THIẾT kế, CHẾ tạo hệ THỐNG GIÁM sát NHIỆT độ từ XA THÔNG QUA MẠNG dữ LIỆU GPRS

Nội dung của đồ án được trình bày trong 3 chương Chương 1: Tổng quan về hệ thống GSM và GPRS Chương 2: Giao thức TCP/IP Chương 3: Thiết kế, chế tạo hệ thống giám sát nhiệt độ từ xa thông

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG GIÁM SÁT NHIỆT

ĐỘ TỪ XA THÔNG QUA MẠNG DỮ LIỆU GPRS

Giảng viên hướng dẫn: ThS Lê Văn Chương Sinh viên thực hiện : Hoàng Bảo Như

Mã số sinh viên : 1151089228

NGHỆ AN - 2016

LỜI CẢM ƠN

Sau quá trình học tập và rèn luyện tại khoa Điện tử - Viễn thông trường Đạihọc Vinh em đã được trang bị các kiến thức cơ bản, các kỹ năng thực tế để có thểhoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp của mình

Em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo khoa Điện tử Viễn thông trường Đạihọc Vinh đã quan tâm hướng dẫn truyền đạt những kiến thức quý báu và kinhnghiệm cho em trong suốt thời gian học ở trường nói chung và trong đồ án tốtnghiệp nói riêng Qua đây em xin chân thành cảm ơn ThS Lê Văn Chương đãhướng dẫn tận tình để giúp em hoàn thành đồ án tốt nghiệp

Trong suốt thời gian làm đồ án em đã cố gắng hoàn thành nhưng không tránhkhỏi những sai sót, em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô vàcác bạn để đồ án em có tính thiết thực hơn

Cuối cùng em xin chúc các thầy, cô giáo sức khỏe, nhiều thành công trong sựnghiệp trồng người

Em xin chân thành cảm ơn

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

MỞ ĐẦU 5

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 6

DANH MỤC BẢNG BIỂU TRONG BÁO CÁO 6

1.1 HỆ THỐNG GSM 10

1.1.1.Lịch sử hình thành mạng GSM 10

1.1.2 Kiến trúc mạng GSM 11

1.1.3 Các thủ tục cơ bản của GSM 13

1.2 GPRS 15 1.2.1 Khái quát chung về mạng GPRS 15

1.2.2 Kiến trúc của GPRS 19

1.2.3 Nguyên tắc hoạt động của GPRS 24

CHƯƠNG II : GIAO THỨC TCP/IP 26 2.1 GIỚI THIỆU VỀ GIAO THỨC TCP/IP 26 2.1.1 Lịch sử 26

2.1.2 Khái niệm về giao thức TCP/IP 28

2.2 TỔNG QUÁT VỀ GIAO THỨC TCP/IP 28 2.2.1 Giao thức IP 30

2.2.2 Giao thức điều khiển truyền dữ liệu TCP 33

CHƯƠNG III : THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ TỪ XA THÔNG QUA MẠNG DỮ LIỆU GPRS 39 3.1 YÊU CẦU THIẾT KẾ 39 3.2 SƠ ĐỒ KHỐI 39 3.3 THIẾT KẾ CÁC KHỐI CHỨC NĂNG 39

3.3.1 Giới thiệu Module Sim900 39

3.3.2 Khối vi điều khiển 48

3.3.3 Khối cảm biến DS18B20 51 3.4 THIẾT KẾ PHẦN MỀM 55

3.5 THIẾT KẾ THI CÔNG 56

KẾT LUẬN 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO 59

PHỤ LỤC 60

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Đồ án nghiên cứu về lập trình cho vi điều khiển giao tiếp với cảm biến, vi điềukhiển giao tiếp với module Sim900A để gửi dữ liệu lên trang web Để đạt đượcđược những mục đích đó ta đi sâu vào tìm hiểu các kiến thức cơ bản về ModuleSim900A, cảm biến nhiệt độ DS18B20, vi điều khiển PIC16F887,…

Nắm vững cách viết chương trình, đề ra các hướng phát triển để đề tài hoànthiện hơn

ABSTRACT

The thesis researches programming for microcontrollers communicate withsensors, microcontrollers communicate with the module Sim900A to send data tothe website To achive that goal, we go into learn the basics of Module Sim900A,Temperature sensor DS18B20, Microcontrollers PIC16F887,…

Mastering how to write programs, proposed the development direction to morecompleted thesis

MỞ ĐẦU

Hiện nay cùng với sự phát triển của kinh tế - xã hội, vấn đề an toàn cháy nổđang được sự quan tâm lớn từ xã hội Các hệ thống giám sát,cảnh báo đã được rađời Một trong số đó là giám sát và cảnh báo nhiệt độ được con người quan tâm cao

Vì nhiệt độ tăng có thể ảnh hưởng tới các yếu tố khác trong thiên nhiên cũng nhưảnh hưởng trực tiếp tới con người Bên cạnh đó việc thu thập thông tin và cảnh báoqua mạng đang được quan tâm rộng rãi Với phương pháp này, chúng ta có thể thuthập được dữ liệu từ một khu vực hay đối tượng mà không cần phải tác động trựctiếp Sự bùng nổ của Internet tạo môi trường thuận lợi cho việc truy cập và thu thập

dữ liệu

Việc thu thập thông tin và cảnh báo là một bài toán thiết thực, vận dụng linh hoạtkiến thức và ứng dụng rất nhiều trong thực tế Đây là một chủ đề mới mẻ và đangđược nhiều công ty, tòa nhà áp dụng để nâng cao tính an toàn cho mọi người và củacải xã hội

Chính vì các lý do như trên nên tôi quyết định chọn đề tài “ Thiết kế, chế tạo

hệ thống giám sát nhiệt độ từ xa thông qua mạng dữ liệu GPRS” Đây có thể là

một bài toán nhỏ, nhưng nó cũng giúp chúng em có một cái nhìn khái quát về bàitoán, tạo cơ sở tiền đề cho sự tìm tòi và phát triển các hướng cao hơn trong sựnghiên cứu các công nghệ mới

Nội dung của đồ án được trình bày trong 3 chương

Chương 1: Tổng quan về hệ thống GSM và GPRS

Chương 2: Giao thức TCP/IP

Chương 3: Thiết kế, chế tạo hệ thống giám sát nhiệt độ từ xa thông qua mạng

dữ liệu GPRS

Mặc dù có nhiều cố gắng tuy nhiên do t hời gian có hạn và điều kiện thực hiệncòn hạn chế không tránh khỏ những sai sót trong các trình bày cũng như phần thểhiện, rất mong thầy cô và các bạn góp ý và bổ sung thêm

Em xin chân thành cảm ơn!

Nghệ An, tháng 05 năm 2016Sinh viên thực hiện Hoàng Bảo Như

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Base Station Controller – Bộ điều khiển trạm gốc 15

Hình 1.2 Cấu trúc của một mạng GPRS 15

Hình 1.3 Các khối mạng của GPRS 20

Hình 2.1 Các tầng trong bộ giao thức TCP/IP 28

Hình 2.2 Cấu trúc các lớp địa chỉ IP 31

Hình 2.3 Dạng thức của gói tin IP32

Hình 2.4 Cổng truy nhập dịch vụ TCP 34

Hình 3.1 Sơ đồ tổng quan hệ thống 39

Hình 3.2 Module SIM900 40

Hình 3.3 Khối nguồn 42

Hình 3.4 Khối Sim900A 42

Hình 3.5 Khối UART 43

Hình 3.6 Khối Microphone 43

Hình 3.7 Khối Speaker 43

Hình 3.8 Sơ đồ chân SIM900 44

Hình 3.9 Sơ đồ thiết kế Breakout của Module SIM90045

Hình 3.10 Cấu hình mặc định cho SIM900 47

Hình 3.11 Sơ đồ chân của PIC 16F887 48

Hình 3.12 Cấu trúc bên trong của PIC 16F887 49

Hình 3.13 Sơ đồ chân DS18B20 51

Hình 3.14 Sơ đồ khối của DS18B20 52

Hình 3.15 Bộ nhớ của DS18B20 52

Hình 3.16 Kết nối vi điều khiển và cảm biến 54

Hình 3.17 Lưu đồ thuật toán 55

Hình 3.18 Module Sim90056

Hình 3.19 Mạch vi điều khiển 56

Hình 3.20 Kết nối 2 mạch lại với nhau 56

Hình 3.21 Giao diện trong trang web 57

DANH MỤC BẢNG BIỂU TRONG BÁO CÁO

Bảng 1.1 Tốc độ dữ liệu truyền trong GPRS 18

Bảng 1.2 Tốc độ kênh truyền trong GPRS 18

Bảng 2.1 Một số cổng TCP phổ biến 35

Bảng 2.2 Dạng thức của segment TCP 37

CÁC TỪ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG BÁO CÁO

Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt

GSM Global System for Mobile

communication

Hệ thống truyền thông

di động toàn cầuTDMA Time Division Mutiple Access Đa truy cập phân chia

theo thời gianFDMA Frequence Division Mutiple Access Đa truy cập phân chia

theo tần sốETSI European Telecommunication

Standards Institude

Viện tiêu chuẩn viễnthông Châu ÂuBSC Base Station Controller Bộ điều khiển trạm gốcBSS Base Station System Hệ thống trạm gốcHLR Home Location Register Thanh ghi định vị

thường trúVLR Visitor Location Register Thanh ghi định vị tạm

trúGPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vô tuyến gói

tổng hợpSMSC Short Message Service Centre Dịch vụ bản tin ngắn

SGSN Serving GPRS Support Node Nút phục vụ các thuê

thông điệp InternetIGMP Internet group management protocol Giao thức quản lý

nhóm Internet

-1986: Hai kỹ thuật trên đã được kết hợp để tạo nên công nghệ phát cho GSM.Các nhà khai thác của 12 nước Châu Âu đã cùng ký bản ghi nhớMemorandum of Understanding (MoU) quyết tân giới thiệu GSM vào năm 1991.-1988: CEPT bắt đầu xây dựng đặc tả GSM cho giai đoạn hiện thực và đã cóthêm 5 nước gia nhập MoU.

-1989: Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu (ETSI–EuropeanTelecommunication Standards Institude) nhận trách nhiệm phát triển đặc tả GSM.-1990: Đặc tả giai đoạn 1 đã được đưa cho các nhà sản xuất phát triển thiết bịmạng

-1991: chuẩn GSM 1800 được công bố và thống nhất cho phép các nước ngoài CEPT được tham gia bản MoU

-1992: Đặc tả giai đoạn 1 hoàn tất Mạng GSM giai đoạn 1 thương mại đầutiên được công bố Thỏa thuận chuyển vùng (roaming) quốc tế đầu tiên giữaTelecom Finland và Vodafone (Anh) được ký kết

-1993: Úc là nước đầu tiên ngoài CEPT ký MoU, khi đó MoU đã được 70nước tham gia Mạng GSM được công bố tại Áo, Ai-xơ-len, Hồng Kông, Na Uy và

Úc Thuê bao GSM lên đến hàng triệu Hệ thống DCS thương mại đầu tiên đượccông bố ở Anh

-1994: MoU có hơn 100 tổ chức tham gia tại 60 nước Nhiều mạng GSM rađời, tổng số thuê bao lên 3 triệu

-1995: Đặc tả cho Dịch vụ liên lạc cá nhân (PCS – Personal communicationsService) được phát triển tại Mỹ, đây là một phiên bản GSM hoạt động trên tần số1900MHz GSM tiếp tục phát triển nhanh, mỗi ngày thuê bao GSM tăng 10.000.-4/1995:MoU có 188 thành viên trên 69 quốc gia Hệ thống GSM 1900 cóhiệu lực tuân theo chuẩn PCS 1900.

-1998: Mou có 253 thành viên trên 100 nước và có trên 70 triệu thuê bao trêntoàn cầu chiếm 31% thị trường di động thế giới

-6/2002 Hiệp hội GSM có 600 thành viên, đạt 79 triệu thuê bao chiếm 71% thịtrường di động số trên 173 quốc gia

-và BSS

2 Kiến thức dạng địa lý:

Với mọi mạng điện thoại, kiến trúc là nền tảng quan trọng để xây dựng quitrình kết nối cuộc thoại đến đúng đích Với mạng di động thì điều này lại càng quantrọng: do người dùng luôn di chuyển nên kiến trúc phải có khả năng theo dõi được

vị trí của thuê bao

gần 300 BTS (chiếm gần một nữa tổng số BTS của mạng); trong tương lai, GPC(công ty quản lý mạng Vinaphone) và VMS (MobiFone) vẫn sẽ tiếp tục lắp đặtthêm BTS để mở rộng và nâng cấp chất lượng vùng phủ sóng.

4 Vùng định vị (LA-Location Area):

Nhiều ô được ghép nhóm và gọi là một LA Trong mạng, vị trí của thuê bao

do LA khu vực của thuê bao nắm giữ Số định danh cho LA được lưu thành thông

số LAI (Location Area Identity) ứng với từng thiết bị di động (điện thoại di động)trong VLR Khi thiết bị di chuyển sang ô của LA khác thì bắt buộc phải đăng ký lại

vị trí với mạng, nếu dịch chuyển giữa các ô trong cùng một LA thì không phải thựchiện qui trình trên Khi có cuộc gọi đến thiết bị, thông điệp được phát ra (broadcast)toàn bộ các ô của LA đang quản lý thiết bị

5 Vùng phục vụ của MSC:

Nhiều vùng LA được quản lý bởi một MSC Để có thể kết nối cuộc thoại đến thiết

bị di động, thông tin vùng dịch vụ MSC cũng được theo dõi và lưu lại HLR

Vùng dịch vụ GSM: Vùng dịch vụ GSM là toàn bộ vùng địa lý mà thuê bao cóthể truy nhập vào mạng GSM, và sẽ càng mở rộng khi có thêm nhiều nhà khai thác

ký thỏa ước hợp tác với nhau Hiện tại thì vùng dịch vụ GSM đã phủ hàng chụcquốc gia, kéo dài từ Ai-xơ-len đến Châu Úc và Nam Phi Chuyển vùng là khả năngcho phép thuê bao truy nhập mạng của mình từ mạng khác Mô hình mạng di động

tế bào có thể được trình bày giữa hai góc độ

7 Băng tần:

Hiện tại mạng GSM đang hoạt động trên 3 băng tần: 900, 1800, 1900MHz.Chuẩn GSM ban đầu sử dụng băng tần 900MHz, gọi là phiên bản P-GSM (PrimaryGSM) Để tăng dung lượng, băng tần dần mở sang 1800 và 1900MHz, gọi là phiên

bản mở rộng (E-GSM) Chính vì thế, thị trường đã xuất hiện nhiều loại điện thoại

hỗ trợ nhiều băng tần nhằm tạo thuận lợi cho người dùng thường xuyên đi nướcngoài và tận dụng được hết ưu thế chuyển vùng quốc tế của mạng GSM hiện nay

8.Đặc tả GSM

GSM được thiết kế độc lập với hệ thống nên hoàn toàn không phụ thuộc vàophần cứng mà chỉ tập trung vào chức năng và ngôn ngữ giao tiếp của hệ thống.Điều này tạo điều kiện cho người thiết kế phần cứng sáng tạo thêm tính năng

và cho phép công ty vận hành mạng mua thiết bị từ nhiều hãng khác nhau

Bản đặc tả gồm 12 mục, mỗi mục do 1 nhóm chuyên gia và 1 công ty riêngbiệt phụ trách viết, ESTI giữ vai trò điều phối chung

GSM 1800 được xem là phần phụ lục, nó chỉ đề cập đến sự khác nhau giữaGSM 900 và GSM 1800

GSM 1900 được viết dựa trên GSM 1800 nhưng có thay đổi cho phù hợp vớichuẩn ANSI (American National Standards Institude) của Mỹ

1.1.3 Các thủ tục cơ bản của GSM

Thiết bị sẽ tự động thực hiện quy trình cần thiết mà không cần đến sự quantâm hay điều khiển của người dùng

1.Đăng nhập thiết bị vào mạng:

Khi thiết bị (điện thoại di động) ở trạng thái tắt, nó được tách ra khỏi mạng.Khi bật lên, thiết bị dò tần số GSM để tìm kênh điều khiển Sau đó, thiết bị đocường độ của tín hiệu từ các kênh và ghi lại Cuối cùng thì chuyển sang kết nối vớikênh có tín hiệu mạnh nhất

* Thực hiện cuộc gọi từ thiết bị di động vào điện thoại cố định:

1 Thiết bị kiểu yêu cầu một kênh báo hiệu

2 BSC/TRC sẽ chỉ định kênh báo hiệu

3 Thiết bị gửi yêu cầu thiết lập cuộc gọi cho MSC/VLR Thao tác đăng

ký trạng thái tích cực cho thiết bị vào VLR, xác thực, mã hóa, nhận dạng thiết bị,gửi số được gọi cho mạng, kiểm tra xem thuê bao có đăng ký dịch vụ cấm gọi rađều được thực hiện trong bước này - Nếu hợp lệ, MSC/VLR báo cho BSC/TRCmột kênh đang rỗi - MSC/VLR chuyển tiếp số được gọi cho mạng PSTN - Nếumáy được gọi trả lời, kết nối sẽ được thiết lập

* Thực hiện cuộc gọi từ điện thoại cố định đến thiết bị di động:

Điểm khác biệt quan trọng so với gọi từ thiết bị di động là vị trí của thiết

bị không được biết chính xác Chính vì thế trước khi kết nối, mạng phải thực hiệncông việc xác định vị trí của thiết bị di động

1 Từ điện thọai cố định, số điện thoại di động được gửi đến mạngPSTN Mạng sẽ phân tích, và nếu phát hiện ra từ khóa gọi ra mạng di động, mạngPSTN sẽ kết nối với trung tâm GMSC của nhà khai thác thích hợp

2 GMSC phân tích số điện thoại di động để tìm ra vị trí đăng ký gốc trong HLR của thiết bị và cách thức nối đến MSC/VLR phục vụ

3 HLR phân tích số điện thoại di động để tìm ra MSC/VLR đang phục vụ chothiết bị Nếu có đăng ký dịch vụ chuyển tiếp cuộc gọi đến, cuộc gọi sẽ được trả vềGMSC với số điện thoại được yêu cầu chuyển đến

4 HLR liên lạc với MSC/VLR đang phục vụ

5 MSC/VLR gửi thông điệp trả lời qua HLR đến GMSC

6 GMSC phân tích thông điệp rồi thiết lập cuộc gọi đến MSC/VLR

7 MSC/VLR biết địa chỉ LA của thiết bị nên gửi thông điệp đến BSC quản lý

LA này

8 BSC phát thông điệp ra toàn bộ các ô thuộc LA

Hình 1.1 Base Station Controller – Bộ điều khiển trạm gốc

9 Khi nhận được thông điệp, thiết bị sẽ gửi yêu cầu ngược lại

10 BSC cung cấp một khung thông điệp chứa thông tin

11 Phân tích thông điệp của BSC gửi đên để tiến hành thủ tục bật trạng tháicủa thiết bị lên tích cực, xác nhận, mã hóa, nhận diện thiết bị

12 MSC/VLR điều khiển BSC xác lập một kênh rỗi, đổ chuông Nếu thiết bị

di động chấp nhận trả lời, kết nối được thiết lập Trong trường hợp thực hiện cuộcgọi từ thiết bị di động đến thiết bị di động, quá trình cũng diễn ra tương tự nhưngđiểm giao tiếp với mạng PSTN của điện thoại cố định sẽ được thay thế bằng MSC/VLR khác DROPBACK giữa hai nhà khai thác dịch vụ Đây là một ưu điểm màcác nhà khai thác dịch vụ thường ứng dụng để tiết kiệm chi phí cho truyền phát và

xử lý Ví dụ trong vùng chuyển vùng quốc tế, thuê bao đăng ký tại Việt Nam thựchiện cuộc gọi tại Singapore cho một thiết bị di động tại Singapore Thông thườngtuyến kết nối sẽ đi ngược về Việt Nam; nếu ứng dụng tính năng dropback, tuyến kếtnối sẽ được tối ưu trong vùng của Singapore

1.2.GPRS

1.2.1 Khái quát chung về mạng GPRS

Hình 1.2 Cấu trúc của một mạng GPRS

GPRS (General Packet Radio Service) là một công nghệ mới đầy triển vọngđược Viện Tiêu chuẩn Viễn thông châu Âu tiêu chuẩn hoá vào năm 1993,đó là dịch

vụ vô tuyến gói tổng hợp được phát triển trên nền tảng công nghệ thông tin di độngtoàn cầu (GSM) sử dụng đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA).Nguyên lý cơbản của công nghệ là sử dụng các gói tin để truyền tải dữ liệu trên mạng khi và chỉ khi

có dữ liệu được gửi thay cho việc sử dụng kết nối kênh cố định của dịch vụ GPRS.Công nghệ GPRS hay còn biết đến với mạng di động thế hệ 2.5G, áp dụng nguyên lýgói vô tuyến để truyền số liệu của người sử dụng một cách có hiệu quả giữa máy điệnthoại di động tới các mạng truyền số liệu

GPRS cho phép sử dụng các máy điện thoại di động thông thường để truynhập Internet Nhờ GPRS người sử dụng có thể làm việc với thư điện tử của mình,với các server Web thông thường (chứ không phải với các versions WAP chuyêndụng) v.v

Ưu thế cơ bản của các mạng GPRS là ở chỗ người sử dụng chỉ phải chi trả cholượng thông tin phát /thu chứ không phải cho thời gian vào mạng Trước khi có tiêuchuẩn công nghệ GPRS, thuê bao phải trả tiền cho toàn bộ thời gian kết nối màkhông phụ thuộc vào việc họ có sử dụng kênh truyền số liệu quy định hay không.Nói một cách khác, tài nguyên của mạng chỉ phát huy hiệu lực trong thời giantruyền số liệu trực tiếp từ máy điện thoại Trong thời gian ngừng hoạt động, chẳnghạn như để duyệt thư điện tử, tài nguyên mạng được giao cho các thuê bao khác sửdụng Ngoài ra, công nghệ GPRS là một giai đoạn trung gian để chuyển từ thế hệthứ hai (GMS) sang thế hệ thứ ba (UMTS - Universal Mobile TelecommunicationsSystem) Trong GPRS, tốc độ truyền số liệu cao nhất có thể có là 171,2kbit/s nhanhhơn gần gấp 12 lần so với truyền số liệu trong các mạng GMS thông thường (9,6kbit/s) Tuy nhiên,vào thời điểm hiện tại người ta chưa cần tốc độ cao như vậy màthường chỉ trong khoảng 30-40kbit/s

Với các chức năng được tăng cường, GPRS làm giảm giá thành, tăng khả năngthâm nhập các dịch vụ số liệu cho người dùng Hơn nữa, GPRS nâng cao các dịch

vụ dữ liệu như độ tin cậy và đáp ứng các đặc tính hỗ trợ Các ứng dụng sẽ đượcphát triển với GPRS sẽ hấp dẫn hàng loạt các thuê bao di động và cho phép các nhàkhai thác đa dạng hoá các dịch vụ Các dịch vụ mới sẽ làm tăng nhu cầu về dung

lượng đường truyền trên các tài nguyên vô tuyến và các tiểu hệ thống cơ sở Mộtphương pháp GPRS dùng để làm gim bớt các tác động đến dung lượng đườngtruyền là chia sẻ cùng tài nguyên Radio giữa các trạm di động trong một tế bào.Hơn nữa, các thành phần mạng cốt lõi sẽ được triển khai để hỗ trợ cho các dịch vụ

số liệu được hiệu quả hơn

Để cung cấp các dịch vụ mới cho người sử dụng điện thoại di động, GPRS làbước quan trọng hội nhập tới các mạng thông tin thế hệ ba (3G) GPRS cho phépcác nhà khai thác mạng triển khai trên nền một cấu trúc cốt lõi dựa trên mạng IPcho các ứng dụng số liệu và sẽ tiếp tục được sử dụng và mở rộng cho các dịch vụ3G cho các ứng dụng số liệu và thoại tích hợp GPRS chứng tỏ được sự phát triểncác dịch vụ và ứng dụng mới, cũng như được dùng để phát triển các dịch vụ 3G.Trước những mong đợi về nhu cầu đa dạng và tinh vi của dịch vụ, GPRS đã cảitiến cách truyền trong mạng GSM theo chuẩn ETSI (European TelecommunicationsStandards Institute)

Về cơ bản là sử dụng các gói tin để truyền tải dữ liệu trên mạng thay cho việc

sử dụng kết nối kênh cố định của dịch vụ hiện tại khi và chỉ khi có dữ liệu được gửi.Giao thức TP được sử dụng trong mạng GPRS vì GPRS được thiết kế như mộtphương thức cung cấp dịch vụ mạng để hỗ trợ những ứng dụng theo dữ liệu chuẩn(Standard Data Protocols)

Một trong những ưu điểm của chuyển mạch gói là cho phép nhiều người sửdụng phận chia một kênh vật lý Điều này sẽ tối ưu hóa sử dụng phổ nhờ phân chiakhe thời gian động giữa những người sử dụng và nâng cao hiệu suất sử dụng lêngấp ba lần so với chuyển mạch kênh Thuê bao có thể kết nối đến tất cả các khe thờigian với thời gian thiết lập cuộc gọi nhỏ Như vậy sẽ tiết kiệm chi phí cho cơ sở hạtầng vì có thể triển khai phát triển trên nền hạ tầng sẵn có để hỗ trợ cho cả hai loạidịch vụ: thoại và dữ liệu

Trong khi kỹ thuật chuyển mạch kênh có thể cho tốc độ truyền dẫn dữ liệu lên

56 kbit/s đối với mạng thông tin cố định hay 9,6 kbit/s đối với mạng GSM hiện tạinhưng chi phí rất cao và sử dụng không hiệu quả, thì GPRS với kỹ thuật chuyểnmạch gói đưa tốc độ lên tới 171,2 kbit/s và phổ được sử dụng hiệu quả hơn gấp 3

lần so với tốc độ truyền dẫn dữ liệu của mạng thông tin cố định và gấp 10 lần tốc độtruyền dẫn dữ liệu của mạng GSM hiện tại.

Tốc độ dữ liệu cung cấp bởi GPRS phụ thuộc vào lược đồ mã hóa kênh Có 4 chuẩn tốc độ cho một kênh truyền trong GPRS là: 9,05 kbit/s – 13,4 kbit/s – 15,6 kbit/s – 21,4 kbits

Lược đồ Tỷ lệ mã Tốc độ dữ liệu trên 1 khe

thời gian (kbit/s)

Tốc độ dữ liệu trên 8 khethời gian (kbit/s)

Bảng 1.1 Tốc độ dữ liệu truyền trong GPRS

Với khả năng có thể đưa ra linh hoạt từ 1 đến 8 kênh lưu lượng (hay 8 khe thờigian) trên một tần số sóng mang đơn (một khung TDMA), GPRS đã đưa tốc độ dữliệu lên tối đa là 171,2 kbit/s đối với 1 người sử dụng Trên thực tế, do sự cần thiếtphải mã hóa kênh và phân phối đa khe thời gian nên giới hạn tốc độ sẽ chỉ là 115kbit/s Tuy nhiên, phần lớn các ứng dụng lại ở tốc độ thấp hơn nhiều nhưng chấtlượng dịch vụ vẫn chấp nhận được

Các ứng dụng số liệu Tốc độ

(kb/s) Các ứng dụng số liệu

Tốc độ (kb/s)Telemetry

Electronic Newspapers

EmailVideo ConferenceDatabase AccessData Transfer (UDI)Multi – User gamesAudio Visual (MPRG-4)

28,828,828,828,8646464

Bảng 1.2 Tốc độ kênh truyền trong GPRS

GPRS cũng cho phép phát triển dịch vụ bản tin ngắn SMSC (Short MessageService Centre) về khía cạnh tốc độ, thành phần và chiều dài bản tin bằng cáchchuyển lưu lượng bản tin qua mạng GPRS (mạng GSM hiện tại truyền tải dữ liệu ởtốc độ 9,6 kbit/s và chiều dài bản tin ngắn là 160 ký tự).

Yêu cầu cho người sử dụng có thể sử dụng dịch vụ GPRS:

- Điện thoại di động hay thiết bị đầu cuối hỗ trợ GPRS

- Mạng điện thoại di động mà thuê bao sử dụng phải hỗ trợ GPRS

- GPRS được cung cấp cho người sử dụng

- Địa chỉ truyền và nhận dữ liệu phải thông qua mạng GPRS

Để có thể thiết lập GPRS dựa trên nền tảng mạng GSM cơ sở cần yêu cầu bổsung thêm hai modul lõi sau:

GGSN: Gateway GPRS Support Node

SGSN: Serving GPRS Support Node

1.2.2 Kiến trúc của GPRS

Các công nghệ GSM/GPRS/EDGE có cùng một cơ sở nền tảng đó là kỹ thuậttruy cập TDMA và FDMA vì vậy hoạt động trên cùng một băng thông (với mỗikênh băng tần số 200kHz)

Kiến trúc mạng có sử dụng công nghệ GPRS được mô tả sơ lược trên hình vẽ.Trong cấu trúc này, các thành phần tiêu chuẩn của mạng GSM quen thuộc được mởrộng thêm bằng các phần tử mới hoặc được đổi mới Nhìn chung, có tất cả bốnthành phần chính, trong đó có hai thành phần chưa có trong công nghệ GSM đanghoạt động

Các khối trong hệ thống GPRS:

- MS (Mobile Station)

- BSS (Base Station System)

- SGSN (Serving GPRS Support Node)

- GGSN (Gateway GPRS Support Node)

Bên cạnh 4 thành phần chính nêu trên thì phần MSC (Mobile SwitchingCenter) cũng không thể không kể đến

Mạng GPRS trong hệ thống GSM có các đặc điểm sau:

- Tương tác giữa GPRS và mạng GSM hiện tại được thông qua hệ thống báohiệu số 7.

- MSC và VLR không thực sự cần thiết khi định tuyến dữ liệu GPRS nhưng

nó được dùng khi kết nối GPRS trên mạng GSM hiện tại

- HLR chứa thông tin chi tiết về thuê bao trong mạng GPRS

- AUC được dùng để xử lý nhận thức và mật mã

- EIR được sử dụng cho nhận thức thiết bị di động

Các khối của 1 mạng GPRS được biểu diễn ở hình 1.5:

Hình 1.3 Các khối mạng của GPRS 1.2.2.1 MS (Mobile Station) - Trạm di động

Trạm di động (MS - mobile station) có thể là một máy tính xách tay hay bỏtúi, một máy điện thoại di động hoặc bất kỳ một thiết bị nào khác có hỗ trợ côngnghệ GPRS.Về mặt chức năng, MS bao gồm hai cấu kiện:

- Thiết bị đầu cuối TE (terminal equipment), chẳng hạn như một máy tínhxách tay;

- Đầu cuối di động MT (Mobile Terminal),chẳng hạn như một modem

- Có 3 loại MS được quy định cho việc sử dụng mạng GPRS là A, B và Cdựa vào sự đăng nhập tới mạng PLMN mà GPRS hỗ trợ, MS sẽ thông báo tới mạng

về lớp GPRS và tiềm năng đa khe thời gian của nó

Tuỳ thuộc vào loại thiết bị và vào khả năng mạng,trạm di động sẽ hoạt độngtheo một trong ba chế độ làm việc:

- Cấp A – hỗ trợ đồng thời sự đăng nhập, sự khởi hoạt (activiation), giám sátbáo khẩn (invocation), lưu lượng cho phép trạm di động cùng một lúc phát đi cả dữliệu và tiếng nói, có nghĩa là làm việc đồng thời trong cả mạng GSM lẫn GPRS

- Cấp B – hỗ trợ đồng thời sự đăng nhập , sự kích hoạt, giám sát Tuy nhiên,

nó chỉ hỗ trợ thông báo khẩn đồng thời trong giới hạn Ví dụ như kênh ảo GPRS sẽkhông được giải quyết do sự có mặt của lưu lượng chuyển mạch kênh Trongtrường hợp như vậy, sự kết nối ảo GPRS sẽ bị bận hoặc treo, đồng thời lưu lượng sẽkhông được hỗ trợ bởi MS cấp B Thuê bao có thể phát hoặc thu các cuộc gọi của

cả 2 dịch vụ GSM và GPRS liên tiếp nhưng không đồng thời Sự lựa chọn dịch vụthích hợp được thực hiện tự động Nói cách khác, cấp B cho phép trạm di động phát

đi cả tiếng nói cả dữ liệu, nhưng vào các thời điểm khác nhau, có nghĩa là khôngđồng thời

- Cấp C – chỉ hỗ trợ sự đăng nhập không đồng thời Nếu cả 2 dịch vụ được

hỗ trợ thì MS loại C chỉ có thể phát hoặc thu hoặc đồng thời phát và thu các cuộcgọi chỉ từ dịch vụ tự lựa chọn hoặc mặc định Trạng thái dịch vụ GSM hoặc GPRSkhông được lựa chọn bị loại khỏi mạng Thêm vào đó, khả năng của MS cấp C đểthu và phát bản tin ngắn SMS là tùy chọn Nhưng đến hiện nay, cấp C chỉ cho phéptrạm di động làm việc trong chế độ GPRS

Khi đấu nối vào mạng GPRS trạm di động (mà chính xác hơn là thành phầnTE) sẽ nhận địa chỉ IP; địa chỉ này không thay đổi trước thời điểm đấu nối của đầucuối di động MT; hơn nữa, trạm di động thậm chí có thể không nghi ngờ gì về việc

nó là di động Trạm di động thiết lập kết nối với nút dịch vụ của các thuê baoGPRS, mà sẽ được mô tả ở sau

1.2.2.2 BSS (Base Station System) - Trạm gốc

Trạm gốc BSS (Base Station System) thu tín hiệu vô tuyến từ trạm di động vàtuỳ thuộc vào việc cái gì được phát đi (tiếng nói hay dữ liệu) mà nó sẽ chuyển tiếplưu lượng:

- tới trung tâm chuyển mạch di động MSC (Mobile Switching Center) vốn làthành phần tiêu chuẩn của mạng GSM;

- tới nút hỗ trợ dịch vụ GPRS (SGSN- Serving GPRS Support Node) là nơichịu trách nhiệm xử lý dữ liệu đến/đi của GPRS

Thành phần của BSS bao gồm: BSC, PCU và BTS

BSC làm các chức năng sau trong GPRS:

- Giao diên vô tuyến cho dữ liệu gói

Khối điều khiển gói (PCU - Packet Control Unit):

Khối PCU được bổ sung vào cơ sở hạ tầng của GSM, có thể coi đây là sự nângcấp phần mềm cho BSC, PCU có quan hệ với các giao thức vô tuyến lớp thấp, nó

xử lý lưu lượng dữ liệu và tách ra khỏi lưu lượng thoại GSM Ngoài ra, PCU cònthêm chức năng tạo gói và điều khiển dộng liên kết vô tuyến Điều này cho phépnhiều người sử dụng có thể truy cập tới nguồn tài nguyên vô tuyến giống nhau theonhững phương pháp truy nhập riêng và giải phóng kênh truyền khi không sử dụng.PCU làm các chức năng sau:

- Chịu trách nhiệm quản lý tài nguyên vô tuyến dữ liệu gói trong BSS

- PCU chịu trách nhiệm xử lý lớp MAC và PLC của giao diện vô tuyến, lớpBSSGP và NS của giao diện Gb

- Truyền dữ liệu gói

1.2.2.3 SGSN (Serving GPRS Support Node) - Nút phục vụ các thuê bao

GPRS

Nút phục vụ thuê bao SGSN là thành phần chủ yếu của mạng GPRS Nó có

nhiệm vụ chuyển tiếp các gói IP mà trạm di động gửi đi và nhận được

Về thực chất nó cũng là một trung tâm chuyển mạch giống như MSC trongGSM, nhưng có khác ở chỗ nó chuyển mạch cho các gói chứ không phải các kênh

Thông thường, nút này được xây dựng trên cơ sở OC Unix và có địa chỉ IP riêng

của nó.Từ quan điểm an toàn, SGSN có thể có các chức năng:

* Kiểm tra sự cho phép các thuê bao sử dụng các dịch vụ đã được mã hoá(authentication) Cơ chế chứng thực của GPRS giống với cơ chế tương tự trongGSM;

* Giám sát các thuê bao đang hoạt động.

* Mã hoá các dữ liệu Thuật toán mã hoá trong công nghệ GPRS (GEA 1,GEA 2, GEA 3) khác với các thuật toán mã hoá trong GSM (A5/1, A5/2, A5/3),nhưng được xử lý trên cơ sở các thuật toán đó

1.2.2.4 GGSN (Gateway GPRS Support Node) - Nút định tuyến của GPRS

Nút định tuyến GGSN (gateway GPRS support node) cũng là một thành phần quan trọng của công nghệ GPRS và chịu trách nhiệm thu và phát các dữ liệu từ các mạng bên ngoài, chẳng hạn như Internet hay mạng của các nhà khai thác GPRS khác Nói cách khác, nếu nhìn từ phía các mạng gói IP bên ngoài thì GGSN hoạt động như 1 bộ định tuyến cho các địa chỉ IP của mọi thuê bao được phục vụ bởi mạng GPRS Từ quan điểm các nhà khai thác mạng GPRS bên ngoài thì đây là các

bộ định tuyến thông thường (cũng giống như SGSN, chúng dựa trên Unix) có

nhiệm vụ nhận các dữ liệu cho tất cả các thuê bao dịch vụ GPRS Ngoài việc định

tuyến GGSN còn có nhiệm vụ phân phối các địa chỉ IP và các dịch vụ tính cước

1.2.2.5 MSC (Mobile Switching Center)

MSC đảm nhiệm các chức năng sau:

- Cập nhật thông tin từ SGSN

- Yêu cầu gọi CS đến SGSN

- Kết hợp báo hiệu cho mobile loại A/B

- Ngưng tạm thời hoặc chiếm lại (A và Gb)

1.2.2.6 Các thành phần khác

* HLR (Home Location Register) - bộ ghi vị trí thường trú (các thuê bao riêngcủa mạng) có nhiệm vụ lưu trữ thông tin về mỗi cá nhân phải thanh toán cước dịch

vụ cho nhà khai thác GPRS của chính mạng này Đặc biệt là HLR lưu trữ thông tin

về các dịch vụ phụ, về các tham số chứng thực và về địa chỉ IP v.v Các thông tinnày được trao đổi giữa HLR và SGSN

* VLR (Visitor Location Register) - bộ ghi vị trí tạm trú (các thuê bao chuyểnvùng) có nhiệm vụ lưu trữ thông tin về mỗi trạm di động mà vào thời điểm chotrước đang nằm trong vùng phủ sóng của SGSN Trong VLR có lưu trữ các thôngtin về các thuê bao tương tự như trong HLR nhưng chỉ tới khi thuê bao rời khỏivùng lãnh thổ mà bộ ghi tạm trú này phục vụ

* EIR (Equipment Identity Register) - bộ ghi danh tính thiết bị (ghi các dữ liệu

để nhận dạng thiết bị) có nhiệm vụ lưu giữ các thông tin cho phép khoá các cuộcgọi từ các thiét bị gian lận, trộm cắp hoặc bất hợp pháp

1.2.3 Nguyên tắc hoạt động của GPRS

Khi hoạt động, một thiết bị đầu cuối GPRS làm việc giống như một điện thoại

di động chuẩn – cả hai liên lạc với một trạm gốc và cơ sở hạ tầng cung cấp tínhnăng xác thực, kết nối và dịch vụ Điểm khác biệt chính là GPRS cho phép người sửdụng “được kết nối” liên tục với mạng

Thay vì gửi dữ liệu tới một đích cố định - kết nối quay số, GPRS cho phép cácgói dữ liệu được chèn vào một luồng kết nối thường trực Các gói tin từ nhữngngười sử dụng khác nhau trong một tế bào được đan xen, sao cho dung lượng truyềndẫn “luôn có” (always-on) được chia sẻ, mà không có khe thời gian định trướcthường trực được phân bổ cho một cuộc gọi Do đó, dung lượng có thể được phân

bổ khi cần thiết và giải phóng khi không cần

Tốc độ truyền dữ liệu GSM là 14,4 kbit/s thông qua một kết nối cố định đượcthay thế trong GPRS băng cách truy nhập vào từ 1 tới 8 khe thời gian đồng thờichạy với dung lượng kết hợp vào khoảng 14,4 kbit/s cho mỗi khe Tốc độ dữ liệu cụthể tùy thuộc vào các điều kiện vô tuyến Dung lượng này có được đến mức nào tùythuộc vào các phiên bản GPRS khác nhau và các đặc tính khác nhau

Ví dụ: GPRS lớp 8 (Class 8 GPRS) có thể xử lý tới 5 khe thời gian kế tiếp nhau,

4 khe nhận và 1 khe phát tín hiệu – cho tốc độ dữ liệu chiều về lên tới 50 kbit/s Lớp 12(Class 12 GPRS) cho phép bất kì tổ hợp nào của 5 khe giữa thu và phát

Tất cả các gói tin được truyền dẫn trên các khe thời gian được chuyển từ trạmgốc (BTS) nhờ nút mạng hỗ trợ dịch vụ GPRS (SGSN) một SGSN có thể hỗ trợnhiều trạm gốc, SGSN truy tìm tất cả các máy di động trong phạm vi vùng phục vụcủa nó Khi một thiết bị di động gửi các gói dữ liệu, chúng đi qua SGSN tới GGSN,tại đây, các gói được biến đổi để truyền qua mạng có thể là Internet, X.25 hoặc mộtmạng riêng Các gói tin nhận từ Internet (nghĩa là gói IP) gửi tới máy di động đượcnhận bởi GGSN, chuyển tiếp đến SGSN phù hợp và sau đó chuyển đến người sửdụng di động

Để chuyển tiếp các gói tin cho nhau thì SGSN và GGSN đóng gói chúng bằngmột giao thức chuyên dùng gọi là giao thức đường hầm GPRS (GTP – GPRSTunnel Protocol) hoạt động trên nền giao thức TCP/IP chuẩn Các chi tiết chuyểnđổi này của SGSN và GGSN là trong suốt với người sử dụng

CHƯƠNG II : GIAO THỨC TCP/IP 2.1 GIỚI THIỆU VỀ GIAO THỨC TCP/IP

2.1.1 Lịch sử

Bộ giao thức liên mạng xuất phát từ công trình DARPA, từ những năm đầuthập niên kỷ 1970 Sau khi đã hoàn thành việc xây dựng ARPANET tiên phong,DARPA bắt đầu công việc trên một số những kỹ thuật truyền thông dữ liệu khác.Vào năm 1972, Robert E Kahn đã được thuê vào làm việc tại Văn phòng kỹ thuật

điều hành tin tức(Information Processing Technology Office) của DARPA, phòng

có chức năng liên quan đến mạng lưới truyền thông dữ liệu thông qua vệ tinh vàmạng lưới truyền thông bằng sóng radio trên mặt đất Trong quá trình làm việc tạiđây Kahn đã phát hiện ra giá trị của việc liên thông giữa chúng Vào mùa xuân năm

1973, Vinton Cerf, kỹ sư thiết kế bản giao thức NCP hiện dùng (chương trình ứng

dụng xử lý mạng lưới truyền thông - nguyên tiếng Anh là "Network Control Program"), được phân công cùng làm việc với Kahn trên các mô hình liên kết nối

kiến trúc mở (open-architecture interconnection models) với mục đích thiết kế giao

thức sắp tới của ARPANET

Vào mùa hè năm 1973, Kahn và Cerf đã nhanh chóng tìm ra một phương pháp táihội nhập căn bản, mà trong đó những khác biệt của các giao thức liên kết mạngđược che lấp đi bằng một giao thức liên kết mạng chung, và thay vì mạng lướitruyền thông phải chịu trách nhiệm về tính đáng tin cậy, như trong ARPANET, thì

các máy chủ (hosts) phải chịu tránh nhiệm (Cerf ghi công của Hubert

Zimmerman và Louis Pouzin (thiết kế viên của mạng lưới truyềnthông CYCLADES) là những người có ảnh hưởng lớn trong bản thiết kế này.)Với nhiệm vụ là một mạng lưới truyền thông bị hạ cấp tới mức cơ bản tốithiểu, khiến việc hội nhập với các mạng lưới truyền thông khác trở nên hầu như bấtkhả thi, mặc dầu đặc tính của chúng là gì, và vì thế, giải đáp nan đề đầu tiên củaKahn Một câu nói cửa miệng vì thế mà TCP/IP, sản phẩm cuối cùng do nhữngcống hiến của Cerf và Kahn, sẽ chạy trên "đường dây nối giữa hai ống bơ rỉ", và

quả nhiên nó đã được thực thi dùng các con chim bồ câu đưa thư (homing pigeons) Một máy vi tính được dùng là cổng nối(gateway) (sau này đổi thành bộ định

tuyến (router) để tránh nhầm với những loại cổng nối khác) được thiết bị một giao

diện với từng mạng lưới truyền thông, truyền tải gói dữ liệu qua lại giữa chúng

Ý tưởng này được nhóm nghiên cứu mạng lưới truyền thông của Cerf, tạiStanford, diễn giải ra tỉ mỉ, cụ thể vào khoảng thời gian trong năm 1973-1974.(Những công trình về mạng lưới truyền thông trước đó tại Xerox PARC, nơi sảnsinh ra bộ giao thức PARC Universal Packet, phần lớn được dùng vào thời kỳ đó,cũng gây ảnh hưởng về kỹ thuật không ít; nhiều người nhảy qua nhảy lại giữa haicái.)

Sau đó DARPA ký hợp đồng với BBN, Stanford, và Trường đại học chuyên nghiệp

Luân Đôn (The University College London - viết tắt là UCL) kiến tạo một số phiên

bản của giao thức làm việc được, trên các nền tảng phần cứng khác nhau Có bốnphiên bản đã được xây dựng—TCP v1, TCP v2 Phiên bản 3 được tách ra thành haiphần TCP v3 và IP v3, vào mùa xuân năm 1978, và sau đó ổn định hóa với phiênbản TCP/IP v4—giao thức tiêu chuẩn hiện dùng của Internet ngày nay

Vào năm 1975, cuộc thử nghiệm thông nối hai mạng lưới TCP/IP, giữa Stanford vàUCL đã được tiến hành Vào tháng 11 năm 1977, một cuộc thử nghiệm thông nối bamạng lưới TCP/IP, giữa Mỹ, Anh và Na Uy đã được chỉ đạo Giữa năm 1978 và

1983, một số những bản mẫu của TCP/IP đã được thiết kế tại nhiều trung tâmnghiên cứu Ngày 1 tháng 1 năm 1983, ARPANET đã hoàn toàn được chuyển hóasang dùng TCP/IP

Vào tháng Ba năm 1982, Bộ Quốc phòng Mỹ chấp thuận TCP/IP thành mộttiêu chuẩn cho toàn bộ mạng lưới vi tính truyền thông quốc phòng Vào năm 1985,

Uỷ ban kiến trúc Internet (Internet Architecture Board) đã dành 3 ngày hội thảo về

TCP/IP cho công nghiệp điện toán, với sự tham dự của 250 đại biểu từ các công tythương mại Cuộc hội thảo này đã làm tăng thêm uy tín và sự nổi tiếng của giaothức, khiến nó ngày càng phổ biến trên thế giới

Ngày 9 tháng 11 năm 2005 Kahn và Cerf đã được tặng thưởng Huy chương

Tự do Tổng thống (Presidential Medal of Freedom) cho những thành tích cống hiến

của họ đối với nền văn hóa của Mỹ

2.1.2 Khái niệm về giao thức TCP/IP

- Để các máy máy tính có thể liên lạc với nhau qua mạng, chúng phải sử dụngcùng 1 ngôn ngữ hay còn gọi là 1 giao thức (Protocol) Giao thức là 1 hệ luật vàchuẩn cho phép các máy tính trong mạng liên lạc với nhau

- TCP/IP là viết tắt của Transmission Control Protocol (Giao thức Điều KhiểnTruyền Thông) / Internet Protocol (Giao thức Internet)

- TCP/IP không chỉ gồm 2 giao thức mà thực tế nó là tập hợp của nhiều giaothức

Chúng ta gọi đó là 1 Hệ Giao Thức hay Bộ Giao Thức (Suite Of Protocols)

2.2 TỔNG QUÁT VỀ GIAO THỨC TCP/IP

TCP/IP được xem là giản lược của mô hình tham chiếu OSI với bốn tầng :

Chức năng từng tầng:

 Tầng ứng dụng là tầng trên của mô hình TCP/IP bao gồm các tiến trình

và các ứng dụng cung cấp cho người sử dụng để truy cập mạng Các ứng dụng nhưlà:

DNS, TFTP, TLS/SSL, FTP, HTTP, IMAP, IRC, NNTP, POP3, SIP, SMTP, SSH, TELNET, SNMP,ECHO,BitTorrent, RTP, PNRP, rlogin, ENRP, …

Các giao thức định tuyến như BGP và RIP, vì một số lý do, chạy trên TCP vàUDP - theo thứ tự từng cặp: BGP dùng TCP, RIP dùng UDP - còn có thể được coi

là một phần của tầng ứng dụng hoặc tầng mạng

 Tầng giao vận (TCP, UDP, DCCP, SCTP, IL, RUDP, …): Tầng giao

vận phụ trách luồng dữ liệu giữa 2 trạm thực hiện các ứng dụng của tầng trên, tầngnày có 2 giao thức chính là TCP ( Transmisson Control Protocol) và UDP ( UserDatagram Protocol )

– TCP cung cấp luồng dữ liệu tin cậy giữa 2 trạm, nó sử dụng các cơ chế nhưchia nhỏ các gói tin ở tầng trên thành các gói tin có kích thước thích hợp cho tầngmạng bên dưới, báo nhận gói tin, đặt hạn chế thời gian timeout để đảm bảo bênnhân biết được các gói tin đã gửi đi Do tầng này đảm bảo tính tin cậy nên tầng trên

sẽ không cần quan tâm đến nữa

– UDP cung cấp một dịch vụ rất đơn giản hơn cho tầng ứng dụng Nó chỉ gửi

dữ liệu từ trạm này tới trạm kia mà không đảm bảo các gói tin đến được tới đích.Các cơ chế đảm bảo độ tin cậy được thực hiện bởi tầng trên

Các giao thức định tuyến như OSPF (tuyến ngắn nhất được chọn đầu tiên),

chạy trên IP, cũng có thể được coi là một phần của tầng giao vận, hoặc tầng

mạng ICMP (Internet control message protocol - Giao thức điều khiển thông điệp

Internet) và IGMP (Internet group management protocol - Giao thức quản lý nhóm Internet) chạy trên IP, có thể được coi là một phần của tầng mạng.

 Tầng Internet: Tầng Internet ( hay còn gọi là tầng Mạng) xử lý quá trình

truyền gói tin trên mạng, các giao thức của tầng này bao gồm : IP ( InternetProtocol) , ICMP ( Internet Control Message Protocol) , IGMP ( Internet GroupMessage Protocol )

 Tầng liên kết (Ethernet, Tokenring, PPP, SLIP, FDDI, ATM, Frame

Relay, SMDS, Wi-Fi,…): Tầng liên kết (còn được gọi là tầng liên kết dữ liệu hay

tầng giao tiếp mạng) là tầng thấp nhất trong mô hình TCP/IP, bao gồm các thiết bị giao tiếp mạng và các chương trình cung cấp các thông tin cần thiết để có thể hoạt động, truy nhập đường truyền vật lý qua các thiết bị giao tiếp mạng đó

2.2.1 Giao thức IP

2.2.1.1 Tổng quát

Nhiệm vụ chính của giao thức IP là cung cấp khả năng kết nối các mạng con thành liên kết mạng để truyền dữ liệu, vai trò của IP là vai trò của giao thức tầng mạng trong mô hình OSI Giao thức IP là một giao thức kiểu không liên kết

(connectionlees) có nghĩa là không cần có giai đoạn thiết lập liên kết trước khi truyền dữ liệu

Sơ đồ địa chỉ hóa để định danh các trạm (host) trong liên mạng được gọi là địachỉ IP 32 bits (32 bit IP address) Mỗi giao diện trong 1 máy có hỗ trợ giao thức IP đều phải được gán 1 địa chỉ IP (một máy tính có thể gắn với nhiều mạng do vậy có thể có nhiều địa chỉ IP) Địa chỉ IP gồm 2 phần: địa chỉ mạng (netid) và địa chỉ máy(hostid) Mỗi địa chỉ IP có độ dài 32 bits được tách thành 4 vùng (mỗi vùng 1 byte),

có thể biểu thị dưới dạng thập phân, bát phân, thập lục phân hay nhị phân Cách viếtphổ biến nhất là dùng ký pháp thập phân có dấu chấm (dotted decimal notation) để tách các vùng Mục đích của địa chỉ IP là để định danh duy nhất cho một máy tính bất kỳ trên liên mạng

Do tổ chức và độ lớn của các mạng con (subnet) của liên mạng có thể khác nhau, người ta chia các địa chỉ IP thành 5 lớp, ký hiệu là A, B, C, D và E Trong lớp

A, B, C chứa địa chỉ có thể gán được Lớp D dành riêng cho lớp kỹ thuật

multicasting Lớp E được dành những ứng dụng trong tương lai

Netid trong địa chỉ mạng dùng để nhận dạng từng mạng riêng biệt Các mạng liên kết phải có địa chỉ mạng (netid) riêng cho mỗi mạng Ở đây các bit đầu tiên củabyte đầu tiên được dùng để định danh lớp địa chỉ (0 - lớp A, 10 - lớp B, 110 - lớp C,

1110 - lớp D và 11110 - lớp E)

Ở đây ta xét cấu trúc của các lớp địa chỉ có thể gán được là lớp A, lớp B, lớp CCấu trúc của các địa chỉ IP như sau:

- Mạng lớp A: địa chỉ mạng (netid) là 1 Byte và địa chỉ host (hostid) là 3 byte.

- Mạng lớp B: địa chỉ mạng (netid) là 2 Byte và địa chỉ host (hostid) là 2 byte

- Mạng lớp C: địa chỉ mạng (netid) là 3 Byte và địa chỉ host (hostid) là 1 byte.Lớp A cho phép định danh tới 126 mạng, với tối đa 16 triệu host trên mỗi mạng Lớp này được dùng cho các mạng có số trạm cực lớn

Lớp B cho phép định danh tới 16384 mạng, với tối đa 65534 host trên mỗi mạng

Lớp C cho phép định danh tới 2 triệu mạng, với tối đa 254 host trên mỗi mạng Lớp này được dùng cho các mạng có ít trạm

Hình 2.2 Cấu trúc các lớp địa chỉ IP

Một số địa chỉ có tính chất đặc biệt: Một địa chỉ có hostid = 0 được dùng để

hướng tới mạng định danh bởi vùng netid Ngược lại, một địa chỉ có vùng hostidgồm toàn số 1 được dùng để hướng tới tất cả các host nối vào mạng netid, và nếuvùng netid cũng gồm toàn số 1 thì nó hướng tới tất cả các host trong liên mạng

Hình 2.3 Ví dụ cấu trúc các lớp địa chỉ IP

Đơn vị dữ liệu dùng trong IP được gọi là gói tin (datagram), có khuôn dạng

Hình 2.3 Dạng thức của gói tin IP 2.2.1.2 Các giao thức trong mạng IP

Để mạng với giao thức IP hoạt động được tốt người ta cần một số giao thức bổsung, các giao thức này đều không phải là bộ phận của giao thức IP và giao thức IP

sẽ dùng đến chúng khi cần

-Giao thức ARP (Address Resolution Protocol): Ở đây cần lưu ý rằng các địa

chỉ IP được dùng để định danh các host và mạng ở tầng mạng của mô hình OSI, vàchúng không phải là các địa chỉ vật lý (hay địa chỉ MAC) của các trạm trên đó mộtmạng cục bộ (Ethernet, Token Ring.) Trên một mạng cục bộ hai trạm chỉ có thểliên lạc với nhau nếu chúng biết địa chỉ vật lý của nhau Như vậy vấn đề đặt ra là

phải tìm được ánh xạ giữa địa chỉ IP (32 bits) và địa chỉ vật lý của một trạm Giao

thức ARP đã được xây dựng để tìm địa chỉ vật lý từ địa chỉ IP khi cần thiết.

- Giao thức RARP (Reverse Address Resolution Protocol): Là giao thức ngược

với giao thức ARP Giao thức RARP được dùng để tìm địa chỉ IP từ địa chỉ vật lý.

- Giao thức ICMP (Internet Control Message Protocol): Giao thức này thực

hiện truyền các thông báo điều khiển (báo cáo về các tình trạng các lỗi trên mạng.)giữa các gateway hoặc một nút của liên mạng Tình trạng lỗi có thể là: một gói tin

IP không thể tới đích của nó, hoặc một router không đủ bộ nhớ đệm để lưu vàchuyển một gói tin IP, Một thông báo ICMP được tạo và chuyển cho IP IP sẽ "bọc"(encapsulate) thông báo đó với một IP header và truyền đến cho router hoặc trạmđích

2.2.1.3 Các bước hoạt động của giao thức IP

Khi giao thức IP được khởi động nó trở thành một thực thể tồn tại trong máy tính và bắt đầu thực hiện những chức năng của mình, lúc đó thực thể IP là cấu thànhcủa tầng mạng, nhận yêu cầu từ các tầng trên nó và gửi yêu cầu xuống các tầng dưới nó