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

60 trang ngocly 1960

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình môn 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_mon_mang_may_tinh_phan_1_ngo_ba_hung.pdf

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

Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Mạng Máy Tính – V1.0 Chương 1: Tổng quan về mạng máy tính Mục đích Chương này nhằm giới thiệu cho người học những nội dung sau: • Các loại mạng truyền dữ liệu đã tồn tại trước khi của 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. Yêu cầu Sau khi học xong chương này, người học phải có được những khả năng sau: Phân biệt được hai loại mạng Chuyển mạch và Chuyển gói; Định nghĩa được mạng máy tính là gì và trình bày được cấu trúc tổng quát của một mạng máy tính. Nêu lên được những lợi ích mà mạng máy tính mang lại. Biên Sọan: Th.s Ngô Bá Hùng – Ks Phạm Thế Phi - 01/2005 1
Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Mạng Máy Tính – V1.0 1.1 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. 1.2 Mạng điện thoại Mạng điện thoại cho phép truyền thông tin dưới dạng âm thanh bằng cách sử dụng A hệ thống truyền tín hiệu tuần tự. Mạng điện thoại hoạt động B theo chế độ chuyển mạch H1.1 Mạng chuyển mạch định hướng nối kết (circuit switching), tức thiết lập đường nối kết tận hiến giữa hai bên giao tiếp trước M¸y chñ khi thông tin được truyền đi (connection oriented). (Host) 1.3 Mạng hướng đầu cuối Thiết bị đầu cuối (Dumb Terminal) 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 ThiÕt bÞ®Çu cuèi (Dumb Terminal) cuối đần độn (Dumb terminal) chỉ làm nhiệm vụ H1.2 Mạng hướng đầu cuối xuất nhập thông tin, giao tiếp với người sử dụng. Biên Sọan: Th.s Ngô Bá Hùng – Ks Phạm Thế Phi - 01/2005 2
Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Mạng Máy Tính – V1.0 1.4 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: H1.3 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 H1.4 Mạng diện rộng phức tạp (Access Network , physical media): Gồm các đường truyền tải thông tin. 1.4.1 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. 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). H1.5 Đường biên mạng Biên Sọan: Th.s Ngô Bá Hùng – Ks Phạm Thế Phi - 01/2005 3
Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Mạng Máy Tính – V1.0 1.4.1.1 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, 1.4.1.2 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 1.4.2 Đường trục mạng 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). H1.6 Mạng đường trục 1.4.2.1 Chuyển mạch (circuit switching) 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. 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 H1.7 Mạng chuyển mạch 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). Biên Sọan: Th.s Ngô Bá Hùng – Ks Phạm Thế Phi - 01/2005 4
Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Mạng Máy Tính – V1.0 1.4.2.2 Mạng chuyển gói 10 Mbs C Trong phương pháp này, thông tin A Ethernet statistical multiplexing trao đổi giữa hai máy tính (end systems) được phân thành những 1.5 Mbs gói tin (packet) có kích thước tối B đa xác định. queue of packets 45 Mbs Gói tin của những người dùng waiting for output khác nhau ( ví dụ của A và B) sẽ link chia sẻ nhau băng thông của kênh truyền. Mỗi gói tin sẽ sử dụng D E toàn bộ băng thông của kênh H1.8 Mạng chuyển gói 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. 1.4.2.3 So sánh mạng chuyển mạch và mạng chuyển gói Chuyển gói cho phép có nhiều người sử dụng mạng hơn: Giả sử: Một đường truyền 1 Mbit Mỗi người dùng được cấp 100Kbps khi truy N users cập “active” 1 Mbps link Thời gian active chiếm 10% tổng thời gian. Khi đó: H1.9 Chia sẻ đường truyền trong circuit-switching: cho phép tối đa 10 users mạng chuyển gói 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. 1.4.2.4 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. H1.10 Mạng truy cập Biên Sọan: Th.s Ngô Bá Hùng – Ks Phạm Thế Phi - 01/2005 5
Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Mạng Máy Tính – V1.0 1.4.3 Các lợi ích của mạng máy tính 1.4.3.1 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 1.4.3.2 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. 1.4.3.3 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. 1.4.3.4 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. 1.4.3.5 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. 1.4.3.6 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, Biên Sọan: Th.s Ngô Bá Hùng – Ks Phạm Thế Phi - 01/2005 6
Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Mạng Máy Tính – V1.0 Chương 2: Các thành phần của mạng máy tính Mục đích Chương này nhằm giới thiệu cho người học những vấn đề sau: • 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 Yêu cầu Sau khi học xong chương này, người học phải có được những khả năng sau: • Phân biệt được các loại mạng: mạng quảng bá, mạng chuyển mạch, mạng cục bộ, mạng diện rộng, mạng không dây, liên mạng, • Biện luận được sự cần thiết của tiếp cận phân lớp kiến trúc mạng trong việc thiết kế và xây dựng các hệ thống mạng máy • Phân biệt được các khái niệm quan trọng trong kiến trúc phần mềm mạng như dịch vụ mạng, giao diện mạng và giao thức mạng • Trình bày được ý nghĩa của mô hình OSI, chức năng cơ bản mỗi tầng trong mô hình Biên Sọan: Th.s Ngô Bá Hùng – Ks Phạm Thế Phi - 01/2005 7
Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Mạng Máy Tính – V1.0 2.1 Phần cứng mạng máy tính 2.1.1 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) 2.1.1.1 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. 2.1.1.2 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. 2.1.2 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: Đường kính mạng Vị trí của các máy tính Loại mạng 1 m Trong một mét vuông Mạng khu vực cá nhân 10 m Trong 1 phòng Mạng cục bộ, gọi tắt là mạng LAN 100 m Trong 1 tòa nhà (Local Area Network) 1 km Trong một khu vực 10 km Trong một thành phố Mạng thành phố, gọi tắt là mạng MAN (Metropolitan Area Network) 100 km Trong một quốc gia Mạng diện rộng, gọi tắt là mạng 1000 km Trong m ột châu lục WAN (Wide Area Network) 10000 km Cả hành tinh 2.1.2.1 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). 2.1.2.1.1 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 H2.1 Mạng hình Bus thì sẽ dẫn đến tình trạng đụng độ và trạng thái lỗi xẩy ra. Biên Sọan: Th.s Ngô Bá Hùng – Ks Phạm Thế Phi - 01/2005 8
Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Mạng Máy Tính – V1.0 2.1.2.1.2 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 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. H2.2 Mạng Ưu điểm của mạng hình sao là dễ dàng cài đặt, không dừng mạng khi nối thêm hình sao 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. 2.1.2.1.3 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 H2.3 Mạng hình vòng Đưa token trở lại vòng tròn để nút bên cạnh nhận token 2.1.2.2 Mạng đô thị 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. ô ị 2.1.2.3 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 H2.5 Mạng diện rộng (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). 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 H2.6 Lưu và chuyển tiếp trong mạng WAN vào trong một hàng chờ, kế đến router sẽ Biên Sọan: Th.s Ngô Bá Hùng – Ks Phạm Thế Phi - 01/2005 9
Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Mạng Máy Tính – V1.0 quyết định nơi gói tin cần phải đến và sau đó sẽ chuyển gói tin lên đường đã được chọn. 2.1.3 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: 2.1.3.1 Nối kết hệ thống (System interconnection) 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 , Hình 2.7 (a) Thiết bị không dây, (b) Mạng cục bộ không dây 2.1.3.2 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. 2.1.3.3 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 H2.9 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. 2.1.4 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 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. Biên Sọan: Th.s Ngô Bá Hùng – Ks Phạm Thế Phi - 01/2005 10
Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Mạng Máy Tính – V1.0 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. 2.2 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. 2.2.1 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 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. Biên Sọan: Th.s Ngô Bá Hùng – Ks Phạm Thế Phi - 01/2005 11
Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Mạng Máy Tính – V1.0 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: (1) (15) (2) (14) (13) (3) (4) (12) (5) (6) (7) (8) (9) (10) (11) H2.10 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). 2.2.2 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. Biên Sọan: Th.s Ngô Bá Hùng – Ks Phạm Thế Phi - 01/2005 12
Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Mạng Máy Tính – V1.0 A : Tầng ứng dụng B : Tầng quản lý thông điệp C : Tầng vật lý H2.11 Ứng dụng 3 tầng • 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. Tập tin Khung Tín hiệu H2.12 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. 2.2.3 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: Loại Dịch vụ Ví dụ Có Luồng thông điệp tin cậy Ví dụ gởi tuần tự các trang nối ( Reliable message stream) kết Luồng byte tin cậy Đăng nhập từ xa ( Reliable byte stream) Biên Sọan: Th.s Ngô Bá Hùng – Ks Phạm Thế Phi - 01/2005 13
Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Mạng Máy Tính – V1.0 Nối kết không tin cậy Âm thanh số (Unreliable connection) Thư tín không tin cậy Mail theo kiểu bó (Unreliable datagram) Không Thư tín có báo nhận Mail được đăng ký nối (Acknowledged datagram) kết Yêu cầu - trả lơi Truy vấn cơ sở dữ liệu (Request – Reply) 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. 2.2.3.1 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: Server Client LISTEN CONNECT RECIEVE SEND SEND RECIEVE DISCONNECT DISCONNECT H2.13 Mô hình dịch vụ có nối kết 2.2.3.2 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. Biên Sọan: Th.s Ngô Bá Hùng – Ks Phạm Thế Phi - 01/2005 14
Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Mạng Máy Tính – V1.0 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 ) H2.14 Quan hệ giữa dịch vụ và giao thức 2.3 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) Biên Sọan: Th.s Ngô Bá Hùng – Ks Phạm Thế Phi - 01/2005 15
Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Mạng Máy Tính – V1.0 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 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) H2.15-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 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 Biên Sọan: Th.s Ngô Bá Hùng – Ks Phạm Thế Phi - 01/2005 16
Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Mạng Máy Tính – V1.0 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. H2.16 - Kiến trúc của một số hệ điều hành mạng thông dụng Biên Sọan: Th.s Ngô Bá Hùng – Ks Phạm Thế Phi - 01/2005 17
Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Mạng Máy Tính – V1.0 Chương 3: Tầng vật lý Mục đích Chương này nhằm giới thiệu những nội dung cơ bản sau: • Giới thiệu 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 • Giới thiệu các phương pháp số hóa thông tin • Giới thiệu về đặc điểm kênh truyền, tính năng kỹ thuật của các loại cáp truyền dữ liệu • Giới thiệu các hình thức mã hóa dữ liệu số để truyền tải trên đường truyền Yêu cầu Sau khi học xong chương này, người học phải có được những khả năng sau: • Liệt kê được những vấn đề cơ bản có liên quan đến một hệ thống truyền dữ liệu • Mô tả được các hình thức số hóa thông tin • Phân biệt và tính toán được các đại lượng liên quan đến đặc tính của một kênh truyền như: Băng thông, tần số biến điệu, tốc độ dữ liệu, nhiễu, dung lượng và giao thông của một kênh truyền • Mã hóa được dữ liệu số nhờ vào các tín hiệu số và tuần tự theo các kỹ thuật khác nhau. Biên Sọan: Th.s Ngô Bá Hùng – Ks Phạm Thế Phi - 01/2005 18
Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Mạng Máy Tính – V1.0 3.1 Giới thiệu Về cơ bản, một hệ thống mạng truyền dữ liệu đơn giản nhất được mô tả như sau: H3.1 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. 3.2 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. Lời nói : Ánh tĩnh : Hệ thống : điện thoại Hệ thống: fax Bộ mã hóa : micro Bộ mã hóa : scanner Bộ giải mã : Loa Bộ giải mã : Bộ thông dịch tập tin Truyền tải : tín hiệu tuần tự hay tín Truyền tải : Tín hiệu tuần tự hoặc tín hiệu số hiệu số. Dữ liệu tin học : Hệ thống : mạng truyền tin. Truyền hình : Bộ mã hóa : Bộ điều khiển truyền Hệ thống : truyền quảng bá thông. Bộ mã hóa : caméra Bộ giải mã:Bộ điều khiển truyền Bộ giải mã : bộ thu TV + antenne thông Truyền tải : Tín hiệu tuần tự hoặc tín Truyền tải : Tín hiệu tuần tự hoặc tín hiệu số. hiệu số. 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 Biên Sọan: Th.s Ngô Bá Hùng – Ks Phạm Thế Phi - 01/2005 19
Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Mạng Máy Tính – V1.0 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: H3.2 Sơ đồ số hóa dữ liệu 3.2.1 Số hóa văn bản 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. H3.3 Mã Morse 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. Biên Sọan: Th.s Ngô Bá Hùng – Ks Phạm Thế Phi - 01/2005 20
Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Mạng Máy Tính – V1.0 H3.4 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. 3.2.2 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). Ảnh gốc Ảnh 1 độ phân giải Ảnh đã số hóa H3.5 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) ; Biên Sọan: Th.s Ngô Bá Hùng – Ks Phạm Thế Phi - 01/2005 21
Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Mạng Máy Tính – V1.0 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. 3.2.3 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: Biên độ Tín hiệu tuần tự 1 - Lấy mẫu Tín hiệu được lấy mẫu: với tần số f, ta đo biên độ của tín hiệu, như thế ta được một loạt các số đo. thời gian H3.6 Lấy mẫu Biên độ 2 - Lượng hóa Ta xác định một thang đo với các giá trị là lũy thừa của 2 ( 2p ) và thực hiện việc lấy tương ứng các số đo vào giá trị thanh đo. thời gian H3.7 Lượng hóa 3- Mã hóa Mỗi một giá trị sau đó được mã hóa thành các giá trị nhị phân và đặt vào trong các tập tin. 011001100110111110101110110010 H3.8 Mã hóa 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). 3.3 Các loại kênh truyền 3.3.1 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 Biên Sọan: Th.s Ngô Bá Hùng – Ks Phạm Thế Phi - 01/2005 22
Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Mạng Máy Tính – V1.0 3.3.1.1 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. H3.9 (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) 3.3.1.2 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) H3.10 Cáp đồng trục • Cáp đồng trục gầy, ký hiệu RG-58AU, được dùng trong chuẩn mạng Ethernet 10Base2. H3.11 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) Biên Sọan: Th.s Ngô Bá Hùng – Ks Phạm Thế Phi - 01/2005 23
Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Mạng Máy Tính – V1.0 H3.12 Đầu nối chữ T và BNC 3.3.1.3 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. H3.13 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 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. Chiết suất n2 Tia sáng laser Chiết suất n1 H3.14 Cáp quang chế độ đơn - chế độ đa không thẩm thấu - chế độ đa thẩm thấu Biên Sọan: Th.s Ngô Bá Hùng – Ks Phạm Thế Phi - 01/2005 24
Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Mạng Máy Tính – V1.0 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). 3.3.2 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 H3.15 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. 3.4 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. Biên Sọan: Th.s Ngô Bá Hùng – Ks Phạm Thế Phi - 01/2005 25
Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Mạng Máy Tính – V1.0 Cường độ Cường độ Thời gian Thời g ian H3.16 Tín hiệu tuần tự : được biểu diễn bằng một độ lớn vật H3.17 Tín hiệu số : được biểu diễn bởi một độ lớn vật lý với một lý thay đổi một cách liên tục vài giá trị xác định riêng rời 3.4.1 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. vin(t) vout(t) H3.18 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 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 pha F 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: Biên Sọan: Th.s Ngô Bá Hùng – Ks Phạm Thế Phi - 01/2005 26
Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Mạng Máy Tính – V1.0 Cường độ Độ giảm thế Thời gian Tín hiệu vào Tín hiệu ra H3.19 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) Hình bên mô tả đồ thị biểu diễn mối tương quan giữa độ suy giảm và tần số sóng phát trên một kênh truyền nào đó. Ta thấy rằng tần số tối ưu nhất là f0 và như thế, nếu chúng ta muốn độ suy giảm là nhỏ nhất thì chúng ta sẽ chọn sóng phát hình sin có tần số càng gần f 0 Tần số càng tốt. H3.20 Tương quan giữa tần số và độ suy giảm của tín hiệu 3.4.2 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. 3.4.3 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. Biên Sọan: Th.s Ngô Bá Hùng – Ks Phạm Thế Phi - 01/2005 27
Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Mạng Máy Tính – V1.0 A(db) Băng thông W f H3.21 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. 3.4.4 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 Cường độ liệu: Ví dụ 1 : Truyền tải các dữ liệu số bằng các tín hiệu tuần tự. Ta 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 Thời gian 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 D thứ nhất truyền bit “0” và tín hiệu thứ hai truyền bit R = 1/∆ D = R "1". Nhịp được sử dụng để đưa các tín hiệu lên đường truyền bằng với nhịp truyền các bit bởi vì Cường độ 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. H3.22 Biến điệu tần số Thơigian 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 R = 1/∆ D = 2R Biên Sọan: Th.s Ngô Bá Hùng – Ks Phạm Thế Phi - 01/2005 28
Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Mạng Máy Tính – V1.0 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 Cường độ hiệu số. 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 Thời gian 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 = R = 1/ ∆ D =3 R n R, ta có thể tăng tốc độ bit bằng cách H3.24 Biến điệu biên độ tăng một trong các yếu tố sau: o Hoặc tăng n (số bit truyền tải bởi một tín hiệu), tuy nhiên nhiễu là một rào cản quan trọng. o 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 3.4.5 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 Cường độ Tín hiệu bị Nhiễu Thời gian Tín hiệu truyền H3.25 Nhiễu trên kênh truyền 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: Biên Sọan: Th.s Ngô Bá Hùng – Ks Phạm Thế Phi - 01/2005 29
Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Mạng Máy Tính – V1.0 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 . 3.4.6 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. Giao dịch Khoảng (gói tin có độ dài im lặng trung bình p) 1 phiên giao dịch độ dài T=Nt 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: Biên Sọan: Th.s Ngô Bá Hùng – Ks Phạm Thế Phi - 01/2005 30
Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Mạng Máy Tính – V1.0 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 3.5 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). 3.5.1 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: a) NRZ : Điện thế mức 0 để thể hiện bit 0 và điện thế khác không V0 cho bit "1" b) RZ : Mỗi bit "1" được thể hiện bằng một chuyển đổi điện thế từ V0 về 0. c) Lưỡng cực NRZ : Các bit "1" được mã hóa bằng một điện thế dương, sau đó đến một điện thế âm và tiếp tục như thế. bipolar d) Lưỡng cực RZ : Mỗi bit “1” được thể hiện bằng một chuyển đổi từ điện thế khác không về điện thế không. Giá trị của điện thế khác không đầu tiên là dương sau đó bipolar là âm và tiếp tục chuyển đổi qua lại như thế. Mã hóa hai pha (biphase): Các mã loại này được định nghĩa so với phương pháp mã NRZ như sau: Dữ liệu truyền a) Mã hai pha thống nhất đôi khi còn gọi là mã Xung đồng hồ Manchester: bit "0" được thể hiện bởi một chuyển đổi từ tín hiệu dương về tín hiệu âm và ngược lại một bit “1” được thể hiện bằng một chuyển đổi từ tín hiệu âm về tín Mã 2 pha thống nhất hiệu dương. b) Mã hai pha khác biệt : Nhảy một pha 0 để thể hiện bit Mã 2 pha khác biệt “0” và nhảy một pha Pi để thể hiện bit "1". H3.26 Mã hóa đường truyền bằng tín hiệu số Biên Sọan: Th.s Ngô Bá Hùng – Ks Phạm Thế Phi - 01/2005 31
Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Mạng Máy Tính – V1.0 3.5.2 Mã hóa đường truyền bằng tín hiệu tuần tự Thông thường người ta sử dụng một sóng mang hình sin v(t) = V sin(t + ) 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 , ta có biến điệu tần số ( Frequency modulation) Thay đổi , 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). a) Sử dụng tín hiệu số theo mã NRZ b) Sử dụng biến điệu biên độ c) Sử dụng biến điệu tần số d) Sử dụng biến điệu pha e) Sử dụng biến điệu pha H3.26 Mã hóa đường truyền bằng tín hiệu hiệu tuần tự Biên Sọan: Th.s Ngô Bá Hùng – Ks Phạm Thế Phi - 01/2005 32
Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Mạng Máy Tính – V1.0 Chương 4: Tầng liên kết dữ liệu ( Data link layer ) Mục đích Chương này nhằm giới thiệu cho người học những nội dung chủ yếu sau: • 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 • Giới thiệu 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. • Giới thiệu các giao thức điều khiển lỗi cho phép theo dõi tình trạng lỗi của dữ liệu gởi đi • Giới thiệu các giao thức xử lý lỗi, chỉ ra các cách giải quyết trường hợp dữ liệu truyền đi bị lỗi. Yêu cầu Sau khi học xong chương này, người học phải có được các khả năng sau: • Biện luận được vai trò của tầng liên kết dữ liệu trong vấn đề xử lý lỗi dữ liệu truyền nhận • Trình bày được các phương pháp định khung đếm ký tự, phương pháp sử dụng byte là cờ và phương pháp sử dụng cờ đặc biệt • Phân biệt được sự khác nhau giữa các chức năng phát hiện lỗi, điều khiển lỗi và xử lý lỗi của tầng hai. • Cài đặt được cơ chế phát hiện lỗi theo các phương pháp kiểm tra chẵn lẽ, Phương pháp kiểm tra theo chiều dọc và Phương pháp kiểm tra phần dư tuần hoàn • Cài đặt được các giao thức điều khiển lỗi Dừng và chờ, giao thức cửa sổ trượt • Cài đặt được giao thức xử lý lỗi Go-Back-N và giao thức Selective Repeat • Trình bày được ý tưởng cơ bản của giao thức HDLC Biên Sọan: Th.s Ngô Bá Hùng – Ks Phạm Thế Phi - 01/2005 33
Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Mạng Máy Tính – V1.0 4.1 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 4.1.1 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). H4.1 Vị trí và chức năng của tầng liên kết dữ liệu 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. 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. 4.1.2 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. 4.1.3 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) Biên Sọan: Th.s Ngô Bá Hùng – Ks Phạm Thế Phi - 01/2005 34
Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Mạng Máy Tính – V1.0 Sử dụng cờ bắt đầu và kết thúc khung cùng với các bit độn (Starting and ending flags with bit stuffing) 4.1.3.1 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. H4.2 Định khung bằng phương pháp đếm ký tự 4.1.3.2 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 H4.3 (a)Khung được đánh dấu bởi cờ hiệu, (b) Dữ liệu có chứa cờ hiệu và byte ESC. 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. 4.1.3.3 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 thêm vào bit 0. Biên Sọan: Th.s Ngô Bá Hùng – Ks Phạm Thế Phi - 01/2005 35
Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Mạng Máy Tính – V1.0 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. 4.1.4 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. 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. 4.1.5 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. Biên Sọan: Th.s Ngô Bá Hùng – Ks Phạm Thế Phi - 01/2005 36
Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Mạng Máy Tính – V1.0 4.2 Vấn đề xử lý lỗi 4.2.1 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. Thông tin Thông tin Thông tin hữu ích Bộ Bộ hữu ích Thiết bị Thiết bị hữu ích gởi mã hóa giải mã nhận + Thông tin điều khiển H4.5 Mô hình xử lý lỗi trong truyền dữ liệu 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. 4.2.2 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) 4.2.2.1 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. Biên Sọan: Th.s Ngô Bá Hùng – Ks Phạm Thế Phi - 01/2005 37
Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Mạng Máy Tính – V1.0 4.2.2.2 Kiểm tra thêm theo chiều dọc (Longitudinal Redundancy Check or Checksum) Có thể cải thiện sơ đồ trên bằng cách Parity bits dùng phương pháp LRC. Trong phương pháp này, khung được xem như một khối nhiều ký tự được sắp 1 0 1 1 0 1 1 1 xếp theo dạng hai chiều, và việc kiểm tra được thực hiện cả chiều ngang lẫn 1 1 0 1 0 1 1 1 chiều dọc. Theo chiều ngang, mỗi ký tự được thêm vào một bit kiểm tra chẵn lẽ Data bits 0 0 1 1 1 0 1 0 như trường hợp trên, và được gọi là bit Kiểm tra chiều ngang VRC 1 1 1 1 0 0 0 0 (Vertical Redundancy Check). Theo chiều dọc, cung cấp thêm một 1 0 0 0 1 0 1 1 ký tự kiểm tra, được gọi là ký tự Kiểm tra chiều dọc LRC 0 1 0 1 1 1 1 1 (Longitudinal Redundancy Check) hay Checksum. Trong đó, bít thứ i của ký tự này chính là bit kiểm tra LRC bits 0 1 1 1 1 1 1 0 cho tất cả các bit thứ i của tất cả các H4.6 Kiểm tra chiều dọc tuần hoàn 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. 4.2.2.3 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 + 1010 x 11 0101 11001 11001 101011 Biên Sọan: Th.s Ngô Bá Hùng – Ks Phạm Thế Phi - 01/2005 38
Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Mạng Máy Tính – V1.0 Giả sử ta có: o M: Thông điệp k bit cần được gởi sang bên nhận. o 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. o 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: o Nối r bit 0 vào cuối M, hay thực hiện phép nhân M với 2r o Dùng phép chia modulo 2 chia chuỗi bit M*2r cho P. o Phần dư của phép chia sẽ được cộng với M*2r tạo thành khung T truyền đi. o Trong đó P được chọn dài hơn F một bit, và cả hai bit cao nhất và thấp nhất phải là 1 Ví dụ: o Giả sử ta có: M = 1010001101 (10 bit) P = 110101 (6 bit) FCS cần phải tính toán ( 5 bit) o 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 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0 ( Q : Kết quả phép chia) (P) 1 1 0 1 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 ( M*2r) 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 = F Biên Sọan: Th.s Ngô Bá Hùng – Ks Phạm Thế Phi - 01/2005 39
Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Mạng Máy Tính – V1.0 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 Những phép toán trên đa thức vẫn là modulo 2. Quá trình tính CRC được mô tả dưới dạng các biểu thức sau: XMn ()X RX() 1. =+QX() PX() PX() 2. TX()=+Xn M()X R()X Các version thường được sử dụng của P là : CRC-12 = X12 + X11 + X3 + X2 + X + 1 CRC-16 = X16 + X15 + X2 + 1 CRC-CCITT = X16 + X12 + X5 + 1 CRC-32 = X32 + X26 + X23 + X22 + X16 + X12 + X11 + X10 + X8 + X7 + X5 + X4 + X2 + X +1 Ví dụ: Cho: M=1010001101, P=110101 Ta có: r=5 M(x)= x9+x7+x3+x2+1 x5M(x)= x14+x12+x8+x7+x5 P(x) = x5+x4+x2+1 Thực hiện phép toán: => Q(x)= x9+ x8+ x6+x4+x2 +x1 F(x)= x3+ x2+ x1 <> 01110 Ö Khung cần truyền đi là T= 101000110101110 4.3 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: Biên Sọan: Th.s Ngô Bá Hùng – Ks Phạm Thế Phi - 01/2005 40
Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Mạng Máy Tính – V1.0 /* Kích thước tối đa của một gói tin */ /* Kiểu luận lý */ /* Số thứ tự của khung gởi hoặc khung báo nhận*/ packet; /* Định nghĩa kiểu của gói tin */ /* Các loại khung */ /* Kiểu dữ liệu của khung: */ //Loại khung //Số thứ tự của khung gởi đi //Số thức tự của khung muốn báo nhận //Thông tin gởi nhận, // là gói tin nhận của tầng mạng /* Chờ một sự kiện xuất hiện; trả về kiểu của sự kiện */ /* Nạp gói tin nhận được từ tầng mạng vào khung để gởi đi */ /* Chuyển dữ liệu từ khung nhận được cho tầng mạng */ /* Nhận khung đến từ tầng vật lý và lưu nó vào khung r */ /* Chuyển một khung xuống tầng vật lý để truyền đi */ /* Khởi động đồng hồ và bật sự kiện quá thời hạn cho khung thứ k đang gởi đi */ /* Dừng đồng hồ và tắt sự kiện quá thời hạn cho khung thứ k đang gởi đi */ /* Khởi động đồng hồ phụ và bật sự kiện quá thời hạn cho khung phản hồi*/ /* Dừng đồng hồ phụ và tắt sự kiện quá thời hạn cho khung phản hồi*/ /* Cho phép tầng mạng tạo sự kiện tầng mạng đã sẵn sàng */ /* Cấm tầng mạng tạo sự kiện tầng mạng đã sẵn sàng */ /* Macro để tăng giá trị K theo kiểu quay vòng */ Biên Sọan: Th.s Ngô Bá Hùng – Ks Phạm Thế Phi - 01/2005 41
Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Mạng Máy Tính – V1.0 4.3.1 Giao thức truyền đơn công không ràng buộc (Unrestricted Simplex Protocol) Protocol 1 (utopia) được dùng cho việc truyền tải thông tin theo một chiều từ người gởi sang người nhận. Kênh truyền được giả định là không có lỗi và bên nhận được giả định rằng có thể xử lý được hết tất cả các thông tin gởi đến một cách nhanh chóng. Chính vì thế mà bên gởi chỉ đơn thuần thực hiện một vòng lặp đưa dữ liệu lên đường truyền với tốc độ nhanh nhất có thể. /* Vùng đệm để chứa khung gởi đi */ /* Vùng đệm để chứa gói tin gởi đi */ /* Nhận gói tin từ tầng mạng để gởi đi */ /* Đưa gói tin vào khung để gởi đi */ /* Gởi khung xuống tầng vật lý để gởi lên đường truyền */ /* Chờ sự kiện, chỉ xuất hiện khi khung đến */ /* Nhận khung từ tầng vật lý */ /* Lấy thông tin ra khỏi khung và gởi lên tầng mạng */ P4.1 Giao thức truyền đơn công không ràng buộc Biên Sọan: Th.s Ngô Bá Hùng – Ks Phạm Thế Phi - 01/2005 42
Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Mạng Máy Tính – V1.0 4.3.2 Giao thức truyền đơn công dừng và chờ (Simplex Stop-and-wait Protocol) Giao thức Stop-and-wait cũng được thiết kế cho các cuộc truyền tải thông tin một chiều từ người gởi sang người nhận. Kênh truyền tải thông tin một lần nữa cũng được giả định rằng không có lỗi như giao thức Unrestricted Simplex Protocol. Tuy nhiên, trong trường hợp này, bên nhận chỉ có một vùng lưu trữ có khả năng hạn chế và một tốc độ xử lý giới hạn, vì thế giao thức phải được thiết kế dự phòng cho trường hợp dữ liệu máy gởi đến nhanh làm tràn vùng lưu trữ thông tin của bên nhận. /* Vùng đệm để chứa khung gởi đi */ /* Vùng đệm để chứa gói tin gởi đi */ /* Sự kiện báo hiệu khung đến */ /* Nhận gói tin từ tầng mạng để gởi đi */ /* Đưa gói tin vào khung để gởi đi */ /* Gởi khung xuống tầng vật lý để gởi lên đường truyền */ /* Chờ sự kiện đến của khung báo nhận gởi về từ bên gởi*/ /* Chờ sự kiện, chỉ xuất hiện khi khung đến */ /* Nhận khung từ tầng vật lý */ /* Lấy thông tin ra khỏi khung và gởi lên tầng mạng */ /* Gởi khung báo nhận sang bên gởi */ P4.2 Giao thức truyền đơn công truyền và chờ Biên Sọan: Th.s Ngô Bá Hùng – Ks Phạm Thế Phi - 01/2005 43
Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Mạng Máy Tính – V1.0 4.3.3 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. ¾ 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. ¾ 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. ¾ 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. /* Giá trị tối đa của số thứ tự khung là 1 */ /* Số thứ tự của gói tin của lần gởi kế tiếp */ /* Khung để gởi dữ liệu đi */ /* Vùng lưu trữ cho gói tin gởi */ /* Khởi động số thứ tự cho khung gởi */ /* Nhận gói tin đầu tiên từ tầng mạng để gởi đi */ /* Xây dựng khung để gởi đi */ /* Đánh số thứ tự cho khung */ /* Gởi khung xuống tầng vật lý để truyền đi */ /* Nếu khung báo nhận đến chậm, tạo sự kiện time-out */ /* Số thứ tự của gói tin chờ nhận kế tiếp */ /* Khung nhận và khung báo nhận */ /* Khởi động số thứ tự cho khung nhận */ /* Chờ một sự kiện xảy ra*/ /* Nếu là sự kiện khung đến */ /* - Nhận khung dữ liệu từ tầng vật lý */ /* - Nếu đúng là khung đang chờ */ /* - Gởi dữ liệu nhận được lên tầng mạng */ ố P4.3 Giao thức truyền đơn công cho kênh truyền có nhiễu Biên Sọan: Th.s Ngô Bá Hùng – Ks Phạm Thế Phi - 01/2005 44
Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Mạng Máy Tính – V1.0 4.4 Giao thức của sổ trượt (Sliding windows) 4.4.2 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. 4.4.3 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: Phần tô đen là phạm vi của cửa sổ gồm có cửa trước và cửa sau cùng di chuyển theo một chiều. 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 H4.7 Cấu trúc cửa sổ trượt 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. Biên Sọan: Th.s Ngô Bá Hùng – Ks Phạm Thế Phi - 01/2005 45
Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Mạng Máy Tính – V1.0 4.4.4 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). H4.8 Hoạt động của cửa sổ trượt 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. Biên Sọan: Th.s Ngô Bá Hùng – Ks Phạm Thế Phi - 01/2005 46
Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Mạng Máy Tính – V1.0 4.4.5 Cài đặt giao thức cửa sổ trượt kích thước 1 bit (A One-Bit Sliding Window Protocol) /* Kích thước cửa sổ là 1 */ /* Số thứ tự của khung gởi đi kế tiếp */ /* Số thứ tự của khung báo nhận đang chờ nhận */ /* Khung nhận và khung gởi */ /* Gói tin chờ gởi */ /* Khởi động số thứ tự khung gởi */ /* Khởi động số thứ tự khung báo nhận chờ nhận */ /* Nhận gói tin từ tầng mạng để gởi đi */ /* Đưa gói tin dữ liệu vào khung để gởi */ /* Đặt số thứ tự cho khung */ /* Đặt số thứ tự báo nhận vào khung */ /* Đưa khung xuống tầng vật lý để gởi */ /* Khởi động bộ đếm thời gian */ /* Chờ sự kiện Khung đến, Khung bị lỗi, quá thời gian */ /* Một khung đến không bị lỗi */ /* Nhận khung từ tầng vật lý */ /* Kiểm tra có phải là khung đang chờ nhận không */ /* Lấy gói tin ra khỏi khung và chuyển lên tầng mạng */ /* Tăng số thứ tự của khung chờ nhận kế tiếp */ /* Nếu bên kia đã báo nhận khung vừa gởi */ /* Xóa bộ đếm thời gian */ /* Nhận gói tin kế tiếp từ tầng mạng để gởi đi */ /* Tăng số thứ tự của khung kế tiếp */ /* Đưa gói tin vào khung để gởi */ /* Đặt số thứ tự cho khung gởi */ /* Đặt số thứ tự khung báo nhận */ /* Đưa khung xuống tầng vật lý để gởi */ /* Kh ởi động bộ đếm thời gian */ P4.4 Cài đặt cửa sổ trượt với kích thước là 1 Biên Sọan: Th.s Ngô Bá Hùng – Ks Phạm Thế Phi - 01/2005 47
Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Mạng Máy Tính – V1.0 4.4.6 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. H4.9 Kịch bản giao thức cửa sổ trượt với kích thước là 1 1.1.1 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. 4.4.6.1 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 ung bị lỗi và toàn bộ các khung phía sau nó. Biên Sọan: Th.s Ngô Bá Hùng – Ks Phạm Thế Phi - 01/2005 48
Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Mạng Máy Tính – V1.0 Ví dụ: H4.10 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 /* Giao thức này cho phép nhiều khung được gởi đi. Bên gởi có thể gởi trước đến MAX_SEQ khung mà không cần chờ một báo nhận. Điểm lưu ý khác là tầng mạng không phải luôn luôn có dữ liệu sẵn sàng để gởi. Khi nào có dữ liệu để gởi, tầng mạng sẽ sinh ra một sự kiện network-layer- ready.*/ /* Kích thước lớn nhất của cửa sổ trượt, phải là 2k-1*/ /* True nếu a<=b<c */ /* Tạo khung gởi gói tin đi */ /* Khung để gởi gói tin đi */ /* Đưa gói tin vào khung */ /* Đặt số thứ tự cho khung gởi*/ /* Đặt số thứ tự cho khung cần báo nhận /* Gởi khung xuống tầng vậtlýđể truyền đi */ /* Khởi động bộ đếmthời gian cho khung gởi đi*/ /* Số thứ tự cho khung gởi kế tiếp */ /* Khung lâu nhất chưa được báo nhận */ /* Khung chờ nhận kế tiếp / /* Khung */ /* Vùng bộ nhớ đệm cho các khung gởi đi */ /* Số lượng bộ nhớ đệm đang được dùng */ /* Chỉ số mảng của vùng nhớ đệm */ /* Cho phép tầng mạng tạo sự kiện network_layer_ready */ /* Đặt báo nhận đầu tiên chờ nhận là 0 */ /* Khung đầutiên gởi đilà0*/ Biên Sọan: Th.s Ngô Bá Hùng – Ks Phạm Thế Phi - 01/2005 49
Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Mạng Máy Tính – V1.0 /* Chờ 1 trong 4 sự kiện liệt kê ở trên xảy ra */ /* Tầng mạng có một gói tin cần gởi đi */ /* Chấpnhận, lưuvàtruyền đimột khung mới */ /* Nhận khung từ tầng vật lý*/ /* Tăng kích thước cửa sổ gởi */ /* Gởi khung đi */ /* Di chuyển cửa trước của cửa sổ gởi */ /* Một khung dữ liệu hay điều khiển vừa đến */ /* Nhận khung từ tầng vật lý */ /* Là khung đang được chờ đợi */ /* Chuyển gói tin lên tầng mạng */ Di chuyển cửa sau của cửa sổ nhận */ /* Nếu là Ack thứ n, sẽ không quan tâm đến các ACK n-1, n-2, */ /* Xử lý các báo nhận */ /* Giảm kích thước cửa sổ gởi */ /* Khung đã đến, xóa bộ đếm thời gian */ /* Tăng số thứ tự khung chờ nhận kế tiếp */ /* Khung nhận bị lỗi, bỏ qua */ /* Quá thời gian, truyền lại tất cả các khung đang chờ báo nhận */ /* Bắt đầu truyền lại */ /* Truyền lại */ /* Chuẩn bị để truyền khung kế tiếp */ /* Vùng đệm còn khả năng chứa gói tin ? */ P4.5 Cài đặt giao thức Go-Back-N Biên Sọan: Th.s Ngô Bá Hùng – Ks Phạm Thế Phi - 01/2005 50
Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Mạng Máy Tính – V1.0 4.4.6.2 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. H4.11 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. Biên Sọan: Th.s Ngô Bá Hùng – Ks Phạm Thế Phi - 01/2005 51
Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Mạng Máy Tính – V1.0 /* Giao thức này chấp nhận các khung đến không đúng thứ tự, nhưng chúng lại được chuyển lên tầng mạng theo một thứ tự đúng đắn. Với mỗi khung gởi đi, sẽ có một bộ đếm thời gian đi kèm. Khi quá thời hạn chỉ khung tương ứng được gởi lại, thay vì gởi lại tất cả các khung như giao thức Go-Back-N */ /* Số thứ tự khung lớn nhất*/ /* Kích thước tối đa cửa sổ gởi và nhận /* Chưa gởi khung NAK*/ /* Khung cũ nhất đã gởi */ Kiểm tra b có là giá trị giữa a và c không /* Tạo và gởi khung dữ liệu / báo nhận / báo lỗi */ /* Khung */ /* Kiểu khung: data, ack, nak */ /* Đặt số thứ tự cho khung dữ liệu gởi đi */ /* Chỉ gỏi 1 NAK cho một khung */ /* Gởi khung đi */ /* Khởi động bộ đếm thời gian cho khung dữ liệu gởi */ * Ngừng bộ đếm thời gian chờ báo nhận*/ /* Khung chờ được báo nhận */ /* Khung kế tiếp gởi đi */ /* Khung đang chờ nhận */ /* Khung kế tiếp chưa được nhận */ /* Chỉ số vùng nhớ tạm */ /* Khung nhận và gởi */ /* Vùng đệm cho dữ liệu gởi */ /* Vùng đệm cho dữ liệu nhận */ /* Theo dõi sử dụng vùng đệm dữ liệu nhận */ /* Số lượng vùng đệm gởi đang được sử dụng */ /* Gán giá trị khởi động */ /* Khởi tạo các vùng đệm nhận rỗng */ Biên Sọan: Th.s Ngô Bá Hùng – Ks Phạm Thế Phi - 01/2005 52
Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Mạng Máy Tính – V1.0 /* Chờ 1 trong 5 sự kiện phát sinh */ /* Nhận, lưu và truyền một khung mới */ /* Mở rộng kích thước cửa sổ gởi */ /* Nhận gói tin từ tầng mạng */ * Gởi khung đi */ /* Tăng số thứ tự khung gởi kế tiếp */ /* Một khung dữ liệu hoặc điều khiển vừa đến */ /* Nhận khung từ tầng vật lý */ /* Là khung dữ liệu có lỗi thì gởi khung NAK, ngược lại tính giờ để gởi khung ACK */ /* Là khung có thứ tự chấp nhận và chưa được lưu dữ liệu lại*/ /* Đưa dữ liệu vào vùng đệm */ /* Đánh dấu vùng đệm đã sử dụng */ /* Chuyển tất cả các khung đang trong vùng đệm lên tầng mạng và mở rộng cửa sổ nhận */ /* Di chuyển cửa sau cửa sổ nhận */ /* Di chuyển cửa trước cửa sổ nhận */ /* Khởi động đồng hồ cho các báo nhận */ /* Giảm kích thước cửa sổ gởi */ /* Khung đã đếnnơithậtsự */ /* Di chuyển cửa dưới của cửa sổ gởi */ /* Khung bị lỗi */ /* Bên gởi xử lý chậm */ /* Quá thời gian cho các báo nhận */ P4.6 Cài đặt giao thức Selective-Repeat Biên Sọan: Th.s Ngô Bá Hùng – Ks Phạm Thế Phi - 01/2005 53
Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Mạng Máy Tính – V1.0 Một số điểm cần lưu ý khi sử dụng cửa số trượt với kích thước lớn hơn 1: 4.4.6.1.1 Kích thước tối đa của cửa sổ gởi và nhận là bao nhiêu ? 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. H4.11 Giao thức cửa số trượt với kích thước là 7 o 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). o 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). o 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. o 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. o 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. o 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. 4.4.6.2.1 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. 4.4.6.2.2 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 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. 4.4.7 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. 4.4.7.2 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 Biên Sọan: Th.s Ngô Bá Hùng – Ks Phạm Thế Phi - 01/2005 54