Chương 5 lớp điều khiển truy cập mạng và các hệ thống mạng liên quan thuộc bài giảng mạng máy tính, cùng nắm kiến thức trong chương này thông qua việc tìm hiểu các nội dung chính sau: lớp điều khiển truy cập – Media Access Control MAC, mạng Ethernet, mạng không dây, công nghệ Bluetooth, kết nối và chuyển mạch ở lớp liên kết dữ liệu.
MẠNG MÁY TÍNH COMPUTER NETWORK Chương Lớp Điều Khiển Truy Cập Mạng Các Hệ Thống Mạng Liên Quan 5.1 Lớp điều khiển truy cập – Media Access Control MAC Các giao thức dùng để xác định người dùng quyền sử dụng kênh truyền đa truy cập thuộc vào lớp Lớp Liên kết liệu, gọi lớp Điều khiển truy cập (Media Access Control – MAC) Lớp có vai trị quan trọng mạng LAN, mạng sử dụng kênh đa truy cập làm tảng truyền tin, khác với mạng WAN, sử dụng liên kết điểm-nối-điểm ngoại trừ thông tin vệ tinh 5.1.1 Phân bố kênh liệu Để phân bổ kênh liệu chung cho người dùng có yêu cầu mạng, sử dụng phương thức thực hiện: phân bố tĩnh phân bố động 5.1.1.1 Phân bố tĩnh Phương thức phân bố kênh tĩnh đơn giản phân kênh theo tần số (FDM) Nếu số lượng người dùng N băng thơng chia thành N phần nhau, người dùng gán phần Vì người dùng có tần số riêng nên khơng xảy tượng nhiễu lẫn Khi số lượng người dùng cố định, kênh truyền có lưu lượng lớn chế phân kênh FDM đơn giản hiệu Tuy nhiên, số lượng người dùng lớn thay đổi bùng nổ lưu lượng, FDM gặp rắc rối Một phương thức phân kênh khác tương tự phân kênh theo thời gian (TDM), người dùng phân bố khe thời gian Nếu người dùng khơng sử dụng khe thời gian khe thời gian rỗi Phương thức gặp phải trở ngại tương tự FDM 5.1.1.2 Phân bố động Mơ hình trạm: mơ hình gồm N máy trạm độc lập (ví dụ máy tính, điện thoại, máy cá nhân, ), máy trạm có chương trình người dùng tạo khung liệu truyền Chúng gọi đầu cuối Khi khung liệu tạo ra, máy trạm bị khóa ngưng hoạt động khung truyền Khái niệm kênh đơn: kênh đơn kênh liệu dùng cho tất trường hợp truyền tin Tất máy trạm sử dụng để phát thu tín hiệu Các máy trạm có vai trị tương đương kênh truyền Khái niệm xung đột: Nếu khung truyền đồng thời chúng chồng lên gây méo tín hiệu Hiện tượng gọi xung đột Trên thực tế, tất trạm có khả dò xung đột 5.1.1.2 Phân bố động Thời gian liên tục: Các khung truyền lúc Khơng có đồng hồ chủ để phân chia kênh thành khe thời gian Khe thời gian: Thời gian chia thành khoảng rời rạc Khung liệu luôn truyền thời điểm bắt đầu khe thời gian Cảm biến sóng mang: Các trạm cảm nhận kênh truyền trước truy cập Nếu kênh bận khơng có trạm truy cập đến kênh trạng thái rỗi Không cảm biến sóng mang: máy trạm khơng cảm nhận kênh truyền trước truy cập 5.1.2 Các giao thức đa truy cập Trên thực tế, có nhiều giao thức khác để phân bố kênh liệu Ở phần nghiên cứu số giao thức điển hình 5.1.2.1 ALOHA a- Pure ALOHA: Nguyên tắc Pure ALOHA tương đối đơn giản sau: - Cho phép người sử dụng truyền tin thời điểm - Chấp nhận xung đột liệu khung liệu bị phá hỏng trình truyền - Xung đột cảm nhận máy trạm cách lắng nghe kênh truyền - Nếu xung đột xảy ra, đầu phát đợi khoảng thời gian ngẫu nhiên trước thực phát lại 5.1.2 Các giao thức đa truy cập 5.1.2 Các giao thức đa truy cập Một khung liệu không bị xung đột với khung khác thời gian truyền khung liệu khơng có khung khác truyền Nếu thời gian có xung đột xảy (như hình vẽ) Pure ALOHA khơng đưa biện pháp để khắc phục cố b- Slotted ALOHA Năm 1972, Roberts đưa phương pháp làm tăng gấp đôi dung lượng hệ thống ALOHA sau: Khung thời gian truyền phân chia thành khoảng thời gian nhỏ, khoảng thời gian tương ứng với khung liệu Như liệu người sử dụng phải đồng gửi thời điểm bắt đầu khung Phương pháp giảm thiểu xung đột liệu người dùng khơng ảnh hưởng đến Tuy nhiên, có nhiều liệu người sử dụng cố gắng truyền thời điểm bắt đầu khung xảy xung đột Trong trường hợp này, máy trạm phải đợi khoảng thời gian ngẫu nhiên trước phát lại 5.5 Kết nối chuyển mạch lớp liên kết liệu Trong số trường hợp cần mạng LAN, khoảng cách sở tương đối xa, việc kết nối cáp cho độ trễ lớn Vì vậy, giải pháp phân chia thành mạng LAN khác nối chúng thành mạng LAN nhờ cầu nối Đảm bảo độ an toàn mạng LAN, máy tính mạng bị cố truyền liệu, liệu tiếp tục xuất lên mạng, cầu nối chuyển liệu sang cổng khác để tránh hỏng mạng Cầu nối cịn có khả tham gia vào việc bảo mật cho mạng, cách sử dụng nhiều cầu nối, quản trị mạng cách ly phần mạng bị nghi ngờ có truy nhập trái phép mà khơng ảnh hưởng đến toàn mạng 5.5.1 Cầu nối liệu 802.x - 802.y Hình 5-31 minh họa hoạt động cổng cầu nối Máy chủ A thuộc mạng LAN không dây (802.11) gửi liệu đến máy chủ B thuộc mạng Ethernet (802.3) Gói liệu đưa xuống lớp LLC gắn thêm phần mào đầu LLC Sau tiếp tục chuyển xuống lớp MAC gắn thêm phần mào đầu Gói liệu gửi đường truyền vô tuyến đến trạm gốc, tiếp đến cầu nối liên mạng từ 802.11 đến 802.3 Ở lớp MAC cầu nối, phần mào đầu 802.11 bóc Gói liệu ban đầu (có chứa phần mào đầu lớp LLC) chuyển cho lớp LLC cầu nối Do cầu nối đến mạng 802.3 nên gói liệu tái tạo lại theo chuẩn mạng 802.3 Như vậy, cầu nối kết nối k mạng LAN khác có k lớp MAC k lớp vật lý khác cho loại mạng 5.5 Kết nối chuyển mạch lớp liên kết liệu 5.5 Kết nối chuyển mạch lớp liên kết liệu Hình 5-32 minh họa cấu trúc khung tương ứng loại mạng 802.3, 802.11 802.16 Do cấu trúc khung khác nên việc thiết lập cầu nối có số khó khăn định tái tạo khung liệu, chế bảo mật chất lượng dịch vụ 5.5.2 Kết nối liên mạng Một cầu nối thông suốt hoạt động chế độ hỗn hợp, chấp nhận tất khung liệu phát từ máy trạm mạng Ở hình 5-33 minh họa cầu nối B1 nối LAN-1 LAN2, cầu nối B2 nối LAN-2, LAN-3 LAN-4 Một khung liệu đến cầu B1 LAN-1 có đích A bị loại bỏ A nằm LAN-1, khung liệu đến C D tiếp tục gửi 5.5.2 Kết nối liên mạng Khi khung liệu đến cầu nối, cầu nối phải xác định khung cần loại bỏ hay gửi tiếp đến mạng LAN khác Việc đưa định thực cách tìm kiếm địa đích chứa cầu nối Bảng địa địa đích cổng tương ứng Việc định tuyến liệu cho khung liệu đầu vào phụ thuộc vào mạng LAN mà khung liệu gửi đến (mạng LAN nguồn) mạng LAN đích, cụ thể sau: Nếu mạng LAN đích nguồn trùng nhau, khung liệu bị loại bỏ Nếu mạng LAN đích nguồn khác nhau, khung liệu gửi tiếp Nếu mạng LAN đích khơng xác định, áp dụng chế độ tràn Khi khung liệu đến cầu nối, thuật toán áp dụng Sau đó, cầu nối tìm kiếm cập nhật bảng địa 5.5.3 Cầu dạng mở rộng (spanning tree) Để tăng độ tin cậy mạng, người ta sử dụng cầu nối song song cặp mạng LAN, minh họa hình 5-34 Tuy nhiên, điều nảy sinh số vấn đề tạo mạng chập vòng (loop) 5.5.3 Cầu dạng mở rộng (spanning tree) Để giải vấn đề này, người ta cho cầu nối thông tin với biến đổi sơ đồ mạng thành cấu trúc dạng mở rộng Trên hình 5-35 (a) cho thấy có mạng LAN nối với 10 cầu nối Cấu hình mạng chuyển thành dạng mở rộng cách loại bỏ bớt số kết nối (đường khơng liền nét) Như vậy, có đường truyền liệu từ mạng LAN nối đến mạng LAN khác thông qua cầu nối Vì có đường liệu từ trạm nguồn đến trạm đích tượng nối vịng khơng xảy 5.5.3 Cầu dạng mở rộng (spanning tree) Để thiết lập mở rộng, người ta chọn cầu liệu làm nút gốc Điều thực cách lấy số thứ tự thiết bị (serial no) gắn nhà sản xuất số Cầu nối liệu có số thứ tự nhỏ chọn làm nút gốc Tiếp theo, người ta xây dựng có đường ngắn từ nút gốc đến tất cầu nối, gọi mở rộng Nếu cầu nối mạng LAN gặp cố thay cầu khác Kết thuật toán tuyến thiết lập từ nơi mạng LAN đến nút gốc Thuật toán phân tán sử dụng để xây dựng mở rộng phát minh Radia Perlman chuẩn hóa chuẩn IEEE 802.1D 5.5.4 Cầu kết nối đầu xa Một ứng dụng cầu nối liệu để kết nối mạng LAN cách xa Điều thực cách lắp đặt cầu nối LAN nối chúng cặp dây dẫn theo kiểu điểm – nối – điểm Hình 5-36 minh họa trường hợp đơn giản với mạng LAN Có nhiều giao thức sử dụng để thực kết nối điểm- nối –điểm, giao thức thường sử dụng PPP 5.5.5 Các thiết bị chuyển mạch liên kết liệu Hình 5-37 minh họa thiết bị chuyển mạch liên kết liệu khác làm việc lớp mạng khác 5.5.5 Các thiết bị chuyển mạch liên kết liệu a- Bộ lặp Thiết bị làm việc lớp cuối cùng, lớp vật lý Bộ lặp Đây thiết bị analog dùng để kết nối phân đoạn cáp mạng lại với Tín hiệu khuyếch đại trước ta khỏi thiết bị Bộ lặp không đọc cấu trúc khung liệu, gói liệu phần mào đầu Chúng làm việc với mức điện áp Với mạng Ethernet cổ điển, số Bộ lặp cho phép sử dụng để mở rộng chiều dài cáp liệu từ 500m lên 2500m b- Hub Hub thiết bị mạng gồm nhiều cổng nối kết vật lý với Các khung liệu đến từ cổng gửi đến tất cổng lại Tất cổng vào Hub hoạt động tốc độ Hub khác với Bộ lặp chổ chúng khơng khuếch đại tín hiệu vào mà có nhiệm vụ giữ ngõ tương ứng với ngõ vào tín hiệu Giống Bộ lặp, Hub không nhận dạng địa 802 5.5.5 Các thiết bị chuyển mạch liên kết liệu c- Cầu nối liệu chuyển mạch liệu Cầu nối chuyển mạch họat động lớp liên kết liệu Cầu nối dùng để nối nhiều mạng LAN với nhau, minh họa Hình 5-38(a) Khi khung liệu đến, phần mềm cầu nối lấy địa đích tìm kiếm bảng địa để xác định nơi cần gửi liệu 5.5.5 Các thiết bị chuyển mạch liên kết liệu Bộ chuyển mạch tương tự cầu nối cách định tuyến khung liệu dựa vào địa lấy từ khung Sự khác chuyển mạch thường dùng để kết nối máy tính riêng lẻ, minh họa Hình 5-38(c) Như vậy, hình (b), máy trạm A muốn gửi liệu đến máy trạm B, cầu nối nhận khung liệu loại bỏ nó, đó, Hình 5-38(c), Bộ chuyển mạch nhận khung liệu tiếp tục gửi đến máy trạm B Mỗi cổng liệu chuyển mạch nối đến máy trạm, chuyển mạch phải có khơng gian để dành cho card giao tiếp để nối đến máy trạm mạng Mỗi card giao tiếp phải có đệm cho khung liệu đến 5.5.5 Các thiết bị chuyển mạch liên kết liệu d- Bộ định tuyến: Bộ định tuyến họat động lớp mạng chồng giao thức mạng khác với thiết bị Khi gói liệu đến Bộ định tuyến, phần mào đầu phần gói liệu bóc ra, phần tải tin khung liệu phần mềm xử lý định tuyến Phần mềm vào phần mào đầu để chọn ngõ phù hợp Đối với gói liệu IP, phần mào đầu chứa địa gồm 32-bit (IPv4) 128-bit (IPv6) khơng phải địa dạng 802 có 48-bit Phần mềm định tuyến không nhận biết địa khung liệu e- Cổng giao tiếp: Cổng giao tiếp hoạt động lớp giao vận chồng giao thức Cổng giao tiếp dùng để nối máy tính có giao thức giao vận khác Ví dụ, cổng giao tiếp dùng để gửi liệu từ máy tính sử dụng giao thức truyền liệu TCP/IP máy tính sử dụng giao thức truyền liệu ATM f- Cổng giao tiếp ứng dụng: Thiết bị hiểu định dạng nội dung liệu chuyển tin từ định dạng sang định dạng khác Ví dụ, cổng giao tiếp thư điện tử biên dịch định dạng tin Internet thành dạng tin SMS cho thiết bị di động cầm tay ... 1000Base-SX Cáp quang 55 0m Đa mode (50 , 62 .5 microns) 1000Base-LX Cáp quang 50 00m Đơn mode (10) đa mode (50 , 62 .5? ??) 1000Base-CX đôi cáp STP 25m STP 1000Base-T 100m UTP Cat đơi cáp UTP 5. 2.7 Gigabit... 5. 2.1 Kết nối vật lý mạng Ethernet 5. 2.2 Mã hóa Manchester 5. 2.3 Giao thức lớp MAC mạng Ethernet 5. 2.4 Thuật toán quay theo hàm mũ nhị phân 5. 2 .5 Chuyển mạch Ethernet 5. 2.6 Fast Ethernet 5. 2.7... ngoại để truyền thơng nối mạng với nhau, từ hình thành nên mạng máy tính gọi mạng máy tính khơng dây (hoặc mạng LAN khơng dây) Mạng LAN khơng dây có số đặc điểm khác với mạng LAN thông thường Ở