Chương 1 Công nghệ Ethernet (Phần 1)
I.CÔNG NGHỆ ETHERNET
Một trong những ưu điểm của công nghệ Ethernet là chi phí thấp, sản phẩm sẵn có trên thị trường và khả năng mở rộng lên các mức băng thông cao hơn. Mặc dù một vài công nghệ khác như FDDI, CDDI, TokenRing và ATM vẫn tồn tại, nhưng Ethernet đang bùng nổ như là chọn lựa phổ biến nhất. Để các mạng cục bộ dùng Ethernet hoạt động đúng, các thiết bị của người dùng cuối, router và switch phải được kết nối theo đúng các loại cáp.
Nhiều chuẩn Ethernet dùng hai cặp sợi trong đó mỗi cặp dùng cho quá trình truyền cho mỗi chiều. Ví dụ, một card mạng của PC sẽ truyền trên cặp 1,2 và nhận trên cặp 3,6; cổng của switch sẽ thực hiện ngược lại tức là nhận trên cặp 1,2 và truyền trên cặp 3,6. Vì vậy, một sợi cáp thẳng sẽ kết nối cặp 1,2 của PC (cặp truyền) về cặp 1,2 của switch (cặp nhận). Khi hai thiết bị cùng loại (ví dụ như hai switch) nối với nhau, cáp chéo (crossed) sẽ được dùng.
Cisco cũng hỗ trợ một đặc điểm là cho phép switch tự tìm ra loại cáp nào đang được dùng. Tính năng này gọi là Auto-MDIX (automatic medium-dependent interface crossover). Tính năng Auto-MDIX cho phép switch chuyển đổi các cặp sợi được dùng trong quá trình truyền và nhận, giúp giải quyết các vấn đề về cáp. Tuy nhiên, không phải tất cả các loại switch của Cisco đều hỗ trợ tính năng này.
Tần số (frequency) là số chu kỳ hoàn thành trong một đơn vị thời gian, thường được mô tả bằng hertz (số chu kỳ trong một giây). Hình dưới đây mô tả một chu kỳ mất một giây để hoàn thành.
Cáp mạng thường được giới hạn tần số ở kiloherzt (kHz) hay megaherzt (MHz). Đối với một loại cáp có tần số 100Mhz, một chu kỳ cần phải hoàn thành 100,000,000 lần trong một giây. Càng nhiều chu kỳ trong một giây, cáp càng sinh ra nhiều nhiễu và dẫn đến suy giảm tín hiệu.
Băng thông của một loại cáp là tần số tối đa mà ở đó dữ liệu có thể truyền và nhận một cách hiệu quả. Tốc độ dữ liệu phụ thuộc vào tín hiệu điện chứ không phụ thuộc vào cáp, miễn sao tần số hoạt động của mạng nằm trong khoảng băng thông dùng được của cáp. Nói cách khác, cáp chỉ là một ống nước. Băng thông là đường kính của ống nước. Tín hiệu điện tạo ra áp suất nước.
Băng thông của cáp có liên quan đến ba thành phần: khoảng cách, tần số, hệ số tín hiệu và nhiễu SNR (signal noise Ratio). Thay đổi một thành phần sẽ làm ảnh hưởng đến băng thông tối đa. Nếu bạn tăng tần số, SNR sẽ tồi tệ hơn và băng thông tối đa giảm. Nếu bạn tăng khoảng cách, SNR kém đi và vì vậy giảm băng thông tối đa. Giảm tần số hay khoảng cách sẽ làm tăng băng thông tối đa vì hệ số SNR tăng.
Để giữ băng thông tối đa, ta tăng tần số nghĩa là phải giảm khoảng cách hoặc phải cải tiến mức tín hiệu ở đầu nhận. Nếu bạn tăng khoảng cách thì tần số phải giảm và tín hiệu ở đầu nhận phải cải tiến.
Đặc tả của IEEE thông qua chuẩn TIA/EIA 568-B có qui định vấn đề này. Chuẩn này qui định một đoạn cáp có chiều dài tối đa 100m, bao gồm cả dây chuyển đổi (patch cord). Vì vậy khoảng cách là có giới hạn. Chuẩn này cũng qui định tần số hoạt động tối đa. Nếu cáp là loại 3, tần số là 16MHz. Nếu là loại 5 và 5e, tần số là 100Mhz. Đối với loại 6, 200 MHz. Chú ý rằng chuẩn trên đã khống chế hai trong ba thành phần. Do đó, người thiết kế sẽ tìm cách cải tiến mức tín hiệu và giảm nhiễu trong quá trình thiết kế để đạt được hiệu suất truyền tối ưu ở một khoảng cách cố định.
Tốc độ dữ liệu (data rate) được định nghĩa như là số bit trong một giây có thể truyền qua phương tiện truyền dẫn. Với các công nghệ cũ trước đây, tốc độ dữ liệu có tỉ lệ 1:1 với tần số truyền. Ví dụ 4Mbps công nghệ Token ring hoạt động ở tần số 4MHz. Thật ra rất khó để duy trì việc tăng băng thông của cáp đồng ngày càng cao. Do đó có vài kỹ thuật được phát triển để cho phép nhiều hơn một bit trên từng hertz có thể truyền trên cáp. Bảng dưới đây so sánh tần số hoạt động của một số công nghệ LAN ngày nay.
|
Hệ thống LAN |
Tốc độ dữ liệu |
Tần số hoạt động |
|
Token Ring |
4Mbps |
4MHz |
|
10BaseT Ethernet |
10Mbps |
10MHz |
|
Token Ring |
16Mbps |
16MHz |
|
100BaseT Ethernet |
100Mbps |
31.25MHz |
|
ATM 155 |
155Mbps |
38.75MHz |
|
1000BaseT (Gigabit) Ethernet |
1.000Mbps |
Trên 65MHz |
Bảng 1.1: Tốc độ của các chuẩn mạng LAN
Tất cả các công nghệ liệt kệ trong bảng trên đều chạy với cáp Cat5 (loại 5). Như vậy, những kỹ thuật nào được dùng để cho phép truyền 1Gbps dữ liệu trên đoạn cáp Cat5 E với băng thông tối đa là 100Mbps?
Hãy xem một ví dụ dưới đây. Một con đường chỉ cho một chiếc xe chạy trong một giây. Các chiếc xe phải giữ một khoảng cách nhất định, tốc độ thì phải giới hạn sao cho chỉ có một xe trên một đoạn đường ở một thời điểm.
Nhưng giả sử mục tiêu thiết kế của đoạn đường này là ba xe trong một giây. Các xe lúc này chạy nhanh hơn, khoảng cách giữa các xe cũng giảm sao cho một đoạn đường có thể có ba xe. Cơ chế này gọi là mã hóa bit. Đây là cách cho phép dồn các bit dữ liệu trong từng herzt để tăng tốc độ.
Thêm vào một làn xe trong mỗi chiều là cách mà hầu hết các công nghệ LAN đều dùng ngày nay. Các công nghệ dùng hai trong bốn đôi sợi cáp. Một cặp để truyền và một cặp để nhận.
Ở một vài thời điểm, ta đặt ra giới hạn là một chiếc xe có thể chạy nhanh cỡ nào? Thêm vào đó, cuối cùng các xe sẽ nối đuôi nhau trong một làn xe và ta không có khả năng đưa thêm các xe (bit dữ liệu) vào đoạn đường trong một thời điểm nào đó. Phải làm gì? Cách giải quyết là xây dựng nhiều làn. Thay vì dùng hai làn, ta sử dụng cả bốn làn (bốn cặp cáp được dùng). Đây là cách mà Gigabit Ethernet được hiện thực trên Cat5 và các nhóm cáp khác. Dữ liệu được truyền ở tần số 65Mhz, dữ liệu được gửi và nhận đồng thời trên cả bốn cặp ở tốc độ 250Mbps của từng cặp, tức 1000Mbps trong giới hạn tần số 100MHz.
Mặc định, mỗi switch của Cisco đều dùng một đặc điểm gọi là tự động bắt tay (auto-negotiation) Ethernet để xác định tốc độ và các chế độ hoạt động là song công hay bán song công. Các switch cũng có thể thiết lập các chế độ này thông qua các lệnh duplex và lệnh speed. Các switch có thể phát hiện ra tốc độ trên một phân đoạn mạng Ethernet bằng cách dùng vài phương pháp khác nhau.
Switch Cisco và nhiều thiết bị khác dùng giao thức xung liên kết nhanh (FLP) để cảm nhận tốc độ. Tuy nhiên, nếu quá trình tự động bắt tay là bị tắt trong một đầu kết nối, switch sẽ phát hiện tốc độ dựa trên tín hiệu điện đi vào. Khi này, vấn đề xung đột tốc độ có thể xảy ra nếu các tốc độ khác nhau được cấu hình trên các thiết bị khác nhau, dẫn đến kết nối không thể hoạt động được.
Switch phát hiện các cài đặt song công chỉ bằng cách thông qua quá trình tự động dò tìm. Nếu cả hai đầu thiết bị có cấu hình tự động bắt tay, chế độ song công sẽ được thoả thuận. Tuy nhiên, nếu một thiết bị trên một đầu tắt chế độ tự động bắt tay đi, thiết bị sẽ hoạt động ở chế độ mặc định. Switch của Cisco dùng mặc định là bán song công cho các cổng 10Mbps/100Mbps và song công cho những cổng 1000Mbps.
Để tắt chế độ tự động bắt tay trên một cổng switch của Cisco, bạn chỉ cần đơn giản cấu hình tĩnh tốc độ và các cài đặt song công. Các thiết bị Ethernet chỉ có thể dùng song công chỉ khi sự đụng độ không thể xảy ra và điều kiện để việc này xảy ra nếu trong mạng không sử dụng thiết bị HUB để chia sẻ các kết nối.
Đặc tả Ethernet ban đầu có đề cập đến vấn đề đụng độ có thể xảy ra trên LAN. Khi hạ tầng mạng là dùng chung, bất kỳ một tín hiệu điện nào cũng được truyền dẫn trên đường dây và cũng có thể xung đột với một tín hiệu của một thiết bị khác. Khi hai hoặc nhiều khung Ethernet chồng lấp lên đường truyền ở một thời điểm nào đó, đụng độ xảy ra. Đụng độ sẽ dẫn đến các lỗi bit và mất khung.
Đặc tả của Ethernet định nghĩa thuật toán CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) để giải quyết những đụng độ không thể tránh khỏi. CSMA/CD sẽ giúp giảm thiểu số đụng độ và khi đụng độ thực sự xảy ra, CSMA/CD sẽ chỉ ra việc các máy gửi dữ liệu sẽ nhận ra sự đụng độ này và truyền lại các khung tin như thế nào?
Các bước thực hiện được liệt kê như dưới đây:
Một miền đụng độ (Collision domain) là một tập hợp các thiết bị có thể gửi các khung tin mà các khung tin này có thể bị đụng độ với các khung tin của một thiết bị khác. Trước khi switch được phát minh, Ethernet thường dùng hub hoặc các đoạn cáp dùng chung như 10Base2 và 10Base5. Switch trong công nghệ Ethernet giúp giảm khả năng đụng độ thông qua quá trình lưu các khung tin trong bộ đệm và cơ chế hoạt động ở lớp 2 của nó.
Theo định nghĩa, Hub trong công nghệ Ethernet sẽ bao gồm các đặc điểm sau:
Switch cũng dùng cùng loại cáp và khuyếch đại tín hiệu giống như hub, nhưng switch làm nhiều việc hơn. Đụng độ sẽ giảm thiểu do các khung tin được đệm, khi switch nhận được các khung tin trên các cổng khác nhau, switch lưu khung tin trong các bộ nhớ đệm để ngăn ngừa xung đột. Ví dụ, giả sử một switch nhận ba khung tin ở cùng một thời điểm đi vào ba cổng khác nhau và nó phải được đưa ra cùng một cổng của switch. Lúc này switch sẽ lưu hai khung tin trong bộ nhớ, và chuyển các khung tin đó đi một cách tuần tự. Khi một cổng của switch kết nối đến một thiết bị không phải là HUB, đụng độ sẽ không thể xảy ra. Thiết bị duy nhất có thể tạo ra đụng độ là bản thân cổng switch và một thiết bị kết nối vào nó và nếu mỗi bên có một cặp cáp riêng để truyền. Vì đụng độ không thể xảy ra, những phân đoạn mạng trên có thể sử dụng chế độ song công.
