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



Ethernet
PPP
Wireless Networks

ATM
Frame Relay



2 of 42

1


MMT_Chuong05

9/30/2011

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


9/30/2011

3 of 42

Ethernet Star Topology example
Ethernet là mạng
Broadcast

9/30/2011





4 of 42

2


MMT_Chuong05

9/30/2011

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

9/30/2011



5 of 42

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.
9/30/2011

6 of 42

3


MMT_Chuong05

9/30/2011

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).

9/30/2011



7 of 42

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 nữa.

9/30/2011

8 of 42

4


MMT_Chuong05

9/30/2011

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.


10/100BaseT sử dụng hub (star)

Độ dài tối đa của cáp từ hub tới
host: 100m.

9/30/2011



9 of 42

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.


9/30/2011





10 of 42

5

MMT_Chuong05

9/30/2011

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

9/30/2011



11 of 42

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.


9/30/2011





12 of 42

6


MMT_Chuong05

9/30/2011

Không có 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

backbone bridge

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.


9/30/2011



13 of 42

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.

9/30/2011





14 of 42

7


MMT_Chuong05

9/30/2011

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

9/30/2011

15 of 42

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.

9/30/2011





16 of 42

8


MMT_Chuong05

9/30/2011

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.


9/30/2011

17 of 42



Star topology
Truyền với tốc độ tối đa
(full-duplex, dedicated access):

+ A to A’
+ B to B’
+ C to C’

9/30/2011





18 of 42

9


MMT_Chuong05

9/30/2011

Hub + switch + router in a company

9/30/2011



19 of 42

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)

9/30/2011





20 of 42

10


MMT_Chuong05

9/30/2011

Tổng kết một số đặc tính của hub, router, switch
hubs

routers

switches

traffic
isolation

no

yes

yes

plug & play

yes

no

yes

optimal
routing
cut
through

no

yes

no

yes

no

yes

9/30/2011

21 of 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






9/30/2011



Ethernet
PPP
Wireless Networks
ATM
Frame Relay

22 of 42

11


MMT_Chuong05

9/30/2011

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):

9/30/2011

23 of 42

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.


9/30/2011





24 of 42

12


MMT_Chuong05

9/30/2011

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

9/30/2011



25 of 42

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
kế tiếp nhau  receiver vẫn
phân biệt được.

9/30/2011





flag byte pattern plus
stuffed byte in
transmitted data

26 of 42

13


MMT_Chuong05

9/30/2011

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



9/30/2011

27 of 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







9/30/2011



Ethernet
PPP
Wireless Networks
ATM
Frame Relay



28 of 42

14


MMT_Chuong05

9/30/2011

Wireless LAN: IEEE 802.11




Wireless LAN: Kết nối
các thiết bị mobile,
không cần sử dụng dây.
IEEE 802.11 standard:
 MAC

Protocol
frequency
spectrum: 900Mhz,
2.4Ghz

 unlicensed



BSS - Basic Service Set
(cell).
 Wireless

host
 AP (Access Point)
9/30/2011



29 of 42

Một số chuẩn wireless

9/30/2011





30 of 42

15


MMT_Chuong05

9/30/2011

Ad hoc network


Ad hoc network:
 Không

có Access
Point (center
control).
 Không kết nối với
mạng ngoài.

9/30/2011

31 of 42

Vấn đề chia sẻ “đường truyền”


Do tích chất của sóng Radio (Radio Frequency) nên:





Hidden terminal (a) & fading problem (b)

9/30/2011



Việc nghe trước khi truyền không phải lúc nào cũng thực hiện được.
Việc phát hiện xung đột gặp nhiều khó khăn.



32 of 42

16


MMT_Chuong05

9/30/2011

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)

9/30/2011



33 of 42

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.
9/30/2011





34 of 42

17


MMT_Chuong05

9/30/2011

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”.

9/30/2011



35 of 42

Mạng điện thoại di động (cellular phone network)

9/30/2011





36 of 42

18


MMT_Chuong05

9/30/2011

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
có tên là piconet.

piconet



9/30/2011

37 of 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






9/30/2011



Ethernet
PPP
Wireless Networks
ATM
Frame Relay



38 of 42

19


MMT_Chuong05

9/30/2011

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).

9/30/2011



39 of 42

ATM: Internet backbone

9/30/2011





40 of 42

20


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






Ethernet

PPP
Wireless Networks
ATM
Frame Relay

9/30/2011



41 of 42

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”


9/30/2011

42 of 42

21