Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển và giám sát các hồ điều hòa thành phố Hải Phòng qua mạng internet_2

luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 1 of 95.

LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan đề tài tốt nghiệp “Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển và
giám sát các hồ điều hòa thành phố Hải Phòng qua mạng internet” là do em tự
nghiên cứu và xây dựng dƣới sự hƣớng dẫn của thầy giáo TS. Đinh Anh Tuấn.
Các số liệu và kết quả trong đề tài là hoàn toàn trung thực.
Để hoàn thành bản đồ án tốt nghiệp này, em chỉ sử dụng những tài liệu tham
khảo đã đƣợc ghi trong bảng các tài liệu tham khảo, không sử dụng tài liệu tham
khảo nào khác mà không đƣợc liệt kê ở phần tài liệu tham khảo.
Hải Phòng, ngày 10 tháng 9 năm 2015
Học viên
Nguyễn Quang Thƣ

i

Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc- tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai -


luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 2 of 95.

LỜI CẢM ƠN
Em xin đƣợc gửi lời cảm ơn chân thành đến quý Thầy cô trong khoa Điện và
các Thầy cô trong viện đào tạo sau đại học Trƣờng Đại học Hàng Hải Việt Nam đã
giảng dạy và truyền đạt kiến thức chuyên ngành cho em trong thời gian vừa qua.
Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới Thầy Đinh Anh Tuấn vì sự tận tình
hƣớng dẫn cũng nhƣ đã tạo những điều kiện thuận lợi nhất cho em để em có thể
thực hiện và hoàn thành tốt đề tài này.
Em cảm ơn các bạn trong lớp đã trao đổi, góp ý để em hoàn thành đề tài này
một cách tốt đẹp và đúng thời hạn.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng và nỗ lực thực hiện, nhƣng do kiến thức cũng nhƣ

khả năng bản thân còn nhiều hạn chế nên trong quá trình thực hiện đề tài không thể
tránh khỏi những sai phạm, thiếu sót…Rất mong nhận đƣợc sự góp ý, chỉ dẫn từ
nơi quý Thầy cô và các bạn. i
Em xin chân thành cảm ơn !
Hải Phòng, ngày 10 tháng 9 năm 2015
Học viên
Nguyễn Quang Thƣ

ii

Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc- tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai -


luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 3 of 95.

MỤC LỤC
Trang
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... ii
MỤC LỤC ................................................................................................................ iii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU .............................................. vi
DANH MỤC CÁC BẢNG ...................................................................................... vii
DANH MỤC CÁC HÌNH ...................................................................................... viii
I. PHẦN MỞ ĐẦU .................................................................................................... 1
1. Lựa chọn đề tài. .............................................................................................. 1
2. Mục đích nghiên cứu ...................................................................................... 1
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu. ................................................................. 1
4. Phƣơng pháp nghiên cứu. ............................................................................... 2
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài. ....................................................... 2
II. PHẦN NỘI DUNG ............................................................................................... 3
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ETHERNET VÀ GIAO THỨC TCP/IP ............ 4

1.1. Tổng quan về Ethernet ................................................................................. 4
1.1.1. Cấu trúc khung tin Ethernet ...................................................................... 4
1.1.2. Cấu trúc địa chỉ Ethernet........................................................................... 5
1.1.3. Đặc tính điện ............................................................................................. 5
1.1.4. Các loại khung Ethernet ............................................................................ 6
1.1.5. Một số loại mạng Ethernet ........................................................................ 7
1.1.6. Chuẩn IEEE 802 ....................................................................................... 7
1.2. Giao thức TCP/IP ......................................................................................... 7
1.2.1. Tổng quan về bộ giao thức TCP/IP .......................................................... 7
1.2.2 Kiến trúc phân tầng của TCP/IP ................................................................ 8
1.2.3. Quá trình gửi nhận dữ liệu giữa hai máy tính ........................................... 8
1.2.4. Sơ lƣợc chức năng các tầng ...................................................................... 9
1.2.5. Đóng gói dữ liệu trong TCP/IP .............................................................. 10
1.2.6. Các giao thức và khuôn dạng dữ liệu tƣơng ứng .................................... 11
iii

Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc- tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai -


luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 4 of 95.

Kết luận chƣơng 1: ............................................................................................ 30
CHƢƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN ATMEGA32 VÀ WEB
SERVER............................................................................................................... 31
2.1. Vi điều khiển ATMEGA32 ........................................................................ 31
2.1.1 Các tính năng ........................................................................................... 31
2.1.2. Cấu trúc và thanh nghi ............................................................................ 32
2.2. Module Ethernet ENC28J60 và chuẩn giao tiếp SPI ................................. 38
2.2.1. Vi Mạch Ethernet ENC28j60 ................................................................. 38
2.2.2. Sơ đồ chân và sơ đồ khối của ENC28j60 ............................................... 38

2.2.3. Sơ đồ ghép nối vi điều khiển với ENC28j60 ......................................... 40
2.2.4. Sơ đồ nguyên lý Module Ethernet .......................................................... 40
2.2.5. Mạch module Ethernet ............................................................................ 41
2.3. Web động ................................................................................................... 41
2.4. Web server ................................................................................................. 42
Kết luận chƣơng 2: ............................................................................................ 43
CHƢƠNG 3: ỨNG DỤNG XÂY DỰNG HỆ ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT CÁC HỒ
NƢỚC THÀNH PHỐ HẢI PHÒNG SỬ DỤNG MẠNG TRUYỀN DẪN
INTERNET .......................................................................................................... 44
3.1. Sơ đồ mạch hệ điều khiển giám sát. .......................................................... 44
3.1.1. Khối mạch nguồn .................................................................................... 47
3.1.2. Khối kết nối ENC28J60 .......................................................................... 47
3.1.3. Khối ghép nối đầu vào ............................................................................ 48
3.1.4. Khối ghép nối đầu ra ............................................................................... 48
3.1.5. Khối mạch vi điều khiển ATMEGA32 ................................................... 49
3.1.6. Sơ đồ mạch in.......................................................................................... 49
3.1.7. Mạch thực tế............................................................................................ 51
3.2. Thiết kế phần mềm. .................................................................................... 52
3.2.1. Lƣu đồ dữ liệu vào ra dữ liệu của giao thức ........................................... 52
3.2.2. Lƣu đồ giải thuật chính ........................................................................... 55
iv

Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc- tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai -


luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 5 of 95.

3.2.3. Lƣu đồ xử lí giao thức Ethernet .............................................................. 56
3.2.4. Lƣu đồ xử lí giao thức IP ........................................................................ 57
3.2.5. Lƣu đồ xử lí giao thức ARP .................................................................... 58

5.2.6. Lƣu đồ xử lí giao thức ICMP .................................................................. 59
3.2.7. Lƣu đồ xử lí tạo kết nối TCP tới Webserver........................................... 60
3.3. Sản phẩm của đề tài ................................................................................... 61
3.3.1. Bo mạch điện tử ...................................................................................... 61
3.3.2 Giao diện Web điều khiển........................................................................ 61
3.4. Đánh giá kết quả thực hiện đề tài............................................................... 64
III. PHẦN KẾT LUẬN ........................................................................................... 65
Kết luận ............................................................................................................. 65
Kiến nghị ........................................................................................................... 65
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 66
PHỤ LỤC ........................................................................................................... 667

v

Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc- tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai -


luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 6 of 95.

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
Chữ viết tắt

Giải thích

SPI

Serial Peripheral Interface

TCP

Transmission Control Protocol

IP

Internet Protocol

UDP

User Datagram Protocol

ARP

Address Resolution Protocol

ICMP

Internet Control Message Protocol

FTP

File Transfer Protocol

HTTP

Hypertext Transfer Protocol

DNS

Domain Name System

DHCP

Dynamic Host Configuration Protocol

HTML

HyperText Markup Language

D HTML

Dynamic HyperText Markup Language

CSS

Cascading Style Sheets

CSMA/CD

Carrier Sense Multiple Access / Collision Detect

TCP/IP

Transmission Control Protocol / Internet Protocol

OSI

Open Systems Interconnection Reference Model

MAC

Media Access Control

SFD

Start Frame Delimiter

CRC

Cyclic Redundancy Checksum

LAN

local area network

ADC

Analog to Digital Converter

PWM

Pulse Width Modulation

vi

Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc- tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai -


luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 7 of 95.

DANH MỤC CÁC BẢNG

Số bảng

Tên bảng

Trang

Bảng 1.1

Cấu trúc khung MAC theo IEEE 802.3/ Ethernet.

5

Bảng 1.2

Một số giao thức của các tầng

11

Bảng 1.3

Bảng ARP cache

17

Bảng 2.1

Lựa chọn Clock

36

Bảng 2.2

Lựa chọn tần số hoạt động

36

Bảng 2.3

Các ngắt của Atmega32

37

vii

Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc- tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai -


luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 8 of 95.

DANH MỤC CÁC HÌNH
Số hình

Tên hình

Trang

Hình 1.1

Mã hóa Manchester

6

Hình 1.2

Mô hình truyền thông unicast

6

Hình 1.3

Kiến trúc phân tầng của TCP/IP

8

Hình 1.4

Quá trình gửi nhận dữ liệu giữa hai máy tính

8

Hình 1.5

Thực hiện đóng/mở gói dữ liệu trong giao thức TCP/IP

10

Hình 1.6

Cấu trúc khung dữ liệu Ethernet

11

Hình 1.7

Cấu trúc địa chỉ IP

13

Hình 1.8

Phân lớp địa chỉ IP

13

Hình 1.9

IP packet

14

Hình 1.10 Cấu trúc IP packet

14

Hình 1.11 Cấu trúc gói tin ARP

18

Hình 1.12 Bản tin ICMP

19

Hình 1.13 Cấu trúc TCP Segment

20

Hình 1.14 Quá trình bắt tay 3 bƣớc thiết lập kết nối

22

Hình 1.15 Quá trình truyền dữ liệu bằng giao thức TCP

22

Hình 1.16 Cơ chế điều khiển luồng sử dụng Sliding window

24

Hình 1.17 Quá trình đóng kết nối TCP

25

Hình 1.18 Sơ đồ trạng thái TCP

26

Hình 2.1

Sơ đồ đóng gói Atmega32

32

Hình 2.2

Sơ đồ khối Atmega32

33

Hinh 2.3

Lõi CPU AVR

34

Hình 2.4

Bộ nhớ Flash

35

Hình 2.5

Bộ nhớ SRAM

35

Hình 2.6

Sơ đồ nguyên lý tƣơng đƣơng cổng vào ra

37

Hình 2.7

Sơ đồ chân ENC28J60

38

Hình 2.8

Sơ đồ khối ENC28J60

38

viii

Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc- tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai -


luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 9 of 95.

Hình 2.9

Sơ đồ ghép nối vi điều khiển với ENC28j60

40

Hình 2.10 Sơ đồ nguyên lý Module Ethernet

40

Hình 2.11 Module Ethernet thực tế

41

Hình 3.1

Sơ đồ tổng quan hệ điều khiển và giám sát hồ điều hòa

44

Hình 3.2

sơ đồ khối của modul điều khiển và giám sát

45

Hình 3.3

sơ đồ nguyên lý modul điều khiển và giám sát

46

Hình 3.4

Khối mạch nguồn

47

Hình 3.5

Khối kết nối ENC28J60

47

Hình 3.6

Sơ đồ khối nghép nối đầu vào

48

Hình 3.7

Sơ đồ khối nghép nối đầu ra

48

Hình 3.8

Mạch vi điều khiển chính dùng chíp atmega32

49

Hình 3.9

Sơ đồ mạch in lớp dƣới

49

Hình 3.10 Sơ đồ mạch in lớp trên

50

Hình 3.11 Sơ đồ mạch in lớp trên và lớp dƣới

50

Hình 3.12 Sơ đồ bố trí linh kiện trên mạch in

51

Hình 3.13 Bản mạch chính mặt dƣới.

51

Hình 3.14 Bản mạch chính mặt trên

52

Hình 3.15 Lƣu đồ dữ liệu vào ra của giao thức

53

Hình 3.16 Lƣu đồ giải thuật chính

55

Hình 3.17 Lƣu đồ xử lí dữ liệu giao thức Ethernet

56

Hình 3.18 Lƣu đồ xử lí giao thức IP

57

Hình 3.19 Lƣu đồ xử lí giao thức ARP

58

Hình 3.20 Lƣu đồ xử lí giao thức ICMP

59

Hình 3.21 Lƣu đồ xử lí tạo kết nối TCP tới web server

60

Hình 3.22 modul bo mạch thực tế

61

Hình 3.23 Giao diện giám sát và điều khiển trong mạng LAN

62

Hình 3.24 Giao diện giám sát và điều khiển qua mạng truyền dẫn internet

63

Hình 3.25 Giao diện giám sát và điều khiển tổng thể

63

ix

Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc- tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai -


luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 10 of 95.

I. PHẦN MỞ ĐẦU
1. Lựa chọn đề tài.
Trong thời đại công nghệ thông tin phát triển nhƣ ngày nay. Việc thiết kế và
chế tạo ra các thiết bị điện tiện dụng có khả năng giám sát và điều khiểu từ xa đang
và sẽ rất đƣợc quan tâm và rất hữu ích cho các ứng dụng trong cuộc sống hàng
ngày.
Vì mục tiêu công nghệ hiện đại hoá ngày càng phát triển, tác giả đã quyết định
nghiên cứu đề tài về điều khiển và giám sát thiết bị qua mạng truyền dẫn
internet. Khi đề tài hoàn thành sẽ cho phép có thể điều khiểu và giám sát các thiết
bị thông qua mạng truyền dẫn internet, tƣơng tác thông qua các thiết bị smart
phone, máy tính bảng hay máy vi tính; để kiểm soát các trạng thái và thông số của
thiết bị cũng nhƣ các thông số của môi trƣờng xung quanh thiết bị nhƣ: nhiệt độ,
độ ẩm, mức nƣớc, lƣu lƣợng... Ngƣời sử dụng ở bất cứ nơi nào có mạng internet
đều có thể giám sát các hoạt động của thiết bị, các thông số cần thiết cho hệ thống
và điều khiển đƣợc hoạt động các thiết bị khi thiết bị đã kết nối với module điều
khiển Ethernet này.
Vấn đề đƣợc đặt ra nhƣ trên đây, hƣớng nghiên cứu đề tài của tác giả là
nghiên cứu, xây dựng mạch điều khiển và giám sát thiết bị qua mạng truyền dẫn
internet. Với hƣớng nghiên cứu đó, tên đề tài đƣợc chọn là: “Nghiên cứu xây
dựng hệ điều khiển và giám sát các hồ điều hòa thành phố Hải Phòng qua mạng

internet”.
2. Mục đích nghiên cứu .
- Thực hiện giao tiếp mạng giữa phần cứng mạch điện tử với mạng Ethernet.
- Điều khiển các thiết bị điện phục vụ cho hồ chứa điều hòa thành phố Hải Phòng
- Giám sát hoạt động của các máy bơm và mực nƣớc các hồ chứa điều hòa thành
phố Hải Phòng.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu.
* Đối tƣợng nghiên cứu
- Tìm hiểu vi điều khiển ATMEGA32
1

Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc- tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai -


luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 11 of 95.

- Lý thuyết mạng Ethernet và cách thức truyền nhận dữ liệu.
- Nghiên cứ chuẩn giao tiếp SPI và ứng dụng thực tế trên module Ethernet
ENC28J60.
* Phạm vi nghiên cứu
- Tìm hiểu ngôn ngữ html trong lập trình giao diện web server nhúng vào vi điều
khiển
- Tìm hiểu về giao thức TCP/IP
- Tính toán, thiết kế và thi công phần cứng mạch điện tử.
- Xây dựng thuật toán và viết code cho ứng dụng dựa theo mục tiêu đã đề ra.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu.
- Phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết: Tìm hiểu tổng quan về mạng Ethernet, giao
thức TCP/IP, vi điều khiển ATMEGA32 và cách thức thiết kế web server nhúng
vào vi điều khiển, xây dựng thuật toán và viết code cho vi điều khiển ATMEGA32.
- Phƣơng pháp thực nghiệm: Sử dụng phần mềm AVR Studio và WinAVR để viết

chƣơng trình và biên dịch chƣơng trình, xây dựng mạch điều khiển và viết code
HTML nhúng vào vi điều khiển.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.
* Ý nghĩa khoa học: Đề tài là tài liệu tham khảo hữu ích cho những ai quan tâm
đến lĩnh vực điều khiển và giám sát thiết bị sử dụng mạng truyền dẫn internet.
* Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ góp phần giải quyết vấn đề
điều khiển và giám sát các hồ điều hòa thành phố Hải Phòng qua mạng truyền dẫn
internet và có thể áp dụng cho các thành phố khác tại Việt Nam.

2

Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc- tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai -


luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 12 of 95.

II. PHẦN NỘI DUNG
Để giải quyết và làm rõ các vấn đề nghiên cứu, nội dung đề tài gồm 3
chƣơng nhƣ sau:
- Chương 1. Tổng quan về Ethernet và bộ giao thức TCP/IP: trình bày về lý
thuyết Ethernet gồm các vấn đề về cấu trúc khung tin Ethernet, phƣơng pháp
truy nhập bus (CSMA/CD), các loại mạng Ethernet, chuẩn Ethernet IEEE
802.3, kiến thức về bộ giao thức TCP/IP bao gồm 4 tầng: tầng ứng dụng
(Application Layer), tầng giao vận (Transport Layer), tầng liên mạng (Internet
Layer), tầng giao tiếp mạng (Network Interface Layer). Trình bày các kiến thức
về gói tin IP, TCP, UDP.
- Chương 2. Tổng quan về vi điều khiển Atmega32 và web server: trình bày các
kiến thức về vi điều khiển ATMEGA32, module Ethernet, giới thiệu về các nội
dung liên quan đến việc thiết kế web giao diện web server nhƣ là HTML
- Chương 3. Ứng dụng xây dựng hệ điều khiển giám sát các hồ nước thành

phố Hải Phòng sử dụng mạng truyền dẫn internet: Trình bày về xây dựng
modul mạch điện tử bao gồm sơ đồ cấu trúc mạch điện tử, các lƣu đồ thuật toán
cho bộ giao thức TCP/IP, lƣu đồ thuật toán chính, sơ đồ nguyên lý của mạch, sơ
đồ mạch in, viết code chƣơng trình điều khiển và web server nhúng vào chíp vi
điều khiển ATMEGA32.

3

Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc- tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai -


luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 13 of 95.

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ETHERNET VÀ GIAO THỨC TCP/IP
Vấn đề giám sát và điều khiển từ xa hệ thống các trạm bơm nƣớc và hồ điều
hòa nói chung và ở thành phố Hải Phòng nói riêng đang là yêu cầu cần thiết. Vấn
đề này đã đƣợc nghiên cứu ở nhiều nơi trên thế giới và đã cho ra đời những sản
phẩm ứng dụng, tuy nhiên việc áp dụng hệ thống đó đòi hỏi chi phí cao và phức
tạp nhƣ: phải lắp đặt mới một hệ thống cáp quang, lắp đặt hệ thống thu phát không
dây bán kính rộng hoặc sử dụng dịch vụ GMS với thuê bao tƣơng đối đắt. Do đó,
để giảm bớt giá thành và ứng dụng đƣợc các tài nguyên internet sẵn có cũng nhƣ
việc sử dụng giám sát và điều khiển tiện lợi qua giao diện web trên các thiết bị có
sử dụng trình duyệt web nhƣ smart phone, máy tính bảng, máy vi tính thì vấn đề
trên vẫn cần đƣợc tiếp tục nghiên cứu để đáp ứng nhu cầu tự động hóa và hiện đại
hóa hiện nay của thành phố.
1.1. Tổng quan về Ethernet
1.1.1. Cấu trúc khung tin Ethernet
Các chuẩn Ethernet hoạt động ở tầng Data Link trong mô hình 7 lớp OSI,
nên một đơn vị dữ liệu các trạm có thể trao đổi với nhau là những khung, cấu trúc
khung Ethernet đƣợc thể hiện nhƣ bảng 1.1:

4

Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc- tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai -


luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 14 of 95.

Bảng 1.1: Cấu trúc khung MAC theo IEEE 802.3/ Ethernet.
Preamble: Ở trƣờng này cho biết sự xuất hiện của một khung bit, nó thƣờng
có giá trị 10101010. Bắt đầu nhóm bit này, bên nhận có thể tạo ra xung 10 Mhz.
SFD: Ở trƣờng này sẽ xác định sự bắt đầu của một khung. Nó có giá trị cố
định 10101011.
Các trƣờng đích và nguồn: Lƣu địa chỉ vật lý các trạm nhận và trạm gửi
khung, cho biết khung đƣợc gửi từ máy nào và sẽ đƣợc gửi tới máy nào nhận.
Địa chỉ đích: gồm 6 bytes, chứa địa chỉ MAC card Ethernet máy nhận.
Địa chỉ nguồn): gồm 6 bytes, chứ địa chỉ MAC card Ethernet máy gửi.
Độ dài/kiểu gói: gồm 2 bytes, là giá trị số lƣợng byte dữ liệu mà máy gửi đi.
1.1.2. Cấu trúc địa chỉ Ethernet
Mỗi giao tiếp mạng Ethernet đƣợc xác định bởi 48 bit địa chỉ, Địa chỉ này
đƣợc xác định bởi nhà sản xuất và gọi là địa chỉ. Địa chỉ MAC đƣợc viết bởi các
chữ số hệ 16. Ví dụ:02:61:97:1F:3F:84 hoặc 01-60-97-3F-4F-86.
1.1.3. Đặc tính điện
Tín hiệu Ethernet đƣợc mã hóa theo mã Manchester. Mã hóa Manchester sử
dụng cách đảo ngƣợc mỗi bit trong khoảng thời gian của nó để đồng bộ và miêu tả
bit.
- Bit „0‟ Nửa chu kỳ đầu của bit là điện áp +V và nửa chu kỳ còn lại là
điện áp –V
- Bit „1‟ Nửa chu kỳ đầu của bit là điện áp -V và nửa chu kỳ còn lại là
điện áp + V

5

Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc- tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai -


luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 15 of 95.

Hình 1.1: Mã hóa Manchester
1.1.4. Các loại khung Ethernet
1.1.4.1. Các khung unicast
Ví dụ truyền khung 2 chạm với nhau.
Khung Ethernet của trạm 1 sử dụng địa chỉ:
- MAC máy nguồn: 00-60-08-93-DB-C1
- MAC máy đích: 00-60-08-93-AB-12

Hình 1.2: Mô hình truyền thông unicast.
Đây là một unicast khung, khung này đã đƣợc chuyển giao cho một trạm có
địa chỉ xác định.
1.1.4.2. Các khung broadcast
Địa chỉ MAC đích của các khung broadcast là FF-FF-FF-FF-FF-FF. Khi
nhận đƣợc các khung này, tuy không trùng địa chỉ MAC của mình, tuy nhiên các
trạm đều tiếp tục phải nhận khung dữ liệu và tiếp tục xử lý dữ liêu.
6

Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc- tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai -


luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 16 of 95.

1.1.4.3. Các khung multicast
Máy nguồn gửi khung tới một số máy nhất định chứ không phải là tất cả. Địa
chỉ MAC máy đích của khung là địa chỉ đặc biệt mà chỉ các trạm trong cùng nhóm
mới chấp nhận các khung gửi tới địa chỉ này.
1.1.5. Một số loại mạng Ethernet
IEEE đã phát triển nhiều chuẩn Ethernet trên nhiều công nghệ của nó truyền
dẫn khác nhau đƣợc cũng nhiều loại mạng Ethernet. Mỗi loại mạng đƣợc xây dựng
dựa trên 3 yếu tố chủ yếu: đặc tính đƣờng truyền vật lý, phƣơng thức tín hiệu đƣợc
sử dụng và tốc độ nhƣ Giga Ethernet, Ethernet 100Mb/s, Ethernet 10Mb/s.
1.1.6. Chuẩn IEEE 802
IEEE 802 là họ các chuẩn IEEE dành cho mình mạng LAN và mạng MAN,
các chuẩn IEEE 802 đƣợc sử dụng cho các gói mạng có kích thƣớc khác nhau.
Giao thức và dịch vụ là những đặc điểm kỹ thuật trong IEEE 802 đƣợc ánh
xạ tới 2 tầng thấp (tầng tầng vật lý và tầng liên kết dữ liệu trong mô hình 7 tầng
OSI, trong thực tế IEEE 802 chia tầng liên kết dữ liệu OSI thành hai tầng con
MAC (điều khiển truy nhập môi trƣờng truyền) và LLC (điều khiển liên kết logic)
và gồm các tầng sau:
+ Tầng liên kết dữ liệu.
+ Tầng con MAC.
+ Tầng con LLC.
+ Tầng vật lý.
1.2. Giao thức TCP/IP
1.2.1. Tổng quan về bộ giao thức TCP/IP
TCP/IP là một bộ các giao thức đƣợc thiết kế thực hiệu 2 mục tiêu:
Cho phép truyền thông dữ liệu giữa các môi trƣờng đa dạng.
Cho phép truyền thông dữ liệu qua các đƣờng dây của mạng diện rộng
(Wide Area Network - WAN).
TCP/IP có những đặc điểm nổi bật:

7

Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc- tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai -


luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 17 of 95.

- Độc lập với cấu hình mạng: TCP/IP có thể dùng cho mạng Bus, Star, Ring,
cho mạng cục bộ , mạng diện rộng hay liên mạng.
- Là một chuẩn giao thức mở: TCP/IP có thể thực hiện trên nhiều hệ điều
hành khác nhau, nên nó thích hợp dùng cho các mạng hỗn tạp các loại phần
cứng và phần mềm nhƣ Internet.
- Định địa chỉ một cách tổng quát: mỗi trạm trên mạng TCP/IP có 1 địa chỉ IP
duy nhất đƣợc dùng để liên lạc với bất kì trạm nào khác trên mạng.
- Hỗ trợ đắc lực mạng theo mô hình Client - server.
1.2.2 Kiến trúc phân tầng của TCP/IP
Bộ các giao thức TCP/IP đƣợc phân làm bốn lớp tầng:

Hình 1.4: Kiến trúc phân tầng của TCP/IP
1.2.3. Quá trình gửi nhận dữ liệu giữa hai máy tính

Hình 1.5: Quá trình gửi nhận dữ liệu giữa hai máy tính
8

Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc- tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai -


luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 18 of 95.

Gói dữ liệu từ máy gửi sẽ đi từ gửi lần lƣợt qua tầng: Tầng ứng dụng và dịch
vụ, tầng vận chuyển, Tầng lớp mạng và tầng truy cập mạng. Tại mỗi tầng, dữ liệu

sẽ đƣợc chèn thêm tất cả các điều khiển thông tin đòi hỏi gọi là Header. Tại máy
thu dữ liệu nhận đƣợc sẽ theo thứ tự ngƣợc lại. Dữ liệu thông qua tầng đƣợc loại
bỏ phần tiêu đề tƣơng ứng là Chen thêm. Cho đến khi đến tầng trên cùng thì dữ
liệu lúc này sẽ không có phần tiêu đề nữa.
1.2.4. Sơ lƣợc chức năng các tầng
1.2.4.1. Tầng ứng dụng
Đây là mức cao nhất trong tầng kiến trúc TCP/IP, Tầng này bao gồm tất cả
các chƣơng trình ứng dụng sử dụng các dịch vụ có sẵn thông qua bộ giao thức
TCP/IP. Các chƣơng trình ứng dụng này tƣơng tác với một trong các giao thức
tầng giao vận cho truyền hay nhận dữ liệu và mỗi chƣơng trình ứng dụng chọn một
kiểu giao thức hợp lý cho công việc của mình.
Tại tầng ứng dụng các dữ liệu là các luồng đƣợc gọi là stream.
1.2.4.2. Tầng giao vận
Tầng giao vận cho phép sự giao tiếp thông tin ở mình chƣơng trình ứng
dụng. Mỗi sự giao tiếp gọi là End- to-end. Tầng giao vận, cho phép điều chỉnh lƣu
lƣợng luồng thông tin. Nó cũng cung cấp sự truyền tin cậy và đảm bảo các dữ liệu
vào sẽ bị lỗi. Để làm đƣợc điều này, ta cần viết phần mềm giao thức hỗ trợ để bên
nhận có thể gửi lại thông báo xác nhận về việc thu thập dữ liệu bên gửi và bên có
thể truyền lại gói tin bị lỗi hoặc bị mất.
Phần mềm giao thức tầng vận chuyển có thể chia dữ liệu (stream) ra thành
gói dữ liệu ít hơn (thƣờng gọi là Segment hoặc gói) và gửi xuống tầng dƣới.
1.2.4.3. Tầng Internet
Tầng Internet (tầng mạng) xử lí giao tiếp thông tin của một máy này với một
máy khác. Nó phải phải chấp nhận một yêu cầu để gửi một gói từ tầng giao vận
cùng với một định danh của các máy đích mà gói tin sẽ đƣợc gửi đến.

9

Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc- tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai -

luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 19 of 95.

Trọng Tầng Internet, dữ liệu mà giao thức IP gửi xuống tầng dƣới gọi là IP
diagram.
1.2.4.4. Tầng truy cập mạng
Là tầng thấp nhất của bộ các giao thức TCP/IP nó thực hiện việc chấp nhận
các datagram ở tầng trên (ví dụ IP datagram) và việc truyền nó trên một mạng
ethernet xác định.
Trong tầng truy cập mạng, dữ liệu truyền đi đƣợc gọi là frame.
1.2.5. Đóng gói dữ liệu trong TCP/IP
Bộ giao thức TCP/IP dùng sự đóng gói dữ liệu nhằm trừu tƣợng hóa các
giao thức và dịch vụ. Nói cách khác là các giao thức ở tầng cao hơn sử dụng các
giao thức ở tầng thấp hơn nhằm đạt đƣợc mục đích của mình bằng cách đóng gói
dữ liệu.
Mô tả việc thực hiện đóng/mở gói dữ liệu trong giao thức TCP/IP:

Hình 1.6: Thực hiện đóng/mở gói dữ liệu trong giao thức TCP/IP.
Trong bộ giao thức TCP/IP phần data của tầng bên dƣới sẽ chứa phần header
và data của tầng phía trên.
Một số giao thức của các tầng:
10

Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc- tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai -


luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 20 of 95.

Tầng

Giao Thức

Application

DNS, FTP, HTTP

Transport

TCP, UDP

Internet

IP (IPv4, IPv6), ICMP, ARP

Network Access

Ethernet

Bảng 1.2: Một số giao thức của các tầng
1.2.6. Các giao thức và khuôn dạng dữ liệu tƣơng ứng
1.2.6.1. Giao thức Ethernet
a). Giới thiệu giao thức Ethernet
Là giao thức nằm trong tầng Network Access, Ethernet là một chuẩn công
nghệ dành cho mạng cục bộ(LAN) đƣợc quy định trong IEEE 802.3
b). Địa chỉ MAC
MAC là địa chỉ vật lí, là một định danh duy nhất đƣợc nhà sản xuất gán cho
thiết bị mạng hoặc card giao tiếp mạng để nhận dạng và đƣợc sử dụng trong lớp
Network Access Layer.
Địa chỉ MAC gồm 6 bytes, thƣờng đƣợc biểu diễn ở dạng hexa.
Ví dụ: 00-E0-4C-4D-6A-0C

Trong mạng cục bộ, các máy tính truyền thông với nhau thông qua địa chỉ
MAC.
Địa chỉ MAC Broadcast có dạng: FF-FF-FF-FF-FF-FF. Khi gói tin có địa
chỉ MAC đích là MAC Broadcast đƣợc gửi đi thì tất cả các máy tính trong mạng
cục bộ đều nhận đƣợc.
c). Cấu trúc trong một đơn vị dữ liệu của giao thức Ethernet

Hình 1.7: Cấu trúc khung dữ liệu Ethernet
11

Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc- tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai -


luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 21 of 95.

Preamble: Phần mở đầu gồm 7 bytes chứa giá trị 10101010 dùng để đồng
bộ giữa bên truyền và nhận. Phần này không đƣợc tính và kích thƣớc của Ethernet
Frame.
Start Of Frame Delimiter: Gồm 1 byte chứa giá trị 101010111 dùng để
đánh dấu sự bắt đầu của một Frame, và nó không tính vào kích thƣớc của gói
Ethernet Frame.
Destination Address: Gồm 6 bytes, là địa chỉ MAC của máy nhận Frame.
Source Address: Gồm 6 bytes, là địa chỉ MAC của máy gửi Frame.
Length/Type(độ dài/loại): Gồm 2 bytes cho biết độ dài của dữ liệu chứa
trong Frame và cho biết dữ liệu có trong frame là dữ liệu của lớp giao thức nào.
Ví dụ: Dữ liệu trong Ethernet Frame là của giao thức IP thì 2 byte này sẽ có giá trị
là: 0800h, hoặc của giao thức ARP là: 0806h.
Data: dữ liệu của một gói có độ dài từ 46 đến 1500 bytes.
FCS(Frame Check Sequency): Gồm 4 bytes dùng để kiểm tra lỗi cho các
trƣờng Destination Adderss, Source Address, Length/Type, Data.

Trong đề tài này, khi lập trình xử lígiao thức Ethernet chúng ta không cần
quan tâm đến các trƣờng Preamble, Start Of Frame Delimiter, FCS vì chíp giao
tiếp Ethernet ENC28j60 sẽ tự động lƣợc bỏ các trƣờng này.
d). Hoạt động của giao thức Ethernet
Khi nhận đƣợc một Ethernet Frame. Phần mềm giao thức Ethernet bên máy
nhận sẽ thực hiện 2 bƣớc.
Bƣớc 1: Kiểm tra lỗi frame, frame lỗi sẽ bị bỏ qua(thực hiện bởi chip Enc28j60).
Bƣớc 2: Kiểm tra MAC host nhận (Destination Address) trong Ethernet Frame có
trùng với MAC của chính nó hay không?
- Nếu trùng, nó sẽ nhận Frame này, loại bỏ phần Ethernet Header và chuyển
lên lớp trên.
- Nếu MAC host nhận trong Ethernet Frame là địa chỉ MAC broadcast (FFFF-FF-FF-FF-FF) (nghĩa là gửi cho tất cả các máy nhận trong mạng LAN)
thì frame này cũng đƣợc nhận và xử lý.
12

Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc- tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai -


luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 22 of 95.

1.2.6.2. Giao thức IP
a). Giới thiệu giao thức IP
Trong mạng LAN ta có thể sử dụng địa chỉ MAC để gửi dữ liệu tới đích.
Nhƣng ngoài mạng LAN, địa chỉ MAC không thể xác định đƣợc host đích. Vì vậy,
lúc gửi dữ liệu bên ngoài mạng LAN thì các router sẽ chuyển dữ liệu đi tới máy
đích dựa vào địa chỉ IP.
Giao thức IP có vai trò:
b). Địa chỉ IP
Mạng Internet dùng hệ thống địa chỉ IP để “định vị” các máy tính liên kết
với nó, dịa chỉ IP gồm 32 bits.

Địa chỉ IP gồm 3 phần: Class bit, Network ID và Host ID.
Class bit

Network ID

Host ID

4 bytes

Hình 1.8: Cấu trúc địa chỉ IP
Phần 1 là bit nhận dạng lớp, dùng để xác định địa chỉ đang ở lớp nào, phần
Network ID dùng để đánh địa chỉ mạng, Host ID dùng để đánh địa chỉ host trong
mạng.
Địa chỉ IP đƣợc phân thành 5 lớp: lớp A, B, C, D, E, trong đó lớp A, B, C
dành cho 3 loại mạng: lớn, vừa, nhỏ ; 1 lớp địa chỉ multicasting(lớp D) và một lớp
dự trữ(E).

Hình 1.9: Phân lớp trong địa chỉ IP
c). Cấu trúc gói tin IP(IP packet)
13

Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc- tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai -


luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 23 of 95.

Giao thức IP cấp thêm phần header IP vào trƣớc mỗi Segment đƣợc gửi từ
tầng giao vận(Transport) và đơn vị dữ liệu này trong giao thức TCP/IP đƣợc gọi là
IP packet.
IP Packet

IP Header

Transport Layer PDU

Hình 1.10: IP packet
Một IP packet có dạng nhƣ hình 1.11:
- Version (4 bits): chỉ ra phiên bản của giao thức IP(version 4 có giá trị 0100).
- Internet Header Length(IHL)(4 bits): Chỉ ra chiều dài của IP header. Tính theo
đơn vị word(1 word bằng 32 bits).
+ Độ dài tối thiểu của IP Header là 5 words(20 bytes).
+ IHL giúp xác định byte đầu tiên của phần data nằm ở đâu trong IP packet.
- Type Of Services(TOS) - 8 bits: dùng để đặc tả tham số về dịch vụ nhằm thông
báo cho mạng biết dịch vụ nào mà gói tin muốn sử dụng, nhƣ: ƣu tiên, thời gian
chậm trễ, năng suất truyền và độ tin cậy.

Hình 1.11: Cấu trúc IP packet
14

Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc- tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai -


luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 24 of 95.

- Total Length(16 bits tính theo đơn vị word): Chỉ ra chiều dài toàn bộ IP
Packet(Gồm IP Header + IP data).
+ Giá trị lớn nhất của Total Length là 65535 byte.
+ Chiều dài IP data= Total Length – IHL.
- Identification(16 bits tính theo đơn vị word):
+ Dùng để nhận diện các phân đoạn của IP packet.

+ Định danh duy nhất cho 1 IP Packet trong khoảng thời gian nó vẫn còn trên liên
mạng.
+ Giúp bên nhận có thể ghép các đoạn của 1 IP packet lại với nhau vì IP packet
phân thành các đoạn và các đoạn thuộc cùng 1 IP packet sẽ có cùng Identifiation.
+ Có tối đa 65535 định danh có thể đƣợc sử dụng.
- Flags(3 bits): điều khiển sự phân đoạn
+ R- Reserver(1 bit): Không sử dụng.Mặc định R=0.
+ DF(Don‟t Fragment)(1 bit): Quản lý việc phân đoạn của IP Packet
DF=0: Phân đoạn nếu cần thiết
DF=1: Không phân đoạn đoạn gói này.
+ MF(More Fragment)(1 bit)
MF=0: đây là phân đoạn cuối cùng
MF=1: Còn nhiều phân đoạn sau này.
Nếu IP Packet bị phân đoạn thì bit MF này cho biết đoạn này có phải là đoạn cuối
hay không? Tất cả các đoạn(trừ đoạn cuối) phải có bit MF=1 để xác định tất cả các
đoạn của IP Packet đến đích chƣa?
- Flagment Offset(13 bits)
+Độ dời(đơn vị 8 bytes) tính từ điểm bắt đầu của IP header tới điểm bắt đầu của
phân đoạn.
+ Báo cho bên nhận vị trí offset của các đoạn so với IP Packet gốc để có thể
ghép lại thành IP Packet gốc.
- Time To Live(8 bits):

15

Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc- tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai -


luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 25 of 95.

+ Thời gian tồn tại trên mạng hoặc số chặng trên mạng mà gói tin đi qua trƣớc
khi bị hủy bỏ.
+ Số này giảm đi một khi qua môt router.
+ Khi bộ đếm đạt đến 0 thì gói này sẽ bị loại.
+ TTL do ngƣời gửi khởi tạo.
- Protocol(8bits):
+ Nhận diện Protocol trên lớp IP.
+ Chỉ ra giao thức nào (TCP/UDP/ICMP) của tầng trên(tầng Trasport) sẽ nhận
phần data sau công đoạn xử límột IP Packet ở tầng Network hoàn tất đối với khi
nhận.
+ Đối với khi truyền đi(từ tầng trên xuống duới): Chỉ ra giao thức nào của tầng
trên gửi segment xuống cho tầng Network đóng gói thành một IP packet để
chuyển đi.
+ Mỗi giao thức sẽ có một mã Protocol:
ICMP: Protocol = 1
TCP : Protocol = 6
UDP : Protocol = 17
- Header Checksum(16 bits): Dùng để phát hiện lỗi của IP header(Không tính
phần Data) của gói tin xảy ra trong quá trình truyền của nó.
- Source Address(32 bits): Địa chỉ IP của host gửi.
- Destination Address(32 bits): Địa chỉ IP của host nhận.
- Option(độ dài không cố định): Dùng để khai báo tùy chọn.
- Data(độ dài không cố định): Vùng chứa dữ liệu từ 1 đến 65535 byte.
d). Hoạt động của giao thức IP
Hoạt động mà dữ liệu sẽ đƣợc gửi qua giao thức IP nhƣ sau:
Khi nhận đƣợc một segment đơn vị dữ liệu cần gửi tới máy đích nào đó, địa
chỉ đích này sẽ đƣợc cung cấp bằng địa chỉ IP. Giao thức IP sẽ gắn thêm vào đầu
Segment dữ liệu một đoạn IP header để tạo thành một IP Packet hoàn chỉnh.

16

Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc- tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai -