Chương Tầng liên kết Computer Networking: A Top Down Approach Người dịch: Nguyễn Thanh Thủy Tài liệu dịch cho mục đích giảng dạy (được đồng ý tác giả) 6th edition Jim Kurose, Keith Ross Addison-Wesley March 2012 All material copyright 1996-2012 J.F Kurose and K.W Ross, All Rights Reserved Tầng liên kết 5-1 Chương 5: Tầng liên kết Mục tiêu:  Hiểu nguyên lý dịch vụ tầng liên kết  Phát sửa lỗi  Chia sẻ kênh truyền chung (broadcast channel): đa truy nhập  Định địa tầng liên kết  Các mạng cục bộ: Ethernet, VLANs  Cài đặt thực công nghệ tầng mạng khác Tầng liên kết 5-2 Tầng liên kết mạng LAN: Nội dung 5.1 Giới thiệu, dịch vụ 5.2 Phát sửa lỗi 5.3 Các giao thức đa truy nhập 5.4 Các mạng LAN     5.5 Chuyển mạch nhãn đa giao thức (MPLS) 5.6 Mạng trung tâm liệu 5.7 Vòng đời yêu cầu web Định địa chỉ, ARP Ethernet Các switch Các VLAN Tầng liên kết 5-3 Tầng liên kết: giới thiệu Thuật ngữ:    Các host router: nút mạng (node) Các kênh truyền thông kết nối nút lân cận theo đường truyền thông: gọi liên kết (hay kết nối, link)  Các liên kết có dây  Các liên kết khơng dây  Các LAN Gói tin tầng 2: khung (frame), đóng gói datagram ISP tồn cầu Tầng liên kết liệu có trách nhiệm truyền datagram từ nút đến nút vật lý lân cận qua liên kết Tầng liên kết 5-4 Tầng liên kết: ngữ cảnh Datagram truyền giao thức liên kết khác qua liên kết khác nhau:   Ví dụ: Ethernet liên kết thứ nhất, frame relay liên kết trung gian, 802.11 liên kết cuối Mỗi giao thức liên kết cung cấp dịch vụ khác   Ví dụ: không cung cấp truyền tin cậy (rdt) qua liên kết Tương tự giao thông:  Chuyến từ Princeton tới Lausanne  Ơ tơ: Princeton tới JFK  Máy bay: JFK tới Geneva  Tàu điện: Geneva tới Lausanne     Khách du lịch = datagram Đoạn đường = liên kết truyền thông Kiểu vận chuyển = Giao thức tầng giao vận Đại lý du lịch = Giải thuật định tuyến Tầng liên kết 5-5 Các dịch vụ tầng liên kết  Tạo khung liệu, truy nhập liên kết  Đóng gói datagram vào frame, thêm phần tiêu đề (header), phần đuôi (trailer)  Truy nhập kênh truyền chia sẻ  Các địa “MAC” sử dụng tiêu đề khung để xác định địa nguồn, đích • Khác với địa IP!  Truyền tin cậy nút lân cận  Đã học (trong chương 3)!  Ít dùng liên kết có tỷ lệ lỗi thấp (cáp quang, số loại cáp xoắn)  Các liên kết không dây: tỷ lệ lỗi cao • Hỏi: Tại cần truyền tin cậy mức liên kết mức đầu cuối-đến-đầu cuối? Tầng liên kết 5-6 Các dịch vụ tầng liên kết (tiếp)  Điều khiển luồng  Điều khiển tốc độ nút gửi nhận kề  Phát lỗi  Lỗi suy giảm tín hiệu, nhiễu  Bên nhận phát xuất lỗi: • Thơng báo cho bên gửi truyền lại loại bỏ frame  Sửa lỗi  Bên nhận xác định sửa lỗi bit mà không cần phải yêu cầu truyền lại  Bán song công (half-duplex) song công (full-duplex)  Với bán song cơng, hai đầu cuối liên kết truyền, không truyền thời điểm Tầng liên kết 5-7 Tầng liên kết cài đặt đâu?     Tại tất host Tầng liên kết cài đặt “adaptor” (còn gọi thẻ giao diện mạng (network interface card - NIC) chip  Ethernet card, 802.11 card; Ethernet chipset  Cài đặt tầng liên kết tầng vật lý Gắn vào bên bus hệ thống host Kết hợp phần cứng, phần mềm, phần sụn (firmware) application transport network link cpu controller link physical memory Bus host (Ví dụ: PCI) physical Truyền network adapter card Tầng liên kết 5-8 Các adaptor truyền thông datagram datagram controller controller Host gửi Host nhận datagram frame  Phía gửi:  Đóng gói datagram frame  Bổ sung kiểm tra lỗi bit, rdt, điều khiển luồng,…  Phía nhận:  Kiểm tra lỗi, rdt, điều khiển luồng,…  Trích xuất datagram, chuyển lên tầng cao phía nhận Tầng liên kết 5-9 Tầng liên kết mạng LAN: Nội dung 5.1 Giới thiệu, dịch vụ 5.2 Phát sửa lỗi 5.3 Các giao thức đa truy nhập 5.4 Các mạng LAN     5.5 Chuyển mạch nhãn đa giao thức (MPLS) 5.6 Mạng trung tâm liệu 5.7 Vòng đời yêu cầu web Định địa chỉ, ARP Ethernet Các switch Các VLAN Tầng liên kết 5-10 Phát lỗi EDC= Các bit dùng để phát sửa lỗi (Error Detection and Correction bits) (dư thừa) D = Dữ liệu bảo vệ cách kiểm tra lỗi, bao gồm trường phần tiêu đề Phát lỗi đảm bảo tin cậy 100%! • Giao thức bỏ lỡ vài lỗi, • Trường EDC lớn tốt cho việc phát sửa lỗi otherwise Tầng liên kết 5-11 Kiểm tra Parity Bit parity đơn:  Phát lỗi bit đơn Bit parity hai chiều:  Phát sửa lỗi bit đơn 0 Tầng liên kết 5-12 Internet checksum (xem lại) Mục tiêu: phát “các lỗi” (ví dụ: bit bị đảo ngược) gói tin truyền (chú ý: dùng tầng giao vận) Bên gửi:    Xử lý nội dung segment chuỗi số nguyên 16-bit checksum: bổ sung (tổng bù 1) vào nội dung segment Bên gửi đặt giá trị checksum vào trường UDP checksum Bên nhận:   Tính tốn checksum segment nhận Kiểm tra xem checksum tính có giá trị trường checksum hay khơng:  KHƠNG – có phát lỗi  Có – khơng phát lỗi Nhưng có lỗi khác? Tầng liên kết 5-13 Kiểm tra dư thừa theo chu kỳ (Cyclic redundancy check - CRC)     Có nhiều tiềm phát lỗi Coi bit liệu D số nhị phân Chọn mẫu G có r+1 bit Mục tiêu: chọn r bit CRC, R, sau:  chia hết cho G (theo mô đun 2)  Bên nhận biết G, chia cho G Nếu số khác 0: phát lỗi!  Có thể phát tất lỗi nhỏ r+1 bit  Được sử dụng phổ biến thực tế (Ethernet, 802.11 WiFi, ATM) Tầng liên kết 5-14 Ví dụ CRC Muốn: D.2r XOR R = nG Tương đương: D.2r = nG XOR R Tương đương: Nếu lấy G chia cho D.2r, muốn phần lại R thỏa mãn: R = phần dư [ D.2r ] G G D r=3 101000 1001 101110000 1001 101 000 1010 1001 010 000 100 000 R 1000 0000 1000 Tầng liên kết 5-15 Tầng liên kết mạng LAN: Nội dung 5.1 Giới thiệu, dịch vụ 5.2 Phát sửa lỗi 5.3 Các giao thức đa truy nhập 5.4 Các mạng LAN     5.5 Chuyển mạch nhãn đa giao thức (MPLS) 5.6 Mạng trung tâm liệu 5.7 Vòng đời yêu cầu web Định địa chỉ, ARP Ethernet Các switch Các VLAN Tầng liên kết 5-16 Tầng liên kết mạng LAN: Nội dung 5.1 Giới thiệu, dịch vụ 5.2 Phát sửa lỗi 5.3 Các giao thức đa truy nhập 5.4 Các mạng LAN     5.5 Chuyển mạch nhãn đa giao thức (MPLS) 5.6 Mạng trung tâm liệu 5.7 Vòng đời yêu cầu web Định địa chỉ, ARP Ethernet Các switch Các VLAN Tầng liên kết 5-16 Các giao thức liên kết đa truy nhập Có hai loại “liên kết”:  Điểm-nối-điểm (Point-to-point)  PPP cho truy nhập dial-up  Liên kết point-to-point host, switch Ethernet  Quảng bá (broadcast) (chia sẻ đường truyền chung)  Ethernet mơ hình cũ  upstream HFC  802.11 wireless LAN (LAN không dây) Chia sẻ RF Chia sẻ đường truyền (Ví dụ: cabled Ethernet) (Ví dụ: 802.11 WiFi) Chia sẻ RF (vệ tinh) Con người bữa tiệc cocktail (chia sẻ khơng khí, âm thanh) Tầng liên kết 5-17 Các giao thức đa truy nhập   Kênh quảng bá (broadcast) chia sẻ Hai nhiều nút muốn truyền: giao thoa  Tranh chấp (đụng độ, collision) xảy nút nhận hai hay nhiều tín hiệu thời điểm Giao thức đa truy nhập   Giải thuật phân quyền xác định cách nút chia sẻ kênh truyền, ví dụ: xác định nút truyền Truyền thơng chia sẻ kênh phải dùng kênh đó!  Khơng có kênh riêng để điều phối Tầng liên kết 5-18 Một giao thức đa truy nhập lý tưởng Cho: Kênh quảng bá có tốc độ R bps Mong muốn: Khi nút muốn truyền, gửi với tốc độ R Khi M nút muốn truyền, nút gửi với tốc độ trung bình R/M Phân quyền hồn tồn: • Khơng có nút đặc biệt cho việc điều phối truyền • Khơng có khe (slot) hay đồng hồ đồng Đơn giản Tầng liên kết 5-19 Ví dụ tự học nhiều switch Giả sử C gửi frame tới I, I trả lời lại C S4 S1 S3 S2 A B C F D E  I G H Hỏi: Đưa bảng chuyển mạch chuyển tiếp gói tin S1, S2, S3, S4 Tầng liên kết 5-67 Mạng nội tổ chức mail server tới mạng bên router web server IP subnet Tầng liên kết 5-68 Các switch router Cả hai có chức lưu chuyển tiếp (store-and-forward):  router: thiết bị tầng mạng (kiểm tra phần tiêu đề tầng mạng)  switch: thiết bị tầng liên kết (kiểm tra phần tiêu đề tầng liên kết) datagram Cả hai có bảng chuyển tiếp:  router: tính toán bảng chuyển tiếp dùng giải thuật định tuyến địa IP  switch: học bảng chuyển tiếp dùng kỹ thuật ngập lụt, tự học, địa MAC frame application transport network link physical link frame physical switch network datagram link frame physical application transport network link physical Tầng liên kết 5-69 VLAN: Động lực Xem xét:   Computer Science Electrical Engineering Computer Engineering Người dùng CS chuyển văn phòng tới EE, muốn kết nối với switch CS? Miền quảng bá đơn:  Tất lưu lượng quảng bá tầng (ARP, DHCP, vị trí địa MAC đích) phải qua toàn LAN  Các vấn đề an toàn/sự riêng tư hiệu suất Tầng liên kết 5-70 VLAN VLAN dựa cổng: Các port switch nhóm lại (bởi phần mềm quản lý switch) để thành switch vật lý Virtual Local Area Network Các switch hỗ trợ khả VLAN cấu hình để xác định nhiều mạng LAN ảo sở hạ tầng mạng LAN vật lý 15 10 16 … … Computer Science (Các port VLAN 9-15) Electrical Engineering (Các port VLAN 1-8) … hoạt động giống nhiều switch ảo 15 10 16 … … Computer Science (Các port VLAN 9-16) Electrical Engineering (Các port VLAN 1-8) Tầng liên kết 5-71 VLAN dựa cổng   Cũng xác định VLAN dựa địa MAC điểm cuối (endpoint), thay port switch   router Cơ lập lưu lượng: frame tới/từ port 1-8 tới port 1-8 Thành viên động: port gán động VLAN Chuyển tiếp VLAN: thực thông qua định tuyến (chỉ switch riêng) 15 10 16 … Electrical Engineering (VLAN ports 1-8) … Computer Science (VLAN ports 9-15)  Thực tế nhà cung cấp bán switch kết hợp với router Tầng liên kết 5-72 VLAN mở rộng qua nhiều switch 15 10 16 … … Electrical Engineering (VLAN ports 1-8)  Computer Science (VLAN ports 9-15) Các port 2,3,5 thuộc EE VLAN Các port 4,6,7,8 thuộc CS VLAN Trunk port: mang frame VLAN xác định qua nhiều switch vật lý  Các frame chuyển tiếp bên VLAN switch cần mang thông tin ID VLAN  Giao thức 802.1q thêm/xóa trường tiêu đề bổ sung frame chuyển tiếp trunk port Tầng liên kết 5-73 Định dạng frame 802.1Q VLAN type preamble dest address source address preamble dest address source address data (payload) CRC 802.1 frame type data (payload) 2-byte Tag Protocol Identifier (value: 81-00) CRC 802.1Q frame Recomputed CRC Tag Control Information (12 bit VLAN ID field, bit priority field like IP TOS) Tầng liên kết 5-74 Tầng liên kết mạng LAN: Nội dung 5.1 Giới thiệu, dịch vụ 5.2 Phát sửa lỗi 5.3 Các giao thức đa truy nhập 5.4 Các mạng LAN     5.5 Chuyển mạch nhãn đa giao thức (MPLS) 5.6 Mạng trung tâm liệu 5.7 Vòng đời yêu cầu web Định địa chỉ, ARP Ethernet Các switch Các VLAN Tầng liên kết 5-75 Chuyển mạch nhãn đa giao thức (Multiprotocol label switching - MPLS)  Mục tiêu ban đầu: chuyển mạch IP tốc độ cao sử dụng nhãn chiều dài cố định (thay dùng địa IP)  Tìm kiếm nhanh sử dụng định danh chiều dài cố định (thay so khớp prefix ngắn nhất)  Dựa theo cách tiếp cận mạch ảo (VC)  Nhưng IP datagram giữ địa IP! PPP or Ethernet header MPLS header label 20 IP header remainder of link-layer frame Exp S TTL Tầng liên kết 5-76 Các router có khả MPLS   Cịn gọi router chuyển mạch nhãn Chuyển tiếp gói tin tới giao diện dựa giá trị nhãn (không kiểm tra địa IP)  Bảng chuyển tiếp MPLS khác với bảng chuyển tiếp IP  Tính mềm dẻo: định chuyển tiếp MPLS khác với định chuyển tiếp IP  Dùng địa đích nguồn để định hướng luồng tới đích theo cách khác (kỹ thuật luồng)  Định tuyến lại luồng nhanh chóng liên kết bị lỗi: có đường dự phịng tính toán từ trước (hữu dụng cho VoIP) Tầng liên kết 5-77 So sánh đường MPLS với IP R6 D R4 R3 R5 A R2  Định tuyến IP: đường tới đích xác định địa đích Router IP Tầng liên kết 5-78 10 So sánh đường MPLS với IP Router vào (R4) dùng định tuyến MPLS khác để tới A, ví dụ: dựa địa nguồn R6 D R4 R3 R5 A R2  Định tuyến IP: đường tới đích xác định địa đích Router IP  Định tuyến MPLS: đường tới đích xác định dựa địa nguồn địa đích Router MPLS IP  Định tuyến lại nhanh: có đường dự phòng trường hợp liên kết bị lỗi Tầng liên kết 5-79 Báo hiệu MPLS  Thay đổi OSPF, giao thức ngập lụt link-state IS-IS để mang thông tin cho định tuyến MPLS  Ví dụ: băng thơng liên kết, tổng băng thơng liên kết “dự phịng”  Mục router MPLS sử dụng giao thức báo hiệu RSVP-TE để thiết lập chuyển tiếp MPLS dòng downstream router RSVP-TE R6 D R4 R5 Ngập lụt link-state thay đổi A Tầng liên kết 5-80 11 Các bảng chuyển tiếp MPLS nhãn nhãn vào 10 12 giao diện đích A D A 0 nhãn nhãn vào giao diện đích 10 A 12 D R6 R4 D 1 R3 R5 0 R2 nhãn vào nhãn đích giao diện A nhãn vào A nhãn giao diện R1 đích - A Tầng liên kết 5-81 Tầng liên kết mạng LAN: Nội dung 5.1 Giới thiệu, dịch vụ 5.2 Phát sửa lỗi 5.3 Các giao thức đa truy nhập 5.4 Các mạng LAN     5.5 Chuyển mạch nhãn đa giao thức (MPLS) 5.6 Mạng trung tâm liệu 5.7 Vòng đời yêu cầu web Định địa chỉ, ARP Ethernet Các switch Các VLAN Tầng liên kết 5-82 12 Mạng trung tâm liệu (Data center networks)  10 đến 100 nghìn host, thường kết hợp chặt chẽ:  Thương mại điện tử (e-business) (ví dụ: Amazon)  Các máy chủ nội dung (content-server) (Ví dụ: YouTube, Akamai, Apple, Microsoft)  search engines, khai phá liệu (Ví dụ: Google)  Thách thức:  Nhiều ứng dụng, ứng dụng phục vụ số lượng lớn client  Quản lý/cân tải, xử lý vấn đề mạng, tắc nghẽn liệu Bên container 40-ft Microsoft, trung tâm liệu Chicago Tầng liên kết 5-83 Mạng trung tâm liệu Bộ cân tải: định tuyến tầng ứng dụng  Nhận yêu cầu từ client phía ngồi  Chỉ đạo cơng việc bên trung tâm liệu  Trả lại kết cho client (ẩn trung tâm liệu bên với client) Internet Router biên Bộ cân tải Router truy nhập Các switch tầng B A Bộ cân tải Các switch tầng C Các switch TOR Các rack (kệ) server Tầng liên kết 5-84 13 Mạng trung tâm liệu  Kết nối nhiều switch kệ (rack):  Tăng thơng lượng kệ (có thể có nhiều đường đi)  Tăng độ tin cậy thông qua dự phòng Các switch tầng Các switch tầng Các switch TOR Các rack server Tầng liên kết 5-85 Tầng liên kết mạng LAN: Nội dung 5.1 Giới thiệu, dịch vụ 5.2 Phát sửa lỗi 5.3 Các giao thức đa truy nhập 5.4 Các mạng LAN     5.5 Chuyển mạch nhãn đa giao thức (MPLS) 5.6 Mạng trung tâm liệu 5.7 Vòng đời yêu cầu web Định địa chỉ, ARP Ethernet Các switch Các VLAN Tầng liên kết 5-86 14 Tổng hợp: Vòng đời yêu cầu web  Hành trình xuống chồng giao thức hồn thành!  Tầng ứng dụng, tầng giao vận, tầng mạng, tầng liên kết  Đặt tất thứ lại nhau: tổng hợp!  Mục đích: xác định, xem xét, hiểu giao thức (tại tất tầng) liên quan kịch đơn giản: yêu cầu trang web  Kịch bản: Sinh viên thực yêu cầu/đáp ứng từ hệ thống mạng trường: www.google.com Tầng liên kết 5-87 Kịch bản: Vòng đời yêu cầu web DNS server Trình duyệt Mạng Comcast 68.80.0.0/13 Mạng trường học 68.80.2.0/24 Trang web web server 64.233.169.105 Mạng Google 64.233.160.0/19 Tầng liên kết 5-88 15 Kết nối đến Internet DHCP UDP IP Eth Phy DHCP DHCP DHCP DHCP DHCP DHCP UDP IP Eth Phy DHCP DHCP DHCP DHCP router (chạy DHCP)  Việc kết nối đến máy tính cần có địa IP máy, địa router hop đầu tiên, địa DNS server: dùng DHCP  DHCP request đóng gói UDP, đóng gói IP, đóng gói 802.3 Ethernet  Ethernet frame quảng bá (dest: FFFFFFFFFFFF) LAN, nhận router chạy DHCP server  Ethernet mở gói thành IP, IP mở gói thành UDP, UDP mở gói thành DHCP Tầng liên kết 5-89 Kết nối đến Internet  DHCP UDP IP Eth Phy DHCP DHCP DHCP DHCP  DHCP DHCP DHCP DHCP DHCP DHCP UDP IP Eth Phy router (chạy DHCP)  DHCP server định dạng DHCP ACK chứa địa IP client, địa IP router hop cho client, tên địa IP DNS server Đóng gói DHCP server, frame chuyển tiếp (học chuyển mạch) qua LAN, việc mở gói client DHCP client nhận trả lời DHCP ACK Bây giờ, client có địa IP, biết tên địa DNS server, địa IP router hop Tầng liên kết 5-90 16 ARP (trước DNS, trước HTTP) DNS DNS DNS ARP query DNS UDP IP ARP Eth Phy  Trước gửi yêu cầu HTTP, cần địa IP www.google.com: DNS  Truy vấn DNS tạo ra, đóng gói UDP, đóng gói IP, đóng gói Ethernet Để gửi frame tới router, cần địa MAC giao diện router: ARP ARP ARP reply Eth Phy router (chạy DHCP)   ARP query quảng bá, nhận router mà trả lời với ARP reply, cho biết địa MAC giao diện router Lúc này, client biết địa MAC router hop đầu tiên, gửi frame chứa truy vấn DNS Tầng liên kết 5-91 Sử dụng DNS DNS DNS DNS DNS DNS DNS DNS UDP IP Eth Phy DNS DNS DNS UDP IP Eth Phy DNS server DNS Mạng Comcast 68.80.0.0/13  IP datagram chuyển tiếp từ mạng trường vào mạng comcast, định tuyến (các bảng tạo giao thức định tuyến RIP, OSPF, IS-IS và/hoặc BGP) tới DNS server  DNS server trả lời lại client với địa IP www.google.com router (chạy DHCP)  IP datagram chứa truy vấn DNS chuyển tiếp qua switch LAN từ client tới router hop Tầng liên kết 5-92 17 Kết nối TCP mang thông điệp HTTP HTTP HTTP TCP IP Eth Phy SYNACK SYN SYNACK SYN SYNACK SYN  router (chạy DHCP) SYNACK SYN SYNACK SYN SYNACK SYN  TCP IP Eth Phy  web server 64.233.169.105  Để gửi yêu cầu HTTP, client mở TCP socket tới web server TCP SYN segment (bước bắt tay bước) định tuyến ngoại miền (interdomain) tới web server Web server trả lời với TCP SYNACK (bước bắt tay bước) Kết nối TCP thiết lập! Tầng liên kết 5-93 HTTP yêu cầu/đáp ứng HTTP HTTP HTTP TCP IP Eth Phy HTTP HTTP HTTP HTTP HTTP HTTP HTTP HTTP HTTP HTTP HTTP TCP IP Eth Phy web server 64.233.169.105  router (chạy DHCP) Cuối cùng, trang web hiển thị!!!  HTTP yêu cầu gửi vào TCP socket  IP datagram chứa HTTP request gửi tới www.google.com  Web server trả lời với HTTP đáp ứng (chứa nội dung trang web)  IP datagram chứa đáp ứng HTTP gửi quay lại client Tầng liên kết 5-94 18 Chương 5: Tổng kết  Nguyên lý dịch vụ bên tầng liên kết liệu:  Phát sửa lỗi  Chia sẻ kênh truyền chung: đa truy nhập  Định địa tầng liên kết  Hiện thực cài đặt số công nghệ tầng liên kết  Ethernet  switched LANS, VLANs  MPLS  Tổng hợp: Vòng đời yêu cầu web Tầng liên kết 5-95 Chương 5: Tổng kết  Còn nhiều chủ đề thú vị đáng quan tâm!      Mạng không dây Đa phương tiện (multimedia) An ninh mạng Quản trị mạng … Tầng liên kết 5-96 19 ... lân cận qua liên kết Tầng liên kết 5-4 Tầng liên kết: ngữ cảnh Datagram truyền giao thức liên kết khác qua liên kết khác nhau:   Ví dụ: Ethernet liên kết thứ nhất, frame relay liên kết trung... công, hai đầu cuối liên kết truyền, khơng truyền thời điểm Tầng liên kết 5-7 Tầng liên kết cài đặt đâu?     Tại tất host Tầng liên kết cài đặt “adaptor” (còn gọi thẻ giao diện mạng (network interface... quay lại client Tầng liên kết 5-94 18 Chương 5: Tổng kết  Nguyên lý dịch vụ bên tầng liên kết liệu:  Phát sửa lỗi  Chia sẻ kênh truyền chung: đa truy nhập  Định địa tầng liên kết  Hiện thực