1

Chương 10

LỚP LIÊN KẾT DỮ LIỆUTS Nguyễn Hồng Sơn

Bộ môn Mạng máy tính & TSLPTITHCM

2

NỘI 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 vàbroadcast domain

� STP

3

TỔNG QUAN VỀ LỚP LIÊN KẾT DỮ LIỆU

� Truyền dữ liệu giữa hai nút nối trực tiếp

4

5

Các hoạt động trong lớp 2 (1/3)

6

Các 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

7

Các 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

8

ĐIỀU 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

9

Phân 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

Ca�c tu�y cho�n 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 � du�ng, 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 pha�t hiê �n collision, 8B/6T signaling)

� 100BASE-FX. Two multimode optical fibers

� A�nh hưởng RTT-->đường ki �nh tô�i đa cu�a 100Mbps Ethernet la� 205m khi du �ng ca�p UTP

21

Gigabit Ethernet (1/2)

� Gigabit Ethernet râ�t thi�ch hợp cho building va� campus backbone.

� Tâ�p trung cho mười Ethernet segment 100Mbps

� Thường du�ng full-duplex mode va� kê�t nô�i giữa ca�c switch va� router.

� Gigabit Ethernet cu�ng được du�ng cho ca�c server câ�n performace cao

22

Gigabit Ethernet (2/2)

� 1000Base-SX phu� hợp cho ca�p ngang đa mode va� backbone

� 1000Base-LX phu� hợp cho building va� campus backbone

� 1000Base-CX phu� hợp cho tu� viê�n thông đê� nô�i ca�c thiê�t bi � ca�ch nhau ≤25m

� 1000Base-T cho ca�p ngang UTP cat.5 hay tô�t hơn, pha�m vi tô�i đa 200m

23

10-Gbps Ethernet

� 10-Gbps Ethernet la� công nghê� backbone cho ISP va� Enterprise network. Du�ng trong server farm, SAN va� digital video studio

� Chi� hô� trợ truyê�n full-duplex qua ca�p quang

� Nê�u du�ng sợi đơn mode cự ly co� thê� đê�n 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 đókhông 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

PreambleDest

AddressSource 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 là0x01005E (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 RARPNetwork Access

layer

30

Hoa �t đô�ng cu�a ARP

31

ARP packet

HardwareType - Ethernetis type 1

Protocol Type-IPv4=x0800

HardwareLength:length ofEthernet Address (6)

ProtocolLength:length ofIPv4 address (4)

32

Đo�ng go�i ARP packet

ARP packet được đo �ng go�i trong mô �t Ethernet frame.Type field cho Ethernet la� x0806

33

Bô�n trường hợp du�ng ARP

34

Vi � du �

35

Proxy ARP

36

� RARP ti �m logical address cu�a mô�t ma �y đa � biê �t physical address.

� Điê�u na �y thường gă �p khi ca�c ma�y tra�m yê �u (thin-client workstation) boot ma�y từ ROM nhưng không ghi đi �a chi � IP va�o ROM, khi boot ma�y câ�n đi �a chi � IP.

� RARP requests la � broadcast, ca �c RARP reply la � unicast.

� Ma�y tra �m cu �ng câ�n subnet mask, router address, DNS address, ...se� câ�n nhiê �u RARP

� BOOTP va� DHCP cu�ng cung câ�p IP address

RARP

37

38

RARP packet

39

Đo�ng go�i 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 xửlý lớp 1)� Nhận tín hiệu từ một cổng (khuyếch đại) vàchuyển 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 kếtcùng hoạt động� E.g. A-to-A’ và B-to-B’, khôngcó xung đột

� Giao thức Ethernet được sửdụng trên mỗi link, không sợxung đột với các link khác� Mỗi link là một vùng xung độtriêng

� Switch có một bảng đ/c MAC cho biết máy nào ở cổng nào� (Đ/c MAC máy trạm, số hiệucổng, TTL)

A

A’

B

B’

C

C’

1 23

45

6

42

Ví dụ mạngKết nối tớimạng 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 chọnđường, 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 DomainCollision 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 biếtđ/c MAC của các máynối vào bằng cách quan sát lưu lượng

� Bảng chuyển tiếp

A

A’

B

B’

C

C’

1 23

45

6

A A’

Source: ADest: 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 rathen {if cổng ra == cổng vàothen 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 23

45

6

A A’

Source: ADest: A’

A A’A A’A A’A 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

FS2

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 2B2

port 1 port 2

CBX Z

port 1 port 2

B3

51

Trở ngại của cơ chế tự học khi có vòngtrong 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 2B2

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)

5353

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

5454

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=19Switch BSwitch B Switch CSwitch C

Switch ASwitch A

32678.0000000000AA

1 2

1 1

2 2

Designated Port

Designated Port

Designated Port

Designated Port

Designated Port

Designated Port

5656

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

B92B99

cost = 3

cost = 3

cost = 3

cost = 3cost = 1

cost = 11

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