Tìm hiểu về Mạng ETHERNET

Mạng ETHERNET Ethernet là mạng bộ do các công ty Xerox, Intel và Digital equipment xây dựng và phát triển. Ethernet là mạng thông dụng nhất đối với các mạng nhỏ hiện nay. Ethernet LAN được xây dựng theo chuẩn 7 lớp trong cấu trúc mạng của ISO, mạng truyền số liệu Ethernet cho phép đưa vào mạng các loại máy tính khác nhau kể cả máy tính mini. Ethernet có các đặc tính kỹ thuật chủ yếu sau đây: Có cấu trúc dạng tuyến phân đoạn, đường truyền dùng cáp đồng trục, tín hiệu truyền trên mạng được mã hoá theo kiểu đồng bộ (Manchester), tốc độ truyền dữ liệu là 10 Mb/s. Chiều dài tối đa của một đoạn cáp tuyến là 500m, các đoạn tuyến này có thể được kết nối lại bằng cách dùng các bộ chuyển tiếp và khoảng cách lớn nhất cho phép giữa 2 nút là 2,8 km. Sử dụng tín hiệu bǎng tần cơ bản, truy xuất tuyến (bus access) hoặc tuyến token (token bus), giao thức là CSMA/CD, dữ liệu chuyển đi trong các gói. Gói (packet) thông tin dùng trong mạng có độ dài từ 64 đến 1518 byte. Hiểu biết cơ bản về hệ thống Ethernet1.1.Hệ thống Ethernet Sơ lược về hệ thống Ethernet . - Ethernet là 1 công nghệ mạng bộ (LAN) nhằm chuyển thông tin giữa các máy tính với tốc độ từ 10 đến 100 triệu bít một giây (Mbps) . Hiện thời công nghệ Ethernet thường được sử dụng nhất là công nghệ sử dụng cáp đôi xoắn 10-Mbps.- Công nghệ truyền thông 10-Mbps sử dụng hệ thống cáp đồng trục cỡ lớn , hoặc cáp đôi , cáp sợi quang . Tốc độ chuẩn cho hệ thống Ethernet hiện nay là 100-Mbps .1.2 Ethernet là công nghệ mạng thiết bị và thông dụngMặc dù ngày nay có nhiều công nghệ LAN nhưng Ethernet vẫn là công nghệ được sử dụng nhiều nhất . Năm 1994 ước tính có khoảng hơn 40 triệu nút Ethernet được sử dụng trên toàn cầu .Từ khi chuẩn Ethernet ra đời , các đặc tính kĩ thuật và trình tự để xây dựng nên 1 mạng Ethernet đã trở nên dễ dàng hơn đối với mọi người . Những đặc tính này cùng với tính dễ sử dụng đã tạo nên một thị trường Ethernet rộng lớn và là nguyên nhân cho sự ứng dụng rộng rãi của Ethernet trong nền công nghiệp máy tính .Phần lớn các hãng sản xuất máy tính ngày nay trang bị cho sản phẩm của họ thiết bị 10-Mbps Ethernet khiến cho thiết bị của họ có thể sẵn sàng kết nối vào mạng Ethernet bộ . Khi chuẩn Ethernet 100-Mbps đã trởnên phổ biến hơn thì máy tính được trang bị các thiết bị Ethernet hoạt động ở cả hai tốc độ 10-Mbps và 100-Mbps . Những quản lí viên mạng Ethernet ngày nay cần thiết phải biết liên kết một số lượng lớn các máy tính lại với nhau bằng công nghệ mạng thiết bị trung gian . Rất nhiều mạng LAN ngày nay hỗ trợ các máy tính được sản xuất bởi nhiều hãng khác nhau , tuy nhiên cần phải đảm bảo được sự tương thích giữa các dòng máy tính .1.3 Sự phát triển của các chuẩn EthernetEthernet đã được phát minh ra tại trung tâm nghiên cứu Xerox Palo Alto vào những năm 1970 bởi tiến sĩ Robert M. Metcalfe . Nó đã được thiết kế với mục đích phục vụ nghiên cứu trong “ hệ thống công sở trong tương lai” , bao gồm trạm cá nhân đầu tiên trên thế giới , trạm Xerox Alto . Trạm Ethernet đầu tiên chạy với tốc độ xấp xỉ 3-Mbps và được biết đến với tên gọi : “ tiền Ethernet” . Ethernet chính thức được công bố vào năm 1980 bởi liên minh DEC-Intel-Xerox(DIX) . Nỗ lực này đã chuyển “tiền Ethernet” trở thành một hệ thống Ethernet mở và có chất lượng với tốc độ 10-Mbps. Công nghệ Ethernet được công nhận là tiêu chuẩn bởi uỷ ban tiêu chuẩn LAN nằm trong viện kỹ thuật điện và điện tử thế giới(IEEE 802) . Chuẩn IEEE đã được công bố lần đầu tiên vào năm 1985 , với tiêu đề “ IEEE 802.3 khuyến nghị về lớp vật lý và phương thức truy nhập đa truy nhập sóng mang phát hiện va chạm “ . Chuẩn IEEE đã được thừa nhận bởi tổ chức chuẩn hoá của thế giới (ISO ) .Chuẩn IEEE cung cấp hệ thống kiểu Ethernet dựa trên nền là công nghệ DIX Ethernet . Mọi hệ thống Ethernet từ năm 1985 đều được xây dựng dựa trên chuẩn IEEE 802.3 . Nói chính xác hơn , chúng ta đã dựa trên công nghệ “IEEE 802.3 CSMA/CD” . Tuy nhiên hầu hết mạng Ethernet hiện nay đều từ mạng Ethernet nguyên thuỷ mà ra.Chuẩn 802.3 được nâng lên từng bước bao gồm các chuẩn công nghệ mới . Từ nằm 1985 chẩn đã được tăng cường những công nghệ 10-Mbps ( ví dụ cáp xoắn ) cũng như các khuyến nghị mới về mạng Ethernet nhanh 100 Mbps.1.4.Các thành phần của EthernetHệ thống Ethernet bao gồm 3 thành phần cơ bản : Hệ thống trung gian truyền tín hiệu Ethernet giữa các máy tính. Các nhóm thiết bị trung gian đóng vai trò giao diện Ethernet làm cho nhiều máy tính có thể kết nối tới cùng 1 kênh Ethernet. Các khung Ethernet đóng vai trò làm các bit chuẩn để luân chuyển dữ liệu trên Ethernet.Phần tiếp sau đây sẽ miêu tả quy tắc thiết lập cho các thành phần đầu tiên , các mảng truyền thông vật lí , thiết lập quy tắc truy cập trung gian cho Ethernet và các khung Ethernet. 1.5. Hoạt động của EthernetMỗi máy Ethernet, hay còn gọi là máy trạm , hoạt động độc lập với tất cả các trạm khác trên mạng , không có một trạm điều khiển trung tâm.Mọi trạm đều kết nối với Ethernet thông qua một đường truyền tín hiệu chung còn gọi là đuờng trung gian. Tín hiệu Ethernet được gửi theo chuỗi , từng bit một , qua đường trung gian tới tất cả các trạm thành viên. Để gửi dữ liệu trước tiên trạm cần lắng nghe xem kênh có rỗi không , nếu rỗi thì mới gửi đi các gói ( dữ liệu).Cơ hội để tham gia vào truyền là bằng nhau đối với mỗi trạm . Tức là không có sự ưu tiên . Sự thâm nhập vào kênh chung được quyết dịnh bởi nhóm điều khiển truy nhập trung gian ( Medium Access Control-MAC) được đặt trong mỗi trạm . MAC thực thi dựa trên cơ sở sự phát hiện va chạm sóng mang ( CSMA/CD).- Giao thức CSMA/CD .- Xung đột- Truyền dữ liệu1.5.1.Giao thức CSMA/CD.Để truyền thông tin, mỗi giao tiếp mạng phải lắng nghe cho tới khi không có tín hiệu trong kênh chung , lúc này nó mới có thể truyền thông tin . Nếu một giao tiếp mạng thực hiện truyền thông tin trong kênh thì gọi là sóng và các trạm khác phải chờ đợi cho tới khi sự truyền dẫn này kết thúc . Quá trình này gọi là phát hiện sóng mang.Mọi giao tiếp Ethernet đều có cơ hội ngang nhau trong việc truyền thông tin trong mạng (Đa truy nhập ) . Trong quá trình truyền từ đầu này tới đầu kia của Ethernet , những bít đầu tiên của khung cần phải đi tới mọi vùng của mạng . Tức là có thể có 2 giao tiếp mạng cùng thấy mạng rỗi và gửi đi cùng 1 lúc. Khi đó Ethernet phát hiện sự “ va chạm “ và dừng việc truyền và gửi lại các khung . ĐÓ là quá trình phát hiện va chạm.Giao thức CSMA/CD được thiết kế nhằm cung cấp cơ hội ngang bằng truy nhập kênh chung cho mọi trạm trong mạng . Sau khi gói tin được gửi đi mỗi trạm trong mạng sẽ sủ dụng giao thức CSMA/CD để xem trạm nào sẽ được gửi tiếp sau.1.5.2.Va chạmNếu có có hơn 1 trạm cùng gửi thông tin cùng lúc thì tín hiệu được nói rằng đang va chạm , Các trạm sẽ nhận ra biến cố này và dừng việc truyền bằng thuật toán backoff . Sau đó mỗi trạm sẽ chọn 1 thời gian ngẫu nhiên sau đó để truyền tiếp .Thông thường khoảng thời gian trễ này là rất ngắn chỉ khoảng phần nghìn hoặc phần triệu của giây . Nếu như sau đó lại có va chạm thì lại phải truyền lại . Nếu sau một số lần liên tiếp nào đó va chạm thì hệ thống sẽ thôi truyền gói tin này nữa , thường Ethernet chọn 16 lần để hảy bỏ truyền gói tin. Nếu mạng càng lớn và càng nhiều trạm thì khả năng huỷ bỏ càng lớn .1.5.3.Truyền dữ liệuCũng như các mạng LAN khác , Ethernet luôn tìm cách truyền dữ liệu tốt nhất , Tuy nhiên ngay cả với những mạng Ethernet đắt tiền nhất và được thiết kế tốt nhất thì dữ liệu truyền đi vẫn không hoàn hảo.Nhiễu điện có thể xuất hiện mọi lúc trên hệ thống cable và làm dữ liêu bị hỏng . Trong trường hợp kênh LAN bị tắc nghẽn làm cho số lần va chạm vượt quá 16 làm cho các khung bị mất . Không thể có mạng LAN nào hoàn hảo , vì thế những phần mềm ở lớp giao thức mạng cao hơn được thiết kế để cứu dữ liệu khỏi lỗi.Cần thiết phải nâng lên các giao thức mạng mức cao để chắc chắn dữ liệu nhận được là chính xác .Các giao thức bậc cao làm được điều nàu nhờ phương thức truyền đáng tin cậy và sự xác nhận chuỗi thông tin truyền qua mạng .1.6.Khung và địa chỉ EthernetQuả tim của Ethernet là là khung , khung được sử dụng để truyền dữ liệu giữa các máy tính ,Khung gồm các bit được chia thành các trường . Các trường này bao gồm trường địa chỉ , trường dữ liệu chứa từ 46 tới 15000 byte dữ liệu , và 1 trường kiểm tra lỗi để kiểm tra các bit nhận được có giống với các bit được truyền đi không.Trường đầu tiên mang 48 bit địa chỉ , gọi là địa chỉ nhận và địa chỉ gửi, IEEE quản lí các địa chỉ bởi trường địa chỉ. IEEE cung cấp 24 bit nhận dạng gọi là “ định danh tổ chức duy nhất “ (OUI) , mỗi tổ chức tham gia vào Ethernet sẽ được cung cấp 1 định danh duy nhất .Tổ chức sẽ tạo ra 48 bit địa chỉ sử dụng OUI của 24 bit địa chỉ đầu tiên . 48 bit này được biết đến như là địa chỉ vật lí , phần cứng hoặc địa chỉ MAC.48 bít địa chỉ là dấu hiệu nhận biết chung cho mỗi giao tiếp Ethernet khi nó được tạo ra , nhờ đó mà làm đơn giản hơn cấu trúc của Ethernet. Với cách định danh này bạn có thể nhóm nhiều tổ chức Ethernet vì thế dễ dàng hơn trong việc quản lí Ethernet.Mỗi khung Ethernet được gửi tới 1 kênh chung , khi đó mỗi giao tiếp mạng sẽ xem xét trường 48 bit đầu tiên có chứa địa chỉ , giao tiếp mạng sẽ so sánh địa chỉ của chính nó với địa chỉ này . Giao tiếp mạng có địa chỉ trùng với địa chỉ nhận sẽ đọc toàn bộ khung và gửi những dữ liệu này tới phần mềm trong máy . Mọi giao tiếp mạng sẽ ngừng đọc thông tin trong khung sau khi chúng phát hiện địa chỉ của chúng không trùng với địa chỉ nhận.1.6 .Địa chỉ Multicast and BroadcastMột địa chỉ multicast cho phép một khung đơn có thể nhận được một nhóm trạm.Phần mềm mạng có thể cho phép giao tiếp mạng lắng nghe những địa chỉ multicast chỉ định. Điều này cho phép một nhóm trạm có thể được nhận biết bởi một nhóm multicast đã được gán cho địa chỉ multicast riêng. Một gói đơn gởi tới 1 địa chỉ multicast sẽ được nhận bởi mọi trạm trong nhóm này. Có một trường hợp đặc biệt của multicast là broadcast , đó là 48 bit địa chỉ của mỗi phần tử. Mọi giao tiếp Ethernet nếu thấy 1 khung với địa chỉ đến kiểu này sẽ đọc khung và gửi nó đến phần mềm trong trạm Trích: Ethernet toàn tập – các chuẩn của Ethernet Ethernet một giao thức mạng hết sức phổ biến, trong bài viết này tôi sẽ giới thiệu với các bạn sơ lược lịch sử phát triển và toàn bộ các chuẩn của Ethernet, công nghệ truyền của các chuẩn này.Sơ lược lịch sử phát triểnEthernet có một lịch sử phát triển đầy màu sắc. Ban đầu nó được tạo ra tại viện nghiên cứu Xerox Palo Alto Research Center (PARC), người phát triển là Bob Metcalfe vào năm 1972. Trong năm 1979, Digital Equipment Corp, Intel và Xerox đã đưa ra chuẩn khung gói tin (frame) DIX V1.0; hai năm sau họ nâng cấp lên phiên bản Version 2.0. Vào năm 1981 tổ chức kỹ sư Insitute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE) có một dự án mang tên 802 và quyết định lựa trọn dự án con là 802.3 đồng nghĩa với Ethernet hiện nay. Trong bảng dưới đây tôi sẽ liệt kê toàn bộ các chuẩn trong Ethernet, từ bảng này các bạn có thể biết được vật liệu truyền dẫn, mô hình kết nối, khoảng cách tối đa và tên gọi của mỗi chuẩn đó. Với các nhóm được chia như: Switched, Fast, và Gigabit Ethernet, được đưa ra bởi Robert Breyer và Sean Riley.Breyer và Riley nghiên cứu và đưa ra bước đột phá vô cùng lớn trong Ethernet. Với sự phát triển và xây dựng trên nền tảng có sẵn hai người đã cung cấp một chuẩn với tốc độ truyền cao hơn rất nhiều, kết nối đơn giản hơn.Ethernet đã có 25 năm xây dựng phát triển và trong tương lai nó vẫn sẽ liên tục được cải tiến và đưa ra các chuẩn tốc độ cao hơn, và các chuẩn mới dựa trên các nền tảng có sẵn.Tên gọi các chuẩn của IEEE cũng được chuẩn hoá như: 10Base-T, 10 có nghĩa là tốc độ truyền dữ liệu là 10 Mbps, T có nghĩa là sử dụng cáp xoắn (Twisted-pair), trong khi chữ F là chuẩn cho công nghệ truyền sử dụng Cáp Quang (fiber). Các phiên bản trước sử dụng cáp đồng trục như 10Base-5 và 10Base-2 với tên gọi không được chuẩn hoá.This image has been resized. Click this bar to view the full image. The original image is sized 777x482. Ethernet làm việc tại lớp thứ hai trong mô hình OSI (OSI Layers 2) tức tầng data link. Trong tầng data link được chia làm hai tầng khác đó là MAC Layer và Logical Link Control (LLC) Layer. Lớp LLC – 802.2 là một chuẩn giữa lớp địa chỉ MAC và các giao thức thuộc tầng 3 trong mô hình OSI.Thông tin tại tầng MAC được hiểu như các frame chúng được đóng gói với địa chỉ nguồn và đích (địa chỉ này là địa chỉ MAC - địa chỉ của phần cứng). Địa chỉ MAC bao gồm 48 bits trong đó 3 bytes đầu được gán bởi IEEE và 3 bytes sau là được gán bởi nhà sản xuất phần cứng.Đảm bảo quá trình truyền tin một cách tin cậyĐồng bộ dữ liệu truyềnNhận ra lỗi trong quá trình truyềnĐiều khiển truyềnKhi nghiên cứu về Ethernet sẽ thật thiếu sót nếu chỉ biết các chuẩn hoá của nó một vấn đề vô cùng quan trọng là phương thức truyền gói tin của Ethernet:Ethernet CSMA/CDCông nghệ Ethernet được miêu tả một cách đơn giản: Carrier-sense multiple access / collision detect (CSMA/CD).Ethernet truyền các gói tin được hiểu với các tiến trình:Carrier sense - điều này được hiểu như “nghe trước khi nói”. Một máy chuẩn bị truyền một frame đi trước tiên nó nghe xem đối tượng nhận hiện thời đang dỗi và có thể đáp ứng quá trình truyền tin.Talk if quiet - Được hiểu như chỉ nói khi đang im lặng, nếu hệ thống lỗi nó sẽ lặp lại lần sau cho đến bao giờ nó kiểm tra thấy hệ thống dỗi nó bắt đầu truyền tinCollision - Một sung đột xảy ra có nghĩa là sự vượt quá điện áp trên cable truyền. Một xung đột xảy ra bởi hai đối tượng cùng truyền tin trong một thời điểm nếu xảy ra vấn đề này cả hai frames sẽ phải truyền lại.Collision detection - nếu một đối tượng phát hiện ra xung đột trong quá trình truyền nó sẽ dừng lại đợi đến khi hệ thống không còn xung đột nó mới truyền gói tin.Backoff – sau một xung đột, một đối tượng sẽ đợi sau một khoảng thời gian nhất định được gọi là backoff, sau thời gian backoff này hệ thống sẽ kiển tra lại và với thời gian backoff được lấy ngẫu nhiên dựa trên thuật toàns backoff. Nó trống lại toàn bộ các đối tượng yêu cầu truyền tin trong lúc đang xảy ra xung đột.Half và Full-Duplex EthernetEthernet được phát triển trên các công nghệ cáp xoắn từ trước, và nó chỉ cho một tín hiệu duy nhất truyền trong một đơn vị thời gian. Và đó là lý do vì sao Ethernet cần công nghệ truyền CSMA/CD. Với những switch cao cấp, công nghệ truyền Ethernet được sử dụng cáp UTP và fiber, Full-duplex Ethernet được hỗ trợ đầy đủ. Full-duplex Ethernet cho phép các đối tượng vừa truyền vừa nhận trong cùng một đơn vị thời gian. Full-duplex không dùng công nghệ CSMA/CD. Full-duplex chỉ sử dụng khi cả đối tượng (máy tính) và switchs đều hỗ trợ full-duplex, các hub bình thường sẽ không thể thực hiện full-duplex được.Cuộc cách mạng của EthernetVào năm 1995 chuẩn Fast Ethernet đã được ra đời mang tên 802.3u dựa trên công nghệ Cat 3-5 hay sử dụng cáp quang là một bước đột phá rất lớn, và hiện nay đã có mặt trong hầu hết các mạng nội bộ của các tổ chức hay doanh nghiệp.Tiếp sau đó năm 1998 chuẩn Gigabit Ethernet đã ra đời với tên 802.3z đánh dấu một bước ngoặt trong công nghệ truyền cải tiết đáng kể việc truyền thông tin.Chuẩn 802.3ae đang đưa vào thử nghiệm nếu thành công nó là một chuẩn dùng trên đường backbone của mạng doanh nghiệp là hết sức hợp lý. Chuẩn này dang hoàn thiện dần và trong tương lai chúng ta sẽ chứng kiến nhiều chuẩn khác mới ra đời với các tính năng năng ngày càng ưu việt hơnTheo CCIE book! CSMA là viết tắt từ tiếng Anh: Carrier Sense Multiple Access, còn CD là viết tắt từ: Conllision Detect.Sử dụng giao thức này các trạm hoàn toàn có quyền truyền dữ liệu trên mạng với số lượng nhiều hay ít và một cách ngẫu nhiên hoặc bất kỳ khi nào có nhu cầu truyền dữ liệu ở mỗi trạm. Mối trạm sẽ kiểm tra tuyến và chỉ khi nào tuyến không bận mới bắt đầu truyền các gói dữ liệu.CSMA/CD có nguồn gốc từ hệ thống radio đã phát triển ở trường đại học Hawai vào khoảng nǎm 1970, gọi là ALOHANET.Với phương pháp CSMA, thỉnh thoảng sẽ có hơn một trạm đồng thời truyền dữ liệu và tạo ra sự xung đột (collision) làm cho dữ liệu thu được ở các trạm bị sai lệch. Để tránh sự tranh chấp này mỗi trạm đều phải phát hiện được sự xung đột dữ liệu. Trạm phát phải kiểm tra Bus trong khi gửi dữ liệu để xác nhận rằng tín hiệu trên Bus thật sự đúng, như vậy mới có thể phát hiện được bất kỳ xung đột nào có thể xẩy ra. Khi phát hiện có một sự xung đột, lập tức trạm phát sẽ gửi đi một mẫu làm nhiễu (Jamming) đã định trước để báo cho tất cả các trạm là có sự xung đột xẩy ra và chúng sẽ bỏ qua gói dữ liệu này. Sau đó trạm phát sẽ trì hoãn một khoảng thời gian ngẫu nhiên trước khi phát lại dữ liệu. Ưu điểm của CSMA/CD là đơn giản, mềm dẻo, hiệu quả truyền thông tin cao khi lưu lượng thông tin của mạng thấp và có tính đột biến. Việc thêm vào hay dịch chuyển các trạm trên tuyến không ảnh hưởng đến các thủ tục của giao thức. Điểm bất lợi của CSMA/CD là hiệu suất của tuyến giảm xuống nhanh chóng khi phải tải quá nhiều thông tin. 2. Giao thức truyền token (Token passing protocol)Đây là giao thức thông dụng sau CSMA/CD được dùng trong các LAN có cấu trúc vòng (Ring). Trong phương pháp này, khối điều khiển mạng hoặc token được truyền lần lượt từ trạm này đến trạm khác. Token là một khối dữ liệu đặc biệt. Khi một trạm đang chiếm token thì nó có thể phát đi một gói dữ liệu. Khi đã phát hết gói dữ liệu cho phép hoặc không còn gì để phát nữa thì trạm đó lại gửi token sang trạm kế tiếp.Giải thuật CSMA/CD 1. Máy cần truyền gói tin.2. Kiểm tra xem đường truyền có bị chiếm hay không (bằng cách kiểm tra carrier).3. Tập hợp frame.4. Bắt đầu truyền gói tin.5. Kiểm tra xem có xung đột trên đường truyền không.6. Tiếp tục truyền gói tin.7. Kiểm tra xem đã truyền hết gói tin chưa.8. Hoàn thành việc chuyển gói tin.9. Phát sinh tín hiệu xung đột.10. Attempt = Attempt + 1 (tăng số lần thử).11. Kiểm tra xem có phải đã thử quá nhiều lần chưa.12. Quá nhiều lần thử. Bỏ qua việc truyền gói tin.13. Thuật toán backoff.14. Chờ một khoảng thời gian (cỡ micro giây).