1

Chương 5: Tầng liên kết dữ liệu

2

Tổng quan

l  Tầng liên kết dữ liệu

l  Dịch vụ: l  Đóng gói, địa chỉ hóa l  Phát hiện và sửa lỗi l  Kiểm soát luồng l  Kiểm soát truy nhập đường

truyền

l  Công nghệ mạng LAN l  Ethernet l  Wireless LAN

l  Công nghệ mạng WAN l  Frame relay l  ATM l  ….

3

Giới thiệu về Tầng liên kết dữ liệu

4

Nút mạng và liên kết l  Nút mạng:

l  PCs, Laptop, Routers, Server…

l  Liên kết: l  Kênh truyền thông giữa

các nút kế tiếp l  Hữu tuyến: Ethernet LAN,

ADSL, fiber optic… l  Không dây: Wi-fi, Wi-Max,

vệ tinh,… l  Tầng liên kết dữ liệu:

Truyền dữ liệu giữa các thành phần kế tiếp

“link”

5

Tầng liên kết dữ liệu và kiến trúc phân tầng

LLC (Logical Link Control)

MAC (Media Access Control)

Application

Transport

Network

Data-link

Physical

802.2 LLC

802.3

Ethernet

802.4

Token Bus

802.5

Token Ring

802.11

Wi-Fi

802.16

Wi-Max

…..

IEEE 802.x series

Media independent sub-layer

Media dependent sub-layer

6

Tổng quan về các chức năng

Framing

Addressing

Flow control

Error control

Media Access Control

Datalink layer

7

Các chức năng (1)

l  Đóng gói - Framing: l  Bên gửi: đặt gói tin tầng mạng vào khung tin,

thêm phần đầu, phần đuôi l  Bên nhận: Bỏ phần đầu, phần đuôi và lấy gói tin

truyền lên tầng mạng l  Địa chỉ hóa - Addressing:

l  Địa chỉ vật lý đặt trong phần đầu gói tin để định danh nút nguồn, nút đích

8

Các chức năng (2)

l  Điều khiển truy nhập đường truyền l  Nếu là mạng đa truy nhập, cần có các giao thức

truy nhập đường truyền cho nhiều máy trạm l  Kiểm soát luồng:

l  Kiểm soát tốc độ truyền của bên gửi sao cho bên nhận hoạt động tốt, không bị quá tải

l  Kiểm soát lỗi: l  Phát hiện và sửa các lỗi bít l  e.g. parity check, checksum, CRC check

9

Kiểm soát lỗi

Phát hiện lỗi Phát hiện và sửa lỗi

10

Nguyên lý phát hiện lỗi

EDC= Error Detection Code (redundancy) Mã phát hiện lỗi

Data

Data EDC

Data

Data’ EDC’

All bit in Data’ OK?

Y

N

Error

Link with bit errors

11

Mã chẵn lẻ l  Mã đơn

l  Phát hiện lỗi bít đơn

l  Mã hai chiều l  Phát hiện và sửa lỗi bít đơn

l  Khái niệm về checksum của Internet?

101011 111100 011101 001010

101011 101100 011101 001010

12

CRC: Cyclic Redundancy Check Mã vòng

l  Dữ liệu được xem như một số nhị phân: D l  Chọn một chuỗi r+1 bit, G (chuỗi sinh – Generator) l  Tìm một chuỗi R độ dài r bit, sao cho chuỗi ghép của D và R

là một số nhị phân chia hết cho G (chia modulo 2) l  <D, R> chia hết cho G

D

D R

D

D’ R’

<D’, R’> mod G = 0 ?

Y N

Link with bit errors

<D, R> mod G = 0

13

CRC: Cách tìm R

l  <D, R> có thể viết dưới dạng l  D.2r XOR R

l  <D, R> chia hết cho G l  D.2r XOR R = n.G l  D.2r = n.G XOR R

l  Có nghĩa là R là số dư khi chia D.2r

cho G (phép chia modulo 2)

R= D.2r mod G

l  Ví dụ 10101001000 1001 1001 1011110 1110 1001 1110 1001 1111 1001 1100 1001 1010 1001 110

R=110, chuỗi bít gửi đi là 10101001110

D

G

R D R

14

CRC biểu diễn dưới dạng đa thức l  1011 : x3 +x +1 l  Ví dụ một số mã CRC được sử dụng trong thực tế:

l  CRC-8 = x8 + x2 + x + 1 l  CRC-12 = x12+x11+x3+x2+x

l  CRC-16-CCITT = x16 + x12 + x5 + 1

l  CRC-32 = x32 + x26 + x23 + x22 + x16 + x12 + x11 + x10 + x8 + x7 + x5 + x4 + x2 + x + 1

l  G càng dài, mã CRC phát hiện lỗi càng hiệu quả l  CRC được sử dụng rộng rãi trong thực tế

l  Wi-fi, ATM, Ethernet… l  Phép toán XOR được cài đặt bởi phần cứng l  Phát hiện chuỗi bít bị lỗi có độ dài nhỏ hơn r+1 bit

15

Các kỹ thuật kiểm soát lỗi l  Đảm bảo truyền tin tin cậy

trên môi trường truyền tin không tin cậy

l  Điều kiện l  Các khung dữ liệu luôn

luôn được truyền chính xác l  Độ trễ truyền tin không đáng kể

l  Các loại lỗi l  Mất khung dữ liệu l  Khung dữ liệu bị lỗi l  Thông báo lỗi bị mất

l  Các kỹ thuật sử dụng: l  Phát hiện lỗi (đã học) l  Báo nhận l  Truyền lại với timeout l  Truyền lại với báo không nhận

l  Kỹ thuật tự động truyền lại (ARQ automatic repeat request). Có 3 phiên bản chuẩn hóa l  Dừng và chờ (Stop and

Wait)ARQ l  Quay lại N(Go Back N) ARQ l  Loại bỏ chọn lọc (Selective

Reject) ARQ l  Tương tự cơ chế kiểm soát

luồng dữ liệu

16

Kiểm soát truy nhập đường truyền

17

Các dạng liên kết l  Điểm-nối-điểm

l  ADSL l  Telephone modem l  Leased Line….

l  Quảng bá l  Mạng LAN truyền thống với hình trạng bus hay mạng hình

sao dùng hub (công nghệ lỗi thời) l  Wireless LAN l  HFC: l  …

l  Các mạng quảng bá cần giao thức điều khiển truy nhập để tránh xung đột -> Giao thức đa truy nhập

18

Phân loại các giao thức đa truy nhập

l  Chia kênh: l  Chia tài nguyên của đường truyền thành nhiều phần nhỏ

(Thời gian - TDMA, Tần số - FDMA, Mã - CDMA) l  Chia từng phần nhỏ đó cho các nút mạng

l  Truy nhập ngẫu nhiên: l  Kênh không được chia, cho phép đồng thời truy nhập, chấp

nhận là có xung đột l  Cần có cơ chế để phát hiện và tránh xung đột l  e.g. Pure Aloha, Slotted Aloha, CSMA/CD, CSMA/CA…

l  Lần lượt: l  Theo hình thức quay vòng l  Token Ring, Token Bus….

19

Các phương pháp chia kênh

l  FDMA: frequency division multiple access l  TDMA: time division multiple access l  CDMA: code division multiple access

20

TDMA và FDMA FDMA

frequency

time TDMA:

frequency

time

4 máy Ví dụ:

Pure Aloha l  Aloha được Sử dụng trong mạng di động 1G, 2.5G, 3G sử dụng công nghệ GSM

l  Pure Aloha: l  Nếu có dữ liệu cần truyền, truyền l  Nếu đang truyền mà nhận được dữ liệu

của trạm khác à có xung đột. Tất cả các trạm cần truyền lại. l  Vẫn có thể xung đột khi truyền lại

l  Không kiểm tra đường truyền trước khi truyền

l  Các gói mầu ghi bị xung đột (có overlap về thời gian)

21

Slotted Aloha

l  Thời gian được chia thành các khe rời rạc

l  Các trạm chỉ bắt đầu truyền ở đầu các khe thời gian

l  Xác suất xung đột giảm.

l  Gói mầu ghi bị xung đột

22

23

CDMA l  Nhiều nguồn phát có thể chia sẻ một giải tần chung

trên một kênh truyền vật lý duy nhất l  Các tín hiệu của các nguồn khác nhau được mã hóa

bằng các mã ngẫu nhiên khác nhau l  Sau đó được trộn lẫn và phát đi trên cùng một giải tần

chung l  Và chỉ được phục hồi duy nhất ở cuối kênh với mã

ngẫu nhiên tương ứng. l  Áp dụng lý thuyết trải phổ (spread spectrum), CDMA đưa ra hàng loạt các ưu điểm mà nhiều công nghệ khác chưa thể đạt được. http://en.wikipedia.org/wiki/Spread_spectrum

24

Truy nhập ngẫu nhiên: CSMA

l  Carrier Sense Multiple Access (Đa truy nhập sử dụng sóng mang)

l  Thế nào là CSMA: trong một cuộc họp l  CSMA:

l  “Listen before talk” l  Nếu kênh bận, chờ l  Nếu kênh rỗi, truyền

blah blah blah

25

CSMA

l  CSMA: Các máy nghe trước muốn truyền: l  Nếu kênh rỗi, truyền toàn bộ dữ liệu l  Nếu kênh bận, chờ

l  Tại sao lại có xung đột?

Độ trễ lan truyền

26

Xung đột trong CSMA l  Giả sử kênh truyền có 4

nút l  Tín hiệu điện từ lan truyền

từ nút này đến nút kia mất một thời gian nhất định (trễ lan truyền)

l  Ví dụ:

CSMA/CA l  Dùng trong mạng WIFI 802.11 l  Nếu 2 hay nhiều trạm cùng phát hiện đường

truyền bận và cùng chờ thì có khả năng chúng sẽ cùng truyền lại một lúc. l  à xung đột,

l  Giải pháp CSMA/CA. l  Mỗi trạm chờ một khoảng thời gian được tính ngẫu

nhiên à giảm xác xuất đụng độ.

27

CSMA/CD l  Dùng trong mạng Ethernet l  CSMA có phát hiện xung đột: Listen while talk. l  Nếu đường truyền rỗi, truyền l  Nếu bận, chờ rồi truyền với xác suất p l  Nghe đường truyền trong khi truyền, nếu có

xung đột chỉ phát 1 tín hiệu báo xung đột ngắn và dừng ngay l  Không tiếp tục truyền như CSMA

l  Thử truyền lại sau một khoảng thời gian ngẫu nhiên. 28

29

CSMA/CD: Tóm tắt l  Máy trạm nghe trước khi muốn truyền

l  Bận: Chờ, tiếp tục nghe l  Rỗi: Bắt đầu truyền, vừa truyền vừa “nghe ngóng” xem có

xung đột hay không l  Nghe trong thời gian bao lâu?

l  Nếu phát hiện thấy xung đột: Hủy bỏ quá trình truyền và quay lại trạng thái chờ, nghe

l  Một số biến thể của CSMA l  CSMA kiên nhẫn (persistance) l  CSMA không kiên nhẫn l  CSMA với xác suất p nào đó

30

So sánh chia kênh và truy nhập ngẫu nhiên l  Chia kênh

l  Hiệu quả, công bằng cho đường truyền với lưu lượng lớn l  Lãng phí nếu chúng ta cấp kênh con cho một nút chỉ cần

lưu lượng nhỏ l  Truy nhập ngẫu nhiên

l  Khi tải nhỏ: Hiệu quả vì mỗi nút có thể sử dụng toàn bộ kênh truyền

l  Tải lớn: Xung đột tăng lên

l  Phương pháp quay vòng: Có thể dung hòa ưu điểm của hai phương pháp trên

31

Token Ring – Mạng vòng dùng thẻ bài l  Một “thẻ bài” luân

chuyển lần lượt qua từng nút mạng

l  Nút nào giữ thẻ bài sẽ được gửi dữ liệu

l  Gửi xong phải chuyển thẻ bài đi

l  Một số vấn đề l  Tốn thời gian chuyền

thẻ l  Trễ l  Mất thẻ bài….

T

data

(nothing to send)

T

32

Tổng kết các phương pháp kiểm soát đa truy nhập

l  Chia kênh l  Truy nhập ngẫu nhiên l  Quay vòng l  Phân tích ưu, nhược điểm

33

Kiểm soát luồng dữ liệu

34

Kiểm soát luồng dữ liệu l  Đảm bảo trạm nguồn không làm quá tải trạm đích l  Trạm đích

l  lưu trữ các khung dữ liệu trong bộ nhớ đệm l  Thực hiện một số thao tác trước khi chuyển dữ liệu lên tầng trên l  Bộ nhớ đệm có thể bị đầy, dẫn tới mất khung dữ liệu

l  Không đặt vấn đề lỗi truyền tin l  Các khung dữ liệu luôn luôn được truyền chính xác l  Độ trễ truyền tin không đáng kể

l  Giải pháp l  Cơ chế dừng và chờ l  Cơ chế cửa sổ trượt

35

Cơ chế dừng và chờ l  Nguyên tắc

l  Nguồn gửi một khung dữ liệu l  Đích nhận khung dữ liệu, xử lí, sau đó thông báo sẵn

sàng nhận các khung dữ liệu tiếp theo bằng một thông báo báo nhận (acknowledgement)

l  Nguồn chờ đến khi nhận được báo nhận mới truyền tiếp khung dữ liệu tiếp theo

Cơ chế dừng và chờ

36

Conception et architectures des réseaux 16

Protocole 2

Emetteur Tant que vrai répéter

p ← coucheReseau.donnerPaquet() t ← construireTrame(p) couchePhysique.prendreTrame(t) couchePhysique.attendreAquittement()

Fin tant que Récepteur Tant que vrai répéter

t ← couchePhysique.donnerTrame() p ← extrairePaquet(t) coucheReseau.prendrePaquet(p) couchePhysique.envoyerAcquittement()

Fin tant que

Emetteur Récepteur

Trâme

Trâme

Paquets

Ack

Trâme

Trâme

Paquets

frame

frame

frame

Packet Packet transmitter recepter

37

38

Cơ chế dừng và chờ l  Ưu điểm

l  Đơn giản, đặc biệt thích hợp với các khung dữ liệu lớn l  Nhược điểm

l  Với các khung dữ liệu nhỏ, thời gian sử dụng đường truyền bị lãng phí

l  Không thể sử dụng các khung dữ liệu lớn một cách phổ biến l  Bộ nhớ đệm có hạn l  Khung dữ liệu dài khả năng lỗi lớn l  Trong môi trường truyền tin chia sẻ, không cho phép trạm nào

chiếm dụng lâu đường truyền

39

Cơ chế cửa sổ trượt: nguyên tắc

l  Gửi nhiều khung dữ liệu để giảm thời gian chờ. l  Các khung đã gửi đi chưa báo nhận được lưu trữ

tạm thời trong bộ nhớ đệm. l  Số khung được truyền đi phụ thuộc vào bộ nhớ đệm.

l  Khi nhận được báo nhận l  giải phóng khung dữ liệu đã truyền thành công khỏi bộ

nhớ đệm l  Truyền tiếp các khung bằng với số khung đã truyền thành

công

40

Cơ chế cửa sổ trượt: Nguyên tắc l  Xét hai trạm A, B kết nối bằng một đường truyền song

công l  A có bộ nhớ đệm n khung dữ liệu l  Như vậy A có thể gửi cùng một lúc n khung dữ liệu mà không

cần báo nhận l  Báo nhận

l  Để ‘nhớ’ các khung dữ liệu đã báo nhận, cần đánh số các khung dữ liệu

l  B báo nhận một khung bằng cách báo số khung dữ liệu mà B đang chờ nhận, ngầm định đã nhận tất cả các khung trước đó

l  Một báo nhận có thể dùng cho nhiều khung dữ liệu

41

Cơ chế cửa sổ trượt

42

Cơ chế cửa sổ trượt

43

Cơ chế cửa sổ trượt l  Các khung dữ liệu đang được gửi đi được đánh số.

Số thứ tự phải lớn hơn hoặc bằng kích thước cửa sổ

l  Các khung dữ liệu được báo nhận bằng thông báo có đánh số

l  Được báo gộp. Nếu 1,2,3,4 được nhận thành công, chỉ gửi báo nhận 4

l  Khi đã nhận được thông báo nhận được khung k, có nghĩa là tất cả các khung k-1, k-2.. đã nhận được

44

Cơ chế cửa sổ trượt l  Nguồn quản lý

l  Các khung đã gửi đi thành công l  Các khung đã gửi đi chưa báo nhận l  Các khung có thể gửi đi ngay l  Các khung chưa thể gửi đi ngay

l  Đích quản lý l  Các khung đã nhận được l  Các khung đang chờ nhận

45

Piggy backing

l  A và B cùng truyền tin l  Khi B cần báo nhận và cần truyền số liệu. B gửi kèm

báo nhận trong khung dữ liệu: Piggybacking l  Nếu không, B gửi một khung báo nhận riêng l  Sau khi gửi báo nhận, nếu B truyền khung dữ liệu, B

vẫn đặt số báo nhận trong khung dữ liệu l  Cơ chế cửa sổ trượt hiệu quả hơn nhiều so với

dừng và chờ! l  Quản lý phức tạp hơn

Bài tập l  Cho một liên kết có tốc độ R=100Mbps l  Cần truyền 1 dữ liệu có kích thước tổng tại tầng liên kết

dữ liệu là L=100KB l  Giả sử kích thước gói liên kết dữ liệu là: 1KB l  RTT giữa 2 nút của liên kết là 3ms l  Hỏi thời gian truyền khi áp dụng phương pháp kiểm soát

luồng Stop-and-wait. l  Thời gian truyền với phương pháp cửa sổ trượt với kích

thước cửa sổ =8 l  Thời gian truyền nhanh nhất với phương pháp cửa sổ

trượt đạt được khi kích thước cửa sổ bằng bao nhiêu? 46