Bài giảng Kỹ thuật truyền số liệu - Chương 4 Các kỹ thuật truyền dữ liệu số

BK TP.HCM 2008 dce Chương 4 Các kỹ thuật truyền dữ liệu số ¾ Truyền bất đồng bộ và truyền đồng bộ ¾Các loại lỗi ¾Phát hiện lỗi ¾Sửa lỗi ¾Cấu hình đường truyền ¾Giao tiếp 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 2Data Communication and Computer Networks Truyền dữ liệu song song • Mỗi bit dùng một đường truyền riêng. Nếu có 8 bits được truyền đồng thời sẽ yêu cầu 8 đường truyền độc lập • Để truyền dữ liệu trên một đường truyền song song, một kênh truyền riêng được dùng để thông báo cho bên nhận biết khi nào dữ liệu có sẵn (clock signal) • Cần thêm một kênh truyền khác để bên nhận báo cho bên gởi biết là đã sẵn sàng để nhận dữ liệu kế tiếp 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 3Data Communication and Computer Networks Truyền dữ liệu tuần tự • Tất cả các bit đều được truyền trên cùng một đường truyền, bit này tiếp theo sau bit kia • Không cần các đường truyền riêng cho tín hiệu đồng bộ và tín hiệu bắt tay (các tín hiệu này được mã hóa vào dữ liệu truyền đi) • Vấn đề định thời (timing) đòi hỏi phải có cơ chế đồng bộ giữa bên truyền và bên nhận • 2 cách giải quyết – Bất đồng bộ: mỗi ký tự được đồng bộ bởi start và stop bit – Đồng bộ: mỗi khối ký tự được đồng bộ dùng cờ 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 4Data Communication and Computer Networks Truyền bất đồng bộ • Dữ liệu được truyền theo từng ký tự để tránh việc mất đồng bộ khi nhận được chuỗi bit quá dài – 5 → 8 bits – Chỉ cần giữ đồng bộ trong một ký tự – Tái đồng bộ cho mỗi ký tự mới • Hành vi – Đối với dòng dữ liệu đều, khoảng cách giữa các ký tự là đồng nhất (bằng chiều dài của phần tử stop) – Ở trạng thái rảnh, bộ thu phát hiện sự chuyển 1 → 0 – Lấy mẫu 7 khoảng kế tiếp (chiều dài ký tự) – Đợi việc chuyển 1 → 0 cho ký tự kế tiếp • Hiệu suất – Đơn giản – Rẻ – Phí tổn 2 hoặc 3 bit cho một ký tự (~20%) – Thích hợp cho dữ liệu với khoảng trống giữa các ký tự lớn (dữ liệu nhập từ bàn phím) 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 5Data Communication and Computer Networks Truyền bất đồng bộ 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 6Data Communication and Computer Networks Truyền bất đồng bộ • Đồng bộ khung (frame synchronization): dùng các ký tự điều khiển (STX: Start of Text, ETX: End of Text, DLE: Data Link Escape) STX F R L ETX Start bit Stop bit STX ETX F Frame contents (printable characters) STXDLE DLE ETX DLE STX DLE ETX Frame contents (binary data)DLE DLEInserted DLE 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 7Data Communication and Computer Networks Truyền đồng bộ • Truyền không cần start/stop • Phải có tín hiệu đồng bộ • Đồng bộ bit (bit synchronization): sử dụng các phương pháp sau – Tích hợp xung clock vào dữ liệu truyền đi • Tích hợp thông tin đồng bộ (clock) vào trong dữ liệu truyền • Đầu nhận sẽ tách thông tin đồng bộ dựa vào dữ liệu nhận được • Manchester, differential Manchester, tần số sóng mang (analog) – Sử dụng đường clock riêng • Dùng một đường tín hiệu đồng bộ riêng biệt • Một bên (phát hoặc nhận) tạo ra các xung clock đồng bộ với các bit truyền đi trên đường clock riêng • Bên còn lại dùng tín hiệu trên đường clock riêng để làm clock • Thích hợp khi truyền trong khoảng cách ngắn • Tín hiệu đồng bộ dễ bị suy giảm trên đường truyền 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 8Data Communication and Computer Networks Truyền đồng bộ • Đồng bộ frame – Mỗi block dữ liệu được bắt đầu bằng một cờ gọi là preamble, kết thúc bằng một cờ gọi là postamble – Preamble và postamble là một mẫu bit (bit pattern) được quy định sẵn • Một chuỗi các ký tự SYN (16h trong bảng mã ASCII) • Mẫu bit 01111110 – Frame: dữ liệu + preamble + postamble + thông tin điều khiển – Hiệu quả hơn so với truyền bất đồng bộ (phí tổn thấp hơn cho các bit điều khiển) • HDLC: 48 bit điều khiển cho mỗi block 1000 ký tự (8000 bit) 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 9Data Communication and Computer Networks Các loại lỗi xảy ra trên đường truyền • Môi trường truyền dẫn bị nhiễu (điện, từ, ) → dữ liệu nhận có lỗi (các bit bị thay đổi) • 2 cách khắc phục khi phát hiện có lỗi – Forward error control: thông tin sửa sai được thêm vào các ký tự hoặc các frame truyền đi, để bên nhận có thể phát hiện khi nào có lỗi va lỗi nằm ở đâu để sửa (có khả năng sửa lỗi) – Feedback (backward) error control: thông tin sửa sai được thêm vào các ký tự hoặc các frame truyền đi chỉ đủ để phát hiện khi nào có lỗi (không có khả năng sửa lỗi). Cơ chế yêu cầu truyền lại ký tự/frame sai được dùng trong trường hợp này • Phân loại lỗi – Lỗi 1 bit • Chỉ 1 bit bị lỗi, không ảnh hưởng các bit xung quanh • Thường xảy ra do nhiễu trắng – Lỗi chùm (busrt error) • Một chuỗi liên tục B bit trong đó bit đầu, bit cuối và các bit bất kì nằm giữa chuỗi đều bị lỗi • Thường xảy ra do nhiễu xung • Ảnh hưởng càng lớn đối với tốc độ truyền cao • Bit error rate (BER): xác suất một bit nhận được bị lỗi 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 10Data Communication and Computer Networks Cơ chế phát hiện lỗi 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 11Data Communication and Computer Networks Phát hiện lỗi bằng bit parity • 1 bit parity được thêm vào 1 khối dữ liệu cần truyền đi • Bit parity – Parity chẵn: tổng số bit 1 có trong khối dữ liệu, kể cả bit parity, là số chẵn – Parity lẻ: tổng số bit 1 có trong khối dữ liệu, kể cả bit parity, là số lẻ D a t aD a t a ( ASCII ) B0 B1 B2 B3 B4 B5 B6 Parity bit (odd ) h 0 0 0 1 0 1 1 0 e 0 1 0 1 0 1 1 1 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 12Data Communication and Computer Networks Parity • Đặc điểm – Chỉ dò được lỗi sai một số lẻ bit, không dò được lỗi sai một số chẵn bit – Không sửa được lỗi – Ít được dùng trong truyền dữ liệu đi xa, đặc biệt ở tốc độ cao 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 13Data Communication and Computer Networks Block Sum Check • Block Sum Check (BSC): sử dụng parity hàng và cột – Không sửa được sai, chỉ sửa được sai khi số bit sai trong dữ liệu là một – Dò tìm được tất cả các lỗi sai một số lẻ bit và hầu hết các lỗi sai một số chẵn bit. – Không dò được lỗi sai một số chẵn bit xảy ra đồng thời trên cả hàng và cột. D a t a D a t a Start B 1 B 2 B 3 B 4 B 5 B 6 B 7 Parity (even) Stop H 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 E 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 L 1 0 1 0 0 0 0 1 0 0 L 1 0 1 0 0 0 0 1 0 0 O 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 BCC (odd) 1 1 0 1 1 1 1 0 0 0 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 14Data Communication and Computer Networks Block Sum Check • Biến thể – Dùng tổng bù 1 (1’s-complement sum) thay cho tổng modulo 2 (2-modulo sum) – Các ký tự trong block được truyền được coi như các số nhị phân không dấu – Tốt hơn phương pháp modulo 2 0 0 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 Zero in 1’s-complement 0 0 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 invert 1’s-complement sum content communication 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 15Data Communication and Computer Networks Cyclic Redundancy Check (CRC) • Nguyên lý – k-bit message – Bên phát tạo ra chuỗi n bit FCS (Frame Check Sequence) sao cho frame gởi đi (n+k bit) chia hết cho 1 số xác định trước – Bên thu chia frame nhận được cho cùng 1 số và nếu không có phần dư thì có khả năng không có lỗi • Số học modulo 2 – Exlusive-or 1010 0101- 1111 1 1 0 0 1 x 1 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1010 0101+ 1111 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 16Data Communication and Computer Networks CRC – dùng số học • Xác định FCS – T: frame được truyền (k+n bit) – D: message, dữ liệu cần truyền (k bit đầu của T) – F: FCS (n bit sau của T) – P: số chia được xác định trước (n+1 bit) – Giả sử – Suy ra nếu lấy thì T chia hết P • Kiểm tra lại? P RQ P Dn2 += FDn2 T += RF = 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 17Data Communication and Computer Networks CRC – dùng số học • Ví dụ: • D = 1010001101 (10 bit) • P = 110101 (6 bit) • F =? (? bit) n = 6-1 = 5 bit, k = 10 bit, n+k = 15 bit Đáp số: F = 01110 Dữ liệu T = 101000110101110 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 18Data Communication and Computer Networks CRC – dùng số học • Số chia P – Dài hơn 1 bit so với FCS mong muốn – Được chọn tùy thuộc vào loại lỗi mong muốn phát hiện – Yêu cầu tối thiểu: msb và lsb phải là 1 • Biểu diễn lỗi – Lỗi = nghịch đảo bit (i.e. xor của bit đó với 1) Tr = T + E • T: frame được truyền • Tr: frame nhận được • E: error pattern với 1 tại những vị trí lỗi xảy ra – Nếu có lỗi xảy ra (E ≠ 0) thì bộ thu không phát hiện ra lỗi đó khi và chỉ khi Tr chia hết cho P, nghĩa là E chia hết cho P Î khó có khả năng xảy ra 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 19Data Communication and Computer Networks CRC – dùng đa thức • Cách khác để xác định FCS: đa thức D=110011 → D(x) = x5+x4+x+1 P=11001 → P(x) = x4+x3+1 • Ví dụ – Dữ liệu cần truyền: 1001001 (k = 7 bits) → đa thức biểu diễn: D(x) = x6 + x3 + 1 – Cho đa thức sinh: P(x) =x3 + 1 (n = 3 bits) – Dữ liệu D dịch trái n bits: xn D(x) = X9 + X6 + X3 – FCS = 001 – Dữ liệu T được truyền: 1001001001 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 20Data Communication and Computer Networks Cyclic Redundancy Check • Các lỗi được phát hiện – Tất cả các lỗi bit đơn – Tất cả các lỗi kép nếu P(x) có ít nhất 3 toán hạng – Một số lẻ lỗi bất kỳ nếu P(x) chứa 1 thừa số (x+1) – Bất kỳ lỗi chùm nào mà chiều dài của chùm nhỏ hơn hoặc bằng chiều dài FCS – Hầu hết các lỗi chùm lớn hơn • CRC là một trong những phương pháp thông dụng và hiệu quả nhất để phát hiện lỗi 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 21Data Communication and Computer Networks Cyclic Redundancy Check • 4 đa thức sinh được sử dụng rộng rãi – CRC-12 = X12 + X11 + X3 + X2 + X + 1 • 12-bit FCS • Dùng để truyền chuỗi các ký tự có độ dài 6-bit – CRC-16 = X16 + X15 + X2 + 1 • 16-bit FCS • Dùng để truyền chuỗi các ký tự có độ dài 8-bit • USA – CRC-CCITT = X16 + X12 + X5 +1 • Europe – CRC-32 = X32 + X26 + X23 + X22 + X16 + X12 + X11 + X10 + X8 + X7 + X5 + X4 + X2 + X + 1 • 32-bit FCS • Point-point synchronous transmission, DVB-T 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 22Data Communication and Computer Networks CRC – dùng mạch số D=1010001101 P=110101 1010001101 x2 1 x4 x5 C4 C3 + C2 C1 C0 + + C4* C3 C2* C1 C0* Input Initial 0 0 0 0 0 1 Step 1 1 0 1 0 1 0 Step 2 1 1 1 1 1 1 Step 3 1 1 1 1 0 0 Step 4 0 1 0 0 1 0 Step 5 1 0 0 1 0 0 Step 6 1 0 0 0 1 1 Step 7 0 0 0 1 0 1 Step 8 1 0 0 0 1 0 Step 9 1 0 1 1 1 1 Step 10 0 1 1 1 0 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 23Data Communication and Computer Networks Sửa lỗi • Cách sửa lỗi thông thường là yêu cầu truyền lại khối dữ liệu bị lỗi • Không thích hợp cho các ứng dụng trao đổi dữ liệu không dây – Xác suất lỗi cao, dẫn đến việc phải truyền lại nhiều – Thời gian trễ truyền lớn hơn nhiều thời gian truyền 1 khối dữ liệu – Cơ chế truyền lại là truyền lại khối dữ liệu bị lỗi và nhiều khối dữ liệu khác tiếp theo • Cần thiết sửa lỗi dựa vào các dữ liệu nhận được 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 24Data Communication and Computer Networks Cơ chế sửa lỗi 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 25Data Communication and Computer Networks Cơ chế sửa lỗi • Thêm một số mã dư thừa vào dữ liệu truyền đi • Bộ thu có khả năng suy luận ra dữ liệu gốc ban đầu khi có lỗi xảy ra • Ví dụ: mã sửa lỗi block – Tổng quát là thêm n bit vào sau k bit dữ liệu cần truyền • Tạo thành block dữ liệu (n+k) bit (codeword) • Trong từ mã có chứa k bit dữ liệu gốc – Một số kỹ thuật FEC chuyển k bit dữ liệu gốc thành n (n>k) bit từ mã trong đó không xuất hiện k bit dữ liệu gốc • Chi tiết xem chương 6, phần 6.4 • Làm giảm tốc độ dữ liệu hiệu dụng – Code rate: k/(n+k) 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 26Data Communication and Computer Networks Giao tiếp • Giao tiếp – Thiết bị xử lý dữ liệu (DTE: Data Terminal Equipment) thường không có các phương tiện phát dữ liệu, và chỉ phát các t/h số đơn giản như NRZ-L – Cần một thiết bị giao tiếp (thiết bị phát dữ liệu-DCE: Data Circuit-Terminating Equipment) – ví dụ: modem, NIC, – DCE phát các bit dữ liệu trên môi trường truyền dẫn – DCE trao đổi dữ liệu và thông tin điều khiển với DTE • Được thực hiện thông qua mạch trao đổi • Cần một chuẩn giao tiếp rõ ràng • Đặc tính – Cơ khí • Kết nối vật lý, các đầu kết nối – Điện • Điện áp, định thời thay đổi các mức điện thế, mã hóa, – Chức năng • Ý nghĩa của mỗi chân kết nối • Dữ liệu, điều khiển, định thời, GND, – Thủ tục • Chuỗi các sự kiện xảy ra khi truyền dữ liệu 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 27Data Communication and Computer Networks Giao tiếp 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 28Data Communication and Computer Networks Chuẩn V.24/EIA-232-F • Chuẩn giao tiếp được sử dụng rộng rãi, quy định bởi ITU-T (International Telecommunications Union- Telecommunication Standaridization Sector): Lĩnh vực tiêu chuẩn hóa viễn thông quốc tế. • ITU-T chỉ đặc tả chức năng và thủ tục – V.24 tham khảo các chuẩn khác cho các đặc tính cơ khí và đặc tính điện • EIA-232-F (USA) – RS-232 – Đặc tính cơ khí: ISO 2110 – Đặc tính điện: v.28 – Chức năng: v.24 – Thủ tục: v.24 – Dùng để kết nối DTE với modem (DCE) sử dụng trên đường dây điện thoại 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 29Data Communication and Computer Networks Đặc tính cơ khí DB-25 female (DTE) 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 30Data Communication and Computer Networks Đặc tính điện • Dùng tín hiệu số • Các giá trị được hiểu là dữ liệu hoặc điều khiển tùy thuộc vào mạch • NRZ-L – >+3V – 0 – <-3V – 1 • Tốc độ tín hiệu < 20kbps • Chiều dài dây dẫn < 15m • Điều khiển – >+3V – on – <-3V – off 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 31Data Communication and Computer Networks Đặc tính chức năng V.24 EIA-232 Name Direction to Function Data signals 103 BA Transmitted data DCE Transmitted by DTE 104 BB Received data DTE Received by DTE Control signals 105 CA Request to send DCE DTE wishes to transmit 106 CB Clear to send DTE DCE is ready to receive, response to RTS 107 CC DCE ready DTE DCE is ready to operate 108.2 CD DTE ready DCE DTE is ready to operate 125 CE Ring indicator DTE DCE is receiving a ringing signal on the channel line 109 CF Received line signal detector DTE DCE is receiving a signal within appropriate limits on the channel line Timing signals 113 DA Transmitter sig. elm. timing DCE Clocking signal 114 DB Transmitter sig. elm. timing DTE Clocking signal; 115 DD Receiver sig. elm. timing DTE Clocking signal for circuit 104 Ground 102 AB Signal ground/common return Common ground reference for all circuits 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 32Data Communication and Computer Networks Local/Remote loopback testing 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 33Data Communication and Computer Networks Local/Remote loopback testing 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 34Data Communication and Computer Networks Thủ tục • Ví dụ modem riêng bất đồng bộ, kết nối 2 thiết bị ở khoảng cách ngắn • Chỉ cần một số tín hiệu – Signal ground (102) – Transmitted data (103) – Received data (104) – Request to send (105) – Clear to send (106) – DCE ready (107) – Received line signal detector (109) 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 35Data Communication and Computer Networks Modem riêng bất đồng bộ DCE ready Request to send Clear to send Dữ liệu Received line signal detector Dữ liệu 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 36Data Communication and Computer Networks Modem riêng bất đồng bộ • Khi modem (DCE) được bật lên và sẵn sàng, nó bật tín hiệu “DCE ready” • Khi DTE sẵn sàng gởi dữ liệu, nó bật tín hiệu “Request To Send” – Cấm chế độ nhận dữ liệu (nếu trong chế độ truyền half-duplex) • Modem đáp lại sẵn sàng bằng tín hiệu “Clear To Send” • DTE gởi dữ liệu • Khi dữ liệu đến, modem gắn vào DTE sẽ bật tín hiệu “Line Signal Detector” và gởi dữ liệu cho DTE 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 37Data Communication and Computer Networks Khoảng cách dài • Hai modem nối với nhau qua mạng điện thoại • Cần thêm 2 tín hiệu – DTE ready (108.2) – Ring indicator (125) • Tương tự như việc sử dụng điện thoại 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 38Data Communication and Computer Networks Hoạt động quay số (1) 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 39Data Communication and Computer Networks Hoạt động quay số (2) 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 40Data Communication and Computer Networks Hoạt động quay số (3) 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 41Data Communication and Computer Networks Null modem 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 42Data Communication and Computer Networks Chuẩn giao tiếp EIA RS-232C DTR on DTR on DSR on DSR on CD on RI on RTS on Connection setup Carrier on CTS ondelay TxD RxD on Data tones RTS offCarrier offCD off CTS off RTS on Carrier on CD on CTS on delay TxD Data tones RxD on RTS off CTS off CD off RTS off CTS off CD off Carrier off DTR off DSR off DTR off DSR off DTR on DSR onTime delay Number of called modem sent to modem 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 43Data Communication and Computer Networks ISDN interface • Chuẩn EIA-232-F cần quá nhiều chân trong giao tiếp • Chuẩn X.21 đưa ra chuẩn giao tiếp 15 chân -> 8 chân -> ISDN • ISDN (Intergrated Services Digital Network): thay thế mạng lưới điện thoại và truyền t/h tương tự bằng hệ thống truyền t/h số • Giao tiếp giữa TE (terminal equipment – tương tự DTE) và NT (network- terminating equipment) • ISO 8877 – giao tiếp thông qua 8 chân • Transmit/receive truyền dữ liệu lẫn điều khiển 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 44Data Communication and Computer Networks ISDN interface 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 45Data Communication and Computer Networks ISDN interface • Tín hiệu được truyền trên cáp xoắn • Balanced transmission – Giá trị nhị phân phụ thuộc vào sự sai khác mức điện thế giữa 2 dây dẫn – Ít nhiễu: nhiễu như nhau trên 2 dây • Mã hóa phụ thuộc tốc độ dữ liệu – Basic rate (192 kb/s): pseudotenary (750mV) – Primary rate • 1.544 Mb/s: B8ZS • 2.048 Mb/s: HDB3 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 46Data Communication and Computer Networks Đọc thêm • W. Stallings, Data and Computer Communications (7th edition), Prentice Hall 2002, chapters 6