Bài giảng Kỹ thuật truyền số liệu - Chương 1: Giới thiệu về kỹ thuật truyền số liệu - ĐHBK Tp.HCM

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ KỸ THUẬT TRUYỀN SỐ LIỆU anhph@cse.hcmut.edu.vn CSE 501035 – Data Communication 2 Nội dung Ứng dụng truyền dữ liệu Mô hình hệ thống truyền dữ liệu Mạng truyền số liệu Kiến trúc truyền số liệu dùng máy tính CSE 501035 – Data Communication 3 Ứng dụng truyền số liệu  Ứng dụng dữ liệu  Ứng dụng âm thanh, tiếng nói. Sơ đồ khối tổng quát (mô hình Shannon) Source Trans- mitter Trans- mission System Receiver Des- tination Source System Destination System Ví dụ  Ứng dụng video  Ứng dụng thời gian thực CSE 501035 – Data Communication 4 Mô hình hệ thống truyền dữ liệu Hệ thống truyền dữ liệu ? Dữ liệu: biểu diễn số liệu, khái niệm, dưới dạng thích hợp cho việc giao tiếp, xử lý, diễn giải Thông tin: ý nghĩa được gán cho dữ liệu Tập hợp các thiết bị được kết nối thông qua một môi trường truyền dẫn CSE 501035 – Data Communication 5 Tác vụ của hệ thống truyền dữ liệu  Sử dụng hệ thống truyền dẫn  Giao tiếp  Tạo tín hiệu  Đồng bộ  Quản lý việc trao đổi dữ liệu  Điều khiển dòng dữ liệu  Phát hiện và sửa lỗi  Định vị địa chỉ và tìm đường  Khôi phục  Định dạng thông báo  Bảo mật  Quản trị mạng CSE 501035 – Data Communication 6 Hệ thống truyền dữ liệu  Tại sao phải dùng hệ thống truyền dữ liệu  Chia xẻ tài nguyên  Máy in  Ổ đĩa/băng từ  Công suất tính toán  Tập hợp dữ liệu  Phân tán tải  Tính toán song song  Tính toán theo mô hình client-server  Fault tolerance  Trao đổi thông tin  Giao dịch cơ sở dữ liệu  Thư điện tử  Phân tán dữ liệu trên mạng – lưu trữ CSE 501035 – Data Communication 7 Truyền số liệu  Liên quan đến các vấn đề truyền dữ liệu số dạng thô  Truyền 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) Source Trans- mitter Trans- mission System Receiver Des- tination Source System Destination System CSE 501035 – Data Communication 8 Mạng truyền số liệu  Giao tiếp điểm-điểm thường không thực tế  Các thiết bị cách xa nhau  Số kết nối tăng đáng kể khi số các thiết bị cần giao tiếp lớn mạng truyền số liệu  Phân loại dựa vào phạm vi hoạt động  Mạng cục bộ (Local-Area Networks – LAN)  Mạng diện rộng (Wide- Area Networks – WAN) Switching node Wide-Area Network Destination systemSource system Source Trans mitter Trans mission System Receiver Dest ination Local-Area Network CSE 501035 – Data Communication 9 Mạng truyền số liệu  Mạng cục bộ LAN  Đặc điểm  Kết nối các thiết bị cùng tổ chức  Tốc độ cao  Thường dùng hệ thống broadcast  Hệ thống chuyển mạch và ATM đang được ứng dụng  Cấu hình  Chuyển mạch  Ethernet chuyển mạch (một hoặc nhiều bộ chuyển mạch)  ATM LAN  Fibre channel  Không dây  Cơ động  Dễ dàng cài đặt CSE 501035 – Data Communication 10 Mạng truyền số liệu  Mạng diện rộng WAN  Khác như thế nào so với mạng LAN?  Triển khai theo diện rộng  Dựa vào các mạch truyền dẫn công cộng  Công nghệ  Chuyển mạch mạch (circuit-switching)  Đường truyền dẫn dành riêng giữa 2 node mạng  Chuyển mạch gói (packet-switching)  Không được dành riêng đường truyền dẫn  Mỗi gói đi theo đường khác nhau  Chi phí đường truyền cao để khắc phục các lỗi truyền dẫn  Frame Relay  Được dùng trong chuyển mạch gói có xác suất lỗi thấp  ATM  Chế độ truyền bất đồng bộ (Asynchronous Transfer Mode)  Dùng các gói có kích thước cố định (gọi là cell)  ISDN  Mạng số các dịch vụ tích hợp (Integrated Services Digital Network) CSE 501035 – Data Communication 11 Mạng truyền số liệu  Một cách phân loại khác  Dựa vào kiến trúc và kỹ thuật dùng để trao đổi dữ liệu  Mạng chuyển mạch (switched networks)  Mạng chuyển mạch mạch  Mạng chuyển mạch gói  Mạng phát tán (broadcast networks)  Mạng radio gói (packet radio net.)  Mạng vệ tinh (satellite net.)  Mạng cục bộ (local net.) CSE 501035 – Data Communication 12 Cấu hình mạng truyền số liệu CSE 501035 – Data Communication 13 Kiến trúc truyền thông máy tính  Tác vụ giao tiếp được phân nhỏ thành các môđun  Các mođun được hiện thực trên các lớp khác nhau (trên cả 2 hệ thống)  Giao tiếp đồng đẳng  Ứng dụng truyền file  Nguồn thiết lập kết nối (báo cho mạng biết đâu là đích)  Nguồn đảm bảo đích sẵn sàng nhận dữ liệu  Ứng 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 file  Nếu định dạng file dùng trên 2 h/t không tương thích, một hoặc cả 2 h/t phải thực hiện chức năng chuyển đổi  Ví dụ: truyền file có thể được phân thành 3 môđun  Truyền file  Dịch vụ giao tiếp  Truy xuất mạng Communication subsystem Application process Data communication network Computer-to-network communication Computer I Computer II Communication subsystem Application process Computer-to-computer communication User-to-user communication CSE 501035 – Data Communication 14 Nghi thức giao tiếp (giao thức)  Dùng để giao tiếp giữa các thực thể trong một hệ thống  Thực thể  Có khả năng gởi/nhận thông tin  Ứng dụng người dùng  Thư điện tử  Thiết bị đầu cuối  Hệ thống  Đối tượng vật lý, chứa một hoăc nhiều thực thể  Máy tính  Thiết bị đầu cuối  Cảm biến từ xa  Phải cùng “nói” một ngôn ngữ  Các thành phần chính của một nghi thức giao tiếp  Ngữ pháp (syntax)  Định dạng dữ liệu  Mức tín hiệu  Ngữ nghĩa (semantic)  Thông tin điều khiển  Xử lý lỗi  Định thời (timing)  Đồng bộ  Tuần tự CSE 501035 – Data Communication 15 Tiêu chuẩn hóa  Cần thiết cho các tác vụ liên thông giữa các thiết bị  Các tổ chức chuẩn hóa  Internet 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 tự  Institute 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 tinh  American 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 điểm  Bảo đảm thị trường lớn cho các thiết bị và các phần mềm  Cho phép các sản phẩm của các nhà cung cấp có thể giao tiếp với nhau  Nhược điểm  Hạn chế sự phát triển công nghệ  Có thể có nhiều chuẩn cho cùng một công nghệ CSE 501035 – Data Communication 16 Tiêu chuẩn hóa  Hệ thống kín (sở hữu riêng)  Được định nghĩa bởi một vài nhà sản xuất máy tính  Chỉ 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 thông  SNA (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 DoD  TCP/IP – Transmission Control Protocol/Internet Protocol)  Hệ thống mở  Được định nghĩa bởi ISO  OSI – Open Systems Interconnection CSE 501035 – Data Communication 17 Mô hình 3 lớp  Network Access Layer  Trao đổi dữ liệu giữa máy tính và mạng  Máy tính nguồn cung cấp địa chỉ đích  Có thể có các mức dịch vụ  Tùy thuộc vào loại mạng đang dùng (LAN, chuyển mạch gói, )  Transport Layer  Trao đổi dữ liệu tin cậy  Độc lập với mạng đang dùng  Độc lập với ứng dụng  Application Layer  Hỗ trợ các ứng dụng người dùng khác nhau (e.g. e-mail, file transfer) CSE 501035 – Data Communication 18 Kiến trúc nghi thức và mạng  2 mức địa chỉ  Mỗi máy tính cần 1 địa chỉ mạng duy nhất  Mỗi ứng dụng trong một máy tính cần 1 địa chỉ duy nhất (trong máy)  Service Access Point (SAP)  Port đối với mô hình TCP/IP Computer B Computer A Computer C Network Address Service Access Point CSE 501035 – Data Communication 19 Nghi thức trong mô hình 3 lớp Computer YComputer X Application Protocol Transport Protocol Network access protocol Network access protocol CSE 501035 – Data Communication 20 Protocol Data Units (PDU)  Tại mỗi lớp, người ta dùng các nghi thức để giao tiếp  Thông tin điều khiển được thêm vào dữ liệu người dùng tại mỗi lớp  Lớp Transport có thể phân đoạn dữ liệu người dùng  Mỗi phân đoạn có một header chứa  SAP đích  Số tuần tự  Mã phát hiện sai Application Data Transport header Network header Transport header Network header Transport Protocol Data Units Network Protocol Data Units (packages) CSE 501035 – Data Communication 21 Network PDU  Thêm header mạng chứa  Địa chỉ mạng của máy đích  Yêu cầu dịch vụ Source X Destination Y Application Transport Network access Application Transport Network accessDHost DHost DSAP DSAP Record Record Packet Transport PDU DSAP = Destination Service Access Point DHost = Destination Host CSE 501035 – Data Communication 22 Kiến trúc nghi thức được chuẩn hóa  Cần thiết để các thiết bị trao đổi dữ liệu  Các nhà cung cấp có nhiều sản phẩm  Khách hàng có thể đòi hỏi thiết bị hợp chuẩn  2 chuẩn thông dụng  Mô hình OSI  Mô hình TCP/IP  Ngoài ra còn có Systems Network Architecture (SNA) của IBM CSE 501035 – Data Communication 23 Mô hình DoD  Phát 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 khác  Trong 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 khác  Nhấn mạnh vào sự kết nối liên mạng, nghĩa là, khi 2 thực thể giao tiếp không nối chung một mạng  Quan tâm cả hệ thống hướng đến kết nối và không kết nối  Bao 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 ISO  Không chứa các nghi thức liên quan đến các lớp trong mô hình ISO  Hầu hết các chức năng của mô hình ISO được tích hợp trong TCP/IP  Không phải mô hình chính thức, nhưng là một mô hình thực tiễn  Lớp ứng dụng  Lớp vận chuyển (giao tiếp giữa các thiết bị)  Lớp Internet  Lớp truy xuất mạng  Lớp vật lý CSE 501035 – Data Communication 24 Mô hình kiến trúc giao thức TCP/IP Source Trans- mitter Trans- mission System Receiver Des- tination Source System Destination System CSE 501035 – Data Communication 25 Khái niệm TCP/IP CSE 501035 – Data Communication 26 Mức địa chỉ  Địa chỉ duy nhất cho mỗi hệ thống đầu cuối và router  Địa chỉ lớp mạng  Địa chỉ IP hoặc địa chỉ internet (TCP/IP)  Network service access point (NSAP – OSI)  Quá trình trong hệ thống  Port number (TCP/IP)  Service access point (SAP – OSI)  Một họat động đơn giản  Quá trình gắn với port 1 trong máy A gởi thông báo tới port 2 trong máy B  Quá trình trong máy A chuyển message tới TCP để gởi tới máy B  TCP chuyển xuống IP để gởi cho máy B  IP chuyển xuống lớp mạng (e.g. Ethernet) để gởi tới router J  Tạo ra tập các PDU được bao bọc CSE 501035 – Data Communication 27 Dòng dữ liệu trong TCP/IP User Data User Data Application Header Application DataTCP Header Application DataTCP HeaderIP Header Application DataTCP HeaderIP Header Ethernet Header Ethernet Trailer Ethernet Frame 46 – 1500 bytes 14 20 20 4 IP datagram TCP segment Ethernet Driver IP TCP Ethernet Application CSE 501035 – Data Communication 28 Mô hình giao tiếp dùng TCP/IP Token Ring Driver IP TCP FTP Server Ethernet Driver IP TCP FTP Client Token Ring Driver Ethernet Driver IP Token RingEthernet IP Protocol IP Protocol Token Ring Protocol Ethernet Protocol FTP Protocol TCP Protocol Router CSE 501035 – Data Communication 29 Nghi thức trong mô hình TCP/IP BGP = Border Gateway Protocol OSPF = Open Shortest Path First FTP = File Transfer Protocol RSVP = Resource ReSerVation Protocol HTTP = Hypertext Transfer Protocol SNMP = Simple Network Management Protocol ICMP = Internet Control Message Protocol SMTP = Simple Mail Transfer Protocol IGMP = Internet Group Management Protocol TCP = Transmission Control Protocol IP = Internet Protocol UDP = User Datagram Protocol MIME = Multi-purpose Internet Mail Extension CSE 501035 – Data Communication 30 Mô hình mạng ISO/OSI  Hệ thống lý thuyết ra đời quá trễ  TCP/IP đang là tiêu chuẩn thực tiễn  7 lớp  Ứng dụng (Application)  Trình bày (Presentation)  Giao dịch (Session)  Vận chuyển (Transport)  Mạng (Network)  Liên kết dữ liệu (Data link)  Vật lý (Physical) Application Layer Transport Layer Presentation Layer Session Layer Network Layer Datalink Layer Physical Layer Real System Environment O S I E n v ir o m en t N et w o rk E n v ir o m en t CSE 501035 – Data Communication 31 Mô hình mạng ISO/OSI Total Communication Function Decompose (modularity, information-hiding) OSI-wide standards (e.g. network management, security) Layer N Layer 1 Physical Layer 7 Application Layer N entity Service from Layer N-1 Service to Layer N+1 Protocol with peer Layer N CSE 501035 – Data Communication 32 Mô hình mạng ISO/OSI Layer N Protocol Specification (Precise syntax and semantics for interoperability) Addressing (Service Access Point) Service Definition (Functional description for internal use) CSE 501035 – Data Communication 33 Mô hình mạng ISO/OSI Transport Network Data Link Application Presentation Session Physical Transport Network Data Link Application Presentation Session Physical Data LinkData Link Data LinkData Link PhysicalPhysical PhysicalPhysical NetworkNetwork External site External site Subnet node Subnet node Virtual network service Virtual session Virtual link for end-to-end messages Virtual link for end-to-end packages Virtual link for reliable packages Physical link Virtual bit pipe CSE 501035 – Data Communication 34 Lớp hướng tới ứng dụng  Lớp ứng dụng  Cung cấp cho các ứng dụng các dịch vụ để truy cập mạng  Lớp trình bày  Cung 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 dịch  Cung 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 nối  Có 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 hóa CSE 501035 – Data Communication 35 Lớp hướng tới ứng dụng  Lớp vận chuyển  Cung cấp dịch vụ thông báo end-to-end cho các lớp trên  Cung cấp đường ống vận chuyển gói end-to-end cho lớp vận chuyển  Bảo đảm dữ liệu được truyền không có lỗi, theo thứ tự và không mất mát, ngắt quãng hoặc dư thừa  Chịu 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 mạng  Đa hợp các giao dịch với cùng các node nguồn/đích  Tái lập thứ tự các gói tại đích đến  Khôi phục lỗi, hư hỏng  Điều khiển dòng từ nguồn đến đích và ngược lại CSE 501035 – Data Communication 36 Lớp phụ thuộc môi trường truyền  Lớp mạng  Trung chuyển các gói giữa lớp vận chuyển và lớp liên kết dữ liệu  Đánh địa chỉ gói và dịch địa chỉ luận lý thành địa chỉ vật lý  Tìm đường kết nối với máy tính khác thông qua mạng  Mỗi node chứa một mođun lớp mạng cộng với một mođun lớp liên kết dữ liệu cho một liên kết Transport layer Network layer DLC layer link 1 DLC layer link 2 DLC layer link 3 CSE 501035 – Data Communication 37 Lớp phụ thuộc môi trường truyền Lớp liên kết dữ liệu Chịu trách nhiệm truyền dẫn một cách tin cậy (error-free) các gói dữ liệu của lớp mạng thông qua một liên kết đơn Đóng khung: xác định đầu và cuối các gói Phát hiện lỗi: xác định gói nào có lỗi đường truyền Sửa lỗi: cơ chế truyền lại (Automatic Repeat Request – ARQ) CSE 501035 – Data Communication 38 Lớp phụ thuộc môi trường truyền  Lớp 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 dụng  Thời gian trễ truyền  Thời gian t/h truyền từ nguồn đến đích  T/h truyền với vận tốc xấp xỉ vận tốc ánh sáng C=3x108 m/s  Ví dụ • vệ tinh GEO d=40.000km ? trễ truyền 1/8 s; • cáp Ethernet d=1km ? trễ truyền 3µs  Lỗi truyền  Suy giảm công suất t/h  Suy giảm do nhiễu  Mô hình kênh truyền đơn giản: kênh nhị phân đối xứng (Binary Symetric Channel) • P: xác suất lỗi 1 bit • Lỗi xảy ra độc lập  Thực tế, lỗi xảy ra thành chùm CSE 501035 – Data Communication 39 Truyền dữ liệu trong mạng OSI Presentation layer Session layer Application layer Transport layer Network layer Datalink layer Physical layer Application process Presentation layer Session layer Application layer Transport layer Network layer Datalink layer Physical layer Application process Data network Network environment OSI environment Real systems environment Computer I Computer II CSE 501035 – Data Communication 40 Dòng dữ liệu trong mô hình OSI CSE 501035 – Data Communication 41 Truyền dữ liệu trong mạng OSI CSE 501035 – Data Communication 42 So sánh OSI và TCP/IP Application Presentation Transport Session Network Data link Physical Application Transport (host-to-host) Internet Network Access Physical Hardware Firmware Software User space Operating system OSI TCP/IP CSE 501035 – Data Communication 43 So sánh mô hình OSI và TCP/IP Application Presentation Session Transport Network Datalink Physical 1 2 3 4 5 6 7 FunctionLayer Telnet FTP TFTP SMTP DNS Others TCP UDP ICMP Ethernet TokenRing Other RARPARPIP Protocol OSI Reference Model TCP/IP Protocol Suite CSE 501035 – Data Communication 44 Tham khảo  W. Stallings, Data and Computer Communications (7th edition), Prentice Hall 2003, chapter 1 & 2  Web sites for IETF, IEEE, ITU-T, ISO  Internet Requests for Comment (RFCs)  Usenet News groups  comp.dcom.*  comp.protocols.tcp-ip