Mạng máy tính - Chương 5: Lớp điều khiển truy cập mạng và các hệ thống mạng liên quan

MẠNG MÁY TÍNH COMPUTER NETWORKChương 5. Lớp Điều Khiển Truy Cập Mạng và Các Hệ Thống Mạng Liên Quan5.1 Lớp điều khiển truy cập – Media Access Control MACCác giao thức dùng để xác định người dùng nào được quyền sử dụng kênh truyền đa truy cập thuộc vào lớp con của Lớp Liên kết dữ liệu, được gọi là lớp Điều khiển truy cập (Media Access Control – MAC) Lớp này có vai trò quan trọng trong mạng LAN, là một mạng sử dụng kênh đa truy cập làm nền tảng truyền tin, khác với mạng WAN, sử dụng liên kết điểm-nối-điểm ngoại trừ thông tin vệ tinh 5.1.1 Phân bố kênh dữ liệuĐể phân bổ một kênh dữ liệu chung cho các người dùng có yêu cầu trên mạng, sử dụng 2 phương thức thực hiện: phân bố tĩnh phân bố động 5.1.1.1 Phân bố tĩnhPhương thức phân bố kênh tĩnh đơn giản nhất là phân kênh theo tần số (FDM). Nếu số lượng người dùng là N thì băng thông được chia thành N phần bằng nhau, mỗi người dùng được gán một phần. Vì mỗi người dùng có một tần số riêng nên không xảy ra hiện tượng nhiễu lẫn nhau. Khi số lượng người dùng ít và cố định, mỗi kênh truyền có lưu lượng lớn thì cơ chế phân kênh FDM là đơn giản và hiệu quả.Tuy nhiên, khi số lượng người dùng lớn và thay đổi hoặc bùng nổ lưu lượng, thì FDM sẽ gặp rắc rối. Một phương thức phân kênh khác tương tự là phân kênh theo thời gian (TDM), mỗi người dùng được phân bố một khe thời gian. Nếu người dùng đó không sử dụng khe thời gian đó thì khe thời gian sẽ rỗi. Phương thức này cũng gặp phải các trở ngại tương tự như FDM 5.1.1.2 Phân bố độngMô hình trạm: mô hình này gồm N máy trạm độc lập nhau (ví dụ các máy tính, điện thoại, máy cá nhân, ...), mỗi máy trạm có chương trình hoặc các người dùng tạo ra khung dữ liệu truyền đi. Chúng còn được gọi là các đầu cuối. Khi khung dữ liệu được tạo ra, máy trạm bị khóa và ngưng hoạt động cho đến khi khung được truyền đi.Khái niệm về kênh đơn: một kênh đơn là kênh dữ liệu dùng cho tất cả các trường hợp truyền tin. Tất cả các máy trạm đều sử dụng nó để phát và thu tín hiệu. Các máy trạm đều có vai trò tương đương như nhau trên kênh truyền.Khái niệm về xung đột: Nếu 2 khung truyền đồng thời thì chúng sẽ chồng lên nhau và gây méo tín hiệu. Hiện tượng này được gọi là xung đột. Trên thực tế, tất cả các trạm đều có khả năng dò xung đột.5.1.1.2 Phân bố độngThời gian liên tục: Các khung có thể truyền bất kỳ lúc nào. Không có một đồng hồ chủ để phân chia kênh thành các khe thời gian.Khe thời gian: Thời gian được chia thành các khoảng rời rạc. Khung dữ liệu luôn luôn được truyền ở thời điểm bắt đầu của khe thời gian. Cảm biến sóng mang: Các trạm có thể cảm nhận được kênh truyền trước khi truy cập. Nếu kênh bận sẽ không có trạm nào truy cập đến nó cho đến khi kênh ở trạng thái rỗi.Không cảm biến sóng mang: máy trạm không cảm nhận được kênh truyền trước khi truy cập.5.1.2 Các giao thức đa truy cậpTrên thực tế, có nhiều giao thức khác nhau để phân bố kênh dữ liệu. Ở trong phần này chúng ta sẽ nghiên cứu một số các giao thức điển hình.5.1.2.1 ALOHAa- Pure ALOHA: Nguyên tắc cơ bản của Pure ALOHA tương đối đơn giản như sau:- Cho phép người sử dụng truyền tin bất kỳ thời điểm nào- Chấp nhận xung đột dữ liệu và các khung dữ liệu có thể sẽ bị phá hỏng trong quá trình truyền- Xung đột có thể được cảm nhận bởi các máy trạm bằng cách lắng nghe kênh truyền- Nếu xung đột xảy ra, đầu phát sẽ đợi trong một khoảng thời gian ngẫu nhiên trước khi thực hiện phát lại 5.1.2 Các giao thức đa truy cập5.1.2 Các giao thức đa truy cậpMột khung dữ liệu sẽ không bị xung đột với các khung khác nếu trong thời gian truyền khung dữ liệu đó không có khung nào khác truyền đi. Nếu trong thời gian đó có xung đột xảy ra (như hình vẽ) thì Pure ALOHA cũng không đưa ra biện pháp nào để khắc phục sự cố này.b- Slotted ALOHANăm 1972, Roberts đưa ra một phương pháp làm tăng gấp đôi dung lượng của hệ thống ALOHA như sau:Khung thời gian truyền được phân chia thành các khoảng thời gian nhỏ, mỗi khoảng thời gian đó tương ứng với một khung dữ liệu. Như vậy dữ liệu của người sử dụng phải được đồng bộ và gửi ở thời điểm bắt đầu của khung.Phương pháp này giảm thiểu xung đột vì các dữ liệu của người dùng không ảnh hưởng đến nhau. Tuy nhiên, khi có 2 hoặc nhiều dữ liệu của người sử dụng cố gắng truyền ở thời điểm bắt đầu của một khung thì vẫn xảy ra xung đột. Trong trường hợp này, các máy trạm phải đợi trong một khoảng thời gian ngẫu nhiên trước khi phát lại. 5.1.2 Các giao thức đa truy cập5.1.2.2 Giao thức đa truy cập cảm nhận sóng mang (CSMA)a- Persistent và Non-Persistent CSMA1-Persistent CSMA: Khi một trạm muốn gửi dữ liệu, đầu tiên nó phải lắng nghe trạng thái hiện tại của kênh truyền. Nếu kênh truyền bận thì nó sẽ đợi cho đến khi kênh truyền rỗi. Máy trạm sẽ phát một khung dữ liệu khi dò thấy kênh truyền rỗi. Nếu xảy ra xung đột, máy trạm sẽ đợi trong một khoảng thời gian ngẫu nhiên và phát lại.Giao thức này được gọi là 1-Persistent vì xác suất phát dữ liệu là 1 khi dò thấy kênh truyền rỗi. Đối với giao thức Non-persistent CSMA, trước khi gửi dữ liệu, nếu dò thấy kênh rỗi thì nó sẽ tiến hành gửi dữ liệu, nếu kênh truyền bận, máy trạm sẽ không tiếp tục cảm nhận sóng mang nữa mà thay vào đó, nó sẽ đợi trong một khoảng thời gian ngẫu nhiên và lặp lại quá trình trên. Phương thức này làm tăng hiệu quả sử dụng kênh truyền nhưng độ trễ lại lớn hơn so với phương pháp 1-persistent CSMA 5.1.2.2 Giao thức đa truy cập cảm nhận sóng mang (CSMA)Một giao thức nữa thuộc nhóm giao thức này là p-persistent CSMA. Giao thức này sử dụng phương thức phân khe thời gian cho kênh truyền. Khi dò thấy kênh truyền rỗi, máy trạm bắt đầu phát với xác suất là p . Với một xác suất là q = 1-p , nó sẽ ngưng phát cho đến khe kế tiếp. Nếu kênh tiếp tục rỗi thì nó hoặc là tiếp tục phát hoặc là ngưng phát với xác suất là p và q. Quá trình này đượclặp lại cho đến khi toàn bộ khung được phát đi hoặc có một trạm khác bắt đầu phát dữ liệu. Giao thức này ít xảy ra xung đột hơn vì tất cả các trạm muốn gửi dữ liệu sẽ không gửi đồng thời khi kênh truyền rỗi 5.1.2.2 Giao thức đa truy cập cảm nhận sóng mang (CSMA)5.1.2.2 Giao thức đa truy cập cảm nhận sóng mang (CSMA)b- Giao thức đa truy cập cảm nhận sóng mang/dò xung đột (CSMA/CD)Trong các giao thức trước, các máy trạm sẽ phát hết toàn bộ khung dữ liệu bất chấp có xung đột với một khung dữ liệu khác. Nếu trạm phát bỏ qua việc phát khung dữ liệu ngay khi dò có xung đột sẽ tiết kiệm được thời gian và băng thông của kênh truyền. Giao thức CSMA/CD dò xung đột bằng cách đo năng lượng hoặc độ rộng xung của tín hiệu thu được và so sánh với tín hiệu phát. Sau khi dò thấy có xung đột, nó sẽ hủy bỏ việc phát dữ liệu, đợi trong một khoảng thời gian ngẫu nhiên và phát lại. Mô hình này gồm các quá trình: giành quyền phát dữ liệu, truyền dữ liệu và quá trình rỗi 5.1.2.3 Giao thức Collision-FreeMặc dù xung đột không xuất hiện trong mô hình CSMA/CD một khi trạm phát đã giành được kênh truyền, nhưng trong quá trình tranh châp kênh truyền vẫn có thể xảy ra xung đột. Các xung đột này ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống, đặc biệt đối với trường hợp độ dài cáp lớn và kích thước khung dữ liệu nhỏ. Trong phần này, chúng ta sẽ khảo sát một số giao thức giải quyết vấn đề trên mà không gây xung đột dữ liệu. 5.1.2.3 Giao thức Collision-Freea- Giao thức Bit-mapMỗi quá trình tranh chấp kênh dữ liệu được chia thành N khe thời gian. Nếu trạm thứ 0 trong mạng muốn gửi dữ liệu, nó sẽ phát bit 1 vào khe thứ 0, các trạm khác không được sử dụng khe thời gian thứ 0 này. Trong khi đó trạm thứ 1 vẫn có thể phát bit 1 vào khe thời gian 1 nếu có nhu cầu phát dữ liệu. Một cách tổng quát, trạm thứ j sẽ thông báo có nhu cầu gửi dữ liệu bằng cách phát bit 1 vào khe thời gian j. Như vậy, kết thúc quá trình ta sẽ xác định được trạm nào có nhu cầu phát dữ liệu và thực hiện quá trình phát dữ liệu theo thứ tự. 5.1.2.3 Giao thức Collision-Freeb- Phương pháp đếm ngược nhị phânMột vấn đề nảy sinh đối với giao thức Bit-map là phải gắn thêm phần mào đầu 1 bit cho mỗi trạm, vì vậy nếu số trạm tăng lên hàng ngàn thì nó sẽ chiếm một băng thông lớn. Vấn đề này được giải quyết bằng cách sử dụng phương pháp đánh số nhị phân cho các trạm. Một trạm muốn sử dụng kênh truyền sẽ phát địa chỉ của mình ở dạng chuỗi nhị phân có trọng số và các chuỗi địa chỉ có cùng độ dài. Trong trường hợp này, ta giả sử độ trễ của truyền dẫn không đáng kể các trạm có thể nhận ra địa chỉ một cách tức thời.5.1.2.4 Giao thức Limited-Contention Xét các chiến lược giành kênh dữ liệu trong mạng máy tính gồm: tranh chấp và giải tỏa xung đột (collision-free), mỗi chiến lược tác động đến 2 yếu tố hoạt động quan trọng của mạng là: gây trễ ở trường hợp tải thấp và hiệu quả truyền tin ở tải cao. Với trường hợp tải thấp, chiến lược tranh chấp có ưu thế hơn do độ trễ thấp. Khi tải tăng lên, chiến lược tranh chấp trở nên không hiệu quả do phần mào đầu lớn. Ngược lại, đối với trường hợp tải cao, hiệu quả kênh truyền sẽ được cải thiện khi sử dụng chiến lược giải tỏa xung đột.Một giao thức kết hợp cả 2 đặc tính trên, sử dụng chiến lược tranh chấp ở trường hợp tải thấp và chiến lược giải tỏa xung đột ở tải cao để nâng cao hiệu quả kênh truyền được gọi là giao thức tranh chấp tới hạn (Limited-Contention).Để thực hiện được điều này, giao thức Limited-Contention sử dụng thuật toán adaptive tree walk để cấp khe thời gian động cho các máy trạm. Khi tải có dung lượng thấp, một khe có thể sử dụng cho nhiều trạm, khi tải dung lượng cao thì số trạm sử dụng ít hơn. 5.1.2.4 Giao thức Limited-Contention5.1.2.4 Giao thức Limited-ContentionGiao thức trên hỗ trợ 3 loại kênh dữ liệu: (1) Kênh dữ liệu có kết nối (connection-oriented) với tốc độ bit không đổi, ví dụ như tín hiệu video không nén. (2) Kênh dữ liệu có kết nối (connection-oriented) với tốc độ bit thay đổi.(3) Kênh dữ liệu dạng gói (datagram) như gói UDP. Với 2 kiểu kênh dữ liệu có kết nối, để máy trạm A có thể trao đổi dữ liệu với máy trạm B, đầu tiên nó phải gửi khung CONNECTION REQUEST vào một khe trống của kênh điều khiển của máy trạm B, nếu được B chấp nhận, việc trao đổi thông tin mới được thực hiện ở máy trạm A.5.1.2.4 Giao thức Limited-ContentionTrong giao thức này, mỗi trạm có 2 bộ phát và 2 bộ thu như sau:- Một bộ thu bước sóng cố định để lắng nghe trạng thái của kênh điều khiển- Một bộ phát có khả năng điều chỉnh bước sóng được dùng để gửi dữ liệu lên kênh điều khiển của máy trạm khác.- Một bộ phát bước sóng cố định để phát dữ liệu - Một bộ thu có khả năng điều chỉnh bước sóng được dùng để dò dữ liệu của đầu phát5.1.2.5 Giao thức đa truy cập phân chia theo bước sóng (WDMA)Giao thức này được sử dụng rộng rãi trong mạng LAN cáp quang, cho phép kết nối ở nhiều bước sóng khác nhau tại cùng một thời điểm. Để thực hiện được điều này, người ta chia phổ tần số thành các kênh (dải bước sóng), mỗi trạm được gán 2 kênh truyền. Một kênh dải hẹp được sử dụng để làm kênh điều khiển, một kênh dải rộng được sử dụng để truyền dữ liệu.Trên hình vẽ mô tả kênh đa truy cập phân chia theo bước sóng với số khe thời gian dùng để điều khiển là m, số khe thời gian dùng để truyền dữ liệu là n+1, trong đó khe thời gian cuối cùng dùng để thông báo trạng thái của kênh truyền. Ở cả 2 kênh truyền, các khe thời gian lặp lại vô tận và khe thời gian thứ 0 được đánh dấu theo cách riêng để có thể nhận biết dễ dàng. Tất cả các kênh truyền đều được đồng bộ bởi một đồng hồ chung.5.1.2.6 Giao thức mạng LAN không dây Khi nhu cầu về truyền thông di động và tính toán di động tăng thì nhu cầu kết nối không dây cũng tăng lên. Các thiết bị di động sử dụng sóng vô tuyến hoặc hồng ngoại để truyền thông và nối mạng với nhau, từ đó hình thành nên một mạng máy tính gọi là mạng máy tính không dây (hoặc mạng LAN không dây). Mạng LAN không dây này có một số đặc điểm khác với mạng LAN thông thường. Ở phần này chúng ta sẽ khảo sát một số giao thức liên quan đến mạng LAN không dây.Một cách đơn giản, hãy thử áp dụng giao thức CSMA cho mạng LAN không dây: chỉ làm nhiệm vụ dò tín hiệu phát từ các trạm khác và phát tín hiệu cho các máy trạm khác. Ta dễ dàng nhận thấy rằng, giao thức này không phù hợp với mạng LAN không dây do hiện tượng nhiễu xảy ra ở đầu thu chứ không phải xảy ra ở đầu phát 5.1.2.6 Giao thức mạng LAN không dâyMột giao thức được thiết kế cho mạng LAN không dây ra đời đầu tiên là giao thức MACA (Multiple Access with Collision Avoidance). 5.1.2.6 Giao thức mạng LAN không dâyGiao thức MACA và MACAWNguyên tắc cơ bản của giao thức MACA là trạm phát sẽ kích hoạt trạm thu phát ra một khung dữ liệu ngắn để các trạm lân cận biết và không phát dữ liệu trong suốt thời gian trạm này phát dữ liệu.Để có thể truyền dữ liệu từ A đến B, ban đầu, A gửi tín hiệu RTS (Request To Send) đến B, khung dữ liệu này có độ dài là 30 byte chứa độ dài của khung dữ liệu cần phát. Máy trạm B sẽ phúc đáp tín hiệu CTS (Clear To Send). Khi A nhận được CTS thì mới bắt đầu phát dữ liệu.5.1.2.6 Giao thức mạng LAN không dâyBất kỳ một trạm lân cận nào của A nhận được tín hiệu RTS đều phải ở trạng thái “lặng” trong một khoảng thời gian đến khi nhận được tín hiệu CTS gửi trả về cho A. Các trạm lân cận của B nhận được tín hiệu CTS cũng phải ở trạng thái “lặng” trong suốt quá trình dữ liệu truyền đi với thời gian truyền được thể hiện trong tín hiệu CTS.Giao thức MACA được Bharghavan cải tiến năm 1994 và đổi tên thành MACAW (giao thức MACA cho mạng không dây).Lớp MAC đóng một vai trò quan trọng và được sử dụng trong nhiều kiến trúc mạng khác nhau. Sau đây chúng ta sẽ khảo sát một số kiến trúc mạng và các kỹ thuật liên quan đến lớp MAC. 5.2 Mạng Ethernet5.2.1 Kết nối vật lý mạng Ethernet5.2.2 Mã hóa Manchester5.2.3 Giao thức lớp MAC của mạng Ethernet5.2.4 Thuật toán quay về theo hàm mũ nhị phân5.2.5 Chuyển mạch Ethernet5.2.6 Fast Ethernet5.2.7 Gigabit Ethernet5.2.8 Chuẩn IEEE 802.2: Điều khiển liên kết logic (LLC)5.2.9 Đánh giá mạng Ethernet5.2.1 Kết nối vật lý mạng EthernetCó 4 loại cáp dùng để nối mạng Ethernet thông dụngTênLoại cápChiều dài tối đa/đoạn nốiSố trạm/đoạnĐặc điểm10Base5Thick Coax500 m100Gốc, không còn sử dụng10Base2Thin Coax185 m30Không cần Hub10Base-TTwisted pair100 m1024Kinh tế nhất10Base-FFiber Optics2000 m1024Chất lượng tốt5.2.1 Kết nối vật lý mạng EthernetVới cáp 10Base5, cáp thu phát (transceiver cable) nối bộ thu/phát (transceiver) với mạch giao diện trong máy tính. Cáp thu phát này có chiều dài khoảng 50m và có 5 cặp dây. Trong đó, 2 cặp dùng cho thu /phát dữ liệu. Hai cặp tiếp theo dùng để thu/ phát tín hiệu điều khiển. Cặp dây thứ 5, cấp nguồn cho bộ thu/phát từ máy tính.Với cáp 10Base2, cáp nối đến máy tính chỉ cần đi qua bộ nối T (BNC T-junction). Bộ thu/phát dữ liệu được tích hợp trong bo mạch điều khiển của máy tínhVới cáp 10Base-T, mỗi máy tính được nối đến Hub bằng cáp riêng. Độ dài tối đa từ Hub đến máy tính chi 100m. Một phiên bản của 10Base-T là 100Base-T.Với cáp 10Base-F, sử dụng cáp quang, chi phí cho loại cáp này tương đối tốn kém nhưng chất lượng của đường truyền rất tốt và có thể truyền với khoảng cách xa lên đến hàng km.5.2.1 Kết nối vật lý mạng EthernetMạng Ethernet có các cấu hình như sau (a) Cấu hình ngang hàng (Linear)(b) Cấu hình đường trục(c) Cấu hình cây(d) Cấu hình phân đoạn5.2.2 Mã hóa Manchester Để đầu thu dữ liệu có thể phân biệt được chính xác thời điểm bắt đầu, kết thúc và điểm giữa của bit dữ liệu mà không cần đối chiếu với một đồng hồ chuẩn bên ngoài, người ta đưa ra 2 phương thức mã hóa là Mã hóa Manchester và mã hóa Manchester vi sai.Với mã hóa Manchester, thời gian tồn tại của mỗi bit được chia thành 2 phần bằng nhau. Bit 1 được gửi đi bằng ½ mức cao và ½ mức thấp. Phương pháp này cho phép đầu thu phân biệt được điểm giữa của tín hiệu nên dễ dàng đồng bộ với đầu phát. Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi băng thông phải rộng gấp đôi vì độ rộng của xung bị chia đôi.5.2.1 Kết nối vật lý mạng EthernetMã hóa Manchester vi sai dựa trên nền tảng của mã hóa Manchester nhưng nó biểu thị bit 1 bằng sự đồng mức tại điểm bắt đầu của xung bit và ngược lại cho trường hợp bit 0. Phương pháp này đòi hỏi các thiết bị tương ứng có độ phức tạp cao hơn nhưng ít lỗi hơn.Tất cả các mạng Ethernet đều dùng phương pháp mã hóa Manchester vì tính đơn giản của nó.5.2.3 Giao thức lớp MAC của mạng EthernetCấu trúc khung cơ bản của lớp này được biểu thị trong hình vẽ sau:Phần mào đầu (Preamble): 8 byte, chứa chuỗi bit 10101010. Mã hóa Manchester của chuỗi bit này tạo ra chuỗi xung vuông 10MHz có độ rộng xung là 6.4 µsec, cho phép đầu thu đồng bộ với đầu phát. Trường địa chỉ: một chứa địa chỉ đích và một chứa địa chỉ nguồn với kích thước là 2 byte và 6 byte. Đối với mạng 10Mbps băng gốc chỉ sử dụng trường địa chỉ 6 byte. Bit có trọng số cao nhất của trường địa chỉ đích có giá trị 0 đối với trường hợp bình thường, và có giá trị 1 đối với trường hợp địa chỉ nhóm. Địa chỉ nhóm cho phép nhiều trạm có thể trao đổi dữ liệu với một trạm. Khi một khung dữ liệu gửi đến nhóm địa chỉ, tất cả các trạm có thể nhận được khung dữ liệu này. Việc gửi dữ liệu đến một nhóm các máy trạm được gọi là multicast. Trường hợp phát quảng bá, trường địa chỉ chứa toàn bit 1. Một khung chứa toàn bit 1 ở trường địa chỉ đích sẽ được tất cả các trạm trên mạng nhận.Trường Kiểu (Type): đầu thu căn cứ vào trường này để xử lý khung dữ liệu. Các giao thức lớp mạng có thể cùng một lúc được sử dụng trên cùng một máy trạm, vì vậy khi khung dữ liệu Ethernet đến, máy trạm phải xác định được đâu là khung cần được xử lý. Trường Type xác định tiến trình làm việc với khung dữ liệu.5.2.3 Giao thức lớp MAC của mạng EthernetTrường dữ liệu (Data): có kích thước tới 1500 byte. Giới hạn này ban đầu được dựa vào dung lượng RAM cần thiết để chứa toàn bộ khung dữ liệu và dung lượng RAM này có chi phí tương đối lớn tại thời điểm đó (1978).Trường Pad: Khi trường dữ liệu là 0 byte, trường Pad sẽ được gắn thêm vào để kích thước khung dữ liệu tối thiểu là 64 byte, là khung chuẩn của Ethernet. Điều này sẽ làm cho Ethernet dễ dàng phân biệt được khung dữ liệu đúng với các dữ liệu rác.Trường Checksum: sử dụng mã băm 32-bit dữ liệu. Nếu dữ liệu thu được bị lỗi, trường checksum sẽ cho giá trị sai và tiến hành dò lỗi. Thuật toán kiểm tra tổng (checksum) thực chất là kiểm dư vòng (CRC), nó chỉ có tác dụng dò lỗi, chứ không có tác dụng sửa lỗi 5.2.4 Thuật toán quay về theo hàm mũ nhị phânXét trường hợp xảy ra xung đột, lần xung đột thứ nhất, mỗi trạm sẽ đợi 0 hoặc 1 khe thời gian trước khi phát lại. Nếu 2 trạm có xung đột và mỗi trạm đợi một thời gian ngẫu nhiên, thì chúng sẽ lại xung đột. Sau lần xung đột thứ 2, mỗi trạm sẽ đợi một khoảng thời gian ứng với 0,1,2 hoặc 3 khe thời gian ngẫu nhiên. Nếu xung đột lần thứ 3 xảy ra (xác suất là 0.25), lúc đó số khe thời gian phải đợi được chọn ngẫu nhiên trong khoảng từ 0 đến 23 –1.Một cách tổng quát, sau i lần xung đột, số khe thời gian phải đợi được chọn ngẫu nhiên trong khoảng từ 0 đến 2i-1. Như vậy, sau 10 lần xung đột, số khe thời gian phải đợi lên đến 1023 khe. Sau 16 lần xung đột, máy trạm sẽ được thông báo lỗi 5.2.4 Thuật toán quay về theo hàm mũ nhị phânThuật toán này được gọi là thuật toán quay về theo hàm mũ nhị phân. Nếu khoảng thời gian ngẫu nhiên được chọn cho tất cả các xung đột là 1023 thì xác suất xung đột xảy ra lần thứ 2 giữa 2 trạm không đáng kể, nhưng thời gian đợi của mỗi trạm sẽ rất dài, dẫn đến trễ tín hiệu. Ngược lại, nếu thời gian đợi được rút ngắn lại thì xác suất xảy ra xung đột lại tăng lên. Bằng cách tìm ra một số ngẫu nhiên tăng theo hàm mũ khi các xung đột xảy ra liên tiếp, thuật toán sẽ xác định được số ngẫu nhiên cho độ trễ thấp khi chỉ có ít trạm và giải quyết được vấn đề xung đột khi có nhiều trạm với khoảng đợi phù hợp 5.2.5 Chuyển mạch Ethernet Khi có nhiều trạm kết nối vào mạng Ethernet, lưu lượng sẽ tăng đột ngột, mạng trở nên quá tải. Có thể giải quyết vấn đề này khi nâng cao băng thông của mạng, từ 10Mbps lên 100Mbps hoặc lớn hơn. Tuy nhiên, với nhu cầu về đa phương tiện hiện nay, dung lượng này cũng không đáp ứng đủ.Một kỹ thuật được ứng dụng để có thể khắc phục được vấn đề tăng cao của tải tin là: chuyển mạch Ethernet, như minh họa ở Hình 5-14. Cốt lõi của hệ thống này là một bộ chuyển mạch tốc độ cao thường có từ 4 đến 32 card giao tiếp đầu vào, mỗi card chứa từ 1 đến 8 đầu nối (connector). Mỗi connector nối một cổng 10Base-T với máy tính.5.2.5 Chuyển mạch EthernetKhi một trạm muốn truyền khung dữ liệu Ethernet, nó chuyển khung này đến bộ chuyển mạch. Card giao tiếp sẽ nhận khung dữ liệu và kiểm tra trạm đích truyền dữliệu có ở cùng card hay không. Nếu kết quả kiểm tra đúng thì khung dữ liệu sẽ được chuyển mạch tại đây. Nếu không đúng, khung dữ liệu sẽ được gửi đến máy trạm đích thông qua bộ chuyển mạch tốc độ cao hoạt động với giao thức thích hợp. 5.2.6 Fast Ethernet Tháng 6 /1995, IEEE thông qua chuẩn Fast Ethernet 802.3u, được xem như là phần bổ sung của chuẩn 802, chuẩn này qui định về mạng Fast Ethernet như sau: Giữ nguyên cấu trúc khung dữ liệu, các giao diện và thủ tục của Ethernet, nhưng độ dài của 1 bit từ 100ns giảm xuống còn 10ns. Về mặt kỹ thuật, vẫn có thể tạo bản sao của 10Base-5 hoặc 10Base-2 và dò tìm xung đột bằng cách giảm độ dài cáp tối đa xuống 10 lần. Trên thực tế, tất cả các hệ thống Fast Ethernet xử lý vấn đề này bằng cách sử dụng Hub hoặc Bộ chuyển mạch (Switch) với nhiều đầu cáp nối. 5.2.6 Fast EthernetMột vấn đề nảy sinh đến từ tốc độ mà các loại cáp có khả năng truyền dẫn. Hầu hết các công ty trước đó đều sử dụng cáp loại xoắn đôi Cat 3 với chiều dài tối đa khoảng 100m, nếu loại cáp này đáp ứng được các yêu cầu của Fast Ethernet thì không cần thiết phải thay thế và rất thuận lợi. Tuy nhiên, một nhược điểm của cáp xoắn đôi Cat 3 là nó không có khả năng mang được dung lượng 200Mbaud (100Mpbs theo mã hóa Manchester) với chiều dài cáp 100m. Trong khi đó, vấn đề này hoàn toàn đơn giản đối với cáp xoắn đôi loại Cat 5 và cáp quang. Vì vậy, sẽ có 3 giải pháp lựa chọn cáp cho Fast Ethernet TênLoại cápChiều dàitối đaĐặc điểm100Base-T4Cáp xoắn đôi100mCat3 UTP100Base-TXCáp xoắn đôi100mTruyền song công ở 100Mbps, Cat 5 UTP100Base-FXCáp quang2000mTruyền song công ở 100Mbps5.2.6 Fast EthernetĐối với 100Base-T4, sử dụng ở tần số 25Mhz, chỉ nhanh hơn 25% đối với Ethernet chuẩn. Để đạt được băng thông cần thiết, 100Base-T phải sử dụng 4 đôi cáp xoắn. Một đôi nối tới Hub, một đôi nối đến máy tính, 2 đôi còn lại sử dụng cho truyền dữ liệu tùy thuộc vào hướng truyền. Ở trường hợp này, người ta không sử dụng mã Manchester, mà sử dụng tín hiệu có bậc 3, có thể là 0, 1 hoặc 2. Với 3 cặp dây truyền dữ liệu cùng hướng và tín hiệu 3 bậc thì sẽ có 27 mức tín hiệu đại diện cho 4 bit tín hiệu được truyền đi (một số mức còn dư). Kết quả truyền 4 bit tín hiệu với tần số là 25MHz sẽ đáp ứng được tốc độ dữ liệu là 100Mbps Đối với 100Base-TX, sử dụng cáp xoắn đôi Cat5 thì đơn giản hơn vì loại cáp này có thể hoạt động ở tần số là 125MHz. Chỉ cần sử dụng 2 đôi cáp xoắn, một đôi phát và một đôi thu tín hiệu, với mã nhị phân 4B/5B. Mười sáu tổ hợp được truyền đi tương ứng với nhóm 4 bit dữ liệu 0000, 0001,...., 1111. Các tổ hợp còn trống được dùng vào mục đích điều khiển. Các tổ hợp được chọn sao cho có thể khôi phục đồng hồ để đồng bộ dữ liệu. Hệ thống 100Base-TX là một hệ thống truyền song công, các trạm có thể phát và thu cùng một lúc ở tốc độ 100Mbps. Đối với 100Base-FX, sử dụng cáp quang đa mode 2sợi cáp, mỗi sợi cho mỗi hướng với tốc độ 100Mbps. Khoảng cách giữa các trạm có thể lớn hơn 2km 5.2.6 Fast Ethernet5.2.7 Gigabit EthernetNăm 1998, IEEE thông qua chuẩn 802.3z được gọi là chuẩn Gigabit Ethernet. Tiêu chí của 802.3z cũng giống như chuẩn 802.3u: nâng băng thông của mạng Ethernet lên gấp 10 lần nhưng vẫn tương thích với các phiên bản của Ethernet cũ. Đặc biệt, Gigabit Ethernet đưa ra dịch vụ gói dữ liệu không xác thực đối với trường hợp phát unicast và multicast, sử dụng địa chỉ 48-bit với cấu trúc khung không thay đổi. Tất cả cấu hình của Gigabit Ethernet đều là điểm-nối-điểm, không phải là đa điểm như mạng Ethernet 10Mbps truyền thống. Cấu hình đơn giản nhất của Gigabit Ethernet, được minh họa ở Hình 5-15 (a), chỉ có 2 máy tính nối trực tiếp với nhau. Đối với trường hợp nhiều máy tính, người ta sử dụng các bộ chuyển mạch và Hub để kết nối đến các máy tính [Hình 5-15(b)]. Ở cả hai cấu hình, mỗi sợi cáp Ethernet chỉ nối 2 thiết bị mạng. 5.2.7 Gigabit Ethernet5.2.7 Gigabit EthernetMạng Gigabit Ethernet hỗ trợ 2 phương thức truyền dữ liệu:Truyền song công (full-duplex): đây là phương thức sử dụng phổ biến, cho phép truyền dữ liệu cả 2 chiều cùng một lúc thông qua một bộ chuyển mạch trung tâm. Ở phương thức này, tất cả các đường truyền dữ liệu đều có bộ đệm để mỗi máy tính và bộ chuyển mạch có thể gửi dữ liệu bất kỳ lúc nào. Máy tính không cần phải cảm nhận để tranh chấp kênh truyền khi gửi dữ liệu. Trên kênh truyền từ bộ chuyển mạch đến máy tính, máy tính lúc nào cũng có khả năng gửi dữ liệu lên kênh, ngay cả khi bộ chuyển mạch phát dữ liệu đến máy tính. Do đó, không thể xảy ra xung đột và cũng không cần sử dụng giao thức CSMA/CD. Độ dài tối đa của cáp được xác định bằng cường độ tín hiệu truyền trên cáp chứ không phụ thuộc vào tín hiệu phản xạ trong cáp ở trường hợp xuất hiện nhiễu.5.2.7 Gigabit EthernetTruyền đơn công (half-duplex): thường được sử dụng khi máy tính nối với hub. Luồng dữ liệu không đi qua bộ đệm mà tất cả các kênh truyền bên trong được nối với nhau như trong mạng Ethernet truyền thống. Đối với phương thức này, sẽ có khả năng xảy ra xung đột trên mạng, nên giao thức CSMA/CD vẫn được sử dụng. Vì kích thước của khung dữ liệu lớn gấp 100 lần so với mạng Ethernet truyền thống nên chiều dài tối đa của cáp truyền sẽ giảm xuống 100 lần, khoảng 25m.5.2.7 Gigabit EthernetỦy ban tiêu chuẩn 802.3z cho rằng chiều dài tối đa của cáp 25m là một điểm bất lợi và bổ sung thêm 2 thuộc tính để tăng chiều dài cáp như sau:Mở rộng sóng mang: điều khiển phần cứng cho phép thêm vào phần phụ (padding) sau mỗi khung để mở rộng kích thước khung lên 512 byte. Do phần bổ sung này được thêm và loại bỏ vào bởi phần cứng ở đầu phát và đầu thu, phần mềm không quan tâm đến điều này, nên không có thay đổi gì về mặt phần mềm. Tuy nhiên, sử dụng kích thước 512 byte để truyền đi 64 byte dữ liệu làm cho hiệu suất sử dụng kênh truyền chỉ đạt 9%.Truyền khung liên kết (bursting): cho phép đầu phát nối một chuỗi khung dữ liệu và phát trên cùng một kênh truyền. Nếu sau khi nối các khungmà kích thước vẫn nhỏ hơn 512 byte thì phần cứng sẽ bổ sung thêm, nếu kích thước khung đủ thì phương thức này sẽ cho hiệu suất cao hơn và được sử dụng nhiều hơn so với phương thức mở rộng sóng mang. Thuộc tính này cho phép mở rộng chiều dài tối đa của cáp lên 200m, đáp ứng được yêu cầu về lắp đặt mạng. 5.2.7 Gigabit EthernetMạng Gigabit Ethernet hỗ trợ cả cáp đồng và cáp quang, như mô tả ở Bảng 5-3. Hai bước sóng được sử dụng là 0.85 mm và 1.3 mm. TênLoại cápChiều dàitối đaƯu điểm1000Base-SXCáp quang550mĐa mode (50, 62.5 microns)1000Base-LXCáp quang5000mĐơn mode (10m) hoặc đa mode (50, 62.5m)1000Base-CX2 đôi cáp STP25mSTP1000Base-T4 đôi cáp UTP100mUTP Cat 55.2.7 Gigabit EthernetCó 3 loại cáp quang với các đường kính tương ứng được sử dụng: 10mm, 50mm và 65.5 mm.Loại đầu tiên dành cho đơn mode, 2 loại sau dành cho đa mode. Trong đó, loại 5000m chỉ sử dụng loại cáp quang có kích thước 10 mm hoạt động ở bước sóng 1.3 mm. Mặc dù có chi phí cao nhưng nó phù hợp với các mạng đường trục.1000Base-CX sử dụng loại cáp xoắn đôi có vỏ bọc STP. Loại này thường ít được sử dụng. Tương tự, loại cáp Cat5 UTP cũng ít được sử dụng trừ trường hợp người sử dụng quan tâm đến giá thành rẻ.5.2.7 Gigabit EthernetGigabit Ethernet sử dụng qui tắc mã hóa mới đối với sợi quang. Mã hóa Manchester ở 1Gbps sẽ cần đến 2Gbaud rất phức tạp và lãng phí băng thông. Thay vào đó người ta dùng mã hóa 8B/10B cho kênh sợi quang. Mỗi byte 8-bit sẽ được mã hóa bằng 10 bit. Như vậy sẽ có 1024 từ mã ở đầu ra cho mỗi byte dữ liệu vào.Đối với Gigabit Ethernet sử dụng 1000Base-T sẽ có luật mã hóa khác vì khó áp dụng xung đồng hồ có độ rộng 1ns trên cáp đồng. Người ta sử dụng 4 cặp cáp xoắn đôi Cat5 để truyền 4 tín hiệu đồng thời. Mỗi tín hiệu được mã hóa bằng 5 mức điện áp. Phương pháp này cho phép một tín hiệu sẽ được mã hóa thành các giá trị 00, 01, 10, 11 hoặc các giá trị điều khiển đặc biệt. Như vậy sẽ có 2 bit dữ liệu trên một cặp cáp hoặc 8 bit dữ liệu ứng với 1 xung đồng hồ. Với tín hiệu đồng hồ hoạt động ở 125MHz sẽ cho tốc độ dữ liệu là 1Gbps. 5.2.8 Chuẩn IEEE 802.2: Điều khiển liên kết logic (LLC) Ở chương trước, chúng ta đã khảo sát hai máy tính truyền dữ liệu với nhau trên đường truyền, đảm bảo độ tin cậy về dữ liệu bằng cách sử dụng các giao thức liên kết dữ liệu khác nhau. Các giao thức này cung cấp các dịch vụ kiểm soát lỗi (sử dụng xác thực dữ liệu) và điều khiển luồng (sử dụng cửa sổ trượt).Trong phần này, chúng ta sẽ đề cập đến mạng Ethernet và họ giao thức 802 liên quan đến dịch vụ gói dữ liệu. Dĩ nhiên, trong hệ thống này người ta cũng mong muốn có cả cơ chế liên kết dữ liệu có kiểm soát lỗi và điều khiển luồng. IEEE định nghĩa một giao thức hoạt động ở lớp trên cùng của Ethernet và các giao thức 802 khác, đó chính là giao thức Điều khiển liên kết logic (LLC). Giao thức này sẽ làm ẩn đi sự khác nhau giữa nhiều loại mạng theo chuẩn 802 bằng cách cung cấp chỉ một định dạng và giao diện với Lớp mạng. Lớp LLC này nằm ở nửa trên của Lớp Liên kết dữ liệu, dưới đó là lớp MAC (Hình 5-16).5.2.8 Chuẩn IEEE 802.2: Điều khiển liên kết logic (LLC)Hoạt động của LLC như sau:Lớp Mạng của máy gửi dữ liệu, gửi gói dữ liệu đến lớp LLC bằng cách sử dụng các lệnh truy cập dữ liệu cơ bản (lệnh gốc) của LLC. Sau khi nhận được dữ liệu, lớp LLC sẽ gắn thêm phần mào đầu, sau đó gói dữ liệu này sẽ được chèn vào trường tải tin của cấu trúc khung dữ liệu 802 và truyền đi. Tại đầu thu, quá trình sẽ diễn ra theo chiều ngược lại.LLC cho phép lựa chọn 3 dịch vụ sau: dịch vụ truyền dữ liệu không xác thực, dịch vụ truyền dữ liệu có xác thực và dịch vụ dữ liệu có kết nối-có xác thực. Phần mào đầu của LLC gồm có 3 trường dữ liệu: điểm truy cập đích, điểm truy cập nguồn và trường điều khiển. Các trường dữ liệu về điểm truy cập cho phép xác định các khung dữ liệu đến từ tiến trình nào và nơi dữ liệu sẽ được gửi đi 5.2.9 Đánh giá mạng EthernetMạng Ethernet đã phát triển hàng chục năm nay và sẽ còn tiếp tục được sử dụng trong tương lai với nhiều ưu điểm vượt trội so với các loại mạng khác. Sở dĩ mạng Ethernet tồn tại, phát triển và được sử dụng rộng rãi do có các ưu điểm sau:Mạng Ethernet đơn giản và có độ linh hoạt cao: điều này được thể hiện qua 3 đặc điểm là độ tin cậy, hiệu quả kinh tế và dễ vận hành bảo dưỡng. Khi đầu nối loại mới (vampire tap) thay thế đầu nối BNC, các sự cố về kết nối hầu như được khắc phục. Các loại cáp dùng để nối mạng Ethernet cũng như card giao tiếp mạng tương đối rẻ tiền. Chỉ khi sử dụng các bộ chuyển mạch và hub thì chi phí lắp đặt mạng tăng lên nhưng không phải là quá lớn. 5.2.9 Đánh giá mạng EthernetMạng Ethernet được xem là dễ vận hành bảo dưỡng vì không cần phải cài đặt phần mềm điều khiển và cũng không cần quản lý bảng cấu hình mạng. Chính vì vậy, việc thêm vào một trạm mới trong mạng hoàn toàn đơn giản, chỉ việc lắp đặt thêm vào.Mạng Ethernet dễ dàng tương thích với giao thức TCP/IP, là một giao thức đang được sử dụng phổ biến hiện nay. IP là một giao thức truyền dữ liệu không kết nối, nó hoàn toàn phù hợp với Ethernet, một kiến trúc mạng hỗ trợ không kết nối.Ethernet có khả năng đáp ứng được nhu cầu về phát triển mạng. Tốc độ của mạng Ethernet được cải thiện qua từng cấp độ cùng với sự kết hợp của các bộ chuyển mạch và hub mà không cần thay đổi về phần mềm. Tốc độ của mạng Ethernet có thể so sánh được với các mạng như FDDI, mạng cáp quang, ATM nhưng lại đơn giản và dễ quản lý.5.3 Mạng không dây5.3.1 Mạng LAN không dây5.3.2 Mạng băng rộng không dây 5.3.1 Mạng LAN không dây Mạng LAN không dây hoạt động theo 2 cấu hình: có sử dụng trạm gốc và không sử dụng trạm gốc. Vì vậy, chuẩn 802.11 cho mạng LAN không dây đề cập đến cả 2 trường hợp này. Chúng ta sẽ lần lượt khảo sát chồng giao thức, các kỹ thuật truyền vô tuyến ở lớp vật lý, giao thức lớp MAC, cấu trúc khung và các dịch vụ của 2 trường hợp trên.5.3.1.1 Chồng giao thức 802.11Năm 1997, chuẩn 802.11 xác định 3 kỹ thuật truyền dẫn ở lớp vật lý cho mạng không dây:Kỹ thuật hồng ngoại: tương tự như bộ điều khiển từ xa các thiết bị điện tử.FHSS và DSSS: sử dụng sóng ngắn, băng tần 2.4 GHz ISM. Tất cả các kỹ thuật này đều có tốc độ dữ liệu 1 hoặc 2Mbps, và công suất thấp nên không xung đột lẫn nhau 5.3.1.2 Lớp Vật lý 802.11 Các kỹ thuật nêu trên đều có khả năng truyền khung dữ liệu MAC từ máy trạm này đến máy trạm khác. Tuy nhiên, chúng khác nhau về công nghệ và tốc độ dữ liệu.Kỹ thuật hồng ngoại: truyền dữ liệu ở bước sóng 0.85 mm và 0.95 mm. Tốc độ dữ liệu là 1Mbps và 2Mbps. Ở tốc độ dữ liệu là 1Mbps, sử dụng kỹ thuật mã hóa với từ mã 16-bit để mã hóa 4-bit dữ liệu, được gọi là mã Gray. Ở tốc độ 2Mbps, sử dụng từ mã 4-bit để mã hóa 2 bit dữ liệu, bao gồm 0000, 0010, 0100, 1000.Tín hiệu hồng ngoại không thể truyền xuyên qua tường, vì vậy trạm phát ở khu vực này không thể phát tín hiệu cho khu vực khác. Mặt khác, do băng thông hẹp nên kỹ thuật này ít được sử dụng. 5.3.1.2 Lớp Vật lý 802.11Kỹ thuật FSSS (Frequency Hopping Spread Spectrum): sử dụng 79 kênh truyền, mỗi kênh có băng thông là 1MHz, bắt đầu ở tần số thấp nhất của dải băng 2.4 GHz ISM. Một bộ tạo số giả ngẫu nhiên dùng để tạo các bước nhảy tần số liên tiếp nhau. Các trạm đều sử dụng cùng số giả ngẫu nhiên và đồng bộ với nhau nên chúng sẽ đồng thời nhảy đến cùng tần số với nhau. Khoảng thời gian đều đặn ở mỗi tần số là một thông số có thể điều chỉnh được nhưng phải nhỏ hơn 400ns. Kỹ thuật này còn cung cấp một cơ chế bảo mật vì người xâm nhập trái phép không thể biết được bước nhảy tần số hoặc khoảng thời gian ở mỗi tần số. Hạn chế của kỹ thuật này là băng thông hẹp.Kỹ thuật DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum): kỹ thuật này cũng giới hạn băng thông ở 1 đến 2 Mbps. Mỗi bit được truyền tương ứng với 11 phần tử, được gọi là chỗi Barker. Kỹ thuật này sử dụng điều chế dịch pha ở tốc độ 1Mbaud, truyền 1 bit/baud nếu hoạt động ở tốc độ dữ liệu 1Mbps và truyền 1bit/baud nếu hoạt động ở tốc độ dữ liệu 2Mbps. 5.3.1.2 Lớp Vật lý 802.11- Kỹ thuật OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing): đây là kỹ thuật mạng LAN không dây tốc độ cao, tương ứng với chuẩn 802.11a, sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao, với tốc độ dữ liệu lên đến 54Mbps ở băng tần 5GHz ISM. Nó sử dụng 52 tần số khác nhau trong đó 48 kênh dành cho dữ liệu và 4 kênh dành cho đồng bộ. Việc cắt tín hiệu thành các dải băng hẹp có nhiều thuận lợi, hạn chế được nhiễu và khả năng sử dụng được các dải băng không liên kề nhau. Kỹ thuật này cho hiệu suất sử dụng phổ tần số cao và hạn chế được hiện tượng giảm âm (fading).- Kỹ thuật HR-DSSS (High-Rate Direct Sequence Spread Spectrum): kỹ thuật trải phổ dãy trực tiếp tốc độ cao, sử dụng 11 triệu mẫu/giây để điều chế dữ liệu ở tốc độ 11Mbps, băng tần 2.4GHz, tương ứng với chuẩn 802.11b. Trên thực tế, chuẩn 802.11b hỗ trợ các tốc độ 1, 2, 5.5 và 11Mbps. Trong đó, hai tốc độ dữ liệu thấp hoạt động ở 1 Mbaud, tương ứng với 1 hoặc 2 bit/baud, sử dụng điều chế dịch pha. Hai tốc độ dữ liệu cao hơn hoạt động ở 1.375Mbaud, tương ứng với 4 hoặc 8 bit/baud, sử dụng mã Walsh/Hadamard. Tốc độ dữ liệu được điều chỉnh tự động trong quá trình hoạt động để đạt được tốc độ tối ưu tùy thuộc vào tải tin và nhiễu. Trên thực tế, tốc độ dữ liệu của 802.11b thường là 11Mbps. 5.3.1.3 Giao thức lớp MAC 802.11Giao thức lớp MAC của mạng không dây khác với mạng Ethernet do tính phức tạp của môi trường không dây. Để minh họa điều này, chúng ta xét sự cố trạm ẩn như trong hình vẽ 5-18.Vì không phải tất cả các trạm đều nằm trong vùng phủ sóng của các trạm khác, do đó việc truyền dữ liệu từ trạm này đến trạm khác trong cùng một vùng có thể không thực hiện được. Ví dụ trạm C đang truyền dữ liệu đến B. Nếu A cảm nhận kênh truyền, nó sẽ không phát hiện được kênh truyền bận và cho ra quyết định truyền dữ liệu đến B. 5.3.1.3 Giao thức lớp MAC 802.11Trong trường hợp B muốn truyền dữ liệu đến C và lắng nghe kênh truyền. Trong khi đó A có thể đang truyền dữ liệu đến D (không có trong hình vẽ). Như vậy, B sẽ cảm nhận kênh truyền đang bận và quyết định không truyền dữ liệu đến C. Hơn nữa, kênh truyền vô tuyến thường là đơn công (half-duplex) nên các máy trạm không thể đồng thời phát dữ liệu và lắng nghe kênh truyền trên cùng một tần số 5.3.1.3 Giao thức lớp MAC 802.11Từ các ví dụ trên ta thấy, chuẩn 802.11 không thể dùng giao thức CSMA/CD như mạng Ethernet được.Để khắc phục vấn đề này, chuẩn 802.11 hỗ trợ 2 phương thức hoạt động:DCF (Distributed Coordination Function: hàm kết hợp phân tán): không sử dụng điều khiển trung tâmPCF (Point Coordination Function: Hàm kết hợp điểm) sử dụng trạm gốc để điều khiển mọi hoạt động trong tế bào (cell).5.3.1.3 Giao thức lớp MAC 802.11* DCFDCF tương ứng với chuẩn 802.11, sử dụng giao thức CSMA/CA (CSMA tránh xung đột) để điều khiển kênh truyền. Giao thức này sử dụng phương pháp cảm nhận kênh truyền vật lý lẫn kênh truyền ảo. CSMA/CD hỗ trợ 2 phương thức hoạt động:Ở phương thức thứ nhất, khi một trạm muốn truyền dữ liệu, nó cảm nhận kênh truyền, nếu kênh truyền rỗi, nó bắt đầu phát dữ liệu. Trong quá trình truyền dữ liệu nó không cảm nhận kênh truyền mà phát toàn bộ khung dữ liệu, không biết được tình trạng của khung dữ liệu tại đầu thu như thế nào. Nếu kênh truyền bận, máy trạm sẽ đợi cho đến khi kênh truyền rỗi. Nếu xảy ra xung đột, máy trạm bị xung đột sẽ đợi trong một khoảng thời gian ngẫu nhiên, sử dụng thuật toán qui hồi theo mũ nhị phân của mạng Ethernet.5.3.1.3 Giao thức lớp MAC 802.11Phương thức thứ 2, CSMA/CD hoạt động dựa vào giao thức MACAW, cảm nhận kênh truyền ảo, như minh họa ở hình 5-19. Trong sơ đồ này, giả sử A muốn gửi dữ liệu đến B, C là trạm nằm trong phạm vi phủ sóng của A (có thể nằm trong phạm vi phủ sóng của B), D là trạm nằm trong phạm vi phủ sóng của B nhưng không nằm trong phạm vi phủ sóng của A.5.3.1.3 Giao thức lớp MAC 802.11Khi A quyết định gửi dữ liệu đến B, nó bắt đầu gửi tín hiệu RTS đến B để yêu cầu B chấp nhận khung dữ liệu. Khi B chấp nhận yêu cầu, nó gửi tín hiệu CTS cho A. Lúc đó A bắt đầu gửi dữ liệu và khởi động bộ đếm ACK. Khi đã nhận xong dữ liệu, B gửi tín hiệu ACK cho A để kết thúc phiên nhận dữ liệu. Nếu bộ đếm ACK của A quá hạn trước khi nhận được tín hiệu ACK trở về, toàn bộ quá trình sẽ được lặp lại.Trong khi đó, do C nằm trong phạm vi phủ sóng của A nên nó có thể nhận được tín hiệu RTS và xác định có một máy trạm đang muốn truyền dữ liệu và tạm ngưng việc truyền dữ liệu cho đến khi kết thúc phiên truyền. Từ thông tin nhận được ở tín hiệu RTS, thậm chí cả tín hiệu kết thúc ACK, nó sẽ dự đoán được khoảng thời gian kênh truyền bận cho chính nó và biểu thị bằng tín hiệu NAV (Network Allocation Vector) như minh họa ở Hình 5-20. D không nhận được tín hiệu RTS nhưng nhận được tín hiệu CTS, nó cũng xác định được tín hiệu NAV cho chính nó 5.3.1.3 Giao thức lớp MAC 802.11Để khắc phục vấn đề về kênh truyền có mật độ sử dụng lớn, 802.11 cắt khung truyền thành nhiều đoạn nhỏ có gắn thêm trường kiểm tra lỗi (checksum). Các đoạn dữ liệu này được đánh số thứ tự và xác thực bằng giao thức dừng – đợi (stop-and-wait). Khi chiếm được kênh truyền, các đoạn dữ liệu này được gửi tuần tự thành từng nhóm (burst) 5.3.1.3 Giao thức lớp MAC 802.11PCFỞ phương thức này, trạm gốc sẽ kiểm tra vòng các trạm gốc khác bằng cách hỏi các trạm khác có truyền dữ liệu hay không. Do kiểm soát được thứ tự truyền dữ liệu giữa các trạm gốc nên không xảy ra hiện tượng xung đột.Cơ chế của phương thức này là cho các trạm gốc phát quảng bá (broadcast) một khung dữ liệu làm nhiệm vụ báo hiệu có chu kỳ (10 đến 100 lần/giây). Khung dữ liệu này chứa các thông số của hệ thống như tần số nhảy và thời gian dừng (đối với FHSS), xung đồng bộ, ...Nó còn mời các trạm khác tham gia vào tiến trình kiểm tra vòng. Khi một trạm đăng ký vào tiến trình kiểm tra vòng ở một tốc độ nào đó, nó phải đảm bảo được hiệu quả sử dụng băng thông, hay là chất lượng của dịch vụ. 5.3.1.3 Giao thức lớp MAC 802.11Cả 2 phương thức PCF và DCF có thể cùng hoạt động trong một tế bào (cell) bằng cách qui định khoảng thời gian giữa các khung dữ liệu. Sau khi khung được gửi đi, các trạm trước khi tiếp tục gửi dữ liệu phải đợi một khoảng thời gian gọi là khoảng thời gian “chết” (dead time). Có 4 loại khoảng thời gian chết như minh họa ở hình vẽ. 5.3.1.4 Cấu trúc khung 802.11Chuẩn 802.11 định nghĩa 3 loại khung dữ liệu trên đường truyền: tải tin, dữ liệu điều khiển và dữ liệu quản lý. Mỗi loại khung dữ liệu có một phần mào đầu riêng gồm nhiều trường trong lớp MAC tương ứng. Định dạng khung dữ liệu của 802.11 được mô tả ở Hình 5-22, với các trường dữ liệu như sau:5.3.1.3 Giao thức lớp MAC 802.11- Trường Điều khiển (Frame Control): có 11 trường con.+ Trường Phiên bản giao thức (Protocol Version): cho phép 2 phiên bản của giao thức có thể hoạt động đồng thời trong cùng một tế bào (cell).+ Trường kiểu (type): phân biệt dữ liệu là tải tin, dữ liệu điều khiển hay quản lý.+ Trường kiểu con (subtype): chứa các tín hiệu như RTS, CTS.+ Trường “To DS” và “From DS” (1 bit) biểu thị khung dữ liệu đi hoặc đến từ các hệ thống khác (như Ethernet). 5.3.1.3 Giao thức lớp MAC 802.11+ Trường MF: biểu thị có nhiều đoạn dữ liệu.+ Trường Retry: biểu thị khung phát lại.+ Trường Pwr: được trạm gốc sử dụng để điều khiển bộ thu vô tuyến vào trạng thái ngừng hoạt động (sleep) hoặc kích hoạt lại nó.+ Trường More: biểu thị đầu phát sẽ gửi thêm khung dữ liệu cho đầu thu.+ Trường W: biểu thị dữ liệu trong khung được mã hóa bằng thuật toán WEP (Wired Equivalent Private).+ Trường O: thông báo cho đầu thu biết phải xử lý khung dữ liệu theo một trật tự nhất định.5.3.1.3 Giao thức lớp MAC 802.11- Trường độ dài thời gian (duration): chỉ ra độ dài thời gian của khung dữ liệu và khoảng thời gian xác thực của nó trên kênh truyền.- Trường địa chỉ (4 trường): trong đó, 2 trường chứa địa chỉ nguồn và đích, 2 trường chứa địa chỉ nguồn và đích của trạm gốc khi truyền dữ liệu qua các trạm gốc của tế bào khác 5.3.1.3 Giao thức lớp MAC 802.11- Trường thứ tự (Sequence): gồm 16 bit, dùng để đánh số khung và phân đoạn dữ liệu. 12 bit dùng cho khung và 4 bit dùng cho phân đoạn dữ liệu.- Trường dữ liệu (data): chứa tải tin, có kích thước lên đến 2312 byte.- Trường Checksum: kiểm tra lỗi.Khung dữ liệu quản lý có cấu trúc tương tự khung dữ liệu tải tin nhưng không có trường địa chỉ của trạm gốc vì khung này chỉ sử dụng trong cùng một tế bào.Khung dữ liệu điều khiển có kích thước nhỏ hơn, chỉ có 1 hoặc 2 trường địa chỉ, không có trường tải tin (data) và trường kiểm tra lỗi. Chỉ sử dụng trường Subtype với các tín hiệu như RTS, CTS hoặc ACK.5.3.1.5 Các dịch vụ của mạng LAN không dâyTheo chuẩn 802.11, mỗi mạng LAN không dây phải cung cấp được 9 dịch vụ, được chia thành 2 loại: 5 dịch vụ phân tán và 4 dịch vụ trạm. Các dịch vụ phân tán liên quan đến việc quản lý các thành viên trong tế bào và tương tác với các trạm bên ngoài tế bào. Trong khi đó, các dịch vụ trạm liên quan đến các họat động bên trong của một tế bào.5.3.1.5 Các dịch vụ của mạng LAN không dâya- Các dịch vụ phân tánCác dịch vụ này được cung cấp bởi các trạm gốc để xử lý các trạm khi chúng di động như khi một trạm đi vào hoặc ra khỏi tế bào, gắn kết chúng vào trạm gốc hoặc tách khỏi trạm gốc. Bao gồm các dịch vụ sau:Kết hợp: Dịch vụ này sử dụng bởi máy trạm di động khi cần kết nối với trạm gốcGiải kết hợp: Cắt kết hợp giữa trạm gốc với máy trạm di độngTái kết hợp: Sử dụng trong trường hợp một trạm di động từ tế bào này sang tế bào khác để thay đổi trạm gốc.Phân tán: Dịch vụ này cho phép xác định tuyến đi của khung dữ liệu đến trạm gốc.Tích hợp : Dịch vụ này chuyển cấu trúc khung dữ liệu 802.11 sang cấu trúc khung khác khi khung dữ liệu được truyền từ mạng 802.11 sang mạng khác. 5.3.1.5 Các dịch vụ của mạng LAN không dâyb- Các dịch vụ trạmCác dịch vụ này được sử dụng sau khi đã kết hợp vào mạngXác thực: vì dữ liệu mạng không dây dễ dàng được nhận và gửi bởi các trạm ngoài ý muốn, nên cần phải xác thực các trạm trước khi gửi dữ liệu điXóa xác thực: dịch vụ này được sử dụng khi một trạm đã được xác thực muốn đi ra khỏi mạngBảo mật: để đảm bảo tính an toàn của thông tin trên mạng LAN không dây, các thông tin phải được mã hóa.Phân bố dữ liệu: dịch vụ này cung cấp phương thức truyền và nhận dữ liệu 5.3.2 Mạng băng rộng không dâyKhi nhu cầu về thông tin băng rộng phát triển cùng với sự ra đời của các dịch vụ Internet tốc độ cao, thì nhu cầu về kết nối băng thông rộng đến người sử dụng cũng tăng lên. Tuy nhiên, việc lắp đặt hệ thống băng thông rộng bằng đường truyền sử dụng cáp quang, cáp đồng trục hoặc thậm chí là cáp xoắn đôi Cat5 đến từng nhà hoặc các doanh nghiệp có chi phí rất tốn kém. Để giải quyết vấn đề này, người ta sử dụng mạng băng rộng không dây.Tiêu chuẩn qui định cho mạng băng rộng không dây là tiêu chuẩn 802.16, được soạn thảo vào tháng 7 năm 1999 và chuẩn y vào tháng 4, 2004, thường được gọi là tiêu chuẩn mạng MAN không dây hoặc Local loop không dây (wireless local loop – WLL). 5.3.2 Mạng băng rộng không dâySo với chuẩn 802.11 được thiết kế dành cho mạng Ethernet di động, thì chuẩn 802.16 cũng là chuẩn dành cho mạng không dây nhưng ở dạng tĩnh. Sự khác nhau cơ bản này của 2 mạng dẫn đến tiêu chuẩn dành cho chúng cũng hoàn toàn khác nhau.Trên thực tế, mạng MAN không dây hoàn toàn khác với các mạng thông tin di động thông thường (như mạng GSM) chỉ có băng tần hẹp, truyền tín hiệu thoại và công suất thấp. 5.3.2.1 Chồng giao thức 802.16Chồng giao thức 802.16 được minh họa ở hình 5-23. Nhìn chung, cấu trúc của chồng giao thức tương tự như các mạng thuộc họ 802 khác, nhưng nó có nhiều lớp con hơn. Bên trên lớp vật lý là lớp con hội tụ để lớp liên kết dữ liệu không nhận ra sự khác nhau về kỹ thuật truyền dẫn ở lớp vật lý 5.3.2.1 Chồng giao thức 802.16Lớp liên kết dữ liệu gồm 3 lớp con: Lớp bảo mật: quản lý việc mã hóa, giải mã và từ khóa.Lớp MAC: lớp này có nhiệm vụ quản lý kênh truyền, phân phối kênh dữ liệu đường xuống một cách hiệu quả, quản lý kênh dữ liệu đường lên. Khác với các mạng thuộc họ 802 khác, lớp MAC sử dụng phương thức truyền dữ liệu có kết nối để tăng chất lượng dịch vụ đối với trường hợp truyền thông thoại và đa phương tiện.Lớp hội tụ xác định dịch vụ đóng vai trò như lớp LLC của họ giao thức 802. Nó có chức năng giao diện với Lớp Mạng. Vấn đề phức tạp đối với chồng giao thức 802.16 là nó được thiết kế để tích hợp với các giao thức gói dữ liệu (như PPP, IP, Ethernet) và ATM. Các giao thức có gói dữ liệu là truyền dữ liệu không kết nối, còn ATM là truyền dữ liệu có kết nối. Đối với kết nối ATM, nó dễ dàng thực hiện chuyển đổi sang kết nối theo giao thức 802.16, nhưng đối với gói dữ liệu IP, việc nay thực sự không đơn giản và lớp hội tụ trên đảm nhận công việc này 5.3.2.2 Lớp Vật lý 802.16Mạng băng rộng chiếm một phổ tần rộng ở trong dải tần từ 10GHz đến 66 GHz. Do tính chất truyền thẳng của sóng ngắn nên các trạm gốc có thể có nhiều antenna, mỗi antenna chỉ vào các hướng khác nhau để phát sóng cho các khu vực tương ứng (sector), phục vụ người sử dụng trong khu vực đó và độc lập với các khu vực liền kề.5.3.2.2 Lớp Vật lý 802.16Vì cường độ của tín hiệu suy giảm theo khoảng cách từ máy trạm đến trạm gốc, nên tỉ số tín hiệu/nhiễu cũng giảm theo khoảng cách, do đó giao thức 802.16 sử dụng 3 phương thức điều chế tín hiệu khác nhau tùy thuộc vào khoảng cách từ các thuê bao đến các trạm gốc. Đối với các thuê bao gần: sử dụng điều chế QAM 64 với 6bit/baud.Đối với các thuê bao tầm trung: sử dụng điều chế QAM-16, với 4bit/baudĐối với các thuê bao xa: sử dụng điều chế QPSK với 2 bit/baud 5.3.2.2 Lớp Vật lý 802.16Đối với tín hiệu thoại, đường lên và đường xuống của kênh dữ liệu đối xứng với nhau, nhưng đối với dữ liệu (như Internet) thì kênh đường xuống có băng thông lớn hơn so với đường lên. Vì vậy, chuẩn 802.16 cung cấp 2 phương thức phân chia băng thông là ghép kênh phân chia theo tần số (FDD) và ghép kênh phân chia theo thời gian (TDD).Một đặc điểm đáng chú ý của lớp vật lý là khả năng đóng gói nhiều khung dữ liệu MAC vào trong cùng một môi trường truyền vật lý. Đặc điểm này cho phép nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần bằng cách giảm số byte mào đầu và phần đầu của lớp vật lý. 5.3.2.3 Giao thức Lớp MAC 802.16Khung MAC chiếm một số nguyên lần khe thời gian của lớp vật lý. Mỗi khung có các khung con dành cho kênh dữ liệu xuống và lên. Khung dữ liệu chiều xuống còn chứa các thông số của hệ thống để thông báo cho các trạm gốc mới biết khi chúng đến trạmKênh dữ liệu chiều xuống là một kênh dữ liệu thẳng, các trạm gốc chỉ cần đặt khung dữ liệu vào kênh để truyền. Kênh dữ liệu chiều lên phức tạp hơn vì sẽ có nhiều đối tượng sử dụng tranh chấp để giành quyền truy cập. Việc phân bố kênh truyền cho chúng gắn liền với vấn đề chất lượng dịch vụ. Giao thức lớp MAC 802.16 định nghĩa 4 dịch vụ sau:5.3.2.3 Giao thức Lớp MAC 802.16Dịch vụ có tốc độ bit không đổiDịch vụ có tốc độ bit biến đổi thời gian thựcDịch vụ có tốc độ bit biến đổi thời gian không thựcDịch vụ best-effortsTất cả các dịch vụ của giao thức 802.16 đều là loại truyền dữ liệu có kết nối và mỗi kết nối sẽ sử dụng một trong những dịch vụ trên ngay khi kết nối được thiết lập. Nó khác với giao thức 802.11 hoặc Ethernet là các giao thức không có kết nối ở lớp MAC.5.3.2.3 Giao thức Lớp MAC 802.16Dịch vụ có tốc độ bit không đổi được sử dụng để truyền dữ liệu thoại không nén như trên kênh truyền T1. Dịch vụ này phải gửi đi các dữ liệu thăm dò trong khoảng thời gian được qui định trước. Nó dành cho mỗi kết nối một số khe thời gian nhất định, khi băng thông được phân bố, các khe thời gian này tự động thiết lập mà không cần đợi có yêu cầu.Dịch vụ có tốc độ bit biến đổi thời gian thực: được sử dụng cho dữ liệu đa phương tiện và các ứng dụng thời gian thực khác mà nhu cầu về băng thông có thể thay đổi trong từng khoảng thời gian. Việc này được các trạm gốc thực hiện bằng cách xác định nhu cầu băng thông cần thiết của các thuê bao trong từng khoảng thời gian nhất định. 5.3.2.3 Giao thức Lớp MAC 802.16Dịch vụ có tốc độ bit biến đổi thời gian không thực: được sử dụng trong trường hợp tải có dung lượng lớn, không cần thời gian thực. Đối với dịch vụ này, trạm gốc cũng sẽ hỏi các thuê bao ở từng khoảng thời gian nhưng không cần thiết phải chặt chẽDịch vụ Best-efforts: dịch vụ này dành cho các loại dữ liệu khác ngoài các loại dữ liệu trên. Các thuê bao phải tranh chấp băng thông với các thuê bao khác. Yêu cầu về sử dung băng thông sẽ được gửi lên kênh dữ liệu chiều lên để tiến hành tranh chấp. Nếu yêu cầu được chấp nhận thì thuê bao sẽ nhận được thông báo ở kênh dữ liệu chiều xuống kế tiếp. Nếu yêu cầu không được chấp nhận, thuê bao sẽ tiếp tục gửi yêu cầu. Để hạn chế tối đa xung đột, dịch vụ này sử dung thuật toán quay về theo hàm mũ nhị phân.Tiêu chuẩn này định nghĩa 2 phương thức phân bố kênh truyền: theo trạm và theo kết nối.Đối với trường hợp phân bố theo trạm, các trạm thuê bao tập hợp các yêu cầu của người dùng và sau đó gửi yêu cầu chung cho tất cả các người dùng. Khi chiếm được băng thông, nó sẽ phân chia băng thông cho các người dùng. Đối với trường hợp phân bố theo kết nối: các trạm gốc sẽ quản lý trực tiếp các kết nối. 5.3.2.4 Cấu trúc khung 802.16 Tất cả các khung MAC đều có phần mào đầu giống nhau, kế tiếp theo là trường tải tin và trường kiểm tra lỗi (CRC), như minh họa ở Hình 5-26Trường EC: thông báo tải có được mã hóa hay không.Trường Type: xác định loại khung dữ liệu.Trường CI: chỉ ra có hay không có kiểm tra lỗi.Trường EK: thông báo từ mã nào đang được sử dụng 5.3.2.4 Cấu trúc khung 802.16Trường Length: xác định độ dài của khung dữ liệu kể cả phần mào đầu.Trường Connection ID: cho biết khung dữ liệu thuộc loại kết nối nào.Trường Header CRC: kiểm tra lỗi cho phần mào đầu, sử dụng đa thức sinh x8 + x2 + x + 1.Đối với khung dữ liệu dùng để yêu cầu băng thông (hình b): bắt đầu bằng bit 1. Cấu trúc của khung này tương tự như trên nhưng chỉ khác các byte thứ 2 đến thứ 3 gồm 16 bit dùng để xác định băng thông cần thiết khi yêu cầu. Dĩ nhiên, khung dữ liệu này không có trường tải tin và trường kiểm tra lỗi cho toàn khung 5.4 Công nghệ Bluetooth5.4.1 Kiến trúc Bluetooth5.4.2 Các ứng dụng Bluetooth5.4.3 Chồng giao thức Bluetooth5.4.4 Cấu trúc khung Bluetooth5.4 Công nghệ BluetoothNăm 1999, công ty Ericsson cùng với 4 công ty khác (IBM, Intel, Nokia và Toshiba) thành lập nhóm SIG để triển khai một chuẩn không dây dùng để kết nối máy tính và các thiết bị truyền thông và phụ trợ sử dụng sóng ngắn vô tuyến, công suất thấp, giá thành rẻ. Dự án này có tên là Bluetooth.Sau đó, tổ chức IEEE đề xuất tiêu chuẩn dành cho mạng thông tin cá nhân (PAN) sử dụng công nghệ Bluetooth làm nền tảng gọi là chuẩn 802.15, trong đó chỉ đề cập đến lớp vật lý và lớp liên kết dữ liệu. 5.4.1 Kiến trúc BluetoothĐơn vị cơ sở của hệ thống Bluetooth là piconet, bao gồm một node chủ và 7 node con kích hoạt trong bán kính 10m. Có thể có nhiều piconet trong cùng phạm vi (phòng) và chúng có thể được nối với nhau thông qua một cầu nối dữ liệu, như trong hình vẽ 5-27. Một tập hợp các piconet nối với nhau được gọi là scatternet 5.4.2 Các ứng dụng Bluetooth Bluetoooth hỗ trợ 13 ứng dụng tương ứng với các giao thức khác nhau. 13 ứng dụng trên được gọi là các profile. Bảng 5-4 dưới đây liệt kê các profile này. Tên profileMô tảTruy cập tổng quátThủ tục quản lý liên kếtThăm dò dịch vụGiao thức thăm dò các dịch vụCổng nối tiếpThay thế cho cổng nối tiếpTrao đổi đối tượng tổng quátĐịnh nghĩa quan hệ client-server trong việc di chuyển đối tượngTruy cập LANGiao thức giữa máy tính di động và mạng LAN cố địnhQuay số nối mạngCho phép máy tính xách tay quay số vào mạng thông qua thiết bị di độngFaxCho phép máy fax di động gửi dữ liệu thông qua thiết bị di độngĐiện thoại không dâyKêt nối thiết bị cầm tay vào trạm gốcLiên kết nộiCho phép liên lạc bên trong mạngThiết bị nghe-nóiSử dụng trong trường hợp nghe - nóiGửi đối tượngCho phép trao đổi các đối tượng đơn giảnTruyền fileCung cấp thêm các khả năng truyền fileĐồng bộCho phép PDA đồng bộ với các máy tính khác5.4.3 Chồng giao thức BluetoothChuẩn Bluetooth có nhiều giao thức được gộp lại thành các lớp. Cấu trúc lớp của Bluetooth không tuân theo mô hình OSI, mô hình TCP/IP và mô hình 802 hoặc các mô hình khác. Chồng giao thức Bluetooth được soạn thảo bởi Ủy ban 802 có kiến trúc như hình vẽ sau.5.4.3 Chồng giao thức BluetoothLớp băng thông gốc (Baseband): ngoài vai trò tương đương với lớp MAC, nó còn chứa một số chức năng của lớp vật lý. Lớp này có nhiệm vụ giúp cho node chủ kiểm soát khe thời gian và nhóm các khe thời gian vào khung dữ liệu.Lớp quản lý liên kết (Link Manager): quản lý việc thiết lập các kênh logic giữa các thiết bị kể cả quản lý nguồn, xác thực và chất lượng dịch vụ.Giao thức điều khiển liên kết logic thích ứng (thường được gọi là L2CAP) tương tự như chuẩn 802 LLC. Âm thanh và điều khiển (Audio): xử lý âm thanh và điều khiển. Các ứng dụng có thể truy cập trực tiếp mà không qua lớp L2CAPGiao thức RFcomm: cho phép các cổng nối tiếp chuẩn trên máy tính kết nối đến bàn phím, chuột và modem giữa các thiết bị khác Giao thức điện thoại: đây là một giao thức thời gian thực dùng cho các profile có sử dụng thoại. Ngoài ra nó còn có nhiệm vụ thiết lập và kết thúc cuộc gọi.Giao thức Khai phá dịch vụ: dùng để định vị các dịnh vụ trong mạng.Lớp ứng dụng và profile: dành cho các ứng dụng và các dịch vụ (profile)5.4.4 Cấu trúc khung Bluetooth Trường mã truy cập: trường này dùng trong trường hợp các node con trong phạm vi phủ sóng của 2 node chủ nhận dạng node chủ nào nhận dữ liệu. Trường dữ liệu (tải tin): có kích thước tới 2744-bit (đối với trường hợp truyền 5 khe thời gian), và 420-bit (đối với trường hợp truyền 1 khe thời gian) 5.4.4 Cấu trúc khung Bluetooth- Trường mào đầu (54-bit): bao gồm các trường sauTrường địa chỉ: dùng để xác định khung dữ liệu của một trong 8 thiết bị đang kích họat.Trường Type: xác định loại khung dữ liệu (ACL, SCO, poll hoặc trống), xác định phương thức sửa lỗi và số lượng khe thời gian. Trường Flow (F): được node con sử dụng khi tràn bộ đệm và không thể nhận thêm dữ liệu. Trường Acknowledge (K): dùng để truyền tín hiệu ACK của khungTrường Sequence (S): dùng để đếm số khung khi phát lại 5.5 Kết nối và chuyển mạch ở lớp liên kết dữ liệu5.5.1 Cầu nối dữ liệu 802.x - 802.y 5.5.2 Kết nối liên mạng5.5.3 Cầu dạng cây mở rộng (spanning tree)5.5.4 Cầu kết nối đầu xa5.5.5 Các thiết bị chuyển mạch và liên kết dữ liệu5.5 Kết nối và chuyển mạch ở lớp liên kết dữ liệuTrước khi đề cập đến kỹ thuật cầu nối dữ liệu, chúng ta xét các trường hợp có nhu cầu sử dụng cầu nối trong thực tế.Trong các trường đại học và doanh nghiệp đều có mạng LAN của mình với mục đích chủ yếu là để kết nối các máy tính cá nhân, máy trạm và các máy chủ. Các mạng LAN của các bộ phận thường độc lập nhau. Trong nhiều trường hợp, các mạng LAN này có nhu cầu kết nối để trao đổi dữ liệu với nhau thông qua các cầu nối dữ liệu.Các doanh nghiệp có các cơ sở nằm cách xa nhau, có nhu cầu nối các mạng LAN lại với nhau sử dụng cầu nối hoặc liên kết cáp quang.5.5 Kết nối và chuyển mạch ở lớp liên kết dữ liệuKhi có nhu cầu chia thành nhiều mạng LAN để phân tán tải như minh họa ở hình vẽ. 5.5 Kết nối và chuyển mạch ở lớp liên kết dữ liệuTrong một số trường hợp chỉ cần một mạng LAN, nhưng do khoảng cách giữa 2 cơ sở tương đối xa, việc kết nối bằng cáp sẽ cho độ trễ lớn. Vì vậy, giải pháp là phân chia thành các mạng LAN khác nhau và nối chúng thành một mạng LAN nhờ các cầu nối.Đảm bảo độ an toàn của mạng LAN, khi một máy tính trong mạng bị sự cố về truyền dữ liệu, dữ liệu tiếp tục xuất lên mạng, cầu nối có thể chuyển dữ liệu này sang một cổng khác để tránh hỏng mạng.Cầu nối còn có khả năng tham gia vào việc bảo mật cho mạng, bằng cách sử dụng nhiều cầu nối, quản trị mạng có thể cách ly phần mạng bị nghi ngờ có truy nhập trái phép mà không ảnh hưởng đến toàn mạng. 5.5.1 Cầu nối dữ liệu 802.x - 802.y Hình 5-31 minh họa hoạt động 2 cổng của một cầu nối. Máy chủ A thuộc mạng LAN không dây (802.11) gửi dữ liệu đến máy chủ B thuộc mạng Ethernet (802.3). Gói dữ liệu được đưa xuống lớp LLC và gắn thêm phần mào đầu của LLC. Sau đó nó tiếp tục được chuyển xuống lớp MAC và gắn thêm phần mào đầu. Gói dữ liệu này được gửi trên đường truyền vô tuyến đến trạm gốc, tiếp đến là cầu nối liên mạng từ 802.11 đến 802.3.Ở lớp MAC của cầu nối, phần mào đầu 802.11 được bóc ra. Gói dữ liệu ban đầu (có chứa phần mào đầu của lớp LLC) được chuyển cho lớp LLC của cầu nối. Do cầu nối đến mạng 802.3 nên gói dữ liệu được tái tạo lại theo chuẩn của mạng 802.3. Như vậy, nếu cầu nối kết nối k mạng LAN khác nhau thì sẽ có k lớp MAC và k lớp vật lý khác nhau cho mỗi loại mạng. 5.5 Kết nối và chuyển mạch ở lớp liên kết dữ liệu5.5 Kết nối và chuyển mạch ở lớp liên kết dữ liệuHình 5-32 minh họa cấu trúc khung tương ứng của các loại mạng 802.3, 802.11 và 802.16. Do cấu trúc khung khác nhau nên việc thiết lập các cầu nối có một số khó khăn nhất định về tái tạo khung dữ liệu, về cơ chế bảo mật và chất lượng dịch vụ. 5.5.2 Kết nối liên mạngMột cầu nối thông suốt hoạt động ở chế độ hỗn hợp, chấp nhận tất cả các khung dữ liệu phát ra từ các máy trạm trên mạng. Ở hình 5-33 minh họa cầu nối B1 nối LAN-1 và LAN-2, cầu nối B2 nối LAN-2, LAN-3 và LAN-4. Một khung dữ liệu đến cầu B1 trên LAN-1 và có đích là A có thể bị loại bỏ ngay lập tức vì A nằm ngay trong LAN-1, nhưng nếu khung dữ liệu đến C hoặc D thì nó sẽ được tiếp tục gửi đi 5.5.2 Kết nối liên mạngKhi khung dữ liệu đến cầu nối, cầu nối phải xác định được khung đó cần loại bỏ hay gửi tiếp đến mạng LAN khác. Việc đưa ra quyết định này được thực hiện bằng cách tìm kiếm địa chỉ đích chứa trong cầu nối. Bảng địa chỉ này có thể chỉ ra các địa chỉ đích có thể và các cổng ra tương ứng. Việc định tuyến dữ liệu cho một khung dữ liệu đầu vào phụ thuộc vào mạng LAN mà khung dữ liệu đó gửi đến (mạng LAN nguồn) và mạng LAN đích, cụ thể như sau:Nếu mạng LAN đích và nguồn trùng nhau, khung dữ liệu sẽ bị loại bỏNếu mạng LAN đích và nguồn khác nhau, khung dữ liệu sẽ được gửi tiếp.Nếu mạng LAN đích không xác định, áp dụng chế độ trànKhi khung dữ liệu đến cầu nối, thuật toán này sẽ được áp dụng ngay. Sau đó, cầu nối sẽ tìm kiếm và cập nhật bảng địa chỉ.5.5.3 Cầu dạng cây mở rộng (spanning tree)Để tăng độ tin cậy của mạng, người ta sử dụng 2 hoặc 3 cầu nối song song giữa các cặp mạng LAN, như minh họa ở hình 5-34. Tuy nhiên, điều này cũng nảy sinh một số vấn đề vì nó tạo ra một mạng chập vòng (loop).5.5.3 Cầu dạng cây mở rộng (spanning tree)Để giải quyết vấn đề này, người ta cho các cầu nối thông tin với nhau và biến đổi sơ đồ mạng thành cấu trúc dạng cây mở rộng. Trên hình 5-35 (a) cho thấy có 9 mạng LAN được nối với nhau bằng 10 cầu nối. Cấu hình mạng có thể chuyển thành dạng cây mở rộng bằng cách loại bỏ bớt một số kết nối (đường không liền nét). Như vậy, chỉ có duy nhất một đường truyền dữ liệu từ mạng LAN này nối đến các mạng LAN khác thông qua các cầu nối. Vì vậy chỉ có duy nhất một đường dữ liệu từ trạm nguồn đến trạm đích và hiện tượng nối vòng sẽ không xảy ra 5.5.3 Cầu dạng cây mở rộng (spanning tree)Để thiết lập cây mở rộng, người ta chọn một cầu dữ liệu làm nút gốc. Điều này được thực hiện bằng cách lấy số thứ tự của thiết bị (serial no) được gắn bởi nhà sản xuất và là số duy nhất. Cầu nối dữ liệu nào có chỉ số thứ tự nhỏ nhất được chọn làm nút gốc. Tiếp theo, người ta xây dựng một cây có đường đi ngắn nhất từ nút gốc đến tất cả các cầu nối, cây này được gọi là cây mở rộng. Nếu một cầu nối hoặc mạng LAN gặp sự cố thì sẽ thay thế bằng một cầu khác.Kết quả của thuật toán này là một tuyến duy nhất được thiết lập từ mọi nơi trên mạng LAN đến nút gốc. Thuật toán phân tán sử dụng để xây dựng cây mở rộng được phát minh bởi Radia Perlman và được chuẩn hóa bằng chuẩn IEEE 802.1D 5.5.4 Cầu kết nối đầu xaMột ứng dụng của cầu nối dữ liệu là để kết nối các mạng LAN ở cách xa nhau. Điều này được thực hiện bằng cách lắp đặt một cầu nối trên mỗi LAN và nối chúng bằng một cặp dây dẫn theo kiểu điểm – nối – điểm. Hình 5-36 minh họa trường hợp đơn giản với 3 mạng LANCó nhiều giao thức được sử dụng để thực hiện kết nối điểm- nối –điểm, một trong những giao thức thường được sử dụng là PPP 5.5.5 Các thiết bị chuyển mạch và liên kết dữ liệuHình 5-37 minh họa các thiết bị chuyển mạch và liên kết dữ liệu khác nhau làm việc ở các lớp mạng khác nhau 5.5.5 Các thiết bị chuyển mạch và liên kết dữ liệua- Bộ lặp Thiết bị làm việc ở lớp cuối cùng, lớp vật lý là Bộ lặp. Đây là thiết bị analog dùng để kết nối 2 phân đoạn cáp mạng lại với nhau. Tín hiệu được khuyếch đại trước khi đi ta khỏi thiết bị. Bộ lặp không đọc được cấu trúc khung dữ liệu, gói dữ liệu hoặc các phần mào đầu. Chúng chỉ làm việc với các mức điện áp. Với các mạng Ethernet cổ điển, số Bộ lặp cho phép sử dụng là 4 bộ để mở rộng chiều dài cáp dữ liệu từ 500m lên 2500m.b- Hub Hub là một thiết bị mạng gồm nhiều cổng được nối kết vật lý với nhau. Các khung dữ liệu đến từ bất kỳ một cổng nào sẽ được gửi đi đến tất cả các cổng còn lại. Tất cả các cổng vào của Hub đều hoạt động ở cùng một tốc độ. Hub khác với các Bộ lặp ở chổ chúng không khuếch đại tín hiệu vào mà chỉ có nhiệm vụ giữ các ngõ ra tương ứng với các ngõ vào tín hiệu. Giống như các Bộ lặp, Hub không nhận dạng được các địa chỉ 802. 5.5.5 Các thiết bị chuyển mạch và liên kết dữ liệuc- Cầu nối dữ liệu và bộ chuyển mạch dữ liệuCầu nối và bộ chuyển mạch họat động ở lớp liên kết dữ liệu. Cầu nối dùng để nối 2 hoặc nhiều mạng LAN với nhau, như minh họa ở Hình 5-38(a). Khi khung dữ liệu đến, phần mềm trong cầu nối sẽ lấy địa chỉ đích và tìm kiếm trong bảng địa chỉ để xác định nơi cần gửi dữ liệu. 5.5.5 Các thiết bị chuyển mạch và liên kết dữ liệuBộ chuyển mạch tương tự như các cầu nối ở cách định tuyến các khung dữ liệu dựa vào địa chỉ lấy từ trong khung. Sự khác nhau cơ bản ở đây là một bộ chuyển mạch thường được dùng để kết nối các máy tính riêng lẻ, như minh họa ở Hình 5-38(c). Như vậy, nếu ở hình (b), khi máy trạm A muốn gửi dữ liệu đến máy trạm B, cầu nối sẽ nhận khung dữ liệu và loại bỏ nó, trong khi đó, ở Hình 5-38(c), Bộ chuyển mạch sẽ nhận khung dữ liệu và tiếp tục gửi đến máy trạm B. Mỗi cổng dữ liệu của bộ chuyển mạch sẽ được nối đến một máy trạm, vì vậy bộ chuyển mạch phải có một không gian để dành cho các card giao tiếp để nối đến các máy trạm trên mạng. Mỗi card giao tiếp phải có các bộ đệm cho các khung dữ liệu đến.5.5.5 Các thiết bị chuyển mạch và liên kết dữ liệud- Bộ định tuyến: Bộ định tuyến họat động ở lớp mạng của chồng giao thức mạng và cơ bản khác với các thiết bị trên. Khi gói dữ liệu đến Bộ định tuyến, các phần mào đầu và phần đuôi của gói dữ liệu được bóc ra, phần tải tin của khung dữ liệu sẽ được phần mềm xử lý định tuyến. Phần mềm sẽ căn cứ vào phần mào đầu để chọn ngõ ra phù hợp. Đối với gói dữ liệu IP, phần mào đầu sẽ chứa địa chỉ gồm 32-bit (IPv4) hoặc 128-bit (IPv6) chứ không phải là địa chỉ dạng 802 có 48-bit. Phần mềm định tuyến không nhận biết địa chỉ khung dữ liệu.e- Cổng giao tiếp: Cổng giao tiếp hoạt động ở lớp giao vận của chồng giao thức. Cổng giao tiếp được dùng để nối 2 máy tính có các giao thức giao vận khác nhau. Ví dụ, cổng giao tiếp dùng để gửi dữ liệu từ một máy tính sử dụng giao thức truyền dữ liệu TCP/IP và một máy tính sử dụng giao thức truyền dữ liệu ATM.f- Cổng giao tiếp ứng dụng: Thiết bị này có thể hiểu được định dạng và nội dung của dữ liệu và chuyển bản tin từ định dạng này sang định dạng khác. Ví dụ, một cổng giao tiếp thư điện tử có thể biên dịch định dạng bản tin Internet thành dạng bản tin SMS cho thiết bị di động cầm tay.