Truyền số liệu và mạng

TRUYỀN SỐ LIỆU VÀ MẠNG 1 MÔ HÌNH OSI Mô hình OSI – Open System Interconnection là mô hình chuẩn hóa chung cho các thiết bị để có thể giao tiếp rộng rãi với nhau Một mô hình OSI chính thức bao gồm 7 tầ.

TRUYỀN SỐ LIỆU VÀ MẠNG MƠ HÌNH OSI Mơ hình OSI – Open System Interconnection mơ hình chuẩn hóa chung cho thiết bị để giao tiếp rộng rãi với Một mơ hình OSI thức bao gồm tầng kết nối, từ cao đến thấp  Application: Gồm ứng dụng để người dùng tương tác sử dụng hạ tầng mạng – Data   Presentation: Định dạng liệu – Data  Đảm bảo định dạng liệu để thiết bị nhận đọc  Định dạng cấu trúc liệu  Thực định dạng để đọc ứng dụng Đảm bảo cơng tác mã hóa liệu  Session: Xử lý liệu Host Cho phép nhiều ứng dụng tham gia truy cập mạng cách chia khung thời gian truy cập thành phiên  Transport: Thực kết nối đầu cuối (End to End) – Segments  Quy định vấn đề chuyển liệu Hosts  Đảm bảo độ xác liệu  Cung cấp chức phát sửa lỗi liệu  Network: Quy định cách truyền tải thông tin liệu – Packets  Định tuyến cho gói thơng tin  Cung cấp địa liên kết (Logical Address) cho thiết bị tham gia  Data Link: Quy định cấu trúc đơn vị liệu – Frames  Cách đóng khung liệu lớp vật lý  Cách tham gia vào mạng Network  Cách kiểm tra lỗi sửa lỗi tín hiệu  Physical: Lớp vật lý, kết nối truyền tải Bit gồm kết nối vật lý (dây dẫn), cổng kết nối không dây – Bits  Khi HostA muốn truyền liệu Data cho HostB, liệu qua lớp (từ Application xuống Physical) truyền thông qua nhiều phương thức để đến HostB, liệu lại qua lớp (từ Physical lên Application) phép người dùng giao tiếp được!!! Sau đây, sâu vào tìm hiểu lớp mơ hình OSI theo thứ tự từ thấp đến cao Tại lớp sâu vào tìm hiểu cách thức hoạt động, môi trường hoạt động, giao thức thường sử dụng TRUYỀN DẪN VẬT LÝ – PHYSICAL 2.1 PHƯƠNG TIỆN TRUYỀN DẪN 2.1.1 TRUYỀN DẪN CÓ DÂY  CÁP SONG HÀNH: Gồm dây song song với (Có khoảng cách ly dây)  Ưu điểm: Cấu tạo đơn giản  Nhược điểm  Tốc độ truyền liệu thấp (Rmax = 19 Kbps)  Khoảng cách tối đa Lmax = 50m  Dễ bị tác động nhiễu xuyên kênh (Crosstalk)  Nhạy với nhiễu điện từ trường (EMI)  Truyền liệu tốc độ thấp khoảng cách ngắn!  CÁP XOẮN: Gồm cặp dây xoắn lại với Có loại  UTP (Unshield Twisted Pair)  Trở kháng đặc tính 100Ω  Khoảng cách tối đa 100m  Chi phí thấp  ScTP (Screen Twisted Pair)  Trở kháng đặc tính 100Ω  Khoảng cách tối đa 100m  Chi phí trung bình  STP (Shield Twisted Pair)  Trở kháng đặc tính 150Ω  Khoảng cách tối đa 100m  Chi phí cao  Ưu điểm  Cải thiện khả chống nhiễu điện từ trường (EMI) so với cáp song hành  Giảm nhiễu xuyên kênh (Crosstalk) cặp dây  Sử dụng làm cáp truyền thoại truyền liệu hệ thống truyền thông tin Sử dụng chủ yếu mạng điện thoại mạng LAN!  CÁP ĐỒNG TRỤC: Lõi đồng bao quanh lớp lưới đồng (Có lớp cách ly giữa) Gồm loại  RG – 6/RG – 59  Trở kháng đặc tính 75Ω  Được sử dụng hệ thống CATV  RG – 8/RG – 58  Trở kháng đặc tính 50Ω  Được sử dụng mạng Thick Ethernet LANs Thin Ethernet LANs  RG – 6/RG – 59  Trở kháng đặc tính 93Ω  Được sử dụng máy Mainframe IBM  Ưu điểm  Khả chống nhiễu điện từ trường (EMI) tốt  Tốc độ truyền liệu lên đến 10Mbps với khoảng cách vài trăm mét  Nhược điểm: Nhiều trở kháng đặc tính  Sử dụng mạng máy tính, hệ thống truyền liệu, CATV, mạng truyền hình cá nhân!!!  CÁP QUANG: Sử dụng lượng điện từ ánh sáng truyền bên cáp Hoạt động dựa khả phản xạ ánh sáng bên trục cáp khúc xạ ra/vào môi trường Gồm loại  Step Index Multimode: Khoảng cách truyền lên đến 500m  Grade Index Multimode: Khoảng cách truyền lên đến 1000m  Single – mode: Khoảng cách truyền lên đến vài Km  Ưu điểm  Tốc độ truyền cao, băng thông rộng  Khả chống nhiễu cao  Nhược điểm  Giá thành cao  Lắp đặt phức tạp  Ảnh hưởng khả tán xạ, hấp thụ phân tán  Bị ảnh hưởng yếu tố trình sản xuất không đồng  Multimode dùng nguồn LED (bước sóng 850nm – 1310nm); Single – mode sử dụng nguồn Laser (bước sóng 1310nm 1550nm)! 2.1.2 TRUYỀN DẪN KHƠNG DÂY  VI BA (MICROWAVE): Sử dụng tần số từ 300Ghz đổ xuống  Ưu điểm  Không cần sử dụng cáp truyền  Băng thông rộng  Truyền liệu đa kênh  Nhược điểm  Yêu cầu truyền dẫn line – of – sight  Chi phí triển khai thay cao  Ảnh hưởng thời tiết, máy bay,… Gồm dạng o VI BA VỆ TINH (SATELLITE MICROWAVE): Sử dụng tín hiệu từ vệ tinh Gồm tầng vệ tinh: GEO – Geosynchronous Equatorial Orbit (Quỹ đạo địa đồng bộ) độ cao 35,786 km; MEO – Medium Earth Orbit (Quỹ đạo Trái đất trung bình) độ cao từ 5,000 – 15,000 km; LEO – Low Earth Orbit (Quỹ đạo Trái đất thấp) độ cao 5,000 km Gồm băng tần Band Downlink (GHz) Uplink (GHz) Bandwidth (MHz) L 1.5 1.6 15 S 1.9 2.2 70 C 4.0 6.0 500 Ku 11.0 14.0 500 Ka 20.0 30.0 3500  Sử dụng phát thanh, truyền hình Ứng dụng cho điện thoại đường dài, mạng cá nhân!!! o VI BA MẶT ĐẤT (TERRESTRIAL MICROWAVE): Sử dụng sóng mặt đất (dãi tần số từ – 40GHz) Khá nhạy với vật chắn thay đổi từ môi trường  Ứng dụng cho dịch vụ điện thoại đường dài, hệ thống truyền dẫn hay mạng cá nhân!!!  HỒNG NGOẠI (INFRARED): Sử dụng sóng ánh sáng để truyền tín hiệu → Các thiết bị thu phát không bị che chắn  Dùng để truyền tải thông tin mạng nhỏ!!! 2.2 CHUẨN VẬT LÝ Các chuẩn vật lý quy định nội dung  Dạng tín hiệu truyền  Các kết nối vật lý  Phương thức truyền tín hiệu 2.2.1 RS232 Là chuẩn giao tiếp phổ biến để kết nối modem thiết bị thu thập liệu với máy tính RS232 cắm thẳng vào cồng COM – nối tiếp máy tính  ĐẶC TÍNH  Khoảng cách < 15m  Tốc độ truyền < 20Kbps  Giá trị điện áp nằm khoảng – 15V đến + 15V  DẠNG TÍN HIỆU  Bit 1: – 15V → – 3V  Bit 0: + 3V → + 15V  Tín hiệu khơng cân (Unbalanced)  KẾT NỐI VẬT LÝ: Sử dụng cổng kết nối DB25 (ISO 2110) DB9 DB25 DB9  KIẾN TRÚC: RS232 liên kết Point to Point theo hướng với kênh độc lập (song cơng) RS232 mang tín hiệu bổ sung để điều khiển luồng (RTS, CTS) điều khiển modem (DCD, DTR, DSR, RI)  RS232 dễ bị ảnh hưởng nhiễu, khoảng cách truyền tương đối ngắn!!! 2.2.2 RS422  ĐẶC TÍNH  Tốc độ bit từ 100kbps – 10Mbps  Khoảng cách truyền xa ~1,500m  DẠNG TÍN HIỆU  Bit 1: + V & - V  Bit 0: - V & + V  KẾT NỐI VẬT LÝ: RS422 sử dụng truyền dẫn vật lý thông qua cáp xoắn đôi Nhờ mà tín hiệu cân (Balanced)  KIẾN TRÚC: RS422 tham gia vào kiến trúc Point to Point Multidrop đường dây truyền tín hiệu (Tx+ Tx-) 2.2.3 RS485 Là chuẩn giao tiếp EIA – Electronic Industries Alliance (Liên minh doanh nghiệp điện tử) sử dụng phổ biến  ĐẶC TÍNH  Khoảng cách tối đa 1200m với tốc độ 100 Kbps  Khoảng cách 15m với tốc độ lên đến 10 Mbps  DẠNG TÍN HIỆU  Bit 1: VB < VA  Bit 0: VB > VA  KẾT NỐI VẬT LÝ: RS485 sử dụng đường truyền cân cho phép truyền tốc độ cao xa Truyền bán song công sử dụng dây song công sử dụng dây  KIẾN TRÚC: Cho phép giao tiếp đa điểm theo dạng Bus, số trạm Slave lên đến 255 2.3 MÃ HĨA ĐƯỜNG DÂY Biểu diễn liệu số cách sử dụng tín hiệu số Việc chuyển đổi bao gồm kỹ thuật: line coding (mã hóa đường dây); [block coding] [scrambling]  Phần tử tín hiệu (signal element): Là ký hiệu (symbol)  Phần tử liệu (data element): Là bit  r: Số phần tử liệu mang phần tử tín hiệu  UNIPOLAR NRZ: NRZ – Non Return to Zero  Bit 1: + V  Bit 0: 0V  Ưu điểm  Điện áp không đổi  Dễ triển khai  Nhược điểm  Mất đồng  Có thành phần DC  POLAR NRZ – L & NRZ – I: Sử dụng mức điện áp +V – V  NRZ – L  Bit 1: – V  Bit 0: + V  NRZ – I  Bit 1: Đảo điện áp (Bit 1(1) = – V)  Bit 0: Giữ nguyên mức điện áp (Bit 0(1) = + V)  Ưu điểm  Dễ thực  Sử dụng tốt băng thơng  Nhược điểm  Có thành phần DC  Thiếu khả đồng  POLAR RZ: RZ – Return to Zero → mức điện áp  Bit 1: + V → 0V  Bit 0: – V → 0V  Ưu điểm: Đồng Clock tốt  Nhược điểm: Cần băng thông lớn  BI – PHASE  Manchester: Tín hiệu thay đổi điểm bit không giá trị → Băng thông gấp đôi NRZ  Bit 1: - V → + V  Bit 0: + V → - V  Manchester Vi sai: Vẫn sử dụng băng thông gấp lần NRZ (Giống Manchester)  Bit 1: ½ chu kì đầu khơng thay đổi điện áp so với trạng thái trước  Bit 0: ½ chu kì đầu thay đổi điện áp so với trạng thái trước (Bit tuân thủ theo nguyên tắc mã Manchester)  Ưu điểm  Đồng tốt (cạnh xung bit)  Không chứa thành phần DC  Có khả phát lỗi sai  Nhược điểm  Cần cạnh xung cho bit  Cần băng thông rộng  BIPOLAR  AMI: Sử dụng mức điện áp – V, 0V + V  Bit 0: 0V  Bit 1: Luân phiên thay đổi – V + V (cực tính bit gần luân phiên thay đổi)  Ưu điểm Băng thông thấp Dễ phát lỗi sai Khơng tích lũy thành phần DC Khơng đồng gặp chuỗi bit kéo dài  Nhược điểm: Không đảm bảo đồng gặp chuỗi bit kéo dài  Sử dụng Scrambling để khắc phục nhược điểm!!!  B8ZS: Áp dụng quy tắc mã AMI cố tình gây vi phạm để tránh trường hợp đồng có chuỗi bit kéo dài Thay chuỗi bit liên tiếp 000VB0VB  V (Violation): Vi phạm quy tắc AMI  B (Bipolar): Tuân thủ quy tắc AMI  HDB3: Tương tự B8ZS áp dụng vi phạm với chuỗi bit liên tiếp Thay chuỗi bit liên quy tắc X00V  X = 0: Tổng số bit mã V gần số lẻ  X = B: Tổng số bit mã V gần số chẵn 2.4 KÊNH TRUYỀN 2.4.1 ROUNDTRIP TIME Là khoảng thời gian trì hỗn bit khối liệu phát thời điểm đầu phát nhận bit sau tín hiệu trả lời từ đầu thu 𝑹𝑻𝑻 = 𝟐 ∗ 𝑻𝒑 + 𝑻𝒙  Tp: Trễ lan truyền (propagation time) = S/V  S: Độ dài đường truyền (m)  V: Tốc độ lan truyền (m/s)  Tx: Trễ truyền data (transmission time) = N/R  N: Độ dài bit (bit)  R: Tốc độ bit (bps) 2.4.2 SUY GIẢM ĐƯỜNG TRUYỀN Truyền dẫn băng tần sở giữ ngun hình dạng tín hiệu kỹ thuật số có kênh truyền thơng thấp (Lowpass channel) với băng thông vô hạn rộng Tuy nhiên, phương tiện truyền dẫn tìm hiểu bên đáp ứng yêu cầu Do đó, tín hiệu qua phương tiện truyền dẫn bị suy giảm, gây nguyên nhân  SUY HAO Là suy giảm cơng suất tín hiệu sau khỏi đường truyền so với thời điểm vào đường truyền  MÉO DẠNG Có thể gây lệch pha tín hiệu thành phần vào khỏi đường truyền khiến cho tín hiệu tổng hợp bị méo dạng so với tín hiệu tổng hợp ban đầu  NHIỄU Sự xuất nhiễu (ngẫu nhiên) bên đường truyền/các tín hiệu vơ tình thu đầu vào khiến cho tín hiệu bị biến dạng tổng hợp đầu Sự ảnh hưởng nhiễu tín hiệu đánh giá qua thông số SNR (Signal to Noise Ratio) 2.4.3 DUNG LƯỢNG ĐƯỜNG TRUYỀN Dung lượng đường truyền tốc độ bit cực đại, cho phép truyền không bị lỗi Phụ thuộc vào băng thơng kênh truyền  MƠI TRƯỜNG LÝ TƯỞNG: Theo Nyquist 𝑪 = 𝟐𝑩 𝐥𝐨𝐠 𝟐 𝑴 (𝒃𝒑𝒔)  B: Băng thông kênh truyền  M: Số mức tín hiệu  C: Dung lượng đường truyền  MÔI TRƯỜNG THỰC TẾ: Theo Claude Shannon 𝑺 𝑪 = 𝑩 𝐥𝐨𝐠 𝟐 (𝟏 + )(𝒃𝒑𝒔) 𝑵 2.5 NHIỄU Như đề cập trên, nhiễu yếu tố gây suy giảm tín hiệu Không tác nhân suy hao méo dạng, khắc phục biện pháp thơng thường; nhiễu luôn tồn môi trường truyền xảy hoàn toàn ngẫu nhiên 2.5.1 NHIỄU GAUSS Mặc dù xuất ngẫu nhiên tín hiệu nhiễu mơ hình hóa theo mơ hình phân bố Gauss (phân bố ngẫu nhiên) Do đó, xem xuất nhiễu đường truyền tuân theo hàm mật độ công suất (Power Density Function – PDF) phân bố Gauss (𝒙 − 𝝁 )𝟐 𝟏 ) 𝒇(𝒙; 𝝁, 𝝈) = 𝐞𝐱𝐩 (− 𝟐𝝈𝟐 𝝈√𝟐𝝅  𝝁: Trung vị  𝝈: Độ lệch chuẩn  𝝈𝟐 : Phương sai 2.5.2 TỈ LỆ LỖI BIT Lỗi bit tượng thông tin nhận có khác biệt (về bit data) so với tin hiệu lúc truyền → Truyền bit nhận lại bit ngược lại Lỗi bit chia thành loại  Lỗi đơn bit: Chỉ bit đơn vị liệu bị lỗi  Dễ dàng phát sửa lỗi!!!  Lỗi burst: hay nhiều bit đơn vị liệu bị lỗi  Chủ yếu nhiễu gây ra, khó xác định điểm bit sai sửa lỗi!!! Để xác định bit đại diện mức điện áp vừa nhận (VD) hay cần sử dụng ngưỡng (ngưỡng xác – VT) Do hàm mật độ nhiễu tuân theo nguyên tắc hàm mật độ Gauss, đó, xác định xác xuất nhận bit lỗi trường hợp  Truyền bit nhận bit 𝑽𝑻 𝟏 −∞ √𝟐𝝅𝝈𝟐 𝑷𝒓 (𝑽𝑫 < 𝑽𝑻 ) = 𝑷(𝟎⁄𝟏) = ∫ 𝒆 − (𝒙−𝑨)𝟐 𝟐𝝈𝟐 𝒅𝒙  Truyền bit nhận bit +∞ 𝑷𝒓 (𝑽𝑫 > 𝑽𝑻 ) = 𝑷(𝟏⁄𝟎) = ∫ 𝟏 − 𝒙𝟐 𝟐𝝈𝟐 𝒅𝒙 𝒆 𝟐 √𝟐𝝅𝝈 𝑽𝑻 Từ đó, xác định tỉ lệ lỗi bit (theo quy luật Bayes) BER – Bit Error Rate = Pe = Pr(1)P(0/1) + Pr(0)P(1/0)  Pr(1): Tỉ lệ truyền bit  Pr(0): Tỉ lệ truyền bit  Phía phát tạo gửi tín hiệu xung Clock vào tín hiệu phát cách mã hóa dùng mạch Clock Encoder  Phía thu nhận trích xuất tín hiệu xung Clock mạch Clock Extract  Sử dụng cho mã đường dây: RZ, Manchester/Machester vi sai  Digital Phase Lock Loop (DPLL): Đồng vòng khóa pha (Phase Lock Loop – PLL) thu Nguyên lý hoạt động  Phía thu sử dụng tần số gấp N lần phía phát để cấp cho PLL PLL có nhiệm vụ tạo tín hiệu xung Clock cho ghi SIPO để tín hiệu nhận ln lấy mẫu chu kì bit  Phía phát phải sử dụng mã có thay đổi trạng thái liên tục (không chứa chuỗi 0/1 kéo dài)  Sử dụng mã đường dây: NRZ, AMI, HDB3, B8ZS,  Hybrid: Trong trường hợp tốc độ bit tăng phương pháp riêng lẽ khó đảm bảo trình đồng ln ổn định Do đó, trường hợp này, Hybrid kết hợp phương pháp theo nguyên lý  Clock Encoder/Extract đảm bảo bit nhận có xáo trộn chu kì bit  DPLL giữ vai trò tạo xung Clock để giữ nhịp độ đồng với liệu nhận  Phương pháp sử dụng băng thông lớn nên phù hợp với mã đường dây Manchester  ĐỒNG BỘ KHUNG: Cùng sử dụng trường hợp thông tin truyền khối ký tự Đồng khung thực qua cách  Định hướng ký tự: Khung truyền bắt đầu sau ký tự điều khiển (ký tự đồng bộ) SYN Điều thực đồng thời chức  Đồng Bit: Dấu hiệu bắt đầu để DPLL thiệt lập trạng thái đồng  Đồng ký tự: Cho phép phía thu xác định xác vị trí bắt đầu kết thúc ký tự Nguyên lý hoạt động  Để đồng Bit, trước hết phía thu bắt đầu chế độ dị tìm (Hunt Mode), để thu kiểm tra nhóm 8bits để kiểm tra xem có phải ký tự SYN hay khơng Khi tìm ký tự SYN, việc đồng ký tự xem hoàn tất bắt đầu “bắt” cụm 8bits vào đệm ký tự thơng tin  Q trình đồng khung sau thực với phương pháp truyền bất đồng (các ký tự đồng STX, ETX, DLE)  Các ký tự truyền phải bội số 8bits (theo Byte)  Định hướng Bit: Thường sử dụng cho cấu trúc liên kết Điểm – Điểm Nguyên lý hoạt động  Bắt đầu kết thúc khung cờ (flag pattern) 8bits 01111110  Để bắt đầu trình truyền nhận, cờ thơng báo 01111111 phía phát gửi  Phía thu dị tìm cờ bắt đầu khung cách tìm bit Khi nhận cờ bắt đầu, phía thu xem hồn thành việc đồng khung tiến hành truyền nhận liệu đến “bắt” cờ kết thúc  Khả tối ưu phương pháp truyền liệu đánh giá qua thông số hiệu suất truyền!!! Là tỉ số số bit(s) thông tin tổng số bit(s) truyền 𝑺ố 𝒃𝒊𝒕(𝒔) 𝒕𝒉ơ𝒏𝒈 𝒕𝒊𝒏 𝜼= 𝑻ổ𝒏𝒈 𝒔ố 𝒃𝒊𝒕(𝒔)𝒕𝒓𝒖𝒚ề𝒏 Từ tính tốc độ truyền liệu hữu dụng 𝑹𝒉𝒅 = 𝑹 ∗ 𝜼(𝒃𝒑𝒔)  Truyền bất đồng cho hiệu suất truyền không cao so với phương pháp truyền đồng bộ!!! 2.6.3 MÃ HÓA KÊNH TRUYỀN Lớp Physical thực mã hóa tín hiệu (bằng mã EBCDIC hay ASCII) chèn thêm tín hiệu kiểm sốt lỗi tín hiệu thơng tin để phía thu kiểm tra, phát sửa lỗi bit đơn Một số phương pháp kiểm tra lỗi thường sử dụng  Parity Check: Thường sử dụng với phương pháp truyền ký tự Trong ký tự truyền, bit mặc định start/data/stop bits, parity bit thêm vào theo nguyên tắc  Kiểm tra chẵn: Tổng số bit chuỗi data bits parity bit số chẵn  Kiểm tra lẻ: Tổng số bit chuỗi data bits parity bit số lẻ  Phát sai tổng số bit lỗi lẻ!!!  Block Sum Check: Sử dụng với phương pháp truyền khung/khối ký tự Mỗi khung chèn thêm cột (đầu) hàng (cuối) để kiểm tra ký tự theo cột hàng  Parity cột: Kiểm tra lẻ  Parity hàng: Kiểm tra chẵn  Không phát lỗi sai bit lỗi nằm theo chùm 4bits (2 hàng cột)!!!  Cyclic Redundancy Check: Sử dụng với phương pháp truyền nhiều khung lúc Các ký tự kiểm tra đóng thành khung FSC – Frame Sequence Check phát kèm phía sau khung thông tin Nguyên tắc hoạt động Gọi  M(x): Bản tin cần truyền ( gồm k bits)  G(x): Đa thức sinh (gồm n + bits)  R(x): Số dư (gồm n bits) → k > n  Q(x): Thương  T(x): Thông điệp truyền (gồm n + k bits)  Phía phát: Tạo khung kiểm tra lỗi dựa khung thông tin theo nguyên tắc  Nhân đa thức M(x) với xn (dịch chuỗi bit sang trái n bits)  Thực phép chia 𝒙𝒏 𝑴(𝒙) 𝑹(𝒙) = 𝑸(𝒙) + 𝑮(𝒙) 𝑮(𝒙)  Thông điệp truyền 𝑻(𝒙) = 𝒙𝒏 𝑴(𝒙) + 𝑹(𝒙)  Phía thu: Đối chiếu khung kiểm tra lỗi với khung thơng tin để phát lỗi (nếu có) khung thông tin  Sau lấy thông điệp T(x), phía thu thực lần phép chia cho G(x) 𝑻(𝒙) 𝒙𝒏 𝑴(𝒙) + 𝑹(𝒙) 𝒙𝒏 𝑴(𝒙) 𝑹(𝒙) 𝑹(𝒙) 𝑹(𝒙) = = + = 𝑸(𝒙) + + 𝑮(𝒙) 𝑮(𝒙) 𝑮(𝒙) 𝑮(𝒙) 𝑮(𝒙) 𝑮(𝒙)  Nếu kết chia thu đa thức thương Q(x) T(x) khơng có lỗi  Phát tất lỗi bit đơn, bit đôi, bit lẻ hay bit chùm!!! 2.6.4 KỸ THUẬT NÉN DỮ LIỆU Dữ liệu sau mã hóa thành tín hiệu bit (0/1) qua bước nén liệu nhằm mục đích giảm kích thước gói tin truyền  Giảm nhớ  Giảm chi phí truyền, độ trễ, băng thơng Nén liệu gồm loại  Không mát liệu: Lưu giữ tất thông tin, áp dụng cho liệu chung  Mất mát liệu: Cho phép số thông tin, áp dụng cho âm thanh, hình ảnh hay video Có nhiều kỹ thuật để nén liệu, có  Packed Decimal: Truyền ký tự số dùng mã BCD4bits thay cho mã ASCII(7bits) hay EDBIC(8bits)  Relative Coding: Truyền ký tự số truyền sai số số liên tiếp  Character Suppression: Khi truyền ký tự in giống liên tiếp, truyền kí tự lần theo sau số lần lặp lại liên tiếp  Run Length Coding: Dành cho thiết bị Fax  Huffman Coding: Kỹ thuật mã hóa thống kê Mục tiêu tạo đoạn mã có kích thước khác cho ký hiệu Những ký hiệu có tần số xuất cao biểu diễn bit(s) ngược lại Ngun tắc mã hóa  Tính tần số ký hiệu  Tạo nhị phân đại diện cho mã hóa tốt  Sử dụng nhị phân để mã hóa ký hiệu o Đối với ký tự, tổng hợp bit từ phải sang trái o Kích thước từ mã = độ dài đường dẫn Đánh giá hiệu suất nén thông số  Entropy: 𝑯 = ∑ 𝒑𝒊 𝐥𝐨𝐠 𝟐 (𝟏⁄𝒑𝒊 )(𝒃𝒊𝒕𝒔⁄𝒔𝒚𝒎𝒃𝒐𝒍); pi tần số xuất ký hiệu thứ i  Độ dài từ mã trung bình: 𝑵 = ∑ 𝒑𝒊 𝑵𝒊 (𝒃𝒊𝒕𝒔⁄𝒔𝒚𝒎𝒃𝒐𝒍); Ni độ dài từ mã cho ký hiệu thứ i  Phương sai: 𝝈𝟐 = ∑ 𝒑𝒊 (𝑵𝒊 − 𝑵)𝟐  Hiệu suất nén: 𝒉 = 𝑯/𝑵  Tốc độ bit (sau nén): 𝑹𝒃 = 𝑹𝒔 𝑵(𝒃𝒑𝒔); Rs tốc độ ký tự (symbol/s) LIÊN KẾT – DATA LINK 3.1 GIAO THỨC CƠ SỞ Lớp Data Link đóng gói luồng liệu bit vào khung – frame Có kiểu frame  Frame có kích thước cố định  Frame có kích thước thay đổi  Thao tác với liệu lớp Data Link! Tiếp theo đây, lớp thao tác chủ yếu frame liệu này!!! 3.2 KIỂM SỐT LỖI Kiểm sốt lỗi tập hợp thủ tục thực để phát lỗi frame liệu mơ hình kiểm sốt lỗi  Forward Error Control – FEC: Sử dụng ứng dụng realtime (voice, video, game,…) Phía thu chấp nhận lỗi khơng thể sửa  Automatic Retransmission Request – ARQ: Ứng dụng hoạt động truyền liệu hồn tồn xác (các ứng dụng non – realtime email, truyền file,…) Có nghi thức ARQ, sau ký hiệu thường sử dụng  P (Primary): Phía sơ cấp – phía gửi frame liệu  S (Secondary): Phía thứ cấp – phía nhận frame liệu  I frame (Information frame): Các frame thông tin liệu (phân biệt với frame đồng bộ/phản hồi)  I(N): Số frame thông tin  ACK frame (Acknowledge frame): Frame xác nhận S đến P để thông báo liệu nhận không lỗi  NAK frame (Negative Acknowledge frame): Frame xác nhận S đến P để thông báo liệu nhận xuất lỗi Cùng tìm hiểu nghi thức mơ hình ARQ 3.2.1 IDLE RQ – STOP AND WAIT Cách nghi thức Idle RQ hoạt động tên gọi “Stop and Wait”, sau I frame (I(N)) gửi đi, P dừng lại để chờ xác nhận ACK/NAK S gửi tiếp I frame (I(N+1)) I(N) nhận phản hồi ACK Đặc điểm nghi thức  P có I frame chờ ACK thời điểm  Khi nhận I frame không lỗi, S phản hồi lại ACK frame cho P, P nhận ACK cho I(N) truyền tiếp I(N+1)  Khi truyền frame, P bắt đầu tính thời gian, hết thời gian (time expires) mà chưa nhận phản hồi từ S, P truyền lại frame  Nếu S nhận frame giống tự động loại bỏ Việc phản hồi S thực theo cách  Tường minh – Explicit: Khi S nhận frame lỗi, S phản hồi NAK frame P tiến hành truyền lại frame nhận NAK frame time expires  Hiểu ngầm – Implicit: Khi nhận frame lỗi, S không phản hồi NAK frame P truyền lại frame time expires  Hiệu suất sử dụng đường truyền  Trường hợp BER = 𝑼= 𝑻𝒊𝑿 𝑻𝒊𝑿 𝟏 𝟏 ≈ = = 𝑻𝒕 𝑻𝒊𝑿 + 𝟐𝑻𝒑 𝟏 + 𝟐𝑻𝒑 ⁄𝑻𝒊𝑿 𝟏 + 𝟐𝒂  Trường hợp BER > 𝑻𝒊𝑿 𝑻𝒊𝑿 𝟏 𝟏 𝑼= = = = 𝑵𝒓 𝑻𝒕 𝑵𝒓 (𝑻𝒊𝑿 + 𝟐𝑻𝒑 ) 𝑵𝒓 (𝟏 + 𝟐𝑻𝒑 ⁄𝑻𝒊𝑿 ) 𝑵𝒓 (𝟏 + 𝟐𝒂) 𝑵𝒓 = 𝟏 + 𝑷𝒇 𝟏 = 𝟏 − 𝑷𝒇 𝟏 − 𝑷𝒇 =≫ 𝑼 = 𝟏 − 𝑷𝒇 𝟏 + 𝟐𝒂  Pf: Tỉ lệ lỗi khung FER  a = Tp/TiX  Ưu điểm  Bộ đệm hệ thống nhỏ (P S giữ frame thời điểm  Nhược điểm  Hiệu suất truyền thấp  Sử dụng truyền liệu in  Truyền bán song công 3.2.2 CONTINUOUS RQ Để khắc phục hạn chế hiệu suất đường truyền Idle RQ phần lớn thời gian bên thu phát rơi vào trạng thái chờ Continuous RQ cho phép truyền frame liên tục → Kích thước đệm phía tăng lên Quy tắc truyền Continuous RQ  P gửi I frame liên tục không dừng lại chờ ACK  Khi nhiều I frame đợi ACK, P đưa Copy I frame vào đệm (FIFO)  S phản hồi ACK cho I frame nhận không lỗi  Sau nhận ACK cho I frame tương ứng, P xóa I frame khỏi đệm  I frame S nhận đưa vào đệm nhận (FIFO)  Trường hợp S nhận I frame không thứ tự, S giữ lại tất I frame đệm thu đến nhận I frame thứ tự Trong trường hợp S nhận I frame lỗi, có cách xử lý phía S  GO BACK N (HDLC): S yêu cầu P truyền lại I frame chưa nhận phản hồi ACK, nghĩa P truyền lại tất frame kể từ frame cuối nhận  SELECTIVE REPEAT (TCP): S yêu cầu P truyền lại frame bị lỗi cách trả lời NAK/time expires phía P 3.3 KIỂM SỐT LUỒNG Kiểm sốt luồng tập hợp thủ tục thực nhằm kiểm soát số lượng liệu mà phía phát gửi để phía thu nhận liệu vào đệm trước xử lý Do theo phương pháp kiểm soát lỗi (khi frame lỗi/sai thứ tự) đệm nhận có khả bị tải khiến liệu bị mát Do đó, cần tín hiệu thơng báo cho phía phát ngừng truyền liệu tiếp tục truyền phía thu sẵn sàng phương pháp điều khiển luồng sử dụng chủ yếu 3.3.1 X – ON/X – OFF Bằng việc sử dụng tín hiệu thơng báo trạng thái sẵn sàng đệm thu X – ON (phía thu sẵn sàng) X – OFF (bộ đệm thu tải)  Khi đệm thu bị tải, S gửi tín hiệu X – OFF cho P P phải dừng hoạt động truyền liệu  Khi S giải phóng đệm sẵn sàng tiếp tục nhận liệu, S gửi tín hiệu X – ON cho P P tiếp tục truyền I frame 3.3.2 SLIDING WINDOW Phương pháp hoạt động dựa việc sử dụng cửa sổ trượt có kích thước khơng đổi đệm phía theo chế  Các I frame phát đợi ACK đặt Send Window  Khi phát I frame, cạnh (Upper Window Edge – UWE) Send Window tăng lên  Khi nhận ACK, cạnh (Lower Window Edge – LWE) Send Window tăng lên  Phía phát ngưng truyền Send Window phía thu có UWE – LWE = K  Tương tự cho bên thu với Receive Window Do đó, để đệm phía khơng rơi vào tình trạng q tải, cần cân nhắc hệ số K dựa số nguyên tắc  Kích thước frame  Dung lượng đệm  Thời gian trễ lan truyền sóng  Tốc độ phát  Hiệu suất sử dụng đường truyền áp dụng phương pháp kiểm soát lỗi luồng  Trường hợp BER =  Nếu K ≥ + 2a → U =  Nếu K < + 2a 𝑼= 𝑲𝑻𝒊𝑿 𝑲𝑻𝒊𝑿 𝑲 = = 𝑻𝒕 𝑻𝒕 + 𝟐𝑻𝒑 𝟏 + 𝟐𝒂  Trường hợp BER > o Sử dụng Selective Repeat  Nếu K ≥ + 2a → U = – Pf  Nếu K < + 2a 𝑲(𝟏 − 𝑷𝒇 ) 𝑲𝑻𝒊𝑿 𝑲𝑻𝒊𝑿 = = 𝑵𝒓 𝑻𝒕 𝑵𝒓 (𝑻𝒕 + 𝟐𝑻𝒑 ) 𝟏 + 𝟐𝒂 𝑼= o Sử dụng Go back N  Nếu K ≥ + 2a 𝑼= (𝟏 + 𝟐𝒂)(𝟏 − 𝑷𝒇 ) (𝟏 + 𝟐𝒂) (𝟏 + 𝑷𝒇 (𝑲 − 𝟏)) = 𝟏 − 𝑷𝒇 𝟏 + 𝑷𝒇 (𝑲 − 𝟏)  Nếu K < + 2a 𝑼= 𝑲(𝟏 + 𝑷𝒇 ) 𝑲(𝟏 − 𝑷𝒇 ) = (𝟏 + 𝟐𝒂) + (𝟏 + 𝟐𝒂)𝑷𝒇 (𝑲 − 𝟏) (𝟏 + 𝟐𝒂) (𝟏 + 𝑷 (𝑲 − 𝟏)) 𝒇 3.4 NGHI THỨC LỚP LIÊN KẾT DỮ LIỆU Lớp Data Link thực chức truyền liệu qua tuyến liệu nối tiếp Bên cạnh nghi thức cấu hình điểm – điểm/đa điểm; định dạng khung; kiểm soát lỗi; kiểm soát luồng Data Link chịu trách nhiệm quản lý kết nối Tùy thuộc vào ứng dụng mà Data Link cung cấp loại hình dịch vụ  Connectionless: Kết nối khơng định hướng  Connection – oriented: Kết nối có định hướng Trong mơ hình kết nối có định hướng gồm loại hình định hướng định hướng kí tự – Tiêu biểu BSC định hướng Bit – Đại diện HDLC 3.4.1 BINARY SYNCHRONOUS COMMUNICATION – BSC  Định hướng kí tự  Sử dụng kiểm soát lỗi Idle RQ  Nghi thức truyền đồng bộ, kết nối định hướng  Dữ liệu truyền theo kiểu bán song cơng  Ứng dựng cấu hình điểm – điểm đa điểm (1 Master – nhiều Slaves) 3.4.2 HIGH LEVEL DATA LINK CONTROL – HDLC  Định hướng kí tự  Dùng để điều khiển kết nối (thiết lập giải phóng kết nối Logical phía phát nhận), trao đổi liệu (kiểm soát lỗi kiểm soát luồng)  Ứng dụng cấu hình điểm – điểm đa điểm (1 Masters – nhiều Slaves)  Các loại trạm HDLC  Trạm sơ cấp: Điều khiển hoạt động đường kết nối, khung phát từ trạm lệnh (Command)  Trạm thứ cấp: Chịu điều khiển trạm sơ cấp, phát khung đáp ứng (Response)  Trạm kết hợp: Có thể phát lệnh đáp ứng (điểm – điểm) MẠNG TRUYỀN SỐ LIỆU – NETWORK 4.1 GIỚI THIỆU Network quy định cách liệu di chuyển thiết bị trung gian mạng để đến nơi cần đến Một số đặc điểm lớp 4.1.1 NETWORK  MẠNG CỤC BỘ: Local Area Network – LAN mạng kết nối thiết bị máy tính bên khu vực bị giới hạn nhà riêng, trường học, tòa nhà,… Thường sử dụng kết nối vật lý: cáp đồng trục, cáp xoắn  MẠNG ĐÔ THỊ: Metropolitan Area Network – MAN mơ hình kết nối nhiều mạng LAN với thông qua dây cáp phương tiện truyền dẫn vật lý khác Phạm vi kết nối phủ rộng khắp thành phố  MẠNG DIỆN RỘNG: Wide Area Network – WAN kết hợp mạng LAN MAN thông qua kết nối vệ tinh, cáp quang hay cáp dây diện đường dài Phạm vi kết nối bao phủ vùng rộng lớn, quốc gia chí tồn cầu 4.1.2 LOGICAL LINK CONTROL – LLC Dựa giao thức HDLC lớp Data Link, tầng LLC chủ yếu quan tâm đến  Ghép kênh (Multiplexing)  Phân kênh (Demultiplexing)  Cung cấp chức điều khiển lỗi luồng theo yêu cầu 4.1.3 MEDIA ACCESS CONTROL – MAC Chức cung cấp chế đánh địa điều khiển truy cập kênh Nghĩa MAC hoạt động giống giao diện cho phép việc truyền liệu tầng LLC với tầng vật lý (Physical) diễn thuận lợi Ngồi ra, MAC cịn cho phép nhiều trạm kết nối tới môi trường vật lý để dùng chung mơi trường 4.1.4 ETHERNET Là phương thức giao tiếp thiết bị mạng Một số đặc điểm bật  Phương thức truy cập: CSMA – Carrier Sense Multiple Access: Đa truy cập theo cách cảm biến sóng mang  Cấu hình vật lý: Bus, Star, Ring  Mỗi trạm trước truyền phải lắng nghe lưu lượng đường truyền cách kiểm tra điện áp  Nếu khơng có điện áp đường truyền rảnh, trạm bắt đầu truyền liệu  Nếu có điện áp đường truyền không rảnh, trạm chờ thời gian tiến hành kiểm tra lại Các phiên khác Ethernet  Fast Ethernet  Tốc độ tối đa ~ 100Mbps  Khoảng cách ngắn, tối đa 250m  Gigabit Ethernet  Tốc độ liệu > 1Gbps  Chủ yếu dùng sợi quang 4.2 ĐỊA CHỈ IP Là thông tin dùng để định danh phần tử tham gia vào mạng Network Địa cung cấp cho thiết bị tham gia vào mạng thay đổi cấu hình lại mạng Địa IP mạng 4.2.1 ĐỊNH DẠNG Địa IPv4 có độ dài 32bits phân cấp thành phần: Network Address Host Address Tại lớp Network này, liệu đóng gói thành gói tin – Packets, có định dạng gồm phần: Header (20 – 60Bytes) Data (≤ 665,476Bytes) Header gói tin định dạng chủ yếu dựa địa IP thiết bị tham gia q trình truyền nhận nên cịn gọi IP Header  VERS  Độ dài 4bits  Xác định phiên địa IP  IPv4: 0100  IPv6: 0110  HLEN  Độ dài 4bits  Xác định độ dài IP Header (bội số 4Bytes)  SERVICE TYPE  Độ dài 8bits  Xác định mức độ quan trọng gói tin dựa thông số  Precedence: Giá trị ưu tiên  Reliability: Độ tin cậy  Speed: Tốc độ  TOTAL LENGTH  Độ dài 16bits  Xác định độ dài (Bytes) gói tin (Gồm Header Data)  IDENTIFICATION  Độ dài 16bits  Xác định số nhận dạng gói tin gửi (nếu liệu chia thành nhiều gói)  FLAGS  Độ dài 3bits  Bit thứ 2: Xác định liệu gói liệu có bị phân mảnh hay khơng  Bit cuối cùng: Xác định gói tin có phải mảnh cuối không  FRAGMENT OFFSET  Độ dài 13bits  Dùng để ghép mảnh lại với  TIME TO LIVE  Độ dài 8bits  Xác định số node tối đa mà gói tin di chuyển qua (tránh trường hợp gói tin bị lặp vơ tận mạng)  PROTOCOL  Độ dài 8bits  Cho biết giao thức lớp nhận gói tin sau IP xử lý hoàn tất  06: TCP  17: UDP  HEADER CHECKSUM  Độ dài 16bits  Checksum cho IP Header  SOURCE/DESTINATION IP ADDRESS  Độ dài 32bits  Xác định địa nguồn đích  IP OPTION  Độ dài tùy chọn  Các tùy chọn cho gói tin: Security, Route, Error Report,…  PADDING  Độ dài phụ thuộc vào IP Options (Tổng 32bits)  Đảm bảo kích thước IP Header bội số 32bits 4.2.2 PHÂN LỚP Địa IP phân thành lớp  NETWORK BITS  Được cung cấp Internet Network Information Center  Định nghĩa mạng thiết bị muốn kết nối  Định nghĩa Subnet Mask  Tất 0: Không sử dụng  HOST BITS  Quản lý Network Administrator  Định nghĩa địa thiết bị mạng  Tất 1: Địa Broadcast Kích thước Network Host Bits phụ thuộc vào phân lớp (Class) địa IP Gồm phân lớp Phân lớp Network (Bytes) Host (Bytes) Byte (Binary) Byte A 0xxx – 127 B 2 10xx 128 – 191 C 110x 192 – 223 D Multicast 1110 224 – 239 E Reserved 1111 240 – 255  SUBNET MASK: Dùng để tách địa mạng (Network) từ địa IP  Các bit tương ứng với vị trí Network + Subnet bit  Các bit tương ứng với vị trí Host bit 4.2.3 SUBNETING Là hành động chia mạng thành mạng có kích thước nhỏ nhằm  Giảm kích thước miền quảng bá  Tăng độ bảo mật  Cấu hình quản lý theo hướng phân cấp Mặc dù bị chia thành nhiều mạng con, từ góc độ mạng bên ngồi gửi đến, mạng nằm mạng Sự phân cấp thực Host bits → Chỉ có phân lớp A, B C thực phân lớp Các bit Subnet chia  Tất 0: Dự phịng cho địa mạng (thường khơng sử dụng)  Tất 1: Dự phòng cho địa quảng bá Số bit tối đa mượn số mạng chia Phân lớp Số bit tối đa Số Subnets 22 A 22 22 – = 4,194,302 B 14 214 – = 16,382 C 06 26 – = 62 4.3 THIẾT BỊ MẠNG 4.3.1 THIẾT BỊ MẠNG Là đối tượng tham gia vào mạng Được chia thành nhóm  HUB/REPEATER  Là thiết bị lớp Physical  Mục đích mở rộng mạng  SWITCH/BRIDGE  Hoạt động lớp Data Link  Dữ liệu truyền dựa vào địa MAC  Phân chia kết nối riêng biệt đoạn mạng  ROUTER/3 – LAYER SWITCH  Thiết bị lớp Network  Sử dụng địa IP để phân giải gói tin tới vị trí trạm đích  Tạo mạng cục (LAN)  GATEWAY  Hoạt động lớp Application  Chuyển đổi liệu mạng với protocols khác 4.3.2 ĐỊNH TUYẾN Là cơng việc thiết bị Router Router nhận gói tin chuyển tiếp chúng tới trạm đích dựa địa IP qua bước  Kiểm tra Header gói IP  Tìm kiếm bảng định tuyến (routing/forwarding table)  Xác định output port  Chuyển tiếp gói tin qua output port Mỗi Router cần thực giao thức định tuyến (routing protocol) để cập nhật bảng định tuyến Các giao thức phổ biến  Global – Decentralized Information  Global: Tất Router có thông tin kết nối mạng (topology) thông tin chi phí (độ trễ, băng thơng) – giải thuật Link State  Decentralized: Router biết kết nối vật lý với Router lân cận, chi phí tới Router lân cận Lặp lại việc trao đổi thông tin với Router lân cận để cập nhật thông tin – giải thuật Distance Vector  Static – Dynamic  Static: Các kết nối có thay đổi  Dynamic: Các kết nối thay đổi thường xuyên → Routers phải cập nhật thường xuyên để đáp ứng thay đổi chi phí 4.3.3 GIẢI THUẬT ĐỊNH TUYẾN  GIẢI THUẬT LINK STATE (Dijkstra) Đặc điểm giải thuật  Cấu trúc mạng, chi phí liên kết quảng bá tới tất Router  Tất Router có thơng tin giống  Các Router tự tính tốn đường liên kết có chi phí thấp để tới node khác Ký hiệu  c(x,y): Chi phí để di chuyển từ node x tới node y Được khởi tạo ∞ khơng có kết nối trực tiếp node  D(v): Giá trị chi phí di chuyển từ node gốc tới node v  p(v): Node tiền nhiệm v liên kết từ node gốc tới node v Giải thuật  Trong bước lặp, chọn liên kết có chi phí thấp  Nếu liên kết có chi phí chọn liên kết qua node (tối ưu TTL)  GIẢI THUẬT DISTANCE VECTOR  Node x có biết thơng tin chi phí tới node v lân cận c(x,v)  Node x lưu giá trị distance vector (dv) Dx(y), y ∈ N cập nhật có thơng tin thay đổi  Node x lưu giá trị dv node lân cận Dv(y): y ∈ N  Các node gửi ước lượng dv cho node lân cận  Khi node x nhận dv từ node lân cận cập nhật dv phương trình BF  Sau số lần cập nhật định Dx(y) hội tụ chi phí thực tế nhỏ Dx(y) ... phương pháp truyền liệu đánh giá qua thông số hiệu suất truyền! !! Là tỉ số số bit(s) thông tin tổng số bit(s) truyền