Đề tài: Kỹ thuật truyền số liệu trong mạng máy tính cục bộ Giảng viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện

Fibre Channel được thiết kế để phối hợp các đặc tính tốt nhất của 2 kỹ thuật thông tin số liệu là: sự đơn giản và tốc độ cao của kênh I/O cùng với đặc tính linh hoạt và liên kết của truyền số lieeun trên mạng nhờ vào các giao thức liên kết host với host, nối vòng các nhóm xử lý và các ứng dụng đa phương tiện trong một giao tiếp đa giao thức. Các dịch vụ theo hướng kênh được kết hợp trong kiến trúc giao thức Fibre Channel gồm có:

• 
  Kiểu dữ liệu phù hợp với công việc định tuyến tải vào các bộ đệm giao tiếp đặc biệt.
  
• 
  Mức liên kết hình thành nên mối liên hệ với các hoạt động xuất nhập riêng lẻ.
  
• 
  Các đặc tả giao tiếp của giao thức cho phép hỗ trợ các kiến trúc kênh I/O đã có trước đây.
  

• 
  Ghép đầy đủ các tải từ nhiều nguồn khác nhau.
  
• 
  Kết nối ngang hang (peer-to-peer) giữa bất kỳ một cặp port nào trên một mạng Fibre Channel.
  
• 
  Các khả năng liên kết mạng đối với các kỹ thuật kết nối khác nhau.
  

• 
  Các liên kết song song hoàn toàn với 2 sợi cáp trên một liên kết.
  
• 
  Hoạt động với tốc độ từ 100 Mbps đến 800Mbps trên 1 liên kết đơn – 200Mbps đến 1600Mbps trên 1 liên kết 2 hướng.
  
• 
  Cự ly đạt đến 10km.
  
• 
  Các bộ nối nhỏ.
  
• 
  Các ứng dụng dung lượng cao không nhạy cảm đối với cự ly.
  
• 
  Các kênh nối có qui mô lớn hơn các kênh đa điểm đang có sẵn.
  
• 
  Mức độ phổ dụng lớn.
  
• 
  Hỗ trợ đa mức phẩm chất theo giá cả, từ hệ thống rất nhỏ đến các máy tính lớn.
  
• 
  Khả năng thực thi nhiều tập lệnh của nhiều giao tiếp có sẵn trong kênh hiện hữu và các giao thức mạng.
  

Các phần tử chủ yếu của mạng Fibre Channel là các hệ thống đầu cuối, được gọi là các node và bản than mạng này, nó bao gồm 1 hay nhiều phần từ chuyển mạch. Các phần tử này được nối với nhau bởi các liên kết point-to-point giữa các port trên các node riêng rẽ và các chuyển mạch. Công tác truyền thông tin bao gồm truyền dẫn các frame xuyên qua các liên kết point-to-point.

Một fabric có thể được xây dựng thành 1 fabric đơn hay như một mạng của các phần tử fabric, trong cả 2 trường hợp này fabric chịu trách nhiệm đệm và định tuyến các frame giữa các node nguồn và đích.

Chuẩn Fibre Channel được tổ chức thành 5 mức, các mức này được mô tả trông hình dưới.

Bảng các mức của Fibre Channel:

Mức FC-0 của Fibre Channel cho phép một số trường vật lý cũng như tốc độ số liệu khác nhay, đây là một trong các điểm mạnh của đặc tả này. Hiện tại, dải tốc độ nằm trong khoảng từ 100Mbps đến 800Mbps trên một sợi. Môi trường vật lý là sợi quang, cáp đồng trục và cáp STP. Tùy vào tốc độ số liệu và môi trường liên quan, cự ly tối đa cho các liên kết điểm nối điểm riêng rẽ nằm trong khoảng từ 50m đến 100km.

Mức FC-1 là mức giao thức truyền định nghĩa 1 kỹ thuật mã hóa số liệu được dung để truyền và đồng bộ xuyên qua các liên kết điểm nối điểm. Lược đồ mã hóa được dung là 8B/10B, trong đố mỗ 8 bít số liệu từ mức FC-2 được chuyển đổi thành 10 bit để truyền.

Mức FC-2 được đề cập đến như 1 giao thức đồng bộ frame, liên quan đến việc truyền số liệu giữa N_port dưới dạng các frame. Trong số các khái niệm được định nghĩa tại mức này là:

• 
  Node và N_port cùng với các danh định của chúng.
  
• 
  Các cấu hình.
  
• 
  Các lớp dịch vụ được cung cấp bởi fabric.
  
• 
  Phân đoạn số liệu thành các frame và tái hợp trở lại.
  
• 
  Nhóm các frame thành các thực thể luận lý, thường được gọi như vậy trong tuần tự thiết lập và trao đổi.
  
• 
  Hoạt động tuần tự, điều khiển luồng và kiểm soát lỗi.
  

FC-3 cung cấp 1 tập hợp các dịch vụ qua nhiều N_port của 1 node. Các chức năng được định nghĩa cho đến thời điểm này trong các tài liệu gồm có:

• 
  Stripping: Cho phép dùng nhiều N_port dưới dạng song song để truyền 1 đơn vị thông tin đơn xuyên qua nhiều liên kết một cách đồng thời, điều này đạt được sự tích hợp thông lượng cao hơn.
  
• 
  Hunt group: là một tập các N_port liên kết nhau tại 1 node đơn. Tập này được gán 1 phiên hiệu danh định tuyến cho phép bất kỳ 1 frame nào được giử đến phiên hiệu này đươc định tuyến đến bất kỳ N_port nào có sẵn trong tập này. Điều này làm giảm thời gian trể nhờ giam các trường hợp đợ khi 1 N_port đang bận.
  
• 
  Multicast: phân phối truyền dẫn đến nhiều đích. Điều này gồm các truyền đến tất cả các N_port trên fabric hay đến 1 tập các N_port trên 1 fabric.
  

FC-4 định nghĩa ánh xạ giữa các giao thức mạng và kênh khác sang FC-PH. Các giao tiếp kênh xuất nhập (I/O) bao gồm:

• 
  Giao tiếp SCSI: là 1 giao thức tốc độ cao được dùng rộng rãi nhất và được thực hiện trên máy tính cá nhân, các máy trạm và các server, được dùng để hỗ trợ các thiết bị có tốc độ và dung lượng cao, như đĩa và các thiết bị đồ họa…
  
• 
  Giao ti ếp HIPPI(High performance parallel interface): là một chuẩn về kênh tốc độ cao được dùng chủ yếu cho các môi trường siêu máy tính hay mainframe. HIPPI và các mở rộng được mô tả như là mục tiêu tổng quát cho giải pháp LAN tốc độ cao nhưng HIPPI đã bị thay thế bởi Fibre channel.
  

Một tập các chuẩn LAN không day đã được phát triển bởi tổ chức IEEE gọi là IEEE 802.11. Thuật ngữ và vài thuộc tính đặc biệt của 802.11 là duy nhất đối với chuẩn này và không bị ảnh hưởng trong tất cả các sản phẩm thương mại. Tuy nhiên việc làm quen với chuẩn này là rất hữu ích và các đặc tính của nó tượng trung cho các năng lực mạng được yêu cầu đối với LAN không dây.

Trong hình dưới đây, chúng ta có thể thấy trong ứng dụng này để truy xuất vào máy tính server đang được nối vào 1 LAN nối dây, cần dùng 1 thiết bị trung gian được gọi là đơn vị truy xuất di động PAU ( Portable Access Unit). Thông thường vùng phủ của PAU từ 50 đến 100m và trong một dự án lắp đặt lớn có nhiều đơn vị như vậy phân bố xung quanh 1 điểm. Tập hợp các đơn vị này cung cấp khả năng truy xuất vào LAN nối dây và do đó là truy xuất vào các máy tính server cho các máy cầm tay, máy tính xách tay hay máy tính cố định, mỗi thiết bị đầu cuối này có thể nằm ở bất cứ nơi nào xung quanh điểm này. Loại ứng dụng này được gọi là LAN không dây có hạ tầng.


Hình 7.32: các topo ứng dụng.
2.2 Đường truyền không dây

Có 2 loại đường truyền được dùng cho các LAN không dây là sóng trong dải tần số radio và các tín hiệu hồng ngoại tuyến. chúng ta sẽ xem xét các đưacs trưng của từng loại riêng biệt mặc dù kỹ thuật của 2 loại này là tương tự nhau.

Sóng radio được dùng rộng rãi trong nhiều ứng dụng bao gồm phát thanh và truyền hình đại chúng và các mạng điện thoại di động, vì nó có thể xuyên qua dể dàng các chướng ngại vật nên các phương pháp điều khiển chặt chẽ được áp dụng khi dùng phổ của sóng radio.

Vì sóng radio lan truyền xuyên qua hầy hết các chướng ngại vật với mức suy giảm vừa phải, điều này có thể tạo ra sự tiếp nhận nhiều từ các máy phát khác cùng đang hoạt động trong cùng băng tần và được đặt trong phòng kế cận của cùng 1 tòa nhà hay trong tòa nhà khác. Do đó với các LAN đơn giản, vì nhiều LAN như vậy có thể được thiết lập trong các phòng gần nhau, nên các kỹ thuật phải theo là cho phép vài user trong cùng 1 băng tầng cùng tồn tại.

Trong 1 mạng LAN không dây có hạ tầng cơ sở lớn hon nhiều thì băng thông có sẵn có thể được chia thành 1 số băng con sao cho vùng phủ của các băng kề nhau dùng 1 tần số khác nhau.

2.2.2 Đường truyền bằng sóng hồng ngoại

Sóng hồng ngoại có tần số cao hơn rất nhiều so với tần cố sóng radio lớn hơn 10¹⁴Hz và các thiết bị thường được phân loại theo chiều dài bước sóng của tín hiệu hồng ngoại được thu phát thay vì dùng tần số. Chiều dài bước sóng hồng ngoại được đo theo nm (1nm= 10^-9 m)và là khoản cách mà ánh sáng truyền trong thời gian bằng chu kỳ của tín hiệu. Nghĩa là:

• 
  chiều dài bước sóng  = c/f.
  
• 
  trong đó c là tốc độ lan truyền của ánh sáng ( c = 3.10⁸m/s) và f là tần số của tín hiệu tính bằng Hz.
  
• 
  Hai thiết bị hông ngoại được dùng rộng rãi nhất có bước sóng lần lượt là 800nm và 1300nm.
  

Một điểm khác cũng cần xem xét khi sử dụng hồng ngoại làm môi trường truyền đó là nhiễu gây ra bởi ánh sáng của môt trường xung quanh.điều này có nghĩa là năng lượng nhiễu có thể cao dẫn đến nhu cầu năng lượng phát tín hiệu phải cao để đạt được 1 tỉ số SNR chấp nhận được. Trong thực tế, tổn thất đường truyền đối với hồng ngoại có thể cao, ngoài ra các bộ phát hồng ngoại có hiệu suất thấp khi biến đổi năng lượng từ điện sang quang dẫn đến nhu cầu năng lượng khá cao đối với nguồn cung cấp.

• 
  Laser diode được dùng rộng rãi trong các hệ thống truyền dẫn bằng sợi quang, chúng tạo ra nguồn sáng liên tục có băng tần rất hẹp ( khoảng giữa 1 và 5nm). Khi ánh sáng được nhốt trong 1 không gian hẹp sẽ thu được mật độ năng lượng cao. Trong các ứng dụng LAN không dât, vì ánh sáng không bị ràng buộc lan truyền trong phạm vi 1 sợi quang nên nguồn sáng laser phải được khuếch tán nếu không sẽ gây nguy hiểm cho mắt.
  
• 
  Diode phát quang (LED) tạo ra nguồn sáng gồm 1 dải tần ( nằm giữa 25 đến 100nm) và với năng lượng thấp nên hoàn toàn vô hại. Băng thông điều chế có sẵn đối với LED giới hạn khoảng 20MHz. chấp nhận 1 hạn chế về tốc độ bit tối đa có thể dùng nhỏ hơn 10Mbps. Bởi giá thành thấp nên chúng ta tường thấy người ta sử dụng LED trong các ứng dụng có tốc độ thấp hơn tốc độ giới hạn này.
  

Có bốn lược đồ truyền được dùng với các mạng LAN không dây dùng sóng radio: trải phổ tuần tự trực tiếp (direct sequence spread spectrum), trải phổ nhẩy tần (frequency-hopping spread spectrum), điều chế sóng mang đơn (single-carrier medulation), điều chế đa sóng mang (multi-subcarrier modulation).

1. 
   Trải phổ tuần tự trực tiếp
   

Tất cả các thành viên khác của cùng một LAN không dây đều biết tuần tự nhị phân giả ngẫu nhiên này đang được dùng. Tất cả các frame số liệu đang được truyền đều được đặt trước một tuần tự mở đầu kèm theo một mẩu đánh dấu đầu của frame. Do đó sau khi điều chế tín hiệu đã truyền, trước hết tất cả các máy chủ phải tìm tuần tự mở đầu này thường là một chuỗi các bit 1 và khi đã tìm thấy tuần tự này máy thu bắt đầu dịch luồng bit theo các ranh giới bit chính xác. Đợi cho đến khi thu được xác định bởi địa chỉ đích đặt tại vùng header của frame theo cách thông thường.

Rõ ràng, vì tất cả các trạm thuộc về cùng một LAN không dây cùng chiếm hữu cùng băng tần được phân phối và dùng cùng tuần tự giả ngẫu nhiên, nên hoạt động truyền của chúng sẽ quấy rối lẫn nhau. Vì vậy một phương pháp điều khiển truy xuất môi trường thích hợp phải được dùng nhằm đảm bảo chỉ một hoạt động truyền xảy ra tại một thời điểm.

Tuần tự giả ngẫu nhiên được dùng bằng cách thực hiện xor giữa tuần tự này với mỗi bit số liệu nhị phân được truyền. Tuần tự nhị phân giả ngẫu nhiên này cũng được gọi là tuần tự trải phổ, mỗi bit trong tuần tự được gọi là chip, tốc độ bit truyền sau cũng chính là tốc độ chip, và số bít trong tuần tự được gọi là hệ số trải phổ (spreading factor).

Hệ số trải phổ xác định hiệu suất của một hệ thống trải phổ. Thông thường, nó được biểu diễn bằng đơn vị decibel (dB) và được xem như độ lớn gia công (processing gain), độ lợi này bằng logarithm của hệ số trải phổ. Sơ đồ của máy phát và thu sóng radio trải phổ tuần tự trực tiếp đơn giản được trình bày trên hình 7.37(c). Sau khi mỗi bit số liệu đã được xor với tuần tự nhị phân giả ngẫu nhiên, tín hiệu nhị phân có tốc độ cao được truyền bằng cách điều chế lên một tín hiệu sóng mang. Tần số của tín hiệu đã điều chế tăng lên dùng mạch trộn (mixer circuit) sao cho tín hiệu truyền nằm trong bảng tần đã được xác định. Các lược đồ điều chế thường được dùng là BPSK và QPSK.

Từ đó ta có thể suy ra rằng máy thu phải hoạt động theo cơ cấu đồng bộ với tín hiệu thu để hoạt động xor được tiến hành trên các ranh giới bit chính xác.

Sự đồng bộ đồng hồ nhịp (tốc độ phát chip) đạt được bằng cách dùng một trong các phương pháp chuẩn được trình bày trong chương 3.


Hình 7.36: Nguyên lý hoạt động của trải phổ tuần tự trực tiếp

2. 
   Trải phổ nhẩy tần
   

Có hai chế độ hoạt động tương ứng với trải phổ nhẩy tần và được xác định bởi tỉ số giữa tốc độ phát chip so với tốc độ số liệu gốc (nguồn). Khi tốc độ chip lớn hơn tốc độ số liệu thì chế độ hoạt động tương ứng được gọi là nhẩy tần nhanh, trong khi nếu tốc độ chip thấp hơn tốc độ số liệu thì gọi là nhẩy tần chậm. Trong cả hai trường hợp, có một tần số sóng mang được dùng tại trung tâm của mỗi kênh.Một ưu điểm của nhẩy tần so với tuần tự trực tiếp là khả năng tránh dùng các kênh đã chọn (băng hẹp) trong toàn bộ băng tần đã được phân phối.

Kỹ thuật này đặc biệt hữu dụng đối với nhẩy tần chậm vì với nhẩy tần nhanh, có nhiều nhẩy tần trên một bit số liệu và do đó chỉ một chip sẽ bị ảnh hưởng. Một quyết định vượt trội được dùng sau đó để xác định bit số liệu phù hợp nhất được truyền. Cả máy phát và máy thu cũng phải đồng bộ nghĩa là cũng nhẩy các hệ thống nhẩy tần chậm dễ đồng bộ hơn. Do đó, các hệ thống nhảy tần chậm cung cấp một giải pháp có giá thành hạ cho các LÂN không dây.

Điều chế sóng mang đơn

Với tiếp cận này, một sóng mang được đặt tại trung tâm của băng tần đã gán được điều chế với số liệu truyền sử dụng một mạch điều chế thích hợp. Về nguyên lý, chỉ đơn giản là sự mở rộng của các lược đồ điều chế đã được mô tả trong chương 2 để truyền số liệu qua một mạng điện thoại chuyển mạch analog, ngoại trừ trong các mạng LAN không dây tốc độ bit yêu cầu và do đó là băng thông lớn hơn nhiều.

Nguyên lý hoạt động của tiếp cận này trước hết chia tín hiệu nhị phân tốc độ cao thành một số các luồng có tốc độ bit thấp hơn. Sau đó mỗi luồng bit tốc đọ thấp được dùng để điều chế lên một sóng mang con riêng lấy từ băng tần đã được phân phối theo phương pháp như lược đồ sóng mang đơn. Trước khi truyền, các sóng mang con được điều chế riêng được tổng hợp lại thành một tín hiệu duy nhất dùng thuật toán biến đổi Fourier nhanh FFT (Fast Fourier Transform). Các luồng bit tốc độ thấp đã được giải điều chế được kết hợp lại thành một luồng bit ngõ ra có tốc độ cao.Việc cân đối giữa hai lược đồ điều chế dựa vào giá thành để có được năng lực xử lý thực hiện hoạt động cân bằng so với khả năng xử lý cần thiết để thực hiện các thuật toán FFT.

Điều chế tín hiệu hồng ngoại gốc một cách trực tiếp, một nhị phân 1 cho phép bộ phát mở và nhị phân 0 lại đồng bộ phát. Loại điều chế này gọi là on-off keying (OOK) và được dùng khá rộng rãi trong các hệ thống truyền dẫn sợi quang. Đây là loại điều chế đơn giản nhất và việc thi công mạch điện tử tương đối dễ. Sơ đồ khối của lược đồ này được trình bày trên hình 7.40(a).

Ngoài ra, còn có một kỹ thuật khác được gọi là điều chế vị trí xung PPM (position-pulse modulation) được dùng trong các hệ thống quang nhằm giảm sự đòi hỏi về công suất đối với các LED phát tia hồng ngoại.

Điều chế sóng mang

Để đạt được tốc độ bit cao hơn, chúng ta cần phải dùng các kỹ thuật điều chế sóng mang tương tự như trong các hệ thống radio. Vì với các lược đồ như vậy số liệu nhị phân được truyền dùng một tín hiệu sóng mang được điều chế theo tần số hay pha nên tại máy thu có thể chuyển tín hiệu ngõ ra từ bộ thu hồng ngoại qua một bộ lộc điện tử tăng cường trước khi giải điều chế. Hiệu quả của việc lọc này còn ở chỗ lọc bỏ các tín hiệu nhiễu còn lại nhờ đó cải thiện hiệu suất qua một hệ thống điều chế trực tiếp. Có thể đạt tốc độ từ 2Mbps đền 4Mbps một cách dễ dàng.

CDMA được gọi là đa truy nhập phân chia mã, đặc biệt được dùng với các hệ thống radio trải phổ. Như đã mô tả, cả hai phương pháp trải phổ tuần tự trực tiếp và nhẩy tần đều dùng một tuần tự giả ngẫu nhiên duy nhất làm cơ sở cho các chế độ hoạt động của chúng. Do đó, trong các hệ thống như vậy, một tuần tự giả ngẫu nhiên khác nhau có thể được phân phối cho mỗi node và tất cả các node đều biết tập hoàn chỉnh các tuần tự này. Để thông tin với node khác, máy phát chỉ cần chọn và dùng tuần tự giả ngẫu nhiên của nơi muốn truyền số liệu đến (node đối tác). Bằng cách này, nhiều hoạt động tryền giữa một cặp node có thể diễn ra một cách đồng thời.

Ngược lại, với trải phổ nhẩy tần vì hai máy phát hoạt động với các kênh có tần số trao đổi không ngừng, nên xác suất để cả hai hoạt động cùng một kênh là rất thấp. Điều này có thể giảm hơn nữa bằng cách hoạch định cẩn thận các tuần tự nhẩy. Tuy nhiên, bất tiện của cả hai lược đồ là phải cho tất cả các node biết tuần tự giả ngẫu nhiên của tất cả các node khác, đây là điều khó đối với các nhà quản lý mạng LAN không dây.

2.4.2. CSMA/CD

Trong các mạng LAN không dây, CSMA cũng cho phép một node tạm dừng khi có một node khác đang sử dụng môi trường radio hay hồng ngoại. Tuy nhiên, với sóng radio và hồng ngoại thì không thể truyền và nhận một cách đồng thời và do đó sự phát hiện đụng độ ở dạng cơ bản là không thể dùng được ở đây. Tuy vậy, một chức năng phát hiện đụng độ khác đã được đưa ra để dùng với LAN không dây và được gọi là sự phát hiện đụng độ.

Hiệu quả của lược đồ này được xác định bởi số bit trong tuần tự giả ngẫu nhiên và do đó là comb vì nếu hai node phát ra cùng tuần tự thì một đụng độ sẽ xảy ra. Trong thực thế, số lượng node tranh chấp tại cùng một thời điểm là tương đối thấp, do đó chiều dài của comb có thể tương đối ngắn. Cũng vì có giới hạn tối đa về tốc độ mà các máy thu radio hay hồng ngoại chuyển đổi giữa các chế độ phát và thu thương là một micro giây nên một comb có chiều dài ngắn hơn giảm được khoảng thời gian tranh chấp.
2.4.3. CSMA/CA

Một biến thể của CSMA/CD được gọi là đa truy xuất cảm nhận sóng mang có tránh đụng độ CSMA/CA (Carrier Sến Multiple Access with Collision Avoidance) cũng được dùng để điều khiển thâm nhập môi trường.

Một vấn đề khác cũng phải được lưu tâm khi dùng radio (hay hồng ngoại) bởi không có gì chắc chắn rằng máy đang được hướng đến là đang liên lạc radio với node nguồn. Do đó mặc dù CSMA/CA hay CSMA/CD đảm bảo một node đạt được truy nhập vào môi trường, nhưng máy đích của frame có thể chẳng bao giờ nhận bởi nó không liên lạc radio với node nguồn. Do đó, một thủ tục bắt tay qua lại trên phương pháp MAC cơ bản được kết hợp vào trong giao thức MAC này.