Tiến trình xây dựng mạng
Ngày nay, mạng máy tính đóng vai trò quan trọng trong cơ sở hạ tầng của các cơ quan xí nghiệp, trở thành kênh trao đổi thông tin thiết yếu trong thời đại công nghệ thông tin Với chi phí thiết bị điện tử ngày càng giảm, việc đầu tư xây dựng hệ thống mạng trở nên khả thi hơn cho các công ty Tuy nhiên, để khai thác hiệu quả hệ thống mạng hỗ trợ công tác nghiệp vụ, cần chú trọng hơn đến yêu cầu sử dụng sau này Thực tế, nhiều người chỉ tập trung vào việc mua phần cứng mà không xem xét nhu cầu khai thác, dẫn đến lãng phí đầu tư hoặc mạng không đáp ứng đủ yêu cầu sử dụng.
Để tránh những vấn đề phát sinh, việc lập kế hoạch xây dựng và khai thác mạng một cách rõ ràng là rất cần thiết Quá trình này tương tự như việc phát triển phần mềm và bao gồm các giai đoạn: thu thập yêu cầu từ khách hàng, phân tích yêu cầu, thiết kế giải pháp mạng, cài đặt mạng, kiểm thử và bảo trì mạng.
Bài viết này sẽ tóm tắt nhiệm vụ của từng giai đoạn trong quá trình xây dựng mạng, giúp người đọc hình dung rõ ràng hơn về các vấn đề liên quan.
1.1.1 Thu thập yêu cầu của khách hàng
Mục đích của giai đoạn này là xác định mong muốn của khách hàng trên mạng mà chúng ta sắp xây dựng Các câu hỏi quan trọng cần được trả lời bao gồm: khách hàng đang tìm kiếm điều gì, họ có những nhu cầu và sở thích nào, và làm thế nào để đáp ứng những mong muốn đó một cách hiệu quả.
Bạn thiết lập mạng để làm gì? sử dụng nó cho mục đích gì?
Các máy tính nào sẽ được nối mạng?
Những người nào sẽ được sử dụng mạng, mức độ khai thác sử dụng mạng của từng người / nhóm người ra sao?
Trong vòng 3-5 năm tới bạn có nối thêm máy tính vào mạng không, nếu có ở đâu, số lượng bao nhiêu ?
Trong giai đoạn này, phương pháp thực hiện là phỏng vấn khách hàng và nhân viên các phòng có máy tính kết nối mạng Do đối tượng phỏng vấn thường không có chuyên môn sâu về mạng, nên cần tránh sử dụng thuật ngữ kỹ thuật phức tạp Ví dụ, thay vì hỏi "Bạn có muốn cài đặt Mail server cho mạng không?", hãy hỏi "Bạn có muốn người trong cơ quan bạn gửi mail cho nhau không?" Các câu trả lời của khách hàng thường không có cấu trúc rõ ràng và phản ánh góc nhìn của người sử dụng hơn là của kỹ sư mạng Người thực hiện phỏng vấn cần có kỹ năng và kinh nghiệm, biết cách đặt câu hỏi và tổng hợp thông tin hiệu quả.
Trong giai đoạn triển khai mạng, việc "Quan sát thực địa" là rất quan trọng để xác định vị trí, khoảng cách giữa các máy tính và lộ trình dây mạng Thực địa không chỉ ảnh hưởng đến việc lựa chọn công nghệ mà còn tác động lớn đến chi phí tổng thể của mạng Cần chú ý đến các yếu tố thẩm mỹ của công trình kiến trúc khi lắp đặt dây mạng Đặc biệt, việc kết nối mạng giữa hai tòa nhà tách biệt cần được xem xét kỹ lưỡng Sau khi khảo sát, cần vẽ lại thực địa hoặc yêu cầu khách hàng cung cấp sơ đồ thiết kế của công trình để đảm bảo tính chính xác và hiệu quả trong quá trình triển khai.
Trong quá trình phỏng vấn và khảo sát thực địa, cần tìm hiểu yêu cầu trao đổi thông tin giữa các phòng ban trong cơ quan khách hàng, cũng như mức độ thường xuyên và khối lượng thông tin được trao đổi Việc này sẽ hỗ trợ chúng ta trong việc xác định băng thông cần thiết cho các nhánh mạng trong tương lai.
Sau khi nhận được yêu cầu từ khách hàng, bước tiếp theo là phân tích yêu cầu để xây dựng bảng "Đặc tả yêu cầu hệ thống mạng" Trong bảng này, cần xác định rõ các vấn đề liên quan để đảm bảo tính chính xác và hiệu quả trong quá trình triển khai.
Trong một mạng, các dịch vụ cần thiết bao gồm chia sẻ tập tin, chia sẻ máy in, dịch vụ web, và dịch vụ thư điện tử Bên cạnh đó, việc xác định loại mô hình mạng, chẳng hạn như Workgroup hay Client/Server, cũng rất quan trọng Cuối cùng, mức độ yêu cầu an toàn mạng là yếu tố không thể bỏ qua để bảo vệ dữ liệu và thông tin trong quá trình sử dụng.
Ràng buộc về băng thông tối thiểu trên mạng
Bước tiếp theo trong quá trình xây dựng mạng là thiết kế giải pháp đáp ứng các yêu cầu trong bảng Đặc tả yêu cầu hệ thống mạng Việc lựa chọn giải pháp cho hệ thống mạng phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau.
Kinh phí dành cho hệ thống mạng
Công nghệ phổ biến trên thị trường
Thói quen về công nghệ của khách hàng
Yêu cầu về tính ổn định và băng thông của hệ thống mạng
Ràng buộc về pháp lý
Tùy vào từng khách hàng, thứ tự ưu tiên và ảnh hưởng của các yếu tố sẽ khác nhau, dẫn đến các giải pháp thiết kế cũng sẽ đa dạng Mặc dù vậy, các công việc trong giai đoạn thiết kế vẫn có những điểm chung nhất định, được mô tả như sau:
1.1.3.1 Thiết kế sơ đồ mạng ở mức luận lý
Thiết kế sơ đồ mạng ở mức luận lý bao gồm việc lựa chọn mô hình mạng phù hợp, xác định giao thức mạng và cấu hình các thành phần nhận dạng mạng để đảm bảo hoạt động hiệu quả.
Mô hình mạng được lựa chọn cần đáp ứng đầy đủ các dịch vụ đã nêu trong bảng Đặc tả yêu cầu hệ thống mạng Có thể chọn giữa mô hình Workgroup hoặc Domain (Client/Server) kết hợp với các giao thức như TCP/IP, NETBEUI hoặc IPX/SPX.
Hệ thống mạng có thể sử dụng Mô hình Workgroup khi cần dịch vụ chia sẻ máy in và thư mục giữa người dùng trong mạng cục bộ mà không yêu cầu cao về an toàn mạng.
Để thiết lập một hệ thống mạng có dịch vụ chia sẻ máy in và thư mục cho người dùng trong mạng cục bộ, nếu yêu cầu quản lý người dùng trên mạng, bạn nên chọn Mô hình Domain.
Nội dung của giáo trình
Trong tiến trình xây dựng mạng, giáo trình này tập trung vào hai giai đoạn thiết kế mạng quan trọng là thiết kế ở mức luận lý và vật lý Đây là những nội dung cốt lõi trong việc phát triển mạng, trong khi các vấn đề khác có thể được khám phá qua các môn học như Mạng máy tính và Thực tập mạng máy tính.
Mô hình OSI
Vào năm 1983, Tổ chức tiêu chuẩn thế giới ISO đã phát triển mô hình OSI nhằm kết nối và trao đổi thông tin giữa các máy tính Mô hình này sử dụng cấu trúc phân tầng, trong đó mỗi tầng đảm nhiệm các chức năng cơ bản khác nhau, giúp việc giao tiếp giữa hai máy tính trở nên dễ dàng hơn Để thực hiện quá trình trao đổi thông tin, cần có các yếu tố như Card mạng, dây cáp mạng, điện thế tín hiệu, cách đóng gói dữ liệu và điều khiển lỗi đường truyền Việc phân chia chức năng vào các tầng riêng biệt không chỉ đơn giản hóa việc phát triển phần mềm mà còn giúp đồng nhất hóa các hệ thống máy tính khác nhau trong quá trình trao đổi thông tin Mô hình OSI bao gồm 7 tầng, mỗi tầng có vai trò quan trọng trong việc đảm bảo sự kết nối hiệu quả.
Tầng 1: Tầng vật ký (Physical Layer) Điều khiển việc truyền tải thật sự các bit trên đường truyền vật lý Nó định nghĩa các thuộc tính về cơ, điện, qui định các loại đầu nối, ý nghĩa các pin trong đầu nối, qui định các mức điện thế cho các bit 0,1,…
Tầng 2: Tầng liên kết dữ liệu (Data-Link Layer)
Tầng này chịu trách nhiệm truyền tải khung dữ liệu giữa hai máy tính kết nối trực tiếp qua đường truyền vật lý, đồng thời thiết lập cơ chế phát hiện và xử lý lỗi dữ liệu nhận.
Tầng 3: Tầng mạng (Network Layer)
Tầng này đảm bảo việc truyền tải các gói tin dữ liệu giữa các máy tính, ngay cả khi không có kết nối vật lý trực tiếp Nhiệm vụ chính của nó là xác định lộ trình cho dữ liệu đến các đích khác nhau trong mạng.
Tầng 4: Tầng vận chuyển (Transport Layer)
Tầng này đảm bảo việc truyền tải dữ liệu giữa các quá trình diễn ra một cách chính xác và hiệu quả, với dữ liệu được gửi đi không bị lỗi, theo đúng trình tự và không bị mất mát hay trùng lặp Đối với các gói tin lớn, tầng này sẽ phân chia chúng thành các phần nhỏ để gửi đi và sau đó tập hợp lại khi nhận được.
Tầng 5: Tầng giao dịch (Session Layer)
Tầng này cho phép các ứng dụng thiết lập và quản lý các kênh giao tiếp, gọi là giao dịch, giữa chúng Nó cũng cung cấp cơ chế nhận biết tên và chức năng bảo mật thông tin trong quá trình truyền tải qua mạng.
Tầng 6: Tầng trình bày (Presentation Layer)
Tầng trình bày đảm bảo sự trao đổi thông tin giữa các máy tính có định dạng dữ liệu khác nhau bằng cách thống nhất một kiểu định dạng trung gian Khi dữ liệu cần được gửi, tầng này sẽ chuyển đổi nó sang định dạng trung gian trước khi truyền lên mạng Ngược lại, khi nhận dữ liệu từ mạng, tầng trình bày sẽ chuyển đổi dữ liệu về định dạng riêng của máy tính.
Tầng 7: Tầng ứng dụng (Application Layer) Đây là tầng trên cùng, cung cấp các ứng dụng truy xuất đến các dịch vụ mạng Nó bao gồm các ứng dụng của người dùng, ví dụ như các Web Browser (Netscape Navigator, Internet Explorer), các Mail User Agent (Outlook Express, Netscape Messenger, ) hay các chương trình làm server cung cấp các dịch vụ mạng như các Web Server (Netscape Enterprise, Internet Information Service, Apache, ), Các FTP Server, các Mail server (Send mail, MDeamon) Người dùng mạng giao tiếp trực tiếp với tầng này
Theo nguyên tắc, mỗi tầng n của một hệ thống chỉ tương tác và trao đổi thông tin với tầng n tương ứng của hệ thống khác Mỗi tầng sẽ sở hữu các đơn vị truyền dữ liệu riêng biệt.
• Tầng liên kết dữ liệu: Khung (Frame)
• Tầng Mạng: Gói tin (Packet)
• Tầng vận chuyển: Đoạn (Segment)
Dữ liệu được gửi từ tầng cao nhất xuống tầng thấp nhất của máy tính, sau đó được truyền qua đường truyền vật lý Khi dữ liệu di chuyển xuống từng tầng, nó sẽ được "gói" lại thành đơn vị dữ liệu tương ứng Tại bên nhận, dữ liệu sẽ được truyền ngược lên các tầng cao hơn, và mỗi lần qua một tầng, đơn vị dữ liệu sẽ được tháo ra Mỗi tầng có một tiêu đề (header) riêng cho đơn vị dữ liệu của mình.
Mô hình OSI chỉ là một tham chiếu, và mỗi nhà sản xuất mạng sẽ thực hiện các chức năng ở từng tầng theo cách riêng của họ Những cách thức này thường được thể hiện qua các chuẩn và giao thức mạng Do đó, cùng một chức năng có thể không tương tác giữa hai hệ thống mạng khác nhau Hình dưới đây sẽ so sánh kiến trúc của các hệ điều hành mạng phổ biến với mô hình OSI.
Để thực hiện các chức năng ở tầng 3 và tầng 4 trong mô hình OSI, mỗi hệ thống mạng sẽ sử dụng các giao thức riêng biệt.
UNIX: Tầng 3 dùng giao thức IP, tầng 4 giao thức TCP/UDP
Netware: Tầng 3 dùng giao thức IPX, tầng 4 giao thức SPX
Giao thức NETBEUI của Microsoft hoạt động ở cả hai tầng 3 và 4, nhưng nếu chỉ sử dụng giao thức này, các máy tính UNIX, Netware và NT sẽ không thể trao đổi thông tin với nhau Với sự phát triển mạnh mẽ của mạng Internet, việc các máy tính sử dụng các hệ điều hành khác nhau cần phải giao tiếp được với nhau, điều này đòi hỏi phải sử dụng chung một giao thức Giao thức TCP/IP, chính là giao thức tiêu chuẩn của mạng Internet, đáp ứng nhu cầu này.
Hình 1.1 - X ử lý d ữ li ệ u qua các t ầ ng
Phân loại mạng
Mạng cục bộ (LAN - Local Area Network) là mạng truyền dữ liệu tốc độ cao hoạt động trong phạm vi nhỏ như phòng, tòa nhà hoặc khu vực, trong khi mạng diện rộng (WAN - Wide Area Network) có phạm vi lớn hơn, có thể trải dài trên quốc gia, châu lục hoặc toàn cầu Phân loại mạng này dựa trên tiêu chuẩn phạm vi địa lý, bên cạnh đó, mạng cũng có thể được phân loại theo kỹ thuật truyền tải thông tin sử dụng.
Mạng LAN sử dụng kỹ thuật mạng quảng bá, cho phép các thiết bị chia sẻ một kênh truyền chung, nơi khi một máy tính truyền tin, tất cả máy tính khác đều nhận được thông tin Ngược lại, mạng WAN áp dụng kỹ thuật mạng chuyển mạch với nhiều đường kết nối giữa các thiết bị, cho phép thông tin trao đổi đi qua nhiều lộ trình khác nhau Để định hướng các gói tin, mạng WAN cần sử dụng các thiết bị đặc biệt như bộ chuyển mạch và bộ chọn đường (router) Hơn nữa, để giảm số lượng đường kết nối vật lý, mạng WAN còn áp dụng các kỹ thuật đa hợp và phân hợp.
Chương này tập trung giới thiệu những vấn đề liên quan đến mạng cục bộ.
Mạng cục bộ và giao thức điều khiển truy cập đường truyền
Trong mạng LAN, chỉ có một đường truyền vật lý, do đó chỉ một thiết bị có thể truyền dữ liệu tại một thời điểm Nếu hai máy tính cùng gửi dữ liệu, sẽ xảy ra tình trạng đua tranh, dẫn đến việc dữ liệu bị phủ lấp và không sử dụng được Để giải quyết vấn đề này, cần có một cơ chế quản lý cạnh tranh đường truyền giữa các thiết bị, được gọi là Giao thức điều khiển truy cập đường truyền (Media Access Control).
The MAC protocol, or Media Access Control protocol, is essential for local area networks (LANs) Two primary protocols commonly used are CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) and Token Passing.
Trong các mạng sử dụng giao thức CSMA/CD như Ethernet, các thiết bị mạng phải lắng nghe đường truyền trước khi gửi dữ liệu Nếu đường truyền rãnh, thiết bị sẽ tiến hành truyền tin, đồng thời theo dõi để phát hiện các cuộc đụng độ với dữ liệu từ thiết bị khác Đụng độ xảy ra khi hai thiết bị truyền dữ liệu cùng lúc, dẫn đến việc mỗi thiết bị phải dừng lại một thời gian ngẫu nhiên trước khi gửi lại dữ liệu Khi mạng càng bận rộn, tần suất đụng độ tăng lên, làm giảm hiệu suất mạng nhanh chóng khi số lượng thiết bị kết nối gia tăng.
Trong các mạng sử dụng giao thức Token-passing như Token Ring hay FDDI, một gói tin đặc biệt gọi là thẻ bài (Token) được chuyển vòng quanh từ thiết bị này sang thiết bị khác Thiết bị muốn truyền tải thông tin phải chờ đến khi nhận được token và sau khi hoàn tất việc truyền tải, token sẽ được chuyển cho thiết bị kế tiếp, giúp các thiết bị khác có thể sử dụng đường truyền Lợi ích lớn nhất của mạng Token-passing là khả năng xác định thời gian tối đa mà một thiết bị phải chờ để có được đường truyền và gửi dữ liệu Do đó, mạng Token-passing thường được ứng dụng trong các môi trường thời gian thực, như điều khiển thiết bị công nghiệp, nơi yêu cầu thời gian từ khi phát tín hiệu đến khi thiết bị nhận được luôn nhỏ hơn một hằng số nhất định.
Các sơ đồ nối kết mạng LAN (LAN Topologies)
LAN topology định nghĩa cách tổ chức và sắp xếp các thiết bị mạng Ba sơ đồ nối kết mạng LAN phổ biến bao gồm: dạng thẳng (Bus), dạng hình sao (Star) và dạng hình vòng (Ring) Trong Bus topology, dữ liệu từ một trạm sẽ được truyền tải dọc theo đường truyền và nhận bởi tất cả các thiết bị khác Star topology kết nối các máy trạm vào một bộ tập trung, gọi là HUB Cuối cùng, Ring topology bao gồm các thiết bị được nối lại với nhau trên một kênh truyền theo dạng vòng.
Bus topology Star topology Ring topology
Hình 2.1 – Topology thường sử dụng cho mạng LAN
Các loại thiết bị sử dụng trong mạng LAN
Để xây dựng mạng LAN, người ta thường dùng các thiết bị sau:
Card giao tiếp mạng (NIC- Network Interface Card)
Bộ tập trung nối kết (HUB)
Các tổ chức chuẩn hóa về mạng
Để các thiết bị phần cứng mạng từ nhiều nhà sản xuất khác nhau có thể kết nối và trao đổi thông tin trong một mạng cục bộ, chúng cần được sản xuất theo cùng một tiêu chuẩn Dưới đây là một số tổ chức tiêu chuẩn hóa quan trọng liên quan đến thiết bị mạng.
ANSI (American National Standard Institute)
IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers)
Hai tổ chức TIA và EIA đã hợp tác để phát triển nhiều đặc tả cho thiết bị truyền dẫn, đồng thời cung cấp các sơ đồ nối dây chi tiết.
IEEE có nhiều tiểu ban, trong đó Tiểu ban 802 chuyên trách các chuẩn cho mạng cục bộ Một số chuẩn quan trọng mà tiểu ban này phát triển bao gồm các tiêu chuẩn mạng cục bộ.
802.4: Chuẩn cho mạng Token-Bus
802.5: Chuẩn mạng Token-Ring 802.11: Chuẩn mạng không dây
Các chuẩn IEEE 802 xác định chức năng của tầng 2 trong mô hình OSI, được chia thành hai tầng con: Tầng con điều khiển nối kết luận lý (LLC) và Tầng con điều khiển truy cập đường truyền (MAC).
Tầng con điều khiển truy cập đường truyền cung cấp dịch vụ truyền thông không nối kết, trong khi tầng con điều khiển nối kết luận lý đảm bảo dịch vụ truyền tải thông tin theo kiểu định hướng nối kết.
Hình 2.2 – Kiến trúc mạng cục bộ theo IEEE 802
Mạng Ethernet
Ethernet là một thuật ngữ chỉ mạng cục bộ theo chuẩn IEEE 802.3, sử dụng giao thức CSMA/CD để chia sẻ đường truyền Đây là kỹ thuật mạng cục bộ chủ đạo, kết nối các máy tính cá nhân, chiếm khoảng 85% thị trường nhờ vào các đặc tính nổi bật của giao thức.
Dễ hiểu, dễ cài đặt, quản trị và bảo trì
Cho phép chi phí xây dựng mạng thấp
Cung cấp nhiều sơ đồ nối kết mềm dẽo trong cài đặt
Đảm bảo thành công việc liên nối kết mạng và vận hành của mạng cho dù các thiết bị được cung cấp bởi nhiều nhà sản xuất khác nhau
Mạng Ethernet đầu tiên được phát triển bởi công ty Xerox vào năm 1970, là một mạng thử nghiệm sử dụng cáp đồng trục với tốc độ truyền tải dữ liệu đạt 3 Mbps, và áp dụng giao thức CSMA/CD.
Vào năm 1980, sự thành công của dự án Ethernet đã thu hút sự chú ý của các nhà sản xuất thiết bị điện tử hàng đầu, dẫn đến việc ba công ty Digital Equipment Corporation, Intel Corporation và Xerox Corporation hợp tác phát triển phiên bản Ethernet 1.0 với tốc độ truyền tải dữ liệu đạt 10 Mbps.
Năm 1983, chuẩn mạng IEEE 802.3 đã được soạn thảo tương tự như Ethernet phiên bản 1.0 và chính thức được chuẩn hóa vào năm 1985 Sau đó, nhiều chuẩn mạng cục bộ khác đã được phát triển dựa trên nguyên tắc chia sẻ đường truyền chung của giao thức CSMA/CD Một số chuẩn mạng sử dụng giao thức CSMA/CD bao gồm:
Chuẩn mạng 802.3, hay còn gọi là mạng Ethernet, có tốc độ truyền tải dữ liệu đạt 10 Mbps Chuẩn này hỗ trợ bốn loại cáp vật lý khác nhau, bao gồm 10Base-5 (cáp đồng trục béo), 10Base-2 (cáp đồng trục gầy), 10Base-T (cáp xoắn đôi) và 10Base-F (cáp quang).
Mạng 802.3u, hay còn gọi là Fast Ethernet, có tốc độ truyền tải dữ liệu lên đến 100 Mbps Chuẩn này hỗ trợ ba loại chuẩn vật lý, bao gồm 100Base-TX (cáp xoắn đôi), 100Base-T4 (cáp xoắn đôi) và 100Base-FX (cáp quang).
Chuẩn mạng 802.3z: o Có tên là mạng Giga Ethernet o Tốc độ truyền tải dữ liệu là 1 Gbps o Hỗ trợ 3 chuẩn vật lý là 1000Base-LX, 1000Base-SX, 1000Base-
CX 1000Base-LX, 1000Base-SX sử dụng cáp quang 1000Base-
CX sử dụng dây cáp đồng bọc kim
Chuẩn mạng 802.3ab, còn được gọi là Giga Ethernet over UTP, cho phép tốc độ truyền tải dữ liệu lên đến 1 Gbps Chuẩn này hỗ trợ công nghệ vật lý 1000Base-TX và sử dụng dây cáp xoắn đôi không bọc kim.
2.6.2 Card giao tiếp mạng (NIC-Network Interface Card)
Mạng Ethernet hoạt động chủ yếu ở tầng một và tầng hai của mô hình OSI, do đó, chúng thường được tích hợp trong Card giao tiếp mạng (NIC) gắn vào bo mạch chính của máy tính Khi lựa chọn card mạng, cần lưu ý một số yếu tố quan trọng.
Các máy tính cá nhân hiện đại thường hỗ trợ khe cắm thiết bị ngoại vi theo chuẩn PCI, trong khi các máy tính cũ hơn sử dụng chuẩn ISA Khe cắm ISA dài hơn khe cắm PCI, dẫn đến việc card mạng cũng có hai loại tương ứng Do đó, khi mua card mạng, người dùng cần chú ý đến loại khe cắm để đảm bảo tính tương thích, vì card mạng chuẩn PCI không thể cắm vào khe cắm ISA và ngược lại.
NIC theo chuẩn PCI NIC theo chuẩn ISA
Hình 2.3 – Một số loại giao diện mạng
Mỗi chuẩn mạng quy định loại dây dẫn cụ thể, do đó việc chọn đầu nối phù hợp là rất quan trọng Để kết nối card mạng với dây cáp đồng trục, cần sử dụng đầu nối BNC; trong khi đó, dây cáp xoắn đôi yêu cầu đầu nối UTP Việc lựa chọn card mạng với đầu nối tương thích với loại dây dẫn theo chuẩn mạng là điều cần thiết để đảm bảo hiệu suất kết nối.
Card mạng là thiết bị ngoại vi quan trọng, yêu cầu bạn chú ý đến các thông số như số hiệu ngắt (Interrupt), số hiệu cổng (port) và địa chỉ nền (Base address) Để tránh xung đột với các thiết bị khác trên máy tính, cần thiết lập các thông số này một cách chính xác Thông thường, khi mua card mạng, bạn sẽ nhận được phần mềm cài đặt đi kèm, giúp kiểm tra trạng thái và điều chỉnh các thông số của card mạng.
Mỗi card mạng sở hữu một địa chỉ vật lý duy nhất, được gọi là địa chỉ MAC, bao gồm 48 bits và thường được biểu diễn dưới dạng 12 số thập lục phân Địa chỉ MAC này được cài đặt bởi các nhà sản xuất trong quá trình sản xuất, đảm bảo rằng mỗi card mạng không trùng lặp với nhau.
2.6.3 Một số chuẩn mạng Ethernet phổ biến
2.6.3.1 Chuẩn mạng Ethernet 10BASE-5 Đây là chuẩn mạng Ethernet đầu tiên được phát triển Nó bao gồm các thông số kỹ thuật sau:
Sơ đồ mạng dạng BUS
Sử dụng dây cáp đồng trục béo (thich coaxial cable), chiều dài tối đa của mỗi đoạn mạng (network segment) là 500 mét
Tốc độ truyền dữ liệu là 10 Mbps
Khoảng cách gần nhất giữa hai nút / máy tính trên mạng là 2,5 mét Tối đa cho phép 100 nút / máy tính trên một đoạn mạng
Card mạng sử dụng đầu nối kiểu AUI
Chiều dài dây dẫn nối máy tính vào dây cáp đồng trục dài tối đa 50 mét
Để đảm bảo kết nối chính xác, hãy sử dụng hai thiết bị đầu cuối (Terminator) có trở kháng 50 Ώ gắn vào mỗi đầu của dây cáp Lưu ý rằng một trong hai đầu cuối này cần được nối tiếp với đất vào vỏ của máy tính.
Chuẩn mạng này nổi bật với đường kính mạng lớn, cho phép khoảng cách giữa hai máy tính trong mạng xa hơn Tuy nhiên, việc thi công mạng khá phức tạp, tốc độ truyền tải không cao và chi phí không hề rẻ so với các chuẩn mạng khác Vì những lý do này, chuẩn mạng này hiện không được ưu tiên lựa chọn cho việc xây dựng các mạng LAN mới.
Chuẩn 10Base-2 có các thông số kỹ thuật sau:
Sơ đồ mạng dạng Bus
Sử dụng dây cáp đồng trục gầy (thin coaxial cable), chiều dài tối đa của mỗi đoạn mạng (network segment) là 185 mét
Tốc độ truyền dữ liệu là 10 Mbps
Tối đa cho phép 30 nút / máy tính trên một đoạn mạng
Dây dẫn được cắt thành từng đoạn nhỏ với chiều dài tối thiểu 0,5 mét để kết nối hai máy tính gần nhau Mỗi đầu dây được trang bị một đầu nối BNC để đảm bảo kết nối ổn định.
Card mạng sử dụng cần có đầu nối BNC để gắn đầu nối hình chữ T vào (T connector)
Giới thiệu về liên mạng
Liên mạng (Internetwork) là tập hợp nhiều mạng riêng lẻ kết nối qua các thiết bị trung gian, hoạt động như một mạng lớn Quá trình liên mạng (Internetworking) giúp kết nối nhiều mạng, mở rộng phạm vi và số lượng máy tính, đồng thời cho phép các mạng xây dựng theo chuẩn khác nhau giao tiếp hiệu quả.
Liên mạng có thể được thực hiện ở những tầng khác nhau, tùy thuộc vào mục đích cũng như thiết bị mà ta sử dụng
Tầng nối kết Mục đích Thiết bị sử dụng
Tầng vật lý Tăng số lượng và phạm vi mạng
Tầng liên kết dữ liệu Nối kết các mạng LAN có tầng vật lý khác nhau
Phân chia vùng đụng độ để cải thiện hiệu suất mạng
Tầng mạng Mở rộng kích thước và số lượng máy tính trong mạng, hình thành mạng WAN
Các tầng còn lại Nối kết các ứng dụng lại với nhau Gateway
Trong chương này, chúng ta sẽ khám phá các vấn đề liên quan đến việc kết nối mạng ở tầng 2, đồng thời giới thiệu cơ chế hoạt động và các tính năng của cầu nối (Bridge) Bên cạnh đó, chúng ta cũng sẽ đề cập đến những nhược điểm của các thiết bị mạng ở tầng 1 như Repeater và HUB.
Trong một liên mạng với hai nhánh LAN1 và LAN2 được kết nối qua một Repeater, khi máy N2 gửi một Frame thông tin đến N1, Frame này được truyền trên LAN1 và đến cổng 1 của Repeater dưới dạng chuỗi các bits Repeater sẽ khuếch đại chuỗi bits nhận được từ cổng 1 và chuyển tiếp chúng sang cổng 2, dẫn đến việc khung dữ liệu N2 gửi cho N1 cũng được chuyển sang LAN2.
Trong mạng LAN1, N1 nhận toàn bộ khung dữ liệu, trong khi đó không có máy trạm nào trên LAN2 nhận được khung Do đó, nếu N5 muốn gửi khung đến N4, việc này sẽ không thể thực hiện được vì đường truyền đang bị bận.
Ta nhận thấy rằng, Frame N2 gởi cho N1 không cần thiết phải gởi sang LAN
Để tránh lãng phí băng thông trên mạng LAN, việc sử dụng Repeater có thể gây ra một số vấn đề Repeater hoạt động ở tầng 1 và không nhận diện được Frame, do đó nó sẽ chuyển tiếp mọi tín hiệu đến các cổng khác Việc kết nối mạng thông qua Repeater hay Hub làm tăng khả năng va chạm, dẫn đến tần suất va chạm khi truyền tin giữa các máy tính gia tăng, từ đó giảm hiệu suất mạng.
Giới thiệu về cầu nối
Bây giờ, chúng ta sẽ thay thế Repeater bằng một Bridge Khi Frame N2 gửi đến cổng 1 của Bridge, nó sẽ phân tích và nhận thấy rằng không cần thiết phải chuyển Frame sang LAN 2.
Bridge là thiết bị hoạt động ở tầng 2 trong mô hình OSI, có chức năng chuyển tiếp các khung dữ liệu giữa các nhánh mạng Điểm nổi bật của Bridge là khả năng chuyển frame một cách chọn lọc dựa vào địa chỉ MAC, giúp cải thiện hiệu suất mạng Ngoài ra, Bridge còn cho phép các mạng có tầng vật lý khác nhau giao tiếp với nhau, đồng thời chia nhỏ liên mạng thành các vùng đụng độ, nâng cao hiệu quả hoạt động so với việc sử dụng Repeater hay Hub.
Có thể phân Bridge thành 3 loại:
Cầu nối trong suốt (Transparent Bridge): Cho phép nối các mạng Ethernet/ Fast Ethernet lại với nhau
Cầu nối xác định đường đi từ nguồn (Source Routing Bridge): Cho phép nối các mạng Token Ring lại với nhau
Cầu nối trộn lẫn (Mixed Media Bridge): Cho phép nối mạng Ethernet và Token Ring lại với nhau
Cầu nối trong suốt được phát triển bởi Digital Equipment Corporation vào những năm 80, và đã được đệ trình lên IEEE, sau đó được đưa vào tiêu chuẩn IEEE 802.1.
Cầu nối trong suốt là thiết bị dùng để kết nối các mạng Ethernet, hoạt động một cách ẩn danh với các máy trạm Nhờ vào cầu nối này, các máy trạm không cần cấu hình thêm gì để truyền tải thông tin qua mạng, giúp việc liên mạng trở nên dễ dàng và hiệu quả hơn.
Khi cầu nối trong suốt được kích hoạt, nó bắt đầu xác định vị trí của các máy tính trong mạng bằng cách phân tích địa chỉ máy gửi từ các khung nhận được qua các cổng Chẳng hạn, nếu cầu nối nhận một khung từ cổng số 1 do máy A gửi, nó sẽ ghi nhận rằng máy A có thể truy cập thông qua cổng 1 Qua quá trình này, cầu nối xây dựng một Bảng địa chỉ cục bộ, mô tả địa chỉ của các máy tính tương ứng với các cổng của nó.
MAC) Cổng hướng đến máy tính
Cầu nối sử dụng bảng địa chỉ cục bộ để chuyển tiếp khung dữ liệu Khi khung đến một cổng, cầu nối sẽ đọc 6 byte đầu tiên để xác định địa chỉ máy nhận Sau đó, nó sẽ tìm địa chỉ này trong bảng địa chỉ cục bộ và thực hiện hành động phù hợp dựa trên kết quả tìm kiếm.
Nếu máy nhận nằm cùng một cổng với cổng đã nhận khung, cầu nối sẽ bỏ qua khung vì biết rằng máy nhận đã nhận được khung
Nếu máy nhận nằm trên một cổng khác với cổng đã nhận khung, cầu nối sẽ chuyển khung sang cổng có máy nhận
Nếu địa chỉ máy nhận không có trong bảng địa chỉ, cầu nối sẽ gửi khung đến tất cả các cổng còn lại, ngoại trừ cổng đã nhận khung.
Trong mọi trường hợp, cầu nối đều cập nhật vị trí của máy gởi khung vào trong bảng địa chỉ cục bộ
Cầu nối trong suốt giúp phân chia mạng thành các vùng đụng độ riêng biệt, đặc biệt khi dữ liệu được gửi giữa hai máy tính cùng hướng cổng Nhờ khả năng lọc luồng giao thông, cầu nối này ngăn chặn ảnh hưởng đến các nhánh mạng khác, từ đó cải thiện băng thông trong liên mạng.
3.2.1.3 Vấn đề vòng quẩn - Giải thuật Spanning Tree
Cầu nối trong suốt sẽ hoạt động sai nếu như trong hình trạng mạng xuất hiện các vòng Xét ví dụ như hình dưới đây:
Khi M gửi khung F cho N, hai cầu nối B1 và B2 không có thông tin về địa chỉ của N Khi nhận khung F, cả B1 và B2 đều chuyển tiếp F sang LAN 2, dẫn đến việc xuất hiện hai phiên bản khung F1 và F2, được sao chép từ F bởi B1 và B2.
Hiện tượng vòng quẩn trên mạng xảy ra khi F1 chuyển đến B2 và F2 chuyển đến B1, sau đó B1 và B2 lại tiếp tục chuyển F2 và F1 sang LAN1 Quá trình này không dừng lại, dẫn đến sự tích tụ rác trên mạng.
Để giải quyết vấn đề vòng quẩn trong mạng, Digital đã phát triển giải thuật nối cây, sau này được chuẩn hóa theo tiêu chuẩn IEEE 802.1d.
Giải thuật này nhằm xác định các cổng tạo thành vòng quẩn trong mạng, chuyển chúng về trạng thái dự phòng (stand by) hoặc khóa (Blocked), giúp sơ đồ mạng trở thành hình cây mà không còn vòng lặp Các cổng này sẽ được kích hoạt trở lại khi các cổng chính gặp sự cố.
Giải thuật này dựa trên lý thuyết về đồ thị Giải thuật yêu cầu các vấn đề sau:
Mỗi cầu nối phải được gán một số hiệu nhận dạng duy nhất
Mỗi cổng cũng có một số nhận dạng duy nhất và được gán một giá
Giải thuật trải qua 4 bước sau:
Chọn cầu nối gốc (Root Bridge): Để đơn giản cầu nối gốc là cầu nối có số nhận dạng nhỏ nhất
Trên các cầu nối, cổng gốc (Root Port) được xác định là cổng có giá trị đường đi thấp nhất từ cầu nối hiện tại đến cầu nối gốc so với các cổng khác.
Trên mỗi mạng LAN, cầu nối được chỉ định (Designated Bridge) là cầu nối có giá đường đi thấp nhất từ LAN hiện tại đến gốc Cổng kết nối giữa LAN và cầu nối được chỉ định được gọi là cổng được chỉ định (Designated Port).
Đặt tất cả các cổng gốc, cổng chỉ định ở trạng thái hoạt động, các cổng còn lại ở trạng thái khóa
Trong một liên mạng gồm các LAN V, W, X, Y, Z được kết nối qua 5 cầu nối có số nhận dạng từ 1 đến 5, tồn tại nhiều vòng quẩn Áp dụng giải thuật nối cây, ta xác định các cổng gốc (ký hiệu R) và các cổng được chỉ định (ký hiệu D) Các cổng gốc còn có giá trị gốc thông qua cổng này (được thể hiện trong dấu ngoặc R(30)) Dựa trên thông tin này, hình trạng mạng được vẽ lại sau khi đã loại bỏ các vòng quẩn.
Hình 3.5 – Mạng xây dựng lại bằng giải thuật Spanning tree
3.2.2 Cầu nối xác định đường đi từ nguồn
Chức năng và đặc tính mới của switch
LAN Switch là một thiết bị hoạt động ở tầng 2, có đầy đủ tất cả các tính năng của một cầu nối trong suốt như:
Hình 4.1 – Nối mạng bằng switch o Học vị trí các máy tính trên mạng o Chuyển tiếp khung từ nhánh mạng này sang nhánh mạng khác một cách có chọn lọc
Switch hỗ trợ nhiều tính năng mới, nổi bật là khả năng giao tiếp đồng thời, cho phép nhiều cặp giao tiếp diễn ra cùng lúc, từ đó tăng cường băng thông trên toàn mạng.
Switch hỗ trợ đa giao tiếp đồng thời, cho phép giao tiếp song công (Full-duplex communication), tức là quá trình gửi và nhận khung có thể diễn ra đồng thời trên một cổng, từ đó tăng gấp đôi thông lượng tổng của cổng Ngoài ra, switch còn điều hòa tốc độ kênh truyền, cho phép các kênh truyền có tốc độ khác nhau như 10 Mbps và 100 Mbps có thể giao tiếp với nhau một cách linh hoạt.
Hình 4.3 – Switch hỗ trợ chế độ giao tiếp song công
Kiến trúc của switch
Switch bao gồm hai thành phần chính: bộ nhớ làm vùng đệm tính toán và bảng địa chỉ (BAT - Buffer Address Table), cùng với giàn hoán chuyển (Switching Fabric) để thiết lập kết nối đồng thời giữa các cổng.
Hình 4.4 – Cấu trúc bên trong của switch
Các giải thuật hoán chuyển
Việc chuyển tiếp khung từ nhánh mạng này sang nhánh mạng kia của switch có thể được thực hiện theo một trong 3 giải thuật hoán chuyển sau:
4.3.1 Giải thuật hoán chuyển lưu và chuyển tiếp (Store and Forward
Khi khung đến một cổng của switch, toàn bộ khung sẽ được đọc vào trong bộ
Khi gặp lỗi, switch xác định địa chỉ máy nhận khung và tìm kiếm trong bảng địa chỉ để xác định cổng gửi khung Quá trình này có thời gian trì hoãn lớn do cần kiểm tra khung, nhưng nó cho phép giao tiếp giữa hai kênh truyền có tốc độ khác nhau.
4.3.2 Giải thuật xuyên cắt (Cut-through)
Khi một khung dữ liệu đến cổng của switch, thiết bị chỉ đọc 6 byte đầu tiên, đó là địa chỉ MAC của máy nhận Sau đó, switch sẽ tra cứu bảng địa chỉ để xác định cổng ra tương ứng với địa chỉ máy nhận và chuyển tiếp khung đến cổng đó.
Thuật toán cut-through có ưu điểm là thời gian trì hoãn ngắn, vì nó thực hiện việc hoán chuyển khung ngay sau khi xác định cổng hướng đến máy nhận Tuy nhiên, một nhược điểm của nó là vẫn chuyển tiếp cả các khung bị lỗi đến máy nhận.
4.3.3 Hoán chuyển tương thích (Adaptive – Switching)
Giải thuật hoán chuyển tương thích kết hợp ưu điểm của hai giải thuật hoán chuyển Lưu và chuyển tiếp với giải thuật Xuyên cắt Trong đó, một ngưỡng lỗi cho phép được xác định Ban đầu, switch hoạt động theo giải thuật Xuyên cắt Khi tỷ lệ khung lỗi vượt quá ngưỡng cho phép, switch sẽ chuyển sang chế độ Lưu và chuyển tiếp Ngược lại, khi tỷ lệ khung lỗi giảm xuống dưới ngưỡng, switch sẽ trở lại hoạt động theo giải thuật Xuyên cắt.
Thông lượng tổng (Aggregate throughput)
Thông lượng tổng (Aggregate throughput) là chỉ số quan trọng để đánh giá hiệu suất của switch, được xác định bằng lượng dữ liệu mà switch có thể chuyển qua trong một giây Công thức tính thông lượng tổng là tích giữa số lượng kết nối tối đa đồng thời trong một giây và băng thông của từng kết nối Do đó, nếu một switch có N cổng, mỗi cổng có băng thông B, thông lượng tổng sẽ được tính theo công thức: Thông lượng tổng = N x B.
Trong một mạng gồm 10 máy tính kết nối qua một switch với các cổng 10 Base-T, số lượng kết nối tối đa đồng thời là 10/2 Mỗi cặp kết nối có khả năng gửi và nhận dữ liệu với lưu lượng 10 Mbps ở chế độ Full duplex Do đó, tổng thông lượng của mạng này đạt 100 Mbps, được tính bằng công thức 10/2 * 10 * 2.
Phân biệt các loại Switch
Dựa vào mục đích sử dụng, người ta có thể chia switch thành những loại sau:
4.5.1 Bộ hoán chuyền nhóm làm việc (Workgroup Switch)
Switch workgroup được thiết kế để kết nối trực tiếp các máy tính, tạo thành mạng ngang hàng Mỗi cổng của switch chỉ tương ứng với một địa chỉ máy tính trong bảng địa chỉ, do đó không cần bộ nhớ lớn hay tốc độ xử lý cao Giá thành của switch workgroup thường thấp hơn so với các loại switch khác.
4.5.2 Bộ hoán chuyến nhánh mạng (Segment Switch)
Mục đích của thiết kế Segment switch là kết nối các Hub và workgroup switch để tạo thành một mạng ở tầng hai Mỗi cổng sẽ có nhiều địa chỉ máy tính, do đó bộ nhớ cần thiết phải đủ lớn Ngoài ra, tốc độ xử lý cũng phải cao để đáp ứng lượng thông tin lớn cần xử lý tại switch.
4.5.3 Bộ hoán chuyển xương sống (Backbone Switch)
Mục đích của Backbone switch là kết nối các Segment switch, yêu cầu bộ nhớ và tốc độ xử lý lớn để quản lý địa chỉ của tất cả máy tính trong mạng và chuyển dữ liệu nhanh chóng giữa các nhánh.
4.5.4 Bộ hoán chuyển đối xứng (Symetric Switch)
Switch đối xứng là loại switch mà tất cả các cổng đều có tốc độ tương đương Thường thì, các switch trong nhóm làm việc (workgroup switch) thuộc loại này, vì nhu cầu băng thông giữa các máy tính thường gần như đồng đều.
4.5.5 Bộ hoán chuyển bất đối xứng (Asymetric Switch)
Switch bất đối xứng là loại switch có một hoặc hai cổng có tốc độ cao hơn so với các cổng còn lại Các cổng này thường được thiết kế dành riêng cho máy chủ hoặc để kết nối với một switch cấp cao hơn.
