CHƯƠng giới thiệU
Sơ lược về chuẩn IEEE 802.3
tải về 186.59 Kb.
|
- Điều hướng trang này:
- 2.4.Cấu trúc khung Ethernet IEEE 802.3
- 2.5.Lớp con MAC và phương thức truy cập CSMA/CD
- 2.5.2.Phương thức truy cập CSMA/CD
- 2.5.3.Chế độ bán song công (Half Duplex Ethernet)
- 2.5.4.Chế độ song công Ethernet (Full – Duplex)
2.3.Sơ lược về chuẩn IEEE 802.3Chuẩn IEEE 802.3 là một phần của họ chuẩn cho mạng cục bộ và metropolitan. Mối quan hệ giữa các thành viên của chuẩn được trình bày bên dưới. 
Hình 2 2 Họ chuẩn của mạng cục bộ. Các chuẩn này liên quan đến lớp vật lý và lớp data link được định nghĩa bởi International Organization Standardization (ISO). 2.4.Cấu trúc khung Ethernet IEEE 802.3Chuẩn IEEE 802.3 định nghĩa một khung định dạng dữ liệu cơ bản cho tất cả công việc mà MAC thực hiện. Thêm vào đó, một vài chức năng lựa chọn được thêm vào cho khung dữ liệu. Một khung dữ liệu gồm có 7 trường như hình vẽ. Hình 2 3 Cấu trúc Frame Ethernet
Preamble chỉ ra sự bắt đầu của một khung truyền. Nó gồm một dãy các giá trị bit 0 và 1 xen kẽ nhau để báo hiệu cho trạm nhận (receiving stations) rằng có khung đang tới. Và nó cũng cung cấp một phương tiện để đồng bộ hóa những phần khung nhận của lớp vật lý nhận với một luồng bits vào. Preamble bao gồm 7 bytes như sau: 10101010 - 10101010 - 10101010 - 10101010 - 10101010 - 10101010 - 10101010
SFD là một chuỗi 8 bit (1 byte) 10101011. Nó theo sau Preamble và chỉ ra sự bắt đầu của chuỗi thông tin với hai bit cuối là 11. Sau byte này chính là địa chỉ.
Địa chỉ đích bao gồm 6 bytes để xác nhận trạm sẽ nhận khung. Nó chứa địa chỉ vật lý (physical address) của đích sắp đến của gói. Địa chỉ vật lý của hệ thống là một mẫu bit được mã hóa trên NIC (Network Interface Card). Nếu gói phải đi qua mạng LAN này đến mạng LAN khác để đến đích của nó, trường DA chứa địa chỉ vật lý của router nối mạng LAN hiện hành và mạng LAN kế. Khi gói đạt đến mạng đích, trường DA chứa đại chỉ vật lý của thiết bị đích. Trong chuỗi bits này, bit phía bên trái của trường DA chỉ ra địa chỉ đơn (individual address) nếu là bit 0 hoặc địa chỉ nhóm (group address) nếu là bit 1. Bit thứ hai bên trái chỉ ra DA được quản lý cục bộ hay quản lý toàn cục. Những bit còn lại được gán để xác nhận một trạm đơn, nhóm trạm hoặc tất cả trạm trên mạng (network).
Địa chỉ nguồn bao gồm 6 bytes chứa địa chỉ vật lý của thiết bị cuối cùng chuyển tiếp gói. Thiết bị đó có thể là trạm đang gởi hoặc router mới xảy ra nhất để nhận và chuyển tiếp gói. Địa chỉ nguồn thì luôn luôn là địa chỉ đơn và bit phía trái thì luôn là bit 0.
Lengh/type field gồm 2 bytes. Chỉ ra số byte trong PDU (Protocol Data Unit) đang đến. Nếu chiều dài của PDU là cố định, trường này được dung chỉ ra loại hoặc nền của các giao thức khác. Ví dụ, Novel và Internet dùng nó để làm rõ nghi thức mạng đang dung PDU.
Trường dữ liệu gồm tuần tự n bytes. Chiều dài tối thiểu và lớn nhất của dữ liệu là từ 46 bytes đến 1500 bytes. Dữ liệu được gởi qua lớp mạng với một vài thông tin điều khiển. Nếu dữ liệu có chiều dài ít hơn 46 byte trong một gói, một cơ chế đặt biệt sẽ đệm để đủ tối thiểu 46 bytes. PDU được tạo ra bởi lớp phụ ở trên (LLC) rồi lien kết đến khung 802.3.
Frame Check Sequence bao gồm 4 bytes. Một vùng chứa 32 bits mã kiểm tra lổi và phát hiện sai theo mã CRC-32 và tính trên tất cả các trường (fields) ngoại trừ Preamble, SFD, FCS. 2.5.Lớp con MAC và phương thức truy cập CSMA/CD2.5.1.Media Access Control (MAC)Lớp con MAC nằm ở lớp 2 trong mô hình OSI. Có chức năng là giải quyết tranh chấp cho môi trường dùng chung. Nó bao gồm các quy định đồng bộ, kiểm soát lỗi cần thiết để chuyển thông tin từ vị trí này đến vị trí khác, cũng như các địa chỉ vật lý của trạm để đảm bảo khung dữ liệu được truyền nhận đúng trạm. Hình 2 4 Vị trí lớp con MAC trong mô hình OSI MAC Control là 1 lớp con (sublayer) tùy chọn nằm trong lớp Data link (trong mô hình 7 lớp của OSI). Nó được sử dụng chung với lớp con CSMA/CD MAC. MAC Control cung cấp khả năng điều khiển thời gian thực và thao tác hoạt động của lớp con MAC. Lớp con MAC Control sử dụng các dịch vụ không kết nối (connectionless) của lớp con MAC ở phía dưới để truyền khung điều khiển và khung dữ liệu. MAC Control không cung cấp bất kỳ cơ chế nào để đảm bảo khung truyền không bị mất mát. Các cơ chế để đảm bảo truyền khung không bị mất mát, như truyền lại các khung bị lỗi, bị hủy bỏ…, sẽ được MAC Control Client (Logic link control…) hổ trợ. Vì hoạt động của MAC Control là tùy chọn, nên MAC Control Client không thể nhận biết được sự tồn tại của thực thể MAC Control trong một trạm. Hoạt động của lớp con MAC control trong suốt đối với CSMA/CD MAC. Ở mạng Ethernet lớp con MAC sử dụng phương thức truy cập CSMA/CD (Carrier Sense multiple access with collision detect) để truy cập kênh truyền với 2 chế độ truyền là: song công (full duplex) và bán song công (half duplex).
Thiết kế ban đầu là phương thức đa truy cập (Multiple Access - MA) trong đó mỗi trạm truy cập đến một liên kết là ngang bằng nhau và bình quyền. Với MA thì không có quản lý lưu lượng, bất cứ trạm nào muốn truyền thì sẽ truyền và dựa vào xác nhận để kiểm tra khung đã truyền là thành công hay không. Trong một hệ thống CSMA, bất cứ trạm nào muốn truyền trước tiên phải lắng nghe sóng mang bằng cách kiểm tra điện áp. Nếu không có điện áp trên đường truyền thì đường truyền xem như là rảnh và nó có thể bắt đầu truyền. CSMA có thể giảm thiểu số xung đột nhưng tất nhiên không thể loại bỏ chúng một cách hoàn toàn. Xung đột vẫn xảy ra nếu một trạm chưa cảm nhận được tín hiệu sóng mang từ một trạm khác nào đó trên đường truyền do hiện tượng trễ của truyền sóng. Để khắc phục tình trạng như trên cần phải có bộ phát hiện xung đột Collision Detect – CD. Trong CSMA/CD một trạm muốn phát thì phải chắc chắn là đường truyền rảnh, rồi mới truyền dữ liệu. Trong lúc truyền dữ liệu, trạm luôn kiểm tra xem có điện áp cao vượt trội hay không, nếu có tức là có xung đột xảy ra. Nếu phát hiện có xung đột, trạm sẽ ngưng truyền và đợi một lượng thời gian ngẫu nhiên nếu đường truyền rảnh nó sẽ thực hiện truyền lại. 2.5.3.Chế độ bán song công (Half Duplex Ethernet)Half – Duplex Ethernet là mô hình truyền thống của Ethernet sử dụng giao thức CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect). Với CSMA/CD hay nhiều hơn các trạm chia sẽ một đường truyền chung. Để truyền một frame, một trạm phải chờ cho một khoảng thời gian rảnh trên đường truyền khi không có một trạm khác đang truyền. Sau đó nó truyền frame bằng cách thông báo (broadcast) nó trên đường truyền để mà nó nghe tất cả các trạm trên mạng. Nếu một trạm khác cố gắng truyền để truyền dữ liệu tại cùng một thời điểm, một đụng độ xuất hiện. Trạm truyền sau đó cố ý truyền một Jam để bảo đảm tất cả các trạm được thông báo frame truyền bị lỗi vì một đụng độ. Trạm sau đó giữ cho một khoảng thời gian ngẫu nhiên trước khi nổ lực để truyền lại. Tiến trình được lặp lại cho đến khi frame truyền thành công. Các nguyên tắc cơ bản cho việc truyền một frame:
Slot time là một thông số cho mạng hoạt động half – duplex Ethernet. Nó được xác định là 512 bits time cho mạng Ethernet hoạt động tại 10 và 100 Mb/s, và 4096 bit time cho Gigabit Ethernet. Để mà cho mỗi nơi truyền tin cậy trong việc phát hiện đụng độ, thời gian truyền nhỏ nhất cho một frame phải ít nhất là một slot time, và thời gian yêu cầu cho đụng độ để truyền đến tất cả các trạm trên mạng phải nhỏ hơn một slot time. Vì thế, một trạm không thể hoàn thành truyền frame trước khi phát hiện rằng một đụng độ đã xuất hiện. Các tín hiệu đã truyền bởi các khoảng trì hoãn đụng độ các trạm Ethernet khi chúng truyền suốt trên mạng. Các khoảng truyền bao gồm thời gian yêu cầu cho tín hiệu truyền qua các phần cáp, và thời gian trì hoãn đụng độ logic khi các tín hiệu chuyển qua các thành phần điện trong Network Interface Cards (NICs) và các hub. Đối với các phần cáp dài hơn và nhiều hub trên trạm, nó cho tín hiệu truyền từ một mạng cuối đến mạng khác. Thời gian một tín hiệu truyền giữa hai trạm có khoảng cách xa nhất trong mạng được biết như là “propagation delay” lớn nhất của mạng. Một trạm phát hiện rằng frame mà nó đang truyền đã bắt gặp một đụng độ, các tín hiệu của nó phải truyền qua mạng đến trạm khác phát hiện các đụng độ. Trạm này phải truyền một chuỗi jame để chỉ một đụng độ đã được phát hiện. Chuỗi jame này phải truyền qua lại mạng trước khi được phát hiện bởi trạm đang truyền. Tổng một vòng truyền tối đa (“round trip propagation delay) và thời gian yêu cầu để truyền một chuỗi jame là các thành phần xác định chiều dài của Ethernet slot time. Slot time là một thông số quan trọng vì:
Đối với Gigabit Ethernet, slot time phải được tăng từ 512 đến 4096 bits time. Vì Gigabit Ethernet có tốc độ data cao hơn, tín hiệu truyền chỉ cho một khoảng cách rất nhỏ trong phạm vi 512 bits time. Tại tốc độ một slot time 512 bits sẽ được hỗ trợ một mạng kích cỡ tối đa khoảng 20 mét. Một mạng nhỏ là không thực tế, vì thế chấp nhận của việc mở rộng một sóng mang được giới thiệu tăng slot time đến 4096 bits. Việc tăng kích cỡ của slot time và việc giới hạn số lần lặp lại trong một mạng, kích cỡ một mạng 200 mét có thể được hỗ trợ bởi Gigabit Ethernet.
Backoff là quá trình xử lý một trạm đang truyền tính toán chờ bao lâu sau một đụng độ trước khi nỗ lực truyền lại frame. Nếu tất cả các trạm đã chờ cùng khoảng thời gian trước khi truyền lại, sau đó đụng độ khác sẽ chắc chắn xuất hiện. Điều này được tránh bằng cách mỗi trạm phát một số ngẫu nhiên để tín khoảng thời gian nó phải chờ trước khi kiểm tra sóng mang. Khoảng thời gian này được biết như là “backoff delay” của trạm. Thuật backoff thực hiện trong Ethernet là “truncated binary exponential backoff”. Sau một đụng độ, mỗi trạm phát một số ngẫu nhiên nằm trong tầm chỉ rõ của giá trị. Sau đó nó chờ số slot time trước khi nỗ lực truyền lại. Tầm giá trị tăng theo số mũ sau mỗi lần truyền lại bị hỏng. Nỗ lực lần đầu có tầm là 0 đến 1, lần thứ hai là 0 đến 3, lần ba là 0 đến 7 và cứ thế tiếp tục. Nếu đụng độ lặp lại, thì tầm tiếp tục mở rộng đến 10 nỗ lực khi nó đi từ 0 đến 1023. Sau đó tầm của giá trị nằm giữa từ 0 đến 1023. Nếu một trạm không thành công trong việc truyền sau 16 lần nỗ lực, thì MAC thông báo “excessive collision error”. Frame được truyền lại sau đó bị bỏ đi, ta cần phần mềm ứng dụng phát hiện mất frame và bắt đầu một sự truyền lại. Các kết quả binary exponential backoff trong khoảng trì hoãn nhỏ nhất trước khi truyền lại khi lưu lượng trên LAN là thấp. Khi lưu lượng cao, đụng độ lặp lại là nguyên nhân làm tầm tăng lên, vì thế làm giảm cơ hội đụng độ sau đó. Trong một mạng, nơi mà lưu lượng có mức độ cao, đụng độ lặp lại sẽ bắt đầu gây ra lỗi quá đụng độ (excessive collision error) được phát đi. Lỗi quá đụng độ để chỉ ra rằng lưu lượng tải đã tăng đến điểm mà nó không thể có khả năng được giữ trên một mạng Ethernet đơn lẻ.
Khi mạng đang hoạt động dưới một tải lớn, thuật toán binary exponential backoff có thể trình bày một sự không công bằng được biết như “capture effect”. Vấn đề nảy sinh từ việc nắm giữ của collision counter. Mỗi trạm sẽ cập nhật bộ đếm đụng độ một cách độc lập của nó và chỉ sau một nỗ lực truyền lại. Chỉ có thành công bộ đếm đụng độ trở về zero sau khi phát một gói thành công. Điều này cho thuận lợi một trạm đơn bật cho phép nó “capture” mạng được một khoảng thời gian mở rộng. Một ví dụ của hiệu ứng bắt gồm hai trạm có nhiều data để gửi và có thể gửi data nhanh như được cho phép. Cả hai đụng độ với nỗ lực truyền lại đầu tiên và chọn backoff là 0 hoặc 1. Trạm A chọn 0, và trạm B chọn 1. Trạm A truyền lại trong lúc trạm B chờ một slot time. Sau khi trạm A hoàn thành việc truyền của nó và hết khoảng interframe gap, cả hai trạm sẵn sàng truyền lại và đụng độ xuất hiện. Đây là đụng độ đầu tiên của trạm A đối với frame này, vì thế nó chọn một backoff là 0 hoặc 1. Tuy nhiên, đây là đụng độ lần thứ hai của trạm B cho frame này, vì thế nó chọn một backoff giữa 0 và 3. Vì vậy trạm A có khả năng truyền cao hơn trong lúc trạm B chờ lại. Nếu điều này xảy ra thì lấy số giống như vậy và lại đụng độ, cho nên lấy các số lẻ cho trạm B (lấy số chẵn thì xấu hơn). Một kịch bản giống như vậy có thể lặp đi lặp lại chỉ có thể kết thúc khi hàng của trạm A là nỗ lực cuối cùng hoặc khi trạm cuối cùng trạm B tiến tới nỗ lực thứ 16. Sau 16 lần nỗ lực trạm B sẽ reset lại bộ đếm đụng độ của nó cho phép nó trở lại cạnh tranh nhiều hơn. Nhưng nó cũng bỏ ra frame nó đã nỗ lực truyền lại, yêu cầu nó xếp hàng frame cho việc truyền lại bằng phần mềm. Vào năm 1994 một thuật toán backoff mới được gọi là “binary logarithm arbitration method” (BLAM) được đưa ra để làm giảm vấn đề hiệu ứng bắt. Một nhóm làm việc IEEE 802.3w được tạo ra để thêm BLAM như một đặc điểm không bắt buộc cho chuẩn Ethernet. Mặc dù kết quả mô phỏng chứng minh rằng BLAM đưa ra một cải tiến xác định trên thuật toán binary exponential backoff, công việc để kết hợp nó vào trong chuẩn Ethernet không bao giờ được hoàn thành vì một thay đổi (dịch) trong rõ nét ở full – duplex Ethernet và thiếu sự chú ý cập nhật phần cứng half – duplex. 2.5.4.Chế độ song công Ethernet (Full – Duplex)Tiêu chuẩn IEEE 802.3x xác định một mode thứ hai của hoạt động Ethernet, được gọi là “full – duplex”, bỏ qua nghi thức CSMA/CD. Nghi thức CSMA/CD là “half – duplex”. Điều này chỉ rõ rằng một trạm có thể truyền data hay nhận data, nhưng không cùng một lúc. Mode full – duplex cho phép hai trạm đồng thời chuyển data trên một liên kết điểm điểm cung cấp đường truyền và nhận độc lập. Từ đó mỗi trạm có thể truyền và nhận data cùng một lúc, thông lượng của liên kết được gấp đôi lên. Một trạm 10 Mb/s hoạt động ở mode full – duplex cung cấp băng thông tối đa 20 Mb/s. Một trạm 100 Mb/s cung cấp băng thông 200 Mb/s. Hoạt động full – duplex bị giới hạn đến chuẩn sau:
Ở mode full – duplex , chuẩn Ethernet thêm vào hoạt động điều khiển luồng (flow control) đó là “PAUSE” frame. PAUSE frame cho phép một trạm cuối tạm thời ngừng lưu thông từ nơi khác đến trạm. tải về 186.59 Kb. Chia sẻ với bạn bè của bạn:
|
