Mạng LAN có nhiều mô hình kiến trúc khác nhau, nhưng bất chấp sự rắc rối và kích cở của nó, tất cả đều kết hợp từ ba kiến trúc kết nối cơ bản:
Kiến trúc đơn giản nhất là kết nối điểm-điểm (hình 3.1). Chỉ 2 đơn vị mạng được kết nối với nhau và kết nối này có thể là DTE với DTE, DTE với DCE, DCE với DCE. Dây cáp trong kết nối điểm điểm được gọi là network link. Chiều dài cho phép lớn nhất của cáp phụ thuộc vào kiểu cáp và phương thức truyền được sử dụng.
Mạng Ethernet cơ sở được thực hiện với kiến trúc bus cáp đồng trục (hình 3.2). Chiều dài của Segment (đoạn) được giới hạn ở 500m và có thể kết nối 100 trạm vào một Segment. Từng Segment có thể kết nối với các trạm lặp, miễn là nhiều đường không tồn tại giữa hai trạm bất kỳ trên mạng và số lượng DTE không vượt quá giá trị qui định.
Hình 3.1: Mô hình kết nối điểm-điểm
Mặc dầu những mạng mới không được kết nối trong cấu hình bus nhưng một vài mạng bus cũ vẫn tồn tại và vẫn được sử dụng hữu ích.
Từ đầu thập niên 90, cấu hình mạng được lựa chọn là mô hình kết nối sao (hình 3.3). Đơn vị mạng trung tâm là bộ lặp đa cổng (còn gọi là Hub) hoặc là một chuyển mạch mạng. Tất cả kết nối trong mạng sao là kết nối điểm điểm được thực hiện với cáp sợi quang.
3.5 Quan hệ vật lý giữa IEEE802.3 và mô hình tham chiếu OSI HHiiiiiiiiiiiiiii
Hình 3.4 mô tả các lớp vật lý của IEEE802.3 và quan hệ của nó với mô hình tham chiếu OSI. Với giao thức IEEE802, lớp liên kết dữ liệu trong OSI được chia
Hình 3.3: Mô hình kết nối sao
thành hai lớp con IEEE802: lớp con MAC (Media Access Control) và lớp con MAC-Client. Lớp vật lý IEEE802.3 tương đương với lớp vật lý OSI.
Lớp con MAC-Client có thể là một trong các lớp con sau:
Là lớp con LLC (Logical Link Control) nếu đầu cuối là một DTE. Lớp con này cung cấp giao tiếp giữa Ethernet MAC và lớp trên trong ngăn giao thức của trạm đầu cuối. Lớp con LLC được định nghĩa trong chuẩn IEEE802.2.
Là thực thể cầu nối (Bridge Entity) nếu đầu cuối là DCE. Thực tế cầu nối cung cấp giao tiếp LAN to LAN giữa các mạng LAN sử dụng cùng giao thức (ví dụ Ethernet to Ethernet) và cũng cung cấp giữa các giao thức khác nhau (ví dụ Ethernet với Token Ring). Thực thể cầu nối được định trong chuẩn IEEE802.1.
Bởi vì đặc điểm kỹ thuật của LLC và thực thể cầu nối là chung cho tất cả các giao thức LAN IEEE802, tính tương thích của mạng là cơ sở của các giao thức mạng đặc biệt. Hình 3.5 minh hoạ các yêu cầu tương thích khác nhau được lợi dụng bởi lớp vật lý và lớp MAC trong truyền thông dữ liệu cơ sỏ trên kết nối Ethernet.
Lớp MAC điều khiển sự truy nhập của một node đến phương tiện truyền thông của mạng và đặc biệt là đến các giao thức riêng biệt. Tất cả lớp MAC phải có
thiết lập cơ bản về các yêu cầu vật lý, bất chấp liệu có phải chúng bao gồm một hay nhiều giao thức mở rộng được lựa chọn định nghĩa. Chỉ những nhu cầu cho truyền thông cơ sở (truyền thông không có nhu cầu lựa chọn giao thức mở rộng) giữa hai node mạng thì cả hai lớp MAC phải hổ trợ cùng tốc độ truyền.
Lớp vật lý 802.3 qui định rõ tốc độ truyền dữ liệu, mã hoá tín hiệu, và kiểu kết nối phương tiện giữa hai node. Ví dụ, Gigabit Ethernet định nghĩa hoạt động trên cáp xoắn đôi hoặc cáp sợi quang, nhưng tuỳ theo mỗi thủ tục mã hoá tín hiệu hoặc từng kiểu cáp riêng biệt mà yêu cầu một sợi thi hành lớp vật lý khác nhau.
3.6 Lớp con MAC Ethernet
Lớp con MAC có hai chức năng chính:
Đóng gói dữ liệu kể cả đóng khung trước khi truyền, phân tích và dò lỗi trong suốt và sau khi nhận khung.
Điều khiển truy nhập phương tiện bao gồm khởi tạo một sự truyền khung và phục hồi lại sự truyền bị hỏng.
3.6.1 Dạng khung cơ bản của Ethernet
Chuẩn 802.3 định nghĩa dạng khung dữ liệu cơ bản được yêu cầu cho tất cả sự thi hành của MAC, cộng thêm một vài khuôn dạng để chọn bổ sung mà được sử dụng để mở rộng giao thức. Dạng khung dữ liệu cơ sở gồm có 7 trường:
Dạng k hung d ữ l iệ u MAC Et h er n et cơ bản
PRE (Preamble): gồm có 7 byte. PRE là các mức logic 0 và 1 xen kẻ nhau để báo cho trạm nhận khung dữ liệu đang đến và cung cấp phương tiện để đồng bộ mức thu nhận khung của lớp vật lý bên nhận với luồng bit đến.
DA (Destination Address): trường DA xác định trạm sẽ nhận khung. Một bit ngoài cùng bên trái chỉ định có phải là địa chỉ của một địa chỉ cá nhân ( chỉ định bởi 0) hoặc của một nhóm địa chỉ (chỉ định bởi 1). Bit thứ hai kể từ bên trái chỉ định có phải DA là điều hành toàn bộ (globally administered) được chỉ định mứt 0 hoặc điều hành nội bộ (chỉ định mứt 1), 46 bit còn lại là một nhóm các trạm hoặc tất cả các trạm trên mạng.
SA( Source Address): 6 byte: trường SA xác định trạm nguồn (trạm gởi).Trường SA luôn là địa chỉ duy nhất và bit đầu tiên bên trái luôn ở mức 0.
Length/Type -4byte: Trường này chỉ định số byte dữ liệu của lớp con MAC-Client mà được chứa trong trường dữ liệu của khung hoặc kiểu ID khung nếu khung được tập hợp sử dụng một dạng khung lựa chọn. Nếu giá trị của trường Length/Type ít hơn hoặc bằng 1500, số byte của LLC trong trường dữ liệu bằng giá trị của trường Length/Type. Nếu lớn hơn 1536, khung này là một kiểu khung lựa chọn và giá trị của trường Length/Type chỉ định kiểu của khung sẽ được gởi và nhận.
Data: Là sự nối tiếp của n byte giá trị bất kỳ với n 1500. Nếu chiều dài của trường dữ liệu nhỏ hơn 46, trường dữ liệu phải được mở rộng bằng cách thêm một filler thích hợp để mang trường dữ liệu dài 46 byte.
FCS(Frame Check Sequence): 4 byte: trường này chứa một giá trị 32 bit kiểm tra độ dư vòng được tạo bởi lớp MAC bên gởi và được tính toán lại ở lớp MAC bên thu để kiểm tra độ hư hại của khung. FCS được phát trên các trường DA,SA, Length/Type và Data.
3.6.2 Sự truyền khung dữ liệu
Bất cứ lúc nào, một trạm MAC đầu cuối nhận một yêu cầu truyền khung kèm theo địa chỉ và thông tin dữ liệu từ lớp con LLC, lớp MAC bắt đầu truyền một cách tuần tự bằng cách truyền thông tin LLC vào bộ đệm khung lớp MAC.
Việc định ranh giới mào đầu khung được chèn vào trường PRE và SOF. Địa chỉ nguồn và đích được chèn vào trường địa chỉ.
Số byte dữ liệu LLC được tính và chèn vào trường Length/Type.
Số byte dữ liệu LLC được chèn vào trường dữ liệu. Nếu lượng byte dữ liệu LLC nhỏ hơn 46 thì phải đệm thêm để trường dữ liệu dài 46byte.
Một giá trị FCS được phát trên trường DA, SA, Length/Type, data và được gán vào phần sau của trường dữ liệu.
Sau khi khung được tập hợp, quá trình phát khung phụ thuộc vào lớp MAC hoạt động ở chế độ đơn công hay song công.
Chuẩn IEEE 802.3 hiện tịa yêu cầu tất cả các lớp MAC Etherhet hỗ trợ hoạt động ở chế độ đơn công, trong chế độ này lớp MAC có thể truyền và nhận khung nhưng không thể thực hiện cả hai. Ở chế độ hoạt động song công cho phép lớp MAC có thể đồng thời truyền và nhận khung.
3.6.2.1 Truyền đơn công phương thức truy nhập CSMA/CD
Giao thức CSMA/CD được bắt đầu phát triển như là một phương thức để hai hoặc nhiều trạm có thể chia sẽ chung một phương tiện trong một môi trường không chuyển mạch khi giao thức không yêu cầu xử lý tập trung, truy nhập Token hoặc ấn định khe thời gian để cho biết khi nào một trạm sẽ được phép truyền. Mỗi Ethernet MAC tự quyết định khi nó sẽ được phép gởi khung dữ liệu.
Carrier sense: mỗi trạm liên tục lắng nghe lưu lượng trên cáp để xác định khi nào khoảng trống giữa các khung truyền xãy ra.
Multiple Access: các trạm có thể bắt đầu truyền bất cứ lúc nào nó dò thấy mạng rỗi.
Collision detect: nếu hai hoặc nhiều trạm trong cùng mạng CSMA/CD bắt đầu truyền cùng một lúc, thì các luồng bit này sẽ bị xung đột xãy ra trước khi nó hoàn thành việc gởi dữ liệu. Nó phải ngưng truyền ngay khi phát hiện xung đột và
3.6.2.2 Truyền song công-một cách tiếp cận để hiệu quả mạng cao hơn
Sự hoạt động song công là một khả năng lựa chọn MAC cho phép truyền đồng thời theo hai hướng tông qua kết nối điểm điểm. Truyền song công về mặt chức năng là đơn giản hơn truyền đơn công bởi vì nó không tranh chấp phương tiện truyền thông, không xung đột, không phải truyền lại và không caan fbit mở rộng trong các khung ngắn. Kết quả là không những chỉ có nhiều thời gian cho việc truyền tải dữ liệu mà còn gấp đôi hiệu quả băng thông vì mỗi đường có thể hổ trợ tốc độ cao nhất và truyền đồng thời theo hai hướng.
Quá trình truyền thường bắt đầu ngay khi khung sẵn sàng để gởi. Chỉ có một giới hạn là phải có một khoảng trống IFG(InterFrame Gap) giữa các khung liên tiếp (hình 3.7) và mỗi khung phải phù hợp với dạng khung Ethernet chuẩn.
3.7 Lớp vật lý Ethernet
Các thiết bị Ethernet chỉ được sử dụng ở dưới của lớp 2 trong ngăn giao thức OSI, thiết bị điển hình được sử dụng như Card giao tiếp mạng (NIC). Các NIC khác nhau được xác định dựa trên thuộc tính lớp vật lý.
Việc đặt tên qui ước là một sự sâu chuỗi của ba thuật ngữ xác định tốc độ truyền, phương pháp truyền và phương tiện mã hoá tín hiệu. Ví dụ:
10 Base-T = 10 Mbps, băng thông cơ sở, trên 2 cáp xoắn đôi. 100 Base-T2 = 100 Mbps, băng thông cơ sở, trên 2 cáp xoắn đôi. 100 Base-T4 = 100 Mbps, băng thông cơ sở, trên 4 cáp xoắn đôi.
1000 Base-LX = 1000 Mbps, bước sóng dài trên cáp sợi quang.
3.8 Quan hệ giữa lớp vật lý Ethernet và mô hình tham chiếu ISO
Mặc dầu mô hình vật lý cụ thể của lớp vật lý có thể thay đổi từ phiên bản này sang phiên bản khác nhưng tất cả Ethernet NIC nói chung đều tương thích với mô hình được minh hoạ trong hình 3.8.
Lớp vật lý đối với từng tốc độ truyền được phân thành các lớp con độc lập với kiểu phương tiện truyền thông riêng biệt và lớp con theo kiểu phương tiện truyền thông hay mã hoá tín hiệu.
Lớp con Reconciliation (hoà giải ) và MII (Media Independent Interface) cung cấp kết nối logic giữa lớp con MAC và tập hợp khác nhau của lớp phụ thuộc phương tiện. MII và GMII được định nghĩa với các đường dẫn dữ liệu thu và phát riêng biệt ở tốc độ dữ liệu là 10 Mbps (độ rộng là 1 bit), với tốc độ 100Mbps (độ rộng là 4 bit), với tốc độ là 1000 Mbps(độ rộng là 8 bit). Giao tiếp độc lập phương tiện (MII) và lớp con Reconciliation có chung từng tốc độ truyền của nó và được cấu hình cho hoạt động song công.
Lớp con mã hoá vật lý phụ thuộc phương tiện(PCS): cung cấp logic cho mã hoá, ghép kênh và đồng bộ của luồng dữ liệu đi cũng như sựu liên kết mã tách kênh và giải mã cho dữ liệu đến.
Lớp con PMA(Physical Medium Attachment): chứa tín hiệu thu và phát cũng như phục hồi đồng hồ cho luồng dữ liệu thu.
MDI (Medium Dependent Interface): là bộ kết nối cáp giữa tín hiệu thu nhận và đường truyền.
Auto-negotiation Sublayer cho phép NIC ở mỗi đầu cuối đường truyền trao đổi thông tin về khả năng riêng có của nó, sau đó thương lượng và chọn lựa mô hình hoạt động thuận lợi nhất mà cả hai mô hình đều có thể hổ trợ. Auto-negotiation là một tuỳ chọn trong Ethernet trước đây và được uỷ thác phiên bản sau.
Phụ thuộc vào kiểu mã hoá tín hiệu được sử dụng và cấu hình đường truyền như thế nào mà PCS và PMA có thể hoặc không thể hổ trợ hoạt động song công.
3.9 Kết luận chương
Với mô hình linh hoạt, kiến trúc đơn giản đặc biệt là chi phí thấp, Ethernet đã vượt qua ATM và trở thành công nghệ phổ biến hiện nay. Ethernet được chuẩn hoá theo chuẩn IEEE802.3 với các tốc độ hoạt động đa dạngvà tương tích với mô hình bảy lớp là điều kiện thuận lợi để ứng dụng vào mạng truy cập. Ngoài ra, Ethernet còn tương thích với nhiều loại thiết bị khác nhau nên trở thành một sự lựa chọn lý tưởng cho mạng truy nhập để truyền tải lưu lượng IP và hổ trợ hiệu quả lưu lượng đa phương tiện. Ethernet đã chứng tỏ là lựa chọn thích hợp nhất cho mạng quang thụ động để ứng dụng cho mạng truy nhập
CHƯƠNG4
MẠNG TRUY CẬP QUANG THỤ ĐỘNG ETHERNET – EPON
4.1 Giới thiệu chương
Việc vượt trội về khả năng truyền dữ liệu của mạng quang thụ động PON là không phủ nhận, nhưng để khai thác tối đa khả năng của nó thì còn tuỳ thuộc vào công nghệ được lựa chọn trong truyền tải. Chương này trình bày sự kết hợp cộng nghệ Ethernet trong mạng truy nhập quang thụ động gọi tắt EPON, và đưa ra nguyên lý truyền,lợi ích của nó và EPON với kiến trúc IEEE 802, giao thức điều khiển đa điểm MPCP(Multi Point Control Protocol)
4.2 Lợi ích của mạng truy cập quang thụ động Ethernet _ PON
EPON là sự kết hợp giữa mạng truy cập quang thụ động PON và kỷ thuật Ethernet nên nó mang ưu điểm của cả hai công việc này. Việc triển khai EPON mang lại lợi ích rất to lớn bao gồm:
Băng thông cao hơn: EPON sẽ cung cấp băng thông cao nhất cho người dùng trong bất kỳ hệ thống truy cập quang thụ động nào. Tốc độ lưu lượng hướng xuống là 1Gbps và lưu lượng lên từ 64 ONU có thể vượt quá 800 Mbps. Với khả năng cung cấp băng thông rất lớn như vậy, EPON có một số lợi ích sau:
o Số lượng thuê bao trên một mạng PON lớn. o Băng thông trên mỗi thuê bao nhiều.
o Khả năng cung cấp video. o Chất lượng dịch vụ tốt hơn.
Chi phí đầu tư thấp hơn: Hệ thống EPON đang khắc phục giữa chi phí và hiệu suất bằng sợi quang và các lênh kiện Ethernet. EPON cung cấp các chức năng và đặc tính sợi quang với giá có thể so sánh được với DSL và cáp đồng T1s. Hơn nữa, việc giảm chi phí đạt được nhờ kiến trúc đơn giản, hiệu quả hoạt động cao và chi phí bảo dưỡng thấp. EPON chuyển giao những cơ hội giảm giá sau:
o Loại trừ những phần tử ATM và SONET phức tạp và đắc đỏ.
o Những giao diện Ethernet chuẩn loại trừ nhu cầu cho DSL và Modem cáp bổ sung.
Nhiều lợi nhuận hơn: EPON có thể hổ trợ đồng thời các dịch vụ thoại, dữ liệu và video, cho phép nhà cung cấp nâng cao dịch vụ băng rộng và linh hoạt. Ngoài ra, nó cũng cung cấp các dịch vụ truyền thống như POST, T1, 10/100 Base- T, hổ trợ các dịch vụ trên nền ATM, TDM(Time Division Multiplexing) và SONET.
4.3 Mạng truy cập quang thụ động EPON
EPON là mạng dựa trên mạng PON mà nó mang lưu lượng dữ liệu được đóng gói vào khung Ethernet. Nó sử dụng chuẩn mã đường truyền 8b/10b (8 bit người dùng được mã hoá như 10 bit đường truyền ) và hoạt động ở tốc độ chuẩn của Ethernet.
4.3.1 Nguyên lý hoạt động
Chuẩn IEEE 802.3 định nghĩa hai cấu hình cơ bản cho một mạng Ethernet. Một cấu hình trong đó các trạm sử dụng chung môi trường truyền dẫn với giao thức đa truy cập sóng mang có phát hiện xung đột (CSMA/CD) và cấu hình còn lại, các