C phát hiện xung đột, hủy bỏ bức đIện hờ một thời gian ngẫu nhiên và lặp lạ
2.5 Bảo toàn dữ liệu
2.5.1 Đặt vấn đề
Bảo toàn dữ liệu là phương phỏp sử dụng xử lý giao thức để phỏt hiện và khắc phục lỗi, trong đú phỏt hiện lỗi đúng vai trũ hàng đầu. Khi đó phỏt hiện được lỗi, cú thể cú cỏch khụi phục dữ liệu, hay biện phỏp đơn giản hơn là yờu cầu gửi lại dữ liệu. Cỏc phương phỏp bảo toàn dữ liệu thụng dụng là:
• Parity bit 1 chiều và 2 chiều
• CRC (Cyclic Redundancy Check)
• Nhồi bit (Bit stuffing).
Nguyờn lý cơ bản
Nhiệm vụ bảo toàn dữ liệu là một cú thể sắp xếp thuộc lớp 2 (lớp liờn kết dữ liệu) trong mụ hỡnh qui chiếu OSI. Trong quỏ trỡnh mó húa nguồn, bờn gửi bổ sung một số thụng tin phụ trợ, được tớnh theo một thuật toỏn qui ước vào bức điện cần gửi đi. Dựa vào thụng tin bổ trợ này mà bờn nhận cú thể kiểm soỏt và phỏt hiện ra lỗi trong dữ liệu nhận được (giải mó).
Chỳ ý rằng kể cả thụng tin nguồn và thụng tin phụ trợ đều cú thể bị lỗi, nờn phải cõn nhắc quan hệ giữa lượng thụng tin nguồn và lượng thụng tin phụ trợ, nếu khụng một phương phỏp bảo toàn dữ liệu sẽ khụng đạt được mong muốn về độ tin cậy của dữ liệu, thậm chớ cú thể sẽ phản tỏc dụng. Trước khi phõn tớch, đỏnh giỏ tỏc dụng của cỏc phương phỏp bảo toàn dữ liệu, cần đưa ra một số định nghĩa như dưới đõy.
Tỉ lệ bit lỗi
Tỉ lệ bit lỗi p là thước đo đặc trưng cho độ nhiễu của kờnh truyền dẫn, được tớnh bằng
tỉ lệ giữa số bit bị lỗi trờn tổng số bit được truyền đi. Núi một cỏch khỏc, tỉ lệ bit lỗi chớnh là xỏc suất một bit truyền đi bị lỗi. Lưu ý rằng, tỉ lệ bit lỗi xấu nhất khụng phải là 1, mà là 0,5. Trong trường hợp p = 1, tức là bất cứ bit nào truyền đi cũng bị sai lệch, ta chỉ việc đảo lại tất cả cỏc bit để khụi phục lại dữ liệu. Khi p = 0,5 tức xỏc suất cứ hai bit truyền đi lại cú một bit bị lỗi thỡ đường truyền này hoàn toàn khụng sử dụng được, bởi theo lý thuyết thụng tin thỡ khụng thể cú một phương phỏp bảo toàn dữ liệu nào cú thể ỏp dụng tin cậy, cú hiệu quả. Trong kỹ thuật, p = 10-4 là một giỏ trị thường chấp nhận
được. Một đường truyền cú tỉ lệ bit lỗi như vậy cú thể thực hiện được tương đối dễ
dàng.
Tỉ lệ lỗi cũn lại
Tỉ lệ lỗi cũn lại R là thụng số đặc trưng cho độ tin cậy dữ liệu của một hệ thống
truyền thụng, sau khi đó thực hiện cỏc biện phỏp bảo toàn (kể cả truyền lại trong trường hợp phỏt hiện ra lỗi). Tỉ lệ lỗi cũn lại được tớnh bằng tỉ lệ giữa số bức điện cũn bị lỗi khụng phỏt hiện được trờn tổng số bức điện đó được truyền. Đương nhiờn, giỏ trị này khụng những phụ thuộc vào tỉ lệ bit lỗi và phương phỏp bảo toàn dữ liệu mà cũn phụ
thuộc vào chiều dài trung bỡnh của cỏc bức điện. Một bức điện càng dài thỡ xỏc suất lỗi càng lớn.
Thời gian trung bỡnh giữa hai lần lỗi
Tỉ lệ lỗi cũn lại là một thụng số tương đối khú hỡnh dung, vỡ vậy trong thực tế người ta hay xột tới thời gian trung bỡnh giữa hai lần lỗi TMTBF (MTBF = Mean Time Between
Failures). Thụng số này cú liờn quan chặt chẽ tới giỏ trị tỉ lệ lỗi cũn lại: TMTBF = n/(v*R),
với n là chiều dài bức điện tớnh bằng bit và v là tốc độ truyền tớnh bằng bit/s. Giả sử một bức điện cú chiều dài n = 100 bit được truyền liờn tục với tốc độ 1200 bit/s, quan hệ giữa tỉ lệ bit lỗi và thời gian trung bỡnh giữa hai lần lỗi sẽ được thể hiện như sau:
R TMTBF
10-6 1 ngày
10-10 26 năm
10-14 260 000 năm
Khoảng cỏch Hamming (Hamming Distance, HD)
Khoảng cỏch Hamming (gọi theo nhà khoa học Mỹ R.W. Hamming) là thụng số đặc trưng cho độ bền vững của một mó dữ liệu, hay núi cỏch khỏc chớnh là khả năng phỏt hiện lỗi của một phương phỏp bảo toàn dữ liệu. HD cú giỏ trị bằng số lượng bit lỗi tối thiểu mà khụng đảm bảo chắc chắn phỏt hiện được trong một bức điện. Nếu trong một bức điện chỉ cú thể phỏt hiện một cỏch chắc chắn k bit bị lỗi, thỡ HD = k+1. Vớ dụ, nếu một lỗi duy nhất cú thể phỏt hiện được một cỏch chắc chắn (như trong phương phỏp dựng parity bit 1 chiều), thỡ khoảng cỏch Hamming là 2. Đõy là giỏ trị tối thiểu mà một phương phỏp truyền đũi hỏi. Cỏc hệ thống bus trường thụng dụng thường cú khoảng
cỏch Hamming là 4, cỏc hệ thống đạt độ tin cậy rất cao với HD = 6.
Theo lý thuyết thụng tin thỡ số lượng bit lỗi chắc chắn phỏt hiện được khụng bao giờ lớn hơn lượng thụng tin phụ trợ dựng để kiểm lỗi. Đương nhiờn, muốn đạt được giỏ trị HD lớn thỡ phải tăng lượng thụng tin phụ trợ, nhưng ta cũng chỳ ý khớa cạnh phản tỏc dụng của thụng tin phục trợ đó được nhắc tới - khi mà thụng tin phụ trợ cũng cú thể bị lỗi.
Hiệu suất truyền dữ liệu
Hiệu suất truyền dữ liệu E là một thụng số đặc trưng cho việc sử dụng hiệu quả cỏc bức điện phục vụ chức năng bảo toàn dữ liệu, được tớnh bằng tỉ lệ số bit mang thụng tin nguồn (bit dữ liệu) khụng bị lỗi trờn toàn bộ số bit được truyền. Ta cú:
E = m (1-p)n/n
m - Số lượng bit dữ liệu trong mỗi bức điện
n - Chiều dài bức điện
p - Tỉ lệ bit lỗi
m = 8 bit
n = 11 bit (1 bit đầu + 8 bit dữ liệu + 1 bit chẵn lẻ+ 1 bit cuối) p = 10-3
Hiệu suất truyền dữ liệu E = 0,72.
Vớ dụ 2:
m = 8 bit
n = 24 bit (4 bit đầu + 8 bit dữ liệu + 8 bit CRC + 4 bit cuối) p = 10-3
Hiệu suất truyền dữ liệu E = 0,325.
Vớ dụ 3:
m = 8 bit
n = 19 bit (4 start bit + 8 bit dữ liệu + 3 bit CRC + 4 stop bit) p = 10-3
Hiệu suất truyền dữ liệu E = 0,413.
Rừ ràng, việc tăng lượng thụng tin phụ trợ ở một chừng mực nào đú cú thể tăng độ tin cậy cho dữ liệu, song hiệu quả truyền dữ liệu vỡ thế cũng giảm đi. Như đó bàn, nếu tỉ lệ bit lỗi p = 0,5 thỡ bức điện nhận được hoàn toàn khụng cú giỏ trị. Điều đú cú nghĩa là, số lượng bit kiểm lỗi khụng bao giờ cần thiết phải bằng hoặc lớn hơn một nửa số bit dữ liệu. So sỏnh vớ dụ 2 và vớ dụ 3, ta sẽ thấy sự lựa chọn 3 bit thụng tin kiểm lỗi ở vớ dụ 3
đỳng đắn hơn trờn cả phương diện hiệu quả truyền dữ liệu và độ tin cậy dữ liệu.