1.1 Khái quát thông tin số liệu
• Thông tin liên lạc đóng vai trò hết sức quan trọng trong cuộc sống, hầu hết chúng ta luôn gắn liền với một vài ứng dụng trao đổi thông tin nào đó
• mỗi hệ thống có những đặc trưng riêng nhưng có một số đặc tính chung cho tất cả các hệ thống
• 3 thành phần hệ thống:
• Nguồn tin là nơI phát sinh và chuyển thông điệp lên môI trường truyền
• Môi truờng truyền là nơi mang thông điệp
• ĐÝch thu.
*nguyên tắc căn bản về truyền tin
• các chủ thể phải hiểu được thông điệp
• hệ thống truyền được xác định và bị giới hạn bởi các thuộc tính riêng của nguồn tin, của môi trường truyền và đích thu
• Trong hệ thống truyền, hiện tượng nhiễu có thể xảy ra trong tiến trình truyền và thông điệp có thể bị ngắt quãng
1.2. Mạng truyền số liệu
Dạng thức của phương tiện truyền số liệu được quy định bởi bản chất của ứng dụng, bởi số lượng máy tính liên quan và khoảng cách vật lý giữa chúng.
• Ví dụ:
• -2 máy tính và cả hai đều đặt ở một văn phòng thì phương tiện truyền số liệu có thể chỉ gồm một liên kết điểm nối điểm đơn giản
• -Nếu chúng đặt ở những vị trí khác nhau trong một thành phố hay một quốc gia thì phảI cần đến các phương tiện truyền tải công cộng-modem
• -LAN/WAN
• -Thuê kênh riêng
1.3. Chuẩn hóa các mô hình truyền số liệu
• Trước đây, các hệ thống phần cứng và phần mềm truyền số liệu xuất hiện từ mỗi nhà sản xuất chỉ cho phép chạy trên các máy tính của chính nhà sản xuất đó để trao đổi thông tin với nhau.
• Các hệ thống như vậy được gọi là hệ thống đóng
• Các tổ chức quốc tế khác liên quan đến các mạng truyền dẫn công cộng đã trải qua nhiều năm xây dựng các tiêu chuẩn (khuyến nghị) thống nhất mang tính quốc tế để kết nối thiết bị vào mạng.
• Ví dụ:
• Các khuyến nghị họ V-series liên quan đến tiêu chuẩn kết nối thiết bị, thường là thiết bị đầu cuối số liệu DTE nối vào một modem để truyền qua mạng PSTN;
• các khuyến nghị X-series cho kết nối DTE vào mạng dữ liệu công cộng PSDN;
• các khuyến nghị I-series cho kết nối DTE vào mạng ISDN.
• Các khuyến nghị là kết quả của sự tương thích giữa thiết bị từ các nhà cung cấp sản phẩm khác nhau, cho phép khách hàng có thể chọn thiết bị phù hợp từ nhiều nhà sản xuất khác nhau.
• 1.4. Mô hình tham chiếu OSI:
• Một hệ thống truyền tin là một cơ cấu phức tạp gồm cả phần cứng và phần mềm. Các nỗ lực đầu tiên nhằm hiện thực hóa phần mềm cho hệ thống như vậy thường dựa vào một chương trình đơn phức tạp không có cấu trúc ( thường được viết bằng ngôn ngữ assembly) mang nhiều thành phần giao tác. Các phần mềm như vậy thường khó kiểm tra và sửa chữa.
• Để khắc phục tình trạng này, ISO đã th?a nhận một ti?p cận phân lớp cho mô hình tham chi?u. Trong đ?, một hệ thống truy?n thông hoàn chỉnh được phân thành một số lớp, mỗi lớp thực hiện một chức năng đặc biệt.
• Về mặt khái niệm, có thể xem các lớp này thực thi một trong hai chức năng tổng quát:
• Các chức năng phụ thuộc mạng
• Các chức năng thiên hướng ứng dụng.
• 1.5. Các chuẩn hệ thống mở
• Ba tổ chức chính tạo ra các chuẩn cho truyền thông máy tính là ISO, IEEE và ITU-T hay CCITT.
• Đặc biệt ISO và IEEE đưa ra các chuẩn sử dụng trong các nhà máy chế tạo máy tính
• Trong khi đó ITU-T định nghĩa các chuẩn để kết nối thiết bị vào các mạng công cộng quốc gia và quốc tế.
• Mức độ hội nhập giữa công nghệ máy tính và công nghệ viễn thông ngày càng tăng đã kéo theo sự gia tăng mức phối hợp và nhất quán giữa các chuẩn được tạo ra bởi các tổ chức này.
• Bộ giao thức được dùng với Internet được gọi là TCP/IP. Nó bao gồm tất cả các giao thức theo hướng mạng và các giao thức hỗ trợ ứng dụng.
• Bởi vì TCP/IP được dùng rộng rãi trong liên mạng có sẵn nên nhiều giao thức TCP/IP đã được dùng như là giao thức cơ bản cho các chuẩn ISO.
• Tất cả các đặc tả giao thức liên quan đến TCP/IP mang tính cộng đồng do đó không cần bản quyền, chúng được dùng rộng rãi bởi các tổ chức thương mại và công cộng để tạo ra môi trường liên kết hệ thống mở.
• Trong thực tế có hai chuẩn hệ thống mở chủ yếu là bộ giao thức TCP/IP và TCP/IP dựa trên các tiêu chuẩn của ISO.
• 2.1.1 Đường truyền hai dây dẫn không xoắn
• Đường truyền hai dây dẫn không xoắn là môi trường truyền đơn giản nhất.
• Tín hiệu là mức điện áp hay dòng điện được đặt lên một dây trong khi mức tham chiếu được đặt lên dây kia.
• kết nối trực tiếp hai máy tính hay hai DTEs (Data Terminal Equipment)
• kết nối một DTE với một thiết bị đầu cuối mạch số liệu cục bộ DCE (Data Curcuit Terminating Equipment) ví dụ như modem
• Chú ý: tránh nhiễu của các tín hiệu điện giữa các dây kề nhau trong cùng một sợi cáp
• 2.1.2 Đường truyền hai dây xoắn đôi
• Giảm nhiễu so với dây song hành
• cáp xoắn không bọc UTPs (unshielded twisted pairs) được sử dụng nhiều trong các mạng điện thoại và trong các ứng dụng về thông tin trao đổi dữ liệu.
• Cáp xoắn bọc kim STPs (shielded twisted pair) nhờ được bao bọc và bảo vệ bởi lớp vỏ bên ngoài nên đã làm giảm hơn nữa sự ảnh hưởng của nhiễu xuyên âm
• STP: 16Mbps, độ dài chạy cáp khoảng vài trăm m
• UTP:Tính năng tương tự, kém STP về khả năng chống nhiễu và suy hao, được sử dụng phổ biến
• Có 5 loại UTP hay dùng:
• Category 1&2: truyền thoại và dữ liệu tốc độ thấp (dưới 4Mbps)
• Category 3: cáp chuẩn cho hầu hết các mạng điện thoại,16 Mbps
• Category 4: tốc độ lên đến 20Mbps
• Category 5 TP: 100Mbps
2.1.3 Đường truyền cáp đồng trục
• giới hạn chính của cáp xoắn đôi là điện dung và một hiện tượng thường được gọi là hiệu ứng da
• (tốc độ bit của tín hiệu được truyền càng tăng lên, dòng điện chảy trong dây dẫn có xu hướng chỉ chảy trên bề mặt ngoài của dây dẫn nên làm giảm phần ngang có ích của dây, tần số cao thì năng lượng tín hiệu sẽ bị mất mát nhiều hơn do các ảnh hưởng của sự bức xạ)
• Cáp đồng trục khắc phục được nhược điểm này
• Tốc độ: 10Mbs
2.1.4 Đường truyền cáp quang
Thông tin ở dạng chùm tia ánh sáng trong một sợi thuỷ tinh.
Sóng ánh sáng có độ rộng băng thông lớn hơn so với sóng điện nên cáp sợi quang có thể đạt tốc độ truyền lên đến hàng Mbps.
Sóng ánh sáng an toàn đối với sự can thiệp của trường điện từ và nhiễu xuyên âm.
Được dùng nhiều ở những nơi có nhu cầu bảo mật bởi vì nó rất khó để câu trộm
Một cáp sợi quang bao gồm một sợi thuỷ tinh đơn cho mỗi tín hiệu được truyền, nó được chứa đựng bên trong một lớp bảo vệ nhằm che chắn sợi quang từ bất cứ nguồn sáng bên ngoài nào
• Tín hiệu ánh sáng được phát đi nhờ vào một bộ phát quang, thiết bị này thực hiện việc chuyển đổi tín hiệu điện thông thường từ một DTE sang tín hiệu quang: LED ( light emitting diode) và LD (laser diode)
• Bộ thu quang thực hiện chức năng ngược lại ở đầu máy thu: thiết bị nhạy cảm với ánh sáng như photo diode hoặc photo transistor.
2.1.5 Đường truyền vệ tinh
• Dữ liệu có thể truyền đi nhờ việc sử dụng sóng điện từ (sóng vô tuyến) xuyên qua không gian bởi các hệ thống vệ tinh.
• Những vệ tinh được sử dụng cho các mục đích trao đổi thông tin thường gọi là vệ tinh địa tĩnh, nghĩa là vệ tinh này quay theo quỹ đạo vòng quanh trái đất mỗi vòng hết 24 giờ, đồng bộ với sự quay quanh trục của trái đất và vì thế vị trí của vệ tinh là đứng yên so với mặt đất. Quỹ đạo của vệ tinh được chọn sao cho nó tạo thành một đường truyền thẳng giữa các trạm phát và trạm thu.
Đường truyền vô tuyến
• Kết nối một số lượng lớn các máy tính thu thập dữ liệu phân bố trên khắp một vùng đến một máy tính giám sát số liệu hoặc cho việc kết nối các máy tính (hoặc các thiết bị đầu cuối cơ bản) ở trong một thị xã hay ở một thành phố đến các máy cục bộ hay máy tính ở xa.
• Vùng bao phủ của mỗi trạm cơ bản được giới hạn bởi công suất ở đầu ra của trạm đó và vì thế nó chỉ cung cấp đủ những kênh phục vụ toàn bộ tải trong vùng đó.
• Các vùng có phạm vi rộng hơn có thể đạt được bằng việc sắp xếp nhiều trạm cơ bản trong một cấu trúc tế bào
2.2.7 Sự suy giảm và biến dạng tín hiệu
• 2.2.7.1 Sự suy giảm
• Khi một tín hiệu lan truyền dọc dây dẫn vì lý do nào đó biên độ của nó giảm xuống gọi là sự suy giảm tín hiệu.
• Thông thường mức độ suy giảm cho phép được quy định theo chiều dài cáp dẫn để dảm bảo rằng hệ thống nhận có thể phát hiện và có thể dịch được tín hiệu ở máy thu.
• Nếu trường hợp cáp quá dài thì có một hay nhiều bộ khuếch đại (hay còn gọi là repeater) được chèn vào từng khoảng dọc theo cáp nhằm tiếp nhận và tái sinh tín hiệu.
• Sự suy giảm và sự khuếch đại (độ lợi) được đánh giá và đo lường bằng đơn vị decibels (dB). Nếu gọi mức năng lượng của tín hiệu được truyền là (watts) và mức năng lượng nhận được là (watts) thì:
• Độ suy giảm và Độ khuếch đại
• Khi truyền thông tin nhị phân, chúng ta có thể dùng nhiều hơn hai trạng thái tín hiệu.
• Mỗi trạng thái tín hiệu có thể đại diện cho nhiều kí số nhị phân.
• Nếu số trạng thái tín hiệu là M, số bit trên mỗi phần tử là m, quan hệ giữa chúng được biểu diễn thông qua công thức:
Sự can nhiễu (tạp âm):
• Khi không có tín hiệu, một đường truyền dẫn hay kênh truyền được xem là lý tưởng nếu mức điện thế trên đó là zero.
• Trong thực tế có những tác động ngẫu nhiên làm cho tín hiệu điện trên đường truyền vẫn khác zero, cho dù không có tín hiệu số liệu nào được truyền trên đó. Mức tín hiệu này được gọi là mức nhiễu đường dây.
• Khi một tín hiệu bị suy giảm thì biên độ của nó giảm đến mức nhiễu đường (line noise). Tỉ số năng lượng trung bình của một tín hiệu thu được S so với năng lượng của mức nhiễu đường N được gọi là tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR (Signal_to_Noise Ratio), đây là tham số quan trọng liên quan đến đường truyền.
• Thông thường, SNR được biễu diễn qua đơn vị decibel (
• Rõ ràng nếu tỉ số SNR cao thì chất lượng tín hiệu thu sẽ cao. Ngược lại nếu SNR thấp có nghĩa là chất lượng tín hiệu thu thấp.
• Tốc độ truyền dẫn tối đa theo lý thuyết của kênh truyền liên hệ chặt chẽ với tỉ số SNR và được xác định theo luật Shannon - Harley:
• Trong đó : C là tốc độ [bps]
• W là băng thôngkênh truyền [Hz]
• S[w] , N[w].
• Như đã nói ở phần trước, có thể truyền nhiều hơn một bit với mỗi lần thay đổi trạng thái của tín hiệu nhờ đó có thể gia tăng tốc độ bit.
• Tuy nhiên, băng thông của kênh luôn luôn là yếu tố hạn chế tốc độ tối đa có thể đạt được.
• Công thức Nyquist xác định tốc độ tối đa của kênh không nhiễu:
• W: băng thông của kênh[Hz],
• M: số trạng thái tín hiệu.
• Trong thực tế vì các bit mở rộng được thêm vào cho mục đích điều khiển truyền (overhead) nên tốc độ số liệu hiệu dụng thường nhỏ hơn tốc độ bit thực tế.
• Do đó, khi truyền thông tin qua kênh chúng ta có 3 loại tốc độ: tốc độ phát tín hiệu, tốc độ bit, tốc độ số liệu. Tất cả chúng có thể giống hay khác nhau.
• Gọi thời gian của mỗi bit là , nghịch đảo với tốc độ bit R
• R liên hệ với chu kỳ phát tín hiệu (thời gian tồn tại một trạng thái) như sau :
• có quan hệ với R theo công thức:
• Kết hợp hai biểu thức trên suy ra đại lượng B(hiệu suất băng thông) của kênh truyền:
• Từ biểu thức trên ta suy ra tốc độ bit càng cao, ảnh hưởng của băng thông càng lớn.
• Giá trị hiệu dụng tiêu biểu của băng thông từ 0,25 đến 3 bpsHz-1.
Bài 3 : Xử lý số liệu truyền và cơ sở của các giao thức.
• 3.1.Phát hiện lỗi và sửa sai
• 3.1.1 Tổng quan
• Khi dữ liệu được truyền đi giữa 2 DTE, đặc biệt nếu các đường dây truyền dẫn ở trong môi truyền xuyên nhiễu như mạng điện thoại công cộng, thì những tín hiệu điện đại diện luồng bit rất dễ bị thay đổi do ảnh hưởng của các thiết bị điện gần đó.
• Điều đó có nghĩa là, tín hiệu đại
• Có hai phương pháp cho vấn đề này, đó là :
• Kiểm soát lỗi hướng tới(FEC-Forward Error Control): Trong mỗi ký tự hay mỗi khung ký tự được truyền đi có chứa thông tin cần thiết để bên thu không chỉ phát hiện được lỗi mà còn có thể dò tìm vị trí của các bit lỗi .Sau đó chỉ cần đảo ngược các bit lỗi để nhận được dữ liệu đúng .
• Kiểm soát lỗi quay lui(Backward Error Control) : Trong mỗi ký tự hay mỗi khung ký tự được truyền đi chỉ chứa thông tin cần thiết để bên thu có thể phát hiện ra lỗi nhưng không thể xác định được vị trí lỗi .Một bộ điều khiển sẽ yêu cầu bên phát phát lại bản dữ liệu đúng .
• Trong thực tế, số lượng bit thêm vào để đạt được độ tin cậy cần thiết trong điều khiển hướng tới sẽ gia tăng nhanh chóng khi số lượng bit thông tin tăng lên. Do đó, phương pháp điều khiển lỗi quay lui được sử dụng nhiều hơn trong các dạng truyền số liệu và các hệ thống mạng .
Các phương pháp kiểm tra
1. Parity
• Đây là phương pháp thông dụng nhất để dò tìm các bit lỗi trong truy?n bất đồng bộ và đồng bộ hướng k? tự .
• Với lược đồ này , máy phát sẽ thêm vào mỗi ký tự truyền đi một bit kiểm tra parity (được tính toán trước khi truyền) . Khi tiếp nhận thông tin , máy thu sẽ thực hiện các thao tác tính toán tương tự trên các ký tự thu được , và so sánh kết quả với bit parity thu được .Nếu chúng bằng nhau ,thì không có lỗi xảy ra , nếu chúng không bằng nhau thì có lỗi xảy ra .
2. Kiểm tra tổng khối BSC ( Block Sum Check ):
• Khi các khối ký tự đang được truyền, xác suất một ký tự chứa lỗi bit gia tăng.
• Xác suất một khối ký tự bị lỗi bit được gọi là tỉ lệ lỗi bit BER
• Phương pháp này sử dụng một tập parity bit được tính từ toàn bộ khối ký tự trong khung.
• Mỗi ký tự trong khung được phân phối một parity bit ( parity hàng ). Ngoài ra một bit mở rộng được tính cho mỗi vị trí bit ( parity cột ) trong toàn bộ khung. Tập các parity bit cho mỗi cột được gọi là ký tự kiểm tra khối BCC ( Block Check Character )
3.3. Kiểm tra CRC ( Cycle Redundancy Check ):
• Hai lược đồ trước đây khá thích hợp cho các ứng dụng trong đó xuất hiện các lỗi đơn bit ngẫu nhiên.
• Tuy nhiên khi các khối lỗi xuất hiện chúng ta phải dùng một phương pháp chắn chắc hơn.
• Một khối lỗi bắt đầu và kết thúc bằng một bit lỗi, mặc dù các bit trong khoảng giữa có thể hay không có thể bị lỗi. Do đó, một khối lỗi được định nghĩa là số bit giữa hai bit lỗi liên tiếp nhau bao gồm cả hai bit lỗi này.
• Khi xác định chiều dài của một khối lỗi, bit lỗi cuối cùng trong một khối và bit lỗi đầu tiên trong một khối lỗi tiếp theo phải được tách biệt bởi B hoặc nhiều hơn các bit không lỗi, trong đó B là chiều dài của khối lỗi này. Ví dụ hai khối lỗi có chiều dài khác nhau . Chú ý rằng các bit lỗi thứ nhất và thứ 3 không thể dùng để định một khối lỗi 11 bit vì một lỗi xảy ra trong 11 bit liên tiếp .
• Chọn lựa phổ biến nhất là dựa trên các mã đa thức. Các mã đa thức được dùng với các lược đồ truyền khung. Một tập bit kiểm tra được phát sinh dựa vào nội dung của khung, và được máy phát gắn đuôi vào khung.
• Sau đó máy thu sẽ thực hiện tính toán tương tự trên toàn bộ khung và kiểm tra các tập bit.
• Nếu không có lỗi, kết quả thu được sẽ giống như mã kiểm tra. Nếu khác, nó chỉ ra một lỗi truyền .
• Tập bit kiểm tra trong một khung được chọn sao cho phù hợp với dạng lỗi truyền được dự báo trước, thường là 16 hay 32 bit. Tập bit kiểm tra tính toán được gọi là tập bit kiểm tra tuần tự khung FCS (Fram Check Sequence) hay CRC (Cyclic Redundance Check) .
• M(x) là một số K bit (là thông điệp truyền )
• G(x) là một số (n+1) bit (phần tử chia hay phần tử sinh )
• R(x) là một số n bit sao cho k > n ( phần dư )
• Q(x) là thương số
Nếu không có lỗi thì phần dư chứa sẽ bằng 0
Nếu có lỗi thì phần dư sẽ khác 0 .
• Ví dụ
• Một luồng bit gồm các khung 8 bit được truyền qua một liên kết dùng CRC để phát hiện lỗi. Dùng đa thức sinh 11001. Hãy dùng ví dụ để mô tả
• Quá trình sinh tạo mã kiểm tra ở bên phát
• Quá trình kiểm tra ở bên thu
Mã sửa lỗi
. Mã Hamming
Mã hóa:
ü Rải các bit c vào chuỗi tin ở vị trí:1,2,…2i
ü Tính xor vị trí của các bit 1
ü Đặt kết quả của phép xor vào các bit dư ta được từ mã hamming gởi đi
Giải mã:
ü Tính xor tương tự như bên phát
ü Nếu kết quả phép xor = 0 => thu đúng,nếu khác 0 là thu sai
ü Sửa lỗi: Bit lỗi là bit nằm ở vị trí xác định bằng kết quả phép xo
2.Mã vòng:
Mã hóa:
• tương tự CRC
Giải mã:
• Thu T’(x)
• Chia T’(x) cho G(x), nếu =0 =>thu đúng, khác 0=>thu sai
• Sửa lỗi:
(1)Dịch vòng T’(x) từ phải sang trái 1 bit
(2)Chia G(x), tính Wdư
Nếu Wdư >1,quay về (1)
Nếu Wdư =1, sang (3)
(3)Cộng T’(x) sau cùng với số dư sau cùng. Sau đó dịch vòng từ trái sang phải với số lần dịch như trên
(4) Thu kết quả đúng
Mã hóa nguồn
• Mục đích:
ü Tăng hiệu suất truyền tin
ü Giảm độ dư của nguồn tin
ü Giảm thời gian truyền tin
• Mã hóa nguồn còn gọi là mã nén
• Có nhiều loại mã nén khác nhau
Các khái niệm liên quan đến mã hóa
• Trọng lượng mã(w):Số kí hiệu “1” có mặt trong từ mã
• Ví dụ:W(11001010)=4
• Khoảng cách mã(d)-Khoảng cách hamming giữa 2 từ mã dài bằng nhau: là số kí hiệu đồng vị(cùng vị trí)khác nhau. Đây là kết quả phép xor 2 từ mã
• Ví dụ:10101100
• 01110001
Một số phương pháp mật mã hóa kinh điển
MẬT MÃ DỊCH VÒNG
• NGUYÊN TẮC MÃ HÓA
-Thay thế dãy kí tự A – Z bằng dãy số nguyên từ 0 – 25
-Thay bản gốc bằng dãy số nguyên (i)
-Chọn khóa k (là một số nguyên từ 0 đến 25)
-Tính i=(i+k)mod 26
-Đổi i mới thành ký tự
Mật mã thay thế
• THAY THẾ ĐƠN KÍ TỰ
• Nguyên tắc mã hóa:
- Chọn khóa là dãy 26 kí tự sắp xếp theo trật tự nào đó
- Chiếu dãy kí tự alphabet với khóa=>bản mật
• Dịch vòng
• Thay thế
• Hoán vị
Quy trình mật mã hóa:
Bản gốc =>mật mã hóa=>bản mật=>…=>bản mật thu=>giải mật=>bản gốc
Hiệu suất sử dụng liên kết với idle RQ
• U=Tix/Tt
• U: Hiệu suất sử dụng liên kết
• Tix: Thời gian bên phát truyền đi một frame
Tix=số bit trong 1 khung/tốc độ bit
• Tt= Tix+ thời gian chờ của máy phát
• Tổng thời gian chờ: 2Tp + Tix
Tp= s/v
• U=Tix /(2Tp + Tix )=