Tìm hiểu mạng ethernet và triển khai mô hình mạng LAN ETHERNET

Tìm hiểu mạng ethernet và triển khai mô hình mạng LAN ETHERNET

Tìm hiểu mạng Ethernet và Triển khai mô hình mạng LAN ETHERNET GVHD: Hoàng Hữu Đức Lời nói đầu Ngày nay hạ tầng mạng máy tính là phần không thể thiếu trong các hệ thống thông tin phục vụ vận hành các tổ chức hay công ty. Để phục vụ cho việc tìm hiểu các kiến thức cơ bản về hệ thống mạng. Chúng em lựa chọn đề tài “Tìm hiểu mạng Ethernet và Triển khai mô hình mạng Ethernet cho trường CĐ CNTT Hữu Nghị Việt-Hàn”. Qua đề tài này, chúng ta có thể: - Hiểu được kiến thức cơ bản về hệ thống mạng LAN Ethernet. Các kiểu truyền thông và các phương pháp điều khiển truy cập trong mạng Ethernet. - Có những kiến thức cơ bản để có thể tham gia thiết kế, vận hành 1 hệ thống mạng Ethernet. Nội dung đề tài gồm hai phần chính là tìm hiểu mạng Ethernet và triển khai mô hình mạng LAN ETHERNET. Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Hoàng Hữu Đức đã tận tình giúp đỡ chúng em trong suốt quá trình làm đồ án. Vì nội dung đề tài là rất rộng nên có nhiều cái không thể trình bày một cách chi tiết trong khuôn khổ đồ án này. Với khả năng và kiến thức còn hạn chế, nội dung của đề tài khó tránh khỏi thiếu sót. Chúng em mong nhận được sự đóng góp ý kiến của thầy cô để đề tài có thể hoàn thiện hơn. Chúng em xin cảm ơn! https://www.facebook.com/pages/Tài-liệu-hay-và-rẻ/600827713314928?ref=hl Nguyễn Văn Anh - Nguyễn Văn Danh - Phạm Quý Quyền 1 Tìm hiểu mạng Ethernet và Triển khai mô hình mạng LAN ETHERNET GVHD: Hoàng Hữu Đức Mục lục LỜI NÓI ĐẦU 1 MỤC LỤC 2 DANH MỤC HÌNH ẢNH 4 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG ETHERNET .6 1.2 Các đặc tính chung 6 1.2.2 Cấu trúc địa chỉ .7 1.2.3 Các loại khung .7 1.2.4 Hoạt động 9 1.3 Các loại mạng Ethernet .11 CHƯƠNG 2: KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ MẠNG LAN ETHERNET .13 2.1 Cấu trúc TOPO của mạng 13 2.1.2 Mạng dạng hình tuyến (Bus Topology) 14 2.1.3 Mạng dạng vòng (Ring Topology). 14 2.1.4 Mạng kết hợp .15 2.2 Các phương thức truy nhập đường truyền 15 2.2.1 Giao thức CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Colliision Detection) 16 2.2.2 Giao thức truyền thẻ bài( Token Ring) .16 2.2.3 Giao thức FDDI .17 2.3 Các loại đường truyền và chuẩn của chúng .17 2.4 Hệ thống cáp mạng dùng cho mạng Ethernet 19 2.4.1 Cáp xoắn 19 2.4.2 Cáp đồng trục 19 2.4.3 Cáp sợi quang 20 2.4.4 Hệ thống cáp có cấu trúc theo chuẩn của TIA/EIA 568 21 2.4.5 Các yêu cầu cho một hệ thống cáp 23 2.5 Các thiết bị dùng để kết nối mạng LAN .24 2.5.1 Bộ lặp tín hiệu (Repeater) 24 2.5.2 Bộ tập trung .25 2.5.3 Cầu (Brigde) 26 2.5.4 Bộ chuyển mạch 30 2.5.5 Bộ định tuyến 30 2.6 Các hệ điều hành mạng .33 2.6.1 Hệ điều hành Unix .33 2.6.2 Hệ điều hành mạng Windows NT 33 2.6.3 Hệ điều hành Netware của Novell .34 2.6.4 Hệ điều hành mạng Linux .34 Nguyễn Văn Anh - Nguyễn Văn Danh - Phạm Quý Quyền 2 Tìm hiểu mạng Ethernet và Triển khai mô hình mạng LAN ETHERNET GVHD: Hoàng Hữu Đức 2.7 Các kỹ thuật chuyển mạch trong LAN ETHERNET .34 2.7.1 Phân đoạn mạng trong LAN ETHERNET 34 2.7.1.2 Phân đoạn mạng bằng Repeater .35 2.7.1.3 Phân đoạn mạng bằng cầu nối .37 2.7.1.4 Phân đoạn mạng bằng Router 38 2.7.1.5 Phân đoạn mạng bằng bộ chuyển mạch .39 2.7.2 Các chế độ chuyển mạch trong LAN ETHERNET .40 2.7.2.1 Chuyển mạch lưu chuyển (Store-and-forward switching) .40 2.7.2.2 Chuyển mạch ngay (Cut-through-Switching) 40 2.7.3 Mạng Lan ảo 41 2.7.3.1 Tạo mạng LAN ảo với một bộ chuyển mạch .41 2.7.3.2 Tạo mạng LAN ảo với nhiều bộ chuyển mạch 42 2.7.3.3 Cách xây dựng mạng riêng ảo .43 2.7.3.4 Ưu điểm và nhược điểm của mạng Lan ảo 43 CHƯƠNG 3: . 45 3.1 Giới thiệu về trường 45 3.2 Mô hình mạng 45 3.3 Tổng quan các bước thực hiện .46 3.4 Các bước thực hiện 48 KẾT LUẬN 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO . 55 Nguyễn Văn Anh - Nguyễn Văn Danh - Phạm Quý Quyền 3 Tìm hiểu mạng Ethernet và Triển khai mô hình mạng LAN ETHERNET GVHD: Hoàng Hữu Đức Danh mục hình ảnh HÌNH 1-1: CẤU TRÚC KHUNG TIN ETHERNET 6 HÌNH 1-2: TRUYỀN KHUNG TIN TRONG MẠNG ETHERNET 8 HÌNH 1-3: HAI TRẠM HAI PHÍA XA NHẤT TRONG MẠNG ETHERNET 10MBPS 10 HÌNH 2-1: CẤU TRÚC MẠNG HÌNH SAO .13 HÌNH 2-2: CẤU TRÚC MẠNG HÌNH TUYẾN 14 HÌNH 2-3: CẤU TRÚC MẠNG DẠNG VÒNG 15 HÌNH 2-4: CẤU TRÚC MẠNG DẠNG VÒNG CỦA FFDI .17 HÌNH 2-5: MỐI QUAN HỆ GIỮA CÁC CHUẨN IEEE VÀ MÔ HÌNH OSI 18 HÌNH 2-6: SƠ ĐỒ CÁC THÀNH PHẦN HỆ THỐNG CÁP TRONG TOÀ NHÀ 22 HÌNH 2-7: KẾT NỐI TỪ MÁY TÍNH TỚI HUB/SWITCH 23 HÌNH 2-8: MÔ HÌNH LIÊN KẾT MẠNG SỬ DỤNG REAPEATER .24 HÌNH 2-9: HOẠT ĐỘNG CỦA REAPRETER TRONG MÔ HÌNH OSI .25 HÌNH 2-10: HOẠT ĐỘNG CỦA CẦU NỐI .27 HÌNH 2-11: HOẠT ĐỘNG CỦA BRIGDE TRONG MÔ HÌNH OSI .28 HÌNH 2-12: BRIDGE BIÊN DỊCH 29 HÌNH 2-13: LIÊN KẾT MẠNG SỬ DỤNG 2 BRIDGE 29 HÌNH 2-14: HOẠT ĐỘNG CỦA ROUTER .30 HÌNH 2-15: HOẠT ĐỘNG CỦA ROUTER TRONG MÔ HÌNH OSI 31 HÌNH 2-16: VÍ DỤ VỀ BẢNG ĐỊNH TUYẾN CỦA ROUTER 32 HÌNH 2-17: KẾT NỐI MẠNG ETHERNET 10 BASE T SỬ DỤNG HUB 35 Nguyễn Văn Anh - Nguyễn Văn Danh - Phạm Quý Quyền 4 Tìm hiểu mạng Ethernet và Triển khai mô hình mạng LAN ETHERNET GVHD: Hoàng Hữu Đức HÌNH 2-18: MIỀN XUNG ĐỘT VÀ MIỀN QUẢNG BÁ KHI PHÂN ĐOẠN BẰNG REPEATER . 36 HÌNH 2-19: LUẬT 5-4-3 QUY ĐỊNH VIỆC SỬ REPEATER ĐỂ LIÊN KẾT MẠNG .36 HÌNH 2-20: VIỆC TRUYỀN KHUNG TIN DIỄN RA PHÍA A KHÔNG XUẤT HIỆN BÊN PHÍA B 37 HÌNH 2-21: MIỀN XUNG ĐỘT VÀ MIỀN QUẢNG BÁ KHI SỬ DỤNG BRIDGE 37 HÌNH 2-22: QUY TẮC 80/20 ĐỐI VỚI VIỆC SỬ DỤNG BRIDGE .38 HÌNH 2-23: PHÂN ĐOẠN MẠNG BẰNG ROUTER .39 HÌNH 2-24: CÓ THỂ CẤU HÌNH BỘ CHUYỂN MẠCH THÀNH NHIỀU CẦU ẢO 39 HÌNH 2-25: MẠNG LAN ẢO THEO CHỨC NĂNG CÁC PHÒNG BAN .41 HÌNH 2-26: TẠO MẠNG LAN ẢO VỚI MỘT BỘ CHUYỂN MẠCH .42 HÌNH 2-27: TẠO MẠNG LAN ẢO CHO VỚI NHIỀU BỘ CHUYỂN MẠCH 42 HÌNH 3-1: MÔ HÌNH MẠNG CỦA TRƯỜNG CĐ CNTT HỮU NGHỊ VIỆT HÀN 46 Nguyễn Văn Anh - Nguyễn Văn Danh - Phạm Quý Quyền 5 Tìm hiểu mạng Ethernet và Triển khai mô hình mạng LAN ETHERNET GVHD: Hoàng Hữu Đức CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG ETHERNET 1.1 Giới thiệu chung Ngày nay, Ethernet đã trở thành công nghệ mạng cục bộ được sử dụng rộng rãi. Sau nhiều năm ra đời công nghệ Ethernet vẫn đang được phát triển những khả năng mới đáp ứng những nhu cầu mới và trở thành công nghệ mạng phổ biến và tiện lợi. Ngày 22 tháng 5 năm 1973, Robert Metcafel thuộc trung tâm nghiên cứu Palto Alto của hãng Xerox-PARC, bang California, đã đưu ra ý tưởng hệ thống kết nối mạng máy tính cho phép các máy tính có thể truyền dữ liệu với nhau và với máy in Lazer. Lúc này các hệ thống tính toán lớn được tính toán đều được tính toán dựu trên các máy tính trung tâm đắt tiền (mainfarme). Điểm khác biệt lớn mà Ethernet mang lại là các máy tính có thể trao đổi thông tin trực tiếp với nhau mà không cần qua máy tính trung tâm. Mô hình lớn này làm thay đổi thế giới công nghệ truyền thông. Chuẩn Ethernet 10Mbps đầu tiên được xuất bản đầu tiên năm 1980 bởi sự phối hợp phát triển của 3 hãng: DEC, Intel và Xerox. Chuẩn này có tên DIX Ethernet (lấy tên theo 3 chữ cái đầu tiên của các hãng). Ủy ban của 802.3 của IEEE đã lấy DIX Ethernet làm nền tảng để phát triển. Năm 1985 chuẩn 802.3 đầu tiên đã ra đời với tên IEEE 802.3 Carrier Sense Multiple Access With Collision Detection (CSMA/CD) Access Method vesus Physical Layer Specification. Mặc dù không sữ dụng tên Ethernet nhưng hầu hết mọi người đều hiểu đó là chuẩn của công nghệ Ethernet. Ngày nay chuẩn IEEE 802.3 là chuẩn chính thức của Ethernet. IEEE đã phát triển chuẩn Ethernet trên nhiều công nghệ truyền dẫn khác nhau vì thế có nhiều loại mạng Ethernet. 1.2 Các đặc tính chung 1.2.1 Cấu trúc khung tin Các chuẩn Ethernet đều hoạt động ở tầng Data Link trong mô hình 7 lớp OSI vì thế đơn vị truyền dữ liệu mà các trạm trao đổi với nhau là các khung (frame). Cấu trúc khung Ethernet như sau: Hình 1-1: Cấu trúc khung tin Ethernet Các trường quan trọng trong phần mào đầu sẽ được mô tả dưới đây: Nguyễn Văn Anh - Nguyễn Văn Danh - Phạm Quý Quyền 6 Tìm hiểu mạng Ethernet và Triển khai mô hình mạng LAN ETHERNET GVHD: Hoàng Hữu Đức • Preamble: Trường này đánh dấu sự xuất hiện của khung bit, nó luôn mang giá trị 10101010. Từ nhóm bit này, phía nhận có thể tạo ra khung đồng hồ 10Mhz. • SFD (Start frame delimiter): Trường này mới thật sự xác định sự bắt đầu của một khung. Nó luôn mang giá trị 10101011. • Các trường Destination và Source: Mang địa chỉ vật lý của các trạm nhận và gởi khung , xác định khung được gửi từ đâu và sẽ được gửi tới đâu. • LEN: Giá trị của trường nói lên độ lớn của phần dữ liệu mà khung mang theo. • FCS mang CRC (cyclic redundancy checksum): Phía gửi sẽ tính toán trường này khi truyền khung. Phía nhận tính toán lại CRC này theo cách tương tự. Nếu hai kết quả trùng nhau, khung được xem là nhận đúng, ngược lại khung coi như là lổi và bị loại bỏ. 1.2.2 Cấu trúc địa chỉ Mổi giao tiếp mạng Ethernet được định danh duy nhất bởi 48 bit địa chỉ (6 octet). Đây là địa chỉ được ấn định khi sản xuất thiết bị, gọi là địa chỉ MAC (Media Access Control Address). Địa chỉ MAC được biểu diễn dưới dạng địa chỉ Hexa (hệ cơ số 16). Ví dụ: 00:60:97:8F:4F:86 hoặc 00-60-97-8F-4F Khung dạng địa chỉ MAC được chia làm 2 phần: - 3 octet đầu xác định hãng sản xuất, chịu sự quản lý của tổ chức IEEE. - 3 octet sau do nhà sản xuất xát định. Kết hợp ta sẽ có địa chỉ MAC duy nhất cho một giao tiếp mạng Ethernet. Địa chỉ MAC được sữ dụng làm địa chỉ nguồn và địa chỉ đích trong khung Ethernet. 1.2.3 Các loại khung • Các khung Unicast Giả sử trạm 1 cần truyền khung tới trạm 2 (trên hình vẽ) Nguyễn Văn Anh - Nguyễn Văn Danh - Phạm Quý Quyền 7 Tìm hiểu mạng Ethernet và Triển khai mô hình mạng LAN ETHERNET GVHD: Hoàng Hữu Đức Hình 1-2: Truyền khung tin trong mạng Ethernet Khung Ethernet do trạm 1 tạo ra có địa chỉ: MAC nguồn: 00-60-08-93-DB-C1 MAC đích: 00-60-08-93-AB-12 Đây là khung Unicast. Khung này được truyền tới một trạm xác định. Tất cả các trạm trên phân đoạn mạng trên sẻ đều nhận được khung này nhưng: - Chỉ có trạm 2 thấy địa chỉ MAC đích của khung trùng với địa chỉ MAC của giao tiếp mạng của mình nên tiếp tục xử lý các thông tin khác trong khung. - Các trạm khác sau khi so sánh địa chỉ sẽ bỏ qua không tiếp tục xử lý khung nữa. • Các khung broadcast Các khung broadcast có địa chỉ MAC đích là FF-FF-FF-FF-FF-FF (48 bit 1). Khi nhận được các khung này, mặc dù không trùng địa chỉ MAC của giao tiếp mạng của mình nhưng các trạm đều phải nhận khung và tiếp tục xử lý. Giao thức ARP sử dụng các khung Broadcast này để tìm địa chỉ MAC tương ứng với một địa chỉ IP cho trước. Một giao thức định tuyến cũng sử dụng các khung Broadcast để các router trao đổi bảng định tuyến. • Các khung Multicast Trạm nguồn gửi tới một số khung nhất định chứ không phải là tất cả. địa chỉ MAC đích của khung là địa chỉ đặt biệt mà chỉ các trạm trong cùng một nhóm mới chấp nhận các khung gửi tới địa chỉ này. Nguyễn Văn Anh - Nguyễn Văn Danh - Phạm Quý Quyền 8 Tìm hiểu mạng Ethernet và Triển khai mô hình mạng LAN ETHERNET GVHD: Hoàng Hữu Đức Lưu ý: Địa chỉ MAC nguồn của khung luôn là địa chỉ MAC của giao tiếp mạng tạo ra khung. Trong khi đó địa chỉ MAC đích của khung thì phụ thuộc vào một trong 3 loại khung nêu trên. 1.2.4 Hoạt động Phương thức điều khiển truy cập CSMA/CD quy định hoạt động của hệ thống Ethernet. Một số khái niệm cơ bản lien quan đến quá trình truyền khung Ethernet: • Khi tín hiệu đang được truyền trên khung truyền, kênh truyền lúc này bận và ta gọi trạng thái này là sóng mang-carrier. • Khi đường truyền rổi: không có sóng mang-absence carrier. • Nếu hai trạm cùng truyền khung đồng thời thì chúng ta sẽ phát hiện ra sự xung đột và phải thực hiện lại quá trình truyền khung. • Khoảng thời gian để một giao tiếp mạng khôi phục lại sau mổi lần nhận khung được gọi là khoảng trống liên khung (interframe gap), ký hiệu IFG. Giá trị của IFG bằng 96 lần thời gian của một bit. - Ethernet 10Mbps: IFG =9,6µs - Ethernet 100Mbps: IFG =960ns - Ethernet 1000Mbps: IFG =96ns Cách thức truyền khung và phát hiện xung đột diễn ra như sau: 1. Khi phát hiện đường truyền rỗi, máy trạm sẽ đợi thêm một khoảng thời gian bằng IFG, sau đó nó thực hiện ngay việc truyền khung. Nếu truyền nhiều khung thì giữa các khung phải cách nhau khoảng IFG. 2. Trong trường hợp đường truyền bận, máy trạm sẽ tiếp tục lắng nghe đường truyền cho đến khi đường truyền rỗi thì thực hiện lại bước 1. 3. Trường hợp khi quá trình truyền khung đang diễn ra thì máy trạm phát hiện thấy sự xung đột, máy trạm sẽ phải tiếp tục truyền 32bit dữ liệu. Nếu sự xung đột được phát hiện ngay khi mới bắt đầu truyền khung thì máy trạm sẽ phải truyền hết trường preamble và thêm 32 bít nữa, việc truyền nốt các bít này (ta xem như là các bít báo hiệu tắc nghẽn) đảm bảo tín hiệu sẽ tồn tại trên đường truyền đủ lâu cho phép các trạm khác (trong các trạm gây ra xung đột) nhận ra được sự xung đột và xử lý: - Sau khi truyền hết các bit báo hiệu tắc nghẽn, máy trạm sẽ đợi trong một khoảng thời gian ngẫu nhiên hy vọng sau đó sẽ không gặp xung đột và thực hiện lại việc truyền khung như bước 1. - Trong lần truyền khung tiếp theo này mà vẫn gặp xung đột, máy trạm buộc phải đợi thêm lần nữa với khoảng thời gian ngẫu nhiên nhưng dài hơn. Nguyễn Văn Anh - Nguyễn Văn Danh - Phạm Quý Quyền 9 Tìm hiểu mạng Ethernet và Triển khai mô hình mạng LAN ETHERNET GVHD: Hoàng Hữu Đức 4. Khi một trạm truyền thành công 512 bit (không tính trường preamble ), ta xem như kênh truyền đã bị chiếm. Điều này cũng có nghĩa là không thể có xung đột xay ra nữa. Khoảng thời gian ứng với thời gian của 512 bit được gọi là slotime. Đây là tham số quan trong quyết định nhiều tới việc thiết kế. Do bản chất cùng chia sẽ kênh truyền, tại một thời điểm chỉ có một trạm được phép truyền khung. Càng nhiều trạm trong phân đoạn mạng thì sự xung đột càng xảy ra nhiều, khi đó tốc độ truyền bị giảm xuống. Sự xung đột là hiện tượng xảy ra bình thường trong hoạt động của mạng Ethernet ( từ xung đột dễ gây hiểu nhầm là mạng bị sự cố hay là hoạt động sai, hỏng hóc). Khái niệm SlotTime: Hình 1-3: Hai trạm hai phía xa nhất trong mạng Ethernet 10Mbps. Trong ví dụ này, trạm 1 và trạm 2 được xem như hai trạm ở hai phía xa nhất của mạng. Trạm 1 truyền khung tới trạm 2, ngay trước khi khung này tới trạm 2, trạm 2 cũng quyết định truyền khung (vì nó thấy đường truyền rỗi). Để mạng Ethernet hoạt động đúng, mỗi máy trạm phải phát hiện và thông báo sự xung đột tới trạm xa nhất trong mạng trước khi một trạm nguồn hoàn thành việc truyền khung. Khung Ethernet kích thước nhỏ nhất là 512 bít (64 octet), do đó khoảng thời gian nhỏ nhất để phát hiện và thông báo xung đột là 512 lần thời gian 1 bít. Ethernet 10Mb/s : slot Time = 51,2 µs Ethernet 100Mb/s : slot Time = 5,12 µs Ethernet 1000Mb/s : slot Time = 512 ns Trường hợp vi phạm thời gian slottime, mạng Ethernet sẽ hoạt động không đúng nữa. Mỗi lần truyền khung, máy trạm sẽ lưu khung cần truyền trong bộ đệm cho đến khi nó truyền thành công. Giả sử mạng không đáp ứng đúng tham số slottime. Trạm 1 truyền 512 bit thành công không hề xung đột, lúc này khung được xem là truyền thành công và bị xóa Nguyễn Văn Anh - Nguyễn Văn Danh - Phạm Quý Quyền 10 . Quý Quyền 3 Tìm hiểu mạng Ethernet và Triển khai mô hình mạng LAN ETHERNET GVHD: Hoàng Hữu Đức Danh mục hình ảnh HÌNH 1-1: CẤU TRÚC KHUNG TIN ETHERNET. .6. Quý Quyền 12 Tìm hiểu mạng Ethernet và Triển khai mô hình mạng LAN ETHERNET GVHD: Hoàng Hữu Đức CHƯƠNG 2: KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ MẠNG LAN ETHERNET 2.1 Cấu