Kiến thức chương 5 - Quản Trị Mạng – Trường ĐH Kinh Tế Huế

Các đặc tính kỹ thuật của mạng cục bộ

Mạng cục bộ (LAN) là hệ thống truyền dữ liệu trong khoảng cách hẹp. Hoạt động của mạng bị chi phối bởi các đặc tính kỹ thuật, là tập hợp các quy tắc chuẩn mà mọi thực thể phải tuân theo.

Các đặc tính chính bao gồm:

+ Cấu trúc của mạng (Topology): Cách thức nối các máy tính với nhau.

+ Các nghi thức truyền dữ liệu trên mạng: Các thủ tục hướng dẫn trạm làm việc khi nào và làm thế nào để thâm nhập vào đường truyền để gửi thông tin.

+ Các loại đường truyền và các chuẩn của chúng.

+ Các phương thức tín hiệu.

1. Cấu trúc của mạng (Topology)

Topology thể hiện qua cấu trúc hay hình dáng hình học của đường dây cáp dùng để liên kết các máy tính.

Có hai phương thức nối mạng chủ yếu:

1.1. Một điểm - một điểm (Point-to-point)

+ Sử dụng các đường truyền riêng biệt được thiết lập để nối các cặp máy tính lại với nhau.

+ Máy tính có thể truyền/nhận trực tiếp, hoặc làm trung gian (lưu trữ dữ liệu nhận được rồi chuyển tiếp cho máy khác).

1.2. Một điểm - nhiều điểm (Point-to-multipoint)

+ Tất cả các trạm phân chia chung một đường truyền vật lý.

+ Dữ liệu gửi đi từ một máy sẽ được tiếp nhận bởi tất cả các máy còn lại.

+ Do đó, dữ liệu phải chỉ ra địa chỉ đích để mỗi máy tự kiểm tra xem có phải dữ liệu dành cho mình không (nếu đúng thì nhận, sai thì bỏ qua).

Lưu ý của sinh viên: Phương thức "một điểm - nhiều điểm" (như Bus) bắt buộc phải có cơ chế điều khiển truy cập (access control) để tránh xung đột khi nhiều máy cùng gửi. Phương thức "một điểm - một điểm" (như Star, Ring) không bị xung đột trên từng liên kết riêng lẻ.

II. Những cấu trúc chính của mạng cục bộ

1. Dạng đường thẳng (Bus)

Tất cả các máy tính đều được nối vào một đường dây truyền chính (bus). Đường truyền này được giới hạn ở hai đầu bởi một thiết bị gọi là terminator (đầu cuối).

Khi một trạm truyền dữ liệu, tín hiệu được truyền trên cả hai chiều của đường truyền. Tất cả các trạm khác đều nhận được và kiểm tra địa chỉ đích.

Các chuẩn IEEE 802.3 (Ethernet) cho Bus:

+ 10BASE5 (Thick Ethernet): Dùng cáp đồng trục dày (10mm, 50 Ohm), tốc độ 10 Mb/s, phạm vi tối đa 500m/segment, tối đa 100 trạm.

+ 10BASE2 (Thin Ethernet): Dùng cáp đồng trục nhỏ (RG 58A), tốc độ 10 Mb/s, phạm vi tối đa 185m/segment, tối đa 30 trạm.

Ưu điểm: Ít tốn dây cáp.

Nhược điểm: Dễ gây ách tắc khi lưu lượng truyền tăng cao. Nếu có trục trặc trên hành lang chính (cáp chính) thì toàn bộ mạng ngưng hoạt động và rất khó phát hiện điểm lỗi.

2. Dạng vòng tròn (Ring)

Các máy tính được liên kết với nhau thành một vòng tròn khép kín theo phương thức "một điểm - một điểm".

Dữ liệu được truyền theo một chiều nhất định. Mỗi trạm khi nhận được gói dữ liệu sẽ kiểm tra địa chỉ đích: 
+ Nếu đúng là địa chỉ của mình, trạm sẽ nhận lấy. 
+ Nếu không phải, trạm sẽ phát lại (chuyển tiếp) gói dữ liệu đó cho trạm kế tiếp trong vòng.

Ưu điểm: Tốc độ truyền dữ liệu cao, không gây ách tắc.

Nhược điểm: Giao thức truyền dữ liệu phức tạp. Nếu có trục trặc trên một trạm (ví dụ trạm bị hỏng, không thể chuyển tiếp dữ liệu) thì toàn bộ mạng sẽ bị ảnh hưởng.

3. Dạng hình sao (Star)

Tất cả các trạm được nối vào một thiết bị trung tâm (có thể là Hub, Switch hoặc Router) theo phương thức "một điểm - một điểm".

Thiết bị trung tâm có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ trạm gửi và chuyển tín hiệu đến trạm đích.

Các chuẩn IEEE 802.3 cho Star:

+ 10BASE-T: Dùng cáp UTP (cáp xoắn đôi), tốc độ 10 Mb/s, khoảng cách từ thiết bị trung tâm tới trạm tối đa là 100m.

+ 100BASE-T: Tương tự 10BASE-T nhưng tốc độ cao hơn (100 Mb/s).

Ưu điểm:

+ Không đụng độ hay ách tắc (đặc biệt khi dùng Switch).

+ Lắp đặt đơn giản, dễ dàng cấu hình lại (thêm, bớt trạm).

+ Dễ kiểm soát và khắc phục sự cố. Nếu có trục trặc trên một trạm (hoặc cáp nối đến trạm đó) thì cũng không gây ảnh hưởng đến toàn mạng.

Nhược điểm:

+ Tốn nhiều dây cáp hơn các dạng khác.

+ Độ dài đường truyền tới trạm bị hạn chế (thường là 100m).

+ Toàn bộ mạng phụ thuộc vào thiết bị trung tâm. Nếu thiết bị trung tâm bị hỏng, toàn mạng sẽ ngưng hoạt động.

Bảng so sánh các cấu trúc mạng LAN

III. Phương thức truyền tín hiệu

Có hai phương thức truyền tín hiệu chính trong mạng cục bộ:

1. Băng tần cơ sở (Baseband)

+ Chỉ chấp nhận một kênh dữ liệu duy nhất trên đường truyền tại một thời điểm.

+ Hầu hết các mạng cục bộ (như Ethernet) sử dụng phương thức này.

+ Tín hiệu có thể truyền đi dưới dạng số (digital) hoặc tương tự (analog).

2. Băng tần rộng (Broadband)

+ Có thể chấp nhận đồng thời hai hoặc nhiều kênh truyền thông.

+ Thực hiện bằng cách chia giải thông (tần số) của đường truyền thành nhiều dải tần con, mỗi dải tần con cung cấp một kênh riêng biệt (sử dụng kỹ thuật ghép kênh FDM).

+ Yêu cầu sử dụng các bộ modem RF đặc biệt.

IV. Các giao thức truy cập đường truyền trên mạng LAN

Để truyền dữ liệu, các máy tính phải có thủ tục (giao thức) hướng dẫn làm thế nào và lúc nào được thâm nhập vào đường dây cáp. Điều này đặc biệt quan trọng với các dạng mạng chia sẻ chung đường truyền (Bus và Ring).

Có hai loại chính: truy nhập ngẫu nhiên và truy nhập có điều khiển.

1. Giao thức chuyển mạch (Yêu cầu và chấp nhận)

Đây là giao thức đơn giản: một máy tính khi cần truyền sẽ phát tín hiệu "xin" thâm nhập. Mạch điều khiển sẽ kiểm tra đường cáp: nếu rảnh thì cho phép, nếu bận thì từ chối.

2. Giao thức đường dây đa truy cập với cảm nhận va chạm (CSMA/CD)

Đây là giao thức truy cập ngẫu nhiên, thường dùng trong mạng Bus (Ethernet).

+ Carrier Sense (CS) - Cảm nhận sóng mang: Trước khi truyền, trạm phải "nghe" (kiểm tra) xem đường truyền có rảnh hay không. Nếu đường truyền đang bận, trạm phải chờ đợi.

+ Multiple Access (MA) - Đa truy cập: Cho phép nhiều trạm cùng thâm nhập (chia sẻ) đường truyền chung.

+ Collision Detection (CD) - Phát hiện va chạm: Vì các trạm truy cập ngẫu nhiên, có thể xảy ra trường hợp hai (hoặc nhiều) trạm cùng truyền dữ liệu một lúc, gây ra xung đột (va chạm). Giao thức phải phát hiện được điều này. Khi phát hiện va chạm, các trạm liên quan phải lập tức ngưng truyền và chờ đợi một khoảng thời gian ngẫu nhiên khác nhau trước khi thử truyền lại (bắt đầu lại từ bước CS).

Lưu ý của sinh viên: CSMA/CD hoạt động hiệu quả khi tải thấp. Khi lưu lượng mạng quá cao, số lượng va chạm (collision) xảy ra liên tục, gây tắc nghẽn và làm chậm tốc độ truyền tin của toàn hệ thống.

3. Giao thức dùng thẻ bài vòng (Token Ring)

Đây là giao thức truy cập có điều khiển, dùng kỹ thuật chuyển thẻ bài (token).

Một "thẻ bài" (token) - là một đơn vị dữ liệu đặc biệt - liên tục chạy quanh vòng. Thẻ bài này có một bit để biểu diễn trạng thái (bận hoặc rỗi).

Quy trình hoạt động:

1. Một trạm muốn truyền dữ liệu phải đợi đến khi nhận được một thẻ bài rảnh.

2. Khi đó, trạm sẽ đổi bit trạng thái của thẻ bài thành bận.

3. Trạm đính kèm gói dữ liệu (có địa chỉ nơi nhận) vào thẻ bài và truyền đi theo chiều của vòng.

4. Gói tin chạy vòng quanh đến trạm đích. Sau khi trạm đích sao chép dữ liệu, gói tin tiếp tục chạy về trạm gửi. Trạm gửi sẽ giải phóng thẻ bài (đổi trạng thái về rảnh) để trạm khác sử dụng.

Lưu ý của sinh viên: Vì chỉ trạm nào giữ "token" mới được quyền truyền dữ liệu, nên việc đụng độ (collision) không thể xảy ra. Tuy nhiên, hệ thống có thể bị phá vỡ nếu thẻ bài bị mất, hoặc một thẻ bài "bận" bị lỗi và lưu chuyển không dừng trên vòng.

4. Giao thức dùng thẻ bài cho dạng đường thẳng (Token Bus)

Đây là giao thức truy cập có điều khiển nhưng dùng cho cấu trúc vật lý dạng Bus.

Giao thức này thiết lập một vòng logic (vòng ảo) bao gồm các trạm đang hoạt động. Thứ tự của các trạm trên vòng logic có thể độc lập với thứ tự vật lý của chúng trên đường bus.

Một thẻ bài (token) được chuyển lần lượt đến các trạm theo thứ tự của vòng logic. Trạm nào nhận được thẻ bài thì có quyền sử dụng đường truyền (truyền dữ liệu) trong một thời gian xác định trước. Khi hết giờ hoặc truyền xong, trạm đó chuyển thẻ bài đến trạm tiếp theo trong vòng logic.

V. Đường cáp truyền mạng

Cáp mạng là cơ sở hạ tầng quan trọng, ảnh hưởng đến khả năng hoạt động của mạng. Ba loại cáp thường dùng là: cáp xoắn cặp, cáp đồng trục, và cáp quang.

1. Cáp xoắn cặp (Twisted Pair)

Gồm hai dây dẫn đồng được xoắn vào nhau nhằm làm giảm nhiễu điện từ.

+ STP (Shielded Twisted Pair): Cáp có bọc kim loại (lớp vỏ chống nhiễu).

+ UTP (Unshielded Twisted Pair): Cáp không bọc kim loại. Loại này kém hơn STP về chống nhiễu nhưng rẻ và phổ biến hơn.

Các loại (Category - Cat) thường dùng:

+ Cat 3: Tốc độ truyền dữ liệu khoảng $16~Mb/s$ (chuẩn cho hầu hết mạng điện thoại).

+ Cat 5: Thích hợp cho đường truyền $100Mb/s$.

+ Cat 6: Thích hợp cho đường truyền $300Mb/s$ (hoặc cao hơn).

Ưu/Nhược: Đây là loại cáp rẻ, dễ cài đặt, tuy nhiên dễ bị ảnh hưởng của môi trường (nhiễu).

2. Cáp đồng trục (Coaxial Cable)

Có hai đường dây dẫn chung một trục. Gồm một dây dẫn trung tâm (lõi đồng cứng), được bao bọc bởi một lớp cách ly. Bên ngoài lớp cách ly là một dây dẫn thứ hai (thường là dây bện kim loại, có chức năng chống nhiễu). Ngoài cùng là lớp vỏ plastic bảo vệ.

Có độ suy hao ít hơn cáp xoắn đôi. Thường dùng trong các mạng dạng Bus.

Các loại thường dùng:

+ Cáp đồng trục dày (Thicknet - 10BASE5): Đường kính 0.5 inch (10mm). Đi xa hơn (500m).

+ Cáp đồng trục mỏng (Thinnet - 10BASE2): Đường kính 0.25 inch (5mm). Đi gần hơn (185m).

+ Theo trở kháng: RG-58 (50 Ohm - dùng cho mạng Thin Ethernet), RG-59 (75 Ohm - dùng cho truyền hình cáp).

3. Cáp sợi quang (Fiber Optic Cable)

Bao gồm một dây dẫn trung tâm là một hoặc một bó sợi thủy tinh, có thể truyền dẫn tín hiệu quang (ánh sáng).

Cáp quang không truyền tín hiệu điện. Dữ liệu phải được chuyển đổi thành tín hiệu quang (ở đầu gửi) và chuyển ngược lại thành tín hiệu điện (ở đầu nhận).

Ưu điểm:

+ Dải thông (bandwidth) cực kỳ cao (có thể lên tới hàng Gbps).

+ Độ suy hao tín hiệu rất thấp, cho phép khoảng cách đi cáp rất xa (vài ngàn mét).

+ Hoàn toàn không bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ.

+ Bảo mật rất cao (vì không phát ra tín hiệu điện từ nên không thể bị thu trộm bằng thiết bị điện tử).

Nhược điểm:

+ Giá thành còn cao.

+ Khó lắp đặt và đấu nối, đòi hỏi công nghệ và kỹ thuật cao.

Bảng so sánh tính năng kỹ thuật của một số loại cáp mạng

4. Các yêu cầu cho một hệ thống cáp

+ An toàn, thẩm mỹ: Dây mạng phải được bao bọc cẩn thận, cách xa các nguồn điện, nguồn phát sóng để tránh nhiễu.

+ Đúng chuẩn: Hệ thống cáp phải thực hiện đúng chuẩn (ví dụ: EIA/TIA 568B) để đảm bảo khả năng nâng cấp và kết nối các thiết bị từ nhiều nhà sản xuất.

+ Tiết kiệm và "linh hoạt" (flexible): Thiết kế kinh tế nhất, dễ dàng di chuyển các trạm làm việc và có khả năng mở rộng sau này.

Các thiết bị liên kết mạng

I. Repeater (Bộ tiếp sức)

Repeater là thiết bị phần cứng đơn giản nhất trong các thiết bị liên kết mạng. Nó hoạt động ở Tầng 1 (Tầng Vật lý) của mô hình OSI.

Chức năng: Dùng để nối 2 mạng giống nhau (hoặc các phần của một mạng) có cùng một nghi thức và cấu hình.

Mục đích chính: Làm tăng thêm chiều dài của mạng. Tín hiệu bị suy hao khi truyền đi xa; Repeater sẽ nhận tín hiệu đó và phát lại tín hiệu đã được khôi phục.

Cách hoạt động: Repeater không có xử lý tín hiệu. Nó chỉ: 
1. Nhận tín hiệu. 
2. Loại bỏ các tín hiệu méo, nhiễu. 
3. Khuếch đại tín hiệu đã bị suy hao. 
4. Khôi phục lại tín hiệu ban đầu và phát tiếp sang phía bên kia của mạng.

Lưu ý của sinh viên: Repeater là một thiết bị "không thông minh". Nó không hiểu về gói tin (packet) hay địa chỉ (MAC/IP). Nó chỉ làm việc với tín hiệu điện/quang ở tầng vật lý. Do đó, Repeater cũng sẽ chuyển tiếp (phát lại) cả các tín hiệu hỏng và các vụ va chạm (collision) sang đoạn mạng kế tiếp.