Giáo trình Mạng máy tính (Phần 1) - Ngô Bá Hùng

136 trang ngocly 1940

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Mạng máy tính (Phần 1) - Ngô Bá Hùng", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_mang_may_tinh_phan_1_ngo_ba_hung.pdf

Nội dung text: Giáo trình Mạng máy tính (Phần 1) - Ngô Bá Hùng

Giáo trình mạng máy tính Biên tập bởi: Ngô Bá Hùng, Phạm Thế Phi
Giáo trình mạng máy tính Biên tập bởi: Ngô Bá Hùng, Phạm Thế Phi Các tác giả: unknown Phiên bản trực tuyến:
MỤC LỤC 1. Giới thiệu tổng quan về giáo trình 2. Chương 1: Tổng quan về mạng máy tính 2.1. Tổng quan về mạng máy tính 3. Chương 2: Các thành phần của mạng máy tính 3.1. Các thành phần của mạng máy tính 4. Chương 3: Tổng quan về tầng vật lý của hệ thống mạng máy tính 4.1. Giới thiệu tầng vật lý của hệ thống truyền dữ liệu 4.2. Vấn đề số hóa thông tin 4.3. Các loại kênh truyền dữ liệu 4.4. Đặc điểm các kênh truyền dữ liệu 4.5. Các hình thức mã hóa dữ liệu số 5. Chương 4: Chức năng của tầng liên kết dữ liệu 5.1. Chức năng cơ bản của tầng liên kết dữ liệu 5.2. Vấn đề xử lý lỗi 5.3. Các giao thức điều khiển lỗi 5.4. Giao thức cửa sổ trượt (Sliding windows) 6. Chương 5: Mạng nội bộ 6.1. Tổng quan về Lan 6.2. Hình thái mạng nội bộ 6.3. Lớp con MAC (Media Access Control Sublayer) 6.4. Chuẩn hóa mạng cục bộ 6.5. Giới thiệu một số công nghệ mạng LAN 7. Chương 6: Tầng mạng (Network Layer) 7.1. Tầng mạng (Network Layer) 7.2. Các vấn đề liên quan đến việc thiết kế tầng mạng 7.3. Giải thuật chọn đường 7.4. Các giải thuật chống tắc nghẽn 7.5. Liên mạng 7.6. Bộ giao thức liên mạng (IPs - Internet Protocols) 8. Chương 7: Tầng vận chuyển 8.1. Dịch vụ của tầng vận chuyển 8.2. Các yếu tố cấu thành giao thức vận chuyển 8.3. Tầng vận chuyển trong mạng Internet 1/244
9. Chương 8: Các ứng dụng mạng 9.1. Dịch vụ tên (DNS) 9.2. Electronic Mail (SMTP, MIME, POP3, IMAP) 9.3. World Wide Web (HTTP) 9.4. Truyền tập tin (FTP) Tham gia đóng góp 2/244
Giới thiệu tổng quan về giáo trình A. MỤC ĐÍCH Giáo trình này nhằm giới thiệu với người đọc những nội dung chủ yếu sau: • Các khái niệm liên quan đến mạng máy tính • Những vấn đề liên quan đến truyền dữ liệu trong mạng máy tính • Nguyên tắc thiết kế phân tầng trong các hệ thống mạng máy tính. • Chức năng, nhiệm vụ của các thành phần trong một hệ thống mạng máy tính • Các giao thức thường được sử dụng trong mạng máy tính. B. NỘI DUNG CỐT LÕI Giáo trình được chia thành 8 chương với nội dung chủ yếu như sau: • Chương 1: Tổng quan về mạng máy tính : Chương này nhằm giới thiệu cho người học các loại mạng truyền dữ liệu đã tồn tại trước khi mạng máy tính ra đời, cấu trúc tổng quát của một mạng máy tính, hai chế độ truyền tải dữ liệu cơ bản là Chuyển mạch và Chuyển gói, những lợi ích mà mạng máy tính mang lại. • Chương 2: Các thành phần của mạng máy tính: Chương này nhằm giới thiệu cho người học các thành phần liên quan đến phần cứng của một mạng máy tính, sự phân loại mạng máy tính theo các tiêu chí khác nhau, kiến trúc phần mềm của một mạng máy tính, đặc biệt là kiến trúc có thứ bậc của các giao thức mạng, mô hình tham khảo OSI. • Chương 3: Tầng vật lý: Chương này nhằm giới thiệu cho người học mô hình của một hệ thống truyền dữ liệu đơn giản và các vấn đề có liên quan đến trong một hệ thống truyền dữ liệu sử dụng máy tính, các phương pháp số hóa thông tin, đặc điểm kênh truyền, tính năng kỹ thuật của các loại cáp truyền dữ liệu, các hình thức mã hóa dữ liệu số để truyền tải trên đường truyền. • Chương 4: Tầng liên kết dữ liệu: Chương này nhằm giới thiệu cho người học các chức năng cơ bản mà tầng liên kết dữ liệu đảm trách, vai trò của khung trong vấn đề xử lý lỗi đường truyền và các phương pháp xác định khung, các phương pháp phát hiện lỗi như Phương pháp kiểm tra chẵn lẽ, Phương pháp kiểm tra theo chiều dọc và Phương pháp kiểm tra phần dư tuần hoàn, các giao thức điều khiển lỗi cho phép theo dõi tình trạng lỗi của dữ liệu gởi đi, các giao thức xử lý lỗi chỉ ra các cách giải quyết trường hợp dữ liệu truyền đi bị lỗi. • Chương 5: Mạng cục bộ và tầng con điều khiển truy cập đường truyền: Chương này nhằm giới thiệu với người đọc các phương chia sẻ đường truyền chung giữa các máy tính trong một mạng cục bộ như: các phương pháp chia kênh, các phương pháp truy cập đường truyền ngẫu nhiên và các phương pháp 3/244
phân lượt truy cập đường truyền, chi tiết về nguyên tắc hoạt động của các chuẩn mạng cục bộ như họ các chuẩn mạng Ethernet, FDDI và mạng không dây • Chương 6: Tầng mạng : Chương này nhằm giới thiệu cho người đọc vai trò của router trong việc xây dựng các liên mạng có phạm vi rộng và không đồng nhất về chuẩn của các mạng cục bộ thành phần, các dịch vụ mà tầng mạng phải cung cấp cho tầng vận chuyển, cơ chế hoạt động của router , các vấn đề liên quan đến giải thuật chọn đường cho các router, bộ giao thức liên mạng IP. • Chương 7: Tầng vận chuyển: Chương này nhằm giới thiệu với người đọc vai trò của tầng vận chuyển và các chức năng mà tầng vận chuyển cung cấp cho tầng ứng dụng, ý nghĩa và cơ chế thiết lập nối kết và giải phóng nối kết cho các nối kết điểm – điểm, Chi tiết về giao thức TCP và UDP thuộc tầng vận chuyển • Chương 8: Tầng ứng dụng: Chương này nhằm giới thiệu cho người đọc một số các ứng dụng và giao thức tiêu biểu trên mạng Internet như DNS, MAIL, WEB và FTP. C. KIẾN THỨC TIÊN QUYẾT • Kiến trúc máy tính • Hệ điều hành D. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Nguyễn Hoàng Việt, Bài giảng Mạng máy tính, Khoa CNTT, 1998 2. Phạm Hoàng Dũng, Nguyễn Đình Tê, Hoàng Đức Hải, Giáo trình Mạng máy tính, nhà xuất bản giáo dục, 1996 3. Nguyễn Thúc Hải, Mạng máy tính và các hệ thống mở, Nhà xuất bản giáo dục, 1999 4. Andrew S. Tanenbeau,Computer Networks, Fourth Edition, Prentice Hall Inc., 2003 5. William Stallings, Data & Computer Communication, Sixth Edition, Prentice Hall Inc. , 2000 6. Behrouz A. Forouzan,Data Communications and Networking, Third Edition, Mc Graw Hill, 2003 7. Larry L. Peterson & Bruce S. Davie, Computer Networks A System Approach, Third Edition, Morgan Haufmann, 2003. 4/244
Chương 1: Tổng quan về mạng máy tính Tổng quan về mạng máy tính Mạng điện báo Mạng điện báo sử dụng hệ thống mã Morse để mã hóa thông tin cần truyền đi. Mã Morse sử dụng hai tín hiệu là tít và te (ký hiệu bằng dấu chấm (.) và dấu gạch ngang (-)). Mỗi một ký tự latin sẽ được mã hóa bằng một chuỗi tíc/te riêng biệt, có độ dài ngắn khác nhau. Để truyền thông tin đi, bên gởi sẽ lần lượt mã hóa từng ký tự của thông điệp thành mã Morse, bên nhận sau đó sẽ thực hiện quá trình giải mã. Văn bản được truyền đi được gọi là một thông điệp (message) hay một thư tín (Telegram). Vào năm 1851 mạng thư tín đầu tiên được sử dụng để nối hai thành phố London và Paris. Sau đó không lâu, hệ thống mạng này được mở rộng toàn châu Âu. Cấu trúc của mạng gồm có hai thành phần là Trạm điện báo (Telegraph Station) và Trạm chuyển điện báo ( Telegraph Switching Station) được nối lại với nhau bằng hệ thống dây truyền dẫn. Trạm điện báo là nơi cho phép truyền và nhận các thông điệp dưới dạng các mã Morse, thông thường được thể hiện bằng âm thanh tít và te. Để truyền và nhận thông tin cần có một điện báo viên thực hiện quá trình mã hóa và giải mã thông tin truyền/nhận. Vì không thể nối trức tiếp tất cả các trạm điện báo lại với nhau, người ta sử dụng các Trạm chuyển điện báo để cho phép nhiều trạm điện báo sử dụng chung một đường truyền để truyền tin. Tại mỗi trạm chuyển điện báo có một thao tác viên chịu trách nhiệm nhận các điện báo gởi đến, xác định đường đi để chuyển tiếp điện báo về nơi nhận. Nếu đường truyền hướng về nơi nhận đang đuợc sử dụng để truyền một điện báo khác, thao tác viên sẽ lưu lại điện báo này để sau đó truyền đi khi đường truyền rãnh. Để tăng tốc độ truyền tin, hệ thống Baudot thay thế mã Morse bằng mã nhị phân 5 bits (có thể mã hóa cho 32 ký tự). Các trạm điện báo cũng được thay thế bằng các máy têlêtíp (teletype terminal) cho phép xuất / nhập thông tin dạng ký tự. Hệ thống sử dụng kỹ thuật biến điệu (Modulation) và đa hợp (Multiplexing) để truyền tải thông tin. 5/244
Mạng điện thoại Mạng chuyển mạch Mạng điện thoại cho phép truyền thông tin dưới dạng âm thanh bằng cách sử dụng hệ thống truyền tín hiệu tuần tự. Mạng điện thoại hoạt động theo chế độ chuyển mạch định hướng nối kết (circuit switching), tức thiết lập đường nối kết tận hiến giữa hai bên giao tiếp trước khi thông tin được truyền đi (connection oriented). Mạng hướng đầu cuối Mạng hướng đầu cuối Đây là mô hình của các hệ thống máy tính lớn (Main Frame) vào những năm của thập niên 1970. Hệ thống gồm một máy chủ mạnh (Host) có năng lực tính toán cao được nối kết với nhiều thiết bị đầu cuối đần độn (Dumb terminal) chỉ làm nhiệm vụ xuất nhập thông tin, giao tiếp với người sử dụng. Mạng máy tính Mạng máy tính là mạng của hai hay nhiều máy tính được nối lại với nhau bằng một đường truyền vật lý theo một kiến trúc nào đó. Mạng có thể có kiến trúc đơn giản như hình dưới đây: 6/244
Mạng cục bộ đơn giản Hoặc phức tạp hơn đó là hệ thống gồm nhiều mạng đơn giản nối lại với nhau như hình sau: Một hệ thống mạng tổng quát được cấu thành từ 3 thành phần: • Đường biên mạng ( Network Edge): Gồm các máy tính (Host) và các chương trình ứng dụng mạng (Network Application) • Đường trục mạng ( Network Core): Gồm các bộ chọn đường (router) đóng vài trò là một mạng trung tâm nối kết các mạng lại với nhau. • Mạng truy cập, đường truyền vật lý (Access Network , physical media): Gồm các đường truyền tải thông tin. Mạng diện rộng phức tạp Đường biên mạng Bao gồm các máy tính (Host) trên mạng nơi thực thi các chương trình ứng dụng mạng (Network Application). Đôi khi người ta còn gọi chúng là các Hệ thống cuối (End Systems) với ý nghĩa đây chính là nơi xuất phát của thông tin di chuyển trên mạng, cũng như là điểm dừng của thông tin. 7/244
Quá trình trao đổi thông tin giữa hai máy tính trên mạng có thể diễn ra theo hai mô hình: Mô hình Khách hàng / Người phục vụ (Client / server model) hay Mô hình ngang hàng (peer-to-peer model). Đường biên mạng Mô hình khách hàng/người phục vụ (client/server): Trong mô hình này một máy tính sẽ đóng vai trò là client và máy tính kia đóng vai trò là server. Máy tính client sẽ gởi các yêu cầu (request) đến máy tính server để yêu cầu server thực hiện công việc gì đó. Chẳng hạn khi người dùng duyệt web trên mạng Internet, trình duyệt web sẽ gởi yêu cầu đến web server đề nghị web server gởi về trang web tương ứng. Máy tính server khi nhận được một yêu cầu từ client gởi đến sẽ phân tích yêu cầu để hiểu được client muốn đều gì, để thực hiện đúng yêu cầu của client. Server sẽ gởi kết quả về cho client trong các thông điệp trả lời (reply). Ví dụ, khi web server nhận được một yêu cầu gởi đến từ trình duyệt web, nó sẽ phân tích yêu cầu để xác định xem client cần nhận trang web nào, sau đó mở tập tin html tương ứng trên đĩa cứng cục bộ của nó để gởi về trình duyệt web trong thông điệp trả lời. Một số ứng dụng được xây dựng theo mô hình client / server như: www, mail, ftp, Mô hình ngang cấp (peer-to-peer): Trong mô hình này, một máy tính vừa đóng vai trò là client, vừa đóng vai trò là server. Một số ứng dụng thuộc mô hình này như: Gnutella, KaZaA 8/244
Đường trục mạng Mạng đường trục Là hệ thống mạng của các bộ chọn đường (routers), làm nhiệm vụ chọn đường và chuyển tiếp thông tin, đảm bảo sự trao đổi thông tin thông suốt giữa hai máy tính nằm trên hai nhánh mạng cách xa nhau. Câu hỏi đặt ra là làm sao thông tin có thể được truyền đi trên mạng? Người ta có thể sử dụng một trong hai chế độ truyền tải thông tin là: Chuyển mạch (circuit switching) và chuyển gói (packet switching). Chuyển mạch (circuit switching) Mạng chuyển mạch Chế độ này hoạt động theo mô hình của hệ thống điện thoại. Để có thể giao tiếp với máy B, máy A phải thực hiện một cuộc gọi (call). Nếu máy B chấp nhận cuộc gọi, một kênh ảo được thiết lập dành riêng cho thông tin trao đổi giữa A và B. 9/244
Tất cả các tài nguyên được cấp cho cuộc gọi này như băng thông đường truyền, khả năng của các bộ hoán chuyển thông tin đều được dành riêng cho cuộc gọi, không chia sẻ cho các cuộc gọi khác, mặc dù có những khoảng lớn thời gian hai bên giao tiếp “im lặng”. Tài nguyên (băng thông) sẽ được chia thành nhiều những “phần” bằng nhau và sẽ gán cho các cuộc gọi. Khi cuộc gọi sở hữu một “phần” tài nguyên nào đó, mặc dù không sử dụng đến nó cũng không chia sẻ tài nguyên này cho các cuộc gọi khác. Việc phân chia băng thông của kênh truyền thành những “phần” có thể được thực hiện bằng một trong hai kỹ thuật: Phân chia theo tần số (FDMA-Frequency Division Multi Access ) hay phân chia theo thời gian (TDMA- Time Division Multi Access). Mạng chuyển gói Mạng chuyển gói Trong phương pháp này, thông tin trao đổi giữa hai máy tính (end systems) được phân thành những gói tin (packet) có kích thước tối đa xác định. Gói tin của những người dùng khác nhau ( ví dụ của A và B) sẽ chia sẻ nhau băng thông của kênh truyền. Mỗi gói tin sẽ sử dụng toàn bộ băng thông của kênh truyền khi nó được phép. Điều này sẽ dẫn đến tình trạng lượng thông tin cần truyền đi vượt quá khả năng đáp ứng của kênh truyền. Trong trường hợp này, các router sẽ ứng sử theo giải thuật lưu và chuyển tiếp (store and forward), tức lưu lại các gói tin chưa gởi đi được vào hàng đợi chờ cho đến khi kênh truyền rãnh sẽ lần lượt gởi chúng đi. So sánh mạng chuyển mạch và mạng chuyển gói Chuyển gói cho phép có nhiều người sử dụng mạng hơn: 10/244
Chia sẻ đường truyền trong mạng chuyển gói Giả sử: • Một đường truyền 1 Mbit • Mỗi người dùng được cấp 100Kbps khi truy cập “active” • Thời gian active chiếm 10% tổng thời gian. Khi đó: • circuit-switching: cho phép tối đa 10 users • packet switching: cho phép 35 users, (xác suất có hơn 10 “active” đồng thời là nhỏ hơn 0.004) Chuyển gói: • Thích hợp cho lượng lưu thông dữ liệu lớn nhờ cơ chế chia sẻ tài nguyên và không cần thiết lập cuộc. • Cần có cơ chế điều khiển tắt nghẽn và mất dữ liệu. • Không hỗ trợ được cơ chế chuyển mạch để đảm bảo tăng băng thông cố định cho một số ứng dụng về âm thanh và hình ảnh. Mạng truy cập 11/244
Mạng truy cập Cho phép nối các máy tính vào các router ngoài biên. Nó có thể là những loại mạng sau: • Mạng truy cập từ nhà, ví dụ như sử dụng hình thức modem dial qua đường điện thoại hay đường ADSL. • Mạng cục bộ cho các công ty, xí nghiệp. • Mạng không dây. Các lợi ích của mạng máy tính Mạng tạo khả năng dùng chung tài nguyên cho các người dùng. Vấn đề là làm cho các tài nguyên trên mạng như chương trình, dữ liệu và thiết bị, đặc biệt là các thiết bị đắt tiền, có thể sẵn dùng cho mọi người trên mạng mà không cần quan tâm đến vị trí thực của tài nguyên và người dùng. Về mặt thiết bị, các thiết bị chất lượng cao thường đắt tiền, chúng thường được dùng chung cho nhiều người nhằm giảm chi phí và dễ bảo quản. Về mặt chương trình và dữ liệu, khi được dùng chung, mỗi thay đổi sẽ sẵn dùng cho mọi thành viên trên mạng ngay lập tức. Điều này thể hiện rất rõ tại các nơi như ngân hàng, các đại lý bán vé máy bay Mạng cho phép nâng cao độ tin cậy. Khi sử dụng mạng, có thể thực hiện một chương trình tại nhiều máy tính khác nhau, nhiều thiết bị có thể dùng chung. Điều này tăng độ tin cậy trong công việc vì khi có máy tính hoặc thiết bị bị hỏng, công việc vẫn có thể tiếp tục với các máy tính hoặc thiết bị khác trên mạng trong khi chờ sửa chữa. Mạng giúp cho công việc đạt hiệu suất cao hơn. Khi chương trình và dữ liệu đã dùng chung trên mạng, có thể bỏ qua một số khâu đối chiếu không cần thiết. Việc điều chỉnh chương trình (nếu có) cũng tiết kiệm thời gian hơn do chỉ cần cài đặt lại trên một máy. Về mặt tổ chức, việc sao chép dữ liệu phòng hờ tiện lợi hơn do có thể giao cho chỉ một người thay vì mọi người phải tự sao chép phần của mình. 12/244
Tiết kiệm chi phí. Việc dùng chung các thiết bị ngoại vi cho phép giảm chi phí trang bị tính trên số người dùng. Về phần mềm, nhiều nhà sản xuất phần mềm cung cấp cả những ấn bản cho nhiều người dùng, với chi phí thấp hơn tính trên mỗi người dùng. Tăng cường tính bảo mật thông tin. Dữ liệu được lưu trên các máy phục vụ tập tin (file server) sẽ được bảo vệ tốt hơn so với đặt tại các máy cá nhân nhờ cơ chế bảo mật của các hệ điều hành mạng. Việc phát triển mạng máy tính đã tạo ra nhiều ứng dụng mới Một số ứng dụng có ảnh hưởng quan trọng đến toàn xã hội: khả năng truy xuất các chương trình và dữ liệu từ xa, khả năng thông tin liên lạc dễ dàng và hiệu quả, tạo môi trường giao tiếp thuận lợi giữa những người dùng khác nhau, khả năng tìm kiếm thông tin nhanh chóng trên phạm vi toàn thế giới, 13/244
Chương 2: Các thành phần của mạng máy tính Các thành phần của mạng máy tính Phần cứng mạng máy tính Phân loại mạng máy tính theo kỹ thuật truyền tin Dựa theo kỹ thuật truyền tải thông tin, người ta có thể chia mạng thành hai loại là Mạng quảng bá (Broadcast Network) và mạng điểm nối điểm (Point – to – point Network) Mạng quảng bá Trong hệ thống mạng quảng bá chỉ tồn tại một kênh truyền được chia sẻ cho tất cả các máy tính. Khi một máy tính gởi tin, tất cả các máy tính còn lại sẽ nhận được tin đó. Tại một thời điểm chỉ cho phép một máy tính được phép sử dụng đường truyền. Mạng điểm nối điểm Trong hệ thống mạng này, các máy tính được nối lại với nhau thành từng cặp. Thông tin được gởi đi sẽ được truyền trực tiếp từ máy gởi đến máy nhận hoặc được chuyển tiếp qua nhiều máy trung gian trước khi đến máy tính nhận. Phân loại mạng máy tính theo phạm vị địa lý Trong cách phân loại này người ta chú ý đến đại lượng Đường kính mạng chỉ khoảng cách của hai máy tính xa nhất trong mạng. Dựa vào đại lượng này người ta có thể phân mạng thành các loại sau: 14/244
Mạng cục bộ Đây là mạng thuộc loại mạng quảng bá, sử dụng một đường truyền có tốc độ cao, băng thông rộng, có hình trạng (topology) đơn giản như mạng hình bus, mạng hình sao (Star topology), mạng hình vòng (Ring topology). Mạng hình bus Mạng hình Bus Tất cả các máy tính được nối lại bằng một dây dẫn (Cáp đồng trục gầy hoặc đồng trục béo). Khi một trong số chúng thực hiện truyền tin, tín hiệu sẽ lan truyền đến tất cả các máy tính còn lại. Nếu có hai máy tính truyền tin cùng một lúc thì sẽ dẫn đến tình trạng đụng độ và trạng thái lỗi xẩy ra. Mạng hình sao Mạng hình sao Các máy tính được nối trực tiếp vào một Bộ tập trung nối kết, gọi là Hub. Dữ liệu được chuyển qua Hub trước khi đến các máy nhận. Hub có nhiều cổng (port), mỗi cổng cho 15/244
phép một máy tính nối vào. Hub đóng vai trò như một bộ khuyếch đại (repeater). Nó khuyếch đại tín hiệu nhận được trước khi truyền lại tín hiệu đó trên các cổng còn lại. Ưu điểm của mạng hình sao là dễ dàng cài đặt, không dừng mạng khi nối thêm vào hoặc lấy một máy tính ra khỏi mạng, cũng như dễ dàng phát hiện lỗi. So với mạng hình Bus, mạng hình sao có tín ổn định cao hơn. Tuy nhiên nó đòi hỏi nhiều dây dẫn hơn so với mạng hình bus. Toàn mạng sẽ bị ngưng hoạt động nếu Hub bị hư. Chi phí đầu tư mạng hình sao cao hơn mạng hình Bus. Mạng hình vòng Mạng hình vòng Tồn tại một thẻ bài (token: một gói tin nhỏ) lần lượt truyền qua các máy tính. Một máy tính khi truyền tin phải tuân thủ nguyên tắc sau: • Chờ cho đến khi token đến nó và nó sẽ lấy token ra khỏi vòng tròn. • Gởi gói tin của nó đi một vòng qua các máy tính trên đường tròn. • Chờ cho đến khi gói tin quay về • Đưa token trở lại vòng tròn để nút bên cạnh nhận token Mạng đô thị Mạng đô thị 16/244
Mạng MAN được sử dụng để nối tất cả các máy tính trong phạm vi toàn thành phố. Ví dụ như mạng truyền hình cáp trong thành phố. Mạng diện rộng Mạng diện rộng Mạng LAN và mạng MAN thông thường không sử dụng các thiết bị chuyển mạch, điều đó hạn chế trong việc mở rộng phạm vi mạng về số lượng máy tính và khoảng cách. Chính vì thế mạng diện rộng được phát minh. Trong một mạng WAN, các máy tính (hosts)được nối vào một mạng con (subnet) hay đôi khi còn gọi là đường trục mạng (Backbone), trong đó có chứa các bộ chọn đường (routers) và các đường truyền tải (transmission lines). Lưu và chuyển tiếp trong mạng WAN Các Routers thông thường có nhiệm vụ lưu và chuyển tiếp các gói tin mà nó nhận được theo nguyên lý cơ bản sau: Các gói tin đến một router sẽ được lưu vào trong một hàng chờ, kế đến router sẽ quyết định nơi gói tin cần phải đến và sau đó sẽ chuyển gói tin lên đường đã được chọn. Mạng không dây Nếu phân biệt mang theo tiêu chí hữu tuyến hay vô tuyến thì ta có thêm các loại mạng không dây sau: Nối kết hệ thống (System interconnection) 17/244
Mạng này nhằm mục đích thay thế hệ thống cáp nối kết các thiết bị cục bộ vào máy tính như màn hình, bàn phím, chuột, phone, loa , (a) Thiết bị không dây, (b) Mạng cục bộ không dây Mạng cục bộ không dây (Wireless LANs): Tất cả các máy tính giao tiếp với nhau thông qua một trạm cơ sở (Base Station) được nối bằng cáp vào hệ thống mạng. Mạng diện rộng không dây (Wireless WANs): Thông thường mạng điện thoại di động số thuộc dạng này. Với các công nghệ mới cho phép băng thông mạng có thể đạt đến 50 Mbps với khoảng cách vài kilomet Mạng diện rộng không dây Trong hình (a ) các máy tính sử dụng công nghệ mạng vô tuyến để nối kết với router. Ngược lại trong hình (b), các máy tính được nối bằng đường dây hữu tuyến với một router, để từ đó router sử dụng kỹ thuật vô tuyến để liên lạc với các router khác. Liên mạng (Internetwork) Thông thường một mạng máy tính có thể không đồng nhất ( homogeneous), tức có sự khác nhau về phần cứng và phần mềm giữa các máy tính. Trong thực tế ta chỉ có thể xây 18/244
dựng được các mạng lớn bằng cách liên nối kết (interconnecting) nhiều loại mạng lại với nhau. Công việc này được gọi là liên mạng (Internetworking). Ví dụ: • Nối kết một tập các mạng LAN có kiểu khác nhau như dạng Bus với dạng vòng của một công ty. • Nối các mạng LAN lại với nhau nhờ vào một mạng diện rộng, lúc đó mạng WAN đóng vai trò là một Subnet. • Nối các mạng WAN lại với nhau hình thành mạng WAN lớn hơn. Liên mạng lớn nhất hiện nay là mạng toàn cầu Internet. Phần mềm mạng Đây là thành phần quan trọng thật sự làm cho mạng máy tính vận hành chứ không phải là phần cứng. Phần mềm mạng được xây dựng dựa trên nền tảng của 3 khái niệm là giao thức (protocol), dịch vụ (service) và giao diện (interface). • Giao thức (Protocol): Mô tả cách thức hai thành phần giao tiếp trao đổi thông tin với nhau. • • Dịch vụ (Services): Mô tả những gì mà một mạng máy tính cung cấp cho các thành phần muốn giao tiếp với nó. • Giao diện (Interfaces): Mô tả cách thức mà một khách hàng có thể sử dụng được các dịch vụ mạng và cách thức các dịch vụ có thể được truy cập đến. Cấu trúc thứ bậc của giao thức Nền tảng cho tất cả các phần mềm làm cho mạng máy tính hoạt động chính là khái niệm kiến trúc thứ bậc của giao thức (protocol hierachies). Nó tổ chức các dịch vụ mà một mạng máy tính cung cấp thành các tầng/lớp (layers) Hai thành phần bộ phận ở hai máy tính khác nhau, nhưng ở cùng cấp, chúng luôn luôn thống nhất với nhau về cách thức mà chúng sẽ trao đổi thông tin. Qui tắc trao đổi thông tin này được mô tả trong một giao thức (protocol). Một hệ mạng truyền tải dữ liệu thường được thiết kế dưới dạng phân tầng. Để minh họa ý nghĩa của nó ta xem xét mô hình hoạt động của hệ thống gởi nhận thư tín thế giới. Hai đối tác A ở Paris và B ở Thành phố Cần Thơ thường xuyên trao đổi thư từ với nhau. Vì A không thể nói tiếng Việt và B không thể nói tiếng Pháp, trong khi đó cả hai có thể hiểu tiếng Anh, cho nên nó được chọn là ngôn ngữ để trao đổi thư từ, văn bản giữa A và 19/244
B. Cả hai gởi thư từ cơ quan của họ. Trong công ty có bộ phận văn thư lãnh trách nhiệm tập hợp và gởi tất cả các thư của công ty ra bưu điện. Tiến trình A gởi cho B một lá thư diễn ra như sau: 1. A viết một lá thư bằng tiếng Pháp bằng bút máy của anh ta. 2. A đưa lá thư cho thư ký, biết tiếng Anh để thông dịch lá thư ra tiếng Anh, sau đó bỏ lá thư vào bao thư với địa chỉ người nhận là địa chỉ của B. 3. Nhân viên của bộ phận văn thư chịu trách nhiệm thu thập thư của công ty ghé qua văn phòng của A để nhận thư cần gởi đi. 4. Bộ phận văn thư thực hiện việc phân loại thư và dán tem lên các lá thư bằng một máy dán tem. 5. Lá thư được gởi đến bưu điện ở Paris. 6. Lá thư được ô tô chuyển đến trung tâm phân loại ở Paris. 7. Những lá thư gởi sang Việt Nam được chuyển đến sân bay ở Paris bằng tàu điện ngầm. 8. Lá thư gởi sang Việt nam được chuyển đến sân bay Tân Sơn Nhất (Thành Phố Hồ Chí Minh) bằng máy bay. 9. Thư được ô tô chở đến trung tâm phân loại thư của Thành Phố Hồ Chí Minh. 10. Thư cho cơ quan của B được chuyển về Bưu điện Cần Thơ bằng ô tô. 11. Thư cho cơ quan của B được chuyển đến công ty của B bằng ô tô. 12. Bộ phận văn thư của công ty của B tiến hành phân loại thư. 13. Thư được phát vào một giờ đã định đến các người nhận, trong trường hợp này có văn phòng của B. 14. Thư ký của B mở thư ra và dịch nội dung lá thư gởi cho B sang tiếng Việt. 15. B đọc lá thư của A đã gởi cho anh ta. Ta có thể tóm tắt lại tiến trình trên bằng một mô hình phân tầng với các nút của mạng thư tín này như sau: 20/244
Mô hình gởi nhận thư tín thế giới Trong mô hình trên,mỗi tầng thì dựa trên tầng phía dưới. Ví dụ, các phương tiện của giao thông của tầng như ô tô, tàu hỏa, máy bay (của tầng liên kết dữ liệu) tầng vận chuyển thì cần hạ tầng cơ sở như đường ô tô, đường sắt, sân bay (của tầng vật lý). Đối với mỗi tầng, các chức năng được định nghĩa là các dịch vụ cung cấp cho tầng phía trên nó. Các đường thẳng màu đỏ trong sơ đồ xác định các dịch vụ được cung cấp bởi các tầng khác nhau. Thêm vào đó, các chức năng của từng tầng tương ứng với các luật được gọi là các giao thức (Protocols). Ví dụ về cấu trúc thứ bậc của giao thức Xem xét một ví dụ khác liên quan đến hệ thống truyền tập tin từ máy tính X sang máy Y. Hai máy này được nối với nhau bởi một dây cáp tuần tự. Chúng ta xem xét một mô hình gồm 3 tầng: • Người sử dụng muốn truyền một tập tin sẽ thực hiện một lời gọi đến tầng A nhờ vào một hàm đã được định nghĩa sẵn, send_file(fileName, destination). Trong đó fileName là tập tin cần truyền đi, destination là điạ chỉ của máy tính nhận tập tin. • Tầng A phân chia tập tin thành nhiều thông điệp và truyền từng thông điệp nhờ lệnh send_message(MessageNo, destination) do tầng B cung cấp. • Tầng B quản lý việc gởi các thông điệp, đảm nhiệm việc phân chia các thông điệp thành nhiều đơn vị truyền tin, gọi là các khung (frame); gởi các khung giữa X và Y tuân theo luật đã định trước (protocol) như tần suất gởi, điều khiển luồng, chờ báo nhận của bên nhận, điều khiển lỗi. 21/244
A : Tầng ứng dụng B : Tầng quản lý thông điệp C : Tầng vật lý • Tầng B giao cho tầng C một chuỗi các bit mà chúng sẽ được truyền lên đường truyền vật lý, không quan tâm gì về ý nghĩa của các bit, để đến nơi nhận. Thông tin được truyền trên một kênh truyền đơn giản hoặc phức tạp và được định hướng đến nơi nhận. Bên nhận thực hiện ngược lại tiến trình của bên gởi. Cả bên nhận và bên gởi cùng có số lần gởi/nhận giống nhau. Đơn vị truyền dữ liệu qua các tầng Ta cũng chú ý rằng, kích thước của các đơn vị truyền tin trong từng tầng là khác nhau. Ở tầng A đơn vị là một tập tin. Tầng B, đơn vị truyền tin là các khung theo một cấu trúc đã được định nghĩa. Tầng C, đơn vị truyền tin là các tín hiện được truyền trên đường truyền vật lý. Dịch vụ mạng Hầu hết các tầng mạng đều cung cấp một hoặc cả hai kiểu dịch vụ: Định hướng nối kết và Không nối kết. • Dịch vụ định hướng nối kết (Connection-oriented): Đây là dịch vụ vận hành theo mô hình của hệ thống điện thoại. Đầu tiên bên gọi phải thiết lập một nối kết, kế đến thực hiện nhiều cuộc trao đổi thông tin và cuối cùng thì giải phóng nối kết. • • Dịch vụ không nối kết (Connectionless): Đây là dịch vụ vận hành theo mô hình kiểu thư tín. Dữ liệu của bạn trước tiên được đặt vào trong một bao thư trên đó có ghi rõ địa chỉ của người nhận và địa chỉ của người gởi. Sau đó sẽ gởi cả bao thư và nội dung đến người nhận. Một số những dịch vụ thường được cung cấp ở mỗi tầng mạng cho cả hai loại có nối kết và không nối kết được liệt kê ở bảng dưới đây: 22/244
Mỗi loại dịch vụ được cung cấp với chất lượng khác nhau. Các loại dịch vụ có nối kết thường đảm bảo thứ tự đến nơi của thông tin như thứ tự chúng đã được gởi đi, cũng như đảm bảo dữ liệu luôn đến nơi. Hai điều này thường không được đảm bảo trong các dịch vụ loại không nối kết. Các phép toán của dịch vụ Một dịch vụ thường được mô tả bằng một tập hợp các hàm cơ bản (primitives) hay đôi khi còn gọi là các tác vụ (operations) sẵn có cho các khách hàng sử dụng. Một số các hàm cơ bản thường có cho một dịch vụ định hướng nối kết như sau: Hàm cơ bản Chức năng LISTEN Nghẽn để chờ một yêu cầu nối kết gởi đến CONNECT Yêu cầu thiết lập nối kết với bên muốn giao tiếp RECIEVE Nghẽn để chờ nhận các thông điệp gởi đến SEND Gởi thông điệp sang bên kia DISCONNECT Kết thúc một nối kết Quá trình trao đổi thông tin giữa Client, người có nhu cầu sử dụng dịch vụ và server, người cung cấp dịch vụ được thực hiện bằng cách sử dụng các hàm cơ sở trên được mô tả như kịch bản sau: 23/244
Mô hình dịch vụ có nối kết Sự khác biệt giữa dịch vụ và giao thức Giao thức và dịch vụ là hai nền tảng rất quan trọng trong việc thiết kết và xây dựng một hệ thống mạng. Cần hiểu rõ ý nghĩa và phân biệt sự khác biệt giữa chúng. • Dịch vụ: là một tập các phép toán mà một tầng cung cấp cho tầng phía trên của nó gọi sử dụng. • Giao thức: là một tập các luật mô tả khuôn dạng dữ liệu, ý nghĩa của các gói tin và thứ tự các gói tin được sử dụng trong quá trình giao tiếp. • Chú ý: Cùng một service có thể được thực hiện bởi các protocol khác nhau; mỗi protocol có thể được cài đặt theo một cách thức khác nhau ( sử dụng cấu trúc dữ liệu khác nhau, ngôn ngữ lập trình là khác nhau, vv ) Quan hệ giữa dịch vụ và giao thức 24/244
Mô hình tham khảo OSI Để dễ dàng cho việc nối kết và trao đổi thông tin giữa các máy tính với nhau, vào năm 1983, tổ chức tiêu chuẩn thế giới ISO đã phát triển một mô hình cho phép hai máy tính có thể gởi và nhận dữ liệu cho nhau. Mô hình này dựa trên tiếp cận phân tầng (lớp), với mỗi tầng đảm nhiệm một số các chức năng cơ bản nào đó. Để hai máy tính có thể trao đổi thông tin được với nhau cần có rất nhiều vấn đề liên quan. Ví dụ như cần có Card mạng, dây cáp mạng, điện thế tín hiệu trên cáp mạng, cách thức đóng gói dữ liệu, điều khiển lỗi đường truyền vv Bằng cách phân chia các chức năng này vào những tầng riêng biệt nhau, việc viết các phần mềm để thực hiện chúng trở nên dễ dàng hơn. Mô hình OSI giúp đồng nhất các hệ thống máy tính khác biệt nhau khi chúng trao đổi thông tin. Mô hình này gồm có 7 tầng: Tầng 7: Tầng ứng dụng (Application Layer) Đây là tầng trên cùng, cung cấp các ứng dụng truy xuất đến các dịch vụ mạng. Nó bao gồm các ứng dụng của người dùng, ví dụ như các Web Browser (Netscape Navigator, Internet Explorer ), các Mail User Agent (Outlook Express, Netscape Messenger, ) hay các chương trình làm server cung cấp các dịch vụ mạng như các Web Server (Netscape Enterprise, Internet Information Service, Apache, ), Các FTP Server, các Mail server (Send mail, MDeamon). Người dùng mạng giao tiếp trực tiếp với tầng này. Tầng 6: Tầng trình bày (Presentation Layer) Tầng này đảm bảo các máy tính có kiểu định dạng dữ liệu khác nhau vẫn có thể trao đổi thông tin cho nhau. Thông thường các mày tính sẽ thống nhất với nhau về một kiểu định dạng dữ liệu trung gian để trao đổi thông tin giữa các máy tính. Một dữ liệu cần gởi đi sẽ được tầng trình bày chuyển sang định dạng trung gian trước khi nó được truyền lên mạng. Ngược lại, khi nhận dữ liệu từ mạng, tầng trình bày sẽ chuyển dữ liệu sang định dạng riêng của nó. Tầng 5: Tầng giao dịch (Session Layer) Tầng này cho phép các ứng dụng thiết lập, sử dụng và xóa các kênh giao tiếp giữa chúng (được gọi là giao dịch). Nó cung cấp cơ chế cho việc nhận biết tên và các chức năng về bảo mật thông tin khi truyền qua mạng. Tầng 4: Tầng vận chuyển (Transport Layer) Tầng này đảm bảo truyền tải dữ liệu giữa các quá trình. Dữ liệu gởi đi được đảm bảo không có lỗi, theo đúng trình tự, không bị mất mát, trùng lắp. Đối với các gói tin có kích 25/244
thước lớn, tầng này sẽ phân chia chúng thành các phần nhỏ trước khi gởi đi, cũng như tập hợp lại chúng khi nhận được. Tầng 3: Tầng mạng (Network Layer) Tầng này đảm bảo các gói tin dữ liệu (Packet) có thể truyền từ máy tính này đến máy tính kia cho dù không có đường truyền vật lý trực tiếp giữa chúng. Nó nhận nhiệm vụ tìm đường đi cho dữ liệu đến các đích khác nhau trong mạng. Tầng 2: Tầng liên kết dữ liệu (Data-Link Layer) Tầng này đảm bảo truyền tải các khung dữ liệu (Frame) giữa hai máy tính có đường truyền vật lý nối trực tiếp với nhau. Nó cài đặt cơ chế phát hiện và xử lý lỗi dữ liệu nhận. Tầng 1: Tầng vật ký (Physical Layer) Điều khiển việc truyền tải thật sự các bit trên đường truyền vật lý. Nó định nghĩa các tín hiệu điện, trạng thái đường truyền, phương pháp mã hóa dữ liệu, các loại đầu nối được sử dụng. Về nguyên tắc, tầng n của một hệ thống chỉ giao tiếp, trao đổi thông tin với tầng n của hệ thống khác. Mỗi tầng sẽ có các đơn vị truyền dữ liệu riêng: • Tầng vật lý: bit • Tầng liên kết dữ liệu: Khung (Frame) • Tầng Mạng: Gói tin (Packet) • Tầng vận chuyển: Đoạn (Segment) Xử lý dữ liệu qua các tầng Trong thực tế, dữ liệu được gởi đi từ tầng trên xuống tầng dưới cho đến tầng thấp nhất của máy tính gởi. Ở đó, dữ liệu sẽ được truyền đi trên đường truyền vật lý. Mỗi khi dữ liệu được truyền xuống tầng phía dưới thì nó bị "gói" lại trong đơn vị dữ liệu của tầng 26/244
dưới. Tại bên nhận, dữ liệu sẽ được truyền ngược lên các tầng cao dần. Mỗi lần qua một tầng, đơn vị dữ liệu tương ứng sẽ được tháo ra. Đơn vị dữ liệu của mỗi tầng sẽ có một tiêu đề (header) riêng. OSI chỉ là mô hình tham khảo, mỗi nhà sản xuất khi phát minh ra hệ thống mạng của mình sẽ thực hiện các chức năng ở từng tầng theo những cách thức riêng. Các cách thức này thường được mô tả dưới dạng các chuẩn mạng hay các giao thức mạng. Như vậy dẫn đến trường hợp cùng một chức năng nhưng hai hệ thống mạng khác nhau sẽ không tương tác được với nhau. Hình dưới sẽ so sánh kiến trúc của các hệ điều hành mạng thông dụng với mô hình OSI. Để thực hiện các chức năng ở tầng 3 và tầng 4 trong mô hình OSI, mỗi hệ thống mạng sẽ có các protocol riêng: • UNIX: Tầng 3 dùng giao thức IP, tầng 4 giao thức TCP/UDP • Netware: Tầng 3 dùng giao thức IPX, tầng 4 giao thức SPX • Microsoft định nghĩa giao thức NETBEUI để thực hiện chức năng của cả tầng 3 và tầng 4 Nếu chỉ dừng lại ở đây thì các máy tính UNIX, Netware và NT sẽ không trao đổi thông tin được với nhau. Với sự lớn mạnh của mạng Internet, các máy tính cài đặt các hệ điều hành khác nhau đòi hỏi phải giao tiếp được với nhau, tức phải sử dụng chung một giao thức. Đó chính là bộ giao thức TCP/IP, giao thức của mạng Internet. Kiến trúc của một số hệ điều hành mạng thông dụng 27/244
Chương 3: Tổng quan về tầng vật lý của hệ thống mạng máy tính Giới thiệu tầng vật lý của hệ thống truyền dữ liệu Giới thiệu mô hình của một hệ thống truyền dữ liệu đơn giản Về cơ bản, một hệ thống mạng truyền dữ liệu đơn giản nhất được mô tả như sau: Hệ thống truyền dữ liệu đơn giản Trong mô hình trên, dữ liệu gồm có văn bản, hình ảnh, âm thanh, phim ảnh cần được số hóa dưới dạng nhị phân (bit 0, 1) để dễ dàng cho xử lý và truyền tải. Thiết bị truyền được nối với thiết bị nhận bằng một đường truyền hữu tuyến hoặc vô tuyến. Truyền tin là quá trình thiết bị truyền gởi đi lần lượt các bit của dữ liệu lên kênh truyền để nó lan truyền sang thiết bị nhận và như thế là dữ liệu đã được truyền đi. Các thiết bị truyền và nhận là các máy tính. Để cho hệ thống này có thể hoạt động được thì các vấn đề sau cần phải được xem xét: • Cách thức mã hóa thông tin thành dữ liệu số. • Các loại kênh truyền dẫn có thể sử dụng để truyền tin. • Sơ đồ nối kết các thiết bị truyền và nhận lại với nhau. • Cách thức truyền tải các bit từ thiết bị truyền sang thiết bị nhận. Hệ thống trên là hệ thống cơ bản nhất cho các hệ thống truyền dữ liệu. Nó thực hiện đầy đủ các chức năng mà tầng vật lý trong mô hình OSI qui định. 28/244
Vấn đề số hóa thông tin Vấn đề số hóa thông tin Thông tin tồn tại dưới nhiều hình thức khác nhau. Để xử lý, mà đặc biệt để truyền tải thông tin ta cần phải mã hóa chúng. Trong thời đại chúng ta, thông tin thường được thể hiện dưới dạng các trang tài liệu hỗn hợp, như các trang web, mà ở đó đồng thời có thể thể hiện văn bản, hình ảnh tĩnh, hình ảnh động, phim ảnh, Thông tin thực tế được thể hiện dưới dạng đa phương tiện. Mỗi một loại thông tin sở hữu hệ thống mã hóa riêng, nhưng kết quả thì giống nhau: một chuỗi các số 0 và 1. Việc truyền tải thông tin bao gồm việc truyền tải các bit này. Mô hình mã hóa như sau: Sơ đồ số hóa dữ liệu 29/244
Số hóa văn bản Mã Morse Hệ thống mã hóa đầu tiên liên quan đến văn bản là hệ thống mã Morse, được sử dụng rộng rãi trước khi có máy tính. Đây là một bộ mã nhị phân sử dụng 2 ký tự chấm (.) và gạch (-) để số hóa văn bản (có thể xem tương đương với các bit 0 và 1). Tuy nhiên nó có nhiều điểm bất lợi sau: • Nghèo nàn: ít các ký tự được mã hóa; • Nó sử dụng sự phối hợp của các dấu gạch và dấu chấm với độ dài khác nhau, điều này không được tiện lợi đặc biệt cho các ký tự có tần suất xuất hiện giống nhau. Chính vì thế nó không được dùng để số hóa thông tin. Nếu chúng ta qui định rằng số bit dùng để mã hóa cho một ký tự phải bằng nhau thì với p bit ta có thể mã hóa cho 2p ký tự. Hệ thống mã hóa như thế đã được dùng trong quá khứ. Ví dụ : 5 bit: dùng trong hệ thống ATI (Alphabet Télégraphique International) 7 bit : gọi là mã ASCII (American Standard Code for Informatics Interchange) được dùng rộng rãi trong máy tính. 30/244
Mã ASCII chuẩn Bảng mã này có cả các ký tự không in được gọi là các ký tự điều khiển được dùng để tạo ra các tác vụ trên các thiết bị tin học hay dùng để điều khiển thông tin truyền tải. Bảng mã 8 bits: có mã ASCII mở rộng và mã EBCDIC Vì máy tính lưu thông tin dưới dạng các byte 8 bit nên khi sử dụng mã ASCII 7 bít thì bit có trọng số lớn nhất (vị trí thứ 7) luôn có giá trị là 0. Chúng ta có thể sử dụng bit này để định nghĩa các ký tự đặc biệt bằng cách đặt nó giá trị 1. Và như thế chúng ta có một bảng mã ASCII mở rộng. Tuy nhiên, điều này sẽ dẫn đến việc tồn tại nhiều bảng mã ASCII mở rộng khác nhau làm khó khăn trong việc trao đổi thông tin trên phạm vi toàn thế giới. Mã EBCDIC dùng 8 bits để mã hóa nhờ đó có thể thể hiện được 256 ký tự. Nó được sử dụng trong các máy tính IBM. Tuy nhiên nó không thông dụng như mã ASCII. Mã 16 bits : Mã Unicode Mã này được phát triển gần đây để thỏa mãn nhu cầu trao đổi thông tin giữa những người dùng Web. Nó mã hóa hầu hết tất cả các ký tự của các ngôn ngữ trên thế giới. Nó tương thích với mã ASCII 7 bits ở 127 ký tự đầu tiên. Hiện nay mã Unicode bắt đầu được sử dụng rộng rãi. Số hóa hình ảnh tĩnh Ảnh số thật sự là một ảnh được vẽ nên từ các đường thẳng và mỗi đường thẳng được xây dựng bằng các điểm. Một ảnh theo chuẩn VGA với độ phân giải 640x480 có nghĩa là một ma trận gồm 480 đường ngang và mỗi đường gồm 640 điểm ảnh (pixel). 31/244
Mã hóa hình ảnh tĩnh Một điểm ảnh được mã hóa tùy thuộc vào chất lượng của ảnh: Ảnh đen trắng : sử dụng một bit để mã hóa một điểm : giá trị 0 cho điểm ảnh màu đen và 1 cho điểm ảnh màu trắng. Ảnh gồm 256 mức xám: mỗi điểm được thể hiện bằng một byte (8 bits) ; Ảnh màu: người ta chứng minh rằng một màu là sự phối hợp của ba màu cơ bản là đỏ (Red), xanh lá (Green) và xanh dương (Blue). Vì thế một màu bất kỳ có thể được biểu biễn bởi biểu thức: x = aR + bG +cB Trong đó a, b, c là các lượng của các màu cơ bản. Thông thường một ảnh đẹp sẽ có lượng màu với giá trị từ 0 đến 255. Và như thế, một ảnh màu thuộc loại này được thể hiện bằng 3 ma trận tương ứng cho 3 loại màu cơ bản. Mỗi phần tử của mảng có giá trị của 8 bits. Chính vì thế cần có 24 bit để mã hóa cho một điểm ảnh màu. Kích thước của các ảnh màu là đáng kể, vì thế người ta cần có phương pháp mã hóa để giảm kích thước của các ảnh. Số hóa âm thanh và phim ảnh Dữ liệu kiểu âm thanh và phim ảnh thuộc kiểu tín hiệu tuần tự. Các tín hiệu tuần tự được số hóa theo cách thức sau đây: 32/244
Dung lượng tập tin nhận được phụ thuộc hoàn toàn vào tần số lấy mẫu f và số lượng bit dùng để mã hóa giá trị thang đo p ( chiều dài mã cho mỗi giá trị). 33/244
Các loại kênh truyền dữ liệu Các loại kênh truyền Kênh truyền hữu tuyến Cáp thuộc loại kênh truyền hữu tuyến được sử dụng để nối máy tính và các thành phần mạng lại với nhau. Hiện nay có 3 loại cáp được sử dụng phổ biến là: Cáp xoắn đôi (twisted pair), cáp đồng trục (coax) và cáp quang (fiber optic). Việc chọn lựa loại cáp sử dụng cho mạng tùy thuộc vào nhiều yếu tố như: giá thành, khoảng cách, số lượng máy tính, tốc độ yêu cầu, băng thông Cáp xoắn đôi (Twisted Pair) Cáp xoắn đôi có hai loại: Có vỏ bọc (Shielded Twisted Pair) và không có vỏ bọc (Unshielded Twisted Pair). Cáp xoán đôi có vỏ bọc sử dụng một vỏ bọc đặc biệt quấn xung quanh dây dẫn có tác dụng chống nhiễu. Cáp xoán đôi trở thành loại cáp mạng được sử dụng nhiều nhất hiện nay. Nó hỗ trợ hầu hết các khoảng tốc độ và các cấu hình mạng khác nhau và được hỗ trợ bởi hầu hết các nhà sản xuất thiết bị mạng. (a) Cáp xoắn đôi không có võ bọc – (b) Cáp xoắn đôi có võ bọc Các đặc tính của cáp xoán đôi là: • Được sử dụng trong mạng token ring (cáp loại 4 tốc độ 16MBps), chuẩn mạng Ethernet 10BaseT (Tốc độ 10MBps), hay chuẩn mạng 100BaseT ( tốc độ 100Mbps) • Giá cả chấp nhận được. • UTP thường được sử dụng bên trong các tòa nhà vì nó ít có khả năng chống nhiễu hơn so với STP. • Cáp loại 2 có tốc độ đạt đến 1Mbps (cáp điện thoại) . • Cáp loại 3 có tốc độ đạt đến 10Mbps (Dùng trong mạng Ethernet 10BaseT) (Hình a) • Cáp loại 5 có tốc độ đạt đến 100MBps (dùng trong mạng 10BaseT và 100BaseT) (Hình b) • Cáp loại 5E và loại 6 có tốc độ đạt đến 1000 MBps (dùng trong mạng 1000 BaseT) 34/244
Cáp đồng trục (Coaxial Cable) Cáp đồng trục là loại cáp được chọn lựa cho các mạng nhỏ ít người dùng, giá thành thấp. Có cáp đồng trục gầy (thin coaxial cable) và cáp đồng trục béo (thick coaxial cable) Cáp đồng trục • Cáp đồng trục gầy, ký hiệu RG-58AU, được dùng trong chuẩn mạng Ethernet 10Base2. Cáp đồng trục gầy • Cáp đồng trục béo, ký hiệu RG-11, được dùng trong chuẩn mạng 10Base5 Các loại đầu nối được sử dụng với cáp đồng trục gầy là đầu nối chữ T (T connector), đầu nối BNC và thiết bị đầu cuối (Terminator) Đầu nối chữ T và BNC Cáp quang (Fiber Optic) Cáp quang truyền tải các sóng điện từ dưới dạng ánh sáng. Thực tế, sự xuất hiện của một sóng ánh sáng tương ứng với bit “1”và sự mất ánh sáng tương ứng với bit “0”. Các tín hiệu điện tử được chuyển sang tín hiệu ánh sáng bởi bộ phát, sau đó các tín hiệu ánh sáng sẽ được chuyển thành các sung điện tử bởi bộ nhận. Nguồn phát quang có thể là các đèn LED (Light Emitting Diode) cổ điển, hay các diod laser. Bộ dò ánh sáng có thể là các tế bào quang điện truyền thống hay các tế bào quang điện dạng khối. 35/244
Cấu trúc cáp quang Sự lan truyền tín hiệu được thực hiện bởi sự phản xạ trên bề mặt. Thực tế, tồn tại 3 loại cáp quang. • Chế độ đơn: một tia sáng trên đường truyền tải • Hai chế độ còn lại gọi là chế độ đa: nhiều tia sáng cùng được truyền song song nhau Cáp quang chế độ đơn - chế độ đa không thẩm thấu - chế độ đa thẩm thấu Trong chế độ đơn, chiết suất n2 > n1. Tia laser có bước sóng từ 5 đến 8 micromètres được tập trung về một hướng. Các sợi loại này cho phép tốc độ bit cao nhưng khó xử lý và phức tạp trong các thao tác nối kết. • Chế độ đa không thẩm thấu Các tia sáng di chuyển bằng cách phản xạ giữa bề mặt của 2 môi trường có chiết suất khác nhau (n2>n1) và mất nhiều thời gian hơn để các sóng di chuyển so với chế độ đơn. Độ suy giảm đường truyền từ 30 dB/km đối với các loại cáp thủy tinh và từ 100 dB/km đối với loại cáp bằng chất dẽo. • Chế độ đa bị thẩm thấu Chiết suất tăng dần từ trung tâm về vỏ của ống. Vì thế sự phản xạ trong trường hợp này thì rất nhẹ nhàng. Từ cách đây nhiều năm người ta có thể thực hiện đa hợp trên cùng một sợi quang nhiều thông tin bằng cách dùng các sóng có độ dài khác nhau. Kỹ thuật này được gọi là WDM (Wavelength Division Multiplexing). 36/244
Kênh truyền vô tuyến Kênh truyền vô tuyến thì thật sự tiện lợi cho tất cả chúng ta, đặc biệt ở những địa hình mà kênh truyền hữu tuyến không thể thực hiện được hoặc phải tốn nhiều chi phí (rừng rậm, hải đảo, miền núi). Kênh truyền vô tuyến truyền tải thông tin ở tốc độ ánh sáng. Gọi: • c là tốc độ ánh sáng, • f là tần số của tín hiệu sóng • λ là độ dài sóng. Khi đó ta có c = λf Phân bổ phổ sóng điện từ trên Tín hiệu có độ dài sóng càng lớn thì khoảng cách truyền càng xa mà không bị suy giảm, ngược lại những tín hiệu có tần số càng cao thì có độ phát tán càng thấp. Hình H3.15 mô tả phổ của sóng điện tử được dùng cho truyền dữ liệu. Khoảng tần số càng cao càng truyền tải được nhiều thông tin. 37/244
Đặc điểm các kênh truyền dữ liệu Đặc điểm kênh truyền Phương tiện thường được dùng để truyền tải dữ liệu ( các bits 0,1) từ thiết bị truyền đến thiết bị nhận trên một kênh truyền nhận vật lý là các tín hiệu tuần tự hay tín hiệu số. Truyền tải tín hiệu sóng dạng hình sin Sóng dạng hình sin, không kết thúc hoặc suy giảm sau một khoảng thời gian là dạng tín hiệu tuần tự đơn giản nhất, dễ dàng tạo ra được. Hơn thế nó còn đặc biệt được chú ý đến bởi yếu tố sau: bất kỳ một dạng tín hiệu nào cũng có thể được biểu diễn lại bằng các sóng hình sin. Yếu tố này được rút ra từ một nghiên cứu cụ thể nó cho phép chúng ta có thể định nghĩa một vài đặc điểm của kênh truyền vật lý. Xem xét một kênh truyền, giả sử rằng các điểm nối kết là trực tiếp, không có ngắt quảng, được hình thành từ hai sợi kim loại. Một đoạn của kênh truyền được xem như một đèn 4 cực gồm một điện trở R và một tụ điện C. Mô hình kênh truyền dữ liệu vật lý Tín hiệu hình sin được áp vào giữa các cực (giữa 2 sợi dây) được tín theo biểu thức: vin(t) = Vin sin wt Trong đó 38/244
• Vin : là hiệu điện thế cực đại; • w : nhịp ; f = w/2pi : là tần số; • T = 2pi/w = 1/f : là chu kỳ. Tín hiệu đầu ra sẽ là: vout(t) = Vout sin (wt + F) • Với : F : là độ trễ pha. Mức điện thế ngỏ ra tùy thuộc vào điện thế ngỏ vào và đặc điểm vật lý của đèn bốn cực. Các luật trường điện tử chứng minh rằng trong trường hợp đơn giản nhất ta có: 2 2 2 -1/2 Vout/Vin = (1 + R C w ) F = atan(-RC w) Ta nhận thấy rằng điện thế ngỏ ra Vout thì yếu hơn điện thế ngỏ vào Vin. Ta nói có một sự giảm thế và một sự lệch phaF giữa hiệu điện thế ngỏ vào và hiệu điện thế ngỏ ra. Nếu ta chồng 2 sóng điện thế ngỏ vào và điện thế ngỏ ra trong một sơ đồ thời gian, ta có kết quả như sau: Cường độĐộ giảm thếTín hiệu vàoTín hiệu raThời gian Sự trể pha và giảm thế của tín hiệu ngỏ ra Độ suy giảm trên kênh truyền A của tín hiệu là một tỷ lệ về công suất Pin/Pout của tín hiệu phát Pin và tín hiệu nhận được Pout. Mỗi công suất được tính với đơn vị là watts. Ta biểu diễn độ suy giảm bằng đơn vị decibel: A(w) = 10 log10(Pin/Pout) 39/244
Truyền tín hiện bất kỳ Lý thuyết toán Fourrier đã chứng minh rằng bất kỳ một tín hiện nào cũng có thể xem như được tạo thành từ một tổng của một số hữu hạn hoặc vô hạn các sóng hình sin. Không đi sâu vào chứng minh ta có kết quả sau: • Một tín hiệu bất kỳ x(t) thì có thể phân tích thành một tập hợp các tín hiệu dạng sóng hình sin. • Nếu là tín hiệu tuần hoàn, thì ta có thể phân tích nó thành dạng một chuỗi Fourier. Thuật ngữ chuỗi ở đây ý muốn nói đến một loạt các sóng hình sin có tần số khác nhau như là các bội số của tần số tối ưu f0. • Nếu tín hiệu không là dạng tuần hoàn, thì ta có thể phân tích nó dưới dạng một bộ Fourier ; với các sóng hình sin có tần số rời rạc. Băng thông của một kênh truyền (Bandwidth) Bởi vì một tín hiệu bất kỳ có thể được xem như là một sự kết hợp của một chuỗi các sóng hình sin, nên ta có thể xem rằng, sự truyền tải một tín hiệu bất kỳ tương đương với việc truyền tải các sóng hình sin thành phần. Vì tần số của chúng là khác nhau, chúng có thể đến nơi với độ suy giảm là khác nhau, một trong số chúng có thể không còn nhận ra được. Nếu ta định nghĩa một ngưỡng còn “nghe” được A0, thì tất cả các tín hiệu hình sin có tần số nhỏ hơn f1 được xem như bị mất. Tương tự các tín hiệu có tần số lớn hơn f2 cũng được xem là bị mất. Những tín hiện có thể nhận ra được ở bên nghe là các tín hiệu có tần số nằm giữa f1 và f2. Khoản tần số này được gọi là băng thông của một kênh truyền. Băng thông WA(db)f 40/244
Băng thông của kênh truyền Nói một các khác, với một tín hiệu phức tạp bất kỳ, tín hiệu này sẽ truyền tải được nếu như tần số của các sóng hình sin thành phần của nó có tần số nằm trong khoảng băng thông của kênh truyền. Chúng ta cũng nhận thấy rằng, băng thông càng lớn thì càng có nhiều tín hiệu được truyền đến nơi. Chính vì thế chúng ta thường quan tâm đến các kênh truyền có băng thông rộng Ví dụ :độ rộng băng thông của kênh truyền điện thoại là 3100 Hz vì các tín hiệu âm thanh có thể nghe được nằm ở khoảng tần số từ 300 Hz đến 3400 Hz. Tần số biến điệu và tốc độ dữ liệu (Baund rate and bit rate) Một thông điệp thì được hình thành từ một chuỗi liên tiếp các tín hiệu số hay tuần tự. Mỗi tín hiệu có độ dài thời gian là t. Các tín hiệu này được lan truyền trên kênh truyền với vận tốc 108 m/s trong kênh truyền cáp quang hay 2.106 m/s trong kênh kim loại. Chúng ta thấy rằng tốc độ lan truyền không phải là yếu tố quyết định. Yếu tố quyết định chính là nhịp mà ta đặt tín hiệu lên kênh truyền. Nhịp này được gọi là tần số biến điệu: R = 1/t ( đơn vị là bauds). Nếu thông điệp dạng nhị phân, và mỗi tín hiện chuyển tải n bit, khi đó ta có tốc độ bit được tính như sau: D = nR (đơn vị là bits/s) Giá trị này thể hiện nhịp mà ta đưa các bit lên đường truyền. Ví dụ : Cho hệ thống có R = 1200 bauds và D = 1200 bits/s. Ta suy ra một tín hiện cơ bản chỉ chuyển tải một bit. Một số ví dụ về tần số biến điệu và tốc độ dữ liệu: Ví dụ 1 : Truyền tải các dữ liệu số bằng các tín hiệu tuần tự. 41/244
H3.23 Biến điệu pha DTa sử dụng hai kiểu tín hiệu tuần tự, mỗi loại có độ dài sóng D, sóng thứ nhất có tần số f1, sóng thứ hai có tần số f2 (gấp đôi tần số f1). Cả hai tín hiệu đều có thể nhận được ở ngõ ra. Ta qui định rằng tín hiệu thứ nhất truyền bit “0” và tín hiệu thứ hai truyền bit "1". Nhịp được sử dụng để đưa các tín hiệu lên đường truyền bằng với nhịp truyền các bit bởi vì mỗi tín hiệu thì truyền một bit. Sự phân biệt giữa tín hiệu 0 và 1 dựa trên sự khác biệt về tần số của 2 tín hiệu sin. Sự mã hóa này được gọi là biến điệu tần số. Ví dụ 2 : Truyền dữ liệu số bởi các tín hiệu tuần tự. Trong trường hợp này ta sử dụng 4 loại tín hiệu hình sin lệch pha nhau Pi/4. Mỗi loại tín hiệu có thể vận chuyển 2 bits hoặc 00, 01, 10 hay 11. Với cách thức như thế, tốc độ dữ liệu sẽ gắp đôi tần số biến điệu.Sự phân biệt giữa các tín hiệu trong trường hợp này dự vào pha của tín hiệu. Ta gọi là biến điệu pha. Ví dụ 3 : Truyền tải các dữ liệu số bằng các tín hiệu số. 42/244
Biến điệu biên độ Ta sử dụng 8 tín hiệu số cùng độ dài nhưng có biên độ khác nhau. Mỗi tín hiệu truyền tải 3 bits bởi chúng có thể đại diện cho 8 sự kết hợp khác nhau của 3 bit. Sự phân biệt giữa các tín hiệu trong trường hợp này dựa vào biên độ của các tín hiệu. Ta gọi là biến điệu biên độ. Để có được một tốc độ truyền dữ liệu cao nhất, ta tìm cách cải thiện tốc độ bit. Bởi vì D = n R, ta có thể tăng tốc độ bit bằng cách tăng một trong các yếu tố sau: • Hoặc tăng n (số bit truyền tải bởi một tín hiệu), tuy nhiên nhiễu là một rào cản quan trọng. • Hoặc R( tần số biến điệu), tuy nhiên chúng ta cũng không thể vượt qua tần số biến điệu cực đại Rmax . Kết quả sau đây đã được chứng minh bởi Nyquist (1928) xác định mối ràng buộc giữa tần số biến điệu cực đại và băng thông của kênh truyền W: • Rmax = 2 W, • Kết quả này được tính toán trên lý thuyết, trong thực tế thì Rmax = 1,25 W Nhiễu và khả năng kênh truyền Nhiễu bao gồm các tín hiệu ký sinh chúng chồng lên các tín hiệu được truyền tải và chúng làm cho các tín hiệu này bị biến dạng Nhiễu trên kênh truyền 43/244
Chúng ta có thể phân biệt thành 3 loại nhiễu : • Nhiễu xác định: phụ thuộc vào đặc tính kênh truyền • Nhiễu không xác định • Nhiễu trắng từ sự chuyển động của các điện tử Nhiễu phiền tối nhất dĩ nhiên là loại nhiễu không xác định. Chúng có thể làm thay đổi tín hiệu vào những khoảng thời gian nào đó làm cho bên nhận khó phân biệt được đó là bit “0” hay bit “1”. Chính vì thế mà công suất của tín hiệu nên lớn hơn nhiều so với công suất của nhiễu. Tỷ lệ giữa công suất tín hiệu và công suất nhiễu tính theo đơn vị décibels được biểu diễn như sau : S/B = 10log10(PS(Watt)/PB(Watt)) Trong đó PS và PB là công suất của tín hiệu và công suất của nhiễu. Định lý Shannon (1948) giải thích tầm quan trọng của ty lệ S/B trong việc xác định số bit tối đa có thể chuyên chở bởi một tín hiệu như sau: Kết hợp với định lý của Nyquist, ta có thể suy ra tốc độ bit tối đa của một kênh truyền được tính theo công thức sau: C được gọi là khả năng của kênh truyền , xác định tốc độ bit tối đa có thể chấp nhận được bởi kênh truyền đó. Ví dụ : Kênh truyền điện thoại có độ rộng băng thông là W = 3100 Hz tỷ lệ S/B = 20 dB. Từ đó ta tính được khả năng của kênh truyền điện thoại là : C = 20,6 Kbits/s . 44/244
Giao thông (Traffic) Giao thông là một khái niệm liên quan đến sự sử dụng một kênh truyền tin. Giao thông cho phép biết được mức độ sử dụng kênh truyền từ đó có thể chọn một kênh truyền phù hợp với mức độ sử dụng hiện tại. Để đánh giá giao thông, ta có thể xem một cuộc truyền tải hay một cuộc giao tiếp là một phiên giao dịch (session) với độ dài trung bình là T ( đơn vị là giây). Cho Nc là số lượng phiên giao dịch trung bình trên một giờ. Mật độ giao thông E được tính theo biểu thức sau : E = T Nc / 3600 Nói cách khác, mật độ giao thông là đại lượng dùng để đo mức độ sử dụng kênh truyền trong một giây. Thực tế, khi phân tích kỹ hơn ta sẽ thấy rằng trong một phiên giao dịch sẽ chứa nhiều khoảng im lặng (không dùng kênh truyền), ta có thể phân biệt thành 2 loại phiên giao dịch sau: • Các phiên giao dịch mà ở đó thời gian sử dụng T được sử dụng hết. • Các phiên giao dịch mà ở đó thời gian T có chứa các khoảng im lặng. Trong trường hợp thứ hai, mật độ giao thông thì không phản ánh đúng mức độ bận rộn thật sự của kênh truyền. Ta tách một phiên giao dịch thành nhiều giao dịch (transaction) với độ dài trung bình là p bit, cách khoảng nhau bởi những khoảng im lặng. Giả sử Nt là số giao dịch trung bình trong một phiên giao dịch. Gọi D là tốc độ bit của kênh truyền, tốc độ bit thật sự d trong trường hợp này là: và tần suất sử dụng kênh truyền được định nghĩa bởi tỷ số: 45/244
Ví dụ : Trong một tính toán khoa học từ xa, người dùng giao tiếp với máy tính trung tâm. Cho : • p = 900 bits, Nt = 200, T = 2700 s, Nc = 0.8, D = 1200 b/s. • Khi đó ◦ Mật độ giao thông trung bình là E = 0.6 ◦ Tầng suất sử dụng kênh truyền θ = 0.05 46/244
Các hình thức mã hóa dữ liệu số Mã hóa đường truyền (Line Coding) Sau khi số hóa thông tin, vấn đề chúng ta phải quan tâm kế tiếp là cách truyền tải các bit “0” và “1”. Ta có thể sử dụng tín hiệu số hoặc tín hiệu tuần tự để truyền tải các bit “0”, “1”. Công việc này còn được gọi là mã hóa đường truyền (line coding). Mã hóa đường truyền bằng tín hiệu số Trong phương pháp này ta sử dụng một tín hiệu số cho bit “0” và một tín hiệu số khác cho bit “1”. Có nhiều cách thức để thực hiện điều này. Một số phương pháp mã hóa phổ biến như: • Mã NRZ (Non Return to Zero), RZ (Return to Zero), lưỡng cực (bipolar) NRZ và RZ: 47/244
Mã hóa đường truyền bằng tín hiệu tuần tự Thông thường người ta sử dụng một sóng mang hình sin v(t) = V sin(ωt + ?) để mã hóa đường truyền. Trong đó ta thay đổi một số tham số để thể hiện các bit "0" và "1" : • Thay đổi V, ta có biến điệu biên độ (Amplitude modulation) • Thay đổi ω, ta có biến điệu tần số ( Frequency modulation) • Thay đổi Φ, ta có biến điệu pha (Phase modulation) Bên truyền thực hiện quá trình mã hóa một bit thành tín hiệu tuần tự gọi là biến điệu (modulation). Ngược lại bên nhận, nhận được tín hiệu tuần tự phải giải mã thành một bit, gọi là hoàn điệu (demodulation). 48/244
49/244
Chương 4: Chức năng của tầng liên kết dữ liệu Chức năng cơ bản của tầng liên kết dữ liệu Chức năng của tầng liên kết dữ liệu Tầng liên kết dữ liệu đảm nhận các chức năng sau: • Cung cấp một giao diện được định nghĩa chuẩn cho các dịch vụ cung cấp cho tầng mạng. • Xử lý lỗi đường truyền. • Điều khiển luồng dữ liệu nhờ đó bên truyền nhanh không làm tràn dữ liệu bên nhận chậm Các dịch vụ cơ bản của tầng liên kết dữ liệu Nhiệm vụ của tầng liên kết dữ liệu là cung cấp các dịch vụ cho tầng mạng. Dịch vụ chính của tầng liên kết dữ liệu là truyền tải dữ liệu nhận được từ tầng mạng trên máy gởi đến tầng mạng trên máy nhận. Để làm được điều này, tầng liên kết dữ liệu lấy các gói tin (Packet) mà nó nhận được từ tầng mạng và gói chúng vào trong các khung (frame) để truyền đi. Mỗi khung chứa phần tiêu đề (Header), thông tin cần truyền đi (Payload field) và thông tin theo dõi khác (Trailer). Có 3 dịch vụ cơ bản mà tầng liên kết dữ liệu thường cung cấp là: • Dịch vụ không nối kết không báo nhận (unacknowledged connectionless service), thường được sử dụng trong mạng LAN. 50/244
• Dịch vụ không nối kết có báo nhận (acknowledged connectionless service), thường dùng cho mạng không dây. • Dịch vụ nối kết định hướng có báo nhận (acknowledged connection-oriented service), thường dùng trong mạng WANs. Xử lý lỗi Để có thể truyền tải được dữ liệu nhận từ tầng mạng đến máy nhận, tầng liên kết dữ liệu phải sử dụng các dịch vụ được cung cấp bởi tầng vật lý. Tất cả những gì tầng vật lý thực hiện là nhận một chuỗi các bits thô và cố gắng truyền chúng đến máy đích. Tầng vật lý không đảm bảo về độ tin cậy của các bits được truyền đi. Số lượng bits đến nơi nhận có thể nhiều, ít, hay bằng số bits đã gởi đi, thậm chí giá trị của chúng cũng có thể khác với giá trị mà chúng đã được gởi đi. Chính vì thế mà tầng liên kết dữ liệu phải dò tìm và xử lý các lỗi trên dữ liệu nhận được. Định khung Như đã nói ở phần trên, đơn vị truyền tin của tầng liên kết dữ liệu là các khung. Vấn đề đặt ra là làm sao bên nhận biết được điểm bắt đầu và điểm kết thúc của khung. Chính vì vậy mà tầng liên kết dữ liệu cần thiết phải qui định khuôn dạng của khung mà mình sử dụng. Có 3 phương pháp để định khung phổ biến sau: • Đếm ký tự (Character count) • Sử dụng các bytes làm cờ hiệu và các bytes độn (Flag byte with byte stuffing) • Sử dụng cờ bắt đầu và kết thúc khung cùng với các bit độn (Starting and ending flags with bit stuffing) Phương pháp đếm ký tự (Character Count) Phương pháp này sử dụng một trường trong phần tiêu đề để mô tả số lượng các ký tự có trong khung. Bất lợi của phương pháp này là nếu một ký tự đếm của một khung nào đó bị lỗi sẽ làm cho các khung phía sau không thể xác định được. Phương pháp này vì thế mà ít được sử dụng. 51/244
Phương pháp sử dụng byte làm cờ và các byte độn (Flag byte with byte stuffing) Phương pháp này sử dụng một byte có giá trị đặc biệt để làm cờ hiệu (flag byte) đánh dấu điểm bắt đầu và kết thúc của khung. Một vấn đề phát sinh trong phương pháp này là, trong dữ liệu có thể chứa byte có giá trị của cờ hiệu. Điều này sẽ làm gẩy khung. Để giải quyết vấn đề này, người ta đưa vào phía trước byte dữ liệu có giá trị của cờ hiệu một byte đặc biệc gọi là byte ESC. Bên nhận khi nhận được byte ESC theo sau là giá trị của cờ hiệu thì sẽ bỏ đi ký tự ESC đồng thời biết đây chưa phải là điểm kết thúc của khung. Tương tự, nếu trong dữ liệu có chứa ký tự ESC thì ta cũng đưa thêm vào phía trước nó một ký tự ESC. Kỹ thuật này được gọi là ký tự độn (character stuffing). Yếu điểm của phương pháp này là nó dựa trên ký tự dạng 8 bits vì thế sẽ không sử dụng được trong các hệ thống sử dụng chuẩn mã 16 bits như Unicode chẳng hạn. Sử dụng cờ bắt đầu và kết thúc khung cùng với các bit độn (Starting and ending flags with bit stuffing). Phương pháp này sử dụng mẫu bit đặc biệt, 01111110, để làm cờ đánh dấu điểm bắt đầu và kết thúc khung. Khi bên gởi phát hiện có 5 bits 1 liên tiếp trong dữ liệu gởi đi, nó sẽ 52/244
thêm vào bit 0. Ngược lại, nếu bên nhận phát hiện 5 bits liên tiếp và theo sau bằng một bit 0, nó sẽ loại bỏ bit 0 ra khỏi dữ liệu. Nhờ thế cờ sẽ không xuất hiện trong dữ liệu gởi. H4.4 (a) Dữ liệu gốc, (b)Dữ liệu chuyển lên đường truyền, (c) Dữ liệu nhận sau khi loại bỏ các bit độn. Điều khiển lỗi (Error Control) Một vấn đề khác cần phải xem xét là cách nào để đảm bảo rằng toàn bộ các khung đã được phân phát đến tầng mạng và được phân phát theo đúng trình tự chúng đã được gởi. Điều này không cần quan tâm trong dịch vụ không nối kết không báo nhận. Tuy nhiên nó cần phải được đảm bảo trong dịch vụ nối kết định hướng. Cách thường được dùng để đảm bảo việc phân phát tin cậy là cung cấp cho người gởi một vài phản hồi từ người nhận về tình trạng nhận khung. Hệ thống sẽ định nghĩa một khung đặc biệt, gọi là khung báo nhận (acknowledgement), để cho người nhận thông báo cho người gởi tình trạng của dữ liệu nhận là tốt hay xấu. Nếu người gởi nhận được một báo hiệu tốt về gói tin, người gởi an tâm rằng gói tin đã được phân phát một cách an toàn. Ngược lại, một khung báo không nhận (unacknowledgement) báo hiệu rằng có một số vấn đề gì đó đối với khung nhận và nó cần phải được truyền lại. Một khả năng khác có thể xảy ra là khung gởi đi hoàn toàn bị mất không đến được người nhận. Trong trường hợp này sẽ không có một khung báo nhận nào được gởi về cho người gởi, làm cho người gởi rơi vào trạng thái chờ đợi vĩnh viễn. Để giải quyết vấn đề này, người ta thêm vào tầng liên kết dữ liệu một bộ đếm thời gian (timer). Khi bên gởi truyền một khung đi, nó sẽ thiết lập bộ đếm thời gian. Bộ đếm thời gian sẽ không còn hiệu lực (time-out) sau một khoảng thời đủ lớn để khung được truyền đến người nhận, xử lý ở đó, và khung báo nhận đến được người gởi. Thông thường nếu khung được nhận tốt, khung báo nhận sẽ trở về người gởi trước thời gian qui định. Khi đó bộ đếm thời gian sẽ bị hủy. 53/244
Tuy nhiên, nếu khung báo nhận bị mất, bộ đếm thời gian sẽ trôi qua, báo hiệu cho người gởi về vấn đề phát sinh. Giải pháp trong trường hợp này là bên gởi gởi lại khung. Như thế khung được truyền đi nhiều lần có thể làm cho khung được gởi lên tầng mạng nhiều hơn một lần. Để phòng ngừa trường hợp này, người ta gán vào mỗi khung gởi đi một Số thứ tự (sequence number), nhờ đó bên nhận phân biệt được các khung được truyền lại. Điều khiển luồng (Flow Control) Một vấn đề thiết kế quan trọng khác cần phải xem xét trong tầng liên kết dữ liệu là sự khác biệt về tốc độ truyền / nhận dữ liệu của bên truyền và bên nhận. Có hai tiếp cận để giải quyết vấn đề này. Tiếp cận điều khiển luồng dựa trên phản hồi (feedback based flow control): Người nhận gởi thông tin về cho người gởi cho phép người gởi gởi thêm dữ liệu, cũng như báo với người gởi những gì mà người nhận đang làm. Tiếp cận điều khiển luồng dựa trên tần số (rate based flow control): Trong giao thức truyền tin cài sẵn cơ chế giới hạn tần suất mà người gởi có thể truyền tin. 54/244
Vấn đề xử lý lỗi Vấn đề xử lý lỗi Bộ mã phát hiện lỗi Khi truyền tải một chuỗi các bit, các lỗi có thể phát sinh ra, bit 1 có thể biến thành bit 0 hay ngược lại. Ta định nghĩa tỷ lệ lỗi bởi tỷ số sau: τ = Số bít bị lỗi / Tổng số bít được truyền Tỷ lệ lỗi này có giá trị từ 10-5 đến 10-8. Tùy thuộc vào từng loại ứng dụng, một lỗi có mức độ nghiêm trọng khác nhau, chính vì thế cần có các cơ chế cho phép phát hiện lỗi cũng như sửa lỗi. Các thống kê cho thấy rằng 88% các lỗi xẩy ra do sai lệch một bit và 10% các lỗi xảy ra do sự sai lệch 2 bit kề nhau. Chính vì thế ta ưu tiên cho vấn đề phát hiện các lỗi trên một bit và sửa đổi chúng một cách tự động. Với ý tưởng như thế, ta sử dụng các mã phát hiện lỗi: bên cạnh các thông tin hữu ích cần truyền đi, ta thêm vào các thông tin điều khiển. Bên nhận thực hiện việc giải mã các thông tin điều khiển này để phân tích xem thông tin nhận được là chính xác hay có lỗi. Mô hình xử lý lỗi trong truyền dữ liệu(H4.5) Thông tin điều khiển được đưa vào có thể theo 2 chiến lược. Chiến lược thứ nhất gọi là bộ mã sửa lỗi (Error-correcting codes) và chiến lược thứ hai gọi là bộ mã phát hiện lỗi (Error-detecting codes). Bộ mã sửa lỗi cho phép bên nhận có thể tính toán và suy ra được các thông tin bị lỗi (sửa dữ liệu bị lỗi). Trong khi bộ mã phát hiện lỗi chỉ cho phép bên nhận phát hiện ra dữ liệu có lỗi hay không. Nếu có lỗi bên nhận sẽ yêu cầu bên gởi gởi lại thông tin. Với tốc độ của đường truyền ngày càng cao, người ta thấy rằng việc gởi lại một khung thông tin bị lỗi sẽ ít tốn kém hơn so với việc tính toán để suy ra giá trị ban đầu của các dữ liệu bị lỗi. Chính vì thế đa số các hệ thống mạng ngày nay đều chọn bộ mã phát hiện lỗi. 55/244
Những bộ mã phát hiện lỗi (Error-Detecting Codes) Có nhiều sơ đồ phát hiện lỗi, trong đó có các sơ đồ thông dụng là: • Kiểm tra chẵn lẻ (Parity checks) • Kiểm tra thêm theo chiều dọc (Longitudinal reduncy check) • Kiểm tra phần dư tuần hoàn (Cyclic redundancy check) Kiểm tra chẵn lẻ (Parity Check) Sơ đồ phát hiện bit lỗi đơn giản nhất là nối một bit chẵn-lẻ vào cuối của mỗi từ trong khung. Một ví dụ tiêu biểu là việc truyền các ký tự ASCII, mà trong đó một bit chẵn-lẻ được nối vào mỗi ký tự ASCII 7 bit. Giá trị của bit này được lựa chọn sao cho có một số chẵn của bit 1, với kiểm tra chẵn (even parity) hoặc một số lẻ của bit 1, với kiểm tra lẻ (odd parity). Ví dụ, nếu bên gởi đang truyền một ký tự ASCII G ( mã ASCII là1110001) và đang dùng phương pháp kiểm tra lẽ, nó sẽ nối một bit 1 và truyền đi 11100011. Bên nhận sẽ kiểm tra ký tự nhận được và nếu tổng của các bit 1 là lẻ, nó xem như không có lỗi. Nếu một bit hoặc một số lẻ bất kỳ các bit bị lỗi đảo ngược thì rõ ràng bên nhận sẽ phát hiện được lỗi. Tuy nhiên, nếu hai hay một số chẵn bất kỳ các bit bị lỗi đảo ngược thì nó sẽ không phát hiện được lỗi. Trên thực tế những xung nhiễu lại thường đủ dài để có thể phá hủy hơn một bit, đặc biệt là với tốc độ dữ liệu cao. Do đó, cần phải có một phương pháp cải thiện trường hợp này. Kiểm tra thêm theo chiều dọc (Longitudinal Redundancy Check or Checksum) Kiểm tra chiều dọc tuần hoàn(H4.6) 56/244
Có thể cải thiện sơ đồ trên bằng cách dùng phương pháp LRC. Trong phương pháp này, khung được xem như một khối nhiều ký tự được sắp xếp theo dạng hai chiều, và việc kiểm tra được thực hiện cả chiều ngang lẫn chiều dọc. Theo chiều ngang, mỗi ký tự được thêm vào một bit kiểm tra chẵn lẽ như trường hợp trên, và được gọi là bit Kiểm tra chiều ngang VRC (Vertical Redundancy Check). H4.6 Kiểm tra chiều dọc tuần hoànTheo chiều dọc, cung cấp thêm một ký tự kiểm tra, được gọi là ký tự Kiểm tra chiều dọc LRC (Longitudinal Redundancy Check) hay Checksum. Trong đó, bít thứ i của ký tự này chính là bit kiểm tra cho tất cả các bit thứ i của tất cả các ký tự trong khối. Các phép đo chỉ ra rằng việc dùng cả hai VRC và LRC giảm đi tỷ lệ lỗi không phát hiện được hai đến bốn bậc so với dùng chỉ VRC. Hãy xem trường hợp bit 1 và 3 trong ký tự 1 đang bị lỗi. Khi bên nhận tính toán được bit VRC cho ký tự 1, nó sẽ kiểm tra với bit VRC đã nhận, và sẽ không phát hiện được lỗi. Tuy nhiên, khi nó tính toán được ký tự LRC, bit 1 và 3 của ký tự này sẽ khác với những bit đó trong ký tự LRC nhận được, và sẽ phát hiện được lỗi. Tuy nhiên, ngay sơ đồ này cũng không phải là thật sự tốt. Bây giờ, nếu giả sử bit 1 và 3 của ký tự 5 cũng bị lỗi, phương pháp này sẽ không phát hiện được điểm sai. Kiểm tra phần dư tuần hoàn (Cyclic Redundancy Check) Để cải tiến hơn nữa các nhà thiết kế đã dùng kỹ thuật mới dễ dàng và hiệu quả được gọi là kiểm tra phần dư tuần hoàn, trong đó có thể sử dụng một số phương pháp cài đặt khác nhau như: modulo 2, đa thức, thanh ghi dịch và các cổng Exclusive-or. Các thủ tục với modulo 2 diễn ra như sau. Với một thông điệp M có k bit cần gởi đi, bên gởi sẽ nối vào cuối thông điệp một chuỗi F có r bit, được gọi là Chuỗi kiểm tra khung (FCS: Frame Check Sequence). Chuỗi kiểm tra khung sẽ tính toán sao cho khung kết quả T được hình thành từ việc nối M với F (gồm k + r bit) có thể chia hết bởi số P nào đó được định trước. Bên gởi sẽ gởi T đi. Khi bên nhận nhận được T, nó sẽ thực hiện phép chia modulo T cho P. Nếu phép chia không hết, tức có số dư, bên nhận xác định rằng khung T đã bị lỗi, ngược lại là không có lỗi. Nếu khung không có lỗi, bên nhận sẽ tách thông điệp M từ T, là k bits trọng số cao của T. Phương pháp này dùng phép chia modulo 2 trong việc chia T cho P, phép toán modulo 2 dùng một phép cộng nhị phân không nhớ và đó cũng chính là phép toán Exclusive-or. Ví dụ sau mô tả phép toán cộng và nhân modulo 2: 1111 11001 57/244
+ 1010 x 11 0101 11001 11001 101011 • Giả sử ta có: ◦ M: Thông điệp k bit cần được gởi sang bên nhận. ◦ F : Chuỗi kiểm tra khung FCS gồm r bit là thông tin điều khiển được gởi theo M để giúp bên nhận có thể phát hiện được lỗi. ◦ T =MF là khung (k + r) bit, được hình thành bằng cách nối M và F lại với nhau. T sẽ được truyền sang bên nhận, với r < k • Với M (k bit) , P (r+1 bit), F (r bit), T (k+r bit), thủ tục tiến hành để xác định checksum F và tạo khung truyền như sau: ◦ Nối r bit 0 vào cuối M, hay thực hiện phép nhân M với 2r ◦ Dùng phép chia modulo 2 chia chuỗi bit M*2r cho P. ◦ Phần dư của phép chia sẽ được cộng với M*2r tạo thành khung T truyền đi. ◦ Trong đó P được chọn dài hơn F một bit, và cả hai bit cao nhất và thấp nhất phải là 1 Ví dụ: • Giả sử ta có: ◦ M = 1010001101 (10 bit) ◦ P = 110101 (6 bit) ◦ FCS cần phải tính toán ( 5 bit) • Ta lần lượt thực hiện các bước sau: ◦ Tính M*25 = 101000110100000. ◦ Thực hiện phép chia modulo M*25 cho P như hình dưới, ta được phần dư F = 01110 ◦ Tạo khung gởi đi là T = M*2r + F = 101000110101110 58/244
Ngoài ra người ta còn có thể sử dụng phương pháp đa thức để biểu diễn phương pháp kiểm tra phần dư tuần hòan. Trong phương pháp này người ta biểu diễn các chuỗi nhị phân dưới dạng những đa thức của biến x với các hệ số nhị phân. Các hệ số tương ứng với các bit trong chuỗi nhị phân cần biểu diễn. Giả sử ta có M=110011và P = 11001, khi đó M và P sẽ được biểu diễn lại bằng 2 đa thức sau: M(x) = x5 + x4 + x + 1 P(x) = x4 + x3 + 1 59/244
Những phép toán trên đa thức vẫn là modulo 2. Quá trình tính CRC được mô tả dưới dạng các biểu thức sau: 60/244
Các giao thức điều khiển lỗi Một số giao thức điều khiển lỗi (Error Control) Phần kế tiếp chúng ta xem xét một số giao thức cơ bản được sử dụng nhiều trong việc điều khiển lỗi. Các giao thức này được xây dựng dựa trên các giả định sau: • Chúng ta có máy tính A muốn gởi dữ liệu cho máy tính B. • Luôn luôn có đủ dữ liệu cho máy A gởi đi • Các giao diện giao tiếp với tầng mạng và tầng vật lý đã được định nghĩa chuẩn. • Bên nhận thông thường thực hiện việc chờ đợi một sự kiện nào đó phát sinh bằng cách gọi hàm wait_for_event(). Các giao thức được trình bày dưới dạng các chương trình viết bằng ngôn ngữ c. Chúng sử dụng các định nghĩa trong tập tin protocol.h có nội dung như sau: 61/244
62/244
Giao thức truyền đơn công không ràng buộc (Unrestricted Simplex Protocol) 63/244
Giao thức truyền đơn công dừng và chờ (Simplex Stop-and-wait Protocol) Giao thức truyền đơn công cho kênh truyền có nhiễu (Simplex Protocol for Noisy Channel ) Giả sử ta bỏ đi giả thuyết kênh truyền không có lỗi. Trong trường hợp này, với các kỹ thuật xử lý lỗi (Parity check, CRC), bên nhận có thể phát hiện ra được các khung bị lỗi. Tuy nhiên, điều gì sẽ xảy ra nếu khung gởi đi bị mất, không đến được nơi nhận. Khi đó sẽ dẫn đến tình trạng như sau: • Người gởi không biết được khung có đến nơi nhận tốt hay không. • Giải pháp là yêu cầu người nhận gởi các khung báo nhận thông báo về tình hình các khung bị lỗi. • Các khung báo nhận có thể bị mất. 64/244
• Giải pháp: Mỗi khi gởi một khung đi, Bên gởi sẽ thiết lập một bộ đếm thời gian. Nếu sau một khoảng thời gian qui định mà không nhận được khung báo nhận, bên gởi sẽ gởi lại các khung không được báo nhận • Bên nhận không phân biệt được các khung trùng lắp do bên gởi gởi lại. • Giải pháp: Mỗi khung sẽ có một số thứ tự để phân biệt lẫn nhau. Số thứ tự này sẽ được tăng dần cho đến một giá trị cực đại sau đó lại quay về giá trị 0. Trong ví dụ sau, số thứ tự có giá trị cực đại là 1. Như vậy ta chỉ sử dụng 2 giá trị là 0 và 1 để đánh số thứ tự cho khung. 65/244
Giao thức cửa sổ trượt (Sliding windows) Giao thức của sổ trượt (Sliding windows) Vấn đề truyền tải thông tin theo hai chiều (Duplex) Chúng ta muốn việc truyền tải thông tin giữa hai bên giao tiếp diễn ra một cách đồng thời theo hai chiều hơn là chỉ một chiều để khai thác tối đa khả năng của kênh truyền. Để thực hiện được điều này, chúng ta thực sử dụng chế độ truyền tải hai chiều, gọi là song công (Duplex). Nguyên tắc thực hiện như sau: Vẫn thực hiện việc truyền tải khung, tuy nhiên ta có phân biệt thành các loại khung: dữ liệu (data), báo nhận ACK (acknowledgement), và báo không nhận NACK(Not Acknowledgement) trong trường xác định loại (Type) của khung. Khi một bên nào đó truyền tin, nó có thể kết hợp đưa thông tin báo cho bên kia biết tình trạng của gói tin mà nó đã nhận trước đó. Ta gọi là kỹ thuật piggyback. Giới thiệu về giao thức cửa sổ trượt Thay vì chỉ truyền đi một khung tại một thời điểm (simplex), giao thức cửa sổ trượt cho phép bên gởi có thể gởi đi nhiều khung. Giao thức này sử dụng một cửa sổ để cho phép bên gởi theo dõi các khung mà nó được phép gởi đi và các khung mà nó đang chờ báo nhận, gọi là cửa sổ gởi (Sending Windows). Một cửa sổ khác để bên nhận theo dõi các khung mà nó được phép nhận, gọi là cửa sổ nhận (Receiving Windows). Cấu trúc của cửa sổ được mô tả như sau: Cấu trúc cửa sổ trượt • Phần tô đen là phạm vi của cửa sổ gồm có cửa trước và cửa sau cùng di chuyển theo một chiều. 66/244
• Kích thước của cửa sổ là chiều của cung giới hạn từ cửa sau đến cửa trước. • Kích thước của cửa sổ có thể thay đổi. Khi cửa trước di chuyển, cửa sổ được mở rộng ra. Ngược lại khi cửa sau di chuyển, kích thước của cửa sổ bị thu hẹp lại và nó làm cho cửa sổ thay đổi vị trí, trượt / quay quanh một tâm của vòng tròn. • Kích thước nhỏ nhất của cửa số là 0, khi đó cửa trước và cửa sau nằm cùng một vị trí. Giả sử, có n=2k vị trí cho các cửa, khi đó kích thước tối đa của cửa sổ là n-1 (không là n để phân biệt với kích thước là 0). • Giả sử ta dùng k bit để đánh số thứ tự cho các khung. Ta sẽ có 2k khung, đánh số từ 0 đến 2k-1. Khi đó cửa sổ trượt sẽ được chia thành 2k vị trí tương ứng với 2k khung. • Đối với cửa sổ gởi, các vị trí nằm trong cửa sổ trượt biểu hiện số thứ tự của các khung mà bên gởi đang chờ bên nhận báo nhận. Phần bên ngoài cửa sổ là các khung có thể gởi tiếp. Tuy nhiên phải đảm bảo rằng, cửa sổ gởi không được vượt quá kích thước tối đa của cửa sổ. • Đối với bên nhận, các vị trí nằm trong cửa sổ biểu hiện số thứ tự các khung mà nó đang sẳn sàng chờ nhận. • Kích thước tối đa của cửa sổ biểu thị dung lượng bộ nhớ đệm của bên nhận có thể lưu tạm thời các gói tin nhận được trước khi xử lý chúng. Giả sử bên nhận có một vùng bộ nhớ đệm có khả năng lưu trữ 4 khung nhận được. Khi đó, kích thước tối đa của cửa sổ sẽ là 4. Hoạt động của cửa sổ trượt Ví dụ sau mô tả hoạt động của cửa sổ trượt với kích thước cửa sổ là 1, sử dụng 3 bits để đánh số thứ tự khung (từ 0 đến 7). Hoạt động của cửa sổ trượt 67/244
Khởi đầu, Hình (a): Bên gởi: chưa gởi khung nào nên kích thước của cửa sổ là 0. Bên nhận đang chờ nhận khung 0, kích thước cửa sổ là 1 Bên gởi gởi khung số 0: Nó kiểm tra kích thước của cửa số trượt là 0, nhỏ hơn kích thước tối đa nên nó được phép gởi. Cửa trước của cửa sổ gởi di chuyển lên một bước chứa giá trị 0 là số thứ tự của khung báo nhận bên gởi đang chờ. Kích thước cửa sổ trượt lúc này là 1, đạt đến kích thước tối đa nên nó không được phép gởi thêm khung nữa (Hình b). Bên nhận nhận được khung 0: nó kiểm tra và nhận thấy khung không có lỗi. Nó gởi khung báo nhận số 0 về cho bên nhận. Đồng thời cửa sau của nó di chuyển để loại khung số 0 ra khỏi cửa sổ trượt. Cửa trước cũng di chuyển để mở rộng kích thước cửa sổ đến giá trị tối đa. Lúc này cửa sổ nhận chứa khung số 1 là khung mà nó đang chờ nhận tiếp (Hình c). Bên gởi nhận được khung báo nhận số 0: Vì đây là khung báo hiệu bên nhận đã nhận tốt nên cửa sau của cửa sổ gởi di chuyển để loại khung số 0 ra khỏi cửa sổ gởi. Lúc này cửa sổ gởi có kích thước là 0, bên gởi có quyền gởi tiếp khung (Hình d) Như vậy khi kích thước của cửa sổ trượt là 1, ta có giao thức stop-and-wait. Cài đặt giao thức cửa sổ trượt kích thước 1 bit (A One-Bit Sliding Window Protocol) 68/244
Ví dụ về 2 kịch bản của giao thức trên (a): Việc gởi nhận diễn ra bình thường theo đúng tuần tự (b): Việc gởi nhận diễn ra theo một trình tự bất kỳ Ký hiệu A send (seq, ack, packet number) để chỉ rằng A gởi B một khung có số thứ tự là seq, đồng thời báo cho B biết A đã nhận được tốt khung có số thứ tự ack của B gởi sang. Khung chứa gói tin thứ packet number. Dấu * biểu thị rằng khung tốt, và gói tin được lấy ra khỏi khung để chuyển cho tầng mạng. 69/244
Kịch bản giao thức cửa sổ trượt với kích thước là 1 Vấn đề điều khiển lỗi (Error Control) Vấn đề kế tiếp cần phải quan tâm là bên nhận sẽ làm gì nếu khung bị lỗi. Giải pháp đơn giản là truyền lại tất cả các khung bắt đầu từ khung thứ N bị lỗi. Nếu có những khung khác được nhận trong khoảng thời gian này thì chúng đều bị bỏ qua. Đây gọi là giao thức Go-Back-N. Giải pháp thứ hai là chỉ truyền lại những khung bị lỗi, và chờ đến khi nó được gởi lại trước khi tiếp tục việc gởi tin, gọi là giao thức Selective Repeat. Giao thức Go-Back-N Giao thức Go-Back-N thì rất đơn giản. Khi một khung bị lỗi. Bên nhận bỏ qua khung. Vì không một báo nhận nào gởi về cho bên nhận nên sự kiện quá thời gian xảy ra, bên gởi phải gởi lại khung bị lỗi và toàn bộ các khung phía sau nó. Ví dụ: 70/244
Giao thức Go-Back-N Trong ví dụ trên, bên nhận phát hiện ra khung số 2 bị lỗi nó bỏ qua các khung sau đó (3,4,5,6,7,8), chỉ chờ nhận lại khung số 2. Phía bên gởi chờ báo nhận từ bên nhận cho đến khi quá thời gian, nó sẽ thực hiện gởi lại các khung 2, 3, 4, 5, 6, Đoạn chương trình sau cài đặt giao thức Go-Back-N 71/244
72/244
Cài đặt giao thức Go-Back-N 73/244
Giao thức Selective Repeat Trong giao thức này, khung bị lỗi bị bỏ đi, nhưng các khung nhận tốt sau đó đều được lưu lại tạm thời trong vùng nhớ đệm. Khi quá thời gian, bên gởi chỉ gởi lại khung cũ nhất chưa được báo nhận. Nếu khung này đến nơi chính xác, bên nhận có thể chuyển lên tầng mạng tất cả các khung đã được lưu vào bộ nhớ đệm theo đúng thứ tự. Trong giao thức này, bên nhận sử dụng khung Báo không nhận NAK (Negative Acknowledge) khi phát hiện ra khung bị lỗi, ví dụ lỗi CRC, sai thứ tự gói tin. NAK sẽ được gởi về bên nhận trước khi sự kiện quá thời gian báo nhận của khung bị lỗi xảy ra. Nhờ đó tăng được hiệu xuất truyền tin. Giao thức Selective Repeat với cửa sổ trượt lớn hơn 1 Trong ví dụ trên các khung 0, 1 được nhận tốt và đã được báo nhận, còn khung số 2 thì bị lỗi trên đường truyền. Khi khung số 3 đến, tầng liên kết dữ liệu phát hiện lỗi về số thứ tự khung chờ nhận, vì thế nó gởi khung NAK cho khung số 2 và lưu tạm thời khung số 3 vào vùng nhớ đệm. Tương tự, các khung 4 và 5 cũng được lưu lại mà chưa chuyển lên tầng mạng (vì phải chờ nhận khung số 2). Khi khung NAK 2 đến bên gởi, nó truyền lại ngay khung số 2. Khi khung số 2 đến bên nhận, nó đã có đủ các khung 2,3,4,5 theo đúng thứ tự vì thế nó chuyển 4 khung này lên tầng mạng theo một thứ tự đúng đắn. Đồng thời bên nhận gởi về bên gởi khung ACK 5 để báo rằng đã nhận tốt đến khung số 5. Trong trường hợp khung NAK2 bị mất, không đến được bên gởi, thì sự kiện quá thời gian sẽ xảy ra. Khi đó bên gởi cũng chỉ gởi lại khung số 2 mà thôi. 74/244
75/244
Cài đặt giao thức Selective-Repeat Một số điểm cần lưu ý khi sử dụng cửa số trượt với kích thước lớn hơn 1: Kích thước tối đa của cửa sổ gởi và nhận là bao nhiêu ? 76/244
Giả sử ta dùng 3 bit để đánh số cho khung. Như vậy bên gởi được phép gởi trước tối đa 7 khung trước khi chờ bên nhận gởi báo nhận về. Giao thức cửa số trượt với kích thước là 7 • Lúc đầu bên gởi gởi đi 7 khung từ 0 đến 6, bên nhận đang sẵn sàng chờ nhận bất kỳ một khung nào có số thứ tự từ 0 đến 6 (Hình a). • Tất cả các khung đến nơi không có lỗi, bên nhận gởi các báo nhận và chuyển cửa số nhận về vị trí sẵn sàng để nhận các khung 7,0,1,2,3,4 và 5 (Hình b). • Tại thời điểm đó, đường truyền có sự cố làm cho tất cả các khung báo nhận đều mất. Quá thời gian, bên gởi gởi lại khung 0. Khi khung này đến bên nhận, nó kiểm tra xem khung có nằm trong cửa sổ nhận không. Điều không may mắn đã xảy ra: khung 0 nằm trong cửa sổ nhận mới (Hình b). Bên nhận nhận khung 0 xem như một khung mới hoàn toàn và chuyển khung 0 lên tầng mạng. Như vậy tầng mạng đã nhận 2 lần cùng một gói tin, tức giao thức vận hành sai. • Tình trạng này có thể tránh được nếu ta đảm bảo rằng cửa sổ nhận mới không đè chồng lên cửa sổ trước đó. Điều này có thể thực hiện được nếu ta giới hạn kích thước tối đa của của sổ nhận bằng một nửa khoảng đánh số thứ tự của khung. ◦ Ví dụ: Nếu dùng 3 bit để đánh số thứ tự khung từ 0 đến 7 thì kích thước tối đa cửa sổ nhận là (7-0+1)/2 =4. ◦ Nếu dùng 4 bit để đánh số thứ tự khung từ 0 đến 15 thì kích thước tối đa cửa sổ nhậnt là (15-0+1)/2 =8. Số lượng buffer để lưu khung là bao nhiêu? Số lượng buffer chỉ cần bằng kích thước tối đa của cửa sổ nhận, không cần thiết phải bằng số lượng khung. Ví dụ: Nếu dùng 3 bit để đánh số thứ tự khung từ 0 đến 7 thì kích thước tối đa cửa sổ nhận là (7-0+1)/2 =4 và số lượng buffer cần thiết cũng là 4. Khi nào gởi báo nhận cho một gói tin? Ta thấy rằng, khi một khung đến, báo nhận của khung này sẽ không được gởi ngược về một cách tức thì. Thay vào đó, nó sẽ được gởi kèm trong khung dữ liệu kế tiếp của bên nhận. Nếu bên nhận không có dữ liệu để gởi đi, báo nhận sẽ bị giữ lại khá lâu. Chính vì thế, mỗi khi có khung đến thì bộ đếm thời gian start_ack_timer được khởi động. Nếu 77/244
trong suốt khoảng thời gian này không có một khung dữ nào cần gởi đi, thì sau đó một khung báo nhận riêng biệt sẽ được gởi đi. Bộ đếm thời gian start_ack_timer sinh ra sự kiện ack_timeout. Chúng ta cũng phải đảm bảo rằng, bộ đếm thời gian start_ack_timer thì ngắn hơn bộ đếm thời gian chờ báo nhận cho các khung dữ liệu. Giao thức HDLC (High-Level Data Link Control) Giao thức điều khiển liên kết dữ liệu quan trong nhất là HDLC. Không phải vì nó được sử dụng rộng rãi mà nó còn là cơ sở cho nhiều giao thức điều khiển liên kết dữ liệu khác. Các đặc tính của giao thức HDLC Giao thức HDLC định nghĩa 3 loại máy trạm, hai cấu hình đường nối kết và 3 chế độ điều khiển truyền tải Ba loại trạm trong HDLC • Trạm chính (Primary Station): Có trách nhiệm điều khiển các thao thác về đường truyền. Các khung được gởi từ trạm chính gọi là lệnh (Command). • Trạm phụ (Secondary Station): Hoạt động dưới sự kiểm soát của trạm chính. Khung gởi từ trạm phụ gọi là các trả lời. Trạm chính duy trì nhiều đường nối kết luận lý đến các trạm phụ trên đường truyền. • Trạm hỗn hợp (Combined Station): Bao gồm đặc điểm của trạm chính và trạm phụ. Một trạm hỗn hợp có thể gởi đi các lệnh và các trả lời. Hai cấu hình đường nối kết: • Cấu hình không cân bằng (Unbalanced Configuration): Gồm một máy trạm chính (Primary Station) và nhiều máy trạm phụ (Secondary station) và hỗ trợ cả 2 chế độ truyền song công và bán song công • Cấu hình cân bằng (Balanced Configuration): Bao gồm 2 máy trạm hỗn hợp, và hỗ trợ cả 2 chế độ truyền song công và bán song công. Có 3 chế độ truyền tải là: • Chế độ trả lời bình thường (NRM- Normal Response Mode), được sử dụng với cấu hình đường nối kết không cân bằng. Máy chính có thể khởi động một cuộc truyền tải dữ liệu về cho máy phụ. Nhưng máy phụ chỉ có thể thực hiện việc truyền dữ liệu cho máy chính như là những trả lời cho các yêu cầu của máy chính. • Chế độ cân bằng bất đồng bộ (ABM - Asynchronous Response Mode): Được sử dụng với cấu hình nối kết cân bằng. Cả hai máy đều có quyền khởi động các cuộc truyền tải dữ liệu mà không cần sự cho phép của máy kia. 78/244
• Chế độ trả lời bất đồng bộ (ARM-Asynchronous Response Mode): Sử dụng cấu hình không cân bằng. Một máy phụ có thể khởi động một cuộc truyền tải và không cần sự cho phép tường minh của máy chính. Máy chính vẫn đảm trách vai trò bảo trì đường truyền bao gồm việc khởi động, phục hồi lỗi và xóa nối kết. Chế độ NRM đòi hỏi phải có nhiều đường dây để nối một máy chính với nhiều thiết bị đầu cuối. Chế độ ABM được sử dụng nhiều nhất trong 3 chế độ, nó cho phép sử dụng hiệu quả đường truyền. Chế độ ARM thì ít được dùng đến. Cấu trúc khung HDLC sử dụng chế độ truyền tải đồng bộ, các bits dữ liệu truyền đi được gói vào trong các khung và sử dụng một cấu trúc khung cho tất cả các loại dữ liệu cũng như thông tin điều khiển. Khung trong giao thức HDLC có cấu trúc như sau: Cấu trúc khung của HDLC Là cờ dùng để xác định điểm bắt đầu và kết thúc của khung, Flag (8 bit) giá trị nó là 01111110. HDLC sử dụng kỹ thuật bit độn để loại trừ sự xuất hiện của cờ trong dữ liệu. Vùng ghi địa chỉ để xác định máy phụ được phép truyền hay Address (8 bit) nhận khung. Được dùng để xác định loại khung. Mỗi loại có thông tin điều Control (8bit) khiển khác nhau. Có 3 loại khung: Thông tin (I), Điều khiển (S ) và không đánh số (U). Information(128-1024 Vùng chứa dữ liệu cần truyền. bytes) FCS (Frame Check Vùng chứa mã kiểm soát lỗi, dùng phương pháp đa thức Sequence- 8 bit) CRC-CCITT= X16 + X12 + X5 +1 Giá trị 8 bit của trường control hình thành 3 loại khung như sau: 79/244
Cấu trúc trường điều khiển trong khung HDLC Giao thức HDLC sử dụng một cửa sổ trượt với số thứ tự khung 3 bít. Trường seq trong khung I để chỉ số thứ tự của khung thông tin hiện tại. Trường Next để chỉ số thứ tự của khung thông tin mà bên gởi đang chờ nhận ( thay vì là khung đã nhận tốt như giao thứ cửa sổ trượt đã giới thiệu ở phần trước). Bit P/F có ý nghĩa là Poll/Final, tức chọn hoặc kết thúc. Khi máy tính chính mời một máy phụ truyền tin, thì bit này được đặt lên 1 có ý nghĩa là P (Poll, chọn). Ngược lại khi thông tin được truyền từ máy phụ lên máy chính thì nó được đặt xuống 0, để báo với máy chính rằng máy phụ hiện tại vẫn còn dữ liệu để gởi đi. Khi máy phụ gởi khung cuối cùng, bit này được đặt lên 1, có ý nghĩa là F (Final, kết thúc), để báo cho máy chính biết rằng nó đã hoàn thành việc truyền tải thông tin. Khung S(Supervisory Frame)là khung điều khiển, dùng để kiểm soát lỗi và luồng dữ liệu trong quá trình truyền tin. Khung S có 4 kiểu được xác định bởi tổ hợp giá trị của 2 bit trong trường Type. RR (Receive Ready), là khung báo nhận, thông báo sẵn sàng nhận dữ liệu, đã nhận tốt đến khung Next-1, và đang đợi nhận khung Next. Được dùng đến SS=00 khi không còn dữ liệu gởi từ chiều ngược lại để vừa làm báo nhận (figgyback) REJ (Reject): đây là một khung báo không nhận (negative acknowledge), SS=01 yêu cầu gởi lại các khung, từ khung Next. RNR (Receive Not Ready): thông báo không sẵn sàng nhận tin, đã nhận đến SS=10 đến khung thứ Next-1, chưa sẵn sàng nhận khung Next SS=11 SREJ (Selective Reject): yêu cầu gởi lại một khung có số thức tự là Next Khung U (Unnumbered Frame) thường được sử dụng cho mục đích điều khiển đường truyền, nhưng đôi khi cũng được dùng để gởi dữ liệu trong dịch vụ không nối kết. Các lệnh của khung U được mô tả như sau: 80/244
Lệnh này dùng để thiết lập chế độ truyền tải SABM (Set Asynchronous 1111P100 Balanced Mode). Lệnh này dùng để thiết lập chế độ truyền tải SNRM (Set Normal 1100P001 Response Mode). Lệnh này dùng để thiết lập chế độ truyền tải SARM (Set Asynchronous 1111P000 Response Mode). 1100P010 Lệnh này để yêu cầu xóa nối kết DISC (Disconnect). UA (Unumbered Acknowledgment). Được dùng bởi các trạm phụ để báo 1100F110 với trạm chính rằng nó đã nhận và chấp nhận các lệnh loại U ở trên. CMDR/FRMR (Command Reject/Frame Reject). Được dùng bởi trạm 1100F001 phụ để báo rằng nó không chấp nhận một lệnh mà nó đã nhận chính xác. Một vài kịch bản về giao thức HDLC Kịch bản (a) mô tả các khung liên quan trong quá trình thiết lập và xóa nối kết. Đầu tiên một trong hai bên giao tiếp sẽ gởi khung SABM sang bên kia và thiết lập một bộ đếm thời gian. Bên phía còn lại khi nhận được khung SABM sẽ trả lời bằng khung UA. Bên yêu cầu nối kết khi nhận được khung UA sẽ xóa bỏ bộ đếm thời gian. Nối kết đã được hình thành và hai bên có thể truyền khung qua lại cho nhau. Nối kết sẽ xóa đi nếu một trong hai bên giao tiếp gởi khung DISC. Trong một trường hợp khác, nếu sau một khoảng thời gian trôi qua, bên yêu cầu nối kết không nhận được khung UA, nó sẽ cố gắng gởi lại khung SABM một số lần qui định. Nếu vẫn không nhận được khung UA, bên yêu cầu nối kết sẽ thông báo lỗi lên tầng cao hơn. 81/244
Một vài kịch bản của HDLC Kịch bản (b) mô tả tiến trình trao đổi khung I giữa hai bên. Ta thấy rằng bên A gởi liên tiếp các khung (I,1,1 và I,2,1) mà không nhận được khung báo nhận thì số thứ tự của khung chờ nhận vẫn không thay đổi, trong trường hợp này là 1. Ngược lại khi bên B nhận liên tiếp các khung (I,1,1 và I,2,1) mà không gởi khung nào đi, thì khung chờ nhận kế tiếp của khung thông tin truyền đi phải là số kế tiếp của khung vừa nhận, là 3. Trong kịch bản (c) máy A không thể xử lý kịp các khung do B gởi đến vì thế nó gởi khung RNR để yêu cầu B tạm dừng việc việc truyền tải. Bên B định kỳ gởi thăm dò bên 82/244
A bằng cách gởi khung RR với bit P được đặt lên 1. Nếu bên A vẫn chưa thể nhận thông tin từ bên B nó sẽ trả lời bằng khung RNR, ngược lại nếu A đã sẵn sàng thì nó sẽ trả lời bằng khung RR. Trong kịch bản (d), bên A gởi sang B ba khung thông tin 3,4 và 5. Khung 4 bị mất hoàn toàn trên đường truyền. Khi bên B nhận được khung 5, nó sẽ bỏ qua khung này vì sai thứ tự khung. B gởi REJ với trường Next là 4 để yêu cầu A gởi lại tất cả các khung từ khung số 4. Kịch bản (e) minh họa cách thức phục hồi lỗi dựa vào thời gian (timeout). Khung số 3 bị lỗi và do đó B bỏ nó. B không thể gởi khung REJ vì nó không thể xác định được đó có phải là khung I hay không. Bên A sau một khoảng thời gian trôi qua không thấy khung trả lời từ B, nó sẽ gởi khung RR với bit P=1 để kiểm tra trạng thái của bên kia. Bên B sẽ đáp lại bằng khung RR với trường Next là 3 để báo hiệu khung số 3 đã mất. Sau đó A sẽ truyền lại khung số 3. Giao thức Điểm nối điểm (PPP- Point-to-Point Protocol) PPP là một giao thức đặc biệt quan trọng trong mạng Internet. Nó cho phép truyền tải thông tin giữa các router trên mạng hay để cho phép nối các máy tính người dùng vào mạng của nhà cung cấp dịch vụ Internet (ISP). Sơ đồ nối kêt của giao thức PPP Giao thức PPP được định nghĩa trong RFC (Request For Comments) 1661 và sau đó được mở rộng thêm bằng các RFC 1662, RFC 1663. PPP thực hiện chức năng phát hiện lỗi trên dữ liệu truyền, hỗ trợ nhiều giao thức vận hành trên nó, phân phối địa chỉ IP khi máy tính nối kết vào mạng, kiểm tra quyền đăng nhập và nhiều tính năng khác. PPP cung cấp 3 đặc tính sau: Định nghĩa một phương pháp định khung cùng với phương pháp phát hiện lỗi. 83/244
1. Giao thức điều khiển đường truyền cho phép thiết lập kênh giao tiếp, kiểm tra kênh, thỏa thuận về các thông số truyền tin và xóa kênh truyền khi không cần thiết nữa. Giao thức này được gọi là giao thức LCP ( Link Control Protocol). 2. Có phương pháp thương lượng về các tùy chọn tầng mạng một cách độc lập với giao thức mạng được sử dụng. Phương pháp được chọn lựa NCP (Network Control Protocol) khác nhau cho mỗi giao thức mạng. Để hiểu rõ về giao thức PPP, ta xét trường hợp quay số nối kết máy tính ở nhà vào mạng của một ISP. Đầu tiên máy tính các nhân sẽ quay số thông qua modem đến router của ISP. Router sẽ tiếp nhận cuộc gọi và một nối kết vật lý được hình thành. Máy tính sẽ gởi một loạt các gói tin theo giao thức LCP trong một hoặc nhiều khung của giao thức PPP để thỏa thuận về các thông số mà PPP sẽ sử dụng. Sau đó một loạt các gói tin của giao thức NCP sẽ được gởi đi để thực hiện cấu hình tầng mạng. Thông thường máy tính muốn sử dụng giao thức TCP/IP nên nó cần một địa chỉ IP. Giao thức NCP sẽ gán địa chỉ IP cho máy tính. Từ lúc này, máy tính đóng vai trò như một máy trên mạng Internet. Nó có thể gởi và nhận các gói tin của giao thức IP. Khi người dùng kết thúc, NCP xóa đi nối kết của tầng mạng và giải phóng địa chỉ IP của máy tính để sử dụng cho các máy tính khác nối vào sau đó. Giao thức LCP sẽ xóa nối kết của tầng liên kết dữ liệu. Và cuối cùng máy tính sẽ yêu cầu modem kết thúc cuộc gọi (Hang up) và giải phóng nối kết ở tầng vật lý. Khung của giao thức PPP tương tự như khung của giao thức HDLC, tuy nhiên đây là khung theo kiểu hướng ký tự. Nó sử dụng kỹ thuật byte độn. Cấu trúc khung của giao thức PPP PPP sử dụng byte đặc biệt 01111110 để làm cờ đánh dấu điểm bắt đầu và kết thúc của khung. Địa chỉ 11111111 để chỉ rằng tất cả các trạm đều nhận khung. Nhờ đó giao thức LCP không cần thiết phải đánh địa chỉ cho các trạm. Trường Control có giá trị 00000011 để biểu thị rằng giao thức không sử dụng cơ chế báo nhận dựa trên số thứ tự của khung. Trường Protocol để xác định phần gói tin được chứa đựng trong phần Payload được định nghĩa bởi giao thức mạng nào. Mỗi protocol đã được qui định một giá trị riêng. Bit đầu 84/244
tiên là 0 được sử dụng cho các giao thức mạng IP, IPX, OSI CLNP, XNS. Kích thước mặc định là 2 bytes, tuy nhiên giao thức LCP có thể thỏa thuận để sử dụng 1 byte. Payload là nơi chứa gói tin với chiều dài khác nhau. Chiều dài tối đa mặc định là 1500 bytes, tuy nhiên LCP có thể thỏa thuận để thay đổi. Cuối cùng là trường checksum dùng để kiểm tra lỗi trong khung. 85/244
Chương 5: Mạng nội bộ Tổng quan về Lan Tổng quan về Lan Như đã trình bày trong phần 2.1, theo tiêu chí đánh giá là khoảng cách địa lý thì người ta thường phân loại mạng máy tính thành ba kiểu: • Mạng nội bộ - Local Area Network (LAN) • Mạng đô thị - Metropolitan Area Network (MAN) • Mạng diện rộng - Wide Area Network (WAN) Trong thực tế, LAN và WAN thường được cài đặt nhất. Mạng LAN được sử dụng để nối kết một dãi rộng các thiết bị trong một phạm vi hẹp, ví dụ: trên cùng một tầng, một tòa nhà hay một khuôn viên (thường không vượt quá 10Km). Ngày nay, LAN là loại mạng được sử dụng rất phổ biến trong mọi lĩnh vực của xã hội. Người ta thường nghĩ đến LAN như là mạng có thông lượng cao, độ trì hoãn thấp. Hiện tại có rất nhiều công nghệ xây dựng mạng LAN mà chúng ta sẽ xem xét đến ngay sau đây. Nhiều chuẩn mạng LAN đã được phát triển trong đó Ethernet và FDDI là phổ biến nhất. Người ta thường gọi chung họ các chuẩn mạng LAN là IEEE 802. Về góc độ kỹ thuật, LAN có các tính chất quan trọng sau: • Tất cả các host trong mạng LAN cùng chia sẻ đường truyền chung. Do đó chúng hoạt động dựa trên kiểu quảng bá (broadcast). • Không yêu cầu phải có hệ thống trung chuyển (routing/switching) trong một LAN đơn. Thông thường, một mạng LAN được định nghĩa dựa trên các thông số sau: • Hình thái (topology): Chỉ ra kiểu cách mà các host trong mạng được đấu nối với nhau. • Đường truyền chia sẻ (xoắn đôi, đồng trục, cáp quang): Chỉ ra các kiểu đường truyền mạng (network cables) được dùng để đấu nối các host trong LAN lại với nhau. (Xin xem lại mô tả chi tiết các kiểu đường truyền trong chương Tầng Vật Lý). 86/244
• Kỹ thuật truy cập đường truyền (Medium Access Control - MAC): Chỉ ra cách thức mà các host trong mạng LAN sử dụng để truy cập và chia sẻ đường truyền mạng. MAC sẽ quản trị việc truy cập đến đường truyền trong LAN và cung cấp cơ sở cho việc định danh các tính chất của mạng LAN theo chuẩn IEEE. 87/244
Hình thái mạng nội bộ Hình thái mạng Hình thái mạng sẽ xác định hình dáng tổng quát của một mạng. Hiện tại, người ta đã định nghĩa ra được nhiều hình thái mạng khác nhau tương ứng với những tính chất đặc thù của chúng. Hình thái mạng là tiêu chí bắt buộc dùng để xây dựng mạng LAN và nó chủ yếu quan tâm đến việc làm cho mạng được liên thông, che dấu chi tiết về các thiết bị thực đối với người dùng. Mạng hình sao Sơ đồ mạng hình sao Tất cả các máy tính trong mạng được đấu nối tới một thiết bị tập trung tín hiệu trung tâm. Thành phần trung tâm của mạng được gọi là Hub. Phương thức hoạt động của mạng hình sao như sau: Mọi máy tính đều phát tín hiệu ra Hub và Hub phát lại tín hiệu vào đến tất cả các đầu ra. Mỗi máy tính có một nối kết riêng lẻ đến Hub Mạng hình vòng Sơ đồ mạng hình vòng Không có thiết bị trung tâm trong sơ đồ nối mạng hình vòng. Đường nối kết mạng sẽ đi trực tiếp từ một máy tính đến máy tính khác. 88/244
Thực tế, có một đoạn cable ngắn nối máy tính với vòng. Mạng hình bus Sơ đồ mạng hình bus Với một đường truyền chia sẻ như thế thì sẽ có khả năng đụng độ xảy ra khi các máy tính cùng phát tín hiệu ra đường truyền cùng một lúc. Do đó, phải có giải pháp làm cho các máy tính hoạt động đồng bộ với nhau nhằm cho phép chỉ một máy tính truyền thông tin tại một thời điểm. 89/244
Lớp con MAC (Media Access Control Sublayer) Lớp con MAC (Media Access Control Sublayer) Như đã trình bày ở trên, chương này trình bày về mạng LAN – mạng dạng truyền quảng bá và các giao thức truyền quảng bá của nó. Trong bất kỳ mạng dạng quảng bá nào, vấn đề then chốt luôn là cách thức người ta quyết định ai có quyền truy cập kênh truyền tại một thời điểm. Để làm rõ vấn đề hơn, hãy xem xét ví dụ sau: Có sáu người đang họp thông qua hệ thống điện thoại, mọi người đều được nối kết để có thể nghe và nói với những người khác. Khi một người ngừng nói mà có hai người hoặc nhiều hơn cùng phát biểu tiếp sẽ tạo ra tình trạng lộn xộn. Trong các cuộc họp dạng gặp mặt trực tiếp, tình trạng lộn xộn này có thể được giải quyết bằng cách đưa tay xin phát biểu. Nhưng trong hệ thống hội thảo thông qua điện thoại này, khi mà đường truyền rảnh, việc quyết định ai sẽ nói tiếp có vẻ khó làm hơn. Đã có nhiều giao thức dùng giải quyết vấn đề trên. Và chúng chính là nội dung trình bày của phần này. Nói một cách khác, các kênh truyền dạng quảng bá thỉnh thoảng còn được gọi là các kênh đa truy cập (multiaccess channels) hay là các kênh truy cập ngẫu nhiên (random access channels). Các giao thức được sử dụng để quyết định ai có quyền truy cập đường truyền quảng bá trước được gom vào trong một lớp con của tầng liên kết dữ liệu gọi là lớp con MAC. Lớp con MAC là đặc biệt quan trọng trong mạng LAN, do nhiều mạng LAN sử dụng đường truyền dạng quảng bá như là phương tiện truyền thông nền tảng. Các mạng WAN, theo xu hướng ngược lại, lại dùng các nối kết dạng điểm-điểm (ngoại trừ các mạng dùng vệ tinh). Về cơ bản, có ba phương pháp điều khiển truy cập đường truyền: Chia kênh, truy cập ngẫu nhiên (Random Access) và phân lượt (“Taking-turns”). Giải thích cụ thể về ba phương pháp điều khiển truy cập đường truyền trên sẽ được trình bày ngay sau đây. Phương pháp chia kênh Ý tưởng chung của phương pháp này là: đường truyền sẽ được chia thành nhiều kênh truyền, mỗi kênh truyền sẽ được cấp phát riêng cho một trạm. Có ba phương pháp chia kênh chính: FDMA, TDMA, CDMA. Chia tần số (FDMA – Frequency Division Multiple Access) Một phương thức truyền thống để chia sẻ một kênh truyền đơn cho nhiều người dùng cạnh tranh là Chia tần số (FDMA). Phổ của kênh truyền được chia thành nhiều băng tần (frequency bands) khác nhau. Mỗi trạm được gán cho một băng tần cố định. Những 90/244