Kiến trúc máy tính - Chương 7: Công nghệ truyền thông và mạng

Kiến trúc máy tính Chương 7 Công nghệ truyền thông và mạng 2Kiến trúc máy tính Mục tiêu • Giải thích về các giao thức truyền thông • Mô tả tín hiệu và phương tiện dùng để truyền tải các tín hiệu số • So sánh và đối chiếu các phương thức giải mã và truyền tải dữ liệu sử dụng tín hiệu số và tương tự • Mô tả các phương thức sử dụng kênh truyền thông hiệu quả • Mô tả phương thức bảo vệ và sửa chữa các lỗi truyền dữ liệu 3Kiến trúc máy tính Hình 8.1 Mục đích của chương Truyền thông ngoài Các giao thức truyền thông Mã hoá và truyền bit Phương tiện truyền thông Tổ chức kênh truyền Đồng bộ clock Phát hiện và sửa lỗi Phần mềm Truyền thông ngoài Lưu trữ Xử lý Truyền thông bên trong M ạ n g 4Kiến trúc máy tính Các giao thức truyền thông • Các quy định và quy ước đối với truyền thông – Nội dung và định dạng của thông báo – Mã hóa bit – Truyền tín hiệu – Phương thức truyền – Tổ chức kênh 5Kiến trúc máy tính Các giao thức truyền thông • Bao gồm quy trình phối hợp luồng dữ liệu – Phương tiện truy cập – Đồng bộ hóa clock – Phát hiện và sửa lỗi 6Kiến trúc máy tính Hình 8-2 Các thành phần trong giao thức truyền thông Giao thức truyền thông Nội dung Dữ liệu Lệnh thực hiện Truyền tin Phương tiện Mã hoá Bit Truyền bit Tổ chức kênh Đơn/Song (kép) Nối tiếp/ song song Chia sẻ kênh Phối hợp Đồng bộ clock Phát hiện và sửa lỗi 7Kiến trúc máy tính Mã hóa và truyền thông bit • Sóng mang • Cách thức module hóa • Bit dữ liệu có thể được mã hóa thành các tín hiệu số hoặc tương tự • Các tín hiệu – Điện, quang, sóng radio – Công suất và chịu lỗi 8Kiến trúc máy tính Sóng mang • Một sóng hình sin có các bit được mã hóa (truyền các bit từ nơi này sang nơi khác) • Các đặc tính của sóng hình sin: cường độ, pha, và tần số • Tầm quan trọng của sóng trong truyền thông – Có thể truyền thông trong không gian, dây dẫn, cáp quang – Có thể có các mô hình đã được mã hóa bên trong 9Kiến trúc máy tính Hình 8-3 Đặc điểm của sóng hình Sin +A -A 0 Biên độ Chu kỳ T0 T1 T2 T3 T4 10Kiến trúc máy tính Phương thức module hóa • Công nghệ được sử dụng để mã hóa các bit trong sóng hình sin – Điều biến tần số (FM) – Điều biến biên độ (AM) – Điều biến dịch pha – Mã hóa đa cấp 11Kiến trúc máy tính Điều biến biên độ (AM) biểu diễn giá trị bit như biên độ sóng cụ thể. Hình 8-6 Dòng bit 11010001 được mã hoá vào sóng mang sử dụng AM Thời gian T 12Kiến trúc máy tính Điều biến tần số (FM) biểu diễn giá trị bit bởi một loạt các tần số sóng mang trong khi biên độ không thay đổi. Hình 8-7 Dòng bit 11010001 được mã hoá vào sóng mang sử dụng FM Thời gian T 13Kiến trúc máy tính Điều biến dịch pha tạo nên sự dịch chuyển đột ngột trong pha tín hiệu mà có thể được tìm thấy và dịch thành dữ liệu. Hình 8-8 Dòng bit 11010001 được mã hoá vào sóng mang sử dụng điều biến dịch pha Thời gian T 14Kiến trúc máy tính Mã hóa đa cấp gộp nhiều giá trị bit vào trong một đặc tính sóng đơn lẻ. Hình 8-8 Dòng bit 11010001 được mã hoá vào sóng mang sử dụng AM đa cấp gộp Thời gian T 15Kiến trúc máy tính Tín hiệu tương tự • Sử dụng một loạt các đặc tính sóng mang để mã hóa dữ liệu có giá trị liên tục • Có thể đại diện cho bất cứ giá trị dữ liệu nào trong tính liên tục của giá trị 16Kiến trúc máy tính Tín hiệu số • Có khả năng chứa một số giá trị có thể xác định • Điều biến mã xung (PCM) – Dữ liệu nhị phân truyền qua các sóng vuông – Sóng vuông chỉ thích hợp với khoảng cách ngắn 17Kiến trúc máy tính Hình 8-10 Dòng bit 11010001 được mã hoá vào sóng vuông (xung) Thời gian T 18Kiến trúc máy tính Một lược đồ tín hiệu số xác định một loạt những giá trị đặc tính sóng đại diện cho mỗi giá trị bit. Hình 8-11 Sử dụng mức điện áp để biểu diễn giá trị nhị phân Mức điện áp trong khoảng này biểu diễn giá trị 0 Mức điện áp trong khoảng này biểu diễn giá trị 1 0(V) Ngưỡng 2.5 (V) 5(V) 19Kiến trúc máy tính Công suất và lỗi tín hiệu • So sánh tín hiệu tương tự và tín hiệu số – Mang nhiều thông tin hơn – Có nhiều ảnh hưởng làm cho truyền lỗi 20Kiến trúc máy tính Hình 8-12 Giới hạn của lỗi truyền (điện áp tăng hoặc giảm) trước khi dữ liệu mã hoá trong tín hiện nhị phân được thay đổi Giới hạn lỗi (điện áp tăng trước khi giá trị thay đổi Giới hạn lỗi (điện áp giảm trước khi giá trị thay đổi 0(v) 5(v) Ngưỡng 2.5(v) 21Kiến trúc máy tính Truyền tải đa phương tiện • Đường truyền thông truyền tải các tín hiệu (như dây đồng, cáp quang) • Các đặc điểm – Tốc độ truyền dữ liệu thô (tốc độ và dung lượng) – Dải sóng – Dễ bị nhiễu, méo, tác động từ phía ngoài, và yếu đi 22Kiến trúc máy tính Một kênh truyền thông bao gồm một thiết bị gửi, một thiết bị nhận và một phương tiện truyền tải liên kết chúng với nhau. Hình 8-13 Các thành phần của kênh truyền Kênh truyền Phương tiện truyền Máy gửi Máy nhận 23Kiến trúc máy tính Tốc độ và dung lượng • Phụ thuộc lẫn nhau; được miêu tả chung như tỉ lệ truyền dữ liệu (hiệu quả và thô) • Các nhân tố tính đến sự khác biệt về tốc độ truyền tải đa phương tiện – Độ dài – Cách thức mà các phân đoạn đa phương tiện được liên kết với nhau – Tỉ lệ các bit được mã hóa trong tín hiệu và được người nhận thừa nhận 24Kiến trúc máy tính Tần số và dải sóng • Tần số sóng mang – Phương thức cơ bản của dung lượng dữ liệu mang (như dung lượng giới hạn) • Dải sóng – Sự khác biệt giữa tần số tối đa và tối thiểu của tín hiệu – Các kênh dải sóng cao có thể mang nhiều thông báo cùng một lúc 25Kiến trúc máy tính Một dãy liên tiếp các sóng điện từ; và các thuật ngữ miêu tả tập con của dãy Hình 8-15 Phổ tần số điện từ (101 – 1019 Hz Tia X Tia cực tím Tia sáng thường Tia hồng ngoại Sóng vô tuyến ngắn Sóng vô tuyến dài Sóng viba vệ tinh Điện thoại Sóng FM radio và TV Sóng radio AM 26Kiến trúc máy tính Công nghệMODEM gửi tín hiệu số qua kênh điện thoại bằng cách mã hóa chúng trong một sóng mang tương tự. Tốc độ hiện tại là 56,000 bps. Hình 8-2 Tần số tương ứng với truyền dự liệu trên đường điện thoại ở tốc độ 300-bps Kiểu Tần số Giá trị nhị phân Truyền Truyền Nhận Nhận 27Kiến trúc máy tính Tỷ lệ tín hiệu nhiễu (S/N) • Tiêu chuẩn khác biệt giữa nguồn nhiễu và nguồn tín hiệu • Tốc độ chuyển đổi dữ liệu hiệu quả có thể thấp hơn nhiều so với dữ liệu thô – Nhiễu điện từ (EMI) – Yếu – Méo – Nhiễu bên trong và bên ngoài 28Kiến trúc máy tính Tỷ lệ tín hiệu nhiễu chấp nhận được với khoảng cách 5km Hình 8-16 Tỷ lệ nhiễu - biểu diễn bởi một hàm số theo khoảng cách ứng với một kênh giả định Biên độ (Decibel) Biên độ tín hiệu(Decibel) Biên độ nhiễu(Decibel) 30dB tỷ lệ nhiễu 29Kiến trúc máy tính Cáp điện • Truyền tải tín hiệu qua dây cáp đồng • Có hai loại – Cặp dây xoắn • Tương đối rẻ; hạn chế dải sóng, tỷ lệ nhiễu, và tốc độ truyền – Trục (đồng trục và trục đôi) • Đắt hơn, dải sóng lớn hơn, tỷ lệ tín hiệu nhiễu lớn hơn, ít méo và có khả năng chống nhiễu từ 30Kiến trúc máy tính Cáp quang • Cung cấp dải sóng rất cao, ít sinh nhiễu và méo hơn và có khả năng chống nhiễu • Yêu cầu tần số và phát tuần hoàn để trong khoảng cách xa tín hiệu khỏe, loại bỏ nhiễu và méo • Hai loại – Đa chế độ – Chế độ đơn (tốc độ truyền lớn hơn với chi phí lớn hơn) 31Kiến trúc máy tính Truyền tải không dây • Sử dụng sóng radio ngắn hoặc sóng hồng ngoại để truyền dữ liệu xuyên qua khí quyển hoặc không gian • Ưu điểm – Dải sóng tương đối cao, tránh cơ sở hạ tầng dùng dây dẫn, truyền tải liên tục • Nhược điểm – Dễ bị tác động từ bên ngoài, chi phí cao đòi hỏi có nhiều tần số radio không sử dụng, dễ bị nghe trộm 32Kiến trúc máy tính Tổ chức kênh • Vấn đề cấu hình và tổ chức – Số lượng dây truyền tải hoặc dải tần ấn định cho mỗi kênh – Ấn định các dây dẫn hoặc tần số để mang các tín hiệu cụ thể – Từ đó chia sẻ hoặc không có các kênh giữa nhiều người gửi và người nhận • Ba loại: đơn, bán đôi, đủ đôi 33Kiến trúc máy tính Tổ chức kênh Sử dụng hai cặp cáp quang hoặc dây dẫn để hỗ trợ truyền tải ở cả hai hướng Đủ đôi Cũng giống như kênh đơn nhưng gửi tín hiệu điều khiển để đổi hướng truyền Bán đôi Sử dụng cáp quang hoặc dây bằng đồng để truyền tải dữ liệu theo một hướng duy nhất Đơn 34Kiến trúc máy tính Hình 8-20 Cấu hình trong truyền dữ liệu: đơn (a), bán đôi (b), đủ đôi (c) Máy gửi Máy gửi Máy gửi Máy gửi Máy nhận Máy nhận Máy nhận Máy nhận Gói tin Xác nhận Xác nhận Gói tin Gói tin Hồi đáp Xác nhận Hồi đáp Đường truyền Tín hiệu số Tín hiệu số Đường truyền Đường truyền Đường truyền Đường truyền Đường truyền Đường truyền Đường truyền thông thường Dây nối vòng Dây nối vòng 35Kiến trúc máy tính Truyền tải song song và nối tiếp • Sử dụng dây đơn để gửi một bit một lần • Độ tin cậy cao với các khoảng cách lớn • Rẻ hơn khi ứng dụng, sử dụng ít kênh dây và không dây • Sử dụng nhiều đường dây để gửi nhiều bit liên tục • Khoảng cách càng dài thì độ tin cậy càng giảm do bị lệch và nhiễu xuyên âm • Cung cấp dung lượng kênh cao hơn • Tương đối đắt Nối tiếpSong song 36Kiến trúc máy tính Hình 8-21 Truyền song song 1 byte Bit dữ liệu Thiết bị truyền Thiết bị nhận Truyền xác nhận 37Kiến trúc máy tính Truyền xác nhận Truyền nối tiếp Hình 8-22 Truyền nối tiếp 1 byte Thiết bị truyền Thiết bị nhận 38Kiến trúc máy tính Chia sẻ kênh • Sử dụng dung lượng sẵn có bằng cách kết hợp giao thông của nhiều người sử dụng • Để sử dụng khi không một cá nhân hay ứng dụng nào cần cung cấp dung lượng dữ liệu chuyển đổi liên tục • Các công nghệ – Chuyển mạch – Chuyển gói – Phân chia nhiều tần số 39Kiến trúc máy tính Công nghệ chia sẻ kênh • Phân chia một kênh dải rộng thành nhiều kênh dải cơ sở (như truyền hình cáp) Phân chia nhiều tần số • Phân phối thời gian trong kênh bằng cách chia nhiều luồng thông báo thành những đơn vị nhỏ hơn (gói) và trộn chúng trong quá trình truyền tải Chuyển gói • Phân phối toàn bộ kênh tới một cá nhân cho một quá trình hoạt động chuyển đổi dữ liệu • Chỉ được sử dụng khi hoãn chuyển đổi dữ liệu và dung lượng chuyển đổi dữ liệu sẵn có chính xác và nằm trong giới hạn dự đoán được (như dịch vụ điện thoại) Chuyển mạch 40Kiến trúc máy tính Chuyển mạch gói: gói được gửi đến nơi đến khi dung lượng kênh có sẵn. Hình 8-24 chuyển mạch gói- thường được dùng trong dồn kênh phân thời gian Kênh chung Gói tin Thông tin Thông tin Thông tin Thông tin Điểm truyền Bộ dồn kênh Bộ phân kênh 41Kiến trúc máy tính FDM: Các tín hiệu được chuyển đến một kênh phụ tại một tần số cố định hoặc tần số hẹp. Hình 8-25 Chia sẻ kênh truyền bằng FDM Điểm truyền Kênh chung Các tần số Bộ dồn kênh Bộ phân kênh Thông tin Thông tin Thông tin Thông tin 42Kiến trúc máy tính Đồng bộ clock • Đảm bảo người nhận và người gửi sử dụng cùng một thời điểm và giới hạn để mã hóa/giải mã giá trị bit • Truyền không đồng bộ – Dựa vào tín hiệu khởi đầu và tín hiệu kết thúc ám chỉ sự bắt đầu và kết thúc của một đơn vị thông • Truyền đồng bộ – Đảm bảo đồng hồ của người gửi/nhận là luôn luôn đồng bộ bởi việc gửi các luồng dữ liệu liên tục 43Kiến trúc máy tính Bit ranh giới thời gian là thẳng hàng; người nhận không thể dịch được một vài bit chính xác vì chúng có hai cấp độ tín hiệu khác nhau. Hình 8-28 Các lỗi truyền thông – không đồng bộ Xung đồng hồ máy gửi Xung đồng hồ máy nhận 44Kiến trúc máy tính Truyền đồng bộ: thông báo được truyền tải trong một nhóm byte có kích thước cố định được gọi là khối. Hình 8-29 Định dạng chuẩn của gói tin truyền - sử dụng kỹ thuật đóng khung ký tự đồng bộ Ký tự đồng bộ còn lại Ký tự đồng bộ còn lại Khối truyền đồng bộ Cờ bắt đầu Địa chỉ và dữ liệu định tuyến Nội dung Kiểm tra lỗi Cờ bắt đầu 45Kiến trúc máy tính Truyền không đồng bộ nối vào một hay nhiều bit khởi đầu khi bắt đầu mỗi thông báo. Hình 8-30 Gói ký tự không đồng bộ ứng với truyền nối tiếp Tính hiệu điện Điện áp cao Điện áp thấp Thời gian Giá trị 46Kiến trúc máy tính Phát hiện và sửa lỗi • Phát hiện lỗi – Căn cứ vào khuôn dạng truyền thừa thông tin – Sự dư thừa tăng thêm thì tăng thêm khả năng phát hiện lỗi với chi phí bằng khoản phí tổn dành cho giảm số lượng vật liệu • Phương thức phát hiện lỗi thông thường – Kiểm tra chẵn lẻ – Kiểm tra khối – Kiểm tra lặp dư thừa 47Kiến trúc máy tính Tính đa dạng của phát hiện và sửa lỗi • Kích cỡ và nội dung của thông tin thừa • Việc sử dụng hiệu quả kênh truyền thông • Khả năng một lỗi được phát hiện • Khả năng một thông báo không có lỗi bị xác định là có lỗi • Sự phức tạp của phương thức phát hiện lỗi 48Kiến trúc máy tính Kiểm tra chẵn lẻ • Hay còn được gọi là kiểm tra dư thừa theo chiều dọc • Có thể kiểm tra số lượng bít chẵn lẻ • Có tỷ lệ lỗi loại 1 cao • Các vấn đề tin cậy – Không tin cậy đối với những kênh gắn với những lỗi gây ra do các bit liền kề – Đáng tin cậy hơn trong kênh với những lỗi hiếm gặp mà thông thường được hạn chế bởi khoảng trống lớn giữa các bit 49Kiến trúc máy tính Hình 8-31 Bit chẵn lẽ mẫu Bit dữ liệu Bit chẵn lẻ Phương pháp Chẵn Chẵn Lẻ Lẻ 50Kiến trúc máy tính Kiểm tra khối • Cũng được gọi là sự kiểm tra dư thừa dọc (LRC) • Thiết bị gửi số đếm các bit giá trị 1 có vị trí trong khối • Người gửi kết hợp bit chẵn lẻ cho mỗi vị trí vào trong đặc tính khối (BCC) và áp dụng cho đến cuối khối • Người nhận đếm các bit giá trị 1 trong mỗi vị trí và tìm thấy ở BCC của chính mình để so sánh với cái được truyền đến từ người gửi 51Kiến trúc máy tính Một bit chẵn parity được tính cho mỗi vị trí của khối 8 byte. Tập hợp các bit parity từ một BCC được nối thêm vào khối cho việc dò tìm lỗi. Hình 8-32 Kiểm tra khối dữ liệu (Kiểm tra dư thừa) Khối dữ liệu Vị trí Bit Ký tự kiểm tra khối dữ liệu 52Kiến trúc máy tính Kiểm tra vòng (CRC) • Sử dụng rộng rãi công nghệ dò tìm lỗi • Tạo một BCC thông thường nhiều hơn 8 bit dài và có thể lên đến 128 bit • Tỷ lệ lỗi loại 1 và loại 2 thấp hơn kiểm tra parity và kiểm tra LRC 53Kiến trúc máy tính Tóm tắt • Các giao thức truyền thông • Làm thế nào các bit được biểu diễn và được truyền trong hệ thống máy tính và các thành phần phần cứng • Sự truyền đa phương tiện • Tổ chức kênh • Đồng bộ clock • Phát hiện và sửa lỗi của dữ liệu truyền, sự tiếp nhận hoặc sự thể hiện