Bài giảng Mạng máy tính - Chương 3: Kết nối mạng ở lớp MAC - Nguyễn Hữu Thanh

1CHƯƠNG 3. KẾT NỐI MẠNG Ở LỚP MAC PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh Bộ môn Kỹ thuật thông tin Viện Điện tử - Viễn thông ĐHBK Hà Nội Email: thanhnh@mail.hut.edu.vn Nội dung Tại sao phải kết nối mạng ở lớp MAC? Các phương pháp kết nối mạng ở lớp MAC 23 CHƯƠNG 3 – KẾT NỐI MẠNG LAN PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh Đặt vấn đề Các phương pháp kết nối Hub Bridge IEEE 802.1d Đặt vấn đề Vấn đề gì sẽ xảy ra nếu xây dựng một mạng LAN với số nút lớn và bảo phủ một vùng địa lý rộng? 4 CHƯƠNG 3 – KẾT NỐI MẠNG LAN PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh Đặt vấn đề Các phương pháp kết nối Hub Bridge IEEE 802.1d Đặt vấn đề (tiếp)  Vấn đề 1: Do chiều dài kênh truyền lớn  chất lượng tín hiệu không đảm bảo do suy hao  Vấn đề 2: Chiều dài kênh truyền càng lớn, hiệu suất kênh truyền càng giảm do xác suất va đập tăng (802.3)  Vấn đề 2: trong một miền quảng bá, số nút lớn dẫn đến băng thông chia sẻ cho một nút giảm 35 CHƯƠNG 3 – KẾT NỐI MẠNG LAN PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh Đặt vấn đề Các phương pháp kết nối Hub Bridge IEEE 802.1d Kết nối mạng ở lớp MAC Mục đích Kết nối nhiều mạng LAN, mở rộng vùng hoạt động của mạng LAN Tăng hiệu suất hoạt động, tăng băng thông chia sẻ cho một nút bằng cách chia nhỏ một mạng lớn thành nhiều vùng quảng bá (broadcast domain) nhỏ 6 CHƯƠNG 3 – KẾT NỐI MẠNG LAN PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh Đặt vấn đề Các phương pháp kết nối Hub Bridge IEEE 802.1d Kết nối mạng ở lớp MAC LAN ? 47 CHƯƠNG 3 – KẾT NỐI MẠNG LAN PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh Đặt vấn đề Các phương pháp kết nối Hub Bridge IEEE 802.1d Phân loại  Các thiết bị kết nối mạng LAN Lớp Vật lý: Hub Lớp MAC: Bridge, Switch Lớp Mạng: Router (sẽ học trong chương sau) 4 3 2 1c 1b 1a 1a 1b 1a 2 1c 1b 1a 4. 3 2 1c 1b 1a App Host-to-Host Internetwork LLC MAC Phy Host Hub Bridge/Switch HostRouter 8 CHƯƠNG 3 – KẾT NỐI MẠNG LAN PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh Đặt vấn đề Các phương pháp kết nối Hub Bridge IEEE 802.1d Khái niệm hub  Hub là một bộ khuyếch đại tín hiệu (~ repeater), cho phép mở rộng chiều dài kênh truyền.  Không có cơ chế kiểm tra trạng thái kênh  Ưu điểm: tăng chiều dài kênh (giải quyết vấn đề 1)  Nhược điểm: không giải quyết được vấn đề 2 (hiệu suất kênh truyền) và 3 (băng thông) 59 CHƯƠNG 3 – KẾT NỐI MẠNG LAN PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh Đặt vấn đề Các phương pháp kết nối Hub Bridge IEEE 802.1d Khái niệm hub (tiếp)  A  B: A B Hub B MAC addr A MAC addr dest. address source address Broadcast domain 10 CHƯƠNG 3 – KẾT NỐI MẠNG LAN PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh Đặt vấn đề Các phương pháp kết nối Hub Bridge IEEE 802.1d Khái niệm Bridge Cho phép kết nối nhiều mạng LAN có công nghệ khác nhau (TD: Ethernet, Token Ring .v.v.) Cho phép phân mảnh một mạng LAN lớn thành nhiều segment hay nhiều vùng quảng bá nhỏ Tăng phạm vi hoạt động về mặt địa lý Tăng hiệu suất sử dụng kênh truyền Tăng thông lượng của từng trạm 611 CHƯƠNG 3 – KẾT NỐI MẠNG LAN PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh Đặt vấn đề Các phương pháp kết nối Hub Bridge IEEE 802.1d Kết nối nhiều công nghệ LAN Bridge 802.5 10BASE2 10BASE-TX 802.3 12 CHƯƠNG 3 – KẾT NỐI MẠNG LAN PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh Đặt vấn đề Các phương pháp kết nối Hub Bridge IEEE 802.1d Phân mảnh mạng LAN  A  B A B Bridge B MAC addr A MAC addr dest. address source address segment 1 x segment 2 713 CHƯƠNG 3 – KẾT NỐI MẠNG LAN PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh Đặt vấn đề Các phương pháp kết nối Hub Bridge IEEE 802.1d Khái niệm Bridge  Nhận xét:  Địa chỉ MAC có dạng phẳng (flat address), không có cấu trúc  không định tuyến được bằng địa chỉ MAC khi gửi khung MAC liên mạng LAN A (12:A3:66:EB:23:5C) B (52:69:1A:C2:39:EF) Bridge segment 1 segment 2 segment 3 A  B 14 CHƯƠNG 3 – KẾT NỐI MẠNG LAN PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh Đặt vấn đề Các phương pháp kết nối Hub Bridge IEEE 802.1d Bridge theo chuẩn IEEE802.1d Bridge đang được sử dụng hiện nay được chuẩn hóa trong IEEE802.1d Nguyên tắc: “Store-and-Forward”, kiểm tra trạng thái kênh trước khi gửi gói sang một segment khác (no-frill bridge) Tự “học” (learning bridge) Cho phép tạo cây bắc cầu tối thiểu (MPT – minimum spanning tree) 815 CHƯƠNG 3 – KẾT NỐI MẠNG LAN PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh Đặt vấn đề Các phương pháp kết nối Hub Bridge IEEE 802.1d “No-frill bridge” Là chức năng đơn giản nhất theo chuẩn IEEE 802.1d Khi nhận được khung dữ liệu trên một giao diện, bridge kiểm tra trạng thái các kênh nằm trên các giao diện còn lại, nếu kênh truyền rỗi  gửi dữ liệu 16 CHƯƠNG 3 – KẾT NỐI MẠNG LAN PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh Đặt vấn đề Các phương pháp kết nối Hub Bridge IEEE 802.1d “No-frill bridge” (tiếp) 1 2 3 4 56 Dữ liệu nhận được trên một cổng được chuyển đến các cổng còn lại Port 1 t0 Buffer t0 t0 Port 2 stored Kiểm tra trạng thái kênh back-off 1 2 917 CHƯƠNG 3 – KẾT NỐI MẠNG LAN PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh Đặt vấn đề Các phương pháp kết nối Hub Bridge IEEE 802.1d Lọc gói (frame filter)  Để tăng hiệu suất kênh truyền, learning bridge sử dụng cơ chế lọc gói (frame filtering)  Nguyên tắc lọc: Frame tới một trạm trong cùng 1 segment sẽ không được gửi sang các segment khác  Câu hỏi: Làm sao để biết địa chỉ đích của một frame nằm ở segment nào? 18 CHƯƠNG 3 – KẾT NỐI MẠNG LAN PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh Đặt vấn đề Các phương pháp kết nối Hub Bridge IEEE 802.1d Lọc gói (tiếp) A B B1 B MAC addr A MAC addr dest. address source address segment 1 x segment 2 B1 cần phải biết A & B nằm trên cùng segment 2 10 19 CHƯƠNG 3 – KẾT NỐI MẠNG LAN PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh Đặt vấn đề Các phương pháp kết nối Hub Bridge IEEE 802.1d Lọc gói (tiếp)  Tự học = learning bridge  Bridge “ghi nhớ” vị trí của một trạm với cổng tương ứng Khi nhận một khung, bridge liền ghi nhớ vị trí của máy gửi Lưu giữ vị trí của máy gửi vào bảng chuyển tiếp (forwarding table)  Cấu trúc bảng chuyển tiếp {Địa chỉ MAC của trạm, số cổng tương ứng, thời gian sống} 20 CHƯƠNG 3 – KẾT NỐI MẠNG LAN PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh Đặt vấn đề Các phương pháp kết nối Hub Bridge IEEE 802.1d Lọc gói (tiếp) Khi bridge nhận được một khung: if địa chỉ đích nằm trong cùng mạng LAN then bỏ khung else { tìm địa chỉ đích trong bảng chuyển tiếp if tìm thấy địa chỉ đích then chuyển tiếp khung tới cổng tương ứng; else gửi khung tới tất cả các cổng; /* trừ cổng trên đó bridge nhận được khung*/ } 11 21 CHƯƠNG 3 – KẾT NỐI MẠNG LAN PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh Đặt vấn đề Các phương pháp kết nối Hub Bridge IEEE 802.1d Lọc gói (tiếp)  C gửi một khung tới D • C gửi khung • B1 nhận khung trên cổng 1 • B1 không có thông tin về vị trí của D • B1 chuyển tiếp khung qua cổng 2 và 3 • B1 cập nhật vị trí của C ở cổng 1 • segment 3 bỏ qua khung • D nhận khung 1 2 3 C DD MAC addr C MAC addr dest. address source address B1segm ent 1 se gm en t 2 segment 3 601C TTLPort MAC Addr. Bảng chuyển tiếp (Forwarding table) 22 CHƯƠNG 3 – KẾT NỐI MẠNG LAN PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh Đặt vấn đề Các phương pháp kết nối Hub Bridge IEEE 802.1d Lọc gói (tiếp)  D trả lời một khung dữ liệu tới C 1 2 3 C DC MAC addr D MAC addr dest. address source address B1segm ent 1 se gm en t 2 segment 3 • D gửi khung • B1 nhận khung trên cổng 2 • B1 cập nhật vị trí của D • B1 tìm vị trí của C ở bảng chuyển tiếp • B1 chuyển tiếp khung qua cổng 1 • C nhận khung Bảng chuyển tiếp (Forwarding table) 602D 601C TTLPort MAC Addr. 12 23 CHƯƠNG 3 – KẾT NỐI MẠNG LAN PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh Đặt vấn đề Các phương pháp kết nối Hub Bridge IEEE 802.1d Lọc gói (tiếp)  Nhận xét:  Cơ chế lọc gói chỉ hoạt động khi đồ hình mạng (topology) không xuất hiện vòng lặp  Trong thực tế, để tăng độ tin cậy, có thể thiết lập các đường liên kết dự trữ  vòng lặp 1 2 3 3 2 1 1 2 3x B1 B2 B3 A B1 nhận được thông tin về A trên cả 2 cổng 1 & 2 24 CHƯƠNG 3 – KẾT NỐI MẠNG LAN PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh Đặt vấn đề Các phương pháp kết nối Hub Bridge IEEE 802.1d Cây bắc cầu (spanning tree) Để tránh vòng lặp: Tạo ra một đồ hình cây logic trên đồ hình vật lý Giao thức STP: STP: Spanning Tree Protocol Giao thức lớp LLC để tạo ra một đồ hình cây bắc cầu Do Radia Perlman phát triển, được đưa vào chuẩn IEEE 802.1d 13 25 CHƯƠNG 3 – KẾT NỐI MẠNG LAN PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh Đặt vấn đề Các phương pháp kết nối Hub Bridge IEEE 802.1d STP  Bridge sử dụng STP để trao đổi bản tin cấu hình cho phép thực hiện:  Trong các bridge của tất cả các mạng LAN, lựa chọn bridge gốc (root bridge)  Tính toán khoảng cách ngắn nhất từ chính nó đến bridge gốc  Đối với mỗi mạng LAN, lựa chọn một bridge ủy quyền (designated bridge) trên mạng đó. Bridge ủy quyền sẽ gửi các khung dữ liệu đến bridge gốc  Chọn cổng gốc (root port) là đường ngắn nhất từ chính nó đến bridge gốc  Chọn các cổng nằm trong spanning tree (cổng gốc và một số cổng khác)  Mỗi bridge được gán một số hiệu nhận dạng (bridge ID.) dài 6 byte. 26 CHƯƠNG 3 – KẾT NỐI MẠNG LAN PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh Đặt vấn đề Các phương pháp kết nối Hub Bridge IEEE 802.1d STP (tiếp)  Cấu trúc bản tin STP  Root ID: số hiệu nhận dạng bridge gốc  Cost: khoảng cách (giá) từ bridge gửi bản tin (transmitting bridge) STP đến bridge gốc  Transmitter: bridge gửi bản tin STP  Bridge khởi đầu bằng việc gửi các bản tin với bridge gốc là chính nó, khoảng cách bằng 0  Bridge cũng đồng thời nhận bản tin từ các bridge khác và lựa chọn bản tin “tốt nhất” trên từng giao diện Root ID cost transmitter 14 27 CHƯƠNG 3 – KẾT NỐI MẠNG LAN PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh Đặt vấn đề Các phương pháp kết nối Hub Bridge IEEE 802.1d STP (tiếp) Bản tin C1 “tốt hơn” C2 nếu: root_ID(C1) < root_ID(C2) root_ID(C1) = root_ID(C2), cost(C1)<cost(C2) root_ID(C1) = root_ID(C2), {cost(C1)=cost(C2)}, transmitting_bridge_ID(C1)<transmitti ng_bridge_ID(C2) 28 CHƯƠNG 3 – KẾT NỐI MẠNG LAN PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh Đặt vấn đề Các phương pháp kết nối Hub Bridge IEEE 802.1d STP (tiếp)  So sánh 2 bản tin C1 và C2: C1 tốt hơn C2 408035398035C 381835801535B 321231351529A TransmitterCost Root IDTransmitterCost Root ID C2C1 15 29 CHƯƠNG 3 – KẾT NỐI MẠNG LAN PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh Đặt vấn đề Các phương pháp kết nối Hub Bridge IEEE 802.1d Thiết lập cây dựa trên bản tin STP  Bước 1: lựa chọn bridge gốc  Bridge gốc là bridge có giá trị tối thiểu trong các bản tin nhận được  Thí dụ: bridge B có ID là 18 và nó nhận được các bản tin sau trên các cổng  bridge gốc là bridge có ID 12 (nhận trên cổng 2) 273115Port 4 81081Port 3 478512Port 2 519312Port 1 TransmitterCostRoot ID 30 CHƯƠNG 3 – KẾT NỐI MẠNG LAN PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh Đặt vấn đề Các phương pháp kết nối Hub Bridge IEEE 802.1d Thiết lập cây dựa trên bản tin STP (tiếp)  Bước 2: tính toán khoảng cách từ B tới bridge gốc:  Nếu B là bridge gốc  khoảng cách tới chính nó là 0  Nếu B không phải bridge gốc: khoảng cách từ B  bridge gốc là khoảng cách trên bản tin tốt nhất cộng với khoảng cách từ B đến transmitter  B chọn cổng ngắn nhất đến bridge đích  cổng gốc (root port)  Thí dụ (tiếp thí dụ trang trước): giả thiết khoảng cách từ B (ID=18) đến bridge 47 là 1  khoảng cách đến bridge gốc (ID=12) là 86 thông qua cổng 2 nối với bridge 47; cổng gốc: port 2  Chú ý: nếu bridge có 2 cổng đến bridge gốc với khoảng cách như nhau: công nào có transmitter nhỏ hơn sẽ được chọn làm công gốc 16 31 CHƯƠNG 3 – KẾT NỐI MẠNG LAN PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh Đặt vấn đề Các phương pháp kết nối Hub Bridge IEEE 802.1d Thiết lập cây dựa trên bản tin STP (tiếp)  Bước 3: lựa chọn bridge ủy quyền (bridge gửi các khung dữ liệu trong mạng LAN đến bridge gốc) Bridge B tính toán bản tin cấu hình mà nó sẽ quảng bá trên các cổng trên các cổng Bản tin cấu hình: {12.86.18}  khoảng cách ngắn nhất đến bridge gốc (ID=12) là 86, thông qua bridge 18. B là bridge ủy quyền trên các cổng 1, 3, 4  gửi bản tin cấu hình {12.86.18} trên các cổng này 32 CHƯƠNG 3 – KẾT NỐI MẠNG LAN PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh Đặt vấn đề Các phương pháp kết nối Hub Bridge IEEE 802.1d Thiết lập cây dựa trên bản tin STP (tiếp) Bước 4: Lựa chọn cổng nằm trong cây bắc cầu (spanning tree) Cổng gốc (port 2) Các cổng mà B là bridge ủy quyền (port 1, 3, 4) Các cổng không được lựa chọn sẽ được chuyển sang trạng thái không hoạt động (blocking state) 17 33 CHƯƠNG 3 – KẾT NỐI MẠNG LAN PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh Đặt vấn đề Các phương pháp kết nối Hub Bridge IEEE 802.1d Thiết lập cây dựa trên bản tin STP (tiếp) Chú ý: Khi một bridge nhận ra nó không phải là bridge gốc  ngừng phát bản tin cấu hình với nó là gốc Chỉ có bridge gốc phát bản tin cấu hình theo chu kỳ 34 CHƯƠNG 3 – KẾT NỐI MẠNG LAN PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh Đặt vấn đề Các phương pháp kết nối Hub Bridge IEEE 802.1d Thí dụ 1  Bridge B-92 (ID=92) có 5 cổng và nhận được bản tin cấu hình như hình vẽ  Giả thiết khoảng cách từ B-92 đến tất cả các LAN liền kề là 1 port 1 port 2 port 3 port 4 port 581.0.81 41.19.125 41.12.315 41.12.111 41.13.90B-92 18 35 CHƯƠNG 3 – KẾT NỐI MẠNG LAN PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh Đặt vấn đề Các phương pháp kết nối Hub Bridge IEEE 802.1d Thí dụ 1 (tiếp)  Bản tin tốt nhất: 41.12.111 trên port 4  B-92 đặt cổng 4 là cổng gốc  Tính toán bản tin cấu hình: {41.13.92} port 1 port 2 port 3 port 4 port 581.0.81 41.19.125 41.12.315 41.12.111 41.13.90B-92 36 CHƯƠNG 3 – KẾT NỐI MẠNG LAN PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh Đặt vấn đề Các phương pháp kết nối Hub Bridge IEEE 802.1d Thí dụ 1 (tiếp)  So sánh bản tin {41.13.92} với các bản tin nhận được trên cổng 1, 2, 4, 5  {41.13.92} tốt hơn các bản tin nhận được trên cổng 1 và 2  B-92 là bridge ủy quyền trên các cổng 1 và 2 port 1 port 2 port 3 port 4 port 581.0.81 41.19.125 41.12.315 41.12.111 41.13.90B-92 41.13.92 41.13.92 19 37 CHƯƠNG 3 – KẾT NỐI MẠNG LAN PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh Đặt vấn đề Các phương pháp kết nối Hub Bridge IEEE 802.1d Thí dụ 1 (tiếp)  B-92 chọn cổng 4 (cổng gốc) và cổng 1, 2 vào cây bắc cầu  Chuyển cổng 3, 5 sang trạng thái không hoạt động port 1 port 2 port 3 port 4 port 5 41.12.315 41.12.111 41.13.90B-92 41.13.92 41.13.92 38 CHƯƠNG 3 – KẾT NỐI MẠNG LAN PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh Đặt vấn đề Các phương pháp kết nối Hub Bridge IEEE 802.1d Câu hỏi Phương pháp xây dựng spanning tree trong IEEE802.1d sử dụng thuật toán gì trong 2 thuật toán: Prim? Kruskal? 20 39 CHƯƠNG 3 – KẾT NỐI MẠNG LAN PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh Đặt vấn đề Các phương pháp kết nối Hub Bridge IEEE 802.1d Bài tập  Giả thiết đã chọn được B1 là nút gốc, giải thích quá trình tạo cây bắc cầu B11 2 3 LAN 1 400 LAN 2 400 LAN 3 200 B21 2 B31 2 B41 2 LAN 4 100 Tài liệu tham khảo Radia Perlman, Interconnections: Bridges, Routers, Switches, and Internetworking Protocols, Addison- Wesley 1999