Mục lục bài họcĐang ở d02-b1
Packets, transmission methods and direction
Data packets
Large files are broken into small packets before being sent. Each packet has three parts:
| header | the destination address, the sender's address, and the packet number |
| payload | the actual data being carried |
| trailer | an error-checking method, and a marker showing the packet has ended |
The packet number is the part students forget, and it is essential: packets can arrive out of order, so the receiver needs the numbers to reassemble the file correctly.
Packet switching
Packets travel independently, and each one is routed by whichever path is least congested at that moment. So packets of the same file may take different routes and arrive out of order, and the receiving device reassembles them using the packet numbers.
Advantages: no single line is tied up, so the network is used efficiently; and if one route fails, packets are simply re-routed around the problem.
Disadvantages: packets can arrive out of order or be lost, so they must be reassembled and any missing ones requested again — which adds delay.
Serial and parallel transmission
| serial | bits are sent one at a time down a single wire |
| parallel | several bits are sent simultaneously down several wires |
Parallel is faster over short distances, but it has a serious weakness over long ones: the bits travel down slightly different wires at slightly different speeds, so they arrive at different times. This is called skew, and it corrupts the data.
Serial has no skew because there is only one wire. It is also cheaper (fewer wires) and more reliable over distance — which is why almost all long-distance transmission, including USB and network cables, is serial.
So "parallel is faster" is only true over short distances. Over long ones, serial wins.
Direction of transmission
- simplex — data travels in one direction only. Example: a computer sending to a printer that gives no status back;
- half-duplex — data travels in both directions, but not at the same time. Example: a walkie-talkie;
- full-duplex — data travels in both directions simultaneously. Example: a phone call, or broadband.
The pair most often confused is half-duplex and full-duplex. Both send in two directions — the difference is only whether they can do it at the same time.
USB
USB is a serial connection. Its advantages: the connector only fits one way so it cannot be plugged in wrongly; it is a universal standard supported by almost all devices; it can supply power as well as data; and it is automatically detected by the operating system.
Its limits: cable length is restricted (long cables cause signal loss), and older USB standards are slower than some alternatives.
Gói tin. Tệp lớn được chia thành nhiều gói tin nhỏ trước khi gửi. Mỗi gói có ba phần:
- phần đầu — địa chỉ đích, địa chỉ người gửi, và số thứ tự gói;
- phần tải — dữ liệu thật sự được mang đi;
- phần đuôi — phương pháp kiểm lỗi, và dấu báo gói đã kết thúc.
Số thứ tự gói là phần học viên hay quên, và nó rất quan trọng: các gói có thể tới không đúng thứ tự, nên bên nhận cần số thứ tự để ghép lại tệp cho đúng.
Chuyển mạch gói. Các gói đi độc lập với nhau, và mỗi gói được định tuyến theo đường nào ít tắc nghẽn nhất tại thời điểm đó. Vì thế các gói của cùng một tệp có thể đi những đường khác nhau và tới không đúng thứ tự; thiết bị nhận ghép chúng lại nhờ số thứ tự gói.
Ưu điểm: không đường truyền nào bị chiếm giữ riêng, nên mạng được dùng hiệu quả; và nếu một tuyến hỏng, các gói đơn giản được định tuyến vòng qua chỗ sự cố.
Nhược điểm: gói có thể tới sai thứ tự hoặc bị thất lạc, nên phải ghép lại và phải yêu cầu gửi lại những gói thiếu — điều này làm chậm thêm.
Truyền nối tiếp và truyền song song.
- Nối tiếp — các bit được gửi lần lượt từng bit một trên một dây;
- Song song — nhiều bit được gửi cùng lúc trên nhiều dây.
Song song nhanh hơn trên quãng ngắn, nhưng nó có một điểm yếu nghiêm trọng trên quãng dài: các bit đi trên những dây hơi khác nhau với tốc độ hơi khác nhau, nên chúng tới nơi không cùng lúc. Hiện tượng này gọi là lệch pha, và nó làm hỏng dữ liệu.
Nối tiếp không bị lệch pha vì chỉ có một dây. Nó cũng rẻ hơn (ít dây hơn) và đáng tin cậy hơn trên quãng dài — đó là lý do gần như mọi kết nối đường dài, kể cả USB và cáp mạng, đều là nối tiếp.
Vậy câu “song song thì nhanh hơn” chỉ đúng trên quãng ngắn. Trên quãng dài, nối tiếp mới thắng.
Chiều truyền dữ liệu.
- Đơn công — dữ liệu chỉ đi một chiều. Ví dụ: máy tính gửi tới một máy in không báo trạng thái về;
- Bán song công — dữ liệu đi cả hai chiều, nhưng không cùng lúc. Ví dụ: bộ đàm;
- Song công toàn phần — dữ liệu đi cả hai chiều cùng một lúc. Ví dụ: cuộc gọi điện thoại, hoặc kết nối băng thông rộng.
Cặp hay bị lẫn nhất là bán song công và song công toàn phần. Cả hai đều truyền được hai chiều — khác biệt chỉ nằm ở chỗ có làm được cùng lúc hay không.
USB. USB là một kết nối nối tiếp. Ưu điểm: đầu cắm chỉ vừa theo một chiều nên không cắm nhầm được; nó là chuẩn phổ biến được gần như mọi thiết bị hỗ trợ; nó cấp được cả nguồn điện lẫn dữ liệu; và hệ điều hành tự động nhận diện.
Hạn chế: chiều dài cáp bị giới hạn (cáp dài gây suy hao tín hiệu), và các chuẩn USB đời cũ chậm hơn một số phương án khác.
(a) Giải thích vì sao gần như mọi kết nối đường dài đều dùng truyền nối tiếp, dù truyền song song gửi được nhiều bit cùng lúc. (b) Nêu ba ưu điểm của USB.
(a) Vì sao nối tiếp thắng trên quãng dài.
Lý do một — lệch pha. Truyền song song gửi nhiều bit trên nhiều dây khác nhau cùng lúc. Nhưng các dây đó không hoàn toàn giống nhau: chúng chênh nhau chút ít về chiều dài, điện trở và nhiễu.
Trên quãng ngắn, chênh lệch đó không đáng kể. Nhưng càng đi xa, chênh lệch càng tích luỹ, nên các bit lẽ ra phải tới cùng lúc lại tới lệch nhau.
Đây gọi là lệch pha, và khi độ lệch đủ lớn, bên nhận không ghép lại đúng được nhóm bit nào đi với nhóm nào — dữ liệu bị hỏng.
Truyền nối tiếp không thể bị lệch pha, vì chỉ có một dây và các bit đi lần lượt theo đúng thứ tự.
Lý do hai — chi phí. Song song cần nhiều dây. Với một sợi cáp dài hàng trăm mét hay hàng ki-lô-mét, chi phí gấp tám hay mười sáu lần là không chấp nhận được.
Lý do ba — nhiễu xuyên kênh. Nhiều dây chạy sát nhau còn gây nhiễu lẫn nhau, làm vấn đề nặng thêm.
Kết luận. Câu “song song nhanh hơn” chỉ đúng trên quãng ngắn — như bên trong một bo mạch máy tính. Trên quãng dài, nối tiếp vừa rẻ hơn, vừa đáng tin cậy hơn, nên nó là lựa chọn cho USB, cáp mạng và mọi đường truyền xa.
(b) Ba ưu điểm của USB.
Một — không cắm nhầm được. Đầu cắm được thiết kế chỉ vừa theo một chiều, nên người dùng không thể cắm ngược và làm hỏng thiết bị.
Hai — chuẩn phổ biến. Gần như mọi thiết bị đều hỗ trợ USB, nên cùng một sợi cáp dùng được cho nhiều máy và nhiều thiết bị ngoại vi khác nhau. Hệ điều hành cũng tự động nhận diện nên không phải cài đặt thủ công.
Ba — cấp cả nguồn lẫn dữ liệu. Nhiều thiết bị — chuột, bàn phím, ổ cứng di động — không cần nguồn riêng vì chúng lấy điện qua chính sợi cáp USB.
Hạn chế cần nêu: chiều dài cáp bị giới hạn vì cáp dài gây suy hao tín hiệu, và các chuẩn USB đời cũ chậm hơn một số phương án khác.
Mô tả ba phần của một gói tin và nội dung của mỗi phần. Sau đó giải thích chuyển mạch gói hoạt động thế nào, và vì sao số thứ tự gói là bắt buộc.
Ba phần của một gói tin.
Phần đầu. Chứa địa chỉ đích để mạng biết gửi gói đi đâu, địa chỉ người gửi để bên nhận biết trả lời cho ai, và số thứ tự gói.
Phần tải. Chứa dữ liệu thật sự đang được mang đi — phần nội dung của tệp.
Phần đuôi. Chứa phương pháp kiểm lỗi để bên nhận kiểm tra dữ liệu có bị hỏng trên đường không, và một dấu báo kết thúc gói.
Chuyển mạch gói hoạt động thế nào.
Tệp lớn được chia thành nhiều gói nhỏ. Mỗi gói đi độc lập, và tại mỗi nút mạng, bộ định tuyến chọn cho nó đường nào ít tắc nghẽn nhất tại thời điểm đó.
Hệ quả: các gói của cùng một tệp có thể đi những tuyến đường khác nhau, và vì các tuyến dài ngắn khác nhau, chúng tới nơi không đúng thứ tự.
Vì sao số thứ tự gói là bắt buộc.
Không có số thứ tự, bên nhận không có cách nào biết gói nào đứng trước gói nào. Nó sẽ ghép các mảnh theo thứ tự đến, và tệp kết quả sẽ lộn xộn và vô dụng.
Với số thứ tự, bên nhận chỉ việc sắp xếp lại theo đúng số rồi ghép — bất kể chúng tới theo thứ tự nào.
Số thứ tự còn làm một việc thứ hai: nó cho bên nhận biết gói nào bị thiếu. Nếu nhận được gói $1, 2, 4, 5$ thì rõ ràng gói $3$ đã thất lạc, và bên nhận yêu cầu gửi lại đúng gói đó thay vì gửi lại cả tệp.
Ưu điểm của chuyển mạch gói. Không đường truyền nào bị chiếm giữ riêng nên mạng được dùng hiệu quả; và nếu một tuyến hỏng, các gói được định tuyến vòng qua chỗ sự cố nên kết nối không đứt.
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Data Transmission gồm 14 câu trắc nghiệm và 5 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.