nghiên cứu hệ thống ATM và ứng dụng ATM trong mạng cục bộ (ATM-LAN)

Đề xuất từ nǎm 1987, ATM được xem như là mạng của tương lai có khả nǎng tích hợp mọi dịch vụ cũng như các đặc tính cần phải có của các mạng trên bình diện ứng dụng mạng LAN và WAN.. Thiế

MỤC LỤC

Lời nói đầu

I/ Giới thiệu về ATM và khái niệm của ATM

1 Giới thiệu về ATM

2 Định nghĩa và các đặc điểm chính của ATM:

II/ Kiến trúc mạng ATM

1 Phương thức truyền tải không đồng bộ

1.1 Cấu trúc của tế bào ATM

1.2 Cấu trúc phân lớp ATM

1.3 Điều khiển và quản lý trong mạng ATM

2 Cấu trúc mạng B_ISDN/ATM

2.1 B_ISDN và phương thức truyền thông ATM

2.2 Phương pháp phân kênh theo thời gian không đồng bộ

III/ Chuyển mạch mạng ATM

1 Giới thiệu về chuyển mạch ATM

1.

1

Dòng dữ liệu trong ATM

1.

2

Cấu trúc phần tử chuyển mạch

2 Hoạt động của chuyển mạch ATM

2.

1 Xử lý nhãn định tuyến trong chuyển mạch

2.

2 Chuyển mạch không gian và thời gian

IV/ Kết luận

Tài liệu tham khảo

LỜI NÓI ĐẦU

Nhu cầu về giao tiếp trao đổi thông tin đối với loài người trỏ nên không thể thiếu trong cuộc sống hàng ngày và nhu cầu ấy ngày càng tăng cùng với

sự phát triển rất cao của trí tuệ loài người Bắt đâu từ chiếc máy điện thoại,

là một sự nhảy vọt lớn trong thông tin của loài người, con người dần dần tiến tới việc truyền dữ liệu chữ, truyền số liệu đi từ điểm này tới điểm khác tiếp

đó là việc truyền hình ảnh làm con người gắn bó với nhau hơn và bây giờ người ta muốn dùng tất cả các loại thông tin khác nhau như tiếng nói, hình ảnh, số liệu trong cùng một lúc( như cầu truyền hình) truyền từ một điểm đến nhiều điểm hoặc từ một điểm đến một điểm Cứ mỗi lần như vậy, cùng với sự tiến bộ trong thông tin, những hệ thống thông tin cùng với sự cung cấp cho nó ngày càng lớn dần lên, nó đã và đang đặt ra những thách thức mới về mặt quản lý cho con người

Mạng dịch vụ tổ hợp số băng hẹp N - ISDN ra đời vào đầu những năm

80 như là một cứu cánh cho sự phát triển này Nó cho phép một mạng có thể cung cấp tất cả các dịch vụ hiện có Tuy nhiên, sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin và nhu cầu trao đổi thông tin ngày càng tăng nhanhvà đa dạng hoá của xã hội đòi hỏi phải cấp bách các dịch vụ truyền ảnh bao gồm

cả ảnh tĩnh và ảnh động chất lượng cao và truyền số liệu, truyền file tốc độ siêu cao mà chúng yêu cầu tốc độ bít tới vài trăm Mb/s, thậm chí tới hàng chục Gb/s Nói chung mạng ISDN băng hẹp không thể đáp ứng, thoả mãn được các yêu cầu bổ xung nêu trên một mạng viễn thông thống nhất đáp ứng tất cả các loại hình dịch vụ viễn thông và xử lý tin với tốc độ yêu cầu rất

khác nhau từ một vài Kb/s đến hàng chục Gb/s, thậm chí hàng Tb/s gọi là mạng số liên kết đa dịch vụ băng rộng (B-ISDN) và chỉ có B- ISDN với có khả năng cung cấp dịch vụ đa phương tiện Ngày nay một số giải pháp kỹ thuật đã được đề xuất nhằm cải thiện độ thực hiện của mạng viễn thông và tiến tới thực hiện B-ISDN

Trong số các Công nghệ thông tin khác nhau phải kể đến công nghệ quan trọng nhất đó là phương thức truyền không đồng bộ ( Asynchronous transfer Mode - ATM) ATM có thể ứng dụng trong các môi trường khác nhau như mạng LAN, mạng WAN, mạng công cộng, mạng cáp truyền hình

Do vậy ITU-T đã quyết định rằng kiểu truyền không đồng bộ ATM sẽ là phương pháp truyền cho mạng B-ISDN trong tương lai và đã đưa ra các khuyến nghị về ATM, đặt cơ sở cho mạng ATM cũng như phần lớn các tham số của nó

Tại Việt Nam hiện nay cùng với sự phát triển nhanh chóng của ngành Bưu chính Viễn thông, công nghệ ATM cũng đã bắt đầu được chú trọng nghiên cứu nhằm đáp ứng được những nhu cầu ngày càng tăng của xã hội Bản đồ án này là một phần trong quá trình nghiên cứu, tìm tòi nhằm tiến tới nhanh chóng áp dụng công nghệ mũi nhọn này tại Việt Nam, nội dung chủ yếu là : nghiên cứu hệ thống ATM và ứng dụng ATM trong mạng cục bộ (ATM-LAN)

I/ Giới thiệu về ATM và khái niệm của ATM:

1 Giới thiệu về ATM :

Mạng ATM (Asynchronous Transfer Mode) được xem là mạng của tương lai có khả nǎng tích hợp các dịch vụ cung cấp giải thông lớn cho các mạng máy tính với tốc độ 155Mps, 622Mps và Gps Mạng ATM là các mạng chuyển mạch gói hướng kết nối Đề xuất từ nǎm 1987, ATM được xem như là mạng của tương lai có khả nǎng tích hợp mọi dịch vụ cũng như các đặc tính cần phải có của các mạng trên bình diện ứng dụng mạng LAN

và WAN Thiết kế chủ yếu cho xử lý thời gian thực như tiếng nói, âm thanh

và hình ảnh, công nghệ ATM có được tǎng cường để cung cấp một dải lớn các dịch vụ và ứng dụng đặc biệt các ứng dụng LAN trên mạng ATM (LAN emulation specs và Classical IP specsove ATM)

Dựa trên kiểu truyền không đồng bộ ATM (Asynchronous Transfer Mode) cung cấp nhiều loại dịch vụ trên một mạng truyền thông duy nhất ATM được xem là kỹ thuật chuyển mạch chọn gói tốc độ cao được xây dựng trên cơ sở tổ hợp các ưu điểm của chuyển mạch gói và chuyển mạch kênh ATM có khả năng cung cấp nhiều loại dịch vụ với các yêu cầu khác nhau về QoS nhưng vẫn đảm bảo hiệu quả sử dụng tài nguyên mạng

Tế bào * Cell ) là đơn vị thông tin cơ bản trong ATM, có độ dài cố định

53 byte, bao gồm 48 byte thông tin và 5 byte tiêu đề chứa các thông tin liên quan để thiết lập và điều khiển kết nối

Các dịch vụ trong mạng ATM gồm: CBR (Constant Bit Rate), rt-VBR (real time - Variable Bit Rate ), nrt-VBR (non real time - Variable Bit Rate), ABR (Avalible Bit Rate ), UBR (Unspecific Bit Rate) Các dịch vụ này có thể phân thành hai loại là dịch vụ thời gian thực (CBR và rt-VBR) và dịch

vụ không theo thời gian thực (nrt-VBR, ABR và UBR) ATM có các tính năng QoS (quality of service - chất lượng dịch vụ), cho phép khách hàng chọn kiểu lưu thông cần ưu tiên, như cho tiếng nói và video phải đến đúng lúc, để đảm bảo rằng thông tin ít quan trọng không chiếm lĩnh dòng lưu thông thời gian-thực Nó là một công nghệ có thể mở rộng, vận hành từ 25 Mbits/sec đến 2.46 Gbits/sec, nó có thể dễ dàng tích hợp với các mạng của các hãng truyền tải, và nó hỗ trợ việc tích hợp với các công nghệ có sẵn (với những sự điều chỉnh phù hợp).Khả năng mở rộng của ATM có ý nghĩa quan trọng đối với những công ty đang phát triển

2 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) Như vậy ATM sẽ là nền tảng của B-ISDN trong tương 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 thường như lúc chúng được tạo ra theo yêu cầu cụ thể mà không theo chu kỳ

ATM còn có hai đặc điểm quan trọng:

Thứ nhất, ATM sử dụng các gói có kích thước 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 thước nhỏ cũng sẽ tạo điều kiện cho việc hợp kênh ở tốc độ cao được 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 đường ảo (Virtual Path), nhằm giúp cho việc định tuyến được dễ dàng

Công nghệ ATM có một số ưu điểm cǎn bản:

- Công nghệ ATM cung cấp một công nghệ chuyển mạch mới được giới thiệu cho các mạng LAN và WAN cho phép thiết lập các mạch ảo trực tiếp giữa 2 điểm trên một mạng trong suốt thời gian truyền Nó cũng cung cấp thông lượng (throughput) rất cao cho các máy chủ, máy trạm và các đoạn LAN từ 51-155 Mbit/giây, thậm chí 622 Mbit/giây và trải rộng qua các mạng xí nghiệp LAN, WAN cho đến giải thông Gigabit

- Một mạng thống nhất (One Network): ATM sẽ cung cấp một mạng thống nhất cho mọi loại số liệu: tiếng nói, dữ liệu, video và dữ liệu đa phương tiện ATM cho phép tích hợp các mạng với việc tǎng cường tính hiệu quả và khả nǎng quản lý mạng ATM cung cung cấp công nghệ liên mạng chung để thực hiện các mạng riêng và các mạng công cộng

- Phát triển các ứng dụng mới: Do tốc độ cao và tích hợp mọi dạng số liệu (traffic), ATM sẽ cho phép kiến tạo và mở rộng các ứng dụng mới như dữ liệu đa phương tiện tới các máy trạm, hội nghị truyền hình thời gian thực, audio, hình ảnh động hoặc các ứng dụng thời gian thực khác

- Tính tương thích: Do ATM không dựa trên một dạng chỉ định truyền thông

về mặt vật lý cho nên ATM tương thích với các mạng vật lý đang triển khai hiện nay ATM có thể truyền tải trên thiết bị cáp đôi xoắn, cáp đồng trục và

cáp quang.

- Chuyển dịch tǎng dần (Incremental Migration): các nỗ lực của các tổ chức

về chuẩn và Diễn đàn ATM tiếp tục đảm bảo rằng các mạng đang sử dụng sẽ tận dụng được các lợi ích của công nghệ ATM với các tǎng cường dần dần của mạng dựa trên các yêu cầu phát triển ứng dụng mới cũng như các nhu cầu của doanh nghiệp

- Đơn giản hoá việc quản lý mạng (Simplified Network Mana-gement): ATM đang phát triển tới một công nghệ chuẩn đối với dịch vụ nội hạt, mạng campus/đường trục, mạng diện rộng công cộng và mạng riêng Sự đồng nhất hoá nhằm chủ định đơn giản hoá quản lý mạng lưới bằng cách sử dụng cùng công nghệ đối với mọi mức độ (level) mạng

- Chu trình có tính kiến trúc lâu dài: Các hệ thống thông tin và công nghiệp viễn thông đang tập trung và chuẩn hoá theo công nghệ ATM ATM đã được thiết kế từ khi bắt đầu để đạt được tính mở rộng quy mô và tính mềm dẻo về: khoảng cách địa lý, số người sử dụng, truy nhập và bǎng thông với tốc độ từ megabit cho đến gigabit

- Mạng LAN tǎng cường (Emulated LAN) trên các mạng trục ATM: các đề xuất của Diễn đàn ATM sẽ cung cấp các mạng LAN ảo và tǎng cường cho công nghệ LAN dựa trên công nghệ Ethernet, một công nghệ được hỗ trợ bởi một thị trường khách hàng hiện nay thống trị tới 77% thị trường mạng máy tính

Tuy nhiên, công nghệ ATM có một số yếu điểm:

- Tính chưa hoàn thiện (Incompleteness): Công nghệ ATM được phát triển dựa trên nhiều sửa đổi thậm chí sai lầm Thí dụ, trường GFC trong mào đầu (header) của ATM được coi như là một lỗi trong chuẩn Ngoài ra, có quá nhiều phương án cho giao thức AAL 1 mà có lẽ là không thật sự cần thiết; AAL 2 đã bị phá sản; AAL 3 và AAL 4 thì chưa bao giờ được thấy ánh sáng ban ngày; AAL 3/4 tỏ ra không hiệu quả và có tổng kiểm tra (checksum) quá ngắn và tương lai đang nằm trong giao thức AAL 5 nhưng vẫn còn nhiều điều cần phải hoàn thiện nó Lý do là các giao thức AAL 5 được thiết kế rộng rãi bởi ngành công nghiệp viễn thông mà không được cập nhật (input) nhiều bởi công nghiệp máy tính, đặc biệt theo quan điểm của ngành bảo mật máy tính và lý thuyết mã hoá

- Giá thành cao (Cost): Hiện nay, việc triển khai công nghệ ATM khá tốn kém so với công nghệ Fast Ethernet hay là công nghệ Gigabit Ethernet với cùng dải thông Công nghệ Ethernet cho đến nay có tính cạnh tranh cao so với công nghệ ATM theo nghĩa cơ sở khách hàng, giá thành thấp, tính quen thuộc và có lịch sử phát triển thành công Giải pháp Emulated LAN, mà Diễn đàn ATM đưa ra là một giải pháp làm phù hợp và triển khai các mạng LAN hiện hành trên các mạng ATM

- Tuy nhiên, giải pháp Emu-lated LAN over ATM networks, vẫn còn có nhiều điểm trở ngại: (i) trong quá trình chuyển đổi các khung (frame) thay đổi từ các khung trên LAN thành các tế bào cố định của ATM; (ii) trở ngại khác là cách thức truy nhập đối với mạng LAN là phi kết nối trong khi cách thức truy nhập mạng ATM là hướng kết nối; (iii) các dịch vụ broadcast/multicast về bản chất được hỗ trợ bởi LAN là do các đặc điểm chia xẻ môi trường truyền dẫn của mạng LAN, nhưng không là tự nhiên trong các mạng ATM dựa trên nguyên lý điểm nối điểm; và (iv) đa số các ứng dụng truyền thông được phát triển cho mạng LAN dường như không thể dùng lại trong môi trường ATM

- Các vấn đề về bảo mật (Security issues): Vấn đề về bảo mật đặt ra nhiều câu hỏi cho việc triển khai diện rộng trong tương lai của các dịch vụ ATM trong cuộc đua tranh trên con đường xây dựng "Siêu xa lộ thông tin" Những khó khǎn như vậy sẽ là các cản trở cho việc chấp nhận công nghệ mới này trong phát triển tương lai Các yêu cầu về bảo mật đối với các mạng ATM cần được xem xét nhằm đảm bảo tính bí mật, tính toàn vẹn và tính sẵn sàng

II/ Kiến trúc mạng ATM:

1 Phương thức truyền tải không đồng bộ:

1.1Cấu trúc của tế bào ATM:

Tế bào ATM có cấu trúc như sau:

Thứ tự bít trong 1 byte:

1 2 3 4 5 6 7 8

Hình 1.1:Cấu trúc của tế bào ATM

ATM là khối truyền tin cơ bản trong phương pháp truyền tin ATM Như trên hình 1-4, tế bào ATM cấu tạo nên từ 53 byte Trong đó 5 byte dành cho

phần tín hiệu ghép đầu, còn 48 byte lại dành cho phần thông tin Phần tín hiệu ghép đầu được chia ra thành các phần điều khiển chung cho luồng tín hiệu (General Flow Control), phần tín hiệu xác định luồng ảo (VPS), xác định kênh ảo (VCI) loại tải (PT), tín hiệu xác định tế bào ưu tiên và tín hiệu kiểm tra lỗi phần tín hiệu ghép đầu Số bít dành cho mỗi phần giữa UNI và NNI khác nhau, và số lượng và vị trí của các bít tương ứng được chỉ ra trên hình 1-2

Bảng 1-2 Sắp xếp các bít ghép đầu

Phần GFC trong tế bào ATM dùng để chỉ giao diện của môi trường dịch vụ Ngoài ra nó còn dùng làm giảm độ rung pha của các dịch vụ có tốc độ bít không đổi, việc chỉ định dung lượng đồng nhất đối với dịch vụ có độ bit thay đổi (VBR) và điều khiển mức độ quá tải của dòng VBR Các chức năng như vậy đòi hỏi khả năng kiểm soát đối với cấu trúc UNI của cấu hình sao, loại hình vòng, loại đơn tuyến hoặc sự kết hợp các loại cấu hình này

Phần VPI/VCI ghi nhận sự nhận dạng luồng ảo và kênh ảo để phân chia các

tế bào ATM trong cùng một đường truyền Các phần VPI/VCI cố định được chỉ định riêng biệt để chỉ các tế bào không được chỉ định Các tế bào dành cho điều khiển và bảo dưỡng trong lớp vật lý, kênh báo hiệu meta và các kênh báo hiệu quảng bá

PT dùng để chỉ các thông tin khách hàng và sự quá tải của tế bào thông tin khách hàng

CLP dùng để chỉ khả năng cho phép hoặc không cho phép mất cuộc gọi

trong trường hợp mạng quá tải

HEC là byte kiểm tra dư theo chu kỳ (CRC) đối với vùng tín hiệu ghép đầu của tế bào Nó được dùng để phát hiện và sửa lỗi của tế bào cũng như xác định tín hiệu ghép đầu

Tế bào ATM có thể được phân loại theo lớp cấu thành và chức năng như chỉ ra trên hình 1-3 Trước hết tế bào ATM được chia ra thành tế bào lớp ATM và tế bào lớp vật lý

Tế bào lớp ATM được tạo ra trong lớp ATM và tế bào lớp vật lý được tạo trong lớp vật lý Tế bào lớp ATM được phân chia thành tế bào được chỉ định

và tế bào không được chỉ định Còn tế bào lớp vật lý được chia ra thành tế bào rỗi và tế bào điều hành

khai thác bảo dưỡng (OAM) lớp vật lý Tế bào chỉ định dùng để chỉ những tế bào dành cho dịch vụ trong lớp ATM Còn tế bào không chỉ định là các tế bào không được chỉ định Tế bào rỗi dùng để lấp chỗ trống trong trường hợp không có tế bào cần truyền còn tế bào OAM lớp vật lý dùng cho việc quản lý, khai thác và bảo dưỡng Mặt khác tế bào ATM có thể tiếp tục phân loại theo

tế bào phù hợp và tế bào không phù hợp trên quan điểm của lớp vật lý Tế bào phù hợp là tế bào không có lỗi trong tín hiệu ghép đầu, tế bào có lỗi được hiệu chỉnh còn tế bào không phù hợp để chỉ các loại tế bào khác mà sẽ bị loại

bỏ trong lớp vật lý

1.2 Cấu trúc phân lớp ATM:

1.2.1.Lớp vật lý:

Lớp vật lý được tạo lên bởi lớp con môi trường vật lý PM và lớp con kết hợp truyền dẫn TC Và chức năng của mỗi lớp con được mô tả trên bảng 1-2 Lớp con PM cung cấp thông tin liên quan đến môi trường vật lý, và các thông tin thời gian bit, lớp con TC chuyển đổi luồng tế bào ATM thành luồng

mã hoá bít dữ liệu

(1) Chức năng môi trường vật lý

Chức năng PM liên quan đến môi trường vật lý để truyền dẫn như sợi quang, phần tử phát quang, phần tử nhận quang, bộ nối v.v

(2) Chức năng thông tin thời gian bit

Chức năng này chuyển đổi luồng bit dữ liệu thành dạng sóng phù hợp với môi trường truyền dẫn hoặc ngược lại, đưa vào hoặc lấy ra các thông tin về thời gian của bit, và thực hiện mã hoá và giải mã đường truyền Như vậy thông tin được chuyển từ phân

lớp PM sang phân lớp TC bao gồm dòng bit/mã dữ liệu và thông tin thời gian tương ứng

(3) Chức năng tạo và nhận dạng khung

Chức năng này tạo ra hoặc xác định khung truyền dẫn Trong trường hợp truyền dẫn trên cơ sở các tế bào ATM, chức năng này không cần vì không có các khung truyền dẫn riêng biệt Tuy nhiên, trong trường hợp truyền dẫn SDH cần phải có khung STM-n và trong trường hợp truyền dẫn dựa trên khuyến nghị G.702 cần có khung tín hiệu DS-3

(4) Chức năng thích ứng khung truyền dẫn

Chức năng này là ghép các dòng tế bào ATM vào những khoảng với tải phù hợp của khung truyền dẫn hoặc lấy lại dòng các tế bào ATM từ khung truyền dẫn Điều này đòi hỏi đối với trường hợp truyền dẫn trên cơ sở SHD hay trên cơ sở khuyến nghị G.702

(5) Chức năng nhận dạng biên của tế bào

Chức năng này xác định khung của tế bào ATM trong dòng các tế bào ATM Nó thực hiện việc ngẫu nhiên hoá đối với hướng phát, xác định, và khẳng định đường biên của tế bào ATM và thực hiện việc giải ngẫu nhiên theo hướng ngược lại

(6) Chức năng tạo và xác nhận tín hiệu HEC

Chức năng này tạo và xác định tín hiệu HEC (Giám sát lỗi ghép đầu) của tín hiệu ghép đầu tế bào ATM Theo hướng phát, nó tạo tín hiệu HEC nhờ 4 byte trong tín hiệu ghép đầu ATM và đưa nó vào trong byte thứ 5 Theo hướng ngược lại, nó kiểm tra tính thích hợp của tín hiệu HEC đối với tín hiệu nhận được trong cùng một quá trình và bỏ qua tế bào nếu phát hiện ra lỗi không sửa được

(7) Chức năng phân định tốc độ tế bào

Chức năng này ghép thêm các tế bào rỗi vào các tế bào ATM với các thông tin phù hợp để tạo ra tốc độ tế bào bằng với dung lượng PT của hệ thống truyền dẫn hoặc loại bỏ các tế bào rỗi để tách các tế bào có dữ liệu

1.2.2 Lớp ATM:

Lớp ATM độc lập đối với lớp vật lý và các chức năng được chỉ ra trong bảng 1-2

(1) Chức năng ghép và tách tế bào

Chức năng này ghép các tế bào ATM với các luồng ảo và kênh ảo

khác nhau để tạo nên dòng tế bào tổng hợp, hoặc ngược lại cung

cấp chức năng tách các tế bào Trong khi đó, các tế bào ghép không