MẠNG MÁY TÍNH COMPUTER NETWORK

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

2. 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

3. 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

4. 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. 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.

6. 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.

7. 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

8. 5.1.2 Các giao thức đa truy cập

9. 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.

10. 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.

11. 5.1.2 Các giao thức đa truy cập

12. 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

13. 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

14. 5.1.2.2 Giao thức đa truy cập cảm nhận sóng mang (CSMA)

15. 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

16. 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 châp 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.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

20. 5.1.2.4 Giao thức Limited-Contention

21. 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.

22. 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

23. 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.

24. 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

25. 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).

26. 5.1.2.6 Giao thức mạng LAN không dây Giao thức MACA và MACAW • Nguyên tắc cơ bản của giao thức MACA là trạm phát sẽ kích hoạt trạm thu phát ra một khung dữ liệu ngắn để các trạm lân cận biết và không phát dữ liệu trong suốt thời gian trạm này phát dữ liệu. • Để có thể truyền dữ liệu từ A đến B, ban đầu, A gửi tín hiệu RTS (Request To Send) đến B, khung dữ liệu này có độ dài là 30 byte chứa độ dài của khung dữ liệu cần phát. Máy trạm B sẽ phúc đáp tín hiệu CTS (Clear To Send). Khi A nhận được CTS thì mới bắt đầu phát dữ liệu.

27. 5.1.2.6 Giao thức mạng LAN không dây • Bất kỳ một trạm lân cận nào của A nhận được tín hiệu RTS đều phải ở trạng thái “lặng” trong một khoảng thời gian đến khi nhận được tín hiệu CTS gửi trả về cho A. Các trạm lân cận của B nhận được tín hiệu CTS cũng phải ở trạng thái “lặng” trong suốt quá trình dữ liệu truyền đi với thời gian truyền được thể hiện trong tín hiệu CTS. • Giao thức MACA được Bharghavan cải tiến năm 1994 và đổi tên thành MACAW (giao thức MACA cho mạng không dây). • Lớp MAC đóng một vai trò quan trọng và được sử dụng trong nhiều kiến trúc mạng khác nhau. Sau đây chúng ta sẽ khảo sát một số kiến trúc mạng và các kỹ thuật liên quan đến lớp MAC.

28. 5.2 Mạng Ethernet • 5.2.1 Kết nối vật lý mạng Ethernet • 5.2.2 Mã hóa Manchester • 5.2.3 Giao thức lớp MAC của mạng Ethernet • 5.2.4 Thuật toán quay về theo hàm mũ nhị phân • 5.2.5 Chuyển mạch Ethernet • 5.2.6 Fast Ethernet • 5.2.7 Gigabit Ethernet • 5.2.8 Chuẩn IEEE 802.2: Điều khiển liên kết logic (LLC) • 5.2.9 Đánh giá mạng Ethernet

29. 5.2.1 Kết nối vật lý mạng Ethernet • Có 4 loại cáp dùng để nối mạng Ethernet thông dụng

30. 5.2.1 Kết nối vật lý mạng Ethernet • Với cáp 10Base5, cáp thu phát (transceiver cable) nối bộ thu/phát (transceiver) với mạch giao diện trong máy tính. Cáp thu phát này có chiều dài khoảng 50m và có 5 cặp dây. Trong đó, 2 cặp dùng cho thu /phát dữ liệu. Hai cặp tiếp theo dùng để thu/ phát tín hiệu điều khiển. Cặp dây thứ 5, cấp nguồn cho bộ thu/phát từ máy tính. • Với cáp 10Base2, cáp nối đến máy tính chỉ cần đi qua bộ nối T (BNC T-junction). Bộ thu/phát dữ liệu được tích hợp trong bo mạch điều khiển của máy tính • Với cáp 10Base-T, mỗi máy tính được nối đến Hub bằng cáp riêng. Độ dài tối đa từ Hub đến máy tính chi 100m. Một phiên bản của 10Base-T là 100Base-T. • Với cáp 10Base-F, sử dụng cáp quang, chi phí cho loại cáp này tương đối tốn kém nhưng chất lượng của đường truyền rất tốt và có thể truyền với khoảng cách xa lên đến hàng km.

31. 5.2.1 Kết nối vật lý mạng Ethernet • Mạng Ethernet có các cấu hình như sau • (a) Cấu hình ngang hàng (Linear) • (b) Cấu hình đường trục • (c) Cấu hình cây • (d) Cấu hình phân đoạn

32. 5.2.2 Mã hóa Manchester • Để đầu thu dữ liệu có thể phân biệt được chính xác thời điểm bắt đầu, kết thúc và điểm giữa của bit dữ liệu mà không cần đối chiếu với một đồng hồ chuẩn bên ngoài, người ta đưa ra 2 phương thức mã hóa là Mã hóa Manchester và mã hóa Manchester vi sai. • Với mã hóa Manchester, thời gian tồn tại của mỗi bit được chia thành 2 phần bằng nhau. Bit 1 được gửi đi bằng ½ mức cao và ½ mức thấp. Phương pháp này cho phép đầu thu phân biệt được điểm giữa của tín hiệu nên dễ dàng đồng bộ với đầu phát. Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi băng thông phải rộng gấp đôi vì độ rộng của xung bị chia đôi.

33. 5.2.1 Kết nối vật lý mạng Ethernet • Mã hóa Manchester vi sai dựa trên nền tảng của mã hóa Manchester nhưng nó biểu thị bit 1 bằng sự đồng mức tại điểm bắt đầu của xung bit và ngược lại cho trường hợp bit 0. Phương pháp này đòi hỏi các thiết bị tương ứng có độ phức tạp cao hơn nhưng ít lỗi hơn. • Tất cả các mạng Ethernet đều dùng phương pháp mã hóa Manchester vì tính đơn giản của nó.

34. 5.2.3 Giao thức lớp MAC của mạng Ethernet • Cấu trúc khung cơ bản của lớp này được biểu thị trong hình vẽ sau: • Phần mào đầu (Preamble): 8 byte, chứa chuỗi bit 10101010. Mã hóa Manchester của chuỗi bit này tạo ra chuỗi xung vuông 10MHz có độ rộng xung là 6.4 µsec, cho phép đầu thu đồng bộ với đầu phát.

35. Trường địa chỉ: một chứa địa chỉ đích và một chứa địa chỉ nguồn với kích thước là 2 byte và 6 byte. Đối với mạng 10Mbps băng gốc chỉ sử dụng trường địa chỉ 6 byte. Bit có trọng số cao nhất của trường địa chỉ đích có giá trị 0 đối với trường hợp bình thường, và có giá trị 1 đối với trường hợp địa chỉ nhóm. Địa chỉ nhóm cho phép nhiều trạm có thể trao đổi dữ liệu với một trạm. Khi một khung dữ liệu gửi đến nhóm địa chỉ, tất cả các trạm có thể nhận được khung dữ liệu này. Việc gửi dữ liệu đến một nhóm các máy trạm được gọi là multicast. Trường hợp phát quảng bá, trường địa chỉ chứa toàn bit 1. Một khung chứa toàn bit 1 ở trường địa chỉ đích sẽ được tất cả các trạm trên mạng nhận. • Trường Kiểu (Type): đầu thu căn cứ vào trường này để xử lý khung dữ liệu. Các giao thức lớp mạng có thể cùng một lúc được sử dụng trên cùng một máy trạm, vì vậy khi khung dữ liệu Ethernet đến, máy trạm phải xác định được đâu là khung cần được xử lý. Trường Type xác định tiến trình làm việc với khung dữ liệu.

36. 5.2.3 Giao thức lớp MAC của mạng Ethernet • Trường dữ liệu (Data): có kích thước tới 1500 byte. Giới hạn này ban đầu được dựa vào dung lượng RAM cần thiết để chứa toàn bộ khung dữ liệu và dung lượng RAM này có chi phí tương đối lớn tại thời điểm đó (1978). • Trường Pad: Khi trường dữ liệu là 0 byte, trường Pad sẽ được gắn thêm vào để kích thước khung dữ liệu tối thiểu là 64 byte, là khung chuẩn của Ethernet. Điều này sẽ làm cho Ethernet dễ dàng phân biệt được khung dữ liệu đúng với các dữ liệu rác. • Trường Checksum: sử dụng mã băm 32-bit dữ liệu. Nếu dữ liệu thu được bị lỗi, trường checksum sẽ cho giá trị sai và tiến hành dò lỗi. Thuật toán kiểm tra tổng (checksum) thực chất là kiểm dư vòng (CRC), nó chỉ có tác dụng dò lỗi, chứ không có tác dụng sửa lỗi

37. 5.2.4 Thuật toán quay về theo hàm mũ nhị phân • Xét trường hợp xảy ra xung đột, lần xung đột thứ nhất, mỗi trạm sẽ đợi 0 hoặc 1 khe thời gian trước khi phát lại. Nếu 2 trạm có xung đột và mỗi trạm đợi một thời gian ngẫu nhiên, thì chúng sẽ lại xung đột. Sau lần xung đột thứ 2, mỗi trạm sẽ đợi một khoảng thời gian ứng với 0,1,2 hoặc 3 khe thời gian ngẫu nhiên. Nếu xung đột lần thứ 3 xảy ra (xác suất là 0.25), lúc đó số khe thời gian phải đợi được chọn ngẫu nhiên trong khoảng từ 0 đến 23 –1. • Một cách tổng quát, sau i lần xung đột, số khe thời gian phải đợi được chọn ngẫu nhiên trong khoảng từ 0 đến 2i-1. Như vậy, sau 10 lần xung đột, số khe thời gian phải đợi lên đến 1023 khe. Sau 16 lần xung đột, máy trạm sẽ được thông báo lỗi

38. 5.2.4 Thuật toán quay về theo hàm mũ nhị phân • Thuật toán này được gọi là thuật toán quay về theo hàm mũ nhị phân. Nếu khoảng thời gian ngẫu nhiên được chọn cho tất cả các xung đột là 1023 thì xác suất xung đột xảy ra lần thứ 2 giữa 2 trạm không đáng kể, nhưng thời gian đợi của mỗi trạm sẽ rất dài, dẫn đến trễ tín hiệu. Ngược lại, nếu thời gian đợi được rút ngắn lại thì xác suất xảy ra xung đột lại tăng lên. Bằng cách tìm ra một số ngẫu nhiên tăng theo hàm mũ khi các xung đột xảy ra liên tiếp, thuật toán sẽ xác định được số ngẫu nhiên cho độ trễ thấp khi chỉ có ít trạm và giải quyết được vấn đề xung đột khi có nhiều trạm với khoảng đợi phù hợp

39. 5.2.5 Chuyển mạch Ethernet • Khi có nhiều trạm kết nối vào mạng Ethernet, lưu lượng sẽ tăng đột ngột, mạng trở nên quá tải. Có thể giải quyết vấn đề này khi nâng cao băng thông của mạng, từ 10Mbps lên 100Mbps hoặc lớn hơn. Tuy nhiên, với nhu cầu về đa phương tiện hiện nay, dung lượng này cũng không đáp ứng đủ. • Một kỹ thuật được ứng dụng để có thể khắc phục được vấn đề tăng cao của tải tin là: chuyển mạch Ethernet, như minh họa ở Hình 5-14. Cốt lõi của hệ thống này là một bộ chuyển mạch tốc độ cao thường có từ 4 đến 32 card giao tiếp đầu vào, mỗi card chứa từ 1 đến 8 đầu nối (connector). Mỗi connector nối một cổng 10Base-T với máy tính.

40. 5.2.5 Chuyển mạch Ethernet • Khi một trạm muốn truyền khung dữ liệu Ethernet, nó chuyển khung này đến bộ chuyển mạch. Card giao tiếp sẽ nhận khung dữ liệu và kiểm tra trạm đích truyền dữliệu có ở cùng card hay không. Nếu kết quả kiểm tra đúng thì khung dữ liệu sẽ được chuyển mạch tại đây. Nếu không đúng, khung dữ liệu sẽ được gửi đến máy trạm đích thông qua bộ chuyển mạch tốc độ cao hoạt động với giao thức thích hợp.

41. 5.2.6 Fast Ethernet • Tháng 6 /1995, IEEE thông qua chuẩn Fast Ethernet 802.3u, được xem như là phần bổ sung của chuẩn 802, chuẩn này qui định về mạng Fast Ethernet như sau: • Giữ nguyên cấu trúc khung dữ liệu, các giao diện và thủ tục của Ethernet, nhưng độ dài của 1 bit từ 100ns giảm xuống còn 10ns. Về mặt kỹ thuật, vẫn có thể tạo bản sao của 10Base-5 hoặc 10Base-2 và dò tìm xung đột bằng cách giảm độ dài cáp tối đa xuống 10 lần. Trên thực tế, tất cả các hệ thống Fast Ethernet xử lý vấn đề này bằng cách sử dụng Hub hoặc Bộ chuyển mạch (Switch) với nhiều đầu cáp nối.

42. 5.2.6 Fast Ethernet • Một vấn đề nảy sinh đến từ tốc độ mà các loại cáp có khả năng truyền dẫn. Hầu hết các công ty trước đó đều sử dụng cáp loại xoắn đôi Cat 3 với chiều dài tối đa khoảng 100m, nếu loại cáp này đáp ứng được các yêu cầu của Fast Ethernet thì không cần thiết phải thay thế và rất thuận lợi. Tuy nhiên, một nhược điểm của cáp xoắn đôi Cat 3 là nó không có khả năng mang được dung lượng 200Mbaud (100Mpbs theo mã hóa Manchester) với chiều dài cáp 100m. Trong khi đó, vấn đề này hoàn toàn đơn giản đối với cáp xoắn đôi loại Cat 5 và cáp quang. Vì vậy, sẽ có 3 giải pháp lựa chọn cáp cho Fast Ethernet

43. 5.2.6 Fast Ethernet • Đối với 100Base-T4, sử dụng ở tần số 25Mhz, chỉ nhanh hơn 25% đối với Ethernet chuẩn. Để đạt được băng thông cần thiết, 100Base-T phải sử dụng 4 đôi cáp xoắn. Một đôi nối tới Hub, một đôi nối đến máy tính, 2 đôi còn lại sử dụng cho truyền dữ liệu tùy thuộc vào hướng truyền. Ở trường hợp này, người ta không sử dụng mã Manchester, mà sử dụng tín hiệu có bậc 3, có thể là 0, 1 hoặc 2. Với 3 cặp dây truyền dữ liệu cùng hướng và tín hiệu 3 bậc thì sẽ có 27 mức tín hiệu đại diện cho 4 bit tín hiệu được truyền đi (một số mức còn dư). Kết quả truyền 4 bit tín hiệu với tần số là 25MHz sẽ đáp ứng được tốc độ dữ liệu là 100Mbps

44. 5.2.6 Fast Ethernet • Đối với 100Base-TX, sử dụng cáp xoắn đôi Cat5 thì đơn giản hơn vì loại cáp này có thể hoạt động ở tần số là 125MHz. Chỉ cần sử dụng 2 đôi cáp xoắn, một đôi phát và một đôi thu tín hiệu, với mã nhị phân 4B/5B. Mười sáu tổ hợp được truyền đi tương ứng với nhóm 4 bit dữ liệu 0000, 0001,...., 1111. Các tổ hợp còn trống được dùng vào mục đích điều khiển. Các tổ hợp được chọn sao cho có thể khôi phục đồng hồ để đồng bộ dữ liệu. Hệ thống 100Base-TX là một hệ thống truyền song công, các trạm có thể phát và thu cùng một lúc ở tốc độ 100Mbps. • Đối với 100Base-FX, sử dụng cáp quang đa mode 2sợi cáp, mỗi sợi cho mỗi hướng với tốc độ 100Mbps. Khoảng cách giữa các trạm có thể lớn hơn 2km

45. 5.2.7 Gigabit Ethernet • Năm 1998, IEEE thông qua chuẩn 802.3z được gọi là chuẩn Gigabit Ethernet. Tiêu chí của 802.3z cũng giống như chuẩn 802.3u: nâng băng thông của mạng Ethernet lên gấp 10 lần nhưng vẫn tương thích với các phiên bản của Ethernet cũ. Đặc biệt, Gigabit Ethernet đưa ra dịch vụ gói dữ liệu không xác thực đối với trường hợp phát unicast và multicast, sử dụng địa chỉ 48-bit với cấu trúc khung không thay đổi. • Tất cả cấu hình của Gigabit Ethernet đều là điểm-nối-điểm, không phải là đa điểm như mạng Ethernet 10Mbps truyền thống. Cấu hình đơn giản nhất của Gigabit Ethernet, được minh họa ở Hình 5-15 (a), chỉ có 2 máy tính nối trực tiếp với nhau. Đối với trường hợp nhiều máy tính, người ta sử dụng các bộ chuyển mạch và Hub để kết nối đến các máy tính [Hình 5-15(b)]. Ở cả hai cấu hình, mỗi sợi cáp Ethernet chỉ nối 2 thiết bị mạng.

46. 5.2.7 Gigabit Ethernet

47. 5.2.7 Gigabit Ethernet • Mạng Gigabit Ethernet hỗ trợ 2 phương thức truyền dữ liệu: • Truyền song công (full-duplex): đây là phương thức sử dụng phổ biến, cho phép truyền dữ liệu cả 2 chiều cùng một lúc thông qua một bộ chuyển mạch trung tâm. Ở phương thức này, tất cả các đường truyền dữ liệu đều có bộ đệm để mỗi máy tính và bộ chuyển mạch có thể gửi dữ liệu bất kỳ lúc nào. Máy tính không cần phải cảm nhận để tranh chấp kênh truyền khi gửi dữ liệu. Trên kênh truyền từ bộ chuyển mạch đến máy tính, máy tính lúc nào cũng có khả năng gửi dữ liệu lên kênh, ngay cả khi bộ chuyển mạch phát dữ liệu đến máy tính. Do đó, không thể xảy ra xung đột và cũng không cần sử dụng giao thức CSMA/CD. Độ dài tối đa của cáp được xác định bằng cường độ tín hiệu truyền trên cáp chứ không phụ thuộc vào tín hiệu phản xạ trong cáp ở trường hợp xuất hiện nhiễu.

48. 5.2.7 Gigabit Ethernet • Truyền đơn công (half-duplex): thường được sử dụng khi máy tính nối với hub. Luồng dữ liệu không đi qua bộ đệm mà tất cả các kênh truyền bên trong được nối với nhau như trong mạng Ethernet truyền thống. Đối với phương thức này, sẽ có khả năng xảy ra xung đột trên mạng, nên giao thức CSMA/CD vẫn được sử dụng. Vì kích thước của khung dữ liệu lớn gấp 100 lần so với mạng Ethernet truyền thống nên chiều dài tối đa của cáp truyền sẽ giảm xuống 100 lần, khoảng 25m.

49. 5.2.7 Gigabit Ethernet • Ủy ban tiêu chuẩn 802.3z cho rằng chiều dài tối đa của cáp 25m là một điểm bất lợi và bổ sung thêm 2 thuộc tính để tăng chiều dài cáp như sau: • Mở rộng sóng mang: điều khiển phần cứng cho phép thêm vào phần phụ (padding) sau mỗi khung để mở rộng kích thước khung lên 512 byte. Do phần bổ sung này được thêm và loại bỏ vào bởi phần cứng ở đầu phát và đầu thu, phần mềm không quan tâm đến điều này, nên không có thay đổi gì về mặt phần mềm. Tuy nhiên, sử dụng kích thước 512 byte để truyền đi 64 byte dữ liệu làm cho hiệu suất sử dụng kênh truyền chỉ đạt 9%. • Truyền khung liên kết (bursting): cho phép đầu phát nối một chuỗi khung dữ liệu và phát trên cùng một kênh truyền. Nếu sau khi nối các khungmà kích thước vẫn nhỏ hơn 512 byte thì phần cứng sẽ bổ sung thêm, nếu kích thước khung đủ thì phương thức này sẽ cho hiệu suất cao hơn và được sử dụng nhiều hơn so với phương thức mở rộng sóng mang. Thuộc tính này cho phép mở rộng chiều dài tối đa của cáp lên 200m, đáp ứng được yêu cầu về lắp đặt mạng.

50. 5.2.7 Gigabit Ethernet • Mạng Gigabit Ethernet hỗ trợ cả cáp đồng và cáp quang, như mô tả ở Bảng 5-3. Hai bước sóng được sử dụng là 0.85 mm và 1.3 mm.