Kỹ Thuật Truyền Số Liệu

Môn học Kỹ Thuật Truyền Số Liệu là một trong những môn học oái ăm nhất. Tài liệu học thì ít, mà khó như quỷ. Nếu như không tập trung kỹ vào môn học này, thì Tâm Gà đảm bảo bạn sẽ thi rớt môn học này thường xuyên cho mà xem. Nói chung, phải đọc tài liệu nhiều vào, và phải làm bài tập về nhà thử xem nhé. Tuyệt đối làm theo nhóm, và đừng làm theo dạng cá nhân, để rồi sai không biết nhờ ai cứu giúp cho bạn vượt qua lỗi sai của bạn luôn.

Kỹ thuật truyền số liệu là một mảng kiến thức không thể thiếu đối với sinh viên chuyên ngành điện tử viễn thông và công nghệ thông tin. Đây là nền tảng để nghiên cứu chuyên sâu trong chuyên ngành này. Mặc dù mang đậm giải pháp cho dịch vụ số liệu, nhưng kỹ thuật truyền số liệu ngày nay lại là xuất phát điểm cho đa dịch vụ một xu thế tất yếu trong mạng viễn thông và mạng máy tính hiện đại. Chúng ta đều biết rằng không có kiến thức cơ sở vững vàng sẽ không có phát triển ứng dụng vì vậy tài liệu này sẽ giúp cho sinh viên trang bị cho mình những kiến thức căn bản nhất, thiết thực nhất. Cuốn sách này không chỉ hữu ích đối với sinh viên ngành viễn thông và công nghệ thông tin, mà còn cần thiết cho cả các cán bộ kỹ thuật đang theo học các lớp bổ túc hoàn thiện kiến thức của mình.

Chương 1 : Mạng Truyền Số Liệu và Sự Chuẩn Hóa

- Thông tin và truyền thông : một vấn đề đang được xã hội quan tâm trong nền kinh tế mới nền kinh tế thông tin , nền kinh tế trí thức, nền kinh tế học hỏi, nền kinh tế số
- Cái nhìn tổng quát về mạng số liệu
- Tổ chức về mạng mạng truyền số liệu hiện đại , Các kỹ thuật được dùng để truyền số liệu
- Những vấn đề căn bản trong chuẩn hóa và mô hình tham chiếu của mạng

- Mục đích : giúp sinh viên thấy rõ vai trò của truyền thông dữ liệu đóng vai trò quan trọng trong cuộc sống của con người trong thế giới văn minh hiện đại. Những khái niệm ban đầu nhưng hết sức cần thiết trong lĩnh vực thông tin như các dạng thông tin. Phân biệt một cách chính xác giữa thông tin và tín hiệu, gia công chế biến tín hiệu cho phù hợp với mục đích và phù hợp với đường truyền vật lý, số hóa các dạng tín hiệu, Xử lý các dạng tín hiệu số. Hiểu biết một cách tổng quát về mạng số liệu để tổ chức truyền đi trong mạng sao cho có hiệu quả nhất, biết một cách sâu sắc sự kết hợp giữa phần cứng, các giao thức truyền thông các thuật toán đã tạo ra các hệ thống truyền số liệu hiện đại.

- Yêu cầu : Mỗi sinh viên khi đọc hiểu chương này phải tự mình đánh giá kiến thức của mình theo các vấn đề chính sau : Tin tức và tín hiệu được hiểu như thế nào ? Mô hình tổng quát của một hệ thống truyền số liệu. Sự kết hợp giữa công nghệ thông tin và truyền thông đã tạo ra hệ thống truyền số liệu hiện đại và mô hình hệ thống truyền số liệu hiện đại được trình bày như thế nào ? Các kỹ thuật đã được ứng dụng để truyền số liệu trên mạng số liệu hiện đại được chuẩn hóa như thế nào ?

Chương 2 : Giao tiếp vật lý và môi trường truyền dữ liệu

- Các loại tín hiệu
- Sự suy giảm và biến dạng tín hiệu
- Môi trường truyền dẫn
- Chuẩn giao tiếp vật lý

- Mục đích : Giúp sinh viên thấy rõ các loại tín hiệu được dùng trong hệ thống truyền số liệu hiện đại. Khi hai đầu cuối kết nối với nhau bằng tốc độ vừa phải có thể truyền dữ liệu bắng các dây đôi không xoắn và các mạch giao tiếp đơn giản Khi dùng môi trường truyền khác nhau cần phải chuyển đổi các tín hiệu điện từ các DTE thành dạng tín hiệu phù hợp với đường truyền Ảnh hưởng của suy giảm và biến dạng nói chung có thể làm thoái hoá một tín hiệu trong quá trình truyền Sự suy giảm tín hiệu gia tăng theo một hàm của tần số. Băng thông chỉ ra các thành phần tần số nào của tín hiệu sẽ được truyền qua kênh mà không bị suy giảm. Một đường truyền 2 dây không xoắn là môi trường truyền dẫn đơn giản nhất, Chúng ta có thể loại bỏ các tín hiệu nhiễu bằng cách dùng cáp xoắn đôi,. Mặc dù có nhiều cải tiến nhưng các loại dây cáp kim loại vẫn bị giới hạn về tốc độ truyền dẫn. Cáp quang khác xa với các loại cáp trước đây, cáp quang mang thông tin dưới dạng các chùm dao động của ánh trong sợi thuỷ tinh. Số liệu cũng có thể truyền bằng cách dùng sóng điện từ qua không gian tự do như các hệ thống thông tin vệ tinh. Một chùm sóng vi ba trực xạ trên đó mang số liệu đã được điều chế, được truyền đến vệ tinh từ trạm mặt đất. Những khái niệm về tín hiệu, tốc độ, băng thông, sự suy giảm tín hiệu, sự biến dạng, can nhiễu, tạp âm những ảnh hưởng của chúng trong chất lượng truyền. Ảnh hưởng của môi trường truyền đến chất lượng truyền và những chuẩn giao tiếp vật lý đã quy định nhằm nâng cao chất lượng truyền.

- Yêu cầu : Mỗi sinh viên khi đọc hiểu chương này phải tự mình đánh giá kiến thức của mình theo các vấn đề chính sau : Các loại tín hiệu đang được dùng trong mạng truyền số liệu hiện đại. Sự suy giảm và biến dạng của tín hiệu trên đường truyền phụ thuộc vào những yếu tố nào ? Môi trường truyền số liệu được phân loại như thế nào ? Các chuẩn giao tiếp vật lý được sử dụng hiện nay là những chuẩn gì ?

Chương 3 : Giao tiếp kết nối số liệu

- Các khái niệm cơ bản về truyền số liệu.
- Thông tin nối tiếp không đồng bộ
- Thông tin nối tiếp đồng bộ
- Mạch điều khiển truyền số liệu
- Các thiết bị điều khiển

- Mục đích : Giúp sinh viên hiểu rõ các khái niệm cơ bản về truyền số liệu, như các chế độ thông tin Đơn công (one way hay simplex), Bán song công (either way hay half-duplex), Song công hoàn toàn (both way hay full-duplex ). Cách thức truyền bất đồng bộ, trong đó các ký tự dữ liệu mã hoá thông tin được truyền đi tại những thời điểm khác nhau mà khoảng thời gian nối tiếp giữa hai kí tự không cần thiết phải là một giá trị cố định. Phương pháp truyền này thường được dùng khi truyền dạng dữ liệu phát sinh theo những khoảng thời gian ngẫu nhiên. Cách thức truyền bất đồng bộ,đó là cách thức truyền trong đó khoảng thời gian cho mỗi bit là như nhau, và trong hệ thống truyền ký tự khoảng thời gian từ bit cuối của ký tự này đến bit đầu của ký tự kế tiếp bằng không hoặc bằng bội số tổng thời gian cần thiết truyền hoàn chỉnh một ký tự.

Những vấn đề kiểm soát lỗi. Trong quá trình truyền luồng bit giữa hai DTE, rất thường xảy ra sai lạc thông tin, có nghĩa là mức tín hiệu tương ứng với bit 0 bị thay đổi làm cho máy thu dịch ra là bit 1 và ngược lại, đặc biệt khi có khoảng cách vật lí truyền khá xa ví dụ như dùng mạng PSTN để truyền.Vì thế, khi truyền số liệu giữa hai thiết bị cần có phương tiện phát hiện các lỗi có thể xảy ra và khi xảy ra lỗi nên có phương tiện sửa chữa chúng. Những vấn đề điều khiển luồng dữ liệu. Nếu số lượng dữ liệu truyền giữa hai thiết bị là nhỏ, thiết bị phát có thể truyền tất cả dữ liệu ngay đồng thời vì có máy thu có đủ tài nguyên để nhận dữ liệu. Tuy nhiên, trong nhiều tình huống truyền tín điều kiện này không thể có. Do đó chúng ta phải dùng một phương pháp điều khiển luồng dữ liệu để đảm bảo máy thu không bỏ qua bất ký phần dữ liệu nào do không đủ tài nguyên để lưu giữ.

Các giao thức liên kết. Về cơ bản, một giao thức là một tập hợp các tiêu chuẩn hay quy định phải tuân theo bởi cả hai đối tác ở hai dầu, nhằm đảm bảo thông tin đang trao đổi xuyên qua một liên kết số liệu nối tiếp được tiếp nhận và được biên dịch ra một cách chính xác. Bên cạnh kiểm soát lỗi và điều khiển luồng, giao thức liên kết số liệu cũng định nghĩa những chi tiết sau: Khuôn dạng của mẫu số liệu đang trao đổi, nghĩa là số bit trên một phần tử thông tin và dạng lược đồ mã báo đang được dùng. Dạng và thứ tự các thông điệp được trao đổi để đạt được độ tin cậy giữa hai đối tác truyền.

Các hình thức truyền :Truyền song song Truyền nối tiếp, Mã truyền (transmission code), Các đơn vị dữ liệu (data unit), Giao thức (protocol), Hoạt động kết nối, Đường nối và liên kết. cũng là những điều cần thiết mà sinh viên phải nắm được. Những vấn đề về đồng bộ bit, đồng bộ ký tự, Các nguyên tắc đồng bộ, Để thực hiện được các phương thức truyền một cách cụ thể, các nhà chế tạo đã cung cấp một loạt các IC chuyên dùng, các IC này chính là phần cứng vật lí trong một hệ thống thông tin, chúng hoạt động theo nguyên tắc của kỹ thuật số và vì vậy chế độ truyền đồng bộ hay bất đồng bộ phụ thuộc vào việc sử dụng đồng hồ chung hay riêng khi truyền tín hiệu số đi xa.

Các IC đều là các vi mạch có thể lập trình được. Đầu tiên lập trình chế độ hoạt động mong muốn bằng cách ghi một byte có nghĩa và thanh ghi chế độ mode register. Sau đó ghi tiếp byte điều khiển vào thanh ghi lệnh command register để vi mạch theo đó mà hoạt động. Giao tiếp truyền có thể lập trình UART 8250 cảu Intel National 8250 UART dùng với họ vi xử lý 8088/80x86 của Intel. Các thiết bị điều khiển. Có hai dạng thiết bị ghép kênh đó là : các bộ ghép kênh phân thời , và các bộ ghép kênh thống kê. Bộ ghép kênh phân thời phân phối cố định cho mỗi đầu cuối một phần khả năng truyền để cùng chia sẻ dường truyền tốc độ cao với các đầu cuối khác. Bộ ghép kênh thống kê chỉ phân phối khả năng truyền theo nhu cầu mang tính thống kê.

- Yêu cầu : Mỗi sinh viên khi đọc hiểu chương này phải tự mình đánh giá kiến thíc của mình theo các vấn đề chính sau : Các chế độ thông tin , các chế độ truyền. Những vấn đề kiểm soát lỗi, điều khiển luồng dữ liệu, các giao thức liên kết. Các nguyên tắc đồng bộ bit và đồng bộ ký tự. Các mạch điều khiển trong mạng truyền số liệu.

Chương 4 : Các giao thức điều khiển liên kết số liệu

- Tổng quan về điều khiển liên kết dữ liệu
- Các môi trường ứng dụng
- Các giao thức thiên hướng ký tự
- Các giao thức thiên hướng bit

- Mục đích : Giúp sinh viên hiểu rõ các khái niệm cơ bản về lớp điều khiển số liệu liên quan đến việc chuyển thông tin số liệu qua một lớp liên kết số liệu nối tiếp. Liên kết số liệu có thể là một kênh vật lý điểm-nối-điểm. Do đó lớp điều khiển liên kết số liệu là nền tảng hoạt động của tất cả các ứng dụng truyền số liệu và thường gọi tắt là lớp liên kết số liệu. Trong các ứng dụng điểm-nối-điểm đơn giản, lớp liên kết số liệu đóng vai trò là lớp ứng dụng trực tiếp. Trong các ứng dụng phức tạp hơn, chẳng hạn như các ứng dụng thông qua các mạng chuyển mạch, lớp liên kết số liệu cung cấp một dịch vụ xác định cho tập hợp các giao thức mức cao hơn.

Một vài môi trường ứng dụng được trình bày giúp sinh viên vận dụng các liên kết. Liên kết số liệu có thể là một kênh điểm-nối-điểm, nó có thể là một kết nối vật lý trực tiếp một kênh được thiết lập qua mạng điện thoại công cộng dùng modem, hoặc một liên kết vô tuyến như liên kết vi ba mặt đất hay liên kết vệ tinh. Liên kết số liệu hoạt động trên cơ sở đầu cuối đến đầu cuối và trong nhiều áp dụng như vậy, nó phục vụ cho ứng dụng một cách trực tiếp.

Loại giao thức liên kết số liệu được dùng tuỳ thuộc vào khoảng cách hai đầu cuối thông tin và tốc độ bit của liên kết. Đối với các liên kết tốc độ thấp như liên kết dùng modem, thì giao thức hướng ký tự idle RQ được dùng. Đối với các liên kết tốc độ cao hơn và đặc biệt là các liên kết có cự lý xa như liên kết vệ tinh hay các kênh xuyên qua các mạng ghép kênh tư nhân, một giao thức thuộc loại continuous được gọi là HDLC (High-Level Data link Control) được dùng. Đây là giao thức thiên hướng bit phù hợp với nhiều chế độ khác nhau.

Để điều khiển truy nhập vào môi trường truyền chia sẻ một cách bình đẳng, thường dùng một giao thức liên kết dữ liệu có tạo cầu nối. Các giao thức trước đây dùng cho các kiến trúc như vậy chủ yếu dựa vào sự phát triển của giao thức idle RQ thiên hướng ký tự được gọi là BSC (Binary Synchronous Control) hay bisync. Các giao thức thiên hướng ký tự bao gồm Các giao thức đơn công (simplex protocols), các giao thức bán song công, các giao thức song công hoàn toàn.

- Yêu cầu : Mỗi sinh viên khi đọc hiểu chương này phải tự mình đánh gía kiến thíc của mình theo các vấn đề chính sau : Lớp điều khiển số liệu liên quan đến việc chuyển thông tin số liệu qua một lớp liên kết số liệu nối tiếp. lớp liên kết số liệu cung cấp một dịch vụ xác định cho tập hợp các giao thức mức cao hơn. Liên kết số liệu hoạt động trên cơ sở đầu cuối đến đầu cuối và trong nhiều áp dụng như vậy, nó phục vụ cho ứng dụng một cách trực tiếp. Các giao thức liên kết. Loại giao thức liên kết số liệu được dùng tuỳ thuộc vào khoảng cách hai đầu cuối thông tin và tốc độ bit của liên kết. Đối với các liên kết tốc độ thấp như liên kết dùng modem, thì giao thức hướng ký tự idle RQ được dùng. Tất cả các giao thức liên kết số liệu mới đều là giao thức thiên hướng BIT.

Chương 5 : Xử lý số liệu truyền

- Mã hóa số liệu mức vật lý
- Phát hiện lỗi và sửa sai
- Mật mã hóa số liệu
- Nén số liệu
- Kỹ thuật truyền số liệu trong mạng máy tính cục bộ

- Mục đích : giúp sinh viên nhận thức được những kiến thức về số liệu được cung cấp từ máy tính hoặc các thiết bị đầu cuối số liệu thường ở dạng nhị phân đơn cực (unipolar)với các bit 0 và 1 được biểu diễn cùng mức điện áp âm hoặc dương. Tốc độ truyền dẫn của chúng được tính bằng số bit truyền trong một giây. Các số liệu này khi truyền đi sẽ được biến đổi sang dạng tín hiệu sẽ theo các kỹ thuật mã hóa khác nhau. Các tín hiệu này được đặc trưng bằng sự thay đổi mức điện, tốc độ truyền của chúng vì thế được xác định bằng tốc độ của sự thay đổi này, còn được gọi là tốc độ điều chế và được tính bằng Baud.

Mã hóa số liệu mức vật lý : giúp sinh viên hiểu được một số phương pháp mã hóa thông dụng, để so sánh các loại mã này người ta căn cứ vào các yếu tố như phổ tín hiệu, khả năng đồng bộ tín hiệu, khả năng phát hiện sai, khả năng chống nhiễu và giao thoa tín hiệu, độ phức tạp và khả thi. Phổ tần của tín hiệu sau khi mã hóa sẽ quyết định đến một số khía cạnh của việc truyền số liệu như độ rộng băng tần cần thiết, khả năng ghép nối với đường truyền liên quan đến tín hiệu có thành phần một chiều hay không, các loại mã phổ dụng hiên nay cũng như những đặc tính của chúng như : Mã lưỡng cực, Mã BNZS (Mã lưỡng cực với sự thay thế N số 0 ,) Mã lưỡng cực mật độ cao HDBN.

Phần phát hiện lỗi và sửa sai : cho ta thây Khi dữ liệu được truyền giữa 2 DTE, các tín hiệu điện đại diện luồng bit truyền rất dễ bị thay đổi sai số đó do nhiều nguyên nhân : đường dây truyền, lưu lượng truyền, loại mã đùng, loại điều chế, loại thiết bị phát, thiết bị thu, Đặc biệt là do sự thâm nhập điện từ cảm ứng lên các đường dây từ các thiết bị điện gần đó. Để chống sai khi truyền số liệu thường có 2 cách : Dùng bộ giải mã có khả năng tự sửa sai. Truyền lại một bộ phận của dữ liệu để thực hiện việc sửa sai, cách này gọi là ARQ - Automatic Repeat Request. Phương pháp thông dụng nhất được dùng để phát hiện lỗi của bit trong truyền không đồng bộ và truyền đồng bộ hướng ký tự là phương pháp parity bit. Khi truyền đi một khối thông tin, mỗi ký tự được truyền đi sẽ được kiểm tra tính chẵn lẻ theo chiều ngang, đồng thời cả khối thông tin này cũng được kiểm tra tính chẵn lẻ theo chiều dọc. Như vậy cứ sau một số byte nhất định thì một byte kiểm tra chẵn lẻ cũng được gửi đi. byte chẵn lẻ này được tạo ra bằng cách kiểm ta tính chẵn lẻ của khối ký tự theo cột. Dựa vào các bit kiểm tra ngang và dọc ta xác định được toạ độ của bit sai và sửa được bit sai này, phương pháp này được gọi là phương pháp kiểm tra theo ma trận. Ngoài ra phương pháp kiểm tra tín hiệu bằng mã vòng được thực hiện như sau : Tín hiệu cần phát đi trong khung gồm k bit sẽ được bên phát thêm vào n bit nữa để kiểm tra dược gọi là Frame Check Sequence (FCS). Như vậy tín hiệu phát đi bao gồm k+n bit. Bên thu khi nhận được tín hiệu nay sẽ đem chia cho một đa thức được gọi là đa thức sinh đã biết trước ( bên phát và bên thu đều cùng chọn đa thức này ). Nếu kết quả chia không dư coi như tín hiệu nhận được là đúng.

Phần mật mã số liệu : giới thiệu cho sinh viên một cách khái quát đường truyền số liệu trong một số trường hợp cần phải được bảo mật, thí dụ như quốc phòng, ngân hàng .v.v..Như vậy ngoài các biện pháp xử lý số liệu cần thiết để truyền thành công và hiệu quả,số liệu còn được mật mã hóa bằng phương pháp nào đó, theo một khóa mã nào đó mà chỉ máy phát và máy thu mới biết được. Quá trình mật mã hóa và giải mật thường được thực hiện ở mức liên kết số liệu (Data link). Tuy nhiên cũng có những vi mạch cỡ lớn chuyên thực hiện mật mã hóa và giải mật số liệu. Các chip này cho phép người sử dụng thay đổi các giải thuật mật mã phức tạp với rất nhiều khóa khác nhau để lựa chọn. Ngày nay mật mã hóa mức vật lý cũng được quan tâm nhiều, đặc biệt là mật mã hóa theo đường công nghệ, một số phương pháp lợi dụng công nghệ cao để tiến hành mật mã nó, thám mã muốn biết bản gốc phải đạt được trình độ công nghệ tương đương mới có thể thực hiện được.

Nén số liệu khi truyền : giúp chúng ta biết rằng nội dung thông tin truyền đi bao gồm dữ liệu gốc dưới dạng chuỗi ký tự có chiều dầi cố định. Cho dù đây là trường hợp của nhiều ứng dụng truyền số liệu, vẫn còn có những trường hộ khác, trong đó dữ liệu được nén trước khi truyền đi, nén dữ liệu là một việc làm thiết yếu trong các dịch vụ truyền dẫn công cộng, ví dụ truyền qua mạng PSTN, vì trong các mạng các mạng như vậy việc tính cước dựa vào thời gian và cự ly truyền. Ví dụ chúng ta truyền dữ liệu qua mạng PSTN dùng tốc độ 4800 bps, thời gian truyền hết dữ liệu là 20 phút. Rõ ràng nếu dùng nén dữ liệu chúng ta có thể giảm một nửa số lượng dữ liệu truyền, và có thể tiết kiệm 50% giá tiền. Điều này tương đương với việc dùng tốc độ truyền 9600 bps nhưng không nén. Trong thực tế chúng ta có thể dùng một loạt các giải thuật nén khác nhau, mỗi giải thuật sẽ phù hợp với một loại dữ liệu. Vài modem thông minh sẽ cung cấp đặc trung nén thích nghi tự động thực hiện các giải thuật nén phù hợp với loại dữ liệu đang được truyền.

Phần kỹ thuật truyền số liệu qua mạng máy tính cục bộ : tạo cho sinh viên nhận thức được các mạng số liệu cục bộ thường được gọi đơn giản là mạng cục bộ và gọi tắt là LAN. Chúng thường được dùng để liên kết các đầu cuối thông tin phân bố trong một tòa nhà hay một cụm công sở nào đó. Thí dụ có thể dùng LAN liên kết các máy trạm phân bố ở các văn phòng trong một cao ốc hay trong khuôn viên của trường đại học, cũng có thể liên kết các trang thiết bị mà nền tảng cấu tạo của chúng là máy tính phân bố xung quanh một nhà máy hay một bệnh viện. Vì tất cả các thiết bị đều được lắp đặt trong một phạm vi hep, nên các LAN thường được xây dựng và quản lý bởi một tổ chức nào đó. Chính vì lý do này mà các LAN được xem là các mạng dữ liệu tư nhân, điểm khác biệt chủ yếu giữa một đường truyền thông tin được thiết lập bằng LAN và một cầu nối được thực hiện thông qua mạng số liệu công cộng là một LAN thường cho tốc độ truyền số liệu nhanh hơn do đặc trưng phân cách về mặt địa lý và cự ly ngắn. Trong ngữ cảnh của mô hình tham chiếu OSI thì khác biệt này chỉ tự biểu lộ tại các lớp phụ thuộc mạng. Trong nhiều trường hợp các lớp giao thức cấp cao hơn trong mô hình tham chiếu giống nhau trong cả LAN và mạng số liệu công cộng. Có hai loại LAN hoàn toàn khác nhau : LAN nối dây () và LAN không dây (wireless LAN) như bao hàm trong tên của từng loại , LAN nối dây dùng các dây nối cố định thực như cáp xoán, cáp đồng trục để làm môi trường truyền dẫn trong khi đó các LAN không dây dùng sóng vô tuyến hay sóng ánh sáng đeer làm môi trường truyền dẫn, cách tiếp cận với hai loại là khác nhau.

- Yêu cầu : Mỗi sinh viên khi đọc hiểu chương này phải tự mình đánh gía kiến thíc của mình theo các vấn đề chính sau : Mã hóa số liệu mức vật lý là thế nào ? Nguyên nhân lỗi khi truyền số liệu trên đường truyền các phương pháp phát hiện lỗi và khắc phục. Mật mã hóa số liệu mục đích và biện pháp tiến hành. Nén số liệu mục đích và biện pháp tiến hành. Mạng cục bộ phân loại và kỹ thuật truyền số liệu trên mạng cục bộ.