Bài giảng Truyền thông kỹ thuật số - Chương 1: Giới thiệu về kỹ thuật truyền số liệu - Trịnh Huy Hoàng

CHƯƠNG 1GIỚI THIỆU VỀ KỸ THUẬT TRUYỀN SỐ LIỆUGiảng viên: Trịnh Huy HoàngNội dungỨng dụng truyền dữ liệuMô hình hệ thống truyền dữ liệuMạng truyền số liệuKiến trúc truyền số liệu dùng máy tínhỨng dụng truyền số liệuỨng dụng dữ liệuỨng dụng âm thanh, tiếng nói.Sơ đồ khối tổng quát (mô hình Shannon)SourceTrans-mitterTrans-missionSystemReceiverDes-tinationSource SystemDestination SystemVí dụỨng dụng videoỨng dụng thời gian thựcMô hình hệ thống truyền dữ liệuHệ thống truyền dữ liệu ?Dữ liệu: biểu diễn số liệu, khái niệm, dưới dạng thích hợp cho việc giao tiếp, xử lý, diễn giảiThông tin: ý nghĩa được gán cho dữ liệuTập hợp các thiết bị được kết nối thông qua một môi trường truyền dẫnTác vụ của hệ thống truyền dữ liệuSử dụng hệ thống truyền dẫnGiao tiếpTạo tín hiệuĐồng bộQuản lý việc trao đổi dữ liệuĐiều khiển dòng dữ liệuPhát hiện và sửa lỗiĐịnh vị địa chỉ và tìm đườngKhôi phụcĐịnh dạng thông báoBảo mậtQuản trị mạngHệ thống truyền dữ liệuTại sao phải dùng hệ thống truyền dữ liệuChia xẻ tài nguyênMáy inỔ đĩa/băng từCông suất tính toánTập hợp dữ liệuPhân tán tảiTính toán song songTính toán theo mô hình client-serverFault toleranceTrao đổi thông tinGiao dịch cơ sở dữ liệuThư điện tử Phân tán dữ liệu trên mạng – lưu trữTruyền số liệuLiên quan đến các vấn đề truyền dữ liệu số dạng thôTruyền dẫn dữ liệu (data transmission)Mã hóa dữ liệu (data encoding)Kỹ thuật trao đổi dữ liệu số (digital data communication)Điều khiển liên kết dữ liệu (data link control)Phân hợp (multiplexing)Liên kết (link) hoặc mạch (circuit)Kênh (channel)SourceTrans-mitterTrans-missionSystemReceiverDes-tinationSource SystemDestination SystemMạng truyền số liệuGiao tiếp điểm-điểm thường không thực tếCác thiết bị cách xa nhauSố kết nối tăng đáng kể khi số các thiết bị cần giao tiếp lớn mạng truyền số liệuPhân loại dựa vào phạm vi hoạt độngMạng cục bộ (Local-Area Networks – LAN)Mạng diện rộng (Wide-Area Networks – WAN)SwitchingnodeWide-AreaNetworkDestination systemSource systemSourceTransmitterTransmissionSystemReceiverDestinationLocal-AreaNetworkMạng truyền số liệuMạng cục bộ LANĐặc điểmKết nối các thiết bị cùng tổ chứcTốc độ caoThường dùng hệ thống broadcastHệ thống chuyển mạch và ATM đang được ứng dụngCấu hìnhChuyển mạchEthernet chuyển mạch (một hoặc nhiều bộ chuyển mạch)ATM LANFibre channelKhông dâyCơ độngDễ dàng cài đặtMạng truyền số liệuMạng diện rộng WANKhác như thế nào so với mạng LAN?Triển khai theo diện rộngDựa vào các mạch truyền dẫn công cộngCông nghệChuyển mạch mạch (circuit-switching)Đường truyền dẫn dành riêng giữa 2 node mạngChuyển mạch gói (packet-switching)Không được dành riêng đường truyền dẫnMỗi gói đi theo đường khác nhauChi phí đường truyền cao để khắc phục các lỗi truyền dẫnFrame RelayĐược dùng trong chuyển mạch gói có xác suất lỗi thấpATMChế độ truyền bất đồng bộ (Asynchronous Transfer Mode)Dùng các gói có kích thước cố định (gọi là cell)ISDNMạng số các dịch vụ tích hợp (Integrated Services Digital Network)Mạng truyền số liệuMột cách phân loại khácDựa vào kiến trúc và kỹ thuật dùng để trao đổi dữ liệuMạng chuyển mạch (switched networks)Mạng chuyển mạch mạchMạng chuyển mạch góiMạng phát tán (broadcast networks)Mạng radio gói (packet radio net.)Mạng vệ tinh (satellite net.)Mạng cục bộ (local net.)Cấu hình mạng truyền số liệuKiến trúc truyền thông máy tínhTác vụ giao tiếp được phân nhỏ thành các môđunCác mođun được hiện thực trên các lớp khác nhau (trên cả 2 hệ thống)Giao tiếp đồng đẳngỨng dụng truyền fileNguồn thiết lập kết nối (báo cho mạng biết đâu là đích)Nguồn đảm bảo đích sẵn sàng nhận dữ liệuỨng dụng truyền file trên h/t nguồn phải đảm bảo chương trình quản lý file trên h/t đích sẵn sàng nhận và lưu trữ fileNếu định dạng file dùng trên 2 h/t không tương thích, một hoặc cả 2 h/t phải thực hiện chức năng chuyển đổiVí dụ: truyền file có thể được phân thành 3 môđunTruyền fileDịch vụ giao tiếpTruy xuất mạngCommunication subsystemApplication processData communication network Computer-to-network communicationComputer IComputer IICommunication subsystemApplication processComputer-to-computercommunicationUser-to-usercommunicationNghi thức giao tiếp (giao thức)Dùng để giao tiếp giữa các thực thể trong một hệ thốngThực thểCó khả năng gởi/nhận thông tinỨng dụng người dùngThư điện tửThiết bị đầu cuốiHệ thốngĐối tượng vật lý, chứa một hoăc nhiều thực thểMáy tínhThiết bị đầu cuốiCảm biến từ xaPhải cùng “nói” một ngôn ngữCác thành phần chính của một nghi thức giao tiếpNgữ pháp (syntax)Định dạng dữ liệuMức tín hiệuNgữ nghĩa (semantic)Thông tin điều khiểnXử lý lỗiĐịnh thời (timing)Đồng bộTuần tựTiêu chuẩn hóaCần thiết cho các tác vụ liên thông giữa các thiết bịCác tổ chức chuẩn hóaInternet Society (ISOC): cộng đồng các tổ chức và cá nhân liên quan đến việc đánh địa chỉ của internet (bao gồm cả IETF, IAB)Electronics Industries Association EIA: hiệp hội các nhà sản xuất ở Mỹ, đưa ra chuẩn RS232 và các chuẩn tương tựInstitute of Electrical and Electronic Engineers IEEE ( tổ chức nhà nghề của các kỹ sư điện-điện tử (IEEE-754: chuẩn cho số chấm động)International Telecommunications Union ITU ( điều phối các chuẩn tầm quốc tế, cấp phát tần số viễn thông vệ tinhAmerican National Standards Institute ANSI ( đại diện cho một số tổ chức chuẩn hóa ở Mỹ (chuẩn cho ký tự ASCII)International Organization for Standardization ISO ( có nhiều chuẩn liên quan đến máy tính, đại diện ở Mỹ là ANSI (ISO9000 là chuẩn liên quan bảo hiểm chất lượng)Ưu điểmBảo đảm thị trường lớn cho các thiết bị và các phần mềmCho phép các sản phẩm của các nhà cung cấp có thể giao tiếp với nhauNhược điểmHạn chế sự phát triển công nghệCó thể có nhiều chuẩn cho cùng một công nghệTiêu chuẩn hóaHệ thống kín (sở hữu riêng)Được định nghĩa bởi một vài nhà sản xuất máy tínhChỉ liên quan đến việc truyền dữ liệu trong một máy tính hoặc giữa máy tính với các thiết bị ngoại vi Hệ thống nhiều nhà cung cấp (thương mại hóa)Được định nghĩa bởi một số nhà cung cấp dịch vụ viễn thôngSNA (IBM), IPX (Novel), ...V-series: kết nối giữa DTE và modem kết nối với PSTN (Public Switched Telephone Tetwork)X-series: kết nối giữa DTE và PSDN (Public Switched Data Network)I-series: kết nối giữa DTE và ISDN (Integrated Services Digital Network)Hệ thống DoDTCP/IP – Transmission Control Protocol/Internet Protocol)Hệ thống mởĐược định nghĩa bởi ISOOSI – Open Systems InterconnectionMô hình 3 lớpNetwork Access LayerTrao đổi dữ liệu giữa máy tính và mạngMáy tính nguồn cung cấp địa chỉ đíchCó thể có các mức dịch vụTùy thuộc vào loại mạng đang dùng (LAN, chuyển mạch gói, )Transport LayerTrao đổi dữ liệu tin cậyĐộc lập với mạng đang dùngĐộc lập với ứng dụngApplication LayerHỗ trợ các ứng dụng người dùng khác nhau (e.g. e-mail, file transfer)Kiến trúc nghi thức và mạng2 mức địa chỉMỗi máy tính cần 1 địa chỉ mạng duy nhấtMỗi ứng dụng trong một máy tính cần 1 địa chỉ duy nhất (trong máy)Service Access Point (SAP)Port đối với mô hình TCP/IPComputer BComputer AComputer CNetwork AddressService Access PointNghi thức trong mô hình 3 lớpComputer YComputer XApplication ProtocolTransport ProtocolNetwork accessprotocolNetwork accessprotocolProtocol Data Units (PDU)Tại mỗi lớp, người ta dùng các nghi thức để giao tiếpThông tin điều khiển được thêm vào dữ liệu người dùng tại mỗi lớpLớp Transport có thể phân đoạn dữ liệu người dùngMỗi phân đoạn có một header chứaSAP đíchSố tuần tựMã phát hiện saiApplication DataTransportheaderNetworkheaderTransportheaderNetworkheaderTransportProtocol Data UnitsNetworkProtocol Data Units(packages)Network PDUThêm header mạng chứaĐịa chỉ mạng của máy đíchYêu cầu dịch vụSource XDestination YApplicationTransportNetworkaccessApplicationTransportNetworkaccessDHostDHostDSAPDSAPRecordRecordPacketTransport PDUDSAP = Destination Service Access PointDHost = Destination HostKiến trúc nghi thức được chuẩn hóaCần thiết để các thiết bị trao đổi dữ liệuCác nhà cung cấp có nhiều sản phẩmKhách hàng có thể đòi hỏi thiết bị hợp chuẩn2 chuẩn thông dụngMô hình OSIMô hình TCP/IPNgoài ra còn có Systems Network Architecture (SNA) của IBMMô hình DoDPhát triển bởi DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) cho mạng chuyển mạch gói ARPANET (sau này là Internet)Sắp xếp phân cấp của các thực thể có khả năng giao tiếp với các thực thể ngang cấp trong một hệ thống khácTrong một hệ thống, một thực thể cung cấp dịch vụ cho các thực thể khác và cũng sử dụng dịch vụ của các thực thể khácNhấn mạnh vào sự kết nối liên mạng, nghĩa là, khi 2 thực thể giao tiếp không nối chung một mạngQuan tâm cả hệ thống hướng đến kết nối và không kết nốiBao gồm các ứng dụng: trao đổi file (FTP, RCP), mô phỏng terminal (telnet, rlogin), chia xẻ và truy cập file phân tán (NFS), thực thi lệnh từ xa (rsh, rexec), in ấn từ xa (lpr), 802.X, X.25, mail (SMTP), quản trị mạng (NSP, SNMP)TCP/IP được phát triển đồng thời với mô hình ISOKhông chứa các nghi thức liên quan đến các lớp trong mô hình ISOHầu hết các chức năng của mô hình ISO được tích hợp trong TCP/IPKhông phải mô hình chính thức, nhưng là một mô hình thực tiễnLớp ứng dụngLớp vận chuyển (giao tiếp giữa các thiết bị)Lớp InternetLớp truy xuất mạngLớp vật lýMô hình kiến trúc giao thức TCP/IPSourceTrans-mitterTrans-missionSystemReceiverDes-tinationSource SystemDestination SystemKhái niệm TCP/IPMức địa chỉĐịa chỉ duy nhất cho mỗi hệ thống đầu cuối và routerĐịa chỉ lớp mạng Địa chỉ IP hoặc địa chỉ internet (TCP/IP)Network service access point (NSAP – OSI)Quá trình trong hệ thốngPort number (TCP/IP)Service access point (SAP – OSI)Một họat động đơn giảnQuá trình gắn với port 1 trong máy A gởi thông báo tới port 2 trong máy BQuá trình trong máy A chuyển message tới TCP để gởi tới máy BTCP chuyển xuống IP để gởi cho máy BIP chuyển xuống lớp mạng (e.g. Ethernet) để gởi tới router JTạo ra tập các PDU được bao bọcDòng dữ liệu trong TCP/IPUser DataUser DataApplicationHeaderApplication DataTCP HeaderApplication DataTCP HeaderIP HeaderApplication DataTCP HeaderIP HeaderEthernetHeaderEthernetTrailerEthernet Frame46 – 1500 bytes1420204IP datagramTCP segmentEthernetDriverIPTCPEthernetApplicationMô hình giao tiếp dùng TCP/IPToken RingDriverIPTCPFTPServerEthernetDriverIPTCPFTPClientToken RingDriverEthernetDriverIPToken RingEthernetIPProtocolIPProtocolToken RingProtocolEthernetProtocolFTPProtocolTCPProtocolRouterNghi thức trong mô hình TCP/IPBGP = Border Gateway Protocol OSPF = Open Shortest Path FirstFTP = File Transfer Protocol RSVP = Resource ReSerVation ProtocolHTTP = Hypertext Transfer Protocol SNMP = Simple Network Management ProtocolICMP = Internet Control Message Protocol SMTP = Simple Mail Transfer ProtocolIGMP = Internet Group Management Protocol TCP = Transmission Control ProtocolIP = Internet Protocol UDP = User Datagram ProtocolMIME = Multi-purpose Internet Mail ExtensionMô hình mạng ISO/OSIHệ thống lý thuyết ra đời quá trễTCP/IP đang là tiêu chuẩn thực tiễn7 lớpỨng dụng (Application)Trình bày (Presentation)Giao dịch (Session)Vận chuyển (Transport)Mạng (Network)Liên kết dữ liệu (Data link)Vật lý (Physical)Application LayerTransport LayerPresentation LayerSession LayerNetwork LayerDatalink LayerPhysical LayerReal System EnvironmentOSI EnviromentNetwork EnviromentMô hình mạng ISO/OSITotalCommunicationFunctionDecompose(modularity,information-hiding)OSI-wide standards(e.g. network management, security)Layer NLayer 1PhysicalLayer 7ApplicationLayer N entityService fromLayer N-1Service toLayer N+1Protocol withpeer Layer NMô hình mạng ISO/OSILayer NProtocol Specification(Precise syntax andsemantics forinteroperability)Addressing(Service Access Point)Service Definition(Functional descriptionfor internal use)Mô hình mạng ISO/OSITransportNetworkData LinkApplicationPresentationSessionPhysicalTransportNetworkData LinkApplicationPresentationSessionPhysicalData LinkData LinkData LinkData LinkPhysicalPhysicalPhysicalPhysicalNetworkNetworkExternalsiteExternalsiteSubnetnodeSubnetnodeVirtual network serviceVirtual sessionVirtual link for end-to-end messagesVirtual link for end-to-end packagesVirtual link for reliable packagesPhysical linkVirtualbit pipeLớp hướng tới ứng dụngLớp ứng dụngCung cấp cho các ứng dụng các dịch vụ để truy cập mạngLớp trình bàyCung cấp định dạng dữ liệu được dùng để truyền dữ liệu giữa các máy tính nối mạng (chuyển đổi mã ký tự, mật mã dữ liệu, nén dữ liệu, )Lớp giao dịchCung cấp cấu trúc điều khiển truyền số liệu giữa các ứng dụng (trợ giúp tổng đài, quyền truy cập, chức năng tính cước, )Cho phép 2 máy tính tạo, sử dụng và xóa kết nốiCó khả năng nhận dạng tên và các chức năng khác (security) cần thiết cho 2 máy tính nối kết qua mạng  Quan tâm đến các lớp dưới (từ lớp vận chuyển trở xuống)Các lớp trên được tích hợp trong hệ điều hành và không cần thiết phải chuẩn hóaLớp hướng tới ứng dụngLớp vận chuyểnCung cấp dịch vụ thông báo end-to-end cho các lớp trênCung cấp đường ống vận chuyển gói end-to-end cho lớp vận chuyểnBảo đảm dữ liệu được truyền không có lỗi, theo thứ tự và không mất mát, ngắt quãng hoặc dư thừaChịu trách nhiệm đóng gói dữ liệu từ một thông báo lớn thành nhiều thông báo kích thước nhỏ hơn để gởi đi và tập hợp các thông báo nhỏ thành một thông báo ban đầu khi nhận được (có khả năng đa hợp)Ngắt thông báo thành các gói nhỏ (có kích thước thích hợp) và tập hợp các gói cho lớp mạngĐa hợp các giao dịch với cùng các node nguồn/đíchTái lập thứ tự các gói tại đích đếnKhôi phục lỗi, hư hỏngĐiều khiển dòng từ nguồn đến đích và ngược lạiLớp phụ thuộc môi trường truyềnLớp mạngTrung chuyển các gói giữa lớp vận chuyển và lớp liên kết dữ liệuĐánh địa chỉ gói và dịch địa chỉ luận lý thành địa chỉ vật lýTìm đường kết nối với máy tính khác thông qua mạngMỗi node chứa một mođun lớp mạng cộng với một mođun lớp liên kết dữ liệu cho một liên kếtTransportlayerNetworklayerDLC layerlink 1DLC layerlink 2DLC layerlink 3Lớp phụ thuộc môi trường truyềnLớp liên kết dữ liệuChịu trách nhiệm truyền dẫn một cách tin cậy (error-free) các gói dữ liệu của lớp mạng thông qua một liên kết đơnĐóng khung: xác định đầu và cuối các góiPhát hiện lỗi: xác định gói nào có lỗi đường truyềnSửa lỗi: cơ chế truyền lại (Automatic Repeat Request – ARQ)Lớp phụ thuộc môi trường truyềnLớp vật lý Điều khiển việc truyền dữ liệu (chuỗi các bit) thực sự trên cáp/mạng Định nghĩa tín hiệu điện, trạng thái đường truyền, mã hóa thông tin và kiểu kết nối được sử dụngThời gian trễ truyềnThời gian t/h truyền từ nguồn đến đíchT/h truyền với vận tốc xấp xỉ vận tốc ánh sáng C=3x108 m/sVí dụvệ tinh GEO d=40.000km ? trễ truyền 1/8 s; cáp Ethernet d=1km ? trễ truyền 3µsLỗi truyềnSuy giảm công suất t/hSuy giảm do nhiễuMô hình kênh truyền đơn giản: kênh nhị phân đối xứng (Binary Symetric Channel)P: xác suất lỗi 1 bitLỗi xảy ra độc lậpThực tế, lỗi xảy ra thành chùmTruyền dữ liệu trong mạng OSIPresentation layerSession layerApplication layerTransport layerNetwork layerDatalink layerPhysical layerApplication processPresentation layerSession layerApplication layerTransport layerNetwork layerDatalink layerPhysical layerApplication processData networkNetwork environmentOSI environmentReal systems environmentComputer IComputer IIDòng dữ liệu trong mô hình OSITruyền dữ liệu trong mạng OSISo sánh OSI và TCP/IPApplicationPresentationTransportSessionNetworkData linkPhysicalApplicationTransport(host-to-host)InternetNetwork AccessPhysicalHardwareFirmwareSoftwareUserspaceOperatingsystemOSITCP/IPSo sánh mô hình OSI và TCP/IPApplicationPresentationSessionTransportNetworkDatalinkPhysical1234567FunctionLayerTelnetFTPTFTPSMTPDNSOthersTCPUDPICMPEthernetTokenRingOtherRARPARPIPProtocolOSI Reference ModelTCP/IP Protocol SuiteTham khảoW. Stallings, Data and Computer Communications (7th edition), Prentice Hall 2003, chapter 1 & 2Web sites for IETF, IEEE, ITU-T, ISOInternet Requests for Comment (RFCs)Usenet News groupscomp.dcom.*comp.protocols.tcp-ip