Bài giảng Mạng máy tính - Chương 3: Tầng vật lý - Phạm Văn Nam

Chương 3: Tầng Vật lý
The Physic Layer
The Physic Layer 1
Các chức năng cơ bản của tầng Vật lý
ˆ Cung cấp các đặc tả kỹ thuật về cơ, điện, các hàm, 
thủ tục
ˆ Cung cấp khả năng dò tìm xung đột
ˆ Chỉ rõ các loại cáp, đầu nối và các thành phần khác
ˆTruyền dòng bit “tươi” qua kênh truyền thông
ˆ Kích hoạt, duy trì và kết thúc các liên kết vật lý
ˆ Bao gồm cả phần mềm điều khiển thiết bị cho các
mạch giao tiếp truyền thông
The Physic Layer 2
Các vấn đề cần cân nhắc
ˆTại sao chúng ta thích truyền thông tín hiệu số
hơn truyền thông tín hiệu tương tự?
ˆ Phương tiện truyền vật lý hứa hẹn nhất cho tương
lai là gì?
ˆTruyền thông vô tuyến có thể thay thế hoàn toàn
truyền thông hữu tuyến?
ˆ “Hệ thống truyền thông cá nhân” là gì?
The Physic Layer 3
Truyền dữ liệu và Tín hiệu số
ˆ Các loại tín hiệu truyền qua phương tiện
truyền vật lý:
 Tín hiệu số
 Tín hiệu tương tự
ˆDữ liệu có thể là digital hoặc analog
Một số dữ liệu vốn đã được trình bày dưới dạng
tín hiệu số
• Ký tự ‘A’ trong bảng mã ASCII: 01000001
 Các dạng dữ liệu khác cần được chuyển đổi từ
analog sang digial
• Âm thanh, video,
ˆ Chúng ta quan tâm đến tín hiệu/dữ liệu số!
The Physic Layer 4
Tại sao lại là tín hiệu số?!
ˆTín hiệu số tốt hơn tín hiệu tương tự để
 Lưu trữ
Thao tác, xử lý
Truyền tin
The Physic Layer 5
Truyền số liệu (1)
ˆ Việc truyền số liệu phụ thuộc vào
 Chất lượng của tín hiệu
 Các đặc điểm của phương tiện truyền
ˆ Cần phải thực hiện xử lý tín hiệu
ˆ Cần phải đo lường chất lượng của tín hiệu nhận được
 Analog: tỷ lệ tín hiệu/tạp nhiễu
 Digital: Xác suất của các bit lỗi
ˆĐể truyền các dòng bits (0’s or 1’s) ta cần ánh xạ
chúng sang các sóng điện từ => các kỹ thuật điều chế
The Physic Layer 6
Truyền số liệu (2)
ˆTín hiệu được truyền đi có thể bị
 suy giảm
 bóp méo
 sai lệch bởi tạp âm
ˆSự suy giảm và bóp méo tín hiệu phụ thuộc:
 Loại phương tiện truyền
 Tốc độ bit
 Khoảng cách
ˆ Phương tiện truyền xác định
 Tốc độ dữ liệu
 Dải thông của kênh truyền
The Physic Layer 7
Truyền số liệu (3)
ˆ Phương tiện truyền:
Hữu tuyến: cáp đôi dây xoắn, cáp đồng trục, cáp quang
 Vô tuyến: radio, vệ tinh, tia hồng ngoại, sóng cực ngắn
(viba)
ˆ Liên kết trực tiếp: điểm – điểm
Hai thiết bị chia sẻ phương tiện truyền (các bộ chuyển
tiếp, bộ khuếch đại trung gian)
ˆ Liên kết gián tiếp: nhiều điểm hoặc quảng bá
Nhiều hơn hai thiết bị chia sẻ phương tiện truyền
ˆ Các phương thức truyền: đơn công, bán song công, 
song công
ˆ Các khái niệm cần lưu ý: tần số, phổ, dải thông
The Physic Layer 8
Dải tần cơ sở và Dải tần rộng
ˆDải tần cơ sở: Tín hiệu số được truyền trực
tiếp qua phương tiện truyền.
ˆDải tần rộng: Tín hiệu số không được đưa
trực tiếp lên phương tiện truyền. Tín hiệu
tương tự hay sóng mang được điều biến từ tín
hiệu số và truyền đi qua phương tiện truyền. 
The Physic Layer 9
Một mô hình truyền thông đơn giản
The Physic Layer 10
Tốc độ truyền dữ liệu tối đa
ˆ Tốc độ tín hiệu: số tín hiệu thay đổi trong một giây
 Mỗi tín hiệu có thể được truyền theo nhiều tốc độ
(M)
ˆ Tốc độ truyền dữ liệu tối đa của kênh truyền là bao
nhiêu với ngưỡng tần số là H?
ˆ Định lý Nyquist:
 Tốc độ dữ liệu tối đa = 2H log2M bits/sec
 Tín hiệu có thể được tái dựng lại chỉ với 2H 
mẫu/giây
ˆ Trong khoa học máy tính, tốc độ dữ liệu có thể được
xem như là dải thông
ˆ Chúng ta có thể đạt được bất kỳ tốc độ truyền dữ liệu
nào bằng cách làm cho M thật lớn?
The Physic Layer 11
Định lý Shannon
ˆ Kênh truyền tạp nhiễu
 Nhiễu nhiệt sinh ra do các electrons va chạm nhau
 Tỷ lệ Tín hiệu/Nhiễu: Signal-to-Noise Ratio (SNR)
• Tỷ lệ của công suất tín hiệu (S) và công suất nhiễu (N): S/N
• Được đo bằng đơn vị dB hay decibels
– 10 log10 (S/N)
– S/N = 10 Æ10 dB, 100 Æ 20dB
ˆ Cho kênh truyền tạp nhiễu với tần số H và tỷ lệ tín hiệu/nhiễu
là S/N
 Tốc độ dữ liệu tối đa = H log2(1+S/N)
Î Tốc độ dữ liệu tối đa = min(H log2(1+S/N), 2H log2M)
The Physic Layer 12
Ứng dụng định lý Shannon
ˆHệ thống điện thoại quy ước
9 Được thiết kế để truyền tải giọng nói
9 Ngưỡng giới hạn là 3000 Hz
9 Tỷ lệ Signal-to-noise xấp xỉ bằng 1000
9 Khả năng truyền tối đa: 
3000*log2(1+1000)=~30000 bps
ˆ Kết luận: modems quay số khó vượt được tốc
độ 28.8 Kbps
The Physic Layer 13
Phương tiện truyền
ˆ Cáp đôi dây xoắn
ˆ Cáp đồng trục dải tần cơ cở
ˆ Cáp đồng trục dải tần rộng
ˆ Cáp quang
ˆ Vô tuyến
The Physic Layer 14
Phương tiện truyền: cáp đôi dây xoắn
ˆ Bit: truyền giữa các đôi gửi
và nhận
ˆ Liên kết vật lý: là những gì
nằm giữa nơi gửi và bên nhận
ˆ Đường truyền hữu tuyến:
 Tín hiệu truyền đi trong
phương tiện truyền: cáp đôi dây
xoắn, cáp đồng trục, cáp quang
ˆ Đường truyền vô tuyến:
 Tín hiệu được truyền đi trong
môi trường không khí, vd: sóng
vô tuyến
Cáp đôi dây xoắn
ˆ Hai sợi dây đồng có lớp
cách điện xoắn lại với
nhau, vd:
 Loại 3 (CAT 3): dây điện
thoại truyền thống, có
thể dùng trong mạng
Ethernet tốc độ 10 
Mbps
 CAT 5 UTP: 100Mbps 
Ethernet
The Physic Layer 15
The Physic Layer 16
Cáp đồng trục, cáp quang
Cáp đồng trục:
ˆ Hai đường dây dẫn đồng có
cùng một trục chung
ˆ Hai chiều
ˆ Dải tần cơ sở:
 Kênh đơn trên cáp
 Ethernet “di sản”
ˆ Dải tần rộng:
 Nhiều kênh trên cáp
 Dùng trong mô hình lai giữa
cáp đồng và quang (HFC)
Cáp sợi quang:
ˆ Sợi quang mang các xung
ánh sáng, mỗi xung biểu diễn
một bit
ˆ Hoạt động tốc độ cao:
 Dùng trong truyền dẫn điểm –
điểm tốc độ cao (vd: 5 Gps)
ˆ Tỷ lệ lỗi thấp: không bị
nhiễu điện từ, có thể truyền
rất xa trước khi cần đến
repeaters
Sóng vô tuyến
ˆ tín hiệu được mang
trong phổ điện từ
ˆ không “dây” vật lý
ˆ hai chiều
ˆ những ảnh hưởng của môi
trường truyền:
 phản xạ
 các vật cản trở
 sự nhiễu tín hiệu
Các loại liên kết dùng sóng vô tuyến:
ˆ Vi ba mặt đất
 vd: các kênh truyền có thể lên đến 45 
Mbps
ˆ Mạng không dây cục bộ (vd: 
WirelessLAN)
 2Mbps, 11Mbps
ˆ Mạng không dây diện rộng (vd: các mạng
di động)
 Vd: mạng di động dùng công nghệ 3G có
thể đạt tốc độ vài trăm Kbps
ˆ Vệ tinh
 Kênh truyền có thể đạt đến 50Mbps(hoặc 
bao gồm nhiều kênh truyền nhỏ)
 Độ trễ cuối - cuối khoảng 270 msec
The Physic Layer 17
Truy cập mạng và phương tiện truyền
Các hệ thống đầu cuối kết nối đến
router biên như thế nào?
ˆ Các mạng truy cập tại nhà riêng
ˆ Các mạng truy cập tại các công
ty, trường, viện
ˆ Các mạng truy cập di động
Cần lưu ý: 
ˆ dải thông của mạng truy cập là
bao nhiêu?
ˆ mạng truy cập chia sẻ hay dành
riêng?
The Physic Layer 18
Truy cập tại nhà: truy cập điểm – điểm
ˆ Qua modem quay số
 tốc độ truy cập đến router của
nhà cung cấp có thể đạt đến
56Kbps (thường thì thấp hơn)
 không thể “luôn trực tuyến”
ˆ Qua đường thuê bao số bất đối xứng (ADSL):
 Tốc độ upstream lên đến 1 Mbps (hiện nay thường thì < 
256 kbps)
 Tốc độ downstream lên đến 8 Mbps (hiện nay thường thì < 
1 Mbps)
 FDM: 50 kHz - 1 MHz cho downstream
4 kHz - 50 kHz cho upstream
0 kHz - 4 kHz cho điện thoại truyền thống
The Physic Layer 19
Truy cập tại nhà qua cable modems
ˆ Hệ thống cáp “lai” giữa đồng trục và quang (HFC: hybrid 
fiber coax)
 không đối xứng: downstream có thể đạt đến 10Mbps, 
upstream có thể đạt đến 1Mbps
ˆ mạng lưới cáp đồng trục và cáp quang “gắn” các hộ gia đình
đến router của ISP
 chia sẻ truy cập đến router giữa các gia đình
 các vấn đề: tắc nghẽn, “kích cỡ”
ˆ triển khai: qua các công ty “chạy” cáp, vd: MediaOne
(USA), STCV (Vietnam)
The Physic Layer 20
Minh họa về hệ thống cung cấp dịch vụ
cable modem
Diagram:  The Physic Layer 21
Kiến trúc mạng cable modem tổng quát
Typically 500 to 5,000 homes
home
cable headend
cable distribution
network (simplified)
The Physic Layer 22
Kiến trúc mạng cable modem tổng quát
home
cable headend
cable distribution
network (simplified)
The Physic Layer 23
Kiến trúc mạng cable modem tổng quát
home
cable headend
server(s)
cable distribution
network
The Physic Layer 24
Kiến trúc mạng cable modem tổng quát
The Physic Layer 25
home
cable headend
Channels
V
I
D
E
O
V
I
D
E
O
V
I
D
E
O
V
I
D
E
O
V
I
D
E
O
V
I
D
E
O
D
A
T
A
D
A
T
A
C
O
N
T
R
O
L
1 2 3 4 5 6 7 8 9
FDM:
cable distribution
network
Truy cập tại cơ quan: mạng cục bộ
ˆ mạng cục bộ (LAN) kết nối các
hệ thống đầu cuối đến router 
biên
ˆ Ethernet là công nghệ phổ biến
hiện nay cho LANs:
 Liên kết chia sẻ hoặc dành
riêng kết nối các hệ thống đầu
cuối và routers
 10 Mbs, 100Mbps, Gigabit 
Ethernet
ˆ triển khai: các cơ quan, trường, 
viện; mạng cục bộ gia đình đang
dần trở nên phổ biến hiện nay.
The Physic Layer 26
Mạng truy cập không dây
ˆ Mạng truy cập không dây chia
sẻ kết nối các hệ thống đầu cuối
đến router
 Thông qua các điểm truy cập dịch
vụ không dây
ˆ wireless LANs:
 802.11b (WiFi): 11 Mbps
ˆ Truy cập không dây diện rộng
 Được cung cấp bởi các nhà điều
hành viễn thông
 3G ~ 384 kbps
 WAP/GPRS ở châu Âu
base
station
mobile
hosts
router
The Physic Layer 27
Mạng gia đình
ˆ Các thành phần cơ bản của mạng gia đình: 
o ADSL hoặc cable modem để kết nối đến ISP
o Thiết bị định tuyến/tường lửa/NAT
o Các thiết bị được nối kết theo chuẩn Ethernet
o Điểm truy cập dịch vụ không dây (wireless access point)
The Physic Layer 28
wireless
access 
point
wireless
laptops
router/
firewall
cable
modem
to/from
cable
headend
Ethernet
(switched)
Độ trễ và mất mát xuất hiện như thế nào?
Các gói tin xếp hàng tại vùng đệm của router
ˆ tốc độ các gói tin đến từ liên kết đi vào vượt quá khả năng của liên
kết đi ra
ˆ các gói tin phải xếp hàng, đợi đến phiên được truyền
A
The Physic Layer 29
gói tin đang được truyền (delay)
các gói đang xếp hàng (delay)
vùng đệm còn trống: các gói tin đến sẽ bị bỏ đi nếu
vùng đệm không còn chỗ trống (loss)
B
Bốn nguồn gây ra độ trễ
ˆ 1. xử lý tại mỗi nút
(nodal processing) :
 kiểm tra lỗi bit
 xác định liên kết đầu ra
ˆ 2. xếp hàng (queueing)
 thời gian chờ đợi để được
truyền đi tại các liên kết đầu
ra
 tùy thuộc vào mức độ tắc
nghẽn của các router
A
B
propagation
transmission
nodal
processing queueing
The Physic Layer 30
Độ trễ trong mạng chuyển mạch gói
3. Độ trễ chuyển giao
(transmission delay):
ˆ R=dải thông của liên kết
(bps)
ˆ L=độ dài gói tin (bits)
ˆ Thời gian để chuyển các
bits xuống link = L/R
4. Độ trễ truyền tải
(propagation delay):
ˆ d = độ dài của liên kết vật lý
ˆ s = tốc độ truyền tải trong
phương tiện truyền (~2x108
m/sec)
ˆ độ trễ truyền tải = d/s
The Physic Layer 31
A
B
propagation
transmission
nodal
processing queueing
Chú ý: s và R là hai đại lượng
hoàn toàn khác nhau!
Sự mất gói tin
ˆDung lượng vùng đệm của hàng đợi là giới hạn
ˆ Khi các gói tin đến nhưng hàng đợi đầy, 
chúng sẽ bị bỏ (dropped)
ˆ Các gói bị mất có thể được truyền lại bời nút
liền trước, bởi nguồn gửi, hoặc không được
truyền lại gì cả.
The Physic Layer 32