (Destination Address): có chiều dài 6 byte. Địa chỉ này có thể là địa chỉ đơn hướng, đa hướng hoặc quảng bá. Địa chỉ đơn hướng còn được gọi là địa chỉ điểm – điểm chính là địa chỉ MAC. Địa chỉ đích luôn được viết dưới dạng Hexa. + SA (Source Address): cũng gồm 6 byte, chứa địa chỉ vật lý đơn hướng dạng hexa của thiết bị nguồn. + Length: 2 byte cho biết độ dài của field chứa số liệu _LLC data + Data: chứa dữ liệu thông tin do giao thức tầng trên đưa xuống, kích thước phần dữ liệu tối đa là 1500byte. + Pad: các byte được thêm vào để đảm bảo rằng frame là đủ kích thước tối thiểu để có thể phát hiện xung đột chính xác. + FSC: phần tổng kiểm tra khung, có chiều dài tối đa là 4 byte, được sử dụng để kiểm tra lỗi ở mức luồng bit cho tất cả các vùng (trừ Preamable. SFD và bản thân FSC) - Trong chuẩn 802.3, IEEE định nghĩa lọai cáp, các kết nối, và tín hiệu được dùng trong từng lọai khác nhau của ethernet như sau: ĐH Kỹ thuật Công nghệ Trang 103 Bài giảng thông tin dữ liệu và mạng máy tính Chương 5: Mạng cục bộ ¾ Các đặc tả IEEE 802.3 có tốc độ 10Mbps (Ethernet) + 10Base5: dùng cấu hình bus, tín hiệu dải nền, có chiều dài tối đa là 500m, sử dụng cáp đồng trục lọai dày. Chiều dài của mạng có thể được mở rộng bằng cách dùng các Repeater hoặc Bridge. Để giảm xung đột không nên dùng quá 5 đọan tức 2500m, như vậy có tối đa là 1000 trạm, và yêu cầu mỗi trạm cách nhau 2.5m. + 10Base2: dùng cấu hình bus, có chiều dài tối đa là 200m (≈185m), có số trạm kết nối ít hơn so với 10Base5, sử dụng cáp đồng trục lọai mỏng. + 10Base-T: dùng cấu hình dạng sao, sử dụng cáp xoắn đôi UTP, chiều dài tối đa là 100m. + 10Base-F: dùng cáp quang. Chuẩn này gồm 3 đặc tả chính: ƒ 10Base-FL (Link): định nghĩa một liên kết điểm nối điểm, có thể nối các trạm và các repeater cách xa nhau đến 2km ƒ 10Base-FB (Backbone): định nghĩa một liên kết điểm nối điểm, có thể nối các repeater cách xa nhau đến 2km ƒ 10Base-FP (Passive): một cấu hình passive – star để liên kết các trạm và các repeater cách xa nhau 1km trên một segment. + 1Base5: tốc độ 1Mbps, dùng cáp UTP với phạm vi tín hiệu lên tới 500m ¾ Các đặc tả IEEE 802.3 có tốc độ 100Mbps (Fast Ethernet) Hình 5.14: Các lọai của Fast Ethernet + 100Base-X: dùng 2 liên kết vật lý giữa node; một dùng cho truyền và một dùng cho nhận. Chuẩn này chia làm 2 lọai sau: ƒ 100Base-TX: dùng 2 cặp cáp xoắn, một cặp dùng cho phát và một cặp dùng cho thu. Có thể dùng UTP hay STP Khỏang cách từ trạm đến hub (hay switch) không được quá 100m. ƒ 100Base-FX: dùng 2 sợi cáp quang, một cho phát và một cho thu. Khoảng cách từ trạm đến hub (switch) nên bé hơn 2000m + 100Base-T4: Có 4 cặp dây cáp xoắn UTP được dùng, 2 cặp dây dùng 2 chiều, 2 cặp dây còn lại dùng truyền một chiều. Như vậy, mỗi chiều có 3 cặp dây dùng cùng một lúc để mang dữ liệu. Bởi vì dữ liệu 100Mbps ĐH Kỹ thuật Công nghệ Trang 104 Bài giảng thông tin dữ liệu và mạng máy tính Chương 5: Mạng cục bộ ĐH Kỹ thuật Công nghệ Trang 105 không thể quản lý bởi cáp điện thọai UTP, quy định chia luồng 100Mbps thành 3 luồng 33.66Mbps. ¾ Các đặc tả IEEE 802.3 có tốc độ 1Gbps (Gigabit Ethernet): 100Base –LX, 100Base –SX, 100Base –CX và 1000Base – T. 5.3.3 IEEE 802.5 : chuẩn của mạng Token Ring: 5.3.4