Chương 7: Các kiến trúc mạng

Chương 7:Các kiến trúc mạng

Các khái niệm mạng cơ bản 2

Mục đích bài học

Tìm hiểu kiến trúc của một số mạng chính: 10 Mbps Ethernet, 100 Mbps Ethernet, Gigabit Ethernet, token ring, AppleTalk, FDDI, và ATM

Tìm hiểu các chuẩn dùng trong các kiến trúc mạng

So sánh hạn chế, ưu điểm, và nhược điểm


Ethernet

Hình thành từ các nghiên cứu vào thập kỷ 60 và 70 nhằm kết nối giữa các máy tính và chia sẻ dữ liệu ALOHA mạng trong trường University of Hawaii Phiên bản đầu tiên của mạng Ethernet được phát triển tại

trung tâm nghiên cứu Palo Alto của Xerox vào năm 1972 DIX (gồm 3 công ty Digital, Intel, Xerox) đã phát triển

chuẩn truyền thông tốc độ 10 Mbps Chuẩn này là cơ sở đặc tả các chuẩn của IEEE 802.3


Giới thiệu về mạng Ethernet

Là kiến trúc mạng phổ thông có nhiều ưu điểm: Dễ cài đặt Chi phí hợp lý Hỗ trợ nhiều phương tiện truyền thông

Một số đặc điểm: gói dữ liệu vào các khung, phương pháp truy cập là CSMA/CD, và sử dụng địa chỉ vật lý (MAC)

Chi làm 3 loại dựa vào: truyền thông, tốc độ, và phương tiện truyền


Các chuẩn IEEE 10 Mbps

4 chuẩn chính: 10Base5 – dùng cáp đồng trục loại lớn 10Base2 – dùng cáp đồng trục loại nhỏ hơn 10BaseT – dùng cáp xoắn đôi không bảo vệ 10BaseF – dùng cáp quang Ngày nay chỉ còn các chuẩn 10BaseT và 10BaseF là

vẫn được dùng


10BaseT

Dùng các loại cáp xoắn loại 3, 4, hoặc 5 Vì giá thành rẻ, mạng được dùng khá phổ biến Có topo mạng là star, nhưng truyền tín hiệu theo

topo dạng bus, xem hình 7-1 Số đoạn mạng tối đa là 5, số Hub tối đa là 4 Tối đa là 1024 máy tính trong mạng


Mạng 10BaseT sử dụng cấu trúc dạng Star

Hình 7-1 Mạng 10BaseT sử dụng cấu trúc dạng Star


10BaseT (tiếp)

Độ dài tối đa dây cáp là 100 mét Bảng 7-1 chỉ rõ thông số Ethernet Hình 7-1 mô tả hoạt động của mạng 10BaseT


Tóm tắt mạng Ethernet 10BaseT

Đặc điểm Tóm tắt

Đặc tả IEEE 802.3

Ưu điểm Rẻ, dễ cài đặt và khắc phục lỗi

Nhược điểm Độ dài cực đại của cáp nhỏ

Topo Star

Loại cáp Dùng cáp xoắn UTF Loại 3, hoặc cao hơn

Phương pháp truy cập CSMA/CD

Vị trí bộ truyền nhận Trên NIC

Độ dài cáp cực đại 100 m

Khoảng cách nhỏ nhất giữa thiết bị Không áp dụng


Số lượng đoạn mạng lơn nhất 1024

Số lượng thiết bị trong 1 đoạn mạng 2

Số thiết bị tối đa 1024

Tốc độ truyền nhận 10 Mbps

Table 7-1 Tóm tắt Ethernet 10BaseT


10BaseF

Dùng cáp quang Có 3 loại:

10BaseFL – kết nối các máy tính trong mạng LAN 10BaseFP – kết nối các máy tính dùng Hub thụ động; độ dài

cáp tối đa là 500 mét 10BaseFB – dùng cáp quang làm dây nối chính backbone giữa

các Hub

Dùng cấu trúc mạng Star, số nút mạng tối đa là 1024 có dùng các bộ lặp repeaters

Table 7-2 tóm tắt thông số về mạng 10BaseF Ethernet


Bảng thông số 10BaseF



Ưu điểm Khoảng cách dài

Nhược điểm Chi phí cao, khó cài đặt

Topo Star

Loại cáp Cáp quang



Độ dài cáp cực đại 2000 m, ngoại trừ 10BaseFP: 500 m

Khoảng cách nhỏ nhất giữa thiết bị 1023

Bảng 7-2 Tóm tắt Ethernet 10BaseF


Số thiết bị giữa 1 đoạn mạng 2

Số thiết bị lơn nhất trong 1 mạng 1024

Tốc độ truyền nhân 10 Mbps


Các chuẩn IEEE cho tốc độ 100 Mbps

Có 2 chuẩn Ethernet 100 Mbps thường dùng: 100BaseT, còn gọi là Fast Ethernet 100 VG-AnyLAN – Short-lived, rất hiếm


100BaseT

Các chuẩn mô tả là IEEE 802.3u Các chuẩn con:

100BaseT4 – gồm 4 cặp dây xoắn loại 3, 4, hoặc 5 100BaseTX – dùng 2 cặp dây xoắn loại 5 100BaseFX – dùng 2 sợi trong cáp


100BaseT (tiếp)

Có 2 lớp dùng trong 100BaseT: Lớp I – dùng 1 Hub để kết nối các thiết bị Lớp II – dùng tối đa là 2 Hub để kết nối

Xem hình 7-2 dùng switche liên kết các hub Bảng 7-3: các thông số của 100BaseT Ethernet


Switch liên kết các Hub 100BaseT

Hình 7-2 Switch liên kết các Hub 100BaseT


Bảng thông số 100BaseT Ethernet


Đặc tả IEEE 802.3u

Ưu điểm Tốc độ cao, dễ cấu hình và khắc phục lỗi

Nhược điểm Chi phí cao, khoảng cách giới hạn

Topo Star

Loại cáp Cáp xoắn UTP loại 3 hoặc cao hơn – 100BaseT4



Độ dài cáp cực đại 100m – 100BaseT4, 100BaseTX

2000m – 100BaseFX

Số đoạn mạng lớn nhất 1023

Số thiết bị trên 1 đoạn mạng 1

Số thiết bị cực đại 1024

Tốc độ truyền nhận 100Mbps

Bảng 7-3 Tóm tắt Ethernet 100BaseT


Gigabit Ethernet: các chuẩn 1 Gbps IEEE 802.3z

1000BaseX xác định các chuẩn Gigabit Ethernet Yêu cầu các phương pháp truyền tín hiệu khác nhau Sử dụng lược đồ 8B/10B trong đó 8 bits dành cho dữ

liệu và 2 bits dành cho phát hiện lỗi Sử dụng full-duplex (truyền và nhận dữ liệu đồng

thời)


Gigabit Ethernet: Các chuẩn 1 Gbps IEEE 802.3z (tiếp)

2 chuẩn mở rộng: 1000BaseX và 1000BaseT 802.3z-1998 – là chuẩn cho 1000BaseX gồm:

L – dùng ánh sáng laser bước sóng dài (cáp quang) S – dùng ánh sáng laser bước sóng ngắn (cáp quang) C – dùng cáp đồng

802.3ab-1999 – là chuẩn cho 1000BaseT gồm 4 cặp dây có trở kháng 100-ohm loại 5 hoặc cao hơn


10 Gigabit Ethernet:chuẩn 10 Gbps IEEE 802.3ae

Thông qua vào cuối năm 2002 Là chuẩn dành riêng cho cáp quang, sử dụng

cho cả single-mode và multi-mode Độ dài tối đa 5 km Sử dụng full-duplex Được dùng như dây backbone trong mạng và

dùng trong mạng lưu trữ (SANs) Tốc độ truyền từ 10 Mbps đến 10 Gbps


Tương lai của Ethernet

40 Gbps đang dần được thực hiện 100 Gbps có thể ra mắt vào năm 2006 Terabit (1000 Gigabit) vào năm 2011 và 10

Terabit vào năm 2015 Các chuẩn này phục vụ chính trong ngành giải

trí và doanh nghiệp


Các loại Ethernet Frame

Có 4 loại Ethernet Frame: Ethernet 802.3 dùng trong giao thức IPX/SPX trong Novell

NetWare 2.x hoặc 3.x networks Ethernet 802.2 dùng trong giao thức IPX/SPX trong Novell 3.12

and 4.x networks; Có sẵn trong NWLink của Microsoft Ethernet SNAP dùng trong EtherTalk và các máy chủ lớn Ethernet II sử dụng trong TCP/IP

2 thiết bị bất kỳ trong mạng muốn truyền thông phải tuân theo frame này

Các gói tin có dung lượng từ 64 đến 1518 bytes


Chuẩn Ethernet 802.3

Còn được gọi là Ethernet sơ khai Không hoàn toàn tuân theo các đặc tả của 802.3

Được dùng trong Novell NetWare 2.x or 3.x Hình 7-3 mô tả một frame


Ethernet 802.3 Frame

Header 7 byte

Gianh giới Frame 1

byte

Điạ chỉ đích 6 byte Dữ liệu

46-1500 byte

Điạ chỉ nguồn 6 byte

2 byte

CRC

4 byte

Bảng 7-3 Định dạng 1 Frame Ethernet 802.3


Phân đoạn

Chia mạng thành các phần nhỏ dễ quản lý Dùng switch hoặc router giữa các đoạn mạng Tăng hiệu năng mạng Xem hình 7-5


Switch phân đoạn Network

Đoạn mạng

Đoạn mạngSwitch

Hình 7-5 Switch làm giảm lưu luợng qua mạng


Ethernet không dây:Chuẩn IEEE 802.11b, a, và g

Sử dụng điểm truy cập (AP) là thiết bị trung tâm mạng

Các máy trạm trong mạng phải có NIC không dây Dùng phương pháp truy cập CSMA/CA Dùng phương pháp bắt tay trước khi truyền Chuẩn 802.11b xác định tốc độ truyền 11 Mbps; 802.11a

và g là 54 Mbps Không có độ dài cố định, nhưng độ dài tối đa là 300 feet


Token Ring

Được IBM phát triển Nâng độ tin cậy và tốc độ truyền mạng nhờ sử

dụng cáp xoắn đôi Dùng cấu trúc mạng vật lý Star Truyền dữ liệu theo mạch vòng logic Xem hình 7-6 và 7-2


Token Ring: cấu trúc mạng Star thực hiện chức năng mạch vòng

Hình 7-6 Mạng Token Ring có cấu trúc mạng Start - thực hiện chức năng mạnh vòng logic


Chức năng Token Ring

Phương pháp truy cập kênh là token-passing (thẻ bài) Nhận thẻ bài từ Nearest Active Upstream Neighbor (NAUN) Truyền thẻ bài đến Nearest Active Downstream Neighbor

(NADN)

Tạo công bằng cho các máy tham gia mạng Sử dụng các gói tin có kích thước, từ 4000 đến 17,800

bytes không gây xung đột Hoạt động ở tốc độ 4 Mbps, phiên bản mới nhất là 16

Mbps


Cột mốc (Beaconing)

Là kỹ thuật tự động cách ly lỗi Máy tính đầu tiên tham gia mạng (bật) sẽ trở thành một bộ

monitor tích cực quản lý tiến trình beaconing Các máy tính còn lại là các monitor dự phòng

Cứ 7 giây, máy tính tích cực này sẽ gửi các gói tin đặc biệt đến máy ngay cạnh (theo chiều quy định) Gói tin thông báo địa chỉ của monitor tích cức Mạng sẽ không bị tác động nếu gói tin đi một vòng và trở lại

monitor tích cực

Hình 7-7 mô tả khả năng cấu hình lại để tránh lỗi mạng


Cấu hình lại Token Ring để tránh lỗi mạng

Trạm

1 Trạm 2

Trạm 3

Trạm 4

Trạm 5

Trạm 6

Trạm 7

Trạm 8

Tôi không nhận được tín hiệu từ trạm 2

Hình 7-7 Cấu hình lại Token Ring để tránh lỗi mạng


Phần cứng

Sử dụng Khối truy nhập tra trạm (MAU or MSAU) hoặc Khối truy nhập tra trạm thông minh (SMAU)

Hai cổng nối các Hub theo mạch vòng Cổng ra Ring Out (RO) trên Hub nối với cổng vào

Ring In (RI) trên Hub kế tiếp IBM cho phép 33 Hub kết nối với nhau Ban đầu, tối đa 260 máy trạm trên mạng; bây giờ tối

đa là 520


Dây cáp trong mạng Token Ring

IBM định nghĩa một số loại cáp Đường kính dây cáp theo chuẩn American Wire

Gauge (AWG) Xem bảng 7-8 Bảng 7-9 mô tả thông số token ring


Dây cáp trong IBM/Token Ring

Loại Đặc điểm

Loại 1 cáp STP với 2 cặp dây đồng 22-AWG bao quanh bởi 1 lớp bảo vệ. Cáp này dùng để nối máy tính với MAU và có thể được gắn để chạy bên trong tường

Loại 2 Cáp STP với 2 cặp dây đồng 22-AWG và 4 cặp 26-AWG cho âm thanh. Cáp này thường sử dụng để truyền dữ liệu và âm thanh

Loại 3 Cáp UTP hỗ trợ truyền âm thanh với loại 22-AWG hoặc 24-AWG. Rẻ hơn loại 1, nhưng tốc độ chỉ đạt 4 Mbps

Loại 5 Cáp quang, đường kính 62.5 hoặc 100 micro met. Thường dùng để liên kết các MAU

Loại 6 Cáp STP với cáp xoắn đôi thẳng loại 26-AWG bao quanh bởi lớp bảo vệ. Giống như loại 1, như vì là loại dây thẳng nên độ linh động tăng song khoảng cách bị hạn chế. Loại cáp này thường dùng như dây cáp nối

Loại 8 Cáp STP được dùng dưới thảm nền. Gần giống loại 6 nhưng phẳng hơn

Loại 9 Tương tự loại 6

Bảng 7-8


Thông số Token Ring

Đặc điểm Mô tả


Ưu điểm Nhanh và tin cậy

Nhược điểm Đắt hơn Ethernet, khó khắc phục

Topo Cấu trúc dạng Ring, Star

Phương pháp truy cập Truyền Thẻ bài

Độ dài cáp cực đại 45m – cáp UTP

101m – cáp STP

số đoạn mạng cực đại 33 hubs

Số thiết bị trong mỗi đoạn mạng phụ thuộc vào Hub

Số thiết bị trong mạng Lớn nhất: 72 với UTP và 260 với STP

Tốc độ truyền nhận 4Mps hoặc 16 Mbps

Bảng 7-9


Kiến trúc AppleTalk và ARCnet

Được thiết kế bởi Apple Computers, Inc., cho mạng Macintosh

ARCnet rất hiếm sử dụng LocalTalk là triển khai vật lý của AppleTalk


Mô trường kiến trúc AppleTalk

Là kiến trúc đơn giản, dễ triển khai Được thiết kế cho mạng Macintosh

Kiến trúc AppleTalk chỉ kiến trúc mạng nói chung, LocalTalk chỉ việc đi dây trong kiến trúc vật lý

Sử dụng địa chỉ động Máy tính lấy một địa chỉ và truyền tin trên toàn mạng

để xác định địa chỉ này đã được dùng hay chưa


Môi trường kiến trúc AppleTalk (tiếp theo)

Pha 1 hỗ trợ 32 máy tính trên 1 mạng nhưng sau đó tăng lên 254 máy tính

Pha 2 giới thiệu EtherTalk và TokenTalk Chấp nhận các giao thức AppleTalk hoạt động trên

mạng Ethernet và mạng token ring. Tăng số lượng máy tham gia mạng lên đến hơn 16

triệu


FDDI

Fiber Distributed Data Interface: Giao diện dữ liệu phân bố theo cáp quang Phương pháp truy cập kênh: token-passing Hình 7-10 mô tả đặc điểm của vòng xoay hai chiều Tốc độ truyền 100 Mbps Tối đa 500 nút mạng trong phạm vi 100 km (60 miles) Dùng cấu trúc vòng vật lý, không dùng Hub Có thể dùng các bộ Bộ tập kết (concentrator) làm

điểm truy cập trung tâm


Mạng FDDI sử dụng vòng xoay 2 chiềus

Hình 7-10 Mạng FDDI hoạt động với các vòng xoay 2 chiều


FDDI (tiếp)

Máy tính có thẻ bài có thể truyền đi một hoặc nhiều gói tin Hạn chế xung đột bằng cách tính toán thời gian trễ mạng

Một số trạm hoặc kiểu dữ liệu có thể được gán quyền ưu tiên

Vòng xoay 2 chiều Dữ liệu truyền trên vòng chính Khi vòng chính bị lỗi, dữ liệu sẽ được chuyển sang vòng 2,

xem hình 7-11


Vòng kép trong FDDI đảm bảo dữ liệu luôn được truyền đến đích

Hình 7-11 Vòng kép luôn đảm bảo dữ liệu được truyền đến đích


FDDI (tiếp)

Có 2 loại card mạng Dual Attachment Stations (DAS) – gắn trên cả 2

vòng; dùng cho Server và bộ tập kết Single Attachment Stations (SAS) – gắn trên 1

vòng; dùng cho các máy trạm nối vào bộ tập kết

Bảng 7-11 mô tả thông số kiến trúc FDDI


Thông số kiến trúc FDDI

Đặc điểm Mô tả

Đặc tả IEEE không sử dụng, dùng chuẩn X3T9.1

Ưu điểm Nhanh, tin cậy, khoảng cách dài, độ an toàn cao

Nhược điểm Đắt, khó cài đặt

Topo Ring

Loại cáp Cáp quang

Phương pháp truy cập Truyền thẻ bài

Tổng độ dài trong mạng Lớn nhất: 100 km

Số lượng thiết bị trong mạng Lớn nhất 500

Tốc độ truyền 100 Mbps

Bảng 7-11


Các mạng tương tự khác

Một số công nghệ bao gồm: Cable modem: modem dùng cáp truyền hình Digital Subscriber Line (DSL): đường thuê bao số Công nghệ dải tần rộng (Broadband) Asynchronous Transfer Mode (ATM): chế độ truyền

bất đồng bộ


Công nghệ dải tần rộng

Sử dụng tín hiệu tương tự để mã hoá thông tin Dải tần cơ sở sử dụng lược đồ mã hoá tín hiệu số tại

tần số đơn, cố định

Sử dụng sóng điện từ liên tục hoặc sóng quang Dùng 2 kênh để truyền và nhận tín hiệu Tốc độ cao, tăng độ tin cậy


Công nghệ Cable Modem

Truy cập internet qua cáp TV đồng trục Là chuẩn chính thức của Dữ liệu thể hiện qua

thông số giao diện dịch vụ cáp (DOCSIS) Sử dụng tốc độ downstream (download) và

upstream (upload) khác nhau, không đồng bộ Upstream: 10 Mbps Downstream: từ 256 Kbps đến 1 Mbps

Xem hình 7-12


Mạng Cable Modem điển hình

Truyền thông qua cáp quang

Khung mạng

Mạng điện thoại chuyển mạch công

cộng

Các điểm nối đầu cuối

Hub trung gian

Hub trung gian

Hub trung gian

Mạng Sonet hoặc ATM

Điểm truy cập

Điểm truy cập

Điểm truy cập

Cổng

Gia đình

Gia đình

Cơ quan


Đường thuê bao kỹ thuật số (DSL)

Sử dụng đường điện thoại để truyền âm thanh và hình ảnh đông thời

Biến đến nhiều nhất là Đường thuê bao kỹ thuật số không đối xứng (ADSL)

Tốc độ downloads và upload khác nhau đáng kể Download: từ 256 Kbps đến 8 Mbps Upload: từ 16 Kbps đến 640 Kbps

Chia dây điện thoại thành 2 dải tần, dải tần < 4 KHz sử dụng cho âm thanh


Các công nghệ Broadcast

Truy cập Internet bằng sóng từ vệ tinh Người dùng kết nối đến nhà cung cấp dịch vụ

bằng modem bình thường Nhà cung cấp dịch vụ, như DirectTV, truyền tín

hiệu lên vệ tinh, tốc độ khoảng 400 Kbps


Kiểu truyền không đồng bộ (ATM)

Thiết kế cho cả LANs và WANs Sử dụng các switches kết nối có định hướng và một

mạch dành riêng giữa 2 thiết bị truyền tin Dữ liệu truyền trong các cố định ngắn 53-byte trong đó

5 bytes cho header và 48 bytes cho data Đảm bảo chất lượng dịch vụ Thích hợp với các ứng dụng cần băng thông rộng và kéo

dài


ATM và các tốc độ tín hiệu SONET

Tốc độ truyền trong băng thông ATM (là tốc độ sóng mang) được biểu diễn dưới dạng OC-x X đại diện cho cấp độ nhân của tốc độ cơ bản OC-1 =

51,840 Mbps Tốc độ này được định nghĩa bởi mạng quang học

đồng bộ (Synchronous Optical Network - SONET) Bảng 7-12 liệt kê danh sách tốc độ sóng quang

SONET từ OC-1 đến OC-3072 Tốc độ ATM điển hình trong khoảng từ OC-3 đến OC-

12


Tốc độ tín hiệu sóng quang

Sóng quang Tốc độ tín hiệu

OC-1 51.84 Mbps

OC-3 155.52 Mbps

OC-9 466.56 Mbps

OC-12 622.08 Mbps

OC-24 1.244 Gbps

OC-36 1866 Gpbs

OC-48 2.488 Gpbs

OC-96 4.976 Gpbs

OC-192 9.953 Gpbs

OC-255 13.271 Gpbs

OC-768 39.813 Gpbs

OC-1536 79.6 Gpbs

OC-3072 159.2

Bảng 7-12


High Performance Parallel Interface (HIPPI)

Được các siêu máy tính sử dụng HIPPI nối tiếp dùng sợi quang

Sử dụng một chuỗi nối tiếp các điểm liên kết quang học

Băng thông: 800 Mbps Thường được dùng làm backbone của mạng

trước khi có mạng Gigabit Ethernet HIPPI-6400, bây giờ còn biết đến là Gigabyte

System Network (GSN), có tốc độ 6.4 Gbps


Tóm tắt chương

Kiến trúc xác định vị trí dữ liệu trên mạng, phương pháp truyền, tốc độ truyền, quản lý lỗi

Được giới thiệu vào năm 1972, Ethernet cung ứng phương pháp truyền nhận dữ liệu ổn định, tin cậy

Digital, Intel, và Xerox giới thiệu phiên bản mới trở thành cơ sở cho chuẩn IEEE Ethernet 802.3, tốc độ truyền 10 Mbps


Tóm tắt chương (tiếp)

Được phát triển bởi IBM vào những năm 1980, Các mạng token ring tỏ ra nhanh, hiệu quả, tin cậy

Tốc độ trong Token ring từ 4 Mbps đến 16 Mbps Mạng Token ring tự thiết lập lại tránh lỗi Mô hình vật lý là Star, nhưng Token Ring vận

hành theo mô hình Ring



Ưu điểm lớn nhất của Token ring là tạo sự công bằng cho tất cả các máy tính tham gia mạng, cho phép mạng tăng về quy mô

AppleTalk và ARCnet không còn phổ biến AppleTalk được thiết kế dành riêng cho các máy

tính Macintosh Giai đoạn 2 của AppleTalk: có thể dùng mạng

Ethernet và mạng token-ring để trao đổi với mạng AppleTalk



Kiến trúc FDDI nhanh, tin cậy dùng vòng xoay 2 chiều, phương pháp truy cập là Token-Passing

Vòng xoay giải quyết tốt bài toán khi phát sinh lỗi trong mạng

Kiến trúc FDDI cần chi phí cao, sử dụng tại những mạng cần tốc độ và bảo mật rất cao

Công nghệ Cable Modem cung cấp dịch vụ truy cập Internet tốc độ cao thông qua cáp TV đồng trục



Cable Modem: từ 256 Kbps đến 2.5 Mbps ATM là công nghệ mạng tốc độ cao dùng cho cả

LAN và WAN ATM dùng switche kết nối có định hướng Giữa hai hệ thống phải thiết lập một mạch

(tuyến) giành riêng trước khi truyền nhận dữ liệu



ATM thích hợp với các ứng dụng mạng cần băng thông rộng và thời gian dài

Kiến trúc Gigabit Ethernet ngày càng phổ biến bởi vì nó dễ dàng liên kết với mạng Ethernet.

Chương 7: Các kiến trúc mạng

Documents

Transcript of Chương 7: Các kiến trúc mạng