Hình 2.1 cho thấy mô hình logic của Ethernet và quan hệ của nó với mô hình tham chiếu OSI.
Hình 2.1: Quan hệ mô hình OSI và Ethernet
Trong mối quan hệ này, tầng liên kết dữ liệu của mô hình OSI tương ứng với 2 tầng con của Ethernet là MAC và MAC-Client, tầng vật lý của Ethernet tương ứng với tầng vật lý của mô hình OSI.
Tầng con MAC-Client có thể là một trong hai tầng :
Điều khiển liên kết logic ( LLC – Logical link control ), nếu nút là DTE tầng con này cung cấp giao diện giữa tầng con MAC của Ehternet và các tầng cao hơn trong chồng giao thức của nút.
Thực thể cầu nối ( Bridge entity ), nếu nút là DCE tầng con này cung cấp các giao diện LAN – LAN giữa các mạng LAN ( cùng hoặc khác giao thức, ví dụ như ehternet – ethernet hoặc ethernet – token ring ).
Tầng con MAC có nhiệm vụ :
Đóng gói dữ liệu, bao gồm đóng khung dữ liệu, phân tích khung, phát hiện lỗi ...
Điều khiển truy nhập phương tiện, bao gồm khởi tạo quá trình truyền khung, khôi phục nếu gặp sự cố truyền dẫn.
Cấu trúc khung Ethernet :
Chuẩn Ethernet định nghĩa cấu trúc khung cơ bản cho các hoạt động ở tầng MAC cùng với một số lựa chọn mở rộng, bao gồm 7 trường hợp sau :
GVHD: TS. Nguyễn Cảnh Minh HVTH: Nguyễn Duy Tâm
P R
S F
D A
S A
Lengt h/Typ
D a
P A
F C Vùng tính FCS
Vùng phát hiện lỗi FCS Thứ tự truyền dẫn : từ trái sang phải, theo
chuỗi bit
Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật Trang Lớp Kỹ Thuật Điện Tử K19
Hình 2.2 : Cấu trúc khung Ethernet
PRE ( Preamable ) : gồm 7 bytes, là một chuỗi các bit 0 và 1 để đánh dấu điểm đầu khung và đồng bộ khung.
SOF ( Start - Of - Frame Delimiter ) : gồm 1 byte, là một chuỗi các bit 0 và 1, kết thúc bằng 2 bit 1 liên tục, cho biết bit tiếp theo là bit ngoài cùng bên trái trong byte ngoài cùng bên trái của trường địa chỉ.
DA/SA ( Destination Address/Soure Address ) : Địa chỉ đích và địa chỉ nguồn. Mỗi trường có độ rộng 6 byte.
Length/Type : Gồm 2 byte, nếu giá trị này lớn hớn hoặc bằng 1500 thì đó là số byte dữ liệu trong phần data. Nếu giá trị đó lớn hơn 1536 thì nó là một giá trị cho biết kiểu của khung.
Data : Chứa dữ liệu khung ( ≤ 1500 bytes ). Nếu số byte dữ liệu nhỏ hơn 46, một phần bù sẽ được thêm vào để kích thích tăng lên thành 46 bytes.
FCS ( Frame check sequence ) : Gồm 4 bytes, trường này chứa một mã kiểm tra lỗi CRC được tạo bởi bên gởi. Giá trị này được tính lại bởi bên nhận và khớp với giá trị trên xem các khung có bị lỗi trong quá trình truyền hay không. Giá trị này được tạo ra bởi các trường DA, SA, Length/Type và Data.
Quá trình truyền khung
Khi tầng con MAC của một trạm cuối nhận được yêu cầu truyền khung cùng với các thông tin về địa chỉ và dữ liệu cần truyền từ tầng con LLC, tầng cong MAC bắt đầu quá trình truyền bằng cách chuyển đổi các thông tin từ LLC vào vùng đệm khung MAC.
Giá trị của các trường PRE và SOF được chèn vào vị trí tương ứng.
12
E D e t
a
D S
Địa chỉ đích và nguồn được đưa vào các trường DA, SA.
Số byte dữ liệu LLC được tính toán và đưa vào trường Length/Type.
Dữ liệu LLC được chèn vào trường Data, nếu số byte dữ liệu nhỏ hơn 46, phần bù được thêm vào để số byte thành 46.
Giá trị kiểm tra lỗi CRC được tính toán dựa trên các trường DA, SA, Length/Type, Data và được chèn vào trường FCS ngay sau trường Data.
Sau khi khung được đóng gói, nó sẽ được truyền đi theo phương thức như đã nói ở phần trước ( thường là sử dụng phương pháp truy nhập đường truyền CSMA/CD ).
Quá trình nhận khung :
Hình 2.3: Kết nối giữa 2 trạm trong mạng 10Base-T
10Base-T là phiên bản đầu tiên của Ethernet và đến nay có thể coi đã lỗi thời. Tuy nhiên, trong các tài liệu về Ethernet đều nhắc đến chuẩn này vì nó là nền tảng cho các phiên bản tiếp theo.
Fast Ethernet- 100 Mbps
Tốc độ của 10Mbps của 10Base-T không đáp ứng được các yêu cầu cảu truyền dữ liệu tốc độ cáo. Fast Ethernet ra đời nhằm giải quyết vấn đền này. Fast
Ethernet bao gồm một số chuẩn riêng biệt tại tầng vật lý, trong đó có một số chuẩn đáng chú ý bao gồm : 100Base-Tx, 100Base-T4 và 100Base-FX.
100Base-TX là chuẩn thông dụng nhất của Fast Ehternet, hoạt động trên 2 đôi dây của cáp xoắn đôi CAT5. Phân đoạn mạng của 100Base-TX có độ dài tối đa là 100m. Để tạo thành một mạng LAN 100Base-TX, các trạm cuối ( máy tính, máy in,...) sẽ được nối với các switch hoặc hub để tạo thành một mạng hình sao. Ngoài ra, hai trạm cũng có thể kế nối trực tiếp thông qua mạng cáp chéo.
100Base-T4 là chuẩn hơn so với 100Base-TX. Chuẩn này sử dụng cả 4 đôi cáp đồng trục, tuy nhiên chỉ cần loại CAT3 là đủ, không yêu cầu CAT5 như 100Base-TX. Điều này cho phép các mạng 10Base-T có thể nâng cấp lên thành 100Base-T mà không cần phải thay cáp xoắn đôi CAT3 bằng CAT5.
100Base-FX là chuẩn của Fast Ethernet chạy trên đôi cáp quang, phân đoạn FX có độ dài tối đa lên tới 400m.
Gigabit Ethernet
Công nghệ Ethernet đã được xây dựng và chuẩn hoá để thực hiện các chức năng mạng lớp đường dữ liệu và lớp vật lý. Công nghệ này hỗ trợ cung cấp rất tốt các dịch vụ kết nối điểm - điểm với cấu trúc tô-pô mạng phổ biến theo kiểu ring và hub and spoke. Với cấu hình hub and spoke, trong các mạng cơ quan, khu văn phòng thường triển khai các nút mạng là các thiết bị Switch và các thiết bị Hub. Nút mạng đóng vai trò là cổng (gateway) kết nối kép (dual home) với nút mạng thực hiện chức năng POP (Point Of Present) của nhà cung cấp dịch vụ để tạo nên cấu trúc mạng. Cách tổ chức mạng này xét về khía cạnh kinh tế là tương đối đắt, bù lại mạng có độ duy trì mạng cao và có khá năng mở rộng, nâng cấp dung lượng.
Hình 2.4 : Truyền tài Gigabit Ethernet theo cấu trúc Ring
Mạng tổ chức theo cấu trúc tô-pô ring được áp dụng nhiều vì có tính hiệu quả về mặt tiết kiệm chi phí đầu tư xây dựng mạng ban đầu. Tuy nhiên, một trong những yếu điểm của cấu trúc mạng kiểu này là không hiệu quả khi triển khai thuật toán định tuyến phân đoạn hình cây (spanning-tree-algorithm); là một trong những thuật toán định tuyến quan trọng áp dụng trong mạng Ethernet do những hạn chế của cơ chế bảo vệ và dung lượng băng thông hữu hạn của vòng ring. Cụ thế là thuật toán định tuyến phân đoạn hình cây trong nhiều trường hợp sẽ thực hiện chặn một vài phân đoạn tuyến trong ring, điều này sẽ làm giảm dung lượng băng thông làm việc của vòng ring. Một điểm nữa là thuật toán định tuyến phân đoạn hình cây có thời gian hội tụ dài hơn nhiều so với thời gian hồi phục đối với cơ chế bảo vệ của vòng ring (tiêu chuẩn là 50 ms).
Gigabit Ethernet là bước phát triển tiếp theo của công nghệ Ethernet, một công nghệ mạng đã được áp dụng phô biến cho mạng cục bộ LAN (Local Area Network) hơn hai thập kỷ qua. Ngoài đặc điếm công nghệ Ethernet truyền thống, công nghệ Gigabit Ethernet phát triển và bổ sung rất nhiều các chức năng và các tiện ích mới nhằm đáp ứng yêu cầu đa dạng về loại hình dịch vụ, tốc độ truyền tải, phương tiện
truyền dẫn. Hiện tại các giao thức Gigabit Ethernet đã được chuẩn hoá trong các tiêu chuẩn IEEE 802.3z, 802.3ae,802.1 w. Gigabit Ethernet cung cấp các kết nối có tốc độ 100 Mbit/s, lGbit/s hoặc vài chục Gbit/s và hỗ trợ rất nhiều các tiện ích truyền dẫn vật lý khác nhau như cáp đồng, cáp quang với phương thức truyền tải đơn công (half-duplex) hoặc song công (full-duplex). Công nghệ Gigabit Ethernet hỗ trợ triển khai nhiều loại hình dịch vụ khác nhau cho nhu cầu kết nối kết nối điểm - điểm, điểm - đa điểm, kết nối đa điểm... điển hình là các dịch vụ đường kết nối Ethernet ELS (Ethernet Line Service), dịch vụ chuyển tiếp Ethernet ERS (Ethernet Relay Service), dịch vụ kết nối đa điểm Ethernet EMS (Ethernet Multipoint Service). Một trong những ứng dụng quan trọng tập hợp chức năng của nhiều loại hình dịch vụ kết nối là dịch vụ mạng LAN ảo VLAN (virtual LAN), dịch vụ này cho phép các cơ quan, doanh nghiệp, các tổ chức kết nối mạng từ ở các phạm vi địa lý tách rời thành một mạng thống nhất.
Thông thường sử dụng Ethernet trong mạng MAN-E là :
• Ethernet 1 Gigabit
Bao gồm 2 chuẩn 1000Base-T và 1000Base-X.
1000Base-T sử dụng cả 4 đôi cáp xoắn đôi CAT5, khoảng cách phân đoạn tối đa 100m, mạng này thực hiện truyền dẫn song cong trực tiếp 2 chiều trên cả 4 đôi, đo đó tốc độ có thể lên đến 1000Mbps.
1000Base-X là chuẩn sử dụng cáp quang ( hoặc cáp đồng STP ), chuẩn này gồm có 3 chuẩn nhỏ là 1000Base-SX, 1000Base-LX và 1000Base-CX.
1000Base-SX sử dụng cáp quang, khoảng cách tối đa 220m đến 500m tùy thuộc loại cáp. 1000Base-LX cũng sử dụng cáp quang với khoảng cách có thể lên tới 2Km. 1000Base-CX là chuẩn chạy trên cáp STP, có khoảng cách tối đa 25m.
• Ethernet 10 Gigabit :
Chuẩn Ethernet 10Gigabit mở rộng các giao thức chuẩn IEEE 802.3ae*
lên tới tốc độ đường truyền là 10 Gbps và mở rộng phạm vi ứng dụng của Ethernet như gồm cả các liên kết tương thích WAN. Chuẩn Ethernet 10Gb cho phép tăng
băng thông đáng kể trong khi vẫn duy trì khả năng tương thích tối ưu với nền tảng đã được cài đặt với các giao diện chuẩn IEEE 802.3.
Dưới mô hình OSI, Ethernet 10Gigabit vẫn giữ cấu trúc cơ bản bao gồm giao thức MAC, định dạng khung ethernet, kích thước tối thiểu và kích thước tối đa của khung. Đúng như Ethernet Gigabit 1000Base-T và 1000Base-X tiếp nối mô hình Ethernet chuẩn, Ethernet 10 Gigabit tiếp tục cuộc cách mạng Ethernet về mặt tốc độ và khoảng cách, trong khi vẫn giữ lại kiến trúc Ethernet đã được sử dụng trong các đặc tả Ethernet khác. Từ khi Gigabit Ethernet ra đời là công nghệ chỉ chạy Full Duplex, nó không cần đến giao thức CSMA/CD được sử dụng trong những công nghệ Ethernet trước đó.