Mạng máy tính - Chương 5: Giao thức tầng liên kiết dữ liệu (data link)

Chương 5.Giao thức tầng liên kiết dữ liệu (data link)Doan Thi Thu HaChương 5. Tầng liên kết dữ liệu*1-6/2005Ch5. Giao thức tầng liên kết dữ liệu5.1 - Introduction and services5.2 - Error detection and correction5.3 - Multiple access protocols & LAN5.4 - Link-layer addressing & ARP5.5 - Specific link layer technologiesEthernetPPPWireless NetworksATMFrame RelayChương 5. Tầng liên kết dữ liệu*1-6/2005EthernetTác giả: Bob Metcalfe và David Boggs.Ethernet là kiến trúc LAN phổ biến nhất hiện nayƯu điểm: đơn giản, rẻ, tốc độ 10,100Mbps,1GbpsBản thiết kế khai sinhEthernetChương 5. Tầng liên kết dữ liệu*1-6/2005Ethernet Star Topology exampleEthernet là mạngBroadcastChương 5. Tầng liên kết dữ liệu*1-6/2005Ethernet Frame StructureDestination & Source Address (6B): địa chỉ vật lý của nút gửi và nhận.Data (16-1500B). Ethernet MTU = 1500B  nếu IP datagram >1500 thì sẽ phải chia nhỏ ra.Type (2B): Giao thức tầng trên (IP, Novell IPX, Apple Talk).CRC (4B): Mã CRCPreamble (8B): Đồng bộ hoá sender/receiver, gồm 7 bytes đầu tiên là 10101010, byte tiếp theo là 10101011Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu*1-6/2005Ethernet: CSMA/CDEthernet sử dụng giao thức truy cập đường truyền CSMA/CD.Ethernet CSMA/CD:Khi NIC nhận được datagram từ tầng trên, đóng frame rồi gửi vào buffer.Nếu kênh truyền rỗi (96 bit times) thì truyền. Nếu không, chờ đợi.Trong quá trình truyền, nếu phát hiện xung đột, dừng và gửi đi 48-bit jam signal để báo cho các nút khác rồi chuyển sang pha exponential backoff.Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu*1-6/2005Ethernet: CSMA/CD (cont)jam signal: một số nút có thể không cảm nhận được do những điều kiện khác nhau!!!jam signal thông báo cho mọi nút biết rằng mạng đang bị xung đột.exponential backoff algorithm: giải thuật này khiến các nút chịu khó chờ lâu hơn khi mức độ xung đột cao.bit time: thời gian truyền 1 bit.n là số lần xung đột khi truyền một frame nào đó.sau n lần xung đột, nút sẽ đợi 512 x K bit time rồi truyền lại; K được chọn ngẫu nhiên trong tập {0,1,2,,2m – 1} với m:=min (n,10).Kênh truyền hữu tuyến Cáp thuộc loại kênh truyền hữu tuyến được sử dụng để nối máy tính và các thành phần mạng lại với nhau. Hiện nay có 3 loại cáp được sử dụng phổ biến là: Cáp xoắn đôi (twisted pair), cáp đồng trục (coax) và cáp quang (fiber optic). Việc chọn lựa loại cáp sử dụng cho mạng tùy thuộc vào nhiều yếu tố như: giá thành, khoảng cách, số lượng máy tính, tốc độ yêu cầu, băng thông Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu*1-6/2005Kênh truyền hữu tuyến Cáp xoắn đôi (Twisted Pair) Cáp xoắn đôi có hai loại: Có vỏ bọc (Shielded Twisted Pair-STP) và không có vỏ bọc (Unshielded Twisted Pair-UTP).Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu*1-6/2005Kênh truyền hữu tuyến Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu*1-6/2005Cáp đồng trục (Coaxial Cable) Cáp đồng trục là loại cáp được chọn lựa cho các mạng nhỏ ít người dùng, giá thành thấp. Có cáp đồng trục gầy (thin coaxial cable) và cáp đồng trục béo (thick coaxial cable) Đầu nối chữ T (T connector), đầu nối BNC và thiết bị đầu cuối (Terminator) Kênh truyền hữu tuyến Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu*1-6/2005Kênh truyền hữu tuyến Cáp quang (Fiber Optic) Cáp quang truyền tải các sóng điện từ dưới dạng ánh sáng. Thực tế, sự xuất hiện của một sóng ánh sáng tương ứng với bit “1”và sự mất ánh sáng tương ứng với bit “0”. Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu*1-6/2005Kênh truyền hữu tuyến Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu*1-6/2005Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu*1-6/2005Ethernet TechnologiesCông nghệ Ethernet: 10Base2;10BaseT;100BaseT.10Base2:10Base2 = 10Mbps; cáp đồng trục (coaxial) < 200m.Bus topology.Rất rẻ.Cáp: <185m (185 ~ 200). Có thể dùng repeater để tăng k/c.Không còn phổ biến nữa.Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu*1-6/2005Ethernet Technologies: 10BaseT & 100BaseT10BaseT và 100BaseT là công nghệ Ethernet LAN phổ biến hiện nay (còn gọi là Fast Ethernet)10Mbps; 100Mbps; sử dụng cáp đôi xoắn (Twisted pair).Sử dụng hub.chuyển tiếp bit (tầng vật lý)báo cáo thống kê (bandwidth usage, collision...).ngắt các nút gặp sự cố khỏi mạng.Độ dài tối đa của cáp từ hub tới host: 100m.10/100BaseT sử dụng hub (star)Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu*1-6/2005Ethernet Technologies: Gigabit Ethernet1000BaseT: IEEE802.3zTốc độ: 1/10Gbps.Sử dụng cấu trúc frame chuẩn của Ethernet.Cho phép kết nối kiểu điểm-điểm (sử dụng switch) và quảng bá (chia sẻ đường truyền, sử dụng hub).CSMA/CD được sử dụng để truy cập đường truyền chia sẻ.Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu*1-6/2005Kết nối các LANs: repeater, hub, bridge, switchRepeater (bộ lặp): khôi phục tín hiệu đã bị yếu.Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu*1-6/2005Kết nối các LANs: repeater, hub, bridge, switchHub:Hoạt động ở tầng vật lý với chức năng chính là chuyển các bit nhận được từ một cổng tới các cổng còn lại.Hub cung cấp các thống kê về tình hình sử dụng mạng.Có thể dùng để nối các LAN segments (backbone hub).Đơn giản, rẻ, dễ lắp (không cần cấu hình)Không có khả năng phân vùng xung đột (một nút ở segment này có thể xung đột với nút ở segment khác).Không thể kết nối segment sử dụng kiến trúc khác nhau 10BaseT và 100BaseTChương 5. Tầng liên kết dữ liệu*1-6/2005BridgeBridge (cầu) được sử dụng để kết nối các đoạn mạng (segment) khác nhau.Bridge hoạt động tại tầng data link có khả năng thao tác với các frame (hub chỉ thao tác với bit).Chức năng chính: forwarding & filtering.Bridge forwarding: khi nhận một frame, bridge căn cứ vào frame header phải quyết định chuyển tiếp frame đó tới cổng ra nào (tra bảng – bridge table).Bridge filtering: một số frame được gửi giữa hai nút cùng nối tới một hub sẽ bị bỏ qua.Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu*1-6/2005Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu*1-6/2005Bridge có bộ đệm cho các frame nên có khả năng phân vùng làm giảm xung đột (nút ở segment này không xung đột với nút ở segment khác).Bridge sử dụng CSMA/CD khi gửi frame tới một LAN segment.Không có backbone bridge EE và SE muốn liên lạc phải đi qua CSKhi CS gặp sự cố sẽ khiến EE và SE mất liên lạcbackbone bridgeChương 5. Tầng liên kết dữ liệu*1-6/2005Bridge forwarding tableBridge table cho phép tra cứu cổng (segment) cần gửi frame tới khi biết địa chỉ đích.Bảng này được xây dựng dần mỗi khi một cổng nhận được frame gửi tới từ nút nào đó (địa chỉ nút gửi và cổng – segment tương ứng)  learning.Nếu không tìm thấy địa chỉ nút nhận trong bảng thì gửi frame tới tất cả cổng còn lại.Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu*1-6/2005Spanning TreeĐể tăng độ tin cậy, nhiều bridge được sử dụng  nhiều đường đi, các gói tin bị lặp (forward trở lại).Spanning Tree: tạm thời vô hiệu hoá một số interface để đảm bảo không có vòng lặp.DisabledChương 5. Tầng liên kết dữ liệu*1-6/2005Bridge và routerCả hai đều là thiết bị store-and-forward.Bridge là thiết bị của tầng data link, thao tác với frame còn router là thiết bị tầng mạng thao tác với datagram.Router: routing table, routing algorithm; bridge: filtering tables, learning & spanning tree algorithm.Bridge hoạt động đơn giản hơn, hỗ trợ ít hình trạng mạng hơn, không có cơ chế bảo vệ khi bị flood, router có firewall bảo vệ.Bridge không cần cấu hình (plug-n-play), router cần phải được cấu hình, có địa chỉ IP thì mới hoạt động.Bridge sử dụng cho mạng có quy mô nhỏ hơn.Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu*1-6/2005RouterChương 5. Tầng liên kết dữ liệu*1-6/2005Ethernet SwitchesSwitch là một thiết bị mạng có nhiều ưu điểm.Switch hoạt động ở tầng data link, có chức năng giống với bridge.Điểm khác biệt cơ bản giữa switch và bridge là số lượng cổng của switch lớn hơn; switch cho phép kết nối các mạng khác nhau (10BaseT với 100BaseT).Switch cho phép hoạt động ở chế độ full-duplex (vừa gửi vừa nhận) với tốc độ tối đa (không xung đột) khi được sử dụng trong star topology.Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu*1-6/2005switchGatewayChương 5. Tầng liên kết dữ liệu*1-6/2005Star topologyTruyền với tốc độ tối đa (full-duplex, dedicated access):+ A to A’+ B to B’+ C to C’Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu*1-6/2005Hub + switch + router in a companyChương 5. Tầng liên kết dữ liệu*1-6/2005Packet processing at switch, router and hostCut-through switching: nếu buffer trống, không cần chờ nhận toàn bộ frame mới chuyển tiếp (chỉ cần nhận header  đích rồi nhận đến đâu chuyển đến đấy)Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu*1-6/2005Tổng kết một số đặc tính của hub, router, switchChương 5. Tầng liên kết dữ liệu*1-6/2005Ch5. Giao thức tầng liên kết dữ liệu5.1 - Introduction and services5.2 - Error detection and correction5.3 - Multiple access protocols & LAN5.4 - Link-layer addressing & ARP5.5 - Specific link layer technologiesEthernetPPPWireless NetworksATMFrame RelayChương 5. Tầng liên kết dữ liệu*1-6/2005Point-to-Point Data Link ControlPoint-to-Point: một sender, một receiver:không cần Media Access Protocol.không cần địa chỉ vật lý MAC addr.PPP sử dụng phổ biến để kết nối máy tính của người dùng với ISP (dial-up, IDSN).Một số giao thức PP DLC Protocols:PPP (Point-to-Point Protocol)HDLC (High Level Data Link Control):Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu*1-6/2005Một số yêu cầu với PPPpacket framing: đóng frame các gói tin của các giao thức tầng trên khác nhau.bit transparency: có khả năng chuyển tải bất cứ cấu trúc bit nào.error detection: nhận biết lỗi rồi bỏ qua frame.connection liveness: duy trì kết nối và phát hiện lỗi kết nối (bị ngắt).network layer address negotiation: endpoint có thể học/thiết lập đ/c IP cho điểm khác trong mạng.Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu*1-6/2005PPP data frameflag: phân định ranh rới frameaddress: không sử dụngcontrol: chưa sử dụngprotocol: giao thức tầng trên (PPP-LCP, IP, IPCP)info: dữ liệu (gói tin) của tầng trên.check: mã kiểm tra lỗi CRCChương 5. Tầng liên kết dữ liệu*1-6/2005Byte stuffingTrong trường hợp dữ liệu cần đóng frame có chứa dãy bit (byte) trùng với flag (01111110)  cần thêm vào trước đó 1 byte (stuffs byte) = 01111101.Khi receiver nhận frame và bắt gặp stuffs byte thì nó xác định byte tiếp theo không phải flag.Trường hợp dữ liệu có chứa stuffs byte  hai stuffes bytes kế tiếp nhau  receiver vẫn phân biệt được.flag byte pattern plusstuffed byte in transmitted dataChương 5. Tầng liên kết dữ liệu*1-6/2005PPP Data Control ProtocolPPP cần có cơ chế cho phép các bên tham gia:Thiết lập và cấu hình liên kết PPP (kích thước tối đa của frame, authentication).Cấu hình network layerCó 5 pha trong quá trình thiết lập kết nối PPP:Dead: kết nối chưa họat động Establish: khởi tạo LCP và sau khi đã nhận được bản tin Configure ACK liên kết sẽ chuyển sang pha sau: authentication Authenticate: có thể lựa chọn một trong hai cơ chế PAP(Password Authentication Protocol ) hay CHAP(Challenge Handshake Protocol). Network: trong pha này, cơ chế truyền dữ liệu cho các giao thức lớp Network được hỗ trợ sẽ được thiết lập và việc truyền dữ liệu sẽ bắt đầu. Terminate: Hủy kết nối Các trạng thái của PPPChương 5. Tầng liên kết dữ liệu*1-6/2005Ch5. Giao thức tầng liên kết dữ liệu5.1 - Introduction and services5.2 - Error detection and correction5.3 - Multiple access protocols & LAN5.4 - Link-layer addressing & ARP5.5 - Specific link layer technologiesEthernetPPPWireless NetworksATMFrame RelayChương 5. Tầng liên kết dữ liệu*1-6/2005Wireless LAN: IEEE 802.11Wireless LAN: Kết nối các thiết bị mobile, không cần sử dụng dây.IEEE 802.11 standard:MAC Protocolunlicensed frequency spectrum: 900Mhz, 2.4GhzBSS - Basic Service Set (cell).Wireless hostAP (Access Point)Các thiết bị Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu*1-6/2005Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu*1-6/2005Một số chuẩn wirelessChương 5. Tầng liên kết dữ liệu*1-6/2005Ad hoc networkAd hoc network:Không có Access Point (center control).Không kết nối với mạng ngoài.Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu*1-6/2005Vấn đề chia sẻ “đường truyền”Do tích chất của sóng Radio (Radio Frequency) nên:Việc nghe trước khi truyền không phải lúc nào cũng thực hiện được.Việc phát hiện xung đột gặp nhiều khó khăn.Hidden terminal (a) & fading problem (b)Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu*1-6/2005IEEE 802.11 MAC Protocol: CSMA/CA802.11 CSMA: senderchờ kênh truyền rỗi DISF sec. rồi truyền toàn bộ frame (không có cơ chế phát hiện xung đột).nếu kênh truyền bận thì chuyển sang binary backoff802.11 CSMA receiver:frame được nhận đầy đủ, không lỗi, thì trả lời bằng ACK sau SIFS sec.DIFS (Distributed Inter Frame Space)SIFS (Short Inter Frame Spacing)Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu*1-6/2005IEEE 802.11 MAC Protocol: CSMA/CA802.11 CSMA: othersCác frame được sender gửi đi đều chứa thêm thông tin về thời gian truyền frame, được gọi là NAV (Network Allocation Vector).Các host khác nghe thấy thông tin này để xác định thời điểm cho phép truyền  tránh xung đột.Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu*1-6/2005Collision Avoidance: RTS-CTS exchange sender và receiver sử dụng hai frame đặc biệt RTS và CTS để “chiếm dụng kênh truyền”.RTS (Request To Send): xin phép truyền.CTS (Clear To Send): receiver trả lời “đã sẵn sàng, có thể gửi dữ liệu”.Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu*1-6/2005Mạng điện thoại di động (cellular phone network)Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu*1-6/2005BluetoothIEEE 802.15Hiện tại, Bluetooth chủ yếu được sử dụng để kết nối các thiết bị điện tử cá nhân với nhau (gadget).Điện thoại di độngPDALaptopPhạm vi: 10-100m.Mạng bao gồm 2-8 thiết bị cá nhân kết nối sử dụng Bluetooth có tên là piconet.piconetChương 5. Tầng liên kết dữ liệu*1-6/2005Ch5. Giao thức tầng liên kết dữ liệu5.1 - Introduction and services5.2 - Error detection and correction5.3 - Multiple access protocols & LAN5.4 - Link-layer addressing & ARP5.5 - Specific link layer technologiesEthernetPPPWireless NetworksATMFrame RelayChương 5. Tầng liên kết dữ liệu*1-6/2005ATM (Asynchronous Transfer Mode)Ra đời gần đây (mid-1980s).Là mạng WAN kết hợp truyền telephone voice và dữ liệu với tốc độ cao.ATM là một kiến trúc mạng với bộ giao thức đầy đủ (application  physical).ATM sử dụng phương pháp chuyển mạch gói (packet switch) với kích thước gói cố định = 53 bytes (cell); sử dụng Virtual Circuit (Virtual Channel)Giá thành cao, các ứng dụng cho ATM chưa được phát triển mạnh  ATM chưa phổ biến.Một số tầng dưới của ATM hiện được sử dụng để xây dựng mạng xương sống của Internet (IP over ATM).Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu*1-6/2005ATM: Internet backboneChương 5. Tầng liên kết dữ liệu*1-6/2005Ch5. Giao thức tầng liên kết dữ liệu5.1 - Introduction and services5.2 - Error detection and correction5.3 - Multiple access protocols & LAN5.4 - Link-layer addressing & ARP5.5 - Specific link layer technologiesEthernetPPPWireless NetworksATMFrame RelayChương 5. Tầng liên kết dữ liệu*1-6/2005Frame Relay & X.25Ra đời vào đầu 1980s.X.25 được coi như công nghệ chuyển mạch gói công cộng đầu tiên.Frame Relay kế thừa từ X.25.X.25 và Frame Relay đều là các công nghệ WAN.Cũng giống ATM, X.25 và Frame Relay “núp dưới bóng” của IP, được sử dụng để truyền các packet của tầng IP giữa các router.X.25, Frame Relay là những công nghệ của “quá khứ”