Bài 4 : Chi tiết các lớp trong Mô hình tham chiếu – Data Link và Physical

1. Lớp Data Link

1.1. Sơ lược về các loại Data Link

Các giao thức Data Link sẽ chịu trách nhiệm đóng frame dữ liệu phù hợp để có thể truyền tải qua một loại đường truyền cụ thể, thực hiện kiểm soát cách thức truy nhập vào đường truyền vật lý của dữ liệu lớp trên, cũng như tương tác với các giao thức lớp trên. Mỗi loại đường link khác nhau sẽ sử dụng các kỹ thuật data link khác nhau.

Hình 1. Các link WAN và LAN

Sơ đồ hình 1 là một mạng kết nối nhiều chi nhánh khác nhau của một doanh nghiệp. Như đã trình bày trong bài trước, trong nội bộ mỗi chi nhánh, các thiết bị mạng sẽ được kết nối với nhau thông qua các kết nối LAN (Local Area Network – mạng nội bộ); ngược lại, giữa các chi nhánh, các thiết bị mạng lại được kết nối với nhau thông qua các kết nối WAN (Wide Area Network – mạng diện rộng). Các kết nối LAN và WAN sử dụng các kỹ thuật data link khác nhau:

• Các kết nối LAN ngày nay đa số sử dụng kỹ thuật data link Ethernet. Đây là một kỹ thuật data link hỗ trợ đa truy nhập (multi access) và hỗ trợ gửi dữ liệu broadcast.
• Các kết nối WAN sử dụng các kỹ thuật data link rất phong phú gồm: HDLC, PPP, Ethernet, PPPoE.

Các kỹ thuật data link trong LAN và WAN sẽ được đề cập chi tiết trong các chương khác của giáo trình.

1.2. Hoạt động đóng gói dữ liệu giữa các data link

Một hệ thống mạng ngày nay, về bản chất, là một hệ thống gồm nhiều thiết bị mạng từ lớp 3 trở lên được kết nối với nhau bởi các đường data link. Khi một host ở đầu này của mạng gửi dữ liệu đến một host ở đầu kia của mạng, dữ liệu sẽ được đóng gói thành nhiều gói tin IP đi qua hệ thống mạng; các gói tin IP này, đến lượt chúng lại được đóng gói vào các frame khác nhau mỗi khi chúng di chuyển trên các data link khác nhau. Chúng ta cùng làm rõ điều này qua ví dụ trên hình 2.

Trong ví dụ này, Host A tại địa chỉ 192.168.1.1 cần truy nhập web đến web server đặt tại Host B có địa chỉ là 192.168.2.1. Như đã trình bày trong các mục trước, để truy nhập web, Host A cần phải mở một kết nối end – to – end TCP đến Host B để vận chuyển dữ liệu HTTP tương tác giữa hai host. Các gói tin TCP của kết nối này đến lượt chúng, sẽ được vận chuyển bởi các gói tin IP đi từ Host A đến Host B (TCP segment được đóng gói vào phần payload của IP packet). Khi các gói tin IP đi được thành công từ Host A đến Host B, kết nối “tưởng tượng” end – to – end được thiết lập giữa hai host này.

Hình 2. Ví dụ về đóng gói dữ liệu từ link sang link

Chúng ta cùng phân tích cách thức gói tin IP di chuyển từ đầu này đến đầu kia của mạng qua các data link:

• Gói tin IP do Host A xây dựng để gửi cho Host B sẽ có địa chỉ source IP là địa chỉ của nó – 192.168.1.1 và destination IP là địa chỉ của web server được chỉ ra khi mở trình duyệt web – 192.168.2.1. Host A thấy rằng đích đến là một IP khác mạng với mình, và như vậy, gói tin này cần phải đi ra khỏi mạng 192.168.1.0/24 mà nó đứng ở trong đó. Host A sẽ phải đẩy gói tin này lên router cửa ngõ của mạng để đi ra ngoài, router cửa ngõ này được gọi là default gateway; trong ví dụ này, đó chính là router Branch1.
• Khi gói tin IP đi từ Host A đến router Branch1, nó phải di chuyển qua hệ thống data link Ethernet. Hệ thống này được tạo ra bởi một Ethernet switch và các đường cáp mạng kết nối giữa các host với switch này. Khi di chuyển trên data link Ethernet, gói IP phải được đóng gói vào phần payload của một Ethernet frame.
• Tại router Branch1, sau khi tiếp nhận Ethernet frame gửi đến từ Host A, router gỡ bỏ Ethernet frame, lấy lại gói IP gốc. Router này sẽ thực hiện chức năng định tuyến tìm đường với gói tin IP vừa nhận được. Trong ví dụ này, chức năng định tuyến của router Branch1 sẽ chỉ ra rằng gói tin IP cần phải được đưa ra cổng WAN kết nối đến router HQ để đi tiếp; router thực hiện chuyển gói tin IP qua kết nối WAN. Kết nối WAN này sử dụng kỹ thuật data link HDLC (High – level Data Link Control) để vận chuyển dữ liệu, do đó, gói tin IP để đi được trên kết nối WAN này sẽ phải được đóng gói vào phần payload của một frame HDLC.
• Tương tự, router HQ khi nhận được frame HDLC gửi đến từ Branch1 sẽ thực hiện gỡ bỏ frame HDLC để lấy lại gói IP gốc. HQ thực hiện định tuyến cho gói này và tìm được đường đi là kết nối WAN khác nối đến router Branch2; router thực hiện chuyển gói IP qua kết nối WAN đi Branch
  Giống như trên, vì kết nối WAN đi Branch2 sử dụng giao thức data link PPP (Point – to – Point Protocol), gói tin IP để di chuyển được qua kết nối WAN này cần phải được đóng gói vào phần payload của frame PPP.
• Quá trình lặp lại tại router Branch2: router tiếp nhận frame PPP gửi đến từ HQ, thực hiện gỡ bỏ frame, tra cứu định tuyến cho gói IP, tìm được đường đi và chuyển gói này qua cổng Ethernet nối xuống mạng LAN. Giống như trên, khi gói IP di chuyển trong Ethernet LAN, gói lại phải được đóng gói vào phần tải của một Ethernet frame.

• Cuối cùng Host B tiếp nhận Ethernet frame chứa gói IP, nó thực hiện gỡ bỏ frame lấy lại gói IP gốc. Lần này, vì gói IP đã đi đến đích, nó được gỡ bỏ để trả lại TCP segment cho giao thức TCP ở tầng trên; đến lượt nó, TCP segment lại được gỡ bỏ, lấy ra dữ liệu HTTP để đưa đến cho HTTP server.

Từ phân tích ở trên, ta thấy rằng:

• Khi di chuyển trên mạng, gói IP được giữ nguyên khi đi từ đầu này đến đầu kia; nhưng cứ mỗi khi đi qua một data link, gói sẽ phải được đóng gói lại theo giao thức data link chạy trên link ấy. Cấu trúc frame thay đổi liên tục theo link nhưng gói IP thì được giữ nguyên.
• Qua ví dụ trên, một lần nữa ta thấy, các giao thức tầng trên như TCP hay HTTP chỉ làm việc với kết nối “tưởng tượng” end – to – end. Việc hiện thực hóa các kết nối này được thực hiện bởi các thực thể ở ba tầng dưới (Network, Data Link và Physical layer).

2. Lớp Physical

Như đã đề cập ở trên, lớp Physical định nghĩa các đặc tính kỹ thuật vật lý cụ thể của một đường truyền, các kỹ thuật xử lý tín hiệu,… để có thể truyền đi một dòng bit dữ liệu từ thiết bị này đến thiết bị kia. Trong rất nhiều vấn đề của lớp vật lý, cáp là một vấn đề trọng yếu cần phải xem xét khi triển khai các giải pháp mạng trong doanh nghiệp. Phần này sẽ giới thiệu sơ lược về một số loại cáp được sử dụng trong đấu nối mạng.

2.1. Cáp trong mạng Ethernet LAN

Kết nối giữa các thiết bị trong Ethernet LAN thường sử dụng hai loại cáp: cáp xoắn đôi (twisted pair) và cáp quang (fiber optic).

• Cáp xoắn đôi: Gồm nhiều sợi cáp đồng được xoắn lại với nhau theo từng cặp. Việc xoắn lại theo từng cặp như vậy để nhằm mục đích chống nhiễu. Có hai loại cáp xoắn đôi: UTP (Unshield Twisted Pair – không có vỏ bảo vệ) và STP (Shield Twisted Pair – có vỏ bảo vệ).
  • Cáp UTP: Thường được kết cuối bằng một đầu nối RJ45. UTP có khả năng chống nhiễu không cao do không có lớp vỏ bảo vệ bằng kim loại bọc quanh các đoạn cáp. Hiện tại có nhiều loại cáp UTP đang được sử dụng, trong đó phổ biến nhất là các loại cáp CAT 5, 5e và 6.

Hình 3. Cáp UTP

• • Cáp STP: Cung cấp khả năng chống nhiễu tốt hơn do có lớp vỏ bảo vệ bằng kim loại bao bọc các đoạn cáp. Tuy nhiên, cáp STP dày hơn và đắt tiền hơn. Tốc độ và chiều dài tối đa của cáp STP đạt được giống như với cáp UTP.

Hình 4. Cáp STP

• Cáp quang: Sử dụng tín hiệu ánh sáng để truyền dữ liệu. Kỹ thuật này cho phép cáp quang cung cấp băng thông truyền tải lớn hơn rất nhiều so với cáp đồng. Có hai loại cáp quang là đa mode (multimode) và đơn mode (single mode):
  • Multimode: Với loại cáp quang này, nhiều mode (hay nhiều bước sóng) được truyền trên sợi cáp, mỗi bước sóng lan truyền theo một đường đi khác nhau. Cáp multimode được sử dụng chủ yếu trong các hệ thống truyền ở khoảng cách ngắn (dưới 2km).
  • Single mode: Loại cáp quang này chỉ cho một mode ánh sáng được lan truyền. Cáp single mode thường được sử dụng cho khoảng cách dài và các ứng dụng tốc độ cao.

Loại đầu nối thường được sử dụng để kết cuối cáp xoắn đôi trong mạng LAN là đầu nối RJ45 (hình 5)

Hình 5. Đầu nối RJ45

Để kết cuối một đoạn cáp xoắn đôi vào đầu nối RJ45, người ta có hai cách để bấm cáp: bấm theo chuẩn EIA/TIA T568A hoặc bấm cáp theo chuẩn EIA/TIA T568B (thường nói gọn là bấm cáp theo chuẩn A hay chuẩn B). Các tài liệu hướng dẫn bấm cáp mạng với đầu nối RJ45 theo chuẩn A, B rất phổ biến trên mạng nên không cần thiết phải trình bày lại trong tài liệu này.

Khi cả hai đầu cáp đều bấm theo chuẩn A hoặc đều bấm theo chuẩn B, ta có một đoạn cáp thẳng (straight – through); khi một đầu bấm theo chuẩn A, còn một đầu bấm theo chuẩn B, ta có một đoạn cáp chéo (cross over).

Các thiết bị mạng Ethernet của Cisco chia thành hai nhóm: nhóm 1 gồm có hub và switch; nhóm 2 gồm các thiết bị khác. Đấu nối giữa các thiết bị cùng nhóm cần sử dụng cáp chéo và đấu nối giữa các thiết bị khác nhóm cần sử dụng cáp thẳng.

Kết nối với cáp thẳng (hình 6):

Hình 6. Kết nối với cáp thẳng

Kết nối với cáp chéo (hình 7):

Hình 7. Kết nối với cáp chéo

Ngày này, đa số các thiết bị đều hỗ trợ cơ chế tự động đảo mạch khi đấu nối không đúng theo quy ước, nên nhìn chung có thể tùy ý sử dụng cáp thẳng hay cáp chéo thì đường kết nối vẫn hoạt động bình thường.

Với đầu nối cáp quang, có rất nhiều loại, trong đó một số loại thông dụng được giới thiệu trên hình 8 :

Hình 8. Một số loại đầu nối quang thường gặp

2.2. Cáp đấu nối WAN

Trong kênh thuê riêng leased – line, router của doanh nghiệp sẽ dùng cổng serial đấu nối đến một thiết bị kết cuối của nhà cung cấp dịch vụ gọi là CSU/DSU – Channel Service Unit/Data Service Unit (hình 9). Từ CSU/DSU, ISP sẽ kéo cáp từ phòng máy của doanh nghiệp về đến phòng máy của nhà cung cấp để từ đó tham gia vào mạng lưới đấu nối WAN của nhà cung cấp dịch vụ.

Hình 9. Giao tiếp giữa router doanh nghiệp và CSU/DSU của ISP

Đoạn dây cáp nối giữa router và CSU/DSU được gọi là cáp serial. Việc truyền số liệu trên cáp serial có thể được thực hiện bởi nhiều chuẩn vật lý khác nhau như V.35, X.21, EIA/TIA – 232,… trong đó phổ biến nhất là V.35 (hình 9).

2.3. Cáp console

Để có thể cấu hình một thiết bị mạng như router hoặc switch, người quản trị phải sử dụng một loại cáp đặc biệt để kết nối từ máy tính của mình đến thiết bị, loại cáp này được gọi là cáp console. Cáp console được mô tả trên hình 10:

Hình 10. Cáp console

Cáp console sẽ được kết nối từ cổng COM của máy tính đến cổng console trên thiết bị. Sau khi kết nối console được thiết lập, người quản trị có thể sử dụng một chương trình truyền số liệu như PuTTY, Hyper Terminal hay Secure CRT,… để tiến hành cấu hình thiết bị.