Chương 3: Tầng vật lý
Bài 1. Giới thiệu
Về cơ bản, một hệ thống mạng truyền dữ liệu đơn giản nhất được mô tả như sau:
Trong mô hình trên, dữ liệu gồm có văn bản, hình ảnh, âm thanh, phim ảnh cần được số hóa dưới dạng nhị phân (bit 0, 1) để dễ dàng cho xử lý và truyền tải. Thiết bị truyền được nối với thiết bị nhận bằng một đường truyền hữu tuyến hoặc vô tuyến. H3.1 Hệ thống truyền dữ liệu đơn giản Truyền tin là quá trình thiết bị truyền gởi đi lần lượt các bit của dữ liệu lên kênh truyền để nó lan truyền sang thiết bị nhận và như thế là dữ liệu đã được truyền đi. Các thiết bị truyền và nhận là các máy tính. Để cho hệ thống này có thể hoạt động được thì các vấn đề sau cần phải được xem xét:
Cách thức mã hóa thông tin thành dữ liệu số.
Các loại kênh truyền dẫn có thể sử dụng để truyền tin.
Sơ đồ nối kết các thiết bị truyền và nhận lại với nhau.
Cách thức truyền tải các bit từ thiết bị truyền sang thiết bị nhận.
Hệ thống trên là hệ thống cơ bản nhất cho các hệ thống truyền dữ liệu. Nó thực hiện đầy đủ các chức năng mà tầng vật lý trong mô hình OSI qui định.
Bài 2: Vấn đề số hoá thông tin
Thông tin tồn tại dưới nhiều hình thức khác nhau. Để xử lý, mà đặc biệt để truyền tải thông tin ta cần phải mã hóa chúng.
| Thông tin | Hệ thống | Bộ mã hoá | Bộ giải mã | Truyền tải |
|---|---|---|---|---|
| Lời nói | điện thoại | micro | loa | tín hiệu tuần tự hay tín hiệu số |
| Ảnh tĩnh | fax | scanner | bộ thông dịch tập tin | tín hiệu tuần tự hoặc tín hiệu số |
| Dữ liệu tin học | mạng truyền tin | bộ điều khiển truyền thông | bộ điều khiển truyền thông | tín hiệu tuần tự hoặc tín hiệu số |
| Truyền hình | truyền quảng bá | camera | bộ thu TV + antene | Tín hiệu tuấn tự hoặc tín hiểu số |
Trong thời đại chúng ta, thông tin thường được thể hiện dưới dạng các trang tài liệu hỗn hợp, như các trang web, mà ở đó đồng thời có thể thể hiện văn bản, hình ảnh tĩnh, hình ảnh động, phim ảnh,.... Thông tin thực tế được thể hiện dưới dạng đa phương tiện. Mỗi một loại thông tin sở hữu hệ thống mã hóa riêng, nhưng kết quả thì giống nhau: một chuỗi các số 0 và 1. Việc truyền tải thông tin bao gồm việc truyền tải các bit này. Mô hình mã hóa như sau:
1. Số hoá văn bản
Hệ thống mã hóa đầu tiên liên quan đến văn bản là hệ thống mã Morse, được sử dụng rộng rãi trước khi có máy tính. Đây là một bộ mã nhị phân sử dụng 2 ký tự chấm (.) và gạch (-) để số hóa văn bản (có thể xem tương đương với các bit 0 và 1).
Tuy nhiên nó có nhiều điểm bất lợi sau:
Nghèo nàn: ít các ký tự được mã hóa;
Nó sử dụng sự phối hợp của các dấu gạch và dấu chấm với độ dài khác nhau, điều này không được tiện lợi đặc biệt cho các ký tự ctần suất xuất hiện giống nhau.
Chính vì thế nó không được dùng để số hóa thông tin. Nếu chúng ta qui định rằng số bit dùng để mã hóa cho một ký tự phải bằng nhau thì với p bit ta có thể mã hóa cho 2p ký tự. Hệ thống mã hóa như thế đã được dùng trong quá khứ.
2.Số hoá hình ảnh tĩnh
Ảnh số thật sự là một ảnh được vẽ nên từ các đường thẳng và mỗi đường thẳng được xây dựng bằng các điểm. Một ảnh theo chuẩn VGA với độ phân giải 640x480 có nghĩa là một ma trận gồm 480 đường ngang và mỗi đường gồm 640 điểm ảnh (pixel).
3.Số hoá âm thanh và phim ảnh
Dữ liệu kiểu âm thanh và phim ảnh thuộc kiểu tín hiệu tuần tự. Các tín hiệu tuần tự được số hóa theo cách thức sau đây:
B1-Lấy mẫu : Tín hiệu được lấy mẫu: với tần số f, ta đo biên độ của tín hiệu, như thế ta được một loạt các số đo.
B2-Lượng hoá : Ta xác định một thang đo với các giá trị là lũy thừa của 2 ( 2ᵖ ) và thực hiện việc lấy tương ứng các số đo vào giá trị thanh đo.
B3-Mã hoá : Mỗi một giá trị sau đó được mã hóa thành các giá trị nhị phân và đặt vào trong các tập tin. 011001100110111110101110110010......
Dung lượng tập tin nhận được phụ thuộc hoàn toàn vào tần số lấy mẫu f và số lượng bit dùng để mã hóa giá trị thang đo p ( chiều dài mã cho mỗi giá trị).
Bài 3: Các loại kênh truyền
1.Kênh truyền hữu tuyến
Cáp thuộc loại kênh truyền hữu tuyến được sử dụng để nối máy tính và các thành phần mạng lại với nhau. Hiện nay có 3 loại cáp được sử dụng phổ biến là: Cáp xoắn đôi (twisted pair), cáp đồng trục (coax) và cáp quang (fiber optic). Việc chọn lựa loại cáp sử dụng cho mạng tùy thuộc vào nhiều yếu tố như: giá thành, khoảng cách, số lượng máy tính, tốc độ yêu cầu, băng thông
Cáp xoắn đôi
Cáp xoắn đôi có hai loại: Có vỏ bọc (Shielded Twisted Pair) và không có vỏ bọc (Unshielded Twisted Pair). Cáp xoán đôi có vỏ bọc sử dụng một vỏ bọc đặc biệt quấn xung quanh dây dẫn có tác dụng chống nhiễu. Cáp xoán đôi trở thành loại cáp mạng được sử dụng nhiều nhất hiện nay. Nó hỗ trợ hầu hết các khoảng tốc độ và các cấu hình mạng khác nhau và được hỗ trợ bởi hầu hết các nhà sản xuất thiết bị mạng.
Các đặc tính của cáp xoán đôi là:
Được sử dụng trong mạng token ring (cáp loại 4 tốc độ 16MBps), chuẩn mạng Ethernet 10BaseT (Tốc độ 10MBps), hay chuẩn mạng 100BaseT ( tốc độ 100Mbps)
Giá cả chấp nhận được.
UTP thường được sử dụng bên trong các tòa nhà vì nó ít có khả năng chống nhiễu hơn so với STP.
Cáp loại 2 có tốc độ đạt đến 1Mbps (cáp điện thoại) .
Cáp loại 3 có tốc độ đạt đến 10Mbps (Dùng trong mạng Ethernet 10BaseT) (Hình a)
Cáp loại 5 có tốc độ đạt đến 100MBps (dùng trong mạng 10BaseT và 100BaseT) (Hình b)
Cáp loại 5E và loại 6 có tốc độ đạt đến 1000 MBps (dùng trong mạng 1000 BaseT)
Cáp đồng trục
Cáp đồng trục là loại cáp được chọn lựa cho các mạng nhỏ ít người dùng, giá thành thấp. Có cáp đồng trục gầy (thin coaxial cable) và cáp đồng trục béo (thick coaxial cable)
Cáp đồng trục gầy, ký hiệu RG-58AU, được dùng trong chuẩn mạng Ethernet 10Base2.
Cáp đồng trục béo, ký hiệu RG-11, được dùng trong chuẩn mạng 10Base5 Các loại đầu nối được sử dụng với cáp đồng trục gầy là đầu nối chữ T (T connector), đầu nối BNC và thiết bị đầu cuối (Terminator)
Cáp quang
Cáp quang truyền tải các sóng điện từ dưới dạng ánh sáng. Thực tế, sự xuất hiện của một sóng ánh sáng tương ứng với bit “1”và sự mất ánh sáng tương ứng với bit “0”. Các tín hiệu điện tử được chuyển sang tín hiệu ánh sáng bởi bộ phát, sau đó các tín hiệu ánh sáng sẽ được chuyển thành các sung điện tử bởi bộ nhận. Nguồn phát quang có thể là các đèn LED (Light Emitting Diode) cổ điển, hay các diod laser. Bộ dò ánh sáng có thể là các tế bào quang điện truyền thống hay các tế bào quang điện dạng khối.
Sự lan truyền tín hiệu được thực hiện bởi sự phản xạ trên bề mặt. Thực tế, tồn tại 3 loại cáp quang
Chế độ đơn: một tia sáng trên đường truyền tải
Hai chế độ còn lại gọi là chế độ đa: nhiều tia sáng cùng được truyền song song nhau
Trong chế độ đơn, chiết suất n2 > n1. Tia laser có bước sóng từ 5 đến 8 micromètres được tập trung về một hướng. Các sợi loại này cho phép tốc độ bit cao nhưng khó xử lý và phức tạp trong các thao tác nối kết.
Chế độ đa không thẩm thấu
Các tia sáng di chuyển bằng cách phản xạ giữa bề mặt của 2 môi trường có chiết suất khác nhau (n2>n1) và mất nhiều thời gian hơn để các sóng di chuyển so với chế độ đơn. Độ suy giảm đường truyền từ 30 dB/km đối với các loại cáp thủy tinh và từ 100 dB/km đối với loại cáp bằng chất dẽo.
Chế độ đa bị thẩm thấu
Chiết suất tăng dần từ trung tâm về vỏ của ống. Vì thế sự phản xạ trong trường hợp này thì rất nhẹ nhàng. Từ cách đây nhiều năm người ta có thể thực hiện đa hợp trên cùng một sợi quang nhiều thông tin bằng cách dùng các sóng có độ dài khác nhau. Kỹ thuật này được gọi là WDM (Wavelength Division Multiplexing).
2. Kênh vô tuyến
Kênh truyền vô tuyến thì thật sự tiện lợi cho tất cả chúng ta, đặc biệt ở những địa hình mà kênh truyền hữu tuyến không thể thực hiện được hoặc phải tốn nhiều chi phí (rừng rậm, hải đảo, miền núi). Kênh truyền vô tuyến truyền tải thông tin ở tốc độ ánh sáng
Gọi :
c là tốc độ ánh sáng,
f là tần số của tín hiệu sóng
λ là độ dài sóng. Khi đó ta có
c=λ.f
Tín hiệu có độ dài sóng càng lớn thì khoảng cách truyền càng xa mà không bị suy giảm, ngược lại những tín hiệu có tần số càng cao thì có độ phát tán càng thấp. Hình H3.15 mô tả phổ của sóng điện tử được dùng cho truyền dữ liệu. Khoảng tần số càng cao càng truyền tải được nhiều thông tin.
Bài 4: Đặc điểm kênh truyền
Phương tiện thường được dùng để truyền tải dữ liệu ( các bits 0,1) từ thiết bị truyền đến thiết bị nhận trên một kênh truyền nhận vật lý là các tín hiệu tuần tự hay tín hiệu số.
Tín hiệu tuần tự : được biểu diễn bằng một độ lớn vật lý thay đổi một cách liên tục
Tín hiệu số : được biểu diễn bởi một độ lớn vật lý với một vài giá trị xác định riêng rời
1.Truyền tín hiệu sóng dạng hình sin
Sóng dạng hình sin, không kết thúc hoặc suy giảm sau một khoảng thời gian là dạng tín hiệu tuần tự đơn giản nhất, dễ dàng tạo ra được. Hơn thế nó còn đặc biệt được chú ý đến bởi yếu tố sau: bất kỳ một dạng tín hiệu nào cũng có thể được biểu diễn lại bằng các sóng hình sin. Yếu tố này được rút ra từ một nghiên cứu cụ thể nó cho phép chúng ta có thể định nghĩa một vài đặc điểm của kênh truyền vật lý. Xem xét một kênh truyền, giả sử rằng các điểm nối kết là trực tiếp, không có ngắt quảng, được hình thành từ hai sợi kim loại. Một đoạn của kênh truyền được xem như một đèn 4 cực gồm một điện trở R và một tụ điện C.
2.Truyền tín hiệu bất kỳ
3.Băng thông kênh truyền
4.Nhiễu và khả năng kênh truyền
5.Giao thông
Bài 5: Mã hoá đường truyền
Sau khi số hóa thông tin, vấn đề chúng ta phải quan tâm kế tiếp là cách truyền tải các bit “0” và “1”. Ta có thể sử dụng tín hiệu số hoặc tín hiệu tuần tự để truyền tải các bit “0”, “1”. Công việc này còn được gọi là mã hóa đường truyền (line coding).
1.Mã hoá đường truyền bằng tín hiệu tần số
Trong phương pháp này ta sử dụng một tín hiệu số cho bit “0” và một tín hiệu số khác cho bit “1”. Có nhiều cách thức để thực hiện điều này. Một số phương pháp mã hóa phổ biến như: