Bài giảng Mạng và truyền số liệu (Phần 1)

136 trang ngocly 1690

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Mạng và truyền số liệu (Phần 1)", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

bai_giang_mang_va_truyen_so_lieu_phan_1.pdf

Nội dung text: Bài giảng Mạng và truyền số liệu (Phần 1)

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN BÀI GIẢNG MẠNG VÀ TRUYỀN SỐ LIỆU
THÁI NGUYÊN, NĂM 2010 1
MỤC LỤC Chương 1. Giới thiệu về mạng truyền dữ liệu 6 1.1 Mô hình truyền thông 6 1.2 Truyền thông dữ liệu 8 1.3 Kết nối mạng truyền thông dữ liệu 9 1.4 Các giao thức và kiến trúc giao thức 12 1.5 Chuẩn hóa mạng 23 Chương 2. Sự truyền dẫn và phương tiện truyền dẫn dữ liệu 24 2.1 Truyền dẫn dữ liệu 24 2.2.1 Các khái niệm và thuật ngữ cơ bản 24 2.1.2 Sự suy yếu của tín hiệu truyền 29 2.2 Phương tiện truyền dẫn 32 2.2.1 Cáp xoắn đôi (Twisted Pair) 33 2.2.2 Cáp đồng trục 35 2.2.3 Sợi quang 37 2.2.4 Vi ba mặt đất: 40 2.2.5 Vi ba vệ tinh: 42 2.2.6 Sóng Radio: 46 2.3. Các chuẩn giao tiếp vật lý 47 2.3.1. Giao tiếp IEA – 232D/V24 47 2.3.2. Modem rỗng (null modem) 50 2.3.3. Giao tiếp EIA-530 52 2.3.4. Giao tiếp X21 52 2.3.5. Giao tiếp ISDN 53 Chương 3. Giao tiếp liên kết dữ liệu 54 3.1. Các khái niệm cơ bản về truyền số liệu 54 3.1.1. Các chế độ truyền thông 54 3.1.2. Các chế độ truyền 54 3.1.3. Kiểm soát lỗi 55 3.1.4. Điều khiển luồng 56 3.1.5. Các giao thức liên kết dữ liệu 56 3.1.6. Mã truyền 57 3.1.7. Các đơn vị dữ liệu 57 3.1.8. Giao thức 58 2
3.1.9. Hoạt động kết nối 58 3.1.10. Đường nối và liên kết 58 3.2. Thông tin nối tiếp không đồng bộ 58 3.2.1. Khái quát 58 3.2.2. Nguyên tắc đồng bộ bit 59 3.2.3. Nguyên tắc đồng bộ ký tự 59 3.2.4. Nguyên tắc đồng bộ frame 59 3.3. Thông tin nối tiếp đồng bộ 60 3.3.1. Khái quát 60 3.3.2. Nguyên tắc đồng bộ bit 60 3.3.3. Truyền đồng bộ thiên hướng ký tự 61 3.3.4. Truyền đồng bộ thiên hướng bit 63 3.4. Phát hiện và sửa lỗi 66 3.4.1. Các kiểu lỗi 66 3.4.2. Phát hiện sai trong truyền số liệu 68 3.3.3. Sửa sai trong truyền số liệu 77 3.3.4. Mã nén dữ liệu 82 3.5. Các giao thức cửa sổ trượt 83 3.5.1. ARQ dừng và chờ (Stop and Wait ARQ) 83 3.5.2. Trở lại N - ARQ (Go back - N - ARQ) 84 3.6. Mạch điều khiển truyền số liệu 86 3.6.1. Khái quát 86 3.6.2. Giao truyền có thể lập trình UART 8250 của Intel 90 3.7. Các thiết bị điều khiển truyền số liệu 91 3.7.1. Khái quát 91 3.7.2. Bộ ghép kênh phân thời 92 3.7.3. Bộ ghép kênh thống kê 92 3.8. Một số giao thức liên kết dữ liệu 93 3.8.1. Giao thức HDLC (High level data link control) 93 3.8.2. Giao thức BSC (Binary Synchonous Communication) 95 3.8.3. Giao thức PPP 96 Chương 4. Tầng mạng 99 4.1. Vai trò của tầng mạng 99 4.2. Các dịch vụ cung cấp cho tầng mạng 99 3
4.3. Tổ chức các kênh truyền tin trên mạng 100 4.3.1. Kênh ảo (virtual circuit) 100 4.3.2. Mạng Datagram 100 4.4. Các kỹ thuật định tuyến trên mạng 101 4.4.1. Các phương pháp định tuyến trong mạng chuyển mạch kênh 101 4.5. Vấn đề tắc nghẽn và điều khiển luồng dữ liệu 116 4.5.1. Vấn đề tắc nghẽn 116 4.5.2. Điều khiển luồng (Flow Control) 117 Chương 5. Mạng cục bộ (LAN - Local Area Network) 118 5.1 Những kiến thức cơ bản 118 5.1.1 Cấu trúc tôpô của mạng 118 5.1.2 Các phương thức truy nhập đường truyền 120 5.2 Công nghệ Ethernet 129 5.2.1 Giới thiệu chung về Ethernet 129 5.2.2 Các đặc tính chung của Ethernet 129 5.2.4 Hoạt động của Ethernet 132 5.2.3 Các loại mạng Ethernet 134 5.3 Các kỹ thuật chuyển mạch trong LAN. 135 5.3.1 Phân đoạn mạng trong LAN 135 5.3.2 Các chế độ chuyển mạch trong LAN 139 5.3.3 Mạng LAN ảo (VLAN) 140 Chương 6. Mạng diện rộng WAN 144 6.1 Khái niệm về WAN 144 6.1.1 Mạng WAN là gì ? 144 6.1.2 Các lợi ích và chi phí khi kết nối WAN. 145 6.1.3 Những điểm cần chú ý khi thiết kế WAN 146 6.2 Một số công nghệ kết nối cơ bản dùng cho WAN 147 6.2.1 Mạng chuyển mạch kênh (Circuit Swiching Network) 147 6.2.2 Mạng chuyển gói (Packet Switching Network) 160 6.2.3 Kết nối WAN dùng VPN 169 6.3 Các thiết bị dùng cho kết nối WAN 170 6.3.1 Router (Bộ định tuyến) 170 6.3.2 Chuyển mạch WAN 174 6.3.3 Access Server 174 4
6.3.4 Modem 176 6.3.5 CSU/DSU 178 6.3.6 ISDN terminal Adaptor 179 6.4 Đánh giá và so sánh một số công nghệ dùng cho kết nối WAN. 179 Chương 7. Họ giao thức TCP/IP và mạng Internet 181 7.1 Lịch sử phát triển củaTCP/IP và mạng Internet 181 7.2 Giao thức TCP/IP 182 7.2.1 So sánh giao thức TCP/IP và mô hình 7 lớp OSI 183 7.2.2 Giao thức liên mạng IP 184 7.2.3 Giao thức TCP 199 7.2.4 Giao thức UDP 205 7.3.1 Tổ chức của Internet 206 7.3.2 Một số phương thức kết nối Internet phổ biến : 208 7.3.3 Các dịch vụ thông dụng của Internet 209 Chương 8. Mạng thế hệ mới (NGN – Next Generation Network) 212 8.1 Các động lực thúc đẩy sự phát triển của mạng NGN 212 8.1.1 Động lực của sự hội tụ và kết hợp mạng 212 8.1.2 Động lực của công nghệ 212 8.1.3 Động lực thị trường 213 8.1.4 Động lực dịch vụ 213 8.2 Giới thiệu chung về NGN 214 8.2.1 Khái niệm mạng thế hệ sau NGN 214 8.2.2 Mục tiêu của mạng thế hế sau NGN 215 8.2.3 Đặc điểm cơ bản của mạng NGN 215 8.3 Mô hình chức năng 216 8.3.1 Các chức năng 217 8.3.2 Tài nguyên mạng 218 8.4 Kiến trúc NGN 218 8.5 Các thành phần cơ bản của NGN 221 8.5.1 Chuyển mạch mềm (Softswitch) 221 8.5.2 Media Gateway - MG 221 8.5.3 Signalling gateway 221 8.5.4 Application server 222 5
8.5.5 Media Server 222 8.6 Các công nghệ được áp dụng cho NGN 222 8.6.1 Các công nghệ áp dụng cho lớp mạng chuyển tải 222 8.6.2 Công nghệ áp dụng cho lớp mạng truy nhập 222 8.7 Dịch vụ của NGN 222 8.7.1 Các dịch vụ NGN 222 8.7.2. Đặc điểm của các dịch vụ mạng NGN 223 8.8 Giao diện kết nối của NGN 224 8.8.1 Kết nối tới PSTN 226 8.8.2 Kết nối tới PLMN 227 8.8.3 Kết nối tới mạng riêng ảo VPN 227 6
Chương 1. Giới thiệu về mạng truyền dữ liệu 1.1 Mô hình truyền thông Một mô hình truyền thông cơ bản được minh họa như hình 1.1a dưới đây Hình 1.1. Mô hình truyền thông đơn giản Mục đích chính của một hệ thống truyền thông là sự trao đổi dữ liệu giữa hai đối tượng truyền thông. Hình 1.1 b thể hiện một ví dụ cụ thể về mô hình truyền thông, đó là sự trao đổi dữ liệu giữa một máy chủ và một máy trạm qua mạng điện thoại công cộng. Những thành phần quan trọng của hệ thống truyền thông trên hình 1.1 bao gồm: a. Thiết bị nguồn (Source): Thiết bị này tạo ra những dữ liệu để được truyền đi; như là những chiếc điện thoại hay máy tính cá nhân (PC) b. Máy phát Dữ liệu được tạo ra bởi một nguồn tin thường không được truyền ngay với dạng ban đầu được tạo ra, mà nó thường được bộ phát chuyển đổi và mã hóa thành dạng tín hiệu điện từ trường để truyền qua các hệ thống truyền dẫn. Ví dụ như hình vẽ 1.1b ta thấy Modem là một máy phát, nó chuyển dòng bit (tín hiệu số) từ máy tính cá nhân thành tín hiệu tương tự để truyền qua mạng điện thoại công cộng (PSTN). c. Hệ thống truyền dẫn 7
Hệ thống truyền dẫn có thể là một đường truyền đơn hoặc là một mạng lưới kết nối thiết bị nguồn và đích. d. Máy thu Máy thu thực hiện việc thu tín hiệu từ hệ thống truyền dẫn và chuyển đổi nó sang dạng tín hiệu mà thiết bị đích sử dụng được. Từ hình vẽ 1.1b ta cũng thấy Modem nhận tín hiệu tương tự đến từ mạng PSTN và chuyển đổi ngược sang dòng tín hiệu số (các bit thông tin) e. Thiết bị đích Thiết bị đích nhận dữ liệu của thiết bị nguồn đã truyền qua mạng tại từ bộ thu. Trên đây chỉ là những ý niệm đơn giản về một mạng truyền thông, còn thực tế thì hệ thống mạng truyền thông bao hàm rất nhiều tính phức tạp về kỹ thuật. Để biết được một số ý tưởng về phạm vi của sự phức tạp này ta xem bảng 1.1, đó là những nhiệm vụ chính cần được thực thi trong một hệ thống truyền thông dữ liệu. STT Nhiệm vụ STT Nhiệm vụ 1 Sự sử dụng hệ thống truyền dẫn 8 Định địa chỉ mạng 2 Giao diện 9 Định tuyến 3 Sự tạo tín hiệu 10 Khôi phục 4 Sự đồng bộ 11 Định dạng bản tin 5 Quản lý giao dịch 12 Bảo mật 6 Phát hiện và sửa lỗi 13 Quản lý mạng 7 Điều khiển luồng dữ liệu Vấn đề đầu tiên đó là sự sử dụng hệ thống truyền dẫn, nó liên quan đến việc sử dụng hiệu quả các phương tiện truyền dẫn để chia sẻ giữa một số lượng lớn các thiết bị truyền thông. Có một số kỹ thuật được sử dụng để nâng cao hiệu suất sử dụng đường truyền, hay nâng cao dung lượng đường truyền. Các kỹ thuật điều khiển tắc nghẽn cũng được ứng dụng để đảm bảo cho hệ thống không bị quá tải bởi các yêu cầu của các dịch vụ truyền dẫn. Để truyền tin thì một thiết bị cần thiết phải có những “giao diện” với hệ thống truyền dẫn. Tất cả các dạng truyền thông được nghiên cứu trong giáo trình này đều phụ thuộc vào việc sử dụng các tín hiệu điện từ trường mà được truyền qua các phương tiện truyền dẫn. Do đó khi một giao diện được thiết lập thì sự truyền thông yêu cầu cần có “sự tạo tín hiệu”. Các đặc tính của tín hiệu như là dạng tín hiệu, cường độ tín hiệu cần có khả năng truyền qua hệ thống truyền dẫn, và có thể chuyển đổi thành dữ liệu ở máy thu. 8
Không chỉ có tín hiệu dữ liệu được truyền trong hệ thống truyền dẫn và máy thu mà còn cần một số dạng tín hiệu “đồng bộ” giữa máy phát và máy thu. Máy thu cần có thể xác định được tín hiệu lúc bắt đầu và khi nó kết thúc, cũng như biết được chiều dài của mỗi thành phần tín hiệu. Ngoài những vấn đề cơ bản trong việc lựa chọn tính chất, sự quyết định thời gian của các tín hiệu thì còn một số yêu cầu để truyền thông giữa hai đối tượng là cần phải có sự “quản lý giao dịch”. Nếu như dữ liệu được chuyển đổi ở cả hai hướng trong một khoảng thời gian thì cả hai đối tượng cần phải có sự kết hợp với nhau trong việc truyền thông. Ví dụ như, khi có sự trao đổi thoại giữa hai bên gọi và bên được gọi thì quy trình kết hợp được thực hiện như sau: đầu tiên bên gọi cần phải bấm số cần gọi, tạo tín hiệu để tổng đài biết và tạo tín hiệu chuông đến bên bị gọi; Còn bên bị gọi cần nhấc ống nghe điện thoại mới hoàn thành kết nối giữa hai bên, Một vấn đề nữa trong hệ thống truyền thông đó là “sự dò và sữa lỗi”. Bởi vì trong tất cả các hệ thống truyền thông luôn tồn tại một số loại lỗi; các tín hiệu được truyền thường bị nhiễu trên đường truyền làm cho “méo” trước khi đến được đích. Và vấn đề điều khiển luồng cũng cần được quan tâm để đảm bảo rằng nguồn tin không làm cho nơi nhận tin bị “tràn” dữ liệu bởi dữ liệu đến nhanh hơn khả năng xử lý và nhận tin của nơi nhận. Tiếp theo chúng ta đề cập đến hai khái niệm khác nhau là “định địa chỉ” và “định tuyến”. Khi một phương tiện truyền dẫn được chia sẻ bởi nhiều thiết bị thì một hệ thống nguồn cần biết chính xác đích (địa chỉ) cần đến. Hệ thống truyền dẫn cần đảm bảo nơi thu nhận được dữ liệu. Hơn nữa hệ thống truyền dẫn có thể là một mạng trong đó có rất nhiều tuyến đường đến đích. Vì thế một tuyến đường xác định qua mạng này cần được lựa chọn. “Định tuyến” là việc chọn một tuyến đường tốt nhất và xác định để thông tin đi từ nguồn đến đích. Sự “khôi phục tín hiệu” là một khái niệm khác hẳn với sự sửa lỗi. Các kỹ thuật khôi phục cần thiết trong các tình huống mà sự trao đổi thông tin bị ngắt vì một lỗi hệ thống nào đó. Đối tượng vừa có thể hồi phục lại các hoạt động tại điểm bị ngắt vừa lấy lại trạng thái của các hệ thống liên quan đến điều kiện ban đầu của sự trao đổi thông tin. Việc “định dạng bản tin” phải làm với một sự thỏa thuận giữa hai bên như là dạng của dữ liệu cần được trao đổi, cần được truyền. Ví dụ như việc cả hai bên truyền thông cùng sử dụng một loại mã nhị phân cho các ký tự. Tiếp đến, việc cung cấp một vài biện pháp “bảo mật” trong hệ thống truyền thông là rất quan trọng. Bên gửi dữ liệu cần được đảm bảo rằng dữ liệu thực sự được 9
nhận bởi bên nhận chỉ định, còn bên nhận thì cũng cần chắc rằng dữ liệu mình nhận không bị thay đổi trong khi truyền và dữ liệu đến từ bên gửi thực sự. Cuối cùng, một phương tiện truyền thông dữ liệu là một hệ thống phức tạp mà không thể tạo ra hay vận hành cho chính nó. Các khả năng “quản lý mạng” cần dùng để cấu hình hệ thống, giám sát trạng thái của nó, tác động trở lại với các lỗi và những sự quá tải, lên kế hoạch cho sự phát triển trong tương lai. 1.2 Truyền thông dữ liệu Hình 1.2 dưới thể hiện một mô hình truyền thông dữ liệu đơn giản, để hiểu được quá truyền thông dữ liệu ta lấy ví dụ quá trình truyền thư điện tử từ nguồn đến đích. Hình 1.2. Mô hình truyền thông dữ liệu đơn giản Giả sử rằng thiết bị lối vào và bộ phát là những thành phần của một máy tính cá nhân (PC). Người dùng PC mong muốn gửi một bản tin tới người dùng khác với nội dung là “Kế hoạch buổi họp chiều thứ 5 tuần này bị hủy”, và ta quy định là (m). Người dùng này kích hoạt gói thư điện tử trên PC và đưa bản tin từ bàn phím (thiết bị lối vào) vào máy tính. Các chuỗi ký tự được lưu đệm vào bộ nhớ chính của máy tính, và chúng ta có thể xem nó như một dãy các bít (g) trong bộ nhớ. Máy tính được kết nối tới một vài phương tiện truyền dẫn, như mạng nội bộ hay một đường dây điện thoại bởi một thiết bị vào ra (bộ phát) – như modem. Dữ liệu được truyền tới bộ phát (modem) như là một dãy của các mức dịch điện áp [g(t)] mà nó đưa các bít lên các cáp hay bus truyền thông. Bộ phát được kết nối trực tiếp tới phương tiện truyền thông và nó chuyển đổi dòng dữ liệu đến [g(t)] sang một tín hiệu [s(t)] thích hợp đề truyền trên hệ thống truyền dẫn. 10
Tín hiệu phát s(t) được truyền trên phương tiện truyền dẫn sẽ bị suy giảm trước khi nó đến bộ thu. Do đó tín hiệu thu được r(t) có sự sai khác so với tín hiệu s(t). Bộ thu sẽ ước lượng tín hiệu gốc s(t) dựa vào tín hiệu thu được r(t) và những hiểu biết của nó về phương tiện truyền dẫn, và nó đưa ra một dãy bit g’(t). Những bít thông tin này được gửi tới lối ra của PC nơi mà nó được lưu đệm trong bộ nhớ như là một khối các bit (g). Trong nhiều trường hợp, hệ thống đích sẽ cố gắng xác định lỗi, và nó kết hợp với hệ thống nguồn để đạt được một khối dữ liệu hoàn chình không lỗi. Những dữ liệu đạt được này được đưa đến người dùng qua thiết bị lối ra như là màn hình của máy tính, hay máy in. Sau đó dữ liệu này được xem bởi người nhận như là một bản tin (m’), và nó là một bản sao chính xác như bản tin gốc (m). 1.3 Kết nối mạng truyền thông dữ liệu Trong dạng đơn giản nhất, truyền thông dữ liệu được xem như là sự kết nối trực tiếp giữa hai thiết bị qua một vài phương tiện truyền thông điểm – điểm. Tuy nhiên, điều này thường không thực tế, bởi một hoặc cả hai sự bất ngờ sau: 1- Các thiết bị thường ở xa nhau. Vì vậy để kết nối chỉ hai thiết bị là quá tốn kém bởi một tuyến liên kết dài hàng nghìn km. 2- Có cả một hệ các thiết bị, mỗi thiết bị lại yêu cầu liên kết tới rất nhiều thiết bị khác tại các thời điểm khác nhau. Vì thế việc kết nối cặp thiết bị bởi một đường dây dành riêng là không thực tế. Giải pháp cho vấn đề này là gắn mỗi thiết bị tới một mạng truyền thông. Hình 1.3 có sự liên hệ với mô hình truyền thông ở hình 1.1 và còn thể hiện ra hai mạng truyền thông chủ yếu là mạng diện rộng (WAN) và mạng cục bộ (LAN). Sự so sánh giữa hai mạng này thể hiện ở cả lĩnh vực công nghệ cũng như ứng dụng. 11
Hình 1.3. Mô hình truyền thông đơn giản Mạng diện rộng Mạng diện rộng được biết đến là loại mạng máy tính bao phủ một vùng địa lý rộng lớn. Một cách điển hình, một WAN bao gồm một số lượng các node chuyển mạch liên nối với nhau. Một sự truyền dẫn từ một thiết bị nào đó được định tuyến qua những node này tới một thiết bị đích xác định. Những node mạng này không được liên quan gì đến nội dung của dữ liệu; mục đích của những node này là cung cấp một phương tiện chuyển mạch để chuyển dữ liệu từ node tới node cho đến khi nó đến được đích của nó. Các mạng diện rộng (WANs) được thực hiện bởi một trong hai kỹ thuật là chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói. Những năm gần đây các mạng Frame Relay và ATM được sử dụng chủ yếu. Những vấn đề này sẽ được trình bày sâu hơn trong chương 3. Mạng cục bộ 12
LAN (Local Area Network) - Mạng cục bộ, kết nối các máy tính trong một khu vực bán kính hẹp thông thường khoảng vài trǎm mét. Kết nối được thực hiện thông qua các môi trường truyền thông tốc độ cao ví dụ cáp đồng trục thay cáp quang. LAN thường được sử dụng trong nội bộ một cơ quan/tổ chức Các LAN có thể được kết nối với nhau thành WAN. Cũng như là các mạng WAN, một mạng cục bộ là một mạng truyền thông mà liên nối một số lượng các thiết bị và cung cấp sự trao đổi thông tin giữa các thiết bị này. Tuy vậy có một số sự so sánh quan trọng giữa LAN và WAN như sau: 1- Phạm vi của LAN là nhỏ, thường thì trong một tòa nhà hay một phanà của tòa nhà. Sự khác nhau trong phạm vi địa lý sẽ dẫn đến sự khác nhau trong các giải pháp kỹ thuật 2- LAN được sử dụng bởi cùng một tổ chức mà sở hữu các thiết bị mạng. Còn với WAN, thì tổ chức sử dụng mạng chưa hẳn đã sở hữu các thiết bị mạng, một số thiết bị được sở hữu bởi nhà cung cấp dịch vụ. Hơn nữa với mạng LAN việc quản lý và bảo dưỡng mạng là do chính người sử dụng thực hiện. 3- Tốc tộ bên trong của LANs thường cao hơn tốc độ đó của WANs Có thể có nhiều cách bố trí (topology) cho các LAN quảng bá. Hình 1.4 nêu ra hai loại. Trong một mạng Bus (tức là một cáp tuyến tính), vào bất cứ thời gian nào một máy là máy chính và cho phép truyền tải, và mọi máy khác bị yêu cầu hạn chế việc truyền tải. Một cơ chế phân xử là cần thiết để giải quyết các xung đột khi hai hay nhiều máy muốn chuyển tin cùng một lúc. Cơ chế phân xử có thể là tập trung hay phân tán. Một loại hệ thống quảng bá thứ hai là ring (vòng). Trong một mạng ring, mỗi bit lan tỏa quanh nó, không chờ đợi phần còn lại của gói tin. Điển hình là từng bit dạo quanh toàn thể ring trong thời gian nó chiếm để truyền một vài bit. Như mọi hệ quảng bá khác, cần một số quy tắc để sắp xếp các thao tác truy cập đồng thời đến ring. Nhiều phương pháp được sử dụng sẽ được đề cập sau. Hình 1.4. Hai mạng quảng bá: (a) Bus; (b) Ring 1.4 Các giao thức và kiến trúc giao thức Khi các máy tính, đầu cuối và những thiết bị xử lý dữ liệu khác trao đổi dữ liệu thì phạm vi của những vấn đề quan tâm nhiều hơn những gì chúng ta đã thảo luận ở phần 1.2, 1.3. Chúng ta xét một ví dụ về việc truyền file giữa hai máy tính để làm sáng tỏ điều này. Không chỉ có một 13
tuyến truyền dữ liệu giữa hai máy tính có thể là trực tiếp hoặc qua một mạng truyền thông, mà quá trình truyền tin còn cần nhiều hơn các thủ tục. Các nhiệm vụ điển hình phải thực hiện bao gồm: 1. Hệ thống nguồn phải kích hoạt tuyến truyền thông dữ liệu trực tiếp hay thông tin cho mạng truyền thông biết về sự xác nhận của hệ thống thống đích đã yêu cầu. 2. Hệ thống nguồn phải biết chắc rằng hệ thống đích đã sẵn sàng nhận dữ liệu 3. Các ứng dụng truyền file trên hệ thống nguồn phải biết chắc rằng chương trình quản lý file trên hệ thống đích phải sẵn sàng chấp nhận và lưu trữ file cho người dùng. 4. Nếu các định dạng file được sử dụng trên hai hệ thống không tương thích thì một hoặc cả hai hệ thống phải thực hiện hàm chuyển đổi định dạng. Chúng ta thấy rõ ràng là cần có sự kết hợp cao giữa hai hệ thống máy tính (nguồn-đích). Sự chuyển đổi thông tin giữa hai máy tính cho hoạt động kết hợp của hai máy tính được biết đến như là “sự truyền thông máy tính”. Tương tự như vậy, khi hai hay nhiều máy tính được liên nối qua một mạng truyền thông thì một hệ các trạm máy tính này được biết đến như là một “mạng máy tính”. Bởi vì có sự yêu cầu về một mức liên kết giống nhau giữa một người dùng ở một đầu cuối và một người dùng ở một máy tính, nên các thuật ngữ thường được dùng khi một vài thực thể truyền thông là các đầu cuối. Khi trao đổi về mạng máy tính và sự truyền thông máy tính thì hai khái niệm có ý nghĩa lớn nhất là: ° Các giao thức ° Kiến trúc truyền thông máy tính, hay là kiến trúc giao thức Một giao thức được sử dụng để truyền thông giữa các thực thể ở các hệ thống khác nhau. Thuật ngữ “thực thể” và “hệ thống” được sử dụng ở trường hợp rất chung. Những thí dụ về các thực thể như là các chương trình ứng dụng, các gói truyền file, các hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu, các phương tiện mail điện tử và các đầu cuối. Còn những ví dụ về hệ thống như là các máy tính, các đầu cuối và các cảm biến từ xa. Chú ý rằng, trong một số trường hợp thực thể và hệ thống là có sự tương tự (như là các đầu cuối). Nói chung, một thực thể là một vài khả năng gửi hay là nhận thông tin còn một hệ thống là một thực thể vật lý mà chứa một hay nhiều thực thể. Hai hệ thống có thể truyền thông dữ liệu thành công thì chúng phải “nói cùng một ngôn ngữ”. Vậy truyền thông là gì, các thực thể truyền thông như thế nào và khi nó truyền thông thì phải tuân theo một vài sự thỏa thuận giữa các thực thể liên quan. Các thỏa thuận này được biết đến như là một giao thức, nó có lẽ được định nghĩa là một hệ các 14
quy tắc mà chi phối giao dịch dữ liệu giữa hai thực thể. Các thành phần cơ bản của một giao thức gồm: ° Cú pháp (Syntax): Bao gồm những điều như định dạng dữ liệu và các mức tín hiệu ° Ngữ nghĩa (Semantics): Bao gồm thông tin điều khiển cho sự cùng sắp xếp và điều khiển lỗi. ° Định thời (Timing): Bao gồm sự điều phối tốc độ và sự sắp xếp thứ tự Một cách rõ ràng rằng cần có một mức độ hợp tác cao giữa hai máy tính. Thay vì thực hiện điều này như là một mô đun đơn lẻ thì nhiệm vụ sẽ được chia nhỏ thành nhiều nhiệm vụ nhỏ, mỗi một nhiệm vụ nhỏ này được thực hiện tách biệt nhau. Hình 1.5 đưa ra một ví dụ về sự thực thi một phương tiện truyền file. Có ba mô đun được sử dụng. Hình 1.5. Một kiến trúc đơn giản để truyền file Chúng ta hãy khảo sát chức năng của từng mô đun trong hình 1.5. Đầu tiên, mô đun truyền file (file transfer module) bao gồm tất cả những nguyên lý thiết kế máy mà chuyên dùng cho ứng dụng truyền file, như là truyền các mật khẩu, truyền các lệnh file, các bản ghi file. Cần thiết có sự tin cậy trong việc truyền các file và lệnh này. Tuy nhiên, có cùng các loại yêu cầu tin cậy liên quan đến một loạt các ứng dụng (như là thư điện tử, truyền tài liệu). Do đó các yêu cầu này được thỏa mãn bời một mô đun dịch vụ truyền thông (communications service module) riêng rẽ mà có thể được sử dụng bởi một loạt các ứng dụng. Mô đun dịch vụ truyền thông đảm bảo cho hai hệ thống máy tính được kích hoạt và sẵn sàng cho truyền dữ liệu và đảm bảo việc lưu vết (keeping track) của dữ liệu đang trao đổi tới đúng nơi phân phát. Mặc dù vậy những nhiệm vụ này là độc lập với loại mạng đang được sử dụng. Vì vậy các vấn đề chịu trách nhiệm về mạng được tách biệt ra thành một mô đun truy cập mạng 15
(network access module) riêng. Điều này có nghĩa là nếu mạng có sự thay đổi thì chỉ có mô đun truy cập mạng bị ảnh hưởng. Do đó, thay vì chỉ một mô đun đơn để thực hiện truyền thông dữ liệu thì chúng ta sử dụng một hệ các mô đun đã cấu trúc để thực hiện các chức năng truyền thông. Cấu trúc đó được biết đến như là một kiến trúc giao thức. Tiếp theo, ta xem xét một kiến trúc giao thức đơn giản nói chung, sau đó ta xét đến các ví dụ thực và phức tạp như kiến trúc giao thức TCP/IP và OSI. Mô hình ba lớp Trong các thuật ngữ nói chung thì truyền thông có thể được nói đến ba tác nhân là: các ứng dụng, các máy tính và các mạng. Một ví dụ về một ứng dụng là một hoạt động truyền file. Các ứng dụng này thực thi trên các máy tính mà có thể thường hỗ trợ nhiều ứng dụng cùng lúc. Các máy tính lại được kết nối tới các mạng, và dữ liệu để trao đổi thì được truyền bời mạng từ một máy tính đến máy tính khác. Do đó, việc truyền dữ liệu từ một ứng dụng này đến ứng dụng khác liên quan đến việc đầu tiên là lấy dữ liệu tới máy tính đích (máy tính mà trong đó chương trình ứng dụng kia cư trú) và sau đó đưa nó tới chương trình ứng dụng cần thiết trên máy tính đó. Chúng ta có thể đưa ra ý tưởng tổ chức nhiệm vụ truyền thông thành ba lớp độc lập một cách quan hệ với nhau như sau: Lớp truy cập mạng Lớp giao vận Lớp ứng dụng Lớp truy cập mạng đảm bảo việc trao đổi dữ liệu giữa một máy tính với mạng mà nó kết nối tới. Máy tính gửi dữ liệu phải cung cấp cho mạng địa chỉ của máy đích để cho mạng có thể định tuyến dữ liệu tới đích thích hợp. Máy tính gửi mong có những dịch vụ chắc chắn như dịch vụ ưu tiên mà được cung cấp bởi mạng. Các phần mềm chuyên dụng được sử dụng ở lớp này thì tùy thuộc vào loại mạng; các chuẩn khác nhau đã được phát triển cho từng loại: mạng chuyển mạch kênh, chuyển mạch gói, mạng cục bộ, Do đó, thật là nhạy cảm để phân tách những chức năng mà phài làm việc với sự truy cập mạng ra một lớp riêng. Điều này đã cho phép phần mềm truyền thông ở trên lớp truy cập mạng không cần bận tâm đến những cái riêng của mạng được sử dụng. Phần mềm cùng lớp cao hơn nên hoạt động một cách thích đáng bất chấp một mạng cụ thể nào mà máy tính kết nối tới Không chú ý đến bản chất của các chương trình ứng dụng mà đang trao đổi dữ liệu, việc trao đổi dữ liệu cần có sự tin cậy. Có nghĩa là chúng ta phài đảm bảo rằng tất cả dữ liệu đến đúng ứng dụng đích và dữ liệu đến trong cùng yêu cầu trong đó 16
chúng được gửi. Những cơ cấu đảm bảo sự tin cậy là độc lập với bản chất của các ứng dụng. Do đó chúng ta phải lựa chọn những cơ cấu này trong một lớp thông thường được chia sẻ bởi tất cả các ứng dụng; lớp này được gọi là “lớp giao vận” Cuối cùng, lớp ứng dụng bao gồm những nguyên lý thiết kế cần để hỗ trợ cho nhiều loại ứng dụng người dùng. Với mỗi loại ứng dụng khác nhau như truyền file chúng ta cần một mô đun riêng để đặc trưng cho loại ứng dụng. Hình 1.6 và 1.7 minh họa cấu trúc đơn giản này. Hình 1.6 đưa ra một mô hình có 3 máy tính kết nối tới mạng. Mỗi PC gồm phần mềm ở lớp truy cập mạng và lớp giao vận, và phần mềm ở lớp ứng dụng cho 1 hay nhiều ứng dụng. Để truyền thông thành công, tất cả các thực thể trong toàn hệ thống phải có một địa chỉ duy nhất. Thực tế ta cần hai mức địa chỉ. Mỗi một máy tính trên mạng cần một địa chỉ mạng duy nhất; nó cho phép mạng phân phát dữ liệu đến máy tính thích hợp. Mỗi một ứng dụng trên 1 máy tính phải có một địa chỉ duy nhất bên trong máy tính đó; địa chỉ này cho phép lớp giao vận hỗ trợ nhiều ứng dụng ở mỗi máy tính. Các địa chỉ thứ hai được biết đến như là các điểm truy cập dịch vụ (SAPs – Service Access Points), nó có nghĩa là mỗi ứng dụng đang truy cập một cách riêng lẻ các dịch vụ của lớp giao vận. 17
Hình 1.6. Các kiến trúc giao thức và các mạng Hình 1.7. Các giao thức trong một kiến trúc đơn giản Hình 1.7 chỉ ra rằng các mô đun ở cùng một mức trên các máy tính khác nhau thì truyền thông với nhau. Một giao thức là một tập các quy tắc hay quy ước chi phối các cách thức trong đó hai thực thể hợp tác để trao đổi dữ liệu. Một thông số giao thức chi tiết hóa các chức năng điều khiển được thực thi, các định dạng và mã điều 18
khiển sử dụng để truyền thông các chức năng này, và các thủ tục mà hai thực thể phải theo. Chúng ta hãy xem xét một hoạt động đơn giản như sau. Giả sử một ứng dụng liên kết với SAP1 ở máy tính A muốn gửi một bản tin tới ứng dụng khác liên kết với SAP2 ở máy tính B. Ứng dụng ở A đưa bản tin qua lớp giao vận của nó với chỉ thị là gửi nó tới SAP2 trên B. Lớp giao vận lại đẩy bản tin qua lớp truy cập mạng, với chỉ thị cho mạng gửi bản tin tới máy tính B. Chú ý rằng mạng cần biết sự xác định điểm truy cập dịch vụ đích. Tất cả nó cần biết là dữ liệu hướng tới máy tính B. Để điều khiển hoạt động này thì thông tin điều khiển cũng như dữ liệu người dùng cần được truyền đi, như được đưa ra ở hình 1.8. Ở đó, ứng dụng gửi dữ liệu sẽ tạo một khối dữ liệu và đẩy nó tới lớp giao vận. Lớp giao vận có lẽ sẽ chia nhỏ nó ra thành nhiều đoạn nhỏ hơn để cho dễ quản lý hơn. Với mỗi đoạn này lớp giao vận sẽ nối thêm vào một phần đầu giao vận (transport header), nó bao gồm thông tin về điều khiển. Sự kết hợp này của dữ liệu từ lớp cao hơn kế tiếp và thông tin điều khiển này được gọi là một đơn vị dữ liệu giao thức (PDU); trong trường hợp của chúng ta là một đơn vị dữ liệu giao thức giao vận. Phần đầu này ở mỗi PDU giao vận bao gồm thông tin điều khiển để sử dụng bởi giao thức cùng cấp ở máy tính B. Những phần được lưu trữ trong phần đầu này bao gồm: SAP đích: Khi lớp giao vận đích nhận PDU giao vận thì nó phải biết nơi nào dữ liệu được phân phát (dữ liệu thuộc ứng dụng nào) Số tuần tự: Bởi vì giao thức lớp giao vận đang gửi một dãy các đơn vị dữ liệu giao thức, nên nó đánh số chúng một cách tuần tự để nếu như dữ liệu này có đến không đúng yêu cầu thì thực thể giao vận đích còn có thể sắp xếp lại chúng. Mã dò lỗi: Thực thể giao vận gửi dữ liệu có thể bao gồm một mật mã mà có một hàm của các nội dung của số dư của PDU. Giao thức giao vận bên nhận sẽ thực thi cùng một cách tính toán và so sánh kết quả với mật mã đến. Nến có kết quả khác biệt thì sẽ xảy ra một vài lỗi trên đường trường. Trong trường hợp này bên nhận sẽ loại PDU và thực hiện một số hoạt động cần thiết. 19
Hình 1.8. Các đơn vị dữ liệu giao thức Bước tiếp theo lớp giao vận sẽ đẩy mỗi PDU xuống lớp mạng với chỉ thị là truyền PDU này đến máy tính đích. Để thỏa mãn yêu cầu này, giao thức truy cập mạng phải hiện dữ liệu ra trong mạng với một yêu cầu nào đó cho truyền dẫn. Cũng như trước, hoạt động này đòi hỏi sử dụng thông tin điều khiển. Giao thức truy cập mạng nối thêm dữ liệu phần đầu truy nhập mạng với dữ liệu mà nó nhận được ở lớp giao vận, đó chính là sự tạo ra một PDU truy cập mạng. Các thành phần lưu trữ trong phần đầu của PDU truy cập mạng có thể gồm: Địa chỉ máy tính đích: Mạng cần biết máy tính nào trên mạng sẽ nhận dữ liệu Các yêu cầu tiện nghi: Giao thức lớp mạng có thể cần mạng đảm bảo một số tiện nghi như là quyền ưu tiên, Hình 1.9 tổng hợp tất cả quá trình trên trong một hình vẽ, nó đưa ra các tương tác giữa các mô đun cho việc truyền một khối dữ liệu. Với giả sử rằng mô đun truyền file trong máy tính X đang truyền một file (bản ghi) tới máy tính Y. Mỗi bản ghi được điều khiển qua mô đun lớp giao vận. Chúng ta có thể hình dung hoạt động này trong một dạng của một lệnh hay lời gọi thủ tục. Những đối số của lời gọi thủ tục bao gồm địa chỉ máy tính đích, điểm truy nhập dịch vụ đích, và bản ghi. Lớp giao vận thêm vào điểm truy nhập dịch vụ đích và thông tin điều khiển khác vào bản ghi để tạo ra một PDU giao vận. Sau đó nó được đẩy xuống lớp truy nhập mạng bằng một lời gọi thủ tục khác. Trong trường hợp này, các đối số cho lệnh là địa chỉ máy tính đích và PDU giao vận. Lớp truy nhập mạng sử dụng thông tin này để xây dựng một PDU mạng. PDU giao vận là một trường dữ liệu của PDU mạng và phần đầu PDU 20
mạng bao gồm thông tin có liên quan đến các địa chỉ máy tính nguồn và đích. Chú ý rằng phần đầu giao vận không có thể nhìn thấy được ở lớp truy cập mạng (hay nó vấn được coi là dữ liệu ở lớp truy cập mang); lớp truy cập mạng không quan tâm tới nội dung của PDU giao vận. Hình 1.9. Hoạt động của một kiến trúc giao thức Mạng sẽ chấp nhận PDU mạng từ X và phân phát nó tới Y. Mô đun truy cập mạng ở trong Y nhận các PDU, cởi bỏ phần đầu và truyền PDU giao vận được đính theo tới mô đun lớp giao vận của X. Lớp giao vận sẽ kiểm tra phần đầu đơn vị dữ liệu giao thức giao vận, phân phát bản ghi được đính theo tới ứng dụng thích hợp, ở đây là mô đun truyền file trong Y. Kiến trúc giao thức TCP/IP Hai kiến trúc giao thức được cung cấp những vấn đề cơ bản cho sự phát triển các chuẩn truyền thông đó là : bộ giao thức TCP/IP và mô hình tham chiếu OSI. TCP/IP là kiến trúc được sử dụng rộng rãi và OSI thì trở thành mô hình chuẩn để phân loại các chức năng truyền thông. Chúng ta sẽ xem xét tổng quan về hai kiến trúc này. TCP/IP là một hệ quả của việc nghiên cứu và phát triển giao thức được quản lý trên mạng chuyển mạch gói, ARPANET, và thường được gọi là bộ giao thức TCP/IP. Bộ giao thức này bao gồm một tập lớn các giao thức được sử dụng cho các chuẩn liên mạng (internet). Mô hình TCP/IP được chia thành 5 lớp như sau: 21
Lớp ứng dụng Lớp giao vận Lớp Internet Lớp truy cập mạng Lớp vật lý Trong đó, lớp vật lý bao gồm vấn đề về giao diện vật lý giữa một thiết bị truyền dữ liệu (như máy tính, trạm làm việc) và phương tiện truyền dẫn hoặc mạng. Lớp này liên quan với việc xác định các tính chất của phương tiện truyền dẫn, tính chất của tín hiệu, tốc độ dữ liệu và các vấn đề liên quan. Lớp truy cập mạng liên quan đến việc trao đổi dữ liệu giữa một hệ thống cuối và mạng mà nó kết nối tới. Máy tính gửi dữ liệu phải cung cấp cho mạng địa chỉ của máy tính đích để mạng có thể định tuyến cho dữ liệu đến đích chính xác. Máy tính gửi có thể cần các dịch vụ đặc biệt như quyền ưu tiên mà có thể được cung cấp bởi mạng. Phần mềm mạng chuyên dụng được sử dụng ở lớp này phụ thuộc vào loại mạng được sử dụng; các chuẩn khác nhau đã được phát triển cho các mạng khác nhau như chuyển mạch kênh, chuyển mạch gói, LANs, Chức năng của lớp truy cập mạng như sau: - Cung cấp cho hệ thống phương thức để truyền dữ liệu trên các thiết bị phần cứng vật lý khác nhau của mạng. - Đóng gói các đơn vị dữ liệu IP (IP datagram) vào các frame truyền trên mạng và việc ánh xạ các địa chỉ IP thành các địa chỉ vật lý tương ứng dùng cho mạng trước khi truyền xuống kênh vật lý. - Định nghĩa cách thức truyền các khối dữ liệu IP: Các giao thức ở lớp này phải biết chi tiết các phần cấu trúc vật lý mạng ở dưới nó để định dạng chính xác các dữ liệu sẽ được truyền phụ thuộc vào từng loại vật lý cụ thể. Lớp mạng (internet) chịu trách nhiệm định tuyến các bản tin (message) qua các mạng vật lý khác nhau, liên mạng, giao thức ở lớp này là IP. Giao thức IP là quan trọng nhất vì IP cung cấp dịch vụ giao nhận gói tin cơ bản trên các mạng TCP/IP, mọi giao thức ở các lớp trên và bên dưới lớp mạng đều sử dụng giao thức IP để thực hiện việc giao nhận dữ liệu. Hơn nữa IP bổ sung một hệ thống địa chỉ logic được gọi là địa chỉ iP, được sử dụng bởi lớp Internet và các lớp cao hơn để nhận diện các thiết bị và thực hiện định tuyến Chức năng của lớp giao vận (hay còn gọi là lớp host to host): - Cung cấp phương tiện liên lạc từ một chương trình ứng dụng này đến chương trình ứng dụng khác, chịu trách nhiệm đảm bảo toàn vẹn dữ liệu đầu cuối. 22
- Trong lớp này có hai giao thức quan trọng là giao thức TCP và UDP. Trong đó, TCP sử dụng phương thức trao đổi các dòng dữ liệu giữa người sử dụng theo kiểu hướng kết nối, còn UDP cung cấp dịch vụ giao nhận theo kiểu “không liên kết”, có nghĩa là không cần phải thực hiện Lớp ứng dụng: Bao gồm tất cả các tiến trình sử dụng các giao thức của lớp giao vận để truyền dữ liệu. Có nhiều giao thức ứng dụng ở lớp này, phần lớn là nhằm cung cấp cho người dùng các dịch vụ ứng dụng, sử dụng 2 giao thức chính TCP và UDP. Hình 1.10 chỉ ra cách thức các giao thức TCP/IP được thực hiện ở các hệ thống cuối và liên quan đến mô hình truyền thông ở hình 1.1a. Với lưu ý rằng các lớp vật lý và lớp truy cập mạng cung cấp tương tác giữa hệ thống cuối và mạng, còn các lớp ứng dụng và giao vận được biết đến các giao thức đầu cuối tới đầu cuối; nó hỗ trợ tương tác giữa hai hệ thống cuối. Lớp mạng thì có một phần của cả hai sự tương tác trên. Tại lớp này, hệ thống cuối truyền thông tin định tuyến tới mạng và nó cũng phải cung cấp một vài hàm thông thường giữa hai hệ thống cuối. Hình 1.10. Mô hình kiến trúc giao thức TCP/IP 23
Mô hình OSI (Open Systems Interconnection) Mô hình OSI là một cơ sở dành cho việc chuẩn hoá các hệ thống truyền thông, nó được nghiên cứu và xây dựng bởi ISO. Việc nghiên cứu về mô hình OSI được bắt đầu tại ISO vào năm 1971 với mục tiêu nhằm tới việc nối kết các sản phẩm của các hãng sản xuất khác nhau và phối hợp các hoạt động chuẩn hoá trong các lĩnh vực viễn thông và hệ thống thông tin. Theo mô hình OSI chương trình truyền thông được chia ra thành 7 lớp với những chức năng phân biệt cho từng lớp. Hai lớp đồng mức khi liên kết với nhau phải sử dụng một giao thức chung. Trong mô hình OSI có hai loại giao thức chính được áp dụng: giao thức có liên kết (connection - oriented) và giao thức không liên kết (connectionless) Giao thức có liên kết: trước khi truyền dữ liệu hai lớp đồng mức cần thiết lập một liên kết logic và các gói tin được trao đổi thông qua liên kết náy, việc có liên kết logic sẽ nâng cao độ an toàn trong truyền dữ liệu. Giao thức không liên kết: trước khi truyền dữ liệu không thiết lập liên kết logic và mỗi gói tin được truyền độc lập với các gói tin trước hoặc sau nó. Nhiệm vụ của các lớp trong mô hình OSI: Lớp ứng dụng (Application layer): lớp ứng dụng quy định giao diện giữa người sử dụng và môi trường OSI, nó cung cấp các phương tiện cho người sử dụng truy cập vả sử dụng các dịch vụ củ mô hình OSI. Lớp trình bày (Presentation layer): lớp trình bày chuyển đổi các thông tin từ cú pháp người sử dụng sang cú pháp để truyền dữ liệu, ngoài ra nó có thể nén dữ liệu truyền và mã hóa chúng trước khi truyền đễ bảo mật. Lớp giao dịch (Session layer): lớp giao dịch quy định một giao diện ứng dụng cho lớp vận chuyển sử dụng. Nó xác lập ánh xa giữa các tên đặt địa chỉ, tạo ra các tiếp xúc ban đầu giữa các máy tính khác nhau trên cơ sở các giao dịch truyền thông. Nó đặt tên nhất quán cho mọi thành phần muốn đối thoại riêng với nhau. Lớp vận chuyển (Transport layer): lớp vận chuyển xác định địa chỉ trên mạng, cách thức chuyển giao gói tin trên cơ sở trực tiếp giữa hai đầu mút (end-to-end). Để bảo đảm được việc truyền ổn định trên mạng lớp vận chuyển thường đánh số các gói tin và đảm bảo chúng chuyển theo thứ tự. 24
Hình 3.5: Mô hình 7 lớp OSI Lớp mạng (Network layer): lớp mạng có nhiệm vụ xác định việc chuyển hướng, vạch đường các gói tin trong mạng, các gói tin này có thể phải đi qua nhiều chặng trước khi đến được đích cuối cùng. Lớp liên kết dữ liệu (Data link layer): lớp liên kết dữ liệu có nhiệm vụ xác định cơ chế truy nhập thông tin trên mạng, các dạng thức chung trong các gói tin, đóng các gói tin Lớp vật lý (Phisical layer): lớp vật lý cung cấp phương thức truy cập vào đường truyền vật lý để truyền các dòng Bit không cấu trúc, ngoài ra nó cung cấp các chuẩn về điện, dây cáp, đầu nối, kỹ thuật nối mạch điện, điện áp, tốc độ cáp truyền dẫn, giao diện nối kết và các mức nối kết Hình 1.11 minh họa các lớp của các kiến trúc TCP và OSI, nó chỉ ra sự so sánh các chức năng tương ứng của từng lớp. Hình này cúng thể hiện sự thực thi trong các lớp khác nhau. 25
Hình 1.11. Các kiến trúc giao thức 1.5 Chuẩn hóa mạng Trong phần trên chúng ta đã xem xét một mô hình truyền thông đơn giản, trong thực tế việc phân chia các tầng như trong mô hình trên thực sự chưa đủ. Trên thế giới hiện có một số cơ quan định chuẩn, họ đưa ra hàng loạt chuẩn về mạng tuy các chuẩn đó có tính chất khuyến nghị chứ không bắt buộc nhưng chúng rất được các cơ quan chuẩn quốc gia coi trọng. Hai trong số các cơ quan chuẩn quốc tế là: ISO (The International Standards Organization) - Là tổ chức tiêu chuẩn quốc tế hoạt động dưới sự bảo trợ của Liên hợp Quốc với thành viên là các cơ quan chuẩn quốc gia với số lượng khoảng hơn 100 thành viên với mục đích hỗ trợ sự phát triển các chuẩn trên phạm vi toàn thế giới. Một trong những thành tựu của ISO trong lĩnh vực truyền thông là mô hình hệ thống mở (Open Systems Interconnection - gọi tắt là OSI). CCITT (Commité Consultatif International pour le Telegraphe et la Téléphone) - Tổ chức tư vấn quốc tế về điện tín và điện thoại làm việc dưới sự bảo 26
trợ của Liên Hiệp Quốc có trụ sở chính tại Geneva - Thụy sỹ. Các thành viên chủ yếu là các cơ quan bưu chính viễn thông các quốc gia. Tổ chức này có vai trò phát triển các khuyến nghị trong các lĩnh vực viễn thông. 27
Chương 2. Sự truyền dẫn và phương tiện truyền dẫn dữ liệu 2.1 Truyền dẫn dữ liệu Sự truyền dẫn dữ liệu thành công tùy thuộc một cách nguyên lý vào hai yếu tố là: chất lượng của tín hiệu phát và đặc tính của phương tiện truyền dẫn. 2.2.1 Các khái niệm và thuật ngữ cơ bản Thuật ngữ truyền dẫn Truyền dẫn dữ liệu xảy ra giữa bộ thu và bộ phát qua một số môi trường truyền dẫn. Môi trường truyền dẫn được chia làm hai loại là có dây và không dây. Trong cả hai môi trường truyền dẫn này thì truyền thông đều ở dạng của các sóng điện từ. Với môi trường có dây, các sóng được dẫn đường dọc theo một tuyến đường vật lý, còn với môi trường không dây thì sóng điện từ được truyền đi mà không được dẫn đường. Thuật ngữ “kết nối trực tiếp” được sử dụng để chỉ tuyến truyền giữa hai thiết bị trong đó các tín hiệu truyền trực tiếp từ máy phát đến máy thu không qua một thiết bị trung gian nào. Hình 2.1 đều minh họa là tuyến liên kết trực tiếp. Chú ý rằng thuật ngữ “kết nối trực tiếp” có thể ứng dụng cho cả môi trường có dây và không dây. Hình 2.1. Các cấu hình truyền dẫn có dây 28
Một môi trường truyền dẫn có dây là kết nối điểm – điểm nếu, thứ nhất nó cung cấp một kết nối trực tiếp giữa hai thiết bị, và chỉ có hai thiết bị chia sẻ phương tiện truyền thông (hình 2.1a). Còn một cấu hình kết nối đa điểm thì có hơn hai thiết bị chia sẻ cùng một phương tiện truyền dẫn. Một sự truyền dẫn có thể là đơn công, bán song công, hay song công. Với truyền đơn công thì tín hiệu được phát chỉ theo một hướng; hay một trạm là máy phát còn trạm kia là máy thu. Còn với truyền bán song công, cả hai trạm có thể phát nhưng chỉ tại một thời điểm nào đó. Với truyền song công thi cả hai trạm có thể truyền tín hiệu đồng thời. Tần số, phổ và băng thông của tín hiệu Tín hiệu được phát từ bộ phận phát và truyền qua môi trường truyền dẫn để đến bộ phận thu. Tín hiệu là một hàm của thời gian nhưng nó cũng có thể biểu diễn là một hàm của tần số, có nghĩa là tín hiệu bao gồm nhiều thành phần tần số khác nhau. Người ta có thể khảo sát tín hiệu theo quan điểm thời gian và cũng có thể khảo sát theo quan điểm tần số. Theo quan điểm thời gian: tín hiệu có thể chia làm 2 loại: tín hiệu liên tục và tín hiệu gián đoạn (rời rạc). · Một tín hiệu là liên tục nếu: lim s(t) s(a) với tất cả giá trị a. Nếu điều kiện t a trên không đảm bảo (có nghĩa là chỉ thỏa mãn với một số hữu hạn giá trị a) ta gọi nó là tín hiệu rời rạc. Hình 2.2 chỉ cho ta 2 loại tín hiệu đó. 29
Hình 2.2 Tín hiệu liên tục và tín hiệu rời rạc. · Một tín hiệu s(t) được gọi là tuần hoàn khi và chỉ khi: s(t + T) = s(t) với -∞ < t < +∞ Ở đây T ta gọi là chu kỳ của tín hiệu. Nếu không thỏa mãn điều kiện trên thì tín hiệu đó không phải là tín hiệu tuần hoàn. Hình 2.3 chỉ cho ta 2 loại tín hiệu tuần hoàn: tín hiệu hình sin và xung vuông. 30
. Hình 2.3. Tín hiệu tuần hoàn · Một tín hiệu điều hòa có 3 tham số đặc trưng: biên độ (A), tần số (f) và góc pha (q). · Biên độ là giá trị tức thời của tín hiệu tại thời gian nào đó. Chúng ta thường khảo sát là tín hiệu điện hoặc điện từ nên biên độ thường được tính là volt (v). · Tần số là số chu kỳ của tín hiệu xảy ra trong 1 giây. Nó là giá trị đảo của chu kỳ T . Người ta tính theo đơn vị Hz. · Pha: giá trị đo vị trí tương đối theo thời gian trong của chu kỳ tín hiệu. Một chu kỳ tín hiệu có 2p radians = 360o. Theo quan điểm tần số: Phần trên ta đã xem tín hiệu là một hàm của thời gian. Chúng ta cũng có thể xem tín hiệu là một hàm tần số. Trong thực tế, một tín hiệu 31
điện từ được xây dựng bởi nhiều tần số. Như hình 2.4 đã chỉ ra tín hiệu: Tín hiệu với 3 tần số f, 3f và 5f. Ta có thể tạo thành tín hiệu cho hàm: Hình 2.4 Tín hiệu có 3 thành phần tần số và s(f). Và chúng ta đã biết với bất kỳ tín hiệu nào cũng bao gồm nhiều tín hiệu thành phần hình sin có tần số thay đổi. Như vậy mỗi tín hiệu ta có thể biểu diễn theo thời gian s(t) và cũng có thể biểu diễn theo tần số s(f). Cho tín hiệu ở hình 2.4 ta có thể biểu diễn s(f) như hình 2.5. Đối với tín hiệu xung vuông được xác định trong khoảng đến ta có biểu diễn S(f) của nó như hình 2.6. Các cách biểu diễn các hàm S(f) cho tín hiệu theo tần số như vậy người ta gọi là biểu diễn phổ của tín hiệu. Khi hàm S(f) biểu diễn rời rạc ta gọi là phổ vạch. Khi s(f) là hàm liên tục ta gọi tín hiệu đó có phổ đặc. 32
Hình 2.5 Phổ của tín hiệu liên tục. Hình 2.6 Phổ của xung vuông. Dãy tần số chứa phổ của tín hiệu ta gọi là băng thông của tín hiệu đó. Trong hình 2.4 băng thông của tín hiệu trải dài từ f1 đến 5f1 , vậy độ rộng băng thông của nó là 4f1. Nhiều tín hiệu có băng thông không giới hạn (như hình 2.6). Tuy nhiên năng lượng của tín hiệu tập trung ở dãy băng tương đối hẹp. Người ta gọi đó là băng thông hiệu quả và sau này cũng coi đó như băng thông. Điều cuối cùng cần nói là các thanh phần của tín hiệu. Nếu tín hiệu có thành phần một chiều thì phổ của thành phần một chiều ở góc tọa độ (f=0). Tương quan giữa tốc độ truyền và băng thông Như ta đã biết với mỗi phần tử mạng ta sử dụng trong khi truyền nó chỉ cho phép một băng thông giới hạn về tần số. Trong trường hợp ta truyền trên nó các xung vuông với các giá trị 1 là xung dương và giá trị 0 là xung âm thì dạng sóng cho dãy 1010 tạo cho ta tần số lớn nhất, độ dài của một xung là như vậy tốc độ truyền sẽ là 2f.bps Như vậy dạng sóng này không có giới hạn về tần số thành phần và đương nhiên băng thông cũng không giới hạn. Tuy nhiên biên độ các xung thành phần thứ k chỉ là 33
như vậy năng lượng chỉ tập trung ở một số các thành phần ban đầu. Nhưng giới hạn của các tần số thành phần ban đầu là bao nhiêu? Người ta đã chứng minh được rằng: nếu tốc độ truyền là w bps thì băng thông yêu cầu là 2w Hz. Ví dụ cần truyền với tốc độ là 2.000 bps thì băng thông cần là 4.000 Hz. 2.1.2 Sự suy yếu của tín hiệu truyền Trong các hệ thống liên lạc ta thấy các tín hiệu khi nhận được có sự khác biệt với tín hiệu khi phát. Đối với tín hiệu liên tục (analog) sự suy yếu đó dẫn đến giảm chất lượng của tín hiệu, với tín hiệu số, dẫn đến làm sai số về bit. Một bit có giá trị 1 có thể trở thành bit giá trị 0 và ngược lại. Một tín hiệu trên đường truyền sẽ chịu các ảnh hưởng sau: · Bị suy giảm và dẫn đến méo dạng. · Bị làm chậm. · Bị nhiễu. a. Sự làm suy giảm và méo dạng Khi truyền trong môi trường, công suất của tín hiệu sẽ suy giảm. Đối với môi trường định hướng sự suy giảm đó thông thường theo logarit, thông thường nó là giá trị cố định theo khoảng cách. Đối với môi trường không định hướng sự suy giảm đó là một hàm phức tạp phụ thuộc vào khoảng cách và áp suất không khí. Sự suy giảm sẽ dẫn đến: · Tín hiệu thu được không đủ mạnh để khôi phục lại tín hiệu ban đầu ở bộ phận thu. · Tín hiệu thu được không đủ lớn để bảo đảm tỉ số (tỉ số tín hiệu trên tạp âm) dễ sinh ra sai số. Sự suy giảm sẽ là hàm của tần số. Với 2 ảnh hưởng trên ta có thể dùng bộ khuếch đại hoặc các bộ lặp lại tín hiệu (repeater) để khắc phục ảnh hưởng và ta thấy rất rõ trong trường hợp tín hiệu analog. Do sự suy giảm là hàm của tần số nên tín hiệu thu được sẽ khác nhiều với tín hiệu phát. Hình vẽ cho ta thấy sư suy giảm của tín hiệu âm tần là hàm theo tần số trên đường dây leased line. Ở đó cho ta sự so sánh tín hiệu đó so với tín hiệu 1.000 Hz. 34
Hình 2.7 Sự suy giảm tín hiệu âm tần theo tần số. b. Sự làm trễ tín hiệu Tín hiệu truyền lan trên môi trường dẫn bao giờ cũng bị làm trễ. Đối với một tín hiệu có băng thông giới hạn, sự làm trễ phụ thuộc vào tần số của tín hiệu. Với tín hiệu có tần số khác nhau nó sẽ đến bộ thu thời gian khác nhau. Hiện tượng đó ta gọi là tín hiệu bị làm chậm trên đường truyền, đặc biệt với tín hiệu số hiện tượng làm trễ càng rõ ràng hơn. Hình 2.8 cho ta giá trị làm trễ tương quan với tần số. 35
Hình 2.8 Sự làm trễ tín hiệu. c. Nhiễu Khi truyền, thông thường tín hieu nhận được ở bộ thu bao giờ cũng bao gồm tín hiệu phát và một tín hiệu ta không hề mong muốn được thêm vào giữa bộ phát và bộ thu. Tín hiệu ta không mong muốn đó gọi là nhiễu. Nhiễu sẽ làm hạn chế kết quả hệ thống liên lạc của ta. Nhiễu thường được chia làm 4 loại sau: · Nhiễu nhiệt độ. · Tạp âm nội bộ. · Xuyên âm. · Nhiễu xung. Nhiễu nhiệt độ tạo ra do sự vận chuyển điện tử trong vật liệu, nó tồn tại trong tấr cả các thiết bị điện tư, trong môi trường và nó là hàm của nhiệt độ. Nhiễu nhiệt có ảnh hưởng trên tất cả dãy tần phổ nên có tên gọi là nhiễu trắng. Nhiễu nhiệt độ không thể tránh được. Nó được tính: No = kT No : độ nhạy nguồn nhiễu. 36
K : Hằng số Boltzman = 1,3803 x 10-23 J/k T : Nhiệt độ Kelvin Nhiễu cũng không phụ thuộc vào tần số. Do đó nó được tính bằng watt trong toàn băng thông w. N = kTW hoặc tính bằng decibel - watts N = 10logk + 10 log T + 10logW = -228,6 dbW + 10logT + 10logW Nhiễu do phách tần số bên trong Khi tín hiệu với các tần số khác nhau truyền trên môi trường có thể sẽ sinh ra nhiễu nội bộ. Kết quả của nhiễu nội bộ có thể sinh ra tần số là cộng hoặc trừ 2 tín hiệu gốc hoặc là nhân của tín hiệu đó. Ví dụ sự trộn các tín hiệu có tần số f1, f2 có thể sinh ra tần số f1+f2 và nó sẽ làm tăng cho tín hiệu tần số f1+f2 sẵn có. Nhiễu do hiện tượng phách đó sinh ra do hiện tượng không tuyến tính trong các thiết bị phát, thu, hệ thống truyền Thường hệ thống không tuyến tính, tín hiệu ở đầu ra là hàm phức tạp của tín hiệu đầu vào. 37
Hình 2.9 Ảnh hưởng nhiễu trên tín hiệu số. Nhiễu xuyên âm Nhiễu xuyên âm là nhiễu ta không mong muốn trong khi truyền. Ví dụ trong hệ thống điện thoại ta có thể nghe được cuộc nói chuyện của người khác. Nó sinh ra do sự ghép điện từ giữa các cặp cáp xoắn đôi, hay trong cáp đồng trục đồng thời truyền nhiều kênh, cũng có khi do các ăng ten vi ba tạo ra các búp sóng định hướng. Nhiễu xung Nhiễu xung là loại nhiễu không liên tục, không quy luật nhiều khi nó là những đột biến biên độ lớn, trong thời gian nhỏ. Nhiễu sinh ra do nhiều nguyên nhân khác nhau như đột biến điện từ trường, ánh sáng, tắt bật hệ thống máy Tuy nhiên, nhiễu xung là nguyên nhân trước tiên gây sai số trong khi truyền tín hiệu số. Hình vẽ 2.9 cho ta ví dụ cách nhìn tổng quan vì ảnh hưởng của nhiễu đến tín hiệu truyền. 38
2.2 Phương tiện truyền dẫn Phương tiện truyền là con đường vật lý nối giữa thiết bị phát và thiết bị thu trong hệ thống truyền dữ liệu. Những đặc tính và chất lượng của dữ liệu truyền được quyết định bởi tính chất tín hiệu và phương tiện truyền. Trong trường hợp sử dụng phương tiện truyền định hướng, bản thân phương tiện truyền là nhân tố quan trọng quyết định giới hạn sự truyền. Bảng 2.1 cho ta đặc tính cơ bản tốc độ truyền, băng thông và khoảng cách tối đa yêu cầu lặp lại với tín hiệu số cho các phương tiện truyền định hướng. Phương tiện truyền Tốc độ Băng thông Khoảng cách cần lặp lại truyền Cáp xoắn đôi 4 Mbps 250 KHz 2 - 10 Km Cáp đồng trục 500 Mbps 350 KHz 1 -10 Km Sợi quang 2 Gbps 2 GHz 10 - 100 Km Bảng 2.1 Đặc tính đường truyền với phương tiện định hướng. điểm-điểm Với phương tiện truyền không định hướng, phổ và băng tần số của tín hiệu do ăng ten phát quan trọng hơn phương tiện truyền. Như ta đã biết, tần số trung tâm của tín hiệu là yếu tố tạo ra băng thông và tốc độ truyền. Mặt khác khi dùng ang ten truyền tín hiệu phụ thuộc vào hướng của ăng ten. Thường tần số thấp được bức xạ về mọi hướng của ăng ten, còn tần số cao là yếu tố định hướng chùm tia về hướng cần thiết. Trong phương tiện không định hướng, sóng vi ba có phạm vi từ 2 - 40 Ghz, như vậy nó có khả năng định hướng chùm tia, và ta thường dùng cho điểm - điểm. Người ta chia khoảng tần số 30 MHz - 1 GHz cho radio và các dãy tần số khác như hình vẽ. 39
Hình 2.10 Phổ phân bố trường điện từ. 2.2.1 Cáp xoắn đôi (Twisted Pair) Miêu tả vật lý Đường dây song hành gồm có 2 sợi đặt song hành. Cặp dây đó là đường liên lạc đơn. Thường nhiều cặp dây như vậy được đặt chung trong một cáp có vỏ bọc. Những cáp dài, có thể chứa hàng trăm cặp. Các cặp dây được cách ly để tránh ảnh hưởng điện từ với nhau. Lõi dây thường từ 0,016 - 0,036 inches. Ứng dụng Nó được dùng để truyền cho tín hiệu analog cũng như tín hiệu số. Nó được dùng làm đuờng trục cho các hệ thống điện thoại cũng như cho sự liên lạc trong các dãy nhà. Trong hệ thống điện thoại, máy điện thoại được nối với hệ thống tổng đài hoặc tổng đài nội bộ qua dây song hành. Nó được gọi là vòng nội bộ. Một tổng đài nội bộ cho một nhà, tổng đài nội bộ đó thường được gọi là PBX (Private Branch Exchange). Chủ yếu PBX phục vụ sự liên lạc trong tòa nhà. Để gọi ra ngoài nó phải thông qua trung kế. Trong trường hợp đó đôi dây song hành làm nhiệm vụ chủ yếu là tải tiếng nói giữa các thuê bao và tổng đài nội bộ. Việc truyền dữ liệu chủ yếu qua khoảng cách ngắn. Với các PBX hiện đại, tốc độ truyền cực đại khoảng 64 Kbps. Những 40
vùng nối nội bộ thường thông qua một modem với tốc độ truyền 9600 bps. Tuy nhiên cáp xoắn đôi cũng được dùng cho các đường trung kế có khoảng cách xa và tốc độ truyền có thể đến 4 Mbps. Cáp xoắn đôi cũng được dùng cho mạng máy tính cục bộ trong một dãy nhà vì giá thành rẽ. Đặc tính truyền Cáp xoắn đôi được sử dụng truyền tín hiệu analog cũng như tín hiệu số (digital). Với tín hiệu analog thường được dùng ở khoảng 5 - 6 Km. Còn với tín hiệu số nó yều cầu khoảng 2 - 3 Km phải có repeater. Hình 2.11 Sự suy giảm của phương tiện truyền định hướng. Hình 2.11 cho ta thấy sự suy giảm tín hiệu trên cáp xoắn đôi rất mạnh theo tần số. Với cáp xoắn đôi dễ bị nhiễu vì dễ bị ành hưởng điện từ trường. Ví dụ nếu đường dây đặt song song với đường dây nguồn một chiều nó có thể tạo ra đỉnh nhiễu 60Hz. Nhiễu xung cũng dễ sinh ra trong cáp xoắn đôi. Các loại các xoắn Hiện nay có hai loại cáp xoắn là cáp có bọc kim loại ( STP - Shield Twisted Pair) và cáp không bọc kim loại (UTP -Unshield Twisted Pair). · Cáp có bọc kim loại (STP): Lớp bọc bên ngoài có tác dụng chống nhiễu điện từ, có loại có một đôi giây xoắn vào nhau và có loại có nhiều đôi giây xoắn với nhau. · Cáp không bọc kim loại (UTP): Tính tương tự như STP nhưng kém hơn về khả năng chống nhiễu và suy hao vì không có vỏ bọc. 41
Hình 1.12. Cáp UTP loại 3(a), loại 5(b) STP và UTP có các loại (Category - Cat) thường dùng tóm tắt như bảng sau: 2 . 2 . 2 C á p đ ồ n g trục M ô tả vật lý Cũng như cáp xoắn đôi, cáp đ ồ n g t r ụ c gồm có 2 phần nhưng nó cấu trúc khác hơn để cho phép làm việc với dãy tần số rộng hơn. Hình 2.13 Cấu tạo cáp đồng trục. Như hình vẽ đã chỉ, cáp bao gồm ống trục bên ngoài và một dây dẫn bên trong. Giữa trục lõi và ống bên ngoài được đặt cách đều nhau và cách ly bởi phần cách điện. Trục bên ngoài được bao bởi một lớp áo hoặc vỏ bọc. Cáp đồng trục thường có độ lớn từ 0,4 - 1 inche. Ứng dụng Cáp đồng trục được dùng tương đối rộng rãi. Thường là: · Đường truyền điện thoại với khoảng cách xa, đường truyền tivi. · Đường tivi cáp. · Mạng cục bộ (LAN) · Đường nối hệ thống. Trong các hệ thống điện thoại, cáp đồng trục là phần tử quan trọng để nối trong 42
khoảng cách xa, qua nó dễ dàng nối đến cáp quang, mạng viba và mạng vệ tinh. Nếu dùng cáp đồng trục cho các bộ phân đường tần số (FDM) nó có thể truyền trên 10.000 kênh tiếng nói đồng thời. Nó cũng được sử dụng cho tín hiệu tivi ở khoảng cách xa. Trong hệ thống tivi cáp, nó được nối sau khi tín hiệu được thu vào ăng ten nối đến các nhà như là đường điện thoại. Cáp có thể cho hàng chục tivi và khoảng cách đến hàng chục Km. Trong mạng cục bộ (LAN) nó có thể dùng để nối với số lượng máy lớn trong phạm vi tòa nhà. Và cuối cùng nó dùng để nối trong khoảng cách ngắn giữa các thiết bị sử dụng cho tín hiệu analog hoặc tín hiệu số. Đặc tính truyền Cáp đồng trục được dùng cho cả 2 loại tín hiệu: analog và digital ở khoảng cách gần hoặc xa.Như hình 2.11 cho ta thấy về đặc tuyến tần số của cáp đồng trục tốt hơn nhiều so với cáp xoắn đôi. Trong trường hợp sử dụng cáp đồng trục để truyền tín hiệu analog với khoảng cách vài Km tần số cực đại có thể đạt được »400 Mhz. Với việc ứng dụng cho tín hiệu số ta có thể đạt được tốc độ truyền 500 Mbps cho khoảng cách tối đa 1,6 Km. 2.2.3 Sợi quang Mô tả vật lý Sợi quang có độ mỏng khoảng 2 - 125 mm là phương tiện dẫn ánh sáng. Người ta dùng thủy tinh và chất dẻo (nhựa) để tạo thành sợi quang, sợi tinh khiết khó chế tạo thủ công. Sợi quang được dùng do tính kinh tế và hiệu quả cao. Một cáp quang có trục nhỏ bao gồm 3 phần: lõi, lớp bảo vệ và vỏ áo ngoài. Lõi là phần quan trọng trong cùng, nó gồm một hoặc nhiều sợi nhỏ xoắn lại hoặc sợi làm bằng thủy tinh hoặc chất dẽo. Mỗi sợi được bọc bởi lớp áo bảo vệ. Phần cuối cùng bên ngoài được bọc bời một hay nhiều lớp bảo vệ. Lớp bảo vệ ngoài là chất dẽo hoặc các vật liệu chống ẩm, va chạm, mài mòn và những ảnh hưởng của phương tiện. Ứng dụng Một trong những phát minh quan trọng trong việc truyền số liệu là sự phát triển ứng dụng sợi quang vào hệ thống liên lạc. Những đặc tính sau đây làm phân biệt giữa sợi quang và cáp xoắn đôi cũng như cáp đồng trục: 43
· Băng thông rộng: Tiềm lực về băng thông và tốc độ truyền của vật dẫn tăng với tần số. Với dãy tần rộng lớn của sợi quang, tốc độ dữ liệu » 2 Gbps trên đoạn đường hàng chục Km đã chứng minh tính ưu việt của nó so với cáp đồng trục và dây song hành. · Kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ: Sợi quang thường nhỏ hơn cáp đồng trục và cáp xoắn đôi, điều đó rất thuận tiện khi sử dụng trong nhà. Trọng lượng nhỏ cũng là điều yêu cầu khi sử dụng. · Suy giảm ít: Phần trước cho thấy cáp quang suy giảm quá nhỏ so với cáp đồng trục và cáp xoắn đôi và nó là hằng số với khoảng cách xa. · Cách ly điện từ: Sợi quang khong bị ảnh hưởng bởi trường điện từ, do đó không sợ nhiễu xuyên âm, nhiễu xung. · Khoảng cách lặp lại lớn: Ít cần phải repeater có nghĩa là giá thành giảm và ít bị sai số. Đó là ưu điểm rất lớn của sợi quang. Hãng Standard Electrik Lorenz AG của đức đã từng thiết lập hệ thống truyền với tốc độ 5 Gbps trong khoảng cách 111 km không cần repeater. Điều đó không thể có với cáp đồng trục và cáp xoắn đôi. Ta có 5 phạm vi ứng dụng quan trọng của sợi quang: · Đường nối xa. · Đường nối trong thành phố. · Đường nối tổng đài nông thôn. · Vòng lập địa phương. · LAN. Đường nối xa: Sợi quang để nối những đường điện thoại có khoảng cách lớn hơn 1500 km hoặc là có dung lượng lớn (thường 20.000 đến 60.000 kênh tiếng nói). Hệ thống như vậy sẽ rẻ hơn khi dùng sóng vi ba hoặc đường cáp đồng trục. Đường nối trong thành phố: thường có khoảng cách 7 - 8 miles và có thể có đến 100.000 kênh thoại. Thuận tien nhất người ta chôn nó xuống đất vá không sử dụng repeater để nối các tổng đài trong thành phố hoặc trong vùng phụ cận. Đường nối nông thôn: thường có khoảng cách từ 25 - 100 miles, nó cũng thường nối nhiều tổng đài của nhiều hãng khác nhau. Hầu hết các hệ thống được dùng ở đây có đến hơn 5000 đường thoại. Nếu dùng cáp quang thì dễ dàng hơn vi ba. Mạch nối vòng lập: được nối trực tiếp từ một tổng đài đến các thuê bao. Thường người ta dùng cáp xoắn đôi hoặc tốt hơn thì dùng đường nối các đồng trục. LAN: Cuối cùng là ứng dụng của sợi quang trong LAN. Sợi quang có thể dùng để truyền với tốt độ hàng trăm Mbps và liên kết hàng ngàn máy trong nhiều tòa nhà. Đặc tính truyền 44
Sợi quang truyền tia ánh sáng tín hiệu mã được phản xạ bên trong hoàn toàn. Tia phản xạ hoàn toàn đó được giữ bên trong phương tiện truyền với hệ số phản xạ lớn hơn vỏ bọc bên ngoài của phương tiện. Kết quả sợi quang trở thành vật dẫn định hướng cho phạm vi tần số từ 104 - 1015 hz bao trùm cả dãy phổ nhìn được và không nhìn được. Hình 2.15 cho ta nguyên tắc truyền của sợi quang. Nguồn sáng đưa ánh sáng vào ống thủy tinh hoặc chất dẻo. Các tia có gốc phản xạ nhỏ đều được phản xạ hoàn toàn khi truyền dọc theo sợi quang. Các tia khác bị hấp thụ hoàn toàn ở vỏ bọc. Cách truyền như vậy được gọi là đa cách, tùy theo góc đến khác nhau mà nó phản xạ. Nếu như lõi được chế tạo với bán kính giảm đi thì các tia sẽ phản xạ với một số góc nhỏ. Nếu bán kính đó giãm như yêu cầu của độ dài bước sóng mong muốn thì chỉ có một góc hoặc một kiểu qua tia trục. Tia đó sẽ truyền với hiệu quả cao nhất. Với đa cách, tồn tại nhiều đường. Mỗi đường có bước sóng riêng thông qua sợi quang dẫn đến các tín hiệu thành phần triệt tiêu nhau theo thời gian, tốc độ truyền bị giảm. Do đó chỉ có cách truyền đơn với một đường truyền thì tín hiệu không bị suy giảm. Hình 2.14 Các cách truyền của sợi quang. Cuối cùng với cách thay đổi hệ số phản xạ cho từng loại lõi ta cũng có thể có cách truyền thứ 3 nó là cách truyền giữa 2 cách trước (hình 2.15b). 45
Có nhiều loại nguồn sáng được dùng với sợi quang. Bộ phát sáng diod (LED) và Laser diod (ILD). Hai loại này sẽ phát ra chùm sáng khi ta đặt vào nó một điện áp. Nếu dùng LED thì giá thành thấp hơn, giãi nhiệt độ rộng hơn và tuổi thọ dài hơn. Nếu dùng ILD thì hiệu quả hơn và có thể tăng tốc độ truyền. Ở bộ thu, bộ phận phát hiện tín hiệu sáng và đổi từ nguồn sáng thành tín hiệu điện là 1 diot quang (photo diod). Ta thường dùng 2 loại thiết bị sau: bộ phát hiện PIN và bộ phát hiện APD. Bộ PIN rẻ hơn nhưng không nhạy như APD. Cả 2 đều dựa trên nguyên tắc đếm các photon. Photo diod PIN dựa trên cơ sở mặt ghép giữa P và N của diod còn AID thì tương tự nhưng sử dụng trường mạnh hơn. Nguồn sáng LED hoặc Laser LED hoặc Laser Laser Băng thông 20MHz/km > 1GHz/km đến 1000GHz/km Sự nối dây khó khó khó ứng dụng điển đường nối dữ liệu đường dây điện đường liên lạc hình máy tính, LAN thoại khoảng cách xa Giá thành Rẻ Hơi đắt đắt Kích thước lõi > 80 m m 50 - 60 m m 1.5 - 5 m m (m m) Kích thước vỏ > 160 m m 100 - 120 m m 15 - 50 m m (m m) Độ suy giảm 0.5 - 2.0 0.5 - 2.0 0.15 dB/km Bảng so sánh giữa 3 loại sợi quang Bước sóng sử dụng có quan hệ nhiều với loại truyền và tốc độ. Trong 3 loại truyền thì truyền đơn và truyền đa cách có thể dùng cho hầu hết các bước sóng ánh sáng và có thể xử dụng laser hoặc LED làm nguồn sáng. Trong sợi quang sự truyền lan ánh sáng tốt nhất với 3 bước sóng 850, 1300, 1500nm (nanometer). Hầu hết các ứng dụng hiện nay đều dùng nguồn sáng LED hoặc laser có bước sóng 850nm vì nó không mắc lắm và có tốc độ truyền khoảng 100 Mbps trong khoảng cach vài km. để có được tốc độ cao hơn và khoảng cách xa hơn người ta dùng LED hoặc laser với bước sóng 1300nm, nếu cần tốc độ cao và khoảng cách xa hơn nữa thì dùng laser có bước sóng 1500nm. Trong kỹ thuật truyền số liệu dung sợi quang, người ta dùng phương pháp điều 46
biên (ASK). Để cho bộ phát LED làm việc với giá trị nhị phân là 1 thì cho ra xung ánh sáng ngắn, và với giá trị nhị phân là 0 thì không có ánh sáng. Như vậy nguồn sáng có mức thap biểu thị giá trị 0 và mức cao biểu thị giá trị 1. 2.2.4 Vi ba mặt đất: Mô tả vật lý Loại ăng-ten thường dùng cho nó thường là đĩa parabol với kích thước khoảng 10 feet. Ăng-ten được cố định và hướng chùm tia đến đường dẫn nhìn thấy được đến ăng ten bộ thu. Ăng-ten vi ba được gắn ở độ cao để phạm vi hoạt động giữa 2 ăng-ten không bị vật cản. Khi không có vật cản khoảng cách giữa 2 ăng-ten được định nghĩa: d: khoảng cách giữa 2 ăng-ten được tính bằng Km h: độ cao của ăng-ten được tính bằng m. K: là yếu tố thêm vào để tính cho sự phản xạ hoặc hấp thụ do bề mặt trái đất cong với sự truyền lan đến điểm thấy được. Giá trị K tốt nhất là K=4/3. Như vậy nếu như 2 ăng-ten vi ba đặt ở độ cao 100m có thể đặt xa nhau: d = 7.14 Ư 133 = 82Km. Để có thể truyền sóng vi ba ở khoảng cách xa, người ta đặt các tháp tiếp sức liên tiếp, đường nối điểm-điểm liên tiếp đó sẽ thỏa mãn khoảng cách ta mong muốn. Ứng dụng Công dụng trước tiên của hệ thống vi ba mặt đất là phục vụ cho hệ thống thông tin liên lạc xa trong khoảng cách lớn và chất lượng cao cũng như là thay thế hệ thống cáp đồng trục trong truyền hình cáp và tiếng nói. Giống như cáp đồng trục, sóng vi ba có thể yêu cầu khuếch đại hoặc phát lặp ở khoảng cách xa hơn nhưng yêu cầu phải nhìn thấy nhau. Người ta dùng vi ba cho cả hai trường hợp: tiếng nói và hình ảnh. Băng Tín hiệu liên tục Tín hiệu số Ứng dụng Tần số Tên Điều chế Băng thông Điều chế Tốc độ 30 – 300kHz LF AM To 4 kHz ASK, FSK, 0 . 1 – Hàng hải MSK 100Bps 300 – 3000kHz MF AM, SSB To 4 kHz ASK,FSK, 1 0 – Thương mại MSK 1000Bps 3 – 30MHz HF AM, SSB; 5 kHz to ASK, 1 0 – AM radio 47
FM 5MHz FSK, MSK 3000Bps Radio sóng ngắn 30– 300MHz VHF FM, SSB 20MHz FSK, PSK 100Kbps Radio CB Tivi VHF 300– 3000MHz UHF FM 500 MHz PSK 10Mbps Radio FM Tivi UHF 3 – 30GHz SHF FM 1 GHz PSK 100Mbps Viba mặt đất 30 – 300GHz EHF PSK 750Mbps Viba trên không Ngắn điểm – điểm Bảng đặc tính của băng liên lạc không định hướng Một ứng dụng nữa của vi ba là dùng cho các đường nối điểm-điểm giữa các tòa nhà, nó có thể dùng cho đường dây ti vi khép kín hoặc đường nối dữ liệu giữa các mạng máy tính. Ứng dụng cuối cùng của sóng vi ba mặt đất là để truyền dữ liệu số trong vùng nhỏ (bán kính <10Km). Dự án đó gọi là "cung cấp dữ liệu địa phương" và nó dự định sẽ thay thế đường dây điện thoại cho mạng kỹ thuật số. Đặc tính truyền Như bảng đã cho, phổ của sóng mang khi sử dụng vi ba rất rộng. Tần số được sử dụng để truyền đều trong phạm vi 2 – 40GHz. Tần số cao, băng thông rộng dẫn đến tốc độ truyền lớn. Bảng sau cho ta băng thông và tốc độ truyền của một số hệ thống điển hình: Băng tần Băng thông Tốc độ (GHz) (MHz) (Mbps) 2 7 12 6 30 90 11 40 90 18 220 274 Cũng như bất kỳ hệ thống truyền nào, sự suy giảm của tín hiệu từ nguồn trong vi ba có thể tính: 48
ở đây, d: khoảng cách λ : bước sóng Độ suy giảm đó tỷ lệ với bình phương của khoảng cách. Như vậy khác với cáp xoắn đôi và cáp đồng trục, độ suy giảm của nó chỉ tỷ lệ với d. Các bộ repeater hoặc khuếch đại trong hệ thống sử dụng vi ba có thể đặt cách xa nhau từ 10 – 100 Km. Như bảng trên cho ta phạm vi cho phép của tần số sóng mang ở các băng do FCC qui định. Băng thường được sử dụng cho thông tin liên lạc khoảng cách xa, tần số cao là 4GHz – 6GHz. Do sự sử dụng quá nhiều dẫn đến nghẽn, hiện tại người ta sử dụng thêm băng 11GHz. Băng 12GHz dùng cho tivi cáp. FCC qui định băng 10GHz dự trữ cho việc cung cấp số liệu cục bộ gọi là dịch vụ đầu cuối dùng kỹ thuật số. Cuối cùng chúng ta thấy băng tần cao của viba được dùng cho đường nối điểm – điểm khoảng cách ngắn giữa các dãy nhà, điển hình ở đây là tần số 22GHz. Những dãy tần số cao đó không được dùng ở khoảng cách xa vì nó bị suy giảm. Hơn nữa ở tần số cao ăng ten có kích thước nhỏ và rẻ. 2.2.5 Vi ba vệ tinh: Mô tả vật lý Vệ tinh thông tin là một trạm chuyển tiếp. Nó dùng để nối hai hoặc nhiều bộ thu phát cơ bản và được coi như là trạm mặt đất hay trạm đất. Bộ thu của vệ tinh truyền trên một băng tần (đường lên), khuyếch đại (cho tín hiệu analog), repeater (cho tín hiệu số) và chuyển nó sang băng tần khác (đường xuống). Một vệ tinh quỹ đạo đơn giản có thể tác động trên nhiều băng tần mà ta gọi là kênh, hay đơn giản là cầu truyền thông. Hình 2.15 cho ta một cách tổng quát con đường giữa hai trạm liên lạc qua vệ tinh. Hình a cho ta đường nối giữa 2 ăng ten mặt đất và hình b là vệ tinh sử dụng cho một trạm mặt đất truyền và nhiều trạm mặt đất thu. 49
Hình 2.15 Cấu hình thông tin liên lạc vệ tinh. Để một vệ tinh liên lạc làm việc có hiệu quả, thông thường yêu cầu nó phải tự quay quanh nó. Mặt khác vì lý do phải nhìn thấy nhau nên tốc độ quay của nó phải bằng tốc độ quay của trái đất. Tốc độ đó là 35.784 Km. Hai vệ tinh có thể cùng dùng một băng tần số nếu nó cách nhau đủ xa. Hiện tại tiêu chuẩn yêu cầu là 40 (đo từ trái đất) cho dãy băng tần 4 – 6GHz và 30 cho dãy băng tần 12/14 GHz. Như vậy số lượng vệ tinh có thể sẽ bị hạn chế. Công dụng Vệ tinh liên lạc là cuộc cách mạng về kỹ thuật. Nó quan trọng cũng như sợi quang. Sau đây là một số ứng dụng quan trọng của nó: · phân phối: truyền hình · truyền điện thoại khoảng cách xa · mạng thương mại tư nhân 50
Do sóng truyền lan tự nhiên nên vệ tinh là bộ phận cung cấp tốt cho truyền hình và do đó nó được dùng rộng rãi trên thế giới. Như thông lệ một mạng được chương trình hóa từ một trung tâm. Chương trình được truyền lên vệ tinh và nó được phủ xuống nhiều trạm với chương trình đã cung cấp. Một mạng dịch vụ phát thanh truyền hình công công PBS (Public Broadcasting Service), cung cấp chương trình của nó cho tất cả các máy dùng kênh của nó và hệ thống truyền hình cáp nhận các chương trình từ vệ tinh và cung cấp lại. Hầu hết các ứng dụng hiện tại của công nghệ vệ tinh cho hệ thống truyền hình phân bố là vệ tinh phát thanh truyền hình trực tiếp DBS (Direct Broadcast Satellite), trong hệ thống đó được truyền trực tiếp đến các gia đình sử dụng. Giá thành và kích thước ăng ten thu giảm dẫn đến hệ DBS sử dụng kinh tế và nhiều kênh được dự kiến đưa vào sử dụng. Sự truyền thông qua vệ tinh dạng điểm – điểm còn được sử dụng cho các trung kế giữa tổng đài điện thoại trong mạng điện thoại công cộng. Nó là phương tiện tối ưu cho trung kế quốc tế và thích ứng với các hệ thống mặt đất cho những đường nối quốc tế khoảng cách xa. Cuối cùng, hàng loạt các ứng dụng số liệu thương mại ở vệ tinh. Vệ tinh có thể chia tổng dung lượng của nó cho các kênh và cung cấp các kênh đó cho người sử dụng. Người sử dụng tùy theo ăng ten của mình có thể dùng các kênh của vệ tinh cho mạng riêng. Thông thường, những ứng dụng như vậy có giá thành cao và bị hạn chế do nhiều tổ chức yêu cầu. Hiện tại đã có nhiều hệ thống thiết bị đầu cuối nhỏ (VSAT) giá thành thấp. Hình 2.16 cho ta cấu hình của VSAT. Nhiều thiết bị đầu cuối được nối vào ăng ten VSAT. Theo một số nguyên tắc nhất định, những trạm đó chia dung lượng truyền của nó cho sự truyền của các trạm hub. Các trạm HUB có thể trao đổi thông báo với các trạm thuê bao và có thể chuyển tiếp các thông báo giữa các thuê bao. 51
Hình 2.16 Cấu hình của VSAT. Đặc tính truyền Phạm vi tần số tốt nhất cho truyền vệ tinh trong khoảng 1 – 10GHz. Dưới 1GHz sẽ bị ảnh hưởng nhiễu từ thiên nhiên, mặt trời, khí quyển Trên 10GHz tín hiệu dễ bị suy giảm trong tần khí quyển. Hầu hết các vệ tinh điểm – điểm hiện tại sử dụng băng thông tần số khoảng 5,926 – 6,425GHz để truyền từ mặt đất (truyền lên) và băng thông 3.7 – 4.2GHz để truyền từ vệ tinh xuống mặt đất (truyền xuống). Ta gọi băng đó là băng 4/6GHz hoặc băng C. Chú ý rằng: đường truyền lên và đường truyền xuống có tần số khác nhau. Với những tín hiệu liên tục, vệ tinh không thể truyền và nhận cùng tần số. Tín hiệu nhận từ mặt đất trên một tần số sẽ phải trở lại với tần số khác. Băng C tốt nhất trong khoảng từ 1GHz đến 10GHz nhưng bị bảo hòa, vì vậy băng 12/14GHz (băng Ku) được dùng (đường lên 14 – 14,5GHz) và đường xuống 11,7 – 12,2GHz). Trong băng tần này vấn đề suy giảm tín hiệu cần phải xử lý. Cũng như trong băng C. Những hệ thống ở băng Ku yêu cầu tốc độ đường lên và xuống cao và những cầu thu chuyển tiếp phải nhạy. Tuy nhiên, những trạm thu mặt đất nhỏ 52
và rẻ có thể dùng được. Ku băng được áp dụng tốt trong hệ thống VSAT sau C băng. Một phát triển mới là dung vệ tinh cho thông tin di động. Để phục vụ cho mục đích này những thiết bị thu nhỏ, rẻ được dùng đến và sự truyền là 2 chiều toàn phần giữa người sử dụng và vệ tinh. Dịch vụ này như là radio sử dụng trong phạm vi quốc gia. để phục vụ dịch vụ này người ta sử dụng băng L có dãy tần từ 1,6465 – 1,66GHz (đường lên 1,545GHz và đường xuống 1,5585GHz). Cần chú ý rằng trong thông tin vệ tinh do truyền trong khoảng cách xa nên bị chậm khoảng 240 đến 300ms kể từ khi truyền từ một trạm ở mặt đất đến khi thu được ở một trạm mặt đất khác. Thời gian chậm đó rất đáng quan tâm trong sự trao đổi giữa điện thoại và máy tính. Việc đó cũng tạo ra một số vấn đề khi kiểm tra sai và kiểm tra dòng, chúng ta sẽ thảo luận sau. Hơn nữa sóng vi ba vệ tinh là phương tiện truyền thông tự nhiên, nhiều trạm có thể truyền đến vệ tinh và sự truyền từ vệ tinh nhiều trạm có thể thu được đồng thời. 2.2.6 Sóng Radio: Mô tả vật lý Nguyên lý căn bản để phân biệt giữa radio và sóng viba là: radio thì không định hướng, còn viba là tập trung. Như vậy radio không cần ăng ten đĩa và ăng ten của nó cũng không cần đặt ở trên độ cao và có kích thước chính xác. Ứng dụng Radio là một cách gọi chung cho người sử dụng băng tần số như trong bảng đã cho ở trên. Chúng ta dùng nó với khoảng sử dụng rộng hơn gồm cả VHF và một phân băng UHF: 30MHz – 1GHz. Băng này bao gồm cả FM và UHF, VHF cho truyền hình. Một loại thông tin dữ liệu số thường dùng là radio gói. Một hệ thống radio gói sử dụng ăng ten mặt đất cho nhiều địa điểm trong mạng truyền dữ liệu. Đặc tính truyền Phạm vi 30MHz đến 1GHz rất có hiệu quả cho thông tin liên lạc. Không giống như sóng điện từ tần số thấp, tầng điện ly là trong suốt cho sóng radio khoảng 30MHz. Sự truyền như vậy bị hạn chế bởi tầm nhìn thấy và khoảng cách truyền sẽ không bị ảnh hưởng giữa các trạm với nhau do sự phản xạ của tầng khí quyển. Cũng không giống như vùng của sóng viba tần số cao, sóng radio cũng không nhạy với mưa rơi. đối với thông tin đó, trở ngại lớn nhất của băng tần này là tốc độ truyền không cao, từ Kbps đến Mbps. Như trong hệ thống truyền lan điểm nhìn thấy được, sóng radio cũng sử dụng biểu thức độ xa cực đại để tính khoảng cách giữa trạm phát và trạm thu: 53
Và biểu thức suy giam cũng được tính: Do bước sóng l của sóng radio không dài lắm nên độ suy giảm ít hơn. Có nhiều con đường làm ảnh hưởng đến sóng radio: phản xạ mặt đất, nước, các vật cản thiên nhiên giữa các ăng ten. Những hiệu ứng đo sẽ làm cho khi nhận tivi tạo thành nhiều ảnh, không nét. Những đặc tính truyền của sự sử dụng sóng radio trong thông tin liên lạc như đã nói ở trên. Hệ thống đầu tiên như vậy là hệ thống ALOHA ở Hawaii, hai băng tần số được dùng là 407,35MHz dùng cho thiết bị đầu cuối sử dụng truyền đến trung tâm điều khiển và 413,475MHz để truyền theo hướng vị trí. Băng thông cho cả hai kênh là 100KHz và tốc độ truyền là 9.600 bps. Sự truyền được thực hiện từng khoảng ngắn dữ liệu gọi là gói. Khoảng cách giữa hai điểm khoảng 30Km. Người ta sử dụng bộ phát lặp để tăng khoảng cách lên khoảng 500Km. Một hệ thống tương tự ở Montréal, phạm vi tần số được dùng là 220MHz. Một hệ thống điện thoại di động được phát triển do hãng Printer Terminal Corp. sử dụng tần số khoảng 450 – 540MHz. 2.3. Các chuẩn giao tiếp vật lý 2.3.1. Giao tiếp IEA – 232D/V24 Giao tiếp EIA -232D/V24 được định nghĩa như là một giao tiếp chuẩn cho việc kết nối giữa DTE và modem.ITU-T gọi là V24.Thông thường modem được đề cập đến như một DCE (Data connect Equipment) lược đồ hình thức ở hình 2.4 chỉ ra vị trí của giao tiếp trong kết nối điểm nối điểm giữa hai DTE (Data terminal equipment).Đầu nối giữa DTE và modem là đầu nối 25. 54
Hình 2.4 Chuẩn giao tiếp EIA – 232D/V24 Chức năng giao tiếp Các đường dữ liệu truyên TxD (Transmitted data) và dữ liệu RxD (Received data) là các đường được DTE dùng để truyền và nhận dữ liệu.Các đường khác thực hiện các chức năng định thời và điều khiển liên quan đến thiết lập, xóa cuộc nối qua PSTN (Public switching telephone network) và các hoạt động kiểm thử tùy chọn. Các tín hiệu định thời TxClk và RxClk có liên quan đến sự truyền và nhận của dữ liệu trên đường truyền nhận dữ liệu.Như đã biết, dữ liệu được truyền theo chế độ đồng bộ hoặc chế độ bất đồng bộ.Trong chế độ truyền bất đồng bộ cả hai đồng hồ truyền và thu đều được thực hiện độc lập ở cả hai đầu máy phát và máy thu.Trong chế độ này chỉ các đường dữ liệu truyền/nhận là được nối đến modem và các đường điều khiển cần thiết khác.Các đường tín hiệu đồng hồ vì vậy không cần dùng và không nối đến modem.Tuy nhiên trong chế độ truyền đồng bộ số liệu truyền và nhận được truyền nhận một cách đồng bộ với tín hiệu đồng hồ tương ứng và thường được tạo ra bởi modem.Các modem làm việc trong chế độ thứ hai này gọi là modem đồng bộ khi tốc độ baud nhỏ hơn tốc độ bít thì các tín hiệu đồng bộ được tạo ra bởi modem hoạt động với tần số thích hợp so với tốc độ thay đổi tín hiệu trên đường truyền. Chúng ta sẽ dễ hiểu hơn về các đường điều khiển với các chức năng và tuần tự hoạt động của nó trong quá trình thiết lập hay xóa cuộc nối qua điện thoại công cộng (PSTN) hình 2.5 sẽ mô tả tiến trình một cuộc gọi qua bước thiết lập đầu tiên rồi số liệu được trao đổi trong chế độ bán song công và sau cùng là cầu nối sẽ bị xóa.Giả sử DTE khởi sướng gọi là một máy tính các nhân và modem của nó có dịch vụ gọi tự động.Các dịch vụ này được định nghĩa trong khuyến nghị V2.5. Khi DTE sẵn sàng yêu cầu truyền nhận dữ liệu, tín hiệu trên DTR được đặt ở mức tích cực và modem nội bộ sẽ đáp ứng bằng tín hiệu tích cực được đặt trên DSR. Cuộc nối được thiết lập bởi DTE phát cuộc gọi gửi số điện ở đầu ra modem để thực hiện quay số (trường hợp quay qua PSTN) đến modem thu.Khi nhận được tín hiệu chuông từ tổng đài gọi đến, modem được gọi sẽ đặt RI lên mức tích cực và DTE được gọi đáp ứng lại bằng cách đặt RTS vào mức tích cực.Trong sự đáp ứng này modem được gọi đồng thời gợi sóng mang (âm hiệu dữ liệu của bít 1) đến modem gọi để báo rằng cuộc gọi đã được chấp nhận, sau một thời khắc gọi là thời gian trì hoãn thời gian trễ này cho phép modem nơi gọi chuẩn bị nhận dữ liệu modem được gọi đặt CTS ở mức tích cực để thông báo cho DTE được gọi rằng nó có thể bắt đầu truyền số 55
liệu.Khi phát hiện được sóng mang ở đầu xa gởi đến modem gọi đặt CD ở mức tích cực lúc này cầu nối đã được thiết lập cung đoạn chuyển tin có thể bắt đầu. Hình 2.5 EIA -232D/V24: kết nối truyền dữ liệu bán song công và tuần tự xóa cầu nối DTE được gọi bắt đầu với việc gửi một thông điệp ngắn mang tính thăm dò qua cầu nối.Khi thông điệp đã được gửi đi, nó lập tức chuẩn bị nhận đáp ứng từ DTE gọi bằng cách đặt RTS về mức không tích cực (off), phát hiện được điều này modem 56
được gọi ngưng gửi tín hiệu sóng mang và trả CD về mức không tích cực, ở phía gọi modem gọi phát hiện sóng mang từ đầu xa đã mất sẽ đáp ứng bằng cách trả CD về off.Để truyền thông điệp đáp ứng DTE gọi đặt RTS lên mức tích cực và modem sẽ đáp ứng bằng mức tích cực trên CTS và bắt đầu truyền số liệu thủ tục này sau đó được lặp lại khi một bản tin được trao đổi giữa hai DTE. Cuối cùng sau khi đã truyền xong cuộc gọi bị xóa, công việc này đều có thể thực hiện bởi cả hai DTE bằng cách đặt RTS của chúng về mức không tích cực, lần lượt khiến hai modem cắt sóng mang.Điều này được phát hiện ở cả hai modem và chúng sẽ đặt CD về off.Cả hai DTE sau đó sẽ đặt DTR của chúng về off và hai modem sẽ đáp ứng với mức off trên DSR do đó cầu nối bị xóa.Sau đó một khoảng thời gian DTE được gọi chuẩn bị nhận cuộc gọi mới bằng cách đặt DTR lên mức tích cực. Hình 2.6 Kiểm thử: (a) nội bộ (b) đầu xa Nếu modem nội bộ coi như tốt, tiếp theo DTE tiến hành kiểm tra thử modem đầu xa bằng cách đặt RL ở mức tích cực phát hiện được điều này modem nội bộ phát lệnh đã qui định trước đến modem đầu xa và tiến hành kiểm thử.Modem đầu xa sau đó đặt TM ở mức tích cực để báo DTE nội bộ biết đang chuẩn bị kiểm thử (không truyền số 57
liệu lúc này) và gửi trợ lại một lệnh thông báo chấp nhận đến modem thử.Modem thử sau khi nhận lệnh đáp ứng sẽ đặt TM lên mức tích cực và DTE khi phát hiện điều này sẽ gửi mẫu thử.Nếu số liệu truyền và nhận như nhau thì cả hai modem hoạt động tốt và lỗi chỉ có thể ở DTE đầu xa.Nếu không có tín hiệu nhận được thì đường dây có vấn đề. 2.3.2. Modem rỗng (null modem) Với tín hiệu được phân bố như hình 2.7 thì cả truyền và nhận số liệu từ đầu cuối đến máy tính đều trên cùng một đường, vì modem có cùng chức năng ở cả hai phía.Tuy nhiên theo định nghĩa nguyên thủy chuẩn EIA-232D/V24 là giao tiếp chuẩn nối các thiết bị ngoại vi vào máy tính nên để dùng được cần quyết định thiết bị nào sẽ là máy tính và thiết bị nào sẽ là thiết bị ngoại vi, vì cả hai thiết bị không thể truyền và nhận số liệu trên cùng một đường dây, có 3 khả năng lựa chọn: (1) Đầu cuối mô phỏng modem và định nghĩa các đường một cách thích hợp để hoàn chỉnh hoạt động. (2) Máy tính mô phỏng modem. (3) Cả đầu cuối và máy tính đều không thay đổi và các đầu dây dẫn được nối lại. Bất tiện của hai lựa chọn đầu là không có đầu cuối nào hay máy tính nào có thể được dùng trực tiếp với một modem.Từ đó tiếp cận tổng quát cho vấn đề là bằng cách nối lại tín hiệu trên cổng giao tiếp EIA-232D/V24 để mô phỏng một modem, cho phép đầu cuối và máy tính nối trực tiếp vào modem, lựa chọn thứ 3 được dùng rộng rãi, yêu cầu một modem rỗng (null modem) chèn vào giữa đầu cuối và máy tính, các đường kết nối như mô tả ở hình 2.7. 58
Hình 2.7 Kết nối modem rỗng Như chúng ta đã thấy, các đường truyền nhận trao đổi với nhau từng đôi một các đường điều khiển cũng được đổi lại.Ví dụ, vì thông thường đầu cuối và máy tính hoạt động ở chế độ song công hoàn toàn.Các đường RTS và CTS được nối với nhau tại đầu đường dây và sau đó tín hiệu này được nối đến ngõ vào DTR.Tín hiệu signal ground và shield ground được nối trực tiếp. Khi hai thiết bị liên lạc với nhau qua một liên kết số liệu đồng bộ thì đồng hồ truyền từ mỗi thiết bị thường được nối đến và được dùng như đồng hồ thu tại thiết bị kia.Trong vài trường hợp không có thiết bị nào có đồng hồ và đồng hồ cho cả hai thiết bị được tạo ra trong modem rỗng thành phần này được gọi là bộ modem eliminator. 2.3.3. Giao tiếp EIA-530 Chuẩn EIA-530 là giao tiếp có tập tín hiệu giống giao tiếp EIA-232D/V24.Điều khác nhau là giao tiếp EIA-530 dùng các tín hiệu điện vi sai theo RS 422A/V11 để đạt được cự ly truyền xa hơn và tốc độ cao hơn.Dùng bộ nối 37 chân cùng với bộ nối tăng cường 9 chân nếu tập tín hiệu thứ hai cũng được dùng. 59
2.3.4. Giao tiếp X21 Giao tiếp X21 được định nghĩa cho giao tiếp giữa một DTE và DCE trong một mạng dữ liệu công cộng.Giao tiếp X21 cũng được dùng như một giao tiếp kết cuối cho các mạch thuê riêng số tốc độ là bội số của 64 kbps.Đầu nối và các đường tín hiệu được trình bày trên hình 2.8. Tất cả các đường tín hiệu dùng đồng bộ phát và thu cân bằng (RS-422A/V11).Là giao tiếp đồng bộ, bên cạnh cặp tín hiệu truyền (T) và nhận (R) còn có tín hiệu định thời phân từ bít (s) và định thời byte (B).Các tín hiệu điều khiển (C) và (I) được dùng với các đường truyền và thu thiết lập nên cầu nối xuyên qua một mạng dữ liệu chuyển mạch số hóa hoàn toàn. 60
Hình 2.8 Giao tiếp chuẩn X.21: (a) chức năng giao tiếp (b) các tín hiệu 2.3.5. Giao tiếp ISDN Giao tiếp ISDN là giao tiếp thay thế được số hóa hoàn toàn vao PSTN.Mạch thoại được số hóa hoạt động tại tốc độ 64 kbps và một kết cuối tốc độ cơ bản cung cấp hai mạch như vậy cùng với một mạch 16 kbps cho mục địch thiết lập và xóa cuộc gọi.Ba mạch riêng biệt được ghép kênh cho mục đích truyền đến và đi từ một tổng đài gần nhất lên một cặp dây.Thiết bị kết cuối mạng NT (network termination) tách biệt các đường dẫn đi và đến lên hai cặp dây riêng biệt.Năng lượng có thể được cấp từ NT cho các DTE nếu có nhu cầu.Giao tiếp giữa user và NT trên hai cặp dây được gọi là giao tiếp S xem hình 2.10.Nguồn năng lượng chính từ NT đến thiết bị đầu cuối được dẫn xuất từ các cặp truyền/nhận.Một nguồn năng lượng thứ hai cũng có sẵn qua chân 7 và 8.Nhằm kết nối thiết bị có tốc độ thấp vào giao tiếp S có tốc độ cao này cần dùng thiết bị có tên là “bộ thích nghi đầu cuối” TA (terminal adapter). 61
Hình 2.10 Giao tiếp S-ISDN: (a) chức năng (b) các tín hiệu 62
Chương 3. Giao tiếp liên kết dữ liệu 3.1. Các khái niệm cơ bản về truyền số liệu 3.1.1. Các chế độ truyền thông Khi một người đang diễn thuyết thì thông tin được truyền đi theo một chiều. Tuy nhiên, trong một cuộc đàm thoại giữa hai người thì thông điệp được trao đổi theo hai hướng.Các thông điệp này thường được trao đổi lần lượt nhưng cũng có thể xảy ra đồng thời. Tương tự, khi truyền số liệu giữa hai thiết bị, có thể dùng một trong 3 chế độ thông tin sau: + Đơn công (one way hay simplex): được dùng khi dữ liệu được truyền theo một hướng, ví dụ trong một hệ thống thu thập số liệu định kỳ. + Bán song công (either way hay half-duplex): được dùng khi hai thiết bị kết nối với nhau muốn trao đổi thông tin một cách luân phiên, ví dụ một thiết bị chỉ gửi dữ liệu đáp lại khi đáp ưng một yêu cầu từ thiết bị kia. Rõ ràng hai thiết bị phải có thể chuyển đổi qua lại giữa truyền và nhận sau mỗi lần truyền. + Song công (both way hay full-duplex): được dùng khi số liệu được trao đổi giữa hai thiết bị theo cả 2 hướng một cách đồng thời. 3.1.2. Các chế độ truyền 3.1.2.1. Truyền bất đồng bộ Cách thức truyền trong đó các ký tự dữ liệu mã hóa thông tin được truyền đi tại những thời điểm khác nhau mà khoảng thời gian nối tiếp giữa hai kí tự không cần thiết phải là một giá trị cố định. Ở chế độ truyền này hiểu theo bản chất truyền tín hiệu số thì máy phát và máy thu độc lập trong việc sử dụng đồng hồ, đồng hồ chính là bộ phát xung clock cho việc dịch bít dữ liệu (shift) và như vậy không cần kênh truyền tín hiệu đồng hồ giữa hai đầu phát và thu. Tất nhiên, để có thể nhận được dữ liệu máy thu buộc phải đồng bộ theo từng ký tự một. Mặc dù được dùng chủ yếu để truyền ký tự giữa một bàn phím và một máy tính, truyền bất đồng bộ cũng còn được dùng để truyền các khối ký tự giữa hai máy tính.Trong trường hợp này, mỗi ký tự kế tiếp đi ngay sau stop bit của ký tự trước đó vì các ký tự trong một khối được truyền tức thời ngay sau ký tự mà không cần khoảng thời gian trì hoán nào giữa chúng. 63
3.1.2.2. Truyền đồng bộ Cách thức truyền trong đó khoảng thời gian cho mỗi bit là như nhau, và trong hệ thống truyền ky tự khoảng thời gian từ bit cuối của ký tự này đến bít đầu của ký tự kế tiếp bằng không hoặc bằng bội số tổng thời gian cần thiết truyền hoàn chỉnh một ký tự. Về góc độ truyền tín hiệu số thì máy phát và máy thu sử dụng một đồng hồ chung, nhờ đó náy thu có thể đồng bộ được với máy phát trong hoạt động dịch bit để thu dữ liệu. Như vậy, cần phải có kênh (cần hiểu hoặc là cặp dây dẫn hoặc là một kênh trên đường ghép kênh hay kênh do mã hóa) thứ hai cho tín hiệu đồng hồ chung. Tuy nhiên, khi xét đến các mức thông tin cao hơn mức vật lý trong mô hình hệ thống mở thì việc đồng bộ này được thực hiện theo từng khối dữ liệu và đặc tính truyền đồng bộ hiểu theo nghĩa hẹp trong một khối. Với truyền đồng bộ, khối dữ liệu hoàn chỉnh được truyền như một luồng bit liên tục không có trì hoãn giữa mỗi phần tử 8 bít. Để cho phép thiết bị thu hoạt động được các mức đồng bộ khác nhau, cần có các đặc trưng sau: + Luồng bit truyền được mã hóa một cách thích hợp để máy thu có thể duy trì trong một cơ cấu đồng bộ bít. + Tất cả các frame được dẫn đầu bởi một hay nhiều byte điều khiển nhằm đảm bảo máy thu có thể dịch luồng bit đến theo các ranh giới byte hay ký tự một cách chính xác. + Nội dung của frame được đóng gói giữa một cặp ký tự điều khiển để đồng bộ frame. Trong trường hợp truyền đồng bộ, khoảng thời gian giữa hai frame truyền liên tiếp có các byte nhàn rỗi được truyền liên tiếp để máy thu duy trì cơ cấu đồng bộ bit và đồng bộ byte hoặc mỗi frame được dẫn đầu bởi hai hay nhiều byte đồng bộ đặc biệt cho phép máy thu thực hiện tái đồng bộ. 3.1.3. Kiểm soát lỗi Trong quá trình truyền luồng bit giữa hai DTE, rất thường xảy ra sai lạc thông tin, có nghĩa là mức tín hiệu tương ứng với bít 0 bị thay đổi làm cho máy thu dịch ra là bit 1 và ngược lại, đặc biệt khi có khoảng cách vật lý truyền khá xa ví dụ như dùng mạng PSTN để truyền.Vì thế, khi truyền số liệu giữa hai thiết bị cần có phương tiện phát hiện các lỗi có thể xảy ra lỗi nên có phương tiện sửa chữa chúng. 64
Chúng ta có thể dùng một số các lược đồ, nhưng việc chọn loại nào là tùy thuộc vào phương pháp truyền được dùng.Khi dùng phương pháp truyền bất đồng bộ, vì mỗi ký tự được chăm sóc như một thực tế riêng biệt, nên thường thêm một số ký số nhị phân vào mỗi ký tự được truyền.Ký số nhị phân thêm vào này gọi là bit chẵn lẻ - parity bit. Ngược lại, khi dùng phương pháp truyền đồng bộ, chúng ta thường xác định các lỗi xảy ra trên một frame hoàn chỉnh. Hơn thế nữa, nội dung của một frame có thể rất lớn và xác suất nhiều hơn một bit lỗi gia tăng.Vì vậy cần dùng tuần tự kiểm tra lỗi phức tạp hơn. Cũng có một số dạng kiểm tra lỗi khác nhau, nhưng nhìn chung thiết bị sẽ tính toán ra tuần tự các ký số kiểm tra dựa vào nội dung của frame đang được truyền và gắn tuần tự này vào đuôi của frame sau ký tự dữ liệu hay trước byte báo hiệu kết thúc frame. Trong quá trình duyệt frame, máy thu có thể tính toán lại một cách tuần tự kiểm tra mới dựa vào nhận được từ frame hoàn chỉnh và so sánh với các ký tự số kiểm tra nhận được từ máy phát.Nếu hai chuỗi ký số này không giống nhau, coi như có một lỗi truyền xảy ra. Cả hai lược đồ nói trên chỉ cho phép máy thu phát hiện lỗi truyền. Chúng ta cần máy thu lấy được một bản copy khác từ nguồn khi bản truyền bị lỗi.Có một số lược độ cho phép điều này.Ví dụ xem xét trường hợp một đầu cuối và một máy tính truyền số liệu truyền bất đồng bộ.Khi user gõ vào bàn phím ký tự đã mã hóa được truyền đến máy tính dưới dạng in được. Ngay sau đó ký tự tương ứng với luồng bit vừa thu được máy tính dội trở lại (echo) đầu cuối và hiện lên màn hình.Nếu ký tự xuất hiện không giống như ký tự đã truyền trước đó, user có thể gửi một ký tự đặc biệt để thông báo với máy tính bỏ qua ký tự vừa nhận.Điều này được gọi là kiểm soát lỗi.Một phương thức có chức năng tương tự cũng phải được dùng khi truyền các khối ký tự.Chúng ta sẽ quay trở lại ở phần sau. 3.1.4. Điều khiển luồng Điều này là hết sức quan trọng khi hai thiết bị đang truyền thông tin qua mạng số liệu, khi mà rất nhiều mạng sẽ đệm số liệu trong các bộ đệm có kích thước giới hạn.Nếu hai thiết bị hoạt động với tốc độ khác nhau, chúng ta thường phải điều khiển số liệu đầu ra của thiết bị tốc độ cao hơn để ngăn chặn trường hợp tắc nghẽn trên mạng.Điều khiển luồn thông tin giữa hai thiết bị truyền thường được gọi tắt là điều khiển luồng. 65
3.1.5. Các giao thức liên kết dữ liệu Kiểm soát lỗi vào điều khiển luông là hai thành phần thiết yếu của một chủ đề tổng quát hơn đó là giao thức điều khiển truyền số liệu.Về cơ bản, một giao thức là một tập hợp các tiêu chuẩn hay quy định phải tuân theo bởi cả hai đối tác ở hai đầu, nhằm đảm bảo thông tin đang trao đổi xuyên qua một liên kết số liệu nối tiếp được tiếp nhận và được biên dịch ra một cách chính xác. Bên cạnh kiểm soát lỗi và điều khiển luồng, giao thức liên kết số liệu cũng định nghĩa nhưng chi tiết sau: Khuôn dạng của mẫu số liệu đang trao đổi, nghĩa là số bít trên một phần tử thông tin và dạng lược đồ mã báo đang được dùng. Dạng và thứ tự thông điệp được trao đổi để đạt được độ tin cậy giữa hai đối tác truyền. 3.1.6. Mã truyền Trong hệ thống thông tin số liệu, thường muốn truyền dòng các văn bản, các giá trị số, hình ảnh, âm thanh, v.v từ nơi này đến nơi khác. Các thông tin thì có nhiều dạng, tuy nhiên máy tính hay các thiết bị đầu cuối chỉ biết các bit 1 hay 0 vì chúng là các hệ thống nhị phân.Cần phải chuyển các thông tin về dạng nhị phân để thực hiện vấn đề phù hợp dữ liệu cho máy tính, đồng thời cũng phải có dấu hiệu nào đó cho con người hiểu được hay chuyển về dạng thông tin hiểu được khi nhận thông tin nhị phân.Nhu cầu này là nguyên nhận cho việc ra đời các bộ mã. Các bộ mã là tập hợp một số giới hạn của các tổ hợp nhị phân, mỗi tổ hợp bit nhị phân mang ý nghĩa của một ký tự nào đó theo quy định của từng bộ mã. Số lượng bít nhị phân trong một tổ hợp bit nói lên quy mô của một bộ mã hay số ký tự chứa trong bộ mã. Nếu gọi n là số bit trong một tổ hợp bit thì số ký tự có thể mã hóa là .Có một số bộ mã thông dụng như Baudot, BCD, EBCDIC, ASCII. Mặc dù các mã này được dùng để xuất nhập, nhưng một khi dữ liệu được nhập vào trong máy tính nó được chuyển đổi và được lưu giữ dưới dạng số nhị phân tương ứng có số bit cố định, thông thường là 8,16,hay 32 bit. Chúng ta gọi mẫu nhị phân 8 bit là một byte và mẫu dài hơn là một từ. Vì một dãy bit được dùng để biểu diễn cho một từ, nên thường dùng nhiều phần tử 8 bit khi truyền dữ liệu giữa hai DTE. Do đó trong vài trường hợp 8 bit được qua một liên kết số liệu có thể đại diện cho một ký tự có thể in được mã hóa nhị phân ( 7 bit cộng với một bit kiểm tra) trong khi ở trường hợp khác nó có thể đại diện cho thành phần 8 bit của một giá trị lớn hơn. Trong 66
trường hợp sau chúng ta sẽ xem xét phần tử như là byte hoặc là octet cho các mục đích truyền tin. 3.1.7. Các đơn vị dữ liệu Theo đơn vị đo lường dung lượng thông tin thì đơn vị cơ bản là byte, một byte là một tổ hợp 8 bit. 1Kb = byte = 1024 byte 1Mb = Kb = 1024 Kb 1Gb = Mb = 1024 Mb 1Tb = Gb = 1024 Gb Trong kỹ thuật truyền số liệu đôi khi xem các đơn vị dữ liệu truyền dưới dạng một ký tự hay một khối gồm nhiều các ký tự.Việc nhóm các ký tự lại thành một khối gọi là đóng gói dữ liệu, và khối dữ liệu được xem như một đơn vị dữ liệu truyền trong một giao thức nào đó.Một khối dữ liệu như vậy được gọi là một gói (packet) hay một khung (frame). 3.1.8. Giao thức Giao thức truyền là một tập hợp các quy định liên quan đến các yếu tố kỹ thuật truyền số liệu, cụ thể hóa các công tác cần thiết và quy trình thực hiện việc truyền nhận số liệu từ đầu đến cuối.Tùy vào việc lựa chọn các giải pháp kỹ thuật và thiết kế quy trình làm việc mà sẽ có các giao thức khác nhau.Mỗi giao thức sẽ được sử dụng tương ứng với thiết kế của nó. 3.1.9. Hoạt động kết nối Điểm nối điểm (point-to-point) là dạng kết nối trao đổi thông tin trong đó một đầu cuối số liệu chỉ làm việc với một đầu cuối khác tại một thời điểm.Đa điểm (multipoint) là dạng kết nối trao đổi thông tin trong đó một đầu cuối số liệu có thể thông tin với nhiều đầu cuối khác một cách đồng thời. 3.1.10. Đường nối và liên kết Đường nối là đường kết nối thực tế xuyên qua môi trường truyền, vì vậy nó là đối tượng truyền dẫn mang tính vật lý.Liên kết là kết nối giữa các đầu cuối dựa trên các đường nối và tồn tại trong một khoảng thời gian nhất định, mỗi đường nối có thể chứa nhiều liên kết, ngoài ra một liên kết có thể được kết hợp từ nhiều liên kết hay 67
một liên kết có thể phân thành nhiều liên kết. Do đó liên kết là đối tượng truyền dẫn phụ thuộc mang tính logic. 3.2. Thông tin nối tiếp không đồng bộ 3.2.1. Khái quát Như đã đề cập trong phần khái niệm, thông thường số liệu được truyền giữa hai DTE dưới dạng chuỗi liên tiếp các bit gồm nhiều phần tử 8 bit, gọi là byte hay ký tự, dùng chế độ truyền hoặc đồng bộ hoặc bất đồng bộ.Trong các DTE, mỗi phần tử như vậy được lưu trữ, xử lý và truyền dưới dạng thức song song. Do đó, các mạch điều khiển trong DTE hình thành nên giao tiếp giữa thiết bị và liên kết dữ liệu nối tiếp, và phải thực thi các chức năng sau: Chuyển từ song song sang nối tiếp cho mỗi ký tự hay byte để chuẩn bị truyền chúng ra liên kết. Chuyển từ nối tiếp sang song song cho mỗi ký tự hay byte để chuẩn bị lưu trữ và xử lý bên trong thiết bị. Tại máy thu phải đạt được sự đồng bộ bit, byte, và frame. Thực hiện cơ cấu phát sinh cá ký số kiểm tra thích hợp để phát hiện lỗi và khả năng phát hiện lỗi ở máy thu phải khả thi. Việc chuyển từ song song sang nối tiếp bởi thanh ghi PISO (Parallel Input Serial Output) và việc chuyển ngược lại do SIPO (Serial Input Parallel Output). 3.2.2. Nguyên tắc đồng bộ bit Trong truyền bất đồng bộ, đồng hồ thu chạy một cách bất đồng bộ với tín hiệu thu. Để xử lý thu hiệu quả cần phải có kế hoạch dùng đồng hồ thu để lấy mẫu tín hiệu đến ngay điểm giữa thời của bit dữ liệu. Để đạt được điều này, tín hiệu đồng hồ thu nhanh gấp N lần đồng hồ phát vì mỗi bit được dịch vào SIPO sau N chu kỳ xung đồng hồ. Sự chuyển trạng thái từ 1 xuống 0 là dấu hiệu của bit start, có ý nghĩa bắt đầu của một ký tự và chúng được dùng để khởi động bộ đếm xung clock ở máy thu. Mỗi bit bao gồm cả bit start, được lấy mẫu tại khoảng giữa của thời bit. Ngay sau khi phát hiện, bit start được lấy mẫu sau N/2 chu kỳ xung clock, tiếp tục lấy mẫu sau N xung clock tiếp theo cho mỗi bit trong ký tự. Cần lưu ý rằng, đồng hồ thu chạy bất đồng bộ với tín hiệu đến, các vi trí tương đối của hai tín hiệu có thể ở bất kỳ vị trí nào trong một chu kỳ của xung đồng hồ thu, với N càng lớn thì vị trí lấy mẫu có khuynh hướng gần giữa thời bit hơn. Do vậy ở chế độ truyền này tốc độ truyền không thể cao được. 68
3.2.3. Nguyên tắc đồng bộ ký tự Mạch điều khiển truyền nhận được lập trình để hoạt động với số bít bằng nhau trong một ký tự kể cả số bit stop, bit start và bit kiểm tra giữa thu và phát. Sau khi phát hiện và nhận bit start, việc đồng bộ ký tự đạt được tại đầu thu rất đơn giản, chỉ việc đếm đúng số bit đã được lập trình. Sau đó sẽ chuyển ký tự nhận được vào thanh ghi đệm thu nội bộ và phát tín hiệu thông báo với thiết bị điều khiển (CPU) rằng đã nhận được một ký tự mới và sẽ đợi cho đến khi phát hiện bít start kế tiếp. 3.2.4. Nguyên tắc đồng bộ frame Khi thông điệp gồm khối các ký tự thường xem như một frame thông tin (information frame) được truyền, bên cạnh việc đồng bộ bit và đồng bộ ký tự, máy thu còn phải xác định được điểm đầu và điểm kết thúc một frame.Điều này được gọi là sự đồng bộ frame. Nguyên tắc đơn giản nhất để truyền một khối ký tự có thể in được là đóng gói chúng thành một khối hoàn chỉnh bằng hai ký tự điều khiển truyền đặc biệt là STX và ETX. Mặc dù kế hoạch này thỏa mãn cho đồng bộ frame nhưng có trở ngại là nếu trong dữ liệu lại có bit giống STX và ETX thì sao? Để khắc phục vấn đề này, khi truyền STX hay ETX chúng ta sẽ được kèm theo một DLE ( Data Link Escape). Mặt khác để tránh nhầm lẫn giữa ký tự DLE đi kèm với STX hay ETX và byte giống DLE trong phần nội dung của frame, khi xuất hiện một byte giống DLE trong phần nội dung, nó sẽ được gấp đôi khi truyền đi. 3.3. Thông tin nối tiếp đồng bộ 3.3.1. Khái quát Việc thêm các bit start và nhiều bit stop vào mỗi một ký tự hay byte trong thông tin nối tiếp bất đồng bộ làm cho hiệu suất truyền giảm xuống, đặc biệt là khi truyền một thông điệp gồm một khối ký tự. Mặt khác phương pháp đồng bộ bit được dùng ở đây trở lên thiếu tin cậy khi gia tăng tốc độ truyền. Vì lý do này người ta đưa ra phương pháp mới gọi là truyền đồng bộ, truyền đồng bộ khắc phục được những nhược điểm như trên. Tuy nhiên, cũng giống như truyền bất đồng bộ chúng ta chỉ cho phép những phương pháp nào cho phép máy thu đạt được sự đồng bộ bit, đồng bộ ký tự và đồng bộ frame. Trong thực tế có hai lược đồ truyền nối tiếp đồng bộ: truyền đồng bộ thiên hướng bit và truyền đồng bộ thiên hướng ký tự. 69
3.3.2. Nguyên tắc đồng bộ bit Sự khác nhau cơ bản của truyền bất đồng bộ và đồng bộ là đối với truyền bất đồng bộ đồng hồ thu chạy bất đồng bộ với tín hiệu đến, còn truyền đồng bộ thì đồng hồ thu chạy đồng bộ với tín hiệu đến, các bit start và bit stop không được dùng, thay vì vậy mỗi frame được truyền nhue là dòng liên tục các ký tự số nhị phân. Máy thu đồng bộ bit trong hai cách. Hoặc là thông tin định thời được nhúng vào trong tín hiệu truyền và sau đó được tách ra bởi máy thu, hoặc máy thu có một đồng hồ cục bộ được giữ đồng bộ với tín hiệu thu nhờ một thiết bị gọi là DPLL (Digital Phase Lock-Loop). Như chúng ta sẽ thấy, DPLL lơik dụng sự chuyển trạng thái từ bit 1->0 hay từ 0->1 trong tín hiệu thu để duy trì sự đồng bộ qua một khoảng thời gian định kì nào đó.Lược đồ lai ghép là kết hợp cả hai cách.Nguyên lí hoạt động của các lược đồ này được trình bày trên hình 3.1. 70
3.3.3. Truyền đồng bộ thiên hướng ký tự Có hai kiểu điều khiển truyền đồng bộ: đồng bộ thiên hướng ký tự và đồng bộ thiên hướng bit. Cả hai đều dùng các nguyên tắc đồng bộ bit giống nhau.Khác nhau chủ yếu giữa hai lược đồ là phương pháp được dùng để đạt được sự đồng bộ ký tự và đồng bộ frame. Truyền đồng bộ thiên hướng ký tự được dùng chủ yếu để truyền các khối ký tự, như là các tập tin dạng text.Vì không có bit start hay bit stop nên cần phải có cách thức để đồng bộ ký tự.Để thực hiện đồng bộ này, máy phát thêm vào các ký tự điều khiển, gọi là các ký tự đồng bộ SYN, ngay trước các khối ký tự truyền. Các ký tự điều khiển này phải có hai chức năng: trước hết, chúng cho máy thu duy trì đồng bộ bit, thứ hai, điều khiển đã được thực hiện, chúng cho phép máy thu bắt đầu biên dịch luồng bit theo các danh giới ký tự chính xác_ sự đồng bộ ký tự. Hình 3.2 (a) trình bày sự đồng bộ frame đạt được theo phương thức giống như truyền bất đồng bộ bằng cách đóng gói khối ký tự giữa cặp ký tự điều khiển truyền STX-ETX. Các ký tự điều khiển SYN thường được dùng bởi bộ thu để đồng bồ ký tự thì đứng trước ký tự STX (start of frame). Khi máy thu đã được đồng bộ bit thì nó chuyển vào chế độ làm việc gọi là chế độ bắt số liệu.Điều này được trình bày trên hình 3.2 (b). Khi bộ thu vào chế độ bắt số liệu, nó bắt đầu dịch dòng bit trong một cửa sổ 8 bit khi tiếp nhận một bit mới. Bằng cachs này, khi nhận được mỗi bit, nó kiểm tra xem 8 bit sau cùng có đúng bằng ký tự đồng bộ hay không. Nếu không bằng, nó tiếp tục thu bit kế tiếp và lặp lại thao tác kiểm tra này. Nếu tìm thấy ký tự đồng bộ, cac ký tự tiếp được đọc sau mối 8 bit thu được. Khi ở trong trạng thái đồng bộ ký tự (và do đó đọc các ký tự theo đúng danh giới bit), máy thu bắt đầu xử lý mỗi ký tự thu nối tiếp để dò ra ký tự STX đầu frame. Khi phát hiện một STX, máy thu xử lý nhận nội dung frame và chỉ kết thúc công việc này khi phát hiện ra ký tự ETX. Trên một liên kết điểm nối điểm, thông thường máy phát sẽ quay trở lại truyền các ký tự SYN để máy thu duy trì cơ cấu đồng bộ.Dĩ nhiên, toàn bộ thủ tục trên đều phải được lặp lại mỗi khi truyền một frame mới. Khi dữ liệu nhị phân đang được truyền, sự trong suôt dữ liệu đạt được giống như phương pháp đã được mô tả trong mục nguyên tắc đồng bộ frame trước đây, có nghĩa là dùng một ký tự DLE chèn vào trước STX và ETX, và chèn một DLE vào bất cứ vị trí nào trong nội dung có chứa một DLE.Trong trường hợp này, các ký tự SYN đứng trước ký tự DLE đầu tiên. 72