C phát hiện xung đột, hủy bỏ bức đIện hờ một thời gian ngẫu nhiên và lặp lạ
Chương 3: Cỏc thành phần hệ thống mạng
Chương này giới thiệu cỏc thành phần cơ bản trong một hệ thống mạng truyền thụng cụng nghiệp như phương tiện truyền dẫn, phần cứng và phần mềm giao diện mạng, thiết bị liờn kết mạng và cỏc linh kiện mạng khỏc.
3.1 Phương tiện truyền dẫn
Mụi trường truyền dẫn hay phương tiện truyền dẫn ảnh hưởng lớn tới chất lượng tớn hiệu, tới độ bền vững của tớn hiệu với nhiễu bờn ngoài và tớnh tương thớch điện từ của hệ thống truyền thụng. Tốc độ truyền và khoảng cỏch truyền dẫn tối đa cho phộp cũng phụ thuộc vào sự lựa chọn phương tiện truyền dẫn. Ngoài cỏc đặc tớnh kỹ thuật, cỏc phương tiện truyền dẫn cũn khỏc nhau ở mức độ tiện lợi sử dụng (lắp đặt, đấu dõy) và giỏ thành. Bờn cạnh chuẩn truyền dẫn, mỗi hệ thống bus đều cú qui định chặt chẽ về chủng loại và cỏc chỉ tiờu chất lượng của mụi trường truyền dẫn được phộp sử dụng. Tuy nhiờn, trong khi qui định về chuẩn truyền dẫn thuộc lớp vật lý thỡ mụi trường truyền dẫn lại nằm ngoài phạm vi đề cập của mụ hỡnh qui chiếu OSI.
Nếu khụng xột tới cỏc đặc điểm riờng biệt của từng hệ thống mạng cụ thể (vớ dụ
phương phỏp truy nhập bus), tốc độ truyền tối đa của một kờnh truyền dẫn phụ thuộc vào (độ rộng) băng thụng của kờnh truyền. Đối với mụi trường khụng cú nhiễu, theo
thuyết Nyquist thỡ:
Tốc độ bit tối đa (bits/s) = 2H log2 X,
trong đú H là băng thụng của kờnh truyền và X là số mức trạng thỏi tớn hiệu được sử dụng trong mó húa bit. Đối với cỏc hệ thống mạng truyền thụng cụng nghiệp sử dụng tớn hiệu nhị phõn, ta cú X = 2 và tốc độ bit (tớnh bằng bit/s) sẽ khụng bao giờ vượt quỏ hai lần độ rộng băng thụng.
Bờn cạnh sự hạn chế bởi băng thụng của kờnh truyền dẫn, tốc độ truyền tối đa thực tế cũn bị giảm đỏng kể bởi tỏc động của nhiễu. Shannon đó chỉ ra rằng, tốc độ truyền bit
tối đa của một kờnh truyền dẫn cú băng thụng H (Hz) và tỉ lệ tớn hiệu-nhiễu S/N (signal-
to-noise ratio) được tớnh theo cụng thức:
Tốc độ bit tối đa (bits/s) = H log2 (1+S/N)
Từ cỏc phõn tớch trờn đõy, ta cú thể thấy rằng độ rộng băng thụng và khả năng khỏng nhiễu là hai yếu tố quyết định tới chất lượng của đường truyền. Bờn cạnh đú, khoảng
cỏch truyền tối đa phụ thuộc vào độ suy giảm của tớn hiệu trờn đường truyền.
Trong kỹ thuật truyền thụng núi chung cũng như truyền thụng cụng nghiệp núi riờng, người ta sử dụng cỏc phương tiện truyền dẫn sau:
• Cỏp quang: Cỏp sợi thủy tinh (đa chế độ, đơn chế độ), sợi chất dẻo
• Vụ tuyến: Súng truyền thanh (radio AM, FM), súng truyền hỡnh (TV), vi súng (microwave), tia hồng ngoại (UV).
Dải tần của một số phương tiện truyền dẫn tiờu biểu được mụ tả trờn Hỡnh 3.1.
Hỡnh 3.1: Dải tần của cỏc phương tiện truyền dẫn tiờu biểu
Loại cỏp điện phổ biến nhất trong cỏc hệ bus trường là đụi dõy xoắn. Đối với cỏc ứng dụng cú yờu cầu cao về tốc độ truyền và độ bền với nhiễu thỡ cỏp đồng trục là sự lựa chọn tốt hơn. Cỏp quang cũng được sử dụng rộng rói trong cỏc ứng dụng cú phạm vi địa lý rộng, mụi trường xung quanh nhiễu mạnh hoặc dễ xõm thực, hoặc cú yờu cầu cao về
độ tin cậy cũng như tốc độ truyền dữ liệu.
3.1.1 Đụi dõy xoắn
Đụi dõy xoắn (Twisted Pair) là một phỏt minh của A. Grahm Bell vào năm 1881 và
từ đú trở thành phương tiện kinh điển trong cụng nghiệp điện thoại. Một đụi dõy xoắn bao gồm hai sợi dõy đồng được quấn cỏch ly ụm vào nhau. Tỏc dụng thứ nhất của việc quấn dõy là trường điện từ của hai dõy sẽ trung hũa lẫn nhau, như Hỡnh 3.2 minh họa, vỡ thế nhiễu xạ ra mụi trường xung quanh cũng như tạp nhiễu do xuyờn õm sẽ được giảm thiểu. Hiện tượng nhiễu xuyờn õm (crosstalk) xuất hiện do sự giao thoa trường điện từ của chớnh hai dõy dẫn. Khỏi niệm xuyờn õm cú nguồn gốc ở kỹ thuật điện thoại, chỉ sự chồng chộo làm mộo tiếng núi do tỏc động qua lại giữa hai dõy dẫn. Nếu kớch thước, độ xoắn của đụi dõy được thiết kế, tớnh toỏn phự hợp, trường điện từ do chỳng gõy ra sẽ tự triệt tiờu lẫn nhau và hầu như khụng làm ảnh hưởng tới chất lượng tớn hiệu.
Hỡnh 3.2: Đụi dõy xoắn và tỏc dụng trung hũa trường điện từ
f(Hz) 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016
Dải tần LF MF HF VHF UHF SHF EHF THF
Đụi dõy xoắn Vệ tinh Sợi quang
Cỏp đồng trục
AM radio FM radio
TV
Vi súng
Trong cỏc hệ thống truyền thụng cụng nghiệp, đụi dõy xoắn thường được sử dụng đi kốm với chuẩn RS-485. Che chắn đường truyền đối với RS-485 khụng phải bao giờ
cũng bắt buộc, tựy theo đũi hỏi về chất lượng đường truyền và tớnh tương thớch điện từ trong từng lĩnh vực ứng dụng khỏc nhau. Cỏc lớp bọc lút, che chắn sẽ giảm tỏc động của nhiễu bờn ngoài đến tớn hiệu truyền dẫn, đồng thời hạn chế nhiễu xạ từ chớnh đường
truyền ra mụi trường xung quanh. Một cỏp dẫn thường bao gồm nhiều đụi dõy xoắn,
trường hợp phổ biến là hai đụi dõy. Cũng cú chuẩn LAN như IEEE 802.12 qui định sử dụng bốn đụi dõy. Tựy theo cỏch che chắn mà người ta phõn biệt hai loại cỏp dẫn:
Shielded Twisted Pair (STP) và Unshielded Twisted Pair (UTP). Sự khỏc nhau giữa
STP và UTP ở chỗ, ngoài vỏ bọc chung bờn ngoài của cả cỏp thỡ STP cũn cú thờm một lớp che chắn riờng cho từng đụi dõy, như thấy trờn Hỡnh 3.3.
Điện trở đặc tớnh của STP và UTP thường là 120Ω. Đặc điểm của STP là khả năng
chống tỏc động nhiễu từ bờn ngoài cao hơn nhiều so với UTP, trong khi bản thõn STP cũng tỏa ớt nhiễu hơn ra mụi trường xung quanh. Nhỡn chung, đối với cỏc hệ thống bus trường với chuẩn truyền dẫn RS-485 thỡ STP được sử dụng phổ biến nhất. Cũng chớnh vỡ khả năng khỏng nhiễu tốt mà STP cho phộp truyền với tốc độ tương đối cao
(1..10Mbit/s).
a) STP b) UTP
Hỡnh 3.3: Hai kiểu cỏp đụi dõy xoắn - STP và UTP
Tựy theo chất lượng của cỏp truyền, chiều dài dõy dẫn tối đa khụng dựng bộ lặp cú thể tới 3000m. Tuy nhiờn, một phương thức truyền khụng cho phộp đạt được cả tốc độ
truyền tối đa và chiều dài tối đa cựng một lỳc. Vớ dụ, để đạt được tốc độ truyền tối đa thỡ chiều dài dõy dẫn khụng được lớn hơn 100m. Bảng 3.1 liệt kờ một số kiểu cỏp theo qui chuẩn AWG (American Wire Gauge).
Bảng 3.1: Một số kiểu cỏp STP theo qui chuẩn AWG
AWG 28 26 24 22 20
Tiết diện dõy (mm2) 0.08 0.13 0.2 0.32 0.50
Đường kớnh dõy (mm) 0.32 0.40 0.51 0.64 0.80
Điện trở ΔR (Ω/m) 0.436 0.280 0.178 0.106 0.070
Chất lượng truyền của STP tốt hơn luụn đi đụi với giỏ thành cao hơn. Vỡ vậy ở
khoảng cỏch truyền dẫn ngắn hoặc trong cỏc điều kiện ớt cú tỏc động nhiễu bờn ngoài, UTP cũng được sử dụng. Do dải tần bị hạn chế và nhạy cảm với nhiễu, tốc độ truyền sử dụng UTP trong cỏc hệ thống mạng truyền thụng cụng nghiệp thường bị hạn chế ở mức 167 kbit/s, cũng như chiều dài đường truyền tối đa khụng dựng bộ lặp là 200m.
Tuy tốc độ truyền của cỏc loại cỏp đụi dõy xoắn khụng cao lắm, nhưng ưu điểm của nú là giỏ thành hợp lý và dễ lắp đặt, nối dõy. Vỡ vậy ứng dụng chủ yếu của chỳng là ở cấp trường, cú thể sử dụng trong hầu hết cỏc hệ thống bus trường. Trờn Hỡnh 3.4 là một vớ dụ cỏp đụi dõy xoắn kiểu STP, sản phẩm của hóng Siemens được dựng trong mạng MPI và PROFIBUS. Tốc độ truyền tối đa cho phộp ở đõy là 12MBit/s.
Hỡnh 3.4: Cỏp đụi dõy xoắn STP
(Siemens)
Đến nay, cỏp đụi dõy xoắn cũng được thiết kế, chế tạo với nhiều cải tiến khỏc nhau.
Tựy theo kiểu cỏch và chất lượng của sản phẩm, người ta cũng chia thành cỏc hạng từ 1- 5. Loại cỏp dựng trong cụng nghiệp điện thoại hoặc trong mạng thường thuộc hạng 3, cho phộp truyền tới tốc độ 12Mbit/s. Hạng 5 cho phộp truyền tới tốc độ 100Mbit/s, được dựng trong Fast Ethernet (100BASE-TX). Chuẩn IEC 61158 cũng đưa ra 4 loại đụi dõy xoắn xếp hạng từ A tới D với chất lượng cao nhất thuộc hạng A.
3.1.2 Cỏp đồng trục
Một loại cỏp truyền thụng dụng khỏc là cỏp đồng trục (coaxial cable hay coax). Như trờn Hỡnh 3.5 minh họa, một cỏp đồng trục bao gồm một dõy lừi bờn trong và một dõy (kiểu ống) bao bọc phớa ngoài, được ngăn cỏch bởi một lớp cỏch ly (điện mụi). Cũng như đụi dõy xoắn, chất liệu được sử dụng cho dõy dẫn ở đõy là đồng. Lớp cỏch ly
thường là polyethylen (PE), trong khi vỏ bọc là nhựa PVC. Vỏ bọc (PVC)
Lớp dẫn ngoài (Cu) Dây dẫn lõi (Cu) Lớp cách ly (PE)
Hỡnh 3.5: Cấu tạo cỏp đồng trục
Cỏp đồng trục thớch hợp cho cả truyền tớn hiệu tương tự và tớn hiệu số. Người ta phõn biệt hai loại cấp đồng trục là cỏp dải cơ sở (baseband coax) và cỏp dải rộng (broadband
coax). Loại thứ nhất cú trở đặc tớnh là 50Ω, được sử dụng rộng rói trong truyền dữ liệu,
trong khi loại thứ hai cú trở đặc tớnh 75Ω, thường được sử dụng là mụi trường truyền tớn hiệu tương tự. Phạm vi ứng dụng cổ điển của cỏp đồng trục chớnh là trong cỏc hệ thống cỏp truyền hỡnh.
Nhờ cấu trỳc đặc biệt cũng như tỏc dụng của lớp dẫn ngoài, cỏc điện trường và từ trường được giữ gần như hoàn toàn bờn trong một cỏp đồng trục. Chớnh vỡ vậy hiện
mặt2 cũng làm giảm sự tổn hao trờn đường truyền khi sử dụng cỏp truyền cú đường kớnh lớn. Hỡnh 3.6 biểu thị sự suy giảm đường truyền giữa cỏp đồng trục so sỏnh với đụi dõy xoắn. Về đặc tớnh động học, cỏp đồng trục cú dải tần lớn hơn đụi dõy xoắn nờn việc tăng tần số nhịp để nõng tốc độ truyền cũng dễ thực hiện hơn. Tốc độ truyền tối đa cho phộp cú thể tới 1-2 Gbit/s. Với tốc độ thấp, khoảng cỏch truyền cú thể tới vài nghỡn một mà
khụng cần bộ lặp. Tuy nhiờn, bờn cạnh giỏ thành cao hơn đụi dõy xoắn thỡ việc lắp đặt,
đấu dõy phức tạp cũng là một nhược điểm của chỳng. Vỡ vậy trong truyền thụng cụng
nghiệp, cỏp đồng trục chủ yếu được dựng ở cỏc cấp trờn (bus hệ thống, bus xớ nghiệp) như ControlNet và Ethernet.
110 10 100 1 10 100 1000 Tần số (MHz) Su y g iảm (d B/ 100m) STP Coax
Hỡnh 3.6: Suy giảm đường truyền của đụi dõy xoắn và cỏp đồng trục
3.1.3 Cỏp quang
Cỏp quang được sử dụng trong cỏc lĩnh vực ứng dụng đũi hỏi tốc độ truyền tải rất
cao, phạm vi truyền dẫn lớn hoặc trong cỏc mụi trường làm việc chịu tỏc động mạnh của nhiễu. Với kỹ thuật tiờn tiến hiện nay, cỏc loại cỏp quang cú thể đạt tới tốc độ truyền
20Gbit/s. Cỏc hệ thống được lắp đặt thụng thường cú tốc độ truyền khoảng vài Gbit/s. Sự suy giảm tớn hiệu ở đõy rất nhỏ, vỡ vậy chiều dài cỏp dẫn cú thể tới hàng chục, thậm chớ hàng trăm kilomột mà khụng cần một bộ lặp hay một bộ khuếch đại tớn hiệu.
Một ưu điểm lớn của cỏp quang là tớnh năng khỏng nhiễu cũng như tớnh tương thớch
điện-từ. Cỏp quang khụng chịu tỏc động của nhiễu ngoại cảnh như trường điện từ, súng
vụ tuyến. Ngược lại, bản thõn cỏp quang cũng hầu như khụng bức xạ nhiễu ra mụi trường xung quanh, vỡ thế khụng ảnh hưởng tới hoạt động của cỏc thiết bị khỏc. Bờn cạnh đú, sử dụng cỏp quang cũng nõng cao độ bảo mật của thụng tin được truyền. Thực tế rất khú cú thể gắn bớ mật cỏc thiết bị nghe trộm đường truyền mà khụng gõy ra sụt
giảm tớn hiệu một cỏch đột ngột. Với cỏc thiết bị kỹ thuật đặc biệt người ta cú thể dễ dàng xỏc định được vị trớ bị can thiệp.
Nguyờn tắc làm việc của cỏp quang dựa trờn hiện tượng phản xạ toàn phần của ỏnh sỏng tại bề mặt tiếp xỳc giữa hai vật liệu cú hệ số khỳc xạ n1 và n2 khỏc nhau thỏa món
điều kiện: