KỸ THUẬT CHUYỂN MẠCH VÒNG VÀ KỸ THUẬT CHUYỂN MẠCH GÓI

Cho việc truyền dữ liệu bên ngoài mạng cục bộ, các kết nối thường được truyền dữ liệu từ nguồn đến đích thông qua mạng lưới các nút trung gian, thiết kế mạng chuyển mạch như thế này thường được dùng trong mạng LAN cũng rất tốt. Các nút chuyển mạch không quan tâm đến nội dung của dữ liệu mà thay vào đó mục đích của chúng là cung cấp một cơ sở chuyển mạch mà nó sẽ chuyển dữ liệu từ nút này đến nút khác cho đến khi chúng tìm thấy nơi đến. Các thiết bị gắn liền với mạng có thể được gọi là trạm. Các trạm có thể là máy tính, thiết bị đầu cuối, điện thoại, hoặc các thiết bị truyền tin khác

dữ liệu từ nguồn đến đích thông qua mạng lưới các nút trung gian, thiết kế mạng chuyển mạch như thế này thường được dùng trong mạng LAN cũng rất tốt Các nút chuyển mạch không quan tâm đến nội dung của dữ liệu mà thay vào

đó mục đích của chúng là cung cấp một cơ sở chuyển mạch mà nó sẽ chuyển dữ liệu từ nút này đến nút khác cho đến khi chúng tìm thấy nơi đến Các thiết bị gắn liền với mạng có thể được gọi là trạm Các trạm có thể là máy tính, thiết bị đầu cuối, điện thoại, hoặc các thiết bị truyền tin khác Chúng đề cập đến các thiết bị chuyển đổi với mục đích cung cấp thông tin kết nối như các nút Các nút

được kết nối với nhau trong vài topo các liên kết truyền tải Các liên kết nút trạm thường được dành riêng cho các liên kết điểm tới điểm Liên kết nút tới nút thường được sử dụng cho các liên kết ghép kênh, sử dụng cả ghép kênh phân chia tần số (FDM) hoặc ghép kênh phân chia thời gian (TDM) Trong mạch chuyển đổi mạng truyền tải, dữ liệu nhập vào mạng từ một trạm được định tuyến tới đích bằng phương pháp chuyển từ nút tới nút Ví dụ trong Hình 1.1 dữ liệu từ trạm A đi đến trạm F được gửi đến nút 4 Chúng có thể được định tuyến thông qua nút 5 và nút 6 hoặc nút 7 và nút 6 để đi đến đích.

2. Các Nút (Nodes)

 Một tập hợp của cá nút và các kết nối là một mạng truyền tải

 Các nút có thể chỉ kết nối tới các nút khác hoặc có thể kết nối tới các trạm

và các nút khác

 Mạng thường chỉ là một phần của các kết nối

o Một số kết nối dự phòng được mong đợi để tăng cường độ tin cậy của mạng

 Có 2 kỹ thuật chuyển mạch khác nhau:

o Ngắt kết nối: Sau khi dữ liệu trước đó truyền đi, kết nối sẽ bị hủy, tín hiệu truyền đi trên các nút trung gian phải được giải phóng

 Tính không hiệu quả

o Dung lượng của kênh chỉ dành riêng trong suốt quá trình kết nối

o Nếu không có dữ liệu truyền đi dung lượng của kênh bị lãng phí

 Thiết lập kết nối tốn thời gian

 Khi kết nối được thiết lập, quá trình truyền tải là trong suốt

a. Mạng chuyển mạch vòng công cộng

Hình 1.2 Mạng chuyển mạch công cộngChuyển mạch vòng được phát triển để xử lý lưu lượng âm thanh nhưng bây giờ nó cũng được sử dụng cho lưu lượng dữ liệu Ví dụ nổi tiếng của một mạng chuyển mạch là mạng điện thoại công cộng (Hình 1.2) Đây là thật sự là một tập hợp của các mạng lưới quốc gia liên kết với nhau để hình thành các dịch vụ quốc tế Một mạng lưới viễn thông công cộng có thể được mô tả bằng cách sử dụng 4 thành vấn kiến trúc chung:

- Subscribers: các thiết bị gắn với mạng, thường là điện

thoại, nhưng phần trăm lưu lượng dữ liệu tăng lên qua các năm

- Subscribers line: sự liên kết giữa các thuê bao và mạng

cũng được gọi là vòng lặp thuê bao hoặc vòng lặp cục bộ, chủ yếu là sử dụng dây xoắn đôi

- Exchanges: Các trung tâm chuyển mạch trong mạng Một

trung tâm chuyển mạch mà trực tiếp hỗ trợ các thuê bao thì được biết như là văn phòng đầu cuối

- Trunks: Các nhánh giữa các thiết bị trao đổi Trunks mang

nhiều mạch tần số âm thanh sử dụng một trong 2 FDM hoặc TDM đồng bộ

b. Thiết lập mạch vòng

Hình 1.3: Thiết lập mạch vòngCác thuê bao(subscribers) kết nối trực tiếp đến văn phòng đầu cuối (End Office) mà lưu lượng chuyển mạch giữa các thuê bao(subscribers) và giữa một thuê bao và một thiết bị trao đổi khác Các thiết bị trao đổi khác chịu trách nhiệm cho việc định tuyến và chuyển mạch lưu lượng giữa các văn phòng đầu cuối (End Office) Khác biệt này được thể hiện trong Hình 1.3

Để kết nối 2 thuê bao thuộc văn phòng đầu cuối (end office), một mạch vòng được thiết lập giữa chúng Nếu 2 thuê bao (subscriber) kết nối với 2

văn phòng đầu cuối (end office) khác nhau, một mạch vòng giữa chúng bao gồm 1 chuỗi các mạch thông qua một hoặc nhiều văn phòng trung gian Trong hình một kết nối được thiết lập giữa 2 đường dây a và b đơn giản là thiết lập kết nối thông qua văn phòng đầu cuối (end office) Kết nối giữa c và d thì phức tạp hơn Trong văn phòng đầu cuối (end office) c, một kết nối được thiết lập giữa c và một kênh trên một TDM trunk đóng vai trò là một trung gian chuyển đổi Trong một trung gian chuyển đổi, kênh được kết nối với kênh trên TDM trunk tới văn phòng đầu cuối (end office) d Trong văn phòng đầu cuối (end office) này, kênh được kết nối với dây d.

Công nghệ chuyển mạch vòng đã được thúc đẩy bởi những ứng dụng có thể xử lý lưu lượng thoại Một trong những yêu cầu quan trọng cho lưu lượng thoại là phải hầu như không có độ trể trong truyền tải và chắc chắn không có sự thay đổi trong độ trể này Một tốc độ tín hiệu truyền tải phải được duy trì, bởi vì việc truyền và nhận xảy ra ở cùng một tốc độ tín hiệu Những yêu cầu này là cần thiết để cho phép một cuộc hội thoại của con người bình thường Hơn nữa, chất lượng của tín hiệu nhận phải đủ cao để cung cấp một sự tối thiểu và đơn giản Chuyển mạch vòng đạt được sự phổ biến rộng rãi bởi vì nó rất phù hợp với truyền dẫn tín hiệu tương tự của các tín hiệu thoại Trong thế giới kỹ thuật số ngày nay, sự thiếu hiệu quả của nó là rõ ràng hơn Tuy nhiên, bất chấp việc thiếu hiệu quả, chuyển mạch vòng vẫn là một sự lựa chọn hấp dẫn cho cả 2 khu vực mạng cục bộ và mạng diện rộng

c. Các thành phần chuyển mạch vòng

Hình 1.4: Các thành phần chuyển mạch vòngCông nghệ chuyển mạch tốt nhất là tiếp cận bằng cách kiểm tra các hoạt động của một nút chuyển mạch đơn Một mạng lưới được xây dựng xung quanh một nút chuyển mạch đơn bao gồm một tập hợp các trạm thuộc một đơn vị chuyển mạch trung tâm Việc trung tâm chuyển đổi thiết lập một con đường chuyên dụng giữa bất kỳ 2 thiết bị mà muốn liên lạc Hình 1.4 mô tả các thành phần chính như một nút

mạng Đường nét đứt bên trong biểu tượng cho các kết nối đang hoạt động.

Trung tâm của một hệ thống hiện đại là một bộ chuyển đổi kỹ thuật

số Chức năng của việc chuyển đổi kỹ thuật số là để cung cấp 1 đường dẫn tín hiệu trong suốt giữa bất kỳ cặp thiết bị nào được thêm vào Đường dẫn tín hiệu này trong suốt ở chổ nó chỉ xuất hiện với các cặp thiết bị thêm vào mà kết nối trực tiếp giữa chúng Thông thường , các kết nối phải cho phép truyền full-duplex

Các thành phần giao diện mạng đại diện cho các chức năng và phần cứng cần thiết để kết nối các thiết bị kỹ thuật số, chẳng hạn như các thiết bị xử lý dữ liệu và điện thoại số, để vào mạng Điện thoại tương

tự cũng có thể được thêm vào nếu giao diện mạng có chứa bộ logic để chuyển đổi thành các tín hiệu kỹ thuật số Trunks để chuyển mạch kỹ thuật số khác mang tín hiệu TDM và cung cấp các liên kết để xây dựng mạng có nhiều nút

Bộ điều khiển thực hiện 3 nhiệm vụ chung Đầu tiên, nó thiết lập các kết nối, điều này được thực hiện theo yêu cầu, có nghĩa là theo yêu cầu của một thiết bị đính kèm Thứ 2, các đơn vị kiểm soát phải duy trì kết nối Bởi vì việc chuyển đổi kỹ thuật số sử dụng nguyên tắc phân chia thời gian, điều này đòi hỏi phải thao tác liên tục của các thành phần chuyển đổi Thứ 3, đơn vị kiểm soát phải hủy bỏ các kết nối, hoặc để đáp ứng yêu cầu từ một trong các bên hoặc vì lý do riêng của nó

d. Mạng chặn hoặc mạng không chặn

- Mạng chặn: có thể không thể kết nối đến các trạm bởi vì tấc

cả các đường kết nối đang trong tình trạng sử dụng Được

Hình 1.5 Không gian bộ phận chuyển mạchChúng ta quay trở về việc kiểm tra các kỹ thuật chuyển mạch nội bộ đến một nút chuyển mạch đơn Không gian bộ phận chuyển mạch đã được phát triển cho môi trường tương tự và đã được thực hiện trong các lĩnh vực kỹ thuật số Một số không gian bộ phận chuyển mạch là một trong các đường tín hiệu phân chia vật lý độc lập với các đường tín hiệu khác (chia trong không gian) Mỗi kết nối yêu cầu thành lập một đường dẫn vật lý thông qua việc chuyển đổi được dành riêng cho việc truyền tín hiệu giữa 2 điểm đầu cuối Các khối xây dựng cơ bản của chuyển đổi là một giao điểm hoặc cổng bán dẫn kim loại có thể kích hoạt hoặc vô hiệu hóa bởi một đơn vị kiểm soát Hình 1.5 cho thấy một ma trận thanh ngang cơ bản với 10 đường dây vào/ra full-

duplex, ma trận có 10 đầu vào và 10 đầu ra, mỗi trạm gắn với ma trận thông qua 1 đường dẫn vào và 1 đường dẫn ra Kết nối giữa 2 đường dẫn bất kỳ bằng cách cho các giao điểm thích hợp Lưu ý rằng tổng của 100 điểm giao nhau được yêu cầu Thanh ngang chuyển đổi có 1

số hạn chế:

• Số lượng các điểm giao nhau phát triển với bình phương của số lượng các trạm thêm vào Điều này gây tốn kém lớn trong quá trình chuyển mạch

• Sự mất mát của một giao điểm chặn kết nối giữa 2 thiết bị có đường giao nhau tại điểm đó

• Các điểm giao nhau không có hiệu quả sử dụng, ngay

cả khi tấc cả các thiết bị thêm vào hoạt động, chỉ một phần nhỏ của các điểm giao nhau đang hoạt động

f. Các giai đoạn không gian bộ phận chuyển mạch

Hình 1.6 Các giai đoạn không gian bộ phận chuyển mạch

Để khắc phục những điểm hạn chế này, nhiều giai đoạn chuyển mạch được thực hiện Hình 1.6 là một ví dụ của một chuyển mạch 3 giai đoạn Đây là loại sắp xếp có 2 lợi thế hơn một giai đoạn ma trận thanh ngang giao nhau:

• Số điểm giao nhau được giảm, tăng sử dụng thanh ngang giao nhau Trong ví dụ này, tổng số điểm giao nhau cho 10 trạm được giảm từ 100 xuống 48

• Có nhiều hơn một con đường thông qua mạng để kết nối 2 thiết bị đầu cuối, tăng độ tin cậy

Tất nhiên, một trang mạng lưới nhiều tầng đòi hỏi một chương trình điều khiển phức tạp hơn Để thiết lập một đường dẫn trong một giai đoạn, nó chỉ cần thiết để cho phép 1 cổng duy nhất Trong một mạng lưới nhiều tầng, một con đường trống thông qua các giai đoạn phải được xác định và cho phép các cổng thích hợp Một xem xét với chuyển đổi một bộ phận không gian nhiều tầng là nó có thể được ngăn chặn Rõ ràng từ hình 1.5 ma trận là một giai đoạn thanh ngang giao nhau không ngăn chặn, đó là một con đường luôn luôn có sẵn kết nối một đầu vào và một đầu ra Rằng điều này có thể không phải là một trường hợp với nhiều giai đoạn chuyển đổi có thể được nhìn thấy trong Hình 1.6, các dòng nặng hơn cho các dòng đã được sử dụng Trong trạng thái này, đầu vào 10 dòng, ví dụ không thể kết nối với đầu

ra 3, 4 hoặc 5, mặc dù tấc cả những dòng đầu ra đều có sẵn Nhiều giai đoạn chuyển đổi có thể được thực hiện không ngăn chặn bằng cách tăng số lượng hoặc kích thước của các thiết bị chuyển mạch trung gian, tuy nhiên điều này làm tăng chi phí

g. Phân chia thời gian bộ phận chuyển mạch

- Hệ thống kỹ thuật số hiện đại sử dụng hệ thống kiểm soát thông minh của các thành phần phân chia không gian và thời gian

- Sử dụng kỹ thuật phân chia thời gian kỹ thuật số để thiết lập

và duy trì mạch ảo

- Phân vùng luồng bit tốc độ thấp thành các luồng chia sẽ tốc

nó thành một bộ chuyển đổi điện thoại thông minh Chuyển mạch mềm chi phí ít hơn đáng kể so với các thiết bị chuyển mạch truyền thống và có thể cung cấp nhiều chức năng hơn Đặc biệt, ngoài việc

xử lý các chức năng chuyển mạch truyền thống, một chuyển mạch mềm có thể chuyển đổi một luồng bit thoại được số hóa thành các gói Điều này mở ra một số tùy chọn để truyền, bao gồm cả tiếng nói ngày càng phổ biến trên nền IP (Internet Protocol) phương pháp tiếp cận.Trong bất kỳ chuyển đổi mạng điện thoại, các yếu tố phức tạp nhất là phần mềm đều khiển xử lý cuộc gọi Phần mềm này thực hiện định tuyến cuộc gọi và thực hiện xử lý logic cuộc gọi cho hàng trăm nghìn

tính năng tùy chỉnh gọi điện thoại Thông thường, phần mềm này chạy trên một bộ xử lý độc quyền được tích hợp với phần cứng chuyển mạch vật lý Một cách tiếp cận linh hoạt hơn là tách vật lý chức năng

xử lý cuộc gọi với chứng năng chuyển đổi phần cứng Trong thuật ngữ chuyển đổi mềm, chức năng chuyển mạch vật lý được thực hiện bởi một cổng phương tiện truyền thông (MG) và xử lý logic cuộc gọi nằm trong một bộ điều khiển phương tiện truyền thông (MGC)

Hình 1.7 minh họa kiến trúc chuyển đổi mềm Trong trường hợp sau,

MG và MGC là những thực thể riêng biệt và có thể được cung cấp bởi các nhà cung cấp khác nhau

i. Chuyển mạch vòng truyền thống

Hình 1.8 Chuyển mạch vòng truyền thốngHình 1.8 tương phản kiến trúc chuyển mạch mềm với chuyển mạch điện thoại truyền thống

2. Kỹ thuật chuyển mạch gói

Hình 2.1 Mạng chuyển mạch gói

 Chuyển mạch vòng được thiết kế cho thoại

 Chuyển mạch gói được thiết kế cho dữ liệu

 Truyền trong các gói nhỏ

 Các gói tin có chứa dữ liệu người dùng và thông tin điều khiển

o Dữ liệu người dùng có thể là một phần của một thông điệp lớn

o Thông tin điều khiển bao gồm thông tin (địa chỉ) định tuyến

 Gói tin nhận được, được lưu trữ trong một thời gian ngắn (có bộ đệm) và qua nút tiếp theo

a. Ưu điểm

 Đường truyền hiệu quả

o Liên kết đơn được chia sẽ bởi các gói tin theo thời gian

o Các gói được xếp thành hàng đợi và được gửi càng nhanh càng tốt

 Tỉ lệ chuyển đổi dữ liệu

o Trạm kết nối với nút cục bộ ở tốc độ riêng

o Các nút dữ liệu đệm nếu cần thiết để tăng hiệu suất

 Các gói dữ liệu được chấp nhận ngay cả khi mạng đang bận

 Độ ưu tiên có thể được sử dụng

b. Các kỹ thuật chuyển mạch

 Trạm ngắt các thông điệp dài thành các gói

 Các gói được gửi cùng lúc trong mạng

 Các gói được xử lý bởi 2 cách:

o Datagram

o Mạch ảo

i. Datagram

Hình 2.1 DatagramTrong cách tiếp cận datagram, mỗi gói tin được xử lý độc lập, không có tài tham khảo cho các gói tin đã đi trước Cách tiếp cận này được minh họa trong Hình 2.1, trong đó cho thấy một trình tự thời gian các ảnh chụp tiến trình của ba gói dữ liệu qua mạng Mỗi nút chọn nút tiếp theo trên con đường của gói tin, có

tính đến các thông tin tài khoản nhận được từ các nút lân cận

về lưu lượng, đường đi thất bại, và tiếp tục như vậy Vì vậy, các gói tin, đều có cùng một địa chỉ đích, không phải tất cả đi theo con đường như nhau, và chúng có thể đến không đúng thứ tự tại các điểm kết thúc Trong ví dụ này, nút kết thúc phục hồi các gói tin về thứ tự ban đầu của chúng trước khi phân phối chúng đến đích Ở một số mạng datagram, nó là đến đích chứ không phải là các nút kết thúc sắp xếp lại Ngoài ra, nó có thể cho một gói tin bị phá hủy trong mạng Ví dụ, nếu một nút chuyển đổi gói tin bị treo trong giây lát, tất cả các gói tin xếp hàng đợi có thể bị mất Một lần nữa, đó là vào nút kết thúc hoặc nút đích để phát hiện sự mất mát của một gói tin và quyết định làm thế nào

để khôi phục lại nó Trong kỹ thuật này, mỗi gói tin, xử lý độc lập, được gọi như là một datagram

ii. Mạch ảo

Hình 2.2 Mạch ảoTrong cách tiếp cận mạch ảo, một định tuyến tạo trước được thiết lập trước khi bất kỳ gói tin được gửi Một khi định tuyến được thiết lập, tất cả các gói dữ liệu giữa một cặp của các bên giao tiếp theo cùng một định tuyến thông qua mạng Điều này được minh họa trong Hình 2.2 Bởi vì định tuyến này là cố định

trong suốt thời gian kết nối luận lý, nó là hơi tương tự như một mạch trong một mạng chuyển mạch và được gọi là một mạch

ảo Mỗi gói chứa một nhận diện mạch ảo cũng như dữ liệu Mỗi nút trên định tuyến được thiết lập lại để biết nơi hướng dẫn các gói tin, không có quyết định của định tuyến nào được yêu cầu Tại bất kỳ thời điểm nào, mỗi trạm có thể có nhiều hơn một mạch ảo cho bất cứ trạm nào khác và có thể có các mạch ảo có hơn một trạm

Vì vậy, các đặc điểm chính của kỹ thuật mạch ảo là một định tuyến giữa các kênh đã được thiết lập trước khi truyền dữ liệu Lưu ý rằng điều này không có nghĩa rằng đó là một con đường chuyên dụng, như trong mạng chuyển mạch Một gói được truyền tải thì tạo một bộ nhớ đệm tại mỗi nút, và xếp hàng đợi cho đầu ra trên một dòng, trong khi các gói khác trên mạch ảo khác có thể chia sẻ việc sử dụng các dòng Sự khác biệt từ cách tiếp cận datagram là, với các mạch ảo, các nút không cần phải đưa ra quyết định định tuyến cho mỗi gói tin Nó được thực hiện chỉ một lần cho tất cả các gói tin bằng cách sử dụng mạch ảo

iii. Mạch ảo với diagram

- Mạch ảo:

• Mạng có thể cung cấp theo trình tự và điều khiển lỗi

• Gói tin được chuyển tiếp nhanh hơn

• Ít tin cậy

- Datagram

• Không có giai đoạn thiết lập cuộc gọi

• Linh hoạt hơn

• Tin cậy hơn

iv. Kích thước gói tin