Bài số 6 ETHERNET

Bài số 6 ETHERNET I. Tổng quan về Ethernet LANs 1. Lịch sử Ethernet -Ethernet được hãng XEROX phát triển nhằm giải quyết vấn đề kết nối giữa các máy tính cá nhân trong các văn phòng của hãng này. Sau đó một đội của hãng Xerox được thành lập cùng với hãng Intel hãng Digital Equipment Corp (DEC) để tiếp tục phát triển Ethernet. Do đó Ethernet ban đầu trở thành DIX Ethernet. - Các hãng này sau đó đã nhường việc phát triển các chuẩn của Ethernet cho IEEE vào đầu 1980. - IEEE thành lập hai uỷ ban làm việc với Ethernet đó là: uỷ ban IEEE 802.3 và IEEE 802.2. Uỷ ban 802.3 làm việc với các tiêu chuẩn của tầng vật lý và một phần của tầng liên kết dữ liệu được gọi là điều khiển truy nhập đường truyền – Medium Access Control – MAC. - Uỷ ban IEEE 802.2 làm việc với một phần chức năng của tầng liên kết dữ liệu được gọi là điều khiển liên kết logic – Logical Link Control – LLC. Các chuẩn của 802.2 được áp dụng cho cả Ethernet và các chuẩn cho LAN khác như Token Ring - Thuật ngữ Ethernet được dùng như là một họ các tiêu chuẩn định nghĩa tầng vật lý và tầng liên kết dữ liệu của các mạng LAN phổ biến nhất hiện nay. Các tiêu chuẩn này định nghĩa tốc độ truyền, loại cáp sử dụng trong mạng, độ dài của cáp… - Người sử dụng có thể thiết kế và sử dụng mạng LAN cho nhiều mục đích khác nhau như: + Chia sẻ file + Chia sẻ máy in + Truyền file + Chơi game 2. Các chuẩn của họ Ethernet a, Chuẩn 10BASE2 và 10BASE5 - Đây là 2 chuẩn đặc tả đầu tiên của họ Ethernet sử dụng cáp đồng trục tạo thành một đường bus để kết nối các PC và các thiết bị khác. - Nếu hai hay nhiều thiết bị cùng gửi tin thì các tín hiệu này sẽ bị trùm lên nhau và tạo ra hiện tượng đụng độ (collision) và các tín hiệu này sẽ không thể sử dụng được. Do đó kỹ thuật CSMA/CD được sử dụng để phát hiện đụng độ trong quá trình truyền tin - Các mạng 10BASE2 và 10BASE5 bị giới hạn bởi độ dài của bus (185 mét cho 10BASE2 và 500 mét cho 10BASE5), do đó muốn mở rộng mạng cần phải sử dụng các bộ lặp (Repeater). Repeater kết nối các đoạn bus, nhận các tín hiệu điện từ một đoạn bus, diễn dịch các bit 0 và 1 sau đó sinh ra các tín hiệu mới đủ mạnh và truyền sang đoạn bus tiếp theo. - Repeater hoạt động ở tầng vật lý và theo tiêu chuẩn 5 – 4 – 3. b, Chuẩn 10BASE – T - Được xây dựng năm 1990 sau đó là 100BASE-TX (1995) và chuẩn 1000BASE-T (1999). Để hỗ trợ cho các chuẩn này các thiết bị mạng như hub và switch được phát triển. - Các chuẩn này sử dụng topology dạng star với một hub hoặc switch là nút kết nối trung tâm. Ngày nay các mạng LAN sử dụng switch thay hub. - Một hub về cơ bản là một repeater nhiều cổng, do đó hub nhận tín hiệu từ một cổng sau đó sinh ra tín hiệu mới và phát đi tất cả các cổng còn lại. II. Điều khiển truy nhập đường truyền sử dụng kỹ thuật CSMA/CD - CSMA/CD - Carrier Sense Multiple Access With Collision Detection – Đa truy nhập bằng cảm nhận sóng mang có dò sung đột. - CSMA/CD và các tiền thân của nó có thể được gọi là kỹ thuật truy nhập ngẫu nhiên hoặc cạnh tranh đường truyền 1. Kỹ thuật CSMA - Với CSMA 1 máy trạm muốn truyền tin đầu tiên lắng nghe đường truyền để xác định có một cuộc truyền khác đang được tiến hành hay không (carrier sense). - Nếu đường truyền đang được sử dụng (busy) thì máy trạm này cần phải đợi. Nếu đường truyền không bận (idle) thì máy trạm có thể truyền. - Một khả năng có thể sảy ra là hai hay nhiều máy trạm cùng truyền cùng một lúc khi đó sẽ sảy ra đụng độ (collision), dữ liệu từ truyền đi từ các máy bị bóp méo một cách vô tình và do đó không thể nhận được một cách thầnh công. - Để giải quyết vấn đề này, máy trạm đã truyền tin đi cần đợi thông báo đã nhận được tin (ackowledgment) từ máy nhận trong một khoảng thời gian hợp lý sau khi truyền và cần cân nhắc đến độ trễ cực đại trong một vòng tròn truyền tin (round-trip). - Máy trạm nhận tin khi trả lời cũng cần phải cạnh tranh kênh truyền cho sự trả lời. Nếu không có sự trả lời từ máy nhận, máy gửi có thể giả thiết rằng một sự đụng độ đã sảy ra và nó sẽ truyền lại. - Những khả năng có thể sảy ra: + Nếu thời gian để truyền từ một trạm tới một trạm khác lớn hơn so với thời gian truyền một frame: khi đó một trạm khác cần phải có một khoảng thời gian tương đối lâu để nhận biết được một tram khác đã gửi một frame. Trong khoảng thời gian này một trong các trạm khác có thể truyền một frame. Thực tế nếu khoảng cách giữa hai trạm đủ lớn thì sẽ có nhiều máy trạm sẽ gửi tin nối tiếp nhau, do đó sẽ sảy ra đụng độ. + Nếu thời gian để truyền từ một trạm tới một trạm khác nhỏ hơn thời gian truyền một frame: trong trường hợp này khi một trạm gửi một frame thì hầu hêt các trạm khác sẽ nhận biết được điều này ngay lập tức và do đó các trạm khác xẽ không cố gắng để gửi các frame, do đó đụng độ sẽ ít sảy ra. - Với CSMA, 1 thuật toán được dùng để chỉ ra một máy trạm cần phải làm gì nếu như đường truyền được phát hiện là bận (Thuật toán CSMA- không kiên nhẫn). Nội dung của thuật toán: Một máy trạm muốn truyền tin lắng nghe đường truyền và tuân theo các bước sau: 1, Nếu đường truyền không bận (idle) thì truyền, nếu không thì chuyển sang bước 2. 2, Nếu đường đường truyền bận thì đợi một khoảng thời gian ngẫu nhiên (khoảng thời gian ngẫu nhiên này đươc cung cấp bởi một bộ phân phối thời gian) và lặp lại bước 1. - Sử dụng độ trễ ngẫu nhiên sẽ là giảm khả năng đụng độ song lại làm lãng phí đường truyền. Ví dụ: - Hai trạm đã sẵn sàng truyền tin cùng một thời gian trong khi trạm khác đang tiến hành truyền tin. Nếu cả 2 trạm cùng đợi một khoảng thời gian như nhau trước khi thử gửi một lần nũa như vậy cả hai sẽ cùng gửi cùng một thời gian. Do đó sẽ sảy ra đụng độ - Sau khi một trạm kết thúc truyền tin thì đường truyền không bận nhưng các trạm khác (đang đợi để truyền tin) không biết điều này vì các trạm này không nghe đường truyền do đó sẽ lãng phí đường truyền Để tránh khả năng đường truyền phí bị lãng thuật toán CSMA- kiên nhẫn bậc 1 có thể được sử dụng. Nội dung của thuật toán: Một máy trạm muốn truyền tin lắng nghe đường truyền và tuân theo các bước sau: 1, Nếu đường truyền không bận thì truyền, nếu không thì chuyển sang buớc 2 2, Nếu đường truyền bận, tiếp tục lắng nghe cho đến khi đường truyền không bận, sau đó truyền ngay lập tức. Để giảm khả năng xung đột và giảm thời gian nghỉ của đường truyền, thuật toán kiên nhẫn bậc p (p-persistent) có thể được áp dụng. Nội dung của thuật toán như sau: Một máy trạm muốn truyền tin lắng nghe đường truyền và tuân theo các bước sau: 1, Nếu đường truyền không bận thì truyền với xác suất p và đợi một đơn vị thời gian với xác suất 1- p, độ dài của đơn vị thời gian bằng độ trễ cực đại trong quá trình truyền tin. 2, Nếu đường truyền bận tiếp tục lắng nghe cho đến khi đường truyên không bận và lặp lại bước 1. 3, Nếu việc truyền bị trễ một đơn vị thời gian thì lặp lại bước 1. Vấn đề đặt ra là p sẽ được tính toán bằng bao nhiêu? + Với những mạng chịu tải nhỏ, nếu p nhỏ thì các trạm phải đợi một khoảng thời gian lâu hơn để có thể được truyền tin. + Với những mạng thường phải chịu tải trọng lớn, p cần phải nhỏ, chẳng hạn có n trạm có nhu cầu truyền tin trong khi một trạm khác đang truyền. Khi trạm đang truyền kết thúc truyền tin, số trạm sẽ cố gắng để truyền sẽ bằng số trạm nhân với xác suất truyền p và bằng np Nếu np >1: Sẽ có nhiều hơn một trạm có nhu cầu truyền tin khi đó khả năng đụng độ sẽ sảy ra. Khi đụng đọ sảy các trạm sẻ cố gắng truyền lại, lúc này sẽ có thêm trạm mới cũng cố để truyền tin do đó khả năng đụng độ sẽ tăng thêm. Do đó np phải nhỏ hơn 1 với 1 giá trị của n - Với CSMA vẫn còn một sự không hiệu qủa, đó là khi đụng độ sảy ra giữa hai frame, các máy trạm đang gửi các frame này không biết được đụng độ đã sảy ra (vì các máy trạm không nghe đường truyền), do đó đường truyền vẫn giữ ở trạng thái không sử dụng được trong suốt thời gian truyền của hai frames. Với những frame dài sự lãng phí của đường truyền là đáng kể. - Sự lãng phí này có thể được giảm bớt nếu một trạm tiếp tục lắng nghe đường truyền trong khi đang truyền tin. 2. Kỹ thuật CSMA/CD Một máy trạm muốn truyền tin lắng nghe đường truyền và tuân theo các bước sau: 1, Nếu đường truyền không bận thì truyền, nếu không thì chuyển sang bước 2 2, Nếu đường truyền bận, tiếp tục lắng nghe cho đến khi đường truyền không bận, sau đó truyền ngay lập tức. Tiếp tục lắng nghe đường truyền trong quá trình truyền tin 3, Nếu một đụng độ được phát hiện trong khi truyền thì truyền đi một tín hiệu báo nghẽn nhỏ (jamming signal) để đảm bảo rằng tất cả các trạm khác biết đang có một đụng độ sau đó ngừng truyền. 4, Sau khi truyền tín hiệu báo nghẽn đợi trong một khoảng thời gian ngẫu nhiên được gọi là backoff sau đó cố gắng truyền lần nữa (lặp lại từ bước 1) III. Các giao thức của tầng liên kết dữ liệu trong Ethernet 1. Đánh địa chỉ trong Ethernet - Đánh địa chỉ trong Ethernet xác định địa chỉ của một thiết bị hay của một nhóm thiết bị trên một LAN. - Mỗi địa chỉ dài 6 bytes, thường được viết dưới dạng thập lục phân (hexadicimal). Với các thiết bị của Cisco địa chỉ được viết dưới dạng các dấu chấm ngăn cách 4 chữ số hexa, ví dụ: 0000.0C12.3456 là một địa chỉ Ethernet - Địa chỉ Unicast xác định một card LAN. Các máy tính sử dụng địa chỉ unicast để xác định máy gửi và máy nhận. Ví dụ: Fred và Barney ở trên cùng một Ethernet LAN và Fred gửi cho Barney một frame. Fred đặt địa chỉ MAC của mình vào phần header của Frame như là địa chỉ nguồn và sử dụng địa chỉ MAC của Barney như là điạ chỉ đích. Khi Barney nhận được frame, Barney nhận thấy rằng địa chỉ đích là địa chỉ của mình nên sẽ xử lý frame này. Nếu địa chỉ đích không trùng với địa chỉ MAC của Barney, Barney sẽ không làm gì với frame này. - IEEE định nghĩa khuân dạng và quy định cách gán địa chỉ cho mạng LAN và gọi là địa chỉ MAC. Địa chỉ MAC của mỗi card LAN được gán duy nhất trên toàn thế giới. - Các nhà sản xuất card LAN mã hoá địa chỉ MAC trong mỗi card mạng và thường đặt ở trong ROM của card. - Địa chỉ MAC gồm 2 phần: Phần đầu là số hiệu nhà sản xuất (do IEEE quy định) và phần sau là một số mà nhà sản xuất này chưa dùng bao giờ để gán cho mỗi một card. - Địa chỉ nhóm xác định nhiều card LAN. IEEE định nghĩa hai loại địa chỉ nhóm cho Ethernet: + Broadcast Addresses: Thường được sử dụng nhiều nhất trong việc nhóm các địa chỉ MAC. Broadcast Addresses có giá trị: FFFF.FFFF.FFFF - Broadcast Addresses ám chỉ tất cả các thiết bị cần phải xử lý frame. - Multicast Addresses: Cho phép một tập hợp con các thiết bị liên kết với nhau. Địa chỉ Multicast có dạng 0100.5exx.xxxx (x có thể là bất kỳ giá trị nào) 2. Khuân dạng của frame trong Ethernet - Việc tạo frame định nghĩa cách thức diễn dịch một chuỗi các số nhị phân được truyền trên mạng. - Việc xây dựng frame trong Ethernet thay đổi nhiều lần. Đầu tiên Xeror định nghĩa một phiên bản của frame, sau đó IEEE thay đổi và tạo ra các phiên bản mới. - Khuân dạng của LAN header: DIX FCS 4 Data & Pad 46 - 1500 Type 2 Sour ce 6 Destinati on 6 Preamble 8 FCS 4 Data & Pad 46 - 1500 Length 2 Source 6 Des 6 SFD 1 Preamb le 7 IEEE 802.3 (Original) IEEE 802.3 (Rivised 1997) FCS 4 Data & Pad 46 - 1500 Length /Type 2 Source 6 Des 6 SFD 1 Preamble 7 Mô tả các trường trong 802.3 Ethernet header và trailer Mã phát hiện lỗi4FCS Dữ liệu từ tầng trên (L3 PDU)46-1500Data & Pad Định nghĩa kiểu giao thức trong frame 2Type Độ dài của trường dữ liệu của frame2Length Xác định địa chỉ MAC của máy gửi6Sour MAC Xác định địa chỉ MAC của máy nhận6Des MAC Báo hiệu byte tiếp theo sẽ là Des field1SFD Đồng bộ hoá7Preamble Mô tảĐộ dài (byte) Trường 3. Xác định dữ liệu bên trong một Ethernet frame - Theo thời gian nhiều loại giao thức của tầng 3 (tầng mạng) được định nghĩa. Chẳng hạn như các giao thức của IBM, Novell Netware, Apple, OSI, TCP/IP… - Tất cả các giao thức này có thể sử dụng Ethernet. Để sử dụng Ethernet, các giao thức này đặt các gói tin của mình (L3PDU) bên trong 1 Ethernet frame. Khi nhận được frame của Ethernet, bên nhạn cần phải biết được kiểu của L3PDU bên trong Ethernet frame. - Bên trong Ethernet frame có một trường gọi là trường Type, trường này xác định kiểu của giao thức được sử dụng ở tầng 3. Ví dụ: Để ngầm ám chỉ một IP packet bên trong một Ethernet frame, trường type có giá trị ngầm định là 0800 (hexa), các kiểu khác của L3 PDU sẽ có các giá trị khác nhau trong trường này. - Nếu trường Length/Type được sử dụng để xác định độ dài của Ethernet frame thì một trường khác cần được sử dụng để xác định kiểu của L3PDU và giá trị của Length/Type phải nhỏ hơn 1536. Có hai loại header và có thể chọn một trong hai header này để thêm vào sau Ethernet 802.3 header nhưng trước layer 3 header, đó là: + IEEE 802.3 Logical Link Control (LLC) header + IEEE 802.3 Subnetwork Access Protocol (SNAP) header ControlSource Access Point Destination Access Point LLC header TypeOUI SNAP header