Bài giảng Mạng máy tính - Chương 5: Tầng liên kết dữ liệu

Nội dung text: Bài giảng Mạng máy tính - Chương 5: Tầng liên kết dữ liệu

1. CHƯƠNG 5. TẦNG LIÊN KẾT DỮ LIỆU 1 Nội dung 1. Tổng quát về tầng liên kết dữ liệu 2. Điều khiển truy nhập đường truyền 3. Chuyển tiếp dữ liệu 4. Mạng cục bộ (LAN) 5. Mạng diện rộng (WAN) 2 1
2. 1. TỔNG QUAN 3 Tầng liên kết dữ liệu trên mô hình TCP/IP Application Logic Link Control sublayer • Kiểm soát luồng Transport • Dồn kênh, phân kênh các giao thức Network Media Access Control sublayer • Đóng gói dữ liệu Data-link • Định địa chỉ vật lý Physical • Phát hiện và sửa lỗi • Điều khiển truy nhập đường truyền 802.3 802.4 802.5 802.11 802.16 Ethernet Token Bus Token Ring WiFi WiMax 4 2
3. Các chức năng chính • Đóng gói: • Đơn vị dữ liệu: khung tin (frame) • Bên gửi: thêm header, trailer cho gói tin nhận được từ tầng mạng • Bên nhận: bỏ header và trailer, đẩy lên tầng mạng • Địa chỉ hóa: sử dụng địa chỉ MAC • Điều khiển truy nhập đường truyền: nếu mạng đa truy nhập, cần có giao thức điều khiển đa truy nhập • Kiểm soát luồng: đảm bảo bên nhận không bị quá tải • Kiểm soát lỗi: phát hiện và sửa lỗi bit trong các khung tin • Chế độ truyền: simplex, half-duplex, full-duplex 5 Kiểm soát lỗi Data’ Data N Phát Y hiện lỗi bit Tính EDC Báo lỗi H Data EDC H Data’ EDC’ Kênh truyền có lỗi bit EDC: Error Dectection Code • Mã parity • Mã checksum • Mã vòng CRC (được sử dụng chủ yếu trong các giao thức trên tầng liên kết dữ liệu) 6 3
4. Mã phát hiện lỗi Mã vòng CRC (Cyclic Redundancy Check) • Phía gửi • Chọn 1 đa thức sinh bậc k • Biểu diễn đa thức dưới dạng chuỗi bit P • Thêm k bit 0 vào frame dữ liệu F được Fk • Chia Fk cho P, lấy phần dư R • Ghép phần dư vào chuỗi dữ liệu được FR • Phía nhận : lấy FR chia cho P • Nếu chia hết truyền đúng • Nếu chia có dư, căn cứ vào số dư (syndrom) để phát hiện và sửa lỗi (nếu được) 7 Mã CRC – Ví dụ Frame : 1101011011 Generator : G(x) = x4 + x + 1 P = 10011 Dividend : Fk = 11010110110000 R = Fk mod P = 1110 Send : 11010110111110 8 4
5. Triển khai trên hệ thống mạng • Điều khiển truyền dữ liệu trên application transport network liên kết vật lý giữa 2 nút mạng data link kế tiếp physical • Triển khai trên mọi nút mạng network network data link data link physical • Các thức triển khai và cung cấp network physical data link physical dịch vụ phụ thuộc vào đường network network data link data link truyền(WiFi, Wimax, 3G, cáp physical physical quang, cáp đồng ) network network data link data link • Truyền thông tin cậy (cơ chế physical network physical data link giống TCP nhưng đơn giản hơn) physical application network transport hoặc không data link network physical network data link network data link physical • Đơn vị truyền: frame (khung tin) data link physical physical 9 Triển khai trên các nút mạng • Tầng liên kết dữ liệu được đặt trên cạc mạng (NIC- Network Interface Card) application hoặc trên chip tích hợp transport network cpu memory • Cùng với tầng vật lý link • NIC được kết nối với hệ host thống bus bus controller (e.g., PCI) link • physical physical transmission network adapter card 10 5
6. 2. ĐIỀU KHIỂN TRUY NHẬP ĐƯỜNG TRUYỀN 11 2. Điều khiển truy nhập đường truyền • Các dạng liên kết • Điểm-điểm(point-to-point): ADSL, Telephone modem, Leased line • Điểm-đa điểm (point-to-multipoint): • Mạng LAN có dạng bus, mạng LAN hình sao dùng hub • Mạng không dây • Cần giao thức điều khiển truy nhập để tránh xung đột shared wire (e.g., shared RF shared RF humans at a cabled Ethernet) (e.g., 802.11 WiFi) (satellite) cocktail party (shared air, acoustical) 12 6
7. Phân loại các giao thức đa truy nhập • Phân hoạch tài nguyên sử dụng kỹ thuật chia kênh: • Chia tài nguyên của đường truyền thành nhiều phần nhỏ (Thời gian - TDMA, Tần số - FDMA, Mã - CDMA) • Chia từng phần nhỏ đó cho các nút mạng • Truy nhập ngẫu nhiên: • Kênh không được chia, cho phép đồng thời truy nhập, chấp nhận là có xung đột • Cần có cơ chế để phát hiện và tránh xung đột • e.g. Pure Aloha, Slotted Aloha, CSMA/CD, CSMA/CA • Lần lượt: • Theo hình thức quay vòng • Token Ring, Token Bus . 13 2.1. Các phương pháp chia kênh • FDMA: frequency division multiple access • TDMA: time division multiple access • CDMA: code division multiple access 14 7
8. TDMA và FDMA Ví dụ: 4 máy FDMA frequency time TDMA: frequency time 15 CDMA 16 8
9. 2.2. Các phương pháp điều khiển truy nhập ngẫu nhiên • Aloha • Frame-time: thời gian để truyền hết một frame có kích thước lớn nhất • Khi một nút mạng cần truyền dữ liệu: • Frame đầu tiên: truyền ngay. Nếu có đụng độ thì truyền lại với xác suất p • Các frame sau: truyền với xác suất là p • Trong 1 frame-time chỉ được truyền 1 frame • Xác suất truyền thành công là ~18.4% 17 Slotted Aloha • Hoạt động như Aloha với các yêu cầu: • Frame-time là như nhau với mọi nút • Tất cả các nút phải đồng bộ về thời gian • Xác suất truyền thành công: 36.8% 18 9
10. Điều khiển truy nhập đường truyền cảm nhận sóng mang • CSMA:Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection • Cảm nhận sóng mang để quyết định đường truyền có bận hay không? • Nghe trước khi nói • Đụng độ xảy ra do trễ trên đường truyền • CSMA/CD: Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection • Phát hiện đụng độ : nghe trong khi nói • Giải quyết đụng độ với backoff 19 Đụng độ trong CSMA spatial layout of nodes • Giả sử kênh truyền có 4 nút • Tín hiệu điện từ lan truyền từ nút này đến nút kia mất một thời gian nhất định (trễ lan truyền) • Ví dụ: 20 10
11. CSMA/CD 1: Yêu cầu truyền dữ liệu 2: Đường truyền bận ? 3: Tổ chức data thành Frame 4: Truyền Frame 5: Có đụng độ ? 6: Tiếp tục truyền 7: Hết dữ liệu cần truyền ? 8: Kết thúc 9: Truyền tín hiệu JAM 10: Inc(attemps) 11: attemps > Max Attemps 12: Error !!! 13: Tính toán khoảng thời gian backoff = t 14: Delay(t) 21 So sánh chia kênh và truy nhập ngẫu nhiên • Phân hoạch tài nguyên • Hiệu quả, công bằng cho đường truyền với lưu lượng lớn • Lãng phí nếu chúng ta cấp kênh con cho một nút chỉ cần lưu lượng nhỏ • Truy nhập ngẫu nhiên • Khi tải nhỏ: Hiệu quả vì mỗi nút có thể sử dụng toàn bộ kênh truyền • Tải lớn: Xung đột tăng lên • Phương pháp quay vòng: Có thể dung hòa ưu điểm của hai phương pháp trên 22 11
12. 2.3. Token passing •Bit trạng thái : rỗi hay bận •Nút mạng nhận được thẻ bài rỗi, không mang dữ liệu : được phép truyền dữ liệu Thiết lập trạng thái thẻ bài về trạng thái bận Tổ chức dữ liệu để truyền, thẻ bài trở thành tiêu đề của frame Sau khi truyền xong dữ liệu : thiết lập trạng thái thẻ bài là rỗi •Nút đích : sao chép dữ liệu trên frame và trả lại frame cho nút nguồn •Token Ring : vòng luân chuyển thẻ bài là vòng vật lý •Token Bus : vòng luân chuyển thẻ bài là vòng logic •Hạn chế 23 Khuôn dạng thẻ bài và gói tin • Thẻ bài trống SD AC ED • Starting Delimiter (8bit): bắt đầu frame • Access Control (8bit): điều khiển • Mức ưu tiên (3 bit): xác lập quyền ưu tiên sử dụng thẻ bài • Trạng thái thẻ bài (1 bit) • Giám sát (1bit) • ED (8 bit): kết thúc frame • Frame dữ liệu: Địa chỉ Địa chỉ Dữ liệu SD AC FC đích nguồn CRC ED FS • FC(8 bit): kiểu frame dữ liệu mang theo trong thẻ bài • FS (8bit): báo nhận 24 12
13. 3. CHUYỂN TIẾP DỮ LIỆU 25 Chuyển tiếp dữ liệu trong mạng • Bảng MAC Table • Địa chỉ MAC của host • Cổng kết nối với host • TTL: thời gian giữ lại thông tin trong bảng • Cơ chế tự học MAC Addr. Interface TTL • Chuyển mạch • Quảng bá : địa chỉ MAC là FF:FF:FF:FF:FF:FF 26 13
14. Source: A Switch: Cơ chế tự học Dest: A’ A A A’ • Cập nhật địa chỉ MAC B nguồn và cổng nhận gói C’ tin nếuvào bảng MAC 6 1 2 Table: 5 4 3 • Địa chỉ nguồn chưa có trong bảng MAC Table, hoặc B’ C • Địa chỉ nguồn đã có nhưng nhận được gói tin trên cổng A’ khác MAC addr interface TTL A 1 60 MAC Table (ban đầu rỗng) 27 Switch: Cơ chế chuyển tiếp Khi nhận được 1 frame 1. Tìm đ/c cổng vào (tự học) 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 } else quảng bá frame 28 14
15. Source: A Dest: A’ Ví dụ A A A’ • Không có cổng ra: C’ B Quảng bá 6 1 2 • Đã biết địa chỉ A: A A’ 5 4 3 Chuyển trực tiếp B’ C A’ A A’ MAC addr interface TTL A 1 60 MAC Table A’ 4 60 (ban đầu rỗng) 29 Nối các switch với nhau • Các switch có thể được nối với nhau S4 S1 S3 A S2 F I B C D H E G  Cũng dùng cơ chế tự học 30 15
16. Các chế độ chuyển mạch • Store and forward: nhận đầy đủ frame, kiểm tra lỗi và chuyển mạch theo địa chỉ MAC đích • Cut and through: chuyển frame ngay lập tức sau khi đã xác định được cổng. • Fragment free: kiểm tra 64 byte đầu tiên • Frame tin bị lỗi do đụng độ có kích thước < 64 byte • Adaptive: tự động lựa chọn 1 trong 3 chế độ trên 31 Spanning tree • Hiện tượng loop khi kết nối giữa các bridge và switch tạo thành vòng kín 2 2 1 1 3 3 • Spanning Tree Protocol • Tìm cây khung và chỉ chuyển gói tin lên các liên kết thuộc cây khung • Các liên kết khác ở trạng thái inactive 32 16
17. 4. MẠNG CỤC BỘ (LAN) 33 4.1. Các thiết bị kết nối trong mạng LAN • Repeater (bộ lặp), Hub(bộ chia) • Đảm nhiệm chức năng tầng 1 • Tăng cường tín hiệu mở rộng phạm vi kết nối • <=4 repeater / 1 đoạn mạng • Bridge (Cầu), Switch (Bộ chuyển mạch) • Đảm nhiệm chức năng tầng 1 và 2 • Cho phép kết nối các loại đường truyền vật lý khác nhau • Chia nhỏ miền đụng độ • Chuyển mạch cho khung tin dựa trên địa chỉ MAC • Router (Bộ định tuyến) 34 17
18. Router vs Switch application transport • Xử lý gói tin: lưu và chuyển tiếp (store-and- datagram network frame link forward) physical link frame • Router: thiết bị tầng mạng physical • Switch: thiêt bị tầng liên kết dữ liệu switch • Chuyển tiếp gói tin: network • Router: sử dụng thuật toán datagram định tuyến tính toán bảng link frame chuyển tiếp (Forwarding physical Table), chuyển tiếp theo địa application chỉ IP đích transport • Switch: sử dụng cơ chế tự network học tính toán bảng MAC Table, chuyển tiếp theo địa link chỉ MAC đích physical 35 4.2. Các hình trạng cơ bản của LAN • Tất cả các nút mạng sử dụng chung đường truyền – trục (backbone) • Mỗi nút mạng kết nối vào trục bằng đầu nối chữ T • Phương thức truyền : điểm – đa điểm(point-to-multipoint) • Dữ liệu truyền theo 2 hướng • Nút nhận : kiểm tra địa chỉ đích của dữ liệu • Terminator • Ưu điểm • Nhược điểm 36 18
19. 3.2. Các hình trạng cơ bản của LAN Hình sao • Một nút mạng đóng vai trò thiết bị trung tâm • Hub • Switch • Router • Các nút mạng khác kết nối trực tiếp với thiết bị trung tâm • Phương thức truyền • Điểm – điểm: switch, router • Điểm – đa điểm: hub • Ưu điểm • Nhược điểm 37 3.2. Các hình trạng cơ bản của LAN repeater Hình vòng • Các nút mạng chung đường truyền khép kín • Phương thức truyền : điểm – điểm (point-to-point) hoặc điểm-đa điểm • Dự phòng • Ưu điểm điểm – đa điểm • Nhược điểm điểm – điểm 38 19
20. 4.3. Định địa chỉ trong mạng LAN • Địa chỉ MAC: 48 bit, được quản lý bởi IEEE • Mỗi cổng mạng được gán một MAC • Không thể thay đổi địa chỉ vật lý • Không phân cấp, có tính di động • Không cần thay đổi địa chỉ MAC khi host chuyển sang mạng khác • Địa chỉ IP không có tính di động • Địa chỉ quảng bá trong mạng LAN: FF-FF-FF-FF-FF-FF 39 Địa chỉ MAC và ARP • Address Resolution Protocol • Tìm địa chỉ MAC (định danh tầng liên kết dữ liệu) của một nút mạng khi đã biết địa chỉ IP • Tại sao cần ARP? • Truyền tin trên tầng mạng dùng địa chỉ IP • Truyền tin trên tầng liên kết dữ liệu dùng địa chỉ MAC • Khi gửi: dữ liệu chuyển từ tầng mạng xuống tầng liên kết dữ liệu. • Dữ liệu gửi trong mạng LAN: Máy nguồn cần phải biết địa chỉ MAC của máy đích • Dữ liệu gửi ra ngoài mạng LAN: Máy nguồn phải biết địa chỉ MAC của bộ định tuyến mặc định 40 20
21. Hoạt động của ARP • Mỗi nút trong mạng LAN sử dụng bảng ARP Table: • Ánh xạ <Địa chỉ IP, Địa chỉ MAC, TTL) • TTL: Thời gian giữ ánh xạ trong bảng • Khi cần biết địa chỉ MAC tương ứng với địa chỉ IP không có trong ARP Table, nút mạng gửi quảng bá gói tin ARP Request lên trên mạng để hỏi. • Nút mạng mang địa chỉ IP được hỏi sẽ gửi ARP Reply trả lời 41 Chuyển tiếp dữ liệu tới LAN khác Ví dụ: Gửi dữ liệu từ A tới B qua router R • A soạn một gói tin IP với địa chỉ nguồn là A, địa chỉ đích là B • Gói tin chuyển xuống tầng liên kết dữ liệu: đóng gói thành khung tin tầng 2 với địa chỉ MAC nguồn là A, địa chỉ MAC đích là R MAC src: 74-29-9C-E8-FF-55 MAC dest: E6-E9-00-17-BB-4B IP src: 111.111.111.111 IP dest: 222.222.222.222 IP Eth Phy A B R 111.111.111.111 Swit Swit 222.222.222.222 74-29-9C-E8-FF-55 ch ch 49-BD-D2-C7-56-2A 222.222.222.220 1A-23-F9-CD-06-9B 111.111.111.112 111.111.111.110 222.222.222.221 42 CC-49-DE-D0-AB-7D E6-E9-00-17-BB-4B 88-B2-2F-54-1A-0F 21
22. Chuyển tiếp dữ liệu tới LAN khác  Khung tin được chuyển từ A tới R  Tại R: khung tin được bóc bỏ header, chuyển lên cho tầng mạng dưới dạng một gói tin IP MAC src: 74-29-9C-E8-FF-55 MAC dest: E6-E9IP- 00src:-17 111.111.111.111-BB-4B IP src: 111.111.111.111IP dest: 222.222.222.222 IP dest: 222.222.222.222 IP IP Eth Eth Phy Phy A B R 111.111.111.111 222.222.222.222 74-29-9C-E8-FF-55 49-BD-D2-C7-56-2A 222.222.222.220 1A-23-F9-CD-06-9B 111.111.111.110 111.111.111.112 222.222.222.221 43 CC-49-DE-D0-AB-7D E6-E9-00-17-BB-4B 88-B2-2F-54-1A-0F Chuyển tiếp dữ liệu tới LAN khác  R chuyển tiếp gói tin với địa chỉ IP nguồn là A, IP đích là B  Gói tin chuyển xuống tầng liên kết dữ liệu: đóng gói thành khung tin tầng 2 với địa chỉ MAC nguồn là R, địa chỉ MAC đích là B MAC src: 1A-23-F9-CD-06-9B MAC dest: 49-BD-D2-C7-56-2A IP src: 111.111.111.111 IP dest: 222.222.222.222 IP IP Eth Eth Phy Phy A B R 111.111.111.111 222.222.222.222 74-29-9C-E8-FF-55 49-BD-D2-C7-56-2A 222.222.222.220 1A-23-F9-CD-06-9B 111.111.111.110 222.222.222.221 111.111.111.112 44 CC-49-DE-D0-AB-7D E6-E9-00-17-BB-4B 88-B2-2F-54-1A-0F 22
23. 4.4. Chuẩn Ethernet IEEE802.3 • Data-link & Physical Layers • Điều khiển truy nhập: CSMA/CD • Có nhiều chuẩn Ethernet khác nhau • Cùng giao thức điều khiển truy nhập và cấu trúc Frame • Hướng không liên kết, không báo nhận-phát lại • Tốc độ khác nhau: 2 Mbps, 10 Mbps, 100 Mbps, 1Gbps, 10G bps • Phương tiện truyền khác nhau: Cáp quang, cáp đồng trục, cáp xoắn đôi. 45 Cấu trúc đơn vị dữ liệu • Preamble (8 byte): Bắt đầu một khung tin • Address: Địa chỉ vật lý của trạm nguồn, trạm đích • Dest. Addresss: 6 bytes • Source Address: 6 bytes • Type (2 byte): Giao thức tầng trên (IP, Novell IPX, AppleTalk, ) • CRC(4 byte): Mã kiểm soát lỗi 46 23
24. Một số chuẩn Ethernet IEEE802.3 • Ethernet • Fast Ethernet • Giga Ethernet 47 4.5. Mạng LAN ảo - VLAN • Yêu cầu thực tế • Chia sẻ tài nguyên (file, máy in, v.v ) giữa các trạm “xa nhau” • Bảo mật thông tin nội bộ trong một phòng ban • Giải pháp mạng LAN ảo VLAN2 • Nhóm các trạm thành một mạng LAN logic • Mạng LAN logic không bị ràng VLAN3 buộc về mặt địa lý của các trạm VLAN1 • Mạng LAN logic độc lập với các ứng dụng mạng 48 24
25. VLAN Một VLAN là một broadcast domain được tạo ra trên một hoặc nhiều switch Một switch có thể chứa một hoặc nhiều VLAN 49 Các phương pháp chia VLAN • Chia theo cổng trên switch – VLAN tĩnh (Static VLAN): tất cả các thiết bị gắn với cổng đó phải cùng VLAN • Chia theo địa chỉ MAC của thiết bị - VLAN động (Dynamic VLAN): linh hoạt • Chia theo giao thức tầng 3 (địa chỉ IP): phụ thuộc vào giao thức tầng trên 50 25
26. VLAN (tiếp) • Các loại liên kết trong mạng chuyển mạch chứa VLAN • Access link: thuộc về một VLAN đơn lẻ, thường nối trực tiếp từ 1 cổng đến 1 máy trạm. Switch gỡ bỏ các thông tin VLAN trong frame trước khi chuyển tiếp đến cổng chứa access link. Các thiết bị nối với access link không thể truyền thông với trực tiếp với thiết bị khác VLAN • Trunk link: dùng chung cho nhiều VLAN khác nhau, thường nối giữa switch với nhau hoặc giữa switch với router. Trunk link cho phép 1 cổng thuộc về nhiều VLAN tại cùng một thời điểm để kết nối đến server hoặc với các swtich khác 51 4.6. Wireless LAN (WLAN) • LAN sử dụng môi trường truyền dẫn vô tuyến • Ưu điểm : • Khả năng di động • Triển khai dễ dàng • Khả năng mở rộng • Nhược điểm • Bảo mật • Phạm vi • Độ tin cậy • Tốc độ 52 26
27. Mạng LAN không dây • Kết nối Wireless LAN với Ethernet • Acces Point • Mobile Station • Wireless LAN layers • Physic & Signaling: • Sóng radio • Tia hồng ngoại • MAC: • Phân kênh: FDM hoặc CDM Wireless LAN • Truy nhập đường truyền: CSMA/CA 802.1 High-level interface • Wireless LAN standards 802.2 Logical Link Control (LLC) • 802.11 Infrared: 1 - 4 Mbps OSI • 802.11a: 5 GHz (54 Mbps) (7) Media Access Control (MAC) (6) • 802.11b: 2.4 GHz (11 Mbps) (5) • 802.11g: 2.4 GHz (54 Mbps) (4) (3) Physical Signaling sublayer (2) 802.11 W. LAN W. 802.11 Media Specifications (1) 53 Chuẩn WLAN • IEEE 802.11 b • 6/1999 • 11 Mbps • 2.4 GHz • Giá thành thấp, phạm vi phủ sóng rộng • Dễ bị nhiễu • IEEE 802.11a • 54 Mbps • 5 GHz • Tốc độ nhanh, khó bị xuyên nhiễu • Giá thành cao, phạm vi phủ sóng hẹp 54 27
28. Chuẩn WLAN (tiếp) • IEEE 802.11g • 2002-2003 • 54 Mbps • 2.4 GHz, 5GHz • IEEE 802.11n • 10/2009 • >100Mbps • 2.4 GHz 55 Các mô hình triển khai WLAN • Mô hình mạng Ad-hoc • Các nút di động tập trung lại trong một không gian nhỏ để hình thành nên kết nối ngang cấp (peer-to-peer) giữa chúng. • Các nút di động có thể trao đổi thông tin trực tiếp với nhau , không cần phải quản trị mạng. 56 28
29. Mô hình Base Service Set (BSS) • Bao gồm các điểm truy nhập AP (Access Point) gắn với mạng hữu tuyến vùng phủ sóng -cell • AP đóng vai trò điều khiển cell • Các thiết bị di động không giao tiếp trực tiếp với nhau mà giao tiếp với các AP. • Các cell có thể chồng lấn lên nhau khoảng 10-15 % • Các trạm di động sẽ chọn AP tốt nhất để kết nối. 57 Mô hình mở rộng ESS • Tập hợp các BSSs 58 29