Các nguyên lý cơ bản của các giao thức mức thấp cho truyền dữ liệu trong mạng truyền thông công nghiệp

Hệ thống thơng tin cơng nghiệp

Nhóm 20

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

Tiểu luận môn học
HỆ THỐNG THÔNG TIN CÔNG NGHIỆP
ĐỀ TÀI: “Các nguyên lý cơ bản của các giao thức mức thấp cho truyền dữ
liệu trong mạng truyền thơng cơng nghiệp”.
Giảng viên hướng dẫn
Nhóm thực

: TS. Nguyễn Văn Khang
:

Hà Nội, tháng 12/2011

1

Nhóm 20


Hệ thống thơng tin cơng nghiệp

Nhóm 20

DANH SÁCH THÀNH VIÊN NHÓM 20
*****

ĐỀ TÀI: Các nguyên lý cơ bản của các giao thức mức thấp cho truyền dữ liệu

trong mạng truyền thơng cơng nghiệp”.

STT

Họ tên

MSHV

1

Mai Thủy Anh
Phạm Lê Minh

CB110881

3

Hồng Văn Sao

CB110901

4

Phạm Ngọc Diệp

 Trong q trình làm việc, cả
nhóm đã cùng nhau thảo luận,

dịch và đóng góp ý kiến cho tất
cả các nội dung để hoàn thiện
bài báo cáo.
 Với mục tiêu tất cả các thành
viên đều phải nắm được 100%
nội dung nên về cơ bản, tất cả
các nội dung trong báo cáo đều
có sự tham gia của tất cả các
thành viên.

CB110807

2

Nhiệm vụ các thành viên

CB110818

2


Hệ thống thơng tin cơng nghiệp

Nhóm 20

Lời nói đầu
Do đặc thù của ngành công nghiệp mà đã tạo ra nhiều loại mạng truyền
thông khác nhau. Mặt khác mạng truyền thông trong cơng nghiệp cũng có
những đặc thù riêng, có thể phân biệt chúng với mạng thông tin quảng đại về
một số khía cạnh như: Phạm vi hoạt động, yêu cầu độ tin cậy khi truyền… Có

thể thấy các ưu điểm của mạng truyền thơng cơng nghiệp như: Thay thế được
hồn toàn hệ thống cũ (0-20mA, 0-10V…), cho phép làm việc với các nhà sản
xuất khác nhau, là hệ thống mở, cho phép điều khiển và hiệu chỉnh, giá thành
thấp, lượng thơng tin truyền tải lớn… Như vậy, tìm hiểu và phát triển mạng
truyền thông công nghiệp là một việc làm rất cần thiết. Một trong những khía
cạnh đáng quan tâm là các giao thức mức thấp trong mạng truyền thông cơng
nghiệp. Nội dung dưới đây chúng tơi xin trình bày “các nguyên lý cơ bản của
các giao thức mức thấp cho truyền dữ liệu trong mạng truyền thông công
nghiệp”. Do hạn chế về thời gian cũng như kiến thức chưa thực sự chuyên sâu,
nên không thể tránh được những thiếu sót, chúng tơi sẽ cố gắng khắc phục và
tìm hiểu kĩ hơn để hoàn thiện nội dung một cách đầy đủ hơn. Xin được gửi lời
cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo TS.Nguyễn Văn Khang đã định hướng cho chúng
tôi phát triển đề tài và tham khảo tài liệu để hồn thiện bài báo cáo này.
Nhóm thực hiện: Nhóm 20

3


Hệ thống thơng tin cơng nghiệp

Nhóm 20

1. Giới thiệu
Trong mạng chuyển mạch gói, các lớp thấp (lớp liên kết dữ liệu, lớp điều
khiển truy cập, lớp vật lý) đã giải quyết một vài nhiệm vụ cơ bản tạo thuận lợi
để truyền thông hiệu quả. Các lớp thấp đề cập đến thơng tin giữa các trạm lân
cận, cịn các lớp trên (lớp mạng, lớp truyền tải) đề cập đến truyền thông kết cuối
(end-to-end) thông qua nhiều trạm trung gian.
Do các lớp thấp truyền qua kênh vật lý nên bị ảnh hưởng nhiều nhất bởi đặc
tính vật lý của kênh (như băng thơng, lỗi kênh ...) , điều đó ảnh hưởng đến thiết

kế của chúng. Điều quan trọng của các lớp thấp đối với các hệ thống thông tin
công nghiệp phải đảm bảo thời gian thực ngặt nghèo và độ tin cậy: nếu các lớp
thấp không bảo đảm truyền thành công một gói/ khung trong một khoảng thời
gian nhất định, thì ở các lớp trên không thể bù lại được bằng bất kỳ cách nào.
Do đó nhiều kỹ thuật đã được phát triển để thực hiện các bảo đảm này và khắc
phục những thuộc tính kênh vật lý xấu như các lỗi truyền dẫn.
Hầu hết trong các mạng thông tin công nghiệp, truyền dẫn dựa trên truyền
gói, tức là dữ liệu được phân đoạn thành một số gói riêng biệt và các gói này
được truyền qua kênh. Do đó chúng ta sẽ quan tâm đến các vấn đề sau đây:
Khi nào ta truyền một gói tin? Nếu có nhiều trạm, cùng 1 lúc muốn truyền
tải gói dữ liệu của họ trên cùng một kênh truyền, do đó, cần có 1 giải pháp chia
sẻ kênh truyền cho từng trạm, nhằm đảm bảo các kênh đều có thể truyền dữ
liệu. Vấn đề này được giải quyết bằng cách ứng dụng giao thức điều khiển truy
nhập MAC.
Vậy làm thế nào để khắc phục sự cố khi có các lỗi trên kênh truyền? Đây là
lý do tại sao ta cần có cơ chế kiểm sốt lỗi.
Gói tin nào được truyền đi tiếp theo? Đây là vấn đề của việc lập kế hoạch gói
tin.
Làm thế nào để đảm bảo an toàn khi người nhận phải nhận quá nhiều luồng
dữ liệu từ máy phát? Đây là vấn đề của việc kiểm soát luồng.
Sau đây, chúng ta sẽ lần lượt tìm hiểu một số vấn đề cơ bản nhất.
2. Tạo khung và đồng bộ
Vấn đề đồng bộ liên quan đến việc truyền các đơn vị thơng tin (gói,
khung) giữa một thực thể gửi và và một thực thể nhận. Trong các hệ thống máy
4


Hệ thống thơng tin cơng nghiệp

Nhóm 20

tính, thơng tin thường được lưu và xử lý ở dạng số nhị phân (bit). Một gói được
hình thành từ một nhóm bit và sẽ được truyền tới phía thu. Phía thu nhất thiết
phải có khả năng xác định được một cách duy nhất điểm bắt đầu và kết thúc của
một gói tin cũng như của các bit trong gói đó.
Truyền thơng tin trên các khoảng cách ngắn, ví dụ, trong máy tính, có thể
được thực hiện bằng cách truyền song song. Ở đây, một số (chẳng hạn 64) dây
đồng song song truyền tất cả các bit của một “từ” dữ liệu 64 bit cùng một lúc.
Trong hầu hết các trường hợp, có thêm một dây để truyền “clock”, xung đồng
hồ, làm tham chiếu chung. Mỗi khi bên phát đặt mức điện áp hợp lệ (biểu diễn
một bit “1” hoặc “0”), trên tất cả các dây, tức là khi truyền dữ liệu, thì nó báo
hiệu cho bên thu bằng cách gửi một xung mẫu lên đường dây clock. Ngược lại,
dựa trên việc thu một xung trên dây clock, thì máy thu sẽ lấy mẫu các mức điện
áp trên tất cả các dây dữ liệu và biến đổi chúng trở lại thành các bit bằng cách
so sánh chúng với một ngưỡng.
Kiểu truyền này nhanh và đơn giản, nhưng không thực hiện được trên các
khoảng cách rộng, vì chi phí co cáp truyền lớn. Do đó, dữ liệu phải được nối
tiếp hóa và truyền từng bit một lên một đường dây đơn.
2.1.

Đồng bộ bit

Khoảng cách các bit được tạo ra bởi bên truyền thì phụ thuộc vào clock
của nó. Bên thu cần thơng tin clock này để lấy mẫu tín hiệu đi vào tại đúng các
thời điểm thích hợp. Khơng may là, các clock của các bên thu và các bên phát
không đồng bộ, và thông tin đồng bộ phải được khôi phục từ dữ liệu thu về;
phía thu phải đồng bộ với phía phát. Quá trình này được gọi là đồng bộ bít. Mục
đích là để cho máy thu lấy mẫu tín hiệu thu vào giữa chu kỳ bit để tín khơi phục
được tốt nhất, chống lại lại sự suy yếu của kênh vật lý, như sự hạn chế băng
thơng và các méo tín hiệu. Đồng bộ bit được gọi là synchronous (thiếu đồng

bộ), khi mà các clock chỉ được đồng bộ cho một từ mã và phải đồng bộ lại cho
từ mã tiếp theo. Một kỹ thuật chung cho việc này dùng một “start bit”, bit khởi
đầu, trước từ mã và một hoặc nhiều stop bit, bit kết thúc, để kết thúc nó. Đặc
điểm truyền/nhận bất đồng phổ biến (UART) xác định thêm một bit chẵn lẻ vào
8 bit dữ liệu, do đo phải truyền tổng số 11 bit cho mỗi 8 bit dữ liệu. Hình 2
minh họa điều này.
Đối với các dịng bít thông tin dài hơn, cần đồng bộ clock thu một cách
liên tục. Vịng khóa pha số (DPLL) là một mạch điện mà nó điều khiển một
5


Hệ thống thơng tin cơng nghiệp

Nhóm 20

clock nội bộ và điều chỉnh nó theo clock thu được là clock được trích ra từ tín
hiệu đến. Để khơi phục clock từ tín hiệu, thì các thay đổi mức tín hiệu đủ
thường xuyên là cần thiết. Mặt khác, nếu đường dây xuất hiện mức tín hiệu
giống nhau trong một thời gian dài (như có thể xảy ra đối với phương pháp mã
hóa NRZ, ở đây các bit được ánh xạ trực tiếp thành các mức điện áp), thì clock
thu có thể trơi khỏi clock truyền. Mã hóa Manchester (hình 1) đảm bảo rằng có
ít nhất một sự thay đổi tín hiện trên một bit. Mỗi mức logic 1 được biểu diễn bởi
một sự thay đổi tín hiệu từ 1 về 0, cịn một mức logic 0 thì ngược lại được biểu
diễn bởi sự thay đổi tín hiệu từ 0 về 1. Clock bên trong của DPLL lấy mầu tín
hiệu vào với một tần số cao hơn nhiều, ví dụ như là, 16 lần trên bit. Đối với một
bit logic “0” đến đúng lúc, thì DPLL thu một mẫu 0000000011111111. Nếu sự
chuyển đổi giữa các mẫu “0” và “1” khơng ở chính giữa của bit, thay vào đó là
ở bên phải hoặc bên trái của nó, thì clock nội bộ phải được điều chỉnh lại cho
chạy nhanh hơn hoặc chậm đi một cách lần lượt. Trong IEEE 802.3, thì các bit
được mã hóa theo kiểu Manchester. Để cho phép một DPLL của phần thu đồng

bộ với luồng bit thu được, thì một mào đầu dài 64 bit sẽ được truyền ở đầu mỗi
khung. Mào đầu nay gồm các bit “0” và “1” luân phiên tạo ra một sóng vng
5MHz. Điểm kết thúc của mào đầu và bắt đầu của một khung dữ liệu được đánh
dấu bằng 2 bit 1 liên tiếp.

Hình 1: Mã NRZ, mã Manchester và Manchester vi sai

6


Hệ thống thơng tin cơng nghiệp

Nhóm 20

Hình 2: DIN 12945 Profibus: ký tự và các định dạng khung
2.2.

Đồng bộ khung

Phía thu cần biết đươc thông thu được là trọn vẹn và chính xác hay chưa.
Để giải quyết về vấn đề này, máy thu cần biết nơi một gói bắt đầu và kết thúc.
Câu hỏi đặt ra chính là việc đánh dấu điểm khởi đầu và kết thúc một gói. Có
một vài phương pháp để thức hiện việc này. Trong các giao thực tế, ta thường
thấy các kết hợp của chúng. Trong phần sau, một số phương pháp tiêu biểu sẽ
được để cập một cách ngắn gọn.
- Khoảng trống thời gian (Time gap)
Cách đơn giản nhất để phân biệt giữa các khung là tạo ra cac khoảng trống thời
gian giữa chúng. Đặc biệt là khi môi trương truyền được chia sẻ cho một vài
trạm, thì tất cả chúng phải có các khoảng trống thời gian. Như nó sẽ được xem
xét ở phần các giao thức CSMA, một vài giao thức MAC dựa vào các khoảng

trống thời gian nhỏ nhất để xác định mơi trường có thể truy cập hay khơng.
Các khoảng trống thời gian là một cách đơn giản để nhận biết điểm bắt
đầu của một khung nhưng với điểm kết thúc của khung thì sao? Sử dụng các
khoảng trống thời gian, điểm kết thúc của một gói trước có thể chỉ được nhận
biết sau một khoảng trống thời gian. Nhưng ngay cả khi máy thu nhận thấy
được một thiết bị im lặng, thì nó cũng khơng thể đảm bảo điều này là kết quả
của một truyền dẫn thành công hoặc một lỗi liên kết hoặc lỗi nút mạng. Do đó
cần phải có các cách khác.
7


Hệ thống thơng tin cơng nghiệp

Nhóm 20

- Vi phạm mã (code violation)
Một bit thường được mã hóa bởi một mơ hình tín hiệu nhất định ( ví dụ: sự
thay đổi mức điện áp hoặc mức dịng điện). Có nghĩa là tạo ra sự khác nhau cho
các bit 0 và bit 1. Một mơ hình tín hiệu khơng đặc trưng cho các giá trị khởi tạo
của một khung. Ví dụ như giao thức token ring IEEE 802.5, sử dụng mã hóa
Manchester vi sai (differential Manchester)
- Các cờ khởi tạo/kết thúc
Một vài giao thức sử dụng các cờ riêng biệt để chỉ thị các đường bao của
khung. Một chuỗi 01111110, chuỗi cờ, gồm 6 bit “1” trong một chuỗi, đánh dấu
việc khởi đầu và kết thúc mỗi khung. Đương nhiên, dữ liệu được truyền có thể
là một chuỗi bit bất kỳ, có thể giống với chuỗi bít cờ. Để tránh sự hiểu sai một
mẩu dữ liệu truyền đi như là điểm kết thúc của một khung , thì bến gửi phải
đảm bảo rằng nó chỉ gửi mẫu cờ nếu nó thực sự là một cờ. Bất kỳ một dữ liệu
nào giống với cờ phải được biến đổi theo một cách thuận lợi để phía thu khơi
phục được dữ liệu gốc. Điều này có thể thực hiện bằng cách sử dụng các kỹ

thuật chèn bit hoặc byte.
Kỹ thuật chèn bit trong điều khiển liên kết dữ liệu mức cao (HDLC) có
nghĩa là phía gửi sẽ chèn các bit 0 sau 5 bit 1 liên tiếp. Phía nhận sẽ kiểm tra
nếu bit thứ 6, sau bit thứ 5 là một bit 0 hay bit 1. Nếu phát hiện bit 0, hệ thống
sẽ loại bỏ bit này khỏi dãy dãy. Ngược lại, nếu phát hiện bit 1, nó có thể chắc
chắn rằng đây chính là ranh giới khung. Tuy nhiên, vẫn có thể xảy ra lỗi truyền
dẫn khi sửa đổi chuỗi dữ liệu 01111100 thành 01111110,sẽ tạo ra một cờ khởi
tạo. Do đó, cơ chế bổ xung các khoảng trống thời gian sẽ giúp loại bỏ các bit
tiếp theo và phát hiện sự kết thúc của khung. Kĩ thuật chèn bit nhằm tránh các
bit cờ trên khung dữ liệu.
Kĩ thuật chèn byte như giao thức Point to Point ( PPP) cũng sử dụng các
bit cờ, nhưng dựa vào phương thức truyền một byte định hướng. Khi này, các
cờ được xem như các giá trị hexa 0X7E. Mỗi lần xuất hiện của các bit cờ sẽ
được thay thế bởi 2 kí tự, 0x7D 0x5D. Bằng cách này, các bit cờ mất đi, nhưng
nếu trong chuỗi dữ liệu người dùng có chứ 0x7D (cịn gọi là kí tự Escape) thì nó
cũng bị thay thế. Phía nhận sau khi phát hiện mất các kí tự khỏi dịng byte, nó sẽ
loại bỏ byte này và tiến hành thuật tốn XOR của 0x20 với các byte kế tiếp để
phục hồi chuỗi dữ liệu gốc.

8


Hệ thống thơng tin cơng nghiệp

Nhóm 20

Trong cả hai trường hợp, nếu dữ liệu truyền đi nhiều thì khơng cần đến
việc sử dụng kĩ thuật chèn bit hay byte, lúc này để giải quyết bài toán đồng bộ
khung, số lượng các bit thêm vào đầu phải được tách rời với luồng bit dữ liệu
truyền đi. Một cách sử dụng không hợp lý có thể làm tăng mức độ ảnh hưởng

lên gấp đôi tốc độ bit (chèn byte) hoặc làm tăng khoảng 20% (chèn bit) bằng
cách truyền liên tục một chuỗi các bit cờ. Để tránh điều này, ta có thể áp dụng
một số biện pháp sau đây: một cách là xáo trộn dữ liệu người dùng trước khi nó
được đưa vào khung dữ liệu; một cách khác là chèn vào byte đầu tiên phù hợp
(COBS). Trong trường hợp này, chuỗi các byte dữ liệu được quét trước khi các
bit cờ xuất hiện. Trình tự các byte dữ liệu tiếp theo được cắt thành từng đoạn dữ
liệu có độ dài 254 byte khơng chứa cờ. Do đó, cờ xuất hiện trong chuỗi dữ liệu
được thay thế bằng một byte đặc trưng cho số lượng byte dữ liệu không chứa
cờ. Bằng cách này, dữ liệu truyền đi sẽ không bị tăng lên và sẽ có ít nhất 1 cờ
cho mỗi 255 byte dữ liệu. Hay nói cách khác, đã có thêm 1 byte được chèn vào
mỗi đoạn 254 byte tạo thành đoạn dữ liệu có độ dài đầy đủ.
- Trường độ dài
Để tránh việc phải xử lý các bit hoặc kí tự chèn vào đầu khung, ta dành
một độ dài trường tại mào đầu (header) của khung cho biết độ dài của cả khung.
Khi đọc trường này, ta có thể biết được có bao nhiêu kí tự hay byte sẽ được
chuyển đến. Do đó khơng cần có dấu hiệu phân cách khi kết thúc 1 khung. Ta
có thể truyền liên tục các gói tin tiếp theo chứa các kí tự trống hoặc kết nối đoạn
đầu khung với bit start, bit start dùng để xác định độ dài khung.
Giải pháp phù hợp nhất nhằm tiết kiệm chi phí truyền tải, trường độ dài giúp
giảm bớt các lỗi xảy ra với việc truyền tải dữ liệu. Nếu gói thơng tin độ dài
trường bị mất hoặc truyền lỗi thì sẽ rất khó để khơi phục lại. Do đó, thơng tin
này cần được đảm bảo tính an toàn bằng cách sử dụng mã sửa lỗi hoặc truyền
dự phòng. Các cơ chế khác (như khoảng thời gian trống) nên được sử dụng để
xác định điểm kết thúc của một khung, ngay cả khi thông tin trường độ dài
khơng chính xác.
3. Các giao thức MAC (Medium Access control)
Các giao thức MAC giải quyết cùng vấn đề: để cho một số trạm chia sẻ
một tài nguyên chung (là môi trường truyền dẫn) theo một cách hiệu quả.
Chúng đóng vai trò quan trọng trong mạng LAN và MAN, thường được dùng

9


Hệ thống thơng tin cơng nghiệp

Nhóm 20

cho các kết nối trong phạm vi nhỏ, số lượng người dùng ít, tạo kết nối để người
dùng có thể giao tiếp với nhau trong mạng.
Với mơ hình tham chiếu OSI, lớp MAC khơng tạo thành một lớp giao
thức riêng. Nhưng nó là một lớp con của lớp vật lý hoặc lớp liên kết dữ liệu.
Tuy vây, trong tài liệu này, chúng ta sẽ coi MAC như là một lớp vì nó có một
nhiệm vụ riêng. Tầm quan trọng của lớp MAC được phản ánh bởi một thực tế là
rất nhiều chuẩn giao thức MAC tồn tại, ví dụ, các chuẩn IEEE 802.x. Nhiệm vụ
cơ nhất của nó là để xác định cho mỗi trạm đã gắn với một môi trường truyền
quảng bá chung là khi nào được phép truy cập để gửi khung dữ liệu hoặc khung
điều khiển cho nó.
Hoạt động và cách ứng xử của một giao thức MAC bị ảnh hưởng nhiều
bởi các thuộc tính của lớp vật lý cơ sở và mục đích thiết kế. Đặc biệt là đối với
thơng tin địi hỏi thời gian thực, thì lớp MAC là một thành phần then chốt: nếu
trễ trên lớp MAC không bị giới hạn một cách chặt chẽ, thì các lớp trên không
thể bù lại được. Nhiều giao thức MAC đã được phát triển trong 3 thập kỷ gần
đây. Trong phần này, chúng ta chỉ xét những lớp giao thức quan trong cho các
ứng dụng công nghiệp, đã triển khai ở một vài nhà máy hoặc như các giao thức
độc lập hoặc như các giao thức phức tạp hơn trong các tịa nhà.
3.1.

Các u cầu và chất lượng phục vụ

Có một số yêu cầu đối với các giao thức MAC, một số trong chúng dành

riêng cho các ứng dụng công nghiệp với yêu cầu về độ tin cậy và thời gian thực
chặt chẽ.
Có 2 thước đo trễ chủ yếu là: trễ truy cập và trễ truyền dẫn. trễ truy cập là
khoảng thời gian giữa thời điểm đến của một khung so với thời điểm bắt đầu
truyên khung đó. Thời gian này bị ảnh hưởng bởi phần mào đầu hoạt động của
chính bản thân MAC, như các xung đột, các khung điều khiển MAC, phản hồi
và thời gian chờ. . . Trễ truyền dẫn biểu thị khoảng thời gian giữa thời điểm
khung đến với thời điểm nhận thành cơng của nó ở máy. Đối với các ứng dụng
công nghiệp với các yêu cầu thời gian thực ngặt nghèo, cả 2 loại trễ này nhất
thiết phải được giới hạn trên.
Một yêu cầu then chốt đối với các ứng dụng công nghiệp là hỗ trợ quyền
ưu tiên “priorities”: các khung quan trọng nên được truyền trước những khung
khơng quan trọng. u cầu này có thể được được đưa ra một cách cục bộ hoặc
tổng thể: trong trường hợp cục bộ, mỗi trạm sẽ tự quyết đinh khung nào của nó
10


Hệ thống thơng tin cơng nghiệp

Nhóm 20

được truyền đi tiếp. Khi đó, khơng thể bảo đảm rằng các khung quan trọng của
trạm A không bị cản trở bởi các khung không quan trọng của một trạm B khác.
Trong trường hợp tổng thể, giao thức sẽ nhận biết khung quan trọng nhất của tất
cả các trạm để truyền đi tiếp.
Điều cần thiết để chia sẻ băng thông giữa các trạm tạo thành lớp các
thuộc tính mọng muốn MAC quan trọng khác. Một u cầu đặt ra là tính cơng
bằng: Các trạm nên có sự chia sẻ cơng bằng về băng thơng ví dụ như, có thể
xác định bằng lượng tải tối thiểu của mỗi trạm và bằng băng thông tổng thể chia
cho số lượng trạm.

Về thông lượng, điều quan trọng là giữ mức thấp của mào đầu MAC.
Điều đó liên quan tới các định dạng của khung, số lượng và tần suất các khung
điều khiển MAC, và các tổn hao bởi hoạt động của giao thức MAC. Một ví dụ
cho các tổn hao là khi giao thức cho phép xung đột: băng thơng dùng cho các
gói xung đột bi mất đi, chủ yếu vì các khung va chạm là vơ ích và phải truyền
lại, mà điều này là tai hại về mặt băng thông. Một giao thức MAC được xem là
ổn định nếu việc tăng tồn bộ tải khơng dẫn đến việc tăng thông lượng.
Phụ thuộc vào lĩnh vực ứng dụng, các ràng buộc khác cũng có thể quan
trọng. Đối với các thiết bị ở lĩnh vực đơn giản, việc thực hiện MAC nên có độ
phức tạp thấp và đủ đơn giản để thực hiện được trong phần cứng. Đối với các
trạm di động sử dụng phương tiên truyền không dây, sự tiêu thụ năng lượng là
một mối quan tâm chính; MAC cần có các phương pháp tiết kiệm năng lượng
khác nhau. Đối với phương tiện truyền không dây, MAC cần có các phương án
bổ sung để thích nghi với tác động gây lỗi tức thời của kênh khơng dây; có thể
là điều khiển công suất phát, các mã sửa sai, tỷ lệ lỗi bit …
3.2.

Các nhân tố thiết kế

Các nhân tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến thiết kế các giao thức MAC
là các thuộc tính cũng như cấu trúc (topo) của phương tiện truyền và các phản
hồi từ phương tiện truyền có thể có.
Chúng ta có thể phân một cách tương đối thành phương tiện truyền dùng
dây dẫn và phương tiện không dây. Ở phương tiên truyền dùng dây dẫn, thì tín
hiệu xuất phát ra từ các truyền dẫn khung truyền đi bên trong các rang giới địa
lý xác đinh, chủ yếu là bên trong cáp đồng và cáp quang. Nếu mơi trường truyền
được bảo vệ một cách thích hợp, thì 2 cáp có thể đặt gần nhau mà khơng có
nhiễu lẫn nhau do tín hiệu đã bị suy yếu. Ngược lại, ở các phương tiện truyền
11

Hệ thống thơng tin cơng nghiệp

Nhóm 20

khơng dây, thì việc truyền sóng có thể thấy được trên tồn bộ vùng lân cận, và
các truyền dẫn có thể bị thu ở bất kỳ điểm nào đủ gần để truyền. Do đó 2 mạng
khác nhau chồng lấn trong cùng vùng địa lý có thể tác động lẫn nhau.
Mạng phương tiện truyền dùng dây dẫn có thể có số mơ hình. Trong một
mơ hình dạng vịng (hình 3), mỗi trạm có một liên kết điểm-điểm tới 2 trạm lân
cận, như thế các trạm tạo thành một vịng. Trong một mơ hình dạng tuyến “bus”
như ở hình 4 , các trạm được kết nối tời một bus chung và tất cả các trạm đều
thấy các tín hiệu giống nhau. Vì thế bus là một phương tiện quản bá. Trong cấu
hình dạng sao (hình 5), tất cả các trạm chỉ có một kết nối tới một thiết bị trung
tâm, bộ nối hình sao, thiết bị này lặp lại và có thể khuếch đại các tín hiệu đến từ
một đường tới tất cả các đường khác. Một mạng với cấu hình dạng sao cũng
cung cấp một phương tiện quảng bá, ở đó mỗi trạm có thể nghe thấy tất cả các
truyền dẫn. Khi sử dụng phương tiện truyền dẫn khơng dây, khoảng cách giữa
các trạm có thể quá rộng để cho phép tất cả các trạm thu đươc tất cả các truyền
dẫn. Do vậy, mạng này thường chỉ được kết nối một phần hoặc có cấu trúc
mạng lưới một phần. như hình 6.

Hình3: Mơ hình dạng vòng

12


Hệ thống thơng tin cơng nghiệp

Nhóm 20

Hình 4: Mơ hình dạng tuyến “Bus”

Hình 5: Mơ hình dạng sao

13


Hệ thống thơng tin cơng nghiệp

Nhóm 20

Hình 6: Mơ hình dạng kết hợp
Một thuộc tính quan trọng của một kênh vật lý là có phản hồi. Đặc biệt,
một vài thiết bị cho phép một trạm đọc dữ liệu phản hồi từ kênh trong khi
truyền. Điều này có thể được thực hiện để nhận biết các truyền hỏng (như trong
giao thức PROFIBUS), các xung đột (như giao thức Ethernet) hoặc các truyền
dẫn theo mức ưu tiên cao hơn cùng đến (như trong giao thức CAN). Tính chất
này thường khơng thấy được trong các kênh không dây. Ở đây, không thể gửi
và nhân đồng thời trên cùng một kênh.
3.3.

Các giao thức truy cập ngẫu nhiên

Trong giao thức truy cập ngẫu nhiên (RA), các trạm không được phối hợp
và các giao thức hoạt động trong một phương thức phân tán hoàn toàn. Các giao
thức RA thường kết hợp với một thành phần ngẫu nhiên, ví dụ, bằng cách dùng
thời gian đến ngẫu nhiên của các gói, bằng cách thiết lập các bộ định thời các
giá trị ngẫu nhiên . . . Việc thiếu sự kết hợp tập trung và không phân bổ tài
nguyên cố định cho phép chia sẻ một kênh, về tiềm năng, cho một số lương

trạm không hạn chế, trong khi đó các giao thức phân bổ cố định và các giao
thức thăm dò chỉ hỗ trợ một số lượng hạn chế các trạm. Tuy vậy tính chất ngẫu
nhiên có thể làm cho trễ truy cập và trễ truyên dẫn khó kiểm soát được.
- ALOHA và Slotted ALOHA
Một giao thức cổ điển là ALOHA, ở đó một trạm gửi một khung dữ liệu
vừa đến ngay lập tức khơng cần thăm dị trạng thái của phương tiện truyền dẫn.
Do đó các kênh từ nhiều trạm có thể chồng chéo về thời gian (xung đột), mà nó
có thể làm cho chúng khơng thể nhận biết được. Ở Slotted ALOHA (ALOHA
khe), tất cả các trạm được đồng bộ với một bộ tham chiếu thời gian chung và
14


Hệ thống thơng tin cơng nghiệp

Nhóm 20

thời gian được chia thành các khe thời gian kích thước cố đinh. Ở Slotted
ALOHA, các khung vừa đến được gửi tại điểm bắt đầu của khe thời gian tiếp
theo. Ở cả hai trường hợp, phía truyền khởi động một bộ đếm thời gian sau khi
truyền khung. Phía thu phải gửi một khung xác nhận ngay lập tức trong lúc
nhân được một khung dữ liệu thành cơng. Khi phía phát nhân được xác nhận, nó
dừng bộ đếm và xem khung đó đã truyền thành cơng. Nếu bộ đếm kết thúc, phía
truyền chọn một cách ngẫu nhiên một khoảng thời gian “backoff time”, để nó
kết thúc trước khi nó thử truyền lại một khung. “backoff time” được chọn ngẫu
nhiên để tránh đồng bộ và xung đột giữa các trạm. Giao thức này có 2 ưu điểm:
nó cực kỳ đơn giản và đưa ra các trễ ngắn, trong trường hợp lượng tải của mạng
thấp. Tuy vậy, giao thức không hỗ trợ quyền ưu tiên và với việc tăng lên của tải
mạng thì tỉ lệ xung đột sẽ tăng và trễ truyền dẫn cũng lớn lên. Ngoài ra,
ALOHA không ổn định: vượt qua một lượng tải ngưỡng nào đó, một sự tăng ở
lượng tải tổng thể dẫn đến một sự giảm ở thông lượng tổng thể. Thông lượng

chuẩn hóa lớn nhất của ALOHA là 1/2e ~ 18,4% đối với các tiếp nhận với phân
bố Poisson và một số lượng không hạn chế các trạm. Thông lượng lớn nhất có
thể gấp đơi Slotted ALOHA. Tham số then chốt trong ALOHA là “backoff
time”, nó chủ yếu được chọn từ một khoảng thời gian nào đó (backoff
window). Một xung đột có thể được hiểu như là một dấu hiệu của tắc nghẽn.
Nếu sau backoff time xung đột khác lại xuất hiện, thì backoff tiếp theo sẽ được
chọn từ một của sổ backoff rộng hơn để giảm sức ép trên kênh. Một quy tắc để
mở rộng backoff windowlà “truncated binary exponential backoff scheme”, ở
đây kích thước cửa sổ gấp đơi sau mỗi xung đột, đến một ngưỡng nào đó, mà
sau đó cửa sổ giữ cố định. Sau khi truyền thành công cửa sổ sẽ được phục hổi
về giá trị ban đầu.
- Các giao thức đa truy câp cảm nhận sóng mang CSMA
Trong đa truy cập cảm nhận sóng mang (CSMA), các trạm hành xử cẩn
thận hơn trong ALOHA: trước khi truyền một khung chúng lắng nghe mơi
trường truyền (cảm nhận sóng mang) để xem nó bận hay rỗi. Nếu mơi trường
truyền dỗi, thì trạm sẽ truyền khung của nó. Nếu mơi trường truyền bận thì trạm
đó trì hỗn việc truyền.
Trong CSMA khơng liên tục, trạm sẽ trì hỗn một thời gian ngẫu nhiên
(backoff time) mà không cần lắng nghe môi trường trong suốt khoảng thời gian
này. Tất cả giao thức còn lại đều đợi cho đên khi kết thúc truyền dẫn đang diễn
ra trước khi bắt đầu các hoạt động tiếp theo.
15


Hệ thống thơng tin cơng nghiệp

Nhóm 20

Trong CSMA liên tục xác suất p (0truyền dẫn trước đó của một trạm được chia thành các khe thời gian. Một trạm

lắng nghe môi trường ở thời điểm bắt đầu của một khe. Nếu môi trường dỗi, thì
trạm bắt đầu truyền khung của nó với một xác suất p cịn xác suất 1-p thì nó sẽ
đợi đến khe tiếp theo. Trong CSMA liên tuc mức 1, thì trạm sẽ truyền ngay lập
tức không cần các hoạt động thêm nữa. Cả hai phương pháp vẫn cịn có sự rủi
ro về xung đột, nếu 2 hoặc nhiều trạm quyết định truyền (CSMA liên tục mức 1)
hoặc chọn cùng một khe thời gian (CSMA liên tục mức p). Vấn đề đó như sau:
nếu một trạm A cảm nhận được sự rảnh rỗi của môi trường và khởi động truyền
tại thời gian to một trạm B khác có thể nhận thấy điểm sớm nhất này ở một vài
thời gian muộn hơn to+t, bởi vì trễ truyền sóng. Nếu trạm B thực hiện cảm nhận
sóng mang ở một thời gian giữa t o và to+t, thì B sẽ nhận thấy mơi trường truyền
rảnh rỗi và bắt đầu truyền, điều đó dẫn đến một xung đột. Do đó, xác suất xung
đột phụ thuộc vào trễ truyền sóng và do đó phụ thuộc vào phụ thuộc vào khoảng
cách lớn nhất giữa các trạm. Còn như các giao thức trong ALOHA, trong
ALOHA nguyên thủy để nhận biết các xung đột cần các khung phúc đap.
Mặc dù thông lượng các giao thức CSMA cơ sở lớn hơn nhiệu so với
ALOHA (các truyền dẫn đang diễn ra có thể được hồn thành mà khơng bị ảnh
hưởng), nhưng số lượng các va chạm và khoảng thời gian của chúng hạn chế
thông lượng. Các kỹ thuật nhận biết và tránh va chạm có thể được sử dụng để
giảm bớt vấn đề này.
Đặc biết đối với phương tiện không dây, nhiệm vụ cảm nhận sóng mang
có nhiều vấn đề, bởi nó là bên truyền cảm nhận mơi trường truyền để biết trạng
thái phương tiện truyền tại phía thu mong muốn (xung đột chỉ quan trọng tại
máy thu). Tuy vậy, bởi vì tổn hao đường truyền nên tín hiệu bị suy giảm khi
khoảng cách tăng. Nếu một cường độ tín hiệu nhỏ nhất được yêu cầu, thì vấn đề
đầu cuối bị ẩn đi “hidden terminal problem” sẽ xuất hiện (hình 7): quan sát 3
trạm A,B, C với bán kính truyền dẫn được xác đinh bởi các đường tròn. Trạm
A, C ở trong vùng phủ sóng của B, nhưng A khơng nằm trong vùng phủ sóng
của C. Nếu trạm C bắt đầu truyền tới B, thì trạm A khơng thể nhận biết được
điều này bằng phương pháp cảm nhận sóng mang của nó và xem là mơi trường
truyền đang rảnh rỗi. Vì thế, A cũng có thể bắt đầu việc truyền dẫn khung và

một xung đột sẽ xuất hiện ở B.
Đối với phương tiện truyền khơng dây, có một kịch bản thứ hai nơi cảm
nhận sóng mang dẫn đến dự đốn nhầm về trạng thái kênh tại máy thu: gọi là
kịch bản đầu cuối bị loại ra “exposed terminal scenatio”, vẽ trong hình 8. bốn
16


Hệ thống thơng tin cơng nghiệp

Nhóm 20

trạm A, B, C và D được đặt thành từng cặp có thể nghe thấy nhau A/B, B/C, và
C/D, còn tất cả các kết hợp khác thì khơng thể. Coi trường hợp B truyền tới A,
và sau đó một thời gian ngắn C muốn truyền tới D. Trạm C thực hiện việc cảm
nhận sóng mang và nhận thấy môi trường như là đang bận, vì truyền dẫn của B.
Kết quả là, C trì hỗn việc truyền của mình. Mặc dù, C có thể truyền an tồn
khung của nó tới D mà khơng ảnh hưởng tới A.

Hình 7: Kịch bản đầu cuối bị ẩn đi

Hình 8: Kịch bản đầu cuối bị loại ra
Hai cách tiếp cận để giải quyết những vấn đề này là các giải pháp mức độ
bận và giao thức RTC/CTS, như ứng dụng trong trong giao thức điều khiển truy
nhập môi trường LAN không dây IEEE 802.11. Trong phương pháp mức độ
bận, phía thu truyền một tín hiệu mức độ bận trên một kênh thứ hai trong khi
17


Hệ thống thơng tin cơng nghiệp

Nhóm 20

tiếp nhận khung. Việc cảm nhận sóng mang được thực hiện trên kênh thứ hai
này. Điều này giải quyết vấn đề đầu cuối bị loại ra. Kịch bản đầu cuối bị ẩn
cũng được giải quyết, trừ ra các trường hợp mà ở đó A và C khởi động truyền
dẫn của chúng đồng thời.
Giao thức RTS/CTS giải quyết vấn đề đầu cuối bị ẩn bằng cách chỉ dùng
một kênh đơn. Trường hợp mà A có một khung dữ liệu cho B. Sau khi A đã
nhận được sự truy cập kênh, thì nó gửi một khung ngắn RTS (yêu cầu gửi) tới
B, nó chỉ ra khoảng thời gian cần cho toàn bộ chuỗi trao đổi khung. Nếu B nhận
được khung RTS một cách đúng đắn, nó sẽ trả lời với một khung CTS (làm sạch
để gửi), mà nó chỉ ra thời gian cần thiết cho chuỗi trao đổi khung còn lại. Trạm
A bắt đầu truyền sau khi thu được khung CTS. Bất kỹ trạm C nào khác nghe các
khung RTS và CTS sẽ trì hỗn việc truyền của nó theo thời gian đã chỉ ra, do đó
khơng ảnh hưởng tới trao đổi khung đang diễn ra. Đó là một cách để trì hỗn ở
bất kỳ khung nào trong những khung này, nhưng vấn đề đầu cuối bị loại ra vẫn
còn tồn tại. Nếu một trạm C chỉ trì hỗn việc thu cả 2 khung, thì vấn đề đầu cuối
bị loại ra được giải quyết. Tuy vậy, có sự rủi ro về các lỗi bit trong khung CTS,
mà nó có thể cho phép C bắt đầu các truyền dẫn nhanh hơn. Giao thức
RTS/CTS không giải quyết các xung đột của các khung RTS ở máy thu; hơn
nữa nó đưa ra mào đầu có ý nghĩa.
- Các giao thức CSMA nhận biết xung đột
Nếu 2 hoặc nhiều trạm xung đột mà khơng nhận biết điều này, chúng có
thể truyền tồn bộ các khung của chúng, điều này thì khơng hữu ích đối với bên
thu. Nếu các trạm có thể nhận biết và phá bỏ các xung đột ở trong một thời gian
ngắn hơn thời gian cần để truyền khung dài nhất, thì độ rộng băng nhỏ hơn
khơng cịn. Lớp các giao thức đa truy cập cảm nhận sóng mang có nhận biết
xung đột (CSMA/CD) dưa trên phương thức CSMA cơ bản cùng với một một
khả năng nhận biết xung đột. Nhận biết xung đột được thực hiện bằng cách lắng
nghe lại tín hiệu trên cáp trong khi truyền và so sánh tín hiệu đo được với cái đã

truyền. Nếu các tín hiệu khác nhau, thì một xung đột đã xuất hiện.
Khi một trạm trải qua một xung đột, nó có thể thực hiện một sơ đồ ngắt
để phát lại “backoff scheme”. Sơ đồ này làm việc với thời gian được chia khe, ở
đây một khe thời gian rộng đủ để điều chỉnh thời gian đi-về lớn nhất đảm bảo
rằng tất cả các trạm có trao đổi nhận ra một truyền dẫn đang diễn ra một cách
đáng tin cậy. Như một ví dụ, ở phương pháp IEEE 802.3 CSMA/CD một
backoff scheme bậc hai rút gọn được dùng: sau xung đột đầu tiên một trạm chọn
18


Hệ thống thơng tin cơng nghiệp

Nhóm 20

để đợi khe 0 hoặc khe 1. Nếu một trạm khác khởi động truyền trong thời gian
đợi, trạm này sẽ trì hỗn. Sau xung đột thứ 2 một trạm chọn để đợi một trong 4
khe từ 0 đến 3, và đối với tất cả xung đột tiếp theo của sổ backoff được tăng gấp
đôi. Sau 10 xung đột của sổ backoff sẽ giữ cố định ở 1024 khe, và sau 16 xung
đột trạm đó sẽ dừng và loại bỏ khung đó.
Sử dụng quyền ưu tiên cho CSMA/CD bằng cách dùng các kích thước
cửa sổ ban đầu khác nhau hoặc các tốc độ mở rộng backoff window khác nhau,
như được thực hiện cho biến thể CSMA sử dụng trong chuẩn LAN không dây
IEEE 802.11
Trong mạng LAN không dây (LAN không dây IEEE 802.11 ), các khung
xác nhận thường xuyên được dùng để cho bên truyền một phản hồi, bởi vì các
máy vơ tuyến thu phát không dây không thể truyền và nhận đồng thời. Việc
thiếu một khung phản hồi chỉ ra hoặc là một xung đột hoặc là một lỗi truyền
dẫn. Hơn nữa, hai khung xung đột không cần dẫn đến một tổn thất thông tin
tổng thể: khi cường độ một khung tín hiệu khỏe hơn nhiều cái khác, thì phía thu
có thể giải mã khung (hiệu ứng gần - xa)

- Các giao thức CSMA giải quyết xung đột
Một lớp các giao thức chống lại các xung đột không bằng cách dùng chế
độ backoff hay trì hỗn truyền dẫn; mà thay vào đó chúng cố giải quyết xung
đột, đó là, xác định một trạm được phép gửi cuối cùng khung của nó. Một vài ví
dụ về lớp này là giao thức theo cây thích nghi (adaptive tree walking protocol)
và các giao thức phân phối theo quyền ưu tiên như giao thức mạng khu vực điều
khiển (CAN) MAC và giao thức dùng cho kênh D của ISDN.
Giao thức theo cây thích nghi làm việc như sau: thời gian được chia khe,
đúng như trong giao thức CSMA/CD Ethernet. Hơn nữa, tất cả cảc trạm được
sắp xếp trong một cây nhị phân cân bằng T và chúng biết vị trí tương ứng của
chúng trong cây. Tất cả các trạm mong muốn truyền một khung (các trạm bị tồn
lại được gọi) đợi đến khi kết thúc truyền dẫn đang thực hiện và bắt đầu truyền
khung của chúng trong khe đầu tiên (khe 0). Nếu chỉ có một trạm bị tồn lại, thì
sau đó nó có thể truyền khung của nó mà khơng có trở ngại gì. Nếu 2 hoặc
nhiều trạm xung đột, thì sau đó trong khe 1 chỉ các thành viêc của cây con trái
TL được phép thử truyền lại. Nếu xung đột khác xuất hiện, thì chỉ các trạm của
cây con trái TLL của cây con TL được phép truyền trong khe 2, và vân vân. Mặt

19


Hệ thống thơng tin cơng nghiệp

Nhóm 20

khác, nếu một trạm từ TL truyền khung của nó, thì sau để hợp lý các truyền dẫn
khung tiếp theo được dành cho một trạm từ cây con phải TR.
Các giao thức phân phối theo quyền ưu tiên cùng ý tưởng với giao thức
theo cây thích nghi; tuy vậy, chúng khơng giữ bất kỳ một thơng tin có trước nào
cần thiết để đạt được tính cơng băng. Như với giao thức thức đa truy nhập CAN.

Mơi trường truyền bảo đảm rằng các tín hiệu chồng lấn khơng phá hủy nhau, mà
vẫn có một tín hiệu hợp lệ. Nếu 2 trạm truyền cùng bit, môi trường truyền sẽ
làm làm thích ứng giá trị chung này. Nếu một trạm truyền một bit 0 và trạm
khác truyền một bit 1, môi trường truyền sẽ chọn trạng thái được xem là tốt
nhất, bit 0 chẳng hạn. Giao thức CAN sử dụng một trường ưu tiên với một chiều
dài nào đó ở điểm bắt đầu một khung MAC. Các trạm bị tồn lại đợi cho đến khi
kết thúc một khung đang tiếp diễn và sau đó truyền bit đầu tiên của truờng ưu
tiên. Đồng thời, chúng đọc trả lại trạng thái thiết bị truyền và so sánh nó với bit
gửi đi. Nếu cả hai đồng ý, trạm này sẽ tiếp tục với bit thứ 2 của trường ưu tiên.
Nếu các bit khác nhau, trạm đã mất sự cạnh tranh và phải trì hỗn đến khi kết
thúc khung tiếp theo. Nếu bảo đảm được rằng tất cả các trạm sử dụng các
trường ưu tiên khác nhau, thì sẽ khơng có xung đột nào xuất hiện. Giao thức này
hỗ trợ các quyền ưu tiên các khung toàn cục theo một cách tự nhiên, và thời
gian truy cập phương tiện truyền dẫn đối với khung có quyền ưu tiên cao nhất bị
giới hạn. Tuy vậy, gán các quyến ưu tiên cho các trạm hoắc các khung là một
vấn đề không đơn giản. Nếu các quyền ưu tiên được gán cố định dựa trên một
cơ sở các trạm, thì giao thức này lại là khơng cơng bằng. Nếu tính cơng bằng
cần đảm bảo, thì các quyền ưu tiên phải thay đổi theo thời gian. Do đó, ở các
ứng dụng CAN, các quyến ưu tiên được gán dựa vào kiểu của thông báo.
- Các giao thức CSMA tránh xung đột
Nếu về kỹ thuật không thể thực hiện nhận biết các xung đột, ta có thể
tránh chúng. Các giao thức thuộc về lớp này được gọi là đa truy cập cảm nhận
sóng mang với việc tránh xung đột (CSMA/CA ). Một lĩnh vực ứng dụng quan
trọng của các giao thức này là mạng LAN không dây, ở chỗ:
(a) các trạm không thể truyền và thu đồng thời trên cùng một kênh, và
(b) việc truyền không thể phát hiện các va xung đột một cách trực tiếp ở
máy thu bởi vì tổn thất đường truyền và cần một cường độ tín hiệu tối
thiểu.

20

Hệ thống thơng tin cơng nghiệp

Nhóm 20

Một cách tiếp cận CSMA/CA là giao thức bắt tay RTS/CTS dùng trong
IEEE 802.11 WLAN; Các giao thức khác dùng các lần đợi ngẫu nhiên được
thêm vào. Ví dụ như, trong giao thức EY/NPMA của HIPERLAN, đường
truyền tránh xung đột gồm 3 pha: Tất cả các trạm mong muốn truyền một khung
sẽ đợi đến thời điểm kết thúc truyền dẫn đang diễn ra. Ở pha đầu tiên (pha ưu
tiên), các trạm đợi một số khe tương ứng với quyền ưu tiên các khung; có 5
quyền ưu tiên. Nếu một trạm A quyết đinh truyền trong khe n và một trạm B
khác bắt đầu trong khe m< n, thì sau đó A sẽ trì hỗn, vì B có một khung quyền
ưu tiên cao hơn. Ở pha 2 (pha loại trừ), các trạm còn lại truyền một cụm bít có
chiều dài ngẫu nhiên trước khi chuyển sang chế độ thu. Nếu vẫn cịn có sự hiện
diện của việc truyền trên kênh, thì trạm này bỏ truyền, vì có trạm khác gửi một
cụm dài hơn. Ở pha thứ 3 tiếp theo (pha nhường), các trạm còn lại giữ ngun
khơng làm gì trong một lượng thời gian ngẫu nhiên. Nếu trạm khác bắt đầu
truyền, thì trạm sẽ trì hỗn tiếp. Nếu khơng, trạm sẽ bắt đầu truyền khung dữ
liệu của nó.
3.4.

Các giao thức phân bổ cố định

Trong các giao thức phân bổ đinh (FA), một trạm được quy cho một
nguồn kênh dành riêng (tần số, thời gian, mã, khơng gian), và trạm đó khơng
phải giành quyền truy nhập môi trường truyền với các trạm khác trong một
khoảng thời gian giới hạn.
Ở các hệ thống đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA), phổ có thể

được chia nhỏ thanh N kênh con, với các khoảng bảo vệ giữa các kênh. Một
kênh được gán riêng cho một trạm. Khi một khung đến, trạm có thể truyền ngay
lập tức trên kênh được gán, phía định thu phải biết đươc kênh này. Các kênh
con nhàn rỗi không thể được tận dụng cho các trạm có tải cao.
Ở các hệ thống đa truy cập phân chia theo mã (CDMA) các trạm trải các
khung của chúng trên một băng tần rộng hơn nhiều băng tần cần thiết, và dùng
các mã khác nhau để tách các truyền dẫn của chúng. Phía thu phải biết mã được
dùng ở phía phát. Tất cả các truyền dẫn đồng thời sử dụng mã khác được coi
như là tạp âm. Cũng giống như FDMA các trạm có thể truyền các khung đến
ngay lập tức.
Trong các hệ thống đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA), thời
gian được chia thành các siêu khung “superframe” chiều dài cố định, mà chúng
được chia lần lượt thành các khe thời gian. Mỗi trạm được gán cho một tập các
khe trong mỗi siêu khung. Trong một khe của nó, một trạm có thể sử dụng toàn
21


Hệ thống thơng tin cơng nghiệp

Nhóm 20

bộ băng thơng của kênh. Các trạm cần được đồng bộ ở các biên của khe; tuy
vậy, giứa các khe có khoảng bảo vệ để bù cho đồng bộ khơng chính xác. Trong
một cấu hình tập trung, nơi mà tất các các trạm truyền tới một trạm trung tâm,
thì sự đồng bộ khơng chính xác là do các lượng trễ truyền sóng khác nhau và
các vấn đề xác định khoảng cách chính xác giữa một trạm và trạm trung tâm.
Còn trong các hệ thống đa truy cập phân chia theo không gian (SDMA),
các tài nguyên không gian được chia sẻ giữa các trạm. Trong các hệ thống
không dây nơi mà một trạm trung tâm được trang bị các mảng anten thông
minh, trạm trung tâm có thể tạo một số chùm vết định hướng và hội tụ chúng

vào các trạm. Nếu một Beam phủ 2 trạm hoặc nhiều hơn, thì chúng phải chia sẻ
kênh truyền bằng giao thức khác; nhưng các trạm ở các Beam khác nhau có thể
truyền song song.
Trong tất cả các cấu hình trên, việc cấp phát tài nguyên kênh cho các trạm
có thể là tĩnh hoặc động. Trong trường hợp tĩnh, việc cấp phát có thể được cấu
hình trước hoặc một trạm yêu cầu một tài nguyên từ một hạ tầng quản lý tài
nguyên (có thể là một phần của một tram trung tâm/điểm truy cập). ). Giao thức
kích hoạt theo thời gian là một ví dụ như vậy. Một ví dụ khác là cửa sổ xoay
vòng cấp các khe thời gian được cấu hình từ trước trong giao thức WorldFIP.
Trong trường hợp động, các bảng cấp phát tài nguyên được thay đổi tại các thời
điểm thích hợp. Với tiếp cận động, đòi hỏi một kênh riêng rẽ để các trạm có thể
u cầu tài ngun từ bộ quản lí tài nguyên. Nói chung việc phân cố định tài
nguyên kênh đặc biệt có ưu điểm cho các ứng dụng cơng nghiệp vì các lí do
sau:
• Nó cho phép bảo đảm lượng băng thơng tối thiểu cần có cho một trạm.
• Nó bảo đảm thời gian truy nhập môi trường được giới hạn chặt chẽ cũng
như dịch vụ đẳng thời chính xác.
3.5.

Các giao thức phân bổ theo nhu cầu

Trong các giao thức phân theo nhu cầu DA (demand assignment), tài
nguyên kênh cũng được phân riêng cho từng kênh nhưng trong khoảng thời gian
ngắn hơn nhiều so với các giao thức phân bổ cố định. Với giao thức phân theo
nhu cầu, tài nguyên được phân một lần duy nhất trong một phiên liên lạc, còn
trong các giao thức DA tài nguyên được phân trong khoảng thời gian 1 cum dữ
liệu ‘data burst’ và phải được yêu cầu rõ ràng bằng một cơ chế báo hiệu. Có thể
phân ra hai lớp giao thức DA: các giao thức phân tán mà việc cấp tài nguyên
22

Hệ thống thơng tin cơng nghiệp

Nhóm 20

khơng được ủy nhiệm tập trung ở đâu cả, thay vì vậy khi đó sử dụng cách
truyền thẻ bài (token). Trái lại ở các giao thức tập trung các trạm phải đánh tín
hiệu yêu cầu tài nguyên cho một trạm trung tâm, trạm này cấp tài nguyên và xếp
thứ tự cho các phiên truyền tải. Kênh báo hiệu có thể là trong băng (các yêu cầu
có thể truyền đi như frame dữ liệu hay frame điều khiển) hoặc là một kênh báo
hiệu logic riêng biệt với thủ tục truy nhập môi trường truyền riêng.
Với các ứng dụng cơng nghiệp, giao thức DA có hai ưu điểm lớn: chúng
bảo đảm một khoảng thời gian truy nhập mơi trường truyền có giới hạnh và cho
phép sử dụng tài nguyên rỗi. Tuy nhiên đối với cách tổ chữc theo mơ hình phân
tán, chắc chắn có một lượng “jitter” các lần truy nhập môi trường truyền, điều
này gây hạn chế dịch vụ đẳng thời. Cịn trong mơ hình tập trung tồn tại một khó
khăn về quản lý tài nguyên.
- Chiến lược tập trung: giao thức hub-polling và giao thức đặt trước
Một hệ thống hub-polling gồm một trạm trung tâm(hub) và một số các trạm,
mỗi trạm có một hàng đợi cho các yêu cầu hay frame.Trạm hub này thực hiện
hai nhiệm vụ sau:đầu tiên nó truy vấn trạng thái hàng đợi từ các trạm sau đó
phân dải tần cho các trạm theo kết quả truy vấn và theo một chính sách thăm dị
nào đó. Nói chung một truy vấn được cơng nhận là ít tốn kém hơn là phục vụ
một frame. Để được truy vấn các trạm phải đăng kí với hub. Các chiến lược
thăm dị khác nhau ở trình tự những trạm nào được thăm dị:
• Trong chiến lược xoay vòng “round-robin ”, các trạm được thăm dò lần
lượt trạm này sau trạm khác.
• Trong chiến lược dùng bảng, trạm kế tiếp được xác định từ một bảng
được chỉ rõ từ trước.
• Trong chiến lược thăm dị ngẫu nhiên, trạm kế tiếp được xác định ngẫu

nhiên.

Ngồi ra cịn có thể phân chia chiến lược thăm dị theo kiểu hình dịch vụ mà
trạm được thăm dị nhận được:
• Dịch vụ giới hạn k: Các trạm được phục vụ k frame trước khi chuyển đến
trạm kế tiếp.
23


Hệ thống thơng tin cơng nghiệp

Nhóm 20

• Dịch vụ giới hạn thời gian: Các trạm có thể truyền frame tính cả việc
truyền lại trong một khoảng thời gian cụ thể.
• Dịch vụ đầy đủ: Một hàng đợi được phục vụ tới khi trống khơng.
• Dịch vụ khóa: Phục vụ chỉ những frame nào của trạm i mà đã hiện diện
khi bắt đầu dịch vụ cho trạm i.
Ví dụ giao thức chủ-tớ của PROFIBUS có thể xem như là dịch vụ giới hạn
thời gian và dùng bảng( tuy với chủ thay đổi). Trong giao thức BITBUS vai trị
chủ khơng thay đổi theo thời gian. Một biến thể của giao thức hub-polling là
giao thức thăm dò. Các giao thức này dựa trên nhận xét rằng thăm dò mỗi trạm
riêng rẽ là lãng phí nếu như tải thấp, thay vì vậy hiệu quả hơn là thăm dị một
nhóm các trạm một lúc.Ví dụ, hub có thể loan báo một slot truy nhập ngẫu
nhiên sắp tới và có thể được sử dụng cho các trạm thuộc về một nhóm nào đó
đánh tín hiệu u cầu truyền tin. Nếu khơng có trạm trả lời thì nhóm kế tiếp
được thăm dị. Nếu có trạm trả lời nó sẽ được cấp quyền truy nhập mơi trường
truyền, nếu hai hay nhiều trạm trả lời các yêu cầu của chúng sẽ xung đột trong
slot truy nhập ngẫu nhiên này.Có nhiều phương pháp để giải quyết vấn đề va
chạm này, ví dụ như tiếp cận tree-walking được khảo sát trong đoạn giải quyết

va chạm trong giao thức CSMA, hoặc các trạm trong nhóm có thể được thăm dị
riêng rẽ. Trong các giao thức đặt trước, các trạm phải gửi đi thơng điệp đặt
trước tới một hạ tầng quản lí tài ngun( thường đặt ở trạm trung tâm). Thơng
điệp này có thể chỉ định độ dài phiên truyền dữ liệu cũng như các ràng buộc
định thời của chúng. Trạm trung tâm có thể thực hiện kiểm tra đầu vào để quyết
định xem liệu yêu cầu có thể được thỏa mãn mà không ảnh hưởng tới việc bảo
đảm cho các yêu cầu đã được chấp nhận hay không. Sau khi kiểm tra trạm trung
tâm sẽ gửi phản hồi lại tới các trạm để báo những tài nguyên được cấp phát(ví
dụ khe thời gian có thể sử dụng).Cho các yêu cầu báo hiệu: ba tiếp cận sau được
dùng phổ biến:
• Trong chiến lược piggybacking các yêu cầu đặt trước được gửi kèm dữ
liệu đã được chấp nhận hoặc kèm các frame điều khiển.
• Các trạm gửi các frame yêu cầu trên một kênh báo hiệu riêng rẽ dưới một
giao thức truy nhập môi trường truyền dựa trên việc cạnh tranh (ví dụ
giao thức ALOHA hay CSMA).
• Trạm trung tâm có thể thăm dị tất cả các trạm đang rỗi và vì vậy khơng
thể sử dụng piggybacking. Nhiều giao thức được phát triển trong bối cảnh
24


Hệ thống thơng tin cơng nghiệp

Nhóm 20

ATM khơng dây thuộc lớp này ví dụ giao thức MASCARA. Giao thức
FFT-CAN là ví dụ khác của lớp này, ở đó các trạm gửi yêu cầu đặt trước
cho việc truyền theo định kì tới một trạm chủ trung tâm.
- Chiến lược phân tán: các giao thức chuyển giao thẻ
Trong chiến lược phân tán khơng có hạ tầng trung tâm kiểm sốt, phân
phối tài ngun hay truy nhập mơi trường. Thay vì vậy một frame đặc biệt gọi

là frame thẻ bài được gửi đi giữa các trạm. Trạm nào hiện đang nắm giữ thẻ bài
được quyền truyền tin. Sau một khoảng thời gian nào đó chủ thẻ hiện tại được
yêu cầu chuyển thẻ đến trạm khác nghĩa là gửi đi một frmae thẻ bài. Chiến lược
chuyền thể bài được áp dụng trong các topo dạng vịng( ví dụ Token
Ring,FDDI) hoặc topo dạng cây hay bus( ví dụ Token Bus hoặc PROFIBUS).
Để bảo đảm có một giới hạn trên về độ trễ truy nhập môi trường truyền, IEEE
Token Bus,FDDI hay PROFIBUS sử dụng các biến thể giao thức thẻ bài được
định thời. Trong giao thức này, các trạm thỏa thuận một tham số chung, thời
gian luân phiên thẻ bài đích TTTRT. Hơn thế nữa, mỗi trạm được yêu cầu đo thời
gian trôi qua giữa lần cuối cùng nó nhận thẻ bài và thời điểm nhận thẻ bài thực
sự. Thời điểm này gọi là thời gian luân phiên thẻ bài. Nếu hiệu T TTRT-TTRT
dương thẻ bài gọi là thẻ bài sớm trái lại là thẻ bài muộn. Các giao thức truyền
thẻ trên môi trường truyền quảng bá (bus,cây) tạo nên một vòng chuyền thẻ
logic. Thẻ bài được chuyền trong tất cả các trạm thuộc vòng và mỗi trạm nhận
thẻ bài một lần trên một vòng. Các thành viên của vịng có thêm gánh nặng thực
hiện giải thuật bảo vệ vòng gồm nhiều hoạt động: Thêm trạm mới, loại bỏ các
trạm hỏng hóc hoặc đang nghỉ, phát hiện và sửa chữa việc mất thẻ bài...Những
cơ chế này sử dụng một số frame điều khiển nào đó và được thiết kế theo cách
không gây ảnh hưởng đến các đảm bảo định thời đã cho của giao thức thẻ bài
định thời.
3.6.

Các giao thức Meta-MAC

Ý tưởng cơ bản của giao thức này rất đơn giản: một trạm không chỉ chứa
một giao thức MAC đơn độc, mà một vài giao thức có thể cùng hoạt động. Các
giao thức này có thể là các giao thức hoàn toàn khác nhau hay cùng một giao
thức nhưng với tham số khác nhau.Tuy nhiên chỉ một giao thức được kích hoạt
ở một thời điểm cho trước theo nghĩa rằng quyết định của chúng(truyền hay
không truyền) được thực hiện trong khi các quyết định của giao thức khác chỉ

được lưu trữ lại. Đến thời điểm khác, một giao thức mới được kích hoạt, việc
lựa chọn giao thức mới này dựa trên thơng tin đã có về kết quả truyền tin(thành
25