Nghiên cứu một số mạng LAN tốc độ cao Fast Ethernet, 100Base-AnyLAN và FDDI

Mạng máy tính phát sinh từ nhu cầu muốn chia sẻ và dùng chung dữ liệu. Máy tính cá nhân là công cụ tuyệt vời giúp tạo dữ liệu,

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Nguyễn Tiến Lâm

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ MẠNG LAN TỐC ĐỘ CAO FAST ETHERNET, 100BASE-ANYLAN VÀ FDDI

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY

Ngành: Công nghệ thông tin

HÀ NỘI - 2005

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Nguyễn Tiến Lâm

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ MẠNG LAN TỐC ĐỘ CAO FAST ETHERNET, 100BASE-ANYLAN VÀ FDDI

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY

Ngành: Công nghệ thông tin

Cán bộ hướng dẫn: GVC TS Nguyễn Đình Việt

HÀ NỘI - 2005

Đầu tiên, em xin được cảm ơn GVC TS Nguyễn Đình Việt đã nhiệt tình hướng dẫn em hoàn thành khoá luận này

Em xin gửi các thầy cô đã từng dạy lớp K46CA, K46CC nói riêng, và các thầy

cô trong bộ môn Mạng và truyền thông máy tính, các thầy cô trong Khoa Công Nghệ Thông Tin, và các thầy cô cán bộ của Đại học công nghệ nói chung lòng biết ơn chân thành vì 4 năm học vừa qua

Cuối cùng, em xin đươc cảm ơn gia đình, bạn bè người thân đã giúp đỡ em không chỉ trong khoảng thời gian làm luận văn này mà trong cả quá trình học tập của

em

Do thời gian và trình độ có hạn nên bản khóa luận này không tránh khỏi những sai sót Em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo, các bạn cùng quan tâm đến vấn đề này

Hà nội: tháng 6 năm 2005

Mục tiêu nghiên cứu của khóa luận này là một số mạng LAN tốc độ cao gồm Fast Ethernet, 100Base-AnyLAN và FDDI Chúng tôi đã nghiên cứu về kiến trúc, các đặc điểm về môi trường truyền, giao diện vật lý, phương pháp truy cập đường truyền (FDDI) và đánh giá một phần hiệu suất của mạng

Do đề tài rộng nên nhóm chúng tôi gồm hai thành viên cùng nghiên cứu chung hai chương đầu Tuy nhiên, trong luận văn này, tôi chỉ đề cập sâu về mạng FDDI Tôi

sẽ đưa ra cái nhìn khái quát về các thành phần của chuẩn FDDI, về môi trường truyền, tầng vật lý, và giao thức điều khiển truy cập môi trường truyền của FDDI Ngoài ra, tôi còn đưa ra các kết quả đánh giá về hiệu suất của mạng

Mở đầu 1

Chương 1: Giới thiệu 2

1.1 Sự hình thành mạng cục bộ (Local area network – LAN) 2

1.2 Các động lực dẫn đến mạng LAN tốc độ cao 3

1.3 Các phương pháp truy cập đường truyền 4

1.3.1 Phương pháp đa truy cập cảm nhận sóng mang có dò xung đột (CSMA/CD) 4

1.3.2 Phương pháp chuyển thẻ bài (token passing) 5

1.3.3 Phương pháp truy cập quyền ưu tiên theo yêu cầu (Demand Priority) và chuẩn 100Base-AnyLAN 6

Chương 2: Các phương pháp mã hóa số liệu truyền trên mạng 9

2.1 Giới thiệu chung 9

2.2 Non-return-to-Zero (NRZ) 13

2.3 Nhị phân nhiều mức (Multilevel Binary) 16

2.4 Biphase 18

2.5 Các kỹ thuật xáo trộn (Scrambling Techniques) 19

2.6 Tốc độ điều biến 21

Chương 3: FDDI (Fiber Distributed Data Interface) 23

3.1 Các thành phần của FDDI 23

3.2 Môi trường truyền 24

3.3 Cấu trúc mạng 25

3.4 Khả năng khắc phục hỏng hóc của mạng FDDI 28

3.4.1 Mô hình vòng kép 28

3.4.2 Công tắc chuyển quang học 30

3.4.3 Dual home 30

3.5 Giao diện vật lý 31

3.6 Định dạng gói tin và thẻ bài 34

3.7 Sự truyền và nhận gói tin 36

3.8 Giao thức timed token rotation 37

3.8.1 Các tham số của giao thức 38

3.8.2 Các ràng buộc và hoạt động của giao thức 38

3.9 Hiệu suất của giao thức Timed token rotation 42

3.9.1 Lập biểu thức tính hiệu suất 42

3.9.4 Ảnh hưởng của số lượng trạm lên các giá trị hiệu suất 48

3.9.5 Ảnh hưởng của số lượng trạm hoạt động lên các giá trị hiệu suất 50

3.10 Dữ liệu đồng bộ 51

3.11 Các quy tắc để cài đặt TTRT 56

Kết luận 57

4.1 Tóm tắt khóa luận 57

4.2 Hướng phát triển của đề tài 57

Tài liệu tham khảo 59

ANSI American National

Standards Institute

Viện tiêu chuẩn quốc gia Mỹ

substitution

backbone

Network

Mạng xương sống

xung), và bit 1 được biểu diễn bởi các xung dương hoặc

âm xen kẽ nhau

DAS Dual Attach Station Trạm kết nối kép

DTE Data Terminal

Equipment

Thiết bị đầu cuối dữ liệu

LLC Logical Link Control Tầng điều khiển liên kết sữ liệu

MAC Media Access

Control

Tầng điều khiển truy cập đường truyền

vừa cung cấp cơ chế định thời gian (clocking mechanism) vừa chứa dữ liệu: chuyển tiếp điện áp thấp – cao biểu hiện cho bit 1 và chuyển tiếp điện áp cao – thấp biểu hiện cho bit 0

riêng

0, +V)

cùng một lúc với nhiều góc khác nhau

NRZ Non-return-to-Zero Các mã NRZ có chung một đặc điểm là chúng có mức

điện áp không đổi trong một nhịp bit

Điện áp âm được sử dụng để biểu diễn một giá trị nhị phân

và điện áp dương được dùng để biểu diễn giá trị còn lại

Optical bypass

switch

Công tắc chuyển quang học

trong mô hình logic, nó tương tự như hub trong mo hình hub/tree

PHY Physical Layer

Protocol

Giao thức tầng vật lý

PMD Physical-Medium

Dependent

Tầng phụ thuộc môi trường truyền

(+V)

xung), và bit 0 được biểu diễn bởi các xung dương hoặc

âm xen kẽ nhau

SAS Single Attach Station Trạm kết nối đơn

trong cáp

SMT Station Management Tầng quản lý trạm

THT Token Holding timer Thời gian nắm thẻ bài

timed token

rotation protocol

Giao thức điều khiển truy cập đường truyền của FDDI

TRT Token Rotation timer Thời gian quay thẻ bài

xử lý và phân phối thông tin Điều đặc biệt là khi khả năng thu thập, xử lý và phân phối thông tin của con người tăng lên thì nhu cầu của chính con người về truyền thông đã tăng nhanh Đúng như với định luật nổi tiếng của Parkinson: “Công việc sẽ phình ra chiếm hết cả thời gian còn có để hoàn thành nó” Trong truyền thông điều này có nghĩa

là dữ liệu dường như được mở rộng để chiếm hết phần băng thông còn lại để truyền, ví

dụ như sự xuất hiện của các dịch vụ như xem phim, nghe nhạc trực tuyến đòi hỏi cần có băng thông lớn, tốc độ truyền dữ liệu cao Vì thế nhu cầu nâng cao tốc độ truyền thông

là một nhu cầu tất yếu để đáp ứng những đòi hỏi không giới hạn của con người

Để đáp ứng nhu cầu thực tế đó, các chuẩn mạng tốc độ cao đã được ra đời như: Fast Ethernet, 100Base-AnyLAN và FDDI Theo xu hướng hiện nay thì các chuẩn này

sẽ là một trong các công nghệ chính của tương lai, vì thế việc nghiên cứu để hiểu và áp dụng chúng vào thực tế là điều cần thiết Vì vậy, tôi đã chọn đề tài “Nghiên cứu một số mạng LAN tốc độ cao Fast Ethernet, 100Base-AnyLAN và FDDI”

Trong phạm vi luận văn này, tôi xin đề cập trọng tâm về chuẩn FDDI, một chuẩn cáp quang có cấu trúc mạng vòng Chuẩn này không chỉ áp dụng cho các mạng LAN, MAN mà đặc biệt hơn nó còn là một mô hình lý tưởng cho mạng xương sống nhờ vào các đặc điểm về phạm vi hỗ trợ, số trạm tối đa trên vòng, tốc độ truyền thông và quan trọng nhất là hiệu suất cao của nó Trong luận văn, tôi sẽ lần lượt đề cập đến các đặc điểm, các giao thức của chuẩn FDDI và đánh giá một phần hiệu suất của nó

Nguyễn Tiến Lâm Khóa luận tốt nghiệp - 2005 – ĐHCN

Chương 1: Giới thiệu

1.1 Sự hình thành mạng cục bộ (Local area network – LAN)

Ở mức độ cơ bản nhất, mạng bao gồm hai máy tính nối với nhau bằng cáp sao cho chúng có thể dùng chung dữ liệu Mọi mạng máy tính cho dù phức tạp đến đâu chăng nữa, cũng đều bắt nguồn từ hệ thống đơn giản đó

Mạng máy tính phát sinh từ nhu cầu muốn chia sẻ và dùng chung dữ liệu Máy tính cá nhân là công cụ tuyệt vời giúp tạo dữ liệu, hình ảnh và nhiều dạng thông tin khác, nhưng không cho phép bạn nhanh chóng chia sẻ dữ liệu bạn đã tạo ra Các máy tính cấu thành mạng có thể dùng chung dữ liệu, thông điệp, hình ảnh, máy fax, modem,

và các tài nguyên phần cứng khác

Hình 1.1: Một hệ thống mạng đơn giản Kiểu mạng máy tính trong phạm vi một khu vực giới hạn được gọi là mạng cục

bộ Mạng khởi đầu với qui mô rất nhỏ, với khoảng 10 máy tính dùng nối với nhau và nối với một máy in Công nghệ tin học đã hạn chế qui mô mạng, bao gồm số lượng máy tính nối kết với nhau, cũng như khoảng cách vật lý mạng có thể bao phủ Ví dụ ở đầu những năm thập kỷ 80, phương pháp lắp đặt cáp phổ biến nhất cũng chỉ cho phép chừng

30 máy với chiều dài cáp tối đa xấp xỉ 183m Mạng máy tính như thế phủ vừa đủ trong một phạm vi một tầng hoặc một công ty Hiện nay, đối với những công ty rất nhỏ, cấu hình này vẫn còn thích hợp

Các mạng cục bộ ở thời kỳ đầu không thể hỗ trợ thoả đáng nhu cầu mạng của một doanh nghiệp lớn đặt văn phòng ở nhiều vùng khác nhau Khi những chiếc máy tính đã đi vào cuộc sống và có rất nhiều ứng dụng được thiết kế cho môi trường mạng, thì các doanh nghiệp lại muốn mở rộng hệ thống mạng để duy trì sức cạnh tranh trên thị trường Ngày nay, mạng cục bộ đã trở thành hệ thống lớn hơn bao phủ nhiều toà nhà

Nguyễn Tiến Lâm Khóa luận tốt nghiệp - 2005 – ĐHCN

Hầu hết các tập đoàn, doanh nghiệp, trường học lớn lưu trữ và chia sẻ lượg dự liệu khổng lồ trong môi trường mạng, đó là lý do vì sao mạng máy tính đang đóng vai trò vô cùng quan trọng đối với các cá nhân, trường học, bệnh viên, doanh nghiệp và các lĩnh vực liên quan

1.2 Các động lực dẫn đến mạng LAN tốc độ cao

Vào thời kỳ đầu, tốc độ mạng là 10 Mbps đã được xem là một điều lý tưởng nhưng với định luật nổi tiếng của Parkinson: “Công việc sẽ phình ra chiếm hết cả thời gian còn có để hoàn thành nó” Và đối với truyền thông thì điều này cũng có nghĩa là dữ liệu dường như được mở rộng để chiếm hết phần băng thông còn lại để truyền nó

Do ứng dụng của mạng LAN phát triển, vì vậy sự đòi hỏi về thông lượng và độ tin cậy trong các ứng dụng này cũng phát triển Ví dụ, các ứng dụng trước đây của mạng LAN đã có thể cho phép liên lạc giữa các máy tính cá nhân truy cập vào các server thư điện tử, hoặc máy in Các ứng dụng như vậy liên quan đến một phần nhỏ trong giao dịch, vì thế các yêu cầu đòi hỏi về băng thông truyền của mạng LAN là nhỏ Tuy nhiên, gần đây các ứng dụng ngày càng tăng lên đồng nghĩa với việc nâng cao băng thông Ví dụ là các máy trạm không có đĩa cứng kết nối cục bộ để cùng chia sẻ một hệ thống file chung, nghĩa là mỗi máy trạm truy cập các file thông qua mạng và điều này làm yêu cầu đối với băng thông tăng một cách đáng kể Vì vậy, các ứng dụng phức tạp liên quan đến việc truyền các văn bản kết hợp cùng với các hình ảnh có độ phân giải cao, … ngày càng trở lên phổ biến, một lần nữa yêu cầu tăng khả năng truyền thông của mạng LAN lên

Để nâng cao tốc độ truyền, các nhóm nhà công nghiệp khác nhau đã đề xuất ra hai mạng LAN dùng cáp quang dựa trên kiến trúc vòng mới:

FDDI (Fiber Distributed Data Interface)

Fiber Channel

Nhưng với cả hai chuẩn mới này, việc quản lý các máy trên mạng là quá phức tạp và dẫn đến chi phí cao Chính vì điều này bắt đầu từ năm 1992, một số loại mạng LAN tốc độ cao đã được phát triển và gồm có:

Fast Ethernet 100BaseT

100Base-AnyLAN – IEEE 802.12

Fiber Distributed Data Interface – FDDI

Nguyễn Tiến Lâm Khóa luận tốt nghiệp - 2005 – ĐHCN

Với các chuẩn mạng LAN tốc độ cao nêu trên, trước khi tìm hiểu từng chuẩn chúng ta sẽ tìm hiểu về các phương pháp truy cập đường truyền, các phương pháp này được dùng trong từng chuẩn do các đặc điểm của mình Với Fast Ethernet thì phương pháp nổi tiếng được biết đến là CSMA/CD, phương pháp quyền ưu tiên theo yêu cầu được dùng trong 100Base-AnyLAN, và với chuẩn FDDI dùng phương pháp chuyển thẻ bài

1.3 Các phương pháp truy cập đường truyền

Khi nhiều máy tính phải truy cập chung đường truyền, nếu hai máy tính phải gửi dữ liệu lên đường truyền cùng một thời điểm thì gói dữ liệu của máy tính này sẽ va chạm với gói dữ liệu của máy tính kia, và kết quả là hai gói dữ liệu đều bị phá hủy Vì vậy cần đưa ra các phương pháp truy cập đường truyền để xử lý dữ liệu và ngăn không cho nhiều máy tính truy cập cùng một lúc Có ba phương pháp truy cập chính:

Phương pháp đa truy cập cảm nhận sóng mang: có dò xung đột CSMA/CD

Phương pháp chuyển thẻ bài (token passing)

Phương pháp quyền ưu tiên theo yêu cầu (demand priority)

1.3.1 Phương pháp đa truy cập cảm nhận sóng mang có dò xung đột (CSMA/CD)

CSMA/CD là phương pháp được sử dụng trong mạng topo dạng bus Với topo dạng này, tất cả các máy tính được nối trực tiếp với cùng một dây cáp Dây cáp được dùng để truyền tất cả dữ liệu giữa bất kỳ cặp máy tính nào Để truyền dữ liệu, đầu tiên máy tính đóng gói dữ liệu thành một frame có địa chỉ máy đích cần gửi vào đầu frame Frame đó được truyền broadcast lên đường truyền (dây cáp) Tất các máy tính kết nối với cáp nên có thể phát hiện được bất kỳ frame nào đang được truyền Khi máy đích phát hiện ra frame hiện tại đang được truyền có địa chỉ ở phía đầu frame là của mình,

nó tiếp tục đọc dữ liệu bên trong frame và đáp lại giao thức liên kết đã định nghĩa Để truyền một frame, đầu tiên máy tính đó lắng nghe xem có bất kỳ frame nào được được truyền trên cáp không Nếu không có frame nào đang được truyền, máy tính đó sẽ gửi frame Ngược lại, sẽ không có máy tính nào được truyền cho đến khi frame đó được truyền đến đích và đường truyền rỗi trở lại

Nguyễn Tiến Lâm Khóa luận tốt nghiệp - 2005 – ĐHCN

Như vậy, nếu hai hay nhiều máy tính cùng muốn gửi dữ liệu cùng một lúc sẽ dẫn đến xung đột xảy ra trên đường truyền Khi phát hiện ra có xung đột xảy ra, lập tức máy phát sẽ gửi một chuỗi jam ngắn để thông báo cho các máy khác biết có xung đột xảy ra và các máy tính liên quan sẽ ngừng truyền trong một khoảng thời gian ngẫu nhiên rồi sẽ truyền lại

Hình 1.2: Phương pháp CSMA/CD

Ưu điểm của CSMA/CD là đơn giản, mềm dẻo, hiệu quả khi thông lượng thông tin trên mạng không lớn Việc thêm vào hay dịch chuyển các máy không ảnh hưởng đến các thủ tục của giao thức Điểm bất lợi của CSMA/CD là hiệu suất đường truyền sẽ giảm xuống khi phải tải quá nhiều thông tin (khoảng 10 Mbps)

1.3.2 Phương pháp chuyển thẻ bài (token passing)

Đây là giao thức thông dụng sau CSMA/CD được dùng trong các mạng LAN

có cấu trúc vòng Trong chuyển thẻ bài có một kiểu gói đặc biệt gọi là thẻ bài (token) luân chuyển quanh vòng cáp logic, tù máy tính này sang máy tính khác Khi máy tính bất kỳ trên vòng cáp cần gửi dữ liệu lên mạng, nó phải chờ để có được một thẻ bài rỗi (free token) Khi tìm thấy thẻ bài rỗi, máy tính đó đoạt lấy quyền điều khiển thẻ bài

Lúc này máy tính có thể truyền dữ liệu Dữ liệu được truyền theo từng frame,

và thông tin bổ xung, chẳng hạn địa chỉ được nối vào frame dưới hình thức đoạn đầu và đoạn cuối

Trong khi thẻ bài nằm dưới quyền sử dụng của một máy tính thì các máy tính khác không thể truyền dữ liệu được Vì mỗi lần chỉ có một máy tính sử dụng thẻ bài nên tranh chấp, va chạm sẽ không xảy ra

Nguyễn Tiến Lâm Khóa luận tốt nghiệp - 2005 – ĐHCN

Phương pháp chuyển thẻ bài có trật tự nhưng cũng phức tạp hơn CSMA/CD, cớ

ưu điểm là vẫn hoạt động tốt khi lưu lượng truyền thông lớn Phương pháp này tuân thủ đúng sự phân chia của môi trường mạng, hoạt động dựa vào sự xoay vòng tới các trạm Việc truyền thẻ bài sẽ không thẻ thực hiện được nếu việc xoay vòng bị đứt đoạn Giao thức phải chứa các thủ tục kiểm tra thẻ bài để cho phép khôi phục lại thẻ bài bị mất hoặc thay thế trạng thái của thẻ bài và cung cấp các phương tiện để sử đổi logic (thêm vào, bớt đi hoặc định lại trật tự của các trạm)

Hình 1.3: Phương pháp chuyển thẻ bài

1.3.3 Phương pháp truy cập quyền ưu tiên theo yêu cầu (Demand Priority) và chuẩn 100Base-AnyLAN

Phương pháp truy cập quyền ưu tiên theo yêu cầu

Phương pháp truy cập quyền ưu tiên theo yêu cầu là phương pháp truy cập tương đối mới dành cho chuẩn Ethernet 100 Mbps được gọi là 100 VG-AnyLAN IEEE

đã chấp nhận và tiêu chuẩn hoá phương pháp này trong chuẩn 802.12

Hình 1.4: Phương pháp truy cập mạng star bus dành cho 100Base-AnyLAN là phương

pháp quuyền ưu tiên theo yêu cầu Phương pháp truy cập quyền ưu tiên theo yêu cầu dựa trên dữ kiện bộ chuyển tiếp (repeater) và nút cuối (end node) là hai thành phần tạo nên mạng 100VG-AnyLAN

Nguyễn Tiến Lâm Khóa luận tốt nghiệp - 2005 – ĐHCN

Bộ chuyển tiếp quản lý truy cập mạng bằng cách tìm kiếm xoay vòng các yêu cầu gởi từ các nút trên mạng Hub chịu trách nhiệm ghi nhận mọi địa chỉ, mọi liên kết, nút cuối và kiểm tra xem chúng có đang hoạt động hay không Theo định nghĩa 100VG-AnyLAN, nút cuối có thể là máy tính, cầu nối (bridge), bộ định tuyến (router) hoặc bộ chuyển mạch (switch)

Như trong CSMA/CD, hai máy tính có thể gây ra tranh chấp do truyền dữ liệu cùng một lúc Tuy nhiên, trong phương pháp quyền ưu tiên theo yêu cầu có thể sử dụng một lược đồ trong đó một loại dữ liệu nhất định sẽ nhận được ưu tiên nếu có xảy ra tranh chấp Nếu hub hay hay bộ định tuyến nhận hai yêu cầu cùng một lúc thì yêu cầu

có mức ưu tiên cao nhất sẽ được phục vụ trước tiên Nếu hai yêu cùng mức ưu tiên thì

cả hai sẽ được phục vụ luân phiên

Trong phương pháp quyền ưu tiên theo yêu cầu, các bên tham gia giao tiếp chỉ

có giữa hai máy tính gửi, hub, máy tính đích Với phương pháp này, mỗi hub chỉ biết đến các nút cuối và bộ chuyển tiếp nối trực tiếp với nó Việc truyền qua hub giúp cho

dữ liệu không bị phát tán đến tất cả các máy tính khác trên mạng Trong khi đó CSMD/CD, mỗi hub biết rõ địa chỉ từng nút trên mạng nên các máy tính không tranh chấp truy cập chịu sự điều khiển tập trung của hub Do đó phương pháp này hiệu quả hơn phương pháp CSMA/CD

Chuẩn 100Base-AnyLAN (IEEE 802.12)

100Base-AnyLAN hay còn gọi là 100VG (Voice Grade) AnyLAN là công nghệ mạng kết hợp các thành phần của Ethernet và Token Ring Công nghệ này đầu tiên do Hewlett-Packand phát triển và còn được gọi là IEEE 802.12 hoặc 100Base-VG

Tốc độ truyền dữ liệu tối thiểu của 100Base-VG là 100Mbps Mạng này sử dụng topo hình sao xếp tầng (Cascaded Star Topology) và phương pháp truy cập quyền

ưu tiên theo yêu cầu Khi một trạm có nhu cầu truyền dữ liệu, trạm đó sẽ gửi yêu cầu đến hub và chỉ có thể truyền dữ liệu khi có sự cho phép của hub Có thể mở rộng mạng bằng cách thêm hub con (child hub) vào hub trung tâm Hub con đóng vai trò như máy tính đối với hub trung tâm và hub trung tâm kiểm soát việc truyền các máy tính đối với hub con

Nguyễn Tiến Lâm Khóa luận tốt nghiệp - 2005 – ĐHCN

Bảng 1.1: So sánh tính năng giữa 100Base-T và 100VG-AnyLAN

Mục tiêu của chuẩn này nhằm cung cấp một mạng tốc độ cao (100 Mbps và lớn hơn) có thể hoạt động trong các môi trường hỗn hợp Ethernet và Token Ring, bởi thế nó

hỗ trợ cả hai dạng frame của hai chuẩn này

Cấu hình này đòi hỏi có hub và card riêng Bên cạnh đó, chiều dài cáp của 100VG có vẻ hạn chế khi so sánh với 10Base-T nhưng tương đương với Fast Ethernet

Bảng 1.2: Tóm tắt những điểm chính của các phương pháp truy cập được dùng trong mạng tốc độ cao (3 chuẩn)

Loại truyền

Phương pháp

Nguyễn Tiến Lâm Khóa luận tốt nghiệp - 2005 – ĐHCN

Chương 2: Các phương pháp mã hóa số liệu truyền trên mạng

2.1 Giới thiệu chung

Một tín hiệu số là một chuỗi các xung điện không liên tục và rời rạc Mỗi một xung là một tín hiệu nguyên tố Dữ liệu nhị phân được truyền bằng việc mã hóa mỗi một dữ liệu bit sang tín hiệu nguyên tố Trong trường hợp đơn giản nhất, quan hệ giữa bit và tín hiệu nguyên tố là quan hệ 1 – 1 Ví dụ, mỗi một bit 0 được biểu diễn bởi mức điện áp thấp và bit 1 được biểu diễn mức điện áp cao

Đầu tiên, chúng ta định nghĩa một số thuật ngữ Nếu tất cả các tín hiệu nguyên

tố đều có biểu diễn đại số giống nhau, tức là cùng âm hoặc cùng dương, thì tín hiệu đó

là đơn cực (unipolar) Tín hiệu có cực (polar) sử dụng 2 mức điện áp âm và dương (+V

và –V), trạng thái logic một được biểu diễn bởi mức điện áp dương và trạng thái còn lại được biểu diễn bởi mức điện áp âm Ngoài ra còn có loại tín hiệu lưỡng cực (Bipolar)

sử dụng 3 mức điện áp (-V, 0 và +V) Tốc độ chuyển dữ liệu (data signaling rate) hoặc chỉ là tốc độ dữ liệu (data rate) của một tín hiệu là lượng dữ liệu được truyền trên giây (bit/giây) Khoảng thời gian (duration) hoặc độ dài (length) của 1 bit là lượng thời gian cần để bên truyền phát ra bit đó Nếu tốc độ dữ liệu là R thì khoảng thời gian của bit là 1/R Ngược lại, tốc độ điều biến (modulation rate) là tốc độ mà mức tín hiệu bị thay đổi; điều này sẽ phụ thuộc vào bản chất của mã hoá số Tốc độ điều biến được đo bởi đại lượng bauds (tín hiệu nguyên tố/giây) Cuối cùng thuật ngữ mark và space biểu diễn số nhị phân 1 và 0 (hình 2.1) Bảng 2.1 sẽ tổng kết lại các từ khoá trên

Bảng 2.1: Các thuật ngữ truyền dữ liệu

Dữ liệu nguyên tố Bit Một bit nhị phân 1 hoặc 0

Tốc độ dữ liệu bit/giây (bps) Tốc độ mà các dữ liệu nguyên

tố được truyền Tín hiệu nguyên

Tốc độ điều biến Tính hiệu nguyên tố/giây

(baud)

Tốc độ mà tín hiệu nguyên tố được truyền

Nguyễn Tiến Lâm Khóa luận tốt nghiệp - 2005 – ĐHCN

Hình 2.1: Mô tả thông tin nhị phân Các biểu diễn liên quan tới các tín hiệu số tại bên nhận được tóm tắt tại hình 2.1 Đầu tiên bên nhận phải biết được thời điểm của mỗi bit Tức là bên nhận phải biết được tương đối chính xác thời gian bắt đầu và kết thúc của mỗi bit Bên nhận phải xác định được mức tín hiệu tại vị trí mỗi bit là cao (1) hay thấp (0) Trong hình 2.1, các biểu

đồ này được thực hiện bằng việc lấy mẫu mỗi bit tại chính giữa khoảng thời gian bắt đầu và kết thúc và so sánh với giá trị ngưỡng

Nhân tố nào xác định mức độ chính xác mà bên nhận hiểu được tín hiệu đến?

Có 3 nhân tố quan trọng, đó là tỉ lệ giữa tín hiệu và nhiễu (Eb/N0), tốc độ dữ liệu và băng thông:

Tỉ lệ giữa tín hiệu và nhiễu tăng sẽ làm giảm tỉ suất lỗi bit

Tốc độ dữ liệu tăng sẽ làm tăng tỉ suất lỗi bit (xác suất bit nhận bị lỗi) Băng thông tăng sẽ làm cho tốc độ dữ liệu tăng

Một nhân tố khác có thể được sử dụng làm tăng hiệu suất, là lược đồ mã hoá: là

sự ánh xạ từ bit dữ liệu sang tín hiệu nguyên tố Có rất nhiều lược đồ mã hoá đang được

sử dụng Sau đây, chúng ta sẽ mô tả một số lược đồ phổ biến được định nghĩa trong bảng 2.2 và được mô tả trong hình 2.2

Bảng 2.2: Định nghĩa định dạng mã hóa tín hiệu số

Nonreturn-to-Zero-Level (NRZ-L)

0 = không chuyển tiếp (no transition) tại thời điểm bắt đầu (one bit time)

1 = chuyển tiếp tại thời điểm bắt đầu

0 = chuyển từ cao xuống thấp tại thời điểm giữa

1 = chuyển từ thấp lên cao tại thời điểm giữa

Differential Manchester

Luôn luôn có trạng thái chuyển tiếp tại thời điểm giữa

0 = chuyển tiếp tại thời điểm bắt đầu

1 = không chuyển tiếp tại thời điểm bắt đầu

Nguyễn Tiến Lâm Khóa luận tốt nghiệp - 2005 – ĐHCN

Hình 2.2: Định dạng các loại mã hoá tín hiệu số Trước khi mô tả các kỹ thuật này, chúng ta hãy xem các cách đánh giá hoặc so sánh các công nghệ khác nhau này

Phổ tín hiệu: Một số khía cạnh của phổ tín hiệu là quan trọng Nếu thiếu

thành phần tần số cao sẽ dẫn đến việc giảm băng thông cần thiết để truyền Thêm vào đó, nếu thiếu các thành phần direct-current (dc) cũng

là một điều mong đợi Đối với một thành phần dc chuyển thành tín hiệu, thì chúng phải được đính trực tiếp về mặt vật lý với các thành phần truyền; còn đối với các thành phần không phải dc, việc nối xoay chiều thông qua máy biến thế là có thể; nó cung cấp tình trạng cách ly về mặt điện tử một cách tuyệt hảo, làm giảm độ nhiễu Cuối cùng, tầm quan trọng của các ảnh hưởng của sự méo và nhiễu tín hiệu phụ thuộc vào các

Nguyễn Tiến Lâm Khóa luận tốt nghiệp - 2005 – ĐHCN

đặc trưng phổ của tín hiệu được truyền Trên thực tế, chức năng truyền của một kênh truyền bị lỗi nhiều nhất ở gần các biên băng thông Bởi vậy, một thiết kế tín hiệu tốt nên tập trung năng lượng được truyền ở giữa băng tần truyền

Clocking: Như chúng ta đã đề cập, việc xác định vị trí ban đầu và kết

thúc của mỗi bit là cần thiết Điều này không hề dễ dàng Một cách tiếp cận tốt hơn là cung cấp một điều khiển thời gian (clock-lead) riêng biệt

để đồng bộ giữa bên truyền và bên nhận Còn cách khác nữa là cung cấp một số kỹ thuật đồng bộ dựa trên tín hiệu được truyền; điều này có thể đạt được bằng cách dùng mã hoá phù hợp

Phát hiện lỗi: Việc xây dựng khả năng phát hiện lỗi trong giản đồ mã

hoá tín hiệu là rất có tác dụng, vì nó sẽ giúp phát hiện lỗi sớm hơn

Nhiễu tín hiệu và loại trừ tạp nhiễu (noise immunity): Các mã đảm

bảo sự thực thi tốt hơn trong trường hợp có sự xuất hiện của tạp nhiễu Khả năng này thường được diễn tả bởi một thuật ngữ là tỉ suất lỗi bit (bit error rate)

Chi phí và sự phức tạp: Mặc dù logic số đang tiếp tục giảm giá, nhưng

chi phí không nên bỏ qua Đặc biệt, tăng tốc độ chuyển tín hiệu nhằm đạt được tốc độ dữ liệu đã cho thì chi phí cũng tăng theo Chúng ta sẽ xem xét một số các mã đòi hỏi tốc độ chuyển, mà trên thực tế tốc độ chuyển

Phổ biến hơn là mã NRZ-L (Non-return-to-Zero-Level), điện áp âm được sử dụng để biểu diễn một giá trị nhị phân và điện áp dương được dùng để biểu diễn giá trị còn lại Mã NRZ-L được minh hoạ trên hình 2.3 NRZ-L nhìn chung là mã được dùng

Nguyễn Tiến Lâm Khóa luận tốt nghiệp - 2005 – ĐHCN

bởi các trạm và các thiết bị khác để tạo ra hoặc hiểu được dữ liệu số Có một đặc tính là nếu một mã khác được sử dùng để truyền, nó sẽ được bắt nguồn từ một tín hiệu NRZ-L

Hình 2.3: Mã hóa NRZ-L, 0: mức cao và 1: mức thấp Một dạng biến đổi khác của NRZ được biết đến là NRZI (Non-return-to-Zero, invert on ones) Giống với NRZ-L, NRZI duy trì một xung điện áp không đổi trong khoảng thời gian của một nhịp bit (bit time) Dữ liệu tự được mã hoá khi có hoặc không quá trình chuyển tiếp tín hiệu tại thời điểm bắt đầu của nhịp bit đó Một quá trình chuyển tiếp (thấp-lên-cao hoặc cao-xuống-thấp) tại thời điểm bắt đầu của một nhịp bit biểu thị cho bit nhị phân 1; không chuyển tiếp biểu thị cho bit nhị phân 0 (hình 2.4)

NRZI là một ví dụ của mã hoá chênh lệch (differential encoding) Trong mã hoá chênh lệch, tín hiệu được mã hoá bằng cách so sánh tính phân cực của các tín hiệu nguyên tố kề nhau thay cho việc xác định giá trị tuyệt đối của tín hiệu nguyên tố Một lợi ích của lược đồ này là trong trường hợp có tạp nhiễu, phát hiện một chuyển tiếp sẽ đáng tin cậy hơn là so sánh với một giá trị của ngưỡng (threshold) Một lợi ích khác với một quá trình truyền phức hợp, việc bỏ qua sự cảm nhận của tính phân cực của tín hiệu trở lên dễ dàng Ví dụ, trên một dây đôi cáp xoắn nhiều đường (multidrop twisted-pair line), nếu các máy dò (the leads) từ một thiết bị đính kèm tới đôi cáp xoắn ngẫu nhiên bị đảo, tất cả các bit 1 và 0 nhận được của NRZ-L sẽ bị đảo theo; điều này không thể xảy

ra với với diffenrence encoding

Hình 2.4: Mã hoá NRZ-L và NRZI

Nguyễn Tiến Lâm Khóa luận tốt nghiệp - 2005 – ĐHCN

Các mã NRZ là đơn giản nhất đối với các kỹ sư, thêm vào đó nó giúp sử dụng hiệu quả băng tần Đặc điểm này được minh hoạ trong hình 2.5, so sánh mật độ quang phổ của các lược đồ mã hóa Trong hình này, tần số được chuẩn hoá với tốc độ dữ liệu Như chúng ta thấy, phần lớn năng lượng trong tín hiệu NRZ và NRZI tập trung ở giữa

dc và một nửa tốc độ bit (bit rate) Ví dụ, nếu một mã NRZ được sử dụng để tạo ra một tín hiệu với tốc độ dữ liệu là 9600 bps, hầu hết năng lượng của tín hiệu được tập trung giữa dc và 4800 Hz

Hạn chế chính của các tín hiệu NRZ là sự có mặt của thành phần dc và thiếu mất khả năng đồng bộ hoá Để hình dung ra vấn đề về khả năng đồng bộ hoá, giả sử như dữ liệu là với một xâu bit chỉ 1 hoặc chỉ 0 đối với NRZ-L, hoặc một xâu dài các bit

0 đối với NRZI, thì đầu ra sẽ là điện áp không đổi trong một khoảng thời gian dài Trong những tình huống này, bất kỳ độ chênh lệch giữa thời gian bên truyền và bên nhận sẽ mất sự đồng bộ giữa hai bên

Chính vì đáp ứng các đặc điểm là tần số thấp vừa phải và tính đơn giản mà các

mã NRZ được sử dụng phổ biến trong ghi kỹ thuật số từ tính Tuy nhiên những hạn chế của chúng khiến các mã này không thích hợp các ứng dụng truyền tín hiệu

Nguyễn Tiến Lâm Khóa luận tốt nghiệp - 2005 – ĐHCN

Hình 2.5: Tỷ trọng quang phổ của các lược đồ mã hóa

2.3 Nhị phân nhiều mức (Multilevel Binary)

Một trong các các kỹ thuật mã hóa được biết đến là mã hoá nhị phân nhiều mức

đã khắc phục được những thiếu sót của mã NRZ Loại mã này sử dụng nhiều hơn hai mức tín hiệu Hai ví dụ của lược đồ này được minh họa trong hình 2.6: bipolar-AMI (alternate mark inversion) và pseudoternary

Trong trường hợp của lược đồ bipolar-AMI, bit nhị phân 0 được biểu diễn bằng xung 0 (không có xung), và xung dương hoặc âm biểu diễn cho bit nhị phân 1 Các xung nhị phân 1 phải phân cực (chuyển tiếp) luân phiên và xen kẽ nhau giữa xung dương và xung âm Có một số ưu điểm trong lược đồ này Thứ nhất, hệ thống sẽ không mất tính đồng bộ nếu một xâu dài các bit 1 được truyền, vì mỗi bit 1 ứng với một sự chuyển tiếp, và bên nhận có thể đồng bộ hoá lại vào lúc chuyển tiếp này Tuy nhiên, một xâu dài chỉ gồm các bit 0 vẫn còn là vấn đề chưa giải quyết được Thứ hai, vì các tín hiệu 1 xen kẽ nhau từ dương sang âm về mặt điện áp, nên không có các thành phần

dc Vì thế băng thông của tín hiệu kết quả nhỏ hơn đáng kể so với băng thông của NRZ (hình 2.5) Cuối cùng, thuộc tính xen kẽ xung sẽ đưa cách thức đơn giản cho việc phát

Nguyễn Tiến Lâm Khóa luận tốt nghiệp - 2005 – ĐHCN

hiện lỗi Bất kỳ một lỗi tách biệt nào, cho dù là lỗi thêm vào hay xoá đi một xung, thì đều vi phạm thuộc tính xen kẽ xung đó

Hình 2.6: Các loại mã hoá nhị phân nhiều mức Trong trường hợp pseudoternary, bit 1 biểu diễn cho một tín hiệu xung 0 (không có xung), và bit 0 biểu diễn cho các xung dương hoặc âm xen kẽ nhau Không

có một ưu điểm cụ thể khi so sánh kỹ thuật này với kỹ thuật trên (bipolar-AMI), và mỗi một kỹ thuật là nền tảng cho một số ứng dụng

Mặt dù các mã trên đã cung cấp sự đồng bộ ở một mức nào đó, nhưng một xâu dài các bit 0 trong trường hợp AMI hoặc các bit 1 trong trường hợp pseudoternary vẫn còn là vấn đề chưa giải quyết được Rất nhiều các kỹ thuật đã từng được sử dụng để khắc phục hạn chế này Một phương pháp là chèn các bit thêm vào để đánh dấu giữa các tín hiệu Kỹ thuật này được sử dụng trong ISDN đối với truyền thông tốc độ dữ liệu tương đối thấp Dĩ nhiên là với tốc độ dữ liệu cao thì lược đồ này là tốn kém, vì nó cần nâng cao tốc độ truyền thông tín hiệu vốn đã cao sẵn Để đối phó với vấn đề về tốc độ

dữ liệu này, một kỹ thuật liên quan đến xáo trộn (crambling) dữ liệu được sử dụng; chúng ta sẽ xem hai ví dụ về kỹ thuật này trong phần sau

Thêm nữa, với sự thay đổi phù hợp, lược đồ nhị phân nhiều mức đã khắc phục được các hạn chế của các mã NRZ Với mã hoá nhị phân nhiều mức, tín hiệu dòng có thể là 1 trong 3 mức (+V, 0, -V) Tuy nhiên trong mã hoá nhị phân nhiều mức, mỗi một tín hiệu nguyên tố cần log23 = 1.58 bit thông tin để biểu diễn, trong khi đó với các mã NRZ thì 1 bit biểu diễn 1 tín hiệu nguyên tố, vì thế mà mã hoá nhị phân nhiều mức không hiệu quả bằng mã hoá NRZ Nói dễ hiểu hơn là bên nhận tín hiệu nhị phân nhiều mức phải phân biệt 3 mức (+A, -A, 0) thay cho hai mức trong các định dạng tín hiệu

Nguyễn Tiến Lâm Khóa luận tốt nghiệp - 2005 – ĐHCN

NRZ được đề cập trước đó Vì lý do đó, đối với cùng một xác suất lỗi bit, thì tín hiệu nhị phân nhiều mức đòi hỏi lượng tín hiệu nhiều hơn 3 dB so với tín hiệu 2 mức Nói cách khác, tốc độ lỗi bit với tỷ lệ giữa tín hiệu và nhiễu cho trước, đối với NRZ thì ít hơn đáng kể so với nhị phân nhiều mức

2.4 Biphase

Một tập hợp các kỹ thuật mã hoá khác, nhóm lại với thuật ngữ biphase đã khắc phục được những giới hạn của loại mã hoá NRZ Hai kỹ thuật trong biphase thường

được sử dụng là Manchester và Differential Manchester

Trong mã hoá Manchester (hình 2.7), có sự chuyển tiếp tại giữa mỗi nhịp bit

Sự chuyển tiếp đó vừa cung cấp cơ chế định thời gian (clocking mechanism) vừa chứa

dữ liệu: chuyển tiếp điện áp thấp – cao biểu hiện cho bit 1 và chuyển tiếp điện áp cao – thấp biểu hiện cho bit 0 Đối với Differential Manchester (hình 2.7), sự chuyển tiếp ở giữa mỗi nhịp bit chỉ cung cấp cơ chế định thời gian Việc mã hoá bit 0 được thể hiện bởi việc xuất hiện sự chuyển tiếp tại bắt đầu mỗi nhịp bit và mã hoá bit 1 được thể hiện bởi việc không xuất hiện sự chuyển tiếp tại bắt đầu mỗi nhịp bit Differential Manchester đã thêm vào ưu điểm của mã hoá chênh lệch

Hình 2.7: Mã hoá Manchester và mã hóa Differential Manchester

Tất cả kỹ thuật biphase yêu cầu ít nhất có một lần chuyển tiếp trong mỗi nhịp bit và nhiều nhất là hai lần Do vậy, tốc độ điều biến lớn nhất bằng hai lần so với NRZ; điều này có nghĩa là băng thông cần trở lên lớn hơn Mặt khác, giản đồ biphase có một vài ưu điểm sau:

Nguyễn Tiến Lâm Khóa luận tốt nghiệp - 2005 – ĐHCN

Đồng bộ hoá Do có một sự chuyển tiếp trong mỗi nhịp bit nên bên nhận

có thể xác định sự đồng bộ từ sự chuyển tiếp đó Vì lý do đó, mã biphase được biết như là mã tự đánh giờ (self-clocking)

Không có thành phần dc

Phát hiện lỗi Sự thiếu của một sự chuyển tiếp được mong đợi có thể được sử dụng để phát hiện lỗi Nhiễu trên đường truyền có thể làm đảo tín hiệu cả trước và sau sự chuyển tiếp đó có thể khiến cho không xác định được lỗi

Như hình 2.7, lượng năng lượng của mã biphase ở giữa 0.5 và 1 của tốc độ bit

Vì vậy, băng thông hẹp vừa phải và không chứa thành phần dc Tuy nhiên, nó rộng hơn băng thông của mã phân nhiều mức

Mã biphase là công nghệ được ưa chuộng trong truyền thông dữ liệu Mã Manchester được sử dụng thông dụng hơn và được chỉ định trong chuẩn IEEE 802.3 mạng bus CSMA/CD cho cáp đồng trục dải tần cơ sở và cáp đôi cáp xoắn Mã Differential Manchester được chỉ định cho chuẩn IEEE 802.5 mạng token ring sử dụng cáp đôi xoắn có bảo vệ

2.5 Các kỹ thuật xáo trộn (Scrambling Techniques)

Mặc dù kỹ thuật biphase đã dành được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng mạng cục bộ (LAN) với tốc độ dữ liệu tương đối cao (lên tới 10 Mbps), nhưng nó không được sử dụng nhiều trong các ứng dụng khoảng cách lớn Nguyên nhân chủ yếu

là kỹ thuật biphase yêu cầu tốc độ truyền cao tương ứng với tốc độ dữ liệu Sự không hiệu quả này phần nào làm tăng giá thành đối với các ứng dụng khoảng cách lớn

Một phương pháp khác là sử dụng một phần ích lợi của giản đồ xáo trộn Ý tưởng đằng sau phương pháp này rất đơn giản: Các chuỗi các mức điện áp cố định được thay thế bằng một chuỗi khác mà có sự chuyển tiếp đủ để bên nhận có thể duy trì được

sự đồng bộ hoá Chuỗi thay thế phải được nhận biết ở bên nhận và được thay thế bằng chuỗi dữ liệu gốc Chuỗi thay thế có cùng độ dài với chuỗi gốc, nên không cần phải tăng tốc độ dữ liệu Những mục đích thiết kế của phương pháp này được tổng kết như sau:

Không có thành phần dc

Không có chuỗi dài chỉ toần tín hiệu mức 0

Nguyễn Tiến Lâm Khóa luận tốt nghiệp - 2005 – ĐHCN

Không giảm tốc độ dữ liệu

Có khả năng phát hiện lỗi

Hai kỹ thuật thường được sử dụng dịch vụ truyền thông với khoảng cách dài được minh hoạ trong hình 2.8

Hình 2.8: Mã hoá B8ZX và HDB3

Một giản đồ mã hoá thường được sử dụng ở Bắc Mỹ là B8ZS (bipolar with

8-zeros substitution) Giản đồ mã hoá này dựa trên bipolar-AMI Chúng ta đã xem sét

mặt hạn chế của mã AMI đó là khi truyền một xâu dài các bit 0 có thể bị mất sự đồng

bộ Để giải quyết vấn đề này, kỹ thuật B8ZS đã thêm vào các qui tắc sau:

Nếu 8 tín hiệu 0 liên tiếp xuất hiện và xung điện áp cuối cùng phía trước bộ 8 tín hiệu này là dương thì 8 tín hiệu 0 liên tiếp này sẽ được mã hoá thành 000+-0-+

Nếu 8 tín hiệu 0 liên tiếp xuất hiện và xung điện áp cuối cùng phía trước bộ 8 tín hiệu này là âm thì 8 tín hiệu 0 liên tiếp này sẽ được mã hoá thành 000-+0+-

Kỹ thuật này tạo ra hai mã vi phạm quy tắc của mã AMI (mẫu tín hiệu này không được chấp nhận đối với mã AMI), trường hợp này không giống như bị nhiễu hay

Nguyễn Tiến Lâm Khóa luận tốt nghiệp - 2005 – ĐHCN

do bị các hư hại khác trong truyền thông Bên nhận sẽ nhận biết được mẫu này hiểu 8 tín hiệu này như là 8 tín hiệu 0 liên tiếp

Một giản đồ mã hoá khác hay được sử dụng Châu Âu và Nhật Bản, đó là mã

HDB3 (high-density bipolar-3 zeros) Như B8ZS, nó dựa trên mã hoá AMI Trong

trường hợp mã HDB3, giản đồ thay thế một xâu bốn tín hiệu 0 bằng một chuỗi chứa một hoặc hai xung Trong từng trường hợp, bốn tín hiệu 0 này được thay thế bằng một

mã sai (vi phạm qui tắc của mã AMI) Thêm vào đó, nó cần 1 qui tắc để chắc chắn rằng

sự vi phạm này là một chuỗi phân cực liên tiếp nên không tốn tại các thành phần dc Do vậy, nếu sự vi phạm cuối cùng là dương thì sự vi phạm tiếp theo phải là âm và ngược lại Như bảng 2.3, điều kiện này được phân tích để biết rằng liệu số lượng xung kể từ sự

vi phạm cuối cùng là chẵn hay lẻ và sự phân cực của xung cuối cùng trước đó

Bảng 2.3: Quy tắc thay thế của HDB3

Số lượng các xung bipolar kể từ sự thay thế cuối cùng Chiều của xung trước đó

2.6 Tốc độ điều biến

Khi mà các kỹ thuật mã hoá tín hiệu được sử dụng, thì xuất hiện nhu cầu so sánh giữa tốc độ dữ liệu (bit/giây) và tốc độ điều biến (baud) Tốc độ dữ liệu hay còn được gọi là tốc độ bit được tính bằng 1/tBtrong đó tB là nhịp bit Tốc độ điều biến là tốc độ phát ra các tín hiệu nguyên tố Ví dụ, khi xem xét mã Manchester, tín hiệu nguyên tố có độ dài nhỏ nhất là một xung kéo dài nửa nhịp bit Đối với một xung chỉ toàn 0 hoặc toàn 1 thì mã Manchester phát ra một chuỗi toàn những xung như vậy Vì thế, tốc độ điều biến lớn nhất của mã Manchester là 2/tB Trạng thái này được thể hiện trong hình 2.8 Hình 2.8 đưa ra trạng thái truyền của 1 chuỗi bit 1 với tốc độ dữ liệu là 1 Mbps khi sử dụng mã hoá NRZI và Manchester Tổng quát, ta có công thức sau:

D = R/b = R/log2L Trong đó

Nguyễn Tiến Lâm Khóa luận tốt nghiệp - 2005 – ĐHCN

D = Tốc độ điều biến (baud)

R = Tốc độ dữ liệu (bps)

L = Số lượng các tín hiệu nguyên tố khác nhau

b = số lượng bit cho mỗi tín hiệu nguyên tố

Nguyễn Tiến Lâm Khóa luận tốt nghiệp - 2005 – ĐHCN

Chương 3: FDDI (Fiber Distributed Data Interface)

Chuẩn mạng LAN FDDI được phát triển bởi viện tiêu chuẩn quốc gia Mỹ (ANSI – American National Standards Institute) Hiện nay, nó là 1 chuẩn quốc tế và được định nghĩa trong ISO 9314 Nó dựa trên cơ sở kiến trúc mạng vòng và hoạt động ở tốc độ truyền dữ liệu là 100 Mbps Giống như mạng token-ring, nó sử dụng vòng khép kín đôi để tăng cường sự tin cậy Sợi cáp quang đa lõi nối các trạm với nhau và tổng độ dài của vòng có thể lên đến 100 km Có thể có tới 500 trạm (DTEs) có thể kết nối vào vòng và vì thế nó là mẫu lý tưởng cho mạng xương sống (backbone)

3.1 Các thành phần của FDDI

FDDI xác định phần vật lý và phần điều khiển truy cập môi trường truyền trong

mô hình tham chiếu OSI Thực tế, FDDI không phải là một thành phần đơn lẻ mà nó là tập hợp của bốn phần riêng biệt, mà từng phần có chức năng riêng Kết hợp các thành phần trên mang đến khả năng cung cấp kết nối tốc độ cao giữa các giao thức tầng cao như TCP/IP, IPX với môi trường truyền như là cáp quang

Bốn thành phần của FDDI là điều khiển truy cập đường truyền (MAC - Media Access Control), giao thức tầng vật lý (PHY - Physical Layer Protocol), giao thức phụ thuộc môi trường truyền vật lý (PMD - Physical-Medium Dependent) và thành phầṇ quản lý trạm (SMT - Station Management) Thành phần MAC định nghĩa phương pháp điều khiển truy cập môi trường truyền, nó bao gồm cả định dạng gói tin, điều khiển thẻ bài, cách đánh địa chỉ, thuật toán để tính giá trị kiểm tra CRC (cyclic redundancy check) và các cơ chế khắc phục lỗi Thành phần PHY định nghĩa hàm mã hoá, giải mã

dữ liệu, các yêu cầu thời gian, và các chức năng khác Thành phần PMD định nghĩa các đặc điểm của môi trường truyền, bao gồm các liên kết sợi quang, các mức của nguồn, tốc độ lỗi bit, các thành phần quang học và các bộ kết nối Thành phần SMT định nghĩa cấu hình trạm FDDI, cấu hình vòng và các đặc trưng điều khiển vòng bao gồm thêm vào và loại bỏ một trạm, khởi tạo vòng, cô lập lỗi và phục hồi vòng, lập lịch và các số liệu thống kê

FDDI tương tự như chuẩn IEEE 802.3 Ethernet và IEEE 802.5 Token Ring trong mối quan hệ với mô hình OSI Mục đích chính của nó là cung cấp kết nối giữa các tầng cao hơn trong mô hình OSI với môi trường truyền Hình 3.1 chỉ ra bốn thành phần

và quan hệ giữa chúng với nhau và với với tầng LLC (Logical Link Control) được định nghĩa trong chuẩn IEEE

Nguyễn Tiến Lâm Khóa luận tốt nghiệp - 2005 – ĐHCN

Hình 3.1 Quan hệ giữa các đặc tả của FDDI với mô hình tham chiếu OSI

3.2 Môi trường truyền

FDDI sử dụng cáp quang học như là môi trường truyền thông chính, nhưng có thể thực thi trên cáp đồng FDDI sử dụng cáp đồng được đề cập đến như là CDDI (Copper-Distributed Data Interface) Cáp quang có một vài ưu điểm so với cáp đồng, cụ thể là hiệu suất, tính tin cậy và tính bảo mật Ưu điểm nổi bật nhất của cáp quang là nó không phát ra tín hiệu điện tử Với môi trường truyền vật lý có phát tín hiệu điện tử thì

có thể bị mắc trộm và vì thế có thể bị truy cập trái phép vào dữ liệu trên đường truyền Hơn nữa, cáp quang sẽ không bị nhiễu điện từ gây ra bởi giao thoa tần số radio và giao thoa điện từ Về mặt khả năng thì cáp quang hỗ trợ băng thông truyền cao hơn so với cáp đồng mặc dù những tiến bộ về công nghệ gần đây đã nâng khả năng của cáp đồng lên tốc độ truyền thông 100 Mbps Cuối cùng, FDDI cho phép khoảng cách giữa hai trạm khi sử dụng cáp quang đa mốt (multimode) là 2 km, thậm chí với khoảng cách lớn hơn khi sử dụng cáp đơn mốt (single-mode)

Hình 3.2 Nguồn phát khác nhau cho cáp single-mode và cáp multimode

Nguyễn Tiến Lâm Khóa luận tốt nghiệp - 2005 – ĐHCN

FDDI định nghĩa hai loại cáp quang học: cáp single-mode và multimode Mode

ở đây là một tia ánh sáng được cho vào sợi cáp với một góc chiếu riêng Cáp multimode

sử dụng LED như là thiết bị phát sinh ánh sáng trong khi cáp single mode sử dụng tia laze (hình 3.2)

Cáp multimode cho phép nhiều tia ánh sáng lan truyền trong sợi cáp Tại vì các tia ánh sáng này vào cáp với các góc khác nhau nên chúng sẽ ra đầu kia của cáp tại các thời điểm khác nhau Đặc điểm này được gọi là modal dispersion Đặc điểm modal dispersion hạn chế băng thông và khoảng cách Và với lý do đấy, cáp multimode thường được sử dụng kết nối trong một toà nhà hoặc trong môi trường tập trung về mặt địa lý

Cáp single-mode cho phép chỉ có một tia sáng được lan truyền trong cáp Do vậy, modal dispersion không hiện diện trong cáp single-mode Vì vậy, cáp single-mode

có khả năng đạt được hiệu suất cao hơn và có thể kết nối trong khoảng cách lớn hơn Đấy là lý do cáp single-mode được sử dụng để kết nối giữa các toà nhà và trong môi trường phân tán về mặt địa lý

3.3 Cấu trúc mạng

Hình 3.3 Cấu hình mạng FDDI điển hình