Bài giảng Truyền số liệu và mạng: Chương 4 Mạng truyền thông - HCMUT

Tổng hợp kiến thức chương 4 truyền số liệu và mạng về mạng truyền thông. Tài liệu phân tích chi tiết kỹ thuật chuyển mạch, định tuyến và truyền dữ liệu.

• Tác giả: Võ Quế Sơn
• Trường học: Trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia TP.HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện - Điện tử
• Đề tài: Data Communication and Networking - Chapter 4: Communication Networks
• Loại tài liệu: Bài giảng
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về truyền số liệu và mạng ch04 communication networks

Chương 4 môn truyền số liệu và mạng tập trung vào các khái niệm cốt lõi của mạng truyền thông. Mạng cục bộ kết nối các thiết bị trong phạm vi hẹp như văn phòng hay tòa nhà. Cáp xoắn đôi và cáp đồng trục là các phương tiện truyền dẫn phổ biến. Mạng diện rộng mở rộng kết nối qua ranh giới địa lý quốc gia. Các cấu trúc mạng vật lý bao gồm dạng hình sao, dạng vòng tròn, dạng lưới và phân cấp. Chuẩn IEEE 802 định nghĩa các giao thức tầng liên kết dữ liệu và tầng vật lý. Tiêu chuẩn này chia tầng liên kết dữ liệu thành hai tầng con riêng biệt. Tầng điều khiển liên kết logic thực hiện kiểm soát luồng và sửa lỗi. Tầng điều khiển truy cập môi trường quản lý địa chỉ vật lý và truy cập đường truyền. Hệ thống mạng hiện đại kết hợp nhiều mô hình để tối ưu hóa hiệu năng truyền dẫn. Kiến trúc phân lớp giúp chuẩn hóa quy trình giao tiếp giữa các thiết bị phần cứng đa dạng. Mô hình mạng cung cấp nền tảng vững chắc cho việc xây dựng hạ tầng kỹ thuật số an toàn và linh hoạt.

1.1. Kiến trúc phân tầng IEEE 802 và mô hình TCP IP

Họ tiêu chuẩn IEEE 802 ánh xạ vào hai tầng thấp nhất của mô hình OSI. Tầng liên kết dữ liệu được phân chia thành tầng con LLC và tầng con MAC. Tầng LLC dựa trên giao thức HDLC để điều khiển luồng và xử lý lỗi truyền tin. Tầng MAC chịu trách nhiệm quản lý phương thức truy cập kênh truyền và gán địa chỉ thiết bị. Cấu trúc khung LLC sử dụng các điểm truy cập dịch vụ DSAP và SSAP. Sự phân tách này giúp giao thức tầng trên hoạt động độc lập với phương tiện truyền dẫn vật lý. Kiến trúc tạo điều kiện thuận lợi cho việc tích hợp nhiều công nghệ mạng khác nhau trong mô hình TCP/IP thống nhất.

1.2. Phân loại cấu trúc mạng LAN WAN và cấu trúc liên kết

Mạng máy tính được phân loại dựa trên phạm vi hoạt động và cấu trúc hình học. Mạng LAN hoạt động trong phạm vi cục bộ với tốc độ truyền cao và tỷ lệ lỗi thấp. Mạng WAN kết nối các vùng địa lý rộng lớn thông qua hạ tầng viễn thông công cộng hoặc tư nhân. Cấu trúc mạng hình sao liên kết các máy trạm vào thiết bị trung tâm. Cấu trúc mạng lưới đảm bảo độ sẵn sàng cao nhờ nhiều đường truyền dự phòng. Cấu trúc phân cấp hỗ trợ mở rộng quy mô mạng doanh nghiệp dễ dàng. Việc lựa chọn cấu trúc liên kết phù hợp giúp tối ưu hóa chi phí đầu tư và nâng cao hiệu suất hoạt động.

II. Phân tích xung đột và lãng phí IP trong communication networks

Mạng truyền thông ban đầu đối mặt với nhiều thách thức kỹ thuật lớn. Việc dùng môi trường truyền dẫn chia sẻ làm tăng nguy cơ đụng độ dữ liệu. Bộ lặp và bộ tập trung mở rộng phạm vi mạng nhưng tạo ra miền xung đột lớn. Khi nhiều thiết bị gửi tín hiệu cùng lúc, xung đột khung tin xảy ra thường xuyên. Hiệu suất mạng giảm sút nghiêm trọng khi số lượng máy trạm tăng cao. Phân bổ địa chỉ IPv4 theo lớp gây ra sự lãng phí không gian địa chỉ trầm trọng. Lớp A và Lớp B cấp phát số lượng nút mạng vượt quá nhu cầu thực tế của nhiều tổ chức. Ngược lại, Lớp C chỉ cung cấp tối đa 254 địa chỉ, không đủ cho các doanh nghiệp quy mô trung bình. Vòng lặp gói tin ở tầng liên kết dữ liệu cũng gây ra bão phát sóng nguy hiểm. Các hạn chế này đòi hỏi những cải tiến đột phá trong thiết kế giao thức mạng.

2.1. Vấn đề miền xung đột và miền quảng bá trên thiết bị mạng

Thiết bị mạng tầng một như Hub chuyển tiếp tín hiệu đến tất cả các cổng còn lại. Quá trình này tạo nên một miền xung đột duy nhất cho toàn bộ hệ thống. Băng thông đường truyền bị chia sẻ khiến tốc độ truyền dữ liệu suy giảm rõ rệt. Thiết bị tầng hai như Bridge và Switch chia nhỏ miền xung đột thành từng đoạn riêng biệt. Tuy nhiên, toàn bộ mạng chuyển mạch vẫn thuộc về một miền quảng bá duy nhất. Khi một gói tin quảng bá phát đi, mọi thiết bị đều phải xử lý. Sự cố vòng lặp mạng gây ra hiện tượng bão quảng bá làm tê liệt hoàn toàn hệ thống liên lạc.

2.2. Nhược điểm của cơ chế định địa chỉ Classful IPv4 truyền thống

Hệ thống định địa chỉ theo lớp chia không gian IPv4 thành năm lớp từ A đến E. Mặt nạ mạng mặc định cố định theo từng lớp gây ra sự thiếu linh hoạt. Một tổ chức được cấp khối mạng Lớp A sở hữu hơn 16 triệu địa chỉ IP. Phần lớn số lượng địa chỉ này không được sử dụng hết dẫn đến cạn kiệt tài nguyên mạng toàn cầu. Bảng định tuyến trên các Router cũng phình to nhanh chóng do thiếu cơ chế gom cụm địa chỉ. Kỹ thuật chia mạng cố định không thể đáp ứng được sự phát triển bùng nổ của mạng Internet.

III. Giải pháp VLSM Switch và định tuyến trong communication networks

Kỹ thuật chia mạng con với mặt nạ có độ dài thay đổi giải quyết triệt để vấn đề lãng phí IP. Phương pháp này cho phép chia không gian địa chỉ thành các khối có kích thước linh hoạt. Quy tắc gán mạng ưu tiên khối có nhu cầu máy trạm lớn nhất trước. Kỹ thuật tóm tắt tuyến đường giúp giảm kích thước bảng định tuyến trên router. Bộ chuyển mạch tầng hai ngăn chặn xung đột bằng cách tạo miền xung đột riêng cho từng cổng. Giao thức cây khung loại bỏ các vòng lặp logic trong cấu trúc liên kết mạng dự phòng. Mạng cục bộ ảo phân tách miền quảng bá logic mà không cần thay đổi vị trí vật lý. Thiết bị định tuyến tầng ba đảm nhận nhiệm vụ chuyển tiếp gói tin giữa các mạng con khác nhau. Sự kết hợp giữa VLSM, STP, VLAN và router tạo nên kiến trúc mạng hiệu quả cao. Các cơ chế này tối ưu hóa băng thông và bảo vệ hạ tầng mạng toàn diện.

3.1. Phương pháp phân bổ địa chỉ tối ưu với kỹ thuật VLSM

Kỹ thuật VLSM phân bổ địa chỉ mạng dựa trên nhu cầu thực tế của từng mạng con. Quy trình tính toán bắt đầu bằng việc sắp xếp các phân đoạn mạng theo thứ tự giảm dần của số lượng host. Quản trị viên mượn số bit phần host phù hợp để tạo ra mặt nạ mạng con tùy biến. Đoạn mạng kết nối điểm-điểm giữa hai router chỉ cần mặt nạ ba mươi bit để chứa đúng hai địa chỉ sử dụng. Phương pháp này tiết kiệm tối đa không gian địa chỉ IPv4 còn lại. Việc tóm tắt tuyến đường trong phạm vi một octet cũng giúp tăng tốc độ xử lý gói tin của thiết bị định tuyến.

3.2. Kiểm soát lưu lượng và cô lập mạng bằng STP và VLAN

Giao thức Spanning Tree phát hiện và khóa các cổng gây vòng lặp trên bộ chuyển mạch. Khi một liên kết gặp sự cố, thuật toán STP tự động mở cổng dự phòng để duy trì kết nối liên tục. Công nghệ VLAN chia switch vật lý thành nhiều mạng cục bộ logic riêng biệt. Mỗi VLAN tạo thành một miền quảng bá độc lập giúp giảm lưu lượng rác trên đường truyền. Lưu lượng giữa các VLAN bắt buộc phải đi qua thiết bị định tuyến hoặc switch layer 3. Cơ chế này tăng cường bảo mật thông tin và nâng cao khả năng quản lý lưu lượng toàn mạng.

IV. Ứng dụng thực tiễn truyền số liệu và mạng communication networks

Kiến thức truyền số liệu và mạng đóng vai trò then chốt trong thiết kế hệ thống thông tin hiện đại. Doanh nghiệp áp dụng mô hình phân tầng để xây dựng hạ tầng mạng ổn định và dễ mở rộng. Bộ chuyển mạch và mạng VLAN giúp bảo mật dữ liệu giữa các phòng ban độc lập. Giao thức cây khung đảm bảo tính liên tục cho các dịch vụ trực tuyến quan trọng. Kỹ thuật phân bổ VLSM giúp tối ưu hóa việc sử dụng địa chỉ IP công cộng và nội bộ. Các trung tâm dữ liệu sử dụng cấu trúc liên kết mạng lưới để duy trì đường truyền tốc độ cao. Thiết bị định tuyến quản lý lưu lượng truy cập lớn giữa mạng doanh nghiệp và Internet. Việc nắm vững nguyên lý hoạt động của các tầng giao thức hỗ trợ kỹ sư xử lý sự cố nhanh chóng. Nền tảng kiến thức này là điều kiện tiên quyết để phát triển các giải pháp mạng tiên tiến.

4.1. Thiết kế và triển khai mạng LAN doanh nghiệp an toàn

Thiết kế mạng doanh nghiệp đòi hỏi sự kết hợp chặt chẽ giữa hiệu năng và tính bảo mật. Kỹ sư mạng phân tách các phòng ban thành từng VLAN riêng biệt như tài chính, nhân sự và kỹ thuật. Bộ chuyển mạch phân phối kết nối với switch lõi qua đường truyền tốc độ cao. Giao thức STP hoạt động liên tục nhằm ngăn ngừa sự cố gián đoạn đường truyền. Bảng phân bổ địa chỉ IP được thiết kế chi tiết bằng kỹ thuật VLSM để tránh xung đột địa chỉ. Hạ tầng mạng được cấu hình chuẩn xác giúp doanh nghiệp vận hành ổn định và tiết kiệm chi phí bảo trì.

4.2. Xu hướng chuyển dịch từ IPv4 sang IPv6 trong mạng tương lai

Sự cạn kiệt địa chỉ IPv4 thúc đẩy quá trình chuyển đổi sang giao thức IPv6 trên toàn cầu. IPv6 cung cấp không gian địa chỉ 128 bit khổng lồ đáp ứng nhu cầu kết nối của hàng tỷ thiết bị IoT. Quá trình chuyển đổi sử dụng các kỹ thuật như Dual-Stack, đường hầm và biên dịch địa chỉ. Các nguyên lý cốt lõi về phân tầng mạng và định tuyến trong chương bốn vẫn giữ nguyên giá trị ứng dụng. Kỹ sư mạng cần làm chủ các nền tảng căn bản để tiếp cận công nghệ mạng thế hệ mới một cách thuận lợi.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Data Communication and Networking Dr. Vo Que Son Email: sonvq@hcmut. DCN 1 Faculty of EEE HCMUT Content  Chapter 3: Data Link Layer Protocols  Flow Control  Error Control  Connection Management  Data link layer Protocols  Chapter 4: Communication Networks  Introduction to communication networks  802.x standard and TCP/IP Model  Ethernet, Token Pass, Token Ring  IP Addressing: Classfull and VLSM  Network devices  Switching and Routing  STP, VLAN Telecomm. DCN 2 Faculty of EEE HCMUT Local Area Network  A local area network (LAN) is a computer network that interconnects computers in a limited area such as a home, school, computer laboratory, or office building using network media  Medium:  Coaxial cable  Twisted-pair line Telecomm.

DCN 3 Faculty of EEE HCMUT Wide Area Network  A wide area network (WAN) is a network that covers a broad area (i., any telecommunications network that links across metropolitan, regional, or national boundaries) using private or public network transports Telecomm. DCN 4 Faculty of EEE HCMUT Physical Topology Bus Extended Star Ring Hierarchical Star Mesh Telecomm. DCN 5 Faculty of EEE HCMUT Project 802  IEEE 802 refers to a family of IEEE standards dealing with local area networks and metropolitan area networks  The services and protocols specified in IEEE 802 map to the lower two layers (Data Link and Physical) of the seven-layer OSI networking reference model. In fact, IEEE 802 splits the OSI Data Link Layer into two sub-layers named Logical Link Control (LLC) and Media Access Control (MAC), so that the layers can be listed like this: Data link layer • LLC Sublayer: • MAC Sublayer Physical layer Telecomm.

DCN 6 Faculty of EEE HCMUT Project 802  Modules in Project 802  LLC: based on HDLC protocol  Multiplexing protocols transmitted over the MAC layer (when transmitting) and decoding them (when receiving).  Providing node-to-node flow and error control  MAC: provides addressing and channel access control mechanisms that make it possible for several terminals or network nodes to communicate within a multiple access network that incorporates a shared medium Telecomm. DCN 7 Faculty of EEE HCMUT LLC Frame formats LLC PDU: DSAP: Destination Service Access Point SSAP: Source Service Access Point Control field: HDLC format Telecomm. DCN 8 Faculty of EEE HCMUT Ethernet  Topology: bus, star, ring  Media Access Control: Deterministic, Non-deterministic  Addressing: Every computer has a unique way of identifying itself : MAC address or physical address.

The physical address is located on the Network Interface Card (NIC). MAC addresses have no structure, and are considered flat address spaces. MAC addresses are sometimes referred to as burned-in addresses (BIAs) because they are burned into read-only memory (ROM) and are copied into random-access memory (RAM) when the NIC initializes.3456 or 00-00-0c-12-34-56 • If MAC is all bits 1: broadcast address Telecomm. DCN 9 Faculty of EEE HCMUT IEEE 802.3: frame format  Preamble: 10101010 (7 bytes)  The Start Frame field (10101011) tells other devices on the network that a frame is coming down the wire.

 The Address field stores the source and destination MAC addresses.  Source address is unicast, Destination address can be unicast, multicast or broadcast  The Type/Length field is an optional field  Exact length of frame, or Layer 3 protocol making the sending request, or Not used  The Data field is the actual information being sent by the upper layer protocols. Therefore, it will be all upper layer data.  CRC: 4 bytes, error checking Telecomm.

DCN 10 Faculty of EEE HCMUT Ethernet: 802.3  10Base-2: 50Ω Thin cable, 185m.  10Base-5: 50Ω Thick cable, 500m.  10Base-T: 100Ω UTP cable, 100m.  10Base-F: Fiber optic cable, 1000m.

 100Base-TX: 100Ω UTP/STP cable, 100m.  100Base-T4: 100Ω UTP (4p) cable, 100m.  100Base-FX: Fiber optic cable, 400m.  1000Base-T: 100Ω UTP/STP cable, 100m.

DCN 11 Faculty of EEE HCMUT Ethernet: 10BASE-5  NIC: Network Interface Card  MAU: Medium Attachment Unit  Thick Ethernet (thicknet)  50Ω Thick cable, 500m Telecomm. DCN 12 Faculty of EEE HCMUT Ethernet: 10BASE-2  Thin Ethernet  50Ω Thin cable, 185m. DCN 13 Faculty of EEE HCMUT Ethernet: 10BASE-T  Twisted-pair cable  100Ω UTP cable, 100m.  Data rate: 10 Mbps Telecomm.

DCN 14 Faculty of EEE HCMUT Ethernet Operation Specified by the technology being used. Determine who can transmit and when. Two types: Deterministic: “Let’s take turns”. • Token-Ring, FDDI.

Non-deterministic: “First come, first serve”. • Ethernet : CSMA/CD. Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD). DCN 15 Faculty of EEE HCMUT Three common layer 2 technologies Ethernet: logical broadcast topology Token Ring: logical token ring topology FDDI: logical token ring topology Telecomm.

DCN 16 Faculty of EEE HCMUT Ethernet MAC Ethernet is a shared-media broadcast technology. The access method CSMA/CD used in Ethernet performs three functions: Transmitting and receiving data packets Decoding data packets and checking them for valid addresses before passing them to the upper layers of the OSI model Detecting errors within data packets or on the network Telecomm. DCN 17 Faculty of EEE HCMUT CSMA/CD Process Telecomm. DCN 18 Faculty of EEE HCMUT Fast Ethernet  Speed: 100 Mbps  Distance: <250m  Backward compatible with Ethernet 10 Mbps  Uses Twisted-pair or Fiber Telecomm.

DCN 19 Faculty of EEE HCMUT Gigabit Ethernet  >1 Gbps  Using Fiber optic  Deployed as backbone network, connecting Fast Ethernet networks Telecomm. DCN 20 Faculty of EEE HCMUT Token Ring  Token ring LAN technology was a protocol which resided at the data link layer (DLL) of the OSI model. It used a special three-byte frame called a token that travels around the ring. Token- possession grants the possessor permission to transmit on the medium.

Token ring frames travel completely around the loop.  Initially used only in IBM computers, it was eventually standardized with protocol IEEE 802.  Physical ring topology Telecomm. DCN 21 Faculty of EEE HCMUT Token Ring  The data transmission process goes as follows:  Empty information frames are continuously circulated on the ring.

 When a computer has a message to send, it seizes the token. The computer will then be able to send the frame.  The frame is then examined by each successive workstation. The workstation that identifies itself to be the destination for the message copies it from the frame and changes the token back to 0.

 When the frame gets back to the originator, it sees that the token has been changed to 0 and that the message has been copied and received. It removes the message from the frame.  The frame continues to circulate as an "empty" frame, ready to be taken by a workstation when it has a message to send.  Issues:  Who generates token?  If the node keeping token is dead, what happens? Telecomm.

DCN 22 Faculty of EEE HCMUT Token Bus  Also use token as Token Ring  Physical Bus topology  Token bus was standardized by IEEE standard 802. It is mainly used for industrial applications  Due to difficulties handling device failures and adding new stations to a network, token bus gained a reputation for being unreliable and difficult to upgrade Telecomm. DCN 23 Faculty of EEE HCMUT IP Addressing: IPv4  An IPv4 address is 32 bits long.  The IPv4 addresses are unique and universal.

 Network address + Host address: Hierarchical Addressing Schemes. DCN 24 Faculty of EEE HCMUT IP Header IP protocol version 32 bits total datagram number header length length (bytes) ver head. type of length (bytes) len service for “type” of data fragment fragmentation/ 16-bit identifier Flags offset reassembly max number time to upper header remaining hops live layer checksum (decremented at 32 bit source IP address each router) 32 bit destination IP address upper layer protocol to deliver payload to Options (if any) E. timestamp, record route how much overhead with data taken, specify TCP? (variable length, list of routers  20 bytes of TCP typically a TCP to visit.

 20 bytes of IP or UDP segment)  = 40 bytes + app layer overhead Telecomm. DCN 25 Faculty of EEE HCMUT Classful IP addressing  In classful addressing, the address space is divided into five classes: A, B, C, D, and E.  In classful addressing, a large part of the available addresses were wasted. DCN 26 Faculty of EEE HCMUT Classful IP addressing  Network Bits:  Provided by Internet Network Information Center  Define the network the remote device wants to connect to  Defined by subnet- mask  Host Bits:  Managed by Network Administrator Class C Network address: 192.0 (or /24)  Define the device IP Addr 11000000.

01100100 address in the N. H network that the AND operation remote device wants to connect to Default 11111111. 00000000 subnet  All bits are 0: no use Mask  All bits are 1: Network 11000000. 00000000 broadcast address addr Telecomm.

DCN 27 Faculty of EEE HCMUT Classful IP addressing  In classful addressing, a large part of the available addresses were wasted. DCN 28 Faculty of EEE HCMUT Classful IP addressing: Example Find the class of each address. The first bit is 0. This is a class A address.

The first 2 bits are 1; the third bit is 0. This is a class C address. The first byte is 14; the class is A. The first byte is 252; the class is E.

DCN 29 Faculty of EEE HCMUT Subnetting Network administrators sometimes need to divide networks, especially large ones, into smaller networks: Reduce the size of a broadcast domain. Improve network security. Implement the hierarchical managements. So we need more network addresses for your network.

But I want the outside networks see our network as a single network. DCN 30 Faculty of EEE HCMUT Subnetting  Non-subnetted network  Subnetted network into separate smaller networks Telecomm. DCN 31 Faculty of EEE HCMUT Subnetting  To create a subnet address, a network administrator “borrows” bits from the original host portion and designates them as the subnet field.  “Borrows” bits is always the leftmost host bit, the one closest to the last network octet.

 Subnet addresses include the Class A, Class B, or Class C network portion, plus a subnet field and a host field.  Subnet addresses are assigned locally, usually by a network administrator.  How many bits can we borrow?  All of subnet bits are:  0 : reserved for network address.  1 : reserved for broadcast address.

 The minimum bits you can borrow is: 2 bits.  The maximum bits you can borrow is:  A: 22 bits ~ 222 - 2 = 4. DCN 32 Faculty of EEE HCMUT Subnetting Example  Given network 172.0: We need 6 usable subnets and up to 8100 hosts on each subnet.  Define class: class B, 255.0  6 usable subnets: borrow 3 bits  Determine the subnets from 3 borrowed bits from the host portion (last 2 bytes):  0 subnet:.

DCN 33 Faculty of EEE HCMUT Subnetting Example Sub-network Broadcast Use No Possible host address address address ? 0 172. DCN 34 Faculty of EEE HCMUT Subnetting Addresses are loose by subnetting. Network administrator must strike a balance between the number of subnets required, the hosts per subnet that is acceptable, and the resulting waste of addresses.