Bài giảng mạng máy tính chương 5 cđ CNTT hữu nghị việt hàn

MẠNG MÁY TÍNH
COMPUTER NETWORK
Chương 5. Lớp Điều Khiển Truy Cập
Mạng và Các Hệ Thống Mạng Liên Quan


5.1 Lớp điều khiển truy cập – Media Access Control MAC
 Các giao thức dùng để xác định người dùng nào được quyền
sử dụng kênh truyền đa truy cập thuộc vào lớp con của Lớp
Liên kết dữ liệu, được gọi là lớp Điều khiển truy cập (Media
Access Control – MAC)
 Lớp này có vai trò quan trọng trong mạng LAN, là một
mạng sử dụng kênh đa truy cập làm nền tảng truyền tin,
khác với mạng WAN, sử dụng liên kết điểm-nối-điểm ngoại
trừ thông tin vệ tinh


5.1.1 Phân bố kênh dữ liệu
 Để phân bổ một kênh dữ liệu chung cho các
người dùng có yêu cầu trên mạng, sử dụng 2
phương thức thực hiện:
 phân bố tĩnh
 phân bố động


5.1.1.1 Phân bố tĩnh
 Phương thức phân bố kênh tĩnh đơn giản nhất là phân kênh
theo tần số (FDM). Nếu số lượng người dùng là N thì băng
thông được chia thành N phần bằng nhau, mỗi người dùng
được gán một phần. Vì mỗi người dùng có một tần số riêng
nên không xảy ra hiện tượng nhiễu lẫn nhau. Khi số lượng

người dùng ít và cố định, mỗi kênh truyền có lưu lượng lớn
thì cơ chế phân kênh FDM là đơn giản và hiệu quả.
 Tuy nhiên, khi số lượng người dùng lớn và thay đổi hoặc
bùng nổ lưu lượng, thì FDM sẽ gặp rắc rối.
 Một phương thức phân kênh khác tương tự là phân kênh
theo thời gian (TDM), mỗi người dùng được phân bố một
khe thời gian. Nếu người dùng đó không sử dụng khe thời
gian đó thì khe thời gian sẽ rỗi. Phương thức này cũng gặp
phải các trở ngại tương tự như FDM


5.1.1.2 Phân bố động
 Mô hình trạm: mô hình này gồm N máy trạm độc lập nhau
(ví dụ các máy tính, điện thoại, máy cá nhân, ...), mỗi máy
trạm có chương trình hoặc các người dùng tạo ra khung dữ
liệu truyền đi. Chúng còn được gọi là các đầu cuối. Khi
khung dữ liệu được tạo ra, máy trạm bị khóa và ngưng hoạt
động cho đến khi khung được truyền đi.
 Khái niệm về kênh đơn: một kênh đơn là kênh dữ liệu dùng
cho tất cả các trường hợp truyền tin. Tất cả các máy trạm
đều sử dụng nó để phát và thu tín hiệu. Các máy trạm đều
có vai trò tương đương như nhau trên kênh truyền.
 Khái niệm về xung đột: Nếu 2 khung truyền đồng thời thì
chúng sẽ chồng lên nhau và gây méo tín hiệu. Hiện tượng
này được gọi là xung đột. Trên thực tế, tất cả các trạm đều
có khả năng dò xung đột.


5.1.1.2 Phân bố động
 Thời gian liên tục: Các khung có thể truyền bất kỳ

lúc nào. Không có một đồng hồ chủ để phân chia
kênh thành các khe thời gian.
 Khe thời gian: Thời gian được chia thành các
khoảng rời rạc. Khung dữ liệu luôn luôn được
truyền ở thời điểm bắt đầu của khe thời gian.
 Cảm biến sóng mang: Các trạm có thể cảm nhận
được kênh truyền trước khi truy cập. Nếu kênh bận
sẽ không có trạm nào truy cập đến nó cho đến khi
kênh ở trạng thái rỗi.
 Không cảm biến sóng mang: máy trạm không cảm
nhận được kênh truyền trước khi truy cập.


5.1.2 Các giao thức đa truy cập
 Trên thực tế, có nhiều giao thức khác nhau để phân bố kênh
dữ liệu. Ở trong phần này chúng ta sẽ nghiên cứu một số các
giao thức điển hình.

5.1.2.1 ALOHA
a- Pure ALOHA: Nguyên tắc cơ bản của Pure ALOHA tương
đối đơn giản như sau:
- Cho phép người sử dụng truyền tin bất kỳ thời điểm nào
- Chấp nhận xung đột dữ liệu và các khung dữ liệu có thể sẽ bị
phá hỏng trong quá trình truyền
- Xung đột có thể được cảm nhận bởi các máy trạm bằng cách
lắng nghe kênh truyền
- Nếu xung đột xảy ra, đầu phát sẽ đợi trong một khoảng thời
gian ngẫu nhiên trước khi thực hiện phát lại

5.1.2 Các giao thức đa truy cập


5.1.2 Các giao thức đa truy cập
 Một khung dữ liệu sẽ không bị xung đột với các khung khác
nếu trong thời gian truyền khung dữ liệu đó không có khung
nào khác truyền đi. Nếu trong thời gian đó có xung đột xảy
ra (như hình vẽ) thì Pure ALOHA cũng không đưa ra biện
pháp nào để khắc phục sự cố này.


b- Slotted ALOHA
 Năm 1972, Roberts đưa ra một phương pháp làm tăng gấp
đôi dung lượng của hệ thống ALOHA như sau:
 Khung thời gian truyền được phân chia thành các khoảng
thời gian nhỏ, mỗi khoảng thời gian đó tương ứng với một
khung dữ liệu. Như vậy dữ liệu của người sử dụng phải
được đồng bộ và gửi ở thời điểm bắt đầu của khung.
 Phương pháp này giảm thiểu xung đột vì các dữ liệu của
người dùng không ảnh hưởng đến nhau. Tuy nhiên, khi có 2
hoặc nhiều dữ liệu của người sử dụng cố gắng truyền ở thời
điểm bắt đầu của một khung thì vẫn xảy ra xung đột. Trong
trường hợp này, các máy trạm phải đợi trong một khoảng
thời gian ngẫu nhiên trước khi phát lại.


5.1.2 Các giao thức đa truy cập


5.1.2.2 Giao thức đa truy cập cảm nhận sóng mang

(CSMA)
a- Persistent và Non-Persistent CSMA
 1-Persistent CSMA: Khi một trạm muốn gửi dữ liệu, đầu
tiên nó phải lắng nghe trạng thái hiện tại của kênh truyền.
Nếu kênh truyền bận thì nó sẽ đợi cho đến khi kênh truyền
rỗi. Máy trạm sẽ phát một khung dữ liệu khi dò thấy kênh
truyền rỗi. Nếu xảy ra xung đột, máy trạm sẽ đợi trong một
khoảng thời gian ngẫu nhiên và phát lại.
 Giao thức này được gọi là 1-Persistent vì xác suất phát dữ
liệu là 1 khi dò thấy kênh truyền rỗi.
 Đối với giao thức Non-persistent CSMA, trước khi gửi dữ
liệu, nếu dò thấy kênh rỗi thì nó sẽ tiến hành gửi dữ liệu,
nếu kênh truyền bận, máy trạm sẽ không tiếp tục cảm nhận
sóng mang nữa mà thay vào đó, nó sẽ đợi trong một khoảng
thời gian ngẫu nhiên và lặp lại quá trình trên. Phương thức
này làm tăng hiệu quả sử dụng kênh truyền nhưng độ trễ lại
lớn hơn so với phương pháp 1-persistent CSMA


5.1.2.2 Giao thức đa truy cập cảm nhận sóng mang
(CSMA)
 Một giao thức nữa thuộc nhóm giao thức này là p-persistent
CSMA. Giao thức này sử dụng phương thức phân khe thời
gian cho kênh truyền. Khi dò thấy kênh truyền rỗi, máy
trạm bắt đầu phát với xác suất là p. Với một xác suất là q =
1-p , nó sẽ ngưng phát cho đến khe kế tiếp. Nếu kênh tiếp
tục rỗi thì nó hoặc là tiếp tục phát hoặc là ngưng phát với
xác suất là p và q. Quá trình này đượclặp lại cho đến khi
toàn bộ khung được phát đi hoặc có một trạm khác bắt đầu
phát dữ liệu. Giao thức này ít xảy ra xung đột hơn vì tất cả

các trạm muốn gửi dữ liệu sẽ không gửi đồng thời khi kênh
truyền rỗi


5.1.2.2 Giao thức đa truy cập cảm nhận sóng mang
(CSMA)


5.1.2.2 Giao thức đa truy cập cảm nhận sóng mang
(CSMA)
 b- Giao thức đa truy cập cảm nhận sóng mang/dò xung đột
(CSMA/CD)
 Trong các giao thức trước, các máy trạm sẽ phát hết toàn bộ khung dữ
liệu bất chấp có xung đột với một khung dữ liệu khác. Nếu trạm phát bỏ
qua việc phát khung dữ liệu ngay khi dò có xung đột sẽ tiết kiệm được
thời gian và băng thông của kênh truyền. Giao thức CSMA/CD dò xung
đột bằng cách đo năng lượng hoặc độ rộng xung của tín hiệu thu được
và so sánh với tín hiệu phát.

 Sau khi dò thấy có xung đột, nó sẽ hủy bỏ việc phát dữ liệu, đợi trong
một khoảng thời gian ngẫu nhiên và phát lại. Mô hình này gồm các quá
trình: giành quyền phát dữ liệu, truyền dữ liệu và quá trình rỗi


5.1.2.3 Giao thức Collision-Free
 Mặc dù xung đột không xuất hiện trong mô hình
CSMA/CD một khi trạm phát đã giành được kênh
truyền, nhưng trong quá trình tranh chấp kênh
truyền vẫn có thể xảy ra xung đột. Các xung đột
này ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống, đặc

biệt đối với trường hợp độ dài cáp lớn và kích
thước khung dữ liệu nhỏ. Trong phần này, chúng ta
sẽ khảo sát một số giao thức giải quyết vấn đề trên
mà không gây xung đột dữ liệu.


5.1.2.3 Giao thức Collision-Free
a- Giao thức Bit-map
 Mỗi quá trình tranh chấp kênh dữ liệu được chia thành N khe
thời gian. Nếu trạm thứ 0 trong mạng muốn gửi dữ liệu, nó
sẽ phát bit 1 vào khe thứ 0, các trạm khác không được sử
dụng khe thời gian thứ 0 này. Trong khi đó trạm thứ 1 vẫn có
thể phát bit 1 vào khe thời gian 1 nếu có nhu cầu phát dữ
liệu. Một cách tổng quát, trạm thứ j sẽ thông báo có nhu cầu
gửi dữ liệu bằng cách phát bit 1 vào khe thời gian j. Như vậy,
kết thúc quá trình ta sẽ xác định được trạm nào có nhu cầu
phát dữ liệu và thực hiện quá trình phát dữ liệu theo thứ tự.


5.1.2.3 Giao thức Collision-Free
b- Phương pháp đếm ngược nhị phân
 Một vấn đề nảy sinh đối với giao thức Bit-map là phải gắn
thêm phần mào đầu 1 bit cho mỗi trạm, vì vậy nếu số trạm
tăng lên hàng ngàn thì nó sẽ chiếm một băng thông lớn. Vấn
đề này được giải quyết bằng cách sử dụng phương pháp
đánh số nhị phân cho các trạm. Một trạm muốn sử dụng
kênh truyền sẽ phát địa chỉ của mình ở dạng chuỗi nhị phân
có trọng số và các chuỗi địa chỉ có cùng độ dài. Trong
trường hợp này, ta giả sử độ trễ của truyền dẫn không đáng
kể các trạm có thể nhận ra địa chỉ một cách tức thời.

5.1.2.4 Giao thức Limited-Contention
 Xét các chiến lược giành kênh dữ liệu trong mạng máy tính gồm: tranh
chấp và giải tỏa xung đột (collision-free), mỗi chiến lược tác động đến 2
yếu tố hoạt động quan trọng của mạng là: gây trễ ở trường hợp tải thấp
và hiệu quả truyền tin ở tải cao. Với trường hợp tải thấp, chiến lược
tranh chấp có ưu thế hơn do độ trễ thấp. Khi tải tăng lên, chiến lược
tranh chấp trở nên không hiệu quả do phần mào đầu lớn. Ngược lại, đối
với trường hợp tải cao, hiệu quả kênh truyền sẽ được cải thiện khi sử
dụng chiến lược giải tỏa xung đột.
 Một giao thức kết hợp cả 2 đặc tính trên, sử dụng chiến lược tranh chấp
ở trường hợp tải thấp và chiến lược giải tỏa xung đột ở tải cao để nâng
cao hiệu quả kênh truyền được gọi là giao thức tranh chấp tới hạn
(Limited-Contention).
 Để thực hiện được điều này, giao thức Limited-Contention sử dụng
thuật toán adaptive tree walk để cấp khe thời gian động cho các máy
trạm. Khi tải có dung lượng thấp, một khe có thể sử dụng cho nhiều
trạm, khi tải dung lượng cao thì số trạm sử dụng ít hơn.


5.1.2.4 Giao thức Limited-Contention


5.1.2.4 Giao thức Limited-Contention
 Giao thức trên hỗ trợ 3 loại kênh dữ liệu:
(1) Kênh dữ liệu có kết nối (connection-oriented) với
tốc độ bit không đổi, ví dụ như tín hiệu video không
nén.
(2) Kênh dữ liệu có kết nối (connection-oriented) với

tốc độ bit thay đổi.
(3) Kênh dữ liệu dạng gói (datagram) như gói UDP.
Với 2 kiểu kênh dữ liệu có kết nối, để máy trạm A có
thể trao đổi dữ liệu với máy trạm B, đầu tiên nó phải
gửi khung CONNECTION REQUEST vào một khe
trống của kênh điều khiển của máy trạm B, nếu
được B chấp nhận, việc trao đổi thông tin mới được
thực hiện ở máy trạm A.


5.1.2.4 Giao thức Limited-Contention
 Trong giao thức này, mỗi trạm có 2 bộ phát và 2 bộ
thu như sau:
- Một bộ thu bước sóng cố định để lắng nghe trạng thái
của kênh điều khiển
- Một bộ phát có khả năng điều chỉnh bước sóng được
dùng để gửi dữ liệu lên kênh điều khiển của máy
trạm khác.
- Một bộ phát bước sóng cố định để phát dữ liệu
- Một bộ thu có khả năng điều chỉnh bước sóng được
dùng để dò dữ liệu của đầu phát


5.1.2.5 Giao thức đa truy cập phân chia theo bước
sóng (WDMA)
 Giao thức này được sử dụng rộng rãi trong mạng LAN cáp
quang, cho phép kết nối ở nhiều bước sóng khác nhau tại
cùng một thời điểm. Để thực hiện được điều này, người ta
chia phổ tần số thành các kênh (dải bước sóng), mỗi trạm
được gán 2 kênh truyền. Một kênh dải hẹp được sử dụng để

làm kênh điều khiển, một kênh dải rộng được sử dụng để
truyền dữ liệu.
 Trên hình vẽ mô tả kênh đa truy cập phân chia theo bước
sóng với số khe thời gian dùng để điều khiển là m, số khe
thời gian dùng để truyền dữ liệu là n+1, trong đó khe thời
gian cuối cùng dùng để thông báo trạng thái của kênh
truyền. Ở cả 2 kênh truyền, các khe thời gian lặp lại vô tận
và khe thời gian thứ 0 được đánh dấu theo cách riêng để có
thể nhận biết dễ dàng. Tất cả các kênh truyền đều được
đồng bộ bởi một đồng hồ chung.


5.1.2.6 Giao thức mạng LAN không dây
 Khi nhu cầu về truyền thông di động và tính toán di động
tăng thì nhu cầu kết nối không dây cũng tăng lên. Các thiết
bị di động sử dụng sóng vô tuyến hoặc hồng ngoại để truyền
thông và nối mạng với nhau, từ đó hình thành nên một
mạng máy tính gọi là mạng máy tính không dây (hoặc mạng
LAN không dây). Mạng LAN không dây này có một số đặc
điểm khác với mạng LAN thông thường. Ở phần này chúng
ta sẽ khảo sát một số giao thức liên quan đến mạng LAN
không dây.
 Một cách đơn giản, hãy thử áp dụng giao thức CSMA cho
mạng LAN không dây: chỉ làm nhiệm vụ dò tín hiệu phát từ
các trạm khác và phát tín hiệu cho các máy trạm khác. Ta dễ
dàng nhận thấy rằng, giao thức này không phù hợp với
mạng LAN không dây do hiện tượng nhiễu xảy ra ở đầu thu
chứ không phải xảy ra ở đầu phát

5.1.2.6 Giao thức mạng LAN không dây
 Một giao thức được thiết kế cho mạng LAN không
dây ra đời đầu tiên là giao thức MACA (Multiple
Access with Collision Avoidance).