Ethernet LAN
Như mọi người đã biết Switching là một trong những tác vụ quan trọng nhất trong hệ thống mạng nói chung và trong hệ thống mạng LAN nói riêng.
Ethernet LAN được biết đến là một tác vụ mạnh mẻ và nổi tiếng nhất của hoạt động Switching trong các hệ thống mạng ngày nay.
Nên hôm nay mình chia sẻ về “chuyển mạch Ethernet LAN và hoạt động của Ethernet Switch”.
1.Tổng quan về Ethernet LAN.
1.1 Giới thiệu về định nghĩa Ethernet LAN.
Trong một hệ thống mạng Enterprise bao gồm nhiều Branch, hoạt động nhiều thiết bị End Users như PC, Server, Laptop, Mobile Phone. Thường được kết nối với nhau bằng một hệ thống mạng LAN. Mỗi một hệ thống mạng LAN lại được kết nối vào một đường WAN để kết nối giữa các branch và kết nối ra Internet.
Một số cấu trúc LAN điển hình như: Token Ring, FDDI, Ethernet LAN. Tuy nhiên được biết đến và sử dụng nhiều nhất là kiến trúc Ethernet LAN. Một kiến trúc Layer 2 được sử dụng rộng rãi trong hệ thống mạng
Cấu trúc gồm:
- Preamble (8 bytes): được sử dụng cho các hoạt động đồng bộ frame trong cách thức truyền dữ liệu của Ethernet.
- Dest Address (6 bytes): cho biết địa chỉ MAC của thiết bị mà thiết bị này gửi đến.
- Source Address (6 bytes): cho biết địa chỉ MAC của thiết bị gửi frame.
- Type/Length (2 bytes): cho biết chiều dài của phần data. Cung cấp giá trị dùng để xác định phần data đang chứ dữ liệu của giao thức nào. Vd: Type là 0x0806 data này đang đóng gói một gói tin ARP.
- Data: dữ liệu được truyền tải bởi Ethernet frame.
- FCS (4 bytes): được dùng để check lỗi của frame Ethernet.
1.2 Địa chỉ MAC sử dụng trong Ethernet LAN.
Địa chỉ phần cứng được sử dụng trong Ethernet LAN (hardware address hay physical address) được biết đến với tên gọi MAC Address.
MAC Address gồm 48 bit nhị phân thường biểu diễn dưới dạng hexa. Địa chỉ này là duy nhất cho từng thiết bị. Không trùng với bất cứ thiết bị nào trên thế giới. Cấu trúc của một địa chỉ MAC:
Trong đó:
- OUI – Organizationally Unique Identifier: 3 byte ở phần đầu địa chỉ MAC dùng để định danh cho các nhà sản xuất thiết bị.
- Vendor Assigned: 3 byte do nhà sản xuất định danh cho thiết bị.
Ví dụ: 1C-B7-2C-A2-A2-83 địa chỉ physical của laptop.
1.3 Hub, Switch, Half – Duplex, Full – Duplex, Collision Domain, Broadcast Domain trong một hệ thống mạng LAN.
1.3.1 Mô hình Bus trong mạng LAN.
Mô hình đại diện cho Ethernet LAN trong giai đoạn đầu, đấu nối bằng cáp đồng trục sử dụng các chuẩn như 10Base2(10Mbps – 200m), 10Base5(10Mbps – 500m).
Cách thức hoạt động :
Khi một máy gửi đi một frame, frame này sẻ được truyền đến mọi thiết bị trong mô hình đang kết nối vào.
Các thiết bị nhận sẻ quan sát trường Destination Address trong frame này, nếu đây không phải là frame gửi đến cho mình các thiết bị nhận sẻ drop frame này.
Địa chỉ nào có MAC là Dest.Address của frame mới tiếp nhận và xử lí frame.
Ví dụ : khi máy MAC II gửi đi một frame đến host workstation thì tất cả các host khác đều nhận được frame này nhưng chỉ có host Workstation mới có đúng Dest Address MAC và tiếp nhận xử lí frame.
1.3.2 Mô hình Hub trong mạng LAN.
Sử dụng chuẩn LAN 10 BASE T sử dụng cáp xoắn đôi để kết nối các thiết bị đầu cuối. Đây là một mô hình dạng Star topology, một thiết bị tập trung HUB sẻ thực hiện kết nối các thiết bị này lại với nhau. Đảm nhận vai trò trung chuyển các dữ liệu trao đổi giữa các host đầu cuối.
Cách thức hoạt động :
Hub thực hiện nhân bản các gói tin và gửi ra các cổng còn lại, trong mô hình trên.
Khi host A gửi một frame đến host B, Hub sẻ tiến hành nhân bản frame này rồi đẩy ra tất cả các port, Host B và C đều nhận được frame này. Nhưng chỉ có Host B tiếp nhận và xử lý frame vì nó là địa chỉ đích được nhận frame. Mô hình này hoạt động về cơ bản cũng giống như mô hình đấu nối dạng bus.
1.3.3 Collision Domain của một mạng LAN.
Xét mô hình Bus hay mô hình đấu nối Hub
Nếu có 2 thiết bị cùng gửi đồng thời frame vào đường truyền. Sẻ xảy ra lỗi do 2 tín hiệu của 2 thiết bị này gây nhiễu cho nhau và gây ra mất frame, lỗi bit. Gây ra xung đột tín hiệu (collision).
Phương pháp khắc phục đề ra là một thiết bị chỉ được gửi khi lắng nghe đường truyền và tiếp nhận dữ liệu, đường truyền rảnh thì mới được phép truyền nếu không sẻ gây ra xung đột đường truyền.
Phương thức này được gọi là Half-duplex chỉ truyền hoặc nhận dữ liệu tại một thời điểm.
Băng thông kết nối sẻ được chia đều trên các thiết bị đấu nối vào hệ thống LAN.
Ví dụ băng thông của hệ thống là 15Mbps có 5 thiết bị trên mô hình thì mỗi thiết bị chỉ có thể truyền với tốc độ 3Mbp.
Hệ thống Hub đấu nối các thiết bị và tạo thành một miền có khả năng xung đột tín hiệu các thiết bị trong miền này nếu truyền đồng thời. Được gọi là một Collision Domain.
1.3.4 Định Nghĩa về CSMA/CD một mạng LAN.
CSMA/CD là một giải thuật dùng để hạn chế xảy ra xung đột tín hiệu trong một Collision Domain.
Cách thức hoạt động như sau:
- Nếu muốn truyền đi một frame thì thiết bị này phải thực hiện lắng nghe đường truyền xem có rảnh không. Không có tín hiệu nào đang được truyền thì mới bắt đầu truyền.
- Nếu đường truyền “bận” thì thiết bị sẽ không thực hiện truyền frame đi và ngược lại.
- Giả xử tại thời điểm có 2 thiết bị đang lắng nghe đường truyền và biết rằng đường truyền đang rảnh. Và khi tiến hành truyền sẻ gây ra collision.
- Khi đó tất cả thiết bị sẻ gửi một tín hiệu jamming. Để thông báo đang có collision đang xảy ra.
- Sau khi gửi jamming. Mỗi thiết bị sẽ khởi tạo một timer ngẫu nhiên để lắng nghe lại đường truyền. Timer khởi tạo một cách ngẫu nhiên nên sẽ xảy ra việc 2 thiết bị trùng một timer là rất ít. Từ đó tránh được collision.
1.3.5 Định nghĩa thiết bị Switch
Một thiết bị được phát triển từ HUB nhằm giảm va chạm dữ liệu (Collision Domain), đồng thời mở rộng số lượng người dùng và khoảng cách kết nối vật lý. Nhờ đó, băng thông dành cho các thiết bị đầu cuối (end users) cũng được cải thiện.
Switch là thiết bị hoạt động ở tầng 2 (Layer 2), thực hiện chuyển tiếp frame dựa trên địa chỉ MAC. Mỗi cổng (Port) của Switch tạo thành một Collision Domain riêng biệt. Các thiết bị trong cùng một Collision Domain có thể xảy ra xung đột dữ liệu nhưng sẽ không ảnh hưởng đến các Collision Domain khác. Nhờ đó, tốc độ truyền dữ liệu của từng người dùng được cải thiện.
Khi thiết bị đầu cuối được kết nối theo kiểu điểm – điểm (Point-To-Point), chúng có thể truyền và nhận dữ liệu đồng thời (Full Duplex). Lúc này, cơ chế CSMA/CD sẽ được vô hiệu hóa vì không còn xảy ra xung đột dữ liệu.
1.3.6 Broadcast Domain của một Ethernet LAN.
Ethernet LAN hỗ trợ phương thức truyền quảng bá (Broadcast). Khi một Host muốn gửi cùng một Frame đến tất cả các Host khác trong mạng, Host đó không cần tạo nhiều Frame riêng biệt. Thay vào đó, chỉ cần gửi một Frame Broadcast chứa thông tin cần truyền lên hệ thống Switch. Sau đó, Switch sẽ nhân bản Frame này và chuyển tiếp (Forward) đến tất cả các Host trong mạng LAN. Cách thức này giúp tối ưu việc sử dụng băng thông trong mạng nội bộ.
Ví dụ: Host F gửi một Frame Broadcast đến Switch.
- Địa chỉ MAC dùng cho Broadcast là địa chỉ gồm 48 bit đều bằng 1, được biểu diễn ở dạng hexadecimal là
FFFF.FFFF.FFFF. - Một hệ thống gồm một hoặc nhiều Switch kết nối với nhau và có khả năng gửi Broadcast cho nhau sẽ tạo thành một miền quảng bá (Broadcast Domain).
- Các Broadcast Domain thường được kết nối với Router để các mạng khác nhau có thể liên lạc với nhau thông qua quá trình định tuyến.
Ví dụ: Một interface của Router kết nối giữa hai Broadcast Domain.
- Mặc định, Router sẽ chặn (drop) các gói tin broadcast tại các cổng của nó. Vì vậy, broadcast chỉ được truyền trong nội bộ Broadcast Domain và không lan sang các Broadcast Domain khác. Điều này giúp hạn chế hiện tượng “broadcast storm” trong hệ thống mạng.
- Mỗi cổng của Router thường đại diện cho một Broadcast Domain riêng và thực hiện chức năng gửi/nhận dữ liệu cho miền đó.
2. Cách hoạt động của Ethernet Switch trong hệ thống mạng LAN
Nhiệm vụ chính của Ethernet Switch là thực hiện quá trình chuyển mạch (switching). Khi một frame đi vào cổng của Switch, thiết bị sẽ xử lý và chuyển tiếp frame đó đến đúng thiết bị nhận.
Để thực hiện việc chuyển mạch chính xác, Switch sử dụng một bảng thông tin gọi là bảng MAC (MAC Address Table), còn được gọi là bảng CAM (Content Addressable Memory). Bảng này lưu trữ địa chỉ MAC của các thiết bị cùng với cổng kết nối tương ứng trên Switch.
Trong quá trình hoạt động, Switch sẽ tự động học và cập nhật địa chỉ MAC của các host vào bảng MAC. Sau đó, dựa trên thông tin trong bảng này, Switch sẽ quyết định chuyển frame ra cổng phù hợp để dữ liệu đến đúng đích.
- Học địa chỉ MAC và đưa vào bảng MAC. Thực hiện học địa chỉ MAC của các thiết bị end users và điền vào bảng MAC từ source MAC của Ethernet frame khi frame này đi vào một cổng nào đó của Switch.
- Chuyển tiếp (forward) frame ra một cổng thích hợp. Switch sẻ thực hiện chuyển tiếp frame nhận được từ từ một cổng dựa vào destination MAC tương ứng của frame.
- Nếu destination MAC của frame là một địa chỉ unicast MAC có sẳn trong bảng CAM. Switch sẻ thực hiện chuyển tiếp frame này ra port tương ứng địa chỉ MAC trong bảng CAM.
- Nếu destination MAC của frame là một địa chỉ unicast MAC chưa có sẳn trong bảng MAC hoặc một địa chỉ broadcast MAC. Switch sẽ tự đông nhân bản frame này và flood ra tất cả các port trừ port nhận vào. -Địa chỉ unicast MAC là địa chỉ được gán trên card Ethernet LAN của các thiết bị – tức là địa chỉ physical address của thiết bị.
Khi Host 1 gửi một frame cho host 2 với source MAC host 1 : 0050.7F27.4E21 và destination MAC là MAC của host 2 0050.7F33.31F9 khi nhận được frame này thì switch sẻ xử lí:
- Switch sẻ tiến hành quan sát Destination MAC trong header của frame để đưa ra quyết định. Dò bảng CAM thì thấy rằng Destination MAC( MAC host2) chưa có trong bảng MAC. Tiếp theo switch sẻ tiến hành nhân bản frame này và flood ra tất cả các port trừ port nhận vào. Khi đó host 2 và 3 đều nhận được frame này. Nhưng chỉ có host 2 tiến hành xử lí vì frame này được gửi đến nó. Khi host3 sẻ tiến hành drop frame này.
- Switch cũng tiến hành học địa chỉ source MAC của thiết bị gửi frame này và cổng nhận frame vào và điền vào bảng MAC (hình trên).
- Thiết bị Switch về cơ bản hoạt động cũng tương tự thiết bị Hub. Nhưng được nâng cấp hơn là có thể học địa chỉ source MAC và điền vào bảng MAC. Để tiến hành forward khi cần thiết. Làm giảm quá trình xử lí frame, nâng tốc độ truyền dữ liệu.
Khi host 2 nhận được một frame. Nó cũng tiến hành trao đổi thông tin lại với host 1 bằng cách thiết lập một frame có source MAC là địa chỉ MAC host 2 và destination MAC là địa chỉ MAC host 1. Và khi Switch nhận được frame này nó cũng tiến hành forward và học địa chỉ MAC này và điền vào MAC address table.
Quá trình ứng xử của switch khi nó nhận được frame gửi từ host 2 sang host 1:
- Tiến hành đọc Destination MAC của frame. Khi thấy Destination MAC là 0050.7F27.4E21. Switch sẻ quét dữ liệu trong bảng CAM và thấy nó là MAC của host 2 và nhận được từ cổng E0/1. Nên sẻ tự động forward frame này ra cổng E0/1 mà không tiến hành flood ra tất cả các port như lần xử lí frame trước đây.
- Và Switch cũng tiến hành điền MAC host 2 (0050.7F33.31F9 ) nhận được từ host 2 port E0/2 vào bảng MAC.
Sau tất cả các quá trình trao đổi của các host. Tất cả các MAC sẻ được Switch học được và điền vào bảng CAM. -Hoạt động chính của Switch:
- Switch học địa chỉ MAC từ source MAC của frame khi nó đi vào một interface và điền vào bảng MAC của nó.
- Switch tiến hành forward frame dựa theo Destination MAC của frame.
- Nếu frame là một địa chỉ unicast MAC chưa có trong bảng CAM hoặc một broadcast MAC. Thì switch sẻ tiến hành nhân bản frame và flood ra tất cả các port trừ port nhận vào.
- Nếu địa chỉ MAC của frame này đã được ghi trong bảng MAC. Thì switch sẻ tiến hành forward frame dựa theo các port tương ứng học được có trong bảng MAC.
Bài viết tới đây là kết thúc !!!!!
Nguồn: ITForVN