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 hình thức biểu diễn thông tin dưới nhiều dạng như chữ viết, hình ảnh, cử chỉ và lời nói Trên máy tính, dữ liệu được số hóa, cho phép lưu trữ, xử lý, biến đổi và truyền gửi một cách 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, được thu thập bằng cách lấy mẫu rời rạc từ tín hiệu liên tục, gọi là tín hiệu lấy mẫu.
■ 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 b 1 đến b n
• Bít kiểm tra phải được truyền sau cùng.
Việc truyền dữ liệu dưới dạng dãy bit giữa các thiết bị qua đường truyền đòi hỏi sự chú ý đến nhiều vấn đề như hiệu suất hoạt động và khả năng 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 thông tin được truyền tải chính xác, bên nhận cần nắm rõ tốc độ của các bít trên đường truyền, từ đó xác định giá trị chính xác của các bit.
Cả tín hiệu tương tự và tín hiệu số đều có thể được truyền qua các thiết bị phù hợp, được xử lý như một hàm của hệ thống truyền Đường truyền là kết nối vật lý giữa hai điểm có đặt các thiết bị đầu cuối dữ liệu (DTE) Tương tự như môi trường truyền, 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 báo ở băng tần cơ sở a(t) thành tín hiệu s(t), giúp nhận diện s(t) trong khoảng đặc trưng [iD, (i+1)D], từ đó 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, 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 đặc điểm tín hiệu, bao gồm nguyên tắc điều chế và sự chuẩn hóa các đặc trưng.
Các kỹ thuật truyền số liệu bao gồm truyền dữ liệu ở băng tần cơ sở, cho phép gửi tín hiệu trong một khoảng tần số nhất định Ngoài ra, việc truyền dữ liệu qua điều biên, điều tần và điều pha giúp tối ưu hóa quá trình truyền tải Kỹ thuật truyền nối tiếp đồng bộ cung cấp khả năng truyền dữ liệu liên tục và chính xác, trong khi truyền không đồng bộ, như ATM, cho phép truyền tải linh hoạt và hiệu quả hơn.
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 giúp quản lý luồng dữ liệu giữa người gửi và người nhận, nhằm ngăn chặn tình trạng tràn bộ đệm ở phía người nhận Khi bộ đệm bị tràn, dữ liệu có thể bị mất mát, dẫn đến giảm hiệu suất truyền tải Điều khiển luồng được áp dụng trong tầng liên kết dữ liệu để quản lý các kết nối điểm-điểm và trong tầng chuyển tải để kiểm soát luồng dữ liệu end-to-end trong mạng có định tuyến.
1 Các kỹ thuật điều khiển luồng
Khi truyền thông tin trong mạng, thông tin có thể bị sai lỗi hoặc mất, do đó cần có biện pháp xử lý phù hợp Đối với thông tin bị mất, việc truyền lại thông tin là cần thiết Trong khi đó, nếu thông tin bị sai, cần phải tìm hiểu nguyên nhân để sửa sai một cách hiệu quả Hiện có hai cách chính để sửa lỗi sai trong quá trình truyền thông tin.
Sai do bên thu có thể được sửa trực tiếp nếu thông tin trước khi truyền được cài mã sửa lỗi Số lượng bít thông tin có thể sửa sai phụ thuộc vào số mã sửa lỗi và số bít thông tin bổ sung cho việc sửa sai Càng nhiều bít thông tin thêm vào, số bít có thể sửa sai càng cao, nhưng hiệu suất thông tin lại giảm.
Sửa sai bằng cầu bên phát là phương pháp truyền lại thông tin hiệu quả hơn, chỉ cần thêm các bít thông tin để phát hiện lỗi Tuy nhiên, khi có lỗi xảy ra trong 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), được chia thành ba loại với đặc điểm và hoạt động khác nhau 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 pháp điều khiển dòng truyền giúp dừng và đợi, được mở rộng để bao gồm các chức năng truyền lại dữ liệu khi gặp phải tình trạng 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
Phía phát sẽ gửi một khung thông tin và chờ phản hồi từ phía thu Khi phía thu nhận được khung thông tin đúng cách 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 phát hiện sai trong khung thông tin, họ sẽ gửi báo sai (NACK - Negative Acknowledgement) cho phía phát Sau khi nhận được thông báo này, phía phát sẽ thực hiện phát lại khung thông tin Để đảm bảo tính chính xác, phía phát sử dụng cơ chế timeout để phát lại nếu không nhận được hồi âm từ phía thu Để phân biệt các khung thông tin, cần đánh số khác nhau cho chúng, sử dụng một bít (0 hoặc 1) để đánh số khung Số thứ tự khung thông tin từ phía phát sang phía thu được ghi trong trường SN (Sequence number), trong khi số thứ tự báo nhận từ phía thu sang phía phát nằm 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-WaitARQ có dùngSN/RN
Phương pháp điều khiển luồng Go back - N a Nguyên tắc
Phía phát sẽ gửi nhiều khung thông tin trước khi nhận được báo nhận từ phía thu Số khung tối đa mà phía phát có thể gửi được gọi là kích thước cửa sổ (W) Cơ chế này được biết đến là Go-back-N, hay còn gọi là cơ chế cửa sổ trượt (sliding window).
Khi phát xong một khung thông tin, kích thước cửa sổ sẽ giảm dần cho đến khi đạt giá trị 0, lúc này phía phát sẽ ngừng phát khung thông tin Quy trình này giúp đảm bảo phía thu có đủ thời gian để xử lý thông tin kịp thời.
Khi phía thu nhận được một khung thông tin hợp lệ và xử lý xong, nó sẽ gửi lại một báo nhận ACK cho phía phát Lúc này, phía phát sẽ tăng kích thước cửa sổ W lên 1, đảm bảo tổng số khung mà phía thu phải xử lý không vượt quá W Để phân biệt các khung, cần phải đánh số thứ tự Sử dụng k bit để đánh số cho phép đánh số tối đa 2k khung (từ 0 đến 2k - 1), từ đó xác định kích thước cửa sổ tối đa W Max.
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 cực đại đạt 7 Cả phía phát và phía thu đều khởi đầu với kích thước cửa sổ là 7, tương ứng với các chỉ số từ F0 đến F7.
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 ba khung F0, F1, F2, phía thu sẽ gửi tín hiệu ACK3 lại cho phía phát Đồng thời, phía thu cũng tăng kích thước cửa sổ lên 7, bao gồm các khung từ F3 đến F1 Khi phía phát nhận được ACK3, họ sẽ điều chỉnh 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; nếu không, chúng trở nên vô dụng Dữ liệu có thể bị sai lệch trong quá trình truyền, và thực tế cho thấy chỉ một phần của thông điệp có thể bị thay đổi Nhiều yếu tố, như sự thay đổi trong đường truyền, có thể làm mất hoặc thay đổi một hoặc nhiều bit trong 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 bit giữa hai phiên bản Bất kỳ sự khác biệt nào 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, việc truyền dẫn mất gấp đôi thời gian và quá trình so sánh từng bit cũng làm tăng độ trễ.
Khái niệm bao gộp thông tin bổ sung trong truyền dẫn chỉ dành cho mục đích so sánh là một phương pháp hiệu quả Thay vì lặp lại toàn bộ dòng dữ liệu, chỉ cần thêm một nhóm nhỏ các bit vào cuối mỗi đơn vị Kỹ thuật này được gọi là dư thừa, vì các bit phụ thêm này là dư thừa đối với dữ liệu thông tin và sẽ bị loại bỏ ngay khi độ chính xác của 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 sẽ được truyền qua một thiết bị để thực hiện phân tích và bổ sung mã kiểm tra dư thừa Đơn vị dữ liệu sẽ có chiều dài tăng thêm nhiều bit, sau đó được gửi tới bên nhận Tại đây, bên nhận sẽ chuyển toàn bộ dòng dữ liệu qua bộ phận kiểm tra chức năng Nếu dòng bit nhận được đáp ứng các tiêu chuẩn xác định, phần dữ liệu sẽ được chấp nhận và các bit dư thừa sẽ được 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 lỗi phổ biến là VRC, LRC và CRC, thường được áp dụng ở tầng vật lý nhằm hỗ trợ cho tầng liên kết dữ liệu Trong khi đó, kỹ thuật Checksum được sử dụng chủ yếu ở các tầng cao hơn.
Kỹ thuật VRC, hay còn gọi là kiểm tra chẵn lẻ, là một phương pháp phổ biến và chi phí thấp để phát hiện lỗi Trong kỹ thuật này, một bit dư thừa gọi là bit chẵn lẻ được thêm vào mỗi đơn vị dữ liệu, 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 mỗi đơn vị dữ liệu để đảm bảo tổng số bit 1 trong đơn vị đó trở thành một số chẵn.
Is total number of Is even?
Khái niệm về kỹ thuật kiểm tra chẵn lẻ VRC
Chúng ta sẽ chỉ thảo luận về kiểm tra chẵn lẻ, trong đó số lượng bit 1 là một số chẵn Một số hệ thống có thể áp dụng kiểm tra tính lẻ chẵn (odd parity), với nguyên tắc tương tự nhưng cách tính toán lại khác nhau.
Trong kỹ thuật LRC, dữ liệu được sắp xếp thành một bảng gồm các hàng và cột, thay vì gửi một khối bit đơn lẻ Chẳng hạn, một khối 32 bit có thể được tổ chức thành 4 hàng và 8 cột Sau đó, các bit chẵn lẻ được tính toán cho từng cột để tạo ra một hàng mới, giúp cải thiện khả năng phát hiện lỗi trong truyền tải dữ liệu.
Trong hệ thống 8 bit, các hàng được sử dụng để kiểm tra tính chẵn lẻ cho toàn bộ khối dữ liệu Lưu ý rằng bit chẵn lẻ đầu tiên trong hàng thứ 5 được tính 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 tắc này tiếp tục áp dụng cho các vị trí bit còn lại.
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 phương pháp kiểm tra dư thừa tiên tiến nhất, khác biệt so với VRC và LRC, vì nó dựa trên phép chia nhị phân Trong kỹ thuật CRC, thay vì sử dụng bit bổ sung để đạt được tính chẵn lẻ, một chuỗi bit dư thừa được gọi là số dư CRC được thêm vào cuối đơn vị dữ liệu Điều này cho phép đơn vị dữ liệu trở thành bội số của một số nhị phân đã được xác định trước Khi đơn vị dữ liệu đến đích, nó sẽ được chia bởi số nhị phân đó; nếu phép chia cho kết quả dư bằng 0, dữ liệu được coi là nguyên vẹn và được chấp nhận Ngược lại, nếu số dư khác 0, dữ liệu đã bị hư hại trong quá trình truyền và sẽ bị loại bỏ.
CRC sử dụng các bit dư thừa được tạo ra từ phép chia đơn vị dữ liệu theo số chia đã xác định trước; phần dư này chính là CRC Để hiểu rõ hơn về quá trình này, chúng ta sẽ bắt đầu với cái nhìn tổng quan trước khi đi vào các chi tiết cụ thể.
Bộ tạo và bộ kiểm tra CRC
Bước đầu tiên là ghép một chuỗi n bit vào trong đơn vị dữ liệu, trong đó n là một số nhỏ hơn tổng số bit của số chia xác định trước, có độ dài là n+1 bit.
Bước thứ hai trong quá trình chia nhị phân là lấy đơn vị dữ liệu mới kéo dài và chia nó cho số chia Kết quả của phép chia này sẽ cho ra phần dư, được gọi là CRC.
