Tổng quan truyền số liệu Một số vấn đề bản: I Thông tin, tín hiệu: 2 Tần số, phổ , băng thông: II Cách truyền thông tin đường dây: Chương : Kỹ thuật điều khiển luồng, kiểm soát lỗi, phương pháp phát sửa lỗi Kỹ thuật điều khiển luồng I Định nghĩa Các kỹ thuật điều khiển luồng Điều khiển luồng kết hợp ARQ – Stop-and- wait (dừng đợi) Phương pháp điều khiển luồng Go back – N Điều khiển luồng kết hợp ARQ – Selective repeat 10 Điều khiển luồng theo phương pháp cửa sổ (Window Flow Control) 10 II Kiểm soát lỗi, phương pháp phát sửa lỗi 14 Phương pháp phát lỗi truyền số liệu 14 Phương pháp dò dùng dư thừa – Redundancy 14 Sửa lỗi 22 a Sửa lỗi bit đơn 22 b Sửa lỗi hàng loạt bit 28 Chương1: Tổng quan truyền số liệu I Một số vấn đề bản: Thơng tin, tín hiệu: ▪ Thông tin: Sự cảm hiểu người giới xung quanh ▪ Nhu cầu trao đổi thông tin: Rất lớn ▪ Dữ liệu: Dạng biểu diễn thông tin (chữ viết, hình ảnh, cử chỉ, lời nói ) Đặc biệt máy tính liệu số hố để có khả lưu trữ, xử lý, biến đổi, truyền gửi (Chú ý: Phân biệt liệu thông tin) ▪ Thông tin truyền: Theo dạng lượng khác nhau: Âm, điện, sóng quang, sóng điện từ ▪ Vật mang: Môi trường dùng để mang thơng tin (Là dạng lượng - Có khả lưu trữ, truyền gửi ) ▪ Tín hiệu: Vật mang chứa thơng tin nó, Là hàm đơn trị biến thiên theo thời gian hay tần số ▪ Tín hiệu liên tục: Là tín hiệu biến thiên liên tục theo thời gian có biên độ biến thiên liên tục (Nêu ví dụ) ▪ Tín hiệu rời rạc: Tín hiệu có biến độc lập rời rạc, ta thu tín hiệu rời rạc cách lấy mẫu rời rạc từ tín hiệu liên tục (tín hiệu lấy mẫu) ▪ Tín hiệu lượng tử: Tín hiệu có biên độ rời rạc theo mức lượng tử
Tổng quan về truyền số liệu
Một số vấn đề cơ bản
▪ Thông tin: Sự cảm hiểu con người về thế giới xung quanh
▪ Nhu cầu trao đổi thông tin: Rất lớn
Dữ liệu là một dạng biểu diễn thông tin, bao gồm chữ viết, hình ảnh, cử chỉ và lời nói Trên máy tính, dữ liệu được số hoá, cho phép lưu trữ, xử lý, biến đổi và truyền gửi hiệu quả Cần lưu ý rằng dữ liệu và thông tin là hai khái niệm khác nhau.
▪ Thông tin khi truyền: Theo các dạng năng lượng khác nhau: Âm, điện, sóng quang, sóng điện từ
▪ Vật mang: Môi trường dùng để mang thông tin (Là dạng năng lượng - Có khả năng lưu trữ, truyền gửi )
▪ Tín hiệu: Vật mang đã chứa thông tin trong nó, Là một hàm đơn trị biến thiên theo thời gian hay tần số
▪ Tín hiệu liên tục: Là tín hiệu biến thiên liên tục theo thời gian và có biên độ biến thiên liên tục (Nêu ví dụ)
Tín hiệu rời rạc là tín hiệu có biến độc lập rời rạc, có thể được thu nhận bằng cách lấy mẫu từ tín hiệu liên tục Quá trình này gọi là lấy mẫu tín hiệu, giúp chuyển đổi tín hiệu liên tục thành tín hiệu rời rạc.
▪ Tín hiệu lượng tử: Tín hiệu có biên độ rời rạc theo các mức lượng tử
▪ Tín hiệu số: Tín hiệu rời rạc hoá cả về biên độ, tần số lẫn thời gian
2 Tần số, phổ , băng thông:
- Tần số: Tần số (f) của tín hiệu là số dao động của tín hiệu trong một đơn vị thời gian (thường tính bằng giây)
- Chu kỳ: Chu kỳ (T) của tín hiệu là khoảng thời gian để tín hiệu lặp lại một lần
- Pha: Là đơn vị đo vị trí tương đối tại một thời điểm trong một chu kỳ đơn của tín hiệu, nó đặc trưng cho tính trễ
- Phổ: Phổ của tín hiệu là dãy các tần số mà nó có thể chứa
- Băng thông: Băng thông của tín hiệu là độ rộng của phổ.
Cách truyền thông tin trên đường dây
Khi truyền thông tin trên đường dây:
• Các bit phải được truyền liên tiếp theo thứ tự tăng dần từ b1 đến bn
• Bít kiểm tra phải được truyền sau cùng
Việc truyền dữ liệu dưới dạng dãy bit giữa các thiết bị yêu cầu xem xét nhiều vấn đề về hoạt động và sự tương thích giữa các thiết bị tham gia.
Sự đồng bộ là một yếu tố quan trọng trong việc trao đổi dữ liệu giữa hai bên Để đảm bảo việc nhận dữ liệu chính xác, bên nhận cần nắm rõ tốc độ truyền của các bít trên đường truyền, từ đó xác định được giá trị chính xác của các bit.
Cả tín hiệu tương tự và số đều có thể được truyền qua các thiết bị thích hợp, được xử lý như một hàm của hệ thống truyền Đường truyền tạo kết nối vật lý giữa hai điểm có DTE, và tương tự như môi trường truyền đã đề cập trước đó, đường truyền cũng được chia thành hai loại: hữu tuyến và vô tuyến.
DCE phát: biến đổi dữ liệu thành tín hiệu tương thích với đường truyền sử dụng, bao gồm:
• Mã hoá: biến đổi dãy tín hiệu nhị phân thành dãy ký hiệu q mức
Điều chế là quá trình chuyển đổi thông tin từ băng tần cơ sở a(t) thành tín hiệu s(t), giúp nhận biết s(t) trong khoảng đặc trưng [iD, (i+1)D] Quá trình này cho phép xác định ký hiệu a tương ứng.
DCE thu: ngược lại với DCE phát, chức năng của DCE thu là giải điều chế và giải mã tín hiệu
DCE thu - phát là quá trình trao đổi tín hiệu, thường bao gồm thông báo dữ liệu, chuẩn thời gian và chuẩn dữ liệu Các tín hiệu này cho phép thiết lập hoặc huỷ bỏ liên kết giữa các thiết bị.
DCE - đường truyền được đặc trưng bởi băng thông, công suất và các tín hiệu, trong đó nguyên tắc điều chế và sự chuẩn hóa các đặc trưng là rất quan trọng.
Các kỹ thuật truyền số liệu bao gồm truyền dữ liệu ở băng tần cơ sở, cho phép truyền tín hiệu nguyên thủy mà không cần điều chế Ngoài ra, truyền dữ liệu qua điều biên, điều tần và điều pha giúp tối ưu hóa việc truyền tải thông tin Kỹ thuật truyền nối tiếp đồng bộ đảm bảo dữ liệu được gửi và nhận theo cùng một nhịp, trong khi truyền không đồng bộ, như ATM, cho phép truyền tải linh hoạt và hiệu quả hơn trong các mạng không đồng bộ.
Kỹ thuật điều khiển luồng, kiểm soát lỗi, phương pháp phát hiện và sửa lỗi
Kỹ thuật điều khiển luồng
1 Định nghĩa Điều khiển luồng là cơ chế nhằm đảm bảo việc truyền thông tin của phía phát không vượt quá khả năng xử lý của phía thu
Cơ chế điều khiển luồng đảm bảo rằng dữ liệu giữa người nhận và người gửi được quản lý một cách hiệu quả, ngăn chặn tình trạng tràn bộ đệm ở phía người nhận Khi bộ đệm bị tràn, các khung hoặc gói dữ liệu có thể bị mất Điều khiển luồng được áp dụng trong tầng liên kết dữ liệu để quản lý các liên kết điểm-điểm và trong tầng chuyển tải để kiểm soát luồng end-to-end trên mạng có định tuyến.
1 Các kỹ thuật điều khiển luồng
Khi truyền thông tin trong mạng, có thể xảy ra tình trạng thông tin bị sai hoặc mất Đối với thông tin bị mất, cần thực hiện việc truyền lại Trong trường hợp thông tin bị sai, việc tìm hiểu nguyên nhân để sửa chữa là rất quan trọng Có hai phương pháp chính để khắc phục lỗi thông tin.
Sai sót trong quá trình truyền thông tin có thể được khắc phục thông qua việc sử dụng mã sửa lỗi Số lượng bít thông tin có khả năng sửa sai phụ thuộc vào số lượng mã sửa lỗi và số bít thông tin bổ sung Khi số bít thông tin bổ sung tăng lên, khả năng sửa sai cũng tăng theo, nhưng điều này sẽ làm giảm hiệu suất thông tin.
Sửa sai bằng cầu bên phát truyền lại thông tin giúp nâng cao hiệu suất truyền thông tin Phương pháp này chỉ cần thêm các bít thông tin để phát hiện lỗi Tuy nhiên, nếu xảy ra lỗi với khung thông tin, toàn bộ khung phải được truyền lại.
Cơ chế điều khiển luồng theo phương pháp cửa sổ hoạt động tương tự như các cơ chế phát lại ARQ (Automatic Repeat Request – yêu cầu lặp lại tự động) Các cơ chế phát lại này được chia thành ba loại, mỗi loại có những đặc điểm và hoạt động riêng Một trong số đó là cơ chế điều khiển luồng kết hợp ARQ – Stop-and-wait (dừng và đợi).
Stop-and-wait là một phương thức điều khiển dòng truyền, được mở rộng để bao gồm các chức năng truyền lại dữ liệu khi xảy ra mất mát hoặc hư hỏng dữ liệu.
Hình vẽ mô tả nguyên tắc hoạt động cơ bản của cơ chế phát lại dừng và đợi:
Hình 2.1: Phát lại theo cơ chế dừng và đợi a Hoạt động
Phía phát sẽ gửi một khung thông tin và chờ phản hồi từ phía thu Khi phía thu nhận đúng khung thông tin và xử lý xong, họ sẽ gửi lại báo nhận (ACK - Acknowledgement) cho phía phát Sau khi nhận được báo nhận, phía phát sẽ tiếp tục gửi khung thông tin tiếp theo.
Khi phía thu nhận khung thông tin và phát hiện sai sót, họ sẽ gửi thông báo lỗi (NACK - Negative Acknowledgement) về phía phát Sau khi nhận thông báo này, phía phát sẽ thực hiện phát lại khung thông tin Để đảm bảo quá trình phát lại hiệu quả, phía phát sử dụng cơ chế timeout trong trường hợp không nhận được hồi âm từ phía thu Để phân biệt các khung thông tin, mỗi khung cần được đánh số khác nhau, sử dụng một bít (0 hoặc 1) để đánh số khung Số thứ tự khung thông tin từ phía phát sang phía thu được lưu trong trường SN (Sequence number), trong khi số thứ tự của thông báo nhận từ phía thu về phía phát được lưu trong trường RN (Request number).
❖ Hoạt động của cơ chế Stop- and- wait ARQ khi sử dụng SN và RN: Khi phía phát tại thời điểm ban đầu SN = 0
1 Nhận gói tin từ lớp phía trên và gán SN cho gói tin này
2 Gửi gói tin SN này trong khung thông tin có số thứ tự là SN
3 Chờ khung thông tin(không có lỗi, đóng vai trò là khung báo nhận) từ phía thu.Khi khung nhận được không có lỗi, và trong trường hợp Request có RN>SN thì đặt giá trị SN = RN và quay lại bước 1 Khi không nhận được khung thông tin trong khoảng thời gian định trước(time out) thì thực hiện bước 2
Tại đầu thu: ban đầu RN = 0
4 Khi nhận được một khung thông tin( không có lỗi) từ phía phát, chuyển khung này lên lớp phía trên và tăng RN lên 1
5 Khi nhận được khung thông tin có lỗi, gửi lại một khung thông tin cho phía phát với RN được giữ nguyên ( khung báo sai- NAK) Khung được gửi từ phía thu này có thể chứa cả thông tin từ phía thu sang phía phát chứ không đơn thuần chỉ dùng cho mục đích báo sai
Hình mô tả nguyên tắc hoạt động của cơ chế Stop- and- Wait:
Hình 2.2: Stop-and-Wait ARQ có dùng SN/RN
Phương pháp điều khiển luồng Go back – N
Phía phát sẽ gửi nhiều khung thông tin trước khi nhận báo nhận từ phía thu, với số khung tối đa là W, được gọi là kích thước cửa sổ Cơ chế này được biết đến là Go-back-N và được mô tả như một cơ chế cửa sổ trượt (sliding window).
Khi phát xong một khung thông tin, kích thước cửa sổ sẽ giảm đi 1 Khi kích thước cửa sổ đạt 0, phía phát sẽ ngừng phát thêm khung thông tin Điều này giúp đảm bảo rằng phía thu có đủ thời gian để xử lý thông tin.
Khi phía thu nhận được khung thông tin đúng và xử lý xong, họ sẽ gửi lại báo nhận ACK cho phía phát, khiến phía phát tăng kích thước cửa sổ W lên 1 Tổng số khung mà phía thu phải xử lý tại một thời điểm không vượt quá W Để phân biệt các khung, cần đánh số thứ tự; nếu sử dụng k bit để đánh số, tổng số khung sẽ là 2^k (từ 0 đến 2^k - 1), do đó kích thước cửa sổ tối đa WMax được xác định.
ACK có thể được đính vào gói phát theo chiều ngược (piggy back) b Hoạt động
Khi sử dụng 3 bit để đánh số thứ tự cho các khung thông tin, kích thước cửa sổ tối đa đạt 7 Cả phía phát và phía thu đều khởi đầu với kích thước cửa sổ là 7, bắt đầu từ F0.
Sau khi phía phát đã phát được 3 khung (F0, F1, F2) và chưa nhận ACK, phía phát giảm kích thước cửa sổ xuống 4 (gồm các khung F3,…, F6)
Sau khi nhận và xử lý thành công 3 khung F0, F1, F2, phía thu sẽ gửi ACK3 trở lại cho phía phát Đồng thời, phía thu tăng kích thước cửa sổ lên 7, bao gồm các khung từ F3 đến F1 Khi phía phát nhận được ACK3, họ cũng sẽ tăng kích thước cửa sổ lên 3, với W = 7, bao gồm các khung F3 đến F1.
Kiểm soát lỗi, phương pháp phát hiện và sửa lỗi
Các mạng cần có khả năng truyền dữ liệu giữa các thiết bị với độ chính xác cao, vì nếu không, hệ thống sẽ trở nên vô dụng Dữ liệu có thể bị sai lệch trong quá trình truyền từ nguồn đến đích, và thực tế cho thấy chỉ một phần của thông điệp có thể bị thay đổi Nhiều yếu tố, chẳng hạn như sự thay đổi của các đường truyền, có thể làm mất hoặc thay đổi một số bit của dữ liệu Do đó, các hệ thống đáng tin cậy cần có cơ chế để phát hiện và sửa chữa những lỗi này.
Dữ liệu có thể bị sai lệch trong quá trình truyền Đối với một truyền thông đáng tin cậy, các lỗi phải được dò tìm và sửa chữa
Dò tìm và sửa lỗi được thực hiện ở tầng liên kết dữ liệu hoặc tầng giao vận của mô hình OSI
Các kiểu lỗi: lỗi bit đơn, lỗi hàng loạt – bursterror
1 Phương pháp phát hiện lỗi trong truyền số liệu
Phương pháp dò dùng dư thừa – Redundancy
Một cơ chế dò tìm lỗi yêu cầu gửi dữ liệu hai lần để thiết bị nhận có thể so sánh từng bit giữa hai phiên bản Mọi sự khác biệt sẽ chỉ ra một lỗi, từ đó thiết lập cơ chế sửa lỗi phù hợp Mặc dù hệ thống này đảm bảo độ chính xác cao, với tỷ lệ lỗi bit rất nhỏ, nhưng nó lại chậm chạp do mất gấp đôi thời gian truyền tải và thời gian so sánh từng bit.
Khái niệm bao gộp thông tin bổ sung trong truyền dẫn nhằm mục đích so sánh là một phương pháp hiệu quả Thay vì lặp lại toàn bộ dòng dữ liệu, có thể sử dụng một nhóm nhỏ hơn các bit để ghép thêm vào cuối mỗi đơn vị dữ liệu Kỹ thuật này giúp tối ưu hóa quá trình truyền tải thông tin.
Dư thừa (redundancy) trong dữ liệu thông tin đề cập đến các bit phụ thêm không cần thiết; chúng sẽ bị loại bỏ ngay khi độ chính xác của quá trình truyền dẫn được xác nhận.
Dò tìm lỗi sử dụng khái niệm về dư thừa có nghĩa là ghép thêm các bit phụ thêm cho việc dò tìm lỗi tại thiết bị nhận
Mô hình hoạt động của kỹ thuật dư thừa
Khi dòng dữ liệu được tạo ra, nó được truyền qua thiết bị thực hiện phân tích và bổ sung mã kiểm tra dư thừa Đơn vị dữ liệu sẽ có chiều dài tăng thêm nhiều bit, và sau đó được gửi tới bên nhận Tại bên nhận, toàn bộ dòng dữ liệu được chuyển qua bộ phận kiểm tra chức năng Nếu dòng bit đáp ứng tiêu chuẩn xác định, phần dữ liệu sẽ được chấp nhận và các bit dư thừa sẽ bị loại bỏ.
Có 4 kỹ thuật kiểm tra kiểu dư thừa được sử dụng trong truyền số liệu; kiểm tra VRC (Vertical redundancy Check) hay còn được gọi là kiểm tra chẵn lẻ, kỹ thuật LRC (Longitudinal Redundancy Check), kỹ thuật CRC (Cyclical
Ba kỹ thuật kiểm tra độ dư thừa VRC, LRC và CRC thường được áp dụng ở tầng vật lý để phục vụ cho tầng liên kết dữ liệu, trong khi kỹ thuật Checksum được sử dụng chủ yếu ở các tầng phía trên.
Kỹ thuật VRC, hay còn gọi là kiểm tra chẵn lẻ, là một phương pháp phổ biến và tiết kiệm chi phí để dò tìm lỗi Phương pháp này thêm một bit dư thừa, gọi là bit chẵn lẻ, vào mỗi đơn vị dữ liệu nhằm đảm bảo rằng tổng số bit 1 trong đơn vị dữ liệu (bao gồm cả bit chẵn lẻ) là một số chẵn.
Trong kỹ thuật VRC, một bit chẵn lẻ được thêm vào từng đơn vị dữ liệu để đảm bảo rằng tổng số bit 1 trong đơn vị đó là một số chẵn.
Khái niệm về kỹ thuật kiểm tra chẵn lẻ VRC
Để đơn giản hóa, chúng ta chỉ thảo luận về kiểm tra chẵn lẻ khi số lượng bit 1 là một số chẵn Trong một số hệ thống, kiểm tra tính lẻ chẵn (odd parity) cũng có thể được áp dụng Nguyên tắc của cả hai phương pháp tương tự nhau, nhưng cách tính toán thì có sự khác biệt.
Kỹ thuật LRC tổ chức một khối bit thành bảng với các hàng và cột, ví dụ như thay vì gửi 32 bit, chúng được sắp xếp thành bảng 4 hàng và 8 cột Sau đó, bit chẵn lẻ cho từng cột được tính toán để tạo ra một hàng mới.
Trong hệ thống 8 bit, các hàng chứa các bit kiểm tra tính chẵn lẻ cho toàn bộ khối dữ liệu Đặc biệt, bit chẵn lẻ đầu tiên trong hàng thứ 5 được tính toán dựa trên tất cả các bit đầu tiên, trong khi bit chẵn lẻ thứ hai được tính từ tất cả các bit thứ hai, và quy trình này tiếp tục cho đến hết.
Sau đó có thể đính kèm 8 bit chẵn lẻ vào dữ liệu gốc và gửi chúng tới bên nhận
Trong kỹ thuật kiểm tra LRC, một khối các bit được chia thành các hàng và một hàngcác bit dư thừa được thêm vào toàn khối
Kỹ thuật kiểm tra vòng – CRC là một trong những phương pháp kiểm tra dư thừa hiệu quả nhất Khác với VRC và LRC, kỹ thuật CRC sử dụng phép chia nhị phân thay vì chỉ dựa vào bit bổ sung Trong quy trình này, một chuỗi bit dư thừa được gọi là CRC được thêm vào cuối đơn vị dữ liệu, giúp đơn vị dữ liệu trở thành bội số của một số nhị phân đã được xác định trước Tại điểm đến, đơn vị dữ liệu sẽ được chia bởi số này; nếu phép chia cho ra số dư bằng 0, dữ liệu được coi là nguyên vẹn và được chấp nhận Ngược lại, nếu số dư khác 0, điều này cho thấy dữ liệu đã bị hư hại trong quá trình truyền và sẽ bị loại bỏ.
CRC sử dụng các bit dư thừa từ phép chia đơn vị dữ liệu theo số chia đã được xác định trước; phần dư của phép chia này chính là CRC Để phân loại quá trình này, chúng ta sẽ bắt đầu từ cái nhìn tổng quan và sau đó đi sâu vào các chi tiết cụ thể hơn.
Bộ tạo và bộ kiểm tra CRC
Đầu tiên, một chuỗi n bit sẽ được kết hợp thành một đơn vị dữ liệu, trong đó n là một số nhỏ hơn tổng số bit trong số chia đã được xác định trước, có chiều dài n+1 bit.
