Tài liệu Tiểu luận mạng truyền thông công nghiệp đề tài mạng truyền thông ethernet

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN HỌC TIỂU LUẬN MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP ĐỀ TÀI: MẠNG TRUYỀN THÔNG ETHERNET Sinh viên thực hiện: Phan Đức Minh Luân Mã sinh viên : 5851031021 Lớp: Tự động hoá K58 Giáo viên hướng dẫn: Võ Văn Ân TP. HỒ CHÍ MINH, Tháng 7 năm 2021 Lời cảm ơn LỜI CẢM ƠN Trên thực tế không có sự thành công nào mà không gắn liền với những sự hỗ trợ, giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của người khác. Trong suốt thời gian từ khi bắt đầu học tập ở giảng đường đại học đến nay, em đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ của quý Thầy Cô, gia đình và bạn bè. Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, đã cùng với những tri thức và tâm huyết của mình để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho em trong suốt quá trình học. Và đặc biệt, trong môn học Mạng Truyền Thông Công Nghiệp này thầy Võ Văn Ân đã tận tình giảng dạy, truyền đạt thêm cho em những kiến thức hay về môn học này. Em xin chân thành cảm ơn thầy đã tận tâm hướng dẫn em trong suốt quá trình học tập. Bài báo cáo này được thực hiện trong quá trình học. Bước đầu đi vào thực tế, kiến thức của em còn hạn chế và còn nhiều bỡ ngỡ. Do vậy, không tránh khỏi những thiếu sót là điều chắc chắn, em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của quý Thầy để kiến thức của em được hoàn thiện hơn. Em xin gửi đến thầy lời chúc tốt đẹp nhất trong cuộc sống. Kính chúc quý thầy dồi dào sức khỏe và thành công trong sự nghiệp cao quý. Em xin trân trọng cảm ơn! TP.HCM, ngày 12 tháng 7 năm 2021 Sinh viên thực hiện Phan Đức Minh Luân Phan Đức Minh Luân – Tự động hoá K58 i Mục lục MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ..........................................................................................................i DANH MỤC BẢNG BIỂU ...................................................................................iv DANH MỤC HÌNH VẼ .........................................................................................v MỞ ĐẦU ................................................................................................................1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG ETHERNET ........................................2 1.1 Tổng quan về mạng LAN ........................................................................2 1.2 Tổng quan về mạng Ethernet ...................................................................2 1.2.1 Ethernet là gì ?....................................................................................2 1.2.2 Sơ lược về lịch sử Ethernet ................................................................2 1.3 Tiêu chuẩn và mở rộng khả năng của Ethernet .......................................3 1.4 Hiện trạng chuẩn hoá ...............................................................................4 1.4.1 Tốc độ và khoảng cách .......................................................................6 1.4.2 Khả năng thay thế cho mạng truy cập ................................................6 1.4.3 Mở rộng khả năng VLAN ..................................................................6 1.4.4 Mở rộng các chức năng OAM ............................................................8 1.4.5 Chuyển mạch với độ phục hồi nhanh .................................................8 1.4.6 Truyền tải tín hiệu thời gian thực .......................................................9 1.4.7 Điều khiển lưu lượng .........................................................................9 CHƯƠNG 2 MẠNG ETHERNET .....................................................................10 2.1 Cách thức Ethernet hoạt động ................................................................11 2.2 Kiến trúc giao thức ................................................................................11 2.3 Cáp Ethernet ..........................................................................................12 2.3.1. Các loại cáp Ethernet .........................................................................12 2.3.2 Một số hạn chế của cáp Ethernet ........................................................14 2.4. Cấu trúc mạng và kỹ thuật truyền dẫn .....................................................15 2.4 Cơ chế giao tiếp .....................................................................................18 2.5 Cấu trúc bức điện ...................................................................................19 2.6 Truy cập bus...........................................................................................20 2.7 Hiệu suất đường truyền và tính năng thời gian thực .............................20 CHƯƠNG 3 TƯƠNG LAI PHÁT TRIỂN CỦA CÁC CHUẨN ETHERNET .22 Phan Đức Minh Luân – Tự động hoá K58 ii Mục lục 3.1 Fast Ethernet ..........................................................................................22 3.2 High Speed Ethernet ..............................................................................23 3.2.1 Kiến trúc giao thức ...........................................................................23 3.2.2 Cấp phát địa chỉ động .......................................................................23 3.2.3 Cấu trúc dự phòng ............................................................................24 3.2.4 Khối chức năng linh hoạt .................................................................24 3.3 Industrial Ethernet..................................................................................25 3.4 Ứng dụng của truyền thông Ethernet .....................................................26 3.4.1 Mạng truyền thông công nghiệp Ethernet trong nhà máy xi măng ..26 3.5 Ưu điểm và nhược điểm của mạng dây Ethernet...................................31 3.5.1 Ưu điểm ............................................................................................31 3.5.2 Nhược điểm ......................................................................................31 3.6 Ethernet & Wi-Fi ...................................................................................32 3.6.1 Ưu điểm Etherner so với Wi-Fi........................................................32 3.6.2 Nhược điểm Etherner so với Wi-Fi ..................................................32 CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN ...................................................................................34 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO..............................................................36 Phan Đức Minh Luân – Tự động hoá K58 iii Danh mục bảng biểu DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Các chuẩn liên quan đến Ethernet ........................................................... 4 Bảng 1.2 Chức năng OAM của Ethernet ................................................................ 8 Bảng 2.1 Các loại cáp Ethernet ............................................................................. 12 Bảng 2.2 Một số loại cáp truyền Ethernet thông dụng ......................................... 15 Bảng 3.1 Một số loại cáp truyền Fasr Ethernet thông dụng ................................. 22 Bảng 3.2 Bảng so sánh một số khác nhau cơ bản ................................................. 28 Phan Đức Minh Luân – Tự động hoá K58 iv Danh mục hình vẽ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Định dạng của frame 802.1ad ..................................................................7 Hình 1.2 Định dạng của frame 802.1ah .................................................................. 7 Hình 2.1 Đầu nối BNC và BNC-T........................................................................ 10 Hình 2.2 Đầu nối RJ45 ......................................................................................... 10 Hình 2.3 Ethetnet/IEEE 802.3 trong tập chuẩn IEEE 802.................................... 11 Hình 2.4 Cáp Ethernet .......................................................................................... 12 Hình 2.5 Kí hiệu cáp truyền .................................................................................. 15 Hình 2.6 Mạng 10BASE5 ..................................................................................... 16 Hình 2.7 Mạng 10BASE2 ..................................................................................... 17 Hình 2.8 Mạng 10BASE – T ................................................................................ 17 Hình 2.9 Phân đoạn mạng 10BASE – F ............................................................... 18 Hình 2.10 Cấu trúc khung MAC theo chuẩn IEEE 802.3/Ethernet ...................... 19 Hình 2.11 Hiệu suất đường truyền Ethernet 10Mbit/s.......................................... 21 Hình 3.1 Kiến trúc giao thức HSE ........................................................................ 24 Hình 3.2 Một cấu hình dự phòng HSE tiêu biểu .................................................. 25 Hình 3.3 Industrial Ethernet ................................................................................. 25 Hình 3.4 Ví dụ về sự phân cấp hệ thống trong tự động hoá công nghiệp ............ 27 Hình 3.5 Hệ thống điều khiển nhà máy xi măng theo cấu trúc Bus có dự phòng ............................................................................................................................... 30 Hình 3.6 Hệ thống điều khiển nhà máy xi măng theo cấu trúc mạch vòng(Ring) ............................................................................................................................... 31 Hình 4.1 Module CP 443-1 và các đèn hiển thị.................................................... 34 Hình 4.2 Ý nghĩa các đèn trên CP 443 – 1 ........................................................... 35 Phan Đức Minh Luân – Tự động hoá K58 v Mở đầu MỞ ĐẦU 1. Sự cần thiết của đề tài Ngày nay, công nghệ đang ngày càng phát triển, tiến tình công nghiệp hóa hiện đại hóa đang diễn ra với tốc độ rất nhanh để phục vụ cho nhu cầu tiêu dùng, sản xuất, học tập, nghiên cứu,…. Bên cạnh đó, các khu công nghiệp, trường học, văn phòng bệnh viện, nhà máy,.. đang ngày càng được xây dựng nhiều. Vậy nên vấn đề liên kết các thiết bị trong công nghiệp cũng như các thiết bị ở trường học, bệnh viện một cách an toàn, nhanh chóng, ổn định, linh hoạt và tiết kiệm là rất cần thiết. Từ đó Ethernet được ra đời không chỉ để phục vụ các mục đích trên mà nó còn có nhiều lợi ích, ứng dụng khác trong lĩnh vực truyền thông. Sau đây nhóm sẽ làm rõ hơn về hoạt động cũng như các tính năng hàng đầu cũng như các ứng dụng lợi ích mà Ethernet đem lại. 2. Đối tượng nghiên cứu Tổng quan và tìm hiều sâu về mạng Ethernet. 3. Kết cấu báo cáo đề tài MỞ ĐẦU CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG ETHERNET CHƯƠNG II: MẠNG ETHERNET CHƯƠNG III: TƯƠNG LAI PHÁT TRIỂN CỦA CÁC CHUẨN ETHERNET CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN Phan Đức Minh Luân – Tự động hoá K58 1 Chương 1: Tổng quan về mạng Ethernet CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG ETHERNET 1.1 Tổng quan về mạng LAN Mạng cục bộ (Local Area Network - LAN) là một nhóm các máy tính và các thiết bị truyền thông mạng được kết nối với nhau trong khu vực địa lý nhỏ, như tòa nhà cao ốc hay trụ sở làm việc của các cơ quan, công ty. Các LAN thường có đặc tính sau: ▪ ▪ ▪ ▪ Chuyển giao dữ liệu với tốc độ nhanh. Thuộc loại mạng có tỉ lệ lỗi thấp. Tồn tại trong khu vực địa lý giới hạn. Công nghệ tương đối rẻ tiền. Mạng LAN được kết nối theo nhiều kiểu khác nhau song tuân theo hai mô hình mạng chính là mạng khách chủ (Client/Server) và mô hình bình đẳng (Peer To Peer). 1.2 Tổng quan về mạng Ethernet 1.2.1 Ethernet là gì ? Ethernet là một dạng công nghệ truyền thống dùng để kết nối các mạng LAN cục bộ, cho phép các thiết bị có thể giao tiếp với nhau thông qua một giao thức - một bộ quy tắc hoặc ngôn ngữ mạng chung. Là một lớp giao thức data-link trong tầng TCP/IP, Ethernet cho thấy các thiết bị mạng có thể định dạng và truyền các gói dữ liệu như thế nào, sao cho các thiết bị khác trên cùng phân khúc mạng cục bộ có thể phát hiện, nhận và xử lý các gói dữ liệu đó. Cáp Ethernet là một hệ thống dây vật lý để truyền dữ liệu qua. Đối tượng của ethernet rất đa dạng, từ doanh nghiệp, game thủ, cho đến các tập người dùng cuối khác nhau phụ thuộc vào lợi ích mà Ethernet mang lại, trong đó có độ tin cậy và tính bảo mật cao. So với công nghệ mạng LAN không dây, Ethernet thường ít bị gián đoạn hơn cho dù là do nhiễu sóng vô tuyến, trở ngại vật lý hay băng thông. Ethernet cũng cung cấp mức độ bảo mật và kiểm soát mạng tốt hơn so với công nghệ không dây (các thiết bị phải được kết nối bằng cáp vật lý - người ngoài sẽ gặp khó khăn khi truy cập dữ liệu mạng hay khi cố gắng điều hướng băng thông cho các thiết bị không được cung cấp. 1.2.2 Sơ lược về lịch sử Ethernet Được phát triển vào những năm 1970 tại Trung tâm Nghiên cứu Palo Alto (PARC) của Xerox, Ethernet được thiết kế như một giao diện mạng chi phí thấp và chịu được lỗi cho cả mạng cục bộ và mạng diện rộng. Vào thời điểm phát minh ra nó, có các mạng khác, chẳng hạn như TokenBus, TokenRing, ARCNET, CDDI và một loạt các giao diện mạng ít được biết đến hoặc độc quyền. Phan Đức Minh Luân – Tự động hoá K58 2 Chương 1: Tổng quan về mạng Ethernet Nhà khoa học Robert Metcalf của PARC được giao nhiệm vụ tìm ra cách kết nối hàng trăm máy tính của công ty để chúng có thể dùng chung chiếc máy in laser đầu tiên trên thế giới do Xerox phát minh gần đây. Ngày nay đây có vẻ là một vấn đề nhỏ, nhưng vào đầu những năm 1970, một số công ty có nhiều hơn hai hoặc ba máy tính. Không có máy tính cá nhân, máy tính xách tay, điện thoại di động, máy tính bảng, v.v. Các mạng hiện tại không thể mở rộng hoặc đủ nhanh để kết nối nhiều máy như vậy, vì vậy Metcalf và các đồng nghiệp của ông cần một cách tiếp cận mới để giải quyết vấn đề này. Họ đã kết hợp một số công nghệ internet với những ý tưởng của riêng mình và khai sinh ra mạng ngày nay ở khắp mọi nơi trên thế giới, kết nối hàng triệu thiết bị với nhau và với chính internet. Theo IEEE-802.3 được ban hành chính thức vào năm 1985, Ethernet đã trở thành giao diện chuẩn trên thực tế cho các mạng lớn và nhỏ, và thậm chí cho các thiết bị riêng lẻ. Đó là sự kết hợp giữa phần cứng và phần mềm được phát triển để có thể chịu lỗi và nhanh chóng. Thông tin được chia thành “gói” hoặc “khung” được gọi là biểu đồ dữ liệu. Mỗi sơ đồ dữ liệu không chỉ chứa bản thân dữ liệu mà còn có thông tin nhận dạng tiêu đề và địa chỉ để có thể tạo lại nó ở đầu nhận và CRC 32-bit (kiểm tra dự phòng theo chu kỳ) ở cuối để ngăn lỗi. Các thiết bị trên mạng có giao diện Ethernet, mỗi thiết bị có một địa chỉ duy nhất. Điều này rất quan trọng vì với rất nhiều thiết bị có khả năng truyền và nhận trên cùng một mạng, mỗi thiết bị cần biết dữ liệu nào dành cho nó. 1.3 Tiêu chuẩn và mở rộng khả năng của Ethernet Cho đến năm 2002, hệ thống tiêu chuẩn của Ethernet vẫn do ủy ban tiêu chuẩn Ethernet IEEE 802 (LMSC - LAN/MAN Standards Committee) quản lý. Bắt đầu từ 2002, ITU-T SG13 và SG 15 (ITU-T: International Telecommunications Union Telecommunication Standardization Sector ; SG : Study Group) đã tiến hành nghiên cứu các chuẩn (Ethernet) để đáp ứng các yêu cầu của mạng cung cấp viễn thông. Kể từ đó, IEEE 802 LMSC ( bao gồm 802.1, 802.3 ) và ITU-T SG 13, ITUT SG15 đã kết hợp với nhau để đưa ra các chuẩn thống nhất. Những lĩnh vực trong công nghệ Ethernet được chuẩn hóa bổ sung là: • Giao diện tốc độ cao (high bit rate) và khoảng cách xa • Khả năng đáp ứng thay thế cho mạng truy cập • Khả năng mở rộng VLAN • Quản lý, điều hành và bảo dưỡng – OAM • Bảo vệ chuyển mạch • Truyền tải tín hiệu thời gian thực Phan Đức Minh Luân – Tự động hoá K58 3 Chương 1: Tổng quan về mạng Ethernet • Điều khiển lưu lượng ❖ Lợi ích của việc sử dụng mạng Ethernet Ethernet đã có thị phần trên 80% và có xu hướng ngày càng tăng. Ethernet đưa ra các đặc điểm mang lại nhiều lợi ích cho người sử dụng: • Khởi động nhanh nhờ phương pháp kết nối đơn giản • Độ linh hoạt cao khi mạng hiện thời có thể được mở rộng mà không có bất kỳ ảnh hưởng bất lợi nào • Cơ sở cho nối mạng hệ thống mạng diện rộng( tích hợp theo chiều sâu) • Cơ sở cho các dịch vụ Ethernet • Độ sẵn sàng cao do có cấu trúc mạng có dự phòng • Thực hiện truyền thông gần như là không giới hạn do có thể áp dụng công nghệ chuyển mạch • Kết nối mạng của nhiều khu vực khác nhau, ví dụ như mạng văn phòng và mạng khu vực sản xuất • Truyền thông diện rộng thông qua kết nối mạng diện rộng(WAN) hoặc mạng công nghiệp không dây(WLAN) sử dụng SCALANCE W) • Dễ dàng kết nối các trạm di động vào mạng WLAN hoặc IWLAN của Siemens sử dụng SCALANCE W • Mạng và dữ liệu được bảo vệ thông qua khái niệm bảo mật của Siemens sử dụng SCALANCE W 1.4 Hiện trạng chuẩn hoá Các tiêu chuẩn trong mỗi lĩnh vực và những thông tin liên quan được mô tả và tóm tắt trong bảng dưới đây. Bảng 1.1 Các chuẩn liên quan đến Ethernet Bộ tiêu chuẩn Kí hiệu tài liệu Tên tiêu chuẩn Thời gian phê chuẩn IEEE IEEE 802.1D MAC Bridges 6/2004 802.1 IEEE 802.1Q VLAN 12/2005 IEEE 802.1 ad Provider Bridges 12/2005 IEEE 802.1ag Connectivity Fault Management 9/2007 IEEE 802.1ah Provider Backbone Briges 12/2008 (dự kiến) Phan Đức Minh Luân – Tự động hoá K58 4 Chương 1: Tổng quan về mạng Ethernet IEEE 802.1aj Two Port MAC relay 12/2008 (dự kiến) IEEE 802.1aq Shortest Path Bridging 12/2009 (dự kiến) IEEE 802.1AS Timing and Synchronization 12/2010 (dự kiến) IEEE 802.1Qat Stream Reservation Protocol 12/2010 (dự kiến) IEEE 802.1Qav Forwarding and Queing Enhancements for for Timesensitive Streams Provider Backbone Bridge Traffic Engineering 12/2010 (dự kiến) IEEE 802.3 CSMA/CD (IEEE 802.3ae 10G Ethernet; IEEE 802.3ah Ethernet in the First Mile) 12/2005 IEEE 802.3av 10 G EPON 3/2009 (dự kiến) IEEE 802.3ba 40G & 100G Ethernet 5/2010 (dự kiến) Y.1730 1/2004 G.8011.1 Requirements for OAM functions in Ethernet-based networks and Ethernet Services OAM functions and Mechanism for Ethernet based network Architecture of Ethernet Layer Networks Ethernet over Transport – Ethernet Services Framework Ethernet Private Line Service G.8011.2 Ethernet Virtual Private LAN Service 9/2005 G.8011.3 Ethernet Virtual Private LAN Service 2/2008 G.8011.4 Ethernet Virtual Private Rooted Multipoint Service Characteristics of Ethernet Transport Network 2/2008 IEEE 802.1Qay IEEE 802.3 ITUT SG13 Y.1731 ITUT SG15 G.8010 G.8011 G.8021 Phan Đức Minh Luân – Tự động hoá K58 12/2011 (dự kiến) 5/2006 2/2008 8/2004 8/2004 Đang phê duyệt 5 Chương 1: Tổng quan về mạng Ethernet 1.4.1 G.8031 Ethernet Protection Switching 6/2006 G.8032 Ethernet Ring Protection 2/2008 Tốc độ và khoảng cách Giao diện kết nối Ethernet với tốc độ 10 Gbit/s và khoảng cách lớn tới 40 km đã được chuẩn hóa trong tiêu chuẩn IEEE 802.3ae trong năm 2002. Nhờ có chuẩn 802.3ae này mà Ethernet đã có thể được ứng dụng cho những đường truyền có khoảng cách xa và yêu cầu tốc độ cao, tương tự như SDH (synchronous digital hierarchy) và OTN (optical transport network). Giao diện 40 và 100 Gbit/s cũng đã được bắt đầu chuẩn hóa – 802.3ba, dựa trên kết quả của nhóm nghiên cứu tốc độ cao (HSSG – High Speed Study Group). Mục tiêu là đưa ra giao diện cho kết nối 40 Gbit/s ở khoảng cách 100km và 100 Gbit/s ở khoảng cách 40Km. Thêm vào đó, ngươi ta kỳ vọng chuẩn này sẽ hỗ trợ mạng OTN, có thể tăng khoảng cách và tốc độ truyền dẫn. 1.4.2 Khả năng thay thế cho mạng truy cập Ethernet in the First Mile – EFM là chuẩn cho truy cập quang Ethernet từ phía khách hàng được chuẩn hóa bởi IEEE 802.3ah năm 2004. Theo chuẩn này, truy cập EPON (Ethernet Passive Optical Network) từ khách hàng có thể đạt tới 1 Gbit/s. EPON cho phép sử dụng hiệu quả khả năng của cáp quang bằng cách chia sẻ cho nhiều đầu cuối cùng truy cập ( 8 - 16 đầu truy nhập ). Các chức năng OAM cho phép quản lý tốt hoạt động của hệ thống mạng truy cập. EPON 10 Gbit/s cũng đã được bắt đầu chuẩn hóa bởi IEEE 802.3av. 1.4.3 Mở rộng khả năng VLAN VLAN được quy định trong IEEE 802.1Q. Chuẩn VLAN cho phép phân chia các mạng LAN vật lý thành những phần vùng mạng logic tách biệt, độc lập. Thực tế, VLAN thường được áp dụng trong mạng doanh nghiệp. Khi ứng dụng cho mạng cung cấp dịch vụ, điều cần thiết là phân tách được ở đâu là VLAN khách hàng (CVLAN), ở đâu là VLAN dịch vụ (S-VLAN). IEEE 802.1ad – Provider Bridgesđược chuẩn hóa năm 2005 để phục vụ mục tiêu này. Các bản tin được bổ sung thêm thông tin về C-VLAN và SVLAN. Với mạng trục, để có thể hỗ trợ khả năng mở rộng nhiều khách hàng, chuẩn IEEE 802.1ah – Provider Backbone Bridges đang được nghiên cứu. Bên cạnh thông tin về C-VLAN, chuẩn này sử dụng thêm các thông tin là định danh dịch vụ, độ dài 24 bit – I-tag (Service Identifier); thông tin về VLAN trong mạng trục (Backbone VLAN – Btag). Phan Đức Minh Luân – Tự động hoá K58 6 Chương 1: Tổng quan về mạng Ethernet Hình 1.1 Định dạng của frame 802.1ad Hình 1.2 Định dạng của frame 802.1ah Trong 802.1ad, S-tag được sử dụng để phân biệt cả định danh dịch vụ và định danh VLAN trong mạng trục. Với 802.1ah, S-tag được phân tách thành I-tag và Btag để mở rộng khả năng mềm dẻo trong quản lý dịch vụ, VLAN. Chuẩn này hiện đang ở những bước đánh giá cuối cùng trước khi được phê duyệt. Hình dưới đây mô tả frame trong hai chuẩn 802.1ad và 802.1ah. Cả IEEE 802.1ad và 802.1ah đều sử dụng thông tin VLAN đa nhãn, có cùng cấu trúc để có thể tăng khả năng mở rộng mà vẫn tương thích. Phan Đức Minh Luân – Tự động hoá K58 7 Chương 1: Tổng quan về mạng Ethernet 1.4.4 Mở rộng các chức năng OAM Với mục tiêu ban đầu là thiết kế cho mạng LAN, Ethernet không có các khả năng OAM. Với môi trường của mạng cung cấp dịch vụ viễn thông, chức năng OAM là bắt buộc. ITU-T SG 13 đã tiến hành các bước chuẩn hóa OAM cho Ethernet từ 2002. IEEE 802.1 cũng thực hiện với dự án 802.1ag. Hai dự án này có sự cộng tác đồng bộ chặt chẽ với nhau. Khuyến nghị cho OAM Ethernet (Y.1730) và cơ chế OAM ( Y.1731) đã được phê duyệt vào 1/2004 và 5/2006. Chuẩn G802.1 khuyến nghị thiết bị Ethernet có chức năng OAM cũng đang được xem xét phê chuẩn. Tháng 9 năm 2007, IEEE 802.1 ag được phê chuẩn. Trong khi khuyến nghị Y.1731 đề cập đến quản lý lỗi và quản lý hiệu năng thì 802.1ag chỉ mô tả khả năng quản lý lỗi. Một số chức năng quản lý lỗi chỉ được môtả trong Y.1731. Những chức năng OAM được mô tả bởi cả hai chuẩn thì đều có khả năng tương tác với nhau. Chi tiết mô tả trong bảng 1.2 1.4.5 Chuyển mạch với độ phục hồi nhanh Tính tin cậy là một trong những yếu tố quan trọng cần phải quan tâm khi sử dụng Ethernet trong hệ thống mạng viễn thông. Giao thức kinh điển quản lý vòng chuyển mạch là spanning – tree protocol đã được đề xuất cùng với kỹ thuật ghép đường (link aggregation). Khuyến nghị ITU-T G.8031 mô tả kỹ thuật bảo vệ chuyển mạch tuyến tính đã được phê chuẩn tháng 6 năm 2006. Cơ chế này sử dụng một đường truyền dự phòng để bảo vệ. Khi đường truyền chính có sự cố, hệ thống sẽ chuyển sang sử dụng đường dự phòng, tương tự như cơ chế sử dụng trong các hệ thống SDH và ATM. Ngoài ra, cơ chế bảo vệ chuyển mạch dạng vòng ring cho phép tận dụng khả năng của cáp quang, đang được phát triển trong bản draft ITU-T G.8032. Dự kiến chuẩn này sẽ được xem xét trong tháng 4 /2008 trong hội nghị của SG 15 diễn ra tại Miami. Bảng 1.2 Chức năng OAM của Ethernet Tên chức năng Continuity Check (CC) Loopback (LB) Link Trace (LT) Remote Defect Indication (RDI) Alarm Inidcation signal (AIS) Test Locked (LCK) Maintenance Communication Channel (MCC) Mô tả Ghi chú Liên tục kiểm tra kết nối đường Mô tả bởi cả hai chuẩn ITU T Y.1731 và 802.1ag truyền và phát hiện thiếu sót Kiểm tra kết nối khi cần và cô lập các sai sót Kiểm tra định tuyến của frame Báo hiệu sự cố tới router phía cung cấp Báo hiệu sự cố tới router đầu cuối Mô tả bởi ITU-T Y.1731 Đo thử khả năng truyền tải, độ lỗi khung và lỗi bit Báo hiệu ngắt dịch vụ do kiểm thử mạng Kênh truyền bảo dưỡng dành cho vận hành Phan Đức Minh Luân – Tự động hoá K58 8 Chương 1: Tổng quan về mạng Ethernet Exprerimental OAM (EXP) Vendor specific OAM (VSP) Các chức năng OAM thử nghiệm Các chức năng OAM đặc thù theo nhà cung cấp thiết bị Loss Measurement(LM) Đo thử độ lỗi khung Delay Measurement(DM) Đo thử độ trễ khung 1.4.6 Truyền tải tín hiệu thời gian thực Ethernet thường được sử dụng cho các dữ liệu không có tính thời gian thực. Từ đầu năm 2006, các chuẩn cho truyền dữ liệu thời gian thực đã bắt đầu được nghiên cứu. Mục tiêu là cho phép truyền thoại, hình ảnh qua Ethernet tới người dùng cuối. Các dự án chuẩn cho mục tiêu này gồm có: Audio Video Bridging Task Group: Timing and Synchronization (IEEE 802.1 AS), Stream Reservation Protocol (IEEE 802.1 Qat), và Forwarding and Queuing Enhancements for Tme-SensitiveStreams (IEEE 802.1 Qav). Trong tương lai, các tiêu chuẩn khi đưa ra sẽ cho phép truyền tải dữ liệu trên nền Ethernet với độ trễ thấp, chất lượng hình ảnh, âm thanh trung thực. 1.4.7 Điều khiển lưu lượng PBB-TE (Provider Backbone Bridges – Traffic Engineering) đã được nghiên cứu chuẩn hóa để có thể đưa các cơ chế điều khiển lưu lượng vào mạng Ethernet. Ethernet được thiết kế ban đầu trên cơ sở truyền dẫn không định hướng, không điều khiển. Trong mạng dịch vụ viễn thông, nhà cung cấp dịch vụ luôn luôn cần phải biết dữ liệu, thông tin được truyền đi qua những chặng nào, tuyến đường như thế nào, lưu lượng là bao nhiêu. Với PBB-TE, nhà khai thác có thể thiết lập trước tuyến truyền dẫn với những chính sách áp dụng cho từng tuyến, từ đó, triển khai các cơ chế điều khiển lưu lượng. Phan Đức Minh Luân – Tự động hoá K58 9 Chương 2: Mạng Ethernet CHƯƠNG 2 MẠNG ETHERNET Thoạt đầu, Ethernet được phát triển bởi các hãng Xerox, Digital và Intel vào đầu những năm 1970. Hiện nay, Ethernet đã trở thành cấu trúc mạng LAN thông dụng nhất trên thế giới, đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống thông tin công nghiệp. Bên cạnh việc sử dụng cáp đôi dây xoắn, cáp đồng trục, cáp quang là Ethernet không dây. Thực chất Ethernet chỉ thực hiện ở lớp vật lí và một phần của lớp liên kết dữ liệu. Do đó, có thể sử dụng các giao thức khác nhau ở phía trên, trong đó TCP/IP là họ giao thức được dùng phổ biến nhất. Ethernet dùng phương pháp truy cập tranh chấp CSMA/CD, nó tuân theo chuẩn IEEE 802.3 và hỗ trợ tốc độ truyền dữ liệu trên mạng từ 10Mbps đến 100Mbps. Ethernet có cấu trúc mạng dạng đường thẳng hoặc hình sao. Ethernet thường dùng trên các mạng có lưu lượng lưu thông nhẹ đến trung bình. Card Ethernet có các dạng đấu nối như sau: • Các đầu nối BNC hỗ trợ cáp đồng trục. • Các đầu nối RJ45 hỗ trợ hệ cáp 10BASE – T (UTP). • Các đầu nối DIX được dùng để nối với hệ thu phát bên ngoài. Hình 2.1 Đầu nối BNC và BNC-T Hình 2.2 Đầu nối RJ45 Các loại mạng Ethernet: • • • • Mạng LAN 802.3 chuyển mạch. Fast Ethernet. High Speed Ethernet. Industrial Ethernet. Phan Đức Minh Luân – Tự động hoá K58 10 Chương 2: Mạng Ethernet 2.1 Cách thức Ethernet hoạt động Giao thức Ethernet được xác định là hoạt động trên cả Layer 1 - lớp vật lý và Layer 2 - lớp liên kết dữ liệu trên mô hình giao thức mạng OSI. Ethernet xác định hai đơn vị truyền: packet và framework. Framework không chỉ có nội dung của dữ liệu được truyền mà còn bao gồm: - Địa chỉ truy cập vật lý (MAC) của cả người gửi và người nhận; - Gắn thẻ Vlan và thông tin liên quan khác; - Thông tin sửa lỗi để phát hiện sự cố truyền Mỗi frame sẽ nằm trong một gói chứa một vài byte thông tin để thiết lập kết nối và đánh dấu vị trí framework bắt đầu. 2.2 Kiến trúc giao thức Hình 2.3 minh họa kiến trúc giao thức của Ethernet/IEEE 802.3 trong tập chuẩn IEEE 802. Lớp liên kết dữ liệu được chia thành 2 lớp con là lớp LLC (Logical Link Control) và MAC (Medium Access Control). Như vậy, phạm vi của Ethernet/IEEE 802.3 chỉ bao gồm lớp vật lý và lớp MAC Hình 2.3 Ethetnet/IEEE 802.3 trong tập chuẩn IEEE 802 Điểm khác biệt cơ bản so với đặc tả Ethernet lúc đầu là chuẩn 802.3 đã đưa ra một họ các hệ thống mạng trên cơ sở CSMA/CD, với tốc độ truyền từ 1-10 Mbit/s cho nhiều môi trường truyền dẫn khác nhau. Bên cạnh đó, trong cấu trúc bức điện cũng có sự khác biệt nhỏ: ô chứa chiều dài bức điện theo 802.3 chỉ định kiểu giao thức phía trên ở Ethernet. Tuy nhiên, ngày nay khi ta nói tới Ethernet cũng là chỉ một loại sản phẩm thực hiện theo chuẩn IEEE 802.3. Phan Đức Minh Luân – Tự động hoá K58 11 Chương 2: Mạng Ethernet 2.3 Cáp Ethernet 2.3.1. Các loại cáp Ethernet Cáp Ethernet là một trong những dạng cáp mạng phổ biến nhất được sử dụng trên các mạng có dây. Cáp Ethernet kết nối các thiết bị với nhau trong một mạng cục bộ, như máy tính, bộ định tuyến và công tắc. Cho rằng đây là những dây cáp vật lý, chúng có những hạn chế của chúng, cả ở khoảng cách mà chúng có thể kéo dài và vẫn mang tín hiệu thích hợp, và độ bền của chúng. Đây là một trong những lý do có nhiều loại cáp Ethernet khác nhau; để thực hiện các tác vụ nhất định trong các tình huống cụ thể. Hình 2.4 Cáp Ethernet Cáp Ethernet thường hỗ trợ một hoặc nhiều tiêu chuẩn công nghiệp bao gồm Category 5 (CAT5) và Category 6 (CAT6) . Cáp chéo là loại cáp Ethernet đặc biệt được thiết kế đặc biệt để kết nối hai máy tính với nhau. Ngược lại, hầu hết các cáp Ethernet được thiết kế để kết nối một máy tính với bộ định tuyến hoặc chuyển mạch. Cáp Ethernet được sản xuất vật lý theo hai dạng cơ bản được gọi là rắn và bị mắc kẹt . Cáp Ethernet rắn cung cấp hiệu năng tốt hơn một chút và cải thiện khả năng chống nhiễu điện. Chúng cũng thường được sử dụng trên mạng doanh nghiệp , hệ thống dây điện bên trong các bức tường văn phòng, hoặc dưới sàn phòng thí nghiệm đến các vị trí cố định. Cáp Ethernet bị mắc kẹt ít dễ bị nứt và nứt vật lý, khiến chúng thích hợp hơn cho khách du lịch hoặc trong các thiết lập mạng gia đình. Bảng 2.1 Các loại cáp Ethernet Tên Cấu trúc điển hình Băng thông Phan Đức Minh Luân – Tự động hoá K58 Ứng dụng 12 Chương 2: Mạng Ethernet Cat 3 UTP 16 MHz Cáp Ethernet 10BASE-T và 100BASE-T4 Cat 4 UTP 20 MHz Token Ring 16Mbit/s Cat 5 UTP 100 MHz Cáp Ethernet 100BASE-TX & 1000BASE-T Cat 5e UTP 100 MHz Cáp Ethernet 100BASE-TX & 1000BASE-T Cat 6 UTP 250 MHz Cáp Ethernet 10GBASE-T Cat 6a UTP 500 MHz Cáp Ethernet 10GBASE-T Cat 7 UTP 600 MHz Cáp Ethernet 10GBASE-T hoặc POTS/CATV/1000BASE-T qua cáp đơn Cat 7a UTP 1000 MHz Cáp Ethernet 10GBASE-T hoặc POTS/CATV/1000BASE-T qua cáp đơn Cat 8/8.1 UTP 16002000 MHz Cáp Ethernet 40GBASE-T hoặc POTS/CATV/1000BASE-T qua cáp đơn Cat 8.2 UTP 16002000 MHz Cáp Ethernet 40GBASE-T hoặc POTS/CATV/1000BASE-T qua cáp đơn ❖ Category 3 - Cáp 3 Cáp Category 3, thường được gọi là Cat 3, là cáp xoắn đôi không có vỏ chống nhiễu (unshielded twisted pair - UTP) được thiết kế để truyền dữ liệu đáng tin cậy lên đến 10 Mbit/giây, với băng thông có thể lên tới 16 MHz. Nó là một phần của các tiêu chuẩn cáp đồng được xác định bởi Liên minh Công nghiệp Điện tử và Hiệp hội Công nghiệp Viễn thông. Cat 3 là định dạng cáp phổ biến vào đầu những năm 1990, nhưng từ đó, nó gần như hoàn toàn được thay thế bằng tiêu chuẩn Cat 5 tương tự, nhưng mang lại tốc độ cao hơn. ❖ Category 5 – Cáp 5 Cáp Category 5, thường được gọi là Cat 5, là một loại cáp xoắn đôi không có vỏ chống nhiễu được thiết kế để đảm bảo tính toàn vẹn tín hiệu cao. Tiêu chuẩn thực tế của Cat 5 xác định các tính chất điện cụ thể của dây, nhưng nó thường được đánh giá bằng khả năng Ethernet là 100 Mbit/s. Chỉ định tiêu chuẩn cụ thể của nó là EIA/TIA568. Cáp Cat 5 thường có ba cặp xoắn mỗi inch, mỗi cặp xoắn gồm 24 dây đồng. Việc xoắn cáp làm giảm hiện tượng nhiễu điện và nhiễu xuyên âm. Một đặc điểm quan trọng khác là dây dẫn được cách điện bằng nhựa (FEP) có độ phân tán thấp, có nghĩa là hằng số điện môi của nhựa không phụ thuộc nhiều vào Phan Đức Minh Luân – Tự động hoá K58 13 Chương 2: Mạng Ethernet tần số. Cần chú ý đặc biệt để giảm thiểu sự không phù hợp trở kháng tại các điểm kết nối. Cáp Cat 5 thường được sử dụng trong cáp cấu trúc cho mạng máy tính như Fast Ethernet, mặc dù chúng cũng được sử dụng để truyền nhiều tín hiệu khác như dịch vụ thoại cơ bản, token ring và ATM (lên tới 155 Mbit/giây). ❖ Category 5e – Cáp 5 Cáp Category 5e là phiên bản nâng cao của Cat 5 để sử dụng với mạng 1000BASE-T (gigabit), hoặc cho các liên kết 100 Base-T đường dài (350 m, so với 100 m đối với Cat 5). Nó phải đáp ứng các tiêu chuẩn EIA/TIA 568A-5. Hầu như tất cả các dây cáp được bán dưới danh nghĩa Cat 5 thực ra là Cat 5e. Các dấu hiệu trên cáp có thể cho bạn biết loại cáp chính xác. ❖ Category 6 – Cáp6 Tiêu chuẩn cho Gigabit Ethernet và kết nối khác tương thích ngược với cáp Cat 5, Cat 5e và Cat 3. Cat 6 có đặc điểm kỹ thuật nghiêm ngặt hơn để đề phòng nhiễu xuyên âm và nhiễu hệ thống. Tiêu chuẩn cáp phù hợp cho các kết nối 10BASE-T, 100BASE-TX và 1000BASE-T (Gigabit Ethernet). Cáp có 4 cặp dây đồng xoắn, giống như các tiêu chuẩn cáp đồng trước đó, mặc dù mỗi cặp xoắn được tạo thành từ dây đồng khổ lớn hơn một chút so với 24 dây của Cat 5. Khi được sử dụng làm cáp patch (cáp vá), Cat 6 thường sử dụng các đầu nối RJ-45. Nếu các thành phần của các tiêu chuẩn cáp khác nhau được trộn lẫn, hiệu suất của đường truyền tín hiệu sẽ bị giới hạn ở mức thấp nhất. Khoảng cách mà không làm hao hụt dữ liệu là 220m. ❖ Category 7 – Cáp 7 Category 7 (CAT7), (ISO/IEC 11801:2002 category 7/lớp F), là chuẩn cáp cho Ethernet siêu nhanh và các công nghệ kết nối khác có thể tương thích ngược với cáp Ethernet CAT5 và CAT6 truyền thống. CAT7 có đặc điểm kỹ thuật nghiêm ngặt hơn để phòng hiện tượng nhiễu xuyên âm và nhiễu hệ thống tốt hơn so với CAT6. Để đạt được điều này, vỏ chống nhiễu đã được thêm vào cho từng cặp dây và toàn bộ cáp Tiêu chuẩn cáp CAT7 đã được tạo ra để cho phép tín hiệu Ethernet 10 gigabit truyền trên 100m cáp đồng. Cáp có 4 cặp dây đồng xoắn, giống như các tiêu chuẩn trước đó. CAT7 có các đầu nối RJ-45 tương thích GG45 kết hợp tiêu chuẩn RJ-45 và một loại kết nối mới để cho phép truyền dữ liệu mượt mà hơn theo tiêu chuẩn mới. Khi kết hợp với đầu nối GG-45, cáp CAT7 có tần số truyền lên tới 600 MHz. 2.3.2 Một số hạn chế của cáp Ethernet Một cáp Ethernet duy nhất, giống như một dây nguồn điện, có công suất khoảng cách tối đa giới hạn, có nghĩa là chúng có giới hạn trên cho thời gian chúng có thể trước khi mất tín hiệu (gọi là suy giảm ) xảy ra. Điều này là do đặc điểm truyền tải điện của chúng và bị ảnh hưởng trực tiếp bởi nhiễu xung quanh cáp. Cả hai đầu của cáp phải đủ gần nhau để nhận tín hiệu một cách nhanh chóng, nhưng đủ xa các nhiễu điện để tránh bị gián đoạn. Tuy nhiên, điều này một mình không giới hạn kích thước của một mạng vì phần cứng như bộ định tuyến hoặc hub có thể được sử dụng để kết nối nhiều cáp Ethernet với nhau trong cùng một mạng. Khoảng cách giữa hai thiết bị này được gọi là đường kính mạng . Phan Đức Minh Luân – Tự động hoá K58 14