Bài giảng mạng máy tính

Mạng LAN


Mạng máy tính
Nội dung
Truyền thông giữa nhiều máy
Mạng điểm – điểm (point – to – point)
Mạng chia sẻ dùng chung đường truyền
Các mô hình mạng LAN
Mô hình BUS
Mô hình STAR
Mô hình RING
Các mô hình kết hợp: BUS – BUS, BUS – STAR, STAR – STAR.
Hoạt động của mạng LAN
LAN card
Địa chỉ trạm trên LAN
Hoạt động của LAN
Nội dung
Phương pháp truy cập trên LAN
Phương pháp CSMA/CD
Phương pháp truy cập token passing
Các công nghệ mạng LAN
Mạng Ethernet
Đặc điểm
Các cấu hình Ethernet 10 Base
Mã hóa tính hiệu truyền
Cấu trúc khung Ethernet
Fast Ethernet 100 Base
Mạng Token Ring
Mạng điểm – điểm (point – to – point)
Mỗi cặp máy sử dụng 1 kết nối khác nhau
3 máy  3 kết nối
4 máy  6 kết nối
N máy  N(N-1)/2 kết nối
Nhận xét: Mạng điểm - điểm chỉ thích hợp khi N nhỏ
Mạng chia sẻ dùng chung đường truyền
Các máy tính trên mạng có thể chia sẻ dùng chung các kết nối  tiết kiệm được số kết nối
Mạng cục bộ LAN là mạng chia sẻ dùng chung đường truyền sao cho các máy có thể truy cập thông tin với nhau trên mạng
Phạm vi hoạt động LAN: vài km, thích hợp với các văn phòng, công ty, trường học,...
Các mô hình LAN
Mô hình LAN xác định cách thức các máy tính kết nối lại với nhau như thế nào
Có nhiều mô hình:
BUS
STAR
RING
Mesh
Tree (ít dùng)
Mô hình BUS
Các máy được nối với nhau vào 1 đường truyền chung gọi là BUS
Tín hiệu được truyền theo 2 hướng của bus  tất cả các máy đều nhận được tín hiệu.
Tín hiệu đến 2 đầu bus có thể bị dội lại  gây nhiễu.
Terminator dùng để hấp thu tín hiệu không cho dội lại
Ưu: dễ lắp đặt, đơn giản, ít tốn cáp.
Khuyết:
Bus đứt  toàn bộ mạng tê liệt
Khó thêm máy mới
Khó bảo trì cáp
Hiệu suất mạng giảm đáng kể nếu nhiều máy sử dụng mạng
Mô hình STAR
Các máy được nối vào 1 hộp mốc trung tâm gọi là HUB
HUB nhận tín hiệu từ 1 máy gởi đến truyền tín hiệu đến tất cả các máy khác
Switch (HUB thông minh): nhận tín hiệu gởi đến, chỉ truyền tín hiệu đến máy cần nhận
Ưu:
Dễ thêm/bớt máy vào mạng
Dễ bảo trì cáp, khi 1 sợi cáp đứt chỉ một máy nối với cáp không sử dụng được mạng, các máy khác vẫn vào mạng bình thường
Nếu dùng Switch hiệu suất mạng vẫn đảm bảo nếu nhiều máy sử dụng mạng
Khuyết:
HUB hư  mạng tê liệt
Chi phí cao hơn (chi phí cho HUB, nhiều cáp hơn)
Mô hình RING
Các máy nối trực tiếp vào 1 vòng tròn
Tín hiệu được truyền theo 1 chiều trên vòng
Có 2 loại vòng:
Trực tiếp
Qua HUB vòng
Vòng đứt  mạng tê liệt
Các mô hình kết hợp
BUS – BUS: Các bus nối với nhau qua thiết bị cầu nối bridge  giảm tải trên BUS nếu BUS quá nhiều máy
Các mô hình kết hợp
BUS-STAR
Các mô hình kết hợp
STAR-STAR
Hoạt động của LAN – Card mạng
Thiết bị cơ bản để nối mạng LAN là card mạng (LAN card)
LAN card có chức năng truyền/nhận dữ liệu theo khung
Cấu trúc LAN card:
Chip điều khiển: điều khiển các hoạt động trên LAN card
Bộ thu phát
Vùng đệm: bộ nhớ nằm trong Card
Đầu nối cáp
Boot ROM (option)
Cài đặt LAN card: cấu hình
Đường IRQ (015): đường liên lạc với CPU
I/O port
Địa chỉ trạm trên LAN
Để phân biệt các máy tính trên LAN, mỗi máy được quy định 1 địa chỉ duy nhất gọi là địa chỉ trạm
Địa chỉ trạm trên LAN được quy định bởi phần cứng LAN Card (địa chỉ vật lý – MAC (Medium Access Control))
Có 3 cách quy định địa chỉ:
Địa chỉ tĩnh: mỗi LAN Card khi sản xuất được gán 1 địa chỉ duy nhất trong phần cứng LAN Card
Địa chỉ khả cấu hình: một số LAN Card cho phép người dùng tự quy định được địa chỉ LAN Card bằng phần mềm.
Địa chỉ động: gán địa chỉ 1 cách tự động khi khởi động.
Thông thường thì dùng phương pháp gán địa chỉ tĩnh
Người ta dùng 48 bit để biểu diễn địa chỉ LAN Card
Có dạng XX XX XX XX XX XX ví dụ: 00-0B-5D-55-B5-DB
Mã nhà SX Mã LAN Card
Hoạt động của LAN
Một máy muốn truyền khung sẽ kèm theo địa chỉ đích
Khung được truyền lên mạng, tất cả các máy đều có thể nhận khung. Tuy nhiên chỉ máy có địa chỉ trạm trùng với địa chỉ trạm đích mới nhận khung, các máy khác bỏ qua khung.
Nếu muốn truyền nhiều máy phải thêm 1 địa chỉ LAN Card đặc biệt gọi là địa chỉ broad cast có dạng
FF FF FF FF FF FF cho phép khung gởi đến tất cả các máy trên LAN
Phương pháp truy cập trên LAN
Mạng LAN sử dụng đường truyền chia sẻ dùng chung  phải có 1 phương pháp truy cập đường truyền chung để các máy không bị xung đột
Có nhiều phương pháp truy cập:
CSMA/CD
CSMA/CA
Token passing
Token bus
.........
Phương pháp truy cập CSMA/CD
CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection): phương pháp đường dây đa truy cập với phát hiện sự xung đột
Một máy muốn truyền, trước tiên phải kiểm tra đường truyền, nếu máy rãnh thì truyền. Ngược lại, máy tiếp tục thử cho tới khi rãnh và truyền.
Có khả năng xảy ra trường hợp: Nếu 2 máy cùng kiểm tra đường truyền, cùng thấy rãnh và cùng truyền  2 tín hiệu sẽ va chạm  gây ra xung đột
Để giải quyết xung đột: 1 máy khi truyền vẫn tiếp tục kiểm tra đường truyền nếu phát hiện xung đột thì ngưng truyền và đợi 1 khoảng thời gian ngẫu nhiên < d, rồi tiếp tục thử lại.

Phương pháp truy cập CSMA/CD
Phương pháp truy cập CSMA/CD
Có thể xảy ra đa xung đột. Để giải quyết đa xung đột
Xung đột lần đầu: số ngẫu nhiên < d (khoảng thời gian đợi)
Xung đột lần 2: số ngẫu nhiên < 2d
Xung đột lần k: số ngẫu nhiên < kd
Phạm vi số ngẫu nhiên càng lớn  xác suất trùng càng thấp, quy định tối đa 16 lần xung đột. Nếu sau 16 lần vẫn xung đột  bỏ qua khung  thông báo lỗi “truyền bị lỗi”.
Cách Chọn d:
Gọi là tín hiệu lan truyền hết đường kính mạng
Chọn d = 2 là khoảng thời gia tối đa phát hiện được xung đột

Phương pháp truy cập CSMA/CD
Nhận xét
Phương pháp CSMA/CD phụ thuộc vào tải mạng (số máy sử dụng mạng)
Tải nhỏ: rất hiệu quả  nhanh do ít xung đột
Tải nặng: hiệu quả bị giảm đáng kể do các máy dễ bị xung đột hơn
PP truy cập token passing (chuyển thẻ bài)
Phương pháp này chỉ dùng trên mô hình vòng (ring).
Một thể bài (token) được di chuyển liên tục quanh vòng.
Một máy muốn truyền phải đợi token đến, giữ token và truyền khung dữ liệu
Khung dữ liệu đến máy đích, máy sẽ sao chép khung vào máy và chuyển khung trở về lại máy gởi ban đầu
Máy gởi bỏ khung và trả token đến máy kế trên vòng
Quá trình tiếp tục
PP truy cập token passing
Nhận xét:
Phương pháp này không bị xung đột
So với phương pháp CSMA/CD:
Tải năng: hiệu quả hơn
Tải nhẹ: không hiệu quả
Các công nghệ mạng LAN
Có nhiều công nghệ mạng LAN
ArcNet (xưa nhất)
Ethernet (phổ biến nhất)
Token Ring
FDDI
Apple talk
100 Base – any LAN
ATM (mới nhất)
Mạng Ethernet
Mạng Ethernet được hãng Xerox nghiên cứu vào những năm 1970. Về sau các hãng Intel và Digital Equipment và Xerox kết hợp đưa ra chuẩn Ethernet 10 Base
Đặc điểm:
Sử dụng mô hình: BUS/STAR kết hợp
Cáp: xoắn đôi, đồng trục, quang
Kỹ thuật truyền: Baseband
Tốc độ: 10Mbps
Dùng phương pháp truy cập CSMA/CD
Các cấu hình Ethernet 10 Base
Cấu hình 10 Base 5
Cấu hình 10 Base 2
Cấu hình 10 Base T
Cấu hình 10 Base F
Cấu hình 10 Base 5
Mô hình BUS với cáp đồng trục dày (thick)
Mạng cho phép tối đa 5 đoạn BUS. Các đoạn nối với nhau qua bridge
Mỗi đoạn dài tối đa 500m, nối tối đa 100 máy  dài tối đa 2500m, nối tối đa 500 máy
Các thiết bị nối mạng
LAN car đầu AUI (D-15)
Bộ thu phát trên BUS gọi la transceiver
Terminator
Cáp nối AUI
Cấu hình này không phổ biến  do chi phí cao
Cấu hình 10 Base 2
Mô hình BUS với cáp đồng trục mãnh (thin)
Mạng cho phép tối đa 5 đoạn BUS, các đoạn được nối với nhau qua bridge
Mỗi đoạn dài tối đa 185m, nối tối đa 30 máy  mạng dài tối đa 925m, nối tối đa 150 máy
Các thiết bị nối mạng:
LAN Card đầu BNC
Terminator
Đầu nối BNC và T_Connector
1 thời gian được dùng rất phổ biến do chi phí rẻ, dễ cài đặt
Cấu hình 10 Base T
Mô hình STAR với cáp xoắn đôi
Khoảng cách tối đa máy  HUB là 100m
Các HUB có thể kết hợp lại: BUS-STAR, STAR-STAR
Tối đa 1020 máy
Các thiết bị nối mạng:
LAN Card đầu RJ_45
HUB/Switch
Đầu nối RJ_45
Cấu hình 10 Base F
Mô hình BUS với cáp quang
Cấu hình này chủ yếu chỉ dùng làm trục chính (backbone) để nối các mạng ở xa với nhau, dài tối đa 2km
Mã hóa tín hiệu truyền
Dùng mã manchester
Hiệu điện thế:
0V biểu diễn bit 1
-1,5V biểu diễn bit 0
Cấu trúc khung Ethernet
Trường preamble (7 byte) có dạng
1 0 1 0 1 0 1 0 … 1 0 1 0
Dùng làm tín hiệu đồng hồ (clock) để đồng bộ giữa máy gởi và máy nhận
sof (start of frame) có giá trị 10101011 byte bắt đầu khung
dest (2 hay 6 byte): xác định địa chỉ trạm đích (máy nhận)
src (2 hay 6 byte): xác định địa chỉ nguồn (máy gởi)
len (2 byte): xác định chiều dài data tính theo byte
data: xác định vùng dữ liệu cần truyền
preamble
sof
dest
src
len
data
pad
CRC
7 byte
1
2/6
2/6
2
01500
046
4
Cấu trúc khung Ethernet
Pad: vùng dữ liệu giả
Theo quy định 1 khung phải chứa ít nhất là 46 byte data (để có thể phát hiện xung đột)
Nếu dữ liệu không đủ thì ta phải thêm dữ liệu giả 0 cho đủ 46 byte
CRC: Mã kiểm lỗi CRC 32 bit dùng đa thức sinh
G(x) = x32 + x26 + x23 + x22 + x16 + x12 + x11 + x10 + x8 + x7 + x5 + x4 + x2 + x + 1
Fast Ethernet 100 Base
Cải tiến từ Ethernet 10 Base  Fast Ethernet 100 Base với tốc độ 100Mbps.
Cấu hình Fast Ethernet 100 Base như sau:
100 Base T4: cấu hình STAR với cáp UTP CAT 5, dùng 4 cặp xoắn đôi (Ethernet 10 Base chỉ dùng 2 cặp xoắn đôi)  không tương thích với Ethernet 10 Base
100 Base TX: cấu hình STAR với cáp UTP CAT 5 chỉ dùng 2 cặp xoắn đôi  tương thích với Ethernet 10 Base. Đây là cấu hình dùng phổ biến nhất hiện nay
100 Base FX: dùng cáp quang.
Mạng Token Ring
Được hãng IBM giới thiệu vào năm 1984
Dùng mô hình Ring với HUB vòng
Cáp xoắn đôi
Tốc độ 4Mbps, về sau cải tiến lên 16Mbps
Kỹ thuật truyền baseband
Sử dụng phương pháp truy cập token passing
Mã hóa tín hiệu: dùng mã Manchester vi sai
Bit đầu
bit 1
bit 0
Các bit kế:
Tín hiệu đảo chiều  bit 1
Tín hiệu không đảo chiều  bit 0
Mạng Token Ring
Cấu trúc khung token ring phức tạp hơn Ethernet
Có 3 loại:
Token: bắt đầu 2 token
Dữ liệu: chứa dữ liệu truyền
Lệnh: chứa các lệnh token ring
Token (3 byte):
Khung dữ liệu / lệnh
SD
AC
ED
SD
AC
FC
src
dest
data
Command
CRC
ED
FS
1
1
1
2/6
2/6
4
1
2
Mạng Token Ring
SD: byte bắt đầu khung
ED: byte kết thúc khung
AC (Access Control): cho biết token hay khung
Dest: địa chỉ đích
Src: địa chỉ nguồn
Data/command: chứa dữ liệu cần truyền hay lệnh
FS (Frame Status): cho biết trạng thái frame được thành công hay lỗi
FC: xác định khung dữ liệu hay khung lệnh