Bài giảng Chương 1: Giới thiệu về kỹ thuật truyền số liệu

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ KỸ THUẬT TRUYỀN SỐ LIỆU

anhph@cse.hcmut.edu.vn

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

2

Ứng dụng truyền số liệu

Source System Destination System

Source Receiver Trans- mitter Des- tination Trans- mission System

Sơ đồ khối tổng quát (mô hình Shannon)

 Ứng dụng video  Ứng dụng thời gian thực

 Ứng dụng dữ liệu  Ứng dụng âm thanh, tiếng nói.

Ví dụ

CSE 501035 – Data Communication

3

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

4

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

5

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

6

Truyền số liệu

Destination System Source System

 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)

CSE 501035 – Data Communication

7

Source Receiver Trans- mitter Des- tination Trans- mission System

Switching node

Wide-Area Network

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

Source system

Destination system

 mạng truyền số liệu

Source

Receiver

Dest ination

Trans mitter

Trans mission System

 Phân loại dựa vào phạm vi hoạt động  Mạng cục bộ (Local-Area

Networks – LAN)

 Mạng diện rộng (Wide- Area Networks – WAN)

CSE 501035 – Data Communication

8

Local-Area Network

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

9

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

10

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

11

Cấu hình mạng truyền số liệu

CSE 501035 – Data Communication

12

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

Computer I

Computer II

 Truyền file  Dịch vụ giao tiếp  Truy xuất mạng

Application process Application process User-to-user communication

Communication subsystem Communication subsystem Computer-to-computer communication

Data communication network

CSE 501035 – Data Communication

13

Computer-to-network communication

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

 Các thành phần chính của một nghi thức giao tiếp  Ngữ pháp (syntax)  Định dạng dữ liệu  Mức tín hiệu

 Ứng dụng người dùng  Thư điện tử  Thiết bị đầu cuối

 Ngữ nghĩa (semantic)  Thông tin điều khiển  Xử lý lỗi

 Hệ thống

 Định thời (timing)

 Đối tượng vật lý, chứa một

hoăc nhiều thực thể

 Đồng bộ  Tuần tự

 Máy tính  Thiết bị đầu cuối  Cảm biến từ xa

 Phải cùng “nói” một ngôn ngữ

CSE 501035 – Data Communication

14

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

(http://www.ieee.org): tổ chức nhà nghề của các kỹ sư điện-điện tử (IEEE- 754: chuẩn cho số chấm động)

 International Telecommunications Union ITU (http://www.itu.ch): điều

phối các chuẩn tầm quốc tế, cấp phát tần số viễn thông vệ tinh

 American National Standards Institute ANSI (http://www.ansi.org): đại

diện cho một số tổ chức chuẩn hóa ở Mỹ (chuẩn cho ký tự ASCII)

 International Organization for Standardization ISO (http://www.iso.ch): 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

15

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

16

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

17

Kiến trúc nghi thức và mạng  2 mức địa chỉ

 Mỗi máy tính cần 1 địa chỉ mạng duy nhất

Service Access Point

Network Address

 Mỗi ứng dụng trong một máy tính cần 1 địa chỉ duy nhất (trong máy)

 Service Access Point

(SAP)

Computer A

 Port đối với mô hình

TCP/IP

Computer C

CSE 501035 – Data Communication

18

Computer B

Nghi thức trong mô hình 3 lớp

Computer X Computer Y

Application Protocol

Transport Protocol

CSE 501035 – Data Communication

19

Network access protocol Network access protocol

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

Application Data

 SAP đích  Số tuần tự  Mã phát hiện sai

Transport header

Transport Protocol Data Units

Transport header

Network Protocol Data Units (packages)

Network header

Network header

CSE 501035 – Data Communication

20

Network PDU  Thêm header mạng chứa  Địa chỉ mạng của máy đích  Yêu cầu dịch vụ

Source X Destination Y DSAP = Destination Service Access Point DHost = Destination Host

Application

Application

Record

Record

Transport

Transport

DSAP

DSAP

Transport PDU

DHost

DHost

Network access

Network access

Packet

CSE 501035 – Data Communication

21

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

22

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

23

Mô hình kiến trúc giao thức TCP/IP

Destination System Source System

CSE 501035 – Data Communication

24

Source Receiver Trans- mitter Des- tination Trans- mission System

Khái niệm TCP/IP

CSE 501035 – Data Communication

25

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

26

Dòng dữ liệu trong TCP/IP

User Data

Application

User Data Application Header

TCP

TCP Header Application Data

IP TCP segment

IP Header TCP Header Application Data

IP datagram Ethernet Driver

IP Header TCP Header Application Data

Ethernet Ethernet Header 14 20 20 Ethernet Trailer 4

CSE 501035 – Data Communication

27

Ethernet Frame 46 – 1500 bytes

Mô hình giao tiếp dùng TCP/IP

FTP Protocol FTP Client FTP Server

TCP TCP TCP Protocol

IP IP IP IP Protocol IP Protocol

Ethernet Protocol Token Ring Protocol Ethernet Driver Ethernet Driver Token Ring Driver Token Ring Driver

Router

CSE 501035 – Data Communication

28

Token Ring Ethernet

Nghi thức trong mô hình TCP/IP

OSPF = Open Shortest Path First RSVP = Resource ReSerVation Protocol SNMP = Simple Network Management Protocol SMTP = Simple Mail Transfer Protocol TCP = Transmission Control Protocol UDP = User Datagram Protocol

BGP = Border Gateway Protocol FTP = File Transfer Protocol HTTP = Hypertext Transfer Protocol ICMP = Internet Control Message Protocol IGMP = Internet Group Management Protocol IP = Internet Protocol MIME = Multi-purpose Internet Mail Extension

CSE 501035 – Data Communication

29

Mô hình mạng ISO/OSI

 Hệ thống lý thuyết ra đời

Real System Environment

quá trễ  TCP/IP đang là tiêu chuẩn

Application Layer

thực tiễn

 7 lớp

Presentation Layer

Session Layer

t n e m o r i v n E I S O

Transport Layer

Network Layer

 Ứng dụng (Application)  Trình bày (Presentation)  Giao dịch (Session)  Vận chuyển (Transport)  Mạng (Network)  Liên kết dữ liệu (Data link)  Vật lý (Physical)

Datalink Layer

t n e m o r i v n E k r o w t e N

Physical Layer

CSE 501035 – Data Communication

30

Mô hình mạng ISO/OSI

Service to Layer N+1

Layer N entity

Layer 7 Application

Protocol with peer Layer N

Total Communication Function

Decompose (modularity, information-hiding)

Service from Layer N-1

Layer N

OSI-wide standards (e.g. network management, security)

CSE 501035 – Data Communication

31

Layer 1 Physical

Mô hình mạng ISO/OSI

Service Definition (Functional description for internal use)

Layer N

Addressing (Service Access Point)

CSE 501035 – Data Communication

32

Protocol Specification (Precise syntax and semantics for interoperability)

Mô hình mạng ISO/OSI

Application Application Virtual network service

Presentation Presentation Virtual session

Session Session Virtual link for end-to-end messages

Transport Transport Virtual link for end-to-end packages

Network Network Network Network Virtual link for reliable packages

Data Link Data Link Data Link Data Link Data Link Data Link

Virtual bit pipe

Physical Physical Physical Physical Physical Physical

Physical link

CSE 501035 – Data Communication

33

External site Subnet node Subnet node External site

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

34

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

35

Lớp phụ thuộc môi trường truyền  Lớp mạng

 Trung chuyển các gói

Transport layer

Network layer

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

DLC layer link 1

DLC layer link 2

DLC layer link 3

mođun lớp mạng cộng với một mođun lớp liên kết dữ liệu cho một liên kết

CSE 501035 – Data Communication

36

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

37

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

38

Truyền dữ liệu trong mạng OSI

Computer I

Computer II

Application process Application process

Application layer Application layer

Presentation layer Presentation layer

Session layer Session layer

Transport layer Transport layer

Network layer Network layer

Datalink layer Datalink layer

Data network

Network environment

OSI environment

Real systems environment

CSE 501035 – Data Communication

39

Physical layer Physical layer

Dòng dữ liệu trong mô hình OSI

CSE 501035 – Data Communication

40

Truyền dữ liệu trong mạng OSI

CSE 501035 – Data Communication

41

So sánh OSI và TCP/IP

OSI TCP/IP

Application

Application Presentation

User space

Session Software

Transport (host-to-host) Transport

Firmware Internet Network

Operating system Network Access Data link Hardware

CSE 501035 – Data Communication

42

Physical Physical

So sánh mô hình OSI và TCP/IP

OSI Reference Model TCP/IP Protocol Suite

Layer Function Protocol

1 Application DNS

Telnet FTP TFTP SMTP

2 Presentation Others

3 Session

TCP UDP

4 Transport

ICMP 5 Network IP ARP RARP

6 Datalink

Ethernet TokenRing Other

CSE 501035 – Data Communication

43

7 Physical

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

CSE 501035 – Data Communication

44