thiết kế chức năng và môi trường phần cứng cho chuyển mạch atm

Đồ án tốt nghiệp Thi t k ch c n ng v m ụ i tr ng ph n c ng cho chuy n m ch ATM Chơng I Mạng số băng rộng B - ISDN và kỹ thuật ATM 1.1- Sự phát triển của mạng viễn thông 1.1.1. Các đặc điểm của mạng viễn thông ngày nay Hiện nay, các mạng viễn thông hiện tại có đặc điểm chung là tồn tại một cách riêng rẽ, ứng với mỗi loại dịch vụ thông tin lại có ít nhất một loại mạng viễn thông riêng biệt để phục vụ dịch vụ đó. Thí dụ: Mạng Telex: dùng để gửi các bức điện dới dạng các ký tự đã đợc mã hoá bằng mã 5 bit (mã Baudot). Tốc độ truyền rất thấp (từ 75 tới 300 bit/s). Mạng điện thoại công cộng, còn gọi là mạng POST (Plain Old Telephone Service): ở đây thông tin tiếng nói đợc số hoá và chuyển mạch ở hệ thống chuyển mạch điện thoại công cộng PSTN (Public Swiched Telephone Network). Mạng truyền số liệu: bao gồm các mạng chuyển mạch gói để trao đổi số liệu giữa các máy tính dựa trên các giao thức của X.25 và hệ thống truyền số liệu chuyển mạch kênh dựa trên các giao thức X.21. Các tín hiệu truyền hình có thể đợc truyền theo ba cách: truyền bằng sóng vô tuyến, truyền qua hệ thống mạng truyền hình CATV (Community Antenna TV) bằng cáp đồng trục hoặc truyền qua hệ thống vệ tinh, còn gọi hệ thống truyền qua hệ thống vệ tinh, còn gọi hệ thống truyền hình trực tiếp DBS (Direct Broadcast System). Trong phạm vi cơ quan, số liệu giữa các máy tính đợc trao đổi thông qua mạng cục bộ LAN (Local Area Network) mà nổi tiếng nhất là mạng Ethernet, Token Bus và Token Ring. Page 1 of 131 Đồ án tốt nghiệp Mỗi mạng trên đợc thiết kế cho các dịch vụ riêng biệt và không thể sử dụng cho các mục đích khác. Thí dụ, ta không thể truyền tiếng nói qua mạng chuyển mạch gói X.25 vì trễ qua mạng này quá lớn. Hậu quả là hiện nay có rất nhiều loại mạng khác nhau cùng song song tồn tại. Mỗi mạng lại yêu cầu phơng pháp thiết kế, sản xuất, vận hành, bảo dỡng khác nhau. Nh vậy hệ thống mạng viễn thông hiện tại có rất nhiều nhợc điểm mà quan trọng nhất là: - Chỉ truyền đợc các dịch vụ độc lập tơng ứng với từng mạng. - Thiếu mềm dẻo: Sự ra đời của các thuật toán nén tiếng nói, nén ảnh và tiến bộ trong công nghệ VLSI ảnh hởng mạnh mẽ tới tốc độ truyền tín hiệu. Ngoài ra còn có nhiều dịch vụ truyền thông trong tơng lai mà hiện nay cha dự đoán trớc đợc, mỗi loại dịch vụ sẽ có tốc độ truyền khác nhau. Ta dễ dàng nhận thấy rằng hệ thống hiện nay rất khó thích nghi với yêu cầu của các dịch vụ khác nhau trong tơng lai. - Kém hiệu quả trong việc bảo dỡng, vận hành cũng nh việc sử dụng tài nguyên. Tài nguyên sẵn có trong một mạng không thể chia sẻ cho các mạng cùng sử dụng. 1.1.2. Sự ra đời của hệ thống viễn thông mới - B-ISDN Nh đã nêu ở trên, yêu cầu có một mạng viễn thông duy nhất ngày càng trở nên bức thiết, chủ yếu là do các nguyên nhân sau: - Các yêu cầu dịch vụ băng rộng đang tăng lên. - Các kỹ thuật xử lý tín hiệu, chuyển mạch, truyền dẫn ở tốc độ cao (cỡ khoảng vài trăm Mbit/s tới vài Gbit/s) đã trở thành hiện thực. - Tiến bộ về khả năng xử lý ảnh và số liệu. - Sự phát triển của các ứng dụng phần mềm trong lĩnh vực tin học và viễn thông. Sự cần thiết phải tổ hợp các dịch vụ phụ thuộc lẫn nhau ở chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói vào một mạng băng rộng duy nhất. So với các mạng khác, dịch vụ tổ hợp và mạng tổ hợp có nhiều u điểm về mặt kinh tế, phát triển, thực hiện, vận hành và bảo dỡng. 2 Đồ án tốt nghiệp - Sự cần thiết phải thoả mãn tính mềm dẻo cho các yêu cầu về phía ngời sử dụng cũng nh ngời quản trị mạng (về mặt tốc độ truyền, chất lợng dịch vụ .v.v.). - Khuyến nghị ITU-T I.121 đa ra tổng quan về khả năng của B-ISDN nh sau: Mạng tổ hợp dịch vụ số băng rộng (Broadband Integrated Services Digital Network - B-ISDN) cung cấp các cuộc nối thông qua chuyển mạch, các cuộc nối cố định (Permanent) hoặc bán cố định (Semi-Permanent), các cuộc nối từ điểm tới điểm hoặc từ điểm tới nhiều điểm và cung cấp các dịch vụ yêu cầu, các dịch vụ dành trớc hoặc các dịch vụ yêu cầu cố định. Cuộc nối trong B-ISDN phục vụ cho cả các dịch vụ chuyển mạch kênh, chuyển mạch gói theo kiểu đa phơng tiện (Multimedia), đơn phơng tiện (Monomedia), theo kiểu hớng liên kết (Connection-Oriented) hoặc không liên kết (Connectionless) và theo cấu hình đơn hớng hoặc đa hớng. B-ISDN là một mạng thông minh có khả năng cung cấp các dịch vụ cải tiến, cung cấp các công cụ bảo dỡng và vận hành (OAM), điều khiển và quản lý mạng rất hiệu quả. 1.2- Khái niệm cơ bản về ATM 1.2.1. Định nghĩa và các đặc điểm chính của ATM B-ISDN theo ITU-T dựa trên cơ sở kiểu truyền không đồng bộ ATM (Asynchronous Transfer Mode). Nh vậy ATM sẽ là nền tảng của B-ISDN trong tơng lai. Trong kiểu truyền không đồng bộ, thuật ngữ "truyền" bao gồm cả lĩnh vực truyền dẫn và chuyển mạch, do đó "dạng truyền" ám chỉ cả chế độ truyền dẫn và chuyển mạch thông tin trong mạng. Thuật ngữ "không đồng bộ" giải thích cho một kiểu truyền trong đó các gói trong cùng một cuộc nối có thể lặp lại một cách bất bình thờng nh lúc chúng đợc tạo ra theo yêu cầu cụ thể mà không theo chu kỳ. Để minh họa, hình 1.1 và 1.2 biểu diễn sự khác nhau giữa dạng truyền đồng bộ và dạng truyền không đồng bộ. Trong dạng truyền đồng bộ STM (Synchronous Transfer Mode), các phần tử số liệu tơng ứng với kênh đã cho đợc nhận biết bởi vị trí của nó trong khung truyền (hình 1.1) trong khi ở ATM, các gói thuộc về một cuộc nối lại tơng ứng với các kênh ảo cụ thể và có thể xuất hiện tại bất kỳ vị trí nào (hình 1.2). Page 3 of 131 §å ¸n tèt nghiÖp Kª nh 1 Kª nh 2 Kª nh n Kª nh 1 Kª nh 2 Kª nh n Khung thêi gian 125µs Khung thêi gian 125µs Khe thêi gian TÝn hiÖu khung H×nh1.1: CÊu tróc khung thêi gian trong STM1 Kªnh 1 Kªnh 5 Kªnh 1 Kªnh 7 Kªnh 5 Kªnh 1 Kªnh kh«ng sö dông PhÇn th«ng tin ngêi sö dông PhÇn tiªu ®Ò cña tÕ bµo ATM H×nh 1.2: CÊu tróc luång th«ng tin trong ATM 4 Đồ án tốt nghiệp ATM còn có hai đặc điểm quan trọng: Thứ nhất: ATM sử dụng các gói có kích thớc nhỏ và cố định gọi là các tế bào ATM (ATM Cell), các tế bào nhỏ cùng với tốc độ truyền lớn sẽ làm cho trễ truyền và biến động trễ (Delay Jitter) giảm đủ nhỏ đối với các dịch vụ thời gian thực, ngoài ra kích thớc nhỏ cũng sẽ tạo điều kiện cho việc hợp kênh ở tốc độ cao đợc dễ dàng hơn. Thứ hai: ATM còn có một đặc điểm rất quan trọng là khả năng nhóm một vài kênh ảo (Virtual Channel) thành một đờng ảo (Virtual Path), nhằm giúp cho việc định tuyến đợc dễ dàng. 1.2.2. Các lĩnh vực công nghệ mới quyết định sự ra đời và phát triển của ATM Có hai yếu tố ảnh hởng tới ATM, đó là: Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ bán dẫn cũng nh công nghệ quang điện tử. Sự phát triển các ý tởng mới về khái niệm hệ thống. 1.2.2.1. Các tiến bộ về mặt công nghệ Công nghệ bán dẫn: Công nghệ CMOS là công nghệ rất có triển vọng bởi độ tích hợp lớn, tốc độ cao (cỡ vài trăm Mbit/s tới vài Gbit/s), độ rộng băng truyền lớn, kích thớc nhỏ, độ mềm dẻo cơ học cao, tránh đợc nhiễu của trờng điện tử, xác suất truyền lỗi thấp và không có nhiễu xuyên âm. 1.2.2.2. Các ý tởng mới về khái niệm hệ thống Các quan điểm mới về hệ thống đợc phát triển mạnh mẽ trong những năm gần đây, đó là hệ thống phải có độ mềm dẻo thích hợp, độ rộng băng của hệ thống phải tuỳ thuộc vào yêu cầu của từng dịch vụ cụ thể, các dịch vụ thời gian thực đợc truyền theo phơng pháp chuyển mạch gói. Các ý tởng này phải thoả mãn hai chức năng chính của mạng là: Tính trong suốt về mặt nội dung:(Semantic Transparency): Tính trong suốt về mặt nội dung là chức năng đảm bảo việc truyền đúng các bit từ đầu phát tới đầu thu (tức là sự chính xác về mặt nội dung). Page 5 of 131 Đồ án tốt nghiệp Khi mới ra đời, trong các mạng chuyển mạch gói, chất lợng truyền số liệu còn kém, do đó để đảm bảo chất lợng truyền chấp nhận đợc, ngời ta phải thực hiện chức năng điều khiển lỗi trên mọi liên kết (Link).Việc điều khiển lỗi này đợc thực hiện bởi các giao thức HDLC (High-Level Data Link Control) bao gồm các chức năng: giới hạn khung (Frame Delimiting), đảm bảo truyền bit chính xác, kiểm tra lỗi (kiểm tra mã d vòng CRC-Cyclic Redundancy Check), sửa lỗi bằng các thủ tục truyền lại. Hình 1.3. trình bày thủ tục điều khiển lỗi đầy đủ của mạng chuyển mạch gói thông qua mô hình liên kết các hệ thống mở OSI. Ta thấy quá trình điều khiển lỗi đợc thực hiện trên mọi liên kết (Link-by-Link) thông qua nút chuyển mạch, do đó nút chuyển mạch phải xử lý một loạt các thủ tục phức tạp khác nhau làm ảnh hởng đến tốc độ xử lý chung của hệ thống. Sau này do chất lợng của hệ thống truyền dẫn và chuyển mạch tăng lên nên tỷ lệ lỗi trên mạng giảm. Với một mạng chất lợng cao nh vậy, ngời ta chỉ cần thực hiện một số chức năng của thủ tục HDLC nh chức năng giới hạn khung, chức năng truyền bit chính xác, kiểm tra lỗi trên cơ sở từ liên kết tới liên kết (Link-by-Link). Nh vậy chỉ 6 Đầu cuối Nút chuyển mạch Đầu cuối điều khiển lỗi đầy đủ điều khiển lỗi đầy đủ 3 2 3 3 2 2 3 2 Hình 1.3. Điều khiển lỗi đầy đủ trên mọi liên kết của mạng chuyển mạch gói Đồ án tốt nghiệp có những chức năng này đợc cung cấp bởi các nút chuyển mạch trong mạng còn các chức năng khác nh sửa lỗi sẽ đợc thực hiện trên cơ sở từ đầu cuối tới đầu cuối (End- to-End). Bằng cách này ngời ta đã giảm đợc khối lợng thông tin mà nút chuyển mạch cần sử lý, nhờ đó mà tốc độ xử lý của nút tăng lên. Nh vậy lớp 2 trên mô hình OSI đợc chia thành hai lớp con, lớp 2a chuyên cung cấp các chức năng cơ bản của lớp 2, lớp 2b cung cấp các chức năng bổ sung. Các hệ thống ứng dụng nguyên lý này đợc gọi là chuyển tiếp khung (frame relay). Các nguyên lý này đợc trình bày trên hình 1.4. Đối với B-ISDN ý tởng này còn đợc mở rộng hơn nữa, các chức năng điều khiển lỗi không còn đợc cung cấp ở các nút chuyển mạch trong mạng nữa mà trong trờng hợp cần thiết, sẽ đợc cung cấp bởi các thiết bị đầu cuối. Nh vậy các chức năng đợc thực hiện trong mạng đợc giảm từ điều khiển lỗi đầy đủ (Full error Control) ở mạng chuyển mạch gói X.25 xuống còn cực kỳ tối thiểu ở mạng ATM, do đó các nút của ATM có độ phức tạp tối thiểu và vì thế có tốc độ truyền rất cao, có thể lên tới 600 Mbit/s (hình 1.5). Bảng 1.1 trình bày các chức năng đợc thực hiện ở nút mạng ATM so với mạng chuyển mạch gói và chuyển tiếp khung. Hình 1.5. Chuyển mạch tế bào trong mạng ATM với các chức năng tối thiểu Page 7 of 131 điều khiển lỗi đầy đủ(từ đầu cuối đến đầu cuối) 2a 2a 3 2b 2a điều khiển lỗi có giới hạn điều khiển lỗi có giới hạn Đầu cuối Nút chuyển mạch 3 2a 2b Đầu cuối Hình 1.4. Điều khiển lỗi có giới hạn của mạng chuyển tiếp khung §å ¸n tèt nghiÖp 3 2 1b 1a 1b 1b 1a 1a 3 2 1b 8 Đồ án tốt nghiệp 1a điều khiển lỗi đầy đủ (từ đầu cuối đến đầu cuối) Đầu cuối Nút chuyển mạch Đầu cuối Bảng 1.1: Các chức năng đợc thực hiện ở nút mạng của X.25, chuyển tiếp khung, ATM Chức năng Chuyển mạch gói Chuyển tiếp khung ATM Truyền lại gói x Giới hạn khung x X Kiểm tra lỗi x X Rõ ràng nút mạng ATM hầu nh không phải xử lý một thông tin điều khiển nào trong khi nút chuyển mạch X.25 và chuyển tiếp khung phải thực hiện một loạt các thủ tục phức tạp khác nhau. Tính trong suốt về mặt thời gian: (Time Transparency) Page 9 of 131 Đồ án tốt nghiệp Các dịch vụ thời gian thực yêu cầu dòng bit có trễ rất ngắn khi đợc truyền từ đầu phát tới đầu thu, tức là chúng yêu cầu tính chính xác về mặt thời gian. Có thể phân biệt hai loại trễ: trễ do chuyển mạch và trễ từ điểm đầu tới điểm cuối. Hệ thống chuyển mạch gói và chuyển tiếp khung rất khó khăn khi thực hiện các dịch vụ thời gian thực vì độ trễ cao. Do độ phức tạp của các nút chuyển mạch, chúng chỉ có thể hoạt động ở tốc độ vừa và thấp. Mạng ATM, mặt khác, chỉ cần những chức năng tối thiểu ở nút chuyển mạch, do đó nó cho phép truyền số liệu tốc độ rất cao, trễ trên mạng và các biến động trễ giảm xuống còn vài trăm micro giây, do đó quan hệ thời gian đợc đảm bảo nh trong trờng hợp chuyển mạch kênh. 1.3- Các dịch vụ tơng lai của B-ISDN trên cơ sở ATM 1.3.1. Các dịch vụ phục vụ cho các thuê bao gia đình Các dịch vụ quan trọng cho các thuê bao gia đình là những dịch vụ truyền hình (TV) bao gồm dịch vụ truyền hình cáp CATV, truyền hình số chuẩn SDTV(Standard Digital TV) hay trong tơng lai là dịch vụ truyền hình độ phân giải cao HDTV (High Definition TV). Tuy vậy ngời ta còn phải giải quyết các vấn đề về tính tơng thích giữa các tín hiệu video nói trên sao cho một chơng trình SDTV có thể xem đợc trên màn hình HDTV và ngợc lại. Tất cả các tín hiệu video nói trên có thể đợc cung cấp bằng nhiều cách khác nhau. Dễ thực hiện nhất là phơng pháp mô phỏng CATV trong đó một loạt các chơng trình TV đợc đa tới thuê bao theo các đờng nối bán cố định. Một phơng pháp khác là các kênh TV đợc truy nhập theo kiểu chuyển mạch, nghĩa là khách hàng có thể chọn một chơng trình mong muốn theo một kênh thông tin xác định. Xa hơn nữa, ngời sử dụng có thể gọi tới một th viện video sau đó chọn lấy một kênh từ rất nhiều các kênh truyền hình sẵn có. Một ứng dụng quan trọng nữa là dịch vụ điện thoại truyền hình trong đó các hình ảnh chất lợng cao đợc truyền đi ở tốc độ từ 2 tới 5 Mbit/s với giá thành phải chăng. Ngoài ra còn một loạt các ứng dụng thú vị khác nh mua hàng tại nhà (Video- Shopping), dạy học tại nhà (Home-Education), các dịch vụ thông tin quảng cáo .v.v. 10 [...]... mạng ATM qua kết nối đờng ảo, kết nối kênh ảo, liên kết đờng ảo, liên kết kênh ảo, 2.5.1 Kết nối kênh ảo Để thiết lập kết nối giữa các đầu cuối đòi hỏi phải có sự kết hợp của một chuỗi nhiều liên kết với nhau từ nguồn xuất phát cho tới đích Việc quyết định khả năng sử dụng từng liên kết phụ thuộc vào băng thông khách hàng yêu cầu sử dụng và dung lợng còn lại của các liên kết Tổ hợp chuỗi các liên kết... quản lý mạng 2.6- Lớp tơng thích ATM (AAL - ATM Adaption Layer) 2.6.1 Các nguyên lý của AAL Lớp tơng thích ATM (AAL) là lớp liên kết giữa lớp ATM và các lớp bậc cao hơn, hỗ trợ cho các thủ tục truyền thông tin không dựa trên ATM Các chức năng AAL là do các thiết bị đầu cuối hoặc thiết bị tơng thích đầu cuối tại UNI đảm nhận Trong mạng ATM, phần xử lý các chức năng lớp ATM là hoàn toàn độc lập với các... ảo và đường truyền dẫn Đờng ảo và kênh ảo sẽ đợc xem xét kỹ hơn ở phần 5 Sau đây, chúng ta sẽ xem xét các chức năng thực hiện ở lớp ATM Tất cả các chức năng này đều do phần tiêu đề của tế bào cung cấp Ghép kênh và tách kênh các tế bào Theo hớng phát, chức năng ghép tế bào đợc thực hiện việc tổ hợp các tế bào từ các đờng ảo (VP) và các kênh ảo (VC) riêng rẽ thành một luồng tế bào Theo hớng thu, chức năng. .. điều khiển tham số sử dụng để giám sát và xử lý kết nối 2.2- ATM với mô hình tham chiếu B-ISDN Mô hình tham chiếu B-ISDN đợc xây dựng ra dựa trên mô hình tham chiếu OSI và các chuẩn ISDN Tuy nhiên trong mô hình ATM ngời ta sử dụng khái niệm các lớp (Layer) và các mặt phẳng (Plane) riêng rẽ cho từng chức năng riêng biệt nh chức năng dành cho ngời sử dụng, chức năng điều khiển, quản lý mạng Mặt phẳng... nút chuyển mạch và các chặng truyền dẫn nối thiết bị khách hàng và nút chuyển mạch Khuyến nghị CCITT I.413 đã định nghĩa các nhóm chức năng B-TE1, B-TE2, B-TA, B-NT1, B-NT2 và các điểm tham chiếu TB, SB, UB, và R của mạng B-ISDN nh đợc miêu tả trên hình 2.2 dới đây Cấu hình giao thức chuẩn (protocol reference configuration) B-ISDN (có cấu trúc tơng tự nh cấu hình ISDN) xác định các giao diện và các chức. .. về các đờng ảo và kênh ảo thích ứng Phiên dịch các giá trị nhận dạng đờng ảo VPI và nhận dạng kênh ảo VCI Mỗi một đờng ảo và một kênh ảo có một giá trị nhận dạng khác nhau dùng để phân biệt với các đờng ảo và kênh ảo khác Các nút chuyển mạch sử dụng những giá trị này để xác định các kết nối, đồng thời để sử dụng các thông tin định tuyến đợc lu giữ ở các nút chuyển mạch (chuyển mạch ATM và Cross-connect)... số VPI và VCI quá nhỏ nên chúng không thể đợc sử dụng nh một số hiệu nhận dạng toàn cục vì khả năng xảy ra hai cuộc nối sử dụng ngẫu nhiên cùng một giá trị VPI và VCI là rất cao Để khắc phục, ngời ta cho VCI và VPI là duy nhất trên mỗi đoạn liên kết (link) Trên từng đoạn liên kết này, hai nút chuyển mạch sử dụng VPI và VCI nh số hiệu nhận dạng cho mỗi cuộc nối trên đoạn đó Khi đã qua nút chuyển mạch, ... chức năng khác nhau giữa các thực thể của mạng B-NT1 thực hiện các chức năng của lớp bên dới nh kết cuối đờng truyền, xử lý giao diện truyền dẫn, liên quan đến các kết cuối quang và điện tại địa điểm thiết bị khách hàng B-NT1 đợc điều khiển bởi nhà cung cấp mạng và là ranh giới giữa các mạng B-NT2 thực hiện các chức năng lớp cao hơn bao gồm ghép / phân tách lu lợng, xử lý băng tần, chuyển mạch các kết... giữa các điểm chuyển mạch thông qua các điểm nối chéo trung gian Đờng ảo là hình thức (đấu nối bán cố định hoặc qua chuyển mạch) tạo ra liên kết có tính chất tơng đơng về mặt logic giữa hai nút chuyển mạch mà không cần thiết phải đấu nối trực tiếp bằng một liên kết vật lý Do đó, điều này cho phép phân biệt giữa cấu trúc mạng vật lý và logic, đồng thời cho phép sắp xếp lại cấu trúc logic cho phù hợp các... các thiết bị B-ISDN riêng rẽ và tách biệt thiết bị khách hàng với các chức năng truyền thông liên quan tới mạng 2.4- Lớp ATM Lớp đợc xem xét đầu tiên là lớp ATM vì đây là lớp đóng vai trò quan trọng nhất liên quan đến việc truyền tải thông tin qua mạng ATM ATM sử dụng các kết nối ảo trong việc truyền tải các thông tin và các kết nối này đợc chia thành hai mức: mức đờng ảo (Virtual Path Level) và mức . Bảng 1.1 trình bày các chức năng đợc thực hiện ở nút mạng ATM so với mạng chuyển mạch gói và chuyển tiếp khung. Hình 1.5. Chuyển mạch tế bào trong mạng ATM với các chức năng tối thiểu Page 7. đầu cuối) Đầu cuối Nút chuyển mạch Đầu cuối Bảng 1.1: Các chức năng đợc thực hiện ở nút mạng của X.25, chuyển tiếp khung, ATM Chức năng Chuyển mạch gói Chuyển tiếp khung ATM Truyền lại gói x Giới. số chức năng của thủ tục HDLC nh chức năng giới hạn khung, chức năng truyền bit chính xác, kiểm tra lỗi trên cơ sở từ liên kết tới liên kết (Link-by-Link). Nh vậy chỉ 6 Đầu cuối Nút chuyển mạch Đầu