Tìm hiểu về công nghệ EtherNet

Ethernet là một họ lớn và đa dạng gồm các công nghệ mạng dựa khung dữ liệu (framebased) dành cho mạng LAN. Tên Ethernet xuất phát từ khái niệm Ête trong ngành vật lý học. Ethernet định nghĩa một loạt các chuẩn nối dây và phát tín hiệu cho tầng vật lý, hai phương tiện để truy nhập mạng tại phần MAC (điều khiển truy nhập môi trường truyền dẫn) của tầng liên kết dữ liệu, và một định dạng chung cho việc đánh địa chỉ.

I. Giới thiệu về Ethernet

1. Khái niệm về Ethernet

Ethernet là một họ lớn và đa dạng gồm các công nghệ mạng dựa khung dữliệu (frame-based) dành cho mạng LAN Tên Ethernet xuất phát từ khái niệm Êtetrong ngành vật lý học Ethernet định nghĩa một loạt các chuẩn nối dây và phát tínhiệu cho tầng vật lý, hai phương tiện để truy nhập mạng tại phần MAC (điều khiểntruy nhập môi trường truyền dẫn) của tầng liên kết dữ liệu, và một định dạngchung cho việc đánh địa chỉ

Ethernet đã được chuẩn hóa thành IEEE 802.3 Cấu trúc mạng hình sao,hình thức nối dây cáp xoắn (twisted pair) của Ethernet đã trở thành công nghệLAN được sử dụng rộng rãi nhất từ thập kỷ 1990 cho tới nay, nó đã thay thế cácchuẩn LAN cạnh tranh khác như Ethernet cáp đồng trục (coaxial cable), tokenring, FDDI, và ARCNET Trong những năm gần đây, Wi-Fi, dạng LAN khôngdây đã được chuẩn hóa bởi IEEE 802.11, đã được sử dụng bên cạnh hoặc thay thếcho Ethernet trong nhiều cấu hình mạng

2 Lịch sử phát triển

Ethernet là mạng cục bộ do các công ty Xerox, Intel và Digital equipmentxây dựng và phát triển Ethernet là mạng thông dụng nhất đối với các mạng nhỏhiện 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 khácnhau kể cả máy tính mini

Các giai đoạn phát triển:

• 1972 :

 Thí nghiệm về hệ thống đầu tiên được thực hiện tại Xerox PARC bởiRobert Metcalfe và các đồng nghiệp (Palo Alto Research Center )

 Hệ thống mạng truyền 2,94Mbps dựa trên Ethernet

• 1979: Xây dựng chuẩn Ethernet II, tốc độ 10Mbps

• 1981:

 Chuẩn IEEE 802.3 được chính thức được sử dụng DigitalEquipment, Intel, và Xerox cùng phát triển và đưa ra phiên bảnEthernet Version 2.0, Ethernet II => chuẩn quốc tế

• 1985: IEEE lấy DIX Ethernet làm nền tảng cho đặc tả kỹ thuật IEEE 802.3

Sau đó, IEEE mở rộng thêm các ủy ban mới là 802.3u (Fast Ethernet),802.3z (Gigabit Ethernet over Fiber) và 802.3ab (Gigabit Ethernet over UTP)…

• Interconnecting Media: Cáp có thể dài nhất là 500m và ngắn nhất là 2.5m.

Có thể sử dụng cáp xoắn đôi, cáp đồng trục mỏng, cáp đồng trục dày, cápsợi quang

Ethernet có các đặc tính kỹ thuật sau :

• Cấu hình truyền thống : Có cấu trúc dạng tuyến phân đoạn, đường truyềndùng cáp đồng trục, tuy nhiên mỗi thành phần của nó có thể là cấu trúcStar (Star-wired bus) tín hiệu truyền trên mạng được mã hóa theo kiểuđồng bộ

• Quy cách kỹ thuật 802.3

• Vận tốc truyền : 10Mbps,100Mbps,… 10Gbps

• Loại cáp : Cáp đồng trục mảnh, cáp đồng trục dày, cáp xoắn đôi, cáp sợiquang Chiều dài tối đa của một đoạn cáp tuyến là 500m, các đoạn tuyếnnày có thể được kết nối lại bằng cách dùng các bộ chuyển tiếp và khoảngcách lớn nhất cho phép giữa 2 nút là 2,8km

• Sử dụng tín hiệu băng tầng cơ bản, truy xuất tuyến hoặc tuyến token (tokenbus), giao thức là CSMA/CD, dữ liệu chuyển đi trong các gói (64 – 1518byte)

Ngày nay, khái niệm Ethernet thường được sử dụng để chỉ một mạng LANCSMA/CD, phù hợp với tiêu chuẩn 802.3, đặc điểm :

• Hoạt động ở mức liên kết dữ liệu

- Phần cứng mạng : Các thiết bị nối mạng

- Giao thức điều khiển truy xuất đường truyền

- Khung Ethernet : Đơn vị dữ liệu truyền trên mạng

II Các chuẩn và tốc độ của Ethernet

Hình 2: Cách miêu tả tên của Ethernet

1 Hệ thống Ethernet 10Mb/s

- 10Base5: Đây là chuẩn ehternet đầu tiên, dựa trên đồng trục

loại dày Tốc độ đạt được 10Mb.s, sử dụng bang tần cơ sở ,chiều dài cáp tối đa cho một phân đoạn mạng là 500m

- Hình 3: 10BASE5 transceivers, cables and tapping tool

- Hình 4: Ethernet trunk cable 802.3 style 1478 12 FT 10Base5

- 10Base2 : Có tên khác là “thin Ethernet” Dựa trên hệ thống

cáp đồng trục mỏng với tốc độ 10Mb/s, chiều dài tối đa củaphân đoạn là 185m ( IEE làm tròn là 200m)

- 10BaseT: chữ T viết tắt của twisted( cáp xoắn cặp), hoạt

động tốc độ 10Mb/s dựa trên hệ thống cắp xoắn cặp Cat 3 trởlên

- 10BaseF: F viết tắt của Fiber optic ( sợi quang), đây là chuẩn

ethernet dung cho sợi quang hoạt động tốt ở tốc độ 10Mb/s, rađời năm 1993

2 Hệ thống Ethernet 100Mb/s ( Fast Ethernet )

- 100BaseT: Cuẩn Ehternet hoạt động với tốc độ 100Mb/s trên

cả cáp xoắn cạp lẫn cáp sợi quang

- 100BaseX: Chữ X nói lên đặc tính mã hóa đường truyền của

hệ thống này ( sử dụng phương pháp mã hóa 4B/5B củachuẩn FĐI), bao gồm hai chuẩn 100BaseFX ( sử dụng cáp sợiquang mode) và 100BaseTX ( sử dụng cáp xoắn cặp)

• 1000Base-LX: sử dụng sợi quang với song dài

Hình 5: Mô hình 1000BaseSX_LX

• 1000Base-CX: sử dụng cáp đồng

- 1000BaseT: Hoạt động ở tốc độ Gigabit, bang tần cơ sở trên

cáp xoắn cặp Cat 5 trở lên Sử dụng kiểu mã hóa đườngtruyền riêng để đạt được tốc độ cao trên loại cáp này

III Hoạt động của Ethernet

Mỗi máy Ethernet, hay còn gọi là máy trạm , hoạt động độc lập với tất cả cáctrạmkhác trên mạng , không có một trạm điều khiển trung tâm.Mọi trạm đều kết nốivớiEthernet thông qua một đường truyền tín hiệu chung còn gọi là đuờng trunggian.Tín hiệu Ethernet được gửi theo chuỗi , từng bit một , qua đường trung gian tớitấtcả các trạm thành viên Để gửi dữ liệu trước tiên trạm cần lắng nghe xem kênhcórỗi 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 cósựưu tiên Sự thâm nhập vào kênh chung được quyết dịnh bởi nhóm điều khiểntruynhập 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 liệu

Hình 6: Hoạt động của Ethernet

IV. Chuẩn Ethernet 10 Gigabit (chuẩn IEEE 802.3)

1. Sơ lược về chuẩn Ethernet 10 Gigabit

Chuẩn IEEE 802.3 là một phần của họ chuẩn cho mạng cục bộ vàmetropolitan Mối quan hệ giữa các thành viên của chuẩn được trình bày bên dưới

Hình 9: Họ chuẩn của mạng cục bộ

IEEE 802.3ae* 2002 (chuẩn Ethernet 10 Gigabit) khác biệt với các chuẩnEthernet trước đây ở một số điểm như chỉ được thực hiện trên cáp sợi quang và chỉhoạt động trong chế độ song công toàn phần (fullduplex mode) Với Ethernet 10Gigabit, các giao thức phát hiện xung đột là không cần thiết Hiện nay, Ethernet cóthể xử lý cho đến 10 Gbit/s trong khi vẫn bảo đảm duy trì các thuộc tính Ethernet cơbản như định dạng gói tin và các khả năng hiện có và có thể dễ dàng chuyển sangchuẩn mới

Chuẩn Ethernet 10 Gigabit mở rộng các giao thức chuẩn IEEE 802.3ae* lên tớitốc độ đường truyền là 10 Gbit/s và mở rộng phạm vi ứng dụng của Ethernet như baogồm cả các liên kết tương thích WAN Chuẩn Ethernet 10 Gigabit cho phép tăng băngthông đáng kể trong khi vẫn duy trì khả năng tương thích tối ưu với nền tảng đã được

cài đặt của các giao diện chuẩn 802.3, bảo toàn vốn đầu tư trước đó trong nghiên cứu,phát triển và duy trì những nguyên tắc đang tồn tại của hoạt động và quản lý mạng.Trong mô hình OSI (Open Systems Interconnection), về cơ bản Ethernet nằm ở giaothức lớp 1 và lớp 2 Ethernet 10 Gigabit vẫn giữ lại kiến trúc Ethernet cơ bản, baogồm giao thức MAC , định dạng khung Ethernet và kích thước tối thiểu và tối đa củakhung Đúng như Ethernet Gigabit, 1000BASE-X và 1000BASE-T , tiếp nối mô hìnhEthernet chuẩn, Ethernet 10 Gigabit tiếp tục cuộc cách mạng Ethernet về mặt tốc độ

và khoảng cách, trong khi vẫn giữ lại kiến trúc Ethernet đã được sử dụng trong cácđặc tả Ethernet khác Từ khi Ethernet 10 Gigabit là công nghệ chỉ chạy full-duplex(song công toàn phần), nó không cần đến giao thức CSMA/CD được sử dụng trongnhững công nghệ Ethernet trước đó (ở một vài khía cạch nào đó, Ethernet 10 Gigabittương xứng với mô hình Ethernet nguyên thuỷ)

Tại lớp vật lý (lớp 1 của mô hình OSI), một thiết bị lớp vật lý Ethernet (PHY)kết nối môi trường truyền là cáp quang hay cáp đồng với lớp MAC thông qua mộtcông nghệ ghép nối Ngoài ra, kiến trúc Ethernet chia lớp vật lý thành ba lớp con làPMD (Physical Medium Dependent), PMA (Physical Medium Attachment) và PCS(Physical Coding Sublayer) Các PMD cung cấp kết nối vật lý và báo hiệu cho môitrường truyền; ví dụ các máy thu phát quang (optical transceiver) là các PMD PCS

bao gồm mã hoá (ví dụ như 64B/66B) và một serializer hay multiplexor (bộ dồn

kênh) Chuẩn IEEE 802.3ae* định nghĩa hai kiểu PHY: PHY LAN và PHY WAN.Chúng cung cấp cùng chức năng hoạt động, ngoại trừ PHY WAN có một tập tínhnăng mở rộng trong PCS cho phép kết nối với một số mạng khác

Hình 11: Chuẩn IEEE 802.3

2. Các Ứng dụng Chuẩn Ethernet 10 Gigabit

Các nhà cung cấp và người dùng đều cho rằng chi phí cho Ethernet là khôngđắt, hiểu rộng ra có nghĩa việc triển khai rộng khắp tương thích với những thứ đã

trên một cổng Ethernet Gigabit, được truyền đi trong phạm vi quốc gia qua mộtmạng DWDM (Dense-Wave Division Multiplexing)[5] và tìm thấy đường đi của

nó đến một PC được gắn vào một cổng cáp đồng Gigabit, tất cả không cần phảiđóng gói lại hay chuyển đổi giao thức Ethernet theo nghĩa đen có nghĩa ở khắpmọi nơi và Ethernet 10 Gigabit duy trì sự chuyển giao liên tục về mặt chức năngcho bất cứ ứng dụng nào mà Ethernet áp dụng vào

Ethernet 10 Gigabit được sử dụng cho các mạng máy chủ (server area network)hay các mạng vùng lưu giữ (storage area network), theo truyền thống là vùng cácmạng chuyên dụng giữ độc quyền với những nền tảng người dùng tương đối nhỏkhi so sánh với Ethernet Các mạng vùng máy chủ này cho một băng thông tuyệtvời đối với các mạng phạm vi nhỏ (thường nhỏ hơn 20 m) Tuy vậy, chúng lànhững mạng giữ độc quyền rất khó triển khai và bảo trì Mạng dung lượng nhỏcũng dẫn đến chi phí cao hơn cho các bộ tiếp hợp máy chủ và các bộ chuyểnmạch Như với bất cứ giải pháp giữ độc quyền nào, chúng không thể hoạt độngcùng với các công nghệ khác mà không cần đến các bộ định tuyến và các thiết bịchuyển mạch thích hợp

Trong các mạng vùng lưu trữ, việc thiếu các chuẩn và một số vấn đề về khảnăng hoạt động cùng nhau gây khó khăn khi triển khai Fibre Channel ban đầu Tuynhiên, những công nghệ này cũng gặp phải một số vấn đề tương tự như đã xảy ra

Gigabit được sử dụng để thay thế các công nghệ độc quyền và như một thế hệ kếtiếp liên kết các mạng vùng máy chủ và lưu trữ với nhau do một vài lý do:

- Ethernet 10 Gigabit cho một băng thông thiết yếu

- Hợp nhất máy chủ dẫn đến tiét kiệm giá thành

- Sự tăng trưởng có kế hoạch của các tính năng mạng 10 Gigabit

Ngoài ra, việc triển khai toàn bộ công nghệ TOE (TCP/IP Offload Engine)được chờ đợi trong các adapter Ethernet 10 Gigabit có thể làm cho nó đặc biệt hiệuquả trên các hệ thống máy chủ với việc tận dụng CPU mong muốn như đã thấy trêncác hệ thống hiện thời đang triển khai Ethernet Gigabit Do tốc độ thoả thuận trongphạm vi rộng của Ethernet, công nghệ TOE sẽ trở thành vô cùng hiệu quả về giáthành khi so sánh với các mạng dung lượng thấp hơn

V. Cấu trúc khung Ethernet IEEE 802.3

Chuẩn IEEE 802.3 định nghĩa một khung định dạng dữ liệu cơ bản cho tất cảcông việc mà MAC thực hiện Thêm vào đó, một vài chức năng lựa chọn được thêmvào cho khung dữ liệu Một khung dữ liệu gồm có 7 trường như hình vẽ.

Hình 12 Cấu trúc Frame Ethernet

Preamble chỉ ra sự bắt đầu của một khung truyền Nó gồm một dãy các giá trị bit 0 và

1 xen kẽ nhau để báo hiệu cho trạm nhận (receiving stations) rằng có khung đang tới

Và nó cũng cung cấp một phương tiện để đồng bộ hóa những phần khung nhận của lớpvật lý nhận với một luồng bits vào

Preamble bao gồm 7 bytes như sau:

10101010 - 10101010 - 10101010 - 10101010 - 10101010 - 10101010 - 10101010

SFD là một chuỗi 8 bit (1 byte) 10101011 Nó theo sau Preamble và chỉ ra sự bắt đầu

 Destination Address (DA) – Địa chỉ đích

Địa chỉ đích bao gồm 6 bytes để xác nhận trạm sẽ nhận khung Nó chứa địa chỉ vật lý(physical address) của đích sắp đến của gói Địa chỉ vật lý của hệ thống là một mẫu bitđược mã hóa trên NIC (Network Interface Card) Nếu gói phải đi qua mạng LAN nàyđến mạng LAN khác để đến đích của nó, trường DA chứa địa chỉ vật lý của router nốimạng LAN hiện hành và mạng LAN kế Khi gói đạt đến mạng đích, trường DA chứađại chỉ vật lý của thiết bị đích

Trong chuỗi bits này, bit phía bên trái của trường DA chỉ ra địa chỉ đơn (individualaddress) nếu là bit 0 hoặc địa chỉ nhóm (group address) nếu là bit 1 Bit thứ hai bêntrái chỉ ra DA được quản lý cục bộ hay quản lý toàn cục Những bit còn lại được gán

để xác nhận một trạm đơn, nhóm trạm hoặc tất cả trạm trên mạng (network)

Địa chỉ nguồn bao gồm 6 bytes chứa địa chỉ vật lý của thiết bị cuối cùng chuyển tiếpgói Thiết bị đó có thể là trạm đang gởi hoặc router mới xảy ra nhất để nhận và chuyểntiếp gói Địa chỉ nguồn thì luôn luôn là địa chỉ đơn và bit phía trái thì luôn là bit 0

Lengh/type field gồm 2 bytes Chỉ ra số byte trong PDU (Protocol Data Unit) đangđến Nếu chiều dài của PDU là cố định, trường này được dung chỉ ra loại hoặc nền của

các giao thức khác Ví dụ, Novel và Internet dùng nó để làm rõ nghi thức mạng đangdung PDU.

Trường dữ liệu gồm tuần tự n bytes Chiều dài tối thiểu và lớn nhất của dữ liệu là từ 46bytes đến 1500 bytes Dữ liệu được gởi qua lớp mạng với một vài thông tin điều khiển.Nếu dữ liệu có chiều dài ít hơn 46 byte trong một gói, một cơ chế đặt biệt sẽ đệm để

đủ tối thiểu 46 bytes PDU được tạo ra bởi lớp phụ ở trên (LLC) rồi lien kết đến khung802.3

Frame Check Sequence bao gồm 4 bytes Một vùng chứa 32 bits mã kiểm tra lổi vàphát hiện sai theo mã CRC-32 và tính trên tất cả các trường (fields) ngoại trừPreamble, SFD, FCS

VI. Giao thức CSMA/CD và va chạm

1. Giao thức CSMA/CD

Để truyền thông tin, mỗi giao tiếp mạng phải lắng nghe cho tới khi không

có tínhiệu trong kênh chung , lúc này nó mới có thể truyền thông tin Nếu mộtgiao tiếpmạng thực hiện truyền thông tin trong kênh thì gọi là sóng và các trạmkhác phảichờ đợi cho tới khi sự truyền dẫn này kết thúc Quá trình này gọi là pháthiện song mang

Ethernet ,những bít đầu tiên của khung cần phải đi tới mọi vùng của mạng Tức là

có thể có2 giao tiếp mạng cùng thấy mạng rỗi và gửi đi cùng 1 lúc Khi đóEthernet 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 truynhậpkênh chung cho mọi trạm trong mạng Sau khi gói tin được gửi đi mỗi trạmtrong mạng sẽ sủ dụng giao thức CSMA/CD để xem trạm nào sẽ được gửi tiếpsau

Hình 7: Giao thức CSMA/CD

2. Va chạm

Nếu có có hơn 1 trạm cùng gửi thông tin cùng lúc thì tín hiệu được nói rằngđangva chạm , Các trạm sẽ nhận ra biến cố này và dừng việc truyền bằng thuậttoán backoff Sau đó mỗi trạm sẽ chọn 1 thời gian ngẫu nhiên sau đó để truyềntiếp Thông thường khoảng thời gian trễ này là rất ngắn chỉ khoảng phần nghìnhoặc phần triệu của giây Nếu như sau đó lại có va chạm thì lại phải truyềnlại Nếu saumột số lần liên tiếp nào đó va chạm thì hệ thống sẽ thôi truyền gói tinnày 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

Hình 8: Mô hình sự va chạm