Đường truyền vật lý dùng để chuyển các tín hiệu điện giữa các máy tính, giữa các thiết bị tự động hoá hay giữa các thiết bị trong mạng với nhau. Các tín hiệu điện đó biểu diễn các giá trị dữ liệu dưới dạng các xung nhị phân (on-off). Tất cả các tín hiệu được truyền đều thuộc một dạng sóng điện từ nào đó. Mỗi loại sóng điện từ có những thiết bị phương tiện truyền dẫn riêng.
Khi xem xét lựa chọn đường truyền vật lý cần chú ý tới các đặc trưng cơ bản: dải thông (band width), độ suy giảm và nhiễu.
Dải thông của một đường truyền chính là phạm vi tần số mà nó có thể đáp ứng được ( dải thông của cáp truyền phụ thuộc vào độ dài cỏp. Cỏp ngắn nói chung có thể dải thông lớn hơn so với cáp dài. Bởi vậy khi thiết kế cáp cho mạng phải chỉ rõ độ dài chạy cáp tối đa, vì ngoài giới hạn đó chất lượng truyền tín hiệu không còn được đảm bảo).
Độ suy giảm là độ đo sự yếu đi của tín hiệu trên đường truyền. Nó cũng phụ thuộc vào độ dài cáp.
Nhiễu gây bởi tiếng ồn điện từ bên ngoài làm ảnh hưởng đến tín hiệu trên đường truyền.
2.2.2. Cấu trúc của mạng (Topology):
Kiến trúc mạng (Network Architecture) thể hiện cỏch cỏc máy tính, các thiết bị tự động nối với nhau ra sao và tập hợp các quy tắc, các quy ước mà tất cả các thực thể tham gia truyền thông trên mạng phải tuân theo để đảm bảo cho mạng hoạt động tốt. Cách nối này gọi là cấu trỳc(topolopy) của mạng ( gọi là tụpụ của mạng).
Có hai kiểu nối mạng chủ yếu là điểm-điểm (point-to-point) và quảng bá (point-to-multipoint):
- Nếu một mạng chỉ gồm hai nút được nối trực tiếp với nhau thì được gọi là mạng có cấu trúc điểm - điểm (point to point structure). Theo kiểu điểm - điểm thì các đường truyền nối với nhau và mỗi nút đều có trách nhiệm lưu trữ tạm thời sau đó chuyển tiếp dữ liệu đi cho tới đích.
- Nếu một mạng gồm nhiều nút, liên kết với nhau theo kiểu quảng bá ( Cấu trúc kiểu đường thẳng, vòng, hình sao, hình cây) thì tất cả cỏc nỳt cú chung một đường truyền vật lý. Dữ liệu được gửi đi từ một nút nào đó sẽ có thể được tiếp nhận
bởi tất cả cỏc nỳt còn lại nên chỉ cần chỉ ra địa chỉ đích của dữ liệu để mỗi nút căn cứ vào đó để kiểm tra xem dữ liệu có phải dành cho mỡnh khụng.
Tương ứng với các dạng liên kết, cú cỏc dạng cấu trúc mạng cơ bản sau:
2.2.2.1. Cấu trúc bus
Cấu trúc kiểu đường thẳng là kiểu cấu trúc đơn giản nhất, cấu trúc này còn có tên là cấu trúc kiểu đường dẫn (bus structure), mặc dù không phải đường dẫn nào cũng là cấu trúc đường thẳng. Tất cả các thành viên trong mạng đều phải có một điểm ghép nối vào mạng. Nó có thể nối thông qua một đường dẫn ngắn để đến điểm dẫn chính. Trong mạng này, nguyên tắc truyền thông được thực hiện như sau: ở tại một thời điểm nhất định chỉ có một thành viên trong mạng được truyền dữ liệu, cũn cỏc thành viên khác chỉ có quyền nhận, tín hiệu được truyền cả hai chiều của bus. Đối với các bus một chiều thì tín hiệu chỉ đi về một phía. Lúc đó các Terminator (thiết bị đầu cuối) phải được thiết kế sao cho các tín hiệu phải được dội lại trên bus để có thể đến được các thành viên trong mạng. Điều này là cần thiết để trỏnh cỏc xung đột trên đường dẫn. Đõy chớnh là các phương pháp truyền thông kiểu bus. Phương pháp này cũng được sử dụng cho cấu trúc mạng tiếp theo.
Trong dạng bus tất cả các thành viên phân chia chung một đường truyền chính (bus). Đường truyền chính này được giới hạn bởi một loại đầu nối đặc biệt gọi là Terminator. Mỗi thành viên được nối vào bus qua một đầu nối chữ T ( T- connector) hoặc một bộ thu phát (Transceiver). Trong tụpụ mạng dạng bus, dữ liệu được truyền dựa vào liên kết điểm - nhiều điểm ( point-to- multipoin).
Trong cỏc tụpụ dạng bus, cần có một cơ chế “trọng tài” để giải quyết “xung đột” khi nhiều nút muốn truyền tin cùng một lúc. Việc cấp phát đường truyền có thể là “tĩnh” hoặc “động”. Cấp phát tĩnh thường dùng cơ chế quay vòng để phân chia đường
truyền theo các khoảng thời gian định trước, còn cấp phát động là cấp phát theo yêu cầu để hạn chế thời gian “chết” vô ích trên đường truyền.
Hình 2.2: Cấu trúc dạng bus 2.2.2.2.Cấu trúc mạch vòng
Cấu trúc vòng cũng có những điểm chung như cấu trúc đường thẳng. Cấu trúc này cũng sử dụng phương pháp truyền thông kiểu bus. Cấu trúc vòng được thiết kế sao cho các thành viên trong mạng được nối từ điểm này đến điểm kia một cách tuần tự trong một mạch vòng khép kín. Ưu điểm cơ bản của mạng cấu trúc theo kiểu này là mỗi một nút đồng thời có thể là một bộ khuyếch đại, do vậy khi thiết kế mạng theo kiểu cấu trúc vòng có thể được thực hiện với khoảng cách rất lớn.
Hình 2.3: Cấu trúc dạng mạch vòng
Tr¹m 2
Tr¹m 1 Tr¹m 3
Nếu có một thành viên trong mạng bị hỏng thì vấn đề phải giải quyết lớn hơn rất nhiều so với mạng cấu trúc theo kiểu đường thẳng, vì không thể tiếp tục quá trình truyền thông trong mạng được. Cấu trúc vòng có tính chất rất giống với cấu trúc đường thẳng.
2.2.2.3. Cấu trúc hình cây
Hình 2.4: Cấu trúc mạng hình cây
Cấu trúc hình cây cũng được gắn trong các hệ tự động. Cấu trúc này là sự liên kết của các cấu trúc đường thẳng có độ dài khác nhau với nhau. Do vậy mạng cần thờm cỏc phần tử để nối các cấu trúc đường thẳng lại với nhau. Nó có thể chỉ đơn thuần là bộ lặp lại Repeater nếu như các đường dẫn cùng một loại. Cũn cỏc đường dẫn không cùng loại thì có thể phải dùng đến bộ chuyển đổi (Router, Bridge, Gateway).
2.2.2.4. Cấu trúc hình sao Hình 2.5: Cấu trúc hình sao Trạm 1 Bộ ghép nối hình sao ∗ Trạm 2 Trạm 3 ∗
Cấu trúc hình sao là cấu trúc mà có một nút quan trọng hơn tất cả cỏc nỳt khỏc, nỳt này sẽ điều khiển sự truyền thông của toàn mạng, được gọi là chủ (Master).
Nếu như nút này bị hỏng thì sự truyền thông trong mạng cũng không thể tiếp tục được. Tất cả các trạm được nối vào thiết bị trung tâm này, thiết bị này có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ các trạm và chuyển đến trạm đích của tín hiệu. Vai trò thực chất của thiết bị trung tâm này là việc “bắt tay” giữa các trạm cần trao đổi thông tin với nhau, thiết lập các liên kết điểm - điểm giữa chúng. Ưu điểm của cấu trúc này là lắp đặt đơn giản, dễ dàng thay đổi cấu hình (thêm, bớt trạm), dễ dàng kiểm soát và khắc phục sự cố. Nhược điểm chủ yếu là độ dài đường truyền nối một trạm với thiết bị trung tâm bị hạn chế.
2.2.3. Giao thức mạng (Protocol)
Việc trao đổi thông tin cho dù là đơn giản nhất cũng phải tuân theo quy tắc nhất định. Việc truyền tín hiệu trên mạng cũng vậy cũng cần phải có quy tắc quy ước: khuôn dạng (cú pháp, cú nghĩa) của dữ liệu, các thủ tục gửi nhận dữ liệu – kiểm soát hiệu quả và chất lượng truyền tin, xử lý các lỗi và sự cố. Yêu cầu về xử lý và trao đổi thông tin của người sử dụng càng cao thỡ cỏc quy tắc càng nhiều và phức tạp hơn. Tập hợp các quy tắc đó là giao thức(protocol) của mạng. ( Mạng sử dụng các giao thức khác nhau tuỳ sự lựa chọn của người thiết kế).
Mô hình kết nối OSI (Open System Interconnection).
Hầu hết các loại card mạng được thiết kế trên cơ sở mô hình kết nối hệ mở OSI do hội đồng tiêu chuẩn hoá quốc tế ISO (International Organization Standardization đề ra năm 1974. Mô hình OSI gồm 7 lớp xử lý (Layer). Mỗi lớp xử lý thực hiện một loại chức năng như một bộ phận của một nhiệm vụ tổng thể cho phép chương trình ứng dụng ở những hệ thống khác nhau liên kết được với nhau dường như chỳng cựng hoạt động trên một hệ thống.
Hình 2.6: Mô hình OSI 7 lớp
Layer1 (Lớp vật lý-Physical): truyền số liệu nhị phân trên môi trường thông tin. Lớp này định nghĩa các phương pháp để phát thu số liệu lên mạng. Nó bao gồm Protocol của nối dây, các kiểu cable và conector, các tín hiệu thu/phỏt và khả năng dũ tỡm tín hiệu lỗi trên đường truyền.
Layer 2(Lớp kết nối dữ liệu-Data link): truyền các đơn vị tin có địa chỉ, dựng format cho các khung tin (frame) và kiểm tra lỗi. Trong lớp này thực hiện các phương pháp truy nhập như ethernet hay token ring. Nó cũng cung cấp các địa chỉ cho lớp vật lý cho khung tin được truyền.
Layer 3(Lớp mạng-Network): nối đường cho cỏc gúi tin trên mạng. Lớp này điều khiển việc gửi thông báo giữa các trạm, cho phép số liệu chảy tuần tự giữa hai trạm theo con đường logic và vật lý được kinh tế nhất. Lớp này cho phép các số liệu được truyền đến mạng khác nhờ một thiết bị đó là Router.
Layer 4 (Lớp vận tải-Transport): bảo đảm truyền số liệu từ trạm phát tới trạm thu được chắc chắn, thu đúng trật tự được gửi đi. Nhiệm vụ của lớp này phải được tính đến khả năng thích ứng với một phạm vi rất rộng của mạng.
Layer 5 (Lớp phiờn-Session): thương lượng và thiết lập sự chắp nối với một nỳt khỏc. Cung cấp người sử dụng cuối phương tiện quản lý truyền thông cỏc phiờn
ứng dụng, thiết lập duy trì và giải phóng cỏc phiờn, đồng bộ hoá để kiểm soát việc trao đổi dữ liệu.
Layer 6 (Lớp trình bày-Presentation): thực hiện format số liệu, biến đổi code số liệu. Nó không phải được luôn luôn cài đặt trong protocol của mạng.
Layer 7 (Lớp ứng dụng- Application): cung cấp những hàm chức năng trao đổi thông tin với hệ điều hành của thiết bị chủ, các dịch vụ truyền thông.
2.2.4. Phân loại mạng
Mạng được phân làm ba loại dựa vào các yếu tố chính như: địa lý, kiến trúc mạng... Nếu dựa vào độ lớn theo địa lý thỡ cú cỏc loại mạng LAN (Location Area Networks) hay là mạng cục bộ MAN (Metropolitan Area Networks) và WAN (Wide Area Networks).
Không thể phân loại chính xác giữa các loại mạng mà chỉ là những giới hạn phân loại tương đối như sau:
+Mạng LAN Mạng LAN≤5 km.
+Mạng MAN Mạng MAN ≤ 25km. +Mạng WAN Mạng WAN ≥ 25km.
Cấu trúc mạng LAN thường có cấu trúc thẳng, cấu trúc vòng hoặc dạng sao. Cấu trúc của mạng LAN thường rất tường minh và yếu tố được quan tâm chủ yếu là đáp ứng tốt các yêu cầu truyền thông trong mạng.
Cấu trúc của mạng WAN thường có cấu trúc kiểu cây và mỗi mạng có cấu trúc rất khác nhau. Mạng được thiết kế trên cơ sở các thành viên trong mạng ở cách xa nhau tức là dựa trên đòi hỏi về mặt địa lý. Tự động hoá quá trình thuộc lĩnh vực hệ thống, do vậy mạng MAN, WAN được ứng dụng để thực hiện truyền thông ở mức cao như mô hình các phần tử ( điều hành hoạt động, điều hành sản xuất của nhà máy). Đặc biệt là cũng có thể điều hành thống nhất các nhà máy trong một mạng.
Lựa chọn môi trường truyền thông hoàn toàn phụ thuộc vào độ tin cậy và tốc độ truyền thông. Dựa vào độ phức tạp và khả năng truyền thông có thể chia ra các loại môi trường truyền thông cơ bản sau như: cáp đồng trục (coaxial cable), cỏp đụi xoắn ( twised-pair cable) có bọc hoặc không bọc kim, cáp sợi quang, loại đường truyền bằng sóng vô tuyến.
2.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP TRUY NHẬP MẠNG
Mạng làm việc theo quy tắc tại một thời điểm trên một đường dẫn chỉ có duy nhất một tín hiệu được truyền đi. Chính vì vậy mà mạng phải được điều khiển sao cho tại một thời điểm nhất định chỉ có một thành viên trong mạng được gửi thông tin đi còn số lượng thành viên trong mạng muốn nhận tin thì không hạn chế.
Các phương pháp truy nhập đường truyền vật lý được chia thành hai loại: phương pháp truy nhập ngẫu nhiên ( Random Access) và phương pháp truy nhập có điều khiển ( Cotrolled Access).
2.3.1. CSMA/CD
Phương pháp truy nhập ngẫu nhiên phân tán quan trọng nhất có tên CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with elision Detection-Phương pháp đa truy nhập sử dụng sóng mang có phát hiện xung đột). Phương pháp này được sử dụng
Phương pháp truy nhập
Ngẫu nhiên Tiền định Phân tán
Tập trung
cho tụpụ dạng bus. Trong đó tất cả các thành viên trong mạng được nối trực tiếp vào bus. Mọi thành viên đều có thể truy nhập vào bus chung ( đa truy nhập) một cách ngẫu nhiên. Các thành viên có thể gửi dữ liệu ở bất kỳ thời điểm nào, miễn là tại thời điểm đó đường dẫn không bị chiếm. Dữ liệu được truyền đi theo khuôn dạng chuẩn, trong đó có thông tin điều khiển chứa địa chỉ của dữ liệu. Xung đột xảy ra khi tại cùng một thời điểm mà trên đường dẫn có hai thành viên cùng gửi dữ liệu. Khi thành viên cần truyền dữ liệu thì trước hết phải xem xét đường truyền đang rỗi hay bận. Nếu rỗi thì cho phép truyền đi, còn nếu bận thì giữ lại dữ liệu sau một thời gian ngẫu nhiên. Các đường dẫn làm việc theo phương pháp truy nhập CSMA/CD thường có tốc độ truyền 10Mbit/s, ví dụ như mạng Industrial Ethernet.
2.3.2. Master/ Slave
Phương pháp truy nhập tập trung gọi là phương pháp chủ/tớ (Master/Slave- Method). Trạm chủ khống chế toàn bộ liên lạc đường dẫn. Trạm chủ gửi các yêu cầu đến trạm tớ và đòi hỏi các trạm tớ gửi thông tin cho mình. Truyền thông trực tiếp giữa các trạm tớ thường là không thực hiện được. Phương pháp truy nhập kiểu chủ/tớ cho phép điều hành đường dẫn một cách đơn giản và có hiệu quả cao.
2.3.3. Token Pasing
Phương pháp truy nhập tiền định phân tán hay còn gọi là Token Passing. Nguyên lý của phương pháp này là để cấp phát quyền truy nhập đường truyền cho các trạm có nhu cầu truyền dữ liệu. Trạm nào có Token trạm đó có quyền truyền đi. Thời gian truyền được mặc định trước và trạm có Token chỉ được gửi đi trong thời gian này. Hết thời gian có Token thì trạm phải chuyển Token cho trạm tiếp theo. Do vậy phải quy định thời gian Token cực đại cho mạng. Tuỳ theo giao thức của mạng mà cú cỏc loại Token khác nhau. Ví dụ, phương pháp truy nhập kiểu Token Passing cho các mạng cấu trúc hình cây được gọi là Token Bus. Khi đó Token được truyền từ thành viên này sang thành viên khác theo điều khiển của vòng logic. Đối với mạng có cấu
trúc dạng vòng thì phương pháp truy nhập có tên là Token Ring. Trong một mạng có rất nhiều thành viên và có nhiều trạm chủ và trạm tớ thì chỉ có các trạm chủ mới có Token, còn trạm tớ không bao giờ có Token.
2.3.3.1. Token Bus
Nguyên lý của phương pháp này là cấp phát quyền truy nhập đường truyền dữ liệu. Truyền thông của các trạm chủ được điều khiển bằng một vòng Logic (Logical Ring). Vòng này được thiết lập trước khi đưa mạng vào hoạt động. Vòng này quyết định tại thời điểm nào trạm chủ nào tích cực và tích cực trong bao lâu. Trạm chủ nào tích cực còn gọi là trạm giữ Token.
Khi một trạm nhận Token thỡ nó có quyền sử dụng đường truyền trong một thời gian xác định trước. Trong thời gian đú nó có thể truyền một hay nhiều dữ liệu. Khi đã hết dữ liệu hoặc hết thời gian cho phép trạm phải chuyển Token đến trạm tiếp theo trong vòng logic. Nếu trong thời gian cho phép mà dữ liệu chưa truyền đi hết thì chỉ có dữ liệu nào của trạm có mức ưu tiên cao nhất được phép tiếp tục truyền đi. Trong truyền hợp ngược lại thì trạm chủ đó phải ngừng quá trình truyền thông và đợi cho đến lượt sau. Nếu trạm nào đó có quyền dữ Token nhưng không có nhu cầu truyền thông thì Token được tự động chuyển sang trạm tiếp theo ngay sau nó trong quy định của vòng logic. Thông thường thời gian Token được quy định chung cho các trạm chủ trong mạng. Nếu một trạm chủ được nối với một trạm chiếm giữ Token thì trong thời gian Token, trạm tớ sẽ bị hỏi và phải nhận các thông tin do trạm chủ cung cấp. Một trạm tớ không bao giờ giữ Token. Như vậy với Token bus điều quan trọng đầu tiên là