Bài giảng Mạng máy tính - Chương 5 (Phần 2) : Giao thức tầng liên kiết dữ liệu (Data link)

Nội dung text: Bài giảng Mạng máy tính - Chương 5 (Phần 2) : Giao thức tầng liên kiết dữ liệu (Data link)

1. Chương 5. Giao thức tầng liên kiết dữ liệu (data link) Quang Dieu Tran, PhD Faculty of Information Technology University of Communication and Transport (Branch in Ho Chi Minh City) Email: dieutq@gmail.com Website: sites.google.com/sites/tranlectures
2. Ch5. Giao thức tầng liên kết dữ liệu 5.1 - Introduction and services 5.2 - Error detection and correction 5.3 - Multiple access protocols & LAN 5.4 - Link-layer addressing & ARP 5.5 - Specific link layer technologies  Ethernet  PPP  Wireless Networks  ATM  Frame Relay 23/8-10/10/2010 Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 2
3. Ethernet Bản thiết kế khai sinh Ethernet ◼ Tác giả: Bob Metcalfe và David Boggs. ◼ Ethernet là kiến trúc LAN phổ biến nhất hiện nay ◼ Ưu điểm: đơn giản, rẻ, tốc độ 10,100Mbps,1Gbps 23/8-10/10/2010 Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 3
4. Ethernet Star Topology example Ethernet là mạng Broadcast 23/8-10/10/2010 Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 4
5. Ethernet Frame Structure ◼ Destination & Source Address (6B): địa chỉ vật lý của nút gửi và nhận. ◼ Data (16-1500B). Ethernet MTU = 1500B → nếu IP datagram >1500 thì sẽ phải chia nhỏ ra. ◼ Type (2B): Giao thức tầng trên (IP, Novell IPX, Apple Talk ). ◼ CRC (4B): Mã CRC ◼ Preamble (8B): Đồng bộ hoá sender/receiver, gồm 7 bytes đầu tiên là 10101010, byte tiếp theo là 10101011 23/8-10/10/2010 Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 5
6. Ethernet: CSMA/CD ◼ Ethernet sử dụng giao thức truy cập đường truyền CSMA/CD. ◼ Ethernet CSMA/CD: Khi NIC nhận được datagram từ tầng trên, đóng frame rồi gửi vào buffer. Nếu kênh truyền rỗi (96 bit times) thì truyền. Nếu không, chờ đợi. Trong quá trình truyền, nếu phát hiện xung đột, dừng và gửi đi 48-bit jam signal để báo cho các nút khác rồi chuyển sang pha exponential backoff. 23/8-10/10/2010 Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 6
7. Ethernet: CSMA/CD (cont) ◼ jam signal:  một số nút có thể không cảm nhận được do những điều kiện khác nhau!!!  jam signal thông báo cho mọi nút biết rằng mạng đang bị xung đột. ◼ exponential backoff algorithm: giải thuật này khiến các nút chịu khó chờ lâu hơn khi mức độ xung đột cao.  bit time: thời gian truyền 1 bit.  n là số lần xung đột khi truyền một frame nào đó.  sau n lần xung đột, nút sẽ đợi 512 x K bit time rồi truyền lại; K được chọn ngẫu nhiên trong tập {0,1,2, ,2m – 1} với m:=min (n,10). 23/8-10/10/2010 Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 7
8. Ethernet Technologies ◼ Công nghệ Ethernet: 10Base2;10BaseT;100BaseT. ◼ 10Base2:  10Base2 = 10Mbps; cáp đồng trục (coaxial) < 200m.  Bus topology.  Rất rẻ.  Cáp: <185m (185 ~ 200). Có thể dùng repeater để tăng k/c.  Không còn phổ biến. 23/8-10/10/2010 Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 8
9. Ethernet Technologies: 10BaseT & 100BaseT ◼ 10BaseT và 100BaseT là công nghệ Ethernet LAN phổ biến hiện nay (còn gọi là Fast Ethernet) ◼ 10Mbps; 100Mbps; sử dụng cáp đôi xoắn (Twisted pair). ◼ Sử dụng hub.  chuyển tiếp bit (tầng vật lý)  báo cáo thống kê (bandwidth usage, collision ).  ngắt các nút gặp sự cố khỏi mạng. ◼ Độ dài tối đa của cáp từ hub tới host: 100m. 10/100BaseT sử dụng hub (star) 23/8-10/10/2010 Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 9
10. Bấm cáp mạng 23/8-10/10/2010 Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 10
11. Ethernet Technologies: Gigabit Ethernet ◼ 1000BaseT: IEEE802.3z ◼ Tốc độ: 1/10Gbps. ◼ Sử dụng cấu trúc frame chuẩn của Ethernet. ◼ Cho phép kết nối kiểu điểm-điểm (sử dụng switch) và quảng bá (chia sẻ đường truyền, sử dụng hub). ◼ CSMA/CD được sử dụng để truy cập đường truyền chia sẻ. 23/8-10/10/2010 Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 11
12. Kết nối các LANs: repeater, hub, bridge, switch ◼ Repeater (bộ lặp): khôi phục tín hiệu đã bị yếu. ◼ Hub:  Hoạt động ở tầng vật lý với chức năng chính là chuyển các bit nhận được từ một cổng tới các cổng còn lại.  Hub cung cấp các thống kê về tình hình sử dụng mạng.  Có thể dùng để nối các LAN segments (backbone hub).  Đơn giản, rẻ, dễ lắp (không cần cấu hình)  Không có khả năng phân vùng xung đột (một nút ở segment này có thể xung đột với nút ở segment khác).  Không thể kết nối segment sử dụng kiến trúc khác nhau 10BaseT và 100BaseT 23/8-10/10/2010 Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 12
13. Bridge ◼ Bridge (cầu) được sử dụng để kết nối các đoạn mạng (segment) khác nhau. ◼ Bridge hoạt động tại tầng data link có khả năng thao tác với các frame (hub chỉ thao tác với bit). ◼ Chức năng chính: forwarding & filtering. ◼ Bridge forwarding: khi nhận một frame, bridge căn cứ vào frame header phải quyết định chuyển tiếp frame đó tới cổng ra nào (tra bảng – bridge table). ◼ Bridge filtering: một số frame được gửi giữa hai nút cùng nối tới một hub sẽ bị bỏ qua. 23/8-10/10/2010 Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 13
14. Không có backbone bridge backbone bridge -EE và SE muốn liên lạc phải đi qua CS -Khi CS gặp sự cố sẽ khiến EE và SE mất liên lạc ◼ Bridge có bộ đệm cho các frame nên có khả năng phân vùng làm giảm xung đột (nút ở segment này không xung đột với nút ở segment khác). ◼ Bridge sử dụng CSMA/CD khi gửi frame tới một LAN segment. 23/8-10/10/2010 Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 14
15. Bridge forwarding table ◼ Bridge table cho phép tra cứu cổng (segment) cần gửi frame tới khi biết địa chỉ đích. ◼ Bảng này được xây dựng dần mỗi khi một cổng nhận được frame gửi tới từ nút nào đó (địa chỉ nút gửi và cổng – segment tương ứng) → learning. ◼ Nếu không tìm thấy địa chỉ nút nhận trong bảng thì gửi frame tới tất cả cổng còn lại. 23/8-10/10/2010 Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 15
16. Spanning Tree ◼ Để tăng độ tin cậy, nhiều bridge được sử dụng → nhiều đường đi, các gói tin bị lặp (forward trở lại). ◼ Spanning Tree: tạm thời vô hiệu hoá một số interface để đảm bảo không có vòng lặp. Disabled 23/8-10/10/2010 Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 16
17. Bridge và router ◼ Cả hai đều là thiết bị store-and-forward. ◼ Bridge là thiết bị của tầng data link, thao tác với frame còn router là thiết bị tầng mạng thao tác với datagram. ◼ Router: routing table, routing algorithm; bridge: filtering tables, learning & spanning tree algorithm. ◼ Bridge hoạt động đơn giản hơn, hỗ trợ ít hình trạng mạng hơn, không có cơ chế bảo vệ khi bị flood, router có firewall bảo vệ. ◼ Bridge không cần cấu hình (plug-n-play), router cần phải được cấu hình, có địa chỉ IP thì mới hoạt động. ◼ Bridge sử dụng cho mạng có quy mô nhỏ hơn. 23/8-10/10/2010 Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 17
18. Ethernet Switches ◼ Switch là một thiết bị mạng có nhiều ưu điểm. ◼ Switch hoạt động ở tầng data link, có chức năng giống với bridge. ◼ Điểm khác biệt cơ bản giữa switch và bridge là số lượng cổng của switch lớn hơn; switch cho phép kết nối các mạng khác nhau (10BaseT với 100BaseT ). ◼ Switch cho phép hoạt động ở chế độ full-duplex (vừa gửi vừa nhận) với tốc độ tối đa (không xung đột) khi được sử dụng trong star topology. 23/8-10/10/2010 Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 18
19. Star topology Truyền với tốc độ tối đa (full-duplex, dedicated access): + A to A’ + B to B’ + C to C’ 23/8-10/10/2010 Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 19
20. Hub + switch + router in a company 23/8-10/10/2010 Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 20
21. Packet processing at switch, router and host ◼ Cut-through switching: nếu buffer trống, không cần chờ nhận toàn bộ frame mới chuyển tiếp (chỉ cần nhận header → đích rồi nhận đến đâu chuyển đến đấy) 23/8-10/10/2010 Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 21
22. Tổng kết một số đặc tính của hub, router, switch hubs routers switches traffic no yes yes isolation plug & play yes no yes optimal no yes no routing cut yes no yes through 23/8-10/10/2010 Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 22
23. Ch5. Giao thức tầng liên kết dữ liệu 5.1 - Introduction and services 5.2 - Error detection and correction 5.3 - Multiple access protocols & LAN 5.4 - Link-layer addressing & ARP 5.5 - Specific link layer technologies  Ethernet  PPP  Wireless Networks  ATM  Frame Relay 23/8-10/10/2010 Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 23
24. Point-to-Point Data Link Control ◼ Point-to-Point: một sender, một receiver: không cần Media Access Protocol. không cần địa chỉ vật lý MAC addr. PPP sử dụng phổ biến để kết nối máy tính của người dùng với ISP (dial-up, IDSN ). ◼ Một số giao thức PP DLC Protocols: PPP (Point-to-Point Protocol) HDLC (High Level Data Link Control): 23/8-10/10/2010 Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 24
25. Một số yêu cầu với PPP ◼ packet framing: đóng frame các gói tin của các giao thức tầng trên khác nhau. ◼ bit transparency: có khả năng chuyển tải bất cứ cấu trúc bit nào. ◼ error detection: nhận biết lỗi rồi bỏ qua frame. ◼ connection liveness: duy trì kết nối và phát hiện lỗi kết nối (bị ngắt ). ◼ network layer address negotiation: endpoint có thể học/thiết lập đ/c IP cho điểm khác trong mạng. 23/8-10/10/2010 Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 25
26. PPP data frame ◼ flag: phân định ranh rới frame ◼ address: không sử dụng ◼ control: chưa sử dụng ◼ protocol: giao thức tầng trên (PPP-LCP, IP, IPCP ) ◼ info: dữ liệu (gói tin) của tầng trên. ◼ check: mã kiểm tra lỗi CRC 23/8-10/10/2010 Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 26
27. Byte stuffing ◼ Trong trường hợp dữ liệu cần đóng frame có chứa dãy bit (byte) trùng với flag (01111110) → cần thêm vào trước đó 1 byte (stuffs byte) = 01111101. ◼ Khi receiver nhận frame và bắt gặp stuffs byte thì nó xác định byte tiếp theo không phải flag. ◼ Trường hợp dữ liệu có chứa stuffs byte → hai stuffes bytes flag byte pattern plus kế tiếp nhau → receiver vẫn stuffed byte in phân biệt được. transmitted data 23/8-10/10/2010 Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 27
28. PPP Data Control Protocol ◼ PPP cần có cơ chế cho phép các bên tham gia: Thiết lập và cấu hình liên kết PPP (kích thước tối đa của frame, authentication ). Cấu hình network layer Các trạng thái của PPP 23/8-10/10/2010 Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 28
29. Ch5. Giao thức tầng liên kết dữ liệu 5.1 - Introduction and services 5.2 - Error detection and correction 5.3 - Multiple access protocols & LAN 5.4 - Link-layer addressing & ARP 5.5 - Specific link layer technologies  Ethernet  PPP  Wireless Networks  ATM  Frame Relay 23/8-10/10/2010 Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 29
30. Wireless LAN: IEEE 802.11 ◼ Wireless LAN: Kết nối các thiết bị mobile, không cần sử dụng dây. ◼ IEEE 802.11 standard:  MAC Protocol  unlicensed frequency spectrum: 900Mhz, 2.4Ghz ◼ BSS - Basic Service Set (cell).  Wireless host  AP (Access Point) 23/8-10/10/2010 Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 30
31. Một số chuẩn wireless 23/8-10/10/2010 Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 31
32. Ad hoc network ◼ Ad hoc network: Không có Access Point (center control). Không kết nối với mạng ngoài. 23/8-10/10/2010 Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 32
33. Vấn đề chia sẻ “đường truyền” ◼ Do tích chất của sóng Radio (Radio Frequency) nên:  Việc nghe trước khi truyền không phải lúc nào cũng thực hiện được.  Việc phát hiện xung đột gặp nhiều khó khăn. ◼ Hidden terminal (a) & fading problem (b) 23/8-10/10/2010 Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 33
34. IEEE 802.11 MAC Protocol: CSMA/CA 802.11 CSMA: sender ◼ chờ kênh truyền rỗi DISF sec. rồi truyền toàn bộ frame (không có cơ chế phát hiện xung đột). ◼ nếu kênh truyền bận thì chuyển sang binary backoff 802.11 CSMA receiver: ◼ frame được nhận đầy đủ, không lỗi, thì trả lời bằng ACK sau SIFS sec. DIFS (Distributed Inter Frame Space) SIFS (Short Inter Frame Spacing) 23/8-10/10/2010 Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 34
35. IEEE 802.11 MAC Protocol: CSMA/CA 802.11 CSMA: others ◼ Các frame được sender gửi đi đều chứa thêm thông tin về thời gian truyền frame, được gọi là NAV (Network Allocation Vector). ◼ Các host khác nghe thấy thông tin này để xác định thời điểm cho phép truyền → tránh xung đột. 23/8-10/10/2010 Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 35
36. Collision Avoidance: RTS-CTS exchange sender và receiver sử dụng hai frame đặc biệt RTS và CTS để “chiếm dụng kênh truyền”. ◼ RTS (Request To Send): xin phép truyền. ◼ CTS (Clear To Send): receiver trả lời “đã sẵn sàng, có thể gửi dữ liệu”. 23/8-10/10/2010 Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 36
37. Mạng điện thoại di động (cellular phone network) 23/8-10/10/2010 Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 37
38. Bluetooth ◼ IEEE 802.15 ◼ Hiện tại, Bluetooth chủ yếu được sử dụng để kết nối các thiết bị điện tử cá nhân với nhau (gadget).  Điện thoại di động  PDA  Laptop ◼ Phạm vi: 10-100m. ◼ Mạng bao gồm 2-8 thiết bị cá nhân kết nối sử dụng Bluetooth piconet có tên là piconet. 23/8-10/10/2010 Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 38
39. Ch5. Giao thức tầng liên kết dữ liệu 5.1 - Introduction and services 5.2 - Error detection and correction 5.3 - Multiple access protocols & LAN 5.4 - Link-layer addressing & ARP 5.5 - Specific link layer technologies  Ethernet  PPP  Wireless Networks  ATM  Frame Relay 23/8-10/10/2010 Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 39
40. ATM (Asynchronous Transfer Mode) ◼ Ra đời gần đây (mid-1980s). ◼ Là mạng WAN kết hợp truyền telephone voice và dữ liệu với tốc độ cao. ◼ ATM là một kiến trúc mạng với bộ giao thức đầy đủ (application → physical). ◼ ATM sử dụng phương pháp chuyển mạch gói (packet switch) với kích thước gói cố định = 53 bytes (cell); sử dụng Virtual Circuit (Virtual Channel) ◼ Giá thành cao, các ứng dụng cho ATM chưa được phát triển mạnh → ATM chưa phổ biến. ◼ Một số tầng dưới của ATM hiện được sử dụng để xây dựng mạng xương sống của Internet (IP over ATM). 23/8-10/10/2010 Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 40
41. ATM: Internet backbone 23/8-10/10/2010 Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 41
42. Ch5. Giao thức tầng liên kết dữ liệu 5.1 - Introduction and services 5.2 - Error detection and correction 5.3 - Multiple access protocols & LAN 5.4 - Link-layer addressing & ARP 5.5 - Specific link layer technologies  Ethernet  PPP  Wireless Networks  ATM  Frame Relay 23/8-10/10/2010 Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 42
43. Frame Relay & X.25 ◼ Ra đời vào đầu 1980s. ◼ X.25 được coi như công nghệ chuyển mạch gói công cộng đầu tiên. ◼ Frame Relay kế thừa từ X.25. ◼ X.25 và Frame Relay đều là các công nghệ WAN. ◼ Cũng giống ATM, X.25 và Frame Relay “núp dưới bóng” của IP, được sử dụng để truyền các packet của tầng IP giữa các router. ◼ X.25, Frame Relay là những công nghệ của “quá khứ” 23/8-10/10/2010 Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 43