Đánh giá hiệu suất của chuyển mạch ATM, sử dụng bộ đệm đầu vào

ĐẠI H Ọ C Q U Ố C G IA H À N Ộ I KHOA CÔNG NGHỆ v ũ THỊ THUÝ HÀ TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN ĐÁNH GIÁ HIỆU ATM,* ■ SUẤT CỦA CHUYEN m ạch ■ sử DỤNG BỘ ĐỆM ĐẦU VÀO ■ ■ » • C h u y ê n n g n h : C ô n g n g h ệ t h ô n g tin M ã số: LUẬN VĂN THẠC SỶ KHOA HỌC Người hướng dẫn :Ts Vũ Duy Lợi ! Wi họcqLoc hã NOf ị I Ỵ R t W G Ỵ À M T H Ị M T ỊN ïiilỴViL.N'j I H nội, n ăm 0 I MỤC LỤC Mở đầu C h n g l: T ổ n g q u a n ch u y ển m ch A T M 1.1 G iớ i thiệu chung 1.2 Cấu trúc tế b o A T M 1.3 M ẫu Iham ch iếu B -IS D N Cấu hình tổng quan hệ chuyển m ạch A T M 15 Chươngll: Lý thuyết hàng đợi 2.1 G iớ i thiệu chung 2 M hình đến sớm m hình đến muộn M ột số m hình hàng đợi H ệ thống hàng đợi G eom /G /1 Hệ thống hàng đợi G eorrr' /G /l 3 Hệ Ihống hàng đợi G eom /G eom /1 Hệ thống hàng đợi G e o n r ' /D /l Hệ thống hàng đợi M /D /l ChươnglII: Phân tích đánh giá hiệu suất chuyển mạch A T M , sử (lù n g b ộ đ ệm đ ầu v 3.1 X â y dựng m hình C huyển m ạch A T M , m a trận N xN với hộ đệm cổng đầu vào 2K ^* 33 39 42 49 53 54 54 58 3 Chuyển m ạch A T M , m a trận M xN với m b ộ đệm cổng đầu vào P h ụ lụ c A A M ội số hảng số liệu liên quan tới c c đồ thị phần nghiên cứu A Phân h ố tế b H O L “fresh ” A M ột số cấu trúc chu yển m ạch thương m ại tiêu hiểu cú a yg 83 £4 s ố hãng T i liệu th am k h ả o g5 T h u ậ t n g ữ v iế t tá t K ế t lu ậ n 87 90 M Ở ĐẨU C ô n g nghệ viễn th ôn g c ó bước phát triển tuyệt vời Cùng với phát triển củ a c c n g àn h cô n g ng hệ k h c điện tử, tin h ọ c, quang h ọc, công nghệ viễn ihông đ an g m an g đến ch o co n người ứng dụng tất lĩnh vự c: kinh tế, g iá o d ụ c, văn h o á, y h ọ c, thông tin quảng bá v v C c quốc gia co i V iễn th ô n g -T in h ọ c m ộ t nghành mũi nhọn đầu tư thích đ để có đư ợc nhữ ng thành tựu, vị trí xứng đáng nghiên cứu ứng dụng thơng lin , làm đòn bảy để k ích thích phát triển củ a cá c ngành kinh t ế q u ố c dân k liá c T ro n g để tài n ày , xin giới thiệu m ột cô n g nghệ viễn thơng c n g n g h ệ truyền tải k h ô n g đồng A T M , sở hệ thống xa lộ thông tin tồn cầu , m ạn g số đa tích hợp băng rộng B -ISD N P hần để tài n g h iên cứu đưực ch ia làm chương C hương I giới th iệu tổng qu an cô n g n ghệ truyền tải không đồng A T M Đ ây I cô n g nghệ đư ợc ITƯ ch ọ n làm cô n g nghệ c sở ch o m ạng số đa tích hợp băng rộng B -IS D N C ô n g n ghệ A T M k h ô n g quan tâm thơng tin loại từ đâu đến Đơn g iả n A T M cắ t tin thành c c tế bào A T M có độ dài c ố định o cte t (4 o c te t c h o phần tải tin o c te t ch o phần tiêu đ ề) C ác tế bào ghép kênh k h ô n g đ n g b ộ truyền theo phương thức hướng kết nối qua c c kênh ảo P hần tải tin truyền th ơn g suốt, phần tiêu đề dùng để x c định th iết lập k ên h ảo Chưưng II trình b y m ộ t số m hìn h hàng đợi dùng để m hình hố ch o kiểu chu y ển m ạch A T M sử dụng đệm đầu vào h o ặc đầu c c thành phần chu yển m ạch M hình G eo m /G /1 dùng để m hình hố ch o m ạng chuyển m ạch sử dụng đệm đầu vào M hình G eo m ' /D /l dùng để m hình hố ch o m ạng chuyến m ạch đệm đầu Chương III đánh giá hiệu suất chuyển m ạch A T M , sử dụng đệm đầu vào chuyển m ạch, m a trận chuyển m ạch M xN ( n o n -b lo ck in g ) Đ ể đánh giá hiệu suấl chuyển m ạch này, dùng m hình hàng đợi G eom /G /1 để m hình hố T ron g phần nghiên cứu dựa vào lý thuyết x c suất lý thuyết hàng đợi để tính tốn c c tham s ố ảnh hưởng tới hiệu suất củ a chuyổn m ạch : Thông lượng hệ thống, thời gian trễ trung bình, thời gian đợi trung hình hàng đợi, x c suất m ất tế b o v w Từ đưa c c đổ thị biểu diễn m ối quan hệ c c giá trị với tố c độ đầu vào Ả Trong phần đưa khái niệm hàm cô n g suất, dựa vào hàm ta tìm điểm đạt hiệu suất tối ưu hệ thống, với c c yêu cầu đặt CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỂ CHUYỂN m c h ATM 1.1 Giới thiệu chung Khi m ôi trưởng xã hội thơng tin hồn thiện, m ạng giao tiếp Ihơng tin băng rộng B -ISD N cần thiết phải tỏ thích nghi với c c tính tốc độ cao, hăng rộng, đa phưưng tiện V phải tính đến v iệc thiết lập m ạng ihông tin tố c độ siêu cao tầm quốc gia M ạng thồng tin băng rộng B -IS D N phát triển cá ch m rộng khả củ a m ạng ISD N tồn với m ục đích trang bị them c c loại Ưn hiệu băng rộng nhờ ảnh hưởng tiêu chuẩn truyền dẫn quang đồng (S O N E T ) Phương pháp truyền thông ISD N đưa vào ứng dụng m ạng B -IS D N M ụ c đích m ạng B -ÏSD N kết hợp c c tín hiệu liên tục thời gian thực nhóm c c tín hiệu liệu nhờ cá ch phân bố hăng rộng từ nhóm c c dịch vụ băng hẹp giám sát từ xa c c thiết bị truyền số liệu điện thoại , F A X , đến c c dịch vụ băng rộng bao gồm điện thoại thấy hình , hội nghị truyền hình , truyền ảnh với độ x c cao , truyền s ố liệu tốc độ cao truyền hình ảnh Như cần có hệ thống xử lý hiệu suất để điều khiển c c dịch vụ kh ác Đ ể đáp ứng tốt m ọi yêu cầu m ạng B -ISD N , ITU chọn cô n g nghệ truyền tải không đồng b ộ -A T M công nghệ sở cua m ạng B-1SD N N guyên lý CƯ hản cô n g nghệ A T M kết hợp c c ưu điểm m ạng chuyển m ạch truyền thống tồn từ lâu : C huyển m ạch kênh chuyển m ạch gói Chuyổn m ạch A T M sử dụng phương thức ghép kênh ihống kê (ghép kênh theo thời gian không đồng A T D M ) C ông nghệ truyền tải không đồng A T M ch ia liệu thành c c gói nhỏ có k ích thước gọi tế b (c e lls ) truyền tải theo phương thức hướnu kết nối ch o truyền tải thông tin dịch vụ thực v iệc thiết lập kênh ảo M ội kênh ả o thiết lập cu ộ c nối gán tên g iải phóng cu ộ c nối tên bị xố bỏ Cơng nghệ A T M khơng phân biệt thơng tin từ đâu đến, đưn giản cắt thành c c tế hào có k ích thước c ố định , dán tiêu đề ch o c c t ế bào, ch o có thổ định hướng tới đích m ong m uốn, đảm hảo cá c yêu cầu suốt thời gian suốt nội dung , đồng thời quán lý trình truyền tin T iêu đề tế bào chứa chức N hờ xử lý m ột cách nhanh H ình 1.1 m inh hoạ c c nguồn tin đến với c c tốc độ kh ác cắt thành c c tế bào c ó kích thước hồn toàn C ác tế bào đổ vào m ột đường ống truyền dẫn khổng lồ trộn tất c c tế bào lừ nguồn theo m ột cá ch tối ưu cho v iệc truyền tải chúng ống V iệ c tối ưu hoá thực nhờ kỹ thuật ghép kênh thống kê A T D M ( C ác tế bào đệm vào hàng đợi sau Ĩ1 Ĩ đọc theo m ột thuật tốn thích hợp F IF O ) C nghệ truyền tải k h ụ n ỗ ng b A T M cho phép truyền c c kiểu lưu lượng khác nhau: V o ic e , A u d io ,V id e o ,T e x t,Data v v T ất c c kiểu lưu lượng ghép kênh chuyển m ạch đồng thời m ột m ạng thống C c tính n ă n g ưu việt c ủ a A T M • C c tố b có kích thước c ố định cấu trúc phần tiêu đề đơn giản • Sử dụng kỹ thuât ghép kênh khơng đồng ( A T D M ), • T hông tin người dùng truyền qua kênh nối ảo theo phương Ihức hướng đấu nối (co n n ection oriented) • T hống k ê cho m ọi kiểu lưu lượng • G án độ rộng băng linh động , m ềm dẻo • G iảm c c m ạng riêng • G ia o diện tốc độ cao để chuyển m ch (5 M b p s đến G b p s), với tốc độ chuyển m ạch c ó thể đạt tới tốc độ 80G b p s m ạng đường trục • B ảo vệ đầu tư m ạng có nhờ k ết nối với m ạng A T M • T iế t kiệm giá thành quản lý vận hành báo dưỡng nhờ cô n g nghệ cao đồng ồn« dẫn 155Mbps 622Mbps 1.2Gbps 2.4Gbơs số khổng lồ H ìn h 1.1 T o tế bào ghép kênh A T M 1.2 C ấ u tr ú c tê b o A T M T ế bào A T M khối truyền tin cư phương pháp truyền tin A T M T ế bào A T M có kích c ỡ c ố định o ctets (b y te s) bao gồm o ctet (b y te s) dành ch o phần tiêu đề o ctets (b y tes) dành ch o phần tái tin C ác bít tế hào truvền qua đường truyền dẫn ( m tả hình l ) Đ irờ n g truyền dần Hình 1.2 Khuôn dạnu tế bào ATM Phấn tiêu đề A T M chia thành c c phần điều khiển chung ch o luồng tín hiệu G F C (G eneral Flow Control ), phần tín hiệu xá c định luồng ả o (V P ), xác định kênh ảo (V C I ), loại tải (P T ), tín hiệu x c định tế bào ưu tiên C L P tín hiệu kiểm tra lỗi phần tiêu đề H E C A T M qui định định dạng tiêu đổ : U N I- K huôn dạng liêu đề giao diện Người dùng- m ạng NNI - K huôn dạng tiêu đề giao diện M ạn g -M an g SỐ hít đành ch o U N I NNI k h ác nhau, số lượng vị trí củ a c c bít tương ứng ch ỉ hình 1.3 • Phần G F C : Dùng để ch ỉ giao điện củ a m trường dịch vụ , ngồi dùng để làm giảm độ rung pha c c dịch vụ có tố c độ bít khơng đổi C B R ,chỉ định dung lượng đồng dịch vụ có tố c độ hít thay đổi V B R điều khiển m ức độ tải dòng V B R C ác c đòi hỏi khả kiểm sốt cấu trúc UN I cấu hình m ạn g: hình , đường vòng , loại đơn tuyến h o ặc k ếl hợp c c loại cấu hình • V C I: K hái niệm kênh ảo A T M quan trọng: G ọ i kênh ảo nỏ ch ỉ tồn vật lý cẩn t h i ế t , lức ch ỉ thời gian thực truyền tái c c tế bào A T M Còn kênh vật lý đóng vai trò m ột “đường ố n g ” khổng ]ồ chung ch o nguồn tin V C I gọi nhận dạng kên h ảo sử dụnc, để thiết lập c c cu ộ c nối sử dụng c c bảng biên dịch c c hệ chu yển m ạch A T M C ác kênh thiết lập c c V C I đầu vào V C I đẩu gọi m ột kết nối ảo • V P I: N hận dạng đường ảo sứ dụng tưưng tự V C I dùng để thiết lập đường nối ảo từ đổu cuối đến đầu cuối ch o m ột nhóm nhiều kênh ảo M ột đưòíníì ảo có nhiều kênh ảo m inh hoạ hình 1.4 • P T : K iểu trường tin người dùng Dùng để phân biệt c c thông tin thông tin người sử dụng, số liệu báo hiệu h o ặc thông tin bảo dưỡng • C L P : Đ ộ ưu tiên tổn thất tế bào Dùng để chi khả ch o phép k h ô n g cho phép m ất cu ộ c gọi trường hợp m ạng tải C ác tế bào c ó m ức độ ưu tiên thấp C L P = ỉ bị loại bỏ tuỳ thuộc vào điều kiện cụ m ạng thời điểm xét • H E C :Đ iểu khiên lỗi tiêu đề( byte k iểm tra chu kỳ thặng d -C R C ) Nó đư ợc dùng để phát sửa lỗi ch o phần tiêu đề tế bào A T M GFC (4) VPI (8) VPĨ ( ) VPI VCI (16) V PI VCI VCI PT(3) va H EC( V C I (1 ) CLP(l) 8) Hình 1.3 VCI C L P ( l) P T (3 ) H EC(8 ) UNI N NI Đường truyền dẫn V V c c MiiSl V V c V c c ■ ỵx&ï&totëïM: -■l ‘.Vỉ ■Ị ■ ; VP H ì n h l M ối quan hệ V C ,V P đường truyền dẫn V c 1.3 M ỏ h ìn h th a m ch iếu g ia o th ứ c B -IS D N Mặt quàn lý - — X / Giao thức lớp Giao thức củalớp mức cao mức cao Lớp thích ứng ATM ộ cr Lớp ATM Lớp ATM H ìn h M hình tham chiếu giao thức A T M /B ỈS D N ITU đưa m ổ hình Iham chiếu g iao thức m ạng B -ISD N bao gồm mặt quản lý, m ặt dieu khiển m ặt khách hàng hình 1.5 M ặ t quản lý ch ia thành quản lý m ặt quản lý lớp G iao thức củ a m ặt điều khiển m ặt khách hàng phàn loại tiếp thành lớp m ứ c cao L ớp thích ứng A T M (A A L ), lớp A T M lớp vật lý 1.3.1 Chức mặt a /M ặ t b ằ n g k h c h h n g : Cung cấp c c c vân chuyển c c luồng thông tin k h ách hàng, điều khiển dòng tin, sửa lỗ i, w b /M ặ t b ằ n g đ iều k h iể n :Cung cấp chức kết nối điều khiển gọi Nói cách k h ác, m ặt điều khiển cung cấp cá c c liên quan đến thiết lập cu ộ c gọi, giám sát cu ộ c g ọi, giải phóng cu ộ c g ọ L v v N gồi cung cấp c c c điều khiển để thay đổi cá c đ ặc tính dịch vụ đường kết nối thực c /M ặ t b ằ n g q u ả n lý: M ặt quản lý cung cấp c giám sát m ạng viễn thông liên quan đến thông tin khách hàng truyền thông tin điều khiển Nó phân loại thành c quản lý m ặt ch ứ c quản lý 76 0.2 T ải đầu vào (Ả ) H ìn h Đ thị biểu diễn m ối quan hệ củ a hàm công suất tải đầu vào với c c giá trị m k h ác m M ax Pow er P( ) X 1 1 2 3 7 9 2 9 8 2 8 16 2 128 2 6 1024 2 6 B ả n g G iá trị cự c đại hàm công suất lại c c g iá trị m kh ác 77 So sánh c c đồ ihị biểu diễn hàm cô n g suất củ a c c kiến trúc chuyển m ạch k hác với c c g iá trị m luỳ ý, ta thấy nhiều hàng đợi nối vào cổng đầu vào thực đạt hiệu suất ca o hưn , giá trị hàm n g suất (P ow er) củ a cao T uy n h iên chuyển m ạch nhiều m ặt, m ức cô n g suất đỉnh kiến trúc chuyển m ạch loại lại đạt tải đầu vào X ca o V ì tuỳ thuộc vào yêu cầu tải đầu vào, dựa vào đồ thị hàm n g suất người thiết k ế chọn m ột thiết k ế phù hợp đạt hiệu suất cao ch o kiến trúc chuyển m ạch củ a m ình 78 PH Ụ L Ụ C A A l M ộ t số b ả n g s ố liệu B ả n g (C huyển m ạch A T M , m a trận chuyển m ạch khơng gian N xN , có m đệm nối với cồng đầu vào) B iổu d iễ n hàm c ô n g suất c ủ a ch u y ể n m c h đ ệm đẩu vào Tải đẩu vào( X ) m 0.2 0.17233 0.237002 0.208588 0.147488 0.090285 0.050398 0.027033 0.007164 -0.00055 -0.19212 0.17535 0.266115 0.28094 0.17663 0.27625 0.303332 0.308941 0.306725 0.303507 0.301205 0.299051 0.17702 0.279187 0.309584 0.318719 0.319235 0.317799 0.316516 0.315219 0.31467 16 0.17722 0.280584 0.312523 0.323281 0.32505 32 0.17750 0.282599 0.316719 0.329757 0.333279 0.333802 0.333639 0.333284 0.333099 0.07137 128 0.17764 0.283571 0.318727 0.332841 0.337188 0.338247 0.338391 0.338295 0.33821 1024 0.17774 0.284285 0.320195 0.33509 0.340035 0.341483 0.341849 0.34194 0.367 0.454 0.512 0.546 0.565 0.273082 0.260282 0.25013 0.575 0.583 0.586 0.92 0.243864 0.238375 0.236206 -0.12219 0.324431 0.323615 0.32271 0.29817 -0.04498 -0.00329 0.322312 0.02280S 0.10131 0.341928 0.12700S 79 B a n g (C huyển m ạch A T M , m a trận chuyển m ạch không gian N xN với m số m ặt chuyển m ạch hộ đệm nối với cổng đầu vào) Biểu diễn hàm công suất chu yển m ạch A T M đệm đầu vào T ả i dầu vào c m 0.2 0.411 0.557 0.6 37 0.66 0.6 65 0.667 0.8 0 9 0 -0.19881 -0 7 -0 38 65 -0.40273 -1 14545 0.0 7 7 0.193147 81 13 0.171106 16 83 16 71 66 0.0 9 2 70 0.214112 0.213811 0.2 13 67 0.1 69 24 1.2164' 0.0 94 09 7 1 0.219981 0.220518 2 0.2 20 47 0.194981 0.1217' 16 0 09 1 2 11 71 21 05 2 9 2 22 18 23 0.198949 32 0.0 94 11 0.211851 21 30 2 2 2 2 0.2 22 12 0.199758 0.137' 128 0.0 94 11 11 89 2 21 37 2 22 2 0.2 22 21 99 98 1024 0.0 94 11 11 89 21 38 2 2 2 22 22 22 0.2 0.1384' -0 34 3 80 B ả n g (C huyển m ạch A T M , m a trận chuyển m ạch không gian NxN với m số m ặt chuyển m ạch m đệm nối với cổng đầu vào) Biểu diễn hàin công suất cùa chuyển m ạch A TM đệin đầu vào Tải đẩu vào m 0.411 0.6 0.667 0.66 0.6 74 0.681 0.683 0.6 86 0.689 0 47 61 -0.0 -0 40273 -0 41097 -0.46248 -0.527 -0.54629 -0.5759 -0.6063 0 548 2 0.22 78 2 8 0.22 81 12 228 97 228334 0.228376 0.228401 0.1 76 713 2 32 14 0.2 32 19 23 0.23271 0.232761 0.232822 23 28 6Í 0 103 2 22 07 0.2 0.2 27 97 228 94 0.228141 28 13 0.228113 0.228071 16 0 175594 2 0.22 52 15 0.22 52 27 25 25 2 5 22517 225102 2 Í 32 0.17 52 98 0.22 37 45 22 37 22 37 0.2 23 63 223585 23 49 0.223386 128 0 175059 0.22 26 07 22 26 07 0.22 56 0.22 24 22 222362 0.22 22 56 2 1024 0.17 49 86 22 27 2 2 0.22 22 18 0.2 22 06 0.222001 22 18 2 75£ Kl Iiỉinị» Biểu diễn ihời gian trễ Irung bình hệ thống chuyển m ạch A TM , ma Irận chuyển m ạch khổng gian N xN, có m hộ đệm nối với cổng đầu vào) Biểu diễn thời gian trễ trung hình hệ thống T ả i đ ầu v o ( X ) 111 0.2 0.4 0.5 9 2.201633 9 8 -0.5 -0 0.244303 0 8 7 7 7 -0 66667 -0 5 6 -0 22779 4 1 3 3 7 4 -0 75 -0 9 -0 44019 -0 15224 41453 9 4 3 8 -0.8 -0 -0.7 3 -0.6 -0 32 -0 -0 -0 93566 -0 6 -0 8 -0 -0 0 6 64 -0 98438 -0 -0 96802 -0 95369 -0 -0 7 -0 -0 3 9 3 1024 -0 9 -0 99852 -0.99801 -0 9 - 9 5 77 0.8 92 97 0 9 -0 9 2 -0 8 -0 9 -0 69782 1.3 82 B an g B iểu diễn x c suất m ất tế bào k = , xét hệ thống chuyển m ạch A T M , ma trận chuyển m ạch không gian N xN , có m đệm nối với ] cổng đầu vào) Biểu diễn xác m suất m ất tế bào k = Tải dầu vào( Ả ) 16 32 042 0.5 0.58 83463E-19 16415E-10 012793792 04708E-25 8422E-18 0.68 0.72 0.78 0.88 0.94 557093426 0.697530864 0.840894149 962809917 0.991851517 1.90638E-09 68355E-06 0119605822 0652892562 5.00968E-22 1.88489E-18 01976E-12 0.049323428 0.584427343 2.53784E-19 41726E-07 0.312812541 69293E-22 5.81382E-11 856043459 7.55827E-21 A Phân bố Poisson củ a tế bào H O L “ fresh ” T ế bào “ fresh ” tế bào chu yển đến vị trí H O L m vị trí trạng thái tự T ro n g phần chứng m inh phân b ố tế bào H O L “fresh ” , A phân b ố P o isso n C sở chủ yếu ch o phân lích (a)G iả sử cá c hàng đẩu vào đ ộ c lập chúng chấp nhận lố c độ Ầ, m ỗi hàng m hình hoá G eo m ( Ã )/G /l (b ) Đ ích củ a tế bào phân b ố không đồng đến cổ n g đầu củ a chuyển m ạch ta giả sử m ồi tế bào H O L có x c suất phục vụ điểm bắt đầu khe thời gian q, giả sử nguyên tắc p h ụ c vụ ngẫu nhiên R O S M ậ t độ lưu lượng củ a h àn g đầu vào P - — q ; p tương đưưng với x c suất hàng dầu vào không rỗng p = l - p n; ta có /l=(ỉ-p„)q phần trước ta cổ phương trình ( ) —= — —+ Ằ a q a xác suất tế b o chu yển vào vị trị H O L , điểm bát đầu củ a khe thời gian, H O L trạng thái tự ( khơng bị khố ) s phân b ố G G iá sử c ó H hàng đầu vào khơng bị khố đidm bắt đầu củ a khe thời gian đặc b iệt(h o ặc không c ó tế bào khe thời gian trước ho ặc tế bào H O L vừa giải phóng) T ron g phần ta chứng m inh được: X4 R õ ràng plìAn bố A Poisson Vi'fi lham s ố X N »oo( tham kliào | D e lU c9 ]) A M ộ t s ố m n g c h u v ể n m c h th cm g m i tiê u b iể u p — 1ÏI [1 - - hnckpicssi ■ - — - Ị:]||| ■1 « k — (a) '|y • / I (: