Tầng liên kết dữ liệu (Data Link Layer) trong mô hình OSI đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát việc truyền dữ liệu qua một kết nối vật lý giữa hai thiết bị trong mạng.
Tầng liên kết dữ liệu nằm ở vị trí nào?
Data Link Layer là tầng thứ hai trong mô hình OSI và chịu trách nhiệm về việc chuyển dữ liệu giữa các thiết bị trên cùng một mạng LAN. Nó đảm bảo việc truyền dữ liệu tin cậy và hiệu quả qua các phương tiện truyền dẫn như cáp đồng, cáp quang hoặc sóng radio.
Nó là một phần không thể thiếu trong cấu trúc của các mạng máy tính, tương đương với tầng Link Layer trong mô hình TCP/IP. Tầng này chịu trách nhiệm quản lý và điều phối việc truyền dữ liệu giữa các thiết bị trong mạng LAN và WAN.
Chức năng của Data Link Layer
Các chức năng chính của Data Link Layer bao gồm:
- Xác định các địa chỉ vật lý (MAC addresses) của các thiết bị trong mạng và sử dụng chúng để xác định đích đến của dữ liệu.
- Điều khiển việc truy cập và sử dụng chung các phương tiện truyền dẫn, đảm bảo rằng chỉ một thiết bị có thể truyền dữ liệu tại một thời điểm để tránh xung đột dữ liệu.
- Phân chia dữ liệu từ tầng Network Layer thành các frame dữ liệu có kích thước nhỏ hơn, thêm các trường định danh và kiểm tra lỗi vào các frame này.
- Thực hiện kiểm tra lỗi và sửa lỗi trên các frame dữ liệu để đảm bảo tính toàn vẹn của dữ liệu trước khi chúng được chuyển tiếp lên tầng Network Layer.
- Đảm bảo việc truyền dữ liệu diễn ra một cách hiệu quả và không bị tràn bộ nhớ bằng cách kiểm soát tốc độ truyền dữ liệu giữa các thiết bị.
Các giao thức và tiêu chuẩn trong tầng liên kết dữ liệu
Dưới đây là chi tiết về các giao thức và tiêu chuẩn phổ biến được sử dụng trong tầng Data Link Layer:
1. Ethernet:
- Ethernet là một trong những giao thức truyền dẫn dữ liệu phổ biến nhất trong mạng LAN.
- Tiêu chuẩn Ethernet định nghĩa các phương pháp truyền dẫn dữ liệu thông qua cáp đồng.
- Các chuẩn Ethernet phổ biến bao gồm 10BASE-T, 100BASE-TX, và 1000BASE-T, tùy thuộc vào tốc độ và loại cáp sử dụng.
- Frame Ethernet được sử dụng để đóng gói dữ liệu, bao gồm các trường như địa chỉ MAC, kiểm tra lỗi CRC và các trường điều khiển.
2. Wi-Fi (IEEE 802.11):
- Wi-Fi là một giao thức truyền dẫn dữ liệu không dây được sử dụng trong mạng WLAN (Wireless Local Area Network).
- Tiêu chuẩn IEEE 802.11 xác định các phương thức truyền dẫn dữ liệu qua sóng radio.
- Các chuẩn Wi-Fi phổ biến bao gồm 802.11b, 802.11g, 802.11n, 802.11ac, và 802.11ax, với mỗi chuẩn có tốc độ và phạm vi truyền dẫn khác nhau.
- Frame Wi-Fi chứa các trường giống như Ethernet, bao gồm địa chỉ MAC, kiểm tra lỗi và các trường điều khiển, cùng với các trường đặc biệt cho việc quản lý sóng radio.
3. PPP (Point-to-Point Protocol):
- PPP là một giao thức được sử dụng trong các kết nối điểm-điểm như dial-up và DSL (Digital Subscriber Line).
- PPP cung cấp các tính năng như đàm phán đặc điểm kết nối, xác thực người dùng và kiểm soát lỗi dữ liệu.
- Frame PPP bao gồm các trường để xác định kiểu dữ liệu, điều khiển luồng và kiểm tra lỗi.
4. HDLC (High-Level Data Link Control):
- HDLC là một giao thức đa năng được sử dụng trong mạng WAN (Wide Area Network) và mạng LAN.
- HDLC cung cấp các tính năng như đồng bộ hóa khung dữ liệu, kiểm tra lỗi và kiểm soát luồng dữ liệu.
- Frame HDLC có cấu trúc đơn giản, bao gồm các trường kiểm tra lỗi và điều khiển luồng.
Cấu trúc Frame trong tầng liên kết dữ liệu
Tầng Data Link Layer trong mạng máy tính là nơi các frame dữ liệu được tạo ra và quản lý trong quá trình truyền dẫn dữ liệu giữa các thiết bị trong mạng. Cấu trúc của mỗi frame dữ liệu được định nghĩa cẩn thận để đảm bảo tính toàn vẹn và hiệu quả của quá trình truyền dẫn. Mỗi frame thường bao gồm ba thành phần chính: địa chỉ MAC (địa chỉ vật lý), trường kiểm tra lỗi và các trường điều khiển.
Trường địa chỉ MAC là phần quan trọng nhất của mỗi frame, xác định nguồn gốc và đích đến của dữ liệu. Địa chỉ MAC, có độ dài 48 bit, được gắn vào frame để xác định địa chỉ vật lý của thiết bị gửi và thiết bị nhận.
Tiếp theo, một trường kiểm tra lỗi được thêm vào frame để đảm bảo tính toàn vẹn của dữ liệu trong quá trình truyền. Thuật toán CRC thường được sử dụng để tạo ra giá trị kiểm tra lỗi dựa trên dữ liệu trong frame. Khi frame được nhận, thiết bị nhận sẽ tính toán lại giá trị CRC từ dữ liệu nhận được và so sánh với giá trị CRC trong frame để kiểm tra lỗi.
Cuối cùng, các trường điều khiển được sử dụng để quản lý quá trình truyền dẫn dữ liệu. Các trường này bao gồm trường điều khiển luồng, trường bắt đầu frame, trường kết thúc frame và trường kiểm soát lỗi. Các trường này giúp đảm bảo rằng dữ liệu được truyền đi một cách hiệu quả và đáng tin cậy.
Phương pháp truyền dẫn
Tầng Data Link Layer trong mạng máy tính không chỉ quản lý cấu trúc của các frame dữ liệu mà còn điều phối việc truyền dẫn dữ liệu qua các phương tiện truyền dẫn khác nhau như cáp đồng, cáp quang và sóng radio. Các phương tiện này đều có các đặc điểm và kỹ thuật truyền dẫn riêng, nhưng đều được sử dụng để đảm bảo tính toàn vẹn và hiệu quả của dữ liệu trong mạng.
Cáp đồng là một phương tiện truyền dẫn phổ biến trong mạng LAN như Ethernet, với dữ liệu được truyền qua các dây cáp đồng đan chặt lại. Cáp quang, với tính năng truyền dẫn nhanh và độ tin cậy cao, thường được sử dụng trong các mạng WAN và LAN. Trong khi đó, sóng radio cung cấp tính linh hoạt và di động cho các mạng WLAN, nhưng có thể gặp vấn đề về nhiễu và giảm hiệu suất truyền dẫn trong môi trường có nhiều tường và vật cản.
Kỹ thuật CSMA/CD là một phần quan trọng của Ethernet, giúp kiểm soát truy cập vào phương tiện truyền dẫn chung. CSMA/CD cho phép các thiết bị Ethernet kiểm tra xem phương tiện truyền dẫn có đang được sử dụng hay không trước khi truyền dữ liệu, và phát hiện và giải quyết xung đột trong trường hợp nhiều thiết bị cố gắng truyền dữ liệu đồng thời.
Kiểm soát lỗi và luồn dữ liệu
Tầng Data Link Layer còn thực hiện chức năng kiểm soát lỗi và điều khiển luồng dữ liệu để đảm bảo tính toàn vẹn và hiệu quả của quá trình truyền dẫn dữ liệu. Một số cơ chế phổ biến được sử dụng trong tầng này bao gồm kiểm tra lỗi CRC, các phương pháp điều khiển luồng dữ liệu như Stop-and-Wait và Sliding Window, cùng với ARQ (Automatic Repeat reQuest).
Kiểm tra lỗi CRC được sử dụng để đảm bảo tính toàn vẹn của dữ liệu trong các frame dữ liệu. Khi dữ liệu được truyền đi, một giá trị CRC được tính toán từ dữ liệu trong frame và gắn vào frame trước khi truyền đi. Khi frame được nhận, thiết bị nhận sẽ tính lại giá trị CRC từ dữ liệu nhận được và so sánh với giá trị CRC trong frame để kiểm tra lỗi.
Trong điều khiển luồng dữ liệu, phương pháp Stop-and-Wait đơn giản nhưng hiệu quả. Theo phương pháp này, nguồn gửi sẽ gửi một frame và đợi phản hồi từ thiết bị đích trước khi gửi frame tiếp theo. Phương pháp Sliding Window cho phép nhiều frame được gửi mà không cần chờ đợi phản hồi từ thiết bị đích cho mỗi frame, tăng cường hiệu suất truyền dẫn dữ liệu.
ARQ tự động phát hiện và sửa lỗi trong quá trình truyền dẫn dữ liệu. Khi một frame bị mất hoặc bị lỗi, thiết bị gửi sẽ gửi lại frame đó mà không cần yêu cầu phản hồi từ thiết bị đích. Các biến thể của ARQ bao gồm ARQ Stop-and-Wait, ARQ Go-Back-N và ARQ Selective Repeat.
Quá trình định danh trong tầng Data Link Layer
Tầng Data Link Layer của mạng máy tính chịu trách nhiệm định danh và địa chỉ hóa các thiết bị trong mạng, đảm bảo rằng dữ liệu được gửi đến đúng thiết bị đích. Địa chỉ MAC đóng vai trò quan trọng trong quá trình này. Nó là địa chỉ vật lý duy nhất gắn với mỗi thiết bị mạng. Mỗi địa chỉ MAC có độ dài 48-bit và được biểu diễn dưới dạng sáu cặp số thập lục phân. Địa chỉ MAC cho phép các thiết bị trên cùng một mạng LAN nhận biết và giao tiếp với nhau.
Cơ chế ARP là một phần của tầng Data Link Layer, được sử dụng để ánh xạ địa chỉ IP sang địa chỉ MAC. Khi một thiết bị muốn gửi dữ liệu đến một địa chỉ IP trong cùng mạng local, nó sẽ gửi một thông điệp ARP broadcast yêu cầu địa chỉ MAC tương ứng. Thiết bị có địa chỉ IP đó sẽ trả lời với địa chỉ MAC của mình. Sau đó, các thiết bị trên mạng sẽ lưu trữ cặp địa chỉ IP và địa chỉ MAC tương ứng vào bảng ARP của mình để sử dụng trong các lần truyền dữ liệu sau này.
Thiết bị nào chịu trách nhiệm tầng Data Link Layer
Switch và bridge là hai thiết bị quan trọng trong tầng Data Link Layer của mạng máy tính, chịu trách nhiệm kết nối các thiết bị trong mạng LAN và chuyển tiếp dữ liệu một cách hiệu quả. Cả hai đều có cấu trúc và hoạt động tương tự nhau.
Cấu trúc của switch và bridge bao gồm nhiều cổng để kết nối với các thiết bị khác trong mạng, cũng như bảng CAM để lưu trữ địa chỉ MAC của các thiết bị đã được học. Khi một frame dữ liệu được nhận, switch hoặc bridge sẽ kiểm tra địa chỉ MAC đích trong frame. Nếu địa chỉ MAC đã được biết đến, frame sẽ được chuyển tiếp đến cổng tương ứng với địa chỉ MAC đích. Nếu không, frame sẽ được broadcast ra tất cả các cổng trừ cổng mà frame đã được nhận.
Switch và bridge sử dụng các thuật toán chuyển mạch như Store-and-Forward, Cut-Through, hoặc Fragment-Free để quyết định cách chuyển tiếp dữ liệu. Store-and-Forward cho phép kiểm tra lỗi và đảm bảo tính toàn vẹn của dữ liệu trước khi chuyển tiếp, trong khi Cut-Through giảm thiểu độ trễ trong quá trình chuyển tiếp. Fragment-Free tập trung vào việc giảm thiểu khả năng truyền dẫn lỗi sau khi có xung đột.
Thông Tin Về Tác Giả
Nguyễn Thành Hợp là một chuyên gia về lĩnh vực thiết bị mạng, viễn thông gần 10 năm kinh nghiệm với nhiều chứng chỉ chất lượng như CCNA 200-301, CCNP, CCDA, CCDP,... do Cisco cung cấp. Sở thích cá nhân là khám phá những kiến thức mới mẻ về công nghệ nói chung và đặc biệt là liên quan đến lĩnh vực mạng!
