Đồ án Mạng truy nhập quang thụ động Ethernet và ứng dụng

Chương 2 CÔNG NGHỆ ETHERNET FASN theo ITU G.983 định nghĩa một mạng truy nhập quang dựa trên công nghệ PON sử dụng ATM, như là giao thức lớp hai của nó. Vào năm 1995, khi mà việc khởi xướng được bắt đầu, ATM có hy vọng cao để trở thành công nghệ thịnh hành trong mạng LAN, MAN và mạng đường trục. Tuy nhiên, cũng từ thời gian đó, công nghệ Ethernet đã đẩy lùi ATM. Ethernet đã trở thành một chuẩn được chấp nhận phổ biến với trên 320 triệu cổng triển khai trên toàn thế giới. Việc triển khai Gigabit Ethernet tốc độ cao và họ sản phẩm 10 Gigabit Ethernet đã trở thành hiện thực. Ethernet dễ dàng triển khai và quản lý, đang chiến thắng vùng đất mới trong MAN và WAN. Suy cho cùng thì 95% LAN sử dụng Ethernet nên ATM-PON không thể là lựa chọn tốt nhất cho việc kết nối mạng Ethernet. Một thiếu sót của ATM là việc hư hỏng và sai lệch của các cell ATM sẽ làm mất hiệu lực hoàn toàn khung IP. Tuy nhiên các cell còn lại sẽ mang mức của cùng khung IP sẽ được truyền xa hơn, vì vậy việc chi phối tài nguyên mạng là không cần thiết. Ngoài ra, có lẽ điều quan trọng nhất là ATM không thể đạt được một công nghệ chi phí thấp như mong muốn. Các chuyển mạch ATM và Card mạng là khá đắt so với chuyển mạch Ethernet và Card mạng Ethernet. Kỹ thuật QoS được chấp nhận mới P802.1p, đã làm cho mạng Ethernet có khả năng cung cấp thoại, data và video. Kỹ thuật này bao gồm mô hình truyền dẫn song công và sự ưu tiên. Ethernet là công nghệ với chi phí thấp, phổ biến và phù hợp với nhiều thiết bị cũ khác nhau. Vì vậy, trong chương này sẽ trình bày tổng quan về kỹ thuật Ethernet, kiến trúc khung của Ethernet và quan hệ giữa Ethernet với mô hình 7 lớp OSI. 2.1 Tổng quan về Ethernet Thuật ngữ Ethernet được quy vào họ sản phẩm của mạng LAN thuộc chuẩn 802.3 và được định nghĩa như là một giao thức truy nhập đa sóng mang có phát hiện va chạm CSMA/CD: Carrier Sence Multiple Access/Collision Detect. Hiện tại có 4 tốc độ dữ liệu được định nghĩa cho hoạt động trên cáp sợi quang: 10Mps-10BaseT Ethernet. 100Mbps-Fast Ethernet. 1000Mbps-Gigabit Ethernet. 10000Mbps-10Gigabit Ethernet. Nhiều giao thức và công nghệ khác nhau được đưa ra nhưng Ethernet vẫn tồn tại như là một công nghệ LAN bởi giao thức của nó có những đặc tính sau: Dễ hiểu, dễ thực hiện, dễ quản lý và bảo dưỡng. Cho phép triển khai mạng với chi phí thấp. Cung cấp nhiều mô hình linh hoạt cho việc cài đặt mạng. Bảo đảm kết nối thành công và hoạt động theo tiêu chuẩn của sản phẩm, bất chấp nhà chế tạo… 2.2 Các phần tử của mạng Ethernet Mạng LAN Ethernet bao gồm các node mạng và phương tiện liên kết. Các node mạng nằm trong hai lớp chính: DTE - Data Terminal Equipment: là thiết bị nguồn hay đích của khung dữ liệu. Các thiết bị DTE điển hình như PC, trạm làm việc, file server hoặc print server như là một nhóm ở trạm đầu cuối. DCE - Data Communication Equipment: là các thiết bị mạng trung gian có nhiệm vụ nhận và chuyển tiếp các khung dữ liệu thông qua mạng. DCE có thể là các thiết bị Standalone như là bộ lặp, bộ chuyển mạch hay các thiết bị giao tiếp truyền thông như là Card giao tiếp. Các thiết bị mạng trung gian Standalone được xem như là một node trung gian hoặc DCE. Card giao tiếp mạng được xem như là một NIC - Network Interface Card. 2.3 Kiến trúc mô hình mạng Ethernet Mạng LAN có nhiều mô hình kiến trúc khác nhau, nhưng bất chấp sự rắc rối và kích cở của nó, tất cả đều kết hợp từ ba kiến trúc kết nối cơ bản: Kiến trúc đơn giản nhất là kết nối điểm-điểm. Nguồn : Internetworking Technologies Handbook Hình 2.1: Mô hình kết nối điểm-điểm Chỉ 2 đơn vị mạng được kết nối với nhau và kết nối này có thể là DTE với DTE, DTE với DCE, DCE với DCE. Dây cáp trong kết nối điểm điểm được gọi là network link. Chiều dài cho phép lớn nhất của cáp phụ thuộc vào kiểu cáp và phương thức truyền được sử dụng. Mạng Ethernet cơ sở được thực hiện với kiến trúc bus cáp đồng trục. Nguồn : Internetworking Technologies Handbook Hình 2.2: Mô hình kết nối bus đồng trục Chiều dài của Segment được giới hạn ở 500m và có thể kết nối 100 trạm vào một Segment. Từng Segment có thể kết nối với các trạm lặp, miễn là nhiều đường không tồn tại giữa hai trạm bất kỳ trên mạng và số lượng DTE không vượt quá giá trị qui định. Mặc dầu những mạng mới không được kết nối trong cấu hình bus nhưng một vài mạng bus cũ vẫn tồn tại và vẫn được sử dụng hữu ích. Từ đầu thập niên 90, cấu hình mạng được lựa chọn là mô hình kết nối sao. Nguồn : Internetworking Technologies Handbook Hình 2.3: Mô hình kết nối sao Đơn vị mạng trung tâm là bộ lặp đa cổng hay còn gọi là Hub hoặc là một chuyển mạch mạng. Tất cả kết nối trong mạng sao là kết nối điểm điểm được thực hiện với cáp sợi quang. 2.4 Quan hệ vật lý giữa IEEE802.3 và mô hình tham chiếu OSI Hình 2.4 mô tả các lớp vật lý của IEEE802.3 và quan hệ của nó với mô hình tham chiếu OSI. Với giao thức IEEE802, lớp liên kết dữ liệu trong OSI được chia thành hai lớp con IEEE802: lớp con MAC-Media Access Control và lớp con MAC-Client. Lớp vật lý IEEE802.3 tương đương với lớp vật lý OSI. Nguồn : Internetworking Technologies Handbook Hình 2.4: Quan hệ vật lý của Ethernet với mô hình tham chiếu OSI Lớp con MAC-Client có thể là một trong các lớp con sau: Là lớp con LLC-Logical Link Control, nếu đầu cuối là một DTE. Lớp con này cung cấp giao tiếp giữa Ethernet MAC và lớp trên trong ngăn giao thức của trạm đầu cuối. Lớp con LLC được định nghĩa trong chuẩn IEEE802.2. Là thực thể cầu nối Bridge Entity, nếu đầu cuối là DCE. Thực tế cầu nối cung cấp giao tiếp LAN to LAN giữa các mạng LAN sử dụng cùng giao thức, ví dụ Ethernet to Ethernet và cũng cung cấp giữa các giao thức khác nhau, ví dụ Ethernet với Token Ring. Thực thể cầu nối được định trong chuẩn IEEE802.1. Bởi vì đặc điểm kỹ thuật của LLC và thực thể cầu nối là chung cho tất cả các giao thức LAN IEEE802, tính tương thích của mạng là cơ sở của các giao thức mạng đặc biệt. Hình 2.5 minh hoạ các yêu cầu tương thích khác nhau được lợi dụng bởi lớp vật lý và lớp MAC trong truyền thông dữ liệu cơ sở trên kết nối Ethernet. Nguồn : Internetworking Technologies Handbook Hình 2.5: Lớp vật lý và lớp MAC tương thích với các yêu cầu cho truyền thông dữ liệu cơ sở Lớp MAC điều khiển sự truy nhập của một node đến phương tiện truyền thông của mạng và đặc biệt là đến các giao thức riêng biệt. Tất cả lớp MAC phải có thiết lập cơ bản về các yêu cầu vật lý, bất chấp liệu có phải chúng bao gồm một hay nhiều giao thức mở rộng được lựa chọn định nghĩa. Chỉ những nhu cầu cho truyền thông cơ sở hay còn gọi là truyền thông không có nhu cầu lựa chọn giao thức mở rộng giữa hai node mạng thì cả hai lớp MAC phải hổ trợ cùng tốc độ truyền. Lớp vật lý 802.3 qui định rõ tốc độ truyền dữ liệu, mã hoá tín hiệu, và kiểu kết nối phương tiện giữa hai node. Ví dụ, Gigabit Ethernet định nghĩa hoạt động trên cáp xoắn đôi hoặc cáp sợi quang, nhưng tuỳ theo mỗi thủ tục mã hoá tín hiệu hoặc từng kiểu cáp riêng biệt mà yêu cầu một sợi thi hành lớp vật lý khác nhau. 2.5 Lớp con MAC Ethernet Lớp con MAC có hai chức năng chính: Đóng gói dữ liệu kể cả đóng khung trước khi truyền, phân tích và dò lỗi trong suốt và sau khi nhận khung. Điều khiển truy nhập phương tiện bao gồm khởi tạo một sự truyền khung và phục hồi lại sự truyền bị hỏng. 2.5.1 Dạng khung cơ bản của Ethernet Chuẩn 802.3 định nghĩa dạng khung dữ liệu cơ bản được yêu cầu cho tất cả sự thi hành của MAC, cộng thêm một vài khuôn dạng để chọn bổ sung mà được sử dụng để mở rộng giao thức. Dạng khung dữ liệu cơ sở gồm có 7 trường: Nguồn : Internetworking Technologies Handbook Hình 2.6: Dạng khung dữ liệu MAC Ethernet cơ bản PRE-Preamble: gồm có 7 byte. PRE là các mức logic 0 và 1 xen kẻ nhau để báo cho trạm nhận khung dữ liệu đang đến và cung cấp phương tiện để đồng bộ mức thu nhận khung của lớp vật lý bên nhận với luồng bit đến. DA-Destination Address: trường DA xác định trạm sẽ nhận khung. Một bit ngoài cùng bên trái chỉ định có phải là địa chỉ của một địa chỉ cá nhân được chỉ định bởi 0 hoặc của một nhóm địa chỉ được chỉ định bởi 1. Bit thứ hai kể từ bên trái chỉ định có phải DA là điều hành toàn bộ được chỉ định mức 0 hoặc điều hành nội bộ được chỉ định mứt 1, 46 bit còn lại là một nhóm các trạm hoặc tất cả các trạm trên mạng. SA-Source Address: 6 byte: trường SA xác định trạm nguồn. Trường SA luôn là địa chỉ duy nhất và bit đầu tiên bên trái luôn ở mức 0. Length/Type -4byte: Trường này chỉ định số byte dữ liệu của lớp con MAC-Client mà được chứa trong trường dữ liệu của khung hoặc kiểu ID khung nếu khung được tập hợp sử dụng một dạng khung lựa chọn. Nếu giá trị của trường Length/Type ít hơn hoặc bằng 1500, số byte của LLC trong trường dữ liệu bằng giá trị của trường Length/Type. Nếu lớn hơn 1536, khung này là một kiểu khung lựa chọn và giá trị của trường Length/Type chỉ định kiểu của khung sẽ được gởi và nhận. Data: Là sự nối tiếp của n byte giá trị bất kỳ với n £ 1500. Nếu chiều dài của trường dữ liệu nhỏ hơn 46, trường dữ liệu phải được mở rộng bằng cách thêm một filler thích hợp để mang trường dữ liệu dài 46 byte. FCS-Frame Check Sequence: 4 byte: trường này chứa một giá trị 32 bit kiểm tra độ dư vòng được tạo bởi lớp MAC bên gởi và được tính toán lại ở lớp MAC bên thu để kiểm tra độ hư hại của khung. FCS được phát trên các trường DA,SA, Length/Type và Data. 2.5.2 Sự truyền khung dữ liệu Bất cứ lúc nào, một trạm MAC đầu cuối nhận một yêu cầu truyền khung kèm theo địa chỉ và thông tin dữ liệu từ lớp con LLC, lớp MAC bắt đầu truyền một cách tuần tự bằng cách truyền thông tin LLC vào bộ đệm khung lớp MAC. Định ranh giới mào đầu khung được chèn vào trường PRE và SOF. Địa chỉ nguồn và đích được chèn vào trường địa chỉ. Số byte dữ liệu LLC được tính và chèn vào trường Length/Type. Số byte dữ liệu LLC được chèn vào trường dữ liệu. Nếu lượng byte dữ liệu LLC nhỏ hơn 46 thì phải đệm thêm để trường dữ liệu dài 46byte. Một giá trị FCS được phát trên trường DA, SA, Length/Type, data và được gán vào phần sau của trường dữ liệu. Sau khi khung được tập hợp, quá trình phát khung phụ thuộc vào lớp MAC hoạt động ở chế độ đơn công hay song công. Chuẩn IEEE 802.3 hiện tại yêu cầu tất cả các lớp MAC Etherhet hỗ trợ hoạt động ở chế độ đơn công, trong chế độ này lớp MAC có thể truyền và nhận khung nhưng không thể thực hiện cả hai. Ở chế độ hoạt động song công cho phép lớp MAC có thể đồng thời truyền và nhận khung. 2.5.2.1 Truyền đơn công phương thức truy nhập đa sóng mạng có phát hiện xung đột Giao thức truy nhập đa sóng mang có phát hiện xung đột CSMA/CD được bắt đầu phát triển như là một phương thức để hai hoặc nhiều trạm có thể chia sẽ chung một phương tiện trong một môi trường không chuyển mạch khi giao thức không yêu cầu xử lý tập trung, truy nhập Token hoặc ấn định khe thời gian để cho biết khi nào một trạm sẽ được phép truyền. Mỗi Ethernet MAC tự quyết định khi nó sẽ được phép gởi khung dữ liệu. Carrier sense: mỗi trạm liên tục lắng nghe lưu lượng trên cáp để xác định khi nào khoảng trống giữa các khung truyền xãy ra. Multiple Access: các trạm có thể bắt đầu truyền bất cứ lúc nào nó dò thấy mạng rỗi. Collision detect: nếu hai hoặc nhiều trạm trong cùng mạng CSMA/CD bắt đầu truyền cùng một lúc, thì các luồng bit này sẽ bị xung đột xãy ra trước khi nó hoàn thành việc gởi dữ liệu. Nó phải ngưng truyền ngay khi phát hiện xung đột và phải đợi đến một khoảng thời gian ngẫu nhiên rồi sẽ thử truyền lại Bảng 2.1: Các giới hạn cho hoạt động truyền đơn công Thông số 10 Mbps 100 Mbps 1000 Mbps Kích thước khung tối thiểu 64 bytes 64bytes 520 bytes 1 Đường kính va chạm cực đại, DTE tới DTE 100 m UTP 100 m UTP 412 m fiber 100 m UTP 316 m fiber Đường kính va chạm cực đại với những bộ chuyển tiếp 2500 m 205 m 200 m Số lượng tối đa những bộ chuyển tiếp trong đường dẫn mạng 5 2 1 1 : 520 bytes áp dụng cho triển khai thực hiện 1000Base-T. Kích thước khung tối thiểu với trường mở rộng cho 1000Base-X được nén lại 416 bytes bởi vì 1000Base-X mã hóa và truyền 10 bits đối với từng byte 2.5.2.2 Truyền song công-một phương pháp bắt buộc để nâng cao hiệu quả mạng Sự hoạt động song công là một khả năng lựa chọn MAC cho phép truyền đồng thời theo hai hướng thông qua kết nối điểm điểm. Truyền song công về mặt chức năng thì đơn giản hơn truyền đơn công bởi vì nó không tranh chấp phương tiện truyền thông, không xung đột, không phải truyền lại và không cần bit mở rộng trong các khung ngắn. Kết quả là không những chỉ có nhiều thời gian cho việc truyền tải dữ liệu mà còn gấp đôi hiệu quả băng thông vì mỗi đường có thể hổ trợ tốc độ cao nhất và truyền đồng thời theo hai hướng. Quá trình truyền thường bắt đầu ngay khi khung sẵn sàng để gởi. Chỉ có một giới hạn là phải có một khoảng trống IFG-InterFrame Gap giữa các khung liên tiếp và mỗi khung phải phù hợp với dạng khung Ethernet chuẩn. Nguồn : Internetworking Technologies Handbook Hình 2.7 Mô hình dạng truyền dữ liệu song công 2.6 Lớp vật lý Ethernet Các thiết bị Ethernet chỉ được sử dụng ở dưới của lớp 2 trong ngăn giao thức OSI, thiết bị điển hình được sử dụng như Card giao tiếp mạng gọi tắt là NIC. Các NIC khác nhau được xác định dựa trên thuộc tính lớp vật lý. Việc đặt tên qui ước là một sự sâu chuỗi của ba thuật ngữ xác định tốc độ truyền, phương pháp truyền và phương tiện mã hoá tín hiệu. Ví dụ: 10 BaseT = 10 Mbps, băng thông cơ sở, trên 2 cáp xoắn đôi. 100 BaseT2 = 100 Mbps, băng thông cơ sở, trên 2 cáp xoắn đôi. 100 BaseT4 = 100 Mbps, băng thông cơ sở, trên 4 cáp xoắn đôi. 1000 BaseLX = 1000 Mbps, bước sóng dài trên cáp sợi quang. 2.7 Quan hệ giữa lớp vật lý Ethernet và mô hình tham chiếu OSI Cho dù mô hình vật lý cụ thể của lớp vật lý có thể thay đổi từ phiên bản này sang phiên bản khác nhưng tất cả Ethernet NIC nói chung đều tương thích với mô hình được minh hoạ trong hình 2.8. Lớp vật lý đối với từng tốc độ truyền được phân thành các lớp con độc lập với kiểu phương tiện truyền thông riêng biệt và lớp con theo kiểu phương tiện truyền thông hay mã hoá tín hiệu. Lớp con Reconciliation còn gọi là lớp con hoà giải và MII-Media Independent Interface cung cấp kết nối logic giữa lớp con MAC và tập hợp khác nhau của lớp phụ thuộc phương tiện. MII và GMII được định nghĩa với các đường dẫn dữ liệu thu và phát riêng biệt ở tốc độ dữ liệu là 10 Mbps thì độ rộng là 1 bit, với tốc độ 100Mbps thì độ rộng là 4 bit, với tốc độ là 1000 Mbps thì độ rộng là 8 bit. Giao tiếp độc lập phương tiện MII và lớp con Reconciliation có chung từng tốc độ truyền của nó và được cấu hình cho hoạt động song công. Lớp con mã hoá vật lý phụ thuộc phương tiện PCS : cung cấp logic cho mã hoá, ghép kênh và đồng bộ của luồng dữ liệu đi cũng như sự liên kết mã tách kênh và giải mã cho dữ liệu đến. Lớp con PMA-Physical Medium Attachment : chứa tín hiệu thu và phát cũng như phục hồi đồng hồ cho luồng dữ liệu thu. MDI-Medium Dependent Interface : là bộ kết nối cáp giữa tín hiệu thu nhận và đường truyền. Auto-negotiation Sublayer : cho phép các NIC ở mỗi đầu cuối đường truyền trao đổi thông tin về khả năng riêng có của nó, sau đó thương lượng và chọn lựa mô hình hoạt động thuận lợi nhất mà cả hai mô hình đều có thể hổ trợ. Auto-negotiation là một tuỳ chọn trong Ethernet trước đây và được uỷ thác phiên bản sau. Phụ thuộc vào kiểu mã hoá tín hiệu được sử dụng và cấu hình đường truyền như thế nào mà PCS và PMA có thể hoặc không thể hổ trợ hoạt động song công Nguồn : Internetworking Technologies Handbook Hình 2.8 Mô hình tham chiếu lớp vậy lý Ethernet 2.8 Kết luận chương Với mô hình linh hoạt, kiến trúc đơn giản đặc biệt là chi phí thấp, Ethernet đã vượt qua ATM và trở thành công nghệ phổ biến hiện nay. Ethernet được chuẩn hoá theo chuẩn IEEE 802.3 với các tốc độ hoạt động đa dạng và tương tích với mô hình 7 lớp OSI là điều kiện thuận lợi để ứng dụng vào mạng truy nhập. Ngoài ra, Ethernet còn tương thích với nhiều loại thiết bị khác nhau nên trở thành một sự lựa chọn lý tưởng cho mạng truy nhập để truyền tải lưu lượng IP và hỗ trợ hiệu quả lưu lượng đa phương tiện. Ethernet đã chứng tỏ là lựa chọn thích hợp nhất cho mạng quang thụ động để ứng dụng cho mạng truy nhập.