Giáo trình Mạng máy tính - Chương 10: Lớp liên kết dữ liệu - Nguyễn Hồng Sơn

1Chương 10 LỚP LIÊN KẾT DỮ LIỆU TS Nguyễn Hồng Sơn Bộ môn Mạng máy tính & TSL PTITHCM 2NỘI DUNG
Sơ lược về lớp liên kết dữ liệu
Điều khiển truy nhập đường truyền
Mạng cục bộ và Ethernet
ARP và RARP
Các thiết bị nối mạng LAN
Khái niệm bandwidth domain và broadcast domain
STP 3TỔNG QUAN VỀ LỚP LIÊN KẾT DỮ LIỆU
Truyền dữ liệu giữa hai nút nối trực tiếp 4 5Các hoạt động trong lớp 2 (1/3) 6Các hoạt động trong lớp 2 (2/3)
Framing:
Bên máy truyền: encapsulation
Bên máy nhận: decapsulation
Addressing: Đánh địa chỉ theo lược đồ, xác định địa chỉ nguồn và địa chỉ đích 7Các hoạt động trong lớp 2 (3/3)
Điều khiển truy nhập đường truyền
Nếu là mạng đa truy nhập, cần có cơ chế điều khiển việc truy nhập đường truyền
Kiểm soát lỗi:
Phát hiện và sửa lỗi
Các phương pháp như parity bit, checksum, RC check 8ĐIỀU KHIỂN TRUY NHẬP ĐƯỜNG TRUYỀN
Các dạng liên kết
Point-to-point: ADSL, Leased line...
Broadcast: LAN truyền thống dạng bus hay sao, WLAN, HFC(hybrid fiber coaxial)...
Các môi trường quảng bá cần điều khiển truy nhập để tránh xung đột 9Phân loại các cơ chế điều khiển đa truy nhập
Phân kênh:
Phân chia tài nguyên đường truyền thành nhiều phần nhỏ (Thời gian-TDMA, Tần số-FDMA, Mã-CDMA)
Gán mỗi phần nhỏ cho mỗi nút
Ngẫu nhiên
Cho phép truy nhập một cách ngẫu nhiên, chấp nhận có thể xảy ra xung đột, có cơ chế phát hiện và tránh xung đột
Ví dụ Pure Aloha, Slotted Aloha, CSMA/CD, CSMA/CA...
Lấy lượt:
Dùng thẻ điều khiển (token)
Ví dụ Token Ring, Token Bus 10 Các phương pháp phân kênh 11 CSMA/CD
Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection: đa truy nhập cảm nhận sóng mang với phát hiện xung đột
Ví dụ một cuộc họp
Một người muốn nói, khi nào nói?
Trong khi nói cũng có thể nghe được người khác nói chen vào 12 CSMA/CD
Các máy lắng nghe trước khi truyền:
Nếu kênh trống thì truy nhập để truyền
Nếu kênh bận thì chờ
Nguyên nhân có xung đột: độ trễ 13 Xung đột trong CSMA
Giả sử kênh truyền có 4 nút
Tín hiệu điện từ lan truyền từ nút này sang nút kác mất một khoảng thời gian nhất định
Giải quyết xung đột bằng thuật toán vãn hồi (back off), sẽ đề cập chi tiết ở phần sau. 14 Phát hiện xung đột
Khi quát hiện xung đột node dừng truyền frame, truyền mẫu 32bit jam.
Sau Tp B phát hiện xung đột
Sau 2Tp A phát hiễn xung đột
Chuyển sang backoff 15 Giải thuật backoff 16 So sánh phương pháp phân kênh và ngẫu nhiên
Phân kênh:
Hiệu quả, công bằng cho đường truyền với lưu lượng lớn
Lãng phí nếu cấp kênh cho nút có lưu lượng nhỏ
Truy nhập ngẫu nhiên
Hiệu quả khi tải nhỏ
Khi tải lớn xung đột sẽ gia tăng
Phương pháp lấy lượt sẽ dung hòa cả hai phương pháp trên 17 Token Ring-Mạng vòng dùng thẻ điều khiển
Thẻ luân chuyển qua từng nút
Nút nào giữ thẻ sẽ được phép truyền
Truyền xong phải chuyển thẻ
Hạn chế:
Mất thời gian chuyển thẻ
Mất thẻ 18 Mạng cục bộ LAN 19 Cac tuy chon cu a Ethernet hay IEEE 802.3
Half- and full-duplex Ethernet
10-Mbps Ethernet
100-Mbps Ethernet
1000-Mbps (1-Gbps or Gigabit) Ethernet
10-Gbps Ethernet
Metro Ethernet
Long-Reach Ethernet (LRE)
Cisco EtherChannel 20 100-Mbps Ethernet (1)
100-Mbps Ethernet được xem như Fast Ethernet va 100Base-T Ethernet, co 4 da ng triê n khai vâ t ly :
100BASE-TX. Two pairs of Category 5 (or better) UTP cabling (phô  dung, du g câ u hi nh dây giô ng 10Base-T)
100BASE-T2. Two pairs of Category 3 (or better) UTP cabling (du ng PAM-5 signaling)
100BASE-T4. Four pairs of Category 3 (or better) UTP cabling (1 đôi phat hiê n collision, 8B/6T signaling)
100BASE-FX. Two multimode optical fibers
Anh hưởng RTT-->đường ki nh tôi đa cua 100Mbps Ethernet la 205m khi du ng cap UTP 21 Gigabit Ethernet (1/2)
Gigabit Ethernet rât thich hợp cho building va campus backbone.
Tâp trung cho mười Ethernet segment 100Mbps
Thường dung full-duplex mode va kêt nôi giữa cac switch va router.
Gigabit Ethernet cung được dung cho cac server cân performace cao 22 Gigabit Ethernet (2/2)
1000Base-SX phu hợp cho cap ngang đa mode va backbone
1000Base-LX phu hợp cho building va campus backbone
1000Base-CX phu hợp cho tu viên thông đê nôi cac thiêt bi  cach nhau ≤ 25m
1000Base-T cho cap ngang UTP cat.5 hay tôt hơn, pham vi tôi đa 200m 23 10-Gbps Ethernet
10-Gbps Ethernet la công nghê backbone cho ISP va Enterprise network. Dung trong server farm, SAN va digital video studio
Chi hô trợ truyên full-duplex qua cap quang
Nêu dung sợi đơn mode cự ly co thê đên 40km 24 Mạng hình sao
Trước đây mạng bus là phổ biến, các nút mạng cùng chia sẻ một đường trục
Mạng hình sao chiếm ưu thế
Dùng thiết bị trung tâm hub hay switch có nhiều cổng
Switch tạo liên kết độc lập cho 2 nút mạng bất kỳ, do đó không có xung đột 25 Định dạng Ethernet Frame
Preamble: đánh dấu đầu frame (8byte 101010...11)
Dest Address (6byte): địa chỉ vật lý của nút đích
Source Address: địa chỉ vật lý của nút nguồn, 6 byte
Type (2 byte) chỉ giao thức lớp trên
Data chứa gói tin lớp trên, qui định MTU
CRC: mã kiểm soát lỗi
minimum frame size = 64 byte,
maximum frame size = 1518 byte Preamble Dest Address Source Address Type Data CRC Tại sao? 26 Địa chỉ MAC
Địa chỉ MAC còn gọi là địa chỉ vật lý, thuộc lớp 2
Lược đồ địa chỉ phẳng, 48 bit, gồm 24 bit đầu là OUI (Organizational Unique Identifier ) 27 Internet Multicast Address
Địa chỉ multicast cũng gồm OUI và một số riêng, nhưng trong trường hợp IPv4 thì OUI luôn là 0x01005E (OUI gán cho IETF) và số riêng là danh định của nhóm được suy ra từ địa chỉ multicast lớp 3
Các địa chỉ multicast lớp 3 được ánh xạ sang các địa chỉ lớp 2 khi các địa chỉ IP multicast được dùng. 28 ARP và RARP Vai trò của ARP ? 29 Vị trí của ARP và RARP trong mô hình TCP/IP ARP và RARP là giao thức hỗ trợ cho IP ARP RARP Network Access layer 30 Hoa t đông cua ARP 31 ARP packet Hardware Type - Ethernet is type 1 Protocol Type- IPv4=x0800 Hardware Length:length of Ethernet Address (6) Protocol Length:length of IPv4 address (4) 32 Đong goi ARP packet ARP packet được đo ng goi trong mô t Ethernet frame. Type field cho Ethernet la x0806 33 Bôn trường hợp dung ARP 34 Vi  du  35 Proxy ARP 36
RARP ti m logical address cua môt ma y đa  biê t physical address.
Điêu na y thường gă p khi cac may tram yê u (thin- client workstation) boot may từ ROM nhưng không ghi đi a chi  IP vao ROM, khi boot may cân đi a chi  IP.
RARP requests la  broadcast, ca c RARP reply la  unicast.
May tra m cu ng cân subnet mask, router address, DNS address, ...se cân nhiê u RARP
BOOTP va DHCP cung cung câp IP address RARP 37 38 RARP packet 39 Đong goi RARP packet 40 Các thiết bị kết nối mạng LAN
Hub, bridge và switch
Một thiết bị mạng LAN với nhiều cổng
Hub: Chuyển tiếp tín hiệu ở lớp vật lý (chỉ xử lý lớp 1)
Nhận tín hiệu từ một cổng (khuyếch đại) và chuyển tiếp đến các cổng còn la i
Không có các dịch vụ của lớp liên kết dữ liệu
Bridge và switch là thiết bị làm việc đến lớp 2
Thông minh hơn hub
Có thể lưu và chuyển tiếp dữ liệu (Ethernet frame) 41 Switch
Cho phép nhiều cặp liên kết cùng hoạt động
E.g. A-to-A’ và B-to-B’, không có xung đột
Giao thức Ethernet được sử dụng trên mỗi link, không sợ xung đột với các link khác
Mỗi link là một vùng xung đột riêng
Switch có một bảng đ/c MAC cho biết máy nào ở cổng nào
(Đ/c MAC máy trạm, số hiệu cổng, TTL) A A’ B B’ C C’ 1 2 3 45 6 42 Ví dụ mạng Kết nối tới mạng bên ngoài router IP subnet mail server web server 43 So sánh Switch và Router
Lưu và chuyển tiếp
routers: tầng mạng
switches: tầng liên kết dữ liệu
Router quản lý bảng chọn đường, giải thuật chọn đường, chuyển tiếp gói tin
switches quản lý bảng chuyển tiếp, tự học, lọc frame Host HostSwitch Router 44 Khái niệm bandwidth domain và broadcast domain
Bandwidth domain:
Phạm vi mạng mà các máy trạm trong đó tranh chấp đường truyền cần phải điều khiển truy cập, vì vậy đôi khi còn gọi là collision domain
hub tạo nên một bandwidth domain
Broadcast domain
Phạm vi mạng cho phép một frame quảng bá (lớp 2) phát tán.
switch tạo nên một LAN vật lý là một broadcast domain Router Hub Hub Switch Switch Hub Hub Broadcast Domain Collision Domain 45 Phân chia các domain
Switch hoạt động ở lớp 2 phân chia một bandwidth domain thành các bandwidth domain tách biệt, nhưng không chia broadcast domain
Router và swicth lớp 3 thực hiện phân chia broadcast domain thành các broadcast domain tách biệt. 46 Switch: Cơ chế tự học
Switch tự nhận biết đ/c MAC của các máy nối vào bằng cách quan sát lưu lượng
Bảng chuyển tiếp A A’ B B’ C C’ 1 2 3 45 6 A A’ Source: A Dest: A’ MAC addr interface TTL A 1 60 47 Switch: Cơ chế chuyển tiếp Khi nhận được 1 frame 1. Tìm đ/c cổng vào 2. Tìm địa chỉ cổng ra dùng bảng chuyển tiếp 3. if tìm thấy cổng ra then { if cổng ra == cổng vào then hủy bỏ frame else chuyển tiếp frame đến cổng ra theo bảng } else quảng bá frame 48 Ví dụ MAC addr interface TTL Bảng chuyển tiếp (Ban đầu rỗng) A 1 60
Dò bảng không tìm thấy cổng ra:Quảng bá A A’ B B’ C C’ 1 2 3 45 6 A A’ Source: A Dest: A’ A A’ A’ A
Đã biết đ/c A: A’ 4 60 Chuyển trực tiếp 49 Nối mạng cục bộ dùng switch
Các switch có thể được nối với nhau A B
Cũng dùng cơ chế tự học S1 C D E F S2 S4 S3 H I G 50 Trở ngại của cơ chế tự học khi có vòng trong topo mạng
Điều gì xảy ra khi A truyền frame cho B?
giả sử ban đầu các bảng đều trống B1 A Y port 1 port 2 B2 port 1 port 2 CBX Z port 1 port 2 B3 51 Trở ngại của cơ chế tự học khi có vòng trong topo mạng B1 truyền frame của A ra port 2 và port 3. B1 học A trên port 1. B3 truyền frame này ra port 2. B2 truyền frame này ra port 1 và 3...Frame được nhân bản lên và các switch nhận được một số bản. B1 A Y port 1 port 2 B2 port 1 port 2 CBX Z port 1 port 2 B3 port 3 port 3 52 Giải pháp
Cần tạo một topo không có vòng gọi là active topology
Quyết định port bị khóa và port nào mở
Tiến hành tự động (plug and play)
Cập nhật khi có sự thay đổi
Thực hiện bằng giao thức STP (spanning tree protocol), có các phiên bản:  Traditional Spanning Tree (802.1d)  Rapid Spanning Tree hay RSTP (802.1w)  Multiple Spanning Tree hay MSTP (802.1s) 53 53 Giao thức STP (1/2) Tạo một topo hình cây
Có nhiều cách xây dựng cây trên đồ thị có thể áp dụng:
Minimum Spanning Tree (giải thuật Prim hay Kruskal)
STP dùng tập các đường đi ngắn nhất theo vector
Mỗi bridge/switch có một nhãn, dựa vào MAC address + configurable offset. Thiết bị nào có nhãn nhỏ nhất được chọn làm gốc “root”. Mõi LAN giữa các bridge/switch có một cost,
STP tính toán các đường đi ngắn nhất từ root Port Type Duplex Cost 100BASE-TX / 100BASE-FX (VLT) Full 5 Half 12 10BASE-T Full 6 Half 700 54 54 Giao thức STP (2/2)
STP gán vai trò cho tất cả các port
Root hay được mở (designated port), là port ở trạng thái active trên cây
Bị khóa (Blocked) xem như không có trên cây
Root port
Mỗi thiết bị có một
:= port có đường đi ngắn nhất đến root
trong trường hợp có chi phí bằng thì chọn port có id nhỏ nhất
Designated port
Mỗi LAN cần chọn designated bridge/switch để chuyển tiếp tải vào ra, là thiết bị có đường đi ngắn nhất tới root
Trên mỗi designated bridge cần xác định một designated port cho mỗi liên kết
Designated port là port trên designated bridge có chi phí đường đi được tích lũy đến root nhỏ nhất
các port còn lại đều bị blocking 55 Ví dụ 32678.0000000000BB 32678.0000000000CC Cost=19 Cost=19 Cost=19 Switch B Switch C Switch A 32678.0000000000AA 1 2 1 1 2 2 Designated Port Designated Port Designated Port 56 56 Forwarding Tables: B41 1X 2YZ 3T B81 1XYZT B84 1XYZT B90 2XZT 3Y B92 1XZT 2Y B99 1XZT 2Y root port X blocking port designated port B90 B41B81 B84 B92 B99 cost = 3 cost = 3 cost = 3 cost = 3 cost = 1 cost = 1 1 2 3 X Z Y T 1 1 1 1 2 2 2 2 2 3 1 X X X 57 Cập nhật cây
Trạng thái port:
Disabled: shutdown
Blocking
Listening
Learning
Forwarding
Spanning Tree sẽ được tính tại nếu:
thêm switch
switch hỏng
liên kết hỏng
Có vài port sẽ chuyển từ blocking sang forwarding và ngược lại