Giao thức truy nhập đường truyền nào được sử dụng trong mạng Ethernet

1. Giới thiệu về công nghệ Ethernet

Ethernet là công nghệ dành cho mạng LAN. 

Ethernet định nghĩa một loạt các chuẩn nối dây và phát tín hiệu cho tầng vật lý. Sử dụng giao thức MAC để điều khiển truy nhập dữ liệu vào đường truyền và lấy dữ liệu từ đường truyền chuyển lên bên trên.

Ethernet đã được chuẩn hóa thành IEEE 802.3. Cấu trúc mạng hình sao, hình thức nối dây cáp xoắn (twisted pair) của Ethernet đã trở thành công nghệ LAN được sử dụng rộng rãi nhất từ thập kỷ 1990 cho tới nay, nó đã thay thế các chuẩn LAN cạnh tranh khác như Ethernet cáp đồng trục (coaxial cable), token ring, FDDI (Fiber distributed data interface), và ARCNET. Trong những năm gần đây, Wi-Fi, dạng LAN không dây đã được chuẩn hóa bởi IEEE 802.11, đã được sử dụng bên cạnh hoặc thay thế cho Ethernet trong nhiều cấu hình mạng.

2. Các công nghệ và giao thức của Ethernet

a. Công nghệ và giao thức

Ethernet là chuẩn công nghệ tương ứng với 2 tầng Data link và Physical trong mô hình OSI.

Công nghệ chính của mạng dây là IEEE 802.2 và IEEE 802.3.

Ethernet hỗ trợ băng thông truyền dữ liệu là 10, 100, 1000, 10,000, 40,000 và 100,000 Mbps (100 Gbps)

Hai giao thức chính trong tầng Data link là Logical link control (LLC) và Media Access Control (MAC). Giao thức LLC dùng để giao tiếp với Layer 3, chuyển dữ liệu từ Layer 3 xuống cho MAC và lấy dữ liệu từ MAC chuyển lên. Giao thức MAC dùng để điều khiển dữ liệu truy nhập vào đường truyền và lấy dữ liệu từ đường truyền lên. Trong giao thức MAC có 2 tính năng: chuyển đổi dữ liệu thành Frame và điều khiển truy nhập đường truyền.

b. Giao thức MAC sử dụng Cơ chế CSMA/CD

Đây là cơ chế đa truy nhập cảm biến sóng mang dò được truy cập. Khi xảy ra đụng độ giữa các tín hiệu trên đường truyền, mặc dù trước đó các máy truyền tín hiệu đều đã thăm dò xem đường truyền có rảnh không thì lúc đó các máy truyền sẽ đẩy các mẩu tín hiệu JAM , điều này sẽ làm cho xung đột trở nên trầm trọng hơn, khi đó tất cả các máy đều biết là có xảy ra xung đột. Lúc này mỗi máy sẽ tự khởi tạo cơ chế timer, đảm bảo rằng bộ timer của mỗi máy là khác nhau, sau đó bộ timer của các máy truyền tín hiệu sẽ giảm dần về 0, rồi sẽ xúc tiến hoạt động trở lại.

Như vậy các bộ timer là hoàn toàn khác nhau và không xảy ra vấn đề đụng độ trên đường truyền ( thuật toán được sử dụng trong cơ chế này là backoff algorithm ).

c. Cấu trúc gói tin truyền trong LAN của Ethernet

Ethernet II là chuẩn định dạng Frame sử dụng trong TCP/IP networks.

d. Địa chỉ MAC

Địa chỉ MAC là loại địa chỉ vật lí của môi trường layer 2 được gán trên card mạng của máy tính, và là địa chỉ duy nhất  trên thế giới , còn có tên gọi khác là địa chỉ phẳng.

Địa chỉ MAC là 1 dãy nhị phân gồm 48bits được chia thành 2 phần: 24 bits trước và 24 bits sau. Trong 24 bits trước thì có 2 bits đầu tiên dùng để chỉ thị những tính năng đặc biệt của địa chỉ, còn lại là  22 bits OUI định danh cho nhà sản suất, phần 24 bits còn lại là Vendor Assigned định danh cho từng thiết bị do nhà sản suất đó sản xuất ra.

Đinh dạng của địa  chỉ MAC được thể hiện dưới dạng số hexa. Vd: 00:00:0c:43:2e:08 ( mỗi 1 số hexa được thể hiện bằng 4 bits nhị phân ).

3. Giao thức ARP là gì?

Khi một thiết bị mạng muốn biết địa chỉ MAC của một thiết bị mạng nào đó mà nó đã biết địa chỉ ở tầng network (IP, IPX…) nó sẽ gửi một ARP request bao gồm địa chỉ MAC address của nó và địa chỉ IP của thiết bị mà nó cần biết MAC address trên toàn bộ một miền broadcast. Mỗi một thiết bị nhận được request này sẽ so sánh địa chỉ IP trong request với địa chỉ tầng network của mình. Nếu trùng địa chỉ thì thiết bị đó phải gửi ngược lại cho thiết bị gửi ARP request một gói tin (trong đó có chứa địa chỉ MAC của mình).

Trong một hệ thống mạng đơn giản, ví dụ như PC A muốn gửi gói tin đến PC B và nó chỉ biết được địa chỉ IP của PC B. Khi đó PC A sẽ phải gửi một ARP broadcast cho toàn mạng để hỏi xem "địa chỉ MAC của PC có địa chỉ IP này là gì ?"  Khi PC B nhận được broadcast này, nó sẽ so sánh địa chỉ IP trong gói tin này với địa chỉ IP của nó. Nhận thấy địa chỉ đó là địa chỉ của mình, PC B sẽ gửi lại một gói tin cho PC A trong đó có chứa địa chỉ MAC của B. Sau đó PC A mới bắt đầu truyền gói tin cho B.

Tiến trình của ARP được mô tả như sau:

=> Máy trạm yêu cầu: có IP, yêu cầu địa chỉ MAC.

=> Máy trạm yêu cầu: tìm kiếm trong bảng ARP.

=> Nếu tìm thấy sẽ trả lại địa chỉ MAC.

=> Nếu không tìm thấy, tạo ARP Request  phát quảng bá tới các trạm khác.

=> Tuỳ theo gói tin trả lời, ARP cập nhật vào bảng ARP.

4. Giao thức RARP là gì?

RARP là giao thức phân giải địa chỉ ngược, cho trước địa chỉ MAC, tìm địa chỉ IP tương ứng

RARP đòi hỏi một hoặc nhiều máy chủ lưu trữ để duy trì một cơ sở dữ liệu bản đồ của địa chỉ lớp liên kết đến các địa chỉ giao thức tương ứng. Media Access Control (MAC) địa chỉ cần thiết để được cấu hình riêng trên các máy chủ của quản trị viên. RARP được giới hạn chỉ phục vụ các địa chỉ IP.

-----&-----&-----

Video tham khảo

Ethernet là một họ trong các công nghệ máy tính thường được dùng trong các mạng LAN (Local Area Network), MAN (Metropolitan Are Network), WAN (Wide Area Network). Nó được giới thiệu thương mại năm 1980 và lần đầu tiên được tiêu chuẩn hóa vào năm  1983 thành IEEE 802.3, kể từ đó nó được chỉnh sửa để hỗ trợ bit rate (bit rate: tốc độ bit truyền đi hoặc xử lý trên mỗi đơn vị thời gian) cao hơn và khoảng cách dài hơn.

Hình 1. Hình ảnh Ethernet

Ethernet có khái niệm như là một phương pháp truy cập mạng máy tính nội bộ (mạng LAN) được sử dụng đầu tiên và phổ biến nhất. Ethernet hình thành từ khái niệm chuẩn 802.3 của IEE, một tổ chức Quốc tế của nghành Điện và Điện tử có uy tín chuyên thiết lập các chuẩn cho máy tính và mạng truyền thông.

Ngày nay, mạng Lan đã hết sức phổ biến và được sử dụng rộng rãi trên toàn Thế giới và mỗi khi nhắc đến kết nối mạng là người ta nghĩ đến ngay mạng Ethernet. Đơn giản hơn, mạng ethernet là một mạng lan có môi trường truyền thông được chia sẻ qua lại. Tất cả các trạm trên mạng lan đều chia nhau tổng số băng thông của mạng. Con số băng thông này có thể là 10Mbs, 100Mbs và 1000Mbs (Megibit per second = megabit/giây).

2. Chuẩn mạng Ethernet thường gặp

• Tốc độ 10/100Mbs đây là tốc độ mạng đạt chuẩn Megabit truyền tải ở nhu cầu phổ thông đa số các kết nối internet mà ta đang sử dụng đều có tốc độ đạt chuẩn giga này.
• Tốc độ 10/100/1000Mbs là tốc độ mạng đạt chuẩn Gigabit truyền tải dành cho nhu cầu cao cấp hơn, thương bắt gặp ở các sever quán nét, hoặc các doanh nghiệp có tính chất công việc sử dụng kết nối internet nhiều.

3. Các loại cáp Ethernet

Cấu tạo cáp Ethernet sử dụng cáp đồng trục và đã tiến triển thành công đến bây giờ sử dụng dây đồng xoắn đôi và hệ thống dây cáp quang. Alexander Graham Bell đã phát minh ra dây xoắn đôi vào năm 1881. Năm 1983, Ethernet đã được tiêu chuẩn hóa vào tiêu chuẩn IEEE 802.3 của Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE).

Tiêu chuẩn này xác định lớp vật lý và phần MAC (Media Access Control) của lớp liên kết dữ liệu của Ethernet có dây.

Hình 2. Hình ảnh của Ethernet Cable

Hai lớp này được xác định như hai lớp đầu tiên trong OSI (Open Systems Interconnection). Lớp “vật lý” bao gồm của các thành phần sau: Cáp và thiết bị.

Đầu tiên, chúng ta hãy xem tại cáp Ethernet; Như đã nêu trước đây, Ethernet cáp đi kèm như cáp đồng trục, không phổ biến lắm ngoại trừ trong các cài đặt cũ hơn, cặp xoắn, và sợi quang.

• Cáp Cat. 5: Đây là loại cáp cơ bản và phổ biến nhất, có thể là loại không bóc giáp và loại bọc giáp. Trong đó các dây dẫn đồng của cáp thường là lõi đặc (solid) hoặc lõi bện (stranded). Loại dây này thường dùng khi dữ liệu được truyền ở khoảng cách xa.
• Cáp Cat. 5e: Cũng giống như cáp Cat. 5 nhưng đáp ứng được các tiêu chuẩn cao hơn trong việc truyền dữ liệu và loại cáp này dần dần đang thay thế cap Cat. 5
• Cáp Cat. 6: Dây cáp này cung cấp hiệu suất tốt hơn hai loại cáp trên bởi cấu trúc dây có lõi chữ thập (cross filler) dọc theo chiều dài dây nhờ vậy 4 đôi dây được cô lập hoàn toàn; điều này làm giảm nhiễu chéo nên việc truyền tín hiệu luôn tốt hơn.
• Cáp Cat. 6A: Là loại dây cáp có thêm lớp vỏ bọc giáp hoặc lớp vỏ nhựa cáp được làm dày hơn để hạn chế nhiễu từ bên ngoài nên tốt hơn các loại dây cáp khác.

Hình 3. Các loại cáp phổ biến hiện nay.

4. Các thành phần cơ bản vật lý Ethernet

Lớp liên kết dữ liệu có thể chia thành hai phần: Logical Link Control (LLC) và  Media Access Control  (MAC).

Điều khiển liên kết logic thiết lập đường dẫn cho dữ liệu trên Ethernet để truyền giữa các thiết bị. Kiểm soát truy cập phương tiện sử dụng địa chỉ phần cứng được chỉ định cho Network Interface Cards (NIC) để xác định một máy tính hoặc thiết bị để hiển thị nguồn và đích truyền dữ liệu.

Ethernet truyền các gói dữ liệu trong lớp liên kết dữ liệu này bằng cách sử dụng một thuật toán được gọi là CSMA / CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection). CSMA / CD được sử dụng làm tiêu chuẩn cho Ethernet để giảm xung đột dữ liệu và tăng truyền dữ liệu thành công.

Thuật toán kiểm tra đầu tiên để xem nếu có lưu lượng truy cập trên mạng. Nếu nó không tìm thấy bất kỳ, nó sẽ gửi đi phần thông tin đầu tiên để xem có xảy ra va chạm hay không.

Hình 4. Gửi dữ liệu xảy ra va chạm của Ethernet.

Nếu bit đầu tiên này thành công, sau đó nó sẽ gửi các bit khác trong khi vẫn thử nghiệm các va chạm.

Nếu xảy ra va chạm, thuật toán tính toán thời gian chờ đợi và sau đó bắt đầu xử lý lại tất cả cho đến khi đầy đủ quá trình truyền hoàn tất. Khi bạn sử dụng càng nhanh Ethernet ở chế độ song công và kết hợp các công tắc, sau đó bạn đang sử dụng một cấu trúc liên kết sao giữa công tắc cổng và các thiết bị. Điều này cho phép trực tiếp hơn đường truyền và ít va chạm hơn so với cấu trúc liên kết xe bus trong đó tất cả các thiết bị đều có chung đường dẫn.

Hình 5. Gửi dữ liệu thành công Ethernet.

5. Cách hoạt động của Ethernet

Mỗi máy Ethernet, hay còn gọi là máy trạm sẽ hoạt động độc lập với tất cả các trạm khác trên mạng và  không có một trạm điều khiển trung tâm. Thông qua một đường truyền tín hiệu gọi là đường trung gian thì các trạm đều kết nối với Ethernet. Tín hiệu Ethernet được gửi theo chuỗi, từng bit, qua đường trung gian tới tất cả các trạm khác nhau.

Hình 6. Cách thức hoạt động của Ethernet.

6. Ethernet trong thời đại hiện nay

Khả năng của Ethernet đang nhanh chóng thay đổi với các công nghệ mới xuất hiện mỗi ngày. Và trong khi chúng tôi hiện đang trên bờ vực chuyển thành công sang tốc độ cao hơn so với 1 Gbps hiện tại với 10 Gbps nổi lên trong vài năm qua, những Ethernet mới này công nghệ sẽ tốn kém. Ngoài ra, khả năng của bạn cho thế giới thông tin có thể dường như vô tận khi bạn kết nối mạng cục bộ Ethernet này vào internet để tạo ra một WAN lớn (Mạng diện rộng). Nhưng đó là truyện của ngày khác.

Nói chung, Ethernet là phổ biến bởi vì nó tấn công một điều tốt cân bằng giữa tốc độ, chi phí và dễ dàng cài đặt.

Những lợi ích này, kết hợp với sự chấp nhận trên thị trường máy tính và khả năng hỗ trợ hầu như tất cả các giao thức mạng phổ biến.

Các bạn có thể tìm hiểu kỹ video sau!!!