Ethernet hoạt động như thế nào? Tất tần tật từ A đến Z Để lại bình luận

Trong hệ thống nhúng, việc truyền dữ liệu tốc độ cao và ổn định là một bài toán quan trọng. SPI và UART có thể giúp giao tiếp giữa các vi điều khiển, nhưng khi cần gửi dữ liệu hàng megabit/giây đến máy chủ, chúng nhanh chóng trở nên hạn chế. Đây chính là lúc Ethernet bước vào cuộc chơi – một giao thức mạng có dây mạnh mẽ, giúp thiết bị nhúng kết nối với thế giới mà không gặp rào cản về tốc độ hay độ trễ.

Ethernet là gì?

Ethernet là một giao thức truyền dữ liệu theo cơ chế CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect), tức là:

• Carrier Sense (CS): Thiết bị sẽ “lắng nghe” đường truyền trước khi gửi dữ liệu để tránh xung đột.
• Multiple Access (MA): Nhiều thiết bị có thể kết nối và sử dụng chung một đường truyền.
• Collision Detect (CD): Nếu có hai thiết bị gửi dữ liệu cùng lúc gây xung đột, chúng sẽ dừng lại và thử lại sau một khoảng thời gian ngẫu nhiên.

Dung lượng dữ liệu trong một gói tin Ethernet có thể từ 46 đến 1500 byte.

Đặc điểm của Ethernet

• Tốc độ cao: Hỗ trợ từ vài chục đến hàng trăm megabit/giây.
• Không tối ưu cho thiết bị tiết kiệm năng lượng, vì tiêu thụ điện cao hơn so với các giao thức không dây hoặc giao thức nhúng như I2C, SPI.
• Phổ biến rộng rãi: Gần như mọi hệ thống mạng có dây đều dùng Ethernet.
• Hỗ trợ internet, tốc độ cao và mở rộng phạm vi linh hoạt, phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau.

Ứng dụng của Ethernet

• Giám sát và thu thập dữ liệu từ xa.
• Điều khiển thiết bị từ xa và cập nhật firmware.
• Truyền tải dữ liệu lớn.
• Phát trực tiếp âm thanh, video, đa phương tiện.
• Cung cấp dữ liệu công khai (thời gian, giá cổ phiếu, tin tức, v.v.).

Nguyên lý đằng sau giao thức Ethernet

Ethernet hoạt động ở tầng liên kết dữ liệu (Data Link Layer) và tầng vật lý (Physical Layer) theo tiêu chuẩn IEEE 802.3. Nó có nhiều biến thể dựa trên:

• Tốc độ truyền: 10 Mbps, 100 Mbps, 1 Gbps, v.v.
• Chế độ truyền: Baseband (truyền tín hiệu số trực tiếp) hoặc Broadband (truyền tín hiệu tương tự qua nhiều kênh).
• Phương tiện truyền: Dây đồng (UTP), cáp đồng trục (Coax), hoặc cáp quang (Fiber).

Xem thêm: Tìm hiểu FlexRay – Giao thức truyền thông thế hệ mới cho xe hơi

Protocol stack

Hình 2 mô tả mô hình giao thức mạng (Protocol Stack) theo kiểu phân lớp, giúp chúng ta hiểu được vai trò của Ethernet trong hệ thống mạng.

1. Ethernet ở tầng vật lý (Physical Layer)

Tầng vật lý chịu trách nhiệm truyền tín hiệu điện hoặc tín hiệu quang qua cáp mạng. Ethernet quy định cách dữ liệu được mã hóa thành tín hiệu điện/quang và truyền qua dây. Nó xác định các thông số như:

• Loại cáp (cáp xoắn đôi UTP, cáp quang Fiber, cáp đồng trục Coaxial).
• Chuẩn giao tiếp (10BASE-T, 100BASE-TX, 1000BASE-T…).
• Kiểu truyền dữ liệu (một chiều – simplex, hai chiều – duplex…).

2. Ethernet ở tầng liên kết dữ liệu (Data Link Layer)

Tầng này xử lý cách dữ liệu được đóng gói trước khi truyền đi và đảm bảo nó đến đúng thiết bị nhận. Ethernet ở tầng này giúp:

• Định dạng khung dữ liệu (Ethernet Frame).
• Quản lý địa chỉ MAC để xác định thiết bị nào nhận dữ liệu.
• Phát hiện lỗi khi truyền dữ liệu.

3. Network Layer (Tầng mạng)

• Định tuyến dữ liệu giữa các mạng khác nhau.
• Các giao thức quan trọng:
  • IP (Internet Protocol): Định địa chỉ thiết bị trong mạng.
  • ARP (Address Resolution Protocol): Chuyển đổi địa chỉ IP thành địa chỉ MAC.

4. Transport Layer (Tầng vận chuyển)

• Đảm bảo truyền tải dữ liệu giữa các ứng dụng.
• Hai giao thức chính:
  • UDP (User Datagram Protocol): Nhanh, không cần xác nhận.
  • TCP (Transmission Control Protocol): Đáng tin cậy, có kiểm soát lỗi.
  • ICMP (Internet Control Message Protocol): Gửi thông báo lỗi (như lệnh “ping”).

5. Application Layer (Tầng ứng dụng)

Các giao thức phục vụ ứng dụng mạng như:

• HTTP, FTP: Truyền dữ liệu qua web.
• DNS, DHCP: Quản lý địa chỉ và tên miền.
• Telnet, SNMP: Quản lý và điều khiển từ xa.

Frame/Packet Encapsulation

Để hiểu Ethernet hoạt động như thế nào, trước tiên cần hiểu khái niệm gói tin (packet) và đóng gói dữ liệu (encapsulation) trong mô hình mạng.

Mỗi tầng trong mô hình giao thức mạng (protocol stack) có một nhiệm vụ riêng, và chúng làm việc với nhau bằng cách đóng gói dữ liệu.

1. Đóng gói dữ liệu (Data encapsulation) là gì?

Encapsulation là quá trình bọc thêm thông tin điều khiển vào dữ liệu khi nó di chuyển từ tầng ứng dụng xuống tầng vật lý.

• Dữ liệu gốc (từ ứng dụng như trình duyệt web, email,…) sẽ được đóng gói nhiều lớp trước khi gửi đi.
• Mỗi tầng sẽ thêm một header (phần đầu chứa thông tin điều khiển) vào trước dữ liệu.
• Khi đến đích, quá trình này sẽ được giải mã ngược lại (decapsulation) để khôi phục dữ liệu gốc.

2. Quá trình đóng gói dữ liệu trong một phiên duyệt web (HTTP request)

Bước 1: Ứng dụng gửi yêu cầu (Application Layer – HTTP)

• Trình duyệt web gửi yêu cầu HTTP (GET /index.html) để tải trang web.
• HTTP không tự truyền dữ liệu đi, mà sẽ gửi yêu cầu xuống tầng dưới (TCP Layer).

Bước 2: Đóng gói thành gói TCP (Transport Layer – TCP)

• HTTP request sẽ được đóng gói vào một TCP Packet.
• TCP header chứa:
  • Port nguồn và đích (port 80 cho HTTP).
  • Thông tin kiểm soát lỗi (checksum).
  • Thông tin sắp xếp thứ tự gói tin (sequence number).
• TCP gửi gói tin xuống tầng IP.

Bước 3: Đóng gói vào gói IP (Network Layer – IP)

• TCP packet được bọc trong một IP Datagram.
• IP header chứa:
  • Địa chỉ IP nguồn và đích (VD: 192.168.1.10 → 172.217.0.142).
  • Loại giao thức (06h cho TCP, 11h cho UDP).
• Gói tin IP gửi xuống tầng Ethernet.

Bước 4: Đóng gói thành Frame Ethernet (Data Link Layer – Ethernet)

• IP datagram được bọc vào Ethernet Frame.
• Ethernet header chứa:
  • Địa chỉ MAC nguồn và đích (VD: 00:1A:2B:3C:4D:5E → 00:2B:4D:6F:8A:9C).
  • Loại dữ liệu (IPv4, ARP,…).
• Ethernet Frame gửi xuống tầng vật lý để truyền qua cáp mạng.

Bước 5: Truyền dữ liệu qua cáp (Physical Layer)

• Ethernet Frame được chuyển thành tín hiệu điện hoặc quang và gửi đi qua mạng.
• Khi đến thiết bị đích, dữ liệu sẽ được giải mã theo chiều ngược lại để tái tạo HTTP request ban đầu.

Xem thêm: Tối ưu quản lý năng lượng hệ thống nhúng với giao thức PMBus

Data frame của Ethernet

1. Các trường trong Ethernet Frame

Ethernet Frame là cấu trúc gói tin được sử dụng trong mạng Ethernet để truyền dữ liệu giữa các thiết bị. Một frame Ethernet cơ bản trong mạng 10/100 Mbps bao gồm các thành phần sau:

Lưu ý:

• Tổng chiều dài một frame Ethernet: 64 – 1518 byte (bao gồm cả FCS).
• Nếu Payload < 46 byte, cần thêm Pad để đạt tối thiểu 64 byte (Frame nhỏ hơn 64 byte gọi là Runt Frame và bị loại bỏ).
• FCS dùng CRC-32 để kiểm tra lỗi trong quá trình truyền dữ liệu.

2. Ý nghĩa của từng trường trong Ethernet Frame

Preamble & Start-of-Frame Delimiter (SFD)

• Giúp đồng bộ tín hiệu giữa thiết bị gửi và nhận.
• Preamble là 7 byte 0x55, tiếp theo SFD là 10101011b.

MAC Addresses (Địa chỉ MAC)

• Destination MAC Address: Địa chỉ phần cứng của thiết bị đích.
• Source MAC Address: Địa chỉ phần cứng của thiết bị gửi.
• Có thể là Unicast, Multicast hoặc Broadcast.

Length/Type

• Nếu giá trị ≤ 1500: Số byte của Payload.
• Nếu ≥ 1536: Loại giao thức (EtherType). Ví dụ:
  • IPv4: 0x0800
  • IPv6: 0x86DD
  • ARP: 0x0806

Payload (Data)

• Chứa dữ liệu từ tầng mạng (thường là gói IP).
• Kích thước từ 46 – 1500 byte.
• Nếu nhỏ hơn 46 byte, cần Pad để đạt tối thiểu 46 byte.

Frame Check Sequence (FCS)

• 4 byte CRC-32 kiểm tra lỗi frame.
• Nếu CRC sai, frame bị loại bỏ.

Các loại Frame khác của Ethernet

1. Frame size là gì?

Khi nói về kích thước khung (frame size) trong IEEE 802.3, Preamble và SFD không được tính vào tổng kích thước khung.

Kích thước cơ bản của Ethernet Frame:

• Tối thiểu: 64 bytes (octets)
• Tối đa: 1518 bytes (octets)

Các thuật ngữ phổ biến về kích thước frame:

• “Runt Frame”: Frame nhỏ hơn 64 bytes → bị coi là lỗi.
• “Long Frame” / “Huge Frame”: Frame lớn hơn 1518 bytes.
• “Jumbo Frame”: Thường ám chỉ frame lớn hơn 1518 bytes, đặc biệt trong Gigabit Ethernet, có thể lên đến 9000 bytes.
• “Giant Frame”: Frame có kích thước hơn 6000 bytes.

2. Control Frames (Khung điều khiển)

a. Control Frame là gì?

Control Frames là một loại khung Ethernet đặc biệt, không chứa dữ liệu của người dùng, mà được sử dụng để điều khiển luồng dữ liệu trên đường truyền mạng.

• EtherType = 0x8808: Đây là giá trị EtherType được dùng để nhận diện Control Frame.
• Các thiết bị mạng có thể hỗ trợ hoặc không hỗ trợ Control Frame, tùy thuộc vào nhà sản xuất.

b. Pause Frame

Hiện tại, chỉ có 1 tiêu chuẩn của Control Frame là Pause Frame.
Pause Frame là một loại Control Frame được dùng để tạm thời yêu cầu thiết bị ở đầu bên kia của đường truyền ngừng gửi dữ liệu trong một khoảng thời gian nhất định.

Cấu trúc của một Pause Frame: MAC Control Frame bắt buộc phải có 2 byte đầu tiên chứa Opcode, quy định loại Control Frame đang được sử dụng.

Cách hoạt động:

• Khi một thiết bị nhận được Pause Frame, nó sẽ tạm dừng việc gửi dữ liệu trong khoảng thời gian được chỉ định.
• Nếu Pause Time = 0x0000, điều này có nghĩa là hủy bỏ tất cả các Pause Frame trước đó và tiếp tục truyền dữ liệu bình thường.

Xem thêm: System Management Bus (SMBus) trong hệ thống nhúng

3. VLAN Tagged Frames (Khung Ethernet có gắn thẻ VLAN)

VLAN (Virtual Local Area Network) là một kỹ thuật cho phép chia mạng vật lý thành nhiều mạng ảo khác nhau, giúp kiểm soát luồng dữ liệu tốt hơn.

a. Cách VLAN hoạt động trong Ethernet Frame:

• Khi một khung Ethernet được gắn thẻ VLAN (VLAN Tagging), nó sẽ chứa một Tag Control Information (TCI) gồm:
  • VLAN ID (12-bit): Xác định VLAN mà frame thuộc về.
  • Priority (3-bit): Quyền ưu tiên của gói tin.
  • CFI (1-bit): Chỉ thị chế độ tương thích với Token Ring.

b. EtherType của VLAN Frame:

• EtherType = 0x8100 (Xác định đây là một VLAN Tagged Frame).

c. Ví dụ thực tế:

• Một switch có thể chia VLAN thành:
  • VLAN 10: Phòng Kế Toán
  • VLAN 20: Phòng IT
  • VLAN 30: Phòng Nhân Sự
• Nếu một máy tính thuộc VLAN 10, nó không thể giao tiếp trực tiếp với VLAN 20 trừ khi có thiết bị định tuyến trung gian.

VLAN giúp tăng tính bảo mật, giảm tắc nghẽn, và quản lý mạng tốt hơn.

4. MAC Address (Địa chỉ MAC)

Địa chỉ MAC (Media Access Control Address) là một mã định danh duy nhất (6 byte = 48 bit) được gán cho mỗi thiết bị mạng (card mạng, switch, router, v.v.).

a. Cấu trúc địa chỉ MAC:

OUI (Organizationally Unique Identifier): 3 byte đầu do IEEE cấp cho nhà sản xuất. Ví dụ: Microchip có OUI là 00-04-A3
Hardware ID: 3 byte còn lại do nhà sản xuất gán.

b. Các loại địa chỉ MAC

Unicast (MAC đơn): Gửi đến một thiết bị duy nhất.
Multicast (MAC nhóm): Gửi đến một nhóm thiết bị. Ví dụ: Địa chỉ 01-80-C2-00-00-01 được sử dụng trong Pause Frame.
Broadcast (MAC quảng bá): Gửi đến tất cả các thiết bị trong mạng. Ví dụ: FF-FF-FF-FF-FF-FF.

c. Ứng dụng thực tế:

Nếu địa chỉ là broadcast, frame sẽ được gửi đến tất cả các thiết bị trong mạng LAN.
Khi một switch nhận được một frame, nó dựa vào địa chỉ MAC đích để quyết định chuyển tiếp hay lọc frame.

Stream construction/deconstruction

Trong mạng Ethernet, dữ liệu được truyền đi theo dạng frame và phải đi qua nhiều lớp trước khi đến đích. Stream Construction (xây dựng luồng dữ liệu) và Stream Deconstruction (giải mã luồng dữ liệu) là quá trình dữ liệu được đóng gói tại đầu phát và giải mã tại đầu thu.

Xem thêm: Tổng quan về Inter-Integrated Circuit (I2C)

1. Ethernet MAC và PHY là gì?

Trong Ethernet, có hai lớp chính để truyền dữ liệu:

• MAC (Media Access Control): Kiểm soát truy cập vào phương tiện truyền tải, xử lý địa chỉ MAC, kiểm soát lỗi và truyền nhận dữ liệu.
• PHY (Physical Layer – Lớp vật lý): Chịu trách nhiệm truyền tín hiệu điện/tín hiệu quang trên cáp mạng.

Quan hệ giữa MAC và PHY:

• MAC nhận dữ liệu từ các giao thức cấp cao (TCP/IP, UDP, ARP, v.v.) và chuyển thành frame Ethernet.
• PHY chuyển frame Ethernet thành tín hiệu điện hoặc quang để gửi qua cáp mạng.

2. Các giao diện quan trọng giữa MAC và PHY

MDI (Medium Dependent Interface)

• Là giao diện kết nối trực tiếp với cáp mạng (RJ45, cáp quang, v.v.).
• Phụ thuộc vào loại phương tiện truyền tải (dây đồng UTP, cáp quang).

MII (Media Independent Interface)

• Là giao diện giữa MAC và PHY.
• Bao gồm 3 đường:
  • Đường nhận (Receive Path): Nhận dữ liệu từ PHY vào MAC.
  • Đường truyền (Transmit Path): Chuyển dữ liệu từ MAC xuống PHY.
  • Đường quản lý (Management Path): Đọc và ghi các thanh ghi của PHY.

Kích thước bus dữ liệu của MII tùy vào tốc độ Ethernet:

• 10 Mb/s: 4-bit, hoạt động ở tần số 2.5 MHz.
• 100 Mb/s: 4-bit, hoạt động ở tần số 25 MHz.
• Biến thể khác của MII:
  • RMII (Reduced MII): 2-bit.
  • SMII (Serial MII): 1-bit.

3. Các thành phần của Ethernet 100 Mb/s theo IEEE 802.3

4. Ví dụ về quá trình truyền dữ liệu

Tình huống: Máy tính A gửi dữ liệu đến máy tính B trong mạng Ethernet 100 Mb/s.

• Máy tính A gửi gói tin (TCP/IP) → MAC đóng gói thành frame Ethernet.
• Frame Ethernet đi qua MII → Được chuyển đến PHY.
• PHY mã hóa dữ liệu tại PCS → Biến frame thành tín hiệu điện/quang.
• Tín hiệu điện được gửi qua cáp mạng (RJ45 – MDI).
• Tại máy tính B, tín hiệu điện đi qua MDI vào PHY.
• PHY giải mã dữ liệu và gửi đến MAC qua MII.
• MAC gửi dữ liệu lên TCP/IP Stack của hệ điều hành máy B.
• Ứng dụng trên máy B nhận được dữ liệu.

Xem thêm: Giao thức SDIO (Secure Digital Input Output) Là Gì?

Stream timing – Thời gian truyền dữ liệu

Trước khi tìm hiểu về cách dữ liệu được truyền đi trong mạng Ethernet (chuẩn IEEE 802.3), chúng ta cần hiểu về cách kiểm soát thời gian truyền dữ liệu.

Khi một thiết bị gửi dữ liệu qua Ethernet, dữ liệu này được chia thành các gói tin và gửi qua môi trường vật lý. Tuy nhiên, vì nhiều thiết bị có thể cùng sử dụng chung một đường truyền, cần có cơ chế để đảm bảo rằng các gói tin không bị va chạm với nhau.

1. Cơ chế CSMA/CD trong Ethernet

CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) là phương pháp được sử dụng trong Ethernet để tránh tình trạng xung đột khi nhiều thiết bị cùng gửi dữ liệu.

a. Nguyên lý hoạt động

Ethernet ban đầu được thiết kế để hoạt động trên một môi trường truyền chung (shared medium), nơi nhiều thiết bị có thể gửi dữ liệu nhưng chỉ một thiết bị có thể truyền tại một thời điểm. Nếu hai thiết bị cùng gửi dữ liệu đồng thời, dữ liệu sẽ bị chồng lấn và trở nên vô nghĩa. Để khắc phục vấn đề này, CSMA/CD tuân theo các quy tắc sau:

• Carrier Sense (Cảm nhận sóng mang): Trước khi gửi dữ liệu, thiết bị kiểm tra xem đường truyền có đang bận không.
• Multiple Access (Truy cập đa thiết bị): Nhiều thiết bị có thể sử dụng chung một đường truyền.
• Collision Detect (Phát hiện xung đột): Nếu có hai thiết bị gửi dữ liệu cùng lúc, chúng phải phát hiện xung đột và dừng truyền ngay lập tức.
• Backoff (Hoãn gửi lại dữ liệu): Khi phát hiện xung đột, các thiết bị sẽ đợi một khoảng thời gian ngẫu nhiên trước khi gửi lại dữ liệu, tránh va chạm liên tục.

b. Hoạt động cụ thể

• Trước khi truyền: Một thiết bị trước khi gửi dữ liệu sẽ kiểm tra xem đường truyền có đang rảnh không (Carrier Sense).
• Nếu đường truyền bận: Thiết bị sẽ đợi đến khi đường truyền rảnh, sau đó đợi một khoảng thời gian nhỏ gọi là Inter-Packet Gap (IPG) trước khi gửi.
• Nếu hai thiết bị cùng gửi: Xung đột xảy ra, các thiết bị sẽ phát hiện và gửi tín hiệu jam signal để thông báo lỗi.
• Sau xung đột: Các thiết bị sẽ dừng truyền và đợi một khoảng thời gian ngẫu nhiên trước khi thử lại, theo thuật toán Binary Exponential Backoff (giải thích bên dưới).

2. Phát hiện và xử lý xung đột (Collision Detection)

Xung đột xảy ra khi hai thiết bị cùng gửi dữ liệu và sóng tín hiệu bị chồng lấn.

• Khi một thiết bị phát hiện xung đột, nó sẽ gửi một tín hiệu đặc biệt gọi là jam signal để cảnh báo tất cả các thiết bị khác.
• Các thiết bị sẽ so sánh dữ liệu mình gửi với dữ liệu nhận được để xác định xem có xung đột hay không.
• Vì tín hiệu mất một khoảng thời gian để truyền từ đầu này đến đầu kia của mạng, nên hệ thống cần một khoảng thời gian đủ để phát hiện tất cả các xung đột. Khoảng thời gian này gọi là collision window hoặc slot time.

3. Xung đột trong và ngoài cửa sổ (In-window vs Late Collision)

Xung đột trong cửa sổ (In-window collision): Nếu xung đột xảy ra trong slot time, nó được coi là lỗi truyền và sẽ được xử lý bằng cách gửi lại dữ liệu.
Xung đột ngoài cửa sổ (Late collision): Nếu xung đột xảy ra muộn hơn slot time, điều này thường là do lỗi thiết kế mạng (ví dụ: đường truyền quá dài) và không thể khắc phục ở mức vật lý, mà cần ứng dụng phần mềm để xử lý.

4. Kích thước khung dữ liệu và ảnh hưởng đến truyền tải

Khoảng thời gian cần thiết để phát hiện xung đột liên quan đến kích thước tối thiểu của gói tin. Nếu gói tin quá nhỏ, một thiết bị có thể hoàn thành việc truyền mà không phát hiện ra xung đột.

• Giới hạn kích thước tối thiểu: Để đảm bảo phát hiện xung đột, chuẩn IEEE 802.3 quy định kích thước tối thiểu của một gói tin.
• Gigabit Ethernet: Để duy trì hiệu suất truyền tải khi tốc độ Ethernet tăng lên, kích thước khung dữ liệu được mở rộng bằng cách thêm Carrier Extension, giúp giữ cho network diameter (đường kính mạng) không bị giảm quá nhiều.

Ví dụ:

• 10Base-T có network diameter là 2500m.
• 100Base-T có network diameter giảm xuống còn 200m.
• Gigabit Ethernet nếu giữ nguyên tỷ lệ này sẽ chỉ còn 20m, nhưng nhờ Carrier Extension, nó vẫn duy trì kích thước mạng hợp lý.

5. Thuật toán Binary Exponential Backoff

Ý tưởng chính của thuật toán Binary Exponential Backoff là khi có nhiều xung đột, số lượng thiết bị cùng cố gắng truyền dữ liệu sẽ tăng lên. Để giảm khả năng xung đột lặp lại, ta cần tăng thời gian chờ ngẫu nhiên, giúp các thiết bị chọn thời điểm truyền khác nhau.

Công thức xác định phạm vi thời gian chờ sau nnn lần xung đột là:

Cách hoạt động:

• Lần đầu xung đột, mỗi thiết bị chọn một thời gian ngẫu nhiên trong khoảng [0,1] để thử gửi lại.
• Nếu lại xung đột, khoảng thời gian ngẫu nhiên tăng lên [0,3], thiết bị tiếp tục chọn thời gian ngẫu nhiên trong phạm vi này.
• Sau mỗi lần xung đột tiếp theo, phạm vi tăng lên [0,7], [0,15],… cho đến khi đạt đến giới hạn tối đa là 1023 đơn vị thời gian.
• Sau 16 lần thử, nếu vẫn không gửi được dữ liệu, gói tin bị hủy bỏ và thông báo lỗi.

Số lần xung đột (nnn)	Phạm vi chờ (slot)	Công thức
n = 1	[0,1]
n = 2	[0,3]
n = 3	[0,7]
n = 4	[0,15]
…	…	…

6. So sánh Half-Duplex và Full-Duplex

• Half-Duplex: Chỉ có thể truyền hoặc nhận tại một thời điểm, cần CSMA/CD để tránh xung đột.
• Full-Duplex: Cho phép truyền và nhận đồng thời, không cần CSMA/CD vì không có xung đột.

Trên các mạng Ethernet hiện đại sử dụng switch thay vì hub, full-duplex thường được sử dụng để tăng hiệu suất.

Xem thêm: Tổng quan về CAN Flexible Data-rate (CAN FD)

Full-Duplex Ethernet

Trong các mạng Ethernet ban đầu, tất cả các thiết bị kết nối chung một đường truyền (shared medium), nên chỉ một thiết bị có thể truyền dữ liệu tại một thời điểm. Điều này yêu cầu sử dụng CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) để tránh và xử lý xung đột dữ liệu.

Full-Duplex Ethernet khắc phục vấn đề này bằng cách cho phép truyền và nhận dữ liệu đồng thời trên hai kênh riêng biệt.

1. Ưu điểm của Full-Duplex Ethernet:

• Không có xung đột: Vì mỗi thiết bị chỉ kết nối với một thiết bị khác (qua cáp riêng), nên không xảy ra xung đột dữ liệu.
• Tăng gấp đôi băng thông: Vì có thể truyền và nhận đồng thời, tốc độ thực tế tăng gấp đôi. Ví dụ:
  • 10 Mbps (Half-Duplex) → 20 Mbps (Full-Duplex)
  • 100 Mbps (Half-Duplex) → 200 Mbps (Full-Duplex).
• Không bị giới hạn bởi đường kính mạng: Do không cần tuân theo giới hạn thời gian phát hiện xung đột (Slot Time).

2. Full-Duplex Ethernet thường được sử dụng trong các cấu trúc mạng nào?

Kết nối điểm-điểm (Point-to-Point): Hai thiết bị kết nối trực tiếp với nhau.
Mạng sao (Star Topology): Các thiết bị kết nối với một switch trung tâm, mỗi liên kết là điểm-điểm độc lập.

Truyền dữ liệu trong Ethernet 10 Mbps (10Base-T)

Bước 1: Mã hóa Manchester

Dữ liệu cần truyền sẽ được mã hóa theo phương pháp Manchester Encoding.

• Bit 0 → Chuyển từ mức Cao → Thấp
• Bit 1 → Chuyển từ mức Thấp → Cao

Nhờ có sự chuyển đổi mức điện áp trong mỗi bit, tín hiệu này tự đồng bộ với xung nhịp (Clock Recovery), giúp thiết bị nhận dễ dàng đọc dữ liệu.
Tuy nhiên, vì mỗi bit cần hai xung tín hiệu, băng thông thực tế bị tăng gấp đôi (10 Mbps → 20 MHz).

Bước 2: Sử dụng tín hiệu vi sai (Differential Signaling)

Tín hiệu vi sai (Differential Signaling) là một phương pháp truyền dữ liệu trong đó thay vì truyền một tín hiệu đơn (single-ended), Ethernet sử dụng hai dây dẫn mang tín hiệu đối lập nhau.

• Dây thứ nhất (Signal +) mang tín hiệu gốc.
• Dây thứ hai (Signal -) mang tín hiệu ngược pha với tín hiệu gốc.

Khi tín hiệu thay đổi trên dây thứ nhất, tín hiệu trên dây thứ hai cũng thay đổi theo nhưng theo hướng ngược lại.

Ethernet 10Base-T sử dụng tín hiệu vi sai để truyền dữ liệu, giúp giảm nhiễu điện từ (EMI) và cải thiện chất lượng tín hiệu.

a. So sánh với tín hiệu đơn (Single-Ended Signal)

Giả sử ta có một tín hiệu dữ liệu số đơn giản:
Dữ liệu cần truyền: 10110

Nếu sử dụng tín hiệu đơn (Single-Ended Signal) như trong các hệ thống truyền thông cũ, ta có thể mã hóa nó như sau:

Vấn đề với tín hiệu đơn:

• Dễ bị nhiễu từ môi trường bên ngoài (ví dụ: từ dây nguồn điện, sóng vô tuyến, v.v.).
• Nếu có nhiễu, tín hiệu có thể bị sai, gây lỗi dữ liệu.

b. Ethernet 10Base-T sử dụng tín hiệu vi sai (Differential Signaling)

Thay vì sử dụng tín hiệu đơn, Ethernet truyền cùng dữ liệu 10110 dưới dạng hai tín hiệu ngược pha nhau:

Lợi ích:
Khả năng chống nhiễu: Nếu nhiễu từ môi trường tác động lên cả hai dây với mức +0.2V, thì:

• TX+ bị nhiễu: +1V + 0.2V = +1.2V
• TX- bị nhiễu: -1V + 0.2V = -0.8V
• Sự chênh lệch vẫn là 2V, nên tín hiệu không bị sai lệch.

Truyền dữ liệu chính xác hơn: Vì bộ thu chỉ quan tâm đến sự khác biệt (hiệu) giữa TX+ và TX-, mọi nhiễu xuất hiện trên cả hai dây đều bị triệt tiêu, giúp dữ liệu không bị lỗi.

Bước 3: Điều chỉnh dạng sóng (Wave Shaping)

Dạng sóng được điều chỉnh theo tiêu chuẩn IEEE 802.3, đảm bảo truyền tín hiệu tốt trên cáp xoắn đôi (CAT5) mà không gây nhiễu không mong muốn.

Bước 4: Truyền qua cáp

Sau khi điều chỉnh, tín hiệu được truyền qua cáp với điện áp vi sai dao động từ 350 mV đến 3.1V.

Xem thêm: Fritzing Cơ Bản: Hướng dẫn chi tiết vẽ mạch trực quan

Truyền dữ liệu trong Ethernet 100 Mbps (100Base-TX)

1. Tại sao không thể dùng Manchester Encoding cho 100Base-TX?

Do tốc độ tăng lên 100 Mbps, nếu sử dụng mã hóa Manchester, băng thông tín hiệu sẽ lên tới 200 MHz, vượt quá giới hạn của cáp UTP (Unshielded Twisted Pair).

Vì thế, Ethernet 100Base-TX sử dụng MLT-3 (Multi-Level Transition 3) để mã hóa dữ liệu.

2. Mã hóa MLT-3 hoạt động thế nào?

MLT-3 sử dụng 3 mức điện áp (-1, 0, +1) thay vì chỉ 2 mức như Manchester.
Bit 1 → Mức điện áp luôn thay đổi theo chu kỳ cố định (-1 → 0 → +1 → 0 → -1 …).
Bit 0 → Không có chuyển đổi.

Ưu điểm của MLT-3:

• Giảm tần số tín hiệu từ 125 MHz → 31.25 MHz, giúp cáp truyền tải tốt hơn.
• Giảm nhiễu và tiêu thụ năng lượng thấp hơn so với Manchester.

3. Mã hoá 4B/5B

a. Vấn đề cần giải quyết

Trong Ethernet 100 Mb/s, nếu ta chỉ dùng MLT-3 mà không có thêm biện pháp nào khác, sẽ gặp hai vấn đề lớn:

• Mất đồng bộ do chuỗi bit 0 kéo dài
  • Trong MLT-3, bit 0 được biểu diễn bằng việc không có chuyển đổi điện áp.
  • Nếu có quá nhiều bit 0 liên tiếp, tín hiệu không thay đổi → Bộ thu không thể đồng bộ được xung nhịp với bộ phát, dẫn đến mất đồng bộ và lỗi dữ liệu.
• Cần thêm mã tín hiệu đặc biệt
  • Không chỉ truyền dữ liệu, Ethernet còn cần mã để báo hiệu bắt đầu, kết thúc, trạng thái rỗi hoặc lỗi.
  • Với mã hóa nhị phân thông thường (1 bit truyền thành 1 bit), không có cách nào để thêm các tín hiệu này.

Giải pháp: Sử dụng mã hóa 4B/5B!

b. Mã hóa 4B/5B là gì?

Thay vì gửi 4 bit dữ liệu gốc, ta chuyển thành 5 bit trước khi truyền đi.

Dưới đây là bảng mã hoá 4B/5B:

Lợi ích:

• Giải quyết vấn đề mất đồng bộ
  • Mỗi mã 5 bit luôn có ít nhất hai bit 1, đảm bảo luôn có ít nhất 2 lần chuyển đổi tín hiệu trong MLT-3.
  • Nhờ đó, đồng hồ tại bộ thu luôn có xung để đồng bộ với bộ phát.
• Có dư mã để truyền tín hiệu đặc biệt
  • 4 bit dữ liệu → 5 bit mã hóa → Có tổng 2⁵ = 32 mã, trong đó 16 mã được dùng để truyền dữ liệu.
  • 16 mã dư còn lại dùng để truyền các tín hiệu đặc biệt:

Nhờ vậy, Ethernet có thể báo hiệu khi bắt đầu, kết thúc, hoặc có lỗi trong quá trình truyền.

c. Mã hóa 4B/5B ảnh hưởng thế nào đến tốc độ?

Ban đầu, dữ liệu có tốc độ 100 Mb/s.
Cứ 4 bit dữ liệu, trước khi truyền đi, sẽ được đổi thành 5 bit. Như vậy, tốc độ tín hiệu trên đường truyền thực tế sẽ là:

Tần số tín hiệu thực tế là 125 MHz, nhưng nhờ MLT-3, tần số sóng mang chỉ còn 31.25 MHz.

Xem thêm: Cách Tạo Linh Kiện Mới Trong Fritzing: Hướng Dẫn Từ A Đến Z

Tổng quan về quá trình mã hoá và giải mã

1. Quá trình mã hóa (Truyền dữ liệu – TX path)

Dữ liệu từ giao diện MAC (Media Access Control) được truyền qua nhiều giai đoạn mã hóa trước khi được gửi ra cáp mạng.

Bước 1: 4B/5B Encoding

• Mục đích: Chuyển 4 bit dữ liệu thành 5 bit để đảm bảo luôn có sự thay đổi tín hiệu, giúp đồng bộ hóa tốt hơn.
• Tốc độ: 4 bit → 5 bit → 125 Mbps, nhưng vẫn hoạt động ở 25 MHz.

Bước 2: Scrambler và PISO (Parallel In Serial Out)

• Scrambler: Làm nhiễu dữ liệu có chủ đích để tránh lặp lại tín hiệu liên tục, giúp giảm nhiễu điện từ (EMI).
• PISO: Chuyển đổi dữ liệu từ song song (5 bit mỗi chu kỳ) sang nối tiếp (1 bit mỗi chu kỳ).
• Tốc độ: 125 Mbps, 125 MHz.

Bước 3: NRZI (Non-Return-to-Zero Inverted) Encoding

• Cách hoạt động:
  • 1 → Giữ nguyên tín hiệu.
  • 0 → Đảo tín hiệu.
• Mục đích: Giảm số lần thay đổi tín hiệu, giúp truyền dữ liệu ổn định hơn.
• Tốc độ: 125 Mbps, 62.5 MHz.

Bước 4: MLT-3 Encoding

• Cách hoạt động:
  • Sử dụng 3 mức tín hiệu (+1, 0, -1) thay vì chỉ có 2 mức (0, 1).
  • Chỉ thay đổi mức điện áp khi có bit 1, nếu là 0 thì giữ nguyên.
• Mục đích: Giảm tần số tín hiệu, giúp tiết kiệm băng thông.
• Tốc độ: 125 Mbps, 31.25 MHz.

Kết quả cuối: Dữ liệu đã được mã hóa và sẵn sàng gửi qua dây cáp với tốc độ 125 Mbps nhưng chỉ cần băng thông 31.25 MHz.

2. Quá trình giải mã (Nhận dữ liệu – RX path)

Khi nhận dữ liệu từ cáp mạng, quá trình sẽ diễn ra ngược lại để giải mã và khôi phục dữ liệu.

Bước 1: Chuyển đổi tín hiệu MLT-3 sang NRZI

• MLT-3 được giải mã lại thành NRZI.
• Tốc độ: 125 Mbps, 62.5 MHz.

Bước 2: Giải mã NRZI thành dữ liệu nhị phân gốc

• NRZI được giải mã về dạng dữ liệu ban đầu (0 và 1).
• Tốc độ: 125 Mbps, 125 MHz.

Bước 3: Giải nhiễu (Descrambler) và chuyển đổi dữ liệu từ nối tiếp sang song song (SIPO)

• Scrambler được giải mã để khôi phục dữ liệu đúng như ban đầu.
• Dữ liệu được chuyển từ dạng nối tiếp (1 bit) thành song song (5 bit).
• Tốc độ: 125 Mbps, 25 MHz.

Bước 4: Giải mã 4B/5B

• 5 bit được chuyển lại thành 4 bit.
• Tốc độ cuối cùng: 100 Mbps, 25 MHz (trở về đúng tốc độ ban đầu).

Kết quả cuối: Dữ liệu được khôi phục hoàn toàn về dạng ban đầu để MAC xử lý.

Xem thêm: Tìm hiểu về Universal Serial Bus (USB)

Auto-Negotiation

1. Auto-Negotiation là gì?

Auto-Negotiation là một cơ chế cho phép hai thiết bị mạng (các node) tự động trao đổi khả năng hỗ trợ của mình (tốc độ, chế độ full-duplex hay half-duplex, có hỗ trợ “pause frame” hay không, v.v.) để chọn ra chế độ hoạt động tối ưu nhất cho cả hai bên.

Ví dụ đơn giản:

• Nếu một switch hỗ trợ 10 Mbps, 100 Mbps và 1 Gbps, còn một PC chỉ hỗ trợ 10 Mbps và 100 Mbps, thì Auto-Negotiation sẽ giúp cả hai thống nhất chọn 100 Mbps (tốc độ cao nhất mà cả hai cùng hỗ trợ).

Có bắt buộc phải dùng Auto-Negotiation không?

• Không bắt buộc với Ethernet 10Base-T và 100Base-T (có thể thiết lập thủ công).
• Bắt buộc với Ethernet Gigabit (1 Gbps) trở lên.

2. Auto-Negotiation hoạt động như thế nào?

Bước 1: Truyền tín hiệu Fast Link Pulses (FLP)

• Khi hai thiết bị kết nối với nhau, chúng gửi các tín hiệu Fast Link Pulses (FLP) để trao đổi thông tin về khả năng của mình.
• FLP là một chuỗi các xung điện (pulse) được truyền thành từng nhóm 17-33 xung gọi là “link code word”.
• Các thiết bị cũ không hỗ trợ Auto-Negotiation sẽ bỏ qua FLP vì chúng chỉ nhận được Normal Link Pulses (NLP).

Ví dụ:

• Nếu thiết bị A hỗ trợ 10 Mbps & 100 Mbps và thiết bị B hỗ trợ 100 Mbps & 1 Gbps, thì cả hai sẽ gửi FLP để “đàm phán” và cuối cùng chọn 100 Mbps làm chế độ hoạt động chung.

Bước 2: Nếu không nhận được tín hiệu Auto-Negotiation?

• Nếu một thiết bị không nhận được tín hiệu FLP từ thiết bị đối diện, nó sẽ mặc định về chế độ thấp nhất là 10Base-T half-duplex (10 Mbps, chế độ nửa song công).
• Một số card mạng có thể nhận diện tốc độ bằng cách quan sát tín hiệu vật lý, tính năng này gọi là Parallel Detection.

Ví dụ:

• Một PC mới hỗ trợ Auto-Negotiation kết nối với một switch cũ không hỗ trợ Auto-Negotiation → PC sẽ tự động giảm tốc độ xuống 10 Mbps half-duplex để đảm bảo kết nối.

Bước 3: Nếu hai thiết bị không tìm được tốc độ chung?

Nếu hai thiết bị không có điểm chung về tốc độ hoặc chế độ hoạt động, thì không thể thiết lập kết nối.

3. Cấu trúc của thông điệp Auto-Negotiation

Xem thêm: Tìm hiểu về Digital-to-Analog Converter (DAC)

Auto-Crossover

1. Auto-Crossover là gì?

Auto-Crossover (hay Auto-MDIX) là một tính năng trong Ethernet giúp thiết bị tự động đảo chiều tín hiệu truyền (TX) và nhận (RX) để đảm bảo kết nối đúng, bất kể bạn đang dùng cáp thẳng (straight-through cable) hay cáp chéo (crossover cable).

2. Tại sao cần Auto-Crossover?

Trong Ethernet, một thiết bị phát (TX) dữ liệu và thiết bị kia nhận (RX) dữ liệu.
Nếu kết nối không đúng (TX nối với TX, RX nối với RX), hai thiết bị sẽ không thể giao tiếp.
Trước đây, người dùng phải chọn đúng loại cáp (cáp thẳng hoặc cáp chéo) để đảm bảo kết nối.
Bây giờ, Auto-Crossover giúp thiết bị tự động điều chỉnh, không cần lo lắng về loại cáp nữa.

3. Cách hoạt động của Auto-Crossover

Khi kết nối hai thiết bị, Auto-Crossover sẽ kiểm tra xem TX và RX có đúng vị trí không.
Nếu phát hiện sai, thiết bị sẽ tự động hoán đổi TX ↔ RX để đảm bảo liên lạc.
Chỉ cần một trong hai thiết bị hỗ trợ Auto-Crossover, kết nối vẫn sẽ hoạt động bình thường

4. Ví dụ thực tế

Trước đây:

• Kết nối PC với Switch → Dùng cáp thẳng.
• Kết nối PC với PC → Dùng cáp chéo.
• Dùng sai cáp → Không kết nối được.

Hiện tại (với Auto-Crossover):

• Bạn có thể dùng bất kỳ loại cáp nào, vì thiết bị sẽ tự điều chỉnh.

5. Lợi ích của Auto-Crossover

Không cần lo lắng chọn đúng loại cáp.
Giảm rủi ro kết nối sai.
Hỗ trợ cắm cáp linh hoạt hơn.
Được tích hợp trên hầu hết các thiết bị mạng hiện đại (Switch, Router, PC, v.v.).

Ethernet vẫn là công nghệ kết nối mạng quan trọng và phổ biến nhờ vào tính ổn định, tốc độ cao và khả năng mở rộng. Dù Wi-Fi ngày càng phát triển, Ethernet vẫn giữ vai trò không thể thay thế trong các ứng dụng yêu cầu độ tin cậy cao như trung tâm dữ liệu, hệ thống nhúng và mạng doanh nghiệp. Với sự phát triển của các chuẩn Ethernet mới như 10GbE và 100GbE, công nghệ này tiếp tục đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của thời đại số.

Xem thêm: Analog-to-Digital Converter (ADC): Nguyên lý và Ứng dụng