Khóa luận Nghiên cứu một số mạng LAN tốc độ cao Fast Ethernet, 100Base-Anylan và FDDI

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Tiến Lâm NGHIÊN CỨU MỘT SỐ MẠNG LAN TỐC ĐỘ CAO FAST ETHERNET, 100BASE-ANYLAN VÀ FDDI KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Công nghệ thông tin HÀ NỘI - 2005 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Tiến Lâm NGHIÊN CỨU MỘT SỐ MẠNG LAN TỐC ĐỘ CAO FAST ETHERNET, 100BASE-ANYLAN VÀ FDDI KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Công nghệ thông tin Cán bộ hướng dẫn: GVC. TS. Nguyễn Đình Việt HÀ NỘI - 2005 Lời cảm ơn Đầu tiên, em xin được cảm ơn GVC. TS. Nguyễn Đình Việt đã nhiệt tình hướng dẫn em hoàn thành khoá luận này. Em xin gửi các thầy cô đã từng dạy lớp K46CA, K46CC nói riêng, và các thầy cô trong bộ môn Mạng và truyền thông máy tính, các thầy cô trong Khoa Công Nghệ Thông Tin, và các thầy cô cán bộ của Đại học công nghệ nói chung lòng biết ơn chân thành vì 4 năm học vừa qua Cuối cùng, em xin đươc cảm ơn gia đình, bạn bè người thân đã giúp đỡ em không chỉ trong khoảng thời gian làm luận văn này mà trong cả quá trình học tập của em. Do thời gian và trình độ có hạn nên bản khóa luận này không tránh khỏi những sai sót. Em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo, các bạn cùng quan tâm đến vấn đề này. Hà nội: tháng 6 năm 2005 Tóm tắt Mục tiêu nghiên cứu của khóa luận này là một số mạng LAN tốc độ cao gồm Fast Ethernet, 100Base-AnyLAN và FDDI. Chúng tôi đã nghiên cứu về kiến trúc, các đặc điểm về môi trường truyền, giao diện vật lý, phương pháp truy cập đường truyền (FDDI) và đánh giá một phần hiệu suất của mạng. Do đề tài rộng nên nhóm chúng tôi gồm hai thành viên cùng nghiên cứu chung hai chương đầu. Tuy nhiên, trong luận văn này, tôi chỉ đề cập sâu về mạng FDDI. Tôi sẽ đưa ra cái nhìn khái quát về các thành phần của chuẩn FDDI, về môi trường truyền, tầng vật lý, và giao thức điều khiển truy cập môi trường truyền của FDDI. Ngoài ra, tôi còn đưa ra các kết quả đánh giá về hiệu suất của mạng. Mục lục Mở đầu .......................................................................................................................................1 Chương 1: Giới thiệu ................................................................................................................2 1.1 Sự hình thành mạng cục bộ (Local area network – LAN) ......................................................2 1.2 Các động lực dẫn đến mạng LAN tốc độ cao ............................................................................3 1.3 Các phương pháp truy cập đường truyền.................................................................................4 1.3.1 Phương pháp đa truy cập cảm nhận sóng mang có dò xung đột (CSMA/CD) ..................................... 4 1.3.2 Phương pháp chuyển thẻ bài (token passing) ....................................................................................... 5 1.3.3 Phương pháp truy cập quyền ưu tiên theo yêu cầu (Demand Priority) và chuẩn 100Base-AnyLAN .. 6 Chương 2: Các phương pháp mã hóa số liệu truyền trên mạng.............................................9 2.1 Giới thiệu chung ..........................................................................................................................9 2.2 Non-return-to-Zero (NRZ) .......................................................................................................13 2.3 Nhị phân nhiều mức (Multilevel Binary) ................................................................................16 2.4 Biphase .......................................................................................................................................18 2.5 Các kỹ thuật xáo trộn (Scrambling Techniques) ....................................................................19 2.6 Tốc độ điều biến.........................................................................................................................21 Chương 3: FDDI (Fiber Distributed Data Interface)............................................................23 3.1 Các thành phần của FDDI ........................................................................................................23 3.2 Môi trường truyền.....................................................................................................................24 3.3 Cấu trúc mạng ...........................................................................................................................25 3.4 Khả năng khắc phục hỏng hóc của mạng FDDI .....................................................................28 3.4.1 Mô hình vòng kép .............................................................................................................................. 28 3.4.2 Công tắc chuyển quang học ............................................................................................................... 30 3.4.3 Dual home .......................................................................................................................................... 30 3.5 Giao diện vật lý ..........................................................................................................................31 3.6 Định dạng gói tin và thẻ bài......................................................................................................34 3.7 Sự truyền và nhận gói tin..........................................................................................................36 3.8 Giao thức timed token rotation ................................................................................................37 3.8.1 Các tham số của giao thức.................................................................................................................. 38 3.8.2 Các ràng buộc và hoạt động của giao thức......................................................................................... 38 3.9 Hiệu suất của giao thức Timed token rotation........................................................................42 3.9.1 Lập biểu thức tính hiệu suất ............................................................................................................... 42 3.9.2 Đánh giá ảnh hưởng của TTRT lên các giá trị hiệu suất .................................................................... 44 3.9.3 Ảnh hưởng của độ dài của cáp lên các giá trị hiệu suất...................................................................... 47 3.9.4 Ảnh hưởng của số lượng trạm lên các giá trị hiệu suất ...................................................................... 48 3.9.5 Ảnh hưởng của số lượng trạm hoạt động lên các giá trị hiệu suất ..................................................... 50 3.10 Dữ liệu đồng bộ ........................................................................................................................51 3.11 Các quy tắc để cài đặt TTRT..................................................................................................56 Kết luận ....................................................................................................................................57 4.1 Tóm tắt khóa luận .....................................................................................................................57 4.2 Hướng phát triển của đề tài......................................................................................................57 Tài liệu tham khảo...................................................................................................................59 Bảng các thuật ngữ ANSI American National Standards Institute Viện tiêu chuẩn quốc gia Mỹ B8ZS bipolar with 8-zeros substitution backbone Network Mạng xương sống Bipolar Tín hiệu sử dụng ba mức điện áp -V, 0 và +V bipolar-AMI Bit 0 được biểu diễn bởi một tín hiệu xung 0 (không co ́ xung), và bit 1 được biểu diễn bởi các xung dương hoặc âm xen kẽ nhau bit time Nhịp bit. CDDI Copper-Distributed Data Interface tương tự FDDI, nhưng sử dụng cáp đồng làm môi trường truyền concentrator Bộ kết nối dùng để kết nối các SAS vào trạm CRC Cyclic redundancy check CSMA/CD Phương pháp đa truy cập cảm nhận sóng mang: có dò xung đột DAS Dual Attach Station Trạm kết nối kép data rate Tốc độ truyền dữ liệu (bit/giây) Dc direct-current Thành phần một chiều demand priority Phương pháp quyền ưu tiên theo yêu cầu differential encoding Mã hóa chênh lệnh Differential Manchester Có sự chuyển tiếp ở giữa mỗi nhịp bit chỉ cung cấp cơ chế định thời gian. Việc mã hoá bit 0 được thể hiện bởi việc xuất hiện sự chuyển tiếp tại bắt đầu mỗi nhịp bit và mã hoá bit 1 được thể hiện bởi việc không xuất hiện sự chuyển tiếp tại bắt đầu mỗi nhịp bit. DTE Data Terminal Equipment Thiết bị đầu cuối dữ liệu Dual home Một kỹ thuật khắc phục lỗi. FDDI Fiber Distributed Data Interface Là công nghệ mạng có tốc độ cao do uỷ ban X3T9.5 của ANSI phát triển HDB3 high-density bipolar- 3 zeros LLC Logical Link Control Tầng điều khiển liên kết sữ liệu MAC Media Access Control Tầng điều khiển truy cập đường truyền Manchester Có sự chuyển tiếp tại giữa mỗi nhịp bit. Sự chuyển tiếp đó vừa cung cấp cơ chế định thời gian (clocking mechanism) vừa chứa dữ liệu: chuyển tiếp điện áp thấp – cao biểu hiện cho bit 1 và chuyển tiếp điện áp cao – thấp biểu hiện cho bit 0. Mark Biểu diễn số nhị phân 1 Mode Tia ánh sáng được cho vào sợi cáp với một góc chiếu riêng modulation rate Tốc độ điều biến (baud) Multilevel Binary Mã hoá nhị phân nhiều mức, sử dụng ba mức điện áp (-V, 0, +V) multimode Một loại cáp quang cho phép nhiều tia sáng đi vào cáp cùng một lúc với nhiều góc khác nhau NRZ Non-return-to-Zero Các mã NRZ có chung một đặc điểm là chúng có mức điện áp không đổi trong mô ̣t nhịp bit NRZI Non-return-to-Zero, invert on ones Chuyển tiếp điện áp khi gặp bit nhị phân 1 và không chuyển tiếp khi gặp bit nhị phân 0 NRZ-L Non-return-to-Zero- Level Điện áp âm được sử dụng để biểu diễn mô ̣t giá trị nhị phân và điện áp dương được dùng để biểu diễn giá trị co ̀n lại Optical bypass switch Công tắc chuyển quang học Patch panel Một trong những thiết bị nhằm xây dựng lên mạng FDDI, trong mô hình logic, nó tương tự như hub trong mo hình hub/tree PHY Physical Layer Protocol Giao thức tầng vật lý PMD Physical-Medium Dependent Tầng phụ thuộc môi trường truyền Polar Tín hiệu có dử dụng hai mức điện áp âm (-V) và dương (+V) pseudoternary Bit 1 được biểu diễn bởi một tín hiệu xung 0 (không có xung), và bit 0 được biểu diễn bởi các xung dương hoặc âm xen kẽ nhau SAS Single Attach Station Trạm kết nối đơn Single-mode Một loại cáp quang chỉ cho phép một tia sang lan truyền trong cáp SMT Station Management Tầng quản lý trạm Space Biểu diễn số nhị phân 0 THT Token Holding timer Thời gian nắm thẻ bài timed token rotation protocol Giao thức điều khiển truy cập đường truyền của FDDI Token passing Phương pháp chuyển thẻ bài TRT Token Rotation timer Thời gian quay thẻ bài TTRT target token rotation time Tham số chính cho giao thức điều khiển truy cập đường truyền của FDDI unipolar Tín hiệu đơn cực Nghiên cứu một số mạng LAN tốc độ cao 1Nguyễn Tiến Lâm Khóa luận tốt nghiệp - 2005 – ĐHCN Mở đầu Ngày nay máy tính điện tử đã được sử dụng phổ biến, việc kết nối máy tính với các mạng là xu hướng tất yếu, không chỉ trong lĩnh vực nghiên cứu thuần túy mà cả trong hầu hết mọi lĩnh vực hoạt động của con người. Trong lịch sử phát triển loại người, thế kỉ 20 được đánh dấu bởi cuộc cách mạng về thông tin bao gồm các vấn đề thu thập, xử lý và phân phối thông tin. Điều đặc biệt là khi khả năng thu thập, xử lý và phân phối thông tin của con người tăng lên thì nhu cầu của chính con người về truyền thông đã tăng nhanh. Đúng như với định luật nổi tiếng của Parkinson: “Công việc sẽ phình ra chiếm hết cả thời gian còn có để hoàn thành nó”. Trong truyền thông điều này có nghĩa là dữ liệu dường như được mở rộng để chiếm hết phần băng thông còn lại để truyền, ví dụ như sự xuất hiện của các dịch vụ như xem phim, nghe nhạc trực tuyến đòi hỏi cần có băng thông lớn, tốc độ truyền dữ liệu cao. Vì thế nhu cầu nâng cao tốc độ truyền thông là một nhu cầu tất yếu để đáp ứng những đòi hỏi không giới hạn của con người. Để đáp ứng nhu cầu thực tế đó, các chuẩn mạng tốc độ cao đã được ra đời như: Fast Ethernet, 100Base-AnyLAN và FDDI. Theo xu hướng hiện nay thì các chuẩn này sẽ là một trong các công nghệ chính của tương lai, vì thế việc nghiên cứu để hiểu và áp dụng chúng vào thực tế là điều cần thiết. Vì vậy, tôi đã chọn đề tài “Nghiên cứu một số mạng LAN tốc độ cao Fast Ethernet, 100Base-AnyLAN và FDDI”. Trong phạm vi luận văn này, tôi xin đề cập trọng tâm về chuẩn FDDI, một chuẩn cáp quang có cấu trúc mạng vòng. Chuẩn này không chỉ áp dụng cho các mạng LAN, MAN mà đặc biệt hơn nó còn là một mô hình lý tưởng cho mạng xương sống nhờ vào các đặc điểm về phạm vi hỗ trợ, số trạm tối đa trên vòng, tốc độ truyền thông và quan trọng nhất là hiệu suất cao của nó. Trong luận văn, tôi sẽ lần lượt đề cập đến các đặc điểm, các giao thức của chuẩn FDDI và đánh giá một phần hiệu suất của nó. Nghiên cứu một số mạng LAN tốc độ cao 2Nguyễn Tiến Lâm Khóa luận tốt nghiệp - 2005 – ĐHCN Chương 1: Giới thiệu 1.1 Sự hình thành mạng cục bộ (Local area network – LAN) Ở mức độ cơ bản nhất, mạng bao gồm hai máy tính nối với nhau bằng cáp sao cho chúng có thể dùng chung dữ liệu. Mọi mạng máy tính cho dù phức tạp đến đâu chăng nữa, cũng đều bắt nguồn từ hệ thống đơn giản đó. Mạng máy tính phát sinh từ nhu cầu muốn chia sẻ và dùng chung dữ liệu. Máy tính cá nhân là công cụ tuyệt vời giúp tạo dữ liệu, hình ảnh và nhiều dạng thông tin khác, nhưng không cho phép bạn nhanh chóng chia sẻ dữ liệu bạn đã tạo ra. Các máy tính cấu thành mạng có thể dùng chung dữ liệu, thông điệp, hình ảnh, máy fax, modem, và các tài nguyên phần cứng khác. Hình 1.1: Một hệ thống mạng đơn giản Kiểu mạng máy tính trong phạm vi một khu vực giới hạn được gọi là mạng cục bộ. Mạng khởi đầu với qui mô rất nhỏ, với khoảng 10 máy tính dùng nối với nhau và nối với một máy in. Công nghệ tin học đã hạn chế qui mô mạng, bao gồm số lượng máy tính nối kết với nhau, cũng như khoảng cách vật lý mạng có thể bao phủ. Ví dụ ở đầu những năm thập kỷ 80, phương pháp lắp đặt cáp phổ biến nhất cũng chỉ cho phép chừng 30 máy với chiều dài cáp tối đa xấp xỉ 183m. Mạng máy tính như thế phủ vừa đủ trong một phạm vi một tầng hoặc một công ty. Hiện nay, đối với những công ty rất nhỏ, cấu hình này vẫn còn thích hợp. Các mạng cục bộ ở thời kỳ đầu không thể hỗ trợ thoả đáng nhu cầu mạng của một doanh nghiệp lớn đặt văn phòng ở nhiều vùng khác nhau. Khi những chiếc máy tính đã đi vào cuộc sống và có rất nhiều ứng dụng được thiết kế cho môi trường mạng, thì các doanh nghiệp lại muốn mở rộng hệ thống mạng để duy trì sức cạnh tranh trên thị trường. Ngày nay, mạng cục bộ đã trở thành hệ thống lớn hơn bao phủ nhiều toà nhà. Nghiên cứu một số mạng LAN tốc độ cao 3Nguyễn Tiến Lâm Khóa luận tốt nghiệp - 2005 – ĐHCN Hầu hết các tập đoàn, doanh nghiệp, trường học... lớn lưu trữ và chia sẻ lượg dự liệu khổng lồ trong môi trường mạng, đó là lý do vì sao mạng máy tính đang đóng vai trò vô cùng quan trọng đối với các cá nhân, trường học, bệnh viên, doanh nghiệp và các lĩnh vực liên quan. 1.2 Các động lực dẫn đến mạng LAN tốc độ cao Vào thời kỳ đầu, tốc độ mạng là 10 Mbps đã được xem là một điều lý tưởng nhưng với định luật nổi tiếng của Parkinson: “Công việc sẽ phình ra chiếm hết cả thời gian còn có để hoàn thành nó”. Và đối với truyền thông thì điều này cũng có nghĩa là dữ liệu dường như được mở rộng để chiếm hết phần băng thông còn lại để truyền nó. Do ứng dụng của mạng LAN phát triển, vì vậy sự đòi hỏi về thông lượng và độ tin cậy trong các ứng dụng này cũng phát triển. Ví dụ, các ứng dụng trước đây của mạng LAN đã có thể cho phép liên lạc giữa các máy tính cá nhân truy cập vào các server thư điện tử, hoặc máy in. Các ứng dụng như vậy liên quan đến một phần nhỏ trong giao dịch, vì thế các yêu cầu đòi hỏi về băng thông truyền của mạng LAN là nhỏ. Tuy nhiên, gần đây các ứng dụng ngày càng tăng lên đồng nghĩa với việc nâng cao băng thông. Ví dụ là các máy trạm không có đĩa cứng kết nối cục bộ để cùng chia sẻ một hệ thống file chung, nghĩa là mỗi máy trạm truy cập các file thông qua mạng và điều này làm yêu cầu đối với băng thông tăng một cách đáng kể. Vì vậy, các ứng dụng phức tạp liên quan đến việc truyền các văn bản kết hợp cùng với các hình ảnh có độ phân giải cao, … ngày càng trở lên phổ biến, một lần nữa yêu cầu tăng khả năng truyền thông của mạng LAN lên. Để nâng cao tốc độ truyền, các nhóm nhà công nghiệp khác nhau đã đề xuất ra hai mạng LAN dùng cáp quang dựa trên kiến trúc vòng mới: ƒ FDDI (Fiber Distributed Data Interface) ƒ Fiber Channel Nhưng với cả hai chuẩn mới này, việc quản lý các máy trên mạng là quá phức tạp và dẫn đến chi phí cao. Chính vì điều này bắt đầu từ năm 1992, một số loại mạng LAN tốc độ cao đã được phát triển và gồm có: ƒ Fast Ethernet 100BaseT ƒ 100Base-AnyLAN – IEEE 802.12 ƒ Fiber Distributed Data Interface – FDDI Nghiên cứu một số mạng LAN tốc độ cao 4Nguyễn Tiến Lâm Khóa luận tốt nghiệp - 2005 – ĐHCN Với các chuẩn mạng LAN tốc độ cao nêu trên, trước khi tìm hiểu từng chuẩn chúng ta sẽ tìm hiểu về các phương pháp truy cập đường truyền, các phương pháp này được dùng trong từng chuẩn do các đặc điểm của mình. Với Fast Ethernet thì phương pháp nổi tiếng được biết đến là CSMA/CD, phương pháp quyền ưu tiên theo yêu cầu được dùng trong 100Base-AnyLAN, và với chuẩn FDDI dùng phương pháp chuyển thẻ bài. 1.3 Các phương pháp truy cập đường truyền Khi nhiều máy tính phải truy cập chung đường truyền, nếu hai máy tính phải gửi dữ liệu lên đường truyền cùng một thời điểm thì gói dữ liệu của máy tính này sẽ va chạm với gói dữ liệu của máy tính kia, và kết quả là hai gói dữ liệu đều bị phá hủy. Vì vậy cần đưa ra các phương pháp truy cập đường truyền để xử lý dữ liệu và ngăn không cho nhiều máy tính truy cập cùng một lúc. Có ba phương pháp truy cập chính: ƒ Phương pháp đa truy cập cảm nhận sóng mang: có dò xung đột CSMA/CD ƒ Phương pháp chuyển thẻ bài (token passing) ƒ Phương pháp quyền ưu tiên theo yêu cầu (demand priority) 1.3.1 Phương pháp đa truy cập cảm nhận sóng mang có dò xung đột (CSMA/CD) CSMA/CD là phương pháp được sử dụng trong mạng topo dạng bus. Với topo dạng này, tất cả các máy tính được nối trực tiếp với cùng một dây cáp. Dây cáp được dùng để truyền tất cả dữ liệu giữa bất kỳ cặp máy tính nào. Để truyền dữ liệu, đầu tiên máy tính đóng gói dữ liệu thành một frame có địa chỉ máy đích cần gửi vào đầu frame. Frame đó được truyền broadcast lên đường truyền (dây cáp). Tất các máy tính kết nối với cáp nên có thể phát hiện được bất kỳ frame nào đang được truyền. Khi máy đích phát hiện ra frame hiện tại đang được truyền có địa chỉ ở phía đầu frame là của mình, nó tiếp tục đọc dữ liệu bên trong frame và đáp lại giao thức liên kết đã định nghĩa. Để truyền một frame, đầu tiên máy tính đó lắng nghe xem có bất kỳ frame nào được được truyền trên cáp không. Nếu không có frame nào đang được truyền, máy tính đo ́ sẽ gửi frame Ngược lại, sẽ không có máy tính nào được truyền cho đến khi frame đó được truyền đến đích và đường truyền rỗi trở lại. Nghiên cứu một số mạng LAN tốc độ cao 5Nguyễn Tiến Lâm Khóa luận tốt nghiệp - 2005 – ĐHCN Như vậy, nếu hai hay nhiều máy tính cùng muốn gửi dữ liệu cùng một lúc sẽ dẫn đến xung đột xảy ra trên đường truyền. Khi phát hiện ra có xung đột xảy ra, lập tức máy phát sẽ gửi một chuỗi jam ngắn để thông báo cho các máy khác biết có xung đột xảy ra và các máy tính liên quan sẽ ngừng