III.4.1. Các cấu trúc của mạng LAN
Cấu trúc (topology) của mạng là cấu trúc hình học khơng gian, thực chất là cách bố trí phần tử của mạng cũng như cách thức nối giữa chúng với nhau. Thơng thường cĩ 3 dạng cấu trúc là: mạng dạng hình sao (Star topology), mạng dạng vịng (Ring topology) và mạng dạng tuyến (Bus topology). Ngồi ra cịn cĩ một số dạng biển thể khác như mạng dạng cây, mạng hỗn hợp, sao mở rộng,…
1. Mạng dạng hình sao (Star topology)
Mạng dạng hình sao bao gồm một trung tâm và các nút thơng tin. Các nút thơng tin là các trạm đầu cuối, các máy tính và các thiết bị khác của mạng. Trung tâm của mạng điều phối mọi hoạt động trong mạng với chức năng cơ bản là:
• Xác định cặp địa chỉ gửi và nhận được phép chiếm tuyến thơng tin và liên lạc với nhau.
• Cho phép theo dõi và xử lý sai trong q trình trao đổi thơng tin. • Thơng báo các trạng thái của mạng.
Ưu điểm:
• Hoạt động theo nguyên lý nối song song nên nếu cĩ một thiết bị nào đĩ ở một nút thơng tin bị hỏng thì mạng vẫn hoạt động bình thường.
• Cấu trúc mạng đơn giản và các thuật tốn điều khiển ổn định. • Mạng cĩ thể mở rộng hoặc thu hẹp tùy theo yêu cầu người sử dụng.
Nhược điểm:
• Khả năng mở rộng mạng phụ thuộc hồn tồn vào khả năng của trung tâm. Khi trung tâm cĩ sự cố thì mạng ngừng hoạt động.
• Mạng yêu cầu kết nối độc lập riêng lẻ từng thiết bị ở các nút thơng
tin đến trung tâm. Khoảng cách từ máy đến trung tâm hạn chế
(thường 100 m).
Thơng thường, mạng hình sao cho phép nối các máy tính vào một bộ tập trung (HUB) bằng cắp xoắn, giải pháp này cho phép nối trực tiếp nhiều máy tính với HUB khơng cần qua trục BUS, tránh được các yếu tố gây nghẽn mạng. Cùng với sự phát triển của Switch, mà hình này ngày càng trở nên phổ biến.
Hình III-9. Một số cấu trúc chính của mạng LAN
2. Mạng dạng tuyến (Bus topology)
Trong mạng hình bus, các máy tính và nút mạng sẽ đều được nối về với nhau trên một trục đường dây cáp chính để chuyển tải tín hiệu.Tất cả các nút đều sử dụng chung đường dây cáp chính này. Phía hai đầu dây cáp được bịt bởi một thiết bị gọi là terminator. Các tín hiệu và dữ liệu khi di chuyển lên và xuống trong dây cáp đều mang theo địa chỉ nơi đến.
Loại mạng này dùng ít dây cáp nhất, dễ lắp đặt. Tuy vậy cũng cĩ những bất lợi khi sẽ cĩ sự ùn tắc khi dữ liệu di chuyển với lưu lượng lớn và khi cĩ sự hỉng hĩc ở đoạn nào đĩ thì rất khĩ phát hiện. Hư hỏng trên đường dây chính sẽ ngừng tồn bộ hệ thống.
3. Mạng dạng vịng (Ring topology)
Mạng được bố trí theo dạng vịng trịn, đường dây cáp được thiết kế làm thành một vịng khép kín, tín hiệu chạy quanh theo một chiều nào đĩ. Các nút
truyền tín hiệu cho nhau mỗi thời điểm chỉ được một nút mà thơi. Dữ liệu truyền đi phải kèm theo địa chỉ cụ thể của trạm tiếp nhận.
Mạng Token Ring cĩ thể chạy ở tốc độ 4Mbps hoặc 16 Mbps. Phương pháp truy cập dùng trong mạng Token Ring gọi là Toking passing.Token passing là phương pháp truy cập xác định, trong đĩ các xung đột được ngăn ngừa bằng cách ở mỗi thời điểm chỉ cĩ một trạm cĩ thể truyền dữ liệu. Điều này được thực hiện bằng việc truyền một tín hiệu đặc biệt gọi là Token xoay vịng từ trạm này qua trạm khác. Mỗi trạm chỉ cĩ thể gửi dữ liệu khi nĩ nhận được Token.
Mạng dạng vịng cĩ thuận lợi là cĩ thể nới rộng ra xa, tổng đường dây cần thiết ít hơn so với hai kiểu trên. Nhược điểm điểm là đường dây phải khép kín, nếu bị ngắt ở một nơi nào đĩ thì tồn bộ hệ thống cũng bị ngừng.
III.4.2. Các chuẩn mạng LAN
Các chuẩn LAN là các tiêu chuẩn cơng nghệ cho LAN được phê chuẩn bởi các tổ chức chuẩn hĩa quốc tế, nhằm hướng dẫn các nhà sản xuất thiết bị mạng đi đến sự thống nhất chung khả năng sử dụng chung các sản phẩm của họ, vì lợi ích của người sử dụng và tạo điều kiện thuận lợi cho các nghiên cứu phát triển.
Các chuẩn quy định mơi trường truyền dẫn cũng như cách thức sử dụng chúng trong kết nối LAN: các giao thức truyền thơng ở các tầng vật lý và tầng liên kết dữ liệu của mạng theo mơ hình OSI.
Các giao thức truyền thơng ở các tầng trên mơ hình OSI hiện tại được xác định qua một số giao thức phổ biến như TCP/IP, IPX/SPX, NetBIOS…
Ủy ban IEEE phát triển tiêu chuẩn IEEE LAN và đề xuất phân chia hai tầng thấp nhất của mơ hình OSI như dưới đây:
Theo chuẩn 802 thì tầng LKDL được chia thành hai tần:
• Tầng con điều chỉnh logic LLC(Logical Link Control Sub-layer) : giữ vai trị tổ chức dữ liệu, tổ chức thơng tin để truyền và nhận. Thủ tục tầng LLC khơng bị ảnh hưởng khi sử dụng các đưịng truyền dẫn khác nhau, nhờ vậy mà linh hoạt hơn trong khai thác.
• Tầng con điều khiển xâm nhập mạng MAC (Media Access Control Sub- layer), làm nhiệm vụ điều khiển truy cập mạng.
Hình III-10. Các tầng LLC và MAC.
Chuẩn 802.2 ở mức con LLC tương đương với chuẩn HDLC của ISO hoặc X.25 của CCITT.
Chuẩn 802.3 xác định phương pháp truy cập mạng tức thời cĩ khả năng phát hiện lỗi chồng chéo thơng tin CSMA/CD. Phương pháp CSMA/CD được đưa ra từ năm 1993 nhắm mục đích nâng cao hiệu quả mạng. Theo chuẩn này các mức được ghép nối với nhau thơng qua các bộ ghép nối.
Chuẩn IEEE 802.3 dùng cho mạng Ethernet ( sử dụng giao thức truy nhập CSMA/CD) bao gồm cả hai phiên bản băng tần cơ bản và băng tần mở rộng.
Chuẩn IEEE 802.4 liên quan đến sự sắp xếp tuyến token, thực chất là phương pháp truy cập mạng theo kiểu phát tín hiệu thăm dị token qua các trạm và đưịng truyền bus.
Chuẩn IEEE 802.5 dùng cho mạng dạng vịng và trên cơ sở dùng tín hiệu thăm dị token. Mỗi trạm khi nhận được tín hiệu thăm dị token thì tiếp nhận token và bắt đầu quá trình truyền thơng tin dưới dạng các frame. Các frame cĩ cấu trúc tương tự như của chuẩn 802.4. Phương pháp truy cập mạng này quy định nhiều mức ưu tiên khác nhau cho tồn mạng và cho mỗi trạm, việc quy định này vừa do người thiết kế vừa do người sử dụng quy định.
Chuẩn IEEE 802.11 dùng cho mạng khơng dây (Wireless)
1. Chuẩn Ethernet
Đây là kỹ thuật mạng cục bộ thành cơng nhất những năm gần đây và sử dụng cơng nghệ CSMA/CD(Carrier Sence, Multiple Access With Collision Detect) Ethernet là một mạng đa truy xuất, các nút gửi và nhận khung qua một liên kết chia sẻ.Digital Equipment Corporation và Intel Corporation kết hợp với Xerox định nghĩa chuẩn Ethernet vào năm 1978. Chuẩn này sau đĩ được xây dựng thành
chuẩn 802.3 IEEE(chuẩn năm 1978 là con của chuẩn này). 802.3 xây dựng thêm nhiều chức năng mới. Gần đây, nĩ đã cĩ phiên bản 100 Mbps được gọi là Fast Ethernet và 1000 Mbps gọi là Giagabit Ethernet.
Hình III-11. Cấu trúc Ethernet dạng bus.
Thuật tốn kiểm sốt truy xuất đường truyền chia sẻ trong Ethernet gọi là Ethernet's Media Accsess Control. Nĩ đặc thù được thi hành trên phần cứng của card mạng.
Định dạng khung cơ bản:
Hình III-12. Định dạng khung Ethernet
• 64 bit Preamble (một chuỗi thay đổi giữa 0 và 1) cho phép máy nhận đồng bộ tín hiệu với máy gửi.
• Cả máy nguồn và máy đích đều cĩ 48 bit địa chỉ.
• Trường Type chứa khố để thực hiện phân kênh(ở các giao thức mức cao).
• Mỗi khung chứa tối đa 1500 byte và tối thiểu 46 byte dữ liệu (nếu thiếu các host phải đệm dữ liệu thêm vào trước khi truyền, lý do là khung phải đủ lớn để giúp phát hiện xung đột).
• FCS-Frame Check Sequence: Sử dụng 32 bit CRC kiểm tra lỗi. • Các khung trong Ethernet truyền theo kiểu Bit-Oriented.
• Ethernet cĩ 14 byte header.
• Card mạng tại các máy gữi sẽ gắn Preamble, CRC trước khi truyền và ngược lại, nĩ sẽ được loại bỏ tại card mạng của máy nhận.
Thuật tốn truyền
Ý tưởng:
Lúc một card giao tiếp mạng cĩ một khung để gởi và liên kết rãnh, nĩ truyền khung ngay lập tức, khơng cĩ sự điều đình với các card giao tiếp mạng khác. Giới hạn kích thước 1500 byte cĩ nghĩa rằng card giao tiếp mạng chỉ cĩ thể chiếm giữ đường dây trong một khoảng thời gian cố định.
Lúc một card giao tiếp mạng cĩ một khung để gởi và liên kết bận, nĩ đợi cho tới khi đường dây rãnh và truyền ngay lập tức khi liên kết trở nên rảnh. Chúng được gọi là giao thức 1-persistent vì một card giao tiếp mạng với 1 khung để gửi sẽ truyền với xác suất 1 bất kỳ lúc nào đường dây trở nên rãnh.
Tổng quát, thuật tốn truyền p-persistent với xác suất 0 <= p <=1 sau khi đường dây rãnh và khả năng trì hỗn với xác suất q = 1-p, lý do chọn p < 1 là do cĩ thể nhiều adapter đợi đường dây rãnh và chúng ta khơng muốn tất cả chúng cùng truyền một lúc. Nếu một adaptor truyền ngay với một xác suất 33%(giả sử) tức là 3 adapter đợi để truyền. Mặc dù với lý do trên, trong thực tế một adapter luơn truyền ngay lập tức sau khi liên kết rãnh và thật sự rất hiệu quả khi thực hiện cách này.
Nếu cả hai cùng truyền một lúc thì gọi là hiện tượng xung đột. Vì Ethernet hổ trợ phát hiện xung đột, nên mỗi máy gửi đều cĩ thể phát hiện xung đột trong quá trình truyền của mình, khi phát hiện xung đột nĩ đầu tiên truyền 32 bit jamming tuần tự và dừng việc truyền. Thật sự nĩ là 64 bit, 32 bit premble + 32 bit jamming
2. Token Ring
Cùng với Ethernet, Token Ring là một lớp quan trọng khác của mạng chia xẻ liên kết. Tuy nhiên, cĩ nhiều vấn đề khĩ khăn trong Token Ring hơn là trong Ethernet.
Trước đây Token Ring định nghĩa bởi chuẩn IBM's Token Ring. Gần đây 802.5 là chuẩn định nghĩa bởi IEEE. Nhưng hầu hết các nguyên tắc tổng quát của Token Ring đểu tương tự nhau giữa IBM và 802.5. Tuy nhiên chuẩn FDDI (Fiber Distributed Data Interface) là chuẩn mới nhất và nhanh nhất hiện nay.
Mạng Token Ring bao gồm một tập các nút nối trong một vịng. Dữ liệu luơn truyền theo hướng xác định vịng quanh vịng, mỗi nút nhận khung từ hàng xĩm trên của nĩ và gửi chúng xuống hàng xĩm bên dưới nĩ. Sơ đồ nối kết của Ring hồn tồn trái ngược với sơ đồ nối kết Ethernet. Các nút tham gia nối kết trong mạng Token Ring chia sẽ chung một đường truyền vật lý.
Token Ring chia sẽ hai đặc trưng của Ethernet:
• Yêu cầu một thuật tốn phân phối để điều khiển lúc một nút được phép truyền.
• Tất cả các nút trên vịng đều nhìn thấy các khung, mỗi nút xem xét địa chỉ trong header của khung và lưu lại một bảng sao của các khung khi các khung này đi qua nĩ.
Hình III-13.Mạng Token Ring
"Token" dùng để chỉ phương pháp truy xuất chia sẻ đường truyền. Nĩ thật sự chỉ là một chuỗi các bit đặc biệt, đi vịng quanh vịng. Mỗi nút trên vịng nhận và chuyển token. Khi một nút cĩ dữ liệu cần truyền nhìn thấy token, nĩ chộp lấy token và chèn một khung vào trong vịng. Các nút cịn lại trên vịng đơn giản chỉ chuyển khung này. Trước khi truyền dữ liệu các nút sẽ lưu trữ một bảng sao của khung sẽ truyền và sau đĩ sẽ chuyển khung này đến nút kế tiếp trong vịng. Lúc khung quay lại máy gửi, nút này nhận lại khung đĩ và trả lại token cho vịng.
Giao thức điều khiển truy xuất đường truyền(MAC protocol)
Card mạng cho một nút trong Token Ring chứa một receiver, một tranceiver, buffer.
Khi khơng cĩ trạm nào truyền dữ liệu token đi vịng quanh vịng. Do đĩ, mỗi nút trên vịng phải cĩ khả năng lưu trữ tồn bộ Token. Ví dụ token của 802.5 là 24 bit chiều dài.
Khi một token đi vịng quanh vịng, bất kỳ trạm nào cĩ dữ liệu đều cĩ thể chộp lấy token, giữ nĩ lại và bắt đầu gởi dữ liệu. Trong mạng 802.5, sự chộp lấy bằng cách chỉ thay đổi một bit trong byte thứ hai của token, 2 byte đầu tiên của
token được thay đổi bây giờ trở thành gĩi mang "lời chào hỏi". Khi một trạm cĩ token nĩ cĩ thể thực hiện gởi một hay nhiều gĩi.
Mỗi gĩi được truyền chứa địa chỉ của máy nhận. Mỗi nút cũng cĩ thể truyền gĩi theo multicast hay broadcast. Khi mỗi gĩi đi qua mỗi nút, mỗi nút xem xét địa chỉ bên trong gĩi. Nếu là gĩi truyền đến nĩ, trạm này sẽ chép một bản sao vào trong buffer của nĩ khi gĩi đi qua card mạng, nhưng khơng di chuyển gĩi này ra khỏi vịng. Máy gửi cĩ nhiệm vụ di chuyển gĩi ra khỏi vịng.
Một vấn đề cần giải quyết là bao nhiêu dữ liệu mà một nút được cho phép truyền mỗi lần nĩ cĩ token, thời gian này được gọi là THT(token holding time). Nếu chúng ta cho rằng hầu hết các nút khơng cĩ dữ liệu thì khơng hợp lý. THT được đặt cố định, nhưng thật vơ lý trong trường hợp một nút bị giới hạn gửi chỉ một thơng điệp và bắt buột phải đợi cho tới khi token đi quanh một vịng trước khi cĩ cơ hội truyền tiếp.
Cách dễ dàng là một nút cĩ thể gửi nhiều byte mỗi lần lúc nĩ token, điều này rất tốt khi nhận biết được trên vịng chỉ cĩ một nút cần gửi dữ liệu, nhưng khả năng này khơng làm việc tốt lúc nhiều nút cĩ dữ liệu gửi. Trong mạng 802.5 THT quy định là 10ms. Do đĩ các nút phải khéo léo khi sử dụng THT, trước khi đặt mỗi gĩi vào trong vịng, mỗi trạm phải kiểm tra khoảng thời gian dùng để truyền gĩi sẽ khơng vượt quá THT.
802.5 cung cấp một các thức thức truyền tin cậy, sử dụng 2 bit cuối gĩi, bit A và C được khởi tạo là 0. Lúc một trạm thấy một khung mà nĩ muốn nhận nĩ set bit A trong khung. Khi nĩ chép khung vào trong adaptor, nĩ set bit C, nếu máy gửi nhìn thấy khung quay trở lại với bit A vẫn là 0 thì nĩ sẽ biết khơng cĩ máy nhận. Nếu bit A được đặt nhưng bit C thì khơng lý do là máy nhận khơng chấp nhận khung
3. FDDI
FDDI (Fiber Distributed Data Interface) thì tương tự IBM và 802.5, tuy nhiên nĩ cĩ một số điểm khác nhau bởi vì nĩ chạy trên cáp quang và nĩ thực hiện một số cách tân.
Đặc điểm vật lý
Nĩ bao gồm một vịng đơi, hai vịng truyền dữ liệu theo hai hướng ngược nhau, vịng thứ hai sẽ khơng được sử dụng nhưng nĩ sẽ trở nên hoạt động nếu vịng sơ cấp bị hỏng. Mạng FDDI vẫn hoạt động khi một đường cáp hay một trạm bị hỏng.
Bởi vì sự phí tổn của cấu hình vịng đơi. FDDI cho phép nút gắn vào mạng chỉ bởi một cáp đơn. Nĩ được gọi single attachment stations(SAS), kết nối đơi được gọi là Dual Attachment Stations.
Hình III-14. Mơ hình mạng FDDI
Một thiết bị tập trung được sử dụng để gắn SAS vào vịng(sử dụng hai đường cáp đơn).
FDDI là một mạng 100 Mbps. Giới hạn chuẩn 500 station.
Giới hạn chuẩn khoảng các là 2km giữa bất kỳ 2 trạm nào.
Tồn bộ mạng giới hạn 200 km của cáp quang, do vịng đơi nên nĩ tổng cộng chiếu dài chỉ là 100km.
Nĩ cĩ thể chạy qua các mơi trường vật lý khác nhau như cáp đồng trục hay cáp xoắn đơi.
FDDI sử dụng mã hố 4B/5B.
Thuật tốn Time-Token
THT của mỗi nút được xác định trước và gán ở một giá trị cố định. Thêm vào đĩ, để đảm bảo mỗi nút cĩ cơ hội truyền trong một khoảng thời gian nào đĩ, ta đặt giới hạn trên của TRT(token ratation time) cho tất cả nút, gọi là target TRT và tất cả các nút đều chấp nhận thời gian TTRT này. Mỗi nút đo thời gian bởi sự di chuyển thành cơng của token. Ta goị là "Measured TRT".
If mesured-TRT > TTRT: token đến trễ và nút khơng truyền dữ liệu.