giáo trình kỹ thuật truyền số liệu

EÏ T T T R R R Ư Ư Ư Ờ Ờ Ờ N N N G G G Đ Đ Đ Ạ Ạ Ạ I I I H H H Ọ Ọ Ọ C C C S S S Ư Ư Ư P P P H H H Ạ Ạ Ạ M M M K K K Ỹ Ỹ Ỹ T T T H H H U U U Ậ Ậ Ậ T T T T T T P P P . . . H H H C C C M M M K K K H H H O O O A A A Đ Đ Đ I I I Ệ Ệ Ệ N N N - - - Đ Đ Đ I I I Ệ Ệ Ệ N N N T T T Ử Ử Ử BỘ MÔN ĐIỆN TỬ-VIỄN THÔNG  GIÁO TRÌNH: K K Ỹ Ỹ T T H H U U Ậ Ậ T T T T R R U U Y Y Ề Ề N N S S Ố Ố L L I I Ệ Ệ U U BIÊN SOẠN: NGUYỄN VIỆT HÙNG NGUYỄN NGÔ LÂM NGUYỄN VĂN PHÚC  TP. HỒ CHÍ MINH – 9/2011 EÏ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ-VIỄN THÔNG  GIÁO TRÌNH: KỸ THUẬT TRUYỀN SỐ LIỆU BIÊN SOẠN: NGUYỄN VIỆT HÙNG NGUYỄN NGÔ LÂM NGUYỄN VĂN PHÚC  TP. HỒ CHÍ MINH – 9/2011 MỤC LỤC Trang Chương 1: Mở đầu 1 Chương 2: Các khái niệm cơ bản 4 Chương 3: Mô hình OSI 23 Chương 4: Tín hiệu 40 Chương 5: Mã hóa và điều chế 53 Chương 6: Truyền dữ liệu số: Giao diện và modem 90 Chương 7: Môi trường truyền dẫn 121 Chương 8: Ghép kênh 151 Chương 9: Phát hiện và sửa lỗi 182 Chương 10: Điều khiển kết nối dữ liệu 206 Chương 11: Giao thức kết nối dữ liệu 228 Chương 12: Mạng cục bộ 257 Bài giảng: Truyền số liệu Chương 1: Mở đầu Biên dịch: Nguyễn Việt Hùng Trang 1 CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU 1.1 MỘT SỐ Ý NIỆM MỞ ĐẦU 1.1.1 Mở đầu  Mức độ kết nối thông tin toàn cầu hiện đang gia tăng như vũ bảo.  Ngày càng có nhiều công nghệ viễn thông phát triển rất nhanh.  Yêu cầu mới trong truyền dẫn như: thiết kế, sử dụng và quản lý thông tin. 1.1.2 Mục tiêu cơ bản của truyền số liệu  Trao đổi thông tin tốt nhất giữa hai đối tác 1.1.3 Quá trình phát triển 1.1.3.1 Viễn thông  1837 - Samuel Morse chế tạo hệ thống điện tín.  1843 - Alexander Bain đăng ký bản quyền máy in tín hiệu điện tín.  1876 - Alexander Graham Bell, chế tạo ra điện thoại đầu tiên.  1880 - Các điện thoại trả tiền đầu tiên.  1915 – Dịch vụ điện thoại liên lục địa và kết nối thoại xuyên Đại Tây dương đầu tiên.  1947 – Phát minh ra transistor tại phòng thí nghiệm Bell Labs  1951 – Điện thoại đường dài xuất hiện  1962 – Điện thoại quốc tế dùng vệ tinh đầu tiên.  1968 - Phán quyết của tòa án Carterfone nhằm cho phép kết nối các thiết bị của hãng chế tạo khác vào các thiết bị của mạng Bell System Network  1970 – Cho phép MCI cung cấp dịch vụ điện thoại đường dài nhằm cạnh tranh.  1984 – Bãi bỏ độc quyền của AT&T  1980s – Mạng dịch vụ công cộng số  1990s – Xuất hiện điện thoại di động 1.1.3.2 Phần cứng: (định luật Moore)  Xuất hiện: 1965  Do Gordon Moore, đồng sáng lập công ty Intel.  Phát biểu: Dung lượng các chip mới tăng gấp đôi và giá thành giảm phân nửa so với các chip đã chế tạo trước đó trong vòng từ 18-24 tháng. Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM http://www.hcmute.edu.vn Thư viện ĐH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn Bài giảng: Truyền số liệu Chương 1: Mở đầu Biên dịch: Nguyễn Việt Hùng Trang 2  So sánh: Nếu ứng dụng được hướng phát triển này vào kỹ thuật hàng không thì giá thành một máy bay chỉ còn 500 đô la, và ta có thể đi vòng quanh thế giới trong 20 phút. 1.1.3.3 Mạng: Internet, Intranet và Extranet  Internet: mạng các mạng dịch vụ dùng cho thuê bao toàn cầu.  Intranet: mạng riêng của cơ quan dùng công nghệ Internet  Extranet: Mạng intranet có một số chức năng chia sẻ được thông tin với tổ chức đối tác. 1.1.4 Hướng phát triển Bên cạnh các đóng góp to lớn của phương thức truyền số liệu và mạng, hiện nay đang xuất hiện các vấn đề sau:  Yếu tố tấn công virus máy tính.  Tin tặc (Hacking).  Great Global Grid (GGG).  Dịch vụ mạng phát triển mạnh (Web services).  Thư rác (Email Spamming): hàng tỉ thư rác/ngày, thiệt hại lên đến hàng chục tỉ đô la mỗi năm. 1.1.5 Nội dung tài liệu Tài liệu biên dịch này chủ yếu nhằm phục vụ cho sinh viên khoa Điện – Điện tử trong bước đầu nghiên cứu về kỹ thuật truyền số liệu, ngoài ra còn là tài liệu tham khảo tốt chuẩn bị cho sinh viên khi nghiên cứu về mạng truyền thông công nghiệp. Tài liệu gồm 12 chương:  Chương 1: Mở đầu, nhằm trình bày một số ý niệm cơ bản về kỹ thuật truyền số liệu, quá trình với xu hướng phát triển trong tương lai  Chương 2: Các ý niệm cơ bản; trình bày các ý niệm cơ bản về cấu hình đường truyền, cấu hình cơ bản của mạng, các chế độ truyền dẫn, các dạng mạng LAN, MAN, WAN, phương thức kết nối liên mạng.  Chương 3: Mô hình OSI; trình bày về mô hình mạng, chức năm các lớp trong mạng, giao thứcTCP/IP.  Chương 4: Tín hiệu; trình bày các dạng tín hiệu analog và số dùng trong kỹ thuật truyền số liệu.  Chương 5: Mã hóa và điều chế; trình bày các ý niệm cơ bản về các kỹ thuật chuyển đổi cơ bản dùng trong truyền số liệu như chuyển đổi tín hiệu số-số, chuyển đổi tín hiệu tương tự-số, chuyển đối tín hiệu số- tương tự và chuyểu đổi tín hiệu tương tự-tương tự.  Chương 6: Truyền dẫn dữ liệu số: Giao diện và modem; trình bày các chế độ truyền số liệu cơ bản là nối tiếp và song song, đồng bộ và không Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM http://www.hcmute.edu.vn Thư viện ĐH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn Bài giảng: Truyền số liệu Chương 1: Mở đầu Biên dịch: Nguyễn Việt Hùng Trang 3 đồng bộ , giao diện DTE-DCE cùng một số chuẩn giao diện cơ bản, cơ chế truyền dẫn số liệu của modem, modem 56K, modem dùng trong truyền hình cáp.  Chương 7: Môi trường truyền dẫn; trình bày các dạng môi trường truyền dẫn cơ bản là môi trường có định hướng và môi trường không định hướng, cấu tạo, các chế độ truyền dẫn, suy hao qua môi trường truyền, hiệu năng của môi trường, độ dài sóng, dung lượng Shannon, và so sánh ưu nhược điểm của các dạng môi trường truyền.  Chương 8: Ghép kênh; trình bày các chế độ ghép kênh, và phân kênh theo tần số FDM, phân kênh và ghép kênh theo bước sóng WDM, phân kênh và ghép kênh theo thời gian (TDM). Ứng dụng của kỹ thuật ghép kênh, hệ thống điện thoại. Dây thuê bao số DSL, cáp quang FTTC.  Chương 9: Phát hiện và sữa lỗi; trình bày về các dạng lỗi trong truyền dẫn. Phương pháp phát hiện lỗi, phương pháp VRC, LCR, CRC, Checksum. Phương pháp phát hiện và sửa lỗi Hamming.  Chương 10: Điều khiển kết nối dữ liệu; trình bày về các chuẩn đường truyền, điều khiển lưu lượng, kiểm tra lỗi trên đường truyền.  Chương 11: Giao thức kết nối dữ liệu; trình bày về các giao thức không đồng bộ, giao thức đồng bộ, các giao thức theo hướng ký tự và các giao thức theo hướng bit. Các thủ tục truy xuất đường truyền.  Chương 12: Mạng cục bộ LAN; trình bày về đề án 802, Ethernet và các dạng mạng Ethernet vòng và bus Token, giao diện FDDI. Đặc điểm quan trọng trong tài liệu này là trong từng chương đều có phần các ý niệm cơ bản và từ khóa, cùng với phần tóm tắt và các bài luyện tập củng cố dạng câu hỏi, bài trắc nghiệm và bài tập. Điều này giúp định hướng cho sinh viên tham khảo tài liệu, phát huy khả năng đọc tài liệu và tự học tốt. Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM http://www.hcmute.edu.vn Thư viện ĐH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn Bài giảng: Truyền số liệu Chương 2: Các khái niệm cơ bản Biên dịch: Nguyễn Việt Hùng Trang 4 CHƯƠNG 2 : CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Trước k hi khảo sát cách truyền dữ liệu từ thiết bị này đến thiết bị khác, vấn đề quan trọng là ta phải hiểu mối quan hệ giữa các thiết bị truyền dữ liệu. Có năm khái niệm chung để cung cấp về các mối quan hệ cơ bản giữa các thiết bị thông tin. Đó là:  Cấu hình đường dây  Tôpô mạng  Chế độ truyền  Các loại mạng  Các kết nối liên mạng 2.1 CẤU HÌNH ĐƯỜNG DÂY + Khái niệm: Cấu hình đường dây là phương thức để hai hay nhiều thiết bị mắc vào kết nối. Kết nối (link) là đường truyền thông tin vật lý để truyền dữ liệu từ thiết bị này sang thiết bị khác, đường thẳng kết nối hai điểm. + Phân loại: Có hai l oại cấu hình đường dây:  Cấu hình điểm - điểm  Cấu hình đa điểm Cấu hình đường dây nhằm định nghĩa phương thức kết nối thông tin giữa các thiết bị với nhau. 2.1.1 Cấu hình điểm - điểm (point to point): + Đặc điểm:  Cấu hình điểm - điểm cung cấp kết nối được dành riêng cho hai thiết bị.  Toàn dung lượng kênh được dùng cho truyền dẫn giữa hai thiết bị.  Hầu hết cấu hình điểm -điểm đều dùng dây hay cáp để nối hai điểm (hoặc vô tuyến: vi ba, vệ tinh, hồng ngoại) + Ví dụ: Dùng b ộ remote để điều khiển TV, kết nối điểm điểm giữa hai thiết bị dùng đường hồng ngoại. Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM http://www.hcmute.edu.vn Thư viện ĐH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn Bài giảng: Truyền số liệu Chương 2: Các khái niệm cơ bản Biên dịch: Nguyễn Việt Hùng Trang 5 +Ưu điểm:  Không cần giải quyết bài toán lưu thông  Phát hiện và tách lỗi dễ dàng  Đảm bảo tính riêng tư (Bảo mật) +Khuyết điểm: Hiệu quả sử dụng đường truyền không cao( Khi tần suất sử dụng thấp) 2.1.2. Cấu hình đa điểm (multipoint): + Đặc điểm:  Cấu hình đa điểm: kết nối có nhiều hơn hai thiết bị trên một đường truyền.  Dung lượng kênh được chia sẻ theo thời gian. + Ưu điểm : Hiệu q uả sử dụng đường truyền cao + Khuyết điểm:  Cần giải quy ết bài toán lưu thông  Khó phát hiện và tách lỗi.  Không đảm bảo tính riêng tư (Không bảo mật) Câu hỏi:  Cấu hình đườn g dây là gì? Phân loại, nêu đặc điểm và ưu khuyết điểm của từng loại.  Cấu hình đường dây là gì? Phân loại, nêu ví dụ. Hình 2.1 Hình 2 .2 Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM http://www.hcmute.edu.vn Thư viện ĐH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn Bài giảng: Truyền số liệu Chương 2: Các khái niệm cơ bản Biên dịch: Nguyễn Việt Hùng Trang 6 2.2. TÔPÔ MẠNG (Topology: hình học) + Khái niệm: là biểu diễn hình học các mối quan hệ của tất cả các tuyến (link) và thiết bị đang kết nối (thường được gọi là các nút) tới các thiết bị khác. Thuật ngữ tôpô mạng nói đến phương thức mạng được bố trí về mặt luận lý hoặc vật lý. + Phân loại: Có 5 dạng tôpô cơ bản là: lưới, sao, cây, bus và vòng. Và một dạng Tôpô hỗn hợp. Tôpô định nghĩa cách sắp xếp vật lý hoặc luận lý của các kết nối trong mạng. - Tôpô dạng sao, không có nghĩa là các thiết bị phải được sắp xếp vật lý xung quanh hub theo hình sao. - Khi xem xét lựa chọn dạng tôpô thì phải xem xét thêm về cấp bậc liên quan của các thiết bị được kết nối. Có hai quan hệ có thể là:  Đồng cấp (peer to peer): thiết bị chia sẻ kết nối ngang hàng với nhau  Sơ cấp-thứ cấp (primary-secondary): một thiết bị điều khiển lưu thông và các thiết bị còn lại phải truyền qua nó. - Tôpô vòng và lưới thường thích hợp với truyền dẫn đồng cấp. - Tôpô sao và cây thường thích hợp cho truyền dẫn sơ cấp- thứ cấp. - Tôpô bus thích hợp cho cả hai dạng: đồng cấp và sơ cấp- thứ cấp. - Câu hỏi: Tôpô mạng là gì? Phân loại và nêu phạm vi sử dụng mỗi loại. 2.2.1. LƯỚI (Mesh): + Đặc điểm: - Mỗi thiết bị có một kế t nối điểm-điểm chuyên dụng (dedicated) tới các thiết bị còn lại. - Một mạng lưới nếu có n thiết bị thì sẽ có n(n-1)/2 số kết nối. - Mỗi thiết bị cần có (n-1) cổng vào/ra (I/O: input/output). Hình 2. 3 Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM http://www.hcmute.edu.vn Thư viện ĐH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn Bài giảng: Truyền số liệu Chương 2: Các khái niệm cơ bản Biên dịch: Nguyễn Việt Hùng Trang 7 + Ưu điểm so với các dạng mạng khác: - Kết nối điểm-điểm chuyên dụng đảm bảo mỗi kết nối chỉ truyền dẫn dữ liệu riêng, nên không xuất hiện bài toán lưu thông. - Tôpô lưới rất bền vững (Khi một kết nối bị hỏng thì không ảnh hưởng lên toàn mạng). - Tính riêng tư hoặc vấn đề an ninh. (Khi dùng đường truyền riêng biệt thì chỉ có hai thiết bị trong kết nối dùng được thông tin này, các thiết bị khác không thể truy cập vào kết nối này được). - Kết nối điểm-điểm cho phép phát hiện và tách lỗi rất nhanh. (Có thể điều khiển lưu thông để tránh các đường truyền nghi ngờ bị hỏng. Nhà quản lý dễ dàng phát hiện chính xác nơi bị hỏng để nhanh chóng tìm ra nguyên nhân và có biện pháp khắc phục). + Khuyết điểm: - Số kết nối và số cổng I/O nhiều nên chi phí lắp đặt sẽ tăng. - Mở rộng mạng khó khăn. Cấu hình lưới chỉ được dùng rất giới hạn, đường trục (backbone) kết nối các máy tính lớn (mainframe) trong một mạng hỗn hợp với nhiều cấu hình khác. 2.2.2 SAO (Star): + Đặc điểm: - Mỗi thiết bị có kết nối điểm - điểm với một thiết bị điều khiển trung tâm (Hub). - Chức năng Hub: Tạo kết nối giữa các thiết bị khi có yêu cầu, thu tín hiệu và phát (Repeater: thiết bị lặp, mang tính tích cực) - Nếu Tôpô sao có n thiết bị thì sẽ có n kết nối. - Mỗi thiết bị có 1 ngõ I/O + Ví dụ: Có 5 thiết bị kết nối theo tôpô lưới. Số kết nối: 5(5-1)/2= 10 Mỗi thiết bị cần có 4 cổng vào/ra Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM http://www.hcmute.edu.vn Thư viện ĐH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn [...]... nhau, mỗi lớp nhằm định nghĩa một phân đoạn trong quá trình di chuyển thông tin qua mạng Việc hiểu rõ mô hình OSI sẽ cung cấp cơ sở cho việc khám phá việc truyền số liệu Hình 3.1 Biên dịch: Nguyễn Việt Hùng Thư viện ĐH SPKT TP HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn Trang 23 Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP HCM http://www.hcmute.edu.vn Bài giảng: Truyền số liệu Chương 3: Mô hình OSI 3.1.1 KIẾN TRÚC LỚP: Mô hình... được truyền tiếp sang lớp vận chuyển, được tái hợp để chuyển giao lên lớp trên Biên dịch: Nguyễn Việt Hùng Thư viện ĐH SPKT TP HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn Trang 31 Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP HCM http://www.hcmute.edu.vn Bài giảng: Truyền số liệu Chương 3: Mô hình OSI 3.2.5 LỚP KIỂM SOÁT KẾT NỐI: Các dịch vụ do ba lớp đầu (vật lý, kết nối dữ liệu, và lớp mạng) đôi khi chưa đủ cho một số quá trình. .. hub trung tâm - Phần lớn các thiết bị được kết nối với hub phụ (nối với hub trung tâm) - Số kết nối = số thiết bị (n) + số hub phụ (m) = n + m Biên dịch: Nguyễn Việt Hùng Thư viện ĐH SPKT TP HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn Trang 8 Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP HCM http://www.hcmute.edu.vn Bài giảng: Truyền số liệu Chương 2: Các khái niệm cơ bản Hình 2.6 - Hub trung tâm của cây mang tính tích cực:... http://www.hcmute.edu.vn Bài giảng: Truyền số liệu  Chương 3: Mô hình OSI Biểu diễn các bit: Dữ liệu lớp vật lý bao gồm luồng các bit (chuỗi các giá trị 0 và 1) mà không cần phải phiên dịch Để truyền dẫn, các bit này phải được mã hóa thành tín hiệu điện hoặc quang Lớp vật lý định nghĩa dạng mã hóa (cách bit 0 và 1 được chuyển đổi thành tín hiệu)  Tốc độ dữ liệu: Số bit được truyền đi trong một giây Nói... truyền đi được, mỗi phân đoạn mang số chuỗi Các số này cho phép lớp vận chuyển Biên dịch: Nguyễn Việt Hùng Thư viện ĐH SPKT TP HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn Trang 30 Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP HCM http://www.hcmute.edu.vn Bài giảng: Truyền số liệu Chương 3: Mô hình OSI tái hợp đúng bản tin khi đến đích để có thể nhận dạng và thay thế các gói bị thất lạc trong khi truyền dẫn  Điều khiển kết nối:... Trang 13 Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP HCM http://www.hcmute.edu.vn Bài giảng: Truyền số liệu Chương 2: Các khái niệm cơ bản Hình 2.15 2.4.2 Mạng MAN: Được thiết kế để hoạt động trong toàn cấp thành phố, nó có thể là một mạng như mạng truyền hình cáp, hay có thể là mạng kết nối nhiều mạng LAN thành mạng lớn hơn, như hình 2.16 Hình 2.16 2.4.3 Mạng WAN: Cung cấp truyền dẫn dữ liệu, hình ảnh, thoại, và... ĐH SPKT TP HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn Trang 32 Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP HCM http://www.hcmute.edu.vn Bài giảng: Truyền số liệu Chương 3: Mô hình OSI Các nhiệm vụ của lớp 6 là:  Biên dịch (translation): Các quá trình (chương trình đang chạy) của hai hệ thống thường trao đổi thông tin theo dạng chuỗi các ký tự, số, v.v Thông tin này nhất thiết phải được chuyển sang dòng bit trước khi được... dịch: Nguyễn Việt Hùng Thư viện ĐH SPKT TP HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn Trang 29 Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP HCM http://www.hcmute.edu.vn Bài giảng: Truyền số liệu Chương 3: Mô hình OSI Câu Hỏi: 1 Địa chỉ vật lý, địa chỉ luận lý là gì? Hãy so sánh hai địa chỉ đó 2 So sánh việc truyền dữ liệu của lớp 1, 2, 3 3.2.4 LỚP VẬN CHUYỂN: + Chức năng: Lớp vận chuyển nhằm chuyển toàn bản tin từ thiết... này, nếu truyền dẫn bị đứt vào trang 523, thì việc truyền lại chỉ bắt đầu vào trang 501, không cần truyền lại các trang từ 1 đến 500 Hình 3.11 minh họa quan hệ giữa lớp kiểm soát với lớp vận chuyển và lớp trình bày 3.2.6 LỚP TRÌNH BÀY: Hình 3.11 Lớp trình bày liên quan đến vấn đề về cú pháp (syntax) và ngữ nghĩa (sematic) của tin tức trao đổi giữa hai hệ thống Hình 3.12 cho thấy quan hệ giữa lớp trình. ..Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP HCM http://www.hcmute.edu.vn Bài giảng: Truyền số liệu Chương 2: Các khái niệm cơ bản Hình 2.5 + Ưu điểm: - Ít tốn kém hơn so với tôpô lưới (số kết nối, số ngõ I/O) - Mỗi thiết bị chỉ cần một kết nối và chỉ cần một cổng I/O để kết nối với các thiết bị khác - Tính bền vững . viên khi nghiên cứu về mạng truyền thông công nghiệp. Tài liệu gồm 12 chương:  Chương 1: Mở đầu, nhằm trình bày một số ý niệm cơ bản về kỹ thuật truyền số liệu, quá trình với xu hướng phát triển. điều chế; trình bày các ý niệm cơ bản về các kỹ thuật chuyển đổi cơ bản dùng trong truyền số liệu như chuyển đổi tín hiệu số- số, chuyển đổi tín hiệu tương tự -số, chuyển đối tín hiệu số- tương. 9/2011 EÏ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ-VIỄN THÔNG  GIÁO TRÌNH: KỸ THUẬT TRUYỀN SỐ LIỆU BIÊN SOẠN: NGUYỄN VIỆT HÙNG