Thiết kế hệ thống đo lường và giám sát mực chất lỏng từ xa thông qua hệ thống truyền thông với giao thức TCP

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG VÀ GIÁM SÁT MỰC
CHẤT LỎNG TỪ XA THÔNG QUA HỆ THỐNG TRUYỀN
THÔNG VỚI GIAO THỨC TCP/IP

Sinh viên thực hiện:

LẠI DUY DÂN

Lớp:

49K - ĐTVT

Giảng viên hướng dẫn: ThS. LÊ VĂN CHƯƠNG
Cán bộ phản biện:

NGHỆ AN - 2012

1


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: ................................... Số hiệu sinh viên: ...........................
Ngành: ...................

Khoá: ..............................

Giảng viên hướng dẫn:……………………………………………………………..
Cán bộ phản biện: ........................................................................................................
1. Nội dung thiết kế tốt nghiệp:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................

2. Nhận xét của cán bộ phản biện:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................

Ngày

tháng

năm

Cán bộ phản biện
( Ký, ghi rõ họ và tên )

2

LỜI NÓI ĐẦU

Xu thế phát triển của khoa học kỹ thuật nói chung và ngành Điện tử, Tự
động hóa nói riêng hiện nay đó là nghiên cứu, ứng dụng các thành tựu của cơng
nghệ vi điện tử, vi xử lí nhằm tiến tới tự động hóa các q trình cơng nghệ, nâng
cao hiệu quả sản xuất và chất lượng sản phẩm. Các bộ vi xử lí, vi điều khiển thơng
minh với nhiều tính năng vượt trội, đáp ứng các nhu cầu của sản xuất công nghiệp
đang được các hãng sản xuất ra đời ngày càng nhiều đem lại sự lựa chọn đa dạng
cho người sử dụng. Một trong các ứng dụng chính của các bộ vi xử lý, vi điều khiển
đó là thực hiện việc tính tốn, xử lý số liệu trong các bài tốn đo lường trong cơng
nghiệp.
Xuất phát từ nhu cầu thực tế về việc đo lường và giám sát mực chất lỏng
(mức nước, mức dòng chảy, mức nước thải, hóa dầu, hóa chất và cơng nghiệp thực
phẩm .v.v.), tác giả đã quyết định lựa chọn đề tài “Thiết kế hệ thống đo lường và
giám sát mực chất lỏng từ xa thông qua hệ thống truyền thông với giao thức
TCP/IP”.
Trong quá trình thực hiện đề tài, tác giả đã cố gắng trình bày nội dung một
cách có hệ thống. Song do thời gian thực hiện có hạn, điều kiện làm việc còn nhiều
hạn chế cũng như kinh nghiệm bản thân cịn ít nên chắc chắn khơng tránh khỏi
những thiếu sót. Tác giả mong nhận được sự góp ý từ các thầy giáo, cô giáo và các
bạn để đề tài ngày càng hoàn thiện.
Xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo khoa Điện tử Viễn thông đã tận tình
giảng dạy, tạo mọi điều kiện giúp đỡ tác giả trong quá trình học tập và nghiên cứu.
Xin cảm ơn các phịng thí nghiệm thuộc dự án “Tăng cường năng lực nghiên cứu
cho phịng thí nghiệm Điện - Điện tử” đã tạo điều kiện cho tác giả được sử dụng
các thiết bị trong quá trình thực hiện đề tài.
Tác giả xin gửi lời cảm ơn đến thầy giáo ThS. Lê Văn Chương - người đã
tận tình giúp đỡ, hướng dẫn tác giả hoàn thành đề tài này.
NGƯỜI THỰC HIỆN

3


Lại Duy Dân

4


MỤC LỤC
LỜI NĨI ĐẦU..........................................................................................................3
TĨM TẮT ĐỒ ÁN..................................................................................................6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.................................................................................7
DANH MỤC CÁC BẢNG.......................................................................................8
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT......................................................9
PHẦN I: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN................................................................10
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIAO THỨC TCP/IP.....................................10
1.1. Mạng và giao thức.........................................................................................10
1.1.1. Mạng (Mạng máy tính)........................................................................10
2.2.2. Giao thức TCP/IP.................................................................................12
1.1.3. Cấu trúc gói tin TCP/IP và quá trình thiếp lập kết nối của giao thức
TCP/IP...........................................................................................................20
1.2. Mạng cục bộ LAN và công nghệ Ethernet.....................................................28
1.2.1. Mạng cục bộ LAN................................................................................28
1.2.2. Công nghệ Ethernet..............................................................................29
1.3. Giới thiệu vi mạch Ethernet ENC28J60........................................................37
1.3.1. ENC28J60............................................................................................37
1.3.2. Giao tiếp thiết bị ngoại vi.....................................................................39
1.3.3. Giới thiệu bộ thư viện TCP/IP stack của Microchip.............................43
1.4. Giao diện web................................................................................................44

CHƯƠNG 2: VI ĐIỀU KHIỂN PIC18F4620......................................................47
2.1. Giới thiệu vi điều khiển.................................................................................47
2.2. Vi điều khiển PIC 18F4620...........................................................................48
2.2.1. Sơ đồ khối............................................................................................49
2.2.2. Nguồn dao động...................................................................................50
2.2.3. Cấu trúc bộ nhớ của PIC18F4620........................................................51
2.2.3. Sử dụng giao tiếp SPI...........................................................................52
2.3. Phần mềm lập trình và biên dịch CSS...........................................................55
2.3.1. Tổng quan về CCS...............................................................................55
2.3.2. Giới thiệu về CCS................................................................................55
2.3.3. Tạo PROJECT đầu tiên trong CCS......................................................56
CHƯƠNG 3: ĐO KHOẢNG CÁCH BẰNG PHƯƠNG PHÁP SIÊU ÂM.......60
3.1. Cảm biến siêu âm và nguyên tắc TOF...........................................................60
3.2. Cảm biến siêu âm SFR05..............................................................................64
3.2.1. Các chế độ hoạt động:..........................................................................65
PHẦN II: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG VÀ GIÁM
SÁTMỰC CHẤT LỎNG TỪ XA THÔNG QUA HỆ THỐNG TRUYỀN
THÔNG VỚI GIAO THỨC TCP/IP...................................................................68
CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CHO HỆ THỐNG......68
4.1. Sơ đồ khối của hệ thống................................................................................68

5


4.2. Phân tích thiết kế hệ thống............................................................................69
4.2.1. Khối giao tiếp mạng.............................................................................69
4.2.2. Khối vi điều khiển................................................................................71
4.2.3. Khối nguồn..........................................................................................72
4.2.4. Khối cảm biến......................................................................................72
4.2.5. Khối hiển thị........................................................................................73

4.2.6. Khối giao tiếp máy tính........................................................................74
4.2.7. Khối ngoại vi........................................................................................75
CHƯƠNG 5: LẬP TRÌNH PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG.............77
5.1. Mơ hình của hệ thống điều khiển và giám sát từ xa.......................................77
5.2. Lưu đồ thuật tốn và chương trình................................................................78
KẾT LUẬN............................................................................................................81
6.1. Các vấn đề thực hiện được:...........................................................................81
6.2. Tự đánh giá:..................................................................................................81
6.3. Kiến nghị và hướng phát triển đề tài:............................................................81
TÀI LIỆU THAM KHẢO.....................................................................................83
PHỤ LỤC............................................................................................................... 84

6


TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Nội dung đồ án bao gồm hai phần:
Phần 1: Trong phần này tác giả thực hiện nghiên cứu về:
- Bộ giao thức TCP/IP như cấu trúc, nguyên tắc hoạt động; mạng LAN và
công nghệ Ethernet; các kỹ thuật và phương pháp truyền dẫn.
- Cấu trúc vi điều khiển PIC18F4620 và trình biên dịch CCS.
- Vi mạch ENC28J60 với ứng dụng trong truyền thông Ethernet.
- Nguyên tắc đo khoảng cách bằng sóng siêu âm và cảm biến siêu âm
SFR05.
Phần 2: Trong phần này tác giả phân tích và thiết kế cấu trúc hệ thống, chức
năng, nhiệm vụ các thành phần trong hệ thống. Thiết kế phần cứng và phần mềm
cho hệ thống đo lường và giám sát mực chất lỏng từ xa thông qua giao thức TCP/IP.
Tiến hành thử nghiệm và đánh giá hệ thống đã thiết kế.
ABSTRACT

This thesis consists of two the part:
Part 1: In this part the author conducted research on:
- The protocols TCP/IP as the structure and principles of operation; LAN
network and Ethernet technologies; transmission techniques and transmission methods.
- The structure microcontroller PIC18F4620 and program compile CCS.
- Microchip ENC28J60 with applications in transmission Ethernet.
- Principle of measuring distance by ultrasonic wave and ultrasonic sensors
SFR05.
Part 2: In this part the author analyzes and designs the system structure,
functions and tasks of the components in the system. Design hardware and software
for system measurement and monitoring of liquid level remotely via protocols TCP/
IP. Conduct test and evaluation system was designed.

7


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Truyền thơng qua mạng máy tính.....................................................2
Hình 1.2: Mơ hình tổng qt của mạng Internet...............................................3
Hình 1.3: Kết nối trong và ngồi mạng LAN...................................................6
Hình 1.4: Kiến trúc giao thức TCP/IP..............................................................7
Hình 1.5: Cấu trúc gói dữ liệu TCP/IP...........................................................11
Hình 1.6: Tổ chức địa chỉ IP..........................................................................11
Hình 1.7: Mạng con và mặt nạ mạng.............................................................12
Hình 1.8: Cấu trúc gói tin IP..........................................................................13
Hình 1.9: Cấu trúc gói tin TCP......................................................................15
Hình 1.10: Thiết lập kết nối TCP...................................................................17
Hình 1.11: Kết thúc kết nối TCP.................................................................... 19
Hình 1.12: Cấu trúc mạng hình sao................................................................20
Hình 1.13: Cấu trúc mạng dạng BUS.............................................................20

Hình 1.14: Cấu trúc mạng dạng vịng............................................................20
Hình 1.15: Cấu trúc khung MAC theo IEEE 802.3/ Ethernet........................24
Hình 1.16: Minh họa phương pháp CSMA/CD..............................................26
Hình 1.17: Sơ đồ chân chip ENC28J60..........................................................28
Hình 1.18: Sơ đồ khối chíp ENC28J60..........................................................29
Hình 1.19: Bộ tạo dao động của ENC28J60...................................................29
Hình 1.20: Giao diện kết nối SPI với ENC28J60...........................................31
Hình 1.21: Quá trình đọc thanh ghi điều khiển Ethernet................................32
Hình 1.22: Quá trình đọc thanh ghi điều khiển MAC....................................33
Hình 1.23: Quá trình ghi vào thanh ghi lệnh..................................................33
Hình 1.24: Quá trình ghi vào bộ đệm lệnh.....................................................33
Hình 1.25: Quá trình ghi vào lệnh của hệ thống.............................................33
Hình 2.1: Sơ đồ chân PIC 18F4620...............................................................39
Hình 2.2: Sơ đồ khối PIC 18F4620................................................................41
Hình 2.3: Bộ nhớ chương trình PIC 18F4620................................................42
Hình 2.4: Giao diện kết nối giao tiếp SPI.......................................................44
Hình 2.5: Các chế độ hoạt động của SPI........................................................45

8


Hình 2.6: Project CCS....................................................................................47
Hình 3.1: Nguyên lý Time Of Flight..............................................................51
Hình 3.2: Tầm quét của cảm biến siêu âm.....................................................52
Hình 3.3: Các vùng ghi nhận từ cảm biến Siêu âm........................................54
Hình 3.4: Ví dụ tính tốn thơng số của cảm biến...........................................54
Hình 3.5: Kết nối SFR05 ở chế độ 1..............................................................56
Hình 3.6: Giản đồ xung của SFR05 ở chế độ 1..............................................56
Hình 3.7: Kết nối SFR05 ở chế độ 2..............................................................57
Hình 3.8: Giản đồ xung của SFR05 ở chế độ 2..............................................57

Hình 4.1: Sơ đồ khối hệ thống.......................................................................60
Hình 4.2: Lưu thuật tốn nhận dữ liệu từ ENC28J60.....................................61
Hình 4.3: Sơ đồ nguyên lý khối giao tiếp mạng.............................................61
Hình 4.4: Sơ đồ nguyên lý khối vi điều khiển................................................62
Hình 4.5: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn...........................................................63
Hình 4.6: Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị........................................................64
Hình 4.7: So sánh UART và RS232...............................................................65
Hình 4.8: Sơ đồ ngun lý khối giao tiếp máy tính........................................65
Hình 5.1: Mơ hình của hệ thống điều khiển và giám sát từ xa.......................68
Hình 5.2: Lưu đồ thuật tốn chương trình chính............................................69
Hình 5.3: Lưu đồ thuật tốn chương trình đo khoảng cách............................71
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Một số loại cáp truyền Ethernet thông dụng..................................22
Bảng 1.2: Tập lệnh điều khiển ENC28J60.....................................................32
Bảng 1.3: Các module trong thư viện TCP/IP Stack......................................35
Bảng 2.1: Đặc tính kỹ thuật của PIC 18F4620...............................................40

9


DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
ARP
ARPA
CSMA/CD
DHCP

Address Resolution Protocol
Giao thức phân giải địa chỉ
Advanced Reseach Projecs Agency Cơ quan nghiên dự án nâng cao
Carrier Sense Multiple Access with Truy cập nhận biết sóng mang

Collision Avoidance
Dynamic Host Configuration

DNS

Protocol
Domain Name System

ICMP

Internet Control Message Protocol

IP
LAN

Internet Protocol
Local Area Network

MAC

Medium Access Control

NIC

Network Information Centre
Reverse Address Resolution

RARP
SCTP
SNMP

Protocol
Stream Control Transmission
Protocol
Simple Network Management
Protocol

SPI

Serial Peripheral Interface

STMP

Simple Mail Transfer Protocol

TCP

Transmission Control Protocol

TOF

Time Of Flight

UDP

User Datagram Protocol

WAN

Phát hiện xung đột

Giao thức cấu hình động máy chủ
Hệ thống tên miền
Giao thức điều khiển truyền tin
trên mạng
Giao thức liên mạng
Mạng cục bộ
Điều khiển truy nhập môi trường
mạng
Card mạng
Giao thức phân giải ngược địa chỉ
Giao thức điều khiển dòng truyền
dẫn
Giao thức quản trị mạng
Giao diện nối tiếp với thiết bị
ngoại vi
Giao thức truyền tải thư từ
Giao thức điều khiển truyền
thơng
Thời gian truyền sóng
Giao thức truyền nhận dữ liệu

Wide Area Networks
PHẦN I:

dưới dạng các gói tin
Mạng diện rộng

LÝ THUYẾT TỔNG QUAN
CHƯƠNG 1:
TỔNG QUAN VỀ GIAO THỨC TCP/IP

Chương này đi sâu tìm hiểu về mạng và cơng nghệ Ethernet, giao thức
TCP/IP. Tìm hiểu vi mạch Ethernet ENC28J26 hoạt động với chuẩn giao tiếp SPI.

10


Giới thiệu bộ thư viện TCP/IP Stack của Microchip và quy trình tạo trang Web.
1.1. Mạng và giao thức
1.1.1. Mạng (Mạng máy tính)
Mạng máy tính hay hệ thống mạng (computer network hay network system)
là một tập hợp các máy tính được kết nối với nhau thông qua các phương tiện
truyền dẫn nhằm cho phép chia sẻ tài nguyên: máy in, máy fax, dữ liệu,…
Vào giữa thập niên 1980, người sử dụng dùng các máy tính độc lập bắt đầu
chia sẻ các tập tin bằng cách dùng moderm kết nối với các máy tính khác. Cách
thức này được gọi là điểm nối điểm, hay truyền theo kiểu quay số. Khái niệm này
được mở rộng bằng cách dùng các máy tính là trung tâm truyền tin trong một kết
nối quay số. Các máy tính này được gọi là sàn thơng báo (bulletin board). Các
người dùng kết nối đến sàn thông báo này, để lại đó hay lấy đi các thơng điệp, cũng
như gửi lên hay tải về các tập tin. Hạn chế của hệ thống là có rất ít hướng truyền tin,
và chỉ với những ai biết về sàn thơng báo đó. Ngồi ra, các máy tính tại sàn thơng
báo cần một moderm cho mỗi kết nối, khi số lượng kết nối tăng lên hệ thống không
thề đáp ứng được nhu cầu.
Qua các thập niên 1950, 1970 các kỹ sư điện toán của các viện nghiên cứu
trên khắp nước Mỹ bắt đầu liên kết máy tính của họ với nhau thơng qua công nghệ
của ngành liên lạc viễn thông. Những cố gắng này được ARPA hỗ trợ, và mạng
máy tính mà nó cung cấp được gọi là ARPANET. Các công nghệ tạo ra Arpanet
đã mở rộng và phát triển sau đó. Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ đã phát triển các mạng
diện rộng WAN có độ tin cậy cao, nhằm phục vụ các mục đích qn sự và khoa
học. Cơng nghệ này khác truyền tin điểm nối điểm. Nó cho phép nhiều máy tính
kết nối lại với nhau bằng các đường dẫn khác nhau. Bản thân mạng sẽ xác định dữ

liệu di chuyển từ máy tính này đến máy tính khác như thế nào. Thay vì chỉ có thể
thơng tin với một máy tính tại một thời điểm, nó có thể thơng tin với nhiều máy
tính cùng lúc bằng cùng một kết nối.
Trong thập niên 1990, việc phát triển của công nghệ World Wide Web đã
làm cho ngay cả những người không chuyên nghiệp cũng có thể sử dụng internet.
Nó phát triển nhanh đến mức đã trở thành phương tiện liên lạc toàn cầu như ngày
nay.
11


Hình1.1: Truyền thơng qua mạng máy tính
Trong phạm vi một hệ thống mạng, các yêu cầu và dữ liệu từ một máy tính
được chuyển qua bộ phận trung gian (có thể là dây cáp mạng hoặc đường điện
thoại) tới một máy tính khác. Trong hình 1.1, máy tính A phải có khả năng gửi
thơng tin hoặc u cầu tới máy tính B. Máy tính B phải hiểu được thơng điệp của
máy tính A và đáp lại bằng cách gửi hồi âm cho máy tính A.
Một máy tính tương tác với thế giới thông qua một hoặc nhiều ứng dụng.
Những ứng dụng này thực hiện các nhiệm vụ cụ thể và quản lý dữ liệu ra và vào.
Nếu máy tính đó là một phần của hệ thống mạng, thì một trong số các ứng dụng trên
sẽ có thể giao tiếp với các ứng dụng trên các máy tính khác thuộc cùng hệ thống
mạng. Bộ giao thức mạng là một hệ thống các quy định chung giúp xác định quá
trình truyền dữ liệu phức tạp. Dữ liệu đi từ ứng dụng trên máy này, qua phần cứng
về mạng của máy, tới bộ phận trung gian và đến nơi nhận, thông qua phần cứng của
máy tính đích rồi tới ứng dụng.
Như trong hình 1.2 kết cấu vật lý của mạng Internet gồm có mạng chính
chứa các server cung cấp dịch vụ cho mạng, mạng nhánh bao gồm các trạm làm
việc sử dụng dịch vụ do Internet cung cấp. "Đám mây Internet" hàm chứa vơ vàn
mạng chính, mạng nhánh và bao phủ tồn thế giới. Để một hệ thống phức tạp như
vậy hoạt động trơn tru và hiệu quả thì điều kiện tiên quyết là mọi máy tính trong
mạng, dù khác nhau về kiến trúc, đều phải giao tiếp với mạng theo cùng một quy

luật. Đó là giao thức TCP/IP.

12


Hình 1.2: Mơ hình tổng qt của mạng Internet
2.2.2. Giao thức TCP/IP
TCP/IP là bộ giao thức cho phép kết nối các hệ thống mạng không đồng nhất
với nhau. TCP/IP là viết tắt của Transmission Control Protocol (Giao thức Điều
Khiển Truyền thông)/Internet Protocol (Giao thức Internet), ngày nay TCP/IP được
sử dụng rộng rãi trong các mạng cục bộ cũng như trên mạng Internet tồn cầu. TCP/
IP khơng chỉ gồm 2 giao thức TCP và IP mà thực tế nó là tập hợp của nhiều giao
thức. Chúng ta gọi đó là 1 hệ giao thức hay bộ giao thức (Suite Of Protocols).
Các giao thức TCP/IP có vai trị xác định q trình liên lạc trong mạng và
quan trọng hơn cả là định nghĩa “hình dáng” của một đơn vị dữ liệu và những thơng
tin chứa trong nó để máy tính đích có thể dịch thơng tin một cách chính xác. TCP/IP
và các giao thức liên quan tạo ra một hệ thống hoàn chỉnh quản lý quá trình dữ liệu
được xử lý, chuyển và nhận trên một mạng sử dụng TCP/IP. Một hệ thống các giao
thức liên quan, chẳng hạn như TCP/IP, được gọi là bộ giao thức.
Một chuẩn TCP/IP là một hệ thống các quy định quản lý việc trao đổi trên
các mạng TCP/IP. Bộ lọc TCP/IP là một phần mềm có chức năng cho phép một
máy tính hồ vào mạng TCP/IP.
Mục đích của các chuẩn TCP/IP là nhằm đảm bảo tính tương thích của tất cả
13


bộ lọc TCP/IP thuộc bất kỳ phiên bản nào hoặc của bất kỳ hãng sản xuất nào.
Hai đặc điểm quan trọng của TCP/IP tạo ra môi trường phi tập trung gồm:
+ Xác nhận mút đầu cuối: hai máy tính đang kết nối với nhau đóng vai trị
hai đầu mút ở mỗi đầu của dây truyền. Chức năng này xác nhận và kiểm tra sự trao

đổi giữa 2 máy. Về cơ bản, tất cả các máy đều có vai trị bình đẳng.
+ Định tuyến động: các đầu mút được kết nối với nhau thông qua nhiều
đường dẫn, và các bộ định tuyến làm nhiệm vụ chọn đường cho dữ liệu dựa trên các
điều kiện hiện tại.
a) Nguyên tắc hoạt động:
Dữ liệu truyền từ một ứng dụng TCP/IP hoặc ứng dụng mạng thông qua một
cổng TCP hay UDP tới giao thức lớp TCP hoặc UDP. Các chương trình có thể truy
cập mạng qua TCP hoặc UDP, điều này phụ thuộc vào yêu cầu của chương trình.
TCP là một giao thức định hướng kết nối. Các giao thức định hướng kết nối
cung cấp khả năng kiểm sốt giao thơng và kiểm tra lỗi tinh vi hơn các giao thức
không định hướng kết nối. TCP đảm bảo việc lưu chuyển của dữ liệu và đáng tin
cậy hơn UDP, nhưng việc có thêm những chức năng này đồng nghĩa rằng TCP
chậm hơn UDP.
UDP là giao thức khơng định hướng kết nối. Nó nhanh hơn TCP, nhưng mức
độ tin cậy thấp hơn.
Khi các gói dữ liệu đi tới cấp Internet, tại đây giao thức IP cung cấp thơng tin
địa chỉ logic và gắn thơng tin đó vào gói dữ liệu.
Gói dữ liệu có IP tiến vào lớp truy cập mạng, tại đây nó chuyển giao cho bộ
phận phần mềm được thiết kế để tương tác với mạng vật lý. Lớp truy cập mạng tạo
ra một hoặc nhiều khung dữ liệu để nó có thể vào mạng vật lý.
Khung dữ liệu sẽ được chuyển đổi thành một dải bit để tới bộ phận trung
gian mạng.
b) Thuộc tính
Địa chỉ logic
Một bộ điều hợp mạng (network adapter) có một địa chỉ vật lý (MAC) cố
định và duy nhất. Địa chỉ MAC là địa chỉ vật lý của card mạng, được xác định duy
nhất trên toàn thế giới. Mỗi khi một nhà sản xuất chế tạo ra 1 card mạng, phải định

14

địa chỉ MAC duy nhất cho nó. Địa chỉ MAC được biểu diễn bằng một số nhị phân
48 bit (hoặc viết ngắn gọn là 12 số hexa). Trong đó 24 bit đầu là mã số của công ty
sản xuất Card mạng đó, cịn 24 bit sau là số seri của từng Card mạng đối với một
hãng sản xuất. Như vậy người ta bảo đảm khơng có hai Card mạng nào trùng nhau
về địa chỉ vật lý, người dùng không thể thay đổi được địa chỉ MAC của card mạng
(Tuy nhiên có thể giả mạo được). Địa chỉ vật lý là một con số cho trước gắn vào bộ
điều hợp tại nơi sản xuất. Trong mạng cục bộ, những giao thức chỉ chú trọng vào
phần cứng sẽ vận chuyển dữ liệu theo mạng vật lý nhờ sử dụng địa chỉ vật lý của bộ
điều hợp. Có nhiều loại mạng và mỗi mạng có cách thức vận chuyển dữ liệu khác
nhau. Ví dụ, một mạng Ethernet, một máy tính gửi thơng tin trực tiếp tới bộ phận
trung gian. Bộ điều phối mạng của mỗi máy tính sẽ lắng nghe tất cả các tín hiệu
truyền qua lại trong mạng cục bộ để xác định thơng tin nào có địa chỉ nhận giống
của mình.
Tất nhiên, với những mạng rộng hơn, các bộ điều hợp không thể lắng nghe
tất cả các thông tin. Khi các bộ phận trung gian trở nên quá tải với số lượng máy
tính được thêm mới, hình thức hoạt động này không thể hoạt động hiệu quả.
Các nhà quản trị mạng thường phải chia vùng mạng bằng cách sử dụng các
thiết bị như bộ định tuyến để giảm lượng giao thông. Trên những mạng có định
tuyến, người quản trị cần có cách để chia nhỏ mạng thành những phần nhỏ (gọi là
tiểu mạng) và thiết lập các cấp độ để thông tin có thể di chuyển tới đích một cách
hiệu quả. TCP/IP cung cấp khả năng chia tiểu mạng thông qua địa chỉ logic. Một
địa chỉ logic là địa chỉ được thiết lập bằng phần mềm của mạng. Trong TCP/IP, địa
chỉ logic của một máy tính được gọi là địa chỉ IP. Một địa chỉ IP bao gồm: mã số
(ID) mạng, dùng để xác định mạng; ID tiểu mạng, dùng để xác định vị trí tiểu mạng
trong hệ thống; ID máy nguồn (chủ), dùng để xác định vị trí máy tính trong tiểu
mạng.
Hệ thống tạo địa chỉ IP cũng cho phép quản trị mạng đặt ra hệ thống số của
mạng một cách hợp lý để khi cần mở rộng có thể dễ dàng bổ sung và quản lý.
Định tuyến

Bộ định tuyến là thiết bị đặc biệt có thể đọc được thơng tin địa chỉ logic và
điều khiển dữ liệu trên mạng tới được đích của nó.

15


Hình 1.3: Kết nối trong và ngồi mạng LAN [8]
Ở mức độ đơn giản nhất, bộ định tuyến phân chia tiểu vùng LAN từ hệ thống
mạng. Dữ liệu cần chuyển tới địa chỉ nằm trong tiểu vùng LAN đó, nên không qua
bộ định tuyến. Nếu dữ liệu cần tới máy tính nằm ngồi tiểu vùng LAN của máy gửi
đi (máy chủ), thì bộ định tuyến sẽ làm nhiệm vụ của mình. Trong những mạng có
quy mơ rộng lớn hơn, như Internet chẳng hạn, sẽ có vơ vàn bộ định tuyến và cung
cấp các lộ trình khác nhau từ nguồn tới đích.
TCP/IP bao gồm các giao thức có chức năng xác định cách các bộ định tuyến
tìm lộ trình trong mạng.
Giải pháp địa chỉ dạng tên
Mặc dù địa chỉ IP số có thể thân thiện hơn với địa chỉ vật lý của adapter
mạng, nhưng IP được thiết kế chỉ đơn giản là nhằm tạo sự thuận tiện cho máy tính
chứ khơng phải con người. Mọi người chắc chắn sẽ gặp phải khó khăn khi nhớ các
địa chỉ như 111.121.131.146 hay 111.121.131.156. Vì thế, TCP/IP cung cấp một địa
chỉ dạng ký tự tương ứng với địa chỉ số, những địa chỉ ký tự này được gọi là tên
miền hay DNS (Dịch vụ tên miền). Một số máy tính đặc biệt được gọi là máy chủ
quản lý tên miền lưu trữ các bảng hướng dẫn cách gắn tên miền với địa chỉ số.
Kiểm tra lỗi và kiểm sốt giao thơng
16


Bộ giao thức TCP/IP cung cấp các thuộc tính đảm bảo mức độ tin cậy của
việc vận chuyển dữ liệu trên mạng. Những thuộc tính này bao gồm việc kiểm tra lỗi
trong quá trình vận chuyển (để xác định dữ liệu đã tới nơi chính là cái đã được gửi

đi) và xác nhận việc thông tin đã được nhận. Lớp vận chuyển của TCP/IP xác định
các việc kiểm tra lỗi và xác nhận thông qua giao thức TCP. Nhưng giao thức ở cấp
thấp hơn lớp truy cập mạng cũng đóng một vai trị trong tồn bộ q trình kiểm tra
lỗi.
Hỗ trợ ứng dụng
Bộ giao thức phải cung cấp giao diện cho ứng dụng trên máy tính để
những ứng dụng này có thể tiếp cận được phần mềm giao thức và có thể vào
mạng. Trong TCP/IP, giao diện từ mạng cho tới ứng dụng chạy trên máy ở mạng
cục bộ được thực hiện thông qua các kênh logic gọi là cổng (port). Mỗi cổng có
một số đánh dấu.
c) Nhiệm vụ và thành phần của giao thức
TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) là kết quả nghiên
cứu và triển giao thức trong mạng chuyển mạch gói thử nghiệm mang tên Arpanet
do ARPA (Advanced Reseach Projecs Agency). Khái niệm TCP/IP dùng để chỉ cả
một lớp tập giao thức và dịch vụ truyền thông được công nhận thành chuẩn cho
Internet. Cho tới nay TCP/IP đã xâm nhập tới rất nhiều phạm vi ứng dụng khác
nhau, trong đó có các máy tính cục bộ và mạng truyền thơng cơng nghiệp.
Applications

Applications

Transport

TCP/UDP
ICMP
IP

Internetwork
Network Interface
and Hardware

ARP/RARP

Network Interface
and Hardware

Hình1.4: Kiến trúc giao thức TCP/IP
TCP/IP được xem là giản lược của mơ hình tham chiếu OSI với bốn lớp,
trong mơ hình này là (theo thứ tự từ trên xuống):
17


+ Lớp ứng dụng (Application Layer).
+ Lớp vận chuyển (Transport Layer).
+ Lớp mạng (Internet Layer).
+ Lớp liên mạng (Network Interface Layer).
Lớp ứng dụng:
Lớp ứng dụng thực hiện các chức năng hỗ trợ cần thiết cho nhiều ứng dụng
khác nhau: TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) cho chuyển
thư điện tứ, FTP (File Transfer Protocol) cho chuyển giao file, TELNET là chương
trình mơ phỏng thiết bị đầu cuối cho phép người dùng đăng nhập (login) vào một
máy chủ từ một máy tính nào đó trên mạng, SNMP (Simple Network Management
Protocol) giao thức quản trị mạng cung cấp những công cụ quản trị mạng, DNS
(Domain Name System) là dịch vụ tên miền cho phép nhận ra máy tính từ một tên
miền thay cho chuỗi địa chỉ Internet.
Lớp ứng dụng trao đổi dữ liệu với lớp dưới (lớp vận chuyển) qua cổng. Việc
dùng cổng bằng số cho phép giao thức của lớp vận chuyển biết loại nội dung nào
chứa bên trong gói dữ liệu. Những cổng được đánh bằng số và những ứng dụng
chuẩn thường dùng cùng cổng. Ví dụ: giao thức FTP dùng cổng 20 cho dữ liệu và
cổng 21 cho điều khiển, giao thức SMTP dùng cổng 25…

Lớp vận chuyển:
Lớp vận chuyển có chức năng cung cấp các dịch vụ cho việc thực hiện vận
chuyển dữ liệu giữa các chương trình ứng dụng một cách tin cậy hoàn toàn. TCP là
giao thức tiêu biểu nhất, phổ biến nhất phục vụ việc thực hiện chức năng nói trên.
TCP hỗ trợ việc trao đổi dữ liệu trên cơ sở dịch vụ có nối. Khi dữ liệu nhận, giao
thức TCP lấy những gói được gửi từ lớp Internet và đặt chúng theo thứ tự của nó,
bởi vì những gói có thể đến vị trí đích theo phương thức không theo một thứ tự, và
kiểm tra nếu nội dung của gói nhận có ngun vẹn hay khơng và gửi tín hiệu
Acknowledge – chấp nhận tới bên gửi, cho biết gói dữ liệu đã đến đích an tồn. Nếu
khơng có tín hiệu Acknowledge của bên nhận (có nghĩa là dữ liệu chưa đến đích
hoặc có lỗi), bên truyền sẽ truyền lại gói dữ liệu bị mất.
Bên cạnh TCP, một giao thức khác cũng được sử dụng cho lớp vận chuyển
đó là UDP (User Data Protocol). Khác với TCP, UDP cung cấp dịch vụ không

18


hướng kết nối cho việc gửi dữ liệu mà không đảm bảo tuyệt đối đến đích, khơng
đảm bảo trình tự đến đích của các gói dữ liệu.
Như vậy TCP được coi là một giao thức tin cậy, trong khi UDP được coi là
giao thức không đáng tin cậy. Tuy nhiên UDP lại đơn giản hơn và có hiệu suất
nhanh hơn TCP, chỉ địi hỏi một cơ chế xử lí giao thức tối thiểu và thường được
dùng làm cơ sở thực hiện các giao thức cao cấp theo yêu cầu riêng của người sử
dụng, ví dụ tiêu biểu là giao thức SNMP.
Cả hai giao thức UDP và TCP sẽ lấy dữ liệu từ lớp ứng dụng và thêm header
vào khi truyền dữ liệu. Khi nhận dữ liệu, header sẽ bị gỡ trước khi gửi dữ liệu đến
cổng thích hợp. Trong header này có một vài thơng tin điều khiển liên quan đến số
cổng nguồn, số cổng tới đích, chuỗi số (để hệ thống sắp xếp lại dữ liệu và hệ thống
Acknowledge sử dụng trong TCP) và Checksum (dùng để tính tốn xem dữ liệu đến
đích có bị lỗi hay khơng).

Header của UDP có 8 byte trong khi header của TCP có 20 hoặc 24 byte (tùy
theo kiểu byte lựa chọn).
Dữ liệu ở lớp này sẽ được chuyển tới lớp mạng nếu truyền dữ liệu hoặc được
gửi từ lớp mạng tới nếu nhận dữ liệu.
Lớp mạng:
Lớp mạng có chức năng chuyển giao dữ liệu giữa nhiều mạng được liên kết
với nhau. Có một vài giao thức mà làm việc ở lớp mạng như : IP (Internet Protocol)
có chức năng gán địa chỉ cho dữ liệu trước khi truyền và định tuyến chúng tới đích,
ICMP (Internet Control Message Protocol) có chức năng thơng báo lỗi trong trường
hợp truyền dữ liệu bị hỏng, ARP (Address Resolution Protocol) có chức năng lấy
địa chỉ MAC từ địa chỉ IP.
Với giao thức IP, lớp mạng được sử dụng có nhiệm vụ thêm header tới gói
dữ liệu được nhận từ lớp vận chuyển, là một loại dữ liệu điều khiển khác, nó sẽ
thêm địa chỉ IP nguồn và địa chỉ IP đích – có nghĩa là địa chỉ IP của bên gửi dữ liệu
và bên nhận dữ liệu.
Mỗi gói dữ liệu (datagram) của IP có kích thước lớn nhất là 65.535 byte, bao
gồm cả mào đầu (header) mà có thể dùng 20 hoặc 24 byte, phụ thuộc vào sự lựa
chọn trong chương trình sử dụng. Như vậy gói dữ liệu (datagram) của IP có thể

19


mang 65.515 byte hoặc 65.511 byte, giao thức IP sẽ cắt gói xuống thành nhiều gói
dữ liệu (datagram) nếu thấy cần thiết.
Đối với lớp mạng, dữ liệu có thể lên tới 1500 byte, nghĩa là kích thước lớn nhất
trường dữ liệu của khung (frame) được gửi lên mạng MTU (Maximum Transfer Unit) có
giá trị 1500 byte. Như vậy hệ điều hành tự động cấu hình giao thức IP để tạo ra gói dữ
liệu (datagram) của IP có chiều dài 1500 byte mà khơng phải là 65.535 byte.
Hình 1.5 dưới minh họa gói dữ liệu (datagram) được tạo ra từ lớp mạng bằng
giao thức IP. Như chúng ta đã đề cập mào đầu (header) được giao thức IP thêm vào

bao gồm địa chỉ IP nguồn, địa chỉ IP đích và một vài thông tin điều khiển.
Lớp liên mạng:
Lớp liên mạng liên quan tới việc trao đổi dữ liệu giữa hai trạm thiết bị trong
cùng một mạng. Các chức năng bao gồm việc kiểm sốt truy nhập mơi trường
truyền dẫn, kiểm sốt lỗi và lưu thơng dữ liệu. Gói dữ liệu (datagram) được tạo từ
lớp mạng sẽ được gửi xuống tới lớp liên mạng nếu truyền dữ liệu, hoặc lớp liên
mạng sẽ lấy dữ liệu từ mạng và gửi nó tới lớp Internet nếu chúng ta nhận dữ liệu.
Như đã đề cập ở phần trên, Ethernet là giao thức cấp dưới có ba lớp LLC (Logic
Link Control), MAC (Media Access Control) và lớp vật lí Physical.
Lớp MAC (điều khiển truy nhập phương tiện truyền thơng) có nhiệm vụ lắp
ráp khung (frame) mà sẽ được gửi lên mạng, thêm địa chỉ MAC nguồn và địa chỉ
MAC đích. Địa chỉ MAC là địa chỉ vật lí của card mạng. Những khung (frame) mà
đích tới mạng khác sẽ dùng địa chỉ MAC của router như là địa chỉ đích.
Những lớp LLC và MAC sẽ thêm những mào đầu (header) của chúng tới gói
dữ liệu (datagram) mà nhận được từ lớp Internet. Do đó, cấu trúc đầy đủ của khung
(frame) được tạo ra từ hai lớp đó được thể hiện trong hình vẽ 1.5.
Lớp vật lí đề cập tới giao diện vật lí giữa một thiết bị truyền dữ liệu với môi
trường truyền dẫn hay mạng, trong đó có các đặc tính tín hiệu, chế độ truyền, tốc độ
truyền và cấu trúc cơ học của các phích cắm, jack cắm. Lớp này có nhiệm vụ
chuyển đổi frame do lớp MAC tạo ra thành tín hiệu điện (đối với hệ thống dây dẫn
mạng bằng cable) hoặc thành song từ trường (đối với hệ thống mạng không dây).

20