Phân tích cấu trúc phần cứng chuyển mạch ATM và xem xét ảnh hưởng của nó đến chất lượng dịch vụ

d Service Digital Network). B-ISDN được xây dựng trên cơ sở của mạng cáp quang đồng bộ , mạng thông minh ( IN)và công nghệ chuyển tải không đồng bộ (ATM) đã cho phép truyền tiếng nói, hình ảnh, dữ liệu trên cùng một mạng duy nhất. ATM là một công nghệ mới dựa trên cấu trúc tế bào ATM, nó kết hợp được các đặc điẻm kỹ thuật giưã chuyển mạch cổ điển của mạng điện thoại với chuyển mạch gói đã đáp ứng được nhu cầu thông tin của con người một cách toàn diện. Có thể nói hệ thống chuyển mạch ATM là phần quan trọng nhất của công nghệ ATM vì thế việc đi sâu nghiên cứu sự ảnh hưởng của cấu trúc phần cứng chuyển mạch ATM đến chất lượng dịch vụ là một vấn đề rất quan trọng và rất cần thiết. Nội dung chủ yếu của bài đồ án này em đã viết về đề tài : “Phân tích cấu trúc phần cứng chuyển mạch ATM và xem xét ảnh hưởng của nó đến chất lượng dịch vụ” Mặc dù đã cố gắng hoàn thành bài đồ án này nhưng do thời gian có hạn cho nên trong quá trình làm đò án sẽ không tránh khỏi những sai sót. Em rất mong được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo và bạn bè để bài làm của em được tốt hơn và hoàn thiện hơn. Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn Th.S :Phương Xuân Quang đã tận tình gợi ý, hướng để em hoàn thành bài đồ án này. Em xin chân thành cảm ơn! Chương I Một số khái niệm cơ bản về ATM I. Giới thiệu chung về ATM Kiểu truyền không đồng bộ (ATM) là công nghệ dồn kênh và chuyển mạch trên cơ sở tế bào , thiết kế cho mục đích chung là truyền liên kết có hướng các dịch vụ băng rộng.ATM cũng đang được ứng dụng cho mạng LAN và các công nghệ mạng riêng đã được chỉ ra bởi ATM Forum. ATM điều khiển cả lưu lượng hướng liên kết và lưu lượng không liên kết thông qua việc sử dụng lớp tương thích. Các liên kết ảo ATM có thể thực hiện nhờ tốc độ bit không đổi(CBR) hoặc tốc độ bit thay đổi (VBR). Mỗi tế bào ATM gồm thông tin địa chỉ, xác định liên kết ảo từ nguồn đến đích. Tất cả các tế bào sau đó được truyền đI, nối tiếp nhau,qua liên kết ảo này.ATM cung cấp các cuộc nối ảo thông qua chuyển mạch ,các cuộc nối cố định (Permanent) và bán cố định (Semi-Permanent), các cuộc nối từ điểm tới điểm hoặc từ điểm tới đa điểm và cung cấp các dịch vụ theo yêu cầu. ATM đưa ra khả năng chuẩn hóa trên một kiến trúc mạng, xác định cách thức chuyển mạch và dồn kênh, với SONET/STM cung cấp các cơ sở cho chuẩn truyền vật lý đối với các tốc độ rất cao. ATM cũng hỗ trợ nhiều loại dịch vụ chất lượng cao cho các yêu cầu ứng dụng khác nhau với độ trễ và tổn thất tế bào cho phép. Bởi vậy,nhìn chung ATM là mạng hoàn chỉnh có thể được xây dựng bằng cách sử dụng nguyên lý dồn kênh và chuyển mạch lớp tương thích ATM (ATM Adaption Layer- AAL) và lớp ATM để hỗ trợ cho tất cả các dịch vụ băng rộng như là : tiếng nói,dữ liệu ,video, hình ảnh… II. Cấu trúc tế bào ATM Tế bào ATM là đơn vị truyền tín hiệu cơ bản trong công nghệ ATM các chuẩn ATM xác định kích thước cố định của tế bào có độ dài là 53 bytes, bao gồm 5 bytes cho tiêu đề và 48 bytes cho thông tín hiệu như chỉ ra trong hình 1.1. Các bit trong tế bào được truyề liên tục trong đường truyền từ trái sang phải .Các tế bào được sắp xếp vào trong đường truyền vật lý,như là chuẩn DS1, DS3 của Bắc Mỹ hoặc SONET; chuẩn: E1,E3,và E4 của châu Âu; hoặc các chuẩn về STM của ITU-T. Trong đó: H : Phần tiêu đề VPI : Nhận dạng đường ảo P : Phần thông tín hiệu hữu ích VCI : Nhận dạng kênh ảo GFC : Điều khiển luồng chung PT : Loại thông tín hiệu CLP : Ưu tiên tổn thất tế bào HEC : Kiểm tra lỗi tiêu đề Hình 1.1: Khuôn dạng và sự truyền của tế bào ATM Trong mạng ATM , toàn bộ thông tín hiệu được chuyển mạch và dồn kênh trong các tế bào có độ dài cố định này. Trường tiêu đề nhận dạng đích đến, loại tế bào và mức độ ưu tiên. Có hai dạng trường tiêu đề của tế bào ATM : một dạng là tế bào được truyền trên giao diện giữa người sử dụng và mạng UNI (User Network Interface) (hình 1.2a),dạng còn lại là các tế bào được truyền giữa các nút mạng NNI ( Network Node Interface)(hình 1.2b). Trường tiêu đề bao gồm trường nhận dạng đường ảo (VPI), nhận dạng kênh ảo (VCI),loại thông tin (PT) , xác dịnh ưu tiên tế bào (CLP), trường kiểm tra lỗi tiêu đề (HEC). Ngoài ra, trường tiêu dề ở giao diện UNI có điểm khác là trường VPI bị rút ngắn lại còn 8 bit so với 12 bit ở giao diện NNI, thay vào chỗ 4 bit của VPI là trường điều khiển lưu lượng chung(GFC). Hình 1.2:Cấu trúc tế bào ATM tại giao diện UNI và NNI Trường nhận dạng đường ảo (VPI) dùng để định hướng các tế bào ATM qua bộ chuyển mạch và cung cấp các đường ảo riêng biệt giữa các điểm cuối.Trường nhận dạng kênh ảo (VCI) cung cấp thông tin định hướng kênh cho tế bào ATM .Các kênh ảo được dùng để thiết lập các kênh thông tin giữa các thiết bị đầu cuối.Tổ hợp VPI và VCI tạo thành một giá trị duy nhất cho mỗi cuộc nối. Trường điều khiển lưu lượng chung(GFC) cho phép bộ dồn kênh điều khiển luồng các cuộc nối ATM ở giao diện UNI. Nó được sử dụng để làm giảm tình trạng quá tải trong thời gian ngắn có thể xảy ra trong mạng của người sử dụng. Cơ chế GFC dùng cho cả cuộc nối từ điểm tới điểm và từ điểm tới nhiều điểm. Khi kết hợp mạng ATM với các mạng khác, thì GFC là bộ các giá trị chuẩn để định nghĩa mức độ ưu tiên các qui luật truy nhập của ATM vào các mạng đó. Loại thông tin (PT) chỉ ra các tế bào gồm dữ liệu của người sử dụng, dữ liệu báo hiệu hoặc thông tin bảo dưỡng. Bit ưu tiên tổn thất tế bào (CPL) chỉ ra mức độ ưu tiên của tế bào. Các tế bào ưu tiên thấp hơn bị loại bỏ trước các tế bào có ưu tiên cao hơn trong khi tắc nghẽn. Trường điều khiển lỗi tiêu đề (HEC) chứa mã dư vòngCRC (Cyclic Redundancy Check).Nó dùng để kiểm tra, phát hiện và sửa các lỗi trong tiêu đề. Tế bào ATM có thể được phân loại theo lớp cấu thành và chức năng như đã chỉ ra ở bảng 1.1 gồm tế bào lớp ATM và tế bào lớp vật lý . Lớp Tế bào Các chức năng Lớp ATM Tế bào xác định Liên quan các lớp bậc cao Tế bào không xác định Dịch vụ sẵn có trong lớp ATM Lớp vật lý Tế bào trống Lấp chỗ trống Tế bào OAM lớp vật lý Tế bào OAM Bảng 1.1 : Phân loại tế bào ATM Tế bào lớp ATM được tạo ra trong lớp ATM và được phân chia thành tế bào xác định và tế bào không xác định. Tế bào lớp vật lý được tạo ra trong lớp vật lý và được chia ra thành tế bào trống và tế bào điều hành khai thác , bảo dưỡng (OAM). Tế bào xác định được dùng để chỉ những tế bào dành cho dịch vụ trong lớp ATM.Còn tế bào không xác định được dùng khi không có tài nguyên dành sẵn trên đầu phát Tế bào trống được chèn thêm vào trong trường hợp tốc độ bit của lớp vật lý không phù hợp với tốc độ bit của đường truyền dẫn. Còn tế bào OAM lớp vật lý được dùng cho việc quản lý , khai thác và bảo dưỡng. III. Các khái niệm về kênh ảo và đường ảo Trong một đường truyền dẫn có thể bao gồm vài đường ảo VP (Virtual Path),trong mỗi VP có thể có vài kênh ảoVC (Virtual Channel). Mỗi VP và VC trong đường truyền dẫn đều có một giá trị CPI vàVCI riêng, các số VP và VC phụ thuộc vào độ dài của VPI và VCI trong trường tiêu đề của tế bào ATM . Hình 1.3 thể hiện mối quan hệ giữa VP và VC, và đường truyền dẫn. Hình 1.3: Mối quan hệ giữa VP ,VC,và đường truyền dẫn. 1, Đường ảo và kênh ảo Đường ảo (VP) là khái niệm để chỉ việc truyền đơn hướng các tế bào ATM có cùng một giá trị nhận dạng đường ảoVPI. Trong đường truyền dẫn có thể có một số đường ảo. Số đường ảo này phụ thuộc vào số bit của VPI trong trường tiêu đề của tế bào ATM Kênh ảo (VC) là khái niệm để chỉ việc truyền đơn hướng các tế bào ATM tương ứng với một giá trị nhận dạng kênh ảo chung duy nhất VCI. Nhiều kênh ảo có thể hợp lại thành một đường ảo. Số kênh ảo phụ thuộc vào số bit của VCI trong trường tiêu đề của tế bào ATM. 2, Liên kết kênh ảo (VC link) và liên kết đường ảo (VP link) ITU-I đã định nghĩa liên kết kênh ảo và liên kết đường ảo như sau: Liên kết kênh ảo là sự truyền đơn hướng các tế bào ATM giữa điểm mà tại đó các VCI được gán vào tế bào và điểm mà các giá trị đó bị thay đổi hoặc bị xóa. Liên kết đường ảo là liên kết giữa hai điểm mà tại đó các giá trịVPI được gán, thay đổi hoặc bị xóa. 3, Cuộc nối kênh ảo(VCC) và cuộc nối đường ảo (VPC) Theo định nghĩa của ITU-I: Cuộc nối kênh ảo (VCC) là sự móc nối của một số liên kết kênh ảo giữa hai điểm mà tại đó có thể truy nhập vào lớp tương thích ATM (AAL). Thực chất VCC là một đường nối logic giữa hai điểm dùng để truyền các tế bào ATM và các VCC được chuyển mạch nhờ vào tổ hợp của giá trị VPI và VCI. Thông qua VCC, thứ tự các tế bào được bảo toàn. Các VCC được ứng dụng tại giao diện người sử dụng- người sử dụng (User-User) để truyền thông tin hữu ích và thông tin báo hiệu giữa hai đầu cuối. Tại giao diện người sử dụng-mạng (User- Network), VCC có chức năng là tạo truy nhập cuộc nối đến nút chuyển mạch địa phương.VCC giữa các nút mạng được dùng để mang thông tin quản lý lưu lượng mạng, định tuyến và báo hiệu tại giao diện mạng- mạng (Network-Network). Cuộc nối đường ảo (VPC) là sự móc nối của một số liên kết đường ảo. VPC là sự kết hợp logic của các VCC. Các VPC được chuyển mạch dựa trên giá trị VPI duy nhất. Trong một VPC , mỗi liên kết kênh ảo đều có VCI riêng, tuy vậy ,những VC thuộc về các VP khác nhau có thể có các số VCI giống nhau. Mỗi VC được nhận dạng duy nhất thông qua tổ hợp của hai giá trị VCI và VPI. VCP liên kết giữa người sử dụng cung cấp cho họ các”ống truyền dẫn” gồm nhiều kênh ảo. Tại giao diện người sử dụng- mạng (User- Network) VPC được dùng để kết hợp các luồng thông tin từ người sử dụng đến các nút chuyển mạch địa phương.Tại giao diện mạng- mạng (Network- Network) VPC sử dụng để tổ chức luồng thông tin của người sử dụng theo sơ đồ định tuyến có sẵn, cho việc chuyển mạch các tuyến hay cho thông tin quản lý mạng . IV. Cấu trúc phân lớp của mạng ATM 1. Mô hình tham chiếu giao thức của ATM Cấu trúc phân lớp logic được sử dụng trong ATM dựa trên mô hình tham chiếu liên kết các hệ thống mở OSI. Tuy vậy mô hình ATM sử dụng khái niệm các lớp và mặt phẳng riêng rẽ cho từng chức năng riêng biệt như chức năng dành cho người sử dụng, chức năng điều khiển, quản lý mạng . Khái niệm này được gọi là mô hình tham chiếu giao thức B- ISDN (B- ISDN Protocol Reference Model hay B-ISDN- PRN)Mô hình tham chiếu giao thức B-ISDN bao gồm ba mặt phẳng: mặt phẳng quản lý, mặt phẳng người sử dụng, và mặt phẳng điều khiển như đã chỉ ra trong hình 1.4. Mặt phẳng quản lý bao gồm hai chức năng chính là quản lý mặt phẳng và quản lý lớp. Toàn bộ các chức năng liên quan đến hệ thống đều nằm ở quản lý mặt phẳng, nó có nhiệm vụ tạo ra sự phối hợp làm việc giữa những mặt phẳng khác nhau. Quản lý lớp được chia thành các lớp khác nhau nhằm thực hiện các chức năng điều hành các tham số người sử dụng và điều hành các thông tin quản lưu lượng lý, khai thác và bảo dưỡng. Mặt phẳng người sử dụng kiểm soát các thông tin của người sử dụng. Tất cả các cơ chế liên quan như điều khiển luồng, điều khiển tắc nghẽn, chống lỗi đều thực hiện ở mặt phẳng này. Nó có cấu trúc phân lớp, mỗi lớp thực hiện một chức năng riêng biệt liên quan đến việc cung cấp các dịch vụ cho người sử dụng. Mặt phẳng điều khiển có nhiệm vụ thực hiện các chức năng báo hiệu liên quan tới việc thiết lập, giải phóng và giám sát đường nối hoặc cuộc gọi. Giao thức của mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng người sử dụng được phân loại thành lớp mức cao, lớp thích ứng ATM (AAL), lớp ATM và lớp vật lý. Các chức năng được mô tả trong bảng 1.2. Nhiều giao thức mạng được đối chiếu với mô hình giao thức OSI. So sánh với mô hình guiao thức OSI, chỉ có lớp vật lý của ATM là tương ứng với lớp 1 trong OSI. Lớp ATM và AAL là tương ứng với lớp 2 của OSI, nhưng trường địa chỉ của tiêu đề tế bào ATM có ý nghĩa như lớp3 của mô hình OSI. Hình 1.5 biểu diễn các lớp ATM theo OSI và các chức năng của lớp ATM và lớp AAL. 2, Chức năng của lớp vật lý Lớp vật lý được tạo nên bởi phân lớp hội tụ truyền (TC) và phân lớp đường truyền vật lý( PM). Chức năng của mỗi lớp con được mô tả trong bảng 1.2 Tên lớp Phân lớp Các chức năng Lớp bậc cao Cchức năng bậc cao Lớp thích ứng ATM (AAL) Hội tụ (CS) Phần chung (CP) Các dịch vụ đặc biệt (SS) Phân tách và tạo lại tế bào (SAR) Chức năng phân tách và tạo lại Lớp ATM -Điều khiển lưu lượng chung (GCF) -Tạo và phân tách tiêu đềcủa tế bào - Truyền đạt các VPI/VCtrong tế bào - Ghép và tách các tế bào Lớp vật lý Hội tụ truyền (TC) - Phân định tốc độ tế bào - Tạo và kiểm tra tín hiệu HEC - Nhận biết giới hạn tế bào - Phát và khôi phục khung truyền dẫn Đường truyền vật lý (PM) - Chức năng truyền dẫn, tốc độ bit - Chức năng liên quan đến môi trường vật lý Bảng 1.2: Chức năng các lớp của B-ISDN Phân lớp TC phân định tốc độ của tế bào , tạo/ xác định byte kiểm tra lỗi và nhận biết giới hạn của tế bào. Khi phân lớp TC được truyền đI trên cơ sở kỹ thuật SDH, nó thực hiện việc tạo và xác định khung truyền dẫn. Chức năng của phân lớp tùy thuộc vào giao diện sử dụng bên dưới nó. Chức năng của phân lớp PM hoàn toàn phụ thuộc vào môi trường truyền dẫn vật lý cụ thể như cáp quang hay cáp đồng trục. Lớp này cung cấp khả năng truyền dẫn bit , mã hóa dòng bit theo mã đường truyền và có thể thực hiện việc biến đổi quang điện . Ngoài ra phân lớp PM còn có nhiệm vụ đồng bộ bit. Phân lớp PM cũng cung cấp một vài giao diện hỗ trợ bao gồm mạng cáp quang đồng bộ (SONET) với tốc độ 155.52 Mb/s DS3 là 44,737 Mb/s Cáp quang đa mode 100 Mb/s . 3. Chức năng của lớp ATM Lớp ATM độc lập với lớp vật lý và cung cấp các chức năng được chỉ ra trong bảng 1.2. Lớp ATM có phần GFC để điều khiển giao thức và dòng thông tin trong UNI.GFC còn được sử dụng để giảm bớt tình trạng quá tải của mạng. Ngoài ra nó còn dịch các VPI/VCI thành các điểm truy nhập dịc vụ SAP , ghép và tách các tế bào. Thêm vào đó, nó quản lý phần PT(Payload Type) hay CLP (Cell Lost Priority) và thực hiện việc tạo ra, xác nhận tín hiệu tiêu đề của tế bào. Các chức năng lớp ATM bao gồm : chuyển mạch , dồn kênh, định tuyến, quản lý tắc nghẽn. 4, Chức năng của lớp AAL Lớp thích ứng ATM (AAL)được phân thành phân lớp hội tụ CS và phân lớp phân tách và táI tạo lại tế bào SAR. Chức năng của mỗi phân lớp được mô tả trong bảng 1.2. Lớp AAL có nhiệm vụ tạo ra sự tương thióch giữa các dịch vụ được cung cấp bởi lớp ATM với các lớp cao hơn và chức năng chủ yếu của lớp AAL là sắp xếp các đơn vị dữ liệu PDU thành các tế bào ATM . Phân lớp phân tách và tạo lại tế bào SAR có nhiệm vụ phân chia PDU của các lớp cao hơn thành các phần tương ứng 48 bytes của trường dữ liệu tế bào ATM ở bên phát. ở bên thu,SAR lấy thông tin 48 bytes để ghép lại thành PDU để cung cấp cho lớp trên. Phân lớp hội tụ CS phụu thuộc vào các loại dịch vụ.nó cung cấp các dịch vụ của lớp AAL cho các lớp cao hơn thông qua điểm truy nhập dịch vụ SAP. Thông thường có 4 loại dịch vụ sau: Dịch vụ nhóm A: Làm việc theo thời gian thực, tốc độ truyền không đổi và có hướng liên kết. Ví dụ: dịch vụ điện thoại,Audio, video có tốc độ không đổi. Dịch vụ nhóm B: Làm việc theo thời gian thực , tốc độ truyền thay đổi và có hướng liên kết. Ví dụ như tín hiệu audio và video có tốc độ thay đổi. Dịch vụ nhóm C: Làm việc không yêu cầu thời gian thực, tốc độ truyền thay đổi và có hướng liên kết. Ví dụ: dịch vụ truyền số liệu có hướng liên kết và báo hiệu. Dịch vụ nhóm D: Làm việc không yêu cầu thời gian thực, tốc độ truyền thay đổi và không có hướng liên kết. Ví dụ: Dịch vụ truyền số liệu không liên kết. ITU-T chia AAL thành 4 loại khác nhau tuỳ thuộc vào đặc điểm dịch vụ của chúng. Bảng 1.3 mô tả chi tiết các loại AAL. AAL0 CS AAL1 SAR AAL2 CPCS CPCS AAL3/4 SAR SSCS CPCS AAL5 SAR Bảng 1.3: Chức năng của Lớp AAL AAL0: Mặc dù thuật ngữ AAL0 không chính thức được sử dụng, nhưng nó có thể được chú ý đến khi lớp AAL vắng mặt của phân lớp SAR và CS. Điều này có nghĩa là không có chức năng nào của AAL được yêu cầu và dung lượng của trường thông tin tế bào được truyền trực tiếp và trong suốt lên lớp cao hơn. AAL1: Phục vụ cho các dịch vụ thuộc nhóm A: thu và phát đơn vị dữ liệu dịch vụ SDU theo thời gian thực với tốc độ truyền không đổi. Chức năng cơ bản của AAL1 bao gồm:Phân tách và tạo lại thông tin người sử dụng, xử lý trễ truyền và tạo tế bào, xử lý lỗi khi mất hoặc chèn nhầm tế bào, khôi phục đồng bộ ở đầu thu, phát hiện lỗi trong trường điều khiển tế bào và khôi phục lại cấu trúc thông tin bên nhận. Lớp con SAR có dạng như sau: 4 bit 4 bit 47 bytes SN SNP Trường dữ liệu SAR-PDU C SC SCR P Hình 1.6: Khuôn dạng SAR-PDU của AAL1 Đơn vị dữ liệu giao thức SAR-PDU gồm 48 bytes, trong đó 1 byte là trường thông tin điều khiển giao thức PCI (Protocol Control Infomation) và 47 byte thông tin loại SAR-PDU. Trong PCI có: 4 bit chỉ thị thứ tự SN (Sequence Number). 4 bit mã chống lỗi SNP (Sequence Number Protection). Trường SN có chức năng đếm số thứ tự của các PDU và được chia thành: Bit C chỉ thị lớp con hội tụ (Convergence Sublayer Indication), được sử dụng để truyền thông tin đồng bộ hoặc các thông tin về cấu trúc dữ liệu. 3 bit đếm số thứ tự S C (Sequence Count), cho phép phát hiện các tế bào bị mất hoặc bị chèn nhầm. Trường SNP chứa 3 bit mã CRC (CycLic Redundancy Check) để phát hiện và sửa lỗi cho SN, bit P (Parity) kiểm tra chẵn lẻ7 bit của PCI. Lớp con CS: Có các chức năng hoàn toàn phụ thuộc vào loại dịch vụ: Xử lý các giá trị trễ tế bào: Các giá trị trễ khác nhau được xử lý thông qua một bộ đệm, nếu bộ đệm rỗng thì hệ thống tự động chèn thêm một số bit, nếu bộ đệm tràn thì một số bit bị huỷ. - Xử lý các tế bào bị mất hoặc chèn nhầm. - Khôi phục tín hiệu đồng bộ. - Truyền các thông tin về cấu trúc dữ liệu giữa nguồn và đích. - Sửa lỗi trước FEC (Forward Error Correction): để đảm bảo chất lượng dịch vụ cao cho một số ứng dụng video và audio. AAL2: Phục vụ cho các dịch vụ thuộc nhóm B. Sử dụng cho các dịch vụ có tốc độ thay đổi được, truyền trong thời gian thực. Nó có các chức năng chủ yếu giống AAL1, chỉ có một điểm đặc biệt SDU,PDU thay đổi tốc độ khi truyền giữa lớp AAL và các lớp cao hơn. AAL3/4 : Phục vụ cho các dịch vụ thuộc nhóm C và D. Phục vụ cho các dịch vụ không yêu cầu thời gian thực, tốc độ thay đổi, phục vụ cho kiểu truyền liên kết và không có hướng liên kết. Hình 1.7 là cấu trúc của AAL3/4 trong đó phân lớp CS được chia thành hai phần:SSCS và CPCS. Một trong các chức năng của phân lớp phụ thuộc dịch vụ SSCS (Service Specific CS ) là truyền số liệu.Phân lớp phần chung hội tụ truyền CPCS (Common Part CS) truyền các khung số liệu của người sử dụng với độ dài bất kỳ trong khoảng từ 1 byte đến 65535 bytes. SSCS CPCS SAR CS AAL 3/4 Hình 1.7: Cấu trúc của AAL ắ SAR - PDU AAL3/4 cung cấp hai kiểu dịch vụ cơ bản là dịch vụ kiểu thông điệp (Message Mode Service) để truyền các số liệu được đóng thành khung và dịch vụ kiểu dòng bit (Streaming Mode Service) để truyền tốc độ thấp với yêu cầu trễ nhỏ. Cấu trúc đơn vị dữ liệu của SAR-PDU: ST SN MID Trường thông tin SAR - PDU I . I CRC 2 bit 4 bit 10 bit 44 bytes 6 bit 10 bit Tiêu đề SAR - PDU Hình 1.8 Dạng SAR – PDU của AAL3/4 -Trường kiểu đoạn ST (Segment Type) có độ dài 2 bit,để cho biết đơn vị dữ liệu thuộc cuộc nối nào, thuộc người sử dụng hay quản Lý - Trường số thứ tự SN có độ dài 4 bit và có chức năng đếm số thứ tự của SAR-PDU. -Trường chỉ thị độ dài trường thông tin LI (Length Indicator) dài 6 bit, chỉ ra số byte của CS-PDU chứa trong trường dữ liệucủa SAR-PDU. -Trường chống Lỗi CRC dài 10 bit, thực hiện việc kiểm tra lỗi bit trong SAR-PDU. -Trường nhận dạng ghép kênh MID (Multiplexing Identifier) dài 10 bit. Chức năng chủ yếu là đồng thời phân kênh và hợp kênh các cuộc nối mức AAL khác nhau thành một đường nối đơn ở mức ATM.Các SAR-PDU với giá trị nhận dạng MID khác nhau sẽ thuộc về các CS-PDU riêng biệt. AAL5 :Phục vụ cho các dịch vụ có tốc độ thay đổi,không theo thời gian thực. Cũng giống như AAL 3/4 , AAL5 được sử dụng chủ yếu cho các yêu cầu truyền số iệu.ITU-T đưa ra kiểu AAL5 nhằm mục đích giảm độ dài phần thông tin điều khiển giao thức (PCI- gồm phần tiêu đề và phần đuôi).AAL5 có các chức năng và giao thức hoạt động như AAL 3/4 . Điểm khác nhau chính của hai loại này là AAL5 không đưa ra khả năng hợp kênh và phân kênh, do đó nó không có trường MID. AAL5 chủ yếu được dùng cho báo hiệu mạng ATM và phần lớn các thiết bị ATM LAN hỗ trợ cho loại này. V. nguyên Lý chuyển mạch 1. Nguyên Lý chuyển mạch Trong môi trường ATM, việc chuyển mạch các tế bào được thực hiện trên cơ sở các giá trị VPI và VCI của trường tiêu đề tế bào ATM. Các giá trị VPI, VCI chỉ có ý nghĩa trên từng chặng liên kết của cuộc nối. Khi tế bào tới nút chuyển mạch, giá trị của VPI hoặc cả VPI và VCI đều thay đổi cho phù hợp với chặng tiếp theo. Thiết bị chuyển mạch ATM có hai chức năng cơ bản sau: Nhận dạng và phân tích các VPI và VCI trong tế bào ATM. Truyền các tế bào ATM từ một trong các cổng đầu vào đến các cổng đầu ra cho trước. Có hai loại chuyển mạch ATM chính: chuyển mạch VP(hay nút nối xuyên) và chuyển mạch VC (hay chuyển mạch ATM). 2. Nút nối xuyên (chuyển mạch VP) Các thiết bị chuyển mạch tại đó làm giá trị của VPI thay đổi gọi là nút nối xuyên (Cross connec) hoặc là bộ tập trung (Concentrator) hay chuyển mạch VP (VP Switch). Hình 1.9 là sơ đồ giải thích nguyên lý chuyển mạch VP. Chuyển mạch VP là nơi bắt đầu và kết thúc các liên kết đường ảo, do đó nó cần phải chuyển các giá trị VPI ở đầu vào thành các giá trị VPI tương ứng ở đầu ra sao cho các liên kết đường ảo này thuộc về cùng một cuộc nối đường ảo cho trước. Trong trường hợp này giá trị VCI được giữ nguyên không thay đổi. Hình 1.9: Chuyển mạch VP 3. Chuyển mạch VC Thiết bị chuyển mạch tại đó giá trị của VPI và VCI đều thay đổi, hoặc VCI thay đổi gọi là chuyển mạch VC (VC Switch) hoặc chuyển mạch ATM (ATM Switch). Hình 1.10. giải thích nguyên tắc chuyển mạchVC. Khác với chuyển mạch VP, chuyển mạch VC Là điểm cuối của liên kết kênh ảo và iên kết đường ảo. Vì vậy, trong chuyển mạch VC, giá trị của cả VPI và VCI đều bị thay đổi. Do trong chuyển mạch VC còn bao gồm cả chuyển mạch VP nên về mặt nguyên tắc, chuyển mạch VC có thể thực hiện các chức năng như một chuyển mạch VP. Hình 1.10: Chuyển mạch VC Hình 1.11 minh hoạ một cuộc nối kênh ảo VCC thông thường, TE là nút chuyển mạch nơi mà giá trị VPI và VCI bị thay đổi. A và B là hai thiết bị đầu cuối;D1 và D2 à các bộ nối xuyên, nơi chỉ thay đổi giá trị VPI; ai , xi, yi lần lượt là các giá trị VPI và VCI tương ứng. VI. Những ưu điểm nổi bật của ATM Công nghệ ATM dựa trên cấu trúc tế bào ATM kết hợp được các đặc điểm của kỹ thuật chuyển mạch cổ điển của mạng điện thoại với các ưu điểm của kỹ thuật chuyển mạch gói, nhờ vậy loại bỏ được những hạn chế của các kỹ thuật truyền dẫn ghép kênh phân chia thời gian (TDM), đáp ứng được nhu cầu dịch vụ thông tin đa dạng một cách mềm dẻo, hiệu quả, dễ dàng thích ứng với những dịch vụ mới và thay đổi về công nghệ xuất hiện trong tương lai. Những đặc điểm nổi bật nhất của ATM được tóm tắt dưới đây: * Đặc tính truyền dẫn mềm dẻo: gần như không có giới hạn về tốc độ truyền dẫn và thông lượng các kênh thông tin. Mỗi kênh thông tin được thiêt lập bằng một chuỗi tế bào các ATM , số ượng các tế bào được truyền đi trong một đơn vị thời gian à hoàn toàn tuỳ ý. Do vậy tốc độ truyền của kênh không bị giới hạn vào các tốc độ cơ sở 64 Kbit/s, 128 Kbit/s...Số lượng kênh trên cùng một đường truyền phụ thuộc vào số lượng số nhận dạng logic của các tế bào. Như vậy, tốc độ có thể đạt tới mức tối đa khi các kênh hoạt động đồng thời trên cùng một đường truyền. * Đặc tính chuyển mạch bằng phần cứng: Trong mạng chuyển mạch gói truyền thống, việc phân tích, xử lý địa chỉ của gói để chuyển mạch được thực hiện bằng phần mềm do độ dài gói không cố định. Tế bào ATM với cấu trúc thống nhất cho phép việc xử lý chuyển mạch thực hiện được bằng thiết bị phần cứng đồng thời giữa các nút chuyển mạch không có yêu cầu điều khiển luồng và điều khiển lỗi do đó nó có thể giảm tối đa thời gian xử lý ở nút chuyển mạch nên tốc độ xử ý rất nhanh,tiết kiệm thời gian. * ở trên tiêu đề của tế bào ATM chỉ có thông tin để nhận dạng cuộc nối mà không chứa thông tin về địa chỉ đích, địa chỉ nguồn, về thứ tự gói. Thứ tự gói trong ATM là thứ tự cố định và tuần hoàn như trong thực tế. * Đặc tính ghép/phân kênh trực tiếp, độc lập với tốc độ truyền:Ghép/phân kênh trong mạng ATM , dựa trên cơ sở chỉ số nhận dạng kênh, không lệ thuộc vào các khe thời gian cố định như trong TDM, nên các kênh với tốc độ truyền khác nhau hoàn toàn có thể được ghép/phân kênh đễ dàng thông qua chỉ số nhận dạng kênh. * Khả năng thiết lập các nhóm kênh ảo,dễ dàng cho việc điều hành và quản lý mạng : Nhóm kênh ảo được định nghĩa bằng chỉ số nhận dạng đường ảo VPI, do vậy có thể tạo mới, thay đổi lưu lượng hoặc đường đi bằng cách điều khiển việc quản lý và điều hành mạng năng động. * Khả năng ghép kênh thống kê, tăng hiệu quả sử dụng của đường truyền: các ứng dụng truyền hình ảnh, dữ liệu thường có tốc độ truyền biến đổi theo thời gian hoặc ngắt quãng, tốc độ truyền lớn nhất được cấp phát cho kênh truyền để đảm bảo không bị mất thông tin. Các tế bào ATM có thể được gán cho các kênh một cách linh động , khi đường truyền rỗi sẽ được truyền đi, nhờ đó tạo ra khả năng ghép kênh thống kê. Như vậy , nhờ có công nghệ ATM ta có thể kết hợp các dịch vụ B-ISDN khác nhau. Đó là các dịch vụ băng rộng và băng hẹp khác nhau cùng tồn tại trong mạng viễn thông, trong cùng một kich cỡ tế bào ATM. Các dịch vụ có tốc độ bit không đổi CBR tạo nên các tế bào ATM được phân bố rộng hơn, nhưng vẫn tạo nên cùng một loại tế bào ATM. Ngoài ra dịch vụ thời gian thưch hiện được tạo nên nhờ sử dụng kênh ảo, nên loại bỏ được hiện tượng trễ. VII. tóm tắt Chương 1 đã trình bày một số khái niệm cơ bản về ATM. Ta đã tìm hiểu đến: cấu trúc tế bào ATM, các khái niệm liên quan tới cuộc nối (VCC, VPC, VP, VC), nguyên tắc chuyển mạch ATM. Mô hình tham chiếu ATM- PRM và chức năng của từng lớp trong mô hình này được trình bày khái quát, thể hiện cách thức hoạt động của ATM. Những ưu điểm nổi bật của công nghệ ATM cho thấy công nghệ ATM đáp ứng được nhu cầu dịch vụ thông tin đa dạng một cách mềm dẻo, hiệu quả, dễ dàng thích ứng với những dịch vụ mới và thay đổi về công nghệ xuất hiện trong tương lai. Chương 2 cấu trúc phần cứng chuyển mạch atm Trong chương này ta sẽ lần lượt nghiên cứu về các khái niệm quan trọng nhất của phần cứng chuyển mạch ATM. Đó là cấu trúc phần tử chuyển mạch ATM, cấu trúc của hệ thống chuyển mạch ATM và phân loại hệ thống chuyển mạch ATM. I. tổng quan về hệ thống chuyển mạch atm 1, Xu hướng của công nghệ chuyển mạch ATM Chuyển mạch ATM có chức năng phân phối mỗi tế bào tới nơi nhận tương ứng, phù hợp với VPI/VCI, là nơi truyền đi thông tin của phần tiêu đề đối với mỗi kênh. Điều đó có nghĩa là các tế bào được đưa vào hệ thống chuyển mạch ATM để khôi phục bảng chuyển đổi địa chỉ bằng những phương tiện phần cứng phù hợp với giá trị của VPI/VCI và sau đó địa chỉ của cổng ra được lựa chọn một cách tự động . Đồng thời, các giá trị của VPI/VCI được chuyển đổi thành những giá trị mới cho quá trình xử lý tiếp theo. Các đặc trưng của chuyển mạch ATM thể hiện ở độ trễ tế bào thông qua việc sử dụng kỹ thuật tự định tuyến của lớp phần cứng, và có thể dễ dàng hỗ trợ cho truyền thông đa phương tiện sử dụng dữ liệu, tiếng nói và hình ảnh. Những yêu cầu đối với hệ thống chuyển mạch ATM là quá trình xử lý tế bào phải thực hiện trên phạm vi 1ms/nút, trong trường hợp xử lý thông tin có tốc độ bit không đổi CBR là 10-9/nút, và trong trường hợp xử lý thông tin có tốc độ bit thay đổi VBR có tỉ lệ tổn thất tế bào cỡ 10 -7 trên mỗi nút phải được đảm bảo chắc chắn. Ngoài ra, nó còn phải được đảm bảo yêu cầu về tốc độ truyền dẫn, dễ dàng trong việc điều khiển phân phối và tự định tuyến , đảm bảo tính modul hoá và khả năng mở rộng tổng đài. Mặt khác, những vấn đề quan trọng nhất có liên quan tới công nghệ chuyển mạch ATM nhất thiết hiện nay phải được giải quyết là: - Đảm bảo sự hỗ trợ có hiệu quả của truy nhập điểm - đa điểm trong hệ thống chuyển mạch. - Đảm bảo sự hỗ trợ của chức năng phân nhóm kênh được sử dụng nhằm mục đích liên kết các cổng chuyển mạch và nhóm chúng lại. - Đảm bảo cho việc sử dụng dung lượng lớn của hệ thống chuyển mạch ATM . Đảm bảo sự hỗ trợ của các dịch vụ ATM mới như tốc độ bit dành sẵn ABR và tốc độ bit không xác định UBR. 2, Các môi trường phần cứng của chuyển mạch ATM Hệ thống chuyển mạch ATM được kiến trúc trên cơ sở tế bào và được phân chia hợp lý theo khoảng cách, tốc độ và kích thước mạng . Chúng được ứng dụng trong các mạng cục bộ (Local), tập trung (campus) và mạng diện rộng (WAN) và xem như chia thành ba môi trường phần cứng cơ bản: * Chuyển mạch trung tâm CO (Central Office) hay các chuyển mạch cơ bản. * Chuyển mạch Ca (Campus) còn gọi là môi trường dành cho khách hàng CPE (Customer Premises Environment). * Các chuyển mạch ATM địa phương (Local) như là các bộ định tuyến (Router), Các chuyển mạch thông thường (Switch), các hub ( bộ tập trung) và các cầu nối ( Bridge) a, Các chuyển mạch ATM trung tâm ( CO) Chuyển mạch ATM trung tâm (CO) là xương sống của mạng ATM, thường yêu cầu truyền tin trong dải lớn hơn 5 Gb/s. Chúng bao gồm toàn bộ các giao diện (UNI) ATM thuần nhất. Các chuyển mạch ATM CO thiết lập các cuộc gọi cho các chuyển mạch CPE. Môi trường CO sử dụng nguồn DC, có khả năng mở rộng cả dung , lượng cổng và quá trình xử lý. b, Các chuyển mạch ATM Campus Các chuyển mạch ATM Campus hay CPE thông thường nhỏ hơn các chuyển mạch CO và có dải truyền tin nhỏ hơn 5 Gb/s, nhưng cung cấp nhiều giao diện như LAN ( như Ethernet và Token hay CPE sử dụng nguồn AC, có dung lượng nhỏ hơn và năng lượng xử lý nhỏ hơn chuyển mạch CO. Nhận xét: Chuyển mạch CO thường truyền đạt dải lớn hơn 5 Gb/s. Do đó nếu chỉ dựa trên riêng tốc độ thì không phân biệt được chuyển mạch CO với chuyển mạch Campus . Các chuyển mạch trung tâm CO Ring), MAN ( như FDDI và DBDQ), X25, và tiếng nói. Một số chuyển mạch cung cấp chức năng biến đổi giao thức, LAN mô phỏng, và mạng ảo. Các chuyển mạch Campus nói chung lớn hơn và có độ bền công nghiệp hơn các chuyển mạch CPE. Môi trường CO sử dụng nguồn DC và có khả năng chia tỷ lệ với một số lớn các cổng. Ngược lại môi trường dành cho._. khách hàng CPE sử dụng nguồn AC và năng lượng xử lý nhỏ hơn chuyển mạch CO c, Các chuyển mạch ATM địa phương( Local) Các chuyển mạch ATM địa phương (Local) giống như các chuyển mạch thông thường (Switch), các bộ định tuyến (Router), các HUB (bộ tập trung), và các cầu nối (Bridge) cũng đóng vai trò quan trọng trong mạng ATM. Các chuyển mạch ATM địa phương (Local) được liên kết với nhau trong mạng, và có thể kết nối với các hệ thống khác. Các chuyển mạch là các thiết bị liên kết có hướng và chúng được liên kết với nhau thông qua các giao thức chuyển mạch. Các bộ định tuyến (Router), cầu nối (Bridge) và HUB bao gồm các chức năng hoặc tách biệt hoặc đồng thời. Mỗi loại cung cấp giao thức hỗ trợ cho các mức tương ứng của mô hình tham chiếu OSI. Bridge có chức năng tương ứng với mức 1 và mức 2 của mô hình OSI, trong khi đó Router và HUB tương ứng với mức 1,2 và 3 của mô hình OSI. Router cho phép nối các kiểu mạng khác nhau thành liên mạng và do đó các router sẽ phụ thuộc vào giao thức của các mạng được kết nối. Hình 2.2 biểu diễn mối quan hệ của các lớp của mô hình tham chiếu giao thức OSI với Bridge, Router và Hub. II. cấu trúc chung của phần tử chuyển mạch atm 1. Tổng quan Trong ATM có hai thiết bị thực hiện chức năng chuyển mạch các tế bào, đó là chuyển mạch ATM ( ATM switch hay VC switch) và bộ nối xuyên (Cross- Connect hay VP Switch ). Hai thiết bị này thực hiện chức năng chính sau: Đọc các VPI/VCI của tế bào ở đầu vào và thay đổi giá trị của chúng ở đầu ra. Truyền tế bào ATM từ đầu vào đến các đầu ra cho trước. Cấu trúc của chuyển mạch ATM có thể được chia thành hai phần là phần cứng và phần mềm. *Phần cứng của nút chuyển mạch bao gồm: Giao diện của nút chuyển mạch có tác dụng làm cho dòng thông tin đi vào nút chuyển mạch tương thích với phần lõi bên trong về mặt tốc độ cũng như dạng của tế bào. - Phần lõi là chuyển mạch không gian cung cấp các khả năng chuyển mạch các cuộc nối từ điểm tới điểm và từ điểm tới nhiều điểm. Chúng bao gồm bộ tập trung (Concentrator), bộ hợp kênh ( Muliplexer) và ma trận chuyển mạch ( Switch Matrix). * Nút chuyển mạch ATM được điều khiển và giám sát bởi phần mềm. Phần mềm của chuyển mạch ATM gồm có ba chức năng chính: - Xử lý lưu lượng đi qua nút chuyển mạch - Thực hiện các chức năng vận hành và bảo dưởng nút chuyển mạch. - Quản lý các chức năng hệ thống. Trong giới hạn của đề tài, ta chỉ quan tâm đến phần cứng chuyển mạch ATM mà thôi. Do vậy, ba vấn đề cốt lõi của cấu trúc chuyển mạch nhằm đảm bảo phương thức hoạt động của chúng gồm: - Kiến trúc của chuyển mạch . - Phần lõi của nút chuyển mạch là cơ cấu chuyển mạch . - Cách thức tổ chức bộ đếm của chuyển mạch và mối quan hệ của nó khi thực hiện chuyển mạch . Trong chuyển mạch ATM , các phần tử chuyển mạch ( Switch Element ) được sử dụng để nối giữa đầu vào và đâù ra bất kì ở nút chuyển mạch . Nút chuyển mạch có thể được xây dựng từ một hoặc một vài phần tử chuyển mạch . tuy nhiên trên thực tế do yêu cầu về dung lượng thông tin . Nút chuyển mạch thường có cấu trúc được xây dựng từ nhiều phần tử chuyển mạch theo một cách thức nhất định . Có nhiều cách để ghép các phần tử chuyển mạch với nhau nhưng phổ biến nhất là ghép các phần tử chuyển mạch với nhau theo nhiều tầng . Sau đây ta sẽ xem xét cấu trúc các phần tử chuyển mạch và cách xây dựng các hệ thống chuyển mạch lớn . 2. Cấu trúc phần tử chuyển mạah a, Cấu tạo chung của phần tử chuyển mạch. Phần tử chuyển mạch là đơn vị cơ bản trong cấu trúc của hệ thống chuyển mạch. Tại đầu vào, các thông tin về chọn đường ( có liên quan tới VPI/VCI) được phân tích, căn cứ trên kết quả phân tích đó mà các tế bào được đưa tới đầu đệm. Các bộ điều khiển vào IC, các bộ điều khiển ra OC và mạng nối chuyển mạch phối hợp thực hiện các chức năng chuyển mạch và lưu giữ tạm thời. Người ta phân loại phần tử chuyển mạch theo cấu trúc của mạng nối chuyển mạch và cách thức tổ chức bộ đệm, các loại phần tử chuyển mạch khác nhau sẽ được xem xét dưới đây. b, Phần tử chuyển mạch theo kiểu ma trận Trong phần tử chuyển mạch theo kiểu ma trận, mạng nối chuyển mạch có cấu trúc ma trận chữ nhật ( hình 2.4), ma trận này cho phép nối giữa một đầu vào và một đầu ra rỗi bất kỳ.Việc nối đầu vào với các đầu ra được thực hiện dựa trên thông tin liên quan tới định tuyến nằm trong phần tiêu đề của tế bào ATM. Phần tử chuyển mạch theo kiểu ma trận lại được chia thành ba loại với cách tổ chức bộ đệm khác nhau: - Bộ đệm đầu vào. - Bộ đệm đầu ra. - Bộ đệm tại giao điểm của ma trận . Hình 2.4 : Phần tử chuyển mạch kiểu ma trận b1. Bộ đệm đầu vào Trong phần tử chuyển mạch dùng bộ đệm đầu vào,bộ đệm tế bào được đặt ở bộ điều khiển đầu vào ( hình 2.5). Nếu sử dụng bộ đệm kiểu FIFO (vào trước ra trước- First In First Out), đụng độ sẽ xảy ra nếu hai hoặc vài tế bào ở đầu hàng đợi cùng tranh chấp một đầu ra. Trong trường hợp này trừ một tế bào được quyền đi tới đầu ra đó, tất cả các tế bào còn lại sẽ bị tắc nghẽn. Để khắc phục nhược điểm này, có thể thay thế bộ nhớ FIFO bằng bộ nhớ truy nhập ngẫu nhiên RAM. Nếu tế bào đầu tiên bị tắc nghẽn, những tế bào sau vẫn có thể được truyền tới các đầu ra rỗi cho trước.Tuy vậy việc sử dụng RAM yêu cầu các cơ chế quản lý bộ nhớ phức tạp hơn, để đảm bảo tìm ra những tế bào được chọn tới các đầu ra rỗi cũng như đảm bảo thứ tự truyền các tế bào tới cùng một đầu ra. Ngoài ra để có thể truyền các tế bào tại cùng một bộ đệm đồng thời tới các đầu ra khác nhau thì các bộ đệm phải có nhiều đầu ra hoặc thời gian truy nhập giảm xuống. Hình 2.5 : Cấu trúc phần tử chuyển mạch ma trận có bộ đệm đầu vào b2. Bộ đệm đầu ra. Hình 2.6 Minh hoạ phần tử chuyển mạch sử dụng bộ đệm đầu ra.Tắc nghẽn chỉ xảy ra khi tốc độ vận hành của ma trận chuyển mạch bằng với tốc độ của dòng tế bào đầu vào .Nhược điểm này có thể được khắc phục bằng việc giảm thời gian truy nhập bộ đệm và tăng tốc độ hoạt động của ma trận chuyển mạch (thực chất tốc độ hoạt động ở đây là tốc độ ghi/đọc của RAM). Tuy vậy yêu cầu tốc độ hoạt động cao sẽ dẫn tới giới hạn về mặt kích thước của phần tử chuyển mạch . Thật vậy, để không xảy ra tắc nghẽn bên trong phần tử chuyển mạch dùng bộ đệm đầu ra có kích thước b*b phải có tốc độ hoạt động tăng lên b lần để trong trường hợp xấu nhất. khi có b tế bào cùng đồng thời yêu cầu một đầu ra như nhau, thì tắc nghẽn cũng không xảy ra, vì vậy kích thước của phần tử chyển mạch sẽ không thể lớn tuỳ ý. Trong trường hợp ngược lại, nếu tốc độ hoạt động của phần tử chuyển mạch không đảm bảo thì bắt buộc phải bổ sung thêm bộ đệm đầu vào để tránh mất tế bào do tắc nghẽn bên trong. Hình 2.6:Cấu trúc phần tử chuyển mạch ma trận có bộ đệm đầu ra b3. Bộ đệm tại giao điểm của ma trận chuyển mạch Bộ đệm cũng có thể nằm tại giao điểm của ma trận chuyển mạch (Hình 2.7).Cấu trúc phần tử chuyển mạch loại này cho phép các tế bào đi tới các đầu ra khác nhau không ảnh hưởng tới nhau. Nếu các tế bào nằm ở những bộ đệm khác nhau có cùng một đầu ra thì logic điều khiển cần phải chọn xem bộ đệm nào sẽ được phục vụ đầu tiên. Do dùng chung bộ nhớ đệm giữa đầu vao, đầu ra nên hiệu quả sử dụng bộ đệm cao, lượng tế bào phải chờ trung bình giảm. Cấu trúc phần tử chuyển mạch kiểu này có nhược điểm là bộ đệm ở giao điểm có kích thước nhỏ, không chia sẻ được bộ đệm và việc quản lý bộ đệm tại nút chuyển mạch phức tạp hơn nhiều, nên trong thực tế bộ đệm tại nút chuyển mạch ít được sử dụng hơn. Hình 2.7: Cấu trúc phần tử chuyển mạch ma trận có bộ đệm tại giao điểm c, Phần tử chuyển mạch dùng kiểu Bus Các phần tử chuyển mạch kiểu Bus sử dụng mạng nối chuyển mạch là các Bus ghép kênh theo tời gian tốc độ cao ( High Speed Time Division Multiplexing Bus).Tắc nghẽn không xảy ra chỉ khi tổng dung lượng của kênh truyền lớn hơn hoặc bằng tổng dung lượng của tất cả các đầu vào. Để đảm bảo yêu cầu này, phần tử chuyển mạch kiểu Bus sử dụng phương pháp truyền bit theo kiểu song song. Thuật toán truy nhập Bus áp dụng ở đây cho phép Bus truyền được chia sẻ cho mỗi bộ đệm theo một chu kỳ cho trước. Mỗi bộ điều khiển đầu vào có thể truyền tế bào tới một đầu ra trước khi hoàn thành việc nhận tế bào kế tiếp. Phần tử chuyển mạch kiểu Bus cần có bộ đệm đầu ra để đề phòng trường hợp có vài tế bào cùng tới một đầu ra. trong khi tại một thời điểm chỉ có thể đưa ra ngoài một tế bào. Hình 2.8: Phần tử chuyển mạch kiểu bus d, Phần tử chuyển mạch kiểu vòng (Ring Type Switching Element) Phần tử chuyển mạch kiểu vòng có cấu trúc được minh hoạ trên hình 2.9 . Tất cả các bộ điều khiển đầu vào và đầu ra được nối với nhau thông qua mạng hình vòng. Mạng nối chuyển mạch hoạt động theo nguyên lý phân khe thời gian với dung lượng của vòng phải lớn hoặc bằng tổng dung lượng của tất cả các đầu ra thích hợp . Hình 2.3 minh hoạ cấu trúc của phần tử chuyển mạch. Mạng nối chuyển mạch IC IC OC OC Hình 2.3 . Mô hình cấu tạo chung của phần tử chuyển mạch ATM. Phần tử chuyển mạch ATM gồm có: các bộ điều khiển vào IC ( Input Controller), các bộ điều khiển ra OC ( Output Controller), và mạng nối chuyển mạch là phần quan trọng nhất.IC và OC liên kết với nhau thông qua mạng nối chuyển mạch. được đồng bộ với đồng hồ bên trong thông qua bộ điều khiển đầu vào IC . Bộ điều khiển OC có nhiệm vụ chuyển các tế bào mà nó nhận được từ mạng nối chuyển mạch tới đầu ra cho trước . Để tránh việc mất tế bào khi xảy ra đụng độ bên trong do hai hoặc nhiều tế bào cùng tranh chấp một đầu ra, các phần tử chuyển mạch cần phải có các bộ vào. Trong thực tế thường hay sử dụng phần tử chuyển mạch vòng Orwell , trong đó một vài vòng được sử dụng song song để đảm bảo yêu cầu về tốc độ e, Phần tử chuyển mạch sử dụng bộ nhớ trung tâm Trong phần tử chuyển mạch sử dụng bộ nhớ trung tâm,các bộ điều khiển đầu vào và đầu ra đều sử dụng một bộ nhớ chung duy nhất, số liệu từ tất cả các đầu vào đều được ghi vào bộ nhớ này, số liệu được đọc ra bất kỳ.Bộ nhớ chung còn có thể được tổ chức thành những bộ đệm logic đầu vào và đầu ra . Bởi vì bộ đệm cùng chia sẻ một bộ nhớ chung duy nhất nên dung lượng bộ nhớ yêu cầu trong trường hợp này lớn hơn nhiều so với trường hợp phần tử chuyển mạch dùng các bộ đệm riêng rẽ. Các phần tử chuyển mạch loại này thường làm việc theo nguyên tắc tự định đường. Mặt khác cũng cần phải lưu ý rằng phần tử chuyển mạch có bộ nhớ trung tâm phải được tổ chức thành các phần song song để đảm bảo tần suất truy nhập bộ nhớ không lớn hơn tốc độ cho phép. Đặc điểm của loại này là bộ đệm nhỏ, điều khiển bộ đệm phức tạp, tốc độ truy tìm bộ đệm lớn. Hình 2.10 thể hiện nguyên tắc của phần tử chuyển mạch sử dụng bộ nhớ trung tâm. Bộ nhớ trung tâm IC IC OC OC Hình 2.10: phần tử chuyển mạch sử dụng bộ nhớ trung tâm 3, Ưu nhược điểm của các loại phần tử chuyển mạch - Phần tử chuyển mạch theo kiểu ma trận được chia thành ba loại với cách tổ chức bộ đệm khác nhau: bộ đệm đầu vào, bộ đệm đầu ra, bộ đệm tại giao điểm của ma trận. Bộ đệm đầu ra sẽ tránh được hiện tượng nghẽn đầu vào và tăng được tốc độ thực tế dòng dữ liệu đi qua chuyển mạch , nhưng có nhược điểm là tốc độ bộ đệm và khích thước lớn hơn so với bộ đệm đầu vào. Bộ đệm tại giao điểm của ma trận do dùng chung bộ nhớ đệm giữa đầu vào , đầu ra nên hiệu quả bộ đệm cao, lượng tế bào phải chờ trung bình giảm, nhưng nhược điểm là bộ đệm ở giao điểm có kích thước nhỏ, không chia sẻ được và việc quản lý bộ đệm tại giao điểm ma trận chuyển mạch phức tạp hơn rất nhiều, nên trong thực tế bộ đệm loại này ít được sử dụng hơn. - Cấu trúc chuyển mạch Bus về nguyên lý khá đơn giản, dễ ứng dụng. Tuy nhiên, cấu trúc có hạn chế là chuyển mạch Bus chỉ cho ta một đường nối cho một tập các phần tử gắn vào nó nên dải thông cho mỗi phần tử phụ thuộc nhiều vào số phần tử gắn vào Bus. Dải thông này không thể tăng lên quá giới hạn được do phụ thuộc tần số đồng hồ hệ thống và dải thông đường truyền. Cuối cùng nếu ta tăng tần số đồng hồ thì yêu cầu bộ vi xử lý mạnh hơn và điều này cũng chỉ có giới hạn. - Cấu trúc chuyển mạch vòng có ưu điểm so với chuyển mạch Bus là một khe thời gian có nhiều cổng vào sử dụng trong mỗi vòng. Tuy nhiên để thực hiện việc này ta lại cần thêm phần cứng và cũng khó xây dựng các hệ thống chuyển mạch lớn như cấu trúc chuyển mạch Bus. - Cấu trúc chuyển mạch bộ nhớ dùng chung có ưu điểm là tiết kiệm được bộ nhớ nhất do tất cả các cổng ra đều sử dụng một bộ nhớ.Thêm nữa do chuyển đổi nối tiếp - song song nên trong chuyển mạch tốc độ xử lý chỉ cần bằng một phần của tốc độ dòng số liệu thực tế. Ví dụ dòng số liệu vào được chuyển sang 8 bit song song thì với tốc độ dòng số bên ngoài là 155 Mb/s , tốc độ xử lý bên trong chỉ khoảng 20 Mb/s . Nhược điểm của loại này là bộ đệm nhỏ, điều khiển bộ đệm phức tạp. III. Các hệ thống chuyển mạch Các hệ thống chuyển mạch liên kết các phần tử chuyển mạch với nhau, mục đích là để đạt được tốc độ dòng số qua chuyển mạch cao nhất với độ phức tạp thấp nhất và giá thành rẻ nhất. Do tầm quan trọng của nó nên đã có rất nhiều nghiên cứu về vấn đề này và nhiều loại hệ thống chuyển mạch khác nhau đã ra đời. Hiện tại đã có một vài phương pháp thiết lập hệ thống chuyển mạch ATM có khả năng thoả mãn những yêu cầu và xu hướng phát triển mới đã nêu ở mục (2.1). Sự phân loại về mặt kỹ thuật của hệ thống chuyển mạch ATM được thực hiện phù hợp với đặc trưng của các yếu tố chuyển mạch hoặc vời trạng thái chặn trong của chuyển mạch, với số lần qua mạng nối chuyển mạch của tế bào, với số đường nối có khả năng thiết lập giữa một đầu vào với một đầu ra bất kỳ, với vị trí của vùng đệm trong tổng đài và với cấu trúc tô-pô của chuyển mạch ATM. 1, Phân loại dựa trên yếu tố chuyển mạch Hệ thống chuyển mạch Hệ thống phân chia không gian Hệ thống phân chia thời gian Hệ thống đơn tầng Hệ thống đa tầng Bộ nhớ dùng chung Môi trường dùng chung Cấu trúc kiểu bộ nhớ trung tâm Cấu trúc kiểu Bus Cấu trúc kiểu vòng Hệ thống một đường ( Hệ thống Banyan) Hệ thống đa đường Hệ thống luân chuyển tuần hoàn Hệ thống phân phối Hệ thống Banyan Batcher Các hệ thống đa đường khác Hình 2.11 trình bày sự phân loại dựa trên yếu tố chuyển mạch a , Hệ thống chuyển mạch đơn tầng Trong hệ thống chuyển mạch đơn tầng, các đầu vào và ra của nó được nối với nhau bởi một tầng đơn các phần tử chuyển mạch a 1 Hệ thống chuyển mạch trộn Nguyên tắc làm việc của hệ thống chuyển mạch trộn dựa trên sự trộn hoán vị các phần tử chuyển mạch ở tầng đơn. Cơ chế phản hồi được áp dụng trong hệ thống chuyển mạch trộn để nối một đầu ra bất kỳ với một đầu vào cho trước (đường phản hồi là đường chấm trên hình 2.12). Như vậy tế bào có thể đi qua lại một vài lần trong hệ thống chuyển mạch trộn trước khi tới đầu ra cho trước. tại đầu ra của phần tử chuyển mạch, bộ điều khiển đầu ra phải xét xem cần phải đưa tế bào vào đường phản hồi hay nó có thể ra khỏi hệ thống trong trường hợp đầu ra đó là đầu ra đã cho.Hệ thống chuyển mạch trộn có ưu điểm là số phần tử chuyển mạch ít, tuy vậy, trễ chuyển mạch lớn và phụ thuộc vào số lần tế bào đi qua phần tử chuyển mạch . Hình 2.12 Hệ thống chuyển mạch trộn a.2. Hệ thống ma trận chuyển mạch mở rộng Cũng như hệ thống chuyển mạch trộn , hệ thống ma trận chuyển mạch mở rộng là hệ thống chuyển mạch đơn tầng. Hình 2.13 là một ví dụ của ma trận chuyển mạch mở rộng được tạo thành từ các phần tử chuyển mạch kích thước b*b. Tuy vậy khi sử dụng trong ma trận chuyển mạch mở rộng,các phần tử chuyển mạch cần phải bổ xung B đầu vào hoặc BTS đầu ra.tín hiệu được đưa tới đầu vào của cột phần tử chuyển mạch kế tiếp thông qua các đầu bổ xung . Đầu ra của các phần tử chuyển mạch thường được nối với các đầu vào bổ xung của các phần tử chuyển mạch ở hàng dưới nó trong cùng một cột. Ưu điểm của ma trận chuyển mạch mở rộng là trễ qua hệ thống chuyển mạch nhỏ do mỗi tế bào chỉ được đưa qua vào bộ đệm một lần khi đi qua mạng.Khi số đầu vào tăng lên thì số phần tử chuyển mạch cũng tăng lên, điều này giới hạn kích thước của ma trận chuyển mạch mở rộng ở giá trị đầu vào , đầu ra là 64*64 và 128*128. Hình 2.13. Ma trận chuyển mạch mở rộng Hệ thống chuyển mạch đơn tầng đặc biệt phù hợp để sử dụng trong các đơn vị chuyển mạch nhỏ. Đối với các hệ thống lớn hơn, cấu trúc đa tầng chủ yếu được sử dụng. b, Hệ thống chuyển mạch đa tầng Hệ thống chuyển mạch đa tầng được xây dựng từ vài tầng của phần tử chuyển mạch, các tầng này được nối với nhau theo một vài dạng cho trước. Tuỳ theo số đường mà một tế bào có thể đi từ đầu vào tới đầu ra, hệ thống đa tầng được chia thành hai nhóm con là hệ thống một đường và hệ thống đa đường. b.1 Hệ thống chuyển mạch đa tầng- một đường Trong hệ thống chuyển mạch đa tầng một đường, chỉ có một đường duy nhất nối một đầu vào tới một đầu ra cho trước. Các hệ thống này còn được gọi là hệ thống chuyển mạch Banyan. b.1.1 Hệ thống chuyển mạch thanh ngang (crossbar) Chuyển mạch thanh ngang cho phép nối đầu vào bất kỳ với đầu ra không bận bất kỳ với trễ không đổi (trễ này chính là thời gian chuyển mạch của phần tử chuyển mạch). Chuyển mạch thanh ngang có đặc điểm là độ trễ không đổi và không nghẽn. Tuy nhiên khi số cổng vào ra tăng thì số điểm chuyển mạch tăng theo tỷ lệ N2 (N là số cổng vào).Con số này quá lớn, do đó chuyển mạch thanh ngang không thích hợp với các hệ thống chuyển mạch lớn. b.1.2 Hệ thống chuyển mạch Banyan Đây là hệ thống được sử dụng rất nhiều trong chuyển mạch ATM. Do chỉ có một đường nối giữa đầu vào và đầu ra cho nên việc định đường sẽ rất đơn giản. Nhược điểm của mạng Banyan là tắc nghẽn bên trong có thể xảy ra khi nhiều tế bào cùng đồng thời yêu cầu một đường nối. Hệ thống Banyan thông thường được xây dựng từ các phần tử chuyển mạch cùng loại, trong khi hệ thống Banyan bất quy tắc được xây dựng từ các loại phần tử chuyển mạch khác nhau.Hệ thống Delta là một dạng đặc biệt của hệ thống Banyan có L tầng. Hệ thống Delta được xây dựng từ các phần tử chuyển mạch có F đầu vào và S đầu ra, tổng cộng số đầu ra của mạng Delta là SL (L là số tầng của hệ thống chuyển mạch).Mỗi đầu ra có thể được nhận biết bằng một địa chỉ đích duy nhất dựa trên đầu ra S và số tầng lưu lượng. Trong hệ thống Delta hình chữ nhật, các phần tử chuyển mạch có số đầu vào và đầu ra là như nhau ( S=F), như vậy số đầu ra và đầu vào của mạng cũng bằng nhau. Hệ thống này còn được gọi là hệ thống chuyển mạch Delta-S. Hình 2.15 là ví dụ về hệ thống Delta-2 với 4 tầng và 16 đầu ra. Đường đậm nét là đường từ đầu vào số 5 tới đầu ra số 13. Hình 2.15: Mạng Delta-2 có bốn tầng b.2. Hệ thống chuyển mạch đa tầng đa- đa đường Trong hệ thống đa đường, có thể có rất nhiều đường liên kết được nối từ đầu vào tới một đầu ra cho trước. Vì vậy mạng đa đường có ưu điểm là chúng làm giảm hoặc thậm chí loại bỏ hẳn tắc nghẽn xảy ra bên trong hệ thống chuyển mạch. b.2.1. Hệ thống chuyển mạch Benes Hệ thống Benes là một hệ thống đa tầng- đa đường. Trong phần lớn các hệ thống đa đường, việc chọn đường liên kết bên trong được thực hiện trong giai đoạn thiết lập cuộc nối. Tất cả các tế bào thuộc về cùng một cuộc nối đều dùng chung một đường liên kết bên trong. Nếu các phần tử chuyển mạch sử dụng đệm theo kiểu FIFO thì sẽ không cần dùng các cơ chế bảo toàn thứ tự các tế bào . Hệ thống Benes được cấu trúc bằng cách cộng thêm hệ thống Delta-2 vào hệ thống Delta-2 b.2.2. Hệ thống chuyển mạch Banyan song song Hệ thống đa đường có thể được xây dựng từ vài hệ thống chuyển mạch Banyan kết hợp lại, các mạng này được sắp xếp trên các mặt phẳng nằm song song với nhau. Tất cả các tế bào của một cuộc nối sẽ được truyền trên cùng một mặt phẳng. Một tế bào đi vào hệ thống chuyển mạch được chuyển tới mặt phẳng thích hợp nhờ những bộ phận phân phối được lắp ở mỗi đầu vào. Tại mỗi đầu ra của hệ thống chuyển mạch , các bộ ghép kênh sẽ thu thập các tế bào từ tất cả các mặt phẳng. b.2.3. Hệ thống chuyển mạch phân phối Một trong những cách để giản tắc nghẽn là sự kết hợp giữa mạng Banyan với một mạng phân phối (hình 2.18). Hệ thống chuyển mạch phân phối có nhiệm vụ phân phối tế bào một cách đều đặn tới đầu vào mạng Banyan. Cơ chế bảo toàn thứ tự các tế bào cần phải được thực hiện trong hệ thống này. Đầu vào Đầu ra Hình 5.8: Cấu trúc chung của chuyển mạch kết hợp hệ thống phân phối và hệ thống Banyan b.2.4.Hệ thống chuyển mạch Banyan Batcher Một loại hệ thống khác được tạo thành từ sự kết hợp giữa hệ thống sắp xếp, hệ thống giữ tế bào và hệ thống chuyển mạch Banyan hay hệ thống kiểu cửa sập .Hệ thống sắp xếp có nhiệm vụ sắp xếp các tế bào đi trong mạng thành một dòng đơn theo trật tự đích đến của chúng. Hệ thống giữ tế bào sẽ căn cứ vào đầu ra của từng tế bào mà cho phép chỉ một tế bào được đi tới hệ thống Banyan, các tế bào còn lại được hệ thống giữ tế bào phản hồi trở về hệ thống sắp xếp . Những tế bào quay trở lại hệ thống sắp xếp sẽ có mức ưu tiên cao hơn nhằm đảm bảo thứ tự không đổi. Các tế bào đi vào hệ thống Banyan được đưa tới đầu ra mà hoàn toàn không sợ xảy ra tắc nghẽn. Hình 2.19 là một ví dụ về hệ thống Batcher Banyan : Hệ thống Sunshine. n-1 0 1 1 Môdul Sắp xếp 1 Môdul Giữ tế bào Môdul Sắp xếp 2 Mô đul định tuyến Trễ Hệ thống Banyan Hệ thống Banyan Đầu vào n-1 0 Đầu ra Hình 2.19:Cấu trúc chung của hệ chuyển mạch Batcher Banyan: hệ thống Sunshine. b.2.5. Hệ thống chuyển mạch luân chuyển tuần hoàn (Recircultion) Xung đột có thể được ngăn ngừa không chỉ bằng cách dùng bộ đệm trong các phần tử chuến yển mạch ,mà còn bằng cách dùng hệ thống luân chuyển tuần hoàn . Xung đột nảy sinh giữa hai tế bào ,một tế bào được định tuyến đến đầu ra đã định trong khi đó tế bào kia được đánh dấu nhầm tuyến đường đi và được đưa tới một đầu ra khác .Tuy nhiên, các tế bào định tuyến nhầm có cơ hội để đi đến đích đúng ở mạch thứ hai của hệ thống. Hệ thống Banyan trước sau (Tandem Banyan network) Hệ thống Banyan trước sau gồm k hệ thống Banyan nối tiếp nhau.Các đầu vào của hệ thống Banyan từ 1- (k-1) được nối không chỉ với các đầu ra của hệ thống Banyan ngay sau đó mà còn nối với toàn bộ các cổng đầu ra của hệ thống Banyan trước sau. Hệ thống Banyan cuối cùng trong dãy hệ thống nối tiếp tách các tế bào chưa được định tuyến đúng đích yêu cầu và trả chúng về các đầu vào của mình qua bộ đệm luân chuyển tuần hoàn. Nếu tắc nghẽn xảy ra ở bên trong hệ thống Banyan, như đã nói ở trên, một trong hai tế bào liên quan đến tắc nghẽn có thể được gửi theo đường đã định của nó, trong khi tế bào được đánh dấu là nhầm tuyến và được tái luân chuyển. Các tế bào được đánh dấu nhầm tuyến không thể làm thay đổi hướng của bất kỳ tế bào nào theo tuyến đúng của chúng trong hệ thống, chúng được đánh dấu ngay lập tức khi nhầm tuyến và không được phép làm tắc nghẽn các tế bào khác không bị đánh dấu. Tại đầu ra của hệ thống Banyan, việc khiểm tra được thực hiện để xem xét liệu các tế bào được đưa đến đúng cổng ra yêu cầu của mình không. Nếu đúng, nó có thể được tách ra khỏi cổng đầu ra ngay lập tức. Tuy nhiên, nếu tế bào bị đánh dấu trong hệ thống Banyan thì nó ở lại trong hệ thống Banyan, và nó được tách ra để đưa về thông qua hệ thống Banyan ngay cạnh, ở đó nó có thể đạt được mục đích là đến được đầu ra đúng đích của mình. 2, Phân loại chuyển mạch theo trạng thái chặn trong Khi các tế bào được truyền trực tiếp từ các cổng vào khác nhau tới một cổng ra thì sẽ xảy ra xung đột ở cổng đầu ra, do đó sự tổn thất hoặc sự trễ tế bào sẽ xuất hiện. Hiện tượng này gọi là hiện tượng chặn đầu ra. hiện tượng này không tể loại trừ được mà ta phải sử dụng bộ đệm hoặc các chuyển mạch vòng. Mặt khác, khi các tế bào đi tới các cổng ra khác nhau, do thiếu các kênh truy nhập hoặc thiếu dung lượng vùng đệm, sẽ xảy ra xung đột ở đầu ra hệ thống chuyển mạch . Hiện tượng này gọi là hiện tượng chặn trong: Quá trình chuyển mạch có thể xảy ra hiện tượng chặn trong gọi là chuyển mạch chặn và chuyển mạch Banyan là một ví dụ điển hình. Quá trình chuyển mạch không xảy ra hiện tượng chặn trong gọi là chuyển mạch không chặn và các hệ thống chuyển mạch Batcher Banyan là ví dụ điển hình. 3. Phân loại hệ thống chuyển mạch theo vị trí vùng đệm Chuyển mạch chặn và chuyển mạch không chặn đều nhất thiết phải có chức năng của vùng đệm ở bên ngoài phần chuyển mạch để tránh hiện tượng xung đột ở đầu ra. Tuỳ theo vị trí của vùng đệm này mà chuyển mạch ATM có thể được phân loại chi tiết hơn , bao gồm loại chuyển mạch kiểu vùng đệm đầu vào, kiểu vùng đệm đầu ra, kiểu bộ đệm trong, kiểu vùng đệm đầu ra/hàng đợi dùng chung. Ngoài ra, có thể là tổ hợp của đầu vào, đầu ra, và bộ đệm trong Chuyển mạch kiểu vùng đệm đầu vào là chuyển mạch với vùng đệm được đặt ở cuối đầu vào của nó. Chuyển mạch Batcher Banyan là những ví dụ điển hình. Bên cạnh đó, những kiểu chuyển mạch được sửa đổi mà với chúng các thuật toán được sử dụng để tránh hiện tượng xung đột đầu ra cũng đã được bổ sung. Chuyển mạch kiểu vùng đệm đầu ra được trang bị vùng đệm trên phần cuối đầu ra, có thể thể thiết lập các đường riêng biệt mà không gây cản trở các cổng khác nằm giữa phần cuối đầu vào và phần cuối đầu ra và làm cho hiện tượng chặn HOL (Head Of Line) không xảy ra. Do vậy, nó có lợi thế hơn chuyển mạch kiểu vùng đệm đầu vào trong quá trình thực hiện , nhưng lại có nhược điểm do những phức tạp trong việc bổ sung phần cứng. Các chuyển mạch điển hình là chuyển mạch ma trận Bus- chuyển mạch thanh ngang đã được biến đổi. Chuyển mạch có vùng đệm dùng chung bao gồm những kiểu cấu hình sau: kiểu chuyển mạch có vùng đệm dùng chung chỉ nằm trong phần chuyển mạch,ví dụ như chuyển mạch Banyan có vùng đệm ;kiểu chuyển mạch có vùng đệm dùng chung mằm ở phần cuối của đầu ra bên ngoài, bao gồm chuyển mạch Prelude hoặc Hitachi; và kiểu chuyển mạch có vùng đệm dùng chung nằm trên phần cuối cả đầu vào và đầu ra như chuyển mạch Sunshine. Người ta còn phân loại hệ thống chuyển mạch theo kiểu kết hợp giữa trạng thái chặn trong và vị trí vùng đệm nhằm kết hợp ưu điểm của hai hệ thống, han chế các hiện tượng xung đột gây tổn thất tế bào. 4, Vấn đề định tuyến cho tế bào trong các hệ thống chuyển mạch Định tuyến là quá trình xác định và sử dụng tuyến đường phù hợp với một tập hợp các quy tắc nào đo, để truyền một tin báo hoặc thiết lâp một cuộc gọi. Quá trình này kết thúc khi tin báo hoặc cuộc gọi đã đạt tới điểm đích. Chức năng của định tuyến bao gồm: - Định tuyến cuộc gọi . - Định tuyến thông tin và báo hiệu . - Định tuyến lưu lượng và tắc nghẽn. Mạng ATM là mạng tốc độ truyền dẫn cao ,do đó để diều khiển thông tin trong mạng và tránh tắc nghẽn , khi tế bào qua nút chuyển mạch ATM ,người ta sử dụng chiến lược bộ đệm. Các tế bào khi đi dến nút chuyển mạch ,được xếp hàng tại các nút chuyển mạch và chúng được chuyển qua nút chuyển mạch theo một trình tự xếp hàng . Những bộ đệm này được gọi là các hàng đợi . Vì dung lượng của bộ đệm có hạn , nên khi một lượng thông tin quá lớn qua nút chuyển mạch có thể bị tràn bộ đệm ,dẫn đến mất tế bào và gây tắc nghẽn trong mạng .Xác suất tràn tế bào phụ thuộc vào độ dài của hàng đợi ,khoảng thời gian của tế bào được phục vụ (thời gian phục vụ ), và phụ thuộc vào quy luật ngẫu nhiên xác định sự đến của tế bào . Do đó để tăng tính mềm dẻo của nút chuyển mạch trong việc điều khiển lượng tế bào qua nút chuyển mạch ,nhằm mục đích hạn chế sự tắc nghẽn gây tổn thất tế bào ,người ta còn dùng phương pháp định tuyến tế bào .Phương pháp có những ưu diểm như sau : + Linh hoạt ,có thể mở rộng dung lượng chuyển mạch . + Chức năng điều khiển mềm dẻo hơn ,tránh được sự vượt quá giới hạn dung lượng của nút chuyển mạch . a , Phân loại Có hai phương pháp định tuyến các tế bào trên đường truyền dẫn bên trong các hệ thống chuyển mạch đó là : + Phương pháp tự định tuyến + Phương định tuyến dùng bảng điều khiển . Cả hai phương pháp trên đều thực hiện hai nhiệm vụ chính , đó là : đọc và thay đổi giá trị số hiệu nhận dạng kênh ảo / đường ảo (VPI/VCI) và chuyển các tế bào từ một đầu vào tới đầu ra cho trước . b, Phương pháp tự định tuyến các tế bào ATM. Trong phương pháp tự định tuyến ,số hiệu nhận dạng VPI/VCI được đọc và dịch ở đầu vào của hệ thống chuyển mạch .Sau khi được đọc và dịch ,mỗi tế bào được bổ sung thêm phần tiêu đề mở rộng dùng riêng khi truyền bên trong hệ thống chuyển mạch ,tiêu đề này nằm trước tiêu đề của tế bào .Như vậy do kích thước của tế bào được mở rộng cho nên tốc độ yêu cầu của hệ thống chuyển mạch cũng phải tăng lên ,tỉ lệ với độ dài của tiêu đề tự định tuyến ,ví dụ : Nếu phần tiêu đề tự định tuyến có độ dài 5 bytes,với dòng dữ liệu của người sử dụng có tốc độ là 155Mb/s ,thì yêu cầu tốc độ xử lí trong hệ thống chuyển mạch khoảng 170 Mb/s . Nếu hệ thống chuyển mạch có cấu trúc n tầng ,phần tiêu đề mở rộng bao gồm n trường con cho việc chọn đường tại mỗi nút trong hệ thống chuyển mạch .Hình 2.22. minh hoạ cho cơ chế xử lí và mở rộng phần tiêu đề của tế bào trong hệ thống chuyển mạch được xây dựng trên cơ sở các phần tử chuyển mạch tự định tuyến .Đối với các hệ thống chuyển mạch nhiều tầng dung lượng lớn , phương pháp chuyển mạch tự định tuyến rất được ưu chuộng do nó giảm nhẹ được độ phức tạp khi điều khiển .Việc tăng tốc độ cho hệ thống chuyển mạch là hoàn toàn thực hiện được trong trường hợp này : Hình 2.22: Cơ chế xử lý và mở rộng phần tiêu đề của tế bào c, Phương pháp định tuyến bằng bảng điều khiển Trong phương pháp định tuyến bằng bảng điều khiển, độ dài của tế bào ATM không thay đổi. Khi tế bào đến tại mỗi phần tử chuyển mạch, chỉ số nhận dạng CPI/VCI của tế bào được chuyển thành một giá trị chuyển mạch đặc biệt xác định rõ cổng ra đích cho tế bào tại phần tử chuyển mạch này. Những giá trị cấp phát cho các tế bào được xác định trong việc thiết lập cuộc nối hoặc trong quá trình chọn đường và được lưu trữ trong bảng . Hình 2.23 thể hiện quá trình xử lí tiêu đề tế bào trong hệ thống chuyển mạch sử dụng phần tử chuyển mạch có bảng điều khiển . Nội dung của bảng điều khiển được xác lập trong giai đoạn thiết lập cuộc nối , mỗi phần tử của bảng điều khiển bao gồm giá trị VPI/VCI mới và đầu ra tương ứng của mỗi tế bào tại mỗi tầng chuyển mạch . Hình 2.23: Quá trình xử lý tiêu đề trong hệ thống chuyển mạch Chương III Chất lượng dịch vụ và các tham số của chất lượng dịch vụ I. Khái niệm chung QOS Một hệ thống viễn thông được thiết kế với mục đích cuối cùng là người sử dụng .Vì vậy bên cạnh các khía cạnh kĩ thuật , chất lượng dịch vụ ._.t sử dụng và giảm tỷ lệ lỗi, ta sử dụng cấu trúc Banyan bổ xung. Cấu trúc này sử dụng K chuyển mạch Banyan nối song song với nhau. Việc ghi đọc tế bào có thể thực hiện theo 3 cách: ngẫu nhiên, phát nhiều , lựa chọn. Khi đó ta có: Với cách ghi đọc ngẫu nhiên, xác suất một đầu ra phần tử chuyển mạch bận là: p0=p/k, pi=1-(1-pi-1/b)b (4.3) Vậy hiệu suất sử dụng : p=1-(1-pn)k (4.4) Tỷ lệ lỗi là: pi=1-(1-(1-pn/p0)k)/p (5.5) Trong đó: p là hiệu suất tải (offer load) Trong trường hợp chuyển mạch ATM không có bộ đệm, để đảm bảo các yêu cầu về các tham số chất lượng chất lượng dịch vụ thì kích thước của chuyển mạch phải tăng rất lớn. Trở lại ví vụ trên: Nếu mạng Banyan kích thước bn*bn gồm n tầng, sử dụng phần tử chuyển mạch b*b. khi đó hiệu suất sử dụng chuyển mạch là p = 2b/((b-1)n+2b/p) (4.6) Khi xây dựng các chuyển mạch , người ta thường sử dụng các tế bào kích thước 2*2 hay 2i*2i với i là số tự nhiên. Mặc dù có một số phương thức để xử lý khi số cổng ra và số cổng vào khác 2i nhưng nói chung có hoạt động không tốt và ít được chú ý. Điều này do trong hầu hết các trường hợp phải sử dụng mạng chuyển mạch với một số đầu ra, đầu vào trên một số phần tử chuyển mạch không được sử dụngĐiều này làm cho ,cost, của chuyển mạch tăng hơn so với các chuyển mạch dựa trên phần tử chuyển mạch 2i*2i. Do có một số đầu ra, đầu vào không sử dụng , việc điều khiển mạng này gặp nhiều khó khăn cho nên hiệu suất sử dụng giảm. Tương tự ,các chuyển mạch có số đầu vào, đầu ra không bằng nhau,hay số đầu vào ra không là 2i cũng phải bỏ một số đầu ra, đầu vào và mạng có thể phải sử dụng các loại phần tử chuyển mạch khác nhau. Vì sử dụng các loại phần tử chuyển mạch khác nhau cho nên điều khiển định tuyến khó khăn dẫn đến kết quả là sự truyền qua giảm. Nếu định tuyến trong các chuyển mạch dựa vào các bit định tuyến thì rõ ràng hiệu suất sử dụngcác bit định tuyến sẽ không caodo có một số gia trị của chúng không được sử dụng. Có thể nói rằng chuyển mạch ATM không dùng bộ đệm thông thường chỉ được dùng cho các mạng có dung lượng nhỏ hoặc dùng cho các nút chuyển mạch có lưu lượng nhỏ chảy qua . Khi các yêu cầu về chất lượng dịch vụ tăng lên như tăng số cổng vào ra, tăng tốc độ truyền …. Hệ thống chuyển mạch ATM đẻ đáp ứng được phải tăng kích thước chuyển mạch rất lớn, cồng kềnh, đòi hỏi công nghệ chế tạo cao,vấn đề định tuyến sẽ hết sức phức tạp…dẫn đén giá thành cao và rất khó đáp ứng. Chính vì các lý do trên cho nên chúng ta sẽ đi sâu nghiên cứu các hệ thống chuyển mạch sử dụng bộ đệm. 2.Chuyển mạch sử dụng bộ đệm Chuyển mạch sử dụng bộ đệm được sử dụng trong hầu hết các chuyển mạch ATM hiện nay, mục đích chibhs của việc sử dụng bộ đệm là giảm tỷ lệ tổn thất tế bào. Các tế bào chưa được truyền đi sẽ được lưu giữ vào bộ đệm. Do kích thước bộ đệm có giới hạn đến lúc nào đó cáo thể bộ đệm sẽ bị đầy và nó từ chối nhận thêm tế bào , lúc đó có thể sẽ bị mất tế bào. Trừ vài loại chuyển mạch sử dụng phương thức quay vòng tế bào (như chuyển mạch trộn , loại đã được thiết kế để không cần sử dụng bộ đệm) còn đối với hầu hết các loại chuyển mạch khác việc sử dụng bộ đệm sẽ làm tăng đáng kể tốc độ và độ tin cậy của chuyển mạch. Mức độ tăng độ tin cậy phụ thuộc vào nhiều yếu tố trong đó kích thước bộ đệm là quan trọng nhất. Ví dụ khi kích thước chuyển mạch Banyan N=256 thì nếu không sử dụng bộ đệm sẽ có sự truyền qua khoảng 0,26 theo hình 4.3 nhưng khi có bộ đệm thì hiệu suất sử dụng có thể lên tới 0,58(với chuyển mạch Banyan N=256, bộ đệm vào kích thước Bi=32) Có thể coi tất cả các chuyển mạch đều sử dụng bộ đệm(với các chuyển mạch không sử dụng bộ đệm thì coi kích thước bộ đệm bằng 0).Do đó ta coi việc xét sử dụng bộ đệm hay không sử dụng bộ đệm chuyển thành xét ảnh hưởng của kích thước bộ đệm đến chuyển mạch a, Cơ sở lý thuyết Việc đánh giá ảnh hưởng của phần cứng chuyên mạch ATM đến chất lượng dịch vụ là công việc rất phức tạp bởi vì: - Phải xem có bao nhiêu loại dịch vụ, số lượng tương ứng các thuê bao ứng với mỗi dịch vụ, đặc tính kỹ thuật của dịch vụ đó (tốc độ, tỷ lệ lỗi,…). - Khi xây dựng chuyển mạch , ta phải xem chuyển mạch đó có hoạt động tốt hay không, có đạt được các yêu cầu về chất lượng dịch vụ hay không. Có 2 phương pháp để xây dựng đánh giá là: Phương pháp đo: phương pháp này có ưu điểm là dễ thực hiện và phản ánh chính xác chất lượng dịch vụ do loại chuyển mạch nào đó đang được sử dụng. Tuy nhiên, có nhược điểm là đòi hỏi phải có số liệu thống kê lớn và chỉ thực hiện được đối với các hệ thống chuyển mạch đang hoạt động. Phương pháp dự báo: Phương pháp này có ưu điểm là không cần thực hiện trên các chuyển mạch đang thực sự hoạt động. Do đó hay được sử dụng để xem xét các chuyển mạch đang nghiên cứu. Phương pháp này được xây dựng dựa trên sự phân tích hệ thống và tổng hợp hệ thống Do điều kiện không thể đo trực tiếp các chuyển mạch ATM trong thực tế nên trong phần này ta chỉ đề cập đến phương pháp thứ hai: phương pháp dự báo. Khi hai hay nhiều tế bào cùng yêu cầu một cổng ra thì chỉ có một tế bào được truyền đi còn các tế bào khác phải dừng lại trong hàng đợi(bộ đệm).Do đó việc tìm hiểu lý thuyết xếp hàng là rất cần thiết , nó cho biết tế bào phải chờ bao lâu trong hàng đợi, hàng chờ dài trung bình bao nhiêu, xác suất hàng chờ vượt qua một ngưỡng nào đó là bao nhiêu. Thông qua lý thuyết xếp hàng sẽ xác định được xác suất mất tế bào, trễ tế bào trong bộ đệm chuyển mạch a.1. Lý thuyết xếp hàng Lý thuyết xếp hàng được xây dựng trên cơ sở quan sát sự xếp hàng trong hệ thống dịch vụ điện thoaị của kỹ sư Erlang người Đan mạch .Đối tượng nghiên cứu về lý thuyết xếp hàng là quá trình hình thànhvà tồn tại hàng chờ trong các hệ dịch vụ . Với bất kỳ một hệ thống dịch vụ nào, người chủ mong muấn có càng nhiều khách hàng càng tốt, hiệu suất sử dụng càng cao càng tốt. Trong khi đó khách hàng lại muốn được phục vụ càng nhanh càng tốt. Do xác suất xuất hiện khách hàng tại các thời điểm khác nhau là khác nhau , vì thế cần phải nghiên cứu quy luật xuất hiệncủa khách hàng và hàng chờ sao cho hiệu suất sử dụng hệ thống ở múc hợp lý. Khách hàng tới hàng đợi để nhận được dịch vụ, họ đợi để được phục vụ nếu dịch vụ này chưa có sẵn. Trong hàng đợi có bộ đệm họ phải mất thời gian đợi , phục vụ xong rồi họ rời hệ thống . Trong ATM, “Khách hàng” chính là các tế bào , các nhóm, các kết nối. “Dịch vụ’’ chính là các kênh dịch vụ, dung lượng hệ thống. Tế bào tới hàng đợi với tốc độ trung bình (lamda). Tốc độ phục vụ khách hàng là nuy hay thời gian phục vụ khách hàng là s. Thơì gian phục vụ hay tốc độ phục vụ để nói lên hệ thống không phải là trống. Nếu hệ thống trống, khi đó người ta gọi dịch vụ rỗi. Khi bộ đệm tế bào ATM trống, thì sẽ có một dòng liên tục các khe tế bào trống được truyền đi. Về mặt phân tích toán học trong bộ đệm ATM,việc đồng bộ thường không được quan tâm, tế bào được đưa vào phục vụ ngay khi bộ đệm trống. Nhiều kênh dịch vụ có thể đồng thời phục vụ “khách hàng”. Hệ thống đa kênh có thể tương thích với các tổ chức hàng đợi:mỗi kênh phục vụ một hàng đợi riêng hoặc có chung một hàng đợi cho tất cả các kênh.Dung lượng hệ thống bao gồm vùng đợi và kênh phục vụ có thể hạn chế hoặc không hạn chế. Một hệ thống xếp hàng có thể được biểu diễn như sau: A/B/X/Y/Z (4.7) Trong đó: A:phân bố thời gian xuất hiện “khách hàng” B: Phân bố thời gian phục vụ X: số cửa phục vụ Y: dung lượng hệ thống Z: luật xếp hàng (giả thiết rằng luật xếp hàng là FIFO) A và B nhận một trong các giá trị sau: M: Luật phân bố theo chuỗi Markov[2] G: Phân bố tổng quan (General)[2] D: Phân bố xác định [2]. Giả sử hệ thống có hàng chờ vô hạn và ta không biết luận đến, luật phục vụ, số kênh và mức độ ưu tiên phục vụ, ta có các thông số cơ bản của lý thuyết xếp hàngnhư sau: - Hiệu suất p (đối với một kênh phục vụ) s (4.8) - Số khách hàng (tế bào) trong hàng chờ w: w=.tw (4.9) - Số khách hàng (tế bào)trung bình trong hệ thống: q= .t q (4.10) - Thời gian trung bình trong hệ thống tq: tq=tw+s (4.11) - Sos khách hàng (tế bào)trong hệ thống : q=w+p (4.12) Trong đó: : tốc độ đến của khách hàng (tế bào) q : số khách hàng trong hệ thống s: thời gian phục vụ tw: thời giant rung bình trong hàng chờ tq: thời gian trung bình trong hệ thống a.2. Các hệ thống hàng đợi * Hệ thống hàng đợi M/M/1 Hệ thống hàng dợi M/M/1là hệ thống có một cửa phục vụ với đầu vào là quá trình Poisson và thời gian phục vụ là chuỗi Markov. Điều này có nghĩa là : - Các tế bào đến theo luật Poisson. Khi đó xác suất để k tế bào đến hệ thống trong một khoảng thời gian T là: PA(k)= (4.13) - Thời gian phục vụ các tế bào phân bố theo hàm mũ (đối với mạng ATM là độ dài của burst thay đổi ngẫu nhiên theo hàm mũ): PB= se-sx (4.14) - Hệ thống có một kênh phục vụ. Trong đó: : là tốc độ tế bào đến trung bình(là kỳ vọng của phân bố P(A)=E[P(A)]=. : là tốc độ phục vụ tế bào (là kỳ vọng của phân bố P(B) nghĩa là E[P(B)] =). Khi đó ta có: Xác suất có n tế bào chờ là : P(n tế bào chờ)=pn.(1- p) (4.15) Trễ trung bình là: tq = (4.16) * Hệ thống hàng đợi M/D/1 Mô hình hàng đợi này áp dụng với điều kiện: - Thời gian đến của các tế bào tuân theo luật Poisson và xác suất để k tế bào đến hệ thống trong một khoảng thời gian T, tính theo công thức (4.13) - Thời gian phục vụ các tế bào là không đổi tính theo công thức (4.14) - Hệ thống có một kênh phục vụ. Công thức tính số burst/s: (4.17) Trong đó: B: là số byte trong 1 burst. R: Tốc độ bit/s của 1 kênh. Trễ trung bình trong hàng đợi M/D/1 là : tw = Nhận thấy: Mô hình M/M/1 phân tích chính xác hơn đối với nguồn có dạng không ổn định do đó được dùng để phân tích mức burst hay nguồn có tốc độ bít thay đổi VBR. Ngược lại, nếu nguồn có dạng ổn định nhiều hơn (ở mức tế bào) thì dùng M/D/1 cho kết quả chính xác hơn. * Hệ thống hàng đợi M/D/1/K Trong hệ thóng này ta thấy xuất hiện ký hiệu D và K, điều này nói lên rằng: - Thời gian đến của các tế bào tuân theo luật Poisson và xác suất để k tế bào đến hệ thống trong một khoảng thời gian T, tính theo công thức (4.13) - Thời gian phục vụ các tế bào là không đổi, tính theo công thức (4.14) - Hệ thóng có một kênh phục vụ. - Hệ thống có bộ đệm dung lượng k. Môhình hàng đợi này dùng để phân tích hệ thống chuyển mạch . Nhận xét: Trong việc tính toán đối với hệ thống chuyển mạch ATM thì độ mất tế bao và độ trễ tế bào là hai ddặc tính quan trọng. Tuy nhiên đối với những dịch vụ yêu cầu thời gian thực thì độ trễ đặc biệt quan trọng và ta cần phải quan tâm . Công thức (4.16) và (4.18) cho phép ta tính được thời gian đợi trung bình từ kích thước hàng đợi và tốc độ tới hàng đợi của tế bào. Trong hai hệ thống trên ta nhận thấy thời gian đợi của tế bào trong hệ thống M/D/1 (với hệ thống chuyển mạch có bộ đệm có kích thước hạn chế K thì sử dụng hàng đợi M/D/1/K ) chỉ bằng một nửa thời gian đợi trong hệ thống M/M/1. Đây là giá trị trung bình mà ta tính được , trong thực tế tế bào phải mất thêm nhiều thời gian hơn. Độ trễ là tham số đặc biệt quan trọng khi ta đề cập tới các kết nối đầu cuối-đầu cuối , tất cả các tế bào trong kết nối phải truyền qua một chuỗi các bộ đệm. Tại các bộ đệm , nó sẽ bị trễ đi một khoảng thời gian, thời gian trễ này phụ thuọc vào số các tế bào có trong bộ đệm. Điều này tạo nên các tế bào có độ trễ khác nhau, gọi là biến độ trễ tế bào a.3. Mô hình phân tích chuyển mạch Khi nghên cứu bộ đệm trong chuyển mạch ATM cần chú ý là các tế bào tới các bộ đệm theo hai mức cơ bảm quan trọng nhất là : mức tế bào và mức burst. Mức burst là hiện tượng bùng nổ thông tin, nghĩa là số tế bào đến trong một khoảng thời gian vượt quá khả năng cho phép của hệ thống, có thể tạm dịch là ‘chùm’ hoặc ‘nhóm’. * Công thức cân bằng bộ đệm trong chuyển mạch Gọi a(k)là xác suất có k tế bào đến trong một khe thời gian. Quá trình đến này phân bố theo luật nhị thức. Do sự truy nhập ngẫu nhiên của các tế bào đến nên tại một khe thời gian bất kỳ bộ đệm cũng có thể chứa i tế bào, các tế bào này có thể đếm tại các khe thời gian 0,1,2,i+1. Trạng thái i có thể xuất phát từ 0 tăng đến i hoặc từ i giảm xuống 1. Để chuyển từ trạng thái i+1 sang trạng thái i thì tại các khe thời gian đó không có tế bào đến, nghĩa là a(0). Gọi s(k) là xác suất bộ đệm ở trạng thái có k tế bào. Nếu bộ đệm có dung lượng không xác định , xác suất để bộ đệm không có tế bào là s(0), khi đó số tế bào bị mất bằng : L=0 và ta có A=C (4.19) Kết quả này được suy ra từ công thức mất cuộc gọi của Erlang L=A-C (4.20) với: L: là số thong tin bị mất. A: số thông tin đến. C: là số thông tin được phục vụ. Giả sử: là tốc độ đến của các tế bào/s s là thời gian phục vụ một tế bào là hiệu suất phục vụ Khi đó số tế bào được phục vụ trpng 1s là:= (4.21) Nếu thời gian phục vụ một tế bào đúng bằng độ dài của một khe thời gian, thì số tế bào đến trung bình trong một khe thời gian là E(a) bằng ssố tế bào được phục vụ trong một khe thời gian, thì số tế bào đến trung bình trong một khe thời gian là , nghĩa là : E(a)=. (4.22) Nhưng là trạng thái mà hệ thống không trống , do đó : E(a)= =1-s(0) , hay s(o)=1- E(a) (4.23) Công thức này dùng để xác định xác suất hệ thống không có hàng chờ tại một khe thời gian. Đó chính là công thức cân bằng bộ đệm. Như vậy nếu ta biết được tốc độ đầu vào thì ta có thể xác định được xác suất để hệ thống trống. Nếu tốc độ đầu vào lớn hơn tốc độ phục vụ thì s(0)< 0, Thì hệ thống xếp hàng không bền vững và số tế bào có trong bộ đệm sẽ tăng không có giới hạn. * Xác suất trạng thái có k tế bào trong bộ đệm không giới hạn Tính s(0): Xét với khe thứ n, ta có : Với trạng thái 0 (không có tế bào),hệ thống có thể có một hoặc không có tế bào trong khe thứ n-1 với điều kiện không có tế bào tại khe thứ n, nghĩa là: s(0)=s(0).a(0)+s(1).a(0) (4.24) s(k): chỉ xác suất bộ đệm ở trrạng thái k tại cuối khe thời gian n-1 và khe n. a(i): chỉ xác suất có một tế bào đến tại khe thời gian n. Từ (4.20) ta có: s(1) = s(0). (4.25) Tương tự, với trạng thái 1 tại khe n, ta có: s(1) = s(0).a(1) + s(1).a(1) + s(2).a(0) (4.26) s(2) = (4.27) Sử dụng phương pháp qui nạp , một cách tổng quát ta cóac suất trạng thái có k tế bào trong bộ đệm : s(k) = (4.28) Như vậy , với giả thiết bộ đệm có dung lượng không giới hạn thì số tế bào k có trong bộ đệm có thể lớn hơn bao nhiêu cũng được. Tuy nhiên trong thực tế kích thước bộ đệm là có giới hạn . Với công thức trên có thể xác định dung lượng bộ đệm theo xác suất mất tế bào yêu cầu. * Xác suất trạng thái có k tế bào trong bộ đệm có giới hạn Một vấn đề đặt ra là đối với hệ thống xếp hàng có bộ đệm giới hạn thì sẽ xảy ra hiện tượng mất tế bào. Do đó ta không thể tính s(0) trực tiếp. Sử dụng phương pháp tương tự trường hợp bộ đệm không giới hạn, bằng cách giả sử đã biết s(0), ta có: s(1)=s(0). (4.29) s(k) = (4.30) Sau đây sẽ tính xác suất trạng thái đầy của bộ đệm có dung lượng x tế bào: Trạng thái đầy của bộ đệm là trạng thái tại điểm cuối của khe thời gian i có x hoặc nhiều hơn x tée bào đến trong khe thời gian đó. Nếu hệ thống là không rỗng tại thời điểm xuất phát , thì trước điểm mà khe thời gian làm cho hệ thống đầy , hệ thống có x -1 tế bào, chứ không phải x. Do đó: s(x)= s(0).A(x) (4.31) Trong đó , A(k) là xác suất có ít nhất k tế bào đến trong một khe thời gian: A(k) = 1- a(0) . a(1) ....a(k-1) (4.32) Tuy nhiên , do s(0) chưa xác định nên ta không thể xác định được s(k). Để tính s(k), ta đinh nghĩa biến mới: u(k) = (4.33) Khi đó: u(0) = = 1 (4.34) u(1) = (4.35) u(k) = = = (4.36) u(k) = A(x) (4.37) Như vậy , với 0 k x ta có thể xác định u(k). Tuy nhiên, có nhận xét rằng do dung lượng bộ đệm có giới hạn là x nên xác suất để xảy ra hàng chờ trong khoảng 0 k x là 1, tức là: (4.38) Từ đó ta có : = = = (4.39) Vì vậy: s(0) = (4.40) Từ (4.40) ta xác định được s(0), từ đó xác định được xác suất trạng thái có k tế bào trong bộ đệm có giới hạn s(k) theo công thức sau: s(k)= s(0).u(k) (4.41) *. Xác suất mất tế bào Từ công thức (4.20), ta có: L = E(a)- = E(a)- (1-s(0)) (4.42) Từ đó xác suất mất tế bào là: PCLP = (4.43) * Trễ Có 3 loại trễ trong hệ thống xếp hàng: Trễ Ud: do các tế bào đến trước đang chờ phục vụ nằm trong bộ đệm . Trễ Bd: do các tế bào khác trong nhóm tế bào đến. Trễ Td: là trễ hệ thống xếp hàng tính từ thời điểm có tế bào đến và được phục vụ xong. Td = Ud + Bd (4.44) Đối với trễ Ud: Giả sử mõi tế bào trễ ít nhất một khe thời giant a có: - Xác suất trễ do bộ đệm đã có một tế bào chờ: Pr (Ud=1) = Ud (l) = s(0) + s(1) (4.45) Xác suất trễ do bộ đệm đã có k tế bào chờ: Pr (Ud =k) = Ud (k) = s(k) với k >1 (4.46) Đối với trễ Bd Trễ gây ra do có k tế bào đứng trước trong nhóm là: Bd (k)= Pr (Bd =k) (4.47) Pr(Bd=k) phụ thuộc vào vị trí k của tế bào đang xét trong nhóm. Do đó : Pr(Bd=k) =Bd (k) = (4.48) Tổng trễ Td được tính như sau: Td (k) =Ud(j ). Bd (k-j ) (4.49) Các công thức trên chính là mô hình toán học để xây dựng thuật toán phân tích hệ thống chuyển mạch .Tuy nhiên các thông số xác định được đều mang tính chất thống kê. a.4. Mô hình phân tích lưu lượng mức tế bào Mức té bào được sử dụng đối với nguồncó tốc độ bit không đổi (CBR), quá trình xuất hoẹn tế bào vào hệ thống không tuân theo luật Poisson khi số nguồn lưu lượng nhỏ, đồng thời luật phục vụ là kuật D. Do đó mô hình M/M/1 không phù hợp mà phải dùng mô hình M/D/1 và ND/D/1. * Mô hình ND/D/1 Mô hình ND/D/1 gồm N nguồn độc lập , có tính chu kỳ D. Khi kích thước bộ đệm không giới hạn thì xác suất mất tế bào bằng xác suất Q(x) của dãy chờ vượt quá kích thước x nào đó: N- n PCLP= Q(x) = nN n. (4.50) Gọi số lần đế trong một chu kỳ của nguồn CBR là j và do hiệu suất nguồn không vquá 1 nên j 1và nếu có N nguồn thì j N. Giá trị N này xác định kích thước hàng chờ. Nếu kích thước bộ đẹm lớn hơn N thì sẽ không xảy ra hiện tượng mất tế bào. Mô hình ND/D/1 có thể đơn giản hoá khi lưu lượng gần với tốc độ dịch vụ và gọi là chế độ “tải cao”. *. Phân tích chế độ tải cao Đối với dãy xếp hàng M/D/1, xác suất mất tế bào nằm trong bộ đệm vượt quá kích thước x bộ đệm , nghĩa là : PCLP = Q(x) = exp (4.51) Để ý rằng là chiều dài trung bình của dãy hàng chờ . Vì vậy là tốc độ trung bình làm cho chiều dài dãy hàng chờ giảm. Nhận xét rằng công thức (4.51) được sử dụng để xác định xác suất của hàm phân bố mũ . Đó là công thức để xác định gần đúng xác suất mất tế bào đối với một bộ đệm kích thước x. Công thức (4.51) càng chính xác khi hiệu suất càng cao. Ta xây dựng công thức xác định mối quan hệ giữa dung lượng bộ đệm x và xác suất mất tế bào như sau: Từ (4.51) lấy logarit tự nhiên hai vế ta có: lnQ(x) =2x. Hay x=-ln Q(x). . hoặc = (4.52) Đối với dãy xếp hàng ND/D/1, xác suất tế bào được tính bằng công thức [4]: PCLP= Q(x)= exp (4.53) * Phân tích lưu lượng ở mức nhóm (burst) tế bào Mô hình phân tích lưu lượng ở mức nhóm tế bào được áp dụng để phân tích trong trường hợp nguồn VBR. Khái niệm nhóm tế bào dùng để chỉ trường hợp tổng số các tế bào đén đồng thời trong một khoảng thoừi gian lớn hơn số khe thời gian. Ví dụ : Nếu trong 24 khe thời gian có 26 tế bào đến thì có 2 tế bào vượt quá số khe thời gian . Nếu sau 2400 khe thời gian thì vẫn luồng lưu lượng trên sẽ có 200 tế bào vượt qúa dung lượng.Số tế bào này sẽ được giữ trong bộ đệm hoặc bị mất . Đó là hiện tượng Burst. Trên cơ sở lý thuyết chúng ta đã xem xét việc đặt bộ đệm tại các vị trí : đầu vào, đầu ra, dùng chung. Mỗi vị trí sẽ có ưu nhược điểm riêng. b. Tính toán với bộ đệm đầu ra Xét mạng chuyển mạch NxN, có N đầu vào va N đầu ra . Giả thiết các tế bào đến đầu nút chuyển mạch là ngẫu nhiên, độc lập với nhau. Tại một khe thời gian , xác suất một tế bào đến 1 đầu vào là còn gọi là tỷ lệ sử dụng kênh (0 1). Mỗi tế bào có thể chọn 1 dầu ra là 1/N. Vậy sác suất dể 1 tế bào đến một đầu vào và chọn một đầu ra là /N. Theo công thức Bernoulli, xác suất để k=i tế bào trong N đầu vào đến và chọn một đầu ra trong một khe thời giạn là: Pr[k=i] = i.N-i Với i= 0,1,2,….,N (4,54) Qua phép biến đổi Z, hàm sinh xác suất (PGF) cho k tế bào là: K(z) = zi.i.N-i (4.55) Theo dãy thời gian rời rạc Markov, trong mỗi thời điểm, bộ đệm tăng thêm k tế bào mới và giảm 1 tế bào, tế bào này được truyền tới đầu ra. Do vậy số tế bào trong bộ đệm (chiều dài hàng chờ) ở thời điểm t là: qt = max [0, qt-1+ kt-1] (4.56 ) Trong đó qt-1 là số tế bào trong bộ đệm ở thời điểm t-1 Hàm sinh xác suất tương ứng là: Q(z) = (4.57) Lượng tế bào trung bình trong bộ đệm: 2 W= Limz = (4.58) Với N (tương ứng kích thước khối chuyển mạch vô hạn) Thì : 2 W= t w = (4.59) Đây cũng chính là biểu thức cho hàng chờ M/D/1 có phân bố đầu vào dạng poisson vì: LimNr[k=i] = (4.60) Và LimNK(z) = e-(1-z) (4.61) Thời gian chờ trung bình của một tế bào tuỳ ý trong bộ đệm : Từ công thức : W=.tw (4.62) Trong đó tw là thời gian chờ trung bình : Suy ra : tw = W. = (4.63) Khi N, ta có: tw = (4.64) Từ các biểu thức (4.56) , (4.59), (4.63), (4.64) , thì thời gian chờ trung bình và lượng tế bào trong bộ đệm là nhỏ khi nhỏ. Đây cũng là cơ sở để tính toán chiều dài hàng chờ , nghĩa là yêu cầu bao nhiêu không gian đệm tại đầu ra để tổn thất tế bào nhỏ nhất. c. Tính toán với bộ đệm đầu vaò Giả thiết hàng chờ ở trạng thái bão hoà , nghĩa là luôn có tế bào nằm sẵn trong bộ đệm và quá trình các tế bào đến bộ đệm đầu vào tuân theo qui luật Bernoulli[2]. ở khe thời gian t có Bti tế bào đến cần chuyển ra đầu i, song bị chặn lại ở ô đầu hàng đợi . cũng trong thời gian này có một số tế bào được chuyển ra , dành cho Ati tế bào được dịch đến các ô đầu hàng đợi. Vì trong một khe thời gian chỉ có một tế bào được chuyển đi , số tế bào nằm ở ô đầu hàng đợi ở thời điểm t là Bti , bằng số tế bào nằm sẵn ở thời điểm trước đó t-1 là Bti-1 trừ đi một tế bào đã được chuyển đi và cộng thêm Ati tế bào mới được đẩy ra các ô đầu hàng đợi . Ta có: Bti = max(0,Bti-1-1 + Ati) (4.65) Mỗi tế bào mới này có xác suất chọn 1 trong số N đầu ra của khối chuyển mạch là 1/N. Gọi Lt-1 là số hàng đợi có số tế bào mới được đẩy ra đầu hàng vào thời điểm t-1.Xác suất cho Ati =i tế bào mới dịch đến đầu hàng đợi sẽ là: iPr =i i t-i -i (4.66) Tổng só tế bào mới được đẩy ra đầu các hàng đợi ở thời điểm t sẽ là : ti Số này chính bằng số tế bào được chuyển qua khối chuyển mạch tới đầu ra ở thời điểm t . Vậy : Lt – 1= N- ti -1 =ti (4.67) Số tế bào trung bình được chuyển tới đầu ra khối chuyển mạch là: =N - i (4.68) Suy ra : i =N- (4.69) Với thông lượng trên 1 đầu ra ta có: = =N. (4.70) =N(1- ) (4.71) Khi N , ta có: i =(1- ) (4.72) Mặt khác : 2 i = (4.73) So sánh hai biểu thức (4.69) và (4.70) ta suy ra: max =2- = 0,586 =58,6% (4.74) Thông lượng cực đại max khi N , chỉ đạt 58,6%. Như vậy hệ thống hàng đợi đầu vào đạt hiệu quả thấp, mặc dù kích thước khối chuyển mạch tương đối lớn, nó chỉ chuyển tiếp được một nửa tải nhận được . d. Bộ đệm dùng chung Có ưu điểm là kích thước bộ đệm nhỏ hơn đáng kể so với hai loại chuyển mạch nêu trên do hiệu suất sử dụng bộ đệm cao và có độ trễ nhở hơn.Nếu kích thước bộ đệm bằng nhau thì các yếu tố kỹ thuật : tốc độ cao hơn hẳn so với hai loại trên, tỷ lệ mất gói cũng nhỏ hơn so với hai loại bộ đệm vào. Bộ đệm dùng chung có thể gồm N bộ đệm nhỏ cho N cổng ra hay dùng một bộ đệm cho cả N cổng. Nhược điểm của phương thức bộ đệm dùng chung là yêu cầu bộ đệm phải có tốc độ ghi đọc cao để có khả năng ghi nhiều tế bào trong một khe thời gian. Có thể thấy rằng bộ đệm dùng chung giảm được tỷ lệ mất tế bào rất nhiều so với 2 loại trên.Ta có bảng so sánh ảnh hưởng của vị trí đặt bộ đệm đến các thông số kỹ thuật: Bộ đệm đầu vào Bộ đẹm đầu ra Bộ đệm dùng chung Hiệu suất sử dụng thấp (tối đa 0,58 trừ khi dùng các phương pháp đặc biệt) cao Cao Kích thước bộ đệm trung bình (320 với chuyển mạch 16*16) lớn (896 với chuyển mạch 16*16) nhỏ (113 với chuyển mạch 16*16) Tốc độ truy tìm bộ đệm 2V (L+1)V 2V Tốc độ điều khiển 2nhiệm vụ (L+1)V 2V Trễ lớn nhỏ Nhỏ Tỷ lệ lỗi lớn trung bình Nhỏ Độ nhạy cảm với lưu lượng không đồng nhất nhạy cảm không không Độ nhạy cảm với lưu lượng bùng nổ nhạy cảm nhạy cảm không Bảng 4.6: ảnh hưởng của vị trí đặt các bộ đệm Trong đó: V: tốc độ giao diện vào L: là số tế bào đượ phục vụ trong một khe thời gian Bộ đệm phối hợp đầu vào đầu ra cần tổng bộ đêmj nhỏ hơn , bộ đệm đầu vào không đóng vai trò chuyển mạch nên giảm được số tín hiệu báo hiệu cho bộ đệm đầu vào . Sự tiết kiệm này giảm được độ phức tạp của chuyển mạch và do đó cải thiện được đặc tính chuyểnmạch .nhất là chuyển mạch dung lượng lớn e. ảnh hưởng của kích thước bộ đệm Đối với mỗi loại chuyển mạch nhất định nếu kích thước bộ đệm càng tăng thì khả năng mất tế bào càng giảm, nhưng trễ trong bộ đệm càng tăng. Trễ có ảnh hưởng tới chất lượng của dịch vụ yêu cầu thời gian thực . Hơn nữa nếu số bộ đệm tăng thì thì trễ cũng tăng.vì thế chúng ta xem xét kích thước bộ đệm như thế nào (để số bộ đệm tế bào phải đi qua là ít nhất ) để vừa đảm bảo khả năng mất tế bào nhỏ, vừa đảm bảo độ trễ tế bào nhỏ nhất. Nếu có hai dòng số liệu cùng tới một cửa và có tổng tốc độ nhhỏ hơn dung lượng chuyển mạch thì tế bào của một dòng sẽ được chứa vào bộ đệm lúc này không cần lớn lắm. Nhưng nếu tổng tốc độ lớn hơn dung lượng chuyển mạch thì để đảm bảo tỷ lệ mất tế bào chấp nhận được thì kích thước bộ đệm lúc đó lớn hơn nhiều. Trong trường hợp tổng tốc độ các dòng dữ liệu nhỏ hơn tốc độ chuyển mạch thì khi kích thước bộ đệm tăng xác suất tràn bộ đệm giảm rất nhanh .Nhưng khi tổng tốc độ các dòng dữ liệu lớn hơn tốc độ chuyển mạch thì khi kích thước bộ đệm tăng rất nhanh trong khi xác suất tràn bộ đệm giảm chậm. Ngoài ra kích thước bộ đệm còn phụ thuộc vào tải, đặc biệt là đối với bộ đệm đầu vào. Khi dòng lưu lượng qua chuyển mạch tăng thì trễ tăng và tỷ lệ lỗi tế bào cũng tăng. Do đó nếu phải đảm bảo chất lượng dịch vụ khi tốc độ dòng số liệu tăng thì ta phải tăng dung lượng bộ đệm. Qua các phần đã trình bày trên cho chúng ta thấy rõ sự ảnh hưởng rất quan trọng của bộ đệm đối vơí chất lượng dịch vụ ATM và công tác thiết kế một hệ thống ATM. Bảng thuật ngữ và các từ viết tắt Từ viết tắt Thuật ngữ tiếng Anh Thuật ngữ tiếng việt tra cứu AAL ABR ACR ATD ATM BER B-ISDN B-NT B-TE BT BSVCI CATV CBR CCITT CEI CER CLP CN CO CP CPCS CPI CRC CS CTD DBR FCS FD FIFO GFC HEC IC IN IP ISDN ITU ISO LAN NNI OC PC PCI PCR PER PDH PIR PL PM PSTN RAM SAR SDH SONET SSCP SSCS SSM SSP ST STM SVC TDM TE VBR VC VCC VCI VP VPC VPCI VPI WAN ATM Adaption Layer Available Bit Rate Allowed Cell Rate AsynchronousTime Division Asynchronous Transfer Mode Bit Error Rate Broadband Integrate Service Digital Network Broadband Network Termination Broadband Termination Equipment Burst tolerance Broadcast Signalling Virtual Channel Identifier CommunityAntenna Television Constant Bit Rate Committee Consaltant International Telegraph And Telephone Connection Identifier Cell error rate Cell Loss Priority Customer Network Central Office Common Part Common Part Covergence Sublayer Common Part Indication Cyclic Redundancy Check Covergence Sublayer Cell Transfer Delay Deterministic bit rate Fast Circuit Switching Fixed Switching Delay First In- First Out Generic Flow Control Header Error Control Input Controller Intelligent Network Internet Protocol Integrated Service Digital Network International Telecommunication Union International Standards Organisation Local Area Network Network Node Interface Output Controller Persional Computer Protocol Control Information Peak Cell rate Packet Error Rate Protocol Data Unit Packet Insert Rate Physical Layer Physical Medium Public Switched Telephone Network Random Access Memory Segmentation And Reassembly Synchronous Digital Hierarchy Synchronous Optical Television Service Specific Cooperation Funtion Service Specific Convergen Sublayer Single Segment Message Service Specific Part Segment Type Synchonous Transfer Mode Signal Virtuaral Chanel Time Division Multiplexing Terminal Equiment Variable Bit Rate Virtuaral Chanel Virtuaral Chanel Connection Virtuaral Chanel Identifier Virtuaral Part Virtuaral Part Connection Virtuaral Part Connection Identifier Virtuaral Part Identifier Wide Area Network Thuật ngữ tiếng việt tra cứu ATM Adaption Layer Tốc độ bít có sẵn Tốc độ bit cho phép Hệ thống ghép kênh thời gian không đồng bộ Dạng truyền không đồng bộ Tỷ lệ lỗi bít Mạng tổ hợp dịch vụ số băng rộng Thiết bị kết cuối mạng băng rộng Thiết bị đầu cuối mạng băng rộng Dung sai bùng nổ số liệu Số nhận dạng kênh hiệu truyền thông Hệ thống truyền hình cáp Tốc độ truyền là hằng số Uỷ ban tư vấn điện thoại điện báo quốc tế Số hiệu nhận dạng phần tử cuộc nối Tỷ lệ lỗi tế bào Trường ưu tiên tổn thất tế bào Mạng của người sử dụng Bộ phận trung tâm Phần chung Lớp con hội tụ chung Trường báo hiệu phần chung Mã kiểm tra dư vòng Lớp con hội tụ Trễ truyền tế bào Tốc độ bit xác định Chuyển mạch kênh tốc độ cao Trễ chuyển mạch cố định Bộ đệm vào trước ra trước Trường điều khiển luồng chung Trường điều khiển lỗi tiêu đề Bộ điều khiển đầu vào Mạng thông minh Giao thức mạng Internet Mạng tổ hợp dịch vụ số Hiệp hội viễn thông quốc tế Tổ chức chuẩn quốc tế Mạng cục bộ Giao diện giữa các nút mạng Bộ điều khiển đầu ra Máy tính cá nhân Thông tin điều khiển thủ tục Tốc độ tế bào đỉnh Tỷ lệ lỗi gói Đơn vị số liệu thủ tục Tỷ lệ chèn gói Lớp vật lý Lớp con đường truyền vật lý Mạng điện thoại công cộng Bộ nhớ truy nhập ngẫu nhiên Lớp con thiết lập và tháo tế bào Phân cấp đồng bộ số Mạng truyền dẫn quang đồng bộ Chức năng phối hợp phụ thuộc dịch vụ Lớp con hội tụ phụ thuộc dịch vụ Thông điệp CS-PDU đơn Phần phụ thuộc dịch vụ Kiểu phân đoạn Chế độ truyền đồng bộ Kênh báo hiệu ảo Phương pháp ghép kênh theo thời gian Thiết bị đầu cuối Tốc độ truyền thay đổi Kênh ảo Nối kênh ảo Số hiệu nhận dạng kênh ảo Đường ảo Nối đường ảo Số hiệu nhận dạng cuộc nối đường ảo Số liệu nhận dạng đường ảo Mạng diện rộng ._.