Chương 1 Công nghệ Ethernet (Phần 2)
II. Lớp 2 công nghệ Ethernet
1. Khung tin
Đặc tả Ethernet ban đầu được sở hữu bởi bộ ba công ty Digital, Intel và Xerox đặt tên là Ethernet (DIX). Sau đó, năm 1980, tổ chức IEEE chuẩn hóa Ethernet, định nghĩa các thành phần 802.3 MAC và các thành phần khác (Điều khiển liên kết luận lý - LLC). Sau đó, IEEE nhận ra rằng trường 1 byte DSAP trong header của LLC là quá nhỏ. Kết quả là IEEE giới thiệu ra một định dạng khung tin mới gọi là giao thức truy cập mạng con SNAP. Sau đó năm 1997, IEEE nâng phiên bản Ethernet DIX ban đầu thành 802.3.
2. Các kiểu địa chỉ của công nghệ Ethernet
Các địa chỉ MAC có chiều dài 6 byte, thường bao gồm 3 loại:
3. Định dạng địa chỉ Ethernet
Các tài liệu IEEE chỉ ra các địa chỉ Ethernet với các bit có trọng số lớn nhất bên trái. Tuy nhiên bên trong mỗi octet, bit nằm bên trái nhất lại là bit có trọng số thấp nhất, bit nằm bên phải nhất thì được gọi là bit có trọng số lớn nhất. Nhiều tài liệu gọi dạng địa chỉ này là không hợp quy tắc. Bất chấp thuật ngữ nào được dùng, thứ tự bit bên trong mỗi octet là quan trọng để có thể hiểu được ý nghĩa của hai bit có trọng số lớn nhất trong một địa chỉ Ethernet
Bit riêng lẻ/nhóm (I/G bit): Nếu địa chỉ là unicast, I/G=0, nếu là multicast hay broadcast, I/G=1.
Bit phổ biến/cục bộ (U/L bit): nếu bit này là 0, địa chỉ nhà sản xuất được gán. Nếu bit này là 1, địa chỉ này đã được người quản trị dùng và ghi đè lên giá trị do nhà sản xuất gán.
Bit I/G sẽ chỉ ra khi nào địa chỉ MAC là tượng trưng cho một thiết bị đơn lẻ hay một nhóm các thiết bị. Bit U/L sẽ chỉ ra các địa chỉ được cấu hình cục bộ. Ví dụ, địa chỉ multicast được dùng bởi IP Multicast luôn được bắt đầu bằng 0x01005E. Giá trị thập lục phân 01 chuyển sang dạng nhị phân là 00000001, với giá trị bit có trọng số cao nhất bằng 1, xác nhận việc sử dụng bit I/G.
4. Trường kiểu giao thức và trường 802.3
Mỗi header của khung tin Ethernet đều có các trường để chỉ ra loại dữ liệu đang mang bên trong trường dữ liệu của khung tin. Trường kiểu giao thức (protocol type) cho phép máy nhận biết cách làm thế nào để diễn dịch được các dữ liệu bên trong khung tin nhận được. Ví dụ, một router cần biết khi nào thì khung tin chứa một gói tin IP, IPX….
DIX và các phiên bản IEEE dùng trường kiểu giao thức. Phiên bản do IEEE định nghĩa ban đầu thì dùng 2 byte này như là trường chiều dài. Để phân biệt kiểu của header Ethernet, trường kiểu Ethernet bắt đầu bằng giá trị 1536 và chiều dài của dữ liệu trong một khung tin IEEE bị giới hạn ở mức 1500. Theo đó, một card mạng có thể dễ dàng xác định khi nào thì khung tin theo sau là DIX hay IEEE.
Dạng khung tin IEEE nguyên thủy ban đầu dùng 1 byte DSAP cho chuẩn 802.2 LLC. Nó dành ra 2 bit cho các mục đích khác, tựa như I/G và U/L trong địa chỉ MAC. Kết quả là, không có đủ sự kết hợp của trường DSAP cho nhu cầu của thị trường. Vì vậy IEEE sẽ phải định nghĩa một trường kiểu giao thức khác, trường này nằm bên trong của trường SNAP.
|
Kiểu trường |
Mô tả |
|
Kiểu giao thức (Protocol Type)
|
DIX v2: có độ dài 2 byte; các giá trị của trường này hiện quản lý bởi IEEE |
|
DSAP |
802.2 LLC: 1 byte trong đó có hai bit cao dành cho các mục đích khác. Các giá trị này được quản lý bởi IEEE. |
|
SNAP |
Header của SNAP: 2 byte dùng cùng giá trị như trường kiểu giao thức Ethernet. Được chỉ ra bởi giá trị 0xAA của trường DSAP bên trên. |
III. Các chuẩn mạng Ethernet
1. Mạng Ethernet tốc độ 10Mbps
Ethernet là một công nghệ LAN dựa trên chuẩn IEEE 802.3. Ethernet cung cấp băng thông 10Mbps giữa các người dùng cuối. Ở dạng đơn giản nhất, Ethernet sử dụng một thiết bị chia sẻ băng thông thông thường là hub. Thiết bị này bị xem như là một miền đụng độ và miền quảng bá (broadcast domain). Khi số lượng người dùng tăng lên, khả năng nhiều người dùng truyền dữ liệu ở một thời điểm cũng tăng lên, khả năng đụng độ sẽ xảy ra nhiều hơn. Nói cách khác, cả hai người dùng không thể truyền dữ liệu ở cùng một thời điểm nếu cả hai cùng dùng chung một hub. Ethernet hoạt động dựa trên thuật toán CSMA/CD. Theo đó, có đụng độ xảy ra, một máy truyền phải lui về một khoảng thời gian ngẫu nhiên. Các Switch của công nghệ Ethernet giải quyết vấn đề này bằng cách cấp một phần băng thông 10Mbps đến từng cổng. Lúc này, đụng độ ít xảy ra và miền đụng độ sẽ giảm. Do đó, các máy trạm không còn phải chờ đến lượt để truyền. Thay vào đó, các máy trạm có thể hoạt động ở chế độ song công tức là truyền và nhận đồng thời. Chế độ song công sẽ tăng hiệu năng của hệ thống mạng, cung cấp một thông lượng 20Mbps.
Một mối quan tâm khác khi nói về mạng Ethernet 10Mbps là vấn đề cáp. Ethernet thường dùng cáp UTP, có giới hạn khoảng cách 100m. Trong mạng lớn, các mạng trường đại học Ethernet thường được dùng ở lớp truy cập (access layer), giữa các thiết bị của người dùng cuối. Ethernet 10Mbps không được dùng ở lớp phân tán (distribution layer) hay lớp lõi (access layer).
2. Mạng Ethernet tốc độ 100Mbps
Mạng Ethernet hoạt động ở tốc độ 100Mbps hay còn được gọi là mạng FastEthernet được đặc tả trong IEEE802.3u. Các vấn đề như thuật toán CSMA/CD, vấn đề về cáp và các giao thức lớp cao hơn đều được duy trì giống như trong Ethernet. Mạng trường đại học thường dùng FastEthernet ở các switch lớp truy cập hoặc lớp phân tán nếu như không có sẵn các kết nối tốc độ cao hơn. Cáp được dùng cho FastEthernet thường là UTP hoặc cáp quang.
|
Công nghệ |
Kiểu cáp |
Số cặp |
Chiều dài cáp |
|
100Base-TX |
EIA/TIA cat 5 UTP |
2 |
100m |
|
100Base-T2 |
EIA/TIA Cat 3 4 5 UTP |
2 |
100m |
|
100BaseT4 |
EIA/TIA Cat 3 4 5 UTP |
4 |
100m |
|
100Base FX |
Cáp quang đa mode MMF: 62.5 micron core, 125 micron core (62.5/125) |
4 |
100m |
|
Single mode fiber SMF |
1 |
10k |
Chế độ song công cũng giống như trong Ethernet, để cải tiến các tính năng ta có thể dùng chế độ song công. FastEthernet có thể cung cấp tốc độ truyền lên đến 100Mbps trong mỗi chiều truyền, dẫn đến kết quả thông lượng lên đến 200Mbps. Thông lượng tối đa 200Mbps này chỉ đạt được khi một thiết bị (trạm làm việc, server, router hay một switch khác) kết nối trực tiếp đến một cổng của switch. Nói cách khác, các thiết bị đầu cuối của một kết nối phải hỗ trợ song công, có khả năng truyền mà không phải chờ phát hiện và khôi phục khi xảy ra xung đột.
Đặc tả của FastEthernet cũng cho phép tương thích ngược với mạng Ethernet tốc độ 10Mbps truyền thống. Trong trường hợp 100BaseTX, các cổng switch thường được gọi là 10/100 để chỉ ra tốc độ đôi tức là có thể hoạt động một trong hai tốc độ trên. Khi này, hai thiết bị ở hai đầu kết nối sẽ tự động dò tìm tốc độ sao cho cả hai có thể hoạt động ở tốc độ cao nhất. Quá trình dò tìm này bao gồm việc phát hiện và chọn lựa công nghệ ở lớp vật lý, tìm chế độ bán song công hay song công. Nếu cả hai đầu của kết nối được cấu hình theo kiểu tự động bắt tay, tốc độ chung cao nhất giữa hai thiết bị sẽ được dùng.
Trong quá trình bắt tay dò tìm chế độ song công của một kết nối, một số thông tin sẽ được trao đổi qua lại giữa hai thiết bị. Điều này có nghĩa là, để quá trình dò tìm tự động là thành công, cả hai đầu phải được thiết lập ở chế độ tự động bắt tay. Nếu khác đi (nghĩa là chỉ có một đầu thiết lập ở chế độ tự động bắt tay), một đầu của kết nối sẽ không nhận được thông tin từ đầu kia và sẽ không có khả năng xác định chế độ chính xác đang được dùng. Nếu quá trình tự động bắt tay là thất bại, một cổng của switch sẽ trở về chế độ tự động của nó là bán song công.
Cần chú ý về vấn đề không khớp cơ chế song công khi cả hai đầu của kết nối đều không cấu hình cho tự động bắt tay. Khi vấn đề trên xảy ra, một đầu của kết nối sẽ dùng song công trong khi đầu xa dùng bán song công. Kết quả là máy trạm đang hoạt động ở chế độ bán song công sẽ luôn phát hiện ra đụng độ khi cả hai đều muốn truyền. Máy trạm đang chạy ở song công sẽ tự hiểu là nó có quyền truyền ở bất kỳ thời điểm nào. Máy trạm này sẽ không dừng lại và chờ. Tình trạng này dẫn đến lỗi trên kết nối và tốc độ đáp ứng rất chậm giữa các máy.
Quá trình bắt tay sẽ dùng bảng các độ ưu tiên dưới đây để lựa chọn. Khi cả hai đầu kết nối có thể bắt tay nhau ở nhiều tốc độ, tốc độ nào có độ ưu tiên cao nhất sẽ được dùng. Ví dụ, nếu cả hai thiết bị có thể chạy ở mức 6 (100BbaseTX song công) và mức 2 (10base2 song công), mức 6 sẽ được dùng.
|
Độ ưu tiên |
Chế độ Ethernet |
|
7 |
100Base-t2 (song công) |
|
6 |
100Base-TX (song công) |
|
5 |
100BASE-t2 (bán song công) |
|
4 |
100Base-T4 |
|
3 |
100Base-TX |
|
2 |
10base-T (song công) |
|
1 |
10Base-T |
Để đảm bảo cấu hình chính xác ở cả hai đầu của kết nối, Cisco khuyến cáo các giá trị về tốc độ truyền, chế độ song công phải được cấu hình bằng tay trên các cổng của switch. Yếu tố này giúp loại trừ khả năng một bên thay đổi các cài đặt, dẫn đến kết nối có thể không dùng được. Nếu bạn đã cấu hình bằng tay cổng switch, hãy thiết lập luôn cho thiết bị trên đầu kia của kết nối các thông số tương ứng. Nếu khác đi, vấn đề không khớp tốc độ và không khớp song công sẽ xảy ra.
3. Mạng Ethernet tốc độ 1Gbps
Mạng Ethernet tốc độ 1Gbps hay còn gọi là Gigabit Ethernet, lớp vật lý đã được bổ sung để tăng tốc độ truyền. Có hai công nghệ đã được kết hợp với nhau để đạt được ưu điểm của từng công nghệ đó là IEEE 802.3 và ANSI X3T11 FibreChannel. Các yếu tố của 802.3 như định dạng khung tin, CSMA/CD, song công và các đặc điểm khác vẫn được giữ lại. FibreChannel thì cung cấp một nền tảng mạch ASIC tốc độ cao, các thành phần cáp quang, các cơ chế mã hóa, giải mã….Kết quả của hai giao thức này là IEEE 802.3z Gigabit Ethernet.
Gigabit Ethernet hỗ trợ vài loại cáp, được gọi là 1000BaseX.
|
Kiểu GE |
Kiểu cáp |
Số cặp |
Chiều dài |
|
1000BASE-CX |
Cáp xoắn đôi (STP) |
1 |
25m |
|
1000Base-T |
EIA/TIA Cat5 UTP |
4 |
100m |
|
1000Base-SX |
Cáp quang đa mode (MMF) với lõi 62.5 micron, tia 850 nm |
1 |
275m |
|
MMF với lõi 50 micron, tia 850 nm |
1 |
550m |
|
|
1000BASE-LX/LH |
MMF với lõi 62.5 micron; tia 1300 nm |
1 |
550m |
|
Cáp quang đơn mode (SMF) với lõi 50 micron, tia 1300 nm |
1 |
550m |
|
|
SMF với lõi 9 micron, tia 1300 nm laser |
1 |
10 km |
|
|
1000BASE-ZX |
SMF với lõi 9 micron, tia 1550 nm laser |
1 |
70 km |
|
SMF với lõi 8 micron, tia 1550 nm |
1 |
100 km |
Trong mạng trường đại học, bạn có thể dùng Gigabit Ethernet trong các cụm switch, cụm lõi và cụm máy chủ. Trong cụm switch, Gigabit Ethernet có thể dùng để kết nối switch ở lớp truy cập lên các switch lớp phân tán. Trong cụm lõi, Gigabit Ethernet dùng để kết nối lớp phân tán lên các switch ở lớp lõi và kết nối các thiết bị lõi với nhau. Trong cụm máy chủ, Gigabit Ethernet có thể cung cấp các kết nối tốc độ cao đến từng máy chủ riêng lẽ.
Trên switch của Cisco, các cổng Gigabit luôn được thiết lập ở chế độ song công. Do đó quá trình tự động bắt tay của chế động song công là không thể.
Các switch Catalyst đã chuẩn hóa các giao tiếp GBIC và SFP. GBIC và SFP cho phép các loại cáp khác nhau có thể kết nối. Các thành phần (module) giao tiếp là ở dạng hotswappable và có khả năng cắm vào switch để hỗ trợ loại môi trường truyền dẫn khác. Các giao tiếp GBIC có thể dùng giao tiếp cáp quang SC và RJ45, SFP có thể dùng LC và cáp quang MT-RJ. GBIC và SFP được hỗ trợ trên những cổng Gigabit Ethernet sau:
Gigastack dùng một loại đầu nối đặc biệt với tốc độ truyền dữ liệu cao giúp bảo toàn tín hiệu và chống nhiễu, cho phép kết nối GBIC-GBIC giữa các switch. Kết nối là song công nếu chỉ có một đầu nối được dùng. Nếu cả hai đầu nối được dùng, kết nối này trở thành bán song công trên các HUB chia sẻ.
1000BaseT hỗ trợ kết nối RJ45 dùng cả 4 cặp cáp, hoạt động với khoảng cách lên đến 100m. Sơ đồ bấm dây là các chân 1,2,3,6,4,5,7,8 sẽ kết nối đến 3,6,1,2,7,8 và 4,5 trong trường hợp bấm cáp chéo.
Các module thiết bị quang luôn có chân nhận dữ liệu bên trái và chân truyền dữ liệu bên phải. Các module này có thể tạo ra các bức xạ, vì vậy phải luôn che các chân bằng các nút cao su và không nên nhìn trực tiếp vào đầu nối.
4. Mạng Ethernet tốc độ 10Gbps
Mạng Ethernet tốc độ 10Gbps hay còn gọi là mạng 10Gigabit Ethernet vẫn mang các đặc điểm lớp 2 của Ethernet như định dạng khung tin, giao thức MAC,… 10Gigabit Ethernet khác với các công nghệ trước đây Ethernet của nó chỉ ở lớp vậy lý. 10Gigabit Ethernet hoạt động chỉ ở song công. Chuẩn này định nghĩa vài kiểu đầu nhận có thể được dùng như các giao tiếp phần cứng độc lập (PMD – Physical media dependent).
Các giao tiếp PMD cũng có một cách đặt tên chuẩn chung, giống như Gigabit Ethernet. Chuẩn 10Gigabit Ethernet sẽ có ký hiệu là 10GBASE-X. Bảng dưới đây sẽ liệt kê các loại PMD khác nhau. Tất cả các loại PMD dùng cáp quang có thể được dùng trong LAN PHY hay WAN PHY ngoại trừ loại 10Gbase-LX4, chỉ dùng cho LAN PHY. Ngoài ra, bạn cần biết rằng các loại PMD có bước sóng dài thường có chi phí cao hơn các loại khác.
|
Kiểu PMD |
Môi trường cáp quang |
Khoảng cách tối đa |
Thiết bị Switch Catalyst |
|
10Gbase-SR/SW 9850 nm serial) |
MMF 50 micron |
66m |
Không có |
|
|
MMF: 50 micron (2 GHz* km modal bandwidth) |
300m |
|
|
|
MMF: 62.5 micron |
33m |
|
|
10Gbase-LR/LW (1310 nm serial) |
SMF: 9 micron |
10km |
Catalyst 6500 |
|
10Gbase-ER/EW (1550 nm serial) |
SMF 9 micron |
40 km |
Catalyst 6500 |
|
10GBAse-LX4/LW4 (1310 nm WWDM) |
MMF 50 micron |
300m |
Không có |
|
|
MMF 62.5 micron |
300m |
Không có |
|
|
SMF 9 micron |
10 km |
|
Bảng 1.6: So sánh các chuẩn cáp mạng 10 Gigabit
