Bài Giảng Truyền Số Liệu

Data Communications Mục lục MMụụcc llụụcc Mục lục 3 Chương 1 Mở đầu 6 I Lịch sử 6 II Khái quát chung về mạng viễn thông 6 1 Các dịch vụ viễn thông 6 2 Mạng viễn thông 6 III Ưu điểm của thông tin số 7[.]

Mục lục Mục lục Mục lục Chương 1- Mở đầu I- Lịch sử II- Khái quát chung mạng viễn thông 1- Các dịch vụ viễn thông 2- Mạng viễn thông III- Ưu điểm thông tin số Câu hỏi cuối chương Chương 2- Những khái niệm I- Khái niệm chung 1- Tin tức, liệu, tín hiệu 2- Băng thông : 10 3- Topology phương thức liên lạc 11 4- Các phương pháp truyền 11 II- Hệ thống truyền tương tự 12 III- Hệ thống truyền số 12 1- Sơ đồ khối 12 2- Vận tốc truyền tín hiệu 12 3- Truyền nối tiếp song song 13 4- Truyền đồng bất đồng 13 IV- Hệ thống mở mơ hình OSI 13 Câu hỏi cuối chương 14 Chương 3- Chuyển đổi tương tự - số 15 I- Kỹ thuật điều xung mã (PCM) 15 1- Lấy mẫu (Sampling) 15 2- Lượng tử hoá (Quantizing) 15 3- Mã hóa (Encoding) 17 II- Điều chế Delta (DM - Delta Modulation) 17 III- DPCM ADPCM 17 Câu hỏi cuối chương 19 Chương 4- Giao tiếp vật lý 20 I- Môi trường truyền dẫn 20 1- Cáp đồng 20 2- Cáp quang (Optical Fiber, Fiber Optic Cable) 21 3- Môi trường vô tuyến 23 II- Sự suy giảm biến dạng tín hiệu (Attenuation & Distortion) 27 1- Sự suy giảm 27 2- Băng thông giới hạn 27 3- Sự biến dạng trễ pha 28 4- Nhiễu 29 Câu hỏi cuối chương 29 Chương 5- Mã hóa số liệu 30 I- Truyền số liệu băng sở 30 Mục lục 1- Khái quát 30 2- Các dạng mã phổ biến 30 3- Kỹ thuật ngẫu nhiên hóa (Scrambling techniques) 33 4- Thu băng sở 34 5- Chuẩn giao tiếp băng sở 34 II- Truyền số liệu băng rộng 36 1- Ðiều chế biên độ (Amplitude Modulation, AM) 36 2- Ðiều chế tần số (Frequency Modulation, FM) 36 3- Ðiều chế pha (ФM) (để tránh nhầm PM điều chế xung) 37 III- Kỹ thuật ghép kênh (Multiplexing) 37 1- Frequency Division Multiplexing, FDM 37 2- Time Division Multiplexing, TDM 38 Câu hỏi cuối chương 40 Chương 6- Giao tiếp truyền số liệu 41 I- Hệ thống truyền số liệu 41 II-Truyền nối tiếp không đồng 41 Nguyên tắc đồng bit 42 Nguyên tắc đồng ký tự 42 Nguyên tắc đồng khung 42 Một số vi mạch giao tiếp thông dụng 42 III Truyền nối tiếp đồng 43 So sánh truyền đồng bất đồng 43 Giao thức hướng ký tự (điều khiển byte) 43 Giao thức hướng bit 44 Một số vi mạch truyền đồng thông dụng 52 Câu hỏi cuối chương 52 Chương 7- Xử lý số liệu truyền 53 I- Phát lỗi sửa sai 53 1- Phương pháp kiểm tra chẵn lẻ (parity) 54 2- CRC - Kiểm tra dư thừa theo chu kỳ 55 3- Mã sửa sai Hamming 56 II- Nén liệu 56 1- Các loại dư thừa liệu 57 2- Mã Huffman 57 3- Mã Run length 58 4- Mã vi phân (Differential encoding) 58 5- Thuật toán nén LZW (Lempel-Ziv-Welch) 59 III- Bảo mật liệu 62 1- Tổng quan thuật toán mã mật 62 2- Một số thuật tốn mã mật với khố bí mật 65 3- Giao thức mã mật 66 4- Độ dài khoá 68 5- Quản lý khoá 69 Câu hỏi cuối chương 70 Chương 8- Điều khiển liên kết số liệu 71 I- Đặt vấn đề 71 Mục lục II- Kiểm soát lỗi (error control) 71 1- Idle RQ (Stop and wait ARQ) 72 2- RQ liên tục (continuous RQ) 74 III- Điều khiển luồng (flow control) 76 1- Điều khiển luồng dừng chờ 76 2- Cửa sổ trượt (sliding window) 76 Câu hỏi cuối chương 77 Tài liệu tham khảo 78 Chương 1- Mở đầu Chương 1- Mở đầu I- Lịch sử Có thể coi lịch sử thông tin liệu bắt đầu vào năm 1837 với phát minh điện tín Samuel F B Morse Ðó hệ thống truyền xung điện biểu diễn cho dấu chấm, vạch (tương đương với số nhị phân 1, 0) đường dây đồng nhờ máy điện Các tổ hợp khác mã thay cho chữ, số, dấu gọi mã Morse Bản điện tín phát Anh Charles Wheatstone William Cooke thực hệ thống họ phải dùng đường dây Năm 1874, Emile Baudot thiết kế máy phát dùng phương pháp dồn kênh, truyền lúc tin đường dây Năm 1876, Alexander Graham Bell đưa điện tín lên bước phát triển mới: đời điện thoại Thay chuyển tin thành chuỗi mã Morse, Bell cho thấy người ta truyền thẳng tín hiệu điện đặc trưng cho tiếng nói đường dây Những hệ thống điện thoại cần cặp đường dây khác cho hai người muốn trao đổi thông tin với nhau, người phải nối điện thoại vào đường dây nối với điện thoại người mà muốn liên lạc Dần dần kết nối thực tổng đài khí tổng đài điện tử số, Người ta khơng cịn biết hệ thống hoạt động nào, cần quay (bây bấm) số kết nối Năm 1899, Marconi thành công việc phát tin vơ tuyến Có thể nói điện tín phương tiện dùng để phát tin xa năm 1920, lúc đài phát thương mại đời II- Khái quát chung mạng viễn thông 1- Các dịch vụ viễn thơng • Thoại (voice, speech): chiếm 60%-70% o Tín hiệu thoại tương tự (analog): băng tần sở 0,3-3,4kHz o Tín hiệu thoại số (digital): tốc độ sở 64kbps ⇒ Mạng điện thoại công cộng PSTN-Public Switched Telephone Network • Âm nhạc (audio) • Video • Fascimile (FAX) • Điện báo (telex, telegraph): Truyền ký tự dạng mã mã Baudot (5 bit), ASCII (7 bit) • Số liệu (data) 2- Mạng viễn thơng Chương 1- Mở đầu TE SL TL Ni Nj Nk N (Node): nút mạng • Chuyển mạch (Switching) o Chuyển mạch kênh o Chuyển mạch gói • Bộ tập chung (Concentrator) TL (Transmission Link): Tuyến truyền dẫn SL (Subscriber Line): Đường dây thuê bao TE (Terminal Equipment): Thiết bị đầu cuối Phân loại mạng viễn thơng • Theo tín hiệu o Mạng tương tự ƒ Tín hiệu {N, TL} tương tự ƒ TL: Trung kế tương tự, ghép kênh theo tần số (FDM) o Mạng số ƒ {N, TL} tín hiệu số ƒ Trên {SL} số tương tự ƒ TL: Trung kế số, ghép kênh theo thời gian (TDM) • Theo phương thức chuyển mạch o Mạng chuyển mạch kênh: ƒ Được cung cấp kênh vật lý cố định suốt thời gian thơng tin o Mạng chuyển mạch gói ƒ Thơng tin chia thành gói nhỏ, có địa nguồn đích ƒ Liên lạc với qua kênh logic III- Ưu điểm thơng tin số • Khả chịu nhiễu cao Chương 1- Mở đầu • • • • • Không nhạy cảm với sai số linh kiện (do chế tạo, thời gian, nhiệt độ, ) Phần cứng rẻ (khi sản xuất lớn) Tính tương thích linh hoạt Tính bảo mật cao Câu hỏi cuối chương Tại cần phải có chuyển mạch? Nếu mạng có thiết bị truyền thơng mà khơng có chuyển mạch muốn thiết bị liên lạc với cần kết nối? Hãy so sánh vắn tắt mạng chuyển mạch kênh mạng chuyển mạch gói Hãy so sánh khả chịu nhiễu tín hiệu số tín hiệu tượng tự Chương 2- Những khái niệm Chương 2- Những khái niệm (BASIC CONCEPTS) I- Khái niệm chung 1- Tin tức, liệu, tín hiệu Nhiễu Trạm thu Trạm phát Nguồn tin thiết bị vào Thông tin Môi trường Máy phát Dữ liệu Máy thu thiết bị Nhận tin Tín hiệu • Thơng tin (Information): thuộc tính người với hiểu biết xung quanh (x) • Nguồn tin (Source): tập hợp tin chứa X={x} • Dữ liệu (Data): q trình vật lý chứa thơng tin Q trình chuyển từ thơng tin sang liệu gọi mã hố (encoding) • Tín hiệu (Signal): q trình vật lý mang thơng tin, phải phù hợp với mơi trường lan truyền • Mơi trường lan truyền (Medium): tồn vật lý mà lan truyền nơi khác Môi trường học, môi trường điện Các tham số môi trường truyền o Suy giảm o Băng thơng o Dải động: truyền sóng, nhiễu, trễ Cường độ tín hiệu: Cường độ tín hiệu thường biểu diễn công suất điện áp tổng trở tải Ta phải nói tín hiệu có cơng suất 200mW có biên độ 100mV tổng trở 50Ω Tỉ số cường độ hai tín hiệu: dùng mô tả độ lợi độ suy giảm hệ thống, thường biểu diễn đơn vị Decibel (dB) xác định theo thang logarithm: Tỉ số tín hiệu = 10log(P2/P1) [dB] Sự tiện lợi đơn vị dB người ta xác định độ lợi (hay độ suy giảm) hệ thống gồm nhiều tầng nối chuỗi (cascade) cách cộng độ lợi tầng với Người ta thường biểu thị công suất tuyệt đối tín hiệu cách so sánh với tín hiệu chuẩn có cơng suất 1W : Chương 2- Những khái niệm Công suất tín hiệu = 10log dB Ngồi ra, người ta cịn dùng đơn vị dBm để xác định cường độ tín hiệu so với tín hiệu chuẩn có cơng suất 1mW : Cơng suất tín hiệu = 10log dBm Một tín hiệu có cơng suất 1W tương đương với dB 30dBm Thí dụ: Tín hiệu có biên độ 100mV 50Ω tương đương với 0,2 mW, tính theo dB là: 10log(0,2/1W) = - dB Dấu trừ cho biết mức tín hiệu -7 dB 1W Tính theo dBm 10log(200mW/1mW)=23dBm (-7 + 30dB) Lưu ý, chuyển đổi đơn vị phải để ý đến tổng trở tải tín hiệu Biểu thức P = ( V2/R ) dùng để tính điện áp hiệu dụng tỉ số điện áp Trong hệ thống điện thoại tổng trở tải thường dùng 600Ω Nếu tín hiệu có chung tổng trở tải : Tỉ số tín hiệu = 20log DB Tỉ số tín hiệu nhiễu SNR (Signal to Noise Ratio) Ðể đánh giá chất lượng tín hiệu chất lượng hệ thống truyền tín hiệu người ta dùng tỉ số tín hiệu nhiễu SNR Ðây tỉ số cơng suất tín hiệu có ích cơng suất tín hiệu nhiễu, thường tính dB Nếu tín hiệu dBm có mức nhiễu -20 dBm, tỉ số SNR 22 dB Nói cách khác mức tín hiệu lớn mức nhiễu 22 dB Ví dụ: Với tín hiệu số đơn cực, SNR tối thiểu phải để phân biệt tín hiệu cách rõ ràng (ảnh hưởng nhiễu chấp nhận được)? Giả sử biên độ ứng với mức V V cho mức 0, lỗi phát sinh mức phát mà nhiễu có giá trị dương lớn 0,5 V mức phát mà nhiễu có biên độ âm trị tuyệt đối lớn 0,5 V Như giá trị tối đa cho phép nhiễu 0,5 V so với trị tối đa tín hiệu V tỉ số SNR tối thiểu là: SNRMIN = Một hệ thống hay mạch tốt có khả nâng cao tỉ số tín hiệu nhiễu SNR theo u cầu 2- Băng thơng : Băng thơng tín hiệu dải tần số chứa hầu hết cơng suất tín hiệu Khái niệm cho ta xác định phổ tần hữu ích tín hiệu tín hiệu chứa phổ tần q rộng 10 Chương 2- Những khái niệm Băng thông kênh truyền dải tần số tín hiệu mà độ suy giảm khoảng vài dB (thường dB) so với giá trị cực đại tín hiệu truyền qua hệ thống Ðộ suy giảm dB tương ứng với điểm nửa công suất Một kênh truyền tốt phải có băng thơng lớn băng thơng tín hiệu, điều khiến cho tín hiệu tái tạo không bị méo dạng suy giảm đáng kể trình truyền P 3dB f B 3- Topology phương thức liên lạc a Topology Ðiểm - điểm (Point to point): Thí dụ liên lạc máy tính máy in Đa điểm (Multipoint): Hệ thống nhiều điểm có dạng: (star), vịng (ring) multidrop b Phương thức thức liên lạc Giữa máy phát thu hệ thống thông tin thực theo phương thức: • Ðơn cơng (Simplex transmission, SX): thơng tin truyền theo chiều Nếu lỗi xảy máy thu khơng có cách u cầu máy phát phát lại Trong hệ thống thường máy thu có trang bị thêm ROP (Read Only Printer) để hiển thị thông tin nhận • Bán song cơng (Half duplex transmission, HDX): Tín hiệu truyền theo hai hướng khơng đồng thời Hệ thống thông tin dùng Walkie - Talkie thí dụ phương thức liên lạc bán song cơng Các máy truyền bán song cơng có nút ấn để phát (push to send), chế độ phát phần thu bị vơ hiệu hóa ngược lại • Song cơng (full duplex transmission, FDX): Tín hiệu truyền theo hai chiều đồng thời Hệ thống thường có đường dây, dây cho chiều truyền Phương thức dùng hệ thống điểm - điểm (point to point) • Song cơng tồn phần (Full/Full-duplex, F/FDX): Ðài sơ cấp có khả phát tín hiệu tới đài thứ cấp đồng thời nhận thông tin từ đài thứ cấp khác Phương thức giới hạn hệ thống nhiều điểm (multipoint) 4- Các phương pháp truyền Ðể truyền tín hiệu người ta dùng hai phương pháp: • Phương pháp truyền dải (Base band): Tín hiệu truyền có dải tần với tín hiệu nguồn Thí dụ điện thoại, tín hiệu âm hữu ích có tần 11 Chương 2- Những khái niệm số khoảng 300-3000 Hz truyền mà khơng có biến đổi phổ tần • Phương pháp điều chế (Broad band): Ðây phương pháp cho phép dời phổ tần tín hiệu nguồn đến khoảng tần số khác phù hợp với kênh truyền tránh nhiễu giao thoa (nghĩa phổ tần cách khoảng đủ để không chồng lên nhau) II- Hệ thống truyền tương tự Hệ thống truyền tương tự dùng phương pháp điều chế III- Hệ thống truyền số 1- Sơ đồ khối 2- Vận tốc truyền tín hiệu Một đặc trưng quan trọng để đánh giá chất lượng hệ thống truyền số vận tốc truyền tín hiệu (baud rate), tính baud Định nghĩa: Baud vận tốc thay đổi trạng thái sóng mang (số lần thay đổi sóng mang giây) gọi vận tốc điều chế (baud rate) Trong thực tế người ta hay dùng đơn vị bit/s (bps) vận tốc truyền bit (bit rate), tức số bit mà hệ thống truyền giây Trong hệ thống truyền nhị phân, sóng mang điều chế hai trạng thái tín hiệu, vận tốc bit vận tốc tín hiệu (số bit/s = số baud) Trong hệ thống truyền nhị phân hai bit, số lượng bit gấp đơi số tín hiệu (vận tốc thay đổi bit nhanh gấp đôi vận tốc thay đổi sóng mang), số bit/s gấp đôi số baud 12 Chương 7- Xử lý số liệu truyền 2- Một số thuật toán mã mật với khoá bí mật a- Mã Caesar (Caesar cipher) Cịn gọi mã mẫu tự đơn (mono-alphabetic cipher) Ðây loại mật mã có sớm đơn giản Người ta thay ký tự tin ký tự khác theo qui luật đó, thí dụ cách cộng số nguyên vào mã ASCII ký tự ta có tin mật Thí dụ cộng vào mã ASCII ta có ký tự B thay cho A, C thay cho B Và nơi nhận giải mã cách trừ cho mã nhận trước tra bảng mã ASCII Vì giải thuật tạo mã đơn giản nên tin giải mã cách dễ dàng mà khơng cần biết trước khóa Thí dụ, tiếng Anh, ký tự E, T, O N ký tự thường xuất nhiều lần văn nên gặp mã người ta thay ký tự lặp lại nhiều lần ký tự Sau vài thử nghiệm thấy qui luật suy tin b- Mã đa mẫu tự (Poly-alphabetic cipher) Ðể tránh việc lặp lại ký tự mật mã, người ta dùng loại mã đa mẫu tự, tương tự mã Caesar, ký tự thay ký tự khác, ký tự giống thay ký tự nhất, mà thay ký tự khác tùy theo vị trí c- Mã chuyển vị (Transposition cipher) Người ta xếp lại thứ tự ký tự văn cách lưu chúng mảng chiều m cột, m ký tự cho vào hàng thứ nhất, m ký tự cho vào hàng thứ hai, tiếp tục cho hết tin, sau hốn đổi vị trí cột theo thứ tự mới, giả sử p1, p2 pm Sự hoán đổi thực cách ngẫu nhiên theo qui luật định trước Bản tin truyền theo thứ tự từ p1, p2 đến pm Rõ ràng tin mã hóa khơng cịn dáng dấp tin ban đầu Nhưng phương pháp khuyết điểm lặp lại ký tự Nếu kẻ gian xác định mật mã dùng loại chuyển vị khả giải mã khơng khó d- Mã DES (Data Encryption Standard) Mã DES phát triển IBM vào năm đầu thập niên 70, xem chuẩn việc tạo mật mã dùng thương mại tin tức khơng coi bí mật người ta chế tạo chip VLSI để thực việc tạo mã nhanh DES chia tin thành khối 64 bit dùng khóa 56 bit để thực q trình tạo mã phức tạp bao gồm kỹ thuật chuyển vị, thay thế, toán tử EX-OR vài xử lý khác để tạo nên mã 64 bit Tiến trình thực gồm: 65 Chương 7- Xử lý số liệu truyền • Bước 1: Chuyển vị 64 bit liệu 56 bit khóa • Bước 2: gồm 16 lần thực mã hóa tương tự với khóa khác nhau, liệu lần thực trước liệu vào lần thực sau • Bước 3: Trộn 32 bit đầu 32 bit cuối • Bước 4: Thực lần chuyển vị cuối 3- Giao thức mã mật a- Giao thức truyền thơng sử dụng mã mật với khố bí mật Giao thức để A gửi thơng điệp mã mật cho B • A B đồng ý hệ thống mã mật CS • A B đồng ý khố K • A dùng khố K để mã hố thơng điệp cần gửi theo thuật tốn mã mật CS thu thơng điệp mã mật • A gửi thơng điệp mã mật tới B • B giải mã thơng điệp nhận sử dụng khoá K theo thuật toán mã mật CS B thu thông điệp A Các vấn đề hệ thống mã mật với khoá bí mật: • Khố K phải phân phối cách bí mật Giá trị khố tương đương với giá trị thông tin cần bảo vệ thơng điệp gửi • Nếu khố K bị đánh cắp, tin tặc giải mã mật thơng điệp mã mật với khố giả danh người gửi thông điệp để gửi thông điệp sai tới người nhận • Giả sử khố K sử dụng cho người mạng, số lượng khố tăng lên nhanh chóng tốc độ tăng người dùng mạng Một mạng với N người sử dụng cần có N(N-1)/2 khố để giao tiếp đôi với Do số lượng khố vơ lớn b- Giao thức truyền thơng sử dụng mã mật với khố cơng khai Giao thức để A gửi thông điệp cho B sử dụng hệ thống mã mật với khố cơng khai: • A B đồng ý hệ thống mã mật CS • B gửi cho A publickey • A mã mật thông điệp cần gửi publickey B theo hệ thống mã mật CS gửi thơng điệp mã mật cho B • B giải mã mật thông điệp nhận privatekey theo hệ thống mã mật CS Thơng thường, mạng người dùng đồng ý chấp nhận sử dụng hệ thống mã mật với khố cơng khai Mọi người sở hữu (publickey, privatekey) mình, 66 Chương 7- Xử lý số liệu truyền publickey đưa lên sở liệu công cộng Khi giao thức đơn giản đi: • A lấy publickey B từ sở liệu cơng cộng • A mã mật thơng điệp cần gửi sử dụng publickey B gửi thông điệp mã mật cho B • B sử dụng privatekey minh để giải mã mật thông điệp nhận c- Giao thức truyền thông sử dụng chữ ký điện tử Giao thức truyền thông sử dụng chữ ký điện tử phải đảm bảo yếu tố sau: • Chữ ký điện tử khơng giả mạo • Chữ ký điện tử phải kiểm tra • Chữ ký điện tử dùng lần, không sử dụng lại • Chữ ký điện tử khơng thể chối bỏ • Chữ ký điện tử dùng để niêm phong thông điệp * Giao thức chữ ký điện tử sử dụng hệ thống mã mật khoá tương đồng: Trong trường hợp này, cần có người làm trung gian T T phải bên tin tưởng trung thực cơng T giao tiếp với A B, chia sẻ khố bí mật KA với A, khố bí mật khác KB với B Những khoá sinh trước giao thức bắt đầu, sử dụng lại nhiều lần • A mã mật thông điệp cần gửi tới B sử dụng KA gửi thơng điệp mã mật cho T • T giải mã thơng điệp sử dụng khố KA • T lấy thông điệp giải mã mật chứng nhận vừa nhận thông điệp A, sau mã hố tồn gói tin vơi khố KB • T gửi gói tin mã mật cho B • B giải mã mật gói tin sử dụng khố KB Anh ta đọc thông điệp A gửi chứng nhận T việc A gửi * Giao thức chữ ký điện tử sử dụng hệ thống mã mật với khố cơng khai: • A mã mật văn cần gửi sử dụng privatekey • A gửi văn ký (đã mã mật) tới B • B giải mã mật văn sử dụng publickey A Những đặc điểm dễ nhận thấy là, giao thức khơng cần có mặt người trung gian T Nó khác với thuật tốn mã mật dùng khố cơng khai A sử dụng privatekey để mã mật thay publickey B thuật toán mã mật Để tránh việc B sử dụng lại văn có chữ ký A, văn thường gắn kèm theo nhãn thời gian 67 Chương 7- Xử lý số liệu truyền * Giao thức chữ ký điện tử sử dụng hệ thống mã mật với khố cơng khai hàm băm chiều: Trên thực tế, việc sử dụng thuật toán mã mật với khố cơng khai để ký văn dài khó thực thuật tốn tương đối chậm Vì thay phải ký văn bản, ta phải ký lên giá trị băm văn mà thơi • A sinh giá trị băm chiều văn • A mã mật giá trị băm sử dụng privatekey • A gửi văn giá trị băm chiều ký tới B • B nhận văn bản, sinh giá trị băm chiều văn nhận Sử dụng publickey A để giải mã mật giá trị băm A gửi tới Nếu giá trị băm B sinh phù hợp với giá trị băm A gửi tới, chữ ký điện tử hợp lệ Ngoài việc tăng tốc trình thực giao thức, việc sử dụng hàm băm chiều cịn có số ưu điểm khác: Thứ nhất, chữ ký tách riêng khỏi văn Thứ hai, dung lượng nhớ cần dùng để lưu văn chữ ký giảm đáng kể 4- Độ dài khoá Các thuật toán khác có mức độ an tồn khác nhau, phụ thuộc vào độ khó để bẻ khố hệ thống mã mật xây dựng thuật tốn mã mật Một hệ thống mã mật coi an toàn khi: • Nếu chi phí bỏ để phá vỡ thuật tốn mã mật cao giá trị thơng tin mã mật • Thời gian để phá vỡ thuật tốn nhiều thời gian mà thơng tin mã mật cần trì an tồn • Lượng thơng tin mã mật với khố đơn lượng thông tin cần thiết để phá vỡ thuật tốn Tuy khơng thể khẳng định thuật tốn an tồn tuyệt đối, người xây dựng lên thuật tốn, người tìm cách để phá vỡ a- Độ dài khoá thuật toán mã mật khố bí mật Độ an tồn hệ thống mã mật khoá tương đồng hàm hai vấn đề: sức mạnh thuật toán độ dài khố Với khố có độ dài bit, ta có 256 khố khác Do cần 256 lần thử để tìm khố Nếu khố có độ dài 56 bit, có 256 khố khác có, siêu máy tính có khả thử triệu khố giây, phải 2285 năm để tìm khố Như nói với số độ dài lớn khả tìm khố gần khơng thể thực khoảng thời gian chi phí chấp nhận Trong thuật toán mã mật với khố tương đồng thực tế DES sử dụng khố có độ dài 56 bit, Blowfish RC5 sử dụng khố có độ dài 64 bit 68 Chương 7- Xử lý số liệu truyền b- Độ dài khoá thuật tốn mã mật khố cơng khai Việc tìm privatekey biết publickey địi hỏi chi phí tính tốn lớn, nhiên theo khuyến nghị chuyên gia nghiên cứu mã mật, độ dài khóa thuật tốn mã mật khóa cơng khai, phải khơng 512 bit Ngày khố có độ dài 1024 bit thường sử dụng Nhưng với khố 1024 bit mà cần phải lưu 20 năm độ dài lại trở nên q khiêm tốn • Đối với cá nhân, sử dụng khoá với độ dài 512bit, 1024 bit 1280 bit • Các tổ chức, tập đồn sử dụng khoá với độ dài 1280 bit, 1536 bit 2048 bit • Cịn phủ khuyến nghị dùng khố có độ dài 1536 bit 2048 bit 5- Quản lý khoá a- Quản lý khố bí mật Trong hệ thống mã mật thực tế, việc quản lý khố vấn đề khó Việc thiết kế thuật toán mã mật an tồn giao thức cho thuật tốn vấn đề không đơn giản, việc để đảm bảo khố dùng giữ bí mật cịn khó Độ an tồn thuật tốn dựa hồn tồn vào độ an tồn khóa Nếu ta sử dụng tiến trình mã mật yếu để sinh khố, tồn hệ thống ta yếu Một vấn đề không phần quan trọng khố sinh phải có độ dài đủ lớn để đảm bảo tính an tồn cho hệ thống Nếu phải chuyển khố cho thơng qua mạng cơng cộng vấn đề phức tạp, điểm mấu chốt A B phải thống cách thức an tồn mà bên đặt niềm tin vào Hoặc A B trao đổi khoá cho qua đường khác đĩa từ, CDROM (tức không thông qua mạng cơng cộng) A B dễ dàng kiểm soát A(B) gửi khố cho mà khơng phải cố tình giả mạo Trong q trình sử dụng, lưu trữ khố vịng đời khố cần quan tâm mức Thời gian tồn khoá dài nguy khố bị đánh cắp hay bị bẻ tăng, trường hợp khơng cần thiết khố cần thay đổi cập nhật thường xun b- Quản lý khố cơng khai Hệ thống mã mật sử dụng khố cơng khai làm cho việc quản lý khoá trở nên dễ dàng hơn, vần tồn vấn đề riêng Mỗi người có publickey Nếu A muốn gửi thơng điệp tới B, phải có publickey B, có cách để có publickey cua B: • A nhận từ B • A lấy từ sở liệu cơng cộng • A lấy từ sở liệu cá nhân 69 Chương 7- Xử lý số liệu truyền Vấn đề là: A muốn gửi thông điệp tới B A vào sở liệu công cộng lấy publickey B Nhưng tin tặc M, giả publickey B sở liệu cơng cộng Như vậy, A dùng publickey M mã hố thơng điệp gửi tới B M chặn thơng điệp lại, giải mã mật đọc thơng tin Sau M mã mật thơng điệp publickey thật B gửi cho B Do A B M đọc thông tin trao đổi họ Một giải pháp đề giải vấn đề là: có tổ chức đứng để chứng thực publickey (publickey certificate), chẳng hạn VeriSign Các tổ chức dạng thường gọi CA (Certificate Authority) Tổ chức đứng đảm bảo publickey B ngồi publickey cịn lưu thơng tin cá nhân B tên, địa Do A nhận publickey B từ CA tin tưởng publickey B Câu hỏi cuối chương Mã Hamming loại mã phát lỗi theo kiểu nào: Kiểm soát lỗi hướng tới hay kiểm soát lỗi quay lui Cho từ mã bit 1011011 mã hoá theo phương pháp kiểm tra chẵn lẻ bit Hãy cho biết parity bit từ mã với trường hợp parity chẵn (even) Ở phía thu thu từ mã 10110011 máy thu có phát sai khơng? Tại mã hố mã nén Huffman từ mã phải có tính Prefix Hãy cho biết khác nén có tổn hao nén khơng tổn hao Chúng dùng đâu? 70 Chương 8- Điều khiển liên kết số liệu Chương 8- Điều khiển liên kết số liệu (DATA LINK CONTROL) I- Đặt vấn đề Một số yêu cầu mục tiêu đảm bảo hiệu liên lạc hai trạm truyền, nhận trực tiếp: • Đồng khung: Sự bắt đầu kết thúc frame cần vạch rõ • Các phương án thiết lập, huỷ bỏ liên kết • Điều khiển luồng (flow control): Trạm gửi cần gửi liệu có tốc độ phù hợp để trạm thu nhận • Kiểm sốt lỗi: Phát sửa lỗi liệu • Địa hoá: Trong truyền multipoint nhận dạng hai trạm cần biết rõ Những yêu cầu giao tiếp vật lý không thoả mãn Nếu trạm muốn gửi liệu đến trạm khác, yêu cầu trạm sẵn sàng nhận Trạm thứ sẵn sàng trả lời ACK (acknowledgment) Trạm thứ gửi số liệu dạng frame (trong trường hợp truyền khơng đồng liệu dịng ký tự) Trong số trường hợp sau truyền số liệu, trạm thứ tạm dừng để chờ kết Để kết thúc truyền trạm thứ truyền tín hiệu kết thúc truyền DISC-Frame chấm dứt trao đổi, hệ thông trả trạng thái ban đầu Có pha q trình điều khiển: • Thiết lập • Truyền liệu • Kết thúc Trạm nguồn Trạm đích Setup Frame UA-Frame UA-Frame : Unnumbered-Acknowledgment Frame I-Frame : Information Frame DISC-Frame : Disconnect Frame I - Frame ACK-Frame DISC-Frame UA-Frame II- 71 Chương 8- Điều khiển liên kết số liệu Kiểm soát lỗi (error control) Có hai loại lỗi: • Mất frame: Frame bị trước đến đích, làm cho bên phát cho frame chưa truyền • Frame bị lỗi: Frame đến đích số bit bị sai truyền Hầu hết kỹ thuật cho việc kiểm tra sai dựa sở sau: • Phát sai: kiểm tra sai dùng FCS • Báo nhận (ACK): Bên thu truyền ACK nhận frame • Truyền lại sau thời gian (time out): bên phát truyền lại frame đố mà chưa nhận ACK khoảng thời gian • NAK (Negative ACK): Bên thu trả lại tín hiệu NAK có frame sai Thủ tục kiểm soát lỗi gọi ARQ (Automatic Repeat reQuest) Có hai loại ARQ bản: • Idle RQ: Hay gọi là: dừng đợi ARQ (Stop and wait ARQ) • Continuous RQ o Truyền lại có lựa chọn (selective repeat retransmission) o Truyền lại nhóm (go-back-N - retransmission) 1- Idle RQ (Stop and wait ARQ) Giao thức idle RQ hoạt động theo chế độ bán song cơng sau sơ cấp (Primary) gửi I-frame, phải đợi nhận thơng báo thứ cấp (Secondary) cho biết frame nhận có thành cơng hay khơng Sau đó, sơ cấp gửi frame frame trước nhận tốt truyền lại copy khơng nhận thành cơng Có hai phương pháp: • Truyền lại ngầm định (implicit retransmission): Thứ cấp báo nhận ACK frame nhận tốt hiểu ACK có nghĩa frame bị hỏng tự động truyền lại • Yêu cầu rõ (explicit request): Thứ cấp phát frame hỏng gửi thông báo NAK yêu cầu truyền lại Chú ý : • Thứ cấp giữ lại copy frame vừa truyền nhận ACK • Nếu frame truyền mà truyền ACK bị sau thời gian chờ khơng có tín hiệu ACK thứ cấp, sơ cấp truyền lại frame trước Như bên thứ cấp nhận frame Để tránh vấn đề đó, frame ln thay đổi giá trị 0, 1: Ta có ACK0 ACK1 ACK0(ACK1) nhận frame (0) thứ cấp sẵn sàng nhận frame (1) 72 Chương 8- Điều khiển liên kết số liệu Trạm nguồn (sơ cấp) Trạm đích (thứ cấp) Frame ACK Frame ACK Frame Time out frame truyền lại Frame truyền lại ACK Frame Time out ACK ACK Frame truyền lại ACK loại bỏ frame trùng lặp Frame truyền lôi FCS Thời gian NAK Với yêu cầu rõ Frame truyền lại ACK Để xác định hiệu suất hoạt động giao thức này, ta quan sát lưu đồ thời gian thực phát khung số liệu đầy đủ sau (Hình dưới) Trạm nguồn (sơ cấp) Trạm đích (thứ cấp) I-Frame (n) Tp = Thời gian lan truyền tín hiệu Tix = Thời gian phát số liệu Tip = Thời gian xử lý số liệu Tp ACK Tax = Thời gian phát ACK Tap = Thời gian xử lý ACK I-Frame (n+1) Thời gian 73 Chương 8- Điều khiển liên kết số liệu Tp thời gian lan truyền tín hiệu từ P đến S (và từ S P) Thời gian phát số liệu Tix thời gian phát thông báo ACK Tax phụ thuộc vào độ dài khung liệu I-frame độ dài thông báo ACK tốc độ truyền số liệu đường truyền Tip Tap thời gian xử lý khung số liệu I-frame thông báo ACK Hiệu suất hoạt động giao thức hiệu sử dụng đường truyền xác định tỉ lệ thời gian phát số liệu Tix tổng số thời gian chiếm dụng đường truyền T = (Tp+Tix+Tip) + (Tp+Tax+Tap) Biết thơng báo ACK có độ dài nhỏ nhiều lần so với khung số liệu I-frame thời gian xử lý I-frame, ACK khơng đáng kể, coi Tip=Tax=Tap=0 Ta tính hiệu suất giao thức sau: U= Tix Ti x + 2Tp U= 1 + 2a hay với a=Tp/Tix Ví dụ 1: Cho đường truyền có độ dài L=200km, tốc độ truyền số liệu video=1Mbps, tốc độ lan truyền tín hiệu D=2.108 m/s Tính hiệu suất hoạt động giao thức “Dừng Chờ” áp dụng cho đường truyền nói để truyền khung số liệu có độ dài cố định l=1000bit, biết thời gian xử lý số liệu xử lý thông báo ACK thời gian truyền thông báo ACK khơng đáng kể Đáp án: U=0,33 Ví dụ 2: Giả thiết kênh truyền vệ tinh có thơng số sau: • Tốc độ truyền số liệu v=50kbps • Trễ tồn phần (round trip time) RTT=500ms • Độ dài khung số liệu lD=1000 bit • Độ dài thơng báo trả lời ACK lA=200 bit Tính hiệu suất kênh truyền (đáp án=4%) Nhận xét? Nhận xét: • Giao thức Idle RQ hồn tồn thích hợp cho liên kết ngắn tốc độ vừa phải • Ưu điểm idle RQ u cầu kích thước đệm tối thiểu , bên sơ cấp thứ cấp cần chứa đủ frame Ngoài thứ cấp phải trì ghi để xác định frame nhận thành công sau để phát trùng lặp Được sử dụng rộng rãi thiết bị đơn giản 2- RQ liên tục (continuous RQ) Với RQ liên tục, hiệu suất sử dụng liên kết cải thiện Cần liên kết song công để thực • P gửi I-frame cách liên tục mà chưa cần ACK-frame trở • P có danh sách truyền lại chứa I-frame chưa nhận ACK-frame 74 Chương 8- Điều khiển liên kết số liệu • Mỗi nhận I-frame tốt S trả lời ACK-frame • I-frame nhận mà khơng có lỗi đặt vào danh sách liên kết nhận đề chờ xử lý Khi có lỗi truyền xảy có hai cách sử dụng: • Truyền lại nhóm: S phát frame bị lỗi yêu cầu truyền lại tất I-frame chưa ACK kể từ thời điểm nhận I-frame sau • Truyền lại có lựa chọn: Chỉ truyền lại frame bị hỏng a- Truyền lại nhóm (Go-back-N) Khi S phát I-frame có lỗi (frame2) phát I-frame đến sai thứ tự (do I-frame trước bị mất) Nó gửi NAK2 đến P P vào trạng thái truyền lại tạm thời dừng truyền frame bắt đầu truyền lại frame đợi báo nhận danh sách truyền lại Phía S loại bỏ frame nhận frame (2) Truyền lại ACK0 ACK2 ACK1 NAK2 E D D D ACK3 ACK4 ACK5 ACK6 Frame bị bỏ Error Giả sử S nhận tốt frame nhiên ACK frame 1, bị hỏng Khi nhận ACK frame 3, ACK khơng phải NAK nên P chấp nhận ACK3 báo nhận cho frame cịn lại cịn đợi (vì biết S gửi ACK1,2 gửi ACK3) b- Truyền lại có lựa chọn (Selective Repeat) Trường hợp I-frame (2) bị • S trả lời P ACK 1, 3,… • Khi P nhận ACK(3) P phát I-frame (2) khơng báo nhận • P vào trạng thái truyền lại, việc truyền frame bị hoãn lại tất frame khơng báo nhận truyền lại • P xoá I-frame(3) khỏi danh sách truyền lại truyền lại I-frame (2) trước truyền I-frame (7) Truyền lại ACK0 ACK3 ACK1 E Error ACK4 Được giữ lại S 75 ACK5 ACK6 ACK2 ACK7 ACK0 ACK1 Chương 8- Điều khiển liên kết số liệu Với trường hợp I-frame nhận tốt ACK-frame bị hỏng, giống trường hợp Nhưng S nhận truyền lại biết trùng lặp nên loại bỏ gửi trả 1ACK-frame cho I-frame để đảm bảo P loại bỏ frame khỏi danh sách truyền lại Nhận xét: Trong nhiều ứng dụng, frame phải phân phối thứ tự giống tạo Do dó frame nhận khơng thứ tự phải lưu giữ S để xếp lại sau nhận frame truyền lại Thường frame có kích thước lớn số lượng frame cần lưu giữ nhiều Do dó địi hỏi hệ thống phải có dung lượng lưu giữ lớn Do vậy, hầu hết mạng dùng lược đồ điều khiển truyền lại nhóm III- Điều khiển luồng (flow control) Điều khiển luồng kỹ thuật bảo đảm cho trạm thu có đủ tài nguyên nhớ để tiếp nhận liệu trước xử lý 1- Điều khiển luồng dừng chờ P truyền I-frame nhận I-frame S gửi tín hiệu chấp nhận ACK 2- Cửa sổ trượt (sliding window) Ta biết với lược đồ (scheme) kiểm soát lỗi Idle RQ chặt chẽ nhung không hiệu việc sử dụng băng thơng Với lược đồ kiểm sốt lỗi RQ liên tục, P gửi I-frame cách liên tục trước nhận ACK Với lược đồ S hết nhớ Thường phải thêm vào lược đồ thao tác điều chỉnh Trong giới hạn số lượng I-frame đợi danh sách truyền lại Khi S bị q tải khơng gửi ACK-frame danh sách truyền lại P tăng dần lên đến lúc đến số giới hạn, P ngừng gửi I-frame ACK khởi động luồng trở lại Dừng luồng Các frame báo nhận Các frame đợi báo nhận Biên cửa sổ LWE=lower window edge Các frame đợi truyền Biên cửa sổ UWE=upper window edge Cửa sổ truyền K=3 Số lượng I-frame bị giới hạn số tối đa gọi cửa sổ truyền (send window) Trên hình vẽ K=3 Nếu K=1 tức dạng idle RQ Việc chọn K phải dựa kích thước tối đa frame, dung lượng nhớ, trễ, tốc độ truyền 76 Chương 8- Điều khiển liên kết số liệu Hoạt động: Khi truyền I-frame biên cửa sổ (UWE) tăng lên đơn vị, I-frame báo nhận biên cửa sổ (LWE) tăng lên Nếu UWE lớn LWE K P khơng truyền I-frame Kích thước yêu cầu đệm frame S gọi cửa sỏ thu (receive window) Với lược đồ idle RQ go-back RQ yêu cầu đệm thu đệm frame Với lược đồ selective repeat yêu cầu đệm K frame Protocol Idle RQ Selective repeat Go-back-N Send window K K Receive window K Câu hỏi cuối chương Hãy giải thích giao thức Idle RQ thích hợp với cự ly ngắn Một kết nối có loại khung (frame) sau: UA-frame, I-frame, ACK-frame, NAK-frame, DISC-frame… Hãy cho biết phương pháp truyền lại kết nối loại truyền lại ngầm định loại yêu cầu rõ Vì sao? 77 Tài liệu tham khảo Tài liệu tham khảo [1] Nguyễn Hồng Sơn, Kỹ thuật truyền số liệu, Nhà xuất Lao động-Xã hội, 2002 [2] Vũ Duy Lợi, Mạng thơng tin máy tính Kiến trúc, ngun tắc hiệu suất hoạt động, Nhà xuất Thế giới, 2002 [3] Nguyễn Văn Thưởng, Cơ sở kỹ thuật truyền số liệu, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 1998 [4] Fred Halsall, Data Communications Computer Networks and Open Systems (Fourth Edition), Addison Wesley Publishing Company, 1995 [5] William Stallings, Data and Computer Communications (Fifth Edition), Prentice Hall, 1997 [6] Andrew S Tanenbaum, Computer Networks (Fourth Edition), Prentice Hall, 2003 78 Tài liệu tham khảo Bài giảng Truyền Số Liệu Thông tin tác giả: Họ tên: Đỗ Văn Hải Năm sinh: 1979 Cơ quan công tác: Khoa Công nghệ thông tin - ĐH Thủy lợi Địa liên hệ: Khoa CNTT – ĐH Thủy lợi – 175 Tây Sơn – Hà Nội Email: haidv@wru.edu.vn Đối tượng sử dụng: dùng cho sinh viên ngành điện tử viễn thông, công nghệ thông tin Từ khóa: băng thơng, liệu, tín hiệu, mã hóa, ghép kênh, điều chế, đồng bộ, nén liệu, bảo mật liệu, điều khiển luồng 79 ... thoại số bao nhiêu? Tốc độ E1 gì? 40 Chương 6- Giao tiếp truyền số liệu Chương 6- Giao tiếp truyền số liệu (DATA COMMUNICATION INTERFACE) I- Hệ thống truyền số liệu Trong hệ thống truyền liệu. .. hiệu liệu số truyền phương pháp FM Kỹ thuật gọi kỹ thuật dời tần (FSK: Frequency- Shift Keying) FSK dùng rộng rãi truyền số liệu Trong FSK bít truyền tần số fm bít tần số fs 36 Chương 5- Mã hoá số. .. Start bit truyền không đồng Nêu ý nghĩa Stop bit truyền không đồng Nếu hiệu suất đường truyền tính theo tỉ lệ: số bit liệu truyền / số bit phải truyền Hãy so sánh hiệu suất đường truyền truyền không