Chương 5. Giao thức tầng liên kiết dữ liệu (data link) ĐH CNTT

MMT_Chuong05

9/30/2011

Chương 5.
Giao thức tầng liên kiết dữ liệu (data link)
Mạng Máy Tính

Nguyễn Duy
Khoa Mạng Máy Tính và Truyền Thông
Trường ĐH Công Nghệ Thông Tin

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

9/30/2011





2 of 44

1


MMT_Chuong05

9/30/2011

Introduction & services

3 of 44



9/30/2011

Data Link
“link”

Data link: Liên kết dữ
liệu; tầng 2.
 PDU: frame.


 packet 



Nhiệm vụ của tầng data
link là truyền các các
packet (datagram) từ nút
này tới nút khác.

9/30/2011

nhiều frame



4 of 44

2


MMT_Chuong05

9/30/2011

Data Link & frame

M
Ht M
Hn Ht M
Hl Hn Ht M



application
transport
network
link
physical

data link
protocol
phys. link

network
link
physical

Hl Hn Ht M
frame

Link:
 router-router; host-host; router-host



frame: dữ liệu của tầng data link

9/30/2011



5 of 44

Các dịch vụ của tầng data link


Đóng frame và truy cập đường truyền (framing,
link access)
 đóng

gói tin vào các frame
 truy nhập đường truyền (đường truyền dùng chung cần
có quy tắc truy nhập)
 địa chỉ vật lý (physical addr) được sử dụng.


Truyền tin cậy (reliable delivery): rdt.
 đảm bảo

các gói tin của tầng mạng không bị lỗi.
 tuỳ thuộc chất lượng đường truyền.
9/30/2011





6 of 44

3


MMT_Chuong05

9/30/2011

Các dịch vụ của tầng data link (cont)


Flow control (điều khiển lưu lượng!!!)
 đảm bảo



lưu lượng truyền hợp lý, nút nhận không bị quá tải

Error detection
 lỗi

có thể phát sinh do nhiễu, tín hiệu yếu…
 nút nhận phát hiện lỗi, bỏ qua hoặc yêu cầu nút gửi gửi lại.


Error correction
 nút



nhận xác định bit bị lỗi và sửa lỗi.

Half-duplex and Full-duplex
các nút không thể truyền nhận đồng thời.
 full-duplex: các nút có thể truyền nhận đồng thời.
 half-duplex:

7 of 44

9/30/2011

Implementation
Link layer được thực thi tại network adapter (NIC –
Network Interface Card):
 NIC = RAM + DSP chips + host bus interface +
link interface


M
Ht M
Hn Ht M
Hl Hn Ht M

application
transport
network
link
physical

data link
protocol
phys. link

network
link
physical

Hl Hn Ht M
frame

adapter card
9/30/2011





8 of 44

4


MMT_Chuong05

9/30/2011

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

9/30/2011



9 of 44

Error detection and correction



D = Data
EDC= Error Detection and Correction bits





Error detection: không phải lúc nào cũng phát hiện được lỗi!

9/30/2011



Bits thêm vào với mục đích kiểm soát lỗi.
Số lượng bit càng cao thì khả năng kiểm soát lỗi càng tốt.



10 of 44

5


MMT_Chuong05

9/30/2011

Parity
Parity: cân bằng!!! (chẵn lẻ).
 Parity chẵn (even parity)


 tổng

số các bit 1 (bao gồm cả bit parity) là chẵn.
 vd: parity của 101010101 là 1 (tổng số bit 1 = 5+1).


Parity lẻ (odd parity):
 tổng

số các bit 1 (bao gồm cả bit parity) là lẻ.
 vd: parity của 101010101 là 0 (tổng số bit 1 = 5).

9/30/2011

11 of 44



Parity checking
Single Bit Parity:
Detect single bit errors

Two Dimensional Bit Parity:
Detect and correct single bit errors

0

9/30/2011





0

12 of 44

6


MMT_Chuong05

9/30/2011

Internet Checksum
Goal: detect “errors” (e.g., flipped bits) in transmitted
segment (note: used at transport layer only)
Sender:





Receiver:

treat segment contents as
sequence of 16-bit integers
checksum: addition (1’s
complement sum) of segment
contents
sender puts checksum value
into UDP checksum field





compute checksum of received
segment
check if computed checksum
equals checksum field value:
 NO - error detected
 YES - no error detected. But
maybe errors nonetheless?
More later ….



9/30/2011

13 of 44

CRC – Cyclic Redundancy Check





Data = d bits dữ liệu (D).
Sender chọn r+1 bit sinh (G - generator).
Chọn r CRC bits (R) sao cho:
 DR chia


hết cho G (modulo 2)

DR = D*2r XOR R. (= (D << r ) XOR R)

 receiver:

nhận D’R’; biết trước G; chia D’R’ cho G, nếu phép
chia có dư  có lỗi.
 có thể phát hiện lỗi <= r bit.


CRC được sử dụng rộng rãi trong thực tế.

9/30/2011





14 of 44

7


MMT_Chuong05

9/30/2011

Phép tính modulo 2


Phép tính modulo N:
 K/quả

modulo N = kết quả bình thường mod N.
 Vd: 5+9 (mod 4) = 14 mod 4 = 2.


Phép tính modulo 2 với số nhị phân:
 Thực

hiện với từng bit.
 1+1 (mod 2) = 0; 1+0 (mod 2) = 1… (không nhớ!!!)
 1-0 (mod 2) = 0 – 1 (mod 2) = 1
 Với hai số nhị phân b1 và b2:


b1 + b2 = b2 + b1 = b1 XOR b2

9/30/2011

15 of 44

CRC Example
Biết: D,G. Tìm R?
DR chia hết cho G (mod 2) nghĩa là:
D.2r XOR R = nG
=> D.2r = nG XOR R
Do vậy:Nếu chia D.2r cho G, phần
dư sẽ là R

R = remainder[

9/30/2011



D.2r
G

]



16 of 44

8

MMT_Chuong05

9/30/2011

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

9/30/2011



17 of 44

Multiple Access
Hai loại “links”:


point-to-point
 PPP (dial-up access: kết nối Internet tại nhà qu modem)
 point-to-point link giữa Ethernet switch và host



broadcast (chia sẻ: shared wire or medium)
 Radio; Bus LAN;
 802.11 wireless LAN

9/30/2011





18 of 44

9


MMT_Chuong05

9/30/2011

MAP: Multiple Access Protocols
Các nút mạng dùng chung một đường truyền.
 Có lúc nhiều nút mạng cùng muốn truyền dữ liệu.


 xung

đột (collision).
 chỉ có một nút truyền thành công!!!


Multiple Access Protocol (MAP):
 các quy

tắc quy định việc sử dụng đường truyền chung
giữa các nút mạng.



Human MAP examples:
khi SV mất trật tự  xung đột (collision).
 Cocktail party: multiple languages
 Class: đôi

9/30/2011



19 of 44

Ideal Mulitple Access Protocol
Đường truyền có tốc độ (rate) = R
 Khi một nút muốn truyền, tốc độ là R.
 Khi M nút muốn truyền, tốc độ TB là R/M.
 Điều khiển truy nhập phân tán:
 không

cần một nút đặc biệt để điều khiển (các nút tự
điều khiển).
 không cần các tín hiệu đồng bộ


Đơn giản.

9/30/2011





20 of 44

10


MMT_Chuong05

9/30/2011

MAP: taxonomy (phân loại)


Channel partitioning (phân mảnh kênh truyền)
 kênh

truyền được chia thành các “miếng” nhỏ (theo thời gian, tần
số, code).
 mỗi “miếng” sẽ được một nút dùng riêng  không xung đột
(collision).


Random access (truy nhập ngẫu nhiên)
nào muốn truyền, ngẫu nhiên truy cập kênh truyền  có khả
năng xung đột; xử lý xung đột?

 nút



Taking turns (truy nhập lần lượt)
phối hợp chặt chẽ trong việc sử dụng đường truyền 
không xung đột.

 các nút

 Goal: efficient, fair, simple, decentralized
9/30/2011



21 of 44

Channel Partitioning MAP: TDMA
TDMA: time division multiple access
 Các nút được lần lượt truy cập đường truyền trong
khoảng thời gian xác định (time slot).
 Không phải nút nào cũng muốn truyền: unused slot
(idle slot).
 Vd: 6

9/30/2011

slots, 3 idle do nút 2,5,6 không có nhu cầu.



22 of 44

11


MMT_Chuong05

9/30/2011

Channel Partitioning MAP: TDMA

 Vd: 2,5,6 idle

9/30/2011

frequency bands

FDMA: frequency division multiple access
 Phổ của kênh truyền được chia thành nhiều dải tần.
 Mỗi dải tần dành riêng cho một nút.
 Như vậy, nút không có nhu cầu truyền thì dải tần
dành cho nó bị lãng phí (unused, idle).



23 of 44

Channel Partitioning MAP: CDMA
CDMA (Code Division Multiple Access)
Mỗi nút được xác định bởi mã duy nhất (code).
 Tất cả các nút sử dụng chung tần số nhưng lại có
mã riêng (CQ - chipping sequence) để mã hoá và
giải mã dữ liệu.
 encoded signal = (data) X (CQ)
 decoding: tích trong của encoded signal và CQ.
 Sử dụng chủ yếu trong mạng wireless (cellular,
satellite…).


9/30/2011





24 of 44

12


MMT_Chuong05

9/30/2011

CDMA example: encode/decode

9/30/2011



25 of 44

CDMA example: two-sender interference
sender 1

sender 2

9/30/2011





26 of 44

13


MMT_Chuong05

9/30/2011

Random Access Protocols


Khi nút muốn truyền:

 truy

nhập đường truyền và truyền với tốc độ R
 không có chế độ ưu tiên cho nút nào cả.


Nếu nhiều nút cùng truyền  xung đột.
 cần có

cơ chế phát hiện xung đột (collision detection).
 khôi phục khi có xung đột (recovery): chờ một lúc rồi
truyền lại…


Một số giao thức:
 slotted

ALOHA, ALOHA.
 CSMA, CSMA/CD.
27 of 44



9/30/2011

Slotted ALOHA
Chia thành các khoảng thời gian (time slot) = thời
gian cần để truyền một frame.
 Nút luôn bắt đầu truyền từ thời điểm bắt đầu slot.
 Nếu xung đột, sẽ truyền lại frame tại thời điểm bắt

đầu slot tiếp theo với xác suất p chọn trước.


At best: channel
use for useful
transmissions 37%
of time!

VD

Success (S), Collision (C), Empty (E) slots
9/30/2011





28 of 44

14


MMT_Chuong05

9/30/2011

CSMA (Carrier Sense Multiple Access)


Carrier Sense:

 lắng

nghe trước khi truyền.

Nếu kênh truyền rỗi thì truyền toàn bộ frame.
 Nếu kênh truyền bận, tuỳ cơ ứng biến:


 thử

lại ngay lập tức với xác suất p cho tới khi kênh
truyền rỗi.
 thử lại sau một khoảng thời gian ngẫu nhiên.

9/30/2011



29 of 44



30 of 44

CSMA collisions


space:
 khoảng

cách giữa các

nút.





time: thời gian.
Xung đột vẫn có thể xảy
ra nếu trong khoảng
thời gian t1-t0 tín hiệu
chưa lan truyền được từ
B tới D.
Lãng phí!, cần cơ chế
phát hiện xung đột.

9/30/2011



15


MMT_Chuong05

9/30/2011

CSMA/CD (Collision Detection)


CSMA/CD:
 nghe

trước khi truyền.
 dò xung đột trong một khoảng thời gian ngắn (đủ lớn).
 nếu phát hiện xung đột thì dừng truyền để tránh lãng
phí.


Phát hiện xung đột:
 wired

LAN: đo hiệu điện thế.
 wireless: ???

9/30/2011



31 of 44



32 of 44

CSMA/CD: example

9/30/2011

16


MMT_Chuong05

9/30/2011

“Taking Turns” MAP


Channel partitioning MAP:
 hiệu

quả khi nhiều nút cùng sử dụng
 ngược lại, gây lãng phí khi chỉ có vài nút cần truyền tin.


Random Access MAP:
 hiệu

quả khi ít nút sử dụng: một nút có thể toàn quyền
sử dụng đường truyền với tốc độ cao nhất.
 nhiều nút cùng sử dụng: xung đột.


Taking turns:
 Tìm

kiếm giải pháp tốt cho cả hai tình huống.


9/30/2011

33 of 44

“Taking Turns” MAP: Polling & Token passing
Polling
 Có một nút điều khiển (master)
có nhiệm vụ:







Không xung đột.
Vấn đề:



9/30/2011



lần lượt “thông báo” cho các nút
khác biết đến lượt truyền và được
phép truyền tối đa một số lượng

frame nào đó.
khi một nút kết thúc truyền,
master thông báo cho nút khác.

Token passing
 Thẻ bài (token) là một thông
báo đặc biệt mà nút nào nắm
giữ nó sẽ được phép sử dụng
đường truyền.
 Thẻ bài được luân chuyển giữa
các nút.
 Vấn đề:


mất thời gian thông báo: tốc độ
trung bình < R.
khi master gặp sự cố thì cả mạng
ngừng hoạt động!



Một nút gặp sự cố ảnh hưởng tới
toàn mạng.
nút nào đó sao nhãng việc chuyển
thẻ bài cho nút khác  cần một
vài thủ tục để khôi phục.



34 of 44

17


MMT_Chuong05

9/30/2011

LAN


MAP được sử dụng rộng rãi:
 satellite,

wireless…
 LAN (Local Area Network).


LAN:
 Mạng

nội bộ, có phạm vi hẹp (toàn nhà, trường ĐH…)
 Vd: LAN kết nối Internet




chia sẻ đường truyền.

Các loại LAN:

 Ethernet: phổ

biến, sử dụng Random Access MAP.
 FDDI (Fiber Distributed Data Interface): Token-passing.
…
9/30/2011



35 of 44

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
Link--layer addressing & ARP
5.5 - Specific link layer technologies

9/30/2011





36 of 44

18

MMT_Chuong05

9/30/2011

Link layer address
32-bit IP address:



network-layer address
IP được đóng trong các gói tin (nguồn, đích).

LAN (or MAC or physical) address:



48 bit (6 bytes) MAC address (đối với hầu hết LANs)
được ghi trong adapter ROM

*MAC: Media Access Control (Link layer = MAC + LLC
(Logical Link Control)
37 of 44



9/30/2011

LAN Addresses and ARP
Mỗi adapter có một địa chỉ vật lý duy nhất, tương tự như số CMTND.

1A-2F-BB-76-09-AD

LAN
(wired or
wireless)
71-65-F7-2B-08-53

Broadcast address =
FF-FF-FF-FF-FF-FF

= adapter
58-23-D7-FA-20-B0

0C-C4-11-6F-E3-98

9/30/2011





38 of 44

19


MMT_Chuong05

9/30/2011

MAC address (cont)
Địa chỉ vật lý được phân bổ bởi IEEE.
 Nhà sản xuất phải đăng ký dải địa chỉ với IEEE.
 Khi di chuyển từ mạng này sang mạng khác: địa
chỉ IP thay đổi nhưng địa chỉ vật lý không thay đổi.
 So sánh:


 địa

chỉ vật lý: số CMTND.
 địa chỉ IP: địa chỉ hòm thư.


Các frame muốn gửi tới đích thì cần chứa địa chỉ
vật lý của nút đích.
39 of 44



9/30/2011

When packet sent from A to B
A gửi packet tới B, A sẽ:



Tra cứu địa chỉ mạng của B,
phát hiện ra B cùng mạng với A
link layer gửi packet tới B thông

qua frame.

223.1.1.1
223.1.2.1
223.1.1.2
223.1.1.4 223.1.2.9

B
223.1.1.3

223.1.3.27

223.1.3.1

frame source,
dest address
B’s MAC A’s MAC
addr
addr

A

223.1.2.2

E

223.1.3.2

packet source,
dest address

A’s IP
addr

B’s IP
addr

IP payload

datagram
frame
9/30/2011





40 of 44

20


MMT_Chuong05

9/30/2011

ARP: Address Resolution Protocol


???: Làm thế nào để
biết địa chỉ vật lý của B khi

biết IP của B?

237.196.7.78
1A-2F-BB-76-09-AD
237.196.7.23

237.196.7.14

Cấu tạo bản ghi:
< IP address; MAC address; TTL>


LAN
71-65-F7-2B-08-53

Mỗi nút mạng (Host,
Router) đều có ARP
table
ARP Table: cho phép từ
IP tra cứu ra MAC addr

58-23-D7-FA-20-B0

TTL (Time To Live):
thời gian tồn tại của bản
ghi tới khi bị xoá.

0C-C4-11-6F-E3-98
237.196.7.88

9/30/2011



41 of 44

Trường hợp chưa biết MAC addr của nút


Nếu A muốn biết MAC addr của B (không có trong
ARP table)
 A đã

biết IP của B (ipb).
 A gửi ARP query packet tới tất cả các nút (broadcast),
trong đó có chứa IP của B (ipb) hỏi xem nút nào có
địa chỉ IP là ipb.
 Tất cả các nút đều nhận được và kiểm tra xem ipb có
trùng với IP của mình không, nếu trùng thì trả lời (nút
B).

9/30/2011





42 of 44

21

MMT_Chuong05

9/30/2011

Trường hợp hai nút ở hai mạng khác nhau



A (111.111.111.111) muốn gửi tin tới B (222.222.222.222)
A không biết MAC addr của B, nếu gửi ARP pkt hỏi
LAN1  không có nút nào trả lời.

A

R









43 of 44

9/30/2011



B

A creates IP packet with source A, destination B
A uses ARP to get R’s physical layer address for 111.111.111.110
A creates frame with R's physical address as dest, frame contains Ato-B IP datagram
A’s data link layer sends frame
R’s data link layer receives frame
R removes IP datagram from frame, sees its destined to B
R uses ARP to get B’s physical layer address
R creates frame containing A-to-B IP datagram sends to B
A

R

9/30/2011



B


44 of 44

22