Tìm hiểu về chức năng và chuẩn giao diện vật lý cho tầng vật lý

Tìm hiểu về chức năng và chuẩn giao diện vật lý cho tầng vật lý

Bài Thảo Luận

(Đề tài:Tìm hiểu về chức năng và chuẩn giao diện vật lý cho tầng vật lý )

Nhóm 8

Phần 1: Giới Thiệu Về Mô Hình OSI

Mô hình OSI là một khung sườn phân lớp để thiết kế mạng cho phép thông tin trong tất cả các hê thống máy tính khác nhau

Mô hình này gồm bảy lớp riêng biệt nhưng có quan hệ với nhau, mỗi lớp nhằm định nghĩa một phân đoạn trong quá trình di chuyển thông tin qua mạng (như hình 1) Tìm hiểu về mô hình OSI sẽ cung cấp cơ sở cho ta để khám phá việc truyền số liệu

Hình 1.

Mô Hình OSI Có Kiến Trúc Lớp.

Mô hình OSI được cấu tạo từ 7 lớp: lớp vật lý (lớp 1), lớp kết nối dữ liệu (lớp 2), lớp mạng (lớp 3), lớp vận chuyển (lớp 4) lớp kiểm soát kết nối (lớp 5), lớp biểu diễn (lớp 6) và lớp ứng dụng (lớp 7) Hình 2 minh họa phương thức một bản tin được gởi đi từ thiết bị A đến thiết bị B Trong quá trình di chuyển, bản tin phải đi qua nhiều nút trung gian Các nút trung gian này thường nằm trong

ba lớp đầu tiên trong mô hình OSI Khi phát triển mô hình, các nhà thiết kế đã tinh lọc quá trình tìm kiếm dữ liệu thành các thành phần đơn giản nhất Chúng xác định các chức năng kết mạng được dùng

và gom chúng thành các nhóm riêng biệt gọi là lớp Mỗi lớp định nghĩa một họ các chức năng riêng biệt so với lớp khác Thông qua việc định nghĩa và định vị các chức năng theo cách này, người thiết

kế tạo ra được một kiến trúc vừa mềm dẻo, vừa dễ hiểu Quan trọng hơn hết, mô hình OSI cho phép có được tính minh bạch

(transparency) khi so sánh với các hệ thống tương thích

Hình 2.

Phần 2 Tìm Hiểu Về Lớp 1 (Tầng Vật Lý)

1 Khái Niệm

Tầng vật lý (Physical layer) là tầng dưới cùng của mô hình OSI Nó mô tả các đặc trưng vật lý của mạng: Các loại cáp được dùng để nối các thiết bị, các loại đầu nối được dùng , các dây cáp có thể dài bao nhiêu v.v

Mặt khác các tầng vật lý cung cấp các đặc trưng điện của các tín hiệu được dùng để khi chuyển dữ liệu trên cáp từ một máy này đến một máy khác của mạng, kỹ thuật nối

mạch điện, tốc độ cáp truyền dẫn

Tầng vật lý không qui định một ý nghĩa nào cho các tín hiệu

đó ngoài các giá trị nhị phân 0 và 1 Ở các tầng cao hơn của

mô hình OSI ý nghĩa của các bit được truyền ở tầng vật

lý sẽ được xác định

Ví dụ: Tiêu chuẩn Ethernet cho cáp xoắn đôi 10 baseT định

rõ các đặc trưng điện của cáp xoắn đôi, kích thước và dạng của các đầu nối, độ dài tối đa của cáp

Khác với các tầng khác, tầng vật lý là không có gói tin riêng

và do vậy không có phần đầu (header) chứa thông tin điều khiển, dữ liệu được truyền đi theo dòng bit Một giao thức tầng vật lý tồn tại giữa các tầng vật lý để quy định về

phương thức truyền (đồng bộ, phi đồng bộ), tốc độ truyền

2 Các Giao Thức

Các giao thức được xây dựng cho tầng vật lý được phân chia thành phân chia thành hai loại giao thức sử dụng phương thức truyền thông dị bộ (asynchronous) và phương thức truyền thông đồng bộ (synchronous)

Phương thức truyền dị bộ: không có một tín hiệu quy định cho sự đồng bộ giữa các bit giữa máy gửi và máy nhận, trong quá trình gửi tín hiệu máy gửi sử dụng các bit đặc biệt

START và STOP được dùng để tách các xâu bit biểu diễn các ký tự trong dòng dữ liệu cần truyền đi Nó cho phép một

ký tự được truyền đi bất kỳ lúc nào mà không cần quan tâm đến các tín hiệu đồng bộ trước đó

Phương thức truyền đồng bộ: sử dụng phương thức truyền cần có đồng bộ giữa máy gửi và máy nhận, nó chèn các ký

tự đặc biệt như SYN (Synchronization), EOT (End Of

Transmission) hay đơn giản hơn, một cái "cờ " (flag) giữa các dữ liệu của máy gửi để báo hiệu cho máy nhận biết

được dữ liệu đang đến hoặc đã đến

3 Chức Năng

Có 4 chức năng chính của lớp vật lý Các chức năng đó là:

• Định nghĩa của các chi tiết kỹ thuật phần cứng

• Mã hóa và tín hiệu hóa

• Phát và thu dữ liệu

• Thiết kế mạng vật lý và topo mạng

a Các định nghĩa của chi tiết kỹ thuật phần cứng

Mỗi mẩu phần cứng trong một mạng sẽ có rất nhiều các chi tiết kỹ thuật Các chi tiết kỹ thuật này gồm có các thành phần như độ dài lớn nhất của cáp, độ rộng của cáp và sự bảo vệ xuyên nhiễu điện từ thậm chí cả sự linh động

Một lĩnh vực khác nữa của các chi tiết kỹ thuật phần cứng là

các kết nối vật lý Nó gồm có cả hình thù và kích cỡ của các kết nối cũng như số chân và layout nếu thích hợp

b Mã hóa và tín hiệu hóa

Mã hóa và tín hiệu hóa là phần rất quan trọng của lớp vật

lý Quá trình này có thể khá phức tạp Ví dụ, chúng ta hãy xem Ethernet Hầu hết mọi người đều biết rằng tín hiệu

được gửi là “1” và “0” bằng cách sử dụng mức điện áp thấp

và cao tương ứng với hai trạng thái trên Điều này quả thực

có lợi cho một số mục đích dạy học, tuy nhiên nó hoàn toàn không đúng Tín hiệu trên Ethernet được gửi bằng sử dụng

mã hóa Manchester Điều này có nghĩa là “1” và “0” được phát là rise (gò lên) và fall (gò xuống) trong tín hiệu Có thể giải thích như sau:

Nếu bạn gửi các tín hiệu trên một cáp, mức điện áp cao thể hiện “1” và mức điện áp thấp thể hiện “0” thì phía đầu thu cũng sẽ cần biết mẫu tín hiệu đó Điều này được thực hiện bởi một xung tín hiệu clock được phát đi Phương pháp này được gọi là mã Non-return to Zero (NRZ), mã này có một số nhược điểm khá nghiêm trọng Đầu tiên nếu nhóm tín hiệu xung clock với tín hiệu phát đi thì sẽ có hai tín hiệu Nếu bạn không muốn phát tín hiệu clock thì có thể nhóm một clock trong trong một máy nhận nhưng phải gần đồng bộ hoàn hảo với clock phía phát Chúng ta hãy giả định bạn có thể đồng bộ hóa các clock (thường thực hiện rất khó vì tốc độ truyền tải rất lớn) thì vẫn có vấn đề trong việc giữ đồng bộ khi có một khoảng dài các bít giống nhau được phát; nó là các quá độ giúp đồng bộ hóa các clock

Những hạn chế của mã NRZ có thể được khắc phục bằng công nghệ đưa ra vào những năm 40 tại Đại học

Manchester, tại Manchester, Vương quốc Anh Mã

Manchester kết hợp tín hiệu clock với tín hiệu dữ liệu Không những tăng băng tần tín hiệu, nó cũng làm cho việc truyền tải dữ liệu dễ dàng hơn và tin cậy hơn

Tín hiệu được mã hóa Manchester sẽ phát dữ liệu như các góc lên và xuống Góc hiện diện là “1” và “0” cần phải được quyết định trước nhưng cả hai cần phải xem xét các tín hiệu được mã hóa Manchester Các chuẩn Ethernet và IEEE sử dụng góc lên là mức logic “1” Mã Manchester ban đầu sử dụng góc xuống là mức logic “1”

Một tình huống mà bạn có thể nghĩ về nó là nếu cần phát hai tín hiệu “1” trong một hàng thì tín hiệu sẽ đều ở mức điện áp cao và cách nhận diện ra hai tín hiệu này phía đầu thu là khó Điều này hoàn toàn được giải quyết ổn thỏa vì góc lên

và xuống sẽ tương ứng với dữ liệu được phát trong khoảng giữa của đường biên bít; góc của các đường biên bít gồm phát hoặc không, nó đặt tín hiệu vào đúng vị trí cho bit tiếp theo để được phát Kết quả cuối cùng ở phần giữa của mỗi bít là một chuyển đổi, hướng của chuyển đổi sẽ thể hiện “1” hoặc “0” và thời gian của chuyển đổi bằng với chu kỳ của xung clock

Mặc dù có nhiều cơ chế mã hóa khác có thể có nhiều ưu điểm hơn NRZ hoặc Manchester, tuy nhiên với sự đơn giản

và tin cậy thì mã Manchester vãn có được giá trị và vẫn

được sử dụng rộng rãi

c Phát và nhận dữ liệu

Dù môi trường mạng là một cáp điện, cáp quang hoặc sóng

vô tuyến thì vẫn cần phải có thiết bị để truyền phát tín hiệu vật lý Ngược lại, cũng cần có thiết bị để thu nhận các tín

hiệu vật lý đó Trong mạng không dây, việc phát và nhận này được thực hiện bởi các anten có tác dụng phát hoặc nhận các tín hiệu với các tần số được ấn định từ trước với băng tần được đặt trước

Các đường truyền dẫn quang sử dụng thiết bị có thể tạo và nhận các xung ánh sáng, tần số của xung này được sử

dụng để xác định giá trị logic của bit Thiết bị như các

amplifier và repeater hình chung đều được sử dụng trong truyền dẫn quang đường dài, các thiết bị này cũng được nhóm vào lớp vật lý trong mô hình tham chiếu OSI

d Topo mạng và thiết kế mạng vật lý

Topo mạng và thiết kế mạng cũng được nhóm vào lớp vật lý

Dù mạng của bạn là token ring, star, mesh, hoặc hybrid

topology vẫn nằm trong lớp vật lý

Cũng một thành phần được nhóm vào trong lớp vật lý nữa là layout cluster với khả năng có sẵn

Nhìn chung tất cả những thứ bạn cần nhớ ở đây là nếu một mẩu phần cứng không biết dữ liệu đang được truyền tải trên

nó thì nó sẽ được nhóm vào lớp vật lý trong mô hình tham chiếu 7 lớp OSI Trong phần tiếp theo của loạt bài này chúng tôi sẽ giới thiệu cho các bạn về lớp Data link – lớp liên kết

dữ liệu, và giới thiệu sự khác biệt của nó với các lớp khác và phần cứng của nó trong mô hình tham chiếu này

4 Các Chuẩn Giao Diện Vật lý

Tầng Vật lý sử dụng các chuẩn vật lý RS-232; V.92;

X.21…

Trong đó sử dụng phổ biến nhất là chuẩn RS-232.

- Tìm hiểu về chuẩn RS-232:

1 - Tổng quan chuẩn RS232

a) Đặt vấn đề

Vấn đề giao tiếp giữa PC và vi điều khiển rất quan trọng trong các ứng dụng điều khiển, đo lường Ghép nối qua cổng nối tiếp

RS232 là một trong những kỹ thuật được sử dụng rộng rãi để ghép nối các thiết bị ngoại vi với máy tính.Nó là một chuẩn giao tiếp nối tiếp dùng định dạng không đồng bộ, kết nối nhiều nhất là 2 thiết

bị , chiều dài kết nối lớn nhất cho phép để đảm bảo dữ liệu là 12.5 đến 25.4m, tốc độ 20kbit/s đôi khi là tốc độ 115kbit/s với một số thiết bị đặc biệt Ý nghĩa của chuẩn truyền thông nối tiếp nghĩa là trong một thời điểm chỉ có một bit được gửi đi dọc theo đường truyền

Có hia phiên bản RS232 được lưu hành trong thời gian tương đối dài là RS232B và RS232C Nhưng cho đến nay thì phiên bản

RS232B cũ thì ít được dùng còn RS232C hiện vẫn được dùng và tồn tại thường được gọi là tên ngẵn gọn là chuẩn RS232

Các máy tính thường có 1 hoặc 2 cổng nối tiếp theo chuẩn RS232C được gọi là cổng Com Chúng được dùng ghép nối cho chuột, modem, thiết bị đo lường Trên main máy tính có loại 9 chân hoặc lại 25 chân tùy vào đời máy và main của máy tính Việc thiết kế giao tiếp với cổng RS232 cũng tương đối dễ dàng, đặc biệt khi chọn chế độ hoạt động là không đồng bộ và tốc độ truyền dữ liệu thấp

b) Ưu điểm của giao diện nối tiếp RS232

+ Khả năng chống nhiễu của các cổng nối tiếp cao

+ Thiết bị ngoại vi có thể tháo lắp ngay cả khi máy tính đang được cấp điện

+ Các mạch điện đơn giản có thể nhận được điện áp nguồn nuôi qua công nối tiếp

c) Những đặc điểm cần lưu ý trong chuẩn RS232

+ Trong chuẩn RS232 có mức giới hạn trên và dưới (logic 0 và 1)

là +-12V Hiện nay đang được cố định trở kháng tải trong phạm vi

từ 3000 ôm - 7000 ôm

+ Mức logic 1 có điện áp nằm trong khoảng -3V đến -12V, mức logic 0 từ +-3V đến 12V

+ Tốc độ truyền nhận dữ liệu cực đại là 100kbps ( ngày nay có thể lớn hơn)

+ Các lối vào phải có điện dung nhỏ hơn 2500pF

+ Trở kháng tải phải lớn hơn 3000 ôm nhưng phải nhỏ hơn 7000 ôm

+ Độ dài của cáp nối giữa máy tính và thiết bị ngoại vi ghép nối qua cổng nối tiếp RS232 không vượt qua 15m nếu chúng ta không

sử model

+ Các giá trị tốc độ truyền dữ liệu chuẩn :

50,75,110,750,300,600,1200,2400,4800,9600,19200,28800,38400 56600,115200 bps

d) Các mức điện áp đường truyền

RS 232 sử dụng phương thức truyền thông không đối xứng, tức là

sử dụng tín hiệu điện áp chênh lệch giữa một dây dẫn và đất Do

đó ngay từ đầu tiên ra đời nó đã mang vẻ lỗi thời của chuẩn TTL,

nó vấn sử dụng các mức điện áp tương thích TTL để mô tả các mức logic 0 và 1 Ngoài mức điện áp tiêu chuẩn cũng cố định các giá trị trở kháng tải được đấu vào bus của bộ phận và các trở kháng

ra của bộ phát

Mức điện áp của tiêu chuẩn RS232C ( chuẩn thường dùng bây giờ) được mô tả như sau:

+ Mức logic 0 : +3V , +12V

+ Mức logic 1 : -12V, -3V

Các mức điện áp trong phạm vi từ -3V đến 3V là trạng thái chuyển tuyến Chính vì từ - 3V tới 3V là phạm vi không được định nghĩa, trong trường hợp thay đổi giá trị logic từ thấp lên cao hoặc từ cao xuống thấp, một tín hiệu phải vượt qua quãng quá độ trong một

thơì gian ngắn hợp lý Điều này dẫn đến việc phải hạn chế về điện dung của các thiết bị tham gia và của cả đường truyền Tốc độ truyền dẫn tối đa phụ thuộc vào chiều dài của dây dẫn Đa số các

hệ thống hiện nay chỉ hỗ trợ với tốc độ 19,2 kBd

e) Cổng RS232 trên PC

Hầu hết các máy tính cá nhân hiện nay đều được trang bị ít nhất là

1 cổng Com hay cổng nối tiếp RS232 Số lượng cổng Com có thể lên tới 4 tùy từng loại main máy tính Khi đó các cổng Com đó được đánh dấu là Com 1, Com 2, Com 3 Trên đó có 2 loại đầu nối được sử dụng cho cổng nối tiếp RS232 loại 9 chân (DB9) hoặc

25 chân (DB25) Tuy hai loại đầu nối này có cùng song song

nhưng hai loại đầu nối này được phân biệt bởi cổng đực (DB9) và cổng cái (DB25)

Ta xét sơ đồ chân cổng Com 9 chân:

Trên là các kí hiệu chân và hình dạng của cổng DB9

Chức năng của các chân như sau:

+ chân 1 : Data Carrier Detect (DCD) : Phát tín hiệu mang dữ liệu + chân 2: Receive Data (RxD) : Nhận dữ liệu

+ chân 3 : Transmit Data (TxD) : Truyền dữ liệu

+ chân 4 : Data Termial Ready (DTR) : Đầu cuối dữ liệu sẵn sàng được kích hoạt bởi bộ phận khi muốn truyền dữ liệu

+ chân 5 : Singal Ground ( SG) : Mass của tín hiệu

+ chân 6 : Data Set Ready (DSR) : Dữ liệu sẵn sàng, được kích hoạt bởi bộ truyền khi nó sẵn sàng nhận dữ liệu

+ chân 7 : Request to Send : yêu cầu gửi,bô truyền đặt đường này lên mức hoạt động khi sẵn sàng truyền dữ liệu

+ chân 8 : Clear To Send (CTS) : Xóa để gửi ,bô nhận đặt đường này lên mức kích hoạt động để thông báo cho bộ truyền là nó sẵn sàng nhận tín hiệu

+ chân 9 : Ring Indicate (RI) : Báo chuông cho biết là bộ nhận đang nhận tín hiệu rung chuông

Còn DB28 bây giờ hầu hết các main mới ra đều không có cổng này nữa Nên tôi không đề cập đến ở đây

f) Quá trình dữ liệu

a) Quá trình truyền dữ liệu

Truyền dữ liệu qua cổng nối tiếp RS232 được thực hiện không đồng bộ Do vậy nên tại một thời điểm chỉ có một bit được truyền (1 kí tự) Bộ truyền gửi một bit bắt đầu (bit start) để thông báo cho

bộ nhận biết một kí tự sẽ được gửi đến trong lần truyền bit tiếp the Bit này luôn bắt đầu bằng mức 0 Tiếp theo đó là các bit dữ liệu (bits data) được gửi dưới dạng mã ASCII( có thể là 5,6,7 hay 8 bit dữ liệu) Sau đó là một Parity bit ( Kiểm tra bit chẵn, lẻ hay không) và cuối cùng là bit dừng - bit stop có thể là 1, 1,5 hay 2 bit dừng

b) Tốc độ Baud

Đây là một tham số đặc trưng của RS232 Tham số này chính là đặc trưng cho quá trình truyền dữ liệu qua cổng nối tiếp RS232 là tốc độ truyền nhận dữ liệu hay còn gọi là tốc độ bit Tốc độ bit được định nghĩa là số bit truyền được trong thời gian 1 giây hay số bit truyền được trong thời gian 1 giây Tốc độ bit này phải được thiết lập ở bên phát và bên nhận đều phải có tốc độ như nhau ( Tốc

độ giữa vi điều khiển và máy tính phải chung nhau 1 tốc độ truyền bit)

Ngoài tốc độ bit còn một tham số để mô tả tốc độ truyền là tốc độ Baud Tốc độ Baud liên quan đến tốc độ mà phần tử mã hóa dữ liệu được sử dụng để diễn tả bit được truyền còn tôc độ bit thì phản ánh tốc độ thực tế mà các bit được truyền.Vì một phần tử báo hiệu

sự mã hóa một bit nên khi đó hai tốc độ bit và tốc độ baud là phải đồng nhất