Giáo trình chuyển mạch và định tuyến

/ '

w m

I II 11111 I I I CÔNG NGHỆ THÔNG TIN HỮU NGHỊ VIỆT - HÀN

TT nnnnnMAAi ____ __ _ —

( M dO M )

( S Ẽ M Ể S ]

w ầ s f f i i a ® M í ỉ

C o ll.Is o la tio n a n d T ia in in g

UYẺN

C o m m u n ic a tio n s lie at ions L .

T O

_ y j L

C u s t o m e i s

ThS. TRẦN QUỐC VIỆT

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ THÔNG TIN HỮU NGHỊ VIỆT - HÀN

Giáo trình

CHUYỂN MẠCH

VÀ ĐỊNH TUYÉN ■

NHÀ XUẤT BẢN THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

LỜI NÓI ĐẦU

Mạng máy tính ngày càng có vai trò quan trọng trong quá trình

phát triển kinh tế xã hội của đất nước. Trong đó việc quàn trị và câu

hình cho các thiết bị mạng như thiết bị định tuyến, thiết bị chuyển mạch

là nhiệm vụ cần thiết khi triển khai các hệ thống mạng.

Các kiên thức vê chuyên mạch và định tuyến bao gom: môi trường

làm việc, giao thức, phương thức làm việc của các thiết bị chuyển mạch,

cách đánh địa chi IP và phân lớp địa chi IP; kỹ thuật định tuyến tĩnh,

định tuyến động và các giao thức định tuyến động cũng như cách thức

cấu hình và quản trị các thiết bị định tuyến trong môi trường mạng...

Với mục đích trang bị cho các sinh viên những kiến thức, kỹ năng và

các vấn đề liên quan đến các thiết bị nói trên, Trường Cao đẳng Công

nghệ Thông tin Hữu nghị Việt - Hàn phối hợp với Nhà xuất bàn Thông

tin và Truyền thông xuất bàn "Giáo trình chuyển mạch và định tuyến

Giáo trình gồm 11 chương được chia thành hai phần cụ thể như sau:

Phần 1: Chuyển mạch

Chương 1: Tổng quan về Mạng nội bộ - LAN

Chương 2: Vận hành thiết bị trong mạng LAN

Chương 3: Mạng nội bộ ào- VLAN

Chưong 4: Giao thức cây bao phủ (Spanning Tree Protocols)

Phần 2: Định tuyến

Chương 5: Địa chi IP và phân mạng con

Chương 6: Vận hành Router Cisco

Chương 7: Định tuyến tĩnh và con đường kết nối trực tiếp

Chương 8: Chính sách kiểm soát truy cập

Chương 9: Giao thức định tuyến

Chương 10: Định tuyến trên hệ thống có phân chia mạng con

với mặt nạ mạng thay đổi

Chương 11: cấu hình kết nổi mạng diện rộng - WAN

Với các kiến thức mà cuốn giáo trình mang lại sẽ giúp cho sinh viên

nắm bắt được các nguyên tắc cơ bản về chuyển mạch và định tuyến cũng

như cách thức vận hành quản trị cho các thiết bị trong môi trường mạng

LAN trên thực tế cùa các doanh nghiệp.

Mặc dù đã có nhiều cổ gắng trong công tác biên soạn, song giáo

trình được xuất bản lần đầu sẽ khó tránh khỏi thiếu sót. Rất mong nhận

được ý kiến đóng góp của các bạn đồng nghiệp để giáo trình được hoàn

thiện hom trong lần xuất bản tiếp theo.

Mọi ỷ kiến góp ý xin gửi về: Trường Cao đẳng Công nghệ Thông tin

Hữu nghị Việt - Hàn, Điện thoại: (0511) 3962377, Fax: (0511)3962973.

Xin trân trọng giới thiệu cùng bạn đọc./.

Đà Nang, tháng 01 năm 2011

TRƯỜNG CAO ĐẢNG CNTT

HỮU NGHỊ VIỆT - HÀN

PHẦN 1

CHUYỂN MẠCH

Nội dung phần này tập trung các vấn đề liên quan đến kỹ thuật

chuyển mạch và vận hành các thiết bị chuyển mạch trong mạng LAN

{Local Area Network — Mạng nội bộ). Nội dung phần này gồm 4 chương

cụ thể như sau:

Chương 1. Tổng quan về mạng nội bộ - LAN: Giới thiệu những kiến

thức cơ bàn về mạng LAN, bao gồm phương tiện kết nối, thiết bị sử dụng

và một số khái niệm cơ bản khác như địa chỉ Ethernet, các thiết bị

chuyển mạch và nguyên tắc hoạt động của các thiết bị chuyển mạch.

Chương 2. Vận hành thiết bị trong mạng LAN'. Giới thiệu những

kiến thức và kỹ năng làm việc trên các thiết bị chuyển mạch như chế độ

làm việc theo dòng lệnh, cấu hỉnh chức năng cho thiết bị switch.

Chương 3. Mạng nội bộ ào- VLAN:

Khái niệm về VLAN

Cách thức xây dựng trung kế chuyển mạch

Mạng con IP và VLAN

Giao thức trung kế VLAN

Vận hành VTP server, client

Chương 4. Giao thức cây bao phủ (Spanning Tree Protocols): Tìm

hiểu về giao thức cây bao phủ, hoạt động và cách thức cấu hình cũng như

một số khái niệm khác nhằm giúp cho các thiết bị switch Cisco tránh

vòng lặp nội bộ.

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ MẠNG NỘI BỘ - LAN

1.1. c ơ s ở VỀ LAN

Trong một số giáo trình như Mạng máy tính và TCP/IP đã khảo sát

một số vấn đề có liên quan đến các giao thức và tiêu chuẩn trong mạng

LAN. Các tiêu chuẩn lớp Vật lý và Liên kết dữ liệu hoạt động cùng với

nhau để cho phép các máy tính gửi các bit cho nhau thông qua một loại

môi trường mạng Vật lý cụ thể nào đó. Lớp Vật lý của mô hình OSI xác

định cách thức để gửi các bit qua một môi trường mạng, đảm bảo cho

việc chuyển đổi giữa các lhioại tín hiệu quang, điện, sóng, tần số, các

phương pháp điều chế tín hiệu. Lớp Liên kết dữ liệu (Lóp 2) xác định

một số quy luật về cách dữ liệu được truyền đi, bao gồm các địa chì xác

định thiết bị gừi đi và các thiết bị sẽ nhận được và các quy tắc khi nào

một thiết bị có thể gửi và nhận các tín hiệu đó.

Chương này giải thích một số kiến thức cơ sở về LAN, là môi

trường hoạt động chủ yếu của thiết bị chuyển mạch - switch. Thuật

ngữ LAN ám chi đến một tập hợp các tiêu chuẩn lớp 1 và lớp 2 được

thiết kế để làm việc với nhau nham mục đích là triển khai các mạng con

trong phạm vi địa lý nhỏ. Chương này giới thiệu các khái niệm về LAN

cụ thế là Ethernet LAN.

1.1.1. Giói thiệu

Một hệ thống mạng máy tính của doanh nghiệp thông thường bao

gồm nhiều khu vực khác nhau. Thiết bị người dùng đầu cuối trong một

khu vực kết nối với nhau trong một LAN, cho phép các máy tính cục bộ

8 Giáo trình Chuyển mạch và Định tuyên

truyền thông với nhau. Mỗi khu vực có một thiết bị định tuyến - router

kết nối mạng LAN của khu vực này với mạng LAN cùa khu vực khác.

Việc sử dụng router và WAN cho phép các máy tính ở các khu vực khác

nhau có thể chia sẻ thông tin.

Hình 1.1 cho thấy sơ đồ kết nối trong một mạng máy tính của một

doanh nghiệp với nhiều khu vực khác nhau.

Hình 1.1. Sơ đổ kết nối mạng của một doanh nghiệp

Phần nội dung cùa chuơng này tập trung vào cách thức xây dựng

mạng LAN hiện nay. Trong đó, tập trurig vào các công nghệ có sẵn, như

là Token Ring, FDDI (Fiber Distributed Da Interface) và ATM

(Asynchronous Transfer Mode). Tuy nhiên, phần này sẽ quan tâm chù

yếu đến Ethernet, chuẩn mạng LAN sử dụng rộng rãi nhất, được trở

thành chuân cho mạng LAN đang được sử dụng.

1.1.2. Tổng quan LAN Ethernet

1.1.2.1. Các chuẩn mạng Ethernet

Thuật ngữ Ethernet xem xét một dòng các tiêu chuẩn xác định các

yếu tố liên quan đến vật lý và Liên kết dữ liệu của công nghệ LAN thôn2

dụng nhất trên thế giới. Các chuẩn này khác nhau về tốc độ hỗ trợ, với các

tốc độ 10Mbit/s. lOOMbiƯs, và lOOOMbiƯs (1 Gigabit trên giây, hay

Chương 1: Tổng quan về mạng nội bộ - LAN 9

Gbit/s). Các chuẩn này cũng khác nhau về loại kết nối cáp và chiều dài đâu

cáp cho phép. Ví dụ, các chuẩn sử dụng phổ biến nhất của Ethernet là cáp

xoắn đôi không vỏ bọc UTP, với chi phí thấp và các chuẩn khác sử dụng

cáp quang đắt tiền hơn. Để thỏa mãn các yêu cầu khác nhau cho việc tạo

dựng một LAN như là: tốc độ, giá cả, tính bảo mật và các yếu tố khác,

nhiều loại chuẩn Ethernet khác nhau đã được tạo ra.

Học viện Kỹ nghệ và Điện tử Hoa Kì (IEEE - Institute of Electrical

and Electronic Engineers) đã định nghĩa nhiều chuẩn Ethernet LAN và nó

ừở nên phổ biến kể từ đầu những năm 1980. Hầu hết các chuẩn định nghĩa

một loại công nghệ khác nhau về Ethernet tại lớp Vật lý, với các khác biệt

về tốc độ và loại đấu cáp. Ngoài ra, với lớp Liên kết dữ liệu, IEEE phân

chia thành hai lớp con như sau:

• Lớp con điều khiển truy cập đường truyền MAC 802.3

• Lớp con điều khiển liên kết logic LLC 802.2

Mồi chuẩn Vật lý mới tù IEEE yêu cầu nhiều khác biệt trong lớp

Vật lý. Tuy nhiên, chúng kế thừa lại tiêu đề 802.3 trong lớp con điều

khiển truy cập đường truyền 802.3 MAC, và lớp con điều khiển liên kết

luận lý 802.2 LLC. Bảng 1 - 1 liệt kê các chuẩn lớp Vật lý được sử dụng

thông dụng nhất của IEEE.

Bảng 1.1. Các chuân Vật lý của công nghệ Ethernet

Tên

thông dụng

Tốc độ Tên khác Tên theo

chuẩn IEEE

Loại cáp, chiều dài

tói đa

Ethernet 10 MbiƯs 10BASE-T IEEE 802.3 Đồng, 100m

Fast Ethernet 100 Mbiưs 100BASE-TX IEEE 802.3u Đồng, 100m

Giga Ethernet 1000 Mbiưs

1000BASE-LX,

1000BASE-SX

IEEE 802.32

Quang, 550m (SX)

5km (LX)

Giga Ethernet 1000 Mbiưs 1000BASE-T IEEE 802.3ab Đồng, 100m

1.1.2.2. Các chuẩn nguyên thủy của Ethernet: 10Base2 và 10Base5

Chuẩn mạng LAN 10Base2 và 10Base5 là hai chuẩn mạng Ethernet

đầu tiên, mô tá chi tiết các lớp Vật lý và Liên kết dữ liệu cho các mạng

Ethernet trước đây. Trong hai loại mạng nói trên, yêu cầu cài đặt một

10 Giáo trình Chuyến mạch và Định tuyến

chuỗi cáp đồng trục kết nối mỗi thiết bị trên một mạng Ethernet. Với

công nghệ này, việc kết nối mạng không sử dụng các thiết bị mạng nào,

mà chỉ đơn giản là tập hợp các NIC (Network Interface Card - cạc giao

tiếp mạng) máy tính và được nối lại bằng cáp đồng trục. Sợi cáp này tạo

ra một kênh truyền tín hiệu điện, gọi là một kênh truyền, môi trường chia

sẻ chung cho tất cả thiết bị trên Ethernet. Khi một máy tính muốn gửi

một số bit đến máy tính khác trên kênh truyền, nó gừi một tín hiệu điện,

và tín hiệu điện được tái tạo cho tất cả thiết bị khác trên Ethernet đó.

Hình 1.2 thể hiện ý nghĩa cơ bản của một mạng Ethernet 10Base2

truyền thống, sử dụng một kênh truyền điện đơn được tạo với cáp đồng

trục và card Ethernet.

Công nghệ 10Base2, mạng truyền

Hình 1.2. Sơ đò mạng Ethernet

Các đường liền nét biểu thị cho việc nối cáp Vật lý. Các đường nét

đứt với mũi tên biểu thị cho con đường mà frame cùa Nam được truyền.

Nam gửi một tín hiệu điện tử dọc theo Ethernet NIC cùa mình để vào

cáp. Khi đó cả Khánh, An nhận được tín hiệu, cáp này tạo ra một kênh

tín hiệu điện Vật lý, nghĩa là tín hiệu truyền đi sẽ được nhận bời tất cả

các máy trạm trên LAN. Giống như là một điểm dừng xe buýt tại mỗi

ngôi nhà của sinh viên dọc theo tuyến đường, tín hiệu điện trên một

mạng 10Base2 hay 10Base5 được tái tạo tại mỗi trạm trên LAN.

Bời vì mạng sử dụng một đường kênh truyền tín hiệu đơn, nếu hai

hay nhiều hơn các tín hiệu được gửi tại cùng một thời điểm, chúng sẽ

trùng lên nhau và phát sinh xung đột, làm cho cả hai tín hiệu không thể

Chương 1: Tống quan về mạng nội bộ - LAN 11

nhận dạng được. Vì thế, Ethernet định nghĩa cơ chế để đảm bảo rằng chi

một thiết bị gửi tín hiệu trên Ethernet tại một thời điểm. Nếu không,

Ethernet sẽ không thể sử dụng được. Giải thuật này, được biết với tên là

giải thuật đa truy cập cảm biến sóng mang với phát hiện xung đột

(CSMA/CD), xác định cách thức truy cập đường truyền.

Giải thuật CSMA/CD có thể được tóm tắt như sau:

• Một thiết bị muốn gửi một frame phải đợi cho đến khi LAN rỗi,

nói cách khác là không có frame nào đang được gửi đi - trước

khi thử gửi một tín hiệu điện.

• Neu xung đột xảy ra, các thiết bị gây ra xung đột phải đợi một

khoảng thời gian ngẫu nhiên và sau đó thừ lại lần nữa.

Trong mạng LAN 10Base2 và 10Base5, một xung đột xảy ra bởi vì

có nhiều tín hiệu điện được truyền dọc theo toàn thể chiều dài của kênh

truyền. Khi hai trạm gửi tại cùng thời điểm, các tín hiệu điện của chúng

trùng nhau, dẫn đến xung đột. Vì thế tất cả các thiết bị trên một mạng

10Base2 và 10Base5 sử dụng CSMA/CD để tránh xung đột và để phục

hồi khi một xung đột xảy ra.

1.1.2.3. Sử dụng Bộ lặp - Repeater trong mạng 10Base2 và 10Base5

Giống như các loại LAN, 10Base2 và 10Base5 có giới hạn về chiều

dài cáp tối đa. Với 10Base5, giới hạn là 500m; với 10Base2, là 185m, tốc

độ chung là 10Mbit/s.

Hình 1.3. Sử dụng bộ lặp trong mạng I0Base2 và 10Base5

12 Giáo trình Chuyến mạch và Định tuyến

Trong một số trường hợp, chiều dài cáp lớn hom chiều dài cáp tối đa,

vì thế một thiết bị có tên là bộ lặp được phát triển nhằm giải quyết một

trong những vấn đề giới hạn chiều dài của cáp là tín hiệu được gửi bởi

một thiết bị có thể suy hao quá nhiều nếu chiều dài cáp lớn hơn 500m

hay 185m.

Bộ lặp — Repeater kết nối nhiều phân đoạn cáp lại với nhau, nhận tín

hiệu điện trên một cáp, biên dịch thành các bit 0 và 1, và tạo lại một tín

hiệu sạch, mới hoàn toàn ra các sợi cáp khác cùng kết nối đến bộ lặp đó.

Một bộ lặp không đơn giản là khuếch đại tín hiệu, bời vì việc khuếch đại

tín hiệu có thể cũng khuếch đại nhiễu phát sinh trên đường.

Một sổ đặc điểm cần ghi nhớ về mạng 10Base2 và 10Base5 là:

• Mạng Ethernet nguyên thủy tạo một kênh truyền tín hiệu điện

đến tất cả các thiết bị có kết nối.

• Vì xung đột có thể xảy ra trên kênh truyền này, Ethernet định

nghĩa giải thuật CDMA/CD, xác định cách thức để tránh xung

đột và thực hiện hành động khi xung đột xảy ra.

• Bộ lặp mở rộng chiều dài cùa LAN bằng cách nhận tín hiệu điện

và tái tạo lại nó - chức năng lớp 1 - nhưng không dịch ra ý

nghĩa của tín hiệu điện này.

1.1.2.4. Chuẩn lOBaseT, 100BaseTX và lOOOBaseT

Sau đó IEEE định nghĩa các chuẩn Ethernet mới bên cạnh 10Base2

và 10Base5. Chuẩn lOBaseT (xuất hiện năm 1990), 100Base-TX (1995)

và lOOOBase - T (1999), với đặc điểm chung là sử dụng cáp xoắn đôi. Để

hỗ trợ cho các chuẩn mới này, các thiết bị có tên là hub và switch cũng

được tạo ra. Phần này giới thiệu cơ bàn cách thức các loại mạng Ethernet

thông dụng này hoạt động, bao gồm hoạt động cơ bản của hub và switch.

lOBaseT giải quyết nhiều vấn đề tồn tại trong các công nghệ

10Base5 và 10Base2 Ethernet. lOBaseT cho phép sử dụng cáp UTP đã

có sẵn. Thậm chí nếu cáp UTP mới được cài đặt, thì nó cũng đơn giản và

ré tiên hơn nhiêu so với cáp đồng trục cũ được sừ dụng trong công nghệ

10Base2 và 10Base5.

Chương I: Tổng quan về mạng nội bộ - LAN 13

Cải tiến chính khác được giới thiệu với lOBaseT là việc sử dụng

một hub (thiết bị tập trung đấu nối) để kết nối các thiết bị mạng lại với

nhau. Hình 1.4 cho thấy việc sử dụng hub trong một Ethernet.

10Base - T, sử dụng hub chia sẻ,

Khánh h° ạ t động như một kênh truyền đơn

Ị— a y

L3r-^

Đường liền nét biểu thị cáp xoắn đôi

Hình 1.4. Mạng Ethernet sử dụng hub

Hub cơ bản là bộ lặp với nhiều cổng. Điều này có nghĩa là hub đơn

giản chỉ tái tạo lại tín hiệu điện đến từ một cổng và gửi lại tín hiệu đó ra

ngoài mỗi cổng khác. Như thế, với bất kì LAN sử dụng hub, như trong

hình 1.4, sẽ tạo một kênh truyền tín hiệu điện, như là 10Base2 và

10Base5. Chính vì thế, xung đột có thể vẫn xảy ra, nên quy tắc truy cập

CSMA/ CD tiếp tục đuợc sử dụng.

Các mạng 1 OBase - T sử đụng hub để giải quyết một số vấn đề với

10Base2 và 10Base5. Trước tiên, LAN sẽ có độ ổn định cao hơn. Vì với

một sợi cáp đơn bị hỏng có thể làm đứt mạng LAN 10Base2 và 10Base5,

còn với lOBase - T, một cáp kết nối thiết bị với thiết bị tập trung, vì thế

một cáp đơn bị hỏng ảnh hưởng đến duy nhất một thiết bị. Ngoài ra việc

sừ dụng cáp nối UTP, trong một sơ đồ mạng sao (tất cả các cáp chạy trên

một thiết bị kết nối tập trung), giảm thiểu chi phí mua sắm và cài đặt cáp.

Ngày nay, hub hiếm khi được sử dụng, thay vào đó là switch. Tuy

nhiên, hoạt động của switch về cơ bản là khá giống hub. Các switch thực

hiện công việc tốt hơn hub, hỗ trợ nhiều chức năng hơn hub, và thông

thường có giá thấp như hub. Và sau đây là tóm tẳt các kiến thức cơ bản

về LAN:

• Mạng LAN nguyên thủy tạo một kênh truyền điện đến tất cả các

thiết bị có kết nối.

....... J ,

' ứ t ả i ý t ể - - - - - » J — I

Nam

An