Bài giảng Kỹ thuật truyền số liệu - Lê Nam Dương

Data Communication Technology 1 Kỹ thuật Truyền Số Liệu GV: Lê Nam Dương TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN KHOA KỸ THUẬT & CÔNG NGHỆ Data Communication Technology 2 Giới thiệu môn học  Động lực  Sự phát triển công nghệ máy tính  Nhu cầu truyền dữ liệu, trao đổi thông tin  Mục đích  Tiếp cận hệ thống truyền dữ liệu  Phƣơng pháp, nghi thức truyền  Tìm hiểu một số mạng truyền dữ liệu hiện nay Data Communication Technology 3 Tài liệu tham khảo  Data and Computer Communications – William Stallings.  Data Communications, Computer Networks and Open Systems – Fred Halsall.  Kỹ thuật truyền số liệu – Phạm Ngọc Đĩnh.  Truyền số liệu và mạng truyền số liệu – Nguyễn Hồng Sơn  Truyền số liệu và mạng thông tin số-Trần Văn Sư Data Communication Technology 4 Nội dung môn học  Tổng quan về truyền số liệu  Môi trường truyền dẫn  Các kỹ thuật cơ bản trong truyền dữ liệu  Nghi thức liên kết dữ liệu  Mạng truyền số liệu Data Communication Technology 5 Chƣơng 1:Tổng quan về truyền số liệu  Mô hình hệ thống truyền dữ liệu  Mạng truyền số liệu  Kiến trúc truyền số liệu dùng máy tính Data Communication Technology 6 1.1 Mô hình hệ thống truyền dữ liệu Data Communication Technology 7 Mô hình hệ thống truyền dữ liệu  Source system – hệ thống nguồn  Source – nơi chứa nguồn tin để gửi  Transmitter – bộ dùng để phát nguồn tin ra môi trường truyền dẫn  Destination system – nơi nhận dữ liệu  Receiver – bộ dùng để thu nhận thông tin  Destination – nơi cuối cùng thu nhận tin  Medium – Evironment transmission Data Communication Technology 8 Sơ đồ khối hệ thống truyền số liệu Thieát bò ñaàu cuoái soá lieäu phaùt Thieát bò bieán ñoåi soá lieäu phaùt Thieát bò ñaàu cuoái soá lieäu thu Thieát bò ghi nhaän Nguoàn tin Thieát bò bieán ñoåi soá lieäu thu Keânh thoâng tin Nhieãu DTE DTE DCE DCE Nguoàn tin Nguoàn tin: Saép xeáp tin töùc döôùi daïng caùc taäp tin, löu giöõ treân caùc baêng töø, ñóa tö ø Thieát bò ñaàu cuoái soá lieäu phaùt: Maõ hoaõ tin töùc thaønh caùc töø maõ töông öùng, ngoaøi ra coù theå maõ hoaù thöù caáp nhö maõ choáng nhieãu, maõ neùn, maõ maät, ghi leân caùc thieát bò ghi tin. Khi phaùt, ñoïc caùc thoâng tin töø thieát bò ghi tin thaønh tín hieäu soá lieäu laø caùc chuoãi xung doøng moâït chieàu theo quy luaät cuûa caùc töø maõ. Thieát bò bieán ñ åi li aùt: Bieán ñ åi tí hieäu soá lieäu thaønh tín hieäu caáp 2 phuø hôïp vôùi keânh truyeàn. Keânh thoâng tin: Thöïc hieän ghe p keânh. Truyeàn daãn tín hieäu töø ñaàu t u t ùi ñaàu aùt, theo moä ñoä suy ao cho pheùp. Nhieãu: Taùc ñoäng xaáu leân keânh thoâng tin, laø nguyeân nhaân gaây sai soùt trong thoâng tin Thieát bò ñaàu cuoái soá lieäu thu: Coù nhieäm vuï ngöôïc laïi vôùi caùc thieát bò töông öùng ôû ñaàu phaùt Thieát bò ghi nhaän: Löu gi õ vaø ta taïo laïi c ùc thoâng tin treân caùc thieá bò ghi tin hö óa töø, baêng töø, maøn hình.... theo yeâu caàu cuûa ngöôøi söû duïng. Data Communication Technology 9 Nguyên lý hoạt động  Nguồn tin nguyên thủy cần truyền như văn bản, số liệu, âm thanh, hình ảnh... đưa vào thiết bị đầu cuối qua thiết bị ngoại vi.  Tại đây tin tức được mã hoá thành các từ mã nguồn. Tuỳ theo yêu cầu của hệ thống mà có thể tiếp tục mã hoá lại, như mã chống nhiễu, mã nén, mã mật. Và có thể lưu trữ trên các ổ đĩa.  Các từ mã được chuyển thành tín hiệu số liệu, gọi là tín hiệu cấp 1, sau đó được đưa đến thiết bị chuyển đổi số liệu, tại đây chuyển thành tín hiệu cấp 2 phù hợp với kênh truyền và có khả năng ghép kênh.  Tín hiệu truyền trên kênh sẽ bị tiêu hao và chịu tác động của nhiều nguồn gây nhiễu. Do vậy, trong truyền số liệu người ta phải dùng nhiều biện pháp khắc phục.  Tại đầu thu, quá trình được thực hiện ngược lại. Data Communication Technology 10 Sơ đồ hệ thống truyền số liệu bằng Modem Dail-up CPU CPU Mạng viễn thông Cổng COM RS232 Line Phone  MODEM Dial up MODEM Dial up  Phone Cổng COM RS232 Line Data Communication Technology 11 Các chức năng cơ bản của hệ thống truyền số liệu  Sử dụng hạ tầng truyền thông  Giao diện kết nối  Phát tín hiệu  Đồng bộ  Kiểm soát trao đổi  Phát hiện và sửa lỗi  Đánh địa chỉ và chọn đường  Phục hồi  Khuôn dạng thông báo  Bảo mật  Quản trị mạng truyền thông Data Communication Technology 12 Sử dụng hạ tầng truyền thông  Hạ tầng viễn thông có giá thành cao  Nhiều NSD, nhiều thiết bị chia sẻ một đường truyền, một cơ sở hạ tầng viễn thông  Cần cơ chế sử dụng (truy cập)đường truyền sao cho:  Nếu đường truyền rỗi và có thiết bị muốn truyền tin, thiết bị đó phải được truyền tin (tính công bằng)  Hiệu suất sử dụng lớn nhất(thời gian chết của đường truyền nhỏ nhất)  Kỹ thuật:  kiểm soát đa truy cập, dồn kênh, tách kênh, kiểm soát tắc nghẽn Data Communication Technology 13 Giao diện, phát tín hiệu, đồng bộ  Thiết bị giao tiếp với môi trường truyền tin thông qua một giao diện  Giao diện chung cho nhiều đường truyền, nhiều tín hiệu-> giá thành rẻ  Chuẩn hóa các giao diện  Dữ liệu được truyền bằng tín hiệu trong môi trường truyền tin  Cần sinh tín hiệu thích hợp để truyền trong môi trường truyền tin và để trạm thu nhận tín hiệu  Các trạm tham gia truyền tin cần có một cơ chế đồng bộ, xác định thời điểm bắt đầu và kết thúc của một đơn vị dữ liệu, của dữ liệu, phân biệt các đơn vị dữ liệu Data Communication Technology 14 Kiểm soát trao đổi  Cần xác định các qui tắc mà các thực thể tham gia truyền tin phải tuân theo  Các thực thể cần phối hợp với nhau để truyền tin  Tín hiệu lan truyền có thể bị lỗi, dẫn đến lỗi trong dữ liệu  Cần phát hiện và điều chỉnh các lỗi đó  Thông tin dư thừa  Truyền lại  Kiểm soát luồng dữ liệu: Tránh mất dữ liệu khi một trạm, một nút nào đó bị quá tải, không đủ khả năng xử lý dữ liệu Data Communication Technology 15 Đánh địa chỉ, chọn đƣờng, phục hồi  Khi môi trường truyền tin bị chia sẻ bởi hơn 2 thiết bị, cần phải phân biệt các thiết bị đó với nhau  Cần đánh số các thiết bị: địa chỉ  Trong trường hợp chuyển tiếp dữ liệu qua các trạm trung gian, cần phải chuyển tiếp sao cho dữ liệu có thể đến đích: chọn đường  Quá trình trao đổi thông tin có thể tiếp tục sau khi một phần của hệ thống bị sự cố và khởi động lại: phục hồi Data Communication Technology 16 Định dạng dữ liệu, bảo mật  Định dạng dữ liệu  Thỏa thuận giữa hai thực thể truyền thông về khuôn dạng dữ liệu  Các thông tin điều khiển có thể được bổ sung  Dữ liệu có thể được tổ chức thành các thông báo, gói tin, khung dữ liệu, . thích hợp với cách thức truyền tin  Bảo mật  Người gửi cần đảm bảo gửi thông tin cho người nhận (và chỉ người nhận)  Người nhận cần đảm bảo thông tin không bị thay đổi trên đường truyền Data Communication Technology 17 Quản trị mạng truyền thông  Cấu hình thiết bị  Kiểm soát trạng thái của hệ thống  Phản ứng khi có sự cố, quá tải, tắc nghẽn  Phòng, phát hiện và xử lý xâm nhập  Dự phòng phát triển Data Communication Technology 18 1.2 Mạng truyền số liệu  Giao tiếp điểm-điểm thường không thực tế  Các thiết bị cách xa nhau  Số kết nối tăng đáng kể khi số các thiết bị cần giao tiếp lớn  mạng truyền số liệu  Phân loại dựa vào phạm vi hoạt động  Mạng cục bộ (Local-Area Networks – LAN)  Mạng diện rộng (Wide- Area Networks – WAN) Switching node Wide-Area Network Destination system Source system Source Trans mitter Trans mission System Receiver Dest ination Local-Area Network Data Communication Technology 19 Mạng cục bộ LAN  Mạng cục bộ LAN  Đặc điểm  Kết nối các thiết bị cùng tổ chức  Tốc độ cao  Thường dùng hệ thống broadcast  Hệ thống chuyển mạch và ATM đang được ứng dụng  Cấu hình  Chuyển mạch  Ethernet chuyển mạch (một hoặc nhiều bộ chuyển mạch)  ATM LAN  Fibre channel  Không dây  Cơ động  Dễ dàng cài đặt Data Communication Technology 20 Mạng diện rộng WAN  Mạng diện rộng WAN  Khác như thế nào so với mạng LAN?  Triển khai theo diện rộng  Dựa vào các mạch truyền dẫn công cộng  Công nghệ  Chuyển mạch mạch (circuit-switching)  Đường truyền dẫn dành riêng giữa 2 node mạng  Chuyển mạch gói (packet-switching)  Không được dành riêng đường truyền dẫn  Mỗi gói đi theo đường khác nhau  Chi phí đường truyền cao để khắc phục các lỗi truyền dẫn  Frame Relay  Được dùng trong chuyển mạch gói có xác suất lỗi thấp  ATM  Chế độ truyền bất đồng bộ (Asynchronous Transfer Mode)  Dùng các gói có kích thước cố định (gọi là cell)  ISDN  Mạng số các dịch vụ tích hợp (Integrated Services Digital Network) Data Communication Technology 21  Một cách phân loại khác  Dựa vào kiến trúc và kỹ thuật dùng để trao đổi dữ liệu  Mạng chuyển mạch (switched networks)  Mạng chuyển mạch mạch  Mạng chuyển mạch gói  Mạng phát tán (broadcast networks)  Mạng radio gói (packet radio net.)  Mạng vệ tinh (satellite net.)  Mạng cục bộ (local net.) Data Communication Technology 22 1.3 Sự chuẩn hóa các mô hình  Mô hình OSI  Mô hình TCP/IP Data Communication Technology 23 Mô hình OSI  Mô hình OSI là một mô hình kiến trúc cơ bản. Mô hình không dành riêng cho phần mềm hoặc phần cứng nào. OSI miêu tả các chức năng của mỗi lớp nhưng không cung cấp phần mềm hoặc thiết kế phần cứng để phục vụ cho mô hình này. Mục đích sau cùng của mô hình là cho khả năng hoạt động tương lai của nhiều thiết bị truyền thông. Data Communication Technology 24 Mô hình mạng ISO/OSI  7 lớp  Ứng dụng (Application)  Trình bày (Presentation)  Giao dịch (Session)  Vận chuyển (Transport)  Mạng (Network)  Liên kết dữ liệu (Data link)  Vật lý (Physical) Application Layer Transport Layer Presentation Layer Session Layer Network Layer Datalink Layer Physical Layer Real System Environment O S I E n v ir o m en t N et w o rk E n v ir o m en t Data Communication Technology 25 Mô hình OSI  Phát triển bởi tổ chức tiêu chuẩn quốc tế (ISO)  7 tầng  Ứng dụng: Giao diện cho NSD truy cập+các dịch vụ phân tán  Trình diễn: Trao đổi dữ liệu với các biểu diễn khác nhau  Phiên: Cơ chế kiểm soát trao đổi thông tin giữa các CT theo phiên làm việc  Giao vận: Trao đổi thông tin tin cậy giữa hai hệ thống đầu cuối  Mạng: Cung cấp dịch vụ trao đổi thông tin không phụ thuộc cách kết nối+trạm trung gian+công nghệ chuyển tiếp  Liên kết dữ liệu: Truyền dữ liệu tin cậy hiệu quả giữa hai trạm kết nối trực tiếp  Vật lý: Truyền chuỗi bit không cấu trúc trên môi trường truyền tin vật lý Data Communication Technology 26 Lớp ứng dụng  Cho phép người dùng (user), là người hay phần mềm, truy cập vào mạng. Lớp này cung cấp giao diện cho người dùng và hỗ trợ dịch vụ như thư điện tử, remote file access and transfer, shared database management, và các dạng dịch vụ phân phối dữ liệu khác. Application layer X.500 X.400FTAM L7 data To presentation layer User Application layer X.500 X.400FTAM L7 data From presentation layer User Data Communication Technology 27 Lớp trình bày  Cung cấp định dạng dữ liệu, được dùng để truyền dữ liệu giữa các máy tính nối mạng (chuyển đổi mã ký tự, mã hoá ký tự, nén dữ liệu ) L7 data From application layer L6 data To session layer Presentation layer Encoded, encrypted, and compressed data H6 L7 data To application layer L6 data From session layer Presentation layer Decoded, decrypted, and decompressed data H6 Data Communication Technology 28 Lớp giao dịch  Cung cấp cơ chế điều khiển truyền thông điệp giữa các ứng dụng(trợ giúp danh bạ, quyền truy nhập, chức năng tính cước)  Cho phép hai ứng dụng tạo và sử dụng và xoá kết nối  Nhận dạng tên, bảo mật, phục hồi cần thiết cho hai máy tính kết nối qua mạng L6 data From presentation layer L5 data To transport layer syn syn syn Session layer L6 data To presentation layer 115 L5 data From transport layer syn syn syn Session layer H5 Data Communication Technology 29 Lớp vận chuyển  Cung cấp cơ chế trao đổi dữ liệu giữa hai hệ thống  Cung cấp dịch vụ gởi thông điệp  Đảm bảo truyền không lỗi, theo thứ tự,  Đóng gói dữ liệu (tập hợp nhiều gói nhỏ)  Phân chia dữ liệu (phân chia gói lớn) Data Communication Technology 30 L5 data H4H4H4 Transport layer L4 data L4 data L4 data From session layer To network layer L5 data H4H4H4 Transport layer L4 data L4 data L4 data To session layer From network layer Hình 9 Data Communication Technology 31 Lớp mạng  Trung chuyển dữ liệu giữa lớp Transport và lớp Data Link  Đánh địa chỉ gói và dịch địa chỉ luận lý  Tìm đường kết nối máy tính khác thông qua mạng  Không cần thiết khi kết nối hai máy trực tiếp L3 data H3 L4 data L3 data H3 L4 data From Transport layer To transport layer To data link layer From data link layer Network layer Network layer PacketPacket Hình 7 Data Communication Technology 32 Lớp liên kết dữ liệu  Chịu trách nhiệm truyền dẫn tin cậy (error free) các gói của liên kết mạng trên một liên kết đơn  Đóng khung: xác định đầu và cuối của các gói  Phát hiện lỗi: xác định gói nào có lỗi trên đường truyền  Sửa lỗi: cơ chế truyền lại  Điều khiển truy cập: xác định thiết bị nào nắm quyền được kết nối tại một thời điểm. Data Communication Technology 33 10101000000010 H2T2 L3 data 10101000000010 H2T2 L3 data From network layer To network layer Frame Frame Data link layer Data link layer From physical layerTo physical layer Data Communication Technology 34 87 10 28 53 65 87 ` ` ` ` ` T2 Data 10 Trailer Source addresss Destination address Hình 6 Data Communication Technology 35 Lớp vật lý  Phụ thuộc vào môi trường truyền dẫn  Điều khiển việc truyền dữ liệu(chuỗi các bit) thực sự trên cáp mạng  Định nghĩa tín hiệu điện, trạng thái đường truyền dẫn, mã hóa thông tin, và kiểu kết nối được sử dụng From data link layer To data link layer Physical layer Physical layer L2 data 10101000000010 L2 data 10101000000010 Transmission medium Data Communication Technology 36 Quá trình truyền đồng cấp L7 data H6L7 data L6 data H5 L5 data H4 L4 data H3 L3 data H2T2 01010101010110101000001000 7 6 5 4 3 2 1 7 6 5 4 3 2 1 L7 data H6L7 data L6 data H5 L5 data H4 L4 data H3 L3 data H2T2 01010101010110101000001000 Transmission medium ` ` Data Communication Technology 37 Truyền dữ liệu qua mô hình OSI Data Communication Technology 38 Truyền dữ liệu qua mô hình OSI Data Communication Technology 39 Mô hình TCP/IP  Xây dựng trên cơ sở  hai giao thức chính TCP/IP  Mạng chuyển mạch gói thử nghiệm ARPANET  Gồm 4 tầng  Tầng ứng dụng  Tầng giao vận  Tầng mạng  Tầng vật lý  Được dùng rộng rãi và phổ biến  Internet  Intranet Data Communication Technology 40 Mô hình TCP/IP Data Communication Technology 41 TCP - IP  Lớp vật lý  Giao tiếp vật lý giữa các thiết bị và môi trường truyền  Tính chất của môi trường truyền- mức tính hiệu, tốc độ truyền  Lớp truy xuất mạng  Trao đổi dữ liệu giữa thiết bị và mạng truyền  cung cấp chức năng tìm đường giữa hai thiết bị trong cùng một network  Yêu cầu các dịch vụ từ mạng truyền Data Communication Technology 42 TCP - IP  Lớp Inthernet  Cung cấp chức năng tìm đường giữa hai thiết bị khác mạng.  Còn được thực hiện trong các router  Lớp transport  Đảm bảo nhận dữ liệu tín cậy giữa hai ứng dụng  Chắc chắn dữ liệu đi đúng đến đích và đúng thứ tự gởi  Lớp ứng dụng  Cung cấp các dịch vụ để truy cập mạng Data Communication Technology 43 Dữ liệu truyền qua TCP - IP Data Communication Technology 44 So sánh giữa TCP/IP và OSI Data Communication Technology 45 So sánh giữa TCP/IP và OSI Data Communication Technology 46 Câu hỏi ôn tập chƣơng I Data Communication Technology 47 Chƣơng 2: Môi trƣờng Truyền dẫn  Khái niệm về tín hiệu  Các nhân tố ảnh hưởng đến việc truyền số liệu  Môi trường truyền dẫn Data Communication Technology 48 2.1 Khái niệm về tín hiệu  Thông tin: nội dung, ý nghĩa của một sự kiện, một đối tượng, một quá trình  Tín hiệu: sự biến đổi các thông số của một quá trình vật lý theo quy luật của tin tức  Tín hiệu là một hàm của thời gian s(t)  Ví dụ:  Tín hiệu âm thanh, tiếng nói là sự thay đổi áp suất không khí theo thời gian  Tín hiệu ảnh là hàm độ sáng theo không gian và thời gian  Tín hiệu điện là sự thay đổi của điện áp, dòng điện, Data Communication Technology 49 Phân loại tín hiệu  Tín hiệu liên tục  Thay đổi mịn theo thời gian  Tín hiệu rời rạc  Thay đổi từng mức theo thời gian  Tín hiệu tuần hoàn  Lặp lại theo thời gian  Tín hiệu không tuần hoàn  Không lặp lại theo thời gian Data Communication Technology 50 Khái niệm tín hiệu về tần số  Tín hiệu chứa nhiều thành phần tần số khác nhau  Một thành phần là hài sin tuần hoàn  Bất cứ tín hiệu nào (digital, analog) đều có thể biểu diễn bởi tổ hợp các hàm tuần hoàn  Biểu diễn tín hiệu theo tần số  Trục hoành: giá trị tần số  Trục tung: biên độ hài tần tương ứng Data Communication Technology 51 Khái niệm tín hiệu về tần số Data Communication Technology 52 Tần số, phổ, băng thông  Phổ - spectrum  Hình ảnh của tín hiệu trong miền tần số  Tầm tần số chứa trong tín hiệu  Băng thông  Khoảng tần số hiệu dụng của tín hiệu, kênh truyền  Băng thông tuyệt đối, băng thông hiệu dụng  Thành phần DC  Có tần số là 0 (hz) Data Communication Technology 53 Khái niệm về dữ liệu  Các thực thể chứa đựng thông tin  Phân thành 2 loại  Dữ liệu tương tự  Có giá trị liên tục trong một khoảng thời gian  Dữ liệu số  Giá trị rời rạc theo thời gian Data Communication Technology 54 Khái niệm về tín hiệu  Tín hiệu điện hoặc điện từ  Có hai loại  Tín hiệu tương tự  Thay đổi liên tục theo thời gian  Tín hiệu số  Sử dụng 2 thành phần DC  Giả sử là mức 0, hoặc 1 Data Communication Technology 55 Truyền dữ liệu và kiểu dữ liệu  Tín hiệu tương tự  Dùng để truyền dữ liệu tương tự  Tín hiệu số  Dùng để truyền dữ liệu số  Ngoại lệ  Tín hiệu tương tự mang dữ liệu số  Tín hiệu số mang dữ liệu tương tự Data Communication Technology 56 Truyền dữ liệu và kiểu dữ liệu Data Communication Technology 57 Truyền dữ liệu và kiểu dữ liệu  Truyền tín hiệu tương tự  Suy giảm tín hiệu theo khoảng cách  Khuếch đại bao gồm nhiễu (amplifier)  Không cần quan tâm dữ liệu bên trong t/h  Truyền dữ liệu số  Cần chú ý nội dung bên trong  Khoảng cách truyền ngắn  Dùng repeater để tăng khoảng cách truyền Data Communication Technology 58 Truyền dẫn số  Công nghệ số  LSI, VLSI  Toàn vẹn dữ liệu  Repeater không khuếch đại nhiễu  Truyền khoảng cách xa với những đường truyền kém chất lượng hơn  Hiệu quả kênh truyền :TDM > FDM  Bảo mật : dùng kỹ thuật mã hóa Data Communication Technology 59 2.2 Các yếu tố ảnh hƣởng đến truyền tin  Truyền tin tương tự: méo, giảm chất lượng tín hiệu nhận được  Truyền tin số: lỗi bit, 0 chuyển thành 1 và ngược lại  Các yếu tố quan trọng  Suy hao tín hiệu và méo trên suy hao  Độ trễ tín hiệu và méo do trễ  Nhiễu Data Communication Technology 60 Suy hao tín hiệu  Tín hiệu nhận được khác với tín hiệu truyền đi  Analog – suy giảm chất lượng tín hiệu  Digital – lỗi trên bit  Nguyên nhân  Suy yếu và méo do suy yếu trên đường truyền  Méo do trễ truyền  Nhiễu Data Communication Technology 61 Độ suy giảm tín hiệu  Định nghĩa (s