Bài giảng lớp liên kết dữ liệu mạng máy tính: Tổng hợp kiến thức

Chương 10

LỚP LIÊN KẾT DỮ LIỆU

TS Nguyễn Hồng Sơn Bộ môn Mạng máy tính & TSL PTITHCM

NỘI DUNG

(cid:1) Sơ lược về lớp liên kết dữ liệu (cid:1) Điều khiển truy nhập đường truyền (cid:1) Mạng cục bộ và Ethernet (cid:1) ARP và RARP (cid:1) Các thiết bị nối mạng LAN (cid:1) Khái niệm bandwidth domain và

broadcast domain

(cid:1) STP

TỔNG QUAN VỀ LỚP LIÊN KẾT DỮ LIỆU

(cid:1) Truyền dữ liệu giữa hai nút nối trực tiếp

Các hoạt động trong lớp 2 (1/3)

Các hoạt động trong lớp 2 (2/3)

(cid:1) Framing:

(cid:1) Bên máy truyền: encapsulation (cid:1) Bên máy nhận: decapsulation

(cid:1) Addressing: Đánh địa chỉ theo lược đồ, xác định địa chỉ nguồn và địa chỉ đích

Các hoạt động trong lớp 2 (3/3)

(cid:1) Điều khiển truy nhập đường truyền

(cid:1) Nếu là mạng đa truy nhập, cần có cơ chế điều khiển việc truy nhập đường truyền

(cid:1) Kiểm soát lỗi:

(cid:1) Phát hiện và sửa lỗi (cid:1) Các phương pháp như parity bit,

checksum, RC check

ĐIỀU KHIỂN TRUY NHẬP ĐƯỜNG TRUYỀN

(cid:1) Các dạng liên kết

(cid:1) Point-to-point: ADSL, Leased line...

(cid:1) Broadcast: LAN truyền thống dạng bus hay sao, WLAN, HFC(hybrid fiber coaxial)...

(cid:1) Các môi trường quảng bá cần điều khiển truy

nhập để tránh xung đột

Phân loại các cơ chế điều khiển đa truy nhập

(cid:1) Phân kênh:

(cid:1) Phân chia tài nguyên đường truyền thành nhiều phần nhỏ (Thời

gian-TDMA, Tần số-FDMA, Mã-CDMA)

(cid:1) Gán mỗi phần nhỏ cho mỗi nút

(cid:1) Ngẫu nhiên

(cid:1) Cho phép truy nhập một cách ngẫu nhiên, chấp nhận có thể xảy

ra xung đột, có cơ chế phát hiện và tránh xung đột

(cid:1) Ví dụ Pure Aloha, Slotted Aloha, CSMA/CD, CSMA/CA...

(cid:1) Lấy lượt:

(cid:1) Dùng thẻ điều khiển (token) (cid:1) Ví dụ Token Ring, Token Bus

Các phương pháp phân kênh

CSMA/CD

(cid:1) Carrier Sense Multiple Access with

Collision Detection: đa truy nhập cảm nhận sóng mang với phát hiện xung đột

(cid:1) Ví dụ một cuộc họp

(cid:1) Một người muốn nói, khi nào nói? (cid:1) Trong khi nói cũng có thể nghe được người

khác nói chen vào

CSMA/CD

(cid:1) Các máy lắng nghe trước khi truyền: (cid:1) Nếu kênh trống thì truy nhập để truyền (cid:1) Nếu kênh bận thì chờ

(cid:1) Nguyên nhân có xung đột: độ trễ

Xung đột trong CSMA

(cid:1) Giả sử kênh truyền có 4

nút

(cid:1) Tín hiệu điện từ lan truyền từ nút này sang nút kác mất một khoảng thời gian nhất định

(cid:1) Giải quyết xung đột bằng thuật toán vãn hồi (back off), sẽ đề cập chi tiết ở phần sau.

Phát hiện xung đột

(cid:1) Khi quát hiện xung đột

node dừng truyền frame, truyền mẫu 32bit jam. (cid:1) Sau Tp B phát hiện xung

đột

(cid:1) Sau 2Tp A phát hiễn xung

đột

(cid:1) Chuyển sang backoff

Giải thuật backoff

So sánh phương pháp phân kênh và ngẫu nhiên

(cid:1) Phân kênh:

(cid:1) Hiệu quả, công bằng cho đường truyền với lưu lượng

lớn

(cid:1) Lãng phí nếu cấp kênh cho nút có lưu lượng nhỏ

(cid:1) Truy nhập ngẫu nhiên (cid:1) Hiệu quả khi tải nhỏ (cid:1) Khi tải lớn xung đột sẽ gia tăng

(cid:1) Phương pháp lấy lượt sẽ dung hòa cả hai

phương pháp trên

Token Ring-Mạng vòng dùng thẻ điều khiển

(cid:1) Thẻ luân chuyển qua từng nút (cid:1) Nút nào giữ thẻ sẽ được phép

truyền

(cid:1) Truyền xong phải chuyển thẻ (cid:1) Hạn chế:

(cid:1) Mất thời gian chuyển thẻ (cid:1) Mất thẻ

Mạng cục bộ LAN

Ca(cid:3)c tu(cid:4)y cho(cid:5)n cu(cid:6)a Ethernet hay IEEE 802.3

(cid:1) Half- and full-duplex Ethernet (cid:1) 10-Mbps Ethernet (cid:1) 100-Mbps Ethernet (cid:1) 1000-Mbps (1-Gbps or Gigabit) Ethernet (cid:1) 10-Gbps Ethernet (cid:1) Metro Ethernet (cid:1) Long-Reach Ethernet (LRE) (cid:1) Cisco EtherChannel

100-Mbps Ethernet (1)

(cid:1) 100-Mbps Ethernet được xem như Fast Ethernet va(cid:4) 100Base-T Ethernet, co(cid:3) 4 da(cid:5)ng triê(cid:6)n khai vâ(cid:5)t ly(cid:3): (cid:1) 100BASE-TX. Two pairs of Category 5 (or better) UTP cabling (phô(cid:6) du(cid:5)ng, du(cid:4)g câ(cid:3)u hi(cid:4)nh dây giô(cid:3)ng 10Base-T) (cid:1) 100BASE-T2. Two pairs of Category 3 (or better) UTP

(cid:1) 100BASE-T4. Four pairs of Category 3 (or better) UTP

cabling (1 đôi pha(cid:3)t hiê(cid:5)n collision, 8B/6T signaling)

(cid:1) 100BASE-FX. Two multimode optical fibers

(cid:1) A(cid:6)nh hưởng RTT-->đường ki(cid:3)nh tô(cid:3)i đa cu(cid:6)a 100Mbps

Ethernet la(cid:4) 205m khi du(cid:4)ng ca(cid:3)p UTP

cabling (du(cid:4)ng PAM-5 signaling)

Gigabit Ethernet (1/2)

(cid:1) Gigabit Ethernet râ(cid:3)t thi(cid:3)ch hợp cho

building va(cid:4) campus backbone.

(cid:1) Tâ(cid:5)p trung cho mười Ethernet segment

100Mbps

(cid:1) Thường du(cid:4)ng full-duplex mode va(cid:4) kê(cid:3)t

nô(cid:3)i giữa ca(cid:3)c switch va(cid:4) router.

(cid:1) Gigabit Ethernet cu(cid:11)ng được du(cid:4)ng cho

ca(cid:3)c server câ(cid:4)n performace cao

Gigabit Ethernet (2/2)

(cid:1) 1000Base-SX phu(cid:4) hợp cho ca(cid:3)p ngang

đa mode va(cid:4) backbone

(cid:1) 1000Base-LX phu(cid:4) hợp cho building va(cid:4)

campus backbone

(cid:1) 1000Base-CX phu(cid:4) hợp cho tu(cid:6) viê(cid:11)n

thông đê(cid:6) nô(cid:3)i ca(cid:3)c thiê(cid:3)t bi(cid:5) ca(cid:3)ch nhau ≤ 25m

(cid:1) 1000Base-T cho ca(cid:3)p ngang UTP cat.5

hay tô(cid:3)t hơn, pha(cid:5)m vi tô(cid:3)i đa 200m

10-Gbps Ethernet

(cid:1) 10-Gbps Ethernet la(cid:4) công nghê(cid:5)

backbone cho ISP va(cid:4) Enterprise network. Du(cid:4)ng trong server farm, SAN va(cid:4) digital video studio

(cid:1) Chi(cid:6) hô(cid:11) trợ truyê(cid:4)n full-duplex qua ca(cid:3)p

quang

(cid:1) Nê(cid:3)u du(cid:4)ng sợi đơn mode cự ly co(cid:3) thê(cid:6)

đê(cid:3)n 40km

Mạng hình sao

(cid:1) Trước đây mạng bus là phổ biến, các nút mạng cùng

chia sẻ một đường trục (cid:1) Mạng hình sao chiếm ưu thế

(cid:1) Dùng thiết bị trung tâm hub hay switch có nhiều cổng (cid:1) Switch tạo liên kết độc lập cho 2 nút mạng bất kỳ, do đó

không có xung đột

Định dạng Ethernet Frame

Tại sao?

(cid:1) Preamble: đánh dấu đầu frame (8byte 101010...11) (cid:1) Dest Address (6byte): địa chỉ vật lý của nút đích (cid:1) Source Address: địa chỉ vật lý của nút nguồn, 6 byte (cid:1) Type (2 byte) chỉ giao thức lớp trên (cid:1) Data chứa gói tin lớp trên, qui định MTU (cid:1) CRC: mã kiểm soát lỗi (cid:1) minimum frame size = 64 byte, (cid:1) maximum frame size = 1518 byte

Type

Data

CRC

Preamble Dest Address

Source Address

Địa chỉ MAC

(cid:1) Địa chỉ MAC còn gọi là địa chỉ vật lý, thuộc lớp 2 (cid:1) Lược đồ địa chỉ phẳng, 48 bit, gồm 24 bit đầu là OUI (Organizational Unique

Identifier)

Internet Multicast Address

(cid:1) Địa chỉ multicast cũng gồm OUI và một số riêng, nhưng trong trường hợp IPv4 thì OUI luôn là 0x01005E (OUI gán cho IETF) và số riêng là danh định của nhóm được suy ra từ địa chỉ multicast lớp 3

(cid:1) Các địa chỉ multicast lớp 3 được ánh xạ sang các địa chỉ lớp 2 khi các địa chỉ IP multicast được dùng.

ARP và RARP

Vai trò của ARP ?

Vị trí của ARP và RARP trong mô hình TCP/IP

ARP

RARP

ARP và RARP là giao thức hỗ trợ cho IP

Network Access layer

Hoa(cid:3)t đô(cid:3)ng cu(cid:4)a ARP

ARP packet

Hardware Type - Ethernet is type 1

Protocol Type- IPv4=x0800

Hardware Length:length of Ethernet Address (6)

Protocol Length:length of IPv4 address (4)

Đo(cid:5)ng go(cid:5)i ARP packet

ARP packet được đo(cid:5)ng go(cid:5)i trong mô(cid:3)t Ethernet frame. Type field cho Ethernet la(cid:8) x0806

Bô(cid:5)n trường hợp du(cid:8)ng ARP

Vi(cid:5) du(cid:3)

Proxy ARP

RARP

(cid:1) RARP ti(cid:4)m logical address cu(cid:6)a mô(cid:5)t ma(cid:3)y đa(cid:11) biê(cid:3)t

physical address.

(cid:1) Điê(cid:4)u na(cid:4)y thường gă(cid:5)p khi ca(cid:3)c ma(cid:3)y tra(cid:5)m yê(cid:3)u (thin-

client workstation) boot ma(cid:3)y từ ROM nhưng không ghi đi(cid:5)a chi(cid:6) IP va(cid:4)o ROM, khi boot ma(cid:3)y câ(cid:4)n đi(cid:5)a chi(cid:6) IP.

(cid:1) RARP requests la(cid:4) broadcast, ca(cid:3)c RARP reply la(cid:4)

unicast.

(cid:1) Ma(cid:3)y tra(cid:5)m cu(cid:11)ng câ(cid:4)n subnet mask, router address,

DNS address, ...se(cid:11) câ(cid:4)n nhiê(cid:4)u RARP

(cid:1) BOOTP va(cid:4) DHCP cu(cid:11)ng cung câ(cid:3)p IP address

RARP packet

Đo(cid:5)ng go(cid:5)i RARP packet

Các thiết bị kết nối mạng LAN

(cid:1) Hub, bridge và switch

(cid:1) Một thiết bị mạng LAN với nhiều cổng

(cid:1) Hub: Chuyển tiếp tín hiệu ở lớp vật lý (chỉ xử

lý lớp 1) (cid:1) Nhận tín hiệu từ một cổng (khuyếch đại) và

chuyển tiếp đến các cổng còn la(cid:5)i

(cid:1) Không có các dịch vụ của lớp liên kết dữ liệu

(cid:1) Bridge và switch là thiết bị làm việc đến lớp 2

(cid:1) Thông minh hơn hub (cid:1) Có thể lưu và chuyển tiếp dữ liệu (Ethernet

frame)

Switch

(cid:1) Cho phép nhiều cặp liên kết

cùng hoạt động (cid:1) E.g. A-to-A’ và B-to-B’, không

có xung đột

C’ B

1 2 3 6

(cid:1) Giao thức Ethernet được sử dụng trên mỗi link, không sợ xung đột với các link khác (cid:1) Mỗi link là một vùng xung đột

riêng

4 5

(cid:1) Switch có một bảng đ/c MAC cho biết máy nào ở cổng nào (cid:1) (Đ/c MAC máy trạm, số hiệu

cổng, TTL)

B’ A’

Ví dụ mạng

mail server

IP subnet

Kết nối tới mạng bên ngoài web server router

So sánh Switch và Router

(cid:1) Lưu và chuyển tiếp (cid:1) routers: tầng mạng (cid:1) switches: tầng liên kết dữ liệu

(cid:1) Router quản lý bảng chọn đường, giải thuật chọn

đường, chuyển tiếp gói tin

(cid:1) switches quản lý bảng chuyển tiếp, tự học, lọc frame

Host Switch Router Host

Khái niệm bandwidth domain và broadcast domain

Router

(cid:1) Bandwidth domain:

Switch

Hub

(cid:1) Phạm vi mạng mà các máy trạm trong đó tranh chấp đường truyền cần phải điều khiển truy cập, vì vậy đôi khi còn gọi là collision domain

(cid:1) hub tạo nên một bandwidth domain

Collision Domain

Broadcast Domain

(cid:1) Broadcast domain

(cid:1) Phạm vi mạng cho phép

(cid:1) switch tạo nên một LAN vật lý là một broadcast domain

một frame quảng bá (lớp 2) phát tán.

Phân chia các domain

(cid:1) Switch hoạt động ở lớp 2 phân chia một

bandwidth domain thành các bandwidth domain tách biệt, nhưng không chia broadcast domain

(cid:1) Router và swicth lớp 3 thực hiện phân chia

broadcast domain thành các broadcast domain tách biệt.

Switch: Cơ chế tự học

(cid:1) Switch tự nhận biết

Source: A Dest: A’

A A’ A

đ/c MAC của các máy nối vào bằng cách quan sát lưu lượng (cid:1) Bảng chuyển tiếp

C’ B

1 2 3 6 MAC addr interface TTL

4 5

60 1 A C

B’ A’

Switch: Cơ chế chuyển tiếp

Khi nhận được 1 frame 1. Tìm đ/c cổng vào 2. Tìm địa chỉ cổng ra dùng bảng chuyển tiếp 3. if tìm thấy cổng ra

then { if cổng ra == cổng vào then hủy bỏ frame else chuyển tiếp frame đến cổng ra theo bảng

}

else quảng bá frame

Ví dụ

Source: A Dest: A’

(cid:1) Dò bảng không tìm

A A’ A

thấy cổng ra:Quảngbá

C’ B

(cid:1) Đã biết đ/c A: Chuyểntrựctiếp

1 2 3 6 A A’A A’A A’A A’A A’

4 5

A’ A MAC addr interface TTL

B’ A’

Bảngchuyểntiếp (Ban đầurỗng) 60 60 1 4 A A’

Nối mạng cục bộ dùng switch

(cid:1) Các switch có thể được nối với nhau

S1 S3

S2 A

F I D C B

(cid:1) Cũng dùng cơ chế tự học

H G E

Trở ngại của cơ chế tự học khi có vòng trong topo mạng

(cid:1) Điều gì xảy ra khi A truyền frame cho B?

(cid:1) giả sử ban đầu các bảng đều trống

port 1

port 2

port 1

port 2

port 1

port 2

Trở ngại của cơ chế tự học khi có vòng trong topo mạng

port 1

port 2

port 3

port 1

port 2

port 1

port 2

B1 truyền frame của A ra port 2 và port 3. B1 học A trên port 1. B3 truyền frame này ra port 2. B2 truyền frame này ra port 1 và 3...Frame được nhân bản lên và các switch nhận được một số bản.

Giải pháp

(cid:1) Cần tạo một topo không có vòng gọi là active

topology (cid:1) Quyết định port bị khóa và port nào mở (cid:1) Tiến hành tự động (plug and play) (cid:1) Cập nhật khi có sự thay đổi

(cid:1) Thực hiện bằng giao thức STP (spanning tree

protocol), có các phiên bản: (cid:2) Traditional Spanning Tree (802.1d) (cid:2) Rapid Spanning Tree hay RSTP (802.1w) (cid:2) Multiple Spanning Tree hay MSTP (802.1s)

Giao thức STP (1/2)

Tạo một topo hình cây (cid:1) Có nhiều cách xây dựng cây trên đồ thị có thể áp dụng: (cid:1) Minimum Spanning Tree (giải thuật Prim hay Kruskal) (cid:1) STP dùng tập các đường đi ngắn nhất theo vector

(cid:1) Mỗi bridge/switch có một nhãn, dựa vào MAC address + configurable

offset. Thiết bị nào có nhãn nhỏ nhất được chọn làm gốc “root”.

Mõi LAN giữa các bridge/switch có một cost,

Duplex

Port Type 100BASE-TX / 100BASE-FX (VLT)

10BASE-T

5 12 6

Half

Cost Full Half Full 700

(cid:1) STP tính toán các đường đi ngắn nhất từ root