Các nguyên lý cơ bản của các giao thức mức thấp cho truyền dữ liệu trong mạng truyền thông công nghiệp

Lời nói đầu Do đặc thù của ngành công nghiệp mà đã tạo ra nhiều loại mạng truyền thông khác nhau. Mặt khác mạng truyền thông trong công nghiệp cũng có những đặc thù riêng, có thể phân biệt chúng với mạng thông tin quảng đại về một số khía cạnh như: Phạm vi hoạt động, yêu cầu độ tin cậy khi truyền… Có thể thấy các ưu điểm của mạng truyền thông công nghiệp như: Thay thế được hoàn toàn hệ thống cũ (0-20mA, 0-10V…), cho phép làm việc với các nhà sản xuất khác nhau, là hệ thống mở, cho phép điều khiển và hiệu chỉnh, giá thành thấp, lượng thông tin truyền tải lớn… Như vậy, tìm hiểu và phát triển mạng truyền thông công nghiệp là một việc làm rất cần thiết. Một trong những khía cạnh đáng quan tâm là các giao thức mức thấp trong mạng truyền thông công nghiệp. Nội dung dưới đây chúng tôi xin trình bày “các nguyên lý cơ bản của các giao thức mức thấp cho truyền dữ liệu trong mạng truyền thông công nghiệp”. Do hạn chế về thời gian cũng như kiến thức chưa thực sự chuyên sâu, nên không thể tránh được những thiếu sót, chúng tôi sẽ cố gắng khắc phục và tìm hiểu kĩ hơn để hoàn thiện nội dung một cách đầy đủ hơn. Xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo TS.Nguyễn Văn Khang đã định hướng cho chúng tôi phát triển đề tài và tham khảo tài liệu để hoàn thiện bài báo cáo này.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

Tiểu luận môn học

HỆ THỐNG THÔNG TIN CÔNG NGHIỆP

ĐỀ TÀI: “Các nguyên lý cơ bản của các giao thức mức thấp cho truyền

dữ liệu trong mạng truyền thông công nghiệp”

Nhóm thực : Nhóm 20

Hà Nội, tháng 12/2011

DANH SÁCH THÀNH VIÊN NHÓM 20

*****

ĐỀ TÀI: Các nguyên lý cơ bản của các giao thức mức thấp cho truyền dữ liệu trong mạng truyền thông công nghiệp”.

nhóm đã cùng nhau thảo luận, dịch và đóng góp ý kiến cho tất

cả các nội dung để hoàn thiện bài báo cáo

 Với mục tiêu tất cả các thành viên đều phải nắm được 100% nội dung nên về cơ bản, tất cả các nội dung trong báo cáo đều

có sự tham gia của tất cả các thành viên

Lời nói đầu

Do đặc thù của ngành công nghiệp mà đã tạo ra nhiều loại mạng truyềnthông khác nhau Mặt khác mạng truyền thông trong công nghiệp cũng cónhững đặc thù riêng, có thể phân biệt chúng với mạng thông tin quảng đại vềmột số khía cạnh như: Phạm vi hoạt động, yêu cầu độ tin cậy khi truyền… Cóthể thấy các ưu điểm của mạng truyền thông công nghiệp như: Thay thế đượchoàn toàn hệ thống cũ (0-20mA, 0-10V…), cho phép làm việc với các nhà sảnxuất khác nhau, là hệ thống mở, cho phép điều khiển và hiệu chỉnh, giá thànhthấp, lượng thông tin truyền tải lớn… Như vậy, tìm hiểu và phát triển mạngtruyền thông công nghiệp là một việc làm rất cần thiết Một trong những khíacạnh đáng quan tâm là các giao thức mức thấp trong mạng truyền thông công

nghiệp Nội dung dưới đây chúng tôi xin trình bày “các nguyên lý cơ bản của

các giao thức mức thấp cho truyền dữ liệu trong mạng truyền thông công nghiệp” Do hạn chế về thời gian cũng như kiến thức chưa thực sự chuyên sâu,

nên không thể tránh được những thiếu sót, chúng tôi sẽ cố gắng khắc phục vàtìm hiểu kĩ hơn để hoàn thiện nội dung một cách đầy đủ hơn Xin được gửi lờicảm ơn sâu sắc tới thầy giáo TS.Nguyễn Văn Khang đã định hướng cho chúngtôi phát triển đề tài và tham khảo tài liệu để hoàn thiện bài báo cáo này

Nhóm thực hiện: Nhóm 20

Do các lớp thấp truyền qua kênh vật lý nên bị ảnh hưởng nhiều nhất bởi đặctính vật lý của kênh (như băng thông, lỗi kênh ) , điều đó ảnh hưởng đến thiết

kế của chúng Điều quan trọng của các lớp thấp đối với các hệ thống thông tincông nghiệp phải đảm bảo thời gian thực ngặt nghèo và độ tin cậy: nếu các lớpthấp không bảo đảm truyền thành công một gói/ khung trong một khoảng thờigian nhất định, thì ở các lớp trên không thể bù lại được bằng bất kỳ cách nào

Do đó nhiều kỹ thuật đã được phát triển để thực hiện các bảo đảm này và khắcphục những thuộc tính kênh vật lý xấu như các lỗi truyền dẫn

Hầu hết trong các mạng thông tin công nghiệp, truyền dẫn dựa trên truyềngói, tức là dữ liệu được phân đoạn thành một số gói riêng biệt và các gói nàyđược truyền qua kênh Do đó chúng ta sẽ quan tâm đến các vấn đề sau đây:Khi nào ta truyền một gói tin? Nếu có nhiều trạm, cùng 1 lúc muốn truyềntải gói dữ liệu của họ trên cùng một kênh truyền, do đó, cần có 1 giải pháp chia

sẻ kênh truyền cho từng trạm, nhằm đảm bảo các kênh đều có thể truyền dữliệu Vấn đề này được giải quyết bằng cách ứng dụng giao thức điều khiển truynhập MAC

Vậy làm thế nào để khắc phục sự cố khi có các lỗi trên kênh truyền? Đây là

lý do tại sao ta cần có cơ chế kiểm soát lỗi

Gói tin nào được truyền đi tiếp theo? Đây là vấn đề của việc lập kế hoạch góitin

Làm thế nào để đảm bảo an toàn khi người nhận phải nhận quá nhiều luồng

dữ liệu từ máy phát? Đây là vấn đề của việc kiểm soát luồng

Sau đây, chúng ta sẽ lần lượt tìm hiểu một số vấn đề cơ bản nhất

2 Tạo khung và đồng bộ

Vấn đề đồng bộ liên quan đến việc truyền các đơn vị thông tin (gói,khung) giữa một thực thể gửi và và một thực thể nhận Trong các hệ thống máytính, thông tin thường được lưu và xử lý ở dạng số nhị phân (bit) Một gói đượchình thành từ một nhóm bit và sẽ được truyền tới phía thu Phía thu nhất thiếtphải có khả năng xác định được một cách duy nhất điểm bắt đầu và kết thúc củamột gói tin cũng như của các bit trong gói đó.

Truyền thông tin trên các khoảng cách ngắn, ví dụ, trong máy tính, có thểđược thực hiện bằng cách truyền song song Ở đây, một số (chẳng hạn 64) dâyđồng song song truyền tất cả các bit của một “từ” dữ liệu 64 bit cùng một lúc.Trong hầu hết các trường hợp, có thêm một dây để truyền “clock”, xung đồng

hồ, làm tham chiếu chung Mỗi khi bên phát đặt mức điện áp hợp lệ (biểu diễnmột bit “1” hoặc “0”), trên tất cả các dây, tức là khi truyền dữ liệu, thì nó báohiệu cho bên thu bằng cách gửi một xung mẫu lên đường dây clock Ngược lại,dựa trên việc thu một xung trên dây clock, thì máy thu sẽ lấy mẫu các mức điện

áp trên tất cả các dây dữ liệu và biến đổi chúng trở lại thành các bit bằng cách

so sánh chúng với một ngưỡng

Kiểu truyền này nhanh và đơn giản, nhưng không thực hiện được trên cáckhoảng cách rộng, vì chi phí co cáp truyền lớn Do đó, dữ liệu phải được nốitiếp hóa và truyền từng bit một lên một đường dây đơn

2.1 Đồng bộ bit

Khoảng cách các bit được tạo ra bởi bên truyền thì phụ thuộc vào clockcủa nó Bên thu cần thông tin clock này để lấy mẫu tín hiệu đi vào tại đúng cácthời điểm thích hợp Không may là, các clock của các bên thu và các bên phátkhông đồng bộ, và thông tin đồng bộ phải được khôi phục từ dữ liệu thu về;phía thu phải đồng bộ với phía phát Quá trình này được gọi là đồng bộ bít Mụcđích là để cho máy thu lấy mẫu tín hiệu thu vào giữa chu kỳ bit để tín khôi phụcđược tốt nhất, chống lại lại sự suy yếu của kênh vật lý, như sự hạn chế băngthông và các méo tín hiệu Đồng bộ bit được gọi là synchronous (thiếu đồngbộ), khi mà các clock chỉ được đồng bộ cho một từ mã và phải đồng bộ lại cho

từ mã tiếp theo Một kỹ thuật chung cho việc này dùng một “start bit”, bit khởiđầu, trước từ mã và một hoặc nhiều stop bit, bit kết thúc, để kết thúc nó Đặcđiểm truyền/nhận bất đồng phổ biến (UART) xác định thêm một bit chẵn lẻ vào

8 bit dữ liệu, do đo phải truyền tổng số 11 bit cho mỗi 8 bit dữ liệu Hình 2minh họa điều này

Đối với các dòng bít thông tin dài hơn, cần đồng bộ clock thu một cáchliên tục Vòng khóa pha số (DPLL) là một mạch điện mà nó điều khiển mộtclock nội bộ và điều chỉnh nó theo clock thu được là clock được trích ra từ tínhiệu đến Để khôi phục clock từ tín hiệu, thì các thay đổi mức tín hiệu đủthường xuyên là cần thiết Mặt khác, nếu đường dây xuất hiện mức tín hiệugiống nhau trong một thời gian dài (như có thể xảy ra đối với phương pháp mãhóa NRZ, ở đây các bit được ánh xạ trực tiếp thành các mức điện áp), thì clockthu có thể trôi khỏi clock truyền Mã hóa Manchester (hình 1) đảm bảo rằng có

ít nhất một sự thay đổi tín hiện trên một bit Mỗi mức logic 1 được biểu diễn bởimột sự thay đổi tín hiệu từ 1 về 0, còn một mức logic 0 thì ngược lại được biểudiễn bởi sự thay đổi tín hiệu từ 0 về 1 Clock bên trong của DPLL lấy mầu tínhiệu vào với một tần số cao hơn nhiều, ví dụ như là, 16 lần trên bit Đối với mộtbit logic “0” đến đúng lúc, thì DPLL thu một mẫu 0000000011111111 Nếu sựchuyển đổi giữa các mẫu “0” và “1” không ở chính giữa của bit, thay vào đó là

ở bên phải hoặc bên trái của nó, thì clock nội bộ phải được điều chỉnh lại chochạy nhanh hơn hoặc chậm đi một cách lần lượt Trong IEEE 802.3, thì các bitđược mã hóa theo kiểu Manchester Để cho phép một DPLL của phần thu đồng

bộ với luồng bit thu được, thì một mào đầu dài 64 bit sẽ được truyền ở đầu mỗikhung Mào đầu nay gồm các bit “0” và “1” luân phiên tạo ra một sóng vuông5MHz Điểm kết thúc của mào đầu và bắt đầu của một khung dữ liệu được đánhdấu bằng 2 bit 1 liên tiếp

Hình 2: DIN 12945 Profibus: ký tự và các định dạng khung

2.2 Đồng bộ khung

Phía thu cần biết đươc thông thu được là trọn vẹn và chính xác hay chưa

Để giải quyết về vấn đề này, máy thu cần biết nơi một gói bắt đầu và kết thúc.Câu hỏi đặt ra chính là việc đánh dấu điểm khởi đầu và kết thúc một gói Cómột vài phương pháp để thức hiện việc này Trong các giao thực tế, ta thườngthấy các kết hợp của chúng Trong phần sau, một số phương pháp tiêu biểu sẽđược để cập một cách ngắn gọn

- Khoảng trống thời gian (Time gap)

Cách đơn giản nhất để phân biệt giữa các khung là tạo ra cac khoảng trống thờigian giữa chúng Đặc biệt là khi môi trương truyền được chia sẻ cho một vàitrạm, thì tất cả chúng phải có các khoảng trống thời gian Như nó sẽ được xemxét ở phần các giao thức CSMA, một vài giao thức MAC dựa vào các khoảngtrống thời gian nhỏ nhất để xác định môi trường có thể truy cập hay không

Các khoảng trống thời gian là một cách đơn giản để nhận biết điểm bắtđầu của một khung nhưng với điểm kết thúc của khung thì sao? Sử dụng cáckhoảng trống thời gian, điểm kết thúc của một gói trước có thể chỉ được nhậnbiết sau một khoảng trống thời gian Nhưng ngay cả khi máy thu nhận thấyđược một thiết bị im lặng, thì nó cũng không thể đảm bảo điều này là kết quảcủa một truyền dẫn thành công hoặc một lỗi liên kết hoặc lỗi nút mạng Do đócần phải có các cách khác

- Vi phạm mã (code violation)

Một bit thường được mã hóa bởi một mô hình tín hiệu nhất định ( ví dụ: sựthay đổi mức điện áp hoặc mức dòng điện) Có nghĩa là tạo ra sự khác nhau chocác bit 0 và bit 1 Một mô hình tín hiệu không đặc trưng cho các giá trị khởi tạocủa một khung Ví dụ như giao thức token ring IEEE 802.5, sử dụng mã hóaManchester vi sai (differential Manchester)

- Các cờ khởi tạo/kết thúc

Một vài giao thức sử dụng các cờ riêng biệt để chỉ thị các đường bao củakhung Một chuỗi 01111110, chuỗi cờ, gồm 6 bit “1” trong một chuỗi, đánh dấuviệc khởi đầu và kết thúc mỗi khung Đương nhiên, dữ liệu được truyền có thể

là một chuỗi bit bất kỳ, có thể giống với chuỗi bít cờ Để tránh sự hiểu sai mộtmẩu dữ liệu truyền đi như là điểm kết thúc của một khung , thì bến gửi phảiđảm bảo rằng nó chỉ gửi mẫu cờ nếu nó thực sự là một cờ Bất kỳ một dữ liệunào giống với cờ phải được biến đổi theo một cách thuận lợi để phía thu khôiphục được dữ liệu gốc Điều này có thể thực hiện bằng cách sử dụng các kỹthuật chèn bit hoặc byte

Kỹ thuật chèn bit trong điều khiển liên kết dữ liệu mức cao (HDLC) cónghĩa là phía gửi sẽ chèn các bit 0 sau 5 bit 1 liên tiếp Phía nhận sẽ kiểm tranếu bit thứ 6, sau bit thứ 5 là một bit 0 hay bit 1 Nếu phát hiện bit 0, hệ thống

sẽ loại bỏ bit này khỏi dãy dãy Ngược lại, nếu phát hiện bit 1, nó có thể chắcchắn rằng đây chính là ranh giới khung Tuy nhiên, vẫn có thể xảy ra lỗi truyềndẫn khi sửa đổi chuỗi dữ liệu 01111100 thành 01111110,sẽ tạo ra một cờ khởitạo Do đó, cơ chế bổ xung các khoảng trống thời gian sẽ giúp loại bỏ các bittiếp theo và phát hiện sự kết thúc của khung Kĩ thuật chèn bit nhằm tránh cácbit cờ trên khung dữ liệu

Kĩ thuật chèn byte như giao thức Point to Point ( PPP) cũng sử dụng cácbit cờ, nhưng dựa vào phương thức truyền một byte định hướng Khi này, các

cờ được xem như các giá trị hexa 0X7E Mỗi lần xuất hiện của các bit cờ sẽđược thay thế bởi 2 kí tự, 0x7D 0x5D Bằng cách này, các bit cờ mất đi, nhưngnếu trong chuỗi dữ liệu người dùng có chứ 0x7D (còn gọi là kí tự Escape) thì nócũng bị thay thế Phía nhận sau khi phát hiện mất các kí tự khỏi dòng byte, nó sẽloại bỏ byte này và tiến hành thuật toán XOR của 0x20 với các byte kế tiếp đểphục hồi chuỗi dữ liệu gốc

Trong cả hai trường hợp, nếu dữ liệu truyền đi nhiều thì không cần đếnviệc sử dụng kĩ thuật chèn bit hay byte, lúc này để giải quyết bài toán đồng bộkhung, số lượng các bit thêm vào đầu phải được tách rời với luồng bit dữ liệutruyền đi Một cách sử dụng không hợp lý có thể làm tăng mức độ ảnh hưởnglên gấp đôi tốc độ bit (chèn byte) hoặc làm tăng khoảng 20% (chèn bit) bằngcách truyền liên tục một chuỗi các bit cờ Để tránh điều này, ta có thể áp dụngmột số biện pháp sau đây: một cách là xáo trộn dữ liệu người dùng trước khi nóđược đưa vào khung dữ liệu; một cách khác là chèn vào byte đầu tiên phù hợp(COBS) Trong trường hợp này, chuỗi các byte dữ liệu được quét trước khi cácbit cờ xuất hiện Trình tự các byte dữ liệu tiếp theo được cắt thành từng đoạn dữliệu có độ dài 254 byte không chứa cờ Do đó, cờ xuất hiện trong chuỗi dữ liệuđược thay thế bằng một byte đặc trưng cho số lượng byte dữ liệu không chứa

cờ Bằng cách này, dữ liệu truyền đi sẽ không bị tăng lên và sẽ có ít nhất 1 cờcho mỗi 255 byte dữ liệu Hay nói cách khác, đã có thêm 1 byte được chèn vàomỗi đoạn 254 byte tạo thành đoạn dữ liệu có độ dài đầy đủ

- Trường độ dài

Để tránh việc phải xử lý các bit hoặc kí tự chèn vào đầu khung, ta dànhmột độ dài trường tại mào đầu (header) của khung cho biết độ dài của cả khung.Khi đọc trường này, ta có thể biết được có bao nhiêu kí tự hay byte sẽ đượcchuyển đến Do đó không cần có dấu hiệu phân cách khi kết thúc 1 khung Ta

có thể truyền liên tục các gói tin tiếp theo chứa các kí tự trống hoặc kết nối đoạnđầu khung với bit start, bit start dùng để xác định độ dài khung

Giải pháp phù hợp nhất nhằm tiết kiệm chi phí truyền tải, trường độ dài giúpgiảm bớt các lỗi xảy ra với việc truyền tải dữ liệu Nếu gói thông tin độ dàitrường bị mất hoặc truyền lỗi thì sẽ rất khó để khôi phục lại Do đó, thông tinnày cần được đảm bảo tính an toàn bằng cách sử dụng mã sửa lỗi hoặc truyền

dự phòng Các cơ chế khác (như khoảng thời gian trống) nên được sử dụng đểxác định điểm kết thúc của một khung, ngay cả khi thông tin trường độ dàikhông chính xác

3 Các giao thức MAC (Medium Access control)

Các giao thức MAC giải quyết cùng vấn đề: để cho một số trạm chia sẻmột tài nguyên chung (là môi trường truyền dẫn) theo một cách hiệu quả.Chúng đóng vai trò quan trọng trong mạng LAN và MAN, thường được dùng

cho các kết nối trong phạm vi nhỏ, số lượng người dùng ít, tạo kết nối để ngườidùng có thể giao tiếp với nhau trong mạng

Với mô hình tham chiếu OSI, lớp MAC không tạo thành một lớp giaothức riêng Nhưng nó là một lớp con của lớp vật lý hoặc lớp liên kết dữ liệu.Tuy vây, trong tài liệu này, chúng ta sẽ coi MAC như là một lớp vì nó có mộtnhiệm vụ riêng Tầm quan trọng của lớp MAC được phản ánh bởi một thực tế làrất nhiều chuẩn giao thức MAC tồn tại, ví dụ, các chuẩn IEEE 802.x Nhiệm vụ

cơ nhất của nó là để xác định cho mỗi trạm đã gắn với một môi trường truyềnquảng bá chung là khi nào được phép truy cập để gửi khung dữ liệu hoặc khungđiều khiển cho nó

Hoạt động và cách ứng xử của một giao thức MAC bị ảnh hưởng nhiềubởi các thuộc tính của lớp vật lý cơ sở và mục đích thiết kế Đặc biệt là đối vớithông tin đòi hỏi thời gian thực, thì lớp MAC là một thành phần then chốt: nếutrễ trên lớp MAC không bị giới hạn một cách chặt chẽ, thì các lớp trên khôngthể bù lại được Nhiều giao thức MAC đã được phát triển trong 3 thập kỷ gầnđây Trong phần này, chúng ta chỉ xét những lớp giao thức quan trong cho cácứng dụng công nghiệp, đã triển khai ở một vài nhà máy hoặc như các giao thứcđộc lập hoặc như các giao thức phức tạp hơn trong các tòa nhà

3.1 Các yêu cầu và chất lượng phục vụ

Có một số yêu cầu đối với các giao thức MAC, một số trong chúng dànhriêng cho các ứng dụng công nghiệp với yêu cầu về độ tin cậy và thời gian thựcchặt chẽ

Có 2 thước đo trễ chủ yếu là: trễ truy cập và trễ truyền dẫn trễ truy cập làkhoảng thời gian giữa thời điểm đến của một khung so với thời điểm bắt đầutruyên khung đó Thời gian này bị ảnh hưởng bởi phần mào đầu hoạt động củachính bản thân MAC, như các xung đột, các khung điều khiển MAC, phản hồi

và thời gian chờ Trễ truyền dẫn biểu thị khoảng thời gian giữa thời điểmkhung đến với thời điểm nhận thành công của nó ở máy Đối với các ứng dụngcông nghiệp với các yêu cầu thời gian thực ngặt nghèo, cả 2 loại trễ này nhấtthiết phải được giới hạn trên

Một yêu cầu then chốt đối với các ứng dụng công nghiệp là hỗ trợ quyền

ưu tiên “priorities”: các khung quan trọng nên được truyền trước những khungkhông quan trọng Yêu cầu này có thể được được đưa ra một cách cục bộ hoặctổng thể: trong trường hợp cục bộ, mỗi trạm sẽ tự quyết đinh khung nào của nó

được truyền đi tiếp Khi đó, không thể bảo đảm rằng các khung quan trọng củatrạm A không bị cản trở bởi các khung không quan trọng của một trạm B khác.Trong trường hợp tổng thể, giao thức sẽ nhận biết khung quan trọng nhất của tất

cả các trạm để truyền đi tiếp

Điều cần thiết để chia sẻ băng thông giữa các trạm tạo thành lớp cácthuộc tính mọng muốn MAC quan trọng khác Một yêu cầu đặt ra là tính côngbằng: Các trạm nên có sự chia sẻ công bằng về băng thông ví dụ như, có thểxác định bằng lượng tải tối thiểu của mỗi trạm và bằng băng thông tổng thể chiacho số lượng trạm

Về thông lượng, điều quan trọng là giữ mức thấp của mào đầu MAC.Điều đó liên quan tới các định dạng của khung, số lượng và tần suất các khungđiều khiển MAC, và các tổn hao bởi hoạt động của giao thức MAC Một ví dụcho các tổn hao là khi giao thức cho phép xung đột: băng thông dùng cho cácgói xung đột bi mất đi, chủ yếu vì các khung va chạm là vô ích và phải truyềnlại, mà điều này là tai hại về mặt băng thông Một giao thức MAC được xem là

ổn định nếu việc tăng toàn bộ tải không dẫn đến việc tăng thông lượng

Phụ thuộc vào lĩnh vực ứng dụng, các ràng buộc khác cũng có thể quantrọng Đối với các thiết bị ở lĩnh vực đơn giản, việc thực hiện MAC nên có độphức tạp thấp và đủ đơn giản để thực hiện được trong phần cứng Đối với cáctrạm di động sử dụng phương tiên truyền không dây, sự tiêu thụ năng lượng làmột mối quan tâm chính; MAC cần có các phương pháp tiết kiệm năng lượngkhác nhau Đối với phương tiện truyền không dây, MAC cần có các phương án

bổ sung để thích nghi với tác động gây lỗi tức thời của kênh không dây; có thể

là điều khiển công suất phát, các mã sửa sai, tỷ lệ lỗi bit …

3.2 Các nhân tố thiết kế

Các nhân tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến thiết kế các giao thức MAC

là các thuộc tính cũng như cấu trúc (topo) của phương tiện truyền và các phảnhồi từ phương tiện truyền có thể có

Chúng ta có thể phân một cách tương đối thành phương tiện truyền dùngdây dẫn và phương tiện không dây Ở phương tiên truyền dùng dây dẫn, thì tínhiệu xuất phát ra từ các truyền dẫn khung truyền đi bên trong các rang giới địa

lý xác đinh, chủ yếu là bên trong cáp đồng và cáp quang Nếu môi trường truyềnđược bảo vệ một cách thích hợp, thì 2 cáp có thể đặt gần nhau mà không cónhiễu lẫn nhau do tín hiệu đã bị suy yếu Ngược lại, ở các phương tiện truyền

không dây, thì việc truyền sóng có thể thấy được trên toàn bộ vùng lân cận, vàcác truyền dẫn có thể bị thu ở bất kỳ điểm nào đủ gần để truyền Do đó 2 mạngkhác nhau chồng lấn trong cùng vùng địa lý có thể tác động lẫn nhau.

Mạng phương tiện truyền dùng dây dẫn có thể có số mô hình Trong một

mô hình dạng vòng (hình 3), mỗi trạm có một liên kết điểm-điểm tới 2 trạm lâncận, như thế các trạm tạo thành một vòng Trong một mô hình dạng tuyến “bus”như ở hình 4 , các trạm được kết nối tời một bus chung và tất cả các trạm đềuthấy các tín hiệu giống nhau Vì thế bus là một phương tiện quản bá Trong cấuhình dạng sao (hình 5), tất cả các trạm chỉ có một kết nối tới một thiết bị trungtâm, bộ nối hình sao, thiết bị này lặp lại và có thể khuếch đại các tín hiệu đến từmột đường tới tất cả các đường khác Một mạng với cấu hình dạng sao cũngcung cấp một phương tiện quảng bá, ở đó mỗi trạm có thể nghe thấy tất cả cáctruyền dẫn Khi sử dụng phương tiện truyền dẫn không dây, khoảng cách giữacác trạm có thể quá rộng để cho phép tất cả các trạm thu đươc tất cả các truyềndẫn Do vậy, mạng này thường chỉ được kết nối một phần hoặc có cấu trúcmạng lưới một phần như hình 6

Hình3: Mô hình dạng vòng

Hình 4: Mô hình dạng tuyến “Bus”

Hình 5: Mô hình dạng sao

Hình 6: Mô hình dạng kết hợpMột thuộc tính quan trọng của một kênh vật lý là có phản hồi Đặc biệt,một vài thiết bị cho phép một trạm đọc dữ liệu phản hồi từ kênh trong khitruyền Điều này có thể được thực hiện để nhận biết các truyền hỏng (như tronggiao thức PROFIBUS), các xung đột (như giao thức Ethernet) hoặc các truyềndẫn theo mức ưu tiên cao hơn cùng đến (như trong giao thức CAN) Tính chấtnày thường không thấy được trong các kênh không dây Ở đây, không thể gửi

và nhân đồng thời trên cùng một kênh

3.3 Các giao thức truy cập ngẫu nhiên

Trong giao thức truy cập ngẫu nhiên (RA), các trạm không được phối hợp

và các giao thức hoạt động trong một phương thức phân tán hoàn toàn Các giaothức RA thường kết hợp với một thành phần ngẫu nhiên, ví dụ, bằng cách dùngthời gian đến ngẫu nhiên của các gói, bằng cách thiết lập các bộ định thời cácgiá trị ngẫu nhiên Việc thiếu sự kết hợp tập trung và không phân bổ tàinguyên cố định cho phép chia sẻ một kênh, về tiềm năng, cho một số lươngtrạm không hạn chế, trong khi đó các giao thức phân bổ cố định và các giaothức thăm dò chỉ hỗ trợ một số lượng hạn chế các trạm Tuy vậy tính chất ngẫunhiên có thể làm cho trễ truy cập và trễ truyên dẫn khó kiểm soát được

- ALOHA và Slotted ALOHA

Một giao thức cổ điển là ALOHA, ở đó một trạm gửi một khung dữ liệuvừa đến ngay lập tức không cần thăm dò trạng thái của phương tiện truyền dẫn

Do đó các kênh từ nhiều trạm có thể chồng chéo về thời gian (xung đột), mà nó

có thể làm cho chúng không thể nhận biết được Ở Slotted ALOHA (ALOHAkhe), tất cả các trạm được đồng bộ với một bộ tham chiếu thời gian chung và

thời gian được chia thành các khe thời gian kích thước cố đinh Ở SlottedALOHA, các khung vừa đến được gửi tại điểm bắt đầu của khe thời gian tiếptheo Ở cả hai trường hợp, phía truyền khởi động một bộ đếm thời gian sau khitruyền khung Phía thu phải gửi một khung xác nhận ngay lập tức trong lúcnhân được một khung dữ liệu thành công Khi phía phát nhân được xác nhận, nódừng bộ đếm và xem khung đó đã truyền thành công Nếu bộ đếm kết thúc, phíatruyền chọn một cách ngẫu nhiên một khoảng thời gian “backoff time”, để nókết thúc trước khi nó thử truyền lại một khung “backoff time” được chọn ngẫunhiên để tránh đồng bộ và xung đột giữa các trạm Giao thức này có 2 ưu điểm:

nó cực kỳ đơn giản và đưa ra các trễ ngắn, trong trường hợp lượng tải của mạngthấp Tuy vậy, giao thức không hỗ trợ quyền ưu tiên và với việc tăng lên của tảimạng thì tỉ lệ xung đột sẽ tăng và trễ truyền dẫn cũng lớn lên Ngoài ra,ALOHA không ổn định: vượt qua một lượng tải ngưỡng nào đó, một sự tăng ởlượng tải tổng thể dẫn đến một sự giảm ở thông lượng tổng thể Thông lượngchuẩn hóa lớn nhất của ALOHA là 1/2e ~ 18,4% đối với các tiếp nhận với phân

bố Poisson và một số lượng không hạn chế các trạm Thông lượng lớn nhất cóthể gấp đôi Slotted ALOHA Tham số then chốt trong ALOHA là “backofftime”, nó chủ yếu được chọn từ một khoảng thời gian nào đó (backoffwindow) Một xung đột có thể được hiểu như là một dấu hiệu của tắc nghẽn.Nếu sau backoff time xung đột khác lại xuất hiện, thì backoff tiếp theo sẽ đượcchọn từ một của sổ backoff rộng hơn để giảm sức ép trên kênh Một quy tắc để

mở rộng backoff windowlà “truncated binary exponential backoff scheme”, ở

đây kích thước cửa sổ gấp đôi sau mỗi xung đột, đến một ngưỡng nào đó, màsau đó cửa sổ giữ cố định Sau khi truyền thành công cửa sổ sẽ được phục hổi

về giá trị ban đầu

- Các giao thức đa truy câp cảm nhận sóng mang CSMA

Trong đa truy cập cảm nhận sóng mang (CSMA), các trạm hành xử cẩnthận hơn trong ALOHA: trước khi truyền một khung chúng lắng nghe môitrường truyền (cảm nhận sóng mang) để xem nó bận hay rỗi Nếu môi trườngtruyền dỗi, thì trạm sẽ truyền khung của nó Nếu môi trường truyền bận thì trạm

đó trì hoãn việc truyền

Trong CSMA không liên tục, trạm sẽ trì hoãn một thời gian ngẫu nhiên(backoff time) mà không cần lắng nghe môi trường trong suốt khoảng thời giannày Tất cả giao thức còn lại đều đợi cho đên khi kết thúc truyền dẫn đang diễn

ra trước khi bắt đầu các hoạt động tiếp theo