đề tài '''' điều khiển thiết bị qua mạng internet ''''

MỤC LỤC LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP DK Thiet bi qua mang Internet www.elabvn.com CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU 1.1. Giới thiệu Điều khiển từ xa đã và đang là một xu hướng phát triển mang tính quy luật. Sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật nói chung và ngành điện tử-viễn thông nói riêng là nền tảng cho xu hướng này. Vì sự tiện lợi của nó, điều khiển từ xa có thể được sử dụng ở bất kỳ nơi nào. Người sử dụng có thể ở bất kì đâu trên thế giới cũng có thể điều khiển được những bộ phận ngoại vi ở nhà, công sở hay ở một nơi nào đó được định sẵn….Lúc này không còn giới hạn về khoảng cách nữa. Trong kỹ thuật điều khiển từ xa, môi trường truyền dẫn có thể là dây dẫn điện hay không khí với tín hiệu truyền có thể là tín hiệu điện hồng ngoại hay sóng vô tuyền Đặc biệt, kỹ thuật hồng ngoại hay vô tuyến được khai thác triệt để trong việc chế tạo các thiết bị đầu xa. Tuy nhiên kỹ thuật điều khiển dùng tia hồng ngoại và vô tuyến bị hạn chế về khoảng cách và băng thông. Để khắc phục nhược điểm trên có thể sử dùng phương pháp khác là điều khiển từ xa qua mạng ethernet, Internet hoặc LAN. Ý tưởng của nó là sử dụng mạng có sẵn để truyền tín hiệu điều khiển, nhờ đó mà vấn đề khoảng cách được khắc phục. Như ta đã biết, ngày nay mạng lưới Internet-Ethernet đã phát triển và phổ biến khắp nơi trên thế giới. Có thể xem sự bùng nổ của Internet ngày nay cũng giống như sự bùng nổ của tivi vào những năm 40-50 của thế kỉ trước. Chính điều này càng làm cho Internet ngự trị trong mọi ngóc ngách của cuộc sống, và do đó việc điều khiển từ xa qua mạng trở nên dễ dàng, thuận tiện hơn và là một nhu cầu tất yếu của cuộc sống hiện đại ngày nay. Điều khiển từ xa qua mạng có 2 ưu điểm nổi bậc:  Thứ nhất chúng ta có thể sử dụng mạng Internet có sẵn. DK Thiet bi qua mang Internet www.elabvn.com  Thứ hai có thể sử dụng nhiều nơi và có nhiều ứng dụng mà con người không thể tiếp cận một cách trực tiếp được. Các thiết bị điều khiển từ xa qua mạng đang từng bước xâm nhập vào trong các sinh hoạt gia đình do tính đơn giản tiện dụng, độ tin cậy tương đối ổn định. Bộ điều khiển có thể làm một số công việc trong gia đình khi ta đang ở xa nhà như: mở máy bơm nước, tắt bếp điện, tắt mở bóng đèn 1.2. Phương án thực hiện Thiết kế của đề tài nhằm xây dựng hệ thống điều khiển từ xa thông qua mạng internet. Mô hình của hệ thống được mô tả như hình sau. Internet Switch IP t ĩ n h Device1 Device 2 I P t ĩ n h . . . remote client Device N I P t ĩ n h DK Thiet bi qua mang Internet www.elabvn.com Thiết kế gồm 2 phần chính:  Phần thứ nhất: là phần giao tiếp người dùng tại máy đầu xa để điều khiển thiết bị. Trong đề tài, phần này được thiết kế là một software sẽ được cài đặt trên máy tính đầu xa (remote host) để tạo giao diện cho người dùng, truyền các lệnh điều khiển qua mạng tới thiết bị và nhận các khung dữ liệu báo trạng thái từ thiết bị đến người dùng. Phần mềm này được viết bằng ngôn ngữ Visual Basic trên môi trường hệ điều hành Window, hỗ trợ lập trình mạng và giao diện đẹp. Phần thiết kế software sẽ được nói kỹ ở các chương sau.  Phần thứ hai: là Thiết bị giao tiếp mạng và điều khiển. Để giao tiếp được mạng Ethernet. Thiết bị được thiết kế gồm 1 chip Ethernet controller dùng để tạo khung Ethernet, truy xuất mạng, điều khiển thiết bị giao tiếp với chip vật lý giao tiếp mạng (ở đây ta sử dụng IC ENC28J60 của Microchip hỗ trợ chuẩn IEEE 802.3). DK Thiet bi qua mang Internet www.elabvn.com CHƯƠNG 2. LÝ THUYẾT MẠNG ETHERNET 2.1. Tổng quan về Ethernet Nguồn gốc của Ethernet được phát triển từ những thí nghiệm đối với cáp đồng trục được thực hiện ở tốc độ 3 Mbps và sử dụng nghi thức CSMA/CD (carrier sense multiple access collision detect) cho mạng LAN vào năm 1970 bởi tập đoàn Xerox. Sự thành công của đề án này đã sớm gây sự chú ý và đã dẫn đến sự phát triển của Ethernet 10 Mps bởi ba tập đoàn: Digital Equipment, Intel, Xerox. Thành ngữ Ethernet có nguồn gốc với mạng LAN ( Local-Area Network) và việc sử dụng chuẩn IEEE 802.3. Chuẩn này được biết với nghi thức CSMA/CD. Có ba tốc độ được được dùng cho mạng Ethernet với đường truyền là cáp đồng trục, cáp đôi hay sợi quang.  10Mbps—10 base-T Ethernet.  100Mbps— Ethernet tốc độ cao (Fast Ethernet).  1000Mbps—Gigabit Ethernet. Ethernet 10-Gigabit đã phát triển và được đưa ra cùng chuẩn IEEE 802.3ae cuối 2001 và đầu 2002. Nó cũng tương thích với chuẩn IEEE 802.3. Ethernet được tạo ra phần lớn từ kỹ thuật mạng LAN (hiện tại đang được sử dụng cho gần 85% cho mạng LAN để nối PC và các máy trạm-workstations). Bởi vì ghi thức của nó có một số đặc điểm sau:  Dễ dàng sử dụng, thực hiện, quản lý và bảo trì.  Cho phép thực hiện mạng tốc độ thấp.  Cung cấp rất đa dạng mô hình mạng (topology).  Bảo mật thành công việc kết nối chung. DK Thiet bi qua mang Internet www.elabvn.com 2.2. Mô hình tham chiếu OSI Một hình OSI (Open Systems Interconnection) là một mô hình cho phép hai hệ thống khác nhau bất kì thông tin với nhau bất chấp cấu trúc bên dưới. Mục đích của mô hình OSI là mở rộng thông tin giữa hai hệ thống khác nhau mà không cần thay đổi logic phần cứng và phần mền bên dưới của mỗi hệ thống. Mô hình OSI không phải là một nghi thức, nó chỉ là một mô hình để hiểu và thiết kế kiến trúc mạng cho linh động, vững chắc và liên thông. Mô hình OSI là cấu trúc phân lớp để thiết kế các hệ thống mạng cho phép thông tin qua tất cả các loại hệ thống máy tính. Nó bao gồm 7 lớp riêng biệt nhưng có mối liên quan với nhau, mỗi lớp định nghĩa một phân đoạn xử lý khi chuyển dịch thông tin qua mạng. Hình sau mô tả mô hình 7 lớp của OSI. Hình 2-1 mô hình OSI 7 lớp Quá trình xử lý tại lớp 7, kế tiếp chuyển tứ lớp này sang lớp khác theo thứ tự. Tại mỗi lớp (ngoại trừ lớp 7 và lớp 1), header của lớp tương ứng sẽ được cộng vào đơn vị dữ liệu trước khi chuyển xuống cho lớp dưới kế tiếp. Khi đơn vị dữ liệu được định dạng đi qua lớp vật lý, nó đổi thành tín hiệu điện từ và vận chuyển dọc theo liên kết vật lý. Khi đạt đến đích, tín hiệu đi vào lớp 1 và được đổi ngược thành bit. Các đơn vị dữ liệu kế tiếp được chuyển lên qua các lớp OSI. Khi mỗi khối dữ liệu tới lớp kế cao DK Thiet bi qua mang Internet www.elabvn.com hơn, các đầu và đuôi được gắn lúc trước sẽ được loại bỏ tại các lớp tương ứng. Khi nó đến lớp 7 thì thông điệp trở thành dạng thích hợp cho ứng dụng. 2.2.1. Lớp vật lý (Physical Layer) Chức năng lớp vật lý là truyền một dòng bit trên một môi trường vật lý. Nó liên quan đến các qui định vế điện và cơ của giao tiếp và môi trường truyền. Nó cũng định nghĩa các thủ tục và các chức năng mà các thiết bị vật lý và các giaor tiếp phải thực thi. 2.2.2. Lớp liên kết dữ liệu (Data Link Layer) Lớp này có nhiệm vụ chia nhỏ dữ liệu đưa xuống từ lớp mạng thành các frame dữ liệu (một frame thường dài từ vài trăm byte đến hàng ngàn byte) để truyền đi và tổ chức nhận sao cho đúng thứ tự các frame. Lớp này cũng cung cấp khả năng truyền không lỗi trên đường truyền vật lý cho các lớp cao hơn. Vấn đề đặt ra ở đây là phải xác định cơ chế để xác nhận 1 frame có truyền thành công hay không ? (Acknowledge frame) và xử lý nhiễu (truyền lại). Lớp liên kết dữ liệu liên quan đến sự truyền, kiểm tra lỗi và điều khiển luồng dữ liệu. Chức năng chính của lớp liên kết dữ liệu họat động như một lưới chắn bảo vệ cho các lớp cao hơn, điều khiển quá trình truyền và nhận. Kiểm tra lỗi và điều khiển lớp vật lý như là chức năng chính để đảm bảo các lớp trên nhận dữ liệu từ lớp mạng không có lỗi. Chuẩn IEEE 802 chia lớp lien kết dữ liệu thành hai lớp con là: Logical Link Control (LLC) và Media Access Control (MAC). Lớp con Logical Link Control (LLC) có nhiệm vụ bảo vệ lớp trên từ bất cứ phương pháp truy cập cụ thể nào hoặc truy cập đường truyền cụ thể nào. Các lớp trên không lo lắng về cách kết nối của chúng tới mạng Ethernet bởi vì LLC điều khiển giao diện này. Lớp con Media Acess Control (MAC) có nhiệm vụ cho một vài họat động. Trên đường truyền lớp con MAC có trách nhiệm trong việc nhận dữ liệu từ lớp lớp con Logical Link Control và đóng các gói sẵn sàng cho việc truyền. Lớp MAC xác định DK Thiet bi qua mang Internet www.elabvn.com các kênh đường truyền rảnh. Nếu đường truyền rảnh MAC sẽ truyền dữ liệu trên cáp và luôn giám sát trạng thái của lớp vật lý cho việc báo hiệu có xung đột. Nếu có xung đột, MAC cũng điều khiển quá trình thu hồi dữ liệu và truyền lại. MAC giải quyết tranh chấp cho môi trường dung chung. Nó bao gồm các quy định đồng bộ, cờ và kiểm soát lỗi cần thiết để truyền thông tin từ vị trí này đến vị trí khác, cũng như các địa chỉ vật lý của trạm nhận. Các nghi thức MAC được dung cụ thể với từng LAN (Ethernet, Token ring, Token bus). 2.2.3. Lớp mạng (Network Layer) Điều khiển hoạt động của các subnet, tức là tìm đường cho một packet đi từ nguồn đến đích (truyền dữ liệu giữa 2 máy bất kì trong mạng). Vấn đề lớn nhất của lớp này là tìm đường (Routing), giải quyết xung đột (Collsision Detect), giải quyết vấn đề địa chỉ (Addressing), vấn đề tính chi phí (Accounting). Lớp mạng đảm nhận dữ liệu từ lớp giao vận và thêm các thông tin phù hợp cho gói và cung cấp đường truyền phù hợp cũng như những mức kiểm tra lỗi. Dữ liệu được định dạng cho phù hợp với đường truyền. 2.2.4. Lớp giao vận (Transport Layer) Chức năng cơ bản của lớp này là chia nhỏ gói dữ liệu được đưa từ lớp bên trên xuống thành những đơn vị nhỏ hơn để truyền qua mạng với sự đảm bảo là dữ liệu sẽ tới nơi một cách chính xác (kiểm tra số sepuence, error detection – phát hiện lỗi, flow control – điều khiển luồng). Lớp này cung cấp cho các lớp bên trên phương tiện truyền các message độc lập với các lớp bên dưới (end to end – hai hệ thống thực sự kết nối với nhau). Lớp giao vận đảm bảo sự tối ưu cho việc truyền dữ liệu từ nguồn đến đích bằng cách điều khiển luồng dữ liệu của mạng và thực hiện sự yêu cầu đảm bảo dịch vụ cho lớp phiên. Lớp giao vận xác định kích cở của gói dựa trên số lượng dữ liệu được gởi và kích thướt gói lớn nhất cho phép truyền trên đường truyền. Nếu dữ liệu gởi lớn hớn DK Thiet bi qua mang Internet www.elabvn.com gói có kích thướt tối đa, nó sẽ thực hiện chia dữ liệu thành các thích thướt phù hợp một cách tuần tự. Nó đồng thời thêm các thông tin như điều khiển lỗi để phù hợp với tỉ lệ dữ liệu của một gói. Khi nhận dữ liệu từ lớp mạng, lớp giao vận sẽ đảm bảo rằng dữ liệu nhận được đúng thứ tự và kiểm tra lặp và mất khung. 2.2.5. Lớp phiên (Session Layer) Cung cấp những phương tiện cho phép 2 thực thể của lớp ứng dụng có thể tổ chức và đồng bộ cuộc đối thoại và quản lý sự trao đổi thiông tin giữa chúng (các dịch vụ để các quá trình có thể trao đổi với nhau, tạo và kết thúc kết nối giữa các quá trình trên các máy khác nhau). Lớp phiên liên quan đến sự giao tiếp giữa hai thiết bị viễn thông. Lớp này tạo ra những qui luật cho việc khởi động và kết thúc giao tiếp giữa hai thiết bị, cũng như sự phục hồi lỗi. Nếu có lỗi và sự giao tiếp lỗi được phát hiện, lớp phiên sẽ truyền lại dữ liệu để hoàn thành quá trình giao tiếp. Lớp phiên yêu cầu một sự phục vụ tốt từ lớp giao vận để không yêu cầu truyền lại, hoặc truyền hai hướng, yêu cầu nhiều sự giám sát (monitoring) và hồi tiếp (feedback). 2.2.6. Lớp trình bày (Presentation Layer) Lớp này biểu diễn những thông tin được truyền (được hiểu là cú pháp và ngữ nghĩa). Nó đồng nhất các thông tin giữa các hệ thống với nhau. Lớp trình bày giải quyết các vấn đề liên quan đến thông dịch dữ liệu và thay đổi mã giữa các thiết bị, mà chúng định dạng dữ liệu khác nhau. Ngoài ra, lớp này cũng điều khiển sự thông dịch sự khác nhau giữa các thiết bị và các tập tin định dạng (file formats), cũng như cung cấp dịch vụ thao tác trên dữ liệu như nén và mã hóa (compression & cryptography). 2.2.7. Lớp ứng dụng (Application Layer) Đưa các ứng dụng thiết thực cho người sử dụng, ứng với mỗi ứng dụng có một nghi thức khác nhau. Lớp ứng dụng là lớp giao tiếp giữa người dùng và mạng. Lớp này ảnh hưởng trực tiếp đến những chương trình ứng dụng dành cho người sử dụng (user application programs) để cung cấp cách thức truy cập mạng. Lớp ứng dụng thường liên DK Thiet bi qua mang Internet www.elabvn.com quan với các ứng dụng như: FTP (truyền nhận file), Telnet (giải quyết sự khác nhau phần cứng cũng như phần lõi giữa các terminal), e-mail (truyền nhận mail), file sharing… 2.3. Sơ lược về chuẩn IEEE 802.3 Chuẩn IEEE 802.3 là một phần của họ chuẩn cho mạng cục bộ và metropolitan. Mối quan hệ giữa các thành viên của chuẩn được trình bày bên dưới. Hình 2-2 Họ chuẩn của mạng cục bộ. Các chuẩn này liên quan đến lớp vật lý và lớp data link được định nghĩa bởi International Organization Standardization (ISO). 2.4. Cấu trúc khung Ethernet IEEE 802.3 Chuẩn IEEE 802.3 định nghĩa một khung định dạng dữ liệu cơ bản cho tất cả công việc mà MAC thực hiện. Thêm vào đó, một vài chức năng lựa chọn được thêm vào cho khung dữ liệu. Một khung dữ liệu gồm có 7 trường như hình vẽ. DK Thiet bi qua mang Internet [...]... chuẩn cho việc truyền gói tin IP qua mạng Ethernet mô tả cách thức đóng gói để chuyển thông tin qua mạng Ethernet Khi cài đặt trong UNIX, giao thức của lớp này được xem như sự phối hợp của chương trình để điều khiển thiết bị và các chương trình liên quan Những đơn vị tương ứng với những thiết bị mạng làm nhiệm vụ đóng gói dữ liệu và chuyển giao cho mạng 2.6.4 Lớp liên mạng (Internet Layer) Lớp này định... hệ thống là một mẫu bit được mã hóa trên NIC (Network Interface Card) Nếu gói phải đi qua mạng LAN này đến mạng LAN khác để đến đích của nó, trường DA chứa địa chỉ vật lý của router nối mạng LAN hiện hành và mạng LAN kế Khi gói đạt đến mạng đích, trường DA chứa đại chỉ vật lý của thiết bị đích DK Thiet bi qua mang Internet www.elabvn.com Trong chuỗi bits này, bit phía bên trái của trường DA chỉ ra địa... “Frame” được truyền dẫn trên mạng và chuyển địa chỉ IP thành địa chỉ vật lý sử dụng bởi mạng máy tính Một số các điểm mạnh của TCP/IP là địa chỉ của nó được phối hợp sao cho trên mạng Internet không có một thiết bị mạng nào cùng địa chỉ Địa chỉ này phải được chuyển đổi thích hợp với địa chỉ mạng vật lý nơi mà dữ liệu được truyền đi Hai ví dụ RFCs mô tả giao thức sử dụng cho lớp mạng là:  RFC 826, giao... cấp khả năng điều khiển thời gian thực và thao tác hoạt động của lớp con MAC Lớp con MAC Control sử dụng các dịch vụ không kết nối (connectionless) của lớp con MAC ở phía dưới để truyền khung điều khiển và khung dữ liệu MAC Control không cung cấp bất kỳ cơ chế nào để đảm bảo khung truyền không bị mất mát Các cơ chế để đảm bảo truyền khung không bị mất mát, như truyền lại các khung bị lỗi, bị hủy bỏ…,... Độc lập với cầu hình mạng: TCP/IP có thể dung cho mạng bus, start, ring, cho mạng cục bộ, mạng diện rộng hay các liên mạng  Độc lập với phần cứng vật lý của mạng: TCP/IP có thể dung cho Ethernet, token-ring hay bất cứ loại phần cứng nào  Là một chuẩn giao thức mở: TCP/IP có thể thực hiện trên nhiều hệ điều hành (Operating System – OS) khác nhau, nên nó thích hợp dung cho các mạng hỗn tạp các loại... Ethernet thêm vào hoạt động điều khiển luồng (flow control) đó là “PAUSE” frame PAUSE frame cho phép một trạm cuối tạm thời ngừng lưu thông từ nơi khác đến trạm DK Thiet bi qua mang Internet www.elabvn.com 2.6 Giao thức TCP/IP 2.6.1 Giới thiệu tổng quan Mô hình TCP/IP chỉ có 4 lớp Mô hình tham chiếu của TCP/IP không trực tiếp giống mô hình của OSI Mặc dù mỗi mô hình mạng đều có chung một mục đích là... “propagation delay” lớn nhất của mạng Một trạm phát hiện rằng frame mà nó đang truyền đã bắt gặp một đụng độ, các tín hiệu của nó phải truyền qua mạng đến trạm khác phát hiện các đụng độ Trạm này phải truyền một chuỗi jame để chỉ một đụng độ đã được phát hiện Chuỗi jame này phải truyền qua lại mạng trước khi được phát hiện bởi trạm đang truyền Tổng một DK Thiet bi qua mang Internet www.elabvn.com vòng... được dung chỉ ra loại hoặc nền của các giao thức khác Ví dụ, Novel và Internet dùng nó để làm rõ nghi thức mạng đang dung PDU  Data field – Trường dữ liệu (802.2 frame) Trường dữ liệu gồm tuần tự n bytes Chiều dài tối thiểu và lớn nhất của dữ liệu là từ 46 bytes đến 1500 bytes Dữ liệu được gởi qua lớp mạng với một vài thông tin điều khiển Nếu dữ liệu có chiều dài ít hơn 46 byte trong một gói, một cơ... OS) khác nhau, nên nó thích hợp dung cho các mạng hỗn tạp các loại phần cứng và phần mềm như Internet  Định địa chỉ một cách tổng quát: mỗi trạm trên mạng TCP/IP có một địa chỉ IP duy nhất được dùng để liên lạc với bất kì trạm nào khác trên mạng DK Thiet bi qua mang Internet www.elabvn.com  Hỗ trợ đắc lực mạng theo mô hình Client – Server  Các protocol chuẩn lớp ứng dụng: TCP/IP không những cung... cho lớp trên, giao thức của tấng mạng cấn phải biết chi tiết của mạng vật lý phía dưới (cấu trúc của gói, địa chỉ ) để định dạng đúng thông tin sẽ được truyền tuân theo những ràng buộc của mạng Lớp mạng của TCP/IP chứa chức năng của tất cả 2 lớp thấp nhất của mô hình tham chiếu OSI (lớp liên kết dữ liệu và lớp vật lý) Lớp mạng thường không được người dùng để ý tới vì thiết kế của TCP/IP che dấu những . lập trình mạng và giao diện đẹp. Phần thiết kế software sẽ được nói kỹ ở các chương sau.  Phần thứ hai: là Thiết bị giao tiếp mạng và điều khiển. Để giao tiếp được mạng Ethernet. Thiết bị được thiết. Thiet bi qua mang Internet www.elabvn.com Thiết kế gồm 2 phần chính:  Phần thứ nhất: là phần giao tiếp người dùng tại máy đầu xa để điều khiển thiết bị. Trong đề tài, phần này được thiết kế. xa qua mạng ethernet, Internet hoặc LAN. Ý tưởng của nó là sử dụng mạng có sẵn để truyền tín hiệu điều khiển, nhờ đó mà vấn đề khoảng cách được khắc phục. Như ta đã biết, ngày nay mạng lưới Internet- Ethernet