Tài liệu Truyền số liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM TRUYỀN SỐ LIỆU Biên Soạn: Trần xuân Phương www.hutech.edu.vn TRUYỀN SỐ LIỆU Ấn bản 2014 MỤC LỤC I MỤC LỤC MỤC LỤC .................................................................................................................. I HƯỚNG DẪN ............................................................................................................ V BÀI 1: TỔNG QUAN...................................................................................................... 1 1.1 THÔNG TIN, DỮ LIỆU, TÍN HIỆU......................................................................... 1 1.2 HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG DỮ LIỆU .................................................................. 3 1.3 CHẾ ĐỘ TRUYỀN THÔNG................................................................................... 10 1.3.1 Chế độ đơn công .......................................................................................... 10 1.3.2 Chế độ bán song công ................................................................................... 10 1.3.3 Chế độ song công ......................................................................................... 11 1.4 TRUYỀN THÔNG DỮ LIỆU NGÀY NAY ................................................................ 11 1.4.1 Các xu hướng .............................................................................................. 11 1.4.2 Yêu cầu về truyền thông dữ liệu và năng lực mạng............................................ 13 TÓM TẮT ................................................................................................................ 17 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP ............................................................................................. 19 BÀI 2: CÁC MÔ HÌNH MẠNG....................................................................................... 20 2.1 PHÂN LỚP CÁC NHIỆM VỤ ................................................................................ 20 2.1.1 Người gửi, Người nhận và Người vận chuyển .................................................... 21 2.1.2 Phân cấp ..................................................................................................... 21 2.1.3 Dịch vụ ....................................................................................................... 22 2.2 MÔ HÌNH OSI ................................................................................................... 22 2.2.1 Kiến trúc phân lớp ........................................................................................ 23 2.2.2 Quá trình ngang hàng ................................................................................... 24 2.2.3 Đóng gói ..................................................................................................... 26 2.3 CÁC LỚP TRONG MÔ HÌNH OSI ........................................................................ 26 2.3.1 Lớp vật lý .................................................................................................... 26 2.3.2 Lớp liên kết dữ liệu ....................................................................................... 27 2.3.3 Lớp mạng.................................................................................................... 29 2.3.4 Lớp giao vận ................................................................................................ 30 2.3.5 Lớp phiên .................................................................................................... 32 2.3.6 Lớp trình bày ............................................................................................... 33 2.3.7 Lớp ứng dụng .............................................................................................. 33 2.3.8 Tóm tắt nhiệm vụ của các lớp ........................................................................ 35 2.4 BỘ GIAO THỨC TCP/IP..................................................................................... 35 II MỤC LỤC 2.4.1 Lớp giao diện mạng ...................................................................................... 36 2.4.2 Lớp Internet ................................................................................................ 36 2.4.3 Lớp giao vận ............................................................................................... 37 2.4.4 Lớp ứng dụng .............................................................................................. 38 2.5 ĐỊNH ĐỊA CHỈ .................................................................................................. 38 2.5.1 Địa chỉ vật lý ............................................................................................... 39 2.5.2 Địa chỉ logic ................................................................................................ 40 2.5.3 Địa chỉ cổng ................................................................................................ 42 TÓM TẮT ................................................................................................................ 44 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP ............................................................................................. 45 BÀI 3: TÍN HIỆU ........................................................................................................ 46 3.1 DỮ LIỆU VÀ TÍN HIỆU ...................................................................................... 46 3.1.1 Dữ liệu ....................................................................................................... 46 3.1.2 Tín hiệu ...................................................................................................... 47 3.2 TÍN HIỆU TƯƠNG TỰ ........................................................................................ 49 3.2.1 Tín hiệu tuần hoàn và tín hiệu không tuần hoàn ............................................... 49 3.2.2 Sóng sin ..................................................................................................... 51 3.2.3 Tín hiệu hỗn hợp tuần hoàn ........................................................................... 52 3.2.4 Tín hiệu hỗn hợp không tuần hoàn .................................................................. 53 3.2.5 Băng thông ................................................................................................. 54 3.3 TÍN HIỆU SỐ .................................................................................................... 55 3.3.1 Truyền băng tần cơ bản ................................................................................ 56 3.3.2 Truyền băng thông rộng (Sử dụng điều chế) .................................................... 59 3.4 SỰ SUY THOÁI TÍN HIỆU .................................................................................. 60 3.4.1 Suy hao ...................................................................................................... 60 3.4.2 Biến dạng do trễ .......................................................................................... 62 3.4.3 Nhiễu ......................................................................................................... 62 3.5 NĂNG LỰC KÊNH TRUYỀN ................................................................................. 65 3.5.1 Công thức Nyquist ....................................................................................... 65 3.5.2 Công thức Shannon ...................................................................................... 65 3.5.3 Sử dụng cả hai công thức .............................................................................. 66 TÓM TẮT ................................................................................................................ 67 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP ............................................................................................. 69 BÀI 4: MÔI TRƯỜNG TRUYỀN TẢI ............................................................................. 70 4.1 MÔI TRƯỜNG TRUYỀN TẢI CÓ DÂY .................................................................. 71 4.1.1 Cáp xoắn đôi ............................................................................................... 72 MỤC LỤC III 4.1.2 Cáp đồng trục .............................................................................................. 75 4.1.3 Cáp quang .................................................................................................. 77 4.2 MÔI TRƯỜNG TRUYỀN TẢI KHÔNG DÂY ........................................................... 85 4.2.1 Sóng radio .................................................................................................. 87 4.2.2 Vi sóng mặt đất ........................................................................................... 89 4.2.3 Vi sóng vệ tinh ............................................................................................. 92 4.2.4 Sóng hồng ngoại .......................................................................................... 95 TÓM TẮT ................................................................................................................ 97 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP ............................................................................................. 98 BÀI 5: MÃ HÓA TÍN HIỆU .......................................................................................... 99 5.1 DỮ LIỆU SỐ, TÍN HIỆU SỐ .............................................................................. 100 5.1.1 Mở đầu ..................................................................................................... 100 5.1.2 Mã đơn cực (Unipolar Scheme) ..................................................................... 104 5.1.3 Mã cực (Polar Schemes) .............................................................................. 105 5.1.4 Mã lưỡng cực (Bipolar Schemes) ................................................................... 109 5.2 DỮ LIỆU SỐ, TÍN HIỆU TƯƠNG TỰ .................................................................. 111 5.2.1 Các khía cạnh của chuyển đổi Digital-to-Analog .............................................. 113 5.2.2 Điều biên .................................................................................................. 113 5.2.3 Điều tần.................................................................................................... 114 5.2.4 Điều pha ................................................................................................... 115 5.2.5 Điều chế biên độ vuông góc ......................................................................... 115 5.3 DỮ LIỆU TƯƠNG TỰ, TÍN HIỆU SỐ .................................................................. 116 5.3.1 Điều chế mã xung ...................................................................................... 116 5.3.2 Điều chế Delta ........................................................................................... 118 5.4 DỮ LIỆU TƯƠNG TỰ, TÍN HIỆU TƯƠNG TỰ ..................................................... 120 5.4.1 Điều biên .................................................................................................. 120 5.4.2 Điều tần.................................................................................................... 122 5.4.3 Điều pha ................................................................................................... 123 TÓM TẮT .............................................................................................................. 124 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP ........................................................................................... 125 BÀI 6: GHÉP KÊNH .................................................................................................. 129 6.1 DẪN NHẬP...................................................................................................... 129 6.2 GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ ........................................................... 131 6.3 GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO BƯỚC SÓNG .................................................... 135 6.4 GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO THỜI GIAN KIỂU ĐỒNG BỘ ............................. 136 6.5 GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO THỜI GIAN KIỂU THỐNG KÊ ........................... 141 IV MỤC LỤC 6.6 ADSL .............................................................................................................. 143 6.6.1 Thiết kế ADSL ............................................................................................ 144 6.6.2 Đa âm rời rạc ............................................................................................ 146 TÓM TẮT .............................................................................................................. 148 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP ........................................................................................... 149 BÀI 7: PHÁT HIỆN VÀ SỬA LỖI ................................................................................ 150 7.1 DẪN NHẬP ..................................................................................................... 150 7.1.1 Các kiểu lỗi ............................................................................................... 150 7.1.2 Bit dư thừa ................................................................................................ 152 7.1.3 Phát hiện lỗi so sánh với sửa lỗi.................................................................... 152 7.1.4 Sửa lỗi tại máy thu so sánh với truyền lại gói tin ............................................. 152 7.2 MÃ PHÁT HIỆN LỖI ........................................................................................ 153 7.2.1 Nguyên lý phát hiện lỗi ............................................................................... 153 7.2.2 Kỹ thuật VRC ............................................................................................. 154 7.2.3 Kỹ thuật LRC ............................................................................................. 154 7.2.4 Kỹ thuật CRC ............................................................................................. 155 7.2.5 Checksum ................................................................................................. 157 7.3 MÃ SỬA LỖI ................................................................................................... 159 7.3.1 Cơ chế mã sửa lỗi....................................................................................... 160 7.3.2 Khoảng cách Hamming ............................................................................... 162 7.3.3 Khoảng cách Hamming tối thiểu ................................................................... 162 7.3.4 Mã Hamming (7,4) ..................................................................................... 165 TÓM TẮT .............................................................................................................. 167 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP ........................................................................................... 168 BÀI 8: LIÊN KẾT DỮ LIỆU ........................................................................................ 170 8.1 ĐIỀU KHIỂN LUỒNG ....................................................................................... 171 8.1.1 Dẫn nhập .................................................................................................. 171 8.1.2 Stop-and-Wait Protocol ............................................................................... 171 8.2 ĐIỀU KHIỂN LỖI ............................................................................................ 175 8.2.1 Dẫn nhập .................................................................................................. 175 8.2.2 Stop-and-Wait Automatic Repeat Request...................................................... 176 TÓM TẮT .............................................................................................................. 183 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP ........................................................................................... 183 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 184 HƯỚNG DẪN V HƯỚNG DẪN MÔ TẢ MÔN HỌC Môn học này cung cấp cho sinh viên những khái niệm tổng quan về Kỹ thuật truyền số liệu, chủ yếu nhằm phục vụ cho sinh viên ngành Công Nghệ Thông tin và ngành Điện – Điện tử. Nội dung môn học nhấn mạnh đến các nguyên tắc, các chủ đề, các phương pháp tiếp cận và giải quyết vấn đề liên quan đến các công nghệ và kiến trúc cơ bản của lĩnh vực này. NỘI DUNG MÔN HỌC  Bài 1: TỔNG QUAN. Giới thiệu các khái niệm cơ bản liên quan đến mạng truyền số liệu và xu hướng phát triển của mạng truyền số liệu.  Bài 2: CÁC MÔ HÌNH MẠNG. Giới thiệu mô hình mạng OSI và mô hình mạng DoD trong đó nhấn mạnh đến nguyên lý vận hành của mạng DoD.  Bài 3: TÍN HIỆU. Trình bày các khái niệm liên quan đến tín hiệu, sự suy thoái tín hiệu và năng lực kênh truyền.  Bài 4: MÔI TRƯỜNG TRUYỀN TẢI. Giới thiệu các loại môi trường truyền tải, đặc tính và công dụng của chúng.  Bài 5: MÃ HÓA TÍN HIỆU. Trình bày nguyên lý của các phương pháp mã hóa dữ liệu ra tín hiệu để truyền tải.  Bài 6: GHÉP KÊNH. Giới thiệu các phương pháp ghép kênh.  Bài 7: PHÁT HIỆN VÀ SỬA LỖI. Trình bày nguyên lý và ý tưởng một số phương pháp phát hiện và sửa lỗi bit khi truyền tải.  Bài 8: LIÊN KẾT DỮ LIỆU. Giới thiệu nguyên lý hoạt động của một số cơ chế điều khiển luồng và điều khiển lỗi ở tầng liên kết dữ liệu. KIẾN THỨC TIỀN ĐỀ Sinh viên có kiến thức về phần cứng máy tính và mạng máy tính. VI HƯỚNG DẪN YÊU CẦU MÔN HỌC Người học phải dự học đầy đủ các buổi lên lớp và làm bài tập đầy đủ ở nhà. CÁCH TIẾP NHẬN NỘI DUNG MÔN HỌC Để học tốt môn này, người học cần đọc trước các nội dung chưa được học trên lớp; tham gia đều đặn và tích cực trên lớp; hiểu các khái niệm, tính chất và ví dụ tại lớp học. Sau khi học xong, cần ôn lại bài đã học, làm các bài tập và câu hỏi.Tìm đọc thêm các tài liệu khác liên quan đến bài học và làm thêm bài tập. PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ MÔN HỌC Môn học được đánh giá gồm:  Điểm thi thực hành: 30%. Hình thức và nội dung do GV quyết định, phù hợp với quy chế đào tạo và tình hình thực tế tại nơi tổ chức học tập.  Điểm thi lý thuyết: 70%. Hình thức bài thi tự luận trong 90 phút, không được mang tài liệu vào phòng thi. Nội dung gồm các câu hỏi và bài tập tương tự như các câu hỏi và bài tập về nhà. BÀI 1: TỔNG QUAN 1 BÀI 1: TỔNG QUAN Sau khi học xong bài này, học viên có thể:  Nắm được các khái niệm : thông tin, dữ liệu, tín hiệu và các khái niệm có liên quan.  Nắm được các thành phần chính trong mô hình hệ thống truyền thông dữ liệu.  Nắm được các chế độ truyền thông.  Nắm được các xu hướng phát triển, nhu cầu về truyền thông dữ liệu ngày nay. 1.1 THÔNG TIN, DỮ LIỆU, TÍN HIỆU Thông tin (information) được mô tả như là cơ sở của sự hiểu biết về một đối tượng nào đó. Thông tin được lưu trữ và truyền tải từ nơi này tới nơi kia nhờ những tín hiệu (signal) vật lý như chuyển động, áp suất, nhiệt độ, hình ảnh, âm thanh, ký hiệu, tín hiệu điện tử v.v.. Các tín hiệu biểu diễn này có thể là tín hiệu liên tục (như dòng điện, sóng âm, sóng vô tuyến...) hay tín hiệu rời rạc (như chữ cái, chữ số). Tín hiệu liên tục còn được gọi là tín hiệu tương tự, tín hiệu rời rạc và chỉ nhận một số hữu hạn giá trị còn được gọi là tín hiệu số (còn gọi là tín hiệu kỹ thuật số). Thông tin được biểu diễn bởi các tín hiệu liên tục được gọi là thông tin liên tục, Thông tin được biểu diễn bởi các tín hiệu rời rạc được gọi là thông tin rời rạc. Một trong những dạng quan trọng của thông tin rời rạc là thông tin được lưu trữ dưới dạng số, cụ thể là dưới dạng các dãy số 0 và 1 (còn gọi là dãy số nhị phân). Ví dụ, thông tin về thời gian được biểu diễn bởi một đồng hồ cơ học với kim giờ, kim phút, kim giây là thông tin liên tục vì chuyển động của kim giây là liên tục. Mặt khác, thông tin về thời gian được biểu diễn bởi một đồng hồ điện tử mặt số là thông tin rời rạc, giá trị thời gian (giờ, phút) sẽ thay đổi đột ngột 8:05-08:06 và chỉ có một số hữu hạn giá trị. 2 BÀI 1: TỔNG QUAN Thông tin được lưu trữ trong máy tính là thông tin dưới dạng số, chúng được lưu trữ dưới dạng các số nhị phân 0 và 1, tức là các bit. Thông tin tác động đến bên nhận bằng ý nghĩa của tín hiệu đối với bên nhận. Như vậy, việc tiếp nhận thông tin như thế nào phụ thuộc rất nhiều vào bên nhận, cùng một tín hiệu nhưng đối với mỗi đối tượng nhận lại là một thông tin khác nhau. Ví dụ, cùng một tín hiệu là hình ảnh chậu hoa đặt trên bục cửa sổ, nếu bên nhận tín hiệu là một du khách, đó sẽ là thông tin về sự bình yên lãng mạn của ngôi nhà, nhưng nếu bên nhận là một điệp viên đang tới nơi hẹn gặp, đó có thể là thông tin về sự nguy hiểm, cho biết mình đang bị theo dõi. Mã hóa thông tin là quá trình biến đổi thông tin từ dạng biểu diễn này sang biểu diễn khác theo quy ước nhất định. Quá trình biến đổi ngược lại của mã hóa thông tin được gọi là giải mã thông tin. Ví dụ, khi ta nói vào microphone và ghi vào file mp3, âm thanh (sóng âm, dạng tương tự) sẽ được mã hóa thành chuỗi các bit (dạng số) và được lưu vào file. Khi ta nghe lại, chuỗi các bit được giải mã thành sóng âm. Xét theo độ chính xác, mã hóa thông tin có hai loại : - Mã hóa không mất mát tức là loại mã hóa không làm thay đổi thông tin gốc (nói cách khác là không làm mất mát thông tin gốc). - Mã hóa có mất mát tức là loại mã hóa có làm thay đổi thông tin gốc dù rất ít (nói cách khác là có làm mất mát thông tin gốc). Nhờ mã hóa có mất mát, có thể nén thông tin và chuyển thông tin sang dạng số, đây là yếu tố rất quan trọng đưa đến việc xử lý thông tin một cách tự động bằng các máy tính điện tử hiện đại. Số hóa thông tin là quá trình mã hóa thông tin sang dạng số. Cần chú ý rằng mọi thông tin đều có thể được số hóa với độ mất mát nhỏ tùy ý, đến mức đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật, đến mức con người không nhận ra. Dữ liệu (data) là thông tin đang được xử lý (lưu trữ, biến đổi, truyền tải). Khi dùng thuật ngữ “dữ liệu”, ta sẽ chú trọng đến hình thức thể hiện của thông tin mà ít quan tâm về ý nghĩa của thông tin. Nói chung, sự phân biệt giữa khái niệm “thông tin” và khái niệm “dữ liệu” không thật sự rõ ràng, ngay trong giáo trình này, thuật ngữ “dữ liệu” và thuật ngữ “thông tin” cũng được hiểu gần như là một và được sử dụng tương đối lẫn lộn. BÀI 1: TỔNG QUAN 3 Trong các hệ thống kỹ thuật, có hai dạng dữ liệu: dữ liệu tương tự và dữ liệu số. Thuật ngữ “dữ liệu tương tự” đề cập đến dữ liệu được biểu diễn bởi tín hiệu liên tục. Thuật ngữ “dữ liệu số” (còn gọi là dữ liệu kỹ thuật số) đề cập đến dữ liệu được biểu diễn bởi tín hiệu rời rạc. Một ví dụ về dữ liệu tương tự là âm thanh của giọng nói con người. Khi có ai đó nói, một sóng âm biến đổi liên tục được tạo ra và lan truyền trong không khí. Sóng âm này có thể được thu bởi một microphone và chuyển đổi sang tín hiệu điện lan truyền trong dây dẫn có sự biến đổi tương tự với sóng âm. Dữ liệu số, ví dụ như trạng thái sáng tắt của bóng đèn, chỉ có một số hữu hạn giá trị rời rạc. Mỗi giá trị có thể được biểu diễn bằng một số. Như vậy, có thể biểu diễn trạng thái biến đổi của dữ liệu bằng một dãy số. Nếu chuyển dãy số này sang cơ số 2, thì các giá trị của dữ liệu có thể được biểu diễn bằng một dãy chữ số 0 và 1, tức là một dãy các bit. Cần chú ý rằng, thực chất các thiết bị trong hệ thống truyền dữ liệu chỉ làm việc với các tín hiệu mà thôi. Vì vậy, đôi khi không có sự phân biệt rõ ràng giữa thuật ngữ “dữ liệu” và thuật ngữ “tín hiệu”. Ví dụ, khi nói “tín hiệu đầu vào” và nói “dữ liệu đầu vào” thì đều được hiểu gần giống nhau. Thường khi nói đến “tín hiệu” là muốn nhấn mạnh đến yếu tố vật lý. 1.2 HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG DỮ LIỆU Mục đích cơ bản của một hệ thống truyền thông dữ liệu là trao đổi dữ liệu giữa hai bộ phận, có thể ở rất xa nhau. Truyền thông dữ liệu liên quan đến việc truyền tải tín hiệu theo một cách đáng tin cậy và hiệu quả. Các vấn đề chủ yếu liên quan đến truyền thông dữ liệu bao gồm: tín hiệu truyền tải, môi trường truyền tải, mã hóa tín hiệu, nối ghép (interfacing), kiểm soát liên kết dữ liệu và ghép kênh. Các vấn đề này sẽ được trình bày trong học phần này. Hình dưới giới thiệu một mô hình đơn giản của hệ thống truyền thông dữ liệu. Các thành phần vật lý chính của mô hình như sau: - Thiết bị nguồn (Source): Còn gọi là nguồn dữ liệu. Là thiết bị sinh ra dữ liệu cần truyền tải. Ví dụ : điện thoại, PC. 4 BÀI 1: TỔNG QUAN - Thiết bị phát (Transmitter) : Còn gọi là thiết bị truyền, bên gửi, máy phát. Thông thường, các dữ liệu được tạo ra bởi thiết bị nguồn không thể truyền được trực tiếp. Thay vào đó, thiết bị phát biến đổi và mã hóa các dữ liệu theo một cách nào đó để sản sinh ra các tín hiệu điện từ có thể truyền qua được hệ thống truyền tải. Ví dụ, một modem lấy một dòng bit từ một thiết bị (ví dụ như PC) và biến đổi dòng bit thành tín hiệu điện tương tự để có thể xử lý được bởi mạng điện thoại. - Hệ thống truyền tải (Transmission system) : Có thể là một đường truyền đơn giản hoặc là một mạng phức tạp nối nguồn và đích. - Thiết bị thu (Receiver) : Còn gọi là thiết bị nhận, bên nhận, máy thu. Là thiết bị thu các tín hiệu từ hệ thống truyền tải và chuyển đổi nó thành một dạng có thể được xử lý bởi thiết bị đích. Ví dụ, một modem sẽ nhận tín hiệu tương tự đến từ một mạng hoặc đường dây truyền tải , biến đổi nó thành một dòng bit và chuyển cho thiết bị đích. - Thiết bị đích (Destination) : Là thiết bị nhận dữ liệu đến từ thiết bị thu. Thực tế, các thành phần này có thể được tích hợp trong một thiết bị vật lý. Ví dụ, một modem vừa có chức năng của thiết bị thu lại vừa có chức năng của thiết phát. Thiết bị nguồn và thiết bị phát có thể chỉ là hai bộ phận trong một máy tính, thậm chí là một phần mềm. Ví dụ phía dưới sẽ cho thấy rõ điều đó. Ngoài các thành phần vật lý, hệ thống còn phải có các thành phần logic như: - Thông điệp (Message) : Còn gọi là tin nhắn, thông báo. Thông điệp này là các thông tin (dữ liệu) được truyền đạt. Hình thức phổ biến của thông tin bao gồm văn bản, số, hình ảnh, âm thanh, và video. BÀI 1: TỔNG QUAN 5 - Giao thức (Protocol) : Giao thức là một tập hợp các quy tắc chi phối truyền thông dữ liệu. Nó thể hiện một thỏa thuận giữa các thiết bị truyền thông. Nếu không có một giao thức, hai thiết bị có thể được kết nối nhưng không truyền thông được, cũng giống như một người nói tiếng Pháp không thể được hiểu bởi một người chỉ nói tiếng Nhật. Hình dưới đây cho thấy mô hình hệ thống truyền thông dữ liệu từ máy tính ở nhà của chúng ta tới web server trường đại học chẳng hạn. Để hình dung được hoạt động của một hệ thống truyền thông, ta hãy xem xét ví dụ sau. Giả sử thiết bị đầu vào (thiết bị nguồn) và máy phát là thành phần của một máy tính cá nhân. Người sử dụng máy tính muốn xem một trang web. Người dùng kích hoạt chương trình web browser ( Fire Fox chẳng hạn) trên máy tính và nhập địa chỉ của trang web thông qua bàn phím (thiết bị đầu vào). Chuỗi ký tự m (địa chỉ trang web) được lưu tạm một thời gian ngắn trong bộ nhớ chính. Chúng ta có thể xem nó như là một chuỗi các bit (g) trong bộ nhớ. Máy tính cá nhân được kết nối với một môi trường truyền dẫn nào đó, chẳng hạn như mạng nội bộ hoặc đường dây điện thoại, bằng một thiết bị I/O (transmitter), chẳng hạn card mạng hoặc một modem. Các dữ liệu đầu vào (địa chỉ trang web) được chuyển giao cho thiết bị phát như một chuỗi các sự thay đổi điện áp [g(t)] đại diện cho các bit trên một bus hoặc cáp truyền thông nào đó. Thiết bị phát được kết nối trực tiếp vào môi trường truyền tải và chuyển đổi các dòng đến [g(t)] thành một tín hiệu [s(t)] thích hợp cho truyền tải. Tín hiệu truyền s(t) khi lan truyền trên môi trường truyền tải sẽ chịu một số suy thoái trước khi nó đến được thiết bị thu. Như vậy, tín hiệu nhận được r(t) có thể khác với s(t). Thiết bị thu sẽ cố gắng ước tính lại s(t) ban đầu, dựa trên r(t) và kiến thức về môi trường truyền tải, tạo ra một chuỗi các bit g’(t). Các bit này được gửi tới máy tính cá nhân đầu ra, nơi chúng được lưu tạm một thời gian ngắn trong bộ nhớ như là một khối các bit (g’). Trong nhiều trường hợp, hệ thống đích sẽ cố gắng xác định xem có 6 BÀI 1: TỔNG QUAN lỗi xảy ra hay không, và nếu có, sẽ hợp tác với hệ thống nguồn để cuối cùng có được một khối lỗi dữ liệu hoàn chỉnh, không bị lỗi. Những dữ liệu này sau đó được trình bày cho người sử dụng thông qua một thiết bị đầu ra, chẳng hạn như một máy in hoặc màn hình. Thông điệp mà người dùng xem thường sẽ là một bản sao chính xác của thông điệp ban đầu (m). Bây giờ ta xem xét một cuộc trò chuyện qua điện thoại thông thường. Trong trường hợp này đầu vào của điện thoại là một thông điệp (m) dưới dạng sóng âm thanh. Các sóng âm thanh được chuyển đổi bằng điện thoại thành tín hiệu điện biến thiên tương tự như sóng âm. Những tín hiệu này được truyền mà không sửa đổi trên đường dây điện thoại. Do đó tín hiệu đầu vào g(t) và tín hiệu truyền tải s(t) là giống hệt nhau. Tín hiệu s(t) sẽ phải chịu một số biến dạng trên môi trường truyền tải, do đó r(t) sẽ không trùng với s(t). Dù vậy, tín hiệu r(t) được chuyển đổi trở lại thành một làn sóng âm thanh mang thông điệp (m’) mà không có nỗ lực sửa chữa hoặc nâng cao chất lượng tín hiệu, do đó, không phải là một bản sao chính xác của m. Tuy nhiên, các tin nhắn âm thanh nhận được nói chung là chấp nhận được với người nghe. Chú ý rằng trong hai ví dụ trên, hệ thống của ví dụ đầu có khả năng phát hiện và sửa lỗi truyền tải, còn ví dụ sau thì không có khả năng đó. Mô hình đơn giản trên che đậy vô số phức tạp về kỹ thuật. Để có được một số ý tưởng về sự phức tạp này, bảng phía dưới liệt kê một số nhiệm vụ trọng tâm phải được thực hiện trong một hệ thống truyền thông dữ liệu. Danh sách này có thể được thay đổi bởi các tác giả khác nhau. Các thành phần có thể được thêm vào, các mục trong danh sách có thể được sáp nhập hoặc tách ra. - Sử dụng hệ thống truyền tải - Ghép nối (iterfacing) - Tạo tín hiệu BÀI 1: TỔNG QUAN 7 - Đồng bộ hóa - Quản lý trao đổi - Phát hiện và sửa lỗi - Kiểm soát lưu lượng - Định địa chỉ - Định tuyến - Phục hồi - Định dạng thông điệp - Bảo mật - Quản lý mạng Mục đầu tiên, sử dụng hệ thống truyền tải, đề cập đến sự cần thiết phải sử dụng hiệu quả các thiết bị truyền dẫn mà thông thường được chia sẻ giữa một số các thiết bị giao tiếp. Các kỹ thuật khác nhau (như là ghép kênh) được sử dụng để phân bổ tổng công suất của một môi trường truyền dẫn cho một lượng lớn người dùng. Kỹ thuật điều khiển tắc nghẽn có thể được yêu cầu để đảm bảo rằng hệ thống không bị choáng ngợp bởi nhu cầu quá mức các dịch vụ truyền dẫn. Để truyền thông, một thiết bị phải ghép nối (interfacing) với hệ thống truyền tải. Tất cả các hình thức truyền thông trong các hệ thống truyền dữ liệu phụ thuộc vào việc sử dụng các tín hiệu điện từ lan truyền qua một môi trường truyền tải. Sau khi một giao diện được thiết lập, cần phải tạo tín hiệu để liên lạc. Các thuộc tính của tín hiệu, chẳng hạn như hình thức và cường độ, phải sao cho tín hiệu có khả năng lan truyền qua hệ thống truyền tải và có thể phiên dịch thành dữ liệu ở thiết bị thu. Các tín hiệu được tạo ra phải sao cho không chỉ phù hợp với các yêu cầu của hệ thống truyền tải và thiết bị thu, mà còn phải là một dạng nào đó để có thể đồng bộ hóa giữa thiết bị phát và thiết bị thu. Thiết bị thu phải có khả năng xác định khi nào một tín hiệu bắt đầu và khi nào tín hiệu kết thúc. Thiết bị thu cũng phải biết thời lượng của mỗi phần tử tín hiệu. Có một loạt các yêu cầu về thông tin liên lạc giữa hai bên, được biết dưới thuật 8 BÀI 1: TỔNG QUAN ngữ quản lý trao đổi (exchange management). Nếu dữ liệu được trao đổi theo cả hai hướng trong một khoảng thời gian, thì hai bên phải hợp tác với nhau. Ví dụ, để hai bên tham gia vào một cuộc trò chuyện điện thoại, một bên phải quay số của bên kia, tạo ra các tín hiệu mà kết quả là tiếng chuông của điện thoại bên được gọi. Bên được gọi hoàn thành một kết nối bằng cách nhấc điện thoại. Đối với các thiết bị xử lý dữ liệu, chỉ với yêu cầu đơn giản là thiết lập kết nối, đã nhất định cần phải có các quy ước. Các quy ước này có thể bao gồm việc cả hai thiết bị có thể truyền đồng thời hoặc phải thay phiên nhau, số lượng dữ liệu được gửi tại một thời điểm, định dạng của dữ liệu, và phải làm gì với các tình huống bất ngờ, chẳng hạn như một lỗi phát sinh. Tất cả các qui ước này thường được đặc tả trong một giao thức (protocol). Hai mục tiếp theo trong danh sách có thể được xem là ở trong mục quản lý trao đổi, nhưng chúng có vẻ quan trọng, đủ để liệt kê một cách riêng biệt. Tất cả các hệ thống truyền thông đều có một tiềm năng bị lỗi khi truyền, tín hiệu truyền có thể bị biến dạng đến mức độ nào đó trước khi đến đích, dẫn đến việc dữ liệu nhận được không giống với dữ liệu phát ra lúc ban đầu. Phát hiện và sửa lỗi được yêu cầu trong trường hợp lỗi không thể bỏ qua được. Điều này thường gặp với các hệ thống xử lý dữ liệu. Ví dụ, trong việc chuyển một tập tin từ một máy tính tới máy tính khác, đơn giản là không thể chấp nhận được việc nội dung của các tập tin vô tình bị thay đổi. Kiểm soát luồng (flow control) là cần thiết để đảm bảo rằng các thiết bị nguồn không làm quá tải thiết bị đích bằng việc gửi dữ liệu nhanh hơn so với khả năng tiếp nhận và xử lý dữ liệu của thiết bị thu. Tiếp theo là các khái niệm liên quan nhưng khác biệt nhau : định địa chỉ và định tuyến. Khi có nhiều hơn hai thiết bị chia sẻ một cơ sở truyền tải, hệ thống nguồn phải ghi rõ danh tính của địa chỉ đích. Hệ thống truyền tải phải đảm bảo rằng hệ thống đích, và chỉ có hệ thống đích, nhận được dữ liệu. Hơn nữa, bản thân hệ thống truyền tải có thể là một mạng có nhiều đường dẫn khác nhau đi xuyên qua. Phải lựa chọn một lộ trình cụ thể đi xuyên qua mạng này. Phục hồi (recovery) là một khái niệm phân biệt với sửa lỗi. Kỹ thuật phục hồi là cần thiết trong các tình huống trong đó một trao đổi thông tin, chẳng hạn như một giao dịch cơ sở dữ liệu hoặc chuyển tập tin, bị gián đoạn do một lỗi ở đâu đó trong hệ BÀI 1: TỔNG QUAN 9 thống. Mục tiêu của việc phục hồi là để hoặc có thể tiếp tục hoạt động tại thời điểm bị gián đoạn hoặc ít nhất là khôi phục lại trạng thái của hệ thống liên quan đến tình trạng trước khi bắt đầu trao đổi thông tin. Định dạng thông điệp (Message formatting ) bắt buộc phải làm với một thỏa thuận giữa hai bên về dạng dữ liệu được trao đổi hoặc truyền tải, chẳng hạn như mã nhị phân cho các ký tự. Mục tiêu là để bên thu tra cứu được các thông tin quản lý và thông dịch được các tín hiệu dữ liệu. Thông thường, điều quan trọng là cung cấp một số biện pháp bảo mật trong hệ thống truyền thông dữ liệu. Bên phát dữ liệu có thể muốn được đảm bảo rằng chỉ có thiết bị thu được chỉ định mới thực sự nhận được dữ liệu. Và bên thu có thể muốn được đảm bảo rằng các dữ liệu nhận được đã không bị thay đổi trong quá trình truyền tải và dữ liệu thực sự đến từ thiết bị phát chân chính (không phải giả mạo). Cuối cùng, một cơ sở truyền thông dữ liệu là một hệ thống phức tạp mà nó không thể tự mình tạo ra hoặc vận hành. Khả năng quản lý mạng là cần thiết để cấu hình hệ thống, theo dõi tình trạng của nó, phản ứng với hỏng hóc và quá tải, và có kế hoạch thông minh cho sự phát triển trong tương lai. Hiệu quả của một hệ thống truyền thông dữ liệu phụ thuộc vào bốn yếu tố cơ bản: Chuyển giao, chính xác, kịp thời, và độ lệch thời gian. 1. Chuyển giao (Delivery). Hệ thống phải cung cấp dữ liệu đến đích chính xác. Dữ liệu phải được nhận bởi thiết bị hoặc người dùng dự định và chỉ thiết bị hoặc người dùng đó. 2. Chính xác (Accuracy). Hệ thống phải cung cấp dữ liệu chính xác. Dữ liệu đã bị thay đổi trong truyền tải và chưa được sửa chữa là không sử dụng được. 3. Kịp thời (Timeliness). Hệ thống phải cung cấp dữ liệu một cách kịp thời. Dữ liệu chậm chuyển giao là vô ích. Trong trường hợp của video và âm thanh, giao hàng kịp thời có nghĩa là cung cấp dữ liệu như chúng được sản xuất, trong thứ tự mà chúng được sản xuất, và không chậm trễ đáng kể. Loại chuyển giao này được gọi là truyền tải thời gian thực. 4. Độ lệch thời gian (Jitter) . Đề cập đến thời gian truyền tải khác nhau của các gói tin. Ví dụ, hãy giả sử rằng các gói tin video được gửi mỗi 30ms. Nếu một số các gói 10 BÀI 1: TỔNG QUAN tin đến sau 30ms và một số gói khác sau 40ms, hậu quả là chất lượng không đồng đều trong đoạn video. 1.3 CHẾ ĐỘ TRUYỀN THÔNG Truyền thông giữa hai thiết bị có thể là đơn công (simplex), bán song công (half duplex), hoặc song công (full duplex) 1.3.1 Chế độ đơn công Trong chế độ đơn công (simplex), truyền thông chỉ theo một hướng như trên con đường một chiều. Chỉ có một trong hai thiết bị trên một liên kết có thể truyền tín hiệu, còn thiết bị kia chỉ có thể nhận. Bàn phím và màn hình truyền thống là những ví dụ của các thiết bị đơn công. Bàn phím chỉ có thể truyền tín hiệu vào, còn màn hình chỉ có thể nhận tín hiệu ra. Chế độ đơn công có thể sử dụng toàn bộ khả năng của kênh để gửi dữ liệu theo một hướng. 1.3.2 Chế độ bán song công Trong chế độ bán song công (half-duplex), mỗi trạm đều có thể truyền và nhận, nhưng không cùng một lúc. Khi một thiết bị gửi, thiết bị kia chỉ có thể nhận, và ngược lại. Chế độ bán song công cũng giống như đường một làn xe với giao thông cho phép ở cả hai hướng. Khi chiếc xe đang đi di chuyển theo một hướng, chiếc xe đi theo hướng khác phải chờ đợi. Trong truyền tải bán song công, toàn bộ năng lực của một kênh BÀI 1: TỔNG QUAN 11 được dành cho thiết bị đang truyền vào thời điểm đó. Máy bộ đàm là một hệ thống bán song công. Chế độ bán song công được sử dụng trong trường hợp không có nhu cầu truyền thông trong cả hai hướng cùng một lúc, toàn bộ khả năng của các kênh có thể được sử dụng cho mỗi hướng. 1.3.3 Chế độ song công Trong chế độ song công (full-duplex), cả hai trạm có thể truyền và nhận đồng thời. Chế độ song công giống như một con đường hai chiều với lưu lượng chảy theo cả hai hướng cùng một lúc. Trong chế độ song công, tín hiệu đi theo một hướng chia sẻ năng lực của liên kết với các tín hiệu đi theo một hướng kia. Chia sẻ này có thể xảy ra theo hai cách: Hoặc là liên kết phải có hai con đường truyền tải vật lý riêng biệt, một cho việc gửi và một cho nhận, hoặc năng lực của kênh được chia giữa các tín hiệu di chuyển trong cả hai hướng. Một ví dụ phổ biến của truyền thông song công là mạng điện thoại. Khi hai người đang giao tiếp bằng đường dây điện thoại, cả hai có thể nói chuyện và nghe cùng một lúc. Chế độ song công được sử dụng khi truyền thông trong cả hai hướng được yêu cầu trong toàn bộ thời gian. Năng lực của các kênh, tuy nhiên, phải được phân chia giữa hai hướng. 1.4 TRUYỀN THÔNG DỮ LIỆU NGÀY NAY 1.4.1 Các xu hướng Có ba yếu tố liên tục thúc đẩy sự tiến hóa của truyền thông dữ liệu và cơ sở vật chất mạng: nhu cầu ngày càng tăng của lưu lượng giao thông, sự phát triển các dịch vụ mới và những tiến bộ trong công nghệ. 12 BÀI 1: TỔNG QUAN Lưu lượng (traffic) truyền thông, cả trong phạm vi cục bộ (trong một tòa nhà hoặc một tổ hợp xây dựng) lẫn ở khoảng cách dài, cả thoại và dữ liệu, đã tăng lên với một tốc độ cao và ổn định trong nhiều thập kỷ. Sự chú trọng ngày càng tăng về tự động hóa văn phòng, truy cập từ xa, giao dịch trực tuyến, và các phương pháp làm việc khác cho thấy xu hướng này còn tiếp tục. Vì vậy, các nhà quản lý phải liên tục đấu tranh để phát huy tối đa năng lực và giảm thiểu chi phí truyền tải. Khi việc kinh doanh phụ thuộc ngày càng nhiều vào công nghệ thông tin, hàng loạt các dịch vụ mở rộng. Điều này làm tăng nhu cầu đối với mạng và thiết bị truyền dẫn có công suất cao. Ngược lại, sự tăng trưởng liên tục trong các dịch vụ mạng tốc độ cao cùng với sự sụt giảm liên tục về giá lại khuyến khích việc mở rộng dịch vụ. Như vậy, sự tăng trưởng dịch vụ và sự tăng trưởng năng lực giao thông gắn bó với nhau. Các xu hướng công nghệ cho phép tăng năng lực giao thông và hỗ trợ của một loạt các dịch vụ. Có bốn xu hướng công nghệ đặc biệt đáng chú ý: 1. Máy tính và thiết bị truyền thông tiếp tục có xu hướng nhanh hơn và rẻ hơn. Về máy tính, điều này có nghĩa là máy tính mạnh hơn, các cụm máy tính ngày càng có khả năng hỗ trợ nhiều ứng dụng đòi hỏi năng lực xử lý mạnh, chẳng hạn như các ứng dụng đa phương tiện. Về truyền thông, việc tăng cường sử dụng cáp quang đã làm cho giá truyền tải giảm xuống và năng lực truyền tải lại tăng lên rất nhiều. Ví dụ, các dịch vụ gần đây của kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng dày đặc (DWDM) tạo ra năng lực truyền tải nhiều terabit mỗi giây. Đối với các mạng cục bộ (LAN), nhiều doanh nghiệp đã có hệ thống đường trục Gigabit Ethernet và một số đang bắt đầu triển khai 10-Gbps Ethernet. 2. Cả mạng viễn thông theo định hướng giọng nói, chẳng hạn như mạng chuyển mạch công cộng điện thoại (PSTN), và mạng dữ liệu, bao gồm cả Internet, trở nên "thông minh" hơn bao giờ hết. 3. Internet, Web, và các ứng dụng liên quan đã nổi lên như là một số trong các tính năng chủ đạo của cả doanh nghiệp và cá nhân trên thế giới, mở ra nhiều cơ hội và thách thức đối với các nhà quản lý. Ngoài việc khai thác Internet và Web để tiếp cận khách hàng, các doanh nghiệp còn thành lập mạng nội bộ và mạng Extranet để cô lập thông tin độc quyền của họ, tránh những truy cập không mong muốn. Đồng