›
›

Giáo trình Mạng căn bản - Chương 2: Mạng cục bộ-LAN

pdf 107 trang huongle 3940
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Mạng căn bản - Chương 2: Mạng cục bộ-LAN", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfgiao_trinh_mang_can_ban_chuong_2_mang_cuc_bo_lan.pdf

Nội dung text: Giáo trình Mạng căn bản - Chương 2: Mạng cục bộ-LAN

  1. Chương 2 Mạng cục bộ - LAN • Đặc trưng công nghệ của mạng LAN • Kiến trúc mạng cục bộ • Một số phương pháp điều khiển truy cập mạng • Công nghệ Ethernet và 802.3 • 802.5 – Token Ring • Mạng cục bộ mở rộng 1/108
  2. 3.1 Đặc trưng công nghệ 3.1.1 Định nghĩa LAN  Local Area Network  Đặc trưng công nghệ – Kích thước nhỏ: thời gian truyền trong mạng bị giới hạn và phải biết trước, nhờ đó có thể áp dụng một số cách thiết kế có hiệu quả cao đồng thời đơn giản hoá việc quản lý mạng. – Tốc độ truyền cao, 1 Mbps – 100 Mbps. – Không có quan hệ Master-Slave, các máy tính cộng tác trong việc điều khiển truy cập đường truyền chung – Phương thức trao đổi: connectionless, broadcast – Topology: bus, ring, star 2/108
  3. 3.1 Đặc trưng công nghệ 3.1.2 Các hình thức kết nối – Topology  Bus: Special case of tree, One trunk, no branches  Ring  Star  Tree = Hierarchical structured star 3/108
  4. 3.1 Đặc trưng công nghệ 3.1.2.1 Kết nối theo tuyến  Đường truyền chung; PCs, Printers v.v. nối với đường truyền chung bằng các giao diện phần cứng thích hợp - tap, các đơn vị điều khiển kết nối mạng cùng tham gia vào quá trình đk truy cập  Tín hiệu truyền trong toàn đoạn cáp kiểu broadcast, phải có terminator. 4/108
  5. 3.1 Đặc trưng công nghệ 3.1.2.1 Kết nối theo tuyến Nhận xét  Việc truyền không hướng nối (Connectionless)  Cần có thuật toán điều khiển truy cập môi trường truyền.  Đảm bảo tính chất điện của tín hiệu (signal balancing) khi có nhiều thiết bị phát đồng thời: – Tín hiệu không quá lớn gây hỏng – Tín hiệu không quá nhỏ không thu được – Phân biệt giữa tín hiệu và nhiễu – Chống nhiễu 5/108
  6. 3.1 Đặc trưng công nghệ 3.1.2.2 Kết nối theo vòng (Ring)  Các repeater nối với nhau kiểu point-to-point tạo thành 1 vòng khép kín. Repeater nhận data ở một đường truyền, sau đó phát lại nó lên đường truyền kia, từng bit một. Số liệu truyền trong ring theo một hướng. (Ring không thực sự là môi trường truyền khuếch tán )  Các thiết bị cuối kết nối với hệ thống truyền dẫn thông qua các bộ lặp (repeater). Nhiệm vụ của bộ lặp là kết nối ES vào dòng số liệu trên hệ thống truyền dẫn để: – thu và lặp lại số liệu (độ trễ ít nhất là 1 bit) – phát số liệu vào dòng số liệu chuyển tiếp và loại bỏ đi sau 1 vòng chuyển tiếp 6/108
  7. 3.1 Đặc trưng công nghệ 3.1.2.2 Kết nối theo vòng (Ring)  a) C truyền 1 frame có địa chỉ nhận là A  b) Khi frame đi qua B, nó không nhận vì địa chỉ nhận trong frame không phải là cho B  c) A copy frame vào bộ đệm và cho frame đi tiếp trong ring  Người gửi C thu lại frame khi nó trở về sau khi đi 1 vòng trong ring. 7/108
  8. 3.1 Đặc trưng công nghệ 3.1.2.2 Kết nối theo vòng (Ring)  Vì nhiều trạm chia sẻ một ring, nên cần phải có sự điều khiển truy cập môi trường truyền, để xác định mỗi trạm được phép truyền frame vào ring tại thời điểm nào Token (thẻ bài) được sử dụng. – Token là gói số liệu đặc biệt (một bit-pattern đặc biệt), token chạy vòng quanh ring ngay cả khi các trạm đều rỗi. – Khi một trạm muốn truyền một frame, nó phải giữ lấy token và lấy nó ra khỏi vòng trước khi truyền. Vì chỉ có một token nên mỗi thời điểm chỉ có một trạm có thể truyền, không xảy ra xung đột. 8/108
  9. 3.1 Đặc trưng công nghệ 3.1.2.2 Kết nối theo vòng (Ring) 9/108
  10. 3.1 Đặc trưng công nghệ 3.1.2.2 Kết nối theo vòng (Ring) FS field: dùng để thông báo trạng thái frame  A (Address recognized bits) = 1: thông báo địa chỉ đích của frame trùng với địa chỉ của 1 thiết bị mạng. Bên nguồn khi phát frame đặt các bit A và C bằng 0.  Bit C (Copied) =1: cho biết frame đã được copy.  Bit E (Error) =1: cho biết frame có lỗi (khi sao chép) 10/108
  11. 3.1 Đặc trưng công nghệ 3.1.2.2 Kết nối theo vòng (Ring)  Vấn đề cơ bản trong thiết kế và phân tích mạng token ring: độ dài vật lý của một bit.  Ring phải có thời gian trễ đủ chứa hết cả token chạy vòng quanh khi các trạm đều rỗi. Trễ có hai thành phần: trễ 1 bit do mỗi trạm gây ra và trễ lan truyền tín hiệu.  Thí dụ: Nếu tốc độ dữ liệu của ring là R Mbps thời gian phát 1 bit = 1/R s mỗi bit chiếm 200/R mét trong ring (vòng). Điều này có nghĩa là tại một thời điểm, ring 1 Mb/s với chu vi 1000 m chỉ có thể chứa được 5 bit. 11/108
  12. 3.1 Đặc trưng công nghệ 3.1.2.3 Kết nối có cấu trúc, phân cấp  Sử dụng Hub/Switch hoặc Bridge. 12/108
  13. 3.1 Đặc trưng công nghệ 3.1.2.3 Kết nối có cấu trúc, phân cấp  Hub (concentrator): copy tín hiệu đến từ 1 port sang tất cả các port khác. Hub hoạt động ở tầng vật lý, giống như Repeater. Passive hub: Chỉ thực hiện chức năng đơn giản như trên Active hub: Áp dụng công nghệ store & forward, nó ―nhìn‖ vào dữ liệu trước khi gửi đi tiếp, nhằm sửa một số lỗi của frame. Intelligent hub: Ngoài các đặc tính của active hub, nó được trang bị khả năng hỗ trợ việc quản trị mạng tập trung. 13/108
  14. 3.1 Đặc trưng công nghệ 3.1.2.3 Kết nối có cấu trúc, phân cấp  Bridges: Bridge được sử dụng để kết nối các mạng LAN khác nhau.  Có thể coi Bridge như "low-level router― bởi vì, về thực chất là thiết bị chuyển mạch gói hoạt động ở tầng Data link (dựa trên địa chỉ MAC).  Chức năng lọc frame  Chức năng forward frame  Thực hiện 2 chức năng trên dựa trên ―Bridge Table‖  Bridge làm cô lập miền xung đột giữa các LAN thông lượng tổng cộng của Backbone LAN cao hơn thông lượng của 1 LAN.  Bridge có thể kết nối các mạng LAN ở xa (Remote Bridge), cự ly không hạn chế. Next slice 14/108
  15. 3.1 Đặc trưng công nghệ 3.1.2.3 Kết nối có cấu trúc, phân cấp  A remote bridge: kết nối 2 mạng LAN qua 1 đường truyền dài (thường có tốc độ thấp), thí dụ telephone line. Khả năng hoạt động thông qua đường truyền dài là quan trọng hơn.  Local bridge: Kết nối 2 mạng LAN cạnh nhau. Hiệu suất là vấn đề quan trọng hơn. 15/108
  16. 3.1 Đặc trưng công nghệ 3.1.2.3 Kết nối có cấu trúc, phân cấp  Switch  Tương tự như Bridge, nhưng có nhiều port và có hiệu suất cao  Khác căn bản giữa Switch và Bridge:  Bridge có ít cổng (2-4), còn Switch có nhiều cổng, các cổng có thể hoạt động ở tốc độ khác nhau.  Bridge không có khả năng cho các kết nối đi qua đồng thời (simultaneous cross- segment connections), còn Switch thì có thể 16/108
  17. 3.1 Đặc trưng công nghệ 3.1.3 Môi trường truyền dẫn Các tham số đặc trưng của môi trường truyền dẫn trong mạng LAN  Các đặc tính vật lý: vật liệu tạo thành, cấu tạo, kích thước vật lý  Các đặc trưng truyền dẫn: dải tần, bandwidth, kỹ thuật điều chế tín hiệu số, kỹ thuật điều chế tín hiệu tương tự.  Kiểu kết nối: point-to-point, point-to-multipoint, broadcast  Khoảng cách vật lý  Độ nhiễu, độ suy giảm tín hiệu  Giá 17/108
  18. 3.1 Đặc trưng công nghệ 3.1.3.1 Cáp xoắn  2 loại: TP (Twisted-Pair) và UTP (Unshielded Twisted-Pair).  TP có 5 loại (Category) chính sau:  CAT1: dây điện thoại (<1980), không dùng để truyền dữ liệu.  CAT2: dùng để truyền dữ liệu với tốc độ tới 4 Mbps. Thường dùng trong các mạng token chạy với tốc độ 4 Mbps.  CAT 3: thường được dùng trong Ethernet 10base-T LANs kiểu cũ, chạy ở tốc độ 10 Mbps.  CAT 4: thường dùng trong các mạng token 10Base-T / 100Base- T. CAT4 bao gồm 4 đôi dây được xoắn lại, chạy được ở tốc độ 16 Mbps, tốc độ truyền cao nhất là 20 Mbps.  CAT 5 : loại cáp Ethernet phổ biến nhất, có khả năng truyền 100 Mbps và sử dụng cho các mạng 100base-T and 10base-T. 18/108
  19. 3.1 Đặc trưng công nghệ 3.1.3.2 Cáp đồng trục  Loại 50  (3/8‖): thường được dùng để truyền tín hiệu số  Loại 75  (1/2‖): cáp truyền hình, dải thông rộng hơn cáp 50   Bandwidth của cáp đồng trục phụ thuộc vào: chất lượng cáp, chiều dài cáp, SNR (Signal to Noise Ratio) của tín hiệu số liệu. 19/108
  20. 3.1 Đặc trưng công nghệ 3.1.3.3 Cáp quang  Cấu tạo vật lý  Lõi: thuỷ tinh hoặc chất dẻo  Lớp vỏ quanh lõi tạo khúc xạ toàn phần  Lớp vỏ bảo vệ  Nguồn sáng  LED – the Light Emitting Diode: rẻ hơn, miền nhiệt độ làm việc rộng hơn, tuổi thọ cao hơn.  ILD – the Injection Laser Diode: hiệu quả hơn, có thể đạt tốc độ truyền cao hơn. 20/108
  21. 3.1.3.3 Cáp quang 3.1 Đặc trưng công nghệ  Các loại cáp quang  Step-index Multimode: Các tia bị phản xạ dưới nhiều góc khác nhau tín hiệu truyền theo nhiều đường cần phải giữ khoảng cách giữa các xung hạn chế tốc độ.  Graded-index Multimode: Chỉ số khúc xạ càng vào tâm lõi càng cao các tia sáng bị uốn cong nhiều hơn ở tâm chiều dài đường đi ngắn hơn so với ở Multimode.  Single mode: Tín hiệu chỉ đi theo 1 đường không bị méo dạng 21/108
  22. 3.1 Đặc trưng công nghệ 3.1.3.3 Cáp quang  Ưu điểm của cáp quang  Dải thông lớn, có thể từ hàng 100 Mbps đến hàng Gbps  Không bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ của môi trường, đảm bảo an ninh tốt. Cáp quang thích hợp với môi trường ứng dụng trong công nghiệp.  Gọn, nhe, dễ cài đặt Loại Đặc trưng công nghệ Step-index  thích hợp với các đường truyền ngắn, khoảng 1 km Multimode  dải thông tối đa: 100 Mhz  Độ suy giảm tín hiệu: vừa, khoảng 2,5 – 3,5 dB/km (loại 850 nm)  Chênh lệch thời gian truyền tín hiệu lớn, độ dãn xung tín hiệu lớn graded-index  thích hợp với các đường truyền trung binh, khoảng 27 km Multimode  dải thông tối đa: 1 Ghz  Độ suy giảm tín hiệu: vừa, khoảng 2,5 – 3,5 dB/km (loại 850 nm)  Chênh lệch thời gian truyền tín hiệu lớn, độ dãn xung tín hiệu vừa Single mode  thích hợp với các đường truyền dài, khoảng 55 km  dải thông tối đa: 100 Ghz  Độ suy giảm tín hiệu: nhỏ, khoảng 0,36 dB/km (loại 1300 nm)  Không có sự chênh lệch thời gian truyền tín hiệu, không có sự dãn xung tín hiệu. 22/108
  23. 3.2 Kiến trúc mạng cục bộ 3.2.1 Mô hình quy chiếu  So sánh với ISO/OSI - chỉ bao gồm 2 mức chức năng thấp nhất: Vật lý + Liên kết  Mức liên kết được chia thành 2 mức con: – MAC (Medium Access Control) – và LLC (Logical Link Control) 23/108
  24. 3.2 Kiến trúc mạng cục bộ 3.2.1 Mô hình quy chiếu  Tầng vật lý: – thực hiện chức năng điều chế tín hiệu số và đồng bộ để phát và nhận số liệu nối tiếp trên kênh truyền chung một cách chính xác. – Thích ứng về cơ học đối với từng loại hệ thống truyền dẫn cụ thể: ổ cắm, loại dây, số lượng tín hiệu v.v.  Tầng MAC – Tạo khuôn dạng gói số liệu theo cấu trúc quy định – Địa chỉ tầng MAC là địa chỉ của thiết bị kiết nối mạng. – Điều khiển việc truy cập vào kênh truyền chung một cách bình đẳng – Phát hiện và giải quyết xung đột. Trong mạng cục bộ, với kênh truyền thông tin chung, không cần một ―tầng mạng‖ riêng nữa. 24/108
  25. 3.2 Kiến trúc mạng cục bộ 3.2.1 Mô hình quy chiếu  Tầng LLC: – Đảm bảo chuyển tiếp số liệu chính xác giữa các thực thể cuối của các giao thức trao đổi số liệu và hỗ trợ ứng dụng ở các mức chức năng cao hơn trong LAN. Các giao thức đó có thể hướng nối hoặc không hướng nối. Cụ thể là  Xây dựng cấu trúc địa chỉ mức LLC thống nhất, có khả năng địa chỉ hoá lớn.  Đóng gói số liệu theo khuôn dạng qui định.  Thực hiện các biện pháp điều khiển lưu lượng và điều khiển tắc nghẽn  Phát hiện lỗi và sửa lỗi. – Về thực chất, lớp con LLC thực hiện phần lớn chức năng của tầng transport mạng LAN đảm bảo được sự vận chuyển số liệu tin cậy giữa các ứng dụng trên mạng. 25/108
  26. 3.2 Kiến trúc mạng cục bộ 3.2.2 Cấu trúc địa chỉ Địa chỉ trong mạng cục bộ LAN được chia thành 2 loại:  Địa chỉ MAC – Khuôn dạng gói số liệu MAC có thể hơi khác nhau trong các giao thức MAC khác nhau. – Loại địa chỉ MAC dài 48 bit được sử dụng phổ biến nhất, thường được gán cứng trong NIC; được quản lý, cấp phát và xác định trên toàn thế giới.  Địa chỉ LLC, 8 bit, được sử dụng để địa chỉ hoá các điểm truy cập dịch vụ 26/108
  27. 3.2 Kiến trúc mạng cục bộ 3.2.2 Cấu trúc địa chỉ  Giao thức SNAP (SubNetwork Access Protocol). – Nhằm mở rộng khả năng địa chỉ hoá của các thực thể giao thức trên mức LLC. – Gói số liệu SNAP chính là gói LLC, với các trường của header DSAP = SSAP = 0AAH, Control = 03H – Một phần của trường số liệu dùng để chứa: 1/ OUI (Organizationally Unique Identifier) - từ (3 byte) định danh tổ chức quản lý và sử dụng giao thức này. 2/ PID (Protocol ID) - từ (2 byte) định danh thực thể giao thức trao đổi số liệu và hỗ trợ ứng dụng 27/108
  28. 3.2 Kiến trúc mạng cục bộ 3.2.2 Cấu trúc địa chỉ 28/108
  29. 3.2.3 Điều khiển kết nối logic LLC 3.2.3.1 Dịch vụ điều khiển kết nối Có 3 loại (type) dịch vụ điều khiển kết nối LLC:  type 1: unacknowledged connectionless-mode (không kết nối, không biên nhận)  type 2: connection-mode (kết nối)  type 3: and acknowledged connectionless-mode (không kết nối, có biên nhận) 29/108
  30. 3.2.3 Điều khiển kết nối logic LLC 3.2.3.1 Dịch vụ điều khiển kết nối Type 1 (unacknowledged connectionless-mode):  Không: kết nối, biên nhận, flow control, error recovery.  Có: 1 TEST function và 1 Exchange Identification (XID) function, tạo ra khả năng: – Kiểm tra chức năng của đường truyền thông giữa 2 trạm – Phát hiện sự tồn tại của 1 trạm khác – Phát hiện các khả năng của tầng LLC trên các trạm khác.  Yêu cầu gửi số liệu DL.UNIT_DAT.Request. Các thông tin điều khiển chính bao gồm: SSAP, DSAP, số liệu cần truyền và độ ưu tiên.  Thông báo về gói số liệu đã nhận DL.UNIT_DAT.Indication được chuyển cho thực thể nhận, bên trên mức LLC. 30/108
  31. 3.2.3 Điều khiển kết nối logic LLC 3.2.3.1 Dịch vụ điều khiển kết nối Type 2 (connection-mode):  Cần kết nối / giải phóng kết trước / sau khi có yêu cầu trao dổi số liệu, có biên nhận (bằng frame biên nhận, hoặc piggyback).  Sử dụng số tuần tự (0 127), điều khiển lưu lượng để thích ứng tốc độ 2 bên, sử dụng cơ chế timeout để khắc phục lỗi.  dịch vụ loại này là tin cậy, chính xác.  Trao đổi dữ liệu hướng kết nối có 3 giai đoạn: – Thiết lập kết nối – Truyền số liệu – Giải phóng kết nối 31/108
  32. 3.2.3 Điều khiển kết nối logic LLC 3.2.3.1 Dịch vụ điều khiển kết nối Type 2 (connection-mode): 32/108
  33. 3.2.3 Điều khiển kết nối logic LLC 3.2.3.1 Dịch vụ điều khiển kết nối Type 3 (acknowledged connectionless-mode):  Không cần thiết lập kết nối, tuy nhiên có sử dụng biên nhận để có thể khắc phục lỗi và sắp xếp đúng thứ tự bản tin.  Ngoài ra còn cho phép một trạm hỏi (poll) trạm khác có truyền dữ liệu không.  hữu ích trong trường hợp 1 thiết bị trung tâm phải trao đổi 1 lượng nhỏ số liệu với một số lượng lớn thiết bị nằm phân tán trong một phạm vi địa lý tương đối lớn (thí dụ hệ thống giám sát trong một dây chuyền điều khiển tự động trong công nghiệp). 33/108
  34. 3.2.3 Điều khiển kết nối logic LLC Type 3:  The DL-DATA-ACK.Request primitive is passed to the LLC sublayer to request that an LSDU be sent to a remote LLC using acknowledged connectionless-mode data unit transmission procedures.  The DL-DATA-ACK.Indication primitive is passed from the LLC sublayer to indicate the arrival of a command PDU except in the case where this PDU is used only for resynchronization.  The DL-DATA-ACK-STATUS.indication primitive is passed from the LLC sublayer to convey the results of the previous associated DL-DATA-ACK request primitive. 34/108
  35. 3.2.3 Điều khiển kết nối logic LLC Type 3:  The DL-REPLY.Request primitive is passed to the LLC sublayer to request that an LSDU be returned from a remote station or that LSDUs be exchanged between stations using acknowledged connectionless-mode data unit exchange procedures.  The DL-REPLY.Indication primitive is passed from the LLC sublayer to indicate the arrival of a command PDU.  The DL-REPLY-STATUS.Indication primitive is passed from the LLC sublayer to convey the results of the previous associated DL-REPLY request primitive. 35/108
  36. 3.2.3.2 Cấu trúc gói số liệu LLC  Tương tự cấu trúc gói số liệu HDLC  Người ta phân biệt gói số liệu I-frame và gói số liệu điều khiển: S-frame và U-frame  I-frame  36/108
  37. 3.2.3.2 Cấu trúc gói số liệu LLC  Các gói điều khiển S-frame & U-frame, thực chất là các lệnh  Thí dụ: RR, RNR, REJ, SABME, v.v. 37/108
  38. 3.2.3.2 Cấu trúc gói số liệu LLC  Cú pháp chung của các lệnh: địa chỉ đích, loại lệnh/frame, một số tham số  U, B, SABME (Set Asynchronous Balanced Mode Extended): U-frame gửi cho B, yêu cầu thiết lập kết nối.  A, U, UA: U-frame gửi cho A, đồng ý kết nối kết nối được thiết lập  B, I, N(S)=0, N(R)=0: gói số liệu số 0 gửi cho B, đồng thời A báo cho B là nó sẵn sàng nhận gói số liệu số 0 từ B  B, I, N(S)=1, N(R)=0: như trên  A, I, N(S)=0, N(R)=2: gói số liệu số 0 gửi cho A, đồng thời B báo cho A là nó sẵn sàng nhận gói số liệu số 2 (biên nhận đã nhận đúng đến gói số 1)  A, I, N(S)=1, N(R)=2: như trên  B, RR, N(R)=2: biên nhận gói số 1, A gửi cho B, A không có số liệu để gửi nên không piggybacking.  A, NRN, N(S)=0, N(R)=2: B không sẵn sàng nhận gói số 2.  A, U, DISC: B yêu cầu kết thúc kết nối  B, U, UA: A báo cho B là nó đồng ý kết thúc kết nối 38/108
  39. 3.3 Một số phương pháp điều khiển truy nhập mạng Đặc trưng công nghệ của mạng cục bộ  Sử dụng chung hệ thống truyền dẫn  Các thiết bị mạng hoạt động độc lập, bình đẳng Điều khiển truy nhập (phát hiện, giảm, loại trừ xung đột v.v.) đóng vai trò quyết định hiệu suất mạng. 39/108
  40. 3.3 Một số phương pháp điều khiển truy nhập mạng Phân loại các phương pháp điều khiển:  Stochastic: – không có cơ chế ―dàn xếp‖ trước thứ tự truy nhập, chấp nhận khả năng xảy ra xung đột – Phân loại theo: phương thức nhận biết xung đột, khắc phục và loại trừ xung đột  Deterministic – ―Dàn xếp‖ trước thứ tự truy nhập bằng các cơ chế Polling, Reservation không xảy ra xung đột – Cơ chế Polling: cho phép xác định người tiếp theo được quyền truy nhập. – Cơ chế Reservation: dùng cửa sổ thời gian trong TDMA (Time Division Multiple Access); hoặc cửa sổ tần số trong FDMA (Frequency Division Multiple Access); hoặc thẻ bài - Token 40/108
  41. 3.3.1 Điều khiển truy nhập ngẫu nhiên  Nhiều thuật toán phân bổ kênh đa truy cập đã được nghiên cứu.  ALOHA là một trong các phương pháp ra đời đầu tiên, trong những năm 1970 và rất nổi tiếng. Tác giả: Norman Abramson và đồng nghiệp tại đại học Hawaii  ALOHA giải quyết vấn đề phân bố kênh truyền thông qua mạng vệ tinh, sử dụng việc phát quảng bá sóng radio từ trạm trên mặt đất. 2 phiên bản chính: Pure ALOHA và Slotted ALOHA.  ALOHA sau đó đã được nhiều nhà nghiên cứu mở rộng; tư tưởng chủ đạo của hệ này được dùng cho mọi hệ thống nhiều người sử dụng, không cộng tác với nhau, trong đó có sự tranh chấp sử dụng một kênh truyền chung. 41/108
  42. 3.3.1 Điều khiển truy nhập ngẫu nhiên Pure ALOHA  NSD được phép truyền bất cứ khi nào cần; tất nhiên sẽ xảy ra xung đột, các frame bị đụng độ sẽ bị huỷ.  Việc phát thành công nếu, trong [t0 – ti , t0 + ti] (= 2 x frame time) không có trạm nào khác phát số liệu  Giả sử các gói số liệu trong hệ thống được sinh ra theo phân bố Poisson, có tốc độ sinh trung bình = G; xác suất có k frame sinh ra trong thời gian 2ti: P[k] = (2G)k . e-2G / k!  XS không có frame nào sinh ra trong khoảng thời gian có thể xảy ra xung đột (Vulnarable) là: P[0] = e-2G  Định nghĩa thông lượng S = G.P[0] = G.e-2G.  S đạt giá trị cực đại tại G = 0.5 S = 1/2e = 0.184.  hiệu suất của phương pháp điều khiển truy nhập ALOHA bằng 18.4%. 42/108
  43. 3.3.1 Điều khiển truy nhập ngẫu nhiên Slotted ALOHA  Robert công bố năm 1972. Thời gian được chia ra các khoảng rời rạc – slot time = 1 frame time.  Có một trạm đặc biệt truyền một tín hiệu "pip" tại thời điểm đầu các khoảng, như đồng hồ đồng bộ.  Một trạm chỉ được truyền đi tại đầu của "ngăn" thời gian. Do đó khoảng thời gian dễ xảy ra đụng độ giảm còn nửa làm tăng hiệu suất gấp đôi của ALOHA.  XS không có frame nào sinh ra trong khoảng thời gian có thể xảy ra xung đột là: P[0] = e-G  Định nghĩa thông lượng S = G.P[0] = G.e-G.  S đạt giá trị cực đại tại G = 1 S = 1/e = 0.368  hiệu suất của phương pháp điều khiển truy nhập ALOHA bằng 36.8 %, gấp đôi Pure ALOHA. 43/108
  44. 3.3.1 Điều khiển truy nhập ngẫu nhiên Các giao thức đa truy cập có cảm nhận sóng mang  ALOHA không tìm cách tránh đụng độ  Có thể khắc phục nhược điểm đó bằng cách ―Listen Before Talk‖. Giao thức trong đó các trạm ―lắng nghe‖ sóng mang (tức việc truyền) và hành động một cách phù hợp được gọi là các giao thức có cảm nhận sóng mang (Carrier sense Protocol).  Có một số giao thức thuộc này: – Persistent CSMA – Nonpersistent CSMA – CSMA/CD 44/108
  45. 3.3.1 Điều khiển truy nhập ngẫu nhiên Các giao thức đa truy cập có cảm nhận sóng mang  Tranceiver có nhiệm vụ nghe đường dây, phát tín hiệu lên và thu tín hiệu từ đường dây.  Ngày nay các tranceiver có thể nằm ngay trên card mạng. 45/108
  46. 3.3.1 Điều khiển truy nhập ngẫu nhiên 1-persistent CSMA  Khi một trạm cần truyền, trước hết nó nghe kênh xem có "ai" đang truyền không. – Nếu kênh bận đợi, khi phát hiện kênh rỗi truyền một frame với XS bằng 1. – Nếu có xung đột đợi khoảng thời gian ngẫu nhiên rồi lặp lại thuật toán trên.  Sự trễ truyền có ảnh hưởng quan trọng trong sự hoạt động của giao thức: một trạm đã gửi frame lên kênh truyền trong khi đó các trạm khác cũng cần truyền và ―thấy‖ kênh rỗi, nhưng do tín hiệu chưa đi đến nên không biết, cứ truyền và gây ra xung đột.  Dù không có trễ, cũng có thể xung đột do hai trạm cùng đợi một trạm, và cùng truyền khi trạm kia vừa kết thúc truyền.  1-persistent CSMA có thể đạt hiệu suất cao hơn Pure ALOHA và Slotted ALOHA. 46/108
  47. 3.3.1 Điều khiển truy nhập ngẫu nhiên Non-persistent CSMA  Không quá ham truyền như CSMA 1-kiên trì: – Nó "nghe" kênh truyền, nếu kênh rỗi thì truyền – Nếu kênh không rỗi thì ngừng việc "nghe" kênh một khoảng thời gian ngẫu nhiên rồi mới thực hiện lại thuật toán trên.  Cách này có hiệu suất sử dụng đường kênh cao hơn và trễ lâu hơn 1-persistent. 47/108
  48. 3.3.1 Điều khiển truy nhập ngẫu nhiên P-persistent CSMA  Nó áp dụng cho các kênh được chia ngăn.  Khi một trạm đã sẵn sàng truyền, nó "nghe" kênh – Nếu thấy rỗi, thì nó truyền với xác suất truyền là p. – Như vậy q=1-p là xác suất hoãn lại đến ngăn sau, khi đường rỗi, lại áp dụng thuật toán trên với các xác suất p, q. – Quá trình trên được lặp lại cho đến khi frame được truyền đi, hoặc có một trạm khác đã truyền. Trong trường hợp này, trạm ―kém may mắn‖ sẽ phản ứng như là phát hiện thấy đụng độ = chờ một khoảng thời gian ngẫu nhiên rồi bắt đầu lại (―nghe‖ kênh ) 48/108
  49. 3.3.1 Điều khiển truy nhập ngẫu nhiên  Các giao thức có cảm nhận sóng mang: – 1-persistent CSMA – Non-persistent CSMA – P-persistent CSMA  (?) Phát hiện xung đột bằng cách đơn giản: Nếu bên nhận không trả lời sau một khoảng thời gian nhất định, thì bên gửi coi đã xảy ra xung đột Kết thúc quá trình phát, chờ một khoảng thời gian ngẫu nhiên, rồi lại ―nghe‖ kênh v.v.  Nếu có thể nhanh chóng phát hiện ra xung đột thì bên gửi có thể dừng ngay việc phát và bắt đầu cố gắng phát lại CSMA + CD 49/108
  50. 3.3.1 Điều khiển truy nhập ngẫu nhiên CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection )  CSMA/CD = CSMA + CD  Trường hợp xấu nhất, một trạm chỉ phát hiện có đụng độ sau 2 x RTT sau khi phát Điều quan trọng là gói số liệu phát phải có độ dài đủ lớn  Được sử dụng rộng rãi trong các mạng LAN, là cơ sở cho các mạng LAN kiểu Ethernet đang được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay. Cho RTT = 1 50/108
  51. 3.3.1 Điều khiển truy nhập ngẫu nhiên CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection )  CSMA/CD có ba trạng thái : truyền, tranh chấp và rỗi  Khi đang truyền vẫn phải ―nghe‖ Phải dùng phương pháp encoding đặc biệt  Tromg khoảng tranh chấp, làm sao biết được có xung đột ? Khi có xung đột, phải phản ứng như thế nào ?  Về bản chất CSMA/CD với 1 kênh truyền là một hệ thống Half-Duplex  Giao thức tầng MAC (như CSMA/CD) không đảm bảo phân phát tin cậy frame 51/108
  52. 3.3.2 Điều khiển truy nhập xác định 3.3.2.1 Phương pháp Polling (chọn)  Cần có một thiết bị điều khiển chung – Master cho các thiết bị khác – slaves  Master sẽ lần lượt hỏi (poll) các slave theo một thứ tự quy định và cho phép trao đổi  Thí dụ: – Mạng vòng SDLC của IBM – 100VG AnyLAN: công nghệ mạng 100 mbps, phương pháp truy cập = Demand Priority 52/108
  53. 3.3.2 Điều khiển truy nhập xác định 3.3.2.2 Phương pháp Reservation (“Giữ chỗ trước”)  Thí dụ phương pháp dùng Token, đó là một gói số liệu đặc biệt, có 2 trạng thái ―bận‖ và ―rỗi‖.  Không tồn tại quan hệ Master – Slave như trong phương pháp Polling.  Việc quản lý và giám sát thẻ bài khá phức tạp: việc thẻ bài bị mất, thẻ ―bận‖ tồn tại mãi trong mạng, v.v  Phương pháp này thường được dùng trong các mạng topo dạng vòng. 53/108
  54. 3.3.2 Điều khiển truy nhập xác định 3.3.2.3 Phương pháp dồn/tách kênh theo thời gian  Chia thời gian sử dụng dải thông của kênh truyền chung thành các khoảng nhỏ, có độ dài cố định - time slot. (―cửa sổ thời gian‖; khe thời gian).  Gán quyền truy cập của các thiết bị mạng với những time slot nhất định.  Thứ tự truy nhập kênh truyền chung được xác định bởi STT của time slot.  Hai phương pháp dồn/tách kênh: đồng bộ và không đồng bộ 54/108
  55. 3.3.2 Điều khiển truy nhập xác định  Phương pháp dồn/tách kênh đồng bộ – Gán cố định quyền truy cập hệ thống truyền dẫn chung, bất kể thiết bị mạng có nhu cầu trao đổi số liệu hay không. – Có thể bỏ phí time slot hiệu quả sử dụng đường truyền thấp. – Phương pháp này đơn giản  Phương pháp dồn/tách kênh không đồng bộ – Gán quyền truy cập hệ thống truyền dẫn chung cho các thiết bị theo yêu cầu – hiệu quả sử dụng đường truyền cao hơn – Phương pháp này phức tạp hơn. 55/108
  56. 3.4 Công nghệ Ethernet và IEEE 802.3  Tại mục 3.3 đã nghiên cứu các phương pháp điều khiển truy cập kênh truyền chung, một cách trừu tượng, có tính chất nguyên lý.  Tại mục 3.4 này, chúng ta sẽ nghiên cứu các nguyên lý này được áp dụng vào các hệ thống thực tế như thế nào, cụ thể là mạng LAN. 56/108
  57. 3.4 Công nghệ Ethernet và IEEE 802.3  Sơ lược lịch sử ra đời của Ethernet – Khi ALOHANET mới ra đời, Bob Metcalfe tốt nghiệp M.I.T. Sau đó ông làm Ph.D tại Harvard và được biết về công trình của Abramson. – Sau khi tốt nghiệp Harvard, ông đã đến làm việc với Abramson trong cả mùa hè, trước khi đến làm việc tại Xerox PARC. Tại Xerox PARC, người ta đã chế tạo các máy tính mà sau này được gọi là PC, nhưng chúng là các máy cô lập. Bob Metcalfe và David Boggs áp dụng các kiến thức đã có từ công trình của Abrmsson, bắt tay vào thiết kế và triển khai thực hiện mạng LAN đầu tiên trên thế giới, nhằm kết nối các máy tính. – Họ đặt tên là Ethernet, theo thuật ngữ luminiferous ether, mà trước đây, trong thế kỷ 19, người ta nghĩ rằng sóng điện từ lan truyền trong đó. – Ethernet sử dụng kết nối dạng bus, CSMA/CD, tốc độ truyền 10Mbps. – Ethernet được các tổ chức tiêu chuẩn quốc tế chuẩn hoá thành IEEE 802.3 57/108
  58. 3.4 Công nghệ Ethernet và IEEE 802.3 3.4.1 Cấu trúc gói số liệu  Ethernet và IEEE 802.3 khác nhau duy nhất ở 1 trường: LEN TYPE  TYPE cho biết trường Information chứa data của giao thức nào  Các trường preamble, SFD, DA, SA, LEN, Information, FCS, Gap=9,6s  Min = 64 byte, max = 1518 byte 58/108
  59. 3.4 Công nghệ Ethernet và IEEE 802.3 3.4.2 Nguyên tắc Thuật toán điều khiển quá trình phát frame  TransmitFrame: y/c phát từ tầng trên  Tx Enable?: – Done: transmitDisable  assemble frame: Chuẩn bị frame  Burst continuation?:  Deferring on?: ―nghe‖, bận thì chờ  start transmission  HalfDuplex & collissionDetect?: xung đột?  transmission done? – Yes (thành công) :Done: transmitOK:  send jam: báo xung đột  increment attemlts: đếm đụng độ  late collission and > 100Mbps – Done: lateCollissionErrorStatus  too many attempts? – Done: excessiveCollissionError  compute backoff  wait backoff time 59/108
  60. 3.4 Công nghệ Ethernet và IEEE 802.3 Thuật toán điều khiển quá trình phát frame  Kiểm tra ―too many attempts?‖: – Nếu phát hiện thấy xung đột > 16 lần, quá trình phát sẽ kết thúc với thông báo lỗi. – Nếu chưa quá số lần trên, chờ thời gian ngẫu nhiên rồi lại ―nghe‖ đường truyền để phát lại, được tính theo cách ―“truncated binary exponential backoff”: k – Twait = Tslot * TR , với TR được chọn ngẫu nhiên trong miền (0 e ), k = min (n, 16), n là số lần xảy ra đụng độ truy cập. – ! Theo IEEE 802.3, version 2002, số lần xung đột tối đa = 10 chứ không phải 16.  Nhận xét về Ethernet và IEEE 802.3 – Xác suất xảy ra xung đột tăng cao khi yêu cầu truy cập mạng tăng – Không thích hợp với các ứng dụng kiểu ―real time‖ 60/108
  61. 3.4 Công nghệ Ethernet và IEEE 802.3 3.4.2 Nguyên tắc Thuật toán điều khiển quá trình nhận frame  ReceiveFrame:  Receive ENABLE? – Done: receiveDisabled  start receiving  done receiving?  frame too small? (collision)  recognize address?  frame too long? – Done: frameTooLong  valid frame check sequence? – extra bits?  Done: alignmentError  Done: frameCheckError  valid length/type field? – Done: lengthError  disassemble frame  Done: receiveOK 61/108
  62. 3.4 Công nghệ Ethernet và IEEE 802.3 3.4.3 Hình thức kết nối vật lý 3.4.3.1 10BASE-5 (Thick Ethernet)  Độ dài tối đa của 1 đoạn cáp = 500 m  Số repeater tối đa = 4 5 x 500 m = 2500 m  Trên 1 đoạn cáp nối được tối đa 100 MAU (Medium Access Unit)  Encoding = Manchester 3.4.3.2 10BASE-2 (Thin Ethernet)  Độ dài tối đa của 1 đoạn cáp = 185 m  Số repeater tối đa = 4 5 x 185 m = 925 m  Trên 1 đoạn cáp nối được tối đa 30 MAU (Medium Access Unit)  Encoding = Manchester 3.4.3.3 10BASE-T  UTP; sử dụng 2 cặp dây cáp xoắn cho thu và phát  Độ dài tối đa của 1 đoạn cáp = 100 m  Số repeater tối đa = 4  Encoding = Manchester 62/108
  63. 3.4 Công nghệ mạng Token ring  IBM phát triển đầu tiên  Được chuẩn hoá IEEE 802.5 3.5.1 Cấu trúc gói số liệu 3.5.2 Nguyên tắc hoạt động  đã trình bày, slice = 7 12 63/108
  64. 3.4 Công nghệ mạng Token ring 3.5.2.1 Cơ chế ưu tiên trong điều khiển truy nhập  Cơ chế ưu tiên phải đảm bảo công bằng (fairness) trong việc truy nhập ring cho tất cả các trạm có cùng mức ưu tiên.  Thứ tự được truy nhập vào mạng có thể được xác định bởi thứ tự vật lý của thiết bị trong ring.  Tuy nhiên, cơ chế điều khiển có thể thay đổi thứ tự truy cập vào mạng: – Một thiết bị cuối có quyền ưu tiên cao (do người quản trị mạng gán) có ―quyền‖ tạo ra thẻ bài có độ ưu tiên tương ứng – được quyền truy nhập trước các thiết bị khác có quyền ưu tiên thấp hơn, không bị phụ thuộc vào vị trí vật lý trong ring. 64/108
  65. 3.4 Công nghệ mạng Token ring 3.5.2.1 Cơ chế ưu tiên trong điều khiển truy nhập  Có 8 mức ưu tiên, được xác định bởi 3 bit trong trường AC của token/frame: – PPP (priority bits): 3 bit xác định quyền ưu tiên (000 111), số lớn hơn - quyền cao hơn. – T (Token bit): T = 1 token; T = 0 frame; nghĩa là T = 0/1 = ―rỗi‖/‖bận‖. – M (Monitor bit): Được sử dụng cho chức năng giám sát, tránh việc có những token/frame cứ đi lòng vòng mãi trong mạng. (Active monitor thực hiện chức năng giám sát). – RRR (Reservation bits): Cho phép các station có các PDU có quyền ưu tiên cao hơn quyền trong trường PPP của token hoặc frame mà nó lặp lại (repeart) yêu cầu token kế tiếp được ban hành có quyền (trong PPP) bằng giá trị RRR. 65/108
  66. 3.4 Công nghệ mạng Token ring 3.5.2.1 Cơ chế ưu tiên trong điều khiển truy nhập Định nghĩa:  Pm: độ ưu tiên của gói số liệu (PDU) cần phát  Pr/Rr là các thanh ghi chứa các giá trị PPP/RRR trong trường AC (của token hoặc frame) vừa mới nhận được  R: độ ưu tiên mà 1 trạm yêu cầu (xác định bởi RRR trong gói số liệu phát) 66/108
  67. 3.4 Công nghệ mạng Token ring 3.5.2.1 Cơ chế ưu tiên trong điều khiển truy nhập Nguyên tắc sử dụng độ ưu tiên trong điều khiển truy nhập: (IEEE 802.5 – 1998, page 61 6x ―4. Token ring protocols”)  Trạm có frame cần phát chờ token có độ ưu tiên Pr Pm hoặc 1 frame đi qua trước khi có token đi qua, nếu Pm > RRR, trạm có thể yêu cầu 1 token có độ ưu tiên = Pm. Cách thực hiện: ghi nhớ giá trị RRR vào thanh ghi Rr, sau đó thiết lập RRR:=Pm. Nếu Pm <= RRR thì trạm không thay đổi RRR. 67/108
  68. 3.4 Công nghệ mạng Token ring 3.5.2.1 Cơ chế ưu tiên trong điều khiển truy nhập Nguyên tắc sử dụng độ ưu tiên trong điều khiển truy nhập:  Khi nhận được token (rỗi) có độ ưu tiên Pr Pm.  Sau khi phát xong, trạm sẽ tạo 1 token mới với RRR:=max(Rr, Pm); P:=Rr: – Thiết bị nào nâng độ ưu tiên truy nhập trong token thì có nhiệm vụ phải tạo ra thẻ bài có quyền ưu tiên như cũ (trước khi loại bỏ số liệu cũ ra khỏi ring). Điều này đảm bảo cho các trạm có độ ưu tiên thấp hơn có thể truy cập được, sau khi trạm có quyền ưu tiên cao hơn hoàn thành việc trao đổi số liệu. 68/108
  69. 3.4 Công nghệ mạng Token ring Thí dụ minh hoạ: Giả sử D có quyền ưu tiên cao nhất. A, B, C, E có cùng mức ưu tiên và thấp hơn của D.  a) A có số liệu cần phát cho B; A nhận được token có ghi quyền ưu tiên <= quyền của A A phát (tất nhiên B nhận được).  b) D cần phát cho E. Khi frame A gửi cho B đi qua, D thiết lập RRR = quyền ưu tiên của nó và cho frame đi tiếp trở về A. A kiểm tra trạng thái và biết B đã nhận đúng. A copy PPP vào thanh ghi Pr của nó rồi phát ra 1 token với PPP:=RRR. Token này đi qua E, C, B nhưng chúng có quyền ưu tiên thấp hơn nên không được quyền phát hoặc sửa token.  c) Khi token đến D, nó được phép gửi frames cho E  d) Sau khi phát xong, D sinh ra 1 token ―rỗi‖ có quyền ưu tiên bằng quyền ưu tiên của nó.  e+g) Khi A nhận được token rỗi, nó thấy PPP lớn hơn giá trị mà nó nhớ trong Pr, vì vậy nó sẽ đặt lại PPP:= Pr 69/108
  70. 3.4 Công nghệ mạng Token ring 3.5.2.2 Quản trị thẻ bài và hoạt động của mạng (IEEE 802.5 – 1998, page 68 6x ―4.1.6.6 Claim Token process‖) • Ring Purge (RP). The RP MAC frame is transmitted by the active monitor to verify the ring data path before restoring the token. • Claim Token (CT). The CT MAC frame is used by stations when restoring the active monitor function to the ring. • Beacon (BN). The BN MAC frame is transmitted by a station which detects a continuing interruption to the data flow on the ring. • Standby Monitor Present (SMP). The SMP MAC frame is transmitted by standby monitor stations as part of the Neighbor Notification Process. • Active monitor: A station on the ring that is performing certain functions to ensure proper operation of the ring. These functions include: • 1) establishing clock reference for the ring; • 2) assuring that a usable token is available; • 3) initiating the neighbor notification cycle; • 4) preventing circulating frames and priority tokens. In normal operation only one station on a ring may be the active monitor at any instance in time. 70/108
  71. 3.4 Công nghệ mạng Token ring 3.5.2.2 Quản trị thẻ bài và hoạt động của mạng (IEEE 802.5 – 1998, page 68 6x ―4.1.6.6 Claim Token process‖)  Quản trị token là chức năng của ―Active monitor‖ – ―Monitoring station‖. – Tạo token rỗi lúc khởi động mạng – Xử lý thẻ bài có lỗi. Thí dụ thẻ bận liên tục. – Xử lý khi hoạt động của mạng có lỗi. Thí dụ đường truyền vật lý bị đứt – v.v.  Các thiết bị kết nối trong mạng đều có thể trở thành Active Monitor Cần có tiến trình xác định tự động Active monitor Tên gọi: Claim Token Process (Quá trình yêu cầu thẻ bài) 71/108
  72. 3.4 Công nghệ mạng Token ring Sơ lược về Claim Token process  Khi khởi động mạng các trạm sử dụng 1 LLC-Frame được gọi là ―Claim Token Frame‖ để quảng bá địa chỉ MAC của nó.  Khi nhận được 1 Frame, trạm sẽ kiểm tra xa có phải là CT Frame? – No: cho đi tiếp  Yes: Kiểm tra địa chỉ MAC: – Nếu SA trong CT Frame nhỏ hơn MAC address của trạm (SAown), nó sẽ thay SA bằng địa chỉ MAC của nó, sau đó gửi đi. – Nếu không nhỏ hơn: gửi đi tiếp  Nếu nhận được 1 CT Frame có SA = SAown, nghĩa là CT Frame chứa địa chỉ MAC của nó quay lại trạm có địa chỉ MAC cao nhất Nó trở thành Active Monitor. Nếu SA <> SA , trạm cho đi qua. own 72/108
  73. 3.4 Công nghệ mạng Token ring 3.5.2.2 Quản trị thẻ bài và hoạt động của mạng  Trừ thời gian giữ token, các tham số định thời của hệ thống được chỉ rõ bằng định nghĩa các đồng hồ cụ thể. Chuẩn IEEE 802.5 – 1998 chỉ rõ 19 đồng hồ.  Nói chung, đồng hồ - timer kiểm soát khoảng thời gian cực đại mà một điều kiện cụ thể có thể xảy ra.  Các thuật ngữ liên quan đến đồng hồ: – reset: bắt đầu tính thời gian trong khoảng bằng giá trị của đồng hồ. – expired: Khoảng thời gian bằng giá trị của đồng hồ đã trôi qua, tính từ khi đồng hồ được reset. – granularity: đơn vị thời gian của đồng hồ, người triển khai thực hiện giao thức phải xét đến nó để đảm bảo rằng các giá trị được sử dụng nằm trong miền được chỉ rõ. 73/108
  74. 3.4 Công nghệ mạng Token ring 3.5.2.2 Quản trị thẻ bài và hoạt động của mạng Một số chức năng phát hiện và xử lý lỗi của thiết bị quản trị mạng:  Mất token: – Sử dụng cơ chế timeout của đồng hồ TVX (Timer, valid transmission) – Mỗi trạm trong ring có 1 đồng hồ TVX. Active monitor sử dụng TVX để phát hiện việc không tồn tại frame hoặc token trong ring.  Mỗi khi nhận đúng một token hoặc một frame, active monitor reset TVX.  Nếu mất token hoặc không có frame trên ring, đồng hồ TVX bị timeout và kích hoạt quá trình Ring Purge Process - khởi động lại mạng và tạo ra token mới.  ? Nếu standby monitor bị timeout thì sao 74/108
  75. 3.4 Công nghệ mạng Token ring 3.5.2.2 Quản trị thẻ bài và hoạt động của mạng Một số chức năng phát hiện và xử lý lỗi của thiết bị quản trị mạng:  Chức năng loại bỏ số liệu phát không hoạt động (có frame cứ đi lòng vòng mãi trong ring): – Sử dụng bit M trong Token/Frame – Mọi trạm khi truyền frame vào ring đều đặt M=0 – Active monitor đặt bit M=1 với mọi frame mà nó nhận được rồi cho đi tiếp (repeat) – nhờ đó khi gặp frame có M=1, active monitor biết nó đã đi đủ 1 vòng trong ring, nên loại bỏ frame này bằng cách kích hoạt tiến trình Ring Purge Process. – Active monitor xử lý tương tự đối với các token có độ ưu tiên cao đi quá 1 vòng trong ring. 75/108
  76. 3.4 Công nghệ mạng Token ring 3.5.2.2 Quản trị thẻ bài và hoạt động của mạng Một số chức năng phát hiện và xử lý lỗi của thiết bị quản trị mạng:  ―Vòng logic‖ bị đứt: – Sử dụng đồng hồ TSL (Timer, Signal Loss) – Mỗi trạm đều có 1 đồng hồ TSL được sử dụng để xác định xem tín hiệu ―signal_loss‖ mà tầng PHY báo lên có ở trạng thái ổn định không. – Nếu có, Active monitor phản ứng như khi token bị mất = Ring Purge Process. 76/108
  77. 3.4 Công nghệ mạng Token ring 3.5.2.2 Quản trị thẻ bài và hoạt động của mạng Cấu trúc kết nối mạng token ring  Sử dụng concentrator, là thiết bị chứa nhiều đơn vị ghép nối các đường truyền được kết nối với nhau.  Concentrator gồm 2 ports: RI (Ring In) và RO (Ring Out) để ghép nối với các đường trục (trunk cable). • Nếu sử dụng STP: có thể kết nối tối đa 260 trạm. • Nếu sử dụng UTP: tối đa 72 trạm. 77/108
  78. 3.6 Mạng cục bộ mở rộng  Mô hình tổng quan về kết nối các LAN  Mô hình kết nối ở mức Data link  Chọn đường ở mức liên kết 78/108
  79. 3.6 Mạng cục bộ mở rộng 3.6.1 Mô hình tổng quan về kết nối các LAN • Việc kết nối được thực hiện ở 3 mức khác nhau • Mức vật lý: thông qua Repeater • Mức liên kết: thực hiện ở tầng MAC, thông qua MAC-Level Bridge. Bridge nhận frame ở 1 cổng, phân tích địa chỉ MAC và quyết định chuyển tiếp dựa trên MAC address. • Mức Mạng: nhờ Router, quyết định routing dựa trên việc phân tích địa chỉ IP. 79/108
  80. 3.6 Mạng cục bộ mở rộng 3.6.2 Kết nối ở mức liên kết 3.6.2.1 Định nghĩa  Repeater chỉ có thể ―lặp lại‖ các frame từ phân mạng này sang phân mạng khác Về tổng thể tải đối với toàn mạng tăng, do tổng số thiết bị cuối kết nối trong mạng tăng.  Để khắc phục, thực sự tăng được khoảng cách kết nối và làm giảm mức độ tải của toàn mạng thực hiện kết nối ở mức Data link.  Trong mạng LAN, Mức Data link = MAC + LLC  Kết nối mạng ở mức Data link chính là thực hiện chức năng chuyển tiếp số liệu ở mức MAC bằng thiết bị kết nối chuyên dụng - Cầu nối - MAC-Level Bridge.  Các mạng LAN kết nối với nhau có thể là cùng loại (Ethernet - Ethernet hoặc Token Ring - Token Ring), hoặc cũng có thể khác loại (Ethernet - Token Ring) 80/108
  81. 3.6 Mạng cục bộ mở rộng 3.6.2 Kết nối ở mức liên kết 3.6.2.1 Định nghĩa  Đơn vị điều khiển ghép nối của Bridge được gọi là cổng, gồm 2 phần chính: – a) Phần ghép nối vật lý – b) Phần điều khiển truy nhập mạng  Thông thường, Bridge có 2 hoặc nhiều cổng.  Chức năng chính của Bridge: – a) Thu và phân tích điạ chỉ của tất cả các frame – b) Forward các frame đến cổng đích theo các tiêu chí quy định. – c) Quản lý các tiêu chí, làm cơ sở cho các quyết định forward.  Trong mạng LAN, Bridge là một thiết bị cuối, hoạt động theo thuật toán điều khiển truy nhập mạng của nó, giống như các thiết bị khác trong mạng. Hình 3-28a là Mô hình Bridge có 2 cổng. 81/108
  82. 3.6 Mạng cục bộ mở rộng 3.6.2 Kết nối ở mức liên kết 3.6.2.2 Nguyên tắc hoạt động  Mỗi cổng có 1 bảng địa chỉ, chứa địa chỉ (nguồn) của tất cả các thiết bị cuối nối mạng ở cổng đó.  Bridge thu tất cả các frame đến cổng, chứa trong bộ nhớ đệm thu, so sánh địa chỉ đích - DA trong frame với các địa chỉ trong bảng địa chỉ - {SAi} – Nếu DA {SAi} Gửi frame tới bộ đệm phát của cổng kia, chờ được phát vào mạng nối với cổng đó, tuân theo thuật toán điều khiển truy cập tương ứng. – Nếu DA {SAi} frame được loại bỏ, không forward. – Nếu bộ đệm thu bị đầy = ―Blocking‖ các frame sẽ không được forward Về thực chất, Bridge hoạt động theo nguyên tắc hoạt động của các mạng chuyển mạch gói (Store-and-Forward Switching). 82/108
  83. 3.6 Mạng cục bộ mở rộng 3.6.2 Kết nối ở mức liên kết 3.6.2.2 Nguyên tắc hoạt động Tăng hiệu suất chuyển tiếp của Bridge:  Không nhất thiết phải thu xong toàn bộ gói số liệu rồi mới forward.  Có thể chỉ cần thu xong phần header là tiến hành so sánh địa chỉ ngay.  Có thể đồng thời vừa chứa frame vào bộ đệm thu ở một cổng vừa sao chép nó sang bộ đệm phát ở cổng kia = Phương pháp ―Cut – Through‖.  Nhược điểm của Cut-Through: Nếu gói tin có lỗi, nó vẫn được gửi đi trước khi phát hiện ra lỗi: – Giao việc kiểm soát lỗi cho các giao thức bậc cao. – Tăng lưu lượng không đáng có trên mạng 83/108
  84. 3.6 Mạng cục bộ mở rộng 3.6.2 Kết nối ở mức liên kết 3.6.2.2 Nguyên tắc hoạt động Việc chuyển đổi khuôn dạng frame (Translation)  Chỉ diễn ra khi kết nối 2 LAN không đồng nhất, thí dụ Ethernet – Token Ring.  Đó là việc thích ứng các thông số điều khiển trong header.  Trường data cần giữ nguyên.  Trường FCS được tính lại trước khi frame được forward. 84/108
  85. 3.6 Mạng cục bộ mở rộng 3.6.2 Kết nối ở mức liên kết 3.6.2.2 Nguyên tắc hoạt động Việc “tự học” của bridge:  Bridge cập nhật các địa chỉ SA mới vào bảng địa chỉ {SAi} với trường Time stamp. Bridge dùng truờng này để loại các địa chỉ không làm việc lâu quá 1 giới hạn nào đó. Đây là chức năng ―Ageing: của Bridge.  Việc cập nhật {SAi} có thể ―bằng tay‖ hoặc ―tự học‖.  Đa số các bridge ngày nay đều có khả năng ―tự học‖ 85/108
  86. 3.6 Mạng cục bộ mở rộng 3.6.2 Kết nối ở mức liên kết 3.6.2.2 Nguyên tắc hoạt động Multiport bridge:  Có thêm nhiệm vụ chọn cổng ra để forward frame.  Quan hệ chuyển tiếp giữa các cổng trong 1 bridge: – Có thể do người quản trị mạng thực hiện (đặt cấu hình trước) – Có thể do các bridge trao đổi thông tin ―routing‖ với nhau. Cần thay đổi và mở rộng bảng địa chỉ ở mỗi cổng để có thêm thông tin về cổng đích. Khi đó bảng địa chỉ sẽ chứa địa chỉ đích và cổng đích tương ứng. 86/108
  87. 3.6 Mạng cục bộ mở rộng 3.6.2 Kết nối ở mức liên kết 3.6.2.2 Nguyên tắc hoạt động Người ta phân biệt 2 hình thức kết nối ở phân mức điều khiển tuy nhập mạng như sau:  Local Bridge: các segment được kết nối trực tiếp với các cổng của cầu. Khoảng cách lý giữa các bridge rất nhỏ.  Remote Bridge: Tồn tại mạng trung gian (mạng chuyển tiếp) giữa các bridge Half-Bridge (cầu một nửa): – Một cổng của cầu nối với mạng LAN, hoạt động như bridge thông thường. – Cổng kia kết nối qua mạng trung gian theo cấu hình point-to-point tới cổng tương ứng của bridge thứ hai. 87/108
  88. 3.6 Mạng cục bộ mở rộng 3.6.3 Chọn đường ở mức liên kết  Kết nối ở mức MAC là trong suốt đối với các tầng trên.  Đối với các cấu hình kết nối đơn giản, không cần phải có các thuật toán routing cho các cầu.  Đối với các cấu hình kết nối phức tạp, nhất là khi giữa 2 thiết bị cuối tồn tại nhiều đường truyền qua các cầu khác nhau, cần phải tránh việc hình thành các dòng frame quay vòng, đảm bảo sự hoạt động tin cậy của mạng. 88/108
  89. 3.6 Mạng cục bộ mở rộng 3.6.3 Chọn đường ở mức liên kết  ―Vòng‖ xuất hiện khi có trên 1 đường truyền giữa 2 ES được sử dụng đồng thời (active). làm tăng lưu lượng không cần thiết, có thể dẫn đến tắc nghẽn. Việc ―tự học‖ địa chỉ của bridge diễn ra ở cả hai phía của bridge đồng thời không thể ra được quyết định forward. 89/108
  90. 3.6 Mạng cục bộ mở rộng 3.6.3 Chọn đường ở mức liên kết  Thí dụ minh hoạ: – A gửi frame cho B, cả 3 bridge Br1, Br2, Br3 đều nhận được frame của A gửi vào thời điểm t0. – Các Bridge đều điền địa chỉ nguồn trong Frame (đ/c của A) vào bảng địa chỉ của cổng kết nối với phân mạng Subnet A và tìm cách forward frame sang Subnet B. – Giả sử thứ tự phát của Br1, Br2, Br3 là t1< t2 < t03. Do đó Br2 và Br3 sẽ nhận được frame do Br1 phát ở cổng kết nối với Subnet B, vì vậy Br2 và Br3 sẽ điền địa chỉ nguồn trong frame (địa chỉ của A) vào bảng địa chỉ tương ứng của chúng: Nghĩa là A có mặt trong Subnet B. – Khi Br2 hoặc Br3 phát, Br1 sẽ nhận được cùng một frame và cũng điền địa chỉ vào bảng địa chỉ tương tự như Br2 và Br3 đã làm. 90/108
  91. 3.6 Mạng cục bộ mở rộng 3.6.3 Chọn đường ở mức liên kết  Thí dụ minh hoạ: – Đến lượt Br1 tìm cách phát frame sang Subnet A, Br2 và Br3 nhận được frame do Br1 phát, chúng sẽ nhớ tạm trong bộ đệm, chờ phát sang Subnet B, vì chúng đã ―học‖ được rằng, A thuộc Subnet B. – Cứ như thế frame do A phát ra đầu tiên cho B được nhân lên và được phát tiếp mãi, tạo thành cái vòng luẩn quẩn:  Mỗi lần 1 bridge phát thành công, lại sinh ra 2 frame ―mới‖ các đường truyền sẽ nhanh chóng bị quá tải, các trạm trong mạng sẽ không thể truyền thông được nữa.  Do Br1, Br2, Br3 ―học‖ nhầm là A thuộc Subnet B, cho nên A sẽ không thể nhận được các frame do các trạm thuộc Subnet B gửi cho nó. 91/108
  92. 3.6 Mạng cục bộ mở rộng 3.6.3 Chọn đường ở mức liên kết  Yêu cầu: Giữa 2 thiết bị cuối, tại cùng một thời điểm, không được phép tồn tại quá 1 đường truyền (tích cực).  Tuy nhiên, vẫn cần có sẵn nhiều đường kết nối (không tích cực) dư thừa, để đảm bảo độ tin cậy của hệ thống mạng.  Phương pháp chọn 1 đường kết nối tin cậy trong một số đường có thể có, để sử dụng, được gọi là Phương pháp chọn đường. – Chọn đường tĩnh – Chọn đường động 92/108
  93. 3.6 Mạng cục bộ mở rộng 3.6.3 Chọn đường ở mức liên kết  Chọn đường tĩnh: Quyết định chọn đường được thực hiện một lần, ngay từ đầu. Các thông số này được ghi trong bảng địa chỉ và cấu hình của bridge. – Ưu: làm cho việc quản trị mạng và quản lý bridge đơn giản. – Nhược: không mềm dẻo hiện nay ít được sử dụng.  Chọn đường động: cho phép thiết lập cấu hình, thay đổi bảng địa chỉ một cách tự động để thích ứng với cấu hình kết nối hiện tại của mạng. Hai thuật toán (phương pháp) phổ biến: – Spanning Tree Algorithm (Thuật toán cây bao trùm) – Source Routing Algorithm (Thuật toán cây bao trùm) 93/108
  94. 3.6 Mạng cục bộ mở rộng 3.6.3.1 Thuật toán Spanning Tree  Là một phần then chốt của chuẩn ISO/IEC 15802-3. (ANSI/IEEE Std 802.1D, 1998 Edition, page 76)  Làm cho giữa 2 thiết bị cuối bất kỳ chỉ có một đường truyền tích cực: Không thể xuất hiện vòng. Cấu hình kết nối mạng hình thành là cấu hình dạng cây Thuật toán Cây bao trùm. Trong cây, nút là các Subnet (LAN), cung là các Bridge.  Cho phép các bridge trao đổi số liệu thường xuyên về cấu hình kết nối hiện tại của mình.  Mọi thay đổi về cấu hình kết nối của mỗi cầu phải được ghi nhận và thông báo cho các cầu khác trong mạng, bằng việc sử dụng Bridge Protocol 94/108
  95. 3.6 Mạng cục bộ mở rộng 3.6.3.1 Thuật toán Spanning Tree  Hình 3-32a là là một cấu trúc kết nối ―dư thừa‖ cầu để dự phòng. Nếu bỏ Br7, ta sẽ có một cấu trúc dạng cây (H.3-32b), mỗi Subnet là một nút, còn bridge là các cạnh.  Cây bao trùm có các đường đi từ ―gốc‖ đến tất cả các nút là các đường đi ngắn nhất 95/108
  96. 3.6 Mạng cục bộ mở rộng 3.6.3.1 Thuật toán Spanning Tree Một số khái niệm cơ bản trong thuật toán Spanning Tree:  Bridge Identifier (định danh cầu): Là duy nhất đối với mỗi bridge, số nhỏ hơn ứng với quyền ưu tiên cao hơn. Bridge Identifier = 8 byte – 2 byte cao nhất, có thể đặt giá trị (settable), chứa quyền ưu tiên. – 6 byte còn lại = MAC address (of Bridge Port 1 – lowest port)  Root bridge (cầu gốc): là bridge có quyền ưu tiên cao nhất – Các bridge sẽ quảng bá Identifier của chúng để xác định Root bridge. – Root bridge chính là ―gốc‖ của cây bao trùm.  Group address: là địa chỉ MAC chung cho tất cả các bridge tham gia kết nối mạng. Các bridge sử dụng địa chỉ này cho Bridge protocol. 96/108
  97. 3.6 Mạng cục bộ mở rộng 3.6.3.1 Thuật toán Spanning Tree Một số khái niệm cơ bản trong thuật toán Spanning Tree:  Path cost (giá đường): là giá của đường đi từ 1 port của bridge hướng đến Root bridge – Gắn với mỗi port của bridge; Manageable. – Đường truyền từ 1 port tới ―gốc‖ có tốc độ càng cao thì giá càng thấp. – Khuyến nghị: Table 8-5—Path Cost Parameter Values, page 127  Root port (Cổng gốc): là cổng có đường đi ngắn đến root, nghĩa là tổng giá các đường đến root là bé nhất (that closest to the Root).  Root path cost (Giá đường gốc): giá nhỏ nhất của đường đi đến root – Mỗi port của bridge có 1 Root Path Cost 97/108
  98. 3.6 Mạng cục bộ mở rộng 3.6.3.1 Thuật toán Spanning Tree Một số khái niệm cơ bản trong thuật toán Spanning Tree:  Designated bridge (Cầu cấu thành): – Là bridge tạo nên cây kết nối – Có giá đường đi tới gốc nhỏ nhất – Trong một phân mạng (LAN) chỉ có 1 designated bridge. (Nếu 2 bridge cùng có giá đường đi tới gốc nhỏ nhất chọn bridge có Identifier nhỏ hơn) – Chỉ có designated bridge mới được phép trao đổi số liệu giữa các phân mạng  Designated port (Cổng cấu thành): – Mỗi phân mạng nối với 1 port của designated bridge – Designated port sẽ forward:  frames được gửi từ trong phân mạng ra ngoài  frames được gửi từ phía root vào trong LANs 98/108
  99. 3.6 Mạng cục bộ mở rộng 3.6.3.1 Thuật toán Spanning Tree Thuật toán:  Xác định cầu gốc  Xác định cổng gốc trong tất cả các cầu  Xác định cầu cấu thành và cổng cấu thành trong mỗi phân mạng 99/108
  100. 3.6 Mạng cục bộ mở rộng 3.6.3.1 Thuật toán Spanning Tree Thí dụ minh hoạ:  Đầu tiên tất cả các Bridge đều phát quảng bá BPDU, thông báo chúng là Root  Sau một khoảng thời gian, Br1 được thiết lập là Root bridge Trong subnet 2:  Br3 lấy Root port =port 1, với Path cost = 10.  Br4 lấy Root port = port 1, với path cost = 5. Trong Subnet 1:  Br1 là Root bridge  Br5 có 2 đường tới Root qua port 1 và 2. Đường qua port 1 tới Root có cost = 5, đường qua port 2 có cost = 5 + 10 + 10 = 25, lớn hơn đường kia, vì thế port 2 của Br5 bị làm Disabled. Trong Subnet 4:  Có 2 đường tới Root qua Br3 và Br4. Đường qua Br3 tới Root có cost = 10+10 = 20, đường qua Br4 có cost = 5 + 5 = 10, nhỏ hơn đường kia, vì thế port 2 của Br3 bị làm Disabled. 100/108
  101. 3.6 Mạng cục bộ mở rộng 3.6.3.1 Thuật toán Spanning Tree Trạng thái làm việc của các cổng theo thuật toán Spanning Tree  ―Listening‖: chỉ có các BPDU được trao đổi giữa các bridge.  ―Learning‖: Sau khoảng thời gian trễ - Forwarding Delay Time  ―Forwarding‖: các cổng tích cực sẵn sàng forward, các cổng inactive không được forward blocked = bị loại khỏi cây kết nối.  ―Blocking‖: Port không tham gia vào việc chuyển tiếp các frame. 101/108
  102. 3.6 Mạng cục bộ mở rộng 3.6.3.1 Thuật toán Spanning Tree BPDU (Bridge Protocol Data Unit): Các cầu trong cây đều đặn gửi các BPDU để trao đổi các thông tin cấu hình:  Identifier: Định danh phiên bản của giao thức cây – STP (Spanning Tree Protocol)  Type: Loại frame. Với frame cấu hình, trường Type = 0  Flag: Cờ, Flag = 1 khi cần thông báo cho tất cả các bridge trong mạng biết cần thay đổi cấu hình kết nối  Root Identifier  Root path cost  Bridge Identifier  Port Identifier  Next 102/108
  103. 3.6 Mạng cục bộ mở rộng 3.6.3.1 Thuật toán Spanning Tree  Message age: Thời gian từ khi root phát một gói tin cấu hình, yêu cầu các bridge gửi frame có thông tin cấu hình BPDU.  Max Age: Thời gian timeout mà tất cả các bridge sử dụng đối với các thông tin cấu hình, Max age do Root thiết lập.  Hello time: Khoảng thời gian giữa các lần root (hoặc 1 bridge muốn trở thành root) gửi frame thông tin cấu hình BPDU. (Thuật toán Spanning tree không sử dụng đến, mà dùng cho các chức năng quản trị).  Forward delay: là khoảng thời gian mà 1 port ở trong trạng thái nghe (Listening State) và trạng thái học (Learning State) trước khi chuyển sang trạng thái Forwarding 103/108
  104. 3.6 Mạng cục bộ mở rộng 3.6.3 Chọn đường ở mức liên kết 3.6.3.2 Phương pháp định tuyến theo nguồn – Source Routing  Đầu tiên được phát triển để ghép nối các mạng Token ring  Source phải xác định đường chuyển tiếp số liệu đến Destination Cần tiến trình ―tìm đường‖ Source Routing: – Source phát 1 frame, với DA là địa chỉ của Destination – Các bridge dọc theo đường đi sẽ điền thông tin vào trường routing của frame (MAC address + số định danh mạng ở đầu ra của bridge hướng về phía Destination). – Frame ―tìm đường‖ được bridge phát vào các phân mạng mà frame này chưa đi qua, nhằm hướng Destination. – Khi frame đến đích:  Toàn bộ thông tin về đường đi từ Source – Destination đã được ghi trong trường RIF  Destination phát frame trở lại cho Source với đầy đủ thông tin routing. – Source chọn một trong các con đường để truyền thông. 104/108
  105. 3.6 Mạng cục bộ mở rộng 3.6.3.2 Phương pháp định tuyến theo nguồn – Source Routing  Nhận xét: – Các thiết bị cuối phải lưu giữ các thông tin routing chứ không phải các switch hoặc bridge. – Tên gọi khác: All Path Broadcast – Các bridge hỗ trợ phương pháp routing này được gọi là Source Routing Bridge. 105/108
  106. 3.6 Mạng cục bộ mở rộng 3.6.3.2 Phương pháp định tuyến theo nguồn – Source Routing Cấu trúc gói số liệu Token ring với trường RIF:  RT (3 bits): Cho biết đây có phải là frame ―tìm đường‖ (có forward frame này) không – RT = 0XX = Specifically Routed Frame (Có forward + XX = preserved) – RT = 10X = All Routes Explorer Frame – RT = 11X = Spanning Tree Explorer Frame (Các Source Routing Bridge sẽ điền vào RIF và forward)  LTH (5 bit) có tối đa 14 trường RD (2 bytes)  D = 0: frame đi theo chiều thuận: RD1 RD2 RDn  D = 1: frame đi theo chiều ngược lại • LF 000: 516 octets 001: 1 470 octets 010: 2 052 octets 011: 4 399 octets 100: 8 130 octets 101: 11 407 octets 110: 17 749 octets 111: 41 600 octets 106/108
  107. Hết Chương 3 107/108