Giáo trình Mạng truyền thông - Nghề: Điện tàu thủy, điện công nghiệp, công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
CỤC HÀNG HẢI VIỆT NAM
TRƯỜNG CAO ĐẲNG HÀNG HẢI I
GIÁO TRÌNH
MÔN HỌC: MẠNG TRUYỀN THÔNG
NGHỀ: ĐIỆN TÀU THỦY, ĐIỆN CÔNG
NGHIỆP, CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỀU
KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG
(Ban hành kèm theo Quyết định số ...... QĐ/ ngày .....tháng......năm....của........)
Hải Phòng, năm 2017
TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN
Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được
phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo hoặc tham
khảo.
Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh
doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm.
LỜI GIỚI THIỆU
Giáo trình “Mạng truyền thông” được biên soạn trên cơ sở đề cương chi tiết
môn học “Mạng truyền thông” dùng cho sinh viên các chuyên ngành điện tàu thủy,
điện công nghiệp, công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Trường Cao đẳng
Hàng Hải I.
Giáo trình cung cấp các kiến thức cơ bản về mạng truyền thông, cấu trúc
mô hình 7 lớp, các dạng cấu trúc mạng, truy nhập và bảo toàn dữ liệu trên đường
truyền, một số hệ thống bus tiêu biểu trong các hệ thống mạng và các thành phần
cấu thành nên hệ thống mạng. Giáo trình này có thể làm tài liệu cho giảng viên
giảng dạy, học sinh - sinh viên các trường kỹ thuật. Nội dung giáo trình bao gồm 6
chương:
Chương 1: Mô hình phân cấp mạng truyền thông và các khái niệm cơ bản về
mạng truyền thông công nghiệp
Chương 2: Mô hình quy chiếu OSI
Chương 3: Cấu trúc mạng
Chương 4: Truy nhập môi trường, bảo toàn dữ liệu
Chương 5: Một số hệ thống Bus tiêu biểu
Chương 6: Thành phần hệ thống mạng
Tác giả bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến tập thể các thầy, cô giáo khoa
Điện - Điện tử trường Cao đẳng Hàng hải I đã động viên và đóng góp nhiều ý kiến
cho giáo trình này. Trong quá trình biên soạn giáo trình không thể tránh khỏi
những sai sót. Rất mong các thầy, cô giáo, bạn đọc đóng góp ý kiến để giáo trình
được hoàn thiện hơn. Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về địa chỉ Khoa Điện - Điện tử
Trường Cao đẳng Hàng Hải I, số 498 Đà Nẵng - Đông Hải I - Hải An - Hải
Phòng.
Hải Phòng, ngày 09 tháng 10 năm 2017
Tham gia biên soạn
Chủ biên: Hà Thị Hồng Thúy
3
MỤC LỤC
Lời giới thiệu............................................................................................................. 3
Mục lục...................................................................................................................... 4
Danh mục từ viết tắt, thuật ngữ chuyên ngành ......................................................... 5
Danh mục hình vẽ .................................................................................................... 6
Chương 1: Mô hình phân cấp mạng truyền thông và các khái niệm cơ bản về mạng
truyền thông công nghiệp........................................................................................ 11
1. Mô hình phân cấp mạng truyền thông ................................................................ 11
3. Kiến trúc giao thức, dịch vụ truyền thông.......................................................... 15
Chương 2: Mô hình quy chiếu OSI ........................................................................ 18
1. Cấu trúc mô hình quy chiếu OSI....................................................................... 19
2. Các lớp của mô hình............................................................................................ 20
Chương 3: Cấu trúc mạng ....................................................................................... 26
1. Cấu trúc mạng, chế độ truyền tải ........................................................................ 26
2. Phương thức truyền dẫn ...................................................................................... 35
4. Một số chuẩn lớp vật lý....................................................................................... 40
2. Bảo toàn dữ liệu .................................................................................................. 50
Chương 5: Một số hệ thống BUS tiêu biểu............................................................. 55
Chương 6: Thành phần hệ thống mạng................................................................... 67
1. Phương tiện truyền dẫn ....................................................................................... 68
2. Giao diện mạng ................................................................................................... 71
3. Phần mềm trong hệ thống ................................................................................... 75
4. Thiết bị liên kết mạng.......................................................................................... 77
Tài liệu tham khảo................................................................................................... 81
4
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT, THUẬT NGỮ CHUYÊN NGÀNH
STT
1.
Kí hiệu
OSI
Tiếng Anh
Nghĩa tiếng Việt
Open System Interconnection Mô hình quy chiếu
2.
LLC
Logical link control
Lớp điều khiển liên kết logic
Điều khiển truy nhập môi
trường
3.
MAC
Medium access control
4.
5.
NRZ
RZ
Non return to zero
Return to zero
Điều chế biên độ xung
Điều chế biên độ xung
Điều chế sườn xung xoay
chiều
6.
AFP
Altemete flanked pulse
7.
8.
FSK
DTE
Frequency shift keying
Data ternninal equipment
Data communication
equipment
Dịch tần số
Thiết bị đầu cuối
9.
DCE
Thiết bị truyền dữ liệu
Phương pháp đa truy nhập
nhận biết sóng mang phát
hiện xung đột
Carrier sense multiple access
with collision detecter
10. CSMA/CD
Carrier sense multiple access Phương pháp đa truy nhập
11. CSMA/CA
with collision avoidane
tránh xung đột
12.
13.
HMI
FTP
Human machine interface
Giao diện người máy
Giao thức chuyển nhượng
tệp tin
File transfer protocol
Hightway adressable remote
transducer
Giao thức truyền thông tín
hiệu số
Giao thức liên kết dữ liệu
theo bit
14.
15.
HART
HDLC
Hight level data link control
Bộ thu/ phát không đồng bộ
Universal asynchronous
receiver/ Transmitter
16.
UART
5
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 2.2. Ví dụ mô hình lớp ................................................................................... 23
Hình 3.1. Các cấu trúc dạng Bus............................................................................. 27
Hình 3.2. Xử lý sự cố trong mạch vòng đúp........................................................... 29
Hình 3.4. Cấu trúc hình sao..................................................................................... 30
Hình 3.5. Cấu trúc hình cây .................................................................................... 31
Hình 3.6. Truyền bít song song và truyền bít nối tiếp ............................................ 31
Hình 3.7. Nguyên tắc truyền bít nối tiếp................................................................. 32
Hình 3.8. Truyền Simplex, Half – duplex, duplex.................................................. 33
Hình 3.12. Mã hóa bít Manchester – II và AFP...................................................... 39
Hình 3.13. Mã hóa dịch tần số FSK........................................................................ 39
Hình 3.17. Sơ đồ giắc cắm RS-232 loại DB-25...................................................... 42
Hình 3.18. Sơ đồ bộ kích thích và bộ thu RS-485 .................................................. 43
Hình 4.1. Phương pháp Master/Slave ..................................................................... 46
Hình 5.1. Kiến trúc giao thức của Profibus............................................................. 55
Hình 5.2. Cấu hình Multi-Master trong Prifibus..................................................... 56
Hình 5.3. Các dịch vụ truyền dữ liệu Profibus........................................................ 56
Hình 5.4. Cấu hình mạng chỉ phát – chỉ nhận......................................................... 58
6
Hình 5.6. Cấu trúc một mạng Interbus tiêu biểu..................................................... 64
Hình 6.2. Cấu tạo cáp đồng trục.............................................................................. 70
Hình 6.3. Nguyên tắc làm việc của cáp quang........................................................ 71
Hình 6.11. Cầu nối trong mô hình OSI................................................................... 79
7
GIÁO TRÌNH MÔN HỌC
Tên môn học: Mạng truyền thông
Mã môn học: MH.6520228.12; MH.6520227.34; MH.6510305.16
Thời gian thực hiện môn học: 30 giờ; (Lý thuyết 28giờ; Thực hành, thí nghiệm.
thảo luận, bài tập: 00 giờ; Kiểm tra: 02 giờ)
Vị trí, tính chất của môn học, ý nghĩa và vai trò của môn học:
- Vị trí:
+ Mạng truyền thông là môn học chuyên ngành của nghề điện tàu thủy, điện
công nghiệp, công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa;
+ Môn học có thể bố trí sau các môn cơ sở và trước các mô đun nghề.
- Tính chất: Môn học nghiên cứu các kiến thức cơ bản về mạng truyền thông
công nghiệp: khái niệm thông tin, dữ liệu, tín hiệu, cấu trúc mạng, kiến trúc giao
thức, tính năng thời gian thực, mã hóa bít, các hệ thống bus tiêu biểu thành phần hệ
thống mạng.
- Ý nghĩa và vai trò của môn học: Đây là môn học chuyên ngành, cung cấp
cho người học các kiến thức tổng quan về mạng truyền thông.
Mục tiêu của học phần:
- Về kiến thức: Cung cấp kiến thức tổng quan các mạng công nghiệp và một
số ứng dụng tiêu biểu trong thực tế
+ Xác định được phương pháp phân chia truy nhập đường dẫn;
+ Nêu được đặc điểm của các dạng cấu trúc mạng;
+ Nêu được các tiêu chuẩn mã hóa bít.
- Về kỹ năng: Có khả năng nhận biết, cấu hình một số mạng công nghiệp
được sử dụng trong thực tế.
- Về năng lực tự chủ và trách nhiệm: Có ý thức rèn luyện, vận dụng kiến
thức đã học vào thực tế công việc.
8
Nội dung môn học:
Môn học mạng truyền thông bao gồm 6 chương:
Chương 1: Mô hình phân cấp mạng truyền thông và các khái niệm cơ bản về
mạng truyền thông công nghiệp
Chương 2: Mô hình quy chiếu OSI
Chương 3: Cấu trúc mạng
Chương 4: Truy nhập môi trường, bảo toàn dữ liệu
Chương 5: Một số hệ thống Bus tiêu biểu
Chương 6: Thành phần hệ thống mạng
9
BÀI MỞ ĐẦU
Tốc độ phát triển nhanh chóng của công nghệ vi điện tử, kỹ thuật truyền
thông và công nghệ phần mềm trong những năm gần đây đã tạo ra sự chuyển biến
cơ bản trong hướng đi cho các giải pháp tự động hóa công nghiệp. Xu hướng phân
tán, mềm hóa và chuẩn hóa là ba trong nhiều điểm đặc trưng cho sự thay đổi này.
Những xu hướng mới đó không nằm ngoài mục đích giảm giá thành và giải pháp
nâng cao chất lượng hệ thống. Sử dụng rộng rãi các hệ thống mạng truyền thông
công nghiệp, đặc biệt là các hệ thống bus trường là một ví dụ tiêu biểu.
Mạng truyền thông công nghiệp cũng như công nghệ bus trường không phải
là một lĩnh vực hoàn toàn mới, mà thực chất là các công nghệ được kế thừa, chắt
lọc và phát triển từ kỹ thuật truyền thông nói chung cho phù hợp với các yêu cầu
trong công nghiệp. Điều này thể hiện ở chỗ, mỗi một người hoạt dộng trong lĩnh
vực điều khiển - tự động hóa đều cũng đã biết ít nhiều về nó. Từ hơn một thập kỷ
nay, công nghệ bus trường đã trở nên không thể thiếu được trong các hệ thống điều
khiển và giám sát hiện đại. Song thực tế người sử dụng trong công nghiệp thường
gặp phải một loạt các vấn đề khác nhau mặc dù rất cơ bản nhưng không được đề
cập ở các tài liệu thuộc lĩnh vực mạng truyền thông phổ thông.
Vấn đề đặt ra trước tiên khi xây dựng giải pháp tự động hóa là lựa chọn hệ
thống mạng truyền thông nào phù hợp với yêu cầu và nhiệm vụ của ứng dụng thực
tế. Ví dụ giải pháp bus trường nào có thể thỏa mãn yêu cầu về cấu trúc hệ thống và
tính năng thời gian thực của ứng dụng. Tiếp theo là bài toán đặt cấu hình, tham số
và đưa hệ thống đi vào vận hành.
Vì vậy, môn học mạng truyền thông là rất cần thiết cho sinh viên các nghề
điện tàu thủy, điện công nghiệp, công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa để
đáp ứng các yêu cầu công việc trong thực tế.
10
CHƯƠNG 1: MÔ HÌNH PHÂN CẤP MẠNG TRUYỀN THÔNG VÀ
CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP
MH.6520228.12.01; MH.6520227.34.01; MH.6510305.16.01
Giới thiệu:
Để thấy rõ phạm vi đề cập của lĩnh vực truyền thông công nghiệp, ta cần
phân biệt với các hệ thống mạng viễn thông và mạng máy tính, về cơ sở kỹ thuật,
mạng công nghiệp và các hệ thống mạng viễn thông có rất nhiều điểm tương đồng,
tuy nhiên cũng có những điểm khác biệt. Mạng truyền thông công nghiệp thực chất
là một dạng đặc biệt của mạng máy tính. Để sắp xếp, phân loại và phân tích đặc
trưng các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp, ta dựa vào mô hình phân cấp
quen thuộc cho các công ty, xí nghiệp sản xuất.
Mục tiêu:
- Nêu được ưu điểm của mạng truyền thông công nghiệp với các mạng
truyền thông thông thường khác;
- Nêu được các khái niệm cơ bản về mạng truyền thông công nghiệp;
- Phân biệt được các cấp của hệ thống ứng với các hệ thống mạng của hệ
thống;
Nội dung chính:
1. Mô hình phân cấp mạng truyền thông
1.1. Khái niệm, ưu điểm của mạng truyền thông nghiệp
a. Khái niệm mạng truyền thông công nghiệp
Mạng truyền thông công nghiệp hay mạng công nghiệp là một khái niệm
chung chỉ các hệ thống mạng truyền thông số, truyền bit nối tiếp, được sử dụng để
ghép nối các thiết bị công nghiệp. Các hệ thống truyền thông công nghiệp phổ biến
hiện nay cho phép liên kết mạng ở nhiều mức khác nhau, từ các cảm biến, cơ cấu
chấp hành dưới cấp trường cho đến các máy tính điều khiển, thiết bị quan sát, máy
tính điều khiển giám sát và các máy tính cấp điều hành xí nghiệp, quản lý công ty.
b. Ưu điểm của mạng truyền thông công nghiệp
Đơn giản hoá cấu trúc liên kết giữa các thiết bị.
Tiết kiệm dây nối và công thiết kế, lắp đặt hệ thống.
Nâng cao độ tin cậy và độ chính xác của thông tin.
Nâng cao độ linh hoạt, tính năng mở của hệ thống.
11
Đơn giản hoá/tiện lợi hoá việc tham số hoá, chẩn đoán, định vị lỗi, sự cố của
các thiết bị. Mở ra nhiều chức năng và khả năng ứng dụng mới của hệ thống.
1.2. Các cấp của hệ thống
Để sắp xếp, phân loại và phân tích đặc trưng các hệ thống mạng truyền
thông công nghiệp, ta dựa vào mô hình phân cấp quen thuộc cho các công ty, xí
nghiệp sản xuất. Với loại mô hình này, các chức năng được phân thành nhiều cấp
khác nhau, như được minh họa trên hình 1.1.
Hình 1.1. Mô hình phân cấp chức năng công ty sản xuất công nghiệp
Càng ở những cấp dưới thì các chức năng càng mang tính chất cơ bản hơn
và đòi hỏi yêu cầu cao hơn về độ nhanh nhạy, thời gian phản ứng. Một chức năng
ở cấp trên được thực hiện dựa trên các chức năng cấp dưới, tuy không đòi hỏi thời
gian phản ứng nhanh như ở cấp dưới, nhưng ngược lại lượng thông tin cần trao đổi
và xử lý lại lớn hơn nhiều. Có thể coi đây là một mô hình phân cấp chức năng cho
cả hệ thống tự động hóa nói chung cũng như cho hệ thống truyền thông nói riêng
của một công ty.
Tương ứng với năm cấp chức năng là bốn cấp của hệ thống truyền thông. Từ
cấp điều khiển giám sát trở xuống thuật ngữ “bus” thường được dùng thay cho
“mạng”, với lý do phần lớn các hệ thống mạng phía dưới đều có cấu trúc vật lý
hoặc logic kiểu bus.
1.3. Các hệ thống mạng của hệ thống
a. Bus trường, bus thiết bị
Bus trường (fieldbus) thực ra là một khái niệm chung được dùng trong các
ngành công nghiệp chế biến để chỉ các hệ thống bus nối tiếp, sử dụng kỹ thuật
truyền tin số để kết nối các thiết bị thuộc cấp điều khiển (PC, PLC) với nhau và
12
với các thiết bị ở cấp chấp hành, hay các thiết bị trường. Các chức năng chính của
cấp chấp hành là đo lường, truyền động và chuyển đổi tín hiệu trong trường hợp
cần thiết. Các thiết bị có khả năng nối mạng là các vào/ra phân tán (distributed
I/O), các thiết bị đo lường (sensor, transducer, transmitter) hoặc cơ cấu chấp hành
(actuator, valve) có tích hợp khả năng xử lý truyền thông. Một số kiểu bus trường
chỉ thích hợp nối mạng các thiết bị cảm biến và cơ cấu chấp hành với các bộ điều
khiển, cũng được gọi là bus chấp hành/cảm bỉến.
Do nhiệm vụ của bus trường là chuyển dữ liệu quá trình lên cấp điều khiển
để xử lý và chuyển quyết định điều khiển xuống các cơ cấu chấp hành, vì vậy yêu
cầu về tính năng thời gian thực được đặt lên hàng đầu. Thời gian phản ứng tiêu
biểu nằm trong phạm vi từ 0,1 tới vài miligiây.
b. Bus hệ thống, bus điều khiển
Các hệ thống mạng công nghiệp được dùng để kết nối các máy tính điều khiển
và các máy tính trên cấp điều khiển giám sát với nhau được gọi là bus hệ thống
(system bus) hay bus quá trình (process bus). Khái niệm sau thường chỉ được dùng
trong lĩnh vực điều khiển quá trình. Qua bus hệ thống mà các máy tính điều khiển
có thể phối hợp hoạt động, cung cấp dữ liệu quá trình cho các trạm kỹ thuật và
trạm quan sát (có thể gián tiếp thông qua hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu trên các
trạm chủ) cũng như nhận mệnh lệnh, tham số điều khiển từ các trạm phía trên.
Thông tin không những được trao đổi theo chiều dọc, mà còn theo chiều ngang.
Các trạm kỹ thuật, trạm vận hành và các trạm chủ cũng trao đổi dữ liệu qua bus hệ
thống. Ngoài ra các máy in báo cáo và lưu trữ dữ liệu cũng có thể được kết nối qua
mạng này.
c. Mạng xí nghiệp
Mạng xí nghiệp thực ra là một mạng LAN bình thường, có chức năng kết
nối các máy tính văn phòng thuộc cấp điều hành sản xuất với cấp điều khiển giám
sát. Thông tin được đưa lên trên bao gồm trạng thái làm việc của các quá trình kỹ
thuật, các giàn máy cũng như của hệ thống điều khiển tự động, các số liệu tính
toán, thống kê về diễn biến quá trình sản xuất và chất lượng sản phẩm. Thông tin
theo chiều ngược lại là các thông số thiết kế, công thức điều khiển và mệnh lệnh
điều hành. Ngoài ra, thông tin cũng được trao đổi mạnh theo chiều ngang giữa các
máy tính thuộc cấp điều hành sản xuất, ví dụ hỗ trợ kiểu làm việc theo nhóm, cộng
tác trong dự án, sử dụng chung các tài nguyên nối mạng (máy in, máy chủ,...).
Khác với các hệ thống bus cấp dưới, mạng xí nghiệp không yêu cầu nghiêm
ngặt về tính-năng thời gian thực. Việc trao đổi dữ liệu thường diễn ra không định
kỳ, nhưng có khi với số lượng lớn tới hàng Mbyte.
13
d. Mạng công ty
Mạng công ty nằm trên cùng trong mô hình phân cấp hệ thống -truyền thông
của một công ty sản xuất công nghiệp. Đặc trưng của mạng công ty gần với một
mạng viễn thông hoặc một mạng máy tính diện rộng nhiều hơn trên các phương
diện phạm vi và hình thức dịch vụ, phương pháp truyền thông và các yêu cầu về
kỹ thuật. Chức năng của mạng công ty là kết nối các máy tính văn phòng của các
xí nghiệp, cung cấp các dịch vụ trao đổi thông tin nội bộ và với các khách hàng
như thư viện điện tử, thư điện tử, hội thảo từ xa qua điện thoại, hình ảnh, cung cấp
dịch vụ truy cập Internet và thương mại điện tử, v.v... Hình thức tổ chức ghép nối
mạng, cũng như các công nghệ được áp dụng rất đa dạng, tùy thuộc vào đầu tư
của công ty. Trong nhiều trường hợp, mạng công ty và mạng xí nghiệp được thực
hiện bằng một hệ thống mạng duy nhất về mặt vật lý, nhưng chia thành nhiều
phạm vi và nhóm mạng làm việc riêng biệt.
2. Các khái niệm cơ bản về mạng truyền thông công nghiệp
2.1. Khái niệm thông tin, truyền thông
a. Thông tin
Thông tin là một trong những khái niệm cơ sở quan trọng nhất trong khoa
học kỹ thuật, cũng giống như vật chất và năng lượng. Các đầu vào cũng như các
đầu ra của một hệ thống kỹ thuật chỉ có thể là vật chất, năng lượng hoặc thông tin,
như mô tả trên hình 1.2. Một hệ thống xử lý thông tin hoặc một hệ thống truyền
thông là một hệ thống kỹ thuật chỉ quan tâm tới các đầu vào và đầu ra là thông tin.
Tuy nhiên, đa số các hệ thống kỹ thuật khác thường có các đầu vào và đầu ra hỗn
hợp (vật chất, năng lượng và thông tin).
Hình 1.2. Vai trò của thông tin trong các hệ thống kỹ thuật
Thông tin là thước đo mức nhận thức, sự hiểu biết về một vấn đề, một sự
kiện hoặc một hệ thống. Ví dụ, một thông tin cho chúng ta biết một cách chính xác
hay tương đối về nhiệt độ ngoài trời hay mực nước trong bể chứa. Thông tin giúp
chúng ta phân biệt giữa các mặt của một vấn đề, giữa các trạng thái của một sự
vật. Nói một cách khác, thông tin chính là sự loại trừ tính bất định. Trong khi vật
chất và năng lượng là nền tảng của vật lý và hoá học, thì thông tin chính là chủ thể
của tin học và công nghệ thông tin.
14
Thông tin là cơ sở cho sự giao tiếp. Thông qua việc giao tiếp mà các đối tác
có thêm hiểu biết lẫn nhau hoặc về cùng một vấn đề, một sự kiện hoặc một hệ
thống.
b. Truyền thông
Truyền thông là một quá trình trao đổi thông tin giữa hai chủ thể với nhau,
được gọi là các đối tác giao tiếp, theo một phương pháp được qui định trước. Đối
tác này có thể điều khiển đối tác kia, hoặc quan sát trạng thái của đối tác. Các đối
tác giao tiếp có thể là người hoặc hệ thống kỹ thuật - tức là các thiết bị phần cứng
(đối tác vật lý) hoặc các chương trình phần mềm (đối tác logic).
Để thực hiện việc truyền thông ta cần các tín hiệu thích hợp, có thể là tín
hiệu tương tự hay tín hiệu số. Sự phân biệt giữa tín hiệu và thông tin dẫn tới sự
phần biệt giữa xử lý tín hiệu và xử lý thông tin, giữa truyền tín hiệu với truyền
thông. Có thể sử dụng các dạng tín hiệu rất khác nhau để truyền tải một nguồn
thông tin, cũng như một tín hiệu có thể mang nhiều nguồn thông tin khác nhau.
2.2. Khái niệm dữ liệu và tín hiệu
a. Dữ liệu
Thông tin là một đại lượng khá trừu tượng, vì vậy cần được biểu diễn dưới
một hình thức khác. Khả năng biểu diễn thông tin rất đa dạng, ví dụ qua chữ viết,
hình ảnh, cử chỉ, v.v... Dạng biểu diễn thông tin phụ thuộc vào mục đích, tính chất
của ứng dụng. Đặc biệt, thông tin có thể được mô tả, hay nói cách khác là được
“số lượng hoá” bằng dữ liệu để có thể lưu trữ và xử lý trong máy tính. Trong
trường hợp đó, ta cũng nói rằng thông tin được số hoá sử dụng hệ đếm nhị phân,
hay mã hóa nhị phân. Nói trong ngữ cảnh cấu trúc một bức điện, dữ liệu chính là
phần thông tin hữu ích được biểu diễn bằng dãy các bít {1,0}.
b.Tín hiệu
Việc trao đổi thông tin (giữa người và người, giữa người và máy) hay dữ
liệu (giữa máy và máy) chỉ có thể thực hiện được nhờ tín hiệu. Có thể định nghĩa,
tín hiệu là diễn biến của một đại lượng vật lý chứa đựng tham số thông tin/dữ liệu
và có thể truyền dẫn được. Theo quan điểm toán học thì tín hiệu được coi là một
hàm của thời gian.
3. Kiến trúc giao thức, dịch vụ truyền thông
3.1. Dịch vụ truyền thông
Một hệ thống truyền thông cung cấp dịch vụ truyền thông cho các thành
viên tham gia nối mạng. Các dịch vụ đó được dùng cho việc thực hiện các nhiệm
vụ khác nhau như trao đổi dữ liệu, báo cáo trạng thái, tạo lập cấu hình và tham số
15
hóa thiết bị trường, giám sát thiết bị và cài đặt chương trình. Các dịch vụ truyền
thông do nhà cung cấp hệ thống truyền thông thực hiện bằng phần cứng hoặc phần
mềm. Việc khai thác các dịch vụ đó từ phía người sử dụng phải thông qua phần
mềm giao diện mạng, để tạo lập các chương trình ứng phần mềm dụng, ví dụ
chương trình điều khiển, giao diện người-máy (HMI) và điều khiển giám sát
(SCADA). Các giao diện mạng này có thể được cài đặt sẵn trên các công cụ phần
mềm chuyên dụng (ví dụ phần mềm lập trình PLC, phần mềm SCADA, phần mềm
quản lý mạng), hoặc qua các thư viện phần mềm phổ thông khác dưới dạng các
hàm dịch vụ (ví dụ với C/C + + , VisualBasic, Delphi, OLE/DDE).
Có thể phân loại dịch vụ truyền thông dựa theo các cấp khác nhau: các dịch
vụ sơ cấp (ví dụ tạo và ngắt nối), dịch vụ cấp thấp (ví dụ trao đổi dữ liệu) và các
dịch vụ cao cấp (tạo lập cấu hình, báo cáo trạng thái). Một dịch vụ ở cấp cao hơn
có thể sử dụng các dịch vụ cấp thấp để thực hiện chức năng của nó. Ví dụ dịch vụ
tạo lập cấu hình hay báo cáo trạng thái cuối cùng cũng phải sử dụng dịch vụ trao
đổi dữ liệu để thực hiện chức năng của mình. Mặt khác, trao đổi dữ liệu thường
đòi hỏi tạo và ngắt nối. Phân cấp dịch vụ truyền thông còn có ý nghĩa là tạo sự linh
hoạt cho phía người sử dụng. Tùy theo nhu cầu về độ tiện lợi hay hiệu suất trao
đổi thông tin mà người ta có thể quyết định sử dụng một dịch vụ ở cấp nào.
Việc thực hiện tất cả các dịch vụ được dựa trên các nguyên hàm dịch vụ
(service primitive), gồm có:
Yêu cầu (request) dịch vụ, ký hiệu là .req, ví dụ connect.req
Chỉ thị (indication) nhận lời phục vụ, ký hiệu là ind, ví dụ connect.ind
Đáp ứng (response) dịch vụ, ký hiệu là res, ví dụ connect.res
Xác nhận (confirmation) đã nhận được đáp ứng, ký hiệu là .con, ví dụ
connect.con
Dựa trên quan hệ giữa bên cung cấp dịch vụ và bên yêu cầu dịch vụ cũng có
thể phân biệt giữa loại dịch vụ có xác nhận và dịch vụ không xác nhận. Dịch có
xác nhận đòi hỏi sử đụng cả bốn nguyên hàm, trong khi dịch vụ không xác nhận
bỏ qua đáp ứng và xác nhận.
3.2. Giao thức
Bất cứ sự giao tiếp nào cũng cần một ngôn ngữ chung cho các đối tác. Trong
kỹ thuật truyền thông, bên cung cấp dịch vụ cũng như bên sử dụng dịch vụ đều
phải tuân thủ theo các qui tắc, thủ tục cho việc giao tiếp, gọi là giao thức. Giao
thức chính là cơ sở cho việc thực hiện và sử dụng các dịch vụ truyền thông.
Một qui chuẩn giao thức bao gồm các thành phần sau:
16
Cú pháp (syntax): Qui định về cấu trúc bức điện, gói dữ liệu dùng khi trao
đổi, trong đó có phần thông tin hữu ích (dữ liệu) và các thông tin bổ trợ như địa
chỉ, thông tin điều khiển, thông tin kiểm lỗi,...
Ngữ nghĩa (semantic): Qui định ngữ nghĩa cụ thể của từng phần trong một
bức điện, như phương pháp định địa chỉ, phương pháp bảo toàn dữ liệu, thủ tục
điều khiển dòng thông tin, xử lý lỗi,...
Định thời (timing): Qui định về trình tự, thủ tục giao tiếp, chế độ truyền
(đồng bộ hay không đồng bộ), tốc độ truyền thông,...
Việc thực hiện một dịch vụ truyền thông trên cơ sở các giao thức tương ứng
được gọi là xử lý giao thức. Nói một cách khác, quá trình xử lý giao thức có thể là
mã hóa (xử lý giao thức bên gửi) và giải mã (xử lý giao thức bên nhận). Tương tự
như các dịch vụ truyền thông, có thể phân biệt các giao thức cấp thấp và giao thức
cao cấp. Các giao thức cao cấp là cơ sở cho các dịch vụ cao cấp và các giao thức
cấp thấp là cơ sở cho các dịch vụ cấp thấp.
Giao thức cao cấp gần với người sử dụng, thường được thực hiện bằng phần
mềm. Một số ví dụ về giao thức cao cấp là FTP (File Transfer Protocol) dùng trong
trao đổi file từ xa, HTTP (Hypertext Transfer Protocol) dùng để trao đổi các trang
HTML trong các ứng dụng Web, MMS (Manufacturing Message Specilcation)
dùng trong tự động hóa công nghiệp.
Giao thức cấp thấp gần với phần cứng, thường được thực hiện trực tiếp bởi
các mạch điện tử. Một số ví dụ giao thức cấp thấp quen thuộc là TCP/IP
(Transmission Control Protocol/Internet Protocol) được dùng phổ biến trong
Internet, HART (Highway Adressable Remote Transducer) dùng trong điều khiển
quá trình, HDLC High Level Data-link Control) làm cơ sở cho nhiều giao thức
khác và UART dùng trong đa số các giao diện vật lý của các hệ thống bus trường.
Hai giao thức nói sau - HDLC và UART - có vai trò quan trọng trong truyền thông
công nghiệp.
* Giao thức HDLC :
HDLC cho phép chế độ truyền bít nối tiếp đồng bộ hoặc không đồng bộ.
Một bức điện, hay còn gọi là khung frame) có cấu trúc như sau:
01111110
Cờ
8/16 bit
8 bit
n bit
16/32 bit
FCS
01111110
Địa chỉ
Điều khiển
Dữ liệu
Cờ
Mỗi khung được khởi đầu và kết thúc bằng một cờ hiệu với dãy bit
01111110. Dãy bit này được đảm bảo không bao giờ xuất hiện trong các phần
thông tin khác qua phương pháp nhồi bit (bit stuffing), tức cứ sau một dãy 5 bit có
giá trị 1 (11111) thì một bit 0 lại được bổ sung vào. Ô địa chỉ tiếp theo chứa địa
17
chỉ bên gửi và bên nhận. Tùy theo cách gán địa chỉ 4 hoặc 8 bit (tương ứng với 32
hoặc 256 địa chỉ khác nhau), ô này có chiều dài là 8 hoặc 16 bit.
* Giao thức UART:
UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) là một mạch vi điện
tử được sử dụng rất rộng rãi cho việc truyền bit nối tiếp cũng như chuyển đổi song
song/nối tiếp giữa đường truyền và bus máy tính UART cho phép lựa chọn giữa
chế độ truyền một chiều, hai chiều đồng bộ hoặc hai chiều không đồng bộ. Việc
truyền tải được thực hiện theo từng ký tự 7 hoặc 8 bit, được bổ sung 2 bit đánh dấu
đầu cuối và một bit kiểm tra lỗi chẵn lẽ (parity bit). Ví dụ với ký tự 8 bit được
minh họa dưới đây.
Start
0
0
1
2
3
4
5
6
7
p
Stop
1
LSB
MSB
Bit khởi đầu (Start bit) bao giờ cũng là 0 và bit kết thúc (stop bit) bao giờ
cũng là 1. Các bit trong một ký tự được truyền theo thứ tự từ bit thấp (LSB) tới bit
cao (MSB). Giá trị của bit chẵn lẻ p phụ thuộc vào cách chọn:
• Nếu chọn parity chẵn, thì p bằng 0 khi tổng số bit 1 là chẵn.
• Nếu chọn parity lẻ, thì p bằng 0 khi tổng số bit 1 là lẻ.
Câu hỏi chương 1
1. Trình bày khái niệm mạng truyền thông công nghiệp, ưu điểm của mạng
truyền thông công nghiệp?
2. Trình bày mô hình phân cấp của mạng truyền thông?
3. Trình bày các khái niệm cơ bản về mạng truyền thông công nghiệp?
4. Trình bày kiến trúc giao thức của mạng truyền thông công nghiệp?
Yêu cầu về đánh giá kết quả học tập của chương
- Đánh giá về kiến thức: Tự luận
- Đánh giá về kỹ năng:
18
CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH QUY CHIẾU OSI
MH.6520228.12.02; MH.6520227.34.02; MH.6510305.16.02
Giới thiệu:
OSI (Open System Interconnection - Reference Model) hoàn toàn không
phải là một chuẩn thống nhất về giao thức, cũng không phải là một chuẩn chi tiết
về dịch vụ truyền thông. OSI chỉ là một mô hình kiến trúc phân lớp với mục đích
phục vụ việc sắp xếp và đối chiếu các hệ thống truyền thông có sẵn, trong đó có cả
việc so sánh, đối chiếu các giao thức và dịch vụ truyền thông, cũng như cơ sở cho
việc phát triển các hệ thống mới. Theo mô hình OSI, chức năng hay dịch vụ của
một hệ thống truyền thông được chia thành bảy lớp, tương ứng với mỗi lớp dịch vụ
là một lớp giao thức.
Mục tiêu:
- Nêu được cấu trúc mô hình 7 lớp và trình bày được chức năng của các lớp trong
mô hình;
- Có ý thức rèn luyện và vận dụng kiến thức đã học vào trong thực tế.
Nội dung chính:
1. Cấu trúc mô hình quy chiếu OSI
1.1. Mô hình lớp
Để thực hiện một dịch vụ truyền thông, mỗi bức điện được xử lý qua nhiều
lớp trên cơ sở các giao thức qui định, gọi là xử lý giao thức theo mô hình lớp. Mỗi
lớp ở đây có thể thuộc chức năng của phần cứng hoặc phần mềm. Càng ở lớp cao
hơn thì phần mềm càng chiếm vai trò quan trọng, trong khi việc xử lý giao thức ở
các lớp dưới thường được các vi mạch điện tử trực tiếp thực hiện.
Hình 2.1. Nguyên tắc xử lý giao thức theo mô hình lớp
Hình 2.1 minh họa nguyên tắc xử lý giao thức theo mô hình lớp. Đứng từ
bên gửi thông tin, qua mỗi lớp từ trên xuống dưới, một số thông tin bổ trợ lại được
19
gắn thêm vào phần dữ liệu do lớp trên đưa xuống, gọi là đầu giao thức (protocol
header). Bên cạnh đó, thông tin cần truyền đi có thể được chia thành nhiều bức
điện có đánh số thứ tự, hoặc một bức điện có thể tổng hợp nhiều nguồn thông tin
khác nhau. Người ta cũng dùng các khái niệm như “đóng gói dữ liệu” hoặc “tạo
khung” để chỉ các thao tác này.
Một quá trình ngược lại sẽ diễn ra bên nhận thông tin. Các phần header sẽ
được các lớp tương ứng đọc, phân tích và tách ra trước khi gửi tiếp lên lớp trên.
Các bức điện mang một nguồn thông tin sẽ được tổng hợp lại, hoặc một bức điện
mang nhiều nguồn thông tin khác nhau sẽ được phân chia tương ứng. Đến lớp trên
cùng, thông tin nguồn được tái tạo.
1.2. Cấu trúc mô hình 7 lớp
Trên thực tế, khó có thể xây dựng được một mô hình chi tiết thống nhất về
chuẩn giao thức và dịch vụ cho tất cả các hệ thống truyền thông, nhất là khi các hệ
thống rất đa dạng và tồn tại độc lập. Chính vì vậy, năm 1983 tổ chức chuẩn hoá
quốc tế ISO đã đưa ra chuẩn ISO 7498 với mô hình qui chiếu OSI (Open System
Interconnection - Reference Model), nhằm hỗ trợ xây dựng các hệ thống truyền
thông có khả năng tương tác.
Chuẩn OSI này không đưa ra bất kỳ một qui định nào về cấu trúc một bức
điện, cũng như không định nghĩa bất cứ một chuẩn dịch vụ cụ thể nào. OSI chỉ là
một mô hình kiến trúc phân lớp với mục đích phục vụ việc sắp xếp và đối chiếu
các hệ thống truyền thông có sẵn, trong đó có cả việc so sánh, đối chiếu các giao
thức và dịch vụ truyền thông, cũng như cơ sở cho việc phát triển các hệ thống mới.
Theo mô hình OSI, chức năng hay dịch vụ của một hệ thống truyền thông
được chia thành bảy lớp, tương ứng với mỗi lớp dịch vụ là một lớp giao thức. Các
lớp này có thể do phần cứng hoặc phần mềm thực hiện, tuy nhiên chuẩn này
không đề cập tới chi tiết một đối tác truyền thông phải thực hiện từng lớp đó như
thế nào. Một lớp trên thực hiện dịch vụ của mình trên cơ sở sử dụng các dịch vụ ở
một lớp phía dưới và theo đúng giao thức qui định tương ứng. Thông thường, các
dịch vụ cấp thấp do phần cứng (các vi mạch điện tử) thực hiện, trong khi các dịch
vụ cao cấp do phần mềm (hệ điều hành, phần mềm điều khiển, phần mềm ứng
đụng) đảm nhiệm.
2. Các lớp của mô hình
2.1. Chức năng của từng lớp
a. Lớp ứng dụng
Lớp ứng dụng là lớp trên cùng trong mô hình OSI, có chức năng cung cấp
các dịch vụ cao cấp (trên cơ sở các giao thức cao cấp) cho người sử dụng và các
20
Tải về để xem bản đầy đủ
81 trang
22180
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Mạng truyền thông - Nghề: Điện tàu thủy, điện công nghiệp, công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- giao_trinh_mang_truyen_thong_nghe_dien_tau_thuy_dien_cong_ng.pdf
