I.

Giới thiệu về Ethernet
1. Khái niệm về Ethernet
Ethernet là một họ lớn và đa dạng gồm các công nghệ mạng dựa khung dữ
liệu (frame-based) dành cho mạng LAN. Tên Ethernet xuất phát từ khái niệm Ête
trong ngành vật lý học. Ethernet định nghĩa một loạt các chuẩn nối dây và phát tín
hiệu cho tầng vật lý, hai phương tiện để truy nhập mạng tại phần MAC (điều khiển
truy nhập môi trường truyền dẫn) của tầng liên kết dữ liệu, và một định dạng
chung cho việc đánh địa chỉ.
Ethernet đã được chuẩn hóa thành IEEE 802.3. Cấu trúc mạng hình sao,
hình thức nối dây cáp xoắn (twisted pair) của Ethernet đã trở thành công nghệ
LAN được sử dụng rộng rãi nhất từ thập kỷ 1990 cho tới nay, nó đã thay thế các
chuẩn LAN cạnh tranh khác như Ethernet cáp đồng trục (coaxial cable), token
ring, FDDI, và ARCNET. Trong những năm gần đây, Wi-Fi, dạng LAN không
dây đã được chuẩn hóa bởi IEEE 802.11, đã được sử dụng bên cạnh hoặc thay thế
cho Ethernet trong nhiều cấu hình mạng.
2. Lịch sử phát triển

Ethernet là mạng cục bộ do các công ty Xerox, Intel và Digital equipment
xây dựng và phát triển. Ethernet là mạng thông dụng nhất đối với các mạng nhỏ
hiện nay. Ethernet LAN được xây dựng theo chuẩn 7 lớp trong cấu trúc mạng của

1|Page


ISO, mạng truyền số liệu Ethernet cho phép đưa vào mạng các loại máy tính khác
nhau kể cả máy tính mini.
Các giai đoạn phát triển:
•

1972 :
 Thí nghiệm về hệ thống đầu tiên được thực hiện tại Xerox PARC bởi

Robert Metcalfe và các đồng nghiệp (Palo Alto Research Center )
 Hệ thống mạng truyền 2,94Mbps dựa trên Ethernet
•

1979: Xây dựng chuẩn Ethernet II, tốc độ 10Mbps

•

1981:
 Chuẩn IEEE 802.3 được chính thức được sử dụng Digital

Equipment, Intel, và Xerox cùng phát triển và đưa ra phiên bản
Ethernet Version 2.0, Ethernet II => chuẩn quốc tế
•

1985: IEEE lấy DIX Ethernet làm nền tảng cho đặc tả kỹ thuật IEEE 802.3.
Sau đó, IEEE mở rộng thêm các ủy ban mới là 802.3u (Fast Ethernet),

802.3z (Gigabit Ethernet over Fiber) và 802.3ab (Gigabit Ethernet over UTP)…
3. Các thành phần mạng Ethernet

2|Page


Hình 1: Các thành phần mạng Ethernet
•


Data terminal Equipment (DTE): Các thiết bị truyền và nhận dữ liệu DTEs
thường là PC, File Server, Print Server, ...

•

Data Communication Equipment (DCE): Các thiết bị kết nối mạng cho
phép nhận và chuyển khung trên mạng. DCE có thể là các thiết bị độc lập
như Repeter (không quá 4 Repeter), Switch, Router hoặc các khối giao tiếp
thông tin như Card mạng, Modem, …

•

Interconnecting Media: Cáp có thể dài nhất là 500m và ngắn nhất là 2.5m.
Có thể sử dụng cáp xoắn đôi, cáp đồng trục mỏng, cáp đồng trục dày, cáp
sợi quang.

Ethernet có các đặc tính kỹ thuật sau :
3|Page


•

Cấu hình truyền thống : Có cấu trúc dạng tuyến phân đoạn, đường truyền
dùng cáp đồng trục, tuy nhiên mỗi thành phần của nó có thể là cấu trúc
Star (Star-wired bus). tín hiệu truyền trên mạng được mã hóa theo kiểu
đồng bộ.

•

Quy cách kỹ thuật 802.3


•

Vận tốc truyền : 10Mbps,100Mbps,…..10Gbps

•

Loại cáp : Cáp đồng trục mảnh, cáp đồng trục dày, cáp xoắn đôi, cáp sợi
quang Chiều dài tối đa của một đoạn cáp tuyến là 500m, các đoạn tuyến
này có thể được kết nối lại bằng cách dùng các bộ chuyển tiếp và khoảng
cách lớn nhất cho phép giữa 2 nút là 2,8km.

•

Sử dụng tín hiệu băng tầng cơ bản, truy xuất tuyến hoặc tuyến token (token
bus), giao thức là CSMA/CD, dữ liệu chuyển đi trong các gói (64 – 1518
byte).

Ngày nay, khái niệm Ethernet thường được sử dụng để chỉ một mạng LAN
CSMA/CD, phù hợp với tiêu chuẩn 802.3, đặc điểm :
•

Hoạt động ở mức liên kết dữ liệu

•

Theo nguyên tắc CSMA/CD cảm biến sóng mang có phát hiện đụng độ

•


Thành phần chính:
4|Page


- Phần cứng mạng : Các thiết bị nối mạng
- Giao thức điều khiển truy xuất đường truyền
- Khung Ethernet : Đơn vị dữ liệu truyền trên mạng
II.

Các chuẩn và tốc độ của Ethernet

Hình 2: Cách miêu tả tên của Ethernet

1. Hệ thống Ethernet 10Mb/s

5|Page


-

10Base5: Đây là chuẩn ehternet đầu tiên, dựa trên đồng trục
loại dày. Tốc độ đạt được 10Mb.s, sử dụng bang tần cơ sở ,
chiều dài cáp tối đa cho một phân đoạn mạng là 500m.

-

Hình 3: 10BASE5 transceivers, cables and tapping tool

-


Hình 4: Ethernet trunk cable 802.3 style 1478 12 FT
10Base5

6|Page


-

10Base2 : Có tên khác là “thin Ethernet”. Dựa trên hệ thống
cáp đồng trục mỏng với tốc độ 10Mb/s, chiều dài tối đa của
phân đoạn là 185m ( IEE làm tròn là 200m)

-

10BaseT: chữ T viết tắt của twisted( cáp xoắn cặp), hoạt
động tốc độ 10Mb/s dựa trên hệ thống cắp xoắn cặp Cat 3 trở
lên.

7|Page


-

10BaseF: F viết tắt của Fiber optic ( sợi quang), đây là chuẩn
ethernet dung cho sợi quang hoạt động tốt ở tốc độ 10Mb/s, ra
đời năm 1993.

2. Hệ thống Ethernet 100Mb/s ( Fast Ethernet )

-


100BaseT: Cuẩn Ehternet hoạt động với tốc độ 100Mb/s trên
cả cáp xoắn cạp lẫn cáp sợi quang.

-

100BaseX: Chữ X nói lên đặc tính mã hóa đường truyền của
hệ thống này ( sử dụng phương pháp mã hóa 4B/5B của
chuẩn FĐI), bao gồm hai chuẩn 100BaseFX ( sử dụng cáp sợi
quang mode) và 100BaseTX ( sử dụng cáp xoắn cặp)

8|Page


Hình 3: Mô hình mạng 100BaseTX

Hình 4: Mô hình mạng 100BaseFX
3. Hệ thống Giga Ethernet

-

1000BaseX gồm 3 loại:
•

1000Base-SX: sử dụng sợi quang với sóng ngắn
9|Page


•


1000Base-LX: sử dụng sợi quang với song dài

Hình 5: Mô hình 1000BaseSX_LX
•

1000Base-CX: sử dụng cáp đồng

10 | P a g e


-

1000BaseT: Hoạt động ở tốc độ Gigabit, bang tần cơ sở trên
cáp xoắn cặp Cat 5 trở lên . Sử dụng kiểu mã hóa đường
truyền riêng để đạt được tốc độ cao trên loại cáp này.

III.

Hoạt động của Ethernet
Mỗi máy Ethernet, hay còn gọi là máy trạm , hoạt động độc lập với tất cả các

trạmkhác trên mạng , không có một trạm điều khiển trung tâm.Mọi trạm đều kết nối
vớiEthernet thông qua một đường truyền tín hiệu chung còn gọi là đuờng trung
gian.Tín hiệu Ethernet được gửi theo chuỗi , từng bit một , qua đường trung gian tới
tấtcả các trạm thành viên. Để gửi dữ liệu trước tiên trạm cần lắng nghe xem kênh
córỗi không , nếu rỗi thì mới gửi đi các gói ( dữ liệu).
Cơ hội để tham gia vào truyền là bằng nhau đối với mỗi trạm . Tức là không có
sựưu tiên . Sự thâm nhập vào kênh chung được quyết dịnh bởi nhóm điều khiển
truynhập trung gian ( Medium Access Control -MAC) được đặt trong mỗi trạm .
MAC thực thi dựa trên cơ sở sự phát hiện va chạm sóng mang ( CSMA/CD).

-Giao thức CSMA/CD
-Xung đột
-Truyền dữ liệu

11 | P a g e


Hình 6: Hoạt động của Ethernet
IV.

Chuẩn Ethernet 10 Gigabit (chuẩn IEEE 802.3)
1. Sơ lược về chuẩn Ethernet 10 Gigabit

Chuẩn IEEE 802.3 là một phần của họ chuẩn cho mạng cục bộ và
metropolitan. Mối quan hệ giữa các thành viên của chuẩn được trình bày bên dưới.

12 | P a g e


Hình 9: Họ chuẩn của mạng cục bộ
IEEE 802.3ae* 2002 (chuẩn Ethernet 10 Gigabit) khác biệt với các chuẩn
Ethernet trước đây ở một số điểm như chỉ được thực hiện trên cáp sợi quang và chỉ
hoạt động trong chế độ song công toàn phần (fullduplex mode). Với Ethernet 10
Gigabit, các giao thức phát hiện xung đột là không cần thiết. Hiện nay, Ethernet có
thể xử lý cho đến 10 Gbit/s trong khi vẫn bảo đảm duy trì các thuộc tính Ethernet cơ
bản như định dạng gói tin và các khả năng hiện có và có thể dễ dàng chuyển sang
chuẩn mới.

Chuẩn Ethernet 10 Gigabit mở rộng các giao thức chuẩn IEEE 802.3ae* lên tới
tốc độ đường truyền là 10 Gbit/s và mở rộng phạm vi ứng dụng của Ethernet như bao

gồm cả các liên kết tương thích WAN. Chuẩn Ethernet 10 Gigabit cho phép tăng băng
thông đáng kể trong khi vẫn duy trì khả năng tương thích tối ưu với nền tảng đã được

13 | P a g e


cài đặt của các giao diện chuẩn 802.3, bảo toàn vốn đầu tư trước đó trong nghiên cứu,
phát triển và duy trì những nguyên tắc đang tồn tại của hoạt động và quản lý mạng.
Trong mô hình OSI (Open Systems Interconnection), về cơ bản Ethernet nằm ở giao
thức lớp 1 và lớp 2. Ethernet 10 Gigabit vẫn giữ lại kiến trúc Ethernet cơ bản, bao
gồm giao thức MAC , định dạng khung Ethernet và kích thước tối thiểu và tối đa của
khung. Đúng như Ethernet Gigabit, 1000BASE-X và 1000BASE-T , tiếp nối mô hình
Ethernet chuẩn, Ethernet 10 Gigabit tiếp tục cuộc cách mạng Ethernet về mặt tốc độ
và khoảng cách, trong khi vẫn giữ lại kiến trúc Ethernet đã được sử dụng trong các
đặc tả Ethernet khác. Từ khi Ethernet 10 Gigabit là công nghệ chỉ chạy full-duplex
(song công toàn phần), nó không cần đến giao thức CSMA/CD được sử dụng trong
những công nghệ Ethernet trước đó (ở một vài khía cạch nào đó, Ethernet 10 Gigabit
tương xứng với mô hình Ethernet nguyên thuỷ).

Hình 10: Chuẩn IEEE 802.3 trong mô hình TCP/IP

14 | P a g e


Tại lớp vật lý (lớp 1 của mô hình OSI), một thiết bị lớp vật lý Ethernet (PHY)
kết nối môi trường truyền là cáp quang hay cáp đồng với lớp MAC thông qua một
công nghệ ghép nối. Ngoài ra, kiến trúc Ethernet chia lớp vật lý thành ba lớp con là
PMD (Physical Medium Dependent), PMA (Physical Medium Attachment) và PCS
(Physical Coding Sublayer). Các PMD cung cấp kết nối vật lý và báo hiệu cho môi
trường truyền; ví dụ các máy thu phát quang (optical transceiver) là các PMD. PCS

bao gồm mã hoá (ví dụ như 64B/66B) và một serializer hay multiplexor (bộ dồn
kênh). Chuẩn IEEE 802.3ae* định nghĩa hai kiểu PHY: PHY LAN và PHY WAN.
Chúng cung cấp cùng chức năng hoạt động, ngoại trừ PHY WAN có một tập tính
năng mở rộng trong PCS cho phép kết nối với một số mạng khác.

Hình 11: Chuẩn IEEE 802.3
2. Các Ứng dụng Chuẩn Ethernet 10 Gigabit

Các nhà cung cấp và người dùng đều cho rằng chi phí cho Ethernet là không
đắt, hiểu rộng ra có nghĩa việc triển khai rộng khắp tương thích với những thứ đã
có trong các mạng LAN hiện tại. Ngày nay một gói tin khi rời khỏi một máy chủ
15 | P a g e


trên một cổng Ethernet Gigabit, được truyền đi trong phạm vi quốc gia qua một
mạng DWDM (Dense-Wave Division Multiplexing)[5] và tìm thấy đường đi của
nó đến một PC được gắn vào một cổng cáp đồng Gigabit, tất cả không cần phải
đóng gói lại hay chuyển đổi giao thức. Ethernet theo nghĩa đen có nghĩa ở khắp
mọi nơi và Ethernet 10 Gigabit duy trì sự chuyển giao liên tục về mặt chức năng
cho bất cứ ứng dụng nào mà Ethernet áp dụng vào.
Ethernet 10 Gigabit được sử dụng cho các mạng máy chủ (server area network)
hay các mạng vùng lưu giữ (storage area network), theo truyền thống là vùng các
mạng chuyên dụng giữ độc quyền với những nền tảng người dùng tương đối nhỏ
khi so sánh với Ethernet. Các mạng vùng máy chủ này cho một băng thông tuyệt
vời đối với các mạng phạm vi nhỏ (thường nhỏ hơn 20 m). Tuy vậy, chúng là
những mạng giữ độc quyền rất khó triển khai và bảo trì. Mạng dung lượng nhỏ
cũng dẫn đến chi phí cao hơn cho các bộ tiếp hợp máy chủ và các bộ chuyển
mạch. Như với bất cứ giải pháp giữ độc quyền nào, chúng không thể hoạt động
cùng với các công nghệ khác mà không cần đến các bộ định tuyến và các thiết bị
chuyển mạch thích hợp.

Trong các mạng vùng lưu trữ, việc thiếu các chuẩn và một số vấn đề về khả
năng hoạt động cùng nhau gây khó khăn khi triển khai Fibre Channel ban đầu. Tuy
nhiên, những công nghệ này cũng gặp phải một số vấn đề tương tự như đã xảy ra
trong các mạng vùng máy chủ giữ độc quyền do thiếu đầu tư. Tóm lại, Ethernet 10

16 | P a g e


Gigabit được sử dụng để thay thế các công nghệ độc quyền và như một thế hệ kế
tiếp liên kết các mạng vùng máy chủ và lưu trữ với nhau do một vài lý do:
-

Ethernet

-

Hợp

10

nhất

Gigabit
máy

chủ

cho
dẫn


một
đến

băng

thông

thiết

tiét

kiệm

giá

yếu.
thành.

- Sự tăng trưởng có kế hoạch của các tính năng mạng 10 Gigabit.
Ngoài ra, việc triển khai toàn bộ công nghệ TOE (TCP/IP Offload Engine)
được chờ đợi trong các adapter Ethernet 10 Gigabit có thể làm cho nó đặc biệt hiệu
quả trên các hệ thống máy chủ với việc tận dụng CPU mong muốn như đã thấy trên
các hệ thống hiện thời đang triển khai Ethernet Gigabit. Do tốc độ thoả thuận trong
phạm vi rộng của Ethernet, công nghệ TOE sẽ trở thành vô cùng hiệu quả về giá
thành khi so sánh với các mạng dung lượng thấp hơn.
V.

Cấu trúc khung Ethernet IEEE 802.3

17 | P a g e



Chuẩn IEEE 802.3 định nghĩa một khung định dạng dữ liệu cơ bản cho tất cả
công việc mà MAC thực hiện. Thêm vào đó, một vài chức năng lựa chọn được thêm
vào cho khung dữ liệu. Một khung dữ liệu gồm có 7 trường như hình vẽ.

Hình 12 Cấu trúc Frame Ethernet


Phần đầu khung Preamble

Preamble chỉ ra sự bắt đầu của một khung truyền. Nó gồm một dãy các giá trị bit 0 và
1 xen kẽ nhau để báo hiệu cho trạm nhận (receiving stations) rằng có khung đang tới.
Và nó cũng cung cấp một phương tiện để đồng bộ hóa những phần khung nhận của lớp
vật lý nhận với một luồng bits vào.
Preamble bao gồm 7 bytes như sau:
10101010 - 10101010 - 10101010 - 10101010 - 10101010 - 10101010 - 10101010


Start Frame Delimiter (DFD)

SFD là một chuỗi 8 bit (1 byte) 10101011. Nó theo sau Preamble và chỉ ra sự bắt đầu
của chuỗi thông tin với hai bit cuối là 11. Sau byte này chính là địa chỉ.

18 | P a g e




Destination Address (DA) – Địa chỉ đích


Địa chỉ đích bao gồm 6 bytes để xác nhận trạm sẽ nhận khung. Nó chứa địa chỉ vật lý
(physical address) của đích sắp đến của gói. Địa chỉ vật lý của hệ thống là một mẫu bit
được mã hóa trên NIC (Network Interface Card). Nếu gói phải đi qua mạng LAN này
đến mạng LAN khác để đến đích của nó, trường DA chứa địa chỉ vật lý của router nối
mạng LAN hiện hành và mạng LAN kế. Khi gói đạt đến mạng đích, trường DA chứa
đại chỉ vật lý của thiết bị đích.
Trong chuỗi bits này, bit phía bên trái của trường DA chỉ ra địa chỉ đơn (individual
address) nếu là bit 0 hoặc địa chỉ nhóm (group address) nếu là bit 1. Bit thứ hai bên
trái chỉ ra DA được quản lý cục bộ hay quản lý toàn cục. Những bit còn lại được gán
để xác nhận một trạm đơn, nhóm trạm hoặc tất cả trạm trên mạng (network).


Source Address (SA) – Địa chỉ nguồn

Địa chỉ nguồn bao gồm 6 bytes chứa địa chỉ vật lý của thiết bị cuối cùng chuyển tiếp
gói. Thiết bị đó có thể là trạm đang gởi hoặc router mới xảy ra nhất để nhận và chuyển
tiếp gói. Địa chỉ nguồn thì luôn luôn là địa chỉ đơn và bit phía trái thì luôn là bit 0.


Length/type of PDU field

Lengh/type field gồm 2 bytes. Chỉ ra số byte trong PDU (Protocol Data Unit) đang
đến. Nếu chiều dài của PDU là cố định, trường này được dung chỉ ra loại hoặc nền của

19 | P a g e


các giao thức khác. Ví dụ, Novel và Internet dùng nó để làm rõ nghi thức mạng đang
dung PDU.



Data field – Trường dữ liệu (802.2 frame)

Trường dữ liệu gồm tuần tự n bytes. Chiều dài tối thiểu và lớn nhất của dữ liệu là từ 46
bytes đến 1500 bytes. Dữ liệu được gởi qua lớp mạng với một vài thông tin điều khiển.
Nếu dữ liệu có chiều dài ít hơn 46 byte trong một gói, một cơ chế đặt biệt sẽ đệm để
đủ tối thiểu 46 bytes. PDU được tạo ra bởi lớp phụ ở trên (LLC) rồi lien kết đến khung
802.3.


Frame Check Sequence (CRC)

Frame Check Sequence bao gồm 4 bytes. Một vùng chứa 32 bits mã kiểm tra lổi và
phát hiện sai theo mã CRC-32 và tính trên tất cả các trường (fields) ngoại trừ
Preamble, SFD, FCS.
VI.

Giao thức CSMA/CD và va chạm
1. Giao thức CSMA/CD
Để truyền thông tin, mỗi giao tiếp mạng phải lắng nghe cho tới khi không
có tínhiệu trong kênh chung , lúc này nó mới có thể truyền thông tin . Nếu một
giao tiếpmạng thực hiện truyền thông tin trong kênh thì gọi là sóng và các trạm
khác phảichờ đợi cho tới khi sự truyền dẫn này kết thúc . Quá trình này gọi là phát
hiện song mang.
Mọi giao tiếp Ethernet đều có cơ hội ngang nhau trong việc truyền thông
tin trong mạng (Đa truy nhập ) . Trong quá trình truyền từ đầu này tới đầu kia của
20 | P a g e



Ethernet ,những bít đầu tiên của khung cần phải đi tới mọi vùng của mạng . Tức là
có thể có2 giao tiếp mạng cùng thấy mạng rỗi và gửi đi cùng 1 lúc. Khi đó
Ethernet phát hiện sự “ va chạm “ và dừng việc truyền và gửi lại các khung . ĐÓ
là quá trình phát hiện va chạm.
Giao thức CSMA/CD được thiết kế nhằm cung cấp cơ hội ngang bằng truy
nhậpkênh chung cho mọi trạm trong mạng . Sau khi gói tin được gửi đi mỗi trạm
trong mạng sẽ sủ dụng giao thức CSMA/CD để xem trạm nào sẽ được gửi tiếp
sau.

Hình 7: Giao thức CSMA/CD

2. Va chạm

21 | P a g e


Nếu có có hơn 1 trạm cùng gửi thông tin cùng lúc thì tín hiệu được nói rằng
đangva chạm , Các trạm sẽ nhận ra biến cố này và dừng việc truyền bằng thuật
toán backoff . Sau đó mỗi trạm sẽ chọn 1 thời gian ngẫu nhiên sau đó để truyền
tiếp .Thông thường khoảng thời gian trễ này là rất ngắn chỉ khoảng phần nghìn
hoặc phần triệu của giây . Nếu như sau đó lại có va chạm thì lại phải truyền
lại . Nếu saumột số lần liên tiếp nào đó va chạm thì hệ thống sẽ thôi truyền gói tin
này nữa ,thường Ethernet chọn 16 lần để hảy bỏ truyền gói tin. Nếu mạng càng lớn
và càng nhiều trạm thì khả năng huỷ bỏ càng lớn .

Hình 8: Mô hình sự va chạm

22 | P a g e