Bài giảng Truyền số liệu - Khái niệm chung

Chương 1: Khái niệm chung Khái niệm hệ thống truyền thông Ví dụ, mục đích, mô hình chung, các thành phần của hệ thống truyền thông, các vấn đề của truyền thông. Giao thức, kiến trúc giao thức Khái niệm, thành phần, kiến trúc, mô hình 3 lớp, TCP/IP, OSI Một số khái niệm, thuật ngữ Thuật ngữ truyền tin, biểu diễn tín hiệu, quan hệ giải thông/tốc độ truyền tin, Phân biệt liên tục/rời rạc, tương tự/số Các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng truyền tín hiệu Độ suy hao, độ trễ, độ méo, Bài tập Bài 1: Khái niệm hệ thống truyền thông Ví dụ về hệ thống truyền thông Các thành phần của hệ thống truyền thông Các vấn đề của quá trình truyền thông Hệ thông tin điện tín Hệ thông tin điện thoại Mạng thông tin truyền số liệu Mục đích của hệ thống truyền thông Truyền thông tin từ điểm này sang điểm khác Có thể truyền trực tiếp qua các đường truyền số liệu Có thể truyền thông qua các điểm trung gian (qua một mạng truyền số liệu) Đảm bảo thông tin đến đích Trong khoảng thời gian cho phép Với sai số cho phép Với các điều kiện Khả năng tính toán của các nút có hạn Khả năng truyền tin của các đường truyền có hạn Thành phần của hệ thống truyền thông Nguồn Nguồn là nơi sản sinh ra tín hiệu, dữ liệu. Quá trình sản sinh ra dữ liệu là tự nhiên (ngẫu nhiên) Mỗi loại dữ liệu thích hợp với một cách xử lí khác nhau. Văn bản đòi hỏi truyền với độ chính xác cao, tốc độ không cần cao. Tiếng nói đòi hỏi truyền với tốc độ cao và độ chính xác vừa phải Mỗi loại tín hiệu thích hợp với một kiểu xử lí riêng (nén, phát hiện lỗi) Cấu trúc thống kê của nguồn : dữ liệu, tín hiệu loại nào xuất hiện với tần suất bao nhiêu. Căn cứ vào cấu trúc thống kê nói trên, lựa chọn phương pháp biễu diễn dữ liệu tối ưu Bộ phát tín hiệu Chuyển đổi dữ liệu từ nguồn thành tín hiệu thích hợp với việc lan truyền Bổ sung thêm một số thông tin (điều khiển) phục vụ cho việc phát hiện lỗi điều khiển truyền tin Chuyển dữ liệu thành tín hiệu điện từ để truyền trên đường truyền (điều chế, mã hóa) Môi trường truyền tin Là môi trường để lan truyền tín hiệu mang thông tin Các tính chất của môi trường thay đổi theo thời gian, khiến cho tín hiệu thu được không chỉ phản ánh đầu vào, mà còn phản ánh sự thay đổi đó Trong môi trường truyền tin, có thể có các tín hiệu do các nguồn khác lan truyền Tín hiệu nhận được do đó sẽ là tổng hợp của tín hiệu đầu vào, tín hiệu do các nguồn khác và tín hiệu sinh ra bởi sự thay đổi của môi trường truyền tin Môi trường truyền tin đặc trưng bởi các yếu tố tham gia vào tín hiệu đầu ra (tín hiệu đầu vào + méo + nhiễu + độ trễ) Bộ thu tín hiệu+Đích Nhận tín hiệu từ môi trường truyền tin Tái tạo lại tín hiệu ban đầu (Giải điều chế) Phát hiện và sửa lỗi nếu cần Thành phần của hệ thống truyền thông Các vấn đề của truyền thông 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 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 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 gian 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 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 Đánh địa chỉ, chọn đường, 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 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 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 Kết luận Mô hình truyền tin đơn giản, Nguồn, bộ phát, môi trường truyền tin, bộ thu, đích thay thế bằng một danh sách các vấn đề nảy sinh Danh sách này chưa đầy đủ Trong các bài, các chương sau chúng ta sẽ bổ sung, chi tiết, giải quyết danh sách đó Bài 2: Giao thức và kiến trúc giao thức Giao thức, thành phần của giao thức Kiến trúc giao thức Mô hình 3 tầng Mô hình TCP/IP Mô hình ISO/OSI So sánh các mô hình Ví dụ về truyền số liệu: Truyền file Cần có một kênh truyền giữa hai máy tính (trực tiếp, gián tiếp) Nguồn: Kích hoạt kênh truyền Cần có thông tin: đích đã sẵn sàng nhận hay chưa CT truyền file cũng cần biết CT trên máy đích đã sẵn sàng nhận file hay chưa Đích Kiểm tra độ chính xác của dữ liệu Yêu cầu gửi lại, điều chỉnh lỗi Lưu trữ file Nguồn và đích cần phối hợp lẫn nhau để truyền file, sử dụng một tập các qui ước chung: giao thức Một họ các giao thức phục vụ cho việc truyền thông giữa các hệ thống tin học (máy tính, trạm làm việc) gọi là một kiến trúc giao thức (protocol stack) Giao thức Sử dụng phục vụ cho việc trao đổi thông tin giữa các thực thể thuộc các hệ thống khác nhau Thực thể: CT ứng dụng, gói phần mềm, … Hệ thống: Máy tính, trạm làm việc, bộ cảm biến,…. Là ngôn ngữ chung để các thực thể có thể trao đổi thông tin. Cụ thể là Trao đổi cái gì? Trao đổi như thế nào? Trao đổi khi nào? Thành phần của giao thức Khuôn dạng dữ liệu Thủ tục, chức năng Cơ chế đồng bộ Kiến trúc giao thức (protocol stack) Nguồn và đích cần phối hợp chặt chẽ để truyền tin Công việc này được chia làm nhiều công việc con Các công việc con được thực hiện riêng biệt (bằng một giao thức riêng biệt) Các thực thể của nhiều giao thức trên một hệ thống trao đổi lẫn nhau kết quả công việc thực hiện Hệ thống gồm nhiều giao thức trao đổi kết quả lẫn nhau tại một hệ thống gọi là kiến trúc giao thức (protocol stack), còn gọi là mô hình (model) Thường các họ giao thức được phân theo tầng, để giảm bớt trao đổi thông tin giữa các thực thể trong một hệ thống Kiến trúc giao thức-truyền file Modul truyền file chứa các logic liên quan đến việc truyền file: Truyền mật khẩu, tên file, truyền các bản ghi của file Các thông tin này cần được truyền tin cậy, nhanh chóng, giống như trong các ứng dụng khác Việc truyền tin tin cậy, nhanh chóng được thực hiện bởi một modul khác, tách rời Modul này cho phép các CT ứng dụng sử dụng mạng truyền thông không cần biết đến chi tiết: modul truy cập mạng Nếu mạng truyền thông thay đổi, chỉ cần thay đổi modul truy cập mạng, toàn bộ các modul logic của các CT ứng dụng vẫn được giữ nguyên Kiến trúc giao thức-phân tầng Các giao thức được phân theo tầng từ cao xuống thấp Tầng cao nhất phục vụ cho việc trao đổi thông tin ứng dụng Tầng thấp nhất trao đổi thông tin bằng môi trường truyền tin vật lý Giao thức tầng trên sử dụng kết quả của giao thức tầng dưới (dịch vụ) Các thực thể các tầng khác nhau trao đổi thông tin bằng các lời gọi hàm Ví dụ về kiến trúc phân tầng Mô hình 3 tầng Mô hình TCP/IP Mô hình ISO/OSI So sánh các mô hình Mô hình 3 tầng Trao đổi thông tin được tiến hành theo 3 mức Mức chương trình Trao đổi dữ liệu với ngữ nghĩa phù hợp với mục đích của CT Mức máy tính Trao đổi thông tin giữa các máy tính tin cậy, hiệu quả Đảm bảo thứ tự và chất lượng của thông tin Không quan tâm đến bản chất, ngữ nghĩa của thông tin Còn gọi là tầng giao vận Mức mạng (cài driver card mạng, giao thức mạng) Trao đổi thông tin giữa máy tính và môi trường truyền tin Đảm bảo dịch vụ trong suốt cho các tầng trên Mô hình 3 tầng Đánh địa chỉ Địa chỉ máy Địa chỉ các CT trên 1 máy (Điểm truy cập dịch vụ) Thực thể một tầng trao đổi thông tin bằng giao thức của tầng đó Tầng trên sử dụng dịch vụ của tầng dưới Mô hình 3 tầng: hoạt động Một CT tại điểm truy cập dịch vụ (SAP) 1 tại A muốn gửi một thông báo tới 1 CT khác với SAP 2 trên máy B CT A chuyển thông báo cho tầng giao vận kèm theo lệnh chuyển tới B, SAP 2. Tầng giao vận chuyển thông báo xuống cho tầng truy cập mạng, kèm theo lệnh gửi tới B Tầng truy cập mạng chuyển gói tin tới B Tầng giao vận tại B lọc thông tin theo SAP và chuyển đến cho CT với SAP 2 Để kiểm soát các thao tác, thông tin NSD cần được gửi kèm theo các thông tin điều khiển tại mỗi tầng. Các thông tin này tạo thành phần tiêu đề của mỗi một đơn vị dữ liệu Mô hình 3 tầng: Đơn vị dữ liệu Tầng giao vận cần các thông tin điều khiển sau SAP của đích Số thứ tự của các đơn vị dữ liệu Mã kiểm soát lỗi Khi các thông tin này được chuyển xuống tầng mạng, tầng mạng cần các thông tin điều khiển Địa chỉ máy đích Yêu cầu truyền tin Mỗi tầng sẽ bổ sung các thông tin điều khiển vào đơn vị dữ liệu; Mô hình 3 tầng: Đơn vị dữ liệu 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 Mô hình TCP/IP 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 TCP/IP và OSI Chương 1: Khái niệm chung Khái niệm hệ thống truyền thông Ví dụ, mục đích, mô hình chung, các thành phần của hệ thống truyền thông, các vấn đề của truyền thông. Giao thức, kiến trúc giao thức Khái niệm, thành phần, kiến trúc, mô hình 3 lớp, TCP/IP, OSI Một số khái niệm, thuật ngữ Thuật ngữ truyền tin, biểu diễn tín hiệu, quan hệ giải thông/tốc độ truyền tin, Phân biệt liên tục/rời rạc, tương tự/số Các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng truyền tín hiệu Độ suy hao, độ trễ, độ méo, Bài tập Bài 3: Một số khái niệm, thuật ngữ Thuật ngữ truyền tin Biểu diễn tín hiệu theo miền thời gian Biểu diễn tín hiệu theo miền tần số Quan hệ giải thông, tốc độ truyền tin Liên tục/rời rạc, tương tự/số Thuật ngữ truyền tin Môi trường truyền tin: định hướng, không định hướng Kết nối trực tiếp Kết nối điểm-điểm Kết nối điểm-nhiều điểm Đơn công, bán song công, song công Liên kết các nút Biểu diễn tín hiệu trên miền thời gian Tín hiệu có thể biểu diễn như là một hàm số theo thời gian Có thể phân biệt tín hiệu rời rạc và tín hiệu liên tục. Biểu diễn theo thời gian của tín hiệu liên tục là một hàm liên tục, không có các bước nhẩy hoặc ngắt quãng. Tín hiệu rời rạc chỉ nhận những giá trị xác định trong những khoảng thời gian xác định, rồi chuyển giữa các mức giá trị đó. Tín hiệu tiếng nói là tín hiệu liên tục, tín hiệu 0-1, các xung là tín hiệu rời rạc. Tín hiệu liên tục, rời rạc Giá trị của tín hiệu tuần hoàn lặp lại sau những khoảng thời gian xác định Về mặt toán học, một tín hiệu là tuần hoàn khi và chỉ khi tồn tại một số dương T sao cho Tín hiệu hình sin và tín hiệu xung là hai tín hiệu tuần hoàn thường gặp Tín hiệu tuần hoàn Tín hiệu hình sin Tín hiệu hình sin Biên độ là giá trị tuyệt đối lớn nhất của tín hiệu, thường đo bằng volt hoặc wats Tần số là số lần thay đổi tín hiệu trong một đơn vị thời gian. Thông số tương đương với tần số là chu kỳ, chính là khoảng thời gian T mà sau đó tín hiệu lặp lại T=1/f. Pha là tham số phản ánh sự dịch chuyển tương đối của tín hiệu trong khuôn khổ một chu kỳ Khoảng cách mà tín hiệu lan truyền được trong một đơn vị thời gian gọi la bước sóng Biểu diễn tín hiệu trên miền tần số Tín hiệu điện từ có thể phân tích thành các tín hiệu thành phần với biên độ, tần số và pha khác nhau Biến đổi Furier: Bất cứ một tín hiệu nào cũng có thể được phân tích thành các tín hiệu hình sin thành phần Thay vì việc biểu diễn tín hiệu theo thời gian, một tín hiệu bây giờ có thể biểu diễn bằng hàm số theo tần số, chỉ ra các thành phần hình sin là những thành phần có tần số bao nhiêu, biên độ thế nào. Biểu diễn tín hiệu trên miền tần số Tín hiệu thành phần có tần số là bội của một tần số: tần số cơ bản. Phổ Giải tần số có trong tín hiệu Giải thông tuyệt đối Giải tần số có thể truyền qua môi trường truyền tin Giải thông thực tế Giải tần số chiếm nhiều năng lượng nhất Thành phần một chiều Biểu diễn tín hiệu trên miền tần số Giải thông và tốc độ truyền tin Tín hiệu xung có phổ vô hạn Giới hạn phổ của tín hiệu cho một tín hiệu gần chữ nhật Gs xung có tần số 1Mhz Giải tần cần thiết thực tế là 5x1M-1M=4M Tốc độ truyền tin 2Mbps Nếu giải tần là 8M, tốc độ truyền tin=? Như vậy tốc độ truyền tin phụ thuộc giải tần, và số lượng sóng hài Giải thông và tốc độ truyền tin Liên tục/rời rạc, tương tự, số Áp dụng cho Dữ liệu Tín hiệu Quá trình truyền tin Dữ liệu tương tự-tiếng nói Dữ liệu số: Văn bản Tín hiệu Dữ liệu truyền bằng tín hiệu Tín hiệu tương tự Giá trị thay đổi liên tục Truyền trên các môi trường khác nhau Giải thông Tiếng nói Điện thoại Video Tín hiệu số Dùng 2 thành phần một chiều biểu diễn 0-1 Dữ liệu-tín hiệu Thường dùng tín hiệu số tại dữ liệu số và tín hiệu tương tự tải tín hiệu tương tự Có thể dùng tín hiệu tương tự tải dữ liệu số (modem) Hoặc tín hiệu số tải dữ liệu tương tự compaq disk audio Quá trình truyền tin tương tự Truyền tin tương tự: truyền tín hiệu tương tự không quan tâm đến dữ liệu chứa trong tín hiệu Tín hiệu bị suy hao, cần được khuếch đại Tiếng ồn cũng được khuếch đại Nếu dữ liệu liên tục, có thể chấp nhận được sai số Nếu dữ liệu số, có thể dẫn đến sai số truyền tin Truyền tin số quan tâm đến nội dung thông tin Sử dụng các bộ lặp cho khoảng cách xa Sai số được triệt tiêu mỗi lần qua bộ lặp Có thể dùng cho truyền tin bằng tín hiệu tương tự và dữ liệu số Hệ thống truyền tin số/tương tự Hệ thống tương tự đã tồn tại và trị giá lớn Nhưng Công nghệ số phát triển vũ bão LSI, VLSI, … giá thành giảm, kích thước giảm Công nghệ số đảm bảo tính chính xác của dữ liệu Dồn kênh, tách kênh đơn giản hơn với truyền tin số Dữ liệu số có thể được mã hóa để bảo mật Trên kênh truyền số có thể truyền dữ liệu số, tương tự, ….. Các yếu tố ảnh hưởng 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 trên trễ Tiếng ồn Suy hao tín hiệu Cường độ tín hiệu giảm theo chiều dài đường truyền. Trên đường truyền định hướng, giảm theo loga Trên đường truyền không định hướng, phụ thuộc môi trường Tín hiệu nhận cần có cường độ đủ lớn để có thể được thu nhận Tín hiệu nhận phải có cường độ lớn hơn tiếng ồn Sử dụng các bộ khuếch đại, bộ lặp Độ suy hao tăng theo tần số Sử dụng các bộ equalize khuếch đại tần số cao Méo do trễ Độ trễ phụ thuộc tần số: các tín hiệu tần số khác nhau sẽ đến đích vào các thời điểm khác nhau, làm thay đổi hình dạng tín hiệu Đặc biệt nghiêm trọng với tín hiệu số Một phần tín hiệu của bit trước có thể ảnh hưởng đến bit sau, làm thay đổi hình dạng của xung Có thể sử dụng các kỹ thuật equalize Tiếng ồn Giữa nguồn và đích có thể có nhiều tín hiệu được bổ sung Nguồn gốc nhiệt độ Do tính chất dao động của các điện tử Phân bố đếu Tiếng ồn trắng Tiếng ồn lẫn nhau giữa các tín hiệu Các tín hiệu cùng truyền trên một đường truyền ảnh hưởng lẫn nhau sinh ra sai khác so với tín hiệu nguyên bản Xuyên kênh Các tín hiệu trên các đường truyền khác nhau ở gần nhau ảnh hưởng lẫn nhau Dung lượng kênh Tốc độ truyền tin Giải thông Tiếng ồn Tỷ suất lỗi Ví dụ-01 giải thông W=3100Hz Thông lượng: 6200bps: 2 mức tín hiệu 4 mức tín hiệu : 12400bps 8 mức tín hiệu: 18600bps ….. Thông lượng vô hạn? Tiếng ồn có thể làm thay đổi một bit Khoảng cách giữa các mức phải lớn hơn tiếng ồn Tỷ lệ tín hiệu/tiếng ồn đo bằng db: 30 Thông lượng? Bài tập, câu hỏi Một hệ truyền thông số hoạt động ở 9600 bps Một đơn vị tín hiệu mã hóa 1 từ 4bít. Giải thông của đường truyền là bao nhiêu Nếu một đơn vị dữ liệu mã hóa 1 từ 8 bit Kênh truyền 20Mbps. Giải thông là 3MHz. Tỷ lệ tín hiệu/tiếng ồn =?