Công nghệ ethernet

1.2.4.1 Giới thiệu chung

Vào năm 1995, khi việc khởi xƣớng đƣợc bắt đầu, ATM có hy vọng để trỡ thành công nghệ thịnh hành và phổ biến trong các hệ thống mạng. LAN , MAN và mạng đƣờng trục (backbone). Do một số thiếu sót của ATM nhƣ: việc làm hƣ hỏng và sai lệch của các cell ATM sẽ làm mất hiệu lực hoàn toàn khung IP.cộng với yếu tố quan trọng nhất là ATM không thể đạt đƣợc một công nghệ chi phí thấp nhƣ mong muốn ( các chuyển mạch ATM và card là khá đắt.)

29

Cũng tại thời gian đó, công nghệ Ethernet đã ra đời và ngay lập tức đáp ứng đƣợc nhu cầu ngày càng tăng cho các mạng chuyển mạch gói. Do chi phí thấp, cài đặt và bảo trì tƣơng đối đơn giản, nên Ethernet ngày càng đƣợc sử dụng nhiều trong các hệ thống mạng. Kỹ thuật QoS đƣợc chấp nhận mới đã làm cho mạng Ethernet có khả năng cung cấp thoại, data và video. Kỹ thuật này bao gồm mô hình truyền dẫn song công và sự ƣu tiên (802.1p). Ethernet là công nghệ với chi phí thấp, phổ biến và phù hợp với nhiều thiết bị cũ khác nhau.Bên cạnh đó Ethernet đã thích ứng để xử lý nhiều tốc độ nhanh hơn cũng nhƣ những yêu cầu về dung lƣợng đi kèm theo chúng

1.2.4.2 Kiến trúc mô hình mạng Ethernet

Mạng LAN có nhiều mô hình kiến trúc khác nhau, nhƣng bất chấp sự rắc rối và kích cở của nó, tất cả đều kết hợp từ ba kiến trúc kết nối cơ bản:

1.2.4.3 Topo Bus

Các máy tính giao tiếp bằng cách gửi thông điệp ở dạng tín hiệu điện tử lên cáp. tuy nhiên thông tin chỉ đƣợc maý tính có địa chỉ khớp với địa chỉ mã hoá trong tín hiệu gốc chấp nhận. Mỗi lần chỉ có một máy tính có thể gửi thông điệp. Hiệu xuất thi hành của mạng sẽ giảm đi khi số lƣợng máy tính trên Bus tăng lên. Đâu là topo mạng thụ động, các máy tính trên Bus chỉ lắng nghe tín hiệu truyền trên mạng, không chịu trách nhiệm chuyển dữ liệu từ máy tính này sang máy tính kế tiếp.

Tín hiệu đƣợc gửi lên toàn mạng sẽ đi từ đầu cáp này tới đầu cáp kia và có thể dẫn tới việc bị dội (bouncing) tới lui trong dây cáp, ngăn không cho máy tính khác gửi dữ liệu. Nhằm nhăn không cho tín hiệu dội ngƣời ta đặt điện trở cuối(terminator) ở cuối mỗi đầu cáp và cho phép các máy tính khác gửi tín hiệu

Một khi cáp bị đứt, sẽ có đầu cáp không đƣợc nối với điện trở cuối, tín hiệu sẽ dội và toàn bộ mạng ngƣng hoạt động (các máy tính hoạt động nhƣ những máy độc lập).

Cáp mạng Bus có thể đƣợc nối bằng bộ trục tròn (barral conector) hay sử dụng bộ chuyển tiếp. Trong trƣờng hợp thứ nhất bộ nối sẽ làm cho tín hiệu bị suy yếu đi, còn trong trƣờng hợp thứ hai bộ chuyển tiếp sẽ khuyếch đại tín hiệu trƣớc khi gửi đi do đó sẽ đƣợc kéo đi xa hơn mà vẫn đảm bảo tính chuẩn xác.

30

Hình 1.13: Topo dạng bus Ƣu diểm

- Sử dụng cáp nối hiệu quả

- Lƣu lƣợng lớn dễ gây tắc mạng - Cáp không đắt và dễ làm việc Nhƣợc điểm

- Khó xác đinh lỗi

- Hệ thống đơn giản tin cậy

- Đứt cáp gây ảnh hƣởng đến nhiều ngƣời - Dễ dàng mở rộng mạng

1.2.4.4 Topo Star

Trong mạng Star tín hiệu đƣợc truyền từ máy tính gửi dữ liệu qua Hub (active hay passive) để đến tất cả máy tính trên mạng. Mạng Star cung cấp tài nguyên và chế độ quản lý tập trung. Khi một máy tính hay đoạn dây nối đến nó bị hỏng các máy tính khác trên mạng vẫn hoạt động bình thƣờng. Tuy nhiên khi Hub trung tâm bị hỏng toàn bộ mạng sẽ không làm việc.

31

Hình 1.14: Topo dạng sao

Ƣu diểm

- Thay đổi hệ thống và thêm thiết bị dễ dàng - Có thể giám sát và quản ký tập trung

- Không ảnh hƣởng khi một máy tính trong mạng bị hỏng - Hoạt động mạng không bị ảnh hƣởng khi cấu hình lại mạng Nhƣợc điểm

- Toàn bộ mạng bị hỏng khi thiết bị trung tâm bị hỏng

1.2.4.5 Topo Ring

Trong mạng Ring tín hiệu truyền đi theo một chiều và qua từng máy tính. Mỗi máy tính đóng vai trò nhƣ một bộ chuyển tiếp, khuyếch đại tín hiệu và gửi nó đên máy tính tiếp theo. Do đó tín hiêu qua từng nay nên sự hỏng hóc của một máy có thể ảnh hƣởng đến toàn mạng.

Một phƣơng pháp truyền dữ liệu quanh mạng là chuyển thể bài(Token passing). Thẻ bài chạy vòng trên mạng cho đến khi tới đƣợc máy tính muốn gửi dữ liệu. Máy tính đầu gửi sẽ sửa thẻ bài, đƣa địa chỉ điện tử lên dữ liệu và gửi đi quanh mạng. Dữ liệu chuyển qua từng máy tính cho đến khi tìm thấy đƣợc máy có địa chỉ khớp với địa chỉ trên đó. Máy tính đầu nhận gửi trả một thông điệp tới máy đầu gửi cho biết dữ liệu dã đựơc nhận. Sau khi xác minh máy đầu gửi tạo thẻ bài mới và thả lên mạng.

32

Hình 1.15: Topo dạng ring

Ƣu diểm

- Quyền truy cập nhƣ nhau cho mọi ngƣời trên mạng. - Một máy tính hỏng ảnh hƣởng đến toàn mạng.

- Hiệu năng mạng ổn định ngay cả khi có nhiều ngƣời dùng. Nhƣợc điểm

- Phải ngừng lại hoạt động khi cấu hình lại mạng. - Khó xác định vị trí lỗi.

1.2.4.6 Cấu trúc khung – quá trình truyền dữ liệu trong mạng ethernet

 Cấu trúc khung

Cấu trúc khung ethernet 802.3 gồm một số trƣờng đơn giản nhƣ sau :

Hình 1.16: Cấu trúc khung ethernet

Mỗi trƣờng trong khung ethernet có tác dụng khác nhau, chức năng của mỗi trƣờng nhƣ sau :

- 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 phƣơng tiện để đồng bộ mức thu nhận khung của lớp vật lý bên nhận với luồng bit đến.

33

- DA (Destination Address): trƣờng 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) đƣợc 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: trƣờng SA xác định trạm nguồn (trạm gửi).Trƣờng SA luôn là địa chỉ duy nhất và bit đầu tiên bên trái luôn ở mức 0.

- Length/Type 4byte: Trƣờng này chỉ định số byte dữ liệu của lớp con MAC-Client mà đƣợc chứa trong trƣờng dữ liệu của khung hoặc kiểu ID khung nếu khung đƣợc tập hợp sử dụng một dạng khung lựa chọn. Nếu giá trị của trƣờng Length/Type ít hơn hoặc bằng 1500, số byte của LLC trong trƣờng dữ liệu bằng giá trị của trƣờng Length/Type. Nếu lớn hơn 1536, khung này là một kiểu khung lựa chọn và giá trị của trƣờng Length/Type chỉ định kiểu của khung sẽ đƣợc gửi và nhận.

- Data: Là sự nối tiếp của n byte giá trị bất kỳ với khoảng 1500 byte. Nếu chiều dài của trƣờng dữ liệu nhỏ hơn 46, trƣờng dữ liệu phải đƣợc mở rộng bằng cách thêm một filler thích hợp để mang trƣờng dữ liệu dài 46 byte.

- FCS(Frame Check Sequence): 4 byte: trƣờng này chứa một giá trị 32 bit kiểm tra độ dƣ vòng đƣợc tạo bởi lớp MAC bên gửi và đƣợc tính toán lại ở lớp MAC bên thu để kiểm tra độ hƣ hại của khung. FCS đƣợc phát trên các trƣờng DA,SA, Length/Type và Data

 Quá trình truyền khung dữ liệu

Bất cứ khi nào, một trạm 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 đƣợc chèn vào trƣờng PRE và SOF. - Địa chỉ nguồn và đích đƣợc chèn vào trƣờng địa chỉ.

- Số byte dữ liệu LLC đƣợc tính và chèn vào trƣờng Length/Type.

- Số byte dữ liệu LLC đƣợc chèn vào trƣờng dữ liệu. Nếu lƣợng byte dữ liệu LLC nhỏ hơn 46 thì phải đệm thêm để trƣờng dữ liệu dài 46 byte.

- Một giá trị FCS đƣợc phát trên trƣờng DA, SA, Length/Type, data và đƣợc gán vào phần sau của trƣờng dữ liệu.

Sau khi khung đƣợc tập hợp, quá trình truyền phụ thuộc vào lớp MAC hoạt động ở chế độ đơn công hay song công.

34

 Giao thức điều khiển truy cập CSMA/CD trong chế độ truyền đơn công

CSMA/CD là phƣơng thức để hai hay nhiều trạm có thể chia sẻ chung một môi trƣờng truyền có xảy ra xung đột. Các bƣớc xử lí của các thiết bị trong trƣờng hợp xảy ra xung đột nhƣ sau:

- Mỗi trạm liên tục lắng nghe lƣu lƣợng trên cáp để xác định khi nào khoảng trống giữa các khung truyền xảy ra.

- Các trạm có thể bắt đầu truyền bất cứ lúc nào nó dò thấy mạng rỗi.

- 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 trƣớc khi nó hoàn thành việc gửi dữ liệu. Thiết bị phải ngƣng truyền ngay khi phát hiện xung đột và đợi một khoảng thời gian ngẫu nhiên sau đó sẽ thử truyền lại.

Đây là phƣơng thức truyền đƣợc sử dụng khi các thiết bị truyền ở ché độ đơn công

 Truyền song công

Truyền song công phép truyền đồng thời theo hai hƣớng thông qua kết nối điểm điểm. Về mặt chức năng truyền song công đơn giản hơn truyền đơn công bởi vì nó không tranh chấp trên phƣơng tiện truyền và không xảy ra xung đột. Kết quả là không những thời gian cho việc truyền tải dữ liệu sẽ lớn hơn mà còn gấp đôi hiệu quả băng thông vì mỗi đƣờng có thể hổ trợ tốc độ cao nhất và truyền đồng thời theo hai hƣớng.

 Kết chƣơng : Chƣơng 1 đã trình bày tổng quan về hệ thống mạng truy cập, qua đó đã mô tả cái nhìn khái quát chung về hệ thống và kiến trúc cơ bản của nó. Đặc biệt phần công nghệ Ethernet đƣợc trình bày tƣơng đối kĩ, đó là tiền đề cho việc nghiên cứu, tìm hiểu sự phát triển và là nền tảng của công nghệ EPON sẽ trình bày ở chƣơng tới.

35

CHƢƠNG 2: CÔNG NGHỆ MẠNG QUANG THỤ ĐỘNG ETHERNET (EPON)

2.1 Cáp quang

Cáp quang đƣợc đánh giá là môi trƣờng truyền thông tin cậy do không bị ảnh hƣởng của nhiễu điện từ. Cáp quang cho phép tín hiệu truyền trên một khoảng cách rất lớn với suy hao nhỏ, tín hiệu có thể truyền đi hàng trăm km mà không cần khuyếch đại. Cáp quang rất thích hợp cho việc mang thông tin với dung lƣợng lớn. Một bó cáp đơn có băng thông lên tới 50THz .

2.1.1 Sự truyền sáng trong cáp quang

Cáp quang là một nhỏ hoạt động giống nhƣ một ống dẫn sóng. Một sợi cáp quang bao hồm hai lớp, lớp bên trong hay còn gọi là lớp lõi, lớp bên ngoài bao bọc lõi gọi là vỏ. Triết suất các lớp đều đƣợc tính so dựa trên tốc độ ánh sáng truyền trong môi trƣờng vật chất tạo nên cáp quang, hay triết suất n=cvacuum/cglass. Hai lớp của cáp quang đƣợc chế tạo với hệ số khúc sạ khác nhau với triết suất ncore > nclad. Khi ánh sáng truyền từ lớp lõi và đạt tới biên giữa lõi và vỏ ta có góc θcore, ánh sáng tiếu tục truyền tới lớp vỏ tạo ra góc θclad. Mối quan hệ giữa các góc đƣợc cho bởi công thức :

nclad sinθclad = ncoresinθcore. (2.1)

Hình 2.1: Hiện tƣợng phản xạ trong cáp quang

Hiện tƣợng phản xạ trong toàn phần sẽ xuất hiện khi θclad > π/2. Theo công thức (2.1) ta có thể dễ dàng suy ra góc tới θcore :

θcore > sin-1(nclad / ncore) (2.2)

Kết quả giá trị nhỏ nhất của θcore của hiện tƣợng phản xạ trong toàn phần đƣợc gọi là góc quyết. Chỉ số bƣớc quang đƣợc đặc trƣng bởi góc này.

36

Do hiện tƣợng phản xạ toàn phần này, ánh sáng truyền trong cáp quang suy giảm rất ít, tín hiện suy giảm trong cáp quang chỉ khoảng 0.45 dB/km với bƣớc sóng 1270 nm đến 1370 nm và chỉ khoảng 0.2dB/km với bƣớc sóng 1430 nm đến 1610 nm.

Trong cáp quang một phần ánh sáng truyền trong lõi, phần khác truyền ở lớp vỏ. Các nhà sản xuất quang đƣa ra một tham số đặc biết khác thay cho chiết suất ncore và nclad gọi là chỉ số khúc xạ hiệu dụng neff (nclad< neff<ncore) , ngoài ra một tham số khác cũng đƣợc quan tâm là chỉ số khúc xạ sai khác Δ = (ncore – nclad)/nclad

2.1.2 Sợi quang đơn mode và đa mode

Hiện tƣợng phản xạ trong có thể xuất hiện tại bất kì góc nào lớn hơn góc quyết tuy nhiên ánh sáng không nhất thiết phải truyền tại tất cả các góc để giảm nhiễu giữa ánh sáng tới và phản xạ. Các góc tại đó ánh sáng truyền gọi là mode của cáp quang.

Hiện tại có hai kiểu cáp quang tồn tại đó là đơn mode và đa mode. Giống nhƣ tên gọi của nó cáp quang đa mode cho phép ánh sáng truyền trong nhiều mode khác nhau, ngƣợc lại cáp đơn mode chỉ cho phép truyền trên một mode, mode đó gọi là mode cơ bản. Các sợi cáp quang đa mode có đƣờng kính core nhỏ hơn so với sợi đa mode.

Số mode m cáp quang đa mode hỗ trợ đƣợc phụ thuộc vào đƣờng kính lõi và bƣớc sóng λ và đƣợc cho bởi công thức :

m ≈ (π2

d2 )(n2core-n2clad) / (2λ2

) (2.3)

Công thức 2.3 là công thức xấp xỉ chỉ phù hợp trong trƣờng hợp đƣờng kính lõi cáp quang lớn hơn nhiều so với bƣớc sóng của tín hiệu. Cáp sẽ trở thành đơn mode nếu chỉ số bƣớc của nó nhỏ hơn đƣờng kính DSMF .

DSMF ≈ 2Δ n π 2.405 eff λ (2.4)

Trong công thức 2.4 ta tính toán đƣợc bƣớc sóng λcutoff tại đó nếu với bất kì với một ánh sáng có bƣớc sóng λ > λcutoff , sợi quang sẽ chỉ đƣợc phép truyền ở chế độ đơn mode.

Nhƣ đã đề cập ở phần trên sợi quan sử dụng hai vùng bƣớc sóng : Dải từ 1270 đến 1370 nm và 1430 đến 1610 nm. Hệ số λcutoff của bƣớc sóng sẽ nằm dƣới bƣớc sóng thấp nhất có thể sử dụng , nó khoảng 1260nm

37

Với các chuẩn đơn mode hiện nay hệ số neff ≈ 1.467 và Δ≈0.3. Thay thế giá trị λcutoff = 1260 nm vào (2.4) ta có thể tính toán đƣờng kính tối đa của cáp đơn mode trong các dải sử dụng, khi đó DSMF ≈ 8.5 μm.

Hình 2.2: Sợi quang đa mode và đơn mode

2.1.3 Phƣơng thức tán sắc

Độ tán sắc là sự mở rộng xung truyền ở chế độ đa mode với các vận tốc truyền khác nhau. Nó liên quan đến góc quyết, khi đó thời gian truyền chậm nhất qua một sợi quang có chiều dài L là : Tslow = L.n2

core / c.nclad. Thời gian truyền nhanh nhất là : Tfast= L.ncore/c.

Xung mở rộng – sự khác nhau giữ Tslow và Tfast phụ thuộc vào khoảng cách truyền. Nếu xung mở rộng vƣợt quá một nửa chu kì bít thì các bit liền kề sẽ bắt đầu bị nhiễu. Khoảng cách tối đa đƣợc đƣa ra với tốc độ bit R đƣợc cho bởi công thức :

L <  eff n 2R c (2.5)

38

Nếu sử dụng chỉ số phân loại cáp quang ta có thể tính toán khoảng cách L theo công thức: L < 4 2  eff n R c (2.6)

Trong chế độ đa mode, sự khác nhau giữa chỉ số khúc xạ của lõi và vỏ lớn hơn so với chế độ đơn mode Δ ≈ 1.5%. Giá trị chỉ số nhóm khúc xạ hiệu dụng neff ≈ 1.48. Sử dụng công thức 2.5 ta có thể thực hiện tính toán khoảng cách cáp tối đa đối với các tốc độ bit khác nhau. Ví dụ 1 liên kết 1 Gbps có tốc độ thực tế 1.25Gbps có thể đƣợc hỗ trợ trên một khoảng cách không vƣợt quá 5.5m. Sử dụng