Bài giảng Thông tin dữ liệu và mạng máy tính - Chương 5: Mạng cụ bộ

Bài giảng Thông tin dữ liệu và mạng máy tính - Chương 5: Mạng cụ bộ. Nội dung chính trong chương 5 gồm: Tổng quan về mạng máy tính, các phương pháp điều khiển truy nhập đường truyền vật lý, các chuẩn của mạng cục bộ (Lan standards).

Bài giảng thông tin liệu mạng máy tính Chương 5: Mạng cục Chương 5: MẠNG CỤC BỘ 5.1 Tổng quan mạng máy tính: Mạng máy tính tập hợp máy tính, thiết bị ngoại vi kết nối với thông qua phương tiện truyền dẫn cáp, sóng điện từ, sóng hồng ngoại,… giúp cho thiết bị trao đổi liệu với cách dễ dàng 5.1.1 Các loại mạng máy tính a./ Mạng LAN (Local Area Network): Là nhóm máy tính thiết bị truyền thông mạng nối kết với khu vực nhỏ nhà, văn phòng, khuôn viên trường đại học, khu giải trí… Mạng LAN thường sở hữu riêng tổ chức Do vậy, việc quản lý khai thác mạng hòan tòan tập trung, thống Các mạng LAN thường có đặc điểm sau : ƒ Tốc độ truyền cao, đạt tới 100Mbps Tỉ số lỗi mạng LAN thấp nhiều so với mạng diện rộng ƒ Băng thông lớn có khả chạy ứng dụng trực tuyến xem phim, hội thảo qua mạng ƒ Kích thước mạng bị giới hạn thiết bị ƒ Chi phí thiết bị mạng LAN tương đối rẻ ƒ Quản trị đơn giản b./ Mạng MAN (Metropolitan Area Network): Mạng MAN gần giống mạng LAN giới hạn thành phố hay quốc gia Mạng MAN nối kết mạng LAN lại với thông qua phương tiện truyền dẫn khác (cáp quang, cáp đồng, sóng…) phương thức truyền thông khác Đặc điểm mạng MAN: ƒ Băng thông mức trung bình, đủ để phục vụ ứng dụng cấp thành phố hay quốc gia phủ điện tử, thương mại điện tử, ứng dụng ngân hàng… ƒ Do MAN nối kết nhiều LAN với nên độ phức tạp tăng đồng thời việc quản lý khó khăn ƒ Chi phí thiết bị mạng MAN tương đối đắt tiền c./ Mạng WAN (Wide Area Network): Mạng WAN bao phủ vùng địa lý rộng lớn, quốc gia, lục địa hay toàn cầu Mạng WAN thường mạng công ty đa quốc gia hay toàn cầu, điển hình mạng Internet Do phạm vi rộng lớn mạng WAN nên thông thường mạng WAN tập hợp mạng LAN, MAN nối lại với phương tiện như: vệ tinh, sóng viba, cáp quang, cáp điện thoại Đặc điểm mạng WAN : ĐH Kỹ thuật Công nghệ Trang 95 Bài giảng thông tin liệu mạng máy tính Chương 5: Mạng cục ƒ Băng thông thấp, dễ kết nối, thường phù hợp với ứng dụng online như: e-mail, web , ftp… ƒ Phạm vi hoạt động rộng lớn không giới hạn ƒ Do kết nối nhiều LAN, MAN lại với nên mạng phức tạp có tính toàn cầu nên thường tổ chức quốc tế đứng qui định quản lý ƒ Chi phí cho thiết bị công nghệ mạng WAN đắt tiền 5.1.2 Các kiến trúc mạng (Topology): a./ Bus topology: Hình 5.1: Topology dạng bus b./ Ring topology: Hình 5.2: Topology dạng Ring c./ Star topology: Hình 5.3: Topology dạng d./ Hierarchical topology: Hình 5.4: Topology dạng phân cấp ĐH Kỹ thuật Công nghệ Trang 96 Bài giảng thông tin liệu mạng máy tính Chương 5: Mạng cục e./ Mesh topology: Hình 5.5: Topology dạng lưới 5.1.3 - - Mô hình tham chiếu OSI (Open System Interconnection): Là mô hình tương kết hệ thống mở, tổ chức ISO đề xuất từ năm 1977 công bố lần đầu vào năm 1984 Để máy tính thiết bị mạng truyền thông với phải có qui tắc bên chấp nhận Mô hình OSI khuôn mẫu giúp hiểu liệu xuyên qua mạng nào, đồng thời giúp ta hiểu chức mạng diễn lớp Mô hình OSI có lớp, lớp mô tả phần chức độc lập Sự phân chia lớp mô hình đem lại lợi ích sau: ƒ Chia hoạt động thông tin mạng thành phần nhỏ hơn, đơn giản để giúp ta dễ khảo sát dễ tìm hiểu ƒ Chuẩn hoá thành phần mạng phép phát triển mạng từ nhiều nhà cung cấp sản phẩm ƒ Ngăn chặn tình trạng thay đổi lớp làm ảnh hưởng đến lớp khác Ỉ giúp lớp phát triển độc lập nhanh chóng - Mô hình tham chiếu OSI định nghóa qui tắc cho nội dung sau: ƒ Các phương pháp để thiết bị mạng truyền liệu, không ƒ Cách thức thiết bị giao tiếp truyền thông với ƒ Các phương pháp để đảm bảo truyền liệu bên nhận ƒ Cách thức vận tải, truyền, xếp kết nối với ƒ Cách thức đảm bảo thiết bị mạng trì tốc độ truyền liệu thích hợp ƒ Cách biểu diễn bit thiết bị truyền dẫn - Mô hình OSI chia thành lớp với chức sau: ƒ Application Layer ( lớp ứng dụng ): giao diện ứng dụng mạng ƒ Presentation Layer ( lớp trình bày ): thoả thuận khuôn dạng trao đổi liệu ƒ Session Layer ( lớp phiên ) : cho phép người dùùng thiết lập kết nối ƒ Transport Layer ( lớp vận chuyển ):đđảm bảo truyền thông hai hệ thống ƒ Network Layer ( lớp mạng ): định hướng liệu truyền môi trường liên mạng ĐH Kỹ thuật Công nghệ Trang 97 Bài giảng thông tin liệu mạng máy tính Chương 5: Mạng cục ƒ Data link Layer (lớp liên kết liệu ): xácđđịnh việc truy xuất đến thiết bị ƒ Physical Layer ( lớp vật lý ): chuyển đổi liệu thành bit truyền Hình 5.6: Mô hình tham chiếu OSI Hình 5.7: Quá trình truyền liệu từ máy tính gởi đến máy tính nhận 5.2 Các phương pháp điều khiển truy nhập đường truyền vật lý: Phương pháp truy nhập đường truyền tập hợp quy tắc mà trạm nối vào mạng phải tuân theo để đảm bảo rằng, đường truyền truy nhập sử dụng cách tốt đẹp, quy định điều khiển luồng liệu mạng 5.2.1 Thủ tuïc CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Acess / Collision Detect): - CSMA/ CD dùng cho mạng Bus Với cấu hình dạng này, tất DTE nối trực tiếp vào cáp, cáp dùng để truyền số liệu cho ĐH Kỹ thuật Công nghệ Trang 98 Bài giảng thông tin liệu mạng máy tính Chương 5: Mạng cục cặp DTE mạng Tổ chức họat động gọi làm việc theo chế độ đa truy cập Khi có nhiều DTE truy cập đường truyền chung mà quy luật dẫn đến xung đột Ỉ liệu bị sai - CSMA/CD hệ luật rõ hành động mà thiết bị mạng phải thực có xung đột, tượng xảy có nhiều thiết bị truyền liệu thời điểm Hoạt động CSMA/CD sau: - Trước truyền liệu, trạm kiểm tra phương tiện truyền dẫn để phát lưu lượng mạng Trạm gửi liệu đường truyền rỗi, nghóa lưu lượng mạng Khi liệu gởi đi, trạm khác muốn truyền phải đợi liệu tới đích Lúc này, đường truyền rỗi trở lại - Tuy nhiên, có trường hợp trạm hai có nhu cầu truyền liệu lúc Khi đó, hai kiểm tra phát thấy đường truyền rỗi nên truyền liệu lúc Ỉ xảy xung đột Khi phát thấy xung đột, trạm phát giải đụng độ cách phát tiếp đọan bit để gây rối (jamping bit) nhằm thông báo cho tất trạm khác biết tình trạng xung đột Các trạm phát tình trạng xung đột chờ khoảng thời gian ngẫu nhiên trước thử truyền lại liệu Nếu sau khoảng thời gian lại phát thấy xung đột máy tính lại phải đợi thêm khoảng thời gian ngẫu nhiên khác với khoảng chọn ngẫu nhiên mở rộng Hình 5.8: Họat động CSMA/ CD ĐH Kỹ thuật Công nghệ Trang 99 Bài giảng thông tin liệu mạng máy tính Lưu đồ xử lý đụng độ trình truyền liệu Chương 5: Mạng cục Một máy muốn truyền liệu Có tín hiệu cảm nhận sóng mang không? Đóng gói liệu thành khung (frame) Bắt đầu truyền Kiểm tra có đụng độ không? Tiếp tục truyền Quá trình truyền kết thúc chưa? Kết thúc truyền Phát tín hiệu báo kẹt đường truyền (truyền tín hiệu nhồi – jam sequence) 10 Chờ khỏang thời gian ngẫu nhiên 11 Thời gian ngẫu nhiên lớn 12 Có nhiều đụng độ, hủy bỏ việc truyền liệu 13 Tính toán giải thuật backoff 14 Đợi t μs, truyền lại Hình 5.9: Lưu đồ xử lý đụng độ trình truyền liệu 5.2.2 Thủ tục truyền Token (Token passing protocols): - Một phương pháp khác nhằm truy xuất vào môi trường chia sẻ phương pháp dùng Token điều khiển Token chuyển từ trạm sang trạm khác tùy vào quy tắc định nghóa, tất trạm nối vào môi trường hiểu tuân theo Một trạm truyền liệu nắm giữ thẻ token, sau truyền xong frame, chuyển Token sang trạm phép trạm khác truy cập vào môi trường truyền Tuần tự họat động sau: + Trước hết vòng luận lý thiết lập để liên kết tất trạm nối vào môi trường vật lý này, Token điều khiển tạo + Token chuyển từ trạm sang trạm khác xung quanh vòng luận lý có trạm đợi truyền lấy quyền điều khiển + Sau đó, trạm đợi truyền truyền frame qua môi trường vật lý Sau kết thúc việc truyền, chuyển Token điều khiển đến trạm khác vòng luận lý - Môi trường vật lý không thiết phải topo dạng ring, Token dùng để điều khiển truy xuất vào mạng bus Sự thiết lập vòng luận lý lọai mạng bus ring trình bày sau: ĐH Kỹ thuật Công nghệ Trang 100 Bài giảng thông tin liệu mạng máy tính Chương 5: Mạng cục a./ b./ Hình 5.10 : Điều khiển truy xuất môi trường Token điều khiển a./ Token ring b./ Token bus ™ Token ring: sử dụng dạng vòng ring, vòng ring gọi vòng logic Tuy nhiên, hình dạng vật lý mạng Token ring lại có dạng hình sao, máy nối vật lý tới máy khác Hình 5.11: Một Token Ring ĐH Kỹ thuật Công nghệ Trang 101 Bài giảng thông tin liệu mạng máy tính Chương 5: Mạng cục Phương pháp truy nhập đường truyền sử dụng mạng Token ring chuyển thẻ (Token passing) Thẻ dãy bit đặc biệt chuyển vòng quanh mạng Máy tính nắm giữ thẻ có quyền truyền liệu Khi bật máy tính mạng Token ring thẻ tạo Sau đó, thẻ chuyển vòng quanh tới máy vòng ring có máy tính lấy quyền điều khiển thẻ Khi máy tính nắm giữ thẻ bài, gởi khung liệu tới mạng Khung chuyển quanh vòng ring đến máy tính có địa khớp với địa đích khung Khi đó, khung máy đích chép đánh dấu liệu tới đích Tiếp theo, khung lại chuyển quanh vòng ring tới trở máy tính nguồn Lúc này, trình truyền liệu xác nhận thành công khung bị xóa Cuối cùng, máy tính nguồn gởi thẻ tới mạng lúc máy tính khác truyền liệu Các mạng Token ring thường họat động tốc độ 4Mbps 16Mbps Nó hoạt động tốc độ 100Mbps ™ FDDI (Fiber Distributed Data Interface): FDDI cung cấp kết nối tốc độ cao cho nhiều lọai mạng khác FDDI thiết kế cho máy tính cần tốc độ lớn 10Mbps Ethernet 16 Mbps Token ring Một mạng FDDI gồm luồng liệu tương tự chạy ngược vòng ring, Ring Ring Ring Ring phụ Nếu có cố Ring chính, chẳng hạn lỗi Ring cáp bị đứt liệu gởi vòng Ring phụ để trình truyền liên tục Giống Token Ring, mạng FDDI sử dụng phương pháp truy nhập chuyển thẻ Tuy nhiên, máy mạng FDDI truyền nhiều gói liệu khỏang thời gian giữ thẻ xác định đếm giữ thẻ Sau đếm hết hạn, thẻ phải giải phóng, máy tính giải phóng thẻ trước đếm giữ thẻ hết hạn nên thời điểm có nhiều gói liệu di chuyển mạng Kiểu chuyển thẻ hiệu kiểu chuyển thẻ Token Ring (kiểu mà cho phép gói liệu di chuyển mạng thời điểm) Phương tiện truyền dẫn FDDI cáp quang, cho phép truyền liệu tốc độ từ 155 ÷ 622Mbps 5.3 Các chuẩn mạng cục (LAN standards) 5.3.1 Giới thiệu: Hình 5.12: LAN so sánh với mô hình OSI ĐH Kỹ thuật Công nghệ Trang 102 Bài giảng thông tin liệu mạng máy tính Chương 5: Mạng cục IEEE (Institude of Electrical and Electronic Engineers) tổ chức tiên phong lónh vực chuẩn hóa mạng cục với đề án IEEE 802 tiếng bắt đầu triển khai từ 1980 Dự án 802 không tìm cách thay phần mô hình OSI, tìm cách làm rõ chức lớp vật lý, liên kết liệu chút mở rộng cho lớp mạng phép nối lẫn nghi thức LAN Quan hệ dự án IEEE mô hình OSI trình bày hình 5.11, IEEE chia lớp liên kết liệu thành lớp phụ: Logical Link Control (LLC) vaø Medium Access Control (MAC) 5.3.2 IEEE 802.3 : chuẩn mạng CSMA/CD - IEEE 802.3 chuẩn đặc tả mạng cục dựa mạng Ethernet tiếng Digital, Intel Xerox hợp tác phát triển từ năm 1980 Ethernet sử dụng phương pháp truy nhập có tên đa truy nhập cảm nhận sóng mang có phát xung đột CSMA/ CD - Các chuẩn ethernet họat động tốc độ 10Mbps, phiên Fast ethernet họat động tốc độ 100Mbps Gigabit ethernet họat động tốc độ 1GMbps - Cấu trúc khung chuẩn IEEE 802.3: Hình 5.13 Khuôn dạng khung tổng quát IEEE 802.3 + Preamable: phần mở đầu có chiều dài byte, byte có dạng 10101010 để thông báo cho phía thu biết có khung liệu đến để thiết lập đồng bit + SFD (Start Frame Delimiter): gồm byte 10101011, điểm bắt đầu gói liệu + DA (Destination Address): có chiều dài byte Địa địa đơn hướng, đa hướng quảng bá Địa đơn hướng gọi địa điểm – điểm địa MAC Địa đích viết dạng Hexa + SA (Source Address): gồm byte, chứa địa vật lý đơn hướng dạng hexa thiết bị nguồn + Length: byte cho biết độ dài field chứa số liệu _LLC data + Data: chứa liệu thông tin giao thức tầng đưa xuống, kích thước phần liệu tối đa 1500byte + Pad: byte thêm vào để đảm bảo frame đủ kích thước tối thiểu để phát xung đột xác + FSC: phần tổng kiểm tra khung, có chiều dài tối đa byte, sử dụng để kiểm tra lỗi mức luồng bit cho tất vùng (trừ Preamable SFD thân FSC) - Trong chuẩn 802.3, IEEE định nghóa lọai cáp, kết nối, tín hiệu dùng lọai khác ethernet sau: ĐH Kỹ thuật Công nghệ Trang 103 Bài giảng thông tin liệu mạng máy tính ¾ Các đặc tả IEEE 802.3 có tốc độ 10Mbps (Ethernet) Chương 5: Mạng cục + 10Base5: dùng cấu hình bus, tín hiệu dải nền, có chiều dài tối đa 500m, sử dụng cáp đồng trục lọai dày Chiều dài mạng mở rộng cách dùng Repeater Bridge Để giảm xung đột không nên dùng đọan tức 2500m, có tối đa 1000 trạm, yêu cầu trạm cách 2.5m + 10Base2: dùng cấu hình bus, có chiều dài tối đa 200m (≈185m), có số trạm kết nối so với 10Base5, sử dụng cáp đồng trục lọai mỏng + 10Base-T: dùng cấu hình dạng sao, sử dụng cáp xoắn đôi UTP, chiều dài tối đa 100m + 10Base-F: dùng cáp quang Chuẩn gồm đặc tả chính: ƒ 10Base-FL (Link): định nghóa liên kết điểm nối điểm, nối trạm repeater cách xa đến 2km ƒ 10Base-FB (Backbone): định nghóa liên kết điểm nối điểm, nối repeater cách xa đến 2km ƒ 10Base-FP (Passive): cấu hình passive – star để liên kết trạm repeater cách xa 1km segment + 1Base5: tốc độ 1Mbps, dùng cáp UTP với phạm vi tín hiệu lên tới 500m ¾ Các đặc tả IEEE 802.3 có tốc độ 100Mbps (Fast Ethernet) Hình 5.14: Các lọai Fast Ethernet + 100Base-X: dùng liên kết vật lý node; dùng cho truyền dùng cho nhận Chuẩn chia làm lọai sau: ƒ 100Base-TX: dùng cặp cáp xoắn, cặp dùng cho phát cặp dùng cho thu Có thể dùng UTP hay STP Khỏang cách từ trạm đến hub (hay switch) không 100m ƒ 100Base-FX: dùng sợi cáp quang, cho phát cho thu Khoảng cách từ trạm đến hub (switch) nên bé 2000m + 100Base-T4: Có cặp dây cáp xoắn UTP dùng, cặp dây dùng chiều, cặp dây lại dùng truyền chiều Như vậy, chiều có cặp dây dùng lúc để mang liệu Bởi liệu 100Mbps ĐH Kỹ thuật Công nghệ Trang 104 Bài giảng thông tin liệu mạng máy tính Chương 5: Mạng cục quản lý cáp điện thọai UTP, quy định chia luồng 100Mbps thành luồng 33.66Mbps ¾ Các đặc tả IEEE 802.3 có tốc độ 1Gbps (Gigabit Ethernet): 100Base –LX, 100Base –SX, 100Base –CX 1000Base – T 5.3.3 IEEE 802.5 : chuẩn mạng Token Ring: 5.3.4 ĐH Kỹ thuật Công nghệ Trang 105 ... truyền thông hai hệ thống ƒ Network Layer ( lớp mạng ): định hướng liệu truyền môi trường liên mạng ĐH Kỹ thuật Công nghệ Trang 97 Bài giảng thông tin liệu mạng máy tính Chương 5: Mạng cục ƒ Data... phân cấp ĐH Kỹ thuật Công nghệ Trang 96 Bài giảng thông tin liệu mạng máy tính Chương 5: Mạng cục e./ Mesh topology: Hình 5 .5: Topology dạng lưới 5.1.3 - - Mô hình tham chiếu OSI (Open System Interconnection):... vật lý mạng Token ring lại có dạng hình sao, máy nối vật lý tới máy khác Hình 5.11: Một Token Ring ĐH Kỹ thuật Công nghệ Trang 101 Bài giảng thông tin liệu mạng máy tính Chương 5: Mạng cục Phương