Bài giảng Cơ sở kỹ thuật mạng truyền thông

Nội dung text: Bài giảng Cơ sở kỹ thuật mạng truyền thông

1. HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG  KHOA VIỄN THÔNG 1 BÀI GIẢNG CƠ SỞ KỸ THUẬT MẠNG TRUYỀN THÔNG NGUYPTITỄN TIẾN BAN Hà Nội 2013
2. Mục lục MỤC LỤC MỤC LỤC 1 DANH MỤC HÌNH VẼ 6 DANH MỤC BẢNG 12 LỜI NÓI ĐẦU 13 CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG 14 1.1 Các loại mạng truyền thông 14 1.1.1 Mạng cục bộ 14 1.1.2 Mạng đô thị 16 1.1.3 Mạng diện rộng 17 1.1.4 Mạng không dây 19 1.1.5 Kết nối liên mạng 22 1.2 Nguyên lí hoạt động chung của mạng truyền thông 23 1.2.1 Sự phân lớp giao thức 23 1.2.2 Thiết kế chức năng cho các lớp 23 1.2.3 Dịch vụ hướng kết nối và phi kết nối 24 1.2.4 Sự tương tác giữa dịch vụ và giao thức 25 1.3 Các mô hình phân lớp mạng 28 1.3.1 Mô hình OSI 28 1.3.2 Mô hình TCP/IPPTIT 33 1.3.3 So sánh OSI và TCP/IP 36 1.4 Mạng Internet 37 1.4.1 Sự ra đời và phát triển 37 1.4.2 Các thành phần của mạng 38 1.5 Xu hướng hội tụ của các mạng viễn thông 39 1.5.1 Sự hội tụ giữa các mạng cục bộ và diện rộng 40 1.5.2 Sự hội tụ giữa các mạng thoại và số liệu 40 1.5.3 Sự hội tụ giữa các mạng cố định và di động 40 1
3. Mục lục 1.6 Tổng kết 41 1.7 Câu hỏi ôn tập 42 CHƯƠNG 2. LỚP VẬT LÍ VÀ LIÊN KẾT DỮ LIỆU 43 2.1 Lớp Vật lí 43 2.1.1 Truyền tín hiệu ở lớp Vật lí 43 2.1.2 Đồng bộ và định thời 50 2.1.3 Các giao thức và đặc tả lớp Vật lí 53 2.2 Lớp Liên kết dữ liệu 56 2.2.1 Các chức năng của lớp liên kết dữ liệu 56 2.2.2 Định khung 58 2.2.3 Kiểm soát lỗi 61 2.2.4 Điều khiển luồng 62 2.2.5 Điều khiển truy nhập đường truyền 63 2.2.6 Các chuẩn lớp liên kết dữ liệu 67 2.3 Công nghệ Ethernet 69 2.3.1 Giới thiệu 69 2.3.2 Quan hệ giữa mô hình phân lớp Ethernet và mô hình tham chiếu OSI 70 2.3.3 Cấu trúc khung Ethernet 71 2.3.4 Quá trình truyền và nhận khung 72 2.3.5 Các chuẩn Ethernet 73 2.4 Công nghệ truy nhậpPTIT không dây 75 2.4.1 Các phương thức truy nhập không dây 75 2.4.2 Mạng vô tuyến tế bào 76 2.4.3 Mạng vô tuyến vệ tinh 77 2.4.4 Xu hướng phát triển các mạng vô tuyến 79 2.5 Một số công nghệ lớp liên kết dữ liệu khác 80 2.5.1 Giới thiệu 80 2.5.2 Giao thức PPP 80 2.5.3 ATM 81 2
4. Mục lục 2.5.4 MPLS 85 2.6 Tổng kết 88 2.7 Câu hỏi ôn tập 89 CHƯƠNG 3. LỚP MẠNG 91 3.1 Chức năng và hoạt động của lớp Mạng 91 3.1.1 Kĩ thuật lưu và chuyển gói 91 3.1.2 Thực thi dịch vụ hướng kết nối và phi kết nối 91 3.2 Định tuyến 92 3.2.1 Nguyên lí chung của định tuyến 92 3.2.2 Phân loại kĩ thuật định tuyến 96 3.2.3 Định tuyến tĩnh và định tuyến động 98 3.2.4 Định tuyến vectơ khoảng cách 101 3.2.5 Định tuyến trạng thái liên kết 107 3.2.6 Định tuyến lai ghép 112 3.3 Điều khiển tắc nghẽn 113 3.4 Các giao thức lớp mạng trong Internet 113 3.4.1 Giao thức IP 113 3.4.2 Giao thức ICMP 132 3.4.3 Giao thức ARP và RARP 134 3.4.4 Giao thức định tuyến RIP 137 3.4.5 Giao thức địnhPTIT tuyến OSPF 150 3.4.6 Giao thức định tuyến BGP 164 3.5 Tổng kết 178 3.6 Câu hỏi ôn tập 179 CHƯƠNG 4. LỚP GIAO VẬN 180 4.1 Các dịch vụ giao vận 180 4.2 Chức năng lớp giao vận 184 4.2.1 Đánh địa chỉ 185 4.2.2 Thiết lập kết nối 187 3
5. Mục lục 4.2.3 Giải phóng kết nối 188 4.2.4 Điều khiển luồng và bộ đệm 192 4.2.5 Khôi phục kết nối 195 4.3 Giao thức TCP 195 4.3.1 Truyền thông tiến trình-tới-tiến trình 196 4.3.2 Phân đoạn TCP 198 4.3.3 Điều khiển luồng (flow control) 200 4.3.4 Điều khiển lỗi 202 4.3.5 Các bộ định thời của TCP 203 4.3.6 Thiết lập và giải phóng kết nối 204 4.4 Giao thức UDP 206 4.4.1 Cổng UDP 206 4.4.2 Định dạng UDP datagram 207 4.4.3 Dịch vụ phi kết nối của UDP 208 4.5 Tổng kết 208 4.6 Câu hỏi ôn tập 208 CHƯƠNG 5. CÁC LỚP TRÊN 210 5.1 Lớp Phiên 210 5.1.1 Các dịch vụ 210 5.1.2 Giao thức 216 5.1.3 Các chuẩn PTIT 219 5.2 Lớp trình diễn 219 5.2.1 Các dịch vụ 219 5.2.2 Ký hiệu cú pháp trừu tượng ASN.1 222 5.2.3 Giao thức 224 5.2.4 Các chuẩn 225 5.3 Lớp ứng dụng 225 5.3.1 Giới thiệu 225 5.3.2 Kiến trúc Client/Server 225 4
6. Mục lục 5.3.3 Kiến trúc ngang hàng 226 5.3.4 Các dịch vụ lớp ứng dụng 227 5.4 Tổng kết 228 5.5 Câu hỏi ôn tập 228 CHƯƠNG 6. KĨ THUẬT VÀ THIẾT BỊ MẠNG IP 230 6.1 Kĩ thuật mạng cục bộ 230 6.1.1 Các thành phần mạng 230 6.1.2 Kiến trúc mạng 231 6.2 Các thiết bị mạng cục bộ 231 6.2.1 Bộ lặp 232 6.2.2 Cầu nối 233 6.3 Thiết bị định tuyến IP 234 6.3.1 Hoạt động của bộ định tuyến trong mạng 234 6.3.2 Các thành phần của bộ định tuyến 235 6.3.3 Các chế độ lệnh 237 6.4 Cổng nối 238 6.5 Tổng kết 239 6.6 Câu hỏi ôn tập 239 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 240 TÀI LIỆU THAM KHẢO 251 PTIT 5
7. Danh mục hình vẽ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Hai dạng cấu trúc của mạng LAN: Bus và Ring 14 Hình 1.2: Mạng đô thị xây dựng trên cơ sở mạng truyền hình cáp 16 Hình 1.3: Quan hệ giữa máy trạm, LAN và phân mạng 17 Hình 1.4: Dòng gói tin từ máy gửi truyền qua mạng tới máy nhận 19 Hình 1.5: (a) Kết nối Bluetooth. (b) LAN không dây 21 Hình 1.6: Quan hệ giữa dịch vụ và giao thức 26 Hình 1.7: Chồng giao thức truyền thông 27 Hình 1.8: Mô hình tham chiếu OSI 29 Hình 1.9: Các giao thức trong mô hình TCP/IP 36 Hình 1.10: Mô hình TCP/IP và OSI 37 Hình 2.1: Sóng hình sin 43 Hình 2.2: Biên độ, tần số và pha của sóng hình sin 44 Hình 2.3: Mã dịch pha 45 Hình 2.4: Sóng vuông 46 Hình 2.5: Cơ cấu truyền tín hiệu sóng số 46 Hình 2.6: Tín hiệu số và tương tự với tín hiệu tương tự và số 47 Hình 2.7: Các giao diện song song và nối tiếp 50 Hình 2.8: Khuôn dạng kí tự truyền dị bộ 51 Hình 2.9: Chuẩn lớp vật lí EIA-232-EPTIT 54 Hình 2.10: Khuyến nghị X.21 của ITU 55 Hình 2.11: Các gói được đóng khung ở lớp liên kết dữ liệu 56 Hình 2.12: Đường truyền thông ảo và đường truyền thực sự giữa hai trạm 57 Hình 2.13: Lớp liên kết dữ liệu truyền gói tin cho lớp mạng 57 Hình 2.14: Định khung bằng cách đếm kí tự 59 Hình 2.15: Định khung sử dụng byte cờ với kĩ thuật byte stuffing 60 Hình 2.16: Kĩ thuật bit stuffing 61 6
8. Danh mục hình vẽ Hình 2.17: Thủ tục truyền khung trong CSMA/CD 65 Hình 2.18: Các chuẩn LAN phổ biến 68 Hình 2.19: Mô hình phân lớp Ethernet và quan hệ với OSI 71 Hình 2.20: Cấu trúc khung Ethernet 72 Hình 2.21: Kết nối giữa 2 trạm trong mạng 10Base-T 74 Hình 2.22: Mạng 100Base-TX 74 Hình 2.23: Cấu hình hệ thống GSM 77 Hình 2.24: Phạm vi của thông tin vệ tinh 78 Hình 2.25: Các dịch vụ Vinasat 1 cung cấp 78 Hình 2.26: Lịch sử phát triển di động tới 3G 79 Hình 2.27: Đóng gói dữ liệu PPP 81 Hình 2.28: Tế bào ATM 82 Hình 2.29: Đóng gói dữ liệu vào các tế bào tại nút mạng ATM 82 Hình 2.30: Mô hình phân tầng ATM 83 Hình 2.31: Tiêu đề tế bào UNI và NNI 84 Hình 3.1: Bộ định tuyến sử dụng phần địa chỉ mạng để định tuyến dữ liệu 93 Hình 3.2: Liên mạng được chia thành nhiều hệ tự trị 95 Hình 3.3: Tuyến tĩnh tránh được cập nhật định tuyến qua liên kết WAN 99 Hình 3.4: Khả năng thay thế tuyến hỏng của định tuyến động 100 Hình 3.5: Các giao thức địnhPTIT tuyến duy trì và phân phối thông tin định tuyến 101 Hình 3.6: Giao thức véctơ khoảng cách gửi định kỳ các bản sao của bảng định tuyến và tích luỹ các véctơ khoảng cách 102 Hình 3.7: Các Bộ định tuyến véctơ khoảng cách khám phá đường đi tốt nhất đến đích từ các hàng xóm 102 Hình 3.8: Cập nhật định tuyến tiến hành từng bước, từ bộ định tuyến này tới bộ định tuyến khác 103 Hình 3.9: Bộ định tuyến A cập nhật bảng định tuyến để phản ánh số bước nhảy mới nhưng không đúng 103 Hình 3.10: Vòng lặp định tuyến tăng véctơ khoảng cách 104 7
9. Danh mục hình vẽ Hình 3.11: Giới hạn khoảng cách tối đa 105 Hình 3.12: Khái niệm phân chia ranh giới (split horizon) 106 Hình 3.13: Giải thuật trạng thái liên kết cập nhật thông tin tôpô của tất cả các bộ định tuyến khác 107 Hình 3.14: Trong định tuyến trạng thái liên kết, tất cả các bộ định tuyến cùng tính toán đường đi ngắn nhất tới đích 108 Hình 3.15: Tiến trình cập nhật trạng thái liên kết 109 Hình 3.16: Cập nhật không đồng bộ và đường đi không nhất quán dẫn đến sự không thể tới được mạng 110 Hình 3.17: Giao thức định tuyến lai chia sẻ các thuộc tính của định tuyến véctơ khoảng cách và trạng thái liên kết 112 Hình 3.18: Tiêu đề IP datagram 114 Hình 3.19: Ví dụ về phân mảnh 119 Hình 3.20: Giá trị của các trường khi datagram được phân mảnh 120 Hình 3.21: Định dạng tổng quát của một tùy chọn trong tiêu đề IP 121 Hình 3.22: Biểu diễn thập phân dấu chấm 122 Hình 3.23: Các lớp địa chỉ IP 123 Hình 3.24: Mạng với hai mức phân cấp (chưa phân mạng con) 128 Hình 3.25: Mạng với ba mức phân cấp (phân mạng con) 128 Hình 3.26: Hoạt động của ARP 136 Hình 3.27: Hoạt động của RARP PTIT 137 Hình 3.28: Ví dụ các bảng định tuyến RIP ban đầu 139 Hình 3.29: Ví dụ các bảng định tuyến RIP cập nhật cuối cùng 140 Hình 3.30: Định dạng bản tin RIP 140 Hình 3.31: Bản tin RIP yêu cầu 141 Hình 3.32: Bản tin RIP trả lời 142 Hình 3.33: Bộ định tuyến đưa thông tin về các mạng kết nối trực tiếp vào bảng định tuyến, metric tới mạng mạng này là 0 144 Hình 3.34: Bộ định tuyến nhận thông tin từ hàng xóm và cập nhật bảng định tuyến 144 8
10. Danh mục hình vẽ Hình 3.35: Định dạng gói RIPv2 145 Hình 3.36: Mục đầu tiên của gói RIPv2 được sử dụng cho chứng thực 148 Hình 3.37: Tuyến thay thế chỉ có khi cập nhật xong định tuyến 148 Hình 3.38: Đếm vô hạn xảy ra nếu có vòng lặp định tuyến 149 Hình 3.39: Số bước nhảy tối đa là 15 149 Hình 3.40: Hệ thống thuật ngữ OSPF 152 Hình 3.41: Các kiểu mạng OSPF 155 Hình 3.42: Bộ định tuyến chỉ định và chỉ định dự phòng 155 Hình 3.43: Tiêu đề gói OSPF 157 Hình 3.44: Định dạng dạng gói Hello 158 Hình 3.45: Các bộ định tuyến thiết lập mối quan hệ gần kề 159 Hình 3.46: Quá trình bầu DR và BDR chỉ được thực hiện trên mạng đa truy nhập 160 Hình 3.47: Các bước trao đổi để đến được trạng thái Full 161 Hình 3.48: Tuyến tốt nhất được chọn và đưa vào bảng định tuyến 162 Hình 3.49: Hệ tự trị 164 Hình 3.50: Hệ tự trị đơn kết nối 165 Hình 3.51: Hệ tự trị đa kết nối không chuyến tiếp 166 Hình 3.52: Hệ tự trị đa kết nối chuyến tiếp 167 Hình 3.53: Chỉ sử dụng BGP khi chính sách định tuyến khác với ISP 168 Hình 3.54: Đường đi AS PTIT 169 Hình 3.55: Thiết lập phiên hàng xóm 169 Hình 3.56: Cập nhật định tuyến chỉ chứa những thay đổi 170 Hình 3.57: Rút lại tuyến không hợp lệ 170 Hình 3.58: Tiêu đề BGP 171 Hình 3.59: Định dạng gói Open 171 Hình 3.60: Định dạng gói Update 172 Hình 3.61: Định dạng gói Keepalive 173 Hình 3.62: Định dạng gói Notification 174 9
11. Danh mục hình vẽ Hình 3.63: Máy hữu hạn trạng thái BGP 174 Hình 4.1: Lớp mạng, giao vận và ứng dụng 180 Hình 4.2: Mô hình của TPDU, gói và khung 183 Hình 4.3 Sơ đồ chương trình quản lý kết nối đơn giản 184 Hình 4.4: (a) Môi trường của lớp liên kết dữ liệu (b) Môi trường lớp giao vận 185 Hình 4.5 TSAPs, NSAPs, và kết nối giao thông 186 Hình 4.6 thiết lập một kết nối với một máy chủ thời gian trong ngày trong máy trạm 2 187 Hình 4.7 Ngắt kết nối đột ngột với mất dữ liệu 189 Hình 4.8 Vấn đề hai đội quân 190 Hình 4.9 Bốn kịch bản giao thức cho giải phóng một kết nối 191 Hình 4.10: (a) bộ đệm kích thước cố định. (b) bộ đệm kích thước thay đổi. (c) bộ đệm quay vòng cho mỗi kết nối 194 Hình 4.11: Cấu trúc tiêu đề TCP 199 Hình 4.12: Cửa sổ trượt 201 Hình 4.13: Quản lý cửa sổ 202 Hình 4.14: Thủ tục bắt tay ba bước 205 Hình 4.15: Thủ tục giải phóng kết nối bốn bước 206 Hình 4.16: Định dạng của UDP datagram 207 Hình 5.1: Kịch bản mẫu của các dịch vụ phiên 214 Hình 5.2: Vai trò của lớp phiên PTIT 215 Hình 5.3: Bốn cách biểu diễn dữ liệu của một mầu RGB 220 Hình 5.4: Vai trò của các loại cú pháp khác nhau 221 Hình 5.5: Kiến trúc khách chủ (client/server) 226 Hình 6.1: Các kiểu kiến trúc LAN 231 Hình 6.2: Bộ lặp hoạt động tại tầng vật lý trong mô hình OSI 232 Hình 6.3: Cầu nối hoạt động tại hai tầng thấp nhất trong mô hình OSI 233 Hình 6.4: Bộ định tuyến hoạt động tại 3 tầng thấp nhất trong mô hình OSI 235 10
12. Danh mục hình vẽ Hình 6.5: Thông tin cấu hình bộ định tuyến có thể đến từ nhiều nguồn 236 Hình 6.6: Các thành phần cấu hình bên trong bộ định tuyến 236 Hình 6.7: Cổng nối hoạt động ở cả 7 tầng trong mô hình OSI 238 PTIT 11
13. Danh mục bảng DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1: So sánh định tuyến trạng thái liên kết và véctơ khoảng cách 111 Bảng 3.2: Giá trị MTU đối với các mạng khác nhau 116 Bảng 3.3: Các địa chỉ đặc biệt 125 Bảng 3.4: Tiền tố CIDR và số lượng lớp C tương đương 131 Bảng 3.5: Bảng định tuyến vectơ khoảng cách 138 Bảng 3.6: 5 loại gói OSPF 152 Bảng 3.7: Một số thuộc tính đường đi hiện đang sử dụng 177 Bảng 4.1: Các khái niệm cơ bản của dịch vụ giao vận đơn giản 182 Bảng 4.2: Các cổng TCP thông dụng 197 Bảng 4.3: Các cổng UDP thông dụng 207 Bảng 5.1: Các dịch vụ nguyên thủy lớp Phiên 210 Bảng 5.2: Các nhóm chức năng dịch vụ phiên 215 Bảng 5.3: Cấu trúc tổng quát của SPDU 218 Bảng 5.4: Các dịch vụ nguyên thủy lớp trình diễn 221 Bảng 5.5: Các kiểu đơn giản trong ASN.1 223 Bảng 5.6: Các kiểu có cấu trúc xâyPTIT dựng sẵn trong ASN.1 224 12
14. Lời nói đầu LỜI NÓI ĐẦU Tài liệu trình bày những kiến thức cơ bản về kĩ thuật mạng truyền thông. Mỗi môi trường mạng có những đặc tính riêng với những yêu cầu khác nhau về thiết kế và vận hành. Mạng viễn thông có thể được phân loại theo nhiều quan điểm: phạm vi địa lí, công nghệ và phương thức chuyển giao thông tin, loại hình dịch vụ cung cấp, các giao thức sử dụng, Tùy vào đặc điểm và tính chất của dịch vụ cung cấp mà một mạng viễn thông có thể sử dụng công nghệ này hay công nghệ khác để thực hiện việc trao đổi thông tin. Song dù sử dụng công nghệ nào thì mục đích cuối cùng của mạng viễn thông là cung cấp dịch vụ viễn thông cho khách hàng với chất lượng cao nhất và giá thành rẻ nhất. Nội dung tài liệu được thiết kế gồm 6 chương với những nội dung chính như sau. Chương 1 giới thiệu khái quát về các loại mạng truyền thông hiện nay như mạng cục bộ, mạng đô thị, mạng diện rộng, giải pháp mạng không dây và vấn đề kết nối liên mạng. Mô hình phân lớp và nguyên lí hoạt động chung của mạng truyền thông được giới thiệu để làm cơ sở cho các nội dung chi tiết tiếp theo. Chương 2 trình bày các vấn đề cơ bản của lớp Vật lí và lớp Liên kết dữ liệu. Các kĩ thuật truyền tín hiệu ở lớp Vật lí, kiểm soát lỗi, điều khiển luồng cũng như điều khiển truy nhập đã được đề cập. Một số công nghệ lớp liên kết dữ liệu điển hình cũng được giới thiệu. Chương 3 trình bày hoạt động của lớp Mạng, các kĩ thuật định tuyến, điều khiển tắc nghẽn cũng như các giao thức lớp mạng trong Internet đã được đề cập một cách chi tiết. Chương 4 trình bày về chức năng, các thủ tục, dịch vụ và chuẩn của lớp Giao vận, sau đó đi sâu vào giới thiệu nguyên lí hoạt động và đặc điểm của hai giao thức giao vận điển hình là TCP và UDP. Chương 5 trình bày những nguyên lí hoạt động và đặc điểm kĩ thuật của các lớp trên trong mô hình giao thức, bao gồm lớp Phiên, Trình diễn và Ứng dụng. ChươngPTIT 6 tập trung vào giới thiệu về các kĩ thuật và thiết bị của môi trường mạng phổ biến và nhiều triển vọng nhất hiện nay là mạng IP. Những vấn đề kĩ thuật liên quan đến bài toán thiết kế, vận hành và khai thác mạng đã được cung cấp để giúp người học liên hệ những kiến thức lí thuyết đề cập ở các chương trên với vấn đề triển khai mạng trong thực tế. Tài liệu được biên soạn trong thời gian tương đối ngắn nên không tránh khỏi còn nhiều thiếu sót. Tác giả rất mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp từ phía độc giả và các đồng nghiệp. 13
15. Chương 1. Giới thiệu chung CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Các loại mạng truyền thông 1.1.1 Mạng cục bộ Mạng cục bộ, thường được gọi là LAN (Local Area Network), là mạng riêng trong một tòa nhà hoặc khuôn viên có phạm vi lên đến vài km. Chúng được sử dụng rộng rãi để kết nối máy tính cá nhân và máy trạm trong văn phòng công ty hay tổ chức để chia sẻ tài nguyên (ví dụ như máy in) và trao đổi thông tin . LAN được phân biệt với các loại mạng khác bởi ba đặc điểm: ( 1 ) kích thước , (2) công nghệ truyền dẫn, và (3) cấu trúc liên kết. Mạng LAN bị hạn chế về kích thước, do vậy thời gian truyền dẫn được đảm bảo trong giới hạn. Điều này tạo ra những thuận lợi nhất định trong thiết kế và quản lí mạng . Mạng LAN có thể sử dụng công nghệ truyền dẫn gồm một đường cáp mà tất cả các máy được nối tới. Mạng LAN truyền thống chạy ở tốc độ từ 10 Mbps đến 100Mbps , có độ trễ thấp (micro giây hoặc nano giây ) , và rất ít lỗi . Gần đây mạng LAN có thể hoạt động với tốc độ lên đến 10 Gbps (ở đây qui ước 1 Mbps là 1,000,000 bit/giây và 1 Gbps là 1,000,000,000 bit/giây). PTIT Hình 1.1: Hai dạng cấu trúc của mạng LAN: Bus và Ring Có rất nhiều cấu trúc liên kết có thể được sử dụng cho mạng LAN. Hình 1.1 cho thấy hai cấu trúc trong số đó. Trong mạng dạng bus, tại một thời điểm cho phép nhiều nhất một máy tính truyền dữ liệu . Tất cả các máy khác không được gửi. Một cơ 14
16. Chương 1. Giới thiệu chung chế điều khiển là cần thiết để giải quyết xung đột khi hai máy hoặc nhiều hơn muốn truyền dữ liệu đồng thời. Cơ chế điều khiển có thể tập trung hoặc phân tán. Ví dụ, chuẩn IEEE 802.3, thường được gọi là Ethernet, là một chuẩn mạng dựa trên bus với điều khiển không tập trung, thường hoạt động ở tốc độ từ 10 Mbps đến 10 Gbps. Máy tính trên một mạng Ethernet có thể truyền dữ liệu bất cứ khi nào muốn. Nếu có hai hay nhiều gói va chạm, mỗi máy tính chỉ chờ đợi một thời gian ngẫu nhiên và thử lại sau đó. Dạng cấu trúc mạng thứ hai là vòng (ring). Trong mạng này , mỗi bit truyền xung quanh vòng mà không phải chờ phần còn lại của gói tin mà nó thuộc về. Thông thường, mỗi bit chạy hết một vòng trong khoảng thời gian có vài bit được đưa vào vòng, cho đến khi toàn bộ gói tin được truyền đi. Giống như với các hệ thống truyền khác, một số quy tắc cần được thiết lập để để điều khiển sự truy nhập đồng thời vào vòng. Có nhiều phương pháp khác nhau có thể được sử dụng , chẳng hạn như để các máy thay phiên nhau truyền dữ liệu . IEEE 802.5 (IBM Token Ring) là chuẩn LAN dựa trên cấu trúc vòng hoạt động ở tốc độ 4 và 16 Mbps. FDDI cũng là một ví dụ của mạng hoạt động theo cấu trúc vòng. Mạng quảng bá có thể được chia thành tĩnh và động, tùy thuộc vào việc kênh được phân bổ như thế nào . Cơ chế phân bổ kênh tĩnh điển hình phân chia thời gian thành các khoảng thời gian rời rạc và sử dụng thuật toán quay vòng (round-robin), cho phép mỗi máy truyền khi đến lượt khe thời gian của mình. Cơ chế phân bổ kênh tĩnh không hiệu quả ở góc độ sử dụng băng thông khi một máy không có gì để truyền trong khe thời gian được phân bổ.PTIT Vì vậy hầu hết các hệ thống đều cố gắng để phân bổ kênh động (theo nhu cầu). Phương pháp phân bổ kênh động có thể là tập trung hoặc phân tán. Trong phương pháp phân bổ kênh tập trung, có một thực thể duy nhất, ví dụ đơn vị điều khiển bus, xác định người truyền tiếp theo. Nó có thể làm điều này bằng cách chấp nhận các yêu cầu và đưa ra quyết định theo một số thuật toán nội bộ. Trong phương pháp phân bổ kênh phân tán, không có thực thể trung tâm, mỗi máy phải tự quyết định khi nào thực hiện truyền tải. Có thể nghĩ rằng điều này sẽ dẫn đến sự hỗn loạn, nhưng không phải như vậy. Chúng ta sẽ nghiên cứu các thuật toán được thiết kế để tránh sự hỗn loạn này sau. 15
17. Chương 1. Giới thiệu chung 1.1.2 Mạng đô thị Một mạng khu vực đô thị, còn được gọi là MAN, có phạm vi trong một thành phố. Ví dụ nổi tiếng nhất của MAN là mạng truyền hình cáp có sẵn ở nhiều thành phố. Hệ thống này đã phát triển từ hệ thống ăng-ten công cộng trước đó. Trong các hệ thống này, một ăng-ten lớn được đặt trên đỉnh của một ngọn đồi gần đó và tín hiệu sau đó được truyền đến các thuê bao. Ban đầu là những mạng được thiết kế nội bộ và riêng biệt. Sau đó, các công ty bắt đầu tham gia kinh doanh và nhận được hợp đồng từ chính quyền để xây lắp mạng cho toàn thành phố. Bước tiếp theo là thiết kế chương trình cho các kênh truyền hình. Thường thì những kênh này có nhiều nội dung, chẳng hạn như tin tức, thể thao, nấu ăn, Bắt đầu từ khi Internet thu hút được một lượng quan tâm lớn, các nhà khai thác mạng cáp truyền hình đã bắt đầu nhận ra rằng với một số thay đổi đối với hệ thống, họ có thể cung cấp dịch vụ Internet hai chiều trong phần dải tần chưa sử dụng. Vào thời điểm đó, các hệ thống truyền hình cáp bắt đầu biến hình từ phân phối truyền hình cho một khu vực đô thị thành phân phối mạng đô thị. Trong Hình 1.2 chúng ta thấy cả hai tín hiệu truyền hình và Internet được đưa vào đầu cuối tập trung để phân phối tiếp đến hộ gia đình. Truyền hình cáp không phải là giải pháp MAN duy nhất. Sự phát triển của các công nghệ truyền dẫn quang và không dây tốc độ cao trong thời gian gần đây đã tạo ra nhiều giải pháp MAN khác và chúng ta sẽ xem xét chi tiết hơn những vấn đề này trong các phần sau. PTIT Hình 1.2: Mạng đô thị xây dựng trên cơ sở mạng truyền hình cáp 16
18. Chương 1. Giới thiệu chung 1.1.3 Mạng diện rộng Một mạng diện rộng, còn được gọi là WAN (Wide Area Network), có phạm vi trong một khu vực địa lý rộng lớn, thường là một quốc gia hay lục địa. Nó chứa một tập hợp các máy tính chạy các chương trình ứng dụng còn được gọi là máy trạm (host). Các máy trạm được nối với nhau bởi một phân mạng hay mạng con (subnet). Các máy trạm thuộc sở hữu của khách hàng (ví dụ, máy tính cá nhân của người dân), trong khi các phân mạng thường được sở hữu và điều hành bởi nhà cung cấp dịch vụ Internet. Chức năng của một mạng con là chuyển bản tin từ máy trạm đến máy trạm. Tách các khía cạnh truyền thông của mạng khỏi khía cạnh ứng dụng có thể giúp đơn giản hóa quá trình thiết kế mạng. Trong hầu hết các mạng diện rộng, một mạng con bao gồm hai thành phần khác nhau: đường dây và phần tử chuyển mạch. Đường dây vận chuyển các bit giữa các máy. Chúng có thể được làm bằng dây đồng, cáp quang, hoặc thậm chí liên kết vô tuyến. Các phần tử chuyển mạch là các máy tính chuyên dụng kết nối ba hoặc nhiều đường truyền. Khi dữ liệu trên một đường gửi đến, các phần tử chuyển mạch phải chọn một đường đi trên đó để chuyển tiếp chúng. Những máy tính chuyển mạch được gọi bằng tên khác nhau trong quá khứ, hiện tại chúng thường được gọi là bộ định tuyến (router). PTIT Hình 1.3: Quan hệ giữa máy trạm, LAN và phân mạng Trên Hình 1.3, mỗi máy trạm được kết nối với một mạng LAN rồi từ đó kết nối tới một bộ định tuyến , tuy nhiên trong một số trường hợp máy trạm có thể được kết nối trực tiếp với một bộ định tuyến . Tập hợp các đường truyền và thiết bị định tuyến (nhưng không phải các máy chủ) hình thành nên các phân mạng. 17
19. Chương 1. Giới thiệu chung Ban đầu, ý nghĩa duy nhất của thuật ngữ “phân mạng” là tập hợp các thiết bị định tuyến và đường truyền để vận chuyển các gói tin từ trạm nguồn đến trạm đích. Tuy nhiên, sau đó khái niệm “phân mạng” có một ý nghĩa thứ hai liên quan đến việc đánh địa chỉ mạng (chúng ta sẽ thảo luận sau). Trong hầu hết các WAN, mạng có nhiều đường truyền, mỗi một đường kết nối một cặp bộ định tuyến. Nếu hai bộ định tuyến không có đường truyền trực tiếp muốn trao đổi thông tin với nhau, chúng phải làm điều này một cách gián tiếp thông qua các bộ định tuyến khác. Khi một gói tin được gửi từ một bộ định tuyến này đến bộ định tuyến khác thông qua một hoặc nhiều router trung gian, các gói tin sẽ được bộ định tuyến trung gian nhận, lưu tạm ở đó cho đến khi đầu ra theo yêu cầu rỗi, và sau đó được chuyển tiếp đi. Một phân mạng tổ chức theo nguyên tắc này được gọi là “lưu và chuyển tiếp” (store-and-forward) hay phân mạng chuyển mạch gói (packet-switched). Hầu như tất cả mạng diện rộng (trừ khi sử dụng các vệ tinh) có các mạng con lưu và chuyển tiếp. Khi các gói có kích thước nhỏ và đều nhau, chúng thường được gọi là các tế bào. Nguyên tắc của WAN dựa trên chuyển mạch gói rất cần được nhấn mạnh. Một cách khái quát, khi một máy trạm có một bản tin cần gửi đến một số trạm khác, trạm gửi đầu tiên cắt bản tin thành các gói tin, mỗi gói mang số theo trình tự. Các gói dữ liệu sau đó được chuyển vào mạng liên tiếp nhau theo từng gói một . Các gói dữ liệu được vận chuyển qua mạng theo những cách riêng và tới các máy trạm tiếp nhận, nơi chúng được tập hợp lại thành bản tin ban đầu và chuyển cho quá trình tiếp nhận. Dòng gói tin thu được từ một số bản tinPTIT ban đầu được truyền qua mạng như minh họa trên Hình 1.4. 18
20. Chương 1. Giới thiệu chung Hình 1.4: Dòng gói tin từ máy gửi truyền qua mạng tới máy nhận Trong hình vẽ trên, tất cả các gói đi theo tuyến đường ACE, chứ không phải là ABDE hay ACDE. Trong một số mạng tất cả các gói từ một bản tin phải đi theo một con đường nhất định, còn trong những mạng khác các gói tin có thể được chuyển tiếp theo những tuyến riêng. Tất nhiên, nếu ACE là con đường tốt nhất, tất cả các gói dữ liệu có thể được gửi đi theo đường này ngay cả khi mỗi gói được định tuyến riêng. Việc lựa chọn đường đi được thực hiện tại bộ định tuyến . Khi một gói tin đến bộ định tuyến A, A cần đưa ra một quyết định để chuyển gói này trên đường B hoặc đường C. A dùng giải thuật định tuyến để đưa ra quyết định này . Chúng ta sẽ nghiên cứu một số giải thuật định tuyến chi tiết hơn trong các phần sau. Không phải tất cả WAN đều dựa trên chuyển mạch gói. Một giải pháp khác cho mạng WAN là hệ thống truyền dẫn vệ tinh. Mỗi bộ định tuyến có một ăng-ten để thông qua đó có thể gửi và nhận tín hiệu . Tất cả các bộ định tuyến có thể nhận dữ liệu từ các vệ tinh, và trong mộtPTIT số trường hợp, chúng cũng có thể nhận biết được việc truyền dữ liệu lên vệ tinh từ các bộ định tuyến đồng cấp với chúng. Đôi khi các bộ định tuyến được kết nối với một mạng con điểm-điểm , và chỉ có một số bộ định tuyến được trang bị ăng-ten vệ tinh. Mạng vệ tinh phù hợp với các trường hợp khi việc truyền thông tin mang tính quảng bá. 1.1.4 Mạng không dây Thông tin liên lạc kỹ thuật số không dây không phải là một ý tưởng mới. Ngay từ năm 1901, nhà vật lý người Ý Guglielmo Marconi đã cho thấy một con tàu có thể 19
21. Chương 1. Giới thiệu chung gửi điện báo vào bờ không cần qua dây dẫn bằng cách sử dụng mã Morse (dấu chấm và dấu gạch ngang là nhị phân). Hệ thống kỹ thuật số không dây hiện đại có hiệu suất tốt hơn, nhưng ý tưởng cơ bản là như nhau. Một cách khái quát, các mạng không dây có thể được chia thành ba loại chính: 1. Hệ thống kết nối. 2. LAN không dây. 3. WAN không dây. Hệ thống kết nối bao gồm tất cả các thành phần kết nối của một máy tính sử dụng sóng radio trong khoảng cách ngắn. Hầu hết các máy tính có màn hình, bàn phím, chuột, máy in và kết nối với khối xử lí chính bằng dây cáp. Nhiều người mới sử dụng gặp phải khó khăn khi muốn cắm tất cả các dây cáp vào đúng các lỗ cắm cần thiết. Do đó, một số công ty đã cùng nhau thiết kế một giải pháp mạng không dây tầm ngắn gọi là Bluetooth để kết nối các thành phần này mà không cần dây. Bluetooth cũng cho phép máy ảnh kỹ thuật số, tai nghe, máy quét và các thiết bị khác kết nối với một máy tính bằng cách chỉ được đưa trong phạm vi bắt sóng. Không có cáp, không cần cài đặt trình điều khiển, chỉ cần đặt và bật thiết bị lên, và chúng làm việc. Đối với nhiều người, khả năng hoạt động dễ dàng này là một lợi thế lớn. Ở hình thức đơn giản nhất, hệ thống kết nối sử dụng mô hình master-slave (chủ/thợ) như trên Hình 1.5(a). Khối hệ thống thường là chủ, liên hệ với thiết bị chuột, bàn phím, như thợ. Chủ nói vớiPTIT những người thợ sử dụng địa chỉ gì, khi nào có thể phát sóng, thời gian truyền tải là bao lâu, có thể sử dụng tần số nào? Chúng ta sẽ thảo luận về Bluetooth chi tiết hơn ở phần sau. 20
22. Chương 1. Giới thiệu chung Hình 1.5: (a) Kết nối Bluetooth. (b) LAN không dây Bước phát triển tiếp theo trong mạng không dây là WLAN (Wireless LAN). Đây là hệ thống trong đó mỗi máy tính có một modem không dây và ăng-ten mà nhờ đó nó có thể giao tiếp với các hệ thống khác. Thường có một ăng-ten đặt trên trần giúp các máy liên lạc với nhau, như thể hiện trên Hình 1.5(b). Tuy nhiên, nếu các máy đủ gần, chúng có thể giao tiếp trực tiếp với nhau trong một cấu hình peer-to-peer. Mạng LAN không dây đang trở nên ngày càng phổ biến trong các văn phòng nhỏ và gia đình, cũng như trong các tòa nhà văn phòng, phòng hội nghị và những nơi khác. Có một tiêu chuẩn cho mạng LAN không dây là IEEE 802.11 đang trở nên rất phổ biến và được ứng dụng trong hầu hết các hệ thống thực tiễn. Chúng ta sẽ thảo luận về nó trong chương 2. Loại thứ ba của mạng không dây được sử dụng trong các mạng diện rộng. Mạng vô tuyến dùng cho điệnPTIT thoại di động là một ví dụ của hệ thống không dây băng thông thấp. Hệ thống này đã trải qua một vài thế hệ. Thế hệ đầu tiên là tương tự và chỉ truyền tiếng nói. Thế hệ thứ hai là kỹ thuật số và chỉ truyền tiếng nói. Từ thế hệ thứ ba trở đi là kỹ thuật số và cho phép truyền cả thoại và dữ liệu. Theo một nghĩa nào đó, các mạng di động cũng giống như là mạng LAN không dây, ngoại trừ các khoảng cách lớn hơn nhiều và tốc độ bit thấp hơn. Mạng LAN không dây có thể hoạt động ở tốc độ lên tới 50 Mbps với khoảng cách hàng chục mét. Hệ thống di động hoạt động với tốc độ thấp hơn, nhưng khoảng cách giữa trạm cơ sở và các máy tính hoặc điện thoại được đo bằng km chứ không phải là bằng mét. 21
23. Chương 1. Giới thiệu chung Ngoài các mạng tốc độ thấp, mạng không dây diện rộng băng thông cao cũng đang được phát triển. Các hệ thống này tập trung hỗ trợ truy nhập Internet không dây tốc độ cao từ gia đình và doanh nghiệp thay vì điện thoại. Dịch vụ này thường được gọi là dịch vụ phân phối đa điểm. Một tiêu chuẩn cho nó là IEEE 802.16 (Wimax) cũng đã được phát triển. Hầu như tất cả các mạng không dây đều kết nối với mạng có dây tại một số điểm để cung cấp khả năng truy nhập vào các tập tin, cơ sở dữ liệu, và Internet. Tùy theo hoàn cảnh, có rất nhiều cách để thực hiện những kết nối này. Hiện nay, rất nhiều người tin rằng không dây sẽ là làn sóng của tương lai. 1.1.5 Kết nối liên mạng Nhiều mạng tồn tại trên thế giới, thường với phần cứng và phần mềm khác nhau. Người kết nối với một mạng thường muốn giao tiếp với mọi người kết nối với các mạng khác. Việc thực hiện mong muốn này đòi hỏi các mạng khác nhau (thường không tương thích cả về phần cứng và phần mềm) được kết nối với nhau, đôi khi thông qua phương tiện kĩ thuật được gọi là cổng kết nối (gateway) để tạo kết nối và cung cấp các sự tương thích phần cứng và phần mềm cần thiết. Một tập hợp các mạng kết nối với nhau được gọi là một liên mạng hay internet. Thuật ngữ này được sử dụng trong nghĩa rộng, phân biệt với khái niệm mạng toàn cầu Internet (thường được viết hoa) để chỉ một liên mạng cụ thể. Hình thức phổ biến của liên mạng là một tập hợp các LAN kết nối bởi một mạng WAN. Trong thực tế, nếu chúng ta thay thế các nhãn ''phân mạng'' trong Hình 1.3 bởi ''WAN'' thì sẽ không cóPTIT gì khác phải thay đổi để minh họa cho kết nối liên mạng . Sự khác biệt kỹ thuật giữa một phân mạng và WAN trong trường hợp này là sự có mặt của các máy trạm. Nếu hệ thống chỉ chứa các bộ định tuyến thì nó là một phân mạng, còn nếu nó có chứa cả các bộ định tuyến và máy trạm thì nó là một WAN. Sự khác biệt thực tế ở đây liên quan đến quyền sở hữu và sử dụng. Phân mạng , mạng, và liên mạng thường bị nhầm lẫn. Phân mạng thể hiện được hầu hết ý nghĩa trong ngữ cảnh của một mạng diện rộng, khi nó đề cập đến tập các bộ định tuyến và đường truyền thuộc sở hữu của nhà điều hành mạng . Sự kết hợp của 22
24. Chương 1. Giới thiệu chung một phân mạng và các máy trạm của nó tạo thành một mạng. Trong trường hợp LAN, các đường cáp nối và máy trạm tạo thành một mạng. Khi đó không có phân mạng. Một liên mạng được hình thành khi các mạng khác nhau được kết nối với nhau. Theo quan điểm của chúng ta, kết nối mạng LAN và WAN hoặc kết nối hai mạng LAN tạo thành một liên mạng. Một nguyên tắc nhỏ là nếu các tổ chức khác nhau xây dựng và sở hữu các phần khác nhau của mạng, chúng ta có một liên mạng. Còn nếu các phần mạng khác nhau sử dụng các công nghệ khác nhau thì cũng có thể coi là chúng ta có hai mạng. 1.2 Nguyên lí hoạt động chung của mạng truyền thông 1.2.1 Sự phân lớp giao thức Để giảm độ phức tạp trong thiết kế, hầu hết các mạng được tổ chức theo mô hình phân lớp . Số lượng các lớp, tên của mỗi lớp, nội dung và chức năng của mỗi lớp với các mạng là khác nhau. Mục đích của mỗi lớp là cung cấp các dịch vụ nhất định cho lớp cao hơn. Có thể hiểu, mỗi lớp là một loại máy ảo, cung cấp dịch vụ nhất định cho các lớp trên. Khái niệm này thực sự quen thuộc trong quá trình sử dụng máy tính, nơi nó được biết đến bởi nhiều cách gọi khác nhau như là ẩn thông tin, các loại dữ liệu trừu tượng, đóng gói dữ liệu, và lập trình hướng đối tượng. Ý tưởng cơ bản ở đây là một thực thể (phần mềm hay phần cứng) cung cấp dịch vụ cho thực thể khác sử dụng nhưng ẩn đi các chi tiết về các trạng thái hay giải thuật sử dụng bên trong. 1.2.2 Thiết kế chức năng cho các lớp Khi thiết kế chức năngPTIT cho các lớp mạng truyền thông thường người ta tuân thủ một số nguyên tắc sau đây: - Số lượng các lớp không nhiều quá để đơn giản hóa việc thiết kế mạng, song cũng không được ít quá vì khi đó các bài toán cần giải quyết trên mỗi lớp lại trở nên quá phức tạp; - Tạo ranh giới các lớp sao cho sự tương tác và mô tả các dịch vụ giữa chúng là tối thiểu; - Chia các lớp sao cho các chức năng khác nhau được tách biệt với nhau; các lớp sử dụng các loại công nghệ khác nhau cũng được tách biệt; 23
25. Chương 1. Giới thiệu chung - Các chức năng giống nhau được đặt vào cùng một lớp; các chức năng được định vị sao cho có thể thiết kế lại lớp mà ảnh hưởng ít nhất đến các lớp kề nó; - Tạo ranh giới các lớp sao cho có thể chuẩn hóa các giao diện tương ứng và theo kinh nghiệm đã được chứng tỏ là thành công; - Khi dữ liệu được xử lí một cách khác biệt thì cần phải tạo một lớp mới; - Các thay đổi về chức năng hoặc giao thức trong một lớp không được ảnh hưởng đến các lớp khác (đảm bảo tính trong suốt giữa các lớp); - Mỗi lớp chỉ có các ranh giới (giao diện) với các lớp kề trên và dưới nó. - Có thể chia một lớp thành các lớp con khi cần thiết; nguyên tắc chia lớp con được áp dụng tương tự như trên; khi không cần thiết các lớp con có thể hủy bỏ. 1.2.3 Dịch vụ hướng kết nối và phi kết nối Mỗi lớp có thể cung cấp hai loại hình dịch vụ cho các lớp phía trên chúng: hướng kết nối và phi kết nối. Dịch vụ hướng kết nối được xây dựng theo ý tưởng của hệ thống điện thoại. Khi muốn nói chuyện với ai đó, bạn nhấc điện thoại, quay số, nói chuyện, và sau đó tắt máy. Tương tự như vậy, để sử dụng một dịch vụ hướng kết nối mạng, người sử dụng dịch vụ đầu tiên thiết lập một kết nối, sử dụng kết nối, và sau đó kết thúc kết nối. Một cách đơn giản, kết nối hoạt động như một cái ống: người gửi đẩy các đối tượng (bit) vào một đầu ống, và người nhận lấy chúng ra ở đầu kia. Trong hầu hết các trường hợp, thứ tự các bit được giữ đúng như khi chúng được gửi. Trong một vài trường hợp khi kết nối được thiết lập, bên gửi, bên nhận và phân mạng tiến hành đàm phán về cácPTIT thông số được sử dụng, chẳng hạn như kích thước bản tin tối đa, chất lượng dịch vụ yêu cầu , và các vấn đề khác. Thông thường, một bên đưa ra đề nghị và bên kia có thể chấp nhận, từ chối, hoặc đưa ra một đề xuất thay thế. Ngược lại, dịch vụ phi kết nối được phỏng theo hoạt động của hệ thống bưu chính. Mỗi bản tin (thư) mang đầy đủ địa chỉ đích và được chuyển tiếp thông qua hệ thống một cách độc lập. Thông thường, khi hai bản tin được gửi đến cùng một đích, bản tin được gửi trước sẽ đến nơi trước. Tuy nhiên, có thể xảy ra trường hợp bản tin đầu tiên bị trễ và để cho bản tin thứ hai đến trước. 24
26. Chương 1. Giới thiệu chung Mỗi dịch vụ có thể được đặc trưng bởi chất lượng dịch vụ. Một số dịch vụ đáng tin cậy có nghĩa là chúng không bao giờ bị mất dữ liệu. Thông thường, dịch vụ tin cậy được đảm bảo bằng thủ tục máy thu xác nhận rằng gói tin đã đến. Quá trình xác nhận thường gây ra thời gian trễ, và đôi khi không như mong muốn. Khi chủ sở hữu của tập tin muốn chắc chắn rằng tất cả các bit đến một cách chính xác và theo thứ tự chúng được gửi thì lựa chọn dịch vụ hướng kết nối tin cậy là thích hợp. Rất ít khách hàng muốn sử dụng một dịch vụ mà đôi khi những tập tin mất một vài bit, ngay cả khi nó là nhanh hơn nhiều. Như đã đề cập ở trên, đối với một số ứng dụng, sự chậm trễ trong truyền tải là không thể chấp nhận. Một trong những ứng dụng như vậy hiện nay là thoại gói. Người sử dụng điện thoại có thể chấp nhận một chút tiếng ồn trên đường dây hơn là phải chờ một lúc lâu để nghe câu trả lời. Tương tự như vậy, trong một phiên hội nghị truyền hình, không có vấn đề gì lớn khi có một vài điểm ảnh bị sai, nhưng dừng hình ảnh do trễ là một lỗi rất khó chịu. Không phải tất cả các ứng dụng đều cần phải thiết lập kết nối. Ví dụ, thư điện tử ngày nay đang trở nên phổ biến, kéo theo đó là thư điện tử rác cũng trở thành phổ biến hơn nữa. Người gửi thư rác có lẽ không muốn gặp phải sự phức tạp để thiết lập và sau đó giải phóng một kết nối chỉ để gửi một bức thư. Cũng không nhất thiết phải yêu cầu phương thức gửi tin cậy, đặc biệt là nếu chi phí bị nhiều lên. Tất cả những gì họ cần là cách để gửi một tin nhắn với khả năng đến đích cao (nhưng không có bảo đảm). Dịch vụ phi kết nối không tin cậy (có nghĩa là không được xác nhận) thường được gọi là dịch vụ lược đồ dữ liệu (datagram),PTIT với tên gọi lấy tương tự như dịch vụ điện tín truyền thống, khi không cần gửi xác nhận cho người gửi. 1.2.4 Sự tương tác giữa dịch vụ và giao thức Dịch vụ và giao thức là những khái niệm khác nhau, mặc dù chúng thường bị nhầm lẫn. Sự phân biệt này rất quan trọng. Dịch vụ là một tập hợp các hoạt động nguyên thủy mà một lớp cung cấp cho lớp trên. Dịch vụ xác định những hoạt động mà một lớp thực hiện nhưng không nói gì về việc các hoạt động này được thực hiện như thế nào . Một dịch vụ liên quan đến một giao diện giữa hai lớp, trong đó lớp thấp hơn là lớp cung cấp dịch vụ, lớp trên là lớp sử dụng dịch vụ. 25
27. Chương 1. Giới thiệu chung lớp k+1 lớp k+1 Dịch vụ cung cấp bởi lớp k lớp k lớp k Giao thức lớp k-1 lớp k-1 Hình 1.6: Quan hệ giữa dịch vụ và giao thức Giao thức, ngược lại, là một bộ các quy tắc quản lý định dạng và ý nghĩa của các gói tin hay bản tin được trao đổi bởi các thực thể ngang hàng trong một lớp. Các thực thể sử dụng giao thức để thực hiện các nghĩa vụ của chúng. Chúng có quyền thay đổi các giao thức theo ý muốn, miễn là chúng không làm thay đổi các dịch vụ mà các thực thể sử dụng chúng nhìn thấy. Theo cách này , dịch vụ và giao thức là hoàn toàn tách rời. Nói cách khác, dịch vụ liên quan đến giao diện giữa các lớp, như minh họa trên Hình 1.6. Ngược lại, giao thức liên quan đến các gói tin gửi giữa các thực thể ngang hàng trên các máy khác nhau. Điều quan trọng là không nhầm lẫn giữa hai khái niệm này. Có một sự tương tự nếu so sánh với ngữ cảnh của các ngôn ngữ lập trình. Dịch vụ giống như một kiểu dữ liệu PTITtrừu tượng hay một đối tượng trong ngôn ngữ hướng đối tượng. Nó định nghĩa các hoạt động có thể được thực hiện trên một đối tượng nhưng không xác định bằng cách nào các hoạt động này được thực hiện. Giao thức liên quan đến việc thực hiện các dịch vụ và như vậy không hiển thị cho đối tượng sử dụng dịch vụ nhìn thấy. Tập hợp các lớp và các giao thức của mỗi lớp gọi là chồng giao thức. Chồng giao thức này được tổ chức đủ để đảm bảo được việc giao tiếp giữa các nút trong mạng. Để truyền thông thành công, hai máy tính phải sử dụng chính xác cùng một chồng giao thức. Mỗi lớp sẽ tuân theo chồng giao thức này với cùng một tiêu chuẩn chi tiết. 26
28. Chương 1. Giới thiệu chung Phần mềm Máy chủ A Máy chủ B Phần mềm ứng dụng Giao thức tầng n Tầng n Tầng n ứng dụng Truyền thông ảo giữa các thực thể ngang hàng tại tầng Giao thức tầng 5 4 Tầng 5 Tầng 5 Truyền thông vật lý Giao thức tầng 4 giữa tầng 4 của máy Tầng 4 Tầng 4 chủ A và B Giao thức tầng 3 Dịch vụ cung cấp Tầng 3 Tầng 3 bởi tầng 3 Giao thức tầng 2 Giao điện giữa tầng Tầng 2 Tầng 2 2 và tầng 3 Giao thức tầng 1 Tầng 1 Tầng 1 Môi trường vật lý Hình 1.7: Chồng giao thức truyền thông Hình 1.7 minh họa các khái niệm về giao thức, giao diện và chồng giao thức của hệ thống mạng máy tính. Ở đây chồng giao thức gồm có n lớp, mỗi lớp trên một máy tính thực hiện một cuộc đối thoại với lớp tương ứng của máy tính khác. Các luật và các quy ước được sử dụng trong cuộc đối thoại này được biết đến như là giao thức của lớp này. Chúng ta có thể nói rằng giao thức chỉ rõ ý nghĩa, định dạng của thông tin mà một lớp gửi xuống lớp dưới. Thông tin này được nhận và được hiểu bởi lớp tương ứng tại phía bên kia nếu như ở đó cũng sử dụng cùng giao thức này. Nhờ có giao thức, mỗi lớp bên dưới cung cấp các dịch vụ cho lớp trên nó. Đôi khi các đặc tả dịch vụ đượcPTIT tách rời khỏi các đặc tả giao thức. Chúng ta có thể nói dịch vụ của một lớp xác định lớp đó như thế nào theo cách nhìn của lớp trên nó. Ví dụ, nếu một lớp cung cấp dịch vụ truyền dữ liệu có hoặc không có chế độ tìm lỗi, thì lớp trên có thể sử dụng dịch vụ đó ở chế độ có tìm lỗi hay không là tuỳ ý. Việc các dịch vụ được thực hiện như thế nào trong một lớp được chỉ rõ trong đặc tả giao thức. Các giao diện giữa các lớp được định nghĩa càng đơn giản, càng rõ ràng càng tốt và mỗi lớp thực hiện một tập hợp cụ thể các chức năng. 27
29. Chương 1. Giới thiệu chung 1.3 Các mô hình phân lớp mạng 1.3.1 Mô hình OSI Vào cuối thập niên 70 của thế kỷ 20, tổ chức tiêu chuẩn hoá quốc tế (ISO) đã lập ra một tiểu ban nhằm phát triển một khung chuẩn cho kiến trúc mạng máy tính, đó chính là mô hình tham chiếu cho việc kết nối các hệ thống mở (OSI). Mục đích của mô hình này là giảm thiểu sự không tương thích giữa các hệ thống máy tính. Năm 1982, ISO phát hành bản dự thảo các tiêu chuẩn quốc tế mang tên ISO 7498. Tài liệu này chỉ đưa ra khung chuẩn cho việc thiết kế các giao thức truyền thông chứ không đưa ra các đặc tính kỹ thuật chi tiết cần thiết cho tính tương thích. CCITT và ITU-T đã phát hành tài liệu này trên khuyến nghị X.200. Ban đầu OSI được thiết kế cho truyền thông máy tính. Ngày nay dữ liệu và thoại không nhất thiết phải được tách ra thành các mạng khác nhau. Nhiều khi mạng không biết và không quan tâm tới việc dữ liệu đang truyền chứa thông tin gì. ISO và ITU-T định rõ tất cả các hệ thống và mạng mới theo nguyên lý phân lớp của OSI. Tuy nhiên có một vài hệ thống toàn cầu không được thiết kế theo OSI, tiêu biểu nhất là Internet. Internet dựa trên các chuẩn sẵn có, nhưng không được phê chuẩn bởi ISO hoặc ITU-T. Tên OSI xuất phát từ mục đích làm cho các hệ thống trở thành “mở” với hệ thống khác trong việc truyền thông. Các nhà sản xuất được tự do sử dụng các đặc tính kỹ thuật “mở” này. Tuy nhiên vẫn tồn tại nhiều hệ thống truyền dữ liệu độc quyền, các đặc tính kỹ thuật của hệ thống này là độc quyền của nhà sản xuất. Do vậy chúng không thể sử dụng được cho các hệ thống khác. Trong mô hình OSI, hệ thống truyền thông được chia thành 7 lớp (Hình 1.8). Khi chúng ta xem xét đến các chức năng mỗi lớp thực hiện, chúng ta sẽ nhận thấy ở các lớp càng thấp càng có nhiều PTITchức năng liên quan đến công nghệ mạng sử dụng cho truyền dữ liệu thực sự. Còn các lớp càng cao càng có nhiều chức năng phục vụ cho các ứng dụng phầm mềm chạy trên các máy chủ. Trong mô hình OSI, tất cả các lớp từ 4 đến 7 được thực hiện chỉ trong truyền thông ở các máy trạm, chúng không thực hiện quá trình truyền dữ liệu đầu-cuối thực sự. Quá trình này thuộc về các lớp từ 1 đến 3. Mục đích của các lớp cao nhất là trợ giúp cho các ứng dụng phần mềm, và để thực hiện được điều này các lớp cao nhất cung cấp các dịch vụ phức tạp hơn chứ không chỉ đơn giản là một luồng dữ liệu. Luồng dữ liệu này được lớp mạng cung cấp và có thể chứa lỗi. Trong trường hợp dịch vụ phục hồi lỗi không được giao thức lớp giao vận cung cấp thì các nhà thiết kế phần mềm ứng dụng phải thiết kế một lược đồ phục hồi lỗi trong ứng dụng của mình. 28
30. Chương 1. Giới thiệu chung Phần mềm Phần mềm ứng dụng ứng dụng Máy chủ A Máy chủ B Giao thức tầng ứng dụng Tầng 7 Application Ứng dụng Giao thức tầng trình diễn Tầng 6 Presentation Trình diễn Giao thức tầng phiên Tầng 5 Session Phiên Giao thức tầng giao vận Tầng 4 Transport Giao vận Mạng truyền thông cấp dưới a) a) Tầng 3 Network Network Mạng Mạng b) b) Data link Data link Liên kết dữ liệu Liên kết dữ liệu Tầng 2 c) c) Tầng 1 Physical Physical Vật lý Vật lý a) Giao thức tầng mạng b) Giao thức tầng liên kết dữ liệu Môi trường vật lý c) Giao thức tầng vật lý Hình 1.8: Mô hình tham chiếu OSI 1.3.1.1 Lớp vật lý Lớp vật lý liên quan đến quá trình truyền dẫn tín hiệu qua một kênh truyền thông. Vấn đề chính của việc thiết kế là đảm bảo khi một bên gửi bit “1” thì bên kia cũng phải nhận được bit “1” chứ không phải bit “0”. Các đặc tính kỹ thuật điển hình của lớp vật lý gồm: tốc độ bit, giá trị điện áp (hay cường độ dòng điện) được sử dụng để biểu diễn bit “0” và bit “1”, số chân cắm và loại bộ nối (connector) sử dụng. Lớp vật lý trong các hệ thống được thiết kế để giảm thiểu lỗi khi hoạt động. Trong trường hợp có lỗi thì các lớp trên sẽ bị ảnh hưởng. Các đặc tả của lớp PTITvật lý liên quan đến các giao diện điện, cơ và phương tiện truyền dẫn vật lý. Phương tiện truyền dẫn được hiểu là ở dưới lớp vật lý, nhưng các đặc tính nó yêu cầu có chứa trong đặc tả của lớp vật lý. 1.3.1.2 Lớp liên kết dữ liệu Lớp liên kết dữ liệu có nhiệm vụ tạo lập các khung, gửi chúng tới kênh truyền thông vật lý thông qua lớp vật lý; nhận khung, kiểm tra lỗi và chuyển khung không có lỗi lên lớp mạng. Lớp liên kết dữ liệu phía nhận gửi tín hiệu xác nhận cho lớp liên kết dữ liệu phía truyền. Phía truyền có thể truyền lại khung nếu trong một khoảng thời gian nhất định phía nhận không gửi tín hiệu xác nhận. ISO định rõ lớp liên kết dữ liệu cho các mạng LAN và chia các đặc tả thành 2 lớp con: 29
31. Chương 1. Giới thiệu chung - Lớp con điều khiển truy nhập phương tiện (MAC – Medium Access Control) - Lớp con điều khiển liên kết logic (LLC – Logical Link Control) Do tính chất phức tạp của lớp liên kết dữ liệu trong các mạng LAN mà sự phân chia này là cần thiết. Trong mạng LAN, các máy tính được nối tới cùng một dây cáp, chúng chia sẻ khả năng truyền dẫn của một kênh quảng bá (đa truy nhập hoặc truy nhập ngẫu nhiên). Lớp con MAC liên quan đến các chức năng phụ thuộc phần cứng mạng. Hai ví dụ phổ biến nhất của các công nghệ truy nhập mạng LAN là CSMA/CD (Ethernet) và Token Ring. Lớp con LLC quan tâm nhất đến khía cạnh toàn vẹn dữ liệu như: truyền lại dữ liệu, xác nhận việc nhận dữ liệu. Đối với các liên kết điểm-điểm đơn giản hơn thì không cần phải tách lớp MAC. Trong trường hợp này, chỉ một đặc tả giao thức lớp liên kết dữ liệu cũng có thể bao phủ toàn bộ lớp liên kết dữ liệu. Trong mạng LAN, mỗi máy tính có riêng một địa chỉ MAC (địa chỉ phần cứng). Địa chỉ này được sử dụng để xác định nguồn và đích của mỗi khung trên kênh quảng bá. Nhờ có địa chỉ MAC, các máy tính có thể có một kết nối điểm-điểm thông qua một kênh quảng bá được chia sẻ bởi nhiều kết nối điểm-điểm. Cần chú ý rằng địa chỉ MAC chỉ được sử dụng ở bên trong mạng LAN chứ không được truyền tới các mạng khác. 1.3.1.3 Lớp mạng Các lớp bên dưới lớp mạng chỉ quan tâm đến các kết nối điểm-điểm giữa 2 nút. Lớp mạng có những kiến thức về kiến trúc mạng và cùng với lớp mạng của các nút nó phục vụ, các gói dữ liệu được định tuyến thông qua mạng để tới đích. Mỗi nút có riêng một địa chỉ toàn cục (lớp mạng). Vấn đề chính yếu là xác định có bao nhiêu gói tin được định tuyến từ điểm nguồn tới điểm đích. Việc định tuyến có thể dựa trên các bảng định tuyến cố định tại lớp mạng và chúng hiếm khi thay đổi, hoặc các tuyến có thể thay đổi để phản ánh tải trọng hiện thời của mạng. Khi có nhu cầu, các máy chủ của mạng có thể tự do gửi các gói tin. Chúng thường không được biết gì về mật độ lưu lượng của các máy chủ khác hoặc của các kết nối trên mạng. Tình cờ, nếu cóPTIT nhiều máy chủ cùng trao đổi thông tin tại một thời điểm và có quá nhiều gói được truyền thì sẽ tạo ra các khu vực dễ bị tắc nghẽn trên mạng. Việc điều khiển tắc nghẽn cũng thuộc về lớp mạng. Trong các mạng dữ liệu công cộng, chức năng tính cước thường được xây dựng bên trong lớp mạng. Phần mềm trong lớp mạng phải đếm xem có bao nhiêu gói tin hoặc ký tự mà mỗi khách hàng đã gửi để đưa ra thông tin tính cước. Trong một mạng quảng bá biệt lập (chẳng hạn Ethernet) việc định tuyến đơn giản đến mức có thể không cần đến lớp mạng. Địa chỉ MAC có thể nhận dạng các máy chủ. Tuy nhiên nếu các mạng này được nối tới các mạng khác, thì bắt buộc phải có các địa chỉ mạng. Chú ý rằng các địa chỉ MAC sử dụng trong lớp liên kết dữ liệu là không quan trọng bên ngoài mạng LAN. 30
32. Chương 1. Giới thiệu chung 1.3.1.4 Lớp giao vận Lớp giao vận là lớp đầu-cuối thực sự đầu tiên. Các giao thức từ lớp giao vận trở lên của các trạm sử dụng mạng như một kết nối điểm-điểm để truyền thông. Thông điệp nguồn trên đường đi có thể được lớp mạng tách ra và lớp phiên bên nhận sẽ là nơi đầu tiên các gói nhỏ thuộc cùng một thông điệp gặp lại nhau. Lớp giao vận hoạt động như một lớp giao diện giữa các lớp thấp (dành cho việc kết nối mạng) và các lớp cao (dành cho các dịch vụ ứng dụng). Nhiệm vụ của lớp này là đảm bảo thường xuyên việc truyền dẫn từ đầu cuối đến đầu cuối không có lỗi và các gói tin không bị mất trong quá trình truyền thông. Để thực hiện điều này trong lớp giao vận có thể bao gồm các thủ tục truyền lại hoặc thủ tục xác nhận. Lớp giao vận thường cung cấp 2 lớp dịch vụ cơ sở cho lớp phiên: - Truyền các thông điệp và gói dữ liệu riêng biệt qua mạng. Các thông điệp được truyền có thể tới đích theo thứ tự khác nhau và lỗi có thể xuất hiện. Ví dụ giao thức UDP – User Datagram Protocol của Internet (không thuộc về các giao thức OSI) và giao thức giao vận, lớp 1 (TP1) của OSI (IS 9072). - Kênh truyền điểm-điểm không lỗi sẽ chuyển các thông điệp theo cùng một thứ tự như khi chúng được gửi. Ví dụ giao thức điều khiển truyền thông (TCP) của Internet (không có trong chuẩn giao thức OSI) và TP4 của OSI (IS 8072/8073) 1.3.1.5 Lớp phiên Lớp giao vận đảm bảo cho sự thành công trong truyền thông đầu-cuối giữa các máy tính. Thực tế, quá trình truyền thông được thực hiện bởi 4 lớp bên dưới lớp phiên. Ba lớp cao nhất không cần thiết cho quá trình truyền dữ liệu, nhưng chúng tạo sự tương thích cho các ứng dụng và do vậy các chương trình ứng dụng chạy trên các máy có thể hiểu được nhau. Lớp phiên cho phép sử dụng trên các máy khác nhau thiết lập các phiên làm việc với nhau. Ví dụ, nó cho phép người sử dụng truy nhập vào một hệ thống chia sẻ thời gian ở xaPTIT hoặc cho phép truyền tệp giữa 2 máy tính. Lớp phiên cho phép truyền thông các dữ liệu bình thường, giống như lớp giao vận thực hiện, nhưng nó còn cung cấp một số dịch vụ mở rộng hữu ích cho các ứng dụng. Chẳng hạn dịch vụ quản lí điều khiển đàm thoại. Các phiên làm việc có thể cho phép truyền thông 2 hướng hoặc 1 hướng tại một thời điểm. Nếu truyền thông một hướng được cho phép, lớp phiên có thể cho biết hướng nào đang sử dụng. Lớp phiên còn cung cấp chức năng quản lí thẻ bài, và với sự trợ giúp của chức năng này chỉ có máy nào nắm thẻ bài mới có thể thực hiện một thao tác nguy cấp. Một dịch vụ khác của lớp phiên là dịch vụ truyền thành công các tệp kích thước lớn. Nếu không có dịch vụ này thì chỉ cần một lỗi đơn giản trong quá trình truyền thông cũng có thể phá hủy cả một tệp và do đó phải truyền lại cả tệp. Để hạn chế điều 31
33. Chương 1. Giới thiệu chung này, lớp phiên cung cấp cách chèn các điểm kiểm tra vào trong luồng dữ liệu, và do vậy nếu có lỗi thì chỉ cần truyền lại dữ liệu từ điểm kiểm tra cuối cùng. 1.3.1.6 Lớp trình diễn Như chúng ta thấy, các lớp thấp chủ yếu liên quan tới quá trình truyền có thứ tự các bit hoặc dữ liệu từ nguồn đến đích. Thay vào đó, lớp trình diễn liên quan đến dạng thông tin được truyền đi. Mỗi máy tính có thể có cách biểu diễn dữ liệu nội tại riêng của nó, do vậy những thoả thuận và chuyển đổi là cần thiết để các máy tính có thể hiểu được nhau. Nhiệm vụ của lớp trình diễn là mã hóa dữ liệu được cấu trúc theo các định dạng của máy tính thành luồng dữ liệu phù hợp cho truyền dẫn. Chẳng hạn như việc nén dữ liệu. Lớp trình diễn phía nhận giải mã dữ liệu đã được nén thành dạng biểu diễn được yêu cầu. Lớp trình diễn giúp cả 2 máy tính hiểu được ý nghĩa của luồng bit nhận được theo cùng một cách. Các máy tính khác nhau có cách biểu diễn dữ liệu nội tại khác nhau. Tất cả các máy tính lớn IBM đều sử dụng mã trao đổi thập phân được mã hoá nhị phân mở rộng (EBCDIC – Extended Binary-Coded Decimal Interchange Code), mã ký tự 8 bit; trong khi thực tế tất cả các máy khác đều sử dụng mã ASCII 7 hoặc 8 bit. Các chíp Intel đánh số các byte của nó từ phải sang trái, trong khi các chíp Motorola thì lại đánh số từ trái qua phải. Do các hãng sản xuất máy tính hiếm khi thay đổi các quy ước của riêng mình nên các chuẩn toàn cầu cho việc biểu diễn dữ liệu nội tại sẽ không bao giờ được chấp nhận. Một giải pháp đảm bảo tính tương thích là định nghĩa một chuẩn cho “dạng biểu diễn mạng” của dữ liệu. Như vậy bất kỳ máy tính nào cũng có thể truyền thông được với các máy tính khác nếu nó chuyển đổi những biểu diễn dữ liệu nội tại thành dạng mạng được chuẩn hoá này. 1.3.1.7 Lớp ứng dụng PTIT Lớp ứng dụng bao hàm các ứng dụng truyền thống sử dụng dịch vụ của các lớp thấp hơn. Các ứng dụng của người sử dụng thực hiện các công việc trên máy tính không thuộc vào lớp ứng dụng, nhưng chúng trao đổi thông tin nhờ sự trợ giúp của giao thức lớp ứng dụng. Chương trình xử lý văn bản là một ví dụ về ứng dụng của người sử dụng. Để phục vụ các ứng dụng người sử dụng, các ứng dụng truyền thông cần thiết như truyền tệp hoặc một đầu cuối ASCII thường được định nghĩa như các giao thức lớp ứng dụng. Ứng dụng truyền thông cung cấp cho các ứng dụng người sử dụng những dịch vụ không phụ thuộc nhà sản xuất. Các dịch vụ lớp ứng dụng thường sẵn có đối với các lập trình viên giống như các dịch vụ khác cuả hệ điều hành. Với sự trợ giúp 32
34. Chương 1. Giới thiệu chung của các dịch vụ này, nhà lập trình phần mềm ứng dụng không phải lo lắng gì về quá trình truyền thông dữ liệu thực tế. Họ có thể sử dụng tất cả các dịch vụ của chồng giao thức được thực hiện trên môi trường phát triển phần mềm của họ. Thư điện tử (Email) là một ví dụ về các giao thức ứng dụng. Trong ví dụ này, ngoài các chức năng giống với các chức năng của giao thức truyền tệp, nó còn cung cấp các chức năng viết sẵn như xoá, gửi và đọc thư. Ví dụ, những đặc tính kỹ thuật của lớp ứng dụng định nghĩa định dạng của trường địa chỉ và trường thông điệp. Để phân biệt giữa chương trình ứng dụng và lớp ứng dụng được xác định bởi một giao thức, chúng ta hãy lấy thư điện tử làm ví dụ. Chúng ta có thể có một ứng dụng chạy bên trên lớp ứng dụng. Chương trình này có thể cung cấp một trình soạn thảo thân thiện người sử dụng, các cửa sổ để đánh địa chỉ và đánh nội dung thông điệp. Nó cũng có thể cung cấp một phương pháp đánh địa chỉ thân thiện người sử dụng, chẳng hạn như khi chúng ta đánh một địa chỉ đích là “kvt@ptit.edu.vn” thì địa chỉ này sẽ được phần mềm chuyển đổi thành dạng mà lớp ứng dụng hiểu được. Cần chú ý rằng dịch vụ lớp ứng dụng cung cấp cho chúng ta các dịch vụ truyền thông nhưng chúng ta có thể phải nâng cao các dịch vụ này cùng với một phần mềm ứng dụng để sử dụng nó cho các mục đích của mình. 1.3.2 Mô hình TCP/IP 1.3.2.1 Giới thiệu TCP/IP là một bộ giao thức được phát triển bởi cục các dự án nghiên cứu cấp cao (ARPA) của bộ quốc phòng Mỹ. Ban đầu nó được sử dụng trong mạng ARPANET. Khi công nghệ mạng cục bộ phát triển, TCP/IP được tích hợp vào môi trường điều hành UNIX và sử dụng chuẩn Ethernet để kết nối các trạm làm việc với nhau. Đến khi xuất hiện các máy PC, TCP/IP lại được chuyển sang môi trường PC, cho phép các máy PC chạy DOS và các trạm PTITlàm việc chạy UNIX có thể tương tác trên cùng một mạng. Hiện nay, TCP/IP được sử dụng rất phổ biến trong mạng máy tính, mà điển hình là mạng Internet. Chồng giao thức TCP/IP được chia thành bốn tầng: Truy nhập mạng (Network Access), Liên mạng (Internet), Giao vận (Transport) và Ứng dụng (Application). Vì TCP/IP ra đời và phát triển trước khi có mô hình tham chiếu OSI nên TCP/IP hoàn toàn không tuân theo mô hình OSI. Tuy nhiên, hai mô hình lại có những mục tiêu tương tự nhau, và có sự ảnh hưởng lẫn nhau giữa các nhà thiết kế các tiêu chuẩn này nên chúng được đưa ra với tính tương thích nào đó. Mô hình OSI rất có ảnh hưởng trong sự phát triển của các giao thức, và hiện nay thuật ngữ OSI áp dụng cho TCP/IP là khá phổ biến. 33
35. Chương 1. Giới thiệu chung Hình 1.10 chỉ ra mối quan hệ giữa mô hình TCP/IP và mô hình OSI. Tầng ứng dụng trong mô hình TCP/IP tương ứng với ba tầng trong mô hình OSI là ứng dụng, trình diễn và phiên. Tầng này còn được gọi là tầng xử lý (process). Tầng giao vận tương ứng với tầng giao vận trong mô hình OSI và còn được gọi là tầng trạm-tới-trạm (host-to-host). Tầng liên mạng tương ứng với tầng mạng trong mô hình OSI. Tầng truy nhập mạng mạng tương ứng với tầng liên kết dữ liệu và vật lý trong mô hình OSI. Tuy nhiên, trên thực tế thì TCP/IP không hoàn toàn tương ứng với mô hình OSI như minh họa trên hình vẽ. Sự tương ứng hoàn hảo giữa hai mô hình là một vấn đề được tranh luận nhiều trong các cuộc thảo luận về công nghệ mạng. 1.3.2.2 Tầng Truy nhập mạng Tầng Truy nhập mạng cung cấp một giao tiếp với mạng vật lý, khả năng kiểm soát lỗi cho dữ liệu phân bố trên mạng vật lý. Các định dạng dữ liệu cho môi trường truyền và các địa chỉ dữ liệu cho mạng con (subnet) được dựa trên các địa chỉ vật lý. Tầng này bao gồm cả các công nghệ LAN và WAN. Các chức năng của tầng Truy nhập mạng bao gồm: ánh xạ địa chỉ IP sang địa chỉ vật lý và đóng gói dữ liệu IP vào khung. Dựa trên kiểu phần cứng và giao diện mạng, tầng giao diện mạng sẽ xác định kết nối với phương tiện vật lý của mạng. 1.3.2.3 Tầng Liên mạng Mục đích của tầng Liên mạng là chọn đường đi tốt nhất qua mạng cho các gói tin. Công việc xác định đường đi tốt nhất và chuyển gói được thực hiện nhờ sự trợ giúp của các giao thức. Ví dụ một số giao thức hoạt động ở tầng này là: o IP: cung cấp dịch vụ chuyển dữ liệu nỗ lực tối đa (best-effort) và phi kết nối. Chức năng chính của IP là đánh địa chỉ logic (địa chỉ IP) và định tuyến dữ liệu. o ICMP: cung cấp khảPTIT năng thông báo lỗi và kiểm soát. o ARP: xác định địa chỉ vật lý (địa chỉ MAC) tương ứng với một địa chỉ IP. o RARP: xác định địa chỉ IP tương ứng với một địa chỉ MAC. Giao thức chính hoạt động tại tầng này là giao thức IP. 1.3.2.4 Tầng giao vận Tầng giao vận cung cấp dịch vụ truyền tải từ trạm nguồn đến trạm đích. Tầng này thiết lập một kết nối logic giữa hai điểm cuối của mạng là trạm gửi và trạm nhận. Các giao thức giao vận phân mảnh và ghép dữ liệu của các ứng dụng tầng trên vào trong một luồng dữ liệu giữa các điểm cuối. 34
36. Chương 1. Giới thiệu chung Tại tầng giao vận có hai giao thức chính là TCP và UDP. TCP là giao thức hướng kết nối. Để kiểm soát luồng cuối-cuối, TCP sử dụng cơ chế cửa sổ trượt. Ngoài ra, nó còn sử dụng số xác nhận và số trình tự để cung cấp tính tin cậy. Khác với TCP, UDP là một giao thức phi kết nối và không tin cậy. Một số dịch vụ tầng giao vận cung cấp gồm: o Cả TCP và UDP Phân mảnh dữ liệu của ứng dụng tầng trên. Gửi các phân đoạn dữ liệu từ thiết bị đầu cuối này tới thiết bị đầu cuối kia. o Riêng TCP Thiết lập kết nối cuối-cuối. Điều khiển luồng bằng cơ chế cửa sổ trượt. Cung cấp tính tin cậy bằng cách sử dụng số trình tự và số xác nhận. 1.3.2.5 Tầng ứng dụng Tầng ứng dụng cung cấp các dịch vụ dưới dạng các giao thức cho ứng dụng của người dùng. Một số giao thức tiêu biểu tại tầng này gồm: . FTP (File Transfer Protocol): Đây là một dịch vụ hướng kết nối và tin cậy, sử dụng TCP để cung cấp truyền tệp giữa các hệ thống hỗ trợ FTP. . Telnet (TERminaL NETwork): Cho phép các phiên đăng nhập từ xa giữa các máy tính. Do Telnet hỗ trợ chế độ văn bản nên giao diện người dùng thường ở dạng dấu nhắc lệnh tương tác. Chúng ta có thể đánh lệnh và các thông báo trả lời sẽ được hiển thị. . HTTP (Hyper Text Transfer Protocol): Trao đổi các tài liệu siêu văn bản để hỗ trợ WEB. PTIT . SMTP (Simple Mail Transfer Protocol): Truyền thư điện tử giữa các máy tính. Đây là dạng đặc biệt của truyền tệp được sử dụng để gửi các thông báo tới một máy chủ thư hoặc giữa các máy chủ thư với nhau. . POP3 (Post Office Protocol): Cho phép lấy thư điện tử từ hộp thư trên máy chủ. . DNS (Domain Name System): Chuyển đổi tên miền thành địa chỉ IP. Giao thức này thường được sử dụng khi người dùng sử dụng dùng tên chứ không dùng địa chỉ IP. . DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol): Cung cấp các thông tin cấu hình động cho các trạm, chẳng hạn như gán địa chỉ IP. 35
37. Chương 1. Giới thiệu chung . SNMP (Simple Network Management Protocol): Được sử dụng để quản trị từ xa các thiết bị mạng chạy TCP/IP. SNMP thường được thực thi trên các trạm của người quản lý, cho phép người quản lý tập trung nhiều chức năng giám sát và điều khiển trong mạng. Hình 1.9 cho ta thông tin chi tiết hơn về mô hình TCP/IP với các giao thức thông dụng trên các lớp. Application layer NFS TFTP BOOTP etc Ping SMTP FTP Telnet NNTP etc RPC DNS Transport layer TCP UDP OSPF ICMP IGMP BGP RIP Internet layer IP ARP RARP Network Data link Access layer Media (physical) Hình 1.9: Các giao thức trong mô hình TCP/IP 1.3.3 So sánh OSI và TCP/IP TCP/IP được phát triển trước mô hình OSI. Do đó, các lớp trong TCP/IP không tương ứng hoàn toàn với các lớp trong mô hình OSI. Chồng giao thức TCP/IP được chia thành bốn lớp: giao diện mạng (network interface), liên mạng (internet), giao vận (transport) và ứng dụng (application).PTIT Hình 1.10 cho thấy lớp ứng dụng trong mô hình TCP/IP tương ứng với ba lớp trong mô hình OSI là lớp ứng dụng, lớp trình diễn và lớp phiên. Lớp này còn được gọi là lớp xử lý (process). Lớp giao vận tương ứng với lớp giao vận trong mô hình OSI. Lớp này còn được gọi là lớp trạm-tới-trạm (host-to-host). Lớp liên mạng tương ứng với lớp mạng trong mô hình OSI. Lớp giao diện mạng tương ứng với lớp liên kết dữ liệu và vật lý trong mô hình OSI. 36
38. Chương 1. Giới thiệu chung Hình 1.10: Mô hình TCP/IP và OSI 1.4 Mạng Internet Internet là một mạng thông tin toàn cầu có thể được truy nhập công cộng gồm các mạng máy tính được liên kết với nhau. Mạng này truyền thông tin theo kiểu chuyển gói dữ liệu dựa trên một bộ giao thức đã được chuẩn hóa (TCP/IP). Môi trường liên mạng của Internet bao gồm hàng ngàn mạng máy tính nhỏ hơn của các doanh nghiệp, các viện nghiên cứu và trường đại học, các chính phủ cũng như là người dùng cá nhân trên toàn cầu. 1.4.1 Sự ra đời và phát triển Năm 1969, mạng ARPAnet của bộ Quốc phòng Mỹ được thành lập. (ARPA là viết tắt của cụm từ Advanced Research Projects Agency - Cơ quan các dự án nghiên cứu cao cấp) với mục tiêu là:PTIT - Là một mạng máy tính có khả năng chịu đựng các sự cố (ví dụ một số nút mạng bị tấn công và phá huỷ nhưng mạng vẫn tiếp tục hoạt động). - Mạng cho phép một máy tính bất kỳ trên mạng liên lạc với mọi máy tính khác. Năm 1982, bộ giao thức TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) được đưa ra. Đây là giao thức giúp cho các máy có thể dễ dàng truyền thông với nhau và cũng chính là giao thức chuẩn trên Internet cho đến ngày nay. Năm 1983, ARPAnet sử dụng bộ giao thức TCP/IP và sau đó, Quĩ khoa học quốc gia của Mỹ (National Science Foundation - NSF) đã tài trợ cho việc xây dựng NSFnet thay thế cho ARPAnet. 37
39. Chương 1. Giới thiệu chung Năm 1986 NSFnet liên kết 60 trường đại học Mỹ và 3 trường đại học Châu Âu. Điểm quan trọng của NSFnet là nó cho phép mọi người cùng sử dụng. Năm 1991, tại trung tâm nghiên cứu nguyên tử Châu Âu CERN, Tim Berners Lee triển khai thành công dịch vụ World Wide Web (WWW). Chính nhờ dịch vụ này mà người sử dụng tìm thấy ở mạng máy tính toàn cầu có nhiều điều hấp dẫn. Năm 1993 NSF lập InterNIC cung cấp nhiều dịch vụ mới, khái niệm Internet, mạng thông tin toàn cầu được hình thành. Ngày nay Internet thực sự là mạng máy tính của toàn cầu với việc cho phép mỗi người đều tìm thấy ở đó dịch vụ mà mình cần đến Tháng 12 năm 1997, Việt Nam chính thức tham gia kết nối vào mạng lưới toàn cầu Internet. Cho tới 2/2010 đã có trên 23 triệu người sử dụng Internet chiếm khoảng 27% dân số. Internet được xây dựng trên nền kỹ thuật chuyển mạch gói, kỹ thuật này đang được phát triển để chấp nhận được mức chất lượng dịch vụ đối với các ứng dụng thời gian thực như video và thoại. Chúng ta mong đợi mạng Internet sẽ đáp ứng các ứng dụng thông tin thời gian thực với chất lượng tốt như các dịch vụ đang được thực hiện trên các mạng sử dụng công nghệ chuyển mạch kênh. 1.4.2 Các thành phần của mạng Internet là mạng của các mạng, nó kết nối các mạng máy tính thông qua thiết bị kết nối sử dụng các giao thức kết nối. Các thành phần của Internet bao gồm: Các hệ thống đầu cuối (end system) kết nối với nhau tạo thành mạng, có thể là các máy tính cá nhân, máy chủ hoặc các thiết bị khác. Hiện nay ngày càng nhiều các loại thiết bị có khả năng kết nối vào mạng máy tính như điện thoại di động, PDA, TV, PTIT Môi trường truyền (media) mà các thao tác truyền thông được thực hiện qua đó. Môi trường truyền có thể là các loại dây dẫn (cáp đồng hoặc cáp quang), sóng điện từ (đối với các mạng không dây). Các thiết bị kết nối trong mạng: switch có chức năng phân cách các mạng máy tính thành các phân đoạn (segment) riêng biệt để giảm hiện tượng đụng độ, giảm truyền quảng bá (broadcast) hay thực hiện chức năng bảo mật; hub có chức năng như một bộ lặp có nhiều cổng, thông tin ở cổng vào sẽ được đưa tới tất cả các cổng ra, bộ định tuyến có chức năng kết nối các mạng máy tính hay 38
40. Chương 1. Giới thiệu chung kết nối các người sử dụng với mạng máy tính ở các khoảng cách xa với nhau thông qua các đường truyền thông như điện thoại, ISDN, T1, X.25, Giao thức truyền thông (protocol) là các quy tắc quy định cách trao đổi dữ liệu giữa các thực thể. 1.5 Xu hướng hội tụ của các mạng viễn thông Sự hội tụ thoại, video và dữ liệu cùng với sự mở rộng thị trường và xu hướng toàn cầu hóa đã dẫn tới việc cạnh tranh ở các mức độ không thể lường trước trong thị trường truyền thông. Áp lực cạnh tranh đang ngày càng tạo ra khi nhiều công ty đang sử dụng hiệu quả của các mạng đa dịch vụ chuyển mạch gói hay còn gọi là các mạng thế hệ sau (NGN). Sự phát triển mạng viễn thông có được là dựa trên sự phát triển của các công nghệ trong các lĩnh vực tin học, điện tử và viễn thông cùng với sự gia tăng về chất lượng và sự đa dạng dịch vụ theo yêu cầu của khách hàng. Về công nghệ viễn thông, xu hướng phát triển tập trung vào ba lĩnh vực cơ bản: Công nghệ truyền dẫn: Công nghệ quang đang khẳng định được khả năng cả về chất lượng truyền dẫn và băng thông. Mạng truyền dẫn đang được quang hóa để đáp ứng tốt hơn nhu cầu ngày càng cao của khách hàng (phục vụ được dịch vụ yêu cầu tốc độ cao, băng thông rộng, chất lượng ) Công nghệ chuyển mạch: tích hợp vi mạch, kỹ thuật số cùng với công nghệ thông tin, ATM: với xu hướng kết hợp kênh và gói, đa dịch vụ, đa tốc độ, chuyển mạch quang. Công nghệ truy nhập: Kết hợp truyền thông và tin học; phương thức truy nhập đa dạngPTIT như quang, cáp đồng (ADSL, HDSL), vô tuyến (WiFi, Wibro, Wimax ) Về các dịch vụ viễn thông, các xu hướng phát triển là: Băng rộng Ảnh động, đa phương tiện Truyền hình chất lượng cao HDTV Mỗi mạng viễn thông riêng lẻ chỉ có khả năng đáp ứng các nhu cầu phát triển ở một mức độ nhất định do khả năng hạn chế về kỹ thuật sẵn có của mạng cũng như khả năng mở rộng có giới hạn. Khi thiết kế các mạng viễn thông, các nhà cung cấp thường 39
41. Chương 1. Giới thiệu chung xây dựng mạng tối ưu theo loại hình dịch vụ cơ bản của mạng đó (cả về truyền dẫn, chuyển mạch và các phần mềm hỗ trợ hoạt động). Vì vậy không mạng nào có thể đáp ứng được hầu hết những nhu cầu về dịch vụ mới, đồng thời khi xây dựng một mạng hội tụ mới để đáp ứng nhu cầu, người ta vẫn phải phục vụ những dịch vụ của các mạng có sẵn. Hội tụ mạng thể hiện theo một số xu hướng: giữa các mạng cục bộ và diện rộng; giữa các mạng thoại và số liệu; giữa các mạng cố định và di động. 1.5.1 Sự hội tụ giữa các mạng cục bộ và diện rộng Hiện nay mạng máy tính có xu hướng hội tụ, thể hiện ở sự hội tụ giữa các mạng cục bộ và diện rộng. Gần như người sử dụng không còn phân biệt được ranh giới khoảng cách giữa các mạng cục bộ và diện rộng cũng như khả năng trao đổi thông tin, quản lí thiết bị của hai mạng này, điều này đạt được chủ yếu nhờ vào công nghệ truyền dẫn tốc độ rất cao sử dụng sợi quang hiện nay. 1.5.2 Sự hội tụ giữa các mạng thoại và số liệu Các mạng thoại và số liệu là những mạng viễn thông cơ bản nhất và lâu đời nhất. Trước đây, việc xây dựng các mạng này là hoàn toàn độc lập và chỉ tập trung vào dịch vụ cơ bản của chính mạng đó. Mạng thoại được xây dựng để truyền thoại và mạng dữ liệu được xây dựng riêng cho mục đích truyền dữ liệu. Nếu có sự tích hợp thì chất lượng cũng như khả năng đáp ứng dịch vụ bổ sung cũng rất hạn chế do đặc tính kĩ thuật cố hữu của mạng. Ví dụ trước đây muốn truyền dữ liệu qua mạng thoại truyền thống PSTN (truyền fax hoặc truy nhập Internet) thì tốc độ truyền bị giới hạn ở ngưỡng 56 kb/s, còn nếu muốn truyền thoại qua mạng dữ liệu hay máy tính thì chất lượng cuộc gọi rất thấp do có độ trễ cao và hay biến động, hay bị gián đoạn (mất tiếng hoặc tiếng lúc to lúc nhỏ tùy thuộcPTIT vào trạng thái mạng). Ngày nay, các mạng viễn thông đang có xu hướng hội tụ và có thể cung cấp đồng thời các dịch vụ của mạng thoại và số liệu. Những mạng mới hiện nay như NGN hay các mạng 3G có khả năng cung cấp đồng thời dịch vụ điện thoại và truyền dữ liệu với tốc độ và chất lượng cao, hơn nữa vẫn có khả năng kết nối với các mạng cũ trước đây để đảm bảo sự duy trì dịch vụ cho người sử dụng. 1.5.3 Sự hội tụ giữa các mạng cố định và di động Xu hướng hội tụ giữa các mạng cố định và di động ngày càng được thể hiện rõ trong các mạng hiện nay. Các mạng di động và cố định có thể kết nối một cách trong suốt khiến người sử dụng không thể phân biệt được sự khác biệt giữa dịch vụ thuần trên mạng cố định hay trên mạng di động hay trên cả hai mạng. 40
42. Chương 1. Giới thiệu chung Mạng cố định như điện thoại hay mạng máy tính có thể có các phần truy nhập không dây và có khả năng di động ở một giới hạn nhất định, giới hạn này ngày càng được mở rộng và linh hoạt tới mức cho phép người sử dụng có thể mang thiết bị đầu cuối cố định đi xa. 1.6 Tổng kết Mạng truyền thông cho phép trao đổi thông tin hay quảng bá thông tin giữa các đối tượng (người với người, người với máy móc hay với các hệ thống thông tin, ) ở các dạng khác nhau như tiếng nói, hình ảnh, dữ liệu và ở các vị trí không gian khác nhau. Việc trao đổi thông tin này được thực hiện nhờ vào các hệ thống truyền dẫn (cáp kim loại, cáp quang, vi ba, vệ tinh, không dây) thông qua các mạng công cộng như các mạng điện thoại, mạng phát thanh truyền hình hay mạng máy tính. Như vậy, có thể nói cơ sở hạ tầng thông tin đang được hình thành dựa trên các thiết bị được kết nối với nhau thông qua mạng truyền thông. Chương 1 giới thiệu những kiến thức cơ bản về các loại mạng truyền thông như mạng cục bộ, mạng đô thị hay mạng diện rộng. Các giải pháp mạng không dây và vấn đề kết nối liên mạng cũng đã được giới thiệu một cách khái quát. Qua những nội dung trình bày trong chương này người đọc có thể nắm được nguyên lí hoạt động cơ bản của mạng truyền thông, các mô hình phân lớp điển hình như OSI và TCP/IP, phân tích những đặc điểm đặc trưng cho các mô hình này . Chồng giao thức TCP/IP được chia thành bốn tầng: Truy nhập mạng, Liên mạng, Giao vận và Ứng dụng. Vì TCP/IP ra đời và phát triển trước khi có mô hình tham chiếu OSI nên TCP/IP không hoàn toàn tuân theo mô hình OSI. Tuy nhiên, hai mô hình lại có những mục tiêu tương tự nhau, và có sự ảnh hưởng lẫn nhau giữa các nhà thiết kế các tiêu chuẩn này nên chúng được đưa ra với tính tương thích nào đó. Mô hình OSI rất có ảnh hưởng trong sự phát triển của các giao thức, và hiện nay thuật ngữ OSI áp dụng cho TCP/IP làPTIT khá phổ biến. Chương này cũng giới thiệu ngắn gọn về Internet như là một mạng diện rộng điển hình với qui mô toàn cầu. Trong tương lai các mạng viễn thông có xu hướng hội tụ để có thể truyền được các loại hình thông tin trên một nền mạng duy nhất và để có thể dễ dàng cung cấp các dịch vụ viễn thông phong phú đa dạng đến người sử dụng. Trong nội dung chương cũng giới thiệu khái quát về xu hướng hội tụ này của các mạng viễn thông hiện tại và tương lai. 41
43. Chương 1. Giới thiệu chung 1.7 Câu hỏi ôn tập 1. Nêu và phân tích các khái niệm mạng cục bộ, đô thị và diện rộng. 2. Trình bày nguyên lí hoạt động chung của các mạng truyền thông. 3. Phân biệt và so sánh đặc điểm của các dịch vụ hướng kết nối và phi kết nối 4. Phân biệt các khái niệm dịch vụ và giao thức, phân tích sự tương tác giữa dịch vụ và giao thức. 5. Vẽ hình và nêu ý tưởng xây dựng mô hình kết nối các hệ thống mở (OSI). 6. Phân tích chức năng các tầng trong mô hình kết nối các hệ thống mở (OSI). 7. Vẽ hình và nêu khái quát về mô hình giao thức TCP/IP. 8. Phân tích chức năng các tầng trong mô hình TCP/IP. 9. Giới thiệu các thành phần cơ bản của mạng Internet . 10. Trình bày và phân tích xu hướng hội tụ của các mạng viễn thông. PTIT 42
44. Chương 2. Lớp Vật lí và Liên kết dữ liệu CHƯƠNG 2. LỚP VẬT LÍ VÀ LIÊN KẾT DỮ LIỆU 2.1 Lớp Vật lí Mỗi hệ thống truyền thông qua một mạng thì việc cần thiết đầu tiên là phải kết nối được hai điểm (ví dụ là điểm A và điểm B). Nhiệm vụ của lớp vật lí là cung cấp một kênh để truyền các bit thông tin giữa hai điểm (trường hợp truyền thông điểm- điểm) hoặc giữa nhiều điểm (trường hợp truyền thông điểm-đa điểm). Vì thế, lớp vật lí đóng một vai trò rất quan trọng trong việc chuẩn hóa các vấn đề đơn giản song lại là sống còn đó là lựa chọn môi trường vật lí cụ thể nào, đánh dấu và biểu diễn bit trên môi trường đó ra sao, chuẩn kết nối cho giao diện cụ thể đó và những vận hành cụ thể để các bit thông tin đó được truyền qua các giao diện. 2.1.1 Truyền tín hiệu ở lớp Vật lí Truyền tín hiệu chỉ ra phương pháp chính xác để truyền thông tin trong môi trường vật lí. Các kĩ thuật truyền tín hiệu có thể được nhóm vào 2 loại chính: băng rộng (broadband) và băng cơ sở (baseband). Truyền tín hiệu băng rộng tương ứng với bản chất tín hiệu tương tự thông thường, còn truyền tín hiệu băng hẹp thì có thể coi là tương ứng với tín hiệu số. 2.1.1.1 Truyền tín hiệu tương tự Truyền tín hiệu tương tự (hay tín hiệu analog) dựa trên việc sử dụng các sóng biến đổi liên tục để truyền thông tin trên kênh truyền thông. Những sóng thay đổi liên tục này thường được biểu diễn thông qua hàm sin và được gọi là sóng hình sin. Hình 2.1 minh họa sóng hình sin và cho thấy hai trong ba đặc điểm cơ bản của sóng này. PTITCực cao Điểm giữa Cực thấp Tần số Hình 2.1: Sóng hình sin 43
45. Chương 2. Lớp Vật lí và Liên kết dữ liệu Trên hình vẽ ta thấy sóng hình sin có thể coi là bắt đầu ở một điểm giữa nào đó trong hai cực (ví dụ là hai cực hiệu điện thế). Theo thời gian, sóng hình sin sẽ tiến tới giá trị cực đại rồi sẽ giảm dần đến điểm giữa và tiếp tục xuống điểm cực tiểu và quá trình cứ thế tiếp tục. Mỗi chu kỳ sóng hình sin bao gồm: điểm giữa điểm cực đại điểm giữa điểm cực tiểu điểm giữa. Số lượng chu kỳ (cycle) trong 1 giây được gọi là tần số (frequency) của sóng hình sin. Thứ nguyên (thang đo) tần số là chu kỳ trên giây hay Hz (Hertz). Đặc điểm quan trọng thứ hai của sóng hình sin là biên độ (amplitude), nó liên quan tới khoảng cách giữa các điểm cực của sóng. Trong lĩnh vực âm thanh, tần số tương ứng với độ cao (pitch), còn biên độ ứng với độ lớn (loudness). Đặc điểm thứ ba của sóng hình sin khó diễn tả hơn, đó là pha (phase). Pha của một sóng hình sin được đo tương quan với một sóng hình sin khác (tham chiếu) và được diễn tả là sự sai khác về góc giữa hai sóng. Hai sóng hình sin được coi là lệch 180 độ khi ở cùng thời điểm một sóng tiến tới điểm dương nhất trong khi sóng kia tiến tới điểm âm nhất. Hình 2.2 minh họa mối quan hệ giữa cặp sóng hình sin theo từng đặc điểm: biên độ, tần số và pha. Cặp sóng hình sin đầu tiên có biên độ khác nhau. Cặp sóng ở giữa hình có tần số khác nhau. Cặp sóng cuối cùng bên phải hình có pha khác nhau (khác 180 độ), cặp sóng cuối chỉ khác nhau về pha, hai đặc điểm còn lại (tần số và biên độ) là giống nhau. PTIT Hình 2.2: Biên độ, tần số và pha của sóng hình sin Với sóng hình sin, chỉ có ba đặc điểm là được đo với mục đích truyền thông tin qua các kênh truyền thông. Vì thế, nếu kênh truyền thông yêu cầu sử dụng để truyền tín hiệu băng rộng và thông tin được chuyển dưới dạng số (0 và 1) thì cần thiết kế cơ cấu “gán” thông tin số vào sóng hình sin. Thiết bị thực hiện việc truyền thông tin số trên kênh truyền tương tự là modem. Modem lấy một trong ba (hoặc kết hợp) đặc điểm của sóng hình sin vào tín hiệu biểu diễn bởi 0 và 1. Trước đây, các modem biến đổi 44
46. Chương 2. Lớp Vật lí và Liên kết dữ liệu biên độ (khóa dịch biên), tần số hay pha. Ngày nay hầu hết các modem biến đổi cả pha và biên độ bằng kỹ thuật điều biên cầu phương (Quadrature Amplitude Modulation - QAM). Hình 2.3 minh họa tín hiệu điều chế khóa dịch tần. Kênh truyền thông tương tự trong ví dụ này là đường dây điện thoại. Đường dây này chỉ có thể chấp nhận dải tần xấp xỉ từ 300 đến 3400 Hz. Để truyền thông tin số trên kênh này, đầu tiên ta cần phải chọn hai tần số rời rạc nằm trong kênh (ví dụ 800 Hz và 2400 Hz). Sau đó ta gán một tần số (tần số thấp hơn trong hình) để biểu diễn tín hiệu số 0 và tần số còn lại (tần số cao hơn) để biểu diễn tín hiệu số 1. Hình 2.3: Mã dịch pha Bằng cách chuyển giữa hai tần số, tùy thuộc vào việc cần chuyển số 0 hay số 1 tới bên thu mà bên phát sẽ điều chế dòng bit đầu vào để tương thích với bản tính tương tự của kênh. Bên thu trong quá trình giải điều chế sẽ nhận tín hiệu dưới dạng hai tần số trên và chuyển tần số ngược về 0 hay 1 tương ứng. Về nguyên tắc điều chế bên phát và giải điều chế bên thu phải như nhau cho dù modem biến đổi tần số, biên độ hay pha. Kỹ thuật đặc biệt được sử dụng trong thực tế được xác định thông qua dải tần của kênh và tốc độ dữ liệu yêu cầu. PTIT 2.1.1.2 Truyền tín hiệu số Truyền tín hiệu số (hay tín hiệu băng cơ sở) dựa trên việc sử dụng các trạng thái rời rạc để truyền thông tin trên kênh truyền thông. Những trạng thái rời rạc này thường được biểu diễn bằng các xung (ví dụ như hiệu điện thế) và vì thế thường được gọi là sóng vuông. Hình 2.4 cho thấy sóng hình vuông với hai trạng thái rời rạc (0 và 1) có thể biểu diễn bằng giá trị hiệu điện thế khác nhau (cộng và trừ 12 vôn). 45
47. Chương 2. Lớp Vật lí và Liên kết dữ liệu Hình 2.4: Sóng vuông Rất nhiều phương thức truyền tín hiệu số khác nhau đã được phát triển trong nhiều năm qua. Hình 2.5 cho thấy một số phương thức phổ biến. Trong hình, phần trên cùng là cơ cấu truyền tín hiệu đơn cực (unipolar) trong đó tín hiệu số 1 được biểu diễn bằng +5 vôn và tín hiệu số 0 được biểu diễn là trạng thái không có điện thế (nối đất). Cơ cấu này được sử dụng rộng rãi trong thời kì dùng mạch cổng logic transitor- transitor (TTL). Hình 2.5:PTIT Cơ cấu truyền tín hiệu sóng số Ở giữa hình là cơ cấu truyền tín hiệu lưỡng cực (bipolar) với tín hiệu số 1 được biểu diễn là trạng thái -12 vôn và tín hiệu số 0 được biểu diễn là trạng thái +12 vôn. Ngày nay, cơ cấu này được dùng rộng rãi trong giao thức lớp vật lí EIA-232-E. Phần dưới cùng là cơ cấu lưỡng cực trở về không (BPRZ) trong đó các tín hiệu số 0 biểu diễn bằng trạng thái không có hiệu điện thế (đất) và tín hiệu số 1 biểu diễn bằng các xung 3 vôn hoán đổi liên tục. Cơ cấu này được gọi là mã đảo dấu luân phiên (AMI), dựa trên các nhà cung cấp và khách hàng sử dụng các đường truyền T-1. Một yếu tố quan trọng lựa chọn để sử dụng một cơ cấu băng cơ sở trên một cơ cấu khác đó là kĩ thuật này cho phép định thời dễ dàng và đồng bộ. 46
48. Chương 2. Lớp Vật lí và Liên kết dữ liệu 2.1.1.3 Băng rộng với băng cơ sở và tương tự với số Tới giờ chúng ta đã sử dụng thuật ngữ băng rộng và băng cơ sở để đề cập tới kĩ thuật truyền tín hiệu tương tự và số trên kênh truyền thông. Vì vậy, một đường dây điện thoại có thể được coi là một kênh băng rộng và một đường truyền T-1 có thể được coi là kênh cơ sở. Nội dung thông tin truyền đi qua một kênh truyền thông cho trước có thể phân biệt theo các đường dây như nhau cho dù nó dựa trên tương tự hay số. Sự phân biệt này tiến tới một khái niệm quan trọng trong lớp vật lí, được gọi là DTE vật lí hay DCE vật lí. Một DTE (thiết bị đầu cuối dữ liệu) tạo thông tin dưới dạng dữ liệu truyền trên kênh truyền thông. Nội dung thông tin do DTE tạo ra có thể là tương tự hoặc số. Mục đích của DCE (thiết bị kết cuối mạch dữ liệu) là nhận dữ liệu từ DTE theo dạng đã được tạo ra và chuyển đổi dữ liệu này thành khuôn dạng tương thích với kênh truyền thông. Hình 2.6 là ma trận 4 ô khái quát về các thuật ngữ này. Trong một phần tư ô trái trên cùng, thông tin có dạng tương tự và phải chuyển trên kênh truyền băng rộng. Hiển nhiên là không thể chuyển đổi thông tin ngay trong trường hợp này mà đa phần cần có sự biến đổi thông tin trước khi truyền đi. Ví dụ, thông tin tương tự của giọng nói con người cần phải chuyển đi trên đường dây điện thoại (kênh băng rộng). Thông tin đến dưới dạng sóng âm thanh, song kênh lại yêu cầu biểu diễn bằng điện các sóng đó vì thế một chiếc microphone sẽ làm thiết bị chuyển đổi (transducer) giữa nguồn tin tương tự và kênh băng rộng. PTIT Hình 2.6: Tín hiệu số và tương tự với tín hiệu tương tự và số 47
49. Chương 2. Lớp Vật lí và Liên kết dữ liệu Trong một phần tư ô trái bên dưới, thông tin số cần truyền qua một kênh truyền băng rộng. Đây là ví dụ điển hình cho máy tính sử dụng đường dây điện thoại để truyền thông tin. Trong hình cần có một modem (DCE) để thực hiện việc chuyển đổi này. Trong một phần tư trên bên phải, dòng thông tin analog cần phải chuyển qua kênh băng cơ sở. Ví dụ điển hình cho trường hợp này là thiết bị T-1 (băng cơ sở) để mang tín hiệu video tương tự. Ở đây, thiết bị codec (viết tắt của coder-decoder) có chức năng như DCE. Cuối cùng, phần tư bên phải dưới cùng là trường hợp thông tin số cần truyền trên kênh truyền thông băng cơ sở. Việc chuyển đổi ở đây là cần thiết vì cơ cấu truyền tín hiệu sử dụng DTE không tương thích trực tiếp với cơ cấu do kênh yêu cầu. Ví dụ nếu DTE sử dụng cơ cấu truyền tín hiệu phân cực như chuẩn EIA-232 và kênh lại yêu cầu một cơ cấu khác như BPRZ trên kênh T-1 thì bắt buộc phải có sự chuyển đổi. DCE loại này được gọi là đơn vị dịch vụ kênh /đơn vị dịch vụ dữ liệu (CSU/DSU). Tóm lại, DCE đóng một vai trò sống còn trong việc thực hiện kênh vật lí. Mặc dù có nhiều dạng sử dụng DCE khác nhau, thông tin số hay tương tự có thể làm tương thích với kênh truyền thông băng cơ sở hoặc băng rộng. 2.1.1.4 Những giới hạn của việc truyền tín hiệu và dung lượng kênh Một kênh truyền thông cho trước có dung lượng truyền tin giới hạn, mặc dù trong một vài trường hợp (như sợi quang đơn mốt), dung lượng đó vẫn còn chưa xác định. Dung lượng mang thông tin của kênh có mối liên hệ với băng tần (bandwidth) và tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu (S/N) trên kênh. Yếu tố đầu tiên quyết định đến lượng thông tin mà một kênh cho trước có thể truyền đó là tốc độ truyền tín hiệu tối đa của kênh đó. Việc truyền tín hiệu có thể con là việc chuyển tín hiệu cho dù là tín hiệu băng rộng hay băng cơ sở. Với các hệ thống băng rộng, việc chuyển từ một tầnPTIT số này sang tần số khác hoặc chuyển từ biên độ này tới biên độ khác đều được gọi là các sự kiện truyền tín hiệu (signaling event). Trong hệ thống băng cơ sở, việc chuyển từ một trạng thái rời rạc này tới một trạng thái khác (ví dụ từ +12 vôn đến -12 vôn) cũng là sự kiện truyền tín hiệu. Thực tế, mỗi sự kiện truyền tín hiệu như thế đều có một cái tên đặc biệt: baud. Vì thế, tốc độ truyền tín hiệu cực đại của một kênh tỉ lệ với tốc độ baud tối đa của kênh đó. Năm 1924, Harold Nyquist, làm việc ở Phòng thí nghiệm điện thoại Bell-Mỹ, đã khám phá ra mối quan hệ cơ bản giữa băng thông của một kênh và tốc tộ baud tối đa mà kênh có thể cung ứng. Nyquist chỉ ra là tốc độ baud không thể vượt quá hai lần băng thông của kênh. Vì thế, với kênh thoại 3000 Hz, tốc độ baud không thể vượt quá 48
50. Chương 2. Lớp Vật lí và Liên kết dữ liệu 6000 baud. Với kênh truyền hình tương tự (6 MHz) thì tốc độ baud không thể vượt quá 12 Mbaud. Trong nhiều cơ cấu truyền tín hiệu, mỗi lần chuyển tín hiệu trên kênh lại tương ứng với việc chuyển một bit thông tin từ bên phát đến bên nhận. Với các cơ cấu 1 bit/baud thì tốc độ bit và baud là bằng nhau. Rất nhiều cơ cấu truyền tín hiệu, cả băng rộng và băng cơ sở, đều có khả năng truyền nhiều bit trong một sự kiện truyền tín hiệu. Những cơ cấu truyền đa bit/baud có thể truyền tín hiệu với tốc độ vượt quá tốc độ baud. Các cơ cấu truyền tín hiệu như vậy được phân loại theo thuật ngữ có bao nhiêu bit thông tin được truyền trong một lần truyền tín hiệu. Vì thế thường hay gặp nhất là dibit (2 bit/baud), tribit (3 bit/baud) và quadbit (4 bit/baud). Chúng ta sẽ lấy ví dụ về cơ cấu mã hai bit thường gặp gọi là DPSK (Differential Phase Shift Keying). Nếu một bộ giải điều chế (demodulator) có thể phân biệt được hai pha của sóng hình sin, thì nó chỉ có thể truyền 1 bit thông tin với mỗi lần chuyển dịch pha. Để tạo nên những modem như thế, chúng ta có thể gán các giá trị số tùy ý như số 0 vào một pha (ví dụ 0 độ) và giá trị số 1 vào pha còn lại (ví dụ 180 độ). Mỗi khi modem chuyển dịch giữa 0 độ và 180 độ, thì 1 bit thông tin được truyền đi. Giả sử cùng một bộ giải điều chế đủ nhạy để phân biệt pha ở vị trí trung gian (90 độ và 270 độ), để có thể phân biệt được 4 pha của sóng hình sin chúng ta cần gán cho mỗi pha một giá trị dibit (hai bit). Ví dụ, 0 độ dịch pha có thể dùng giá trị số là “00”, 90 độ dịch pha có thể sử dụng giá trị “01”, 180 độ sẽ sử dụng giá trị “10” và 270 độ sử dụng giá trị “11”. Tương tự, có thể mở rộng ra là nếu một bộ giải điều chế có thể nhận ra 8 pha khác biệt thì ta có thể mã hóa thông tin số 3 bit với mỗi lần dịch pha hoặc nếu nhận ra 16 pha khác biệt thì số bit tương ứng cần cho mỗi pha là 4. Chú ý là bằng cách tăng cường độ nhạy của bộ giải điều chế, chúng ta có thể tăng tốc độ dữ liệu mà không phải tăng tốc độ baud. Dường nhưPTIT tiến trình này có thể tiếp tục gia tăng nếu như không có giới hạn ảnh hưởng rất lớn là nhiễu trên kênh. Vào năm 1948, Claude Shannon, cũng làm việc ở Phòng thí nghiệm Bell, chỉ ra bước tiến tiếp theo của lí thuyết thông tin. Shannon giám sát thấy lí thuyết Nyquist chỉ được áp dụng với kênh không có nhiễu. Trong thực tế thì không thể có những kênh như vậy. Tất cả cá kênh đều có nhiễu, và nhiễu sẽ đưa ra một giới hạn, không phải lên tốc độ baud trên giây mà là số lượng bit có thể mã hóa cho một sự kiện truyền tín hiệu cụ thể. Lí thuyết Shannon cho thấy, với một đường dây điện thoại điển hình (với tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu khoảng 30 dB) thì số lượng bit tối đa có thể mã hóa cho một sự kiện truyền tin là 5. Vì thế, số bit tối đa đạt được trong điều kiện này là 30 Kb/s (6000 baud 49
51. Chương 2. Lớp Vật lí và Liên kết dữ liệu nhân với 5 bit/baud). Nhưng ngạc nhiêu là các modem có thể hoạt động ở tốc độ bit cao hơn (với modem V.90 là 56Kb/s) là những modem được coi là chống lại lí thuyết Shannon đầu tiên. Tuy nhiên, nhiều người khẳng định là những modem đó không phù hợp với công việc của Nyquist và Shannon. Hơn nữa, những modem này sử dụng công nghệ nén dữ liệu và sửa lỗi hướng đi để tăng tốc độ bit vượt qua những giới hạn mà hai nhà khoa học ở Phòng thí nghiệm Bell đã chỉ ra. 2.1.2 Đồng bộ và định thời Ở phía phát tín hiệu, lớp vật lí nhận khung từ lớp trên và phát tín hiệu lên môi trường truyền dẫn để truyền dữ liệu. Ở phía nhận tín hiệu, lớp vật lí kiểm tra quá trình đồng bộ bit và đặt chuỗi bit nhận được vào vùng đệm. Sau đó thông báo cho lớp Data Link dữ liệu đã được nhận. Với việc truyền thông chính xác thực hiện ở lớp vật lí, bên phát và bên thu phải đồng bộ với nhau, nghĩa là bên thu phải biết khi nào thì lấy mẫu kênh để phát hiện sự kiện tín hiệu chính xác. Nếu bên thu lấy mẫu quá sớm hoặc quá muộn thì sẽ dẫn đến việc nhận sai tín hiệu. Trong những trường hợp như vậy có thể nhận nhầm tín hiệu 0 là 1 và ngược lại. Phần tiếp theo sẽ thảo luận về vấn đề định thời trong cả môi trường vật lí song song và nối tiếp. Hình 2.7 cho thấy sự khác biệt trong kiểu truyền song song (parallel) và nối tiếp (serial) ở lớp vật lí. PTIT Hình 2.7: Các giao diện song song và nối tiếp 2.1.2.1 Định thời trong các giao diện vật lí song song Vấn đề đồng bộ trong môi trường lớp vật lí song song khá là đơn giản. Trong Hình 2.7, ta thấy là trong các đường truyền thông giữa bên phát và bên thu, đường mang thông tin đồng hồ định thời (clock) được dùng để đồng bộ hai bên truyền thông. Sử dụng mạch đồng hồ, bên phát chỉ rõ cho bên thu khi nào dữ liệu được truyền trên mạch. Nếu tốc độ dữ liệu và khoảng cách giao diện nằm trong giới hạn đảm bảo không 50
52. Chương 2. Lớp Vật lí và Liên kết dữ liệu xảy ra méo thì thông tin do mạch đồng hồ cung cấp sẽ đủ để tránh việc lấy sai mẫu dữ liệu. 2.1.2.2 Định thời trong các giao diện vật lí nối tiếp Khi chỉ có một đường truyền thông duy nhất giữa bên phát và bên thu, vấn đề đồng bộ sẽ trở nên phức tạp hơn. Có hai cách cơ bản để đồng bộ giữa bên phát và bên thu trong môi trường nối tiếp. Một cách là dựa vào định thời ngầm giữa hai bên truyền thông, được gọi là truyền thông dị bộ. Cách khác là dựa vào việc chuyển thông tin định thời ngầm giữa các bên truyền thông, được gọi là truyền thông đồng bộ. 2.1.2.3 Truyền thông dị bộ Thuật ngữ “dị bộ” (asynchronous) để miêu tả sắp xếp định thời giữa bên phát và bên nhận mà không trao đổi thông tin định thời ngầm thì khá rủi ro. Để chuyển đổi thông tin chính xác, mỗi cặp phát-thu phải luôn được đồng bộ lẫn nhau. Thuật ngữ dị bộ đề cập tới khoảng thời gian liên quan mà hai bên bên phát và thu định thời với nhau, trong một môi trường dị bộ trong khoảng thời gian rất ngắn (thường là một kí tự trong một bảng mã như ASCII). Vì vậy, thuật ngữ định hướng kí tự (character- oriented) thì mô tả tố hơn trường hợp truyền thông dị bộ này. Hình 2.8 cho thấy phương thức truyền một kí tự (chữ hoa Z trong bảng mã ASCII) trong môi trường dị bộ. Trong những môi trường này, được đặc tả bằng người gõ bàn phím. Định thời giữa việc truyền kí tự thành công (khoảng cách giữa các kí tự) là thay đổi, vì thế mới có thuật ngữ là dị bộ (không đồng bộ). Tuy nhiên, một khi đã nhấn phím thì dữ liệu phát từ bàn phím sẽ là một thực thể 10 bit (1 bit khởi động, 7 bit dữ liệu, 1 bit chẵn lẻ và khoảng ngừng). Để nhận mà không có lỗi 10 bit này phải được lấy mẫu chính xác ở bên thu. Nói cách khác, trên cơ sở kí tự mở rộng, bên phát và bên thu phải được đồng bộ. Lí tưởng nhất là bên thu sẽ lấy mẫu chính xác vào giữa các bit để đạt được dòng lớn nhất. PTIT Hình 2.8: Khuôn dạng kí tự truyền dị bộ 51
53. Chương 2. Lớp Vật lí và Liên kết dữ liệu Với tốc độ tín hiệu là 1200 b/s (tốc độ thông thường cho truyền dị bộ) thì mỗi bit xuất hiện trên kênh trong khoảng 830 micro giây (1/1200 b/s). Vì thế, để lấy mẫu bit chính xác, khoảng thời gian lấy mẫu phải vào khoảng 830 micro giây. Vấn đề lúc này là bao giờ bắt đầu tiến trình lấy mẫu. Bit khởi đầu (start bit) sẽ cung cấp thông tin này. Việc bắt đầu bit khởi đầu được báo hiệu thông qua việc thay đổi đường dây từ trạng thái điện áp dương song trạng thái không có điện áp (nối đất). Cách dễ nhất để suy nghĩ về bit khởi động là coi nó như cuộc gọi đánh thức đến bên thu. Khi bên thu thấy sự thay đổi này, nó hiểu là bit khởi động đang tới và nó chỉ đơn giản làm công việc đếm tới khoảng giữa bit (415 micro giây) và lấy mẫu đầu tiên. Để đọc được 9 bit còn lại, bên thu cứ đếm hết một khoảng 830 micro giây là lấy mẫu. Trong trường hợp này bên phát và thu được đồng bộ trong khoảng thời gian truyền kí tự mà không phải trao đổi thông tin định thời công khai. Dĩ nhiên là phương pháp dị bộ phụ thuộc vào một mức độ chính xác vừa phải với mỗi đồng hộ chạy tự do ở bên thu và phát. Ngoài ra, truyền thông dị bộ chỉ hoạt động tốt với tốc độ dữ liệu thấp khi khoảng cách giữa các bit là lớn. Với tốc độ dữ liệu là 45 Mb/s thì mỗi bit chỉ xuất hiện trong 0,002 micro giây. Với khoảng cách bit nhỏ như thế thì kĩ thuật dị bộ với cơ cấu định thời ẩn sẽ làm truyền thông khó thể chính xác ở lớp vật lí. 2.1.2.4 Truyền thông đồng bộ Khi số lượng bit được truyền dữ bên phát và thu đến một giá trị nào đó (ví dụ 10 bit) thì yêu cầu với các bên truyền thông là phải trao đổi thông tin định thời chính xác để đồng bộ. Trên liên kết nối tiếp, chỉ có một đường truyền thông tin, vì vậy thông tin định thời phải được “nhúng” trong dữ liệu. Truyền thông như vậy, trong khi phải duy trì mối quan hệ định thời trong thời gian dài (ví dụ với khoảng thời gian truyền nhiều bit) và khi bên phát cung cấp thôngPTIT tin định thời nằm như một phần của dòng dữ liệu, được gọi là “đồng bộ”. Quay lại Hình 2.5, chúng ta có thể thấy là các cơ cấu truyền tín hiệu băng cơ sở có thể sử dụng để truyền không chỉ dữ liệu mà còn cả thông tin đồng bộ giữa bên gửi và bên nhận. Chìa khóa cho việc sử dụng các tín hiệu băng cơ sở với mục đích đồng bộ là đảm bảo rằng thường xuyên có sự chuyển dịch (1 thành 0 và ngược lại) xuất hiện trong dòng dữ liệu. Thực tế, mô hình đồng bộ tốt nhất đó là hoán đổi liên tục 1 và 0. Trong trường hợp này, mỗi bit trong dòng dữ liệu cung cấp thông tin đồng bộ cho bên thu. Vấn đề nằm ở chỗ trạng thái chuyển dịch để duy trì đồng bộ là trong một vài trường hợp các chuỗi tín hiệu chỉ toàn 0 hoặc toàn 1. Nhìn vào cả hai cơ cấu truyền tín 52
54. Chương 2. Lớp Vật lí và Liên kết dữ liệu hiệu đơn cực hoặc song cực trong Hình 2.5, chúng ta thấy là nếu chuỗi chỉ toàn 0 hoặc toàn 1 thì sẽ không có sự thay đổi để bên thu nhận biết đồng bộ. Chỉ có cơ cấu lưỡng cực trở về không là có ưu điểm trong vấn đề này. Trong BPRZ, bit 1 được luân phiên đảo cực nên nếu có nhiều bit 1 đi liền nhau thì vẫn có thể chấp nhận được. Nhưng nếu các bit 0 lại đi liền nhau thành chuỗi dài thì lại xảy ra việc không thể truyền được tín hiệu đồng bộ. Vì vậy cần phải tránh chuỗi 0 khi sử dụng cơ cấu truyền tín hiệu này. Như đã đề cập trước đây, BPRZ được sử dụng trong các mạch T-1 và chuẩn T-1 chỉ rõ là không thể xảy ra trường hợp chuỗi có hơn 15 số 0 liên tiếp. Nếu vượt quá con số này, đường truyền sẽ dễ bị mất đồng bộ. Các cơ cấu đã được phát triển để đảm bảo là không xảy ra chuỗi có hơn 15 số 0 trên đường T-1. 2.1.3 Các giao thức và đặc tả lớp Vật lí Lớp Vật lý định nghĩa các qui cách về điện, cơ, thủ tục và các đặc tả chức năng để kích hoạt, duy trì và dừng một liên kết vật lí giữa các hệ thống đầu cuối. Lớp vật lí trong các hệ thống được thiết kế để giảm thiểu lỗi khi hoạt động. Trong trường hợp có lỗi thì các lớp trên sẽ bị ảnh hưởng. Phương tiện truyền dẫn được hiểu là ở dưới lớp vật lí, nhưng các đặc tính nó yêu cầu có chứa trong đặc tả của lớp vật lí. Một số các đặc điểm trong lớp vật lí này bao gồm: - Mức điện thế. - Khoảng thời gian thay đổi điện thế. - Tốc độ dữ liệu vật lí. - Khoảng đường truyền tối đa. - Các đầu nối vật lí: chân cắm, số chân cắm, loại bộ nối và cáp nối. Có hàng trăm chuẩn lớp vật lí đã được phát triển trong nhiều năm qua. Có thể kể đến như RS-232, X.21, V.35, V.34, Q.911, T1, E1, G.703, 10BASE-T, 100BASE- TX, ISDN, POTS, SONET,PTIT DSL, 802.11b, 802.11g . Chúng có những đặc điểm chính sau: - Một giao thức lớp vật lí phải đặc tả mối quan hệ cơ học giữa các bên tham gia truyền thông (từ DTE tới DCE hoặc ngược lại). Ví dụ: Loại kết nối được dùng và vị trí đầu dây. - Các chuẩn phải đặc tả đặc tính điện của một giao diện. Thỏa thuận hiệu điện thế (hoặc tần số, biên độ và pha) được sử dụng để biểu diễn 0 và 1. - Tốc độ chuyển đổi dữ liệu và khoảng cách hoạt động tối đa của giao diện được đặc tả đặc biệt ở một số phương thức. - Các đặc tính chức năng của giao diện, như là định nghĩa đầu dây nào của bộ kết nối (connector) chịu trách nhiệm thực hiện chức năng. 53
55. Chương 2. Lớp Vật lí và Liên kết dữ liệu Các đặc tính mang tính tiến trình của giao điện phải được đặc tả. Ví dụ, nếu một giao thức lớp vật lí được thiết kế để hỗ trợ hoạt động theo kiểu quay số (dial-up) thì phải đặc tả trình tự yêu cầu quay số điện thoại ở xa. Thông tin chi tiết trên, thậm chí là một vài giao thức lớp vật lí thông dụng, cũng chiếm đến vài trang giấy. Vì thế, mục đích phần trao đổi tiếp theo đây về hai chuẩn lớp vật lí thông dụng nhất là để biểu diễn các đặc tính chung của các giao thức này. 2.1.3.1 EIA-232-E Được biết đến như RS-232-C, chuẩn lớp vật lí EIA-232-E đã được công nhận là chuẩn phổ cập trong nhiều năm. EIA-232-E được dùng trong cả môi trường đồng bộ lẫn dị bộ với tốc độ dữ liệu không vượt quá 20 kb/s (chú ý là qua một khoảng cách ngắn, EIA-232-E có thể truyền tốc độ tới 56 kb/s). Một giao diện DTE-DCE thường được sử dụng giữa các đầu cuối dữ liệu tốc độ thấp (như cổng COM của máy tính cá nhân PC) và các modem cho truyền thông trên các đường dây điện thoại. Mặc dù không được đặc tả theo thuật ngữ khoảng cách, song khoảng cách cho phép tối đa giữa DTE và DCE chỉ khoảng 15 mét sử dụng EIA-232-E (việc dùng cáp “dung lượng thấp” có thể kéo dài khoảng cách ra đáng kể). EIA-232-E đặc tả việc dùng bộ kết nối DB-25 (cổng kết nối 25 chân) và có thể hỗ trợ tới 25 dây trên giao diện, tuy nhiên rất hiếm khi cả 25 đầu dây đều được dùng trong các ứng dụng. Thực tế, IBM thường dùng cổng nối DB-9 (cổng nối 9 chân) để hỗ trợ EIA-232-E trong các sản phẩm PC của mình. Các đầu dây phổ biến và chức năng của nó có trong Hình 2.9. PTIT Hình 2.9: Chuẩn lớp vật lí EIA-232-E Chức năng của đầu dây truyền (transmit) và nhận (receive) là tùy ngữ cảnh. Chú ý là sử dụng thuật ngữ gửi (send) và nhận (receive) là từ khía cạnh của DTE. Đầu dây 54
56. Chương 2. Lớp Vật lí và Liên kết dữ liệu “đầu cuối dữ liệu sẵn sàng” và “sẵn sàng thiết lập dữ liệu” dùng để chỉ ra theo hai hướng là thiết bị phía bên kia của giao diện đang hoạt động. Còn “yêu cầu gửi” và “xóa để gửi” được dùng với các đường dây trong môi trường bán song công (half- duplex). DTE báo hiệu chú ý bằng cách truyền lên đầu “yêu cầu gửi”. Nếu phương tiện vật lí sẵn sàng cho việc truyền dẫn thì DCE chỉ ra điều kiện này bằng cách truyền trên đầu “xóa để gửi”. Chú ý là mỗi đầu trên giao diện EIA-232-E được tham khảo với một đầu nối đất chung (hiệu điện thế bằng không). Vì lí do này, EIA-232-E được gọi là giao diện không cân bằng. Một chuẩn lớp vật lí khác là EIA-422-A đặc tả việc vận hành cân bằng với mỗi đầu liên quan tới đầu dây “đất” tách biệt riêng. Vì thế, EIA-422-A có thể cung cấp tốc độ dữ liệu cao hơn với khoảng cách xa hơn EIA-232-E. Cấu hình EIA- 232-E trong Hình 2.9 dùng cho truyền thông trên đường dây thuê dị bộ. Khi được sử dụng trong môi trường đồng bộ, những đầu khác được dùng để hỗ trợ đồng bộ giữa DTE và DCE. Chú ý là EIA-232-E được gọi là giao diện lớp vật lí ngoài băng (out-of-band) vì chỉ có tín hiệu chạy trên đầu gửi và nhận là tín hiệu số. Các tín hiệu điều khiển được đưa trong đầu riêng của chúng, các tín hiệu điều khiển không bao giờ đi lên đầu gửi và nhận dữ liệu. 2.1.3.2 ITU Recommendation X.21 Chuẩn vật lí X.21 thông dụng ở khắp nơi ngoại trừ Bắc Mỹ trong các mạng CSDN (mạng dữ liệu chuyển mạch kênh). Chuẩn X.21 đặc tả giao diện song song đồng bộ giữa DTE và DCE với 8 đầu nối. Việc kết nối DTE và DCE qua giao diện X.21 được thể hiện trong HìnhPTIT 2.10. Hình 2.10: Khuyến nghị X.21 của ITU 55
57. Chương 2. Lớp Vật lí và Liên kết dữ liệu X.21 được thực thi sử dụng bộ nối 15 chân. Nó được coi là giao diện lớp vật lí trong băng (in band) vì các đầu truyền và nhận có thể mang cả thông tin điều khiển và tín hiệu dữ liệu người sử dụng. Trạng thái của đầu điều khiển và chỉ dẫn xác định tín hiệu trên đầu truyền và nhận sẽ được phiên dịch là thông tin điều khiển hay dữ liệu của người sử dụng. Ví dụ, khi đầu điều khiển trong trạng thái hoạt động, thông tin trên đầu truyền là thông tin quay số (như số điện thoại). Khi đầu điều khiển ở trạng thái đối lập (không hoạt động) thì thông tin trên đầu dây truyền là dữ liệu của người sử dụng. 2.2 Lớp Liên kết dữ liệu 2.2.1 Các chức năng của lớp liên kết dữ liệu Lớp liên kết dữ liệu có một số chức năng cần thực hiện, cụ thể là: - Cung cấp một giao diện dịch vụ được định nghĩa rõ với lớp mạng; - Kiểm soát và xử lí các lỗi đường truyền; - Điều khiển luồng dữ liệu để tương thích được tốc độ của máy phát và máy thu. Để thực hiện được các chức năng này, lớp liên kết dữ liệu nhận các gói tin gửi xuống từ lớp mạng và đóng chúng và các khung (frame) để truyền đi. Mỗi khung chứa phần tiêu đề (header), tải trọng (payload) và phần đuôi (trailer) như trên Hình 2.11. Việc quản lí và điều khiển truyền khung thực chất là những việc mà lớp liên kết dữ liệu phải làm. PTIT Hình 2.11: Các gói được đóng khung ở lớp liên kết dữ liệu Chức năng của lớp liên kết dữ liệu là cung cấp dịch vụ cho lớp mạng. Về nguyên tắc, dịch vụ được truyền từ lớp mạng của máy phát đến lớp mạng của máy thu. Tuy nhiên đường truyền thực sự sẽ phải được thực hiện thông qua lớp liên kết dữ liệu (Hình 2.12). 56