(NB) Giáo trình Thiết kế xây dựng mạng Lan cung cấp cho người học những kiến thức như: Tổng quan về thiết kế và cài đặt mạng; các chuẩn mạng cục bộ; cơ sở về cầu nối (bridge); cơ sở về bộ chuyển mạch; cơ sở về định tuyến; thiết kế mạng cục bộ lan;...
TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ VÀ CÀI ĐẶT MẠNG
Tiến trình xây dựng mạng
- Mô tả được quy trình thiết kế một hệ thống mạng
- Xác định được công việc cần thực hiện từng bước trong quy trình
Quá trình xây dựng mạng tương tự như phát triển phần mềm, bao gồm các giai đoạn quan trọng như thu thập yêu cầu từ khách hàng, phân tích nhu cầu, thiết kế giải pháp mạng, cài đặt hệ thống, kiểm thử và bảo trì mạng.
Trong phần này, chúng ta sẽ điểm qua nhiệm vụ của từng giai đoạn trong tiến trình xây dựng mạng, giúp bạn hình dung rõ ràng các vấn đề liên quan.
2.1.1 Thu thập yêu cầu của khách hàng
Giai đoạn này nhằm xác định rõ mong muốn của khách hàng trong việc xây dựng mạng Cần trả lời các câu hỏi như: Mục đích của mạng là gì và nó sẽ phục vụ cho ai? Các máy tính nào sẽ được kết nối vào mạng? Ai sẽ là người sử dụng mạng và mức độ khai thác của từng cá nhân hoặc nhóm như thế nào? Trong 3-5 năm tới, liệu có kế hoạch kết nối thêm máy tính vào mạng không, và nếu có thì số lượng sẽ là bao nhiêu?
Trong giai đoạn này, chúng ta cần phỏng vấn khách hàng và nhân viên các phòng có máy tính để kết nối mạng Đối tượng phỏng vấn thường không có chuyên môn sâu về mạng, vì vậy cần tránh sử dụng thuật ngữ kỹ thuật phức tạp Thay vì hỏi "Chúng ta có muốn cài đặt Mail server cho mạng không?", hãy hỏi "Chúng ta có muốn người trong cơ quan gửi mail cho nhau không?" Các câu trả lời từ khách hàng thường thiếu cấu trúc và phản ánh góc nhìn của người sử dụng, không phải của kỹ sư mạng Người thực hiện phỏng vấn cần có kỹ năng và kinh nghiệm để đặt câu hỏi hiệu quả và tổng hợp thông tin chính xác.
Trong giai đoạn này, công việc "Quan sát thực địa" là vô cùng quan trọng để xác định các tuyến đường dây cáp mạng, khoảng cách tối đa giữa các máy tính và dự kiến lộ trình cho dây mạng Việc khảo sát thực địa không chỉ giúp chọn công nghệ phù hợp mà còn ảnh hưởng lớn đến chi phí mạng Cần chú ý đến các yếu tố thẩm mỹ của công trình kiến trúc khi triển khai đường dây mạng bên trong Đặc biệt, khi kết nối mạng cho hai tòa nhà tách biệt, cần có giải pháp thích hợp Sau khi hoàn tất khảo sát, nên vẽ lại thực địa hoặc yêu cầu khách hàng cung cấp sơ đồ thiết kế của công trình để đảm bảo tính chính xác trong việc lắp đặt mạng.
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 tần suất và khối lượng thông tin được chia sẻ Việc này sẽ hỗ trợ 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 quá trình này, cần xác định rõ các dịch vụ mạng cần triển khai như dịch vụ chia sẻ tập tin, chia sẻ máy in, dịch vụ web, dịch vụ thư điện tử và khả năng truy cập Internet Ngoài ra, cần xác định mô hình mạng sẽ sử dụng, có thể là Workgroup hoặc Client/Server, cũng như mức độ yêu cầu an toàn mạng và các 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 hệ thống mạng Việc lựa chọn giải pháp cho hệ thống mạng phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm kinh phí dành cho hệ thống, công nghệ phổ biến trên thị trường, thói quen công nghệ của khách hàng, yêu cầu về tính ổn định và băng thông của hệ thống, cũng như các ràng buộc pháp lý.
Tùy theo từng khách hàng, thứ tự ưu tiên và sự ảnh hưởng của các yếu tố sẽ khác nhau, dẫn đến các giải pháp thiết kế cũng sẽ khác nhau Tuy nhiên, các công việc cần thực hiện trong giai đoạn thiết kế vẫn có những điểm chung.
2.1.3.1 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 một cách hiệu quả.
Khi lựa chọn mô hình mạng, cần xem xét các dịch vụ cần thiết Nếu chỉ cần chia sẻ máy in và thư mục trong mạng cục bộ mà không yêu cầu an toàn cao, mô hình Workgroup là lựa chọn phù hợp Ngược lại, nếu cần quản lý người dùng, mô hình Domain sẽ là sự lựa chọn tối ưu Đối với các mạng yêu cầu dịch vụ email hoặc mở rộng quy mô với số lượng máy tính lớn, cần chú ý sử dụng giao thức TCP/IP Mỗi mô hình mạng có yêu cầu cấu hình riêng, bao gồm việc định vị các thành phần nhận dạng mạng như tên Domain, Workgroup, máy tính và địa chỉ IP Ngoài ra, việc phân chia mạng con và xác định đường đi cho thông tin trên mạng cũng rất quan trọng.
2.1.3.2 Xây dựng chiến lược khai thác và quản lý tài nguyên mạng
Chiến lược phân quyền trong hệ thống mạng xác định quyền hạn của từng người dùng Thông thường, người dùng được phân loại thành các nhóm, và quyền truy cập được cấp phát dựa trên các nhóm này.
2.1.3.3 Thiết kế sơ đồ mạng ở vật lý
Dựa trên sơ đồ thiết kế mạng ở mức luận lý và kết quả khảo sát thực địa, chúng ta tiến hành thiết kế mạng ở mức vật lý Sơ đồ mạng vật lý cung cấp thông tin chi tiết về vị trí dây dẫn, các thiết bị kết nối như Hub, Switch, Router, cũng như vị trí của máy chủ và máy trạm Qua đó, chúng ta có thể lập bảng dự trù thiết bị mạng cần mua, trong đó mỗi thiết bị cần chỉ rõ tên, thông số kỹ thuật, đơn vị tính và đơn giá.
2.1.3.4 Chọn hệ điều hành mạng và các phần mềm ứng dụng
Mô hình mạng có thể được triển khai trên nhiều hệ điều hành khác nhau, bao gồm Windows NT, Windows 2000, Netware, Unix và Linux, với hỗ trợ cho các giao thức phổ biến như TCP/IP, NETBEUI, và IPX/SPX Điều này mang lại cho người dùng nhiều lựa chọn phong phú Quyết định chọn hệ điều hành mạng thường dựa vào các yếu tố như chi phí phần mềm, sự quen thuộc của khách hàng với phần mềm, và kinh nghiệm của người xây dựng mạng với các giải pháp đó.
Hệ điều hành là nền tảng cho các phần mềm hoạt động, và chi phí phần mềm không chỉ bao gồm giá của hệ điều hành mà còn cả giá của các ứng dụng chạy trên đó Hiện nay, có hai xu hướng phổ biến trong việc lựa chọn hệ điều hành mạng: hệ điều hành của Microsoft Windows và các phiên bản của Linux.
Mô hình OSI
Mô hình OSI, được phát triển bởi Tổ chức tiêu chuẩn thế giới ISO vào năm 1983, cho phép hai máy tính gửi và nhận dữ liệu thông qua việc phân chia các chức năng thành 7 tầng riêng biệt Mỗi tầng đảm nhiệm những chức năng cơ bản, giúp đơn giản hóa việc phát triển phần mềm và đảm bảo tính đồng nhất khi các hệ thống máy tính khác nhau trao đổi thông tin Để thực hiện việc trao đổi này, cần có nhiều yếu tố như Card mạng, dây cáp mạng, điện thế tín hiệu, cách đóng gói dữ liệu và điều khiển lỗi đường truyền Mô hình OSI tạo điều kiện thuận lợi cho việc kết nối và trao đổi thông tin giữa các máy tính.
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
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 Nó có nhiệm vụ xác định lộ trình cho dữ liệu đến các đích khác nhau trong mạng.
Tầng 4: Tầng vận chuyển (Transport Layer)
Tầng này chịu trách nhiệm truyền tải dữ liệu giữa các quá trình, đảm bảo dữ liệu được gửi đi không có 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 trước khi gửi và tập hợp lại khi nhận được.
Tầng 5: Tầng giao dịch (Session Layer)
Tầng này cho phép các ứng dụng thiết lập, sử dụng và xóa các kênh giao tiếp, được gọi là giao dịch Nó cung cấp cơ chế nhận biết tên và chức năng bảo mật thông tin khi truyền tải qua mạng.
Tầng 6: Tầng trình bày (Presentation Layer)
Tầng trình bày đảm bảo rằng các máy tính với định dạng dữ liệu khác nhau có thể trao đổi thông tin hiệu quả Thông thường, các máy tính sẽ thống nhất một định dạng dữ liệu trung gian để giao tiếp Khi dữ liệu cần được gửi đi, tầng trình bày 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 giao tiếp và trao đổi thông tin với tầng n tương ứng của hệ thống khác Mỗi tầng có các đơn vị truyền dữ liệu riêng biệt: tầng vật lý sử dụng bit, tầng liên kết dữ liệu sử dụng khung (frame), tầng mạng sử dụng gói tin (packet), và tầng vận chuyển sử dụng đoạn (segment).
Dữ liệu được gửi từ tầng cao nhất xuống tầng thấp nhất của máy tính, nơi nó được truyền qua đường truyền vật lý Khi dữ liệu di chuyển xuống các tầng, nó sẽ được "gói" lại thành đơn vị dữ liệu của tầng đó Tại bên nhận, dữ liệu sẽ được truyền ngược lên các tầng cao hơn, và mỗi khi qua một tầng, đơn vị dữ liệu sẽ được tháo ra, với mỗi tầng có một tiêu đề (header) riêng biệt.
Mô hình OSI chỉ là một khuôn mẫu tham khảo, và mỗi nhà sản xuất mạng sẽ triển khai 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, dẫn đến tình trạng các hệ thống mạng khác nhau, mặc dù thực hiện cùng một chức năng, nhưng lại không thể tương tác với nhau Hình ảnh dưới đây sẽ so sánh kiến trúc của các hệ điều hành mạng phổ biến với mô hình OSI.
Hình 1.1 - Xử lý dữ liệu qua các tầng
Để thực hiện các chức năng ở tầng 3 và tầng 4 trong mô hình OSI, mỗi hệ điều hành mạng như UNIX, Netware và Microsoft đều sử dụng các giao thức riêng biệt: UNIX với giao thức IP ở tầng 3 và TCP/UDP ở tầng 4; Netware sử dụng IPX và SPX; trong khi đó, giao thức NETBEUI của Microsoft thực hiện chức năng cho cả hai tầng Tuy nhiên, để các máy tính sử dụng các hệ điều hành khác nhau có thể giao tiếp với nhau, cần phải áp dụng một giao thức chung Bộ giao thức TCP/IP đã trở thành giải pháp tối ưu cho vấn đề này, cho phép các hệ thống mạng tương tác hiệu quả trên nền tảng Internet.
Thiết kế giải pháp trong việc xây dựng mạng là quá trình xác định và phát triển các kiến trúc mạng phù hợp với nhu cầu cụ thể của một tổ chức Đối với việc thiết kế hệ thống mạng cho công ty hoặc trường học, cần thực hiện các bước như phân tích yêu cầu, lập kế hoạch thiết kế, lựa chọn thiết bị và công nghệ, triển khai mạng, và cuối cùng là kiểm tra và bảo trì hệ thống Những bước này đảm bảo rằng mạng hoạt động hiệu quả, an toàn và đáp ứng được nhu cầu sử dụng của người dùng.
Bước 1: Thu thập yêu cầu của khách hàng
Bước 2: Phân tích yêu cầu
Bước 3: Thiết kế giải pháp
Yêu cầu về đánh giá kết quả học tập:
- Khảo sát được nơi cần thiết kế hệ thống mạng
- Thu thập tất cả thông tin từ khách hàng
- Thiết kế được sơ đồ ở mức luân lý
- Thiết kế được sơ đồ ở mức vật lý
CÁC CHUẨN MẠNG CỤC BỘ
Phân loại mạng
- Phân biệt được loại mạng chuyển mạch và mạng quảng bá
Mạng cục bộ (LAN - Local Area Network) là mạng truyền dữ liệu tốc độ cao trong phạm vi nhỏ như phòng, tòa nhà hay khu vực, trong khi mạng diện rộng (WAN - Wide Area Network) có phạm vi lớn hơn, trải dài trên quốc gia, châu lục hoặc toàn cầu Việc phân loại mạng dựa trên tiêu chuẩn địa lý giúp xác định quy mô và ứng dụng của từng loại mạng Bên cạnh đó, mạng cũng có thể được phân loại theo kỹ thuật truyền tải thông tin được sử dụng.
Mạng LAN sử dụng kỹ thuật mạng quảng bá, cho phép các thiết bị chia sẻ một kênh truyền chung, nơi thông tin được truyền từ một máy tính và nhận bởi tất cả các máy khác Ngược lại, mạng WAN áp dụng kỹ thuật mạng chuyển mạch, kết nối các thiết bị qua nhiều đường khác nhau, cho phép thông tin trao đổi giữa hai điểm đi theo nhiều lộ trình Để quản lý các đường đi của gói tin, cần có bộ chuyển mạch hoặc bộ chọn đường (router) Ngoài ra, mạng WAN cũng sử dụng các kỹ thuật đa hợp và phân hợp nhằm giảm thiểu số lượng đường nối kết vật lý Chương này sẽ tập trung vào các vấn đề liên quan đến mạng cục bộ.
Mạng cục bộ và giao thức điều khiển truy cập đường truyền
- Trình bày đượ c các giao th ứ c truy c ậ p đườ ng truy ề n
Trong mạng LAN, chỉ có một đường truyền vật lý, do đó chỉ cho phép một thiết bị truyền dữ liệu tại một thời điểm Khi hai máy tính cùng gửi dữ liệu, sẽ xảy ra tình trạng đua tranh, dẫn đến việc dữ liệu bị phủ lấp và không thể sử dụng Để giải quyết vấn đề này, cần có một cơ chế điều khiển truy cập đường truyền, gọi là Giao thức điều khiển truy cập đường truyền (MAC Protocol) Hai giao thức chính thường được sử dụng là Giao thức CSMA/CD, cho phép thiết bị kiểm tra xem có xảy ra đụng độ dữ liệu hay không Nếu xảy ra đụng độ, các thiết bị sẽ tạm dừng và truyền lại dữ liệu sau một khoảng thời gian ngẫu nhiên Khi số lượng thiết bị kết nối tăng lên, hiệu suất mạng sẽ giảm nhanh chóng do tần suất đụng độ gia tăng.
Trong các mạng sử dụng giao thức Token-passing như Token Ring và FDDI, một gói tin đặc biệt gọi là thẻ bài (Token) được truyền 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 Điều này giúp tối ưu hóa việc sử dụng đường truyền cho các thiết bị khác 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 đường truyền, điều này đặc biệt quan trọng trong các môi trường thời gian thực như điều khiển thiết bị công nghiệp, nơi thời gian phản hồi phải được duy trì dưới một mức nhất định.
Các sơ đồ nối kết mạng LAN (LAN Topologies)
- Mô tả được các loại sơ đồ kết nối mạng LAN
LAN topology định nghĩa cách tổ chức và sắp xếp các thiết bị mạng Ba sơ đồ phổ biến của mạng LAN bao gồm: Bus, Star và Ring Trong Bus topology, dữ liệu từ một trạm được truyền trên toàn bộ chiều dài đường truyền và nhận bởi tất cả các thiết bị khác Star topology kết nối các trạm vào một bộ tập trung gọi là HUB Cuối cùng, Ring topology bao gồm một chuỗi thiết bị được nối với nhau theo một kênh truyền theo dạng vòng.
Hình 2.1 – Topology thường sửdụng cho mạng LAN
Các loại thiết bị sử dụng trong mạng LAN
Để xây dựng mạng LAN, các thiết bị cần thiết bao gồm: Card giao tiếp mạng (NIC), dây cáp mạng, bộ khuyếch đại (Repeater), bộ tập trung nối kết (HUB), cầu nối (Bridge), bộ chuyển mạch (Switch) và bộ chọn đường (Router) Những thiết bị này đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối và quản lý dữ liệu trong mạng LAN.
Các tổ chức chuẩn hóa về mạng
- Trình bày các tổ chức chuẩn hóa về mạng
To ensure seamless connectivity and information exchange among hardware devices from various manufacturers within a local area network (LAN), adherence to standardized protocols is essential Key standardization organizations that govern networking equipment include the Electronic Industry Association (EIA), Telecom Industry Association (TIA), International Standard Organization (ISO), American National Standard Institute (ANSI), and Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE).
Hai tổ chức TIA và EIA đã hợp tác để phát triển nhiều đặc tả cho các thiết bị truyền dẫn, đồng thời cung cấp nhiều sơ đồ nối dây hữu ích.
Tiểu ban 802 của IEEE chịu trách nhiệm phát triển các chuẩn cho mạng cục bộ, với nhiều chuẩn quan trọng như 802.3 cho mạng Ethernet, 802.4 cho mạng Token-Bus, 802.5 cho mạng Token-Ring, và 802.11 cho mạng không dây.
Chuẩn IEEE 802 định nghĩa các chức năng của tầng 2 trong mô hình OSI, 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 đảm bảo việc truyền nhận thông tin theo phương thức không nối kết, trong khi tầng con điều khiển nối kết lại thực hiện các chức năng kết nối logic.
Hình 2.2 – Kiến trúc mạng cục bộ theo IEEE 802
Câu 1: Phân biệt giữa mạng Lan và mạng Wan
Câu 2: Trình bày giao thức điều khiển truy cập đường truyền
Câu 3: Định nghĩa Lan topology là gì?
Câu 4: Nêu các loại thiết bị thông dụng được sử dụng trong mạng Lan Câu 5: Trình bày các chuẩn mạng sử dụng giao thức CSMA/CD
Bài 1: Nhận biết các thiết bị và các thông số của thiết bị mạng: ỉ Card giao tiếp mạng (NIC- Network Interface Card) ỉ Dõy cỏp mạng (Cable) ỉ Bộ khuyếch đại (Repeater) ỉ Bộ tập trung nối kết (HUB) ỉ Cầu nối (Brigde) ỉ Bộ chuyển mạch (Switch) ỉ Bộ chọn đường (Router)
Bài 2: Bấm cáp UTP theo chuẩn T568A và T568B ỉ Chuẩn T568A qui định: § Pin 1: White Green / Tx+ § Pin 2: Green / Tx- § Pin 3: White Orange / Rx+ § Pin4: Blue § Pin5: White Blue § Pin 6: Orange / Rx- § Pin 7: White Brown § Pin 8: Brown ỉ Chuẩn T568B qui định: § Pin 1: White Orange / Tx + § Pin 2: Orange / Tx- § Pin 3: White Green / Rx+ § Pin4: Blue § Pin5: White Blue § Pin 6: Green / Rx- § Pin 7: White Brown § Pin 8: Brown
Bài 3: Đấu cáp vào các thiết bị
CƠ SỞ VỀ CẦU NỐI
Giới thiệu về liên mạng
- Trình bày được hệ thống liên mạng
- Xác định được các thiết bị ở các tầng khác nhau trong liên mạng
Liên mạng (Internetwork) là tập hợp các mạng riêng lẻ được kết nối bởi thiết bị trung gian, hoạt động như một mạng lớn duy nhất Việc thực hiện liên mạng (Internetworking) cho phép kết nối nhiều mạng khác nhau, mở rộng phạm vi và số lượng máy tính, đồng thời tạo điều kiện cho các mạng xây dựng theo các chuẩn khác nhau có thể giao tiếp với nhau.
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 Mụcđích Thiết bịsửdụng
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
Nối kết các ứng dụng lại với nhau Gateway
Trong chương này, chúng ta sẽ khám phá các vấn đề liên quan đến việc liên mạng ở tầng 2, đồng thời giới thiệu cơ chế hoạt động và tính năng của cầu nối (Bridge) Bên cạnh đó, chúng ta cũng sẽ đề cập đến những nhược điểm của các thiết bị liên mạng ở tầng 1 như Repeater và HUB.
Hình 3.1 – Hạn chế của Repeater/HUB
Trong một liên mạng với hai nhánh LAN1 và LAN2 kết nối qua một Repeater, khi máy N2 gửi một Frame tới N1, Frame này được truyền trên LAN1 và đến cổng 1 của Repeater dưới dạng chuỗi bits Repeater khuếch đại chuỗi bits và chuyển sang cổng 2, vô tình gửi Frame từ N2 tới LAN2 Kết quả là N1 trên LAN1 nhận được toàn bộ Frame, trong khi trên LAN2 không có máy trạm nào nhận được Do đó, nếu N5 muốn gửi khung tới N4, nó sẽ không thể thực hiện 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 cần được cân nhắc kỹ lưỡng Repeater hoạt động ở tầng 1 và không hiểu được Frame, do đó nó sẽ chuyển tiếp tất cả dữ liệu nhận được đến các cổng còn lại Việc kết nối mạng qua Repeater hay Hub có thể làm gia tăng vùng đụng độ, dẫn đến tăng khả năng xảy ra va chạm khi truyền tin giữa các máy tính, từ đó giảm hiệu suất của mạng.
Giới thiệu về cầu nối
- Trình bày được nhiệm vụ của Bridge
Hiện tại, chúng ta sẽ thay thế Repeater bằng một Bridge Khi Frame N2 gửi đến N1 qua cổng 1 của Bridge, nó sẽ phân tích và nhận thấy rằng việc chuyển Frame sang LAN 2 là không cần thiết.
Hình 3.2 – Bridge khắc phục nhược điểm của Repeater/HUB
Bridge là thiết bị hoạt động ở tầng 2 của mô hình OSI, có chức năng chuyển tiếp các khung dữ liệu giữa các nhánh mạng Bridge thông minh, chọn lọc việc chuyển frame dựa trên địa chỉ MAC của các máy tính, cho phép các mạng với tầng vật lý khác nhau giao tiếp hiệu quả Bằng cách chia liên mạng thành các vùng đụng độ nhỏ, Bridge cải thiện hiệu năng mạng tốt hơn so với việc sử dụng Repeater hay Hub.
Cầu nối (Bridge) được phân thành ba loại chính: Cầu nối trong suốt (Transparent Bridge) cho phép kết nối các mạng Ethernet và Fast Ethernet; Cầu nối xác định đường đi từ nguồn (Source Routing Bridge) dùng để kết nối các mạng Token Ring; và Cầu nối trộn lẫn (Mixed Media Bridge) cho phép kết nối mạng Ethernet với Token Ring.
Cầu nối trong suốt, lần đầu tiên được phát triển bởi Digital Equipment Corporation vào đầu những năm 80, đã được Digital đệ trình lên IEEE và được công nhận trong tiêu chuẩn IEEE 802.1.
Cầu nối trong suốt được sử dụng 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 bổ sung để truyền tải thông tin qua mạng, giúp đơn giản hóa quá trình kết nối.
Khi cầu nối trong suốt được mở điện, nó học vị trí của các máy tính trên mạng bằng cách phân tích địa chỉ máy gửi từ các khung nhận được Chẳng hạn, nếu cầu nối nhận một khung từ cổng số 1 do máy A gửi, nó sẽ xác định rằng máy A có thể truy cập qua cổng 1 Quá trình này giúp cầu nối xây dựng Bảng địa chỉ cục bộ, mô tả địa chỉ MAC của các máy tính liên quan đến các cổng của nó.
Cầu nối sử dụng bảng địa chỉ cục bộ để chuyển tiếp khung Khi khung đến cổng cầu nối, nó sẽ đọc 6 byte đầu tiên để xác định địa chỉ máy nhận Nếu máy nhận nằm cùng cổng, cầu nối sẽ bỏ qua khung Nếu máy nhận nằm ở cổng khác, cầu nối sẽ chuyển khung đến cổng đó Nếu không tìm thấy địa chỉ máy nhận trong bảng, cầu nối sẽ gửi khung đến tất cả các cổng còn lại, trừ cổng đã nhận khung, từ đó cải thiện băng thông trong liên mạng.
2.2.1.3 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, cả hai cầu nối B1 và B2 đều không có thông tin về địa chỉ của N Sau khi nhận khung F, B1 và B2 chuyển F sang LAN 2, tạo ra hai phiên bản F1 và F2 F1 được chuyển đến B2 và F2 đến B1, tiếp tục quá trình này khi B1 và B2 lần lượt chuyển F2 và F1 sang LAN 1 Hiện tượng này không dừng lại, dẫn đến việc xuất hiện rác trên mạng, được gọi là vòng quẩn trên mạng.
Để giải quyết vấn đề vòng quẩn trong mạng, Digital đã phát triển một thuật toán nối cây, và thuật toán này sau đó được chuẩn hóa theo tiêu chuẩn IEEE 802.1d.
Giải thuật này nhằm xác định các cổng tạo vòng quẩn trong mạng và chuyển chúng về trạng thái dự phòng (stand by) hoặc khóa (Blocked), giúp chuyển đổi sơ đồ mạng thành dạng cây mà không còn vòng Các cổng này sẽ được kích hoạt lại khi các cổng chính gặp sự cố.
Giải thuật này dựa trên lý thuyết đồ thị và yêu cầu mỗi cầu nối và cổng phải có số hiệu nhận dạng duy nhất Quy trình thực hiện gồm bốn bước: đầu tiên, chọn cầu nối gốc (Root Bridge) với số nhận dạng nhỏ nhất; tiếp theo, xác định cổng gốc (Root Port) trên các cầu nối còn lại, là cổng có giá đường đi thấp nhất đến cầu nối gốc; sau đó, chọn cầu nối được chỉ định (Designated Bridge) cho mỗi LAN, là cầu nối có giá đường đi thấp nhất từ LAN đến cầu nối gốc, cùng với cổng nối LAN được gọi là cổng được chỉ định (Designated Port); cuối cùng, thiết lập tất cả các cổng gốc và cổng chỉ định ở trạng thái hoạt động, trong khi các cổng còn lại ở trạng thái khóa.
Trong một liên mạng gồm các LAN V, W, X, Y, Z được kết nối bằng 5 cầu nối với số nhận dạng từ 1 đến 5, tồn tại nhiều vòng quẩn Bằng cách áp dụng giải thuật nối cây, ta xác định được các cổng gốc (R) và các cổng được chỉ định (D) Các cổng gốc còn có giá trị về gốc thông qua cổng này (R(30)) Sau khi loại bỏ các vòng quẩn, hình trạng mạng được vẽ lại một cách rõ ràng.
Hình 3.5 – Mạng xây dựng lại bằng giải thuật Spanning tree
2.2.2 Cầu nối xác định đường đi từ nguồn
Cầu nối xác định đường đi từ nguồn (SRB-Source Route Bridge) được phát triển bởi IBM nhằm kết nối các mạng Token, và đã được đệ trình lên ủy ban IEEE 802.5 như một giải pháp hiệu quả cho việc liên kết này.
Xét một liên mạng gồm 4 mạng Token Ring được nối lại với nhau bằng 4 cầu nối SRB như hình dưới đây:
Khi máy X muốn gửi dữ liệu đến máy Y trong mạng Token Ring, nó đầu tiên không biết Y có nằm trong cùng một LAN hay không Để xác định điều này, X gửi một Khung kiểm tra (Test Frame) Nếu không nhận được phản hồi từ Y, X kết luận rằng Y ở một nhánh mạng khác Để xác định vị trí chính xác của Y, X tiếp tục gửi một Khung thăm dò (Explorer Frame) Các cầu nối (Bridge 1 và Bridge 2) nhận khung thăm dò sẽ sao chép và chuyển tiếp nó đến tất cả các cổng còn lại, đồng thời thêm thông tin về đường đi Khi khung thăm dò đến Y, máy Y sẽ gửi lại các khung trả lời theo từng đường đi đã thu thập X nhận được nhiều khung trả lời từ Y và sẽ chọn một trong số đó, thường là đường đi của khung trả lời đầu tiên vì đây là đường ngắn nhất.
Khi đường đi đã được xác định, thông tin sẽ được đưa vào các khung dữ liệu gửi cho Y thông qua trường thông tin về đường đi (RIF - Routing Information Field) Lưu ý rằng RIF chỉ được sử dụng cho các khung gửi ra ngoài LAN.
Cấu trúc của RIF trong khung được mô tả như hình dưới đây:
Hình 3.7 Cấu trúc của trường thông tin về đường đi
