Bài giảng Mạng máy tính - Chương 5, Phần b: Giao thức tầng liên kiết dữ liệu (Data link)- Trần Quang Diện

Chương 5.
Giao thức tầng liên kiết dữ liệu (data link)
Quang Dieu Tran, PhD
Faculty of Information Technology
University of Communication and Transport (Branch in 
Ho Chi Minh City)
Email: dieutq@gmail.com
Website: sites.google.com/sites/tranlectures
Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 223/8-10/10/2010
Ch5. Giao thức tầng liên kết dữ liệu
5.1 - Introduction and services
5.2 - Error detection and correction
5.3 - Multiple access protocols & LAN
5.4 - Link-layer addressing & ARP
5.5 - Specific link layer technologies
 Ethernet
 PPP
 Wireless Networks
 ATM
 Frame Relay
Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 323/8-10/10/2010
Ethernet
 Tác giả: Bob Metcalfe và David Boggs.
 Ethernet là kiến trúc LAN phổ biến nhất hiện nay
 Ưu điểm: đơn giản, rẻ, tốc độ 10,100Mbps,1Gbps
Bản thiết kế 
khai sinh
Ethernet
Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 423/8-10/10/2010
Ethernet Star Topology example
Ethernet là mạng
Broadcast
Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 523/8-10/10/2010
Ethernet Frame Structure
 Destination & Source Address (6B): địa chỉ vật lý của nút 
gửi và nhận.
 Data (16-1500B). Ethernet MTU = 1500B nếu IP 
datagram >1500 thì sẽ phải chia nhỏ ra.
 Type (2B): Giao thức tầng trên (IP, Novell IPX, Apple 
Talk).
 CRC (4B): Mã CRC
 Preamble (8B): Đồng bộ hoá sender/receiver, gồm 7 bytes 
đầu tiên là 10101010, byte tiếp theo là 10101011
Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 623/8-10/10/2010
Ethernet: CSMA/CD
 Ethernet sử dụng giao thức truy cập đường truyền 
CSMA/CD.
 Ethernet CSMA/CD:
Khi NIC nhận được datagram từ tầng trên, đóng frame 
rồi gửi vào buffer.
Nếu kênh truyền rỗi (96 bit times) thì truyền. Nếu 
không, chờ đợi.
Trong quá trình truyền, nếu phát hiện xung đột, dừng và 
gửi đi 48-bit jam signal để báo cho các nút khác rồi 
chuyển sang pha exponential backoff.
Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 723/8-10/10/2010
Ethernet: CSMA/CD (cont)
 jam signal: 
 một số nút có thể không cảm nhận được do những điều kiện khác 
nhau!!!
 jam signal thông báo cho mọi nút biết rằng mạng đang bị xung 
đột.
 exponential backoff algorithm: giải thuật này khiến các nút 
chịu khó chờ lâu hơn khi mức độ xung đột cao.
 bit time: thời gian truyền 1 bit.
 n là số lần xung đột khi truyền một frame nào đó.
 sau n lần xung đột, nút sẽ đợi 512 x K bit time rồi truyền lại; K
được chọn ngẫu nhiên trong tập {0,1,2,,2m – 1} với m:=min 
(n,10).
Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 823/8-10/10/2010
Ethernet Technologies
 Công nghệ Ethernet: 10Base2;10BaseT;100BaseT.
 10Base2:
 10Base2 = 10Mbps; cáp đồng trục (coaxial) < 200m.
 Bus topology.
 Rất rẻ.
 Cáp: <185m (185 ~ 200). Có thể dùng repeater để tăng k/c.
 Không còn phổ biến.
Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 923/8-10/10/2010
Ethernet Technologies: 10BaseT & 100BaseT
 10BaseT và 100BaseT là công 
nghệ Ethernet LAN phổ biến hiện 
nay (còn gọi là Fast Ethernet)
 10Mbps; 100Mbps; sử dụng cáp 
đôi xoắn (Twisted pair).
 Sử dụng hub.
 chuyển tiếp bit (tầng vật lý)
 báo cáo thống kê (bandwidth usage, 
collision...).
 ngắt các nút gặp sự cố khỏi mạng.
 Độ dài tối đa của cáp từ hub tới 
host: 100m.
10/100BaseT sử dụng hub (star)
Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 1023/8-10/10/2010
Bấm cáp mạng
Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 1123/8-10/10/2010
Ethernet Technologies: Gigabit Ethernet
 1000BaseT: IEEE802.3z
 Tốc độ: 1/10Gbps.
 Sử dụng cấu trúc frame chuẩn của Ethernet.
 Cho phép kết nối kiểu điểm-điểm (sử dụng switch) 
và quảng bá (chia sẻ đường truyền, sử dụng hub).
 CSMA/CD được sử dụng để truy cập đường truyền 
chia sẻ.
Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 1223/8-10/10/2010
Kết nối các LANs: repeater, hub, bridge, switch
 Repeater (bộ lặp): khôi phục tín hiệu đã bị yếu.
 Hub:
 Hoạt động ở tầng vật lý với chức năng chính là chuyển các bit 
nhận được từ một cổng tới các cổng còn lại.
 Hub cung cấp các thống kê về tình hình sử dụng mạng.
 Có thể dùng để nối các LAN segments (backbone hub).
 Đơn giản, rẻ, dễ lắp (không cần cấu hình)
 Không có khả năng phân vùng xung đột (một nút ở segment này 
có thể xung đột với nút ở segment khác).
 Không thể kết nối segment sử dụng kiến trúc khác nhau 10BaseT 
và 100BaseT
Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 1323/8-10/10/2010
Bridge
 Bridge (cầu) được sử dụng để kết nối các đoạn 
mạng (segment) khác nhau.
 Bridge hoạt động tại tầng data link có khả năng 
thao tác với các frame (hub chỉ thao tác với bit).
 Chức năng chính: forwarding & filtering.
 Bridge forwarding: khi nhận một frame, bridge căn 
cứ vào frame header phải quyết định chuyển tiếp 
frame đó tới cổng ra nào (tra bảng – bridge table).
 Bridge filtering: một số frame được gửi giữa hai 
nút cùng nối tới một hub sẽ bị bỏ qua.
Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 1423/8-10/10/2010
 Bridge có bộ đệm cho các frame nên có khả năng phân 
vùng làm giảm xung đột (nút ở segment này không xung 
đột với nút ở segment khác).
 Bridge sử dụng CSMA/CD khi gửi frame tới một LAN 
segment.
Không có backbone bridge 
-EE và SE muốn liên lạc phải đi qua CS
-Khi CS gặp sự cố sẽ khiến EE và SE mất liên lạc
backbone bridge
Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 1523/8-10/10/2010
Bridge forwarding table
 Bridge table cho phép tra cứu cổng (segment) cần gửi 
frame tới khi biết địa chỉ đích.
 Bảng này được xây dựng dần mỗi khi một cổng nhận được 
frame gửi tới từ nút nào đó (địa chỉ nút gửi và cổng –
segment tương ứng) learning.
 Nếu không tìm thấy địa chỉ nút nhận trong bảng thì gửi 
frame tới tất cả cổng còn lại.
Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 1623/8-10/10/2010
Spanning Tree
 Để tăng độ tin cậy, nhiều bridge được sử dụng 
nhiều đường đi, các gói tin bị lặp (forward trở lại).
 Spanning Tree: tạm thời vô hiệu hoá một số 
interface để đảm bảo không có vòng lặp.
Disabled
Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 1723/8-10/10/2010
Bridge và router
 Cả hai đều là thiết bị store-and-forward.
 Bridge là thiết bị của tầng data link, thao tác với frame còn 
router là thiết bị tầng mạng thao tác với datagram.
 Router: routing table, routing algorithm; bridge: filtering 
tables, learning & spanning tree algorithm.
 Bridge hoạt động đơn giản hơn, hỗ trợ ít hình trạng mạng 
hơn, không có cơ chế bảo vệ khi bị flood, router có 
firewall bảo vệ.
 Bridge không cần cấu hình (plug-n-play), router cần phải 
được cấu hình, có địa chỉ IP thì mới hoạt động.
 Bridge sử dụng cho mạng có quy mô nhỏ hơn.
Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 1823/8-10/10/2010
Ethernet Switches
 Switch là một thiết bị mạng có nhiều ưu điểm.
 Switch hoạt động ở tầng data link, có chức năng 
giống với bridge.
 Điểm khác biệt cơ bản giữa switch và bridge là số 
lượng cổng của switch lớn hơn; switch cho phép 
kết nối các mạng khác nhau (10BaseT với 
100BaseT).
 Switch cho phép hoạt động ở chế độ full-duplex 
(vừa gửi vừa nhận) với tốc độ tối đa (không xung 
đột) khi được sử dụng trong star topology.
Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 1923/8-10/10/2010
Star topology
Truyền với tốc độ tối đa 
(full-duplex, dedicated access):
+ A to A’
+ B to B’
+ C to C’
Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 2023/8-10/10/2010
Hub + switch + router in a company
Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 2123/8-10/10/2010
Packet processing at switch, router and host
 Cut-through switching: nếu buffer trống, không cần chờ 
nhận toàn bộ frame mới chuyển tiếp (chỉ cần nhận header 
 đích rồi nhận đến đâu chuyển đến đấy)
Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 2223/8-10/10/2010
Tổng kết một số đặc tính của hub, router, switch
 hubs routers switches 
traffic 
isolation 
no yes yes 
plug & play yes no yes 
optimal 
routing 
no yes no 
cut 
through 
yes no yes 
Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 2323/8-10/10/2010
Ch5. Giao thức tầng liên kết dữ liệu
5.1 - Introduction and services
5.2 - Error detection and correction
5.3 - Multiple access protocols & LAN
5.4 - Link-layer addressing & ARP
5.5 - Specific link layer technologies
 Ethernet
 PPP
 Wireless Networks
 ATM
 Frame Relay
Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 2423/8-10/10/2010
Point-to-Point Data Link Control
 Point-to-Point: một sender, một receiver:
không cần Media Access Protocol.
không cần địa chỉ vật lý MAC addr.
PPP sử dụng phổ biến để kết nối máy tính của người 
dùng với ISP (dial-up, IDSN).
 Một số giao thức PP DLC Protocols:
PPP (Point-to-Point Protocol)
HDLC (High Level Data Link Control):
Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 2523/8-10/10/2010
Một số yêu cầu với PPP
 packet framing: đóng frame các gói tin của các giao 
thức tầng trên khác nhau.
 bit transparency: có khả năng chuyển tải bất cứ cấu 
trúc bit nào.
 error detection: nhận biết lỗi rồi bỏ qua frame.
 connection liveness: duy trì kết nối và phát hiện lỗi 
kết nối (bị ngắt).
 network layer address negotiation: endpoint có thể 
học/thiết lập đ/c IP cho điểm khác trong mạng.
Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 2623/8-10/10/2010
PPP data frame
 flag: phân định ranh rới frame
 address: không sử dụng
 control: chưa sử dụng
 protocol: giao thức tầng trên (PPP-LCP, IP, IPCP)
 info: dữ liệu (gói tin) của tầng trên.
 check: mã kiểm tra lỗi CRC
Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 2723/8-10/10/2010
Byte stuffing
 Trong trường hợp dữ liệu cần 
đóng frame có chứa dãy bit 
(byte) trùng với flag (01111110) 
 cần thêm vào trước đó 1 byte 
(stuffs byte) = 01111101.
 Khi receiver nhận frame và bắt 
gặp stuffs byte thì nó xác định 
byte tiếp theo không phải flag.
 Trường hợp dữ liệu có chứa 
stuffs byte hai stuffes bytes 
kế tiếp nhau receiver vẫn 
phân biệt được.
flag byte pattern plus
stuffed byte in 
transmitted data
Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 2823/8-10/10/2010
PPP Data Control Protocol
 PPP cần có cơ chế cho phép các bên tham gia:
Thiết lập và cấu hình liên kết PPP (kích thước tối đa của 
frame, authentication).
Cấu hình network layer
Các 
trạng 
thái của 
PPP
Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 2923/8-10/10/2010
Ch5. Giao thức tầng liên kết dữ liệu
5.1 - Introduction and services
5.2 - Error detection and correction
5.3 - Multiple access protocols & LAN
5.4 - Link-layer addressing & ARP
5.5 - Specific link layer technologies
 Ethernet
 PPP
 Wireless Networks
 ATM
 Frame Relay
Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 3023/8-10/10/2010
Wireless LAN: IEEE 802.11
 Wireless LAN: Kết nối 
các thiết bị mobile, 
không cần sử dụng dây.
 IEEE 802.11 standard:
 MAC Protocol
 unlicensed frequency 
spectrum: 900Mhz, 
2.4Ghz
 BSS - Basic Service Set 
(cell).
 Wireless host
 AP (Access Point)
Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 3123/8-10/10/2010
Một số chuẩn wireless
Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 3223/8-10/10/2010
Ad hoc network
 Ad hoc network:
Không có Access 
Point (center 
control).
Không kết nối với 
mạng ngoài.
Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 3323/8-10/10/2010
Vấn đề chia sẻ “đường truyền”
 Do tích chất của sóng Radio (Radio Frequency) nên:
 Việc nghe trước khi truyền không phải lúc nào cũng thực hiện được.
 Việc phát hiện xung đột gặp nhiều khó khăn.
 Hidden terminal (a) & fading problem (b)
Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 3423/8-10/10/2010
IEEE 802.11 MAC Protocol: CSMA/CA
802.11 CSMA: sender
 chờ kênh truyền rỗi DISF sec. rồi 
truyền toàn bộ frame (không có cơ 
chế phát hiện xung đột).
 nếu kênh truyền bận thì chuyển 
sang binary backoff
802.11 CSMA receiver:
 frame được nhận đầy đủ, không 
lỗi, thì trả lời bằng ACK sau SIFS
sec.
DIFS (Distributed Inter Frame Space)
SIFS (Short Inter Frame Spacing)
Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 3523/8-10/10/2010
IEEE 802.11 MAC Protocol: CSMA/CA
802.11 CSMA: others
 Các frame được sender 
gửi đi đều chứa thêm 
thông tin về thời gian 
truyền frame, được gọi là 
NAV (Network 
Allocation Vector).
 Các host khác nghe thấy 
thông tin này để xác định 
thời điểm cho phép truyền 
 tránh xung đột.
Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 3623/8-10/10/2010
Collision Avoidance: RTS-CTS exchange
sender và receiver sử dụng 
hai frame đặc biệt RTS và 
CTS để “chiếm dụng kênh 
truyền”.
 RTS (Request To Send): 
xin phép truyền.
 CTS (Clear To Send): 
receiver trả lời “đã sẵn 
sàng, có thể gửi dữ liệu”.
Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 3723/8-10/10/2010
Mạng điện thoại di động (cellular phone network)
Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 3823/8-10/10/2010
Bluetooth
 IEEE 802.15
 Hiện tại, Bluetooth chủ yếu 
được sử dụng để kết nối các thiết 
bị điện tử cá nhân với nhau 
(gadget).
 Điện thoại di động
 PDA
 Laptop
 Phạm vi: 10-100m.
 Mạng bao gồm 2-8 thiết bị cá 
nhân kết nối sử dụng Bluetooth 
có tên là piconet.
piconet
Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 3923/8-10/10/2010
Ch5. Giao thức tầng liên kết dữ liệu
5.1 - Introduction and services
5.2 - Error detection and correction
5.3 - Multiple access protocols & LAN
5.4 - Link-layer addressing & ARP
5.5 - Specific link layer technologies
 Ethernet
 PPP
 Wireless Networks
 ATM
 Frame Relay
Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 4023/8-10/10/2010
ATM (Asynchronous Transfer Mode)
 Ra đời gần đây (mid-1980s).
 Là mạng WAN kết hợp truyền telephone voice và dữ liệu 
với tốc độ cao.
 ATM là một kiến trúc mạng với bộ giao thức đầy đủ 
(application physical).
 ATM sử dụng phương pháp chuyển mạch gói (packet 
switch) với kích thước gói cố định = 53 bytes (cell); sử 
dụng Virtual Circuit (Virtual Channel)
 Giá thành cao, các ứng dụng cho ATM chưa được phát 
triển mạnh ATM chưa phổ biến.
 Một số tầng dưới của ATM hiện được sử dụng để xây 
dựng mạng xương sống của Internet (IP over ATM).
Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 4123/8-10/10/2010
ATM: Internet backbone
Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 4223/8-10/10/2010
Ch5. Giao thức tầng liên kết dữ liệu
5.1 - Introduction and services
5.2 - Error detection and correction
5.3 - Multiple access protocols & LAN
5.4 - Link-layer addressing & ARP
5.5 - Specific link layer technologies
 Ethernet
 PPP
 Wireless Networks
 ATM
 Frame Relay
Chương 5. Tầng liên kết dữ liệu 4323/8-10/10/2010
Frame Relay & X.25
 Ra đời vào đầu 1980s.
 X.25 được coi như công nghệ chuyển mạch gói 
công cộng đầu tiên.
 Frame Relay kế thừa từ X.25.
 X.25 và Frame Relay đều là các công nghệ WAN.
 Cũng giống ATM, X.25 và Frame Relay “núp dưới 
bóng” của IP, được sử dụng để truyền các packet 
của tầng IP giữa các router.
 X.25, Frame Relay là những công nghệ của “quá 
khứ”