Lý thuyết chuyển mạch và lưu lượng trong mạng tích hợp băng rộng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN LÊ ANH LÝ THUYẾT CHUYỂN MẠCH VÀ LƯU LƯỢNG TRONG MẠNG TÍCH HỢP BĂNG RỘNG LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG Hà Nội, 2004 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN LÊ ANH LÝ THUYẾT CHUYỂN MẠCH VÀ LƯU LƯỢNG TRONG MẠNG TÍCH HỢP BĂNG RỘNG LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN : TS.VŨ QUÝ ĐIỀM Hà Nội, 2004 Các thuật ngữ viết tắt ARPA Advanced Research Project Agency Cơ quan nghiên cứu dự án tiên tiến ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ truyền tải bất đồng BCN Broadcasting Circuit Number Số kênh quảng bá B-ICI Broadband Inter Carrier Interface Giao diện mạng băng rộng B-ISDN Broađband ISDN ISDN băng rộng CATV Cable TV Truyền hình cáp CE Circuit Emulation Giao diƯn m« pháng Non– ATM ESS Electronic Switching System Hệ thống chuyển mạch điện tử FDM Frequency division multiplexing Ghép kênh phân chia theo số FR Frame Relay FCFS First Come First Service Nguyên lý vào trước, phục vụ trước HOL Head of Line Đầu hàng IDN Interconnection Digital Networks Mạng số đa liên kết ISDN Integrated Services Digital Networks Mạng số đa dịch vụ ITU International Telecommunication Union Liên hiệp viễn thông quốc tế IP Internet protocol Giao thøc Internet GAN Global Area Network M¹ng toàn cầu LAN Local Area Network Mạng nội MAN Metropolitan Area Network Mạng đường trục NIC Network Interface Card Card giao diƯn m¹ng NNI Network to Network Interface Giao diện mạng- mạng N-ISDN Narrow ISDN ISDN băng hẹp P-NNI Private NNI Giao diện mạng - mạng dùng riêng POST Plain OLD Telepone Service PSTN Public Swiched Telephone Network M¹ng điện thoại công cộng PCM Pulse Code Modulation Điều chế m· xung SDTV Standard Digital TV Trun h×nh sè chn SDS Space division switching Chuyển mạch không gian SDM Space division multiplexing Ghép kênh theo không gian SSS Space - Space - Space Chuyển mạch tầng không gian-không gian-không gian ST Space - Time Chuyển mạch tầng Không gian - thêi gian STM Synchronous Transfer Mode ChÕ ®é truyền tải đồng TDM Time division Multiplexing Ghép kênh theo thêi gian TDS Time division switching Chun m¹ch theo thêi gian TMS Time Multiplexed Switch Chun m¹ch ghÐp theo thêi gian TSI Time Slot Interchanger Bé trao ®ỉi khe thêi gian TST Time - Space - Time Chun m¹ch tầng Thời gian - không gian - thời gian VCI Virtual Circuit Identifier Bộ nhận dạng kênh ảo UNI User Network Interface Giao diện mạng thuê bao WAN Wide Area Network Mạng diện rộng Danh mục hình vẽ Hình 1.1: Mô hình trạng thái thoại 10 T T Hình 1.2: Mô hình cụm trạng th¸i 10 T T Hình 1.3: Mô hình trạng thái cho thoại đồng gói có loại bỏ khoảng im lặng10 T T Hình 1.4: ma trËn chun m¹ch ngang däc 11 T T Hình 1.5: Bộ trao đổi khe thời gian 12 T T Hình 1.6: chuyển mạch ghép thời gian 13 T T Hình 1.7: Chuyển mạch TS để liên kết tuyến TDM 13 T T H×nh 1.8: Sự tương ứng chuyển mạch SS với TS 14 T T Hình 1.9: mạng chuyển mạch tầng TST hc SSS 14 T T Hình 2.1: Diễn tả đồ thị mạng TST SSS tương ứng 15 T T H×nh 2.2: BiĨu ®å diƠn t¶ cc nèi 16 T T Hình 2.3: Kích cỡ mạng clos 17 T T Hình 2.4: Đường nối mạng tầng 18 T T H×nh 2.5: Ma trËn Paull ®Ĩ biĨu diƠn c¸c cc nèi 18 T T H×nh 2.6: Điều kiện ma trận Paull cho nối điểm - ®iĨm 19 T T Hình 2.7: Các mạng không nghẽn chiÒu 22 T T Hình 2.8: Phân tách đệ quy cho m¹ng Benes 22 T T H×nh 2.9: M¹ng Cantor 23 T 23T Hình 2.10: Giải thuËt vßng 25 T T H×nh 3.1: Các chức kết nối với đầu không định 27 T T Hình 3.2: Nút chuyển mạch 2x2 với hai trạng thái 28 T T Hình 3.3: Xây dựng siêu tập trung dùng siêu tập trung nÐn 31 T T Hình 3.4: Phân tách hai tầng cho siêu tËp trung nÐn 32 T T Hình 3.6: Mạng Banyan đảo hình thành phân tách hai tầng đệ quy 33 T T H×nh 3.7: CÊu tróc mét mạng phân tán 35 T T H×nh 3.8: Mét kiểu kết nối nén đơn điệu 35 T T Hình 3.9: Mạng phân tán chép 36 T T Hình 3.10: Tính đối ngẫu tập trung nhiỊu-mét vµ chÐp mét-nhiỊu 36 T T Hình 3.12: Mạng tầng đa ®iÓm 38 T T Hình 4.1: Dò tìm độ sâu để truy lùng kênh 40 T T Hình 4.2: Một kết nối đa khe 42 T T Hình 4.3: Nhầm khe thời gian cạnh mạng43 T Hình 4.4: Chun m¹ch gãi nhanh 44 T T Hình 4.5: Thông lượng nối thông ảo nút chun m¹ch 45 T T Hình 4.6: Một nút chuyển mạch có đệm ®Çu 45 T T Hình 4.7: Các phương pháp thay đổi hình dạng mạng 46 T T H×nh 4.8: Tù định tuyến mạng chuyển mạch gói 47 T T H×nh 5.1: Nghẽn ngõ chuyển mạch 48 T T Hình 5.2: Nghẽn HOL chuyển mạch gói 49 T T Hình 5.3: Chuyển mạch tự định tuyến không nghÏn néi t¹i 50 T T Hình 5.4: Các điều kiện không nghẽn ®èi víi m¹ng Banyan 51 T T Hình 5.5: Kết hợp danh sách đà xếp 52 T T H×nh 5.6: Danh s¸ch bitonic víi sù nèi chÐo nhÊt 53 T T Hình 5.7: Cấu trúc đệ quy xÕp Bitonic 2x2 54 T T Hình 5.8: Mạng xếp Batcher 55 T T H×nh 5.9: Sư dơng xếp để phát tranh chấp đầu 56 T T Hình 5.10: Sắp xếpthanh lọctập trung cho giải phóng đóng gãi 57 T T Hình 5.11: Vào lại gói bị lọc để thư l¹i 58 T T Hình 5.12: Lan truyền ngược nhËn biÕt 59 T T Hình 5.13: Quá trình thăm dò chấp nhận biết gửi 60 T T Hình 6.1: Các mô hình trạng thái điện thoại 65 T T Hình 6.2: Các trạng thái đa lớp ®Çu cuèi 66 T T Hình 6.3: Các trạng thái im lặng khác điện thoại 66 T T H×nh 6.4: Thông tin truyền hình với hai trạng thái cử động 67 T T Hình 6.5: Tạo trình điểm Poisson trình Markov 74 T T Hình 6.6: Các hàm đo 76 T 23T Hình 6.7: Hoán vị hàm không thay đổi số ®o 77 T T Hình 7.1: Quá trình sinh-tử cho K đầu cuối 85 T T Hình 7.2: Không gian trạng thái đến Poisson 86 T T H×nh 7.3: Quá trình sinh-tử Markov hai thứ nguyên 88 T T Hình 7.4: Chuổi ghi dịch mô trể 91 T T Hình 7.5: Mô nghẽn trình b¸n Markov 92 T T Hình 7.6: Các trạng thái Markov hai thứ nguyên lưu lượng có tràn 96 T T Hình 7.7: Sử dụng phương tiƯn trun dÉn thø cÊp cho trµn 97 T T H×nh 7.8: Vïng R(P B )……………………………………………………….98 T R R H×nh 8.1: Các mạng chuổi song song chuổi song song 107 T T Hình 8.2: Các xác suất chiếm dụng mạng đa tÇng 109 T T Hình 8.3: Phân bó chiếm hữu đầu 111 T T Hình 8.4: So khớp tuyến rổi mạng Clos tầng 113 T T H×nh 8.5: BiĨu đồ Lee mạng phân tách đệ quy 116 T T Hình 8.6: Phép tính đệ quy khả dụng 117 T T Hình 9.1: Cấu trúc mạng viễn th«ng ATM 125 T T lời nói đầu Ngày nay, trước bùng nổ ngành công nghệ thông tin, tiến vượt bậc mặt công nghệ cho phép chế tạo vi xử lý tốc độ cao, truyền dẫn thông tin nhanh chóng Chính nhờ tiến khoa học này, mà ngày xuất nhiều loại dịch vụ nhằm thỏa mÃn nhu cầu người sử dụng với chất lượng cao Chính điều đòi hỏi phải có mạng thông tin tích hợp, đáp ứng dịch vụ với yêu cầu mặt chất lượng khác Vì vậy, việc nghiên cứu lý thuyết chuyển mạch lưu lượng cho mạng tích hợp băng rộng không nằm lý Hiện giới có nhiều công nghệ chuyển mạch, phổ biến rộng rÃi chuyển mạch kênh chuyển mạch gói công nghệ khác chuyển mạch đa tốc độ (multirate), chuyển mạch nhanh chuyển mạch cụm (burst) gói (packet) nhanh Trong năm gần đây, chuyển mạch thông tin đà trở nên quan trọng phát triển gia tăng loại hình điện thoại Ngày nay, người thực gọi mạng rộng với khả vượt trội điểm chuyển mạch khả truyền dẫn đạt tới 500 triệu máy điện thoại Chuyển mạch điện thoại đà thay đổi vài năm gần nhằm đáp ứng yêu cầu ngày tăng khách hàng với nhiều loại hình dịch vụ khác nhau, không điện thoại tích hợp nhiều dịch vụ chất lượng cao khác như: CATV, Video telephone, Để làm điều bảng chuyển mạch phải hoạt động thông qua nhiều hệ thống điện tử tích hợp, với chương trình sử lý nhằm nâng cao tốc độ giá chất lượng dịch vụ Bắt đầu từ hệ thống số phòng thí nghiệm Bell sáng tạo từ năm 1959 cho đện hệ thống chuyển mạch điện tử No.4 (4ESS: No.4 Electronic Switching System) hệ thống song song có tính cước lần sử dụng Chicago vào năm 1976 Hệ thống chuyển mạch gói cài đặt thử lần quan nghiên cứu dự án tiên tiến (ARPA: Advanced Research Project Agency) vào năm 1966 Nghiên cứu chuyển mạch không đồng (ATM) chuyển mạch gói nhanh đà thực đưa ứng dụng rộng rÃi vài năm gần Chuyển mạch lượng tử hay gọi cách khác chuyển mạch quang nghiên cứu đem ứng dụng tương lai Việc tìm hiểu lý thuyết chuyển mạch nói chung chuyển mạch dùng mạng tích hợp băng rộng nói riêng vô quan trọng nay, nhằm tạo tiền đề vững việc lựa chọn công nghệ tối ưu nhằm đại hóa ngành viễn thông nước nhà đề đón đầu theo kịp phát triển chung giới, đồng thời phải thích hợp với điều kiện Việt Nam Trong khuôn khổ luận văn, cố gắng trình bày tảng lý thuyết chuyển mạch lưu lượng mạng tích hợp băng rộng Từ tạo tiền đề cho việc nghiên cứu, áp dụng vào thực tế, xây dựng, quản lý, đầu tư mạng thông tin ngày hoàn chỉnh đáp ứng nhu cầu đáng người sử dụng Bài luận văn chia làm phần: ã Phần I: Tổng quan lý thuyết chuyển mạch mạng tích hợp băng rộng, bao gồm chương: - Chương 1: Truy nhập ghép kênh tích hợp băng rộng - Chương 2: Chuyển mạch kênh đa tầng điểm-điểm - Chương 3: Chuyển mạch kênh đa điểm suy rộng - Chương 4: Từ chuyển mạch kênh đa tốc độ đến chuyển mạch gói nhanh - Chương 5: ứng dụng xếp cho chuyển mạch không nghẽn tự định tuyến ã Phần II: Tổng quan lý thuyết lưu lượng mạng tích hợp băng rộng, gồm chương - Chương 6: Lưu lượng đầu cuối kết hợp - Chương 7: Nghẽn chia tài nguyên đơn tầng - Chương 8: Nghẽn chia tài nguyên đa tầng ã Chương 9: Vấn đề xây dựng mạng tích hợp băng rộng Việt Nam nói chung tỉnh Đắklắk nói riêng Do lý thuyết chuyển mạch lưu lượng mạng tích hợp băng rộng hai vấn đề rộng Mặt khác, vấn đề liên quan tới nhiều công nghệ khác như: truyền dẫn, ATM, Vì vậy, luận văn chắn không tránh khỏi thiếu sót Do đó, mong muốn ý kiến đóng góp thầy cô bạn đồng nghiệp Qua đây, xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn: P.G.S, T.S Vũ Quý Điềm, người đà tận tình giúp đỡ dẫn hoàn thành luận văn Chương 1: Truy nhập ghép kênh tích hợp băng rộng Trong chương này, trước tiên nghiên cứu làm cách dịch vụ chia sẻ phương tiện truyền dẫn băng rộng đơn lẻ Chúng ta từ kỹ thuật ghép kênh thời gian dịch vụ đơn tốc độ bít đến kỹ thuật ghép kênh dịch vụ đa tốc độ dịch vụ cụm Sau đó, mô tả vài kỹ thuật chuyển mạch miền không gian thời gian, sử dụng đồng thòi hai kỷ thuật 1.1 Ghép kênh theo thời gian cho dịch vụ đa tốc độ Bài toán ghép kênh truyền dẫn nói sau: giả sử có m đầu cuối thông tin T , T …, T i , …T m chia sỴ đường truyền dẫn Giả sử R R R R R R R R băng thông chia sẻ cho đầu cuối truyền dẫn thời điểm khác Chế độ ghép kênh loại gọi chế độ ghép kênh đồng (STM: Synchronous Transfer Mode) 1.1.1 Chế độ truyền tải đồng (STM) Giả sử ®­êng trun dÉn cã dung l­ỵng C bÝt/s Chóng ta sử dụng định dạng ghép kênh theo thời gian (TDM: Time Division Multiplexing) để chia băng thông sau: ã TDM đơn khe: tức đầu cuối có tốc độ b bít phát bd bít khung độ dài d Các bít đặt vào khe lựa chọn trước khung Đầu cuối sử dụng khe khung liên tiếp Khi đầu cuối T i gán khe, ta nói sở hữu kênh R R ã TDM đa cửa sổ: chia dung lượng kênh C thành K cửa sổ, có dạng TDM đa cửa sổ Mỗi khung d chia thành K cửa sổ cửa sổ có N k khe có độ R R dài e k Mỗi đầu cuối có tốc độ bít b k , kK Trong khung, kiểu đầu cuối k R R R R ph¸t n k = b k d bít Các bit khe vận chun cưa sỉ thø k, nªn cì R R R R cña khe Ýt nhÊt n k = Ce k R R R R xuống đầu nút chuyển mạch Ví dụ: tuyến từ nút đánh số 01 tầng định đánh số 010 011 tương ứng Nói cách khác, nối thêm vào số nút tuyến số nối thêm vào số nút tuyến Một tuyến kết nối nút tầng liên kết k k+1 Nút tầng k có nút đánh số số tuyến bít bên phải nhất, nút tầng k+1 cho đánh số cung cấp số tuyến bít bên trái Ví dụ: tuyến 011 kết nối nút 01 với nút 11 tầng Mạng Banyan Mạng Baseline Mạng trao đổi trộn lẫn (hay mạng Omega) Mạnh FLIP Trao đổi trộn lẫn Trao đổi trộn lẫn đảo Hình C.5: Vài mạng định tuyến có ®é phøc t¹p NlogN U U 000 001 010 011 100 101 110 111 00 00 00 01 01 10 10 10 11 11 11 01 trªn d­íi 000 001 010 011 100 101 110 111 C¹nh 011 kÕt nèi nót 01 (bá bit LSB cđa c¹nh) víi nót 11 (bỏ bit MSB cạnh) Hình C.6: Biểu diển nút tuyến mạng trao đổi trộn lẫn tự định tuyến U U Dựa vào biểu diễn này, lược đồ tự định tuyến mạng trao đổi trộn lẩn đơn giản Giả sử, ta có gói đầu vào a1a2an định cho đầu b1b2 bn Chúng ta sử dụng chuỗi b1b2bn địa tự định tuyến sử dung tuyến tầng k theo bk= bk =1 Với cách này, gói kết thúc đầu mong muốn mạng trao đổi trộn lẩn Đặc biệt hơn, gói ghé qua nút a2 an tầng đầu tiên; sử dụng cạnh a2anb1 để duyệt nút a3anb1 tầng 2;.; sử dụng cạnh ak+1 anb1. bk để duyệt nút ak+2.anb1 bk tầng k+1;; cuối đến cạnh đầu b1 .bn-1 tầng n Chúng ta sử dụng kiểu đánh số từ xuống cho nút tuyến mạng khác (hình C.5) Sự đánh số tạo chứng minh đơn giản cho tính chất sau mà sử dụng chương Xét mạng trao đổi trộn lẩn Giả sử địa tự định tuyến gói từ đầu vào thỏa mÃn điều kiện sau: Một địa hoàn toàn đơn điệu theo kiểu địa đích hoàn toàn tăng xét xuống đầu vào; Hai là, gói nén theo kiểu đầu vào rỗi hai đầu vào với gói Kế đến, đường tự định tuyến sử dụng gói không chia sẻ tuyến bên mạng trao đổi trộn lẩn Vì tuyến chia sẻ, nên không cần đặt đệm đầu vào nút bên Do đó, loại bỏ đệm bên mạng Banyan có đệm điều kiện đơn điệu nén thu cách Đầu vào Đầu 000 Nguồn 001 Cạnh 00 00 00 01 01 01 10 10 000 001 010 011 001 010 011 C¹nh 100 101 110 111 10 011 C¹nh C¹nh 110 11 11 110 11 Nguån 100 101 111 §Ých 1 Cạnh Cạnh Cạnh Cạnh Hình C.7: Tự định tuyến mạng trao đổi trộn lẫn U U C.3 Các giới hạn tổ hợp m¹ng Banyan Mét m¹ng Banyan cã thĨ nhËn biÕt exp2(1/2Nlog2N) = (NN)1/2 phép hoán vị đầu vào-ra đối số sau Có 1/2Nlog2N nút chuyển mạch x2, nút chuyển mạch 2x2 trạng thái nối chép nối ngang Do có exp2(1/2Nlog2N) trạng thái mạng khác nhau, trạng thái toàn trạng thái nhận biết kiểu kết nối riêng biệt, trạng thái định nghĩa N đường liên kết-tách rời (link disjoint path) khác đường định nghĩa kết nối đầu vào tính chất đường mạng Banyan Từ đó, số hoán vị đà nhận biết thoả mÃn biên hoán vị phép theo tổng số nút Tuy nhiên, mạng banyan nhận biết tất N! exp2(Nlog2N) hoán vị đầu vào-ra riêng biệt Thực tế, mạng Banyan có tổng số nút theo biên tổ hợp Chúng ta đà chương mạng Benes gồm mạng Baseline thuận mạng Beseline đảo (cả hai tương ứng đồng dạng với mạng Banyan), đủ để kết nối tất N! hoán vị Do đó, phân số hoán vị nhận biết mạng Banyan tiÕn tíi nh­ / N ! Nªn mạng banyan nghẽn dùng mạng chuyển mạch kênh Công suất kết hợp mạng banyan tăng đáng kể phương pháp chuyển mạch nhân tuyến nối đuôi nhân đà đề nghị, trình bày hình 4.7 (Chuyển mạch nối đuôi gấp đôi tổng số nút, hệ mạng Benes nhận biết hoán vị) Để thu số hoán vị xác nhận biết thường khó Vì hầu hết hoán vị nhận biết mạng Banyan, chuyển mạch gói nhanh sử dụng đệm tuyến bên để làm dịu nghẽn nội bộ, lại đưa trễ ngẫu nhiên phụ thuộc vào tính ngẫu nhiên địa gói nút bên mạng Banyan Trong trường hợp lý tưởng, ta giả sử gói đầu vào mạng Banyan địa độc lập ngẫu nhiên đầu Tuy nhiên, mạng Banyan có đệm bị nghẽn nghiêm trọng địa đích không ngẫu nhiên Ví dụ: đầu vào đặc ân hơn, tạo gọi điểm nóng đầu Một vấn đề khác phát sinh gói đến đầu vào tới đầu Xét ví dụ mà đầu vào gửi gói cách lặp lại đến đầu riêng biệt Phần kết nối lặp lại hoán vị làm cho mạng Banyan nghẽn Trong trường hợp tệ nhất, tuyến sử dụng N kết nối đầu vàora đà đối số sau: Một đầu nút chuyển mạch tầng kn/2 mạng Banyan tới 2k đầu vào mạng Tại tầng k=n/2, nút đến 2n/2= N đầu vào, vậy, gây tr­êng hỵp tƯ nhÊt, nhiỊu kÕt nèi sư dơng tuyến Tuy nhiên, số kết nối vượt tuyến trước tầng thứ n/2, tuyến tiến tới nhỏ 2n/2 đầu Giả sử hoán vị chắn nhau, xác suất xảy tải yêu cầu trường hợp tệ tải nhỏ N lớn Một phương tiện để giải tải phụ cách tăng tốc độ truyền dẫn mạng chuyển mạch khoảng từ ữ8 đủ (xem chương 10) Bên cạnh việc tăng tốc, sử dụng bội tuyến mạng đà hình 4.7 mà gần có ảnh hưởng việc tăng tốc tương ứng ghép kênh thời gian không gian Như thế, sử dụng mặt phẳng chuyển mạch nhân đôi, gửi gói cách ngẫu nhiên vào mặt phẳng chuyển mạch Giống rẻ nhánh mạng ngẫu nhiên hóa Mạng nối đuôi Phân bố gói Mạng ngẫu nhiên hóa Mạng định tuyến đích Hình C.8: Định tuyến ngẫu nhiên tải bất thường nội U U Hiệu hơn, sử dụng chuyển mạch nối đuôi với định tuyến ngẫu nhiên nửa đầu mạng chuyển mạch hình C.8 Tại nút nửa đầu chuyển mạch nối đuôi, gói định tun ngÉu nhiªn tíi mét hai ngâ Do đó, gói từ đầu vào định tuyến đến tuyến ngẫu nhiên chuyển mạch nối đuôi Sau đó, gói theo đường đến đầu mong mn nưa thø cđa m¹ng TÝnh ngẫu nhiên định tuyến làm giảm tải tuyến tương quan địa gói từ đầu vào Như đà đề cập trước đó, sử dụng phương pháp dẫn đến gói giải phóng Hơn nữa, dùng đệm bên tạo trễ ngẫu nhiên không mong mn Trong ch­¬ng kÕ tiÕp, chóng ta sÏ giíi thiệu mạng chuyển mạch gói luân phiên không sử dụng đệm bên trong, loại bỏ vài ảnh hưởng xấu Các mạng sử dụng mạng xếp để tạo kiểu đầu đơn điệu nén đầu vào mạng Banyan Phơ lơc D: XÊp xØ ®é lƯch lín ®· c¶i thiƯn Tr­íc hÕt, chóng ta sÏ chøng minh xấp xỉ độ lệch lớn trình Poisson bị lọc Nhớ lại Ni số cụm kiểu i, có biên độ đến khoảng chu kỳ khứ bi Giả sử cụm Poisson tới với tốc độ i, ta có mật độ xác suất sau: p Ni (ni ) = (γ i bi )ni e ibi ni ! (D.1) Vì cụm biên độ lớn đóng góp đáng kể cho P(Wy), mà đề nghị làm đối xứng lệch mật độ pNi theo Hay định nghĩa Ns,i số kiện đến cụm kiểu i, với biên độ tốc độ đến Poisson i e sai thay cho γi ThÕ γi → γ i e sai vào phương trình (D.1), ta có mật độ lệch đối xøng PN s ,i (n ) = (γ e b ) n ! i s,i sai n s ,i i e −γ i e sai bi s,i (D.2) ( ) sai = p N i (ni )e sni −γ i bi e Phương trình biểu diễn mối quan hệ phân bố Ns,i Ni Xét mật độ xác suất W = N i Ws = ∑ N s ,i Sư dơng ph­¬ng trình (D.2), thu i i mối qun hệ phân bố W Ws pW (w) = Π ni :∑ ni = w p Ni (ni ) (D.3) i =  − sni +γ ibi (e sai −1)   p N s,i (n s,i )e   ni :∑ ni = w  Π i ( )   sai  − sw+ ∑i γ ibi e −1  = Π p N s,i (n s,i ) e ni :∑ ni = w   i  = pW s (ws = w)e sw + w (s ) Hơn nữa, thẩm định dễ dàng nhờ sử dụng phương trình (6.6.10) E (Ws ) = µW (s ) vµ V (Ws ) = µW" (s ) Phân bố đuôi mong muốn là: P(W > y ) = ∞ ∫ p (w)dw (D.4) W y ∞ = − sw + µ ∫ p s (ws )e s W W (s )dw s y ∞ = e − sy + µW (s ) ∫ pW s (ws )e − s (ws − y )dws y Chóng ta chọn s=s* thoả mÃn phương trình ẩn (6.8.2) biên Chernoff Lưu ý tích phân y = àW (s*) trung bình Ws* Để tính tích phân, ta dùng định lý giới hạn trung tâm để xấp xỉ pW * phân bố Gaussian, s với trị trung bình àW(s) khoảng biến thiên àW(s) Do P(W>y) xấp xỉ bằng: ∞  (w − y )2  × exp  − s − s * (ws − y ) dws   µ "W ( s ∗ ) 2πµ "W (s *)  y  e − sy + µW (s *) ∫ =e − sy + µW (s* ) u / e ∞ ∫ u 2π e −v / dv víi u = s * µ "W ( s ∗ ) TÝch phân mà biết hàm lổi, bị giới hạn trªn bëi chóng ta thªm mét thõa sè phơ (D.5) u 2π e −u /2 Do ®ã, để cải thiện tính toán cho biªn u 2π Chernoff Chóng ta võa chøng minh xÊp xỉ độ lệch lớn trình Poisson bị lọc Cùng thừa số giữ cho W tổng nhiều biến ngẫu nhiên hữu hạn phân bố giống độc lập Sự chứng minh tương tự ngoại trừ điểm Đối với trình Poisson bị lọc, ta làm lệch tốc độ đến thừa số e sai kiên đến xung Poisson với biên độ Để tổng biến ngẫu nhiên X, làm lệch đối xứng phân bố xác suất X thành dạng Xs cho: PX s ( x ) = PX ( x )e sx P (x )e sx X x (D.6) Phần lại chứng minh giống với chứng minh trình Poisson bị lọc, bỏ qua Bây giờ, tập trung vào phương pháp số để tính phân bố đuôi W sếp chồng trình Poisson bị lọc số lượng trình luân phiên làm trạng thái Ta vừa kiểu lưu lượng cụm mô hình hoá trình Poisson có lọc, hàm sinh moment logalit tổng lưu lượng cho bởi: ) ( µW ( s ) = ∑ γ i bi e sa i (D.7) i ngược lại ®èi víi l­u l­ỵng tèc ®é biÕn ®ỉi ®­ỵc biĨu diển xác suất dựa vào biểu đồ tốc độ {(aj,pj)} Hàm sinh moment loglit gọi riêng lẽ thông thường là: k (s ) = log e ∑ p j e sa j (D.8) j Víi l­u lượng tốc độ biến đổi Poisson tổ hợp lại, tổng hàm sinh moment logalit Phân bố đuôi W xấp xỉ gần ®óng b»ng: P(W > y ) = s * 2πµ ' 'W (s *) e − (s * y àW ( s*) ) (D.9) Với àW(s*)=y Để tính (D.9), mở rộng àk(s) (D.8) trình riêng rẽ chuỗi Taylor mà tính trước Chuỗi mở rộng biểu thức (D.7) tổng số mũ, không phức tạp Chúng ta đạt chuỗi mở rộng biểu thức (D.7) sau: Đầu tiên, mở rộng đối số logalit thành chuỗi Cho ( ) µ k (s ) = log e a + a1s + a s + (D.10) = c1s + c2s2 + c3s3+…… Chóng ta cã thĨ tÝnh ci nhê thđ tơc ®Ư quy sau: i −1 ci = qi − ∑ jai − j c j i j =1 (D.11) Nh­ vËy víi hƯ số tính trước này, ta dễ dàng thu biểu thức mở rộng àk(s) hai đạo hàm thời gian thực Phương trình (D.9) liên quan đến việc giải phương trình ẩn cho s*, đặt đạo hàm àW(s) y Do đó, phương pháp Newton ứng, nhờ sử dụng đạo hàm thứ hai àW(s) Vì àW(s) hàm lồi dương theo s, nên nghiệm phương pháp Newton hiệu Thực tế, giữ lại giá trị trước s* àW(s) đạo hàm Khi àW(s) bị thay đổi cách sếp chồng biến ngẫu nhiên khác trình Poisson, tìm đảo lộn cho s* qua phương pháp Newton dùng đạo hàm trước Kinh nghiệm ước đoán đủ xác đạt với vòng lặp Các giá trị àW(s) phát sinh sau cập nhật Phân bố đuôi (D.9) hàm đơn giản giá trị tính Tài liƯu tham kh¶o Chris Dhas, Vijaya K Konangi and M Sreetharan (1996), Broadband Switching Architectures, Protocols, Design and Analysis, Mc Graw-Hill, United Kingdom Ed Taylor (1995), The Mcgraw-Hill Internetworking Handbook, Mc Graw-Hill, United Kingdom Joseph Y Hui (1990), Switching and Traffic theory for Integrated Broadband Networks, Rutgers University, New Jersey, USA Jonh Wiley & Sons (1994), Fundamentals of Telecommunication Networks, A Wiley-Interscience Publication John Wiley and Sons (1998), Switching theory architectures and performance in broadband ATM network, Achille Patytavina, Italy Mischa Schawarts (1993), Telecommunication Networks Protocols, Modeling and Analysis, Mc Graw-Hill, United Kingdom Xue Dao Gu (1997), Control and Performance in Packet, Circuit and ATM Networks, Mc Graw-Hill, United Kingdom B­u ®iƯn tỉnh Đắklắk (2004), Báo cáo tổng kết công tác điều hành quản lý mạng Viễn thông tỉnh Đắklắk Nguyễn Thúc Hải (1991), Mạng máy tính kỹ thuật ứng dụng, Đại học Bách Khoa Hà Nội 10 Nguyễn Hữu Thanh (1997), Tổng quan kỷ thuật mạng B-ISDN, Nhà xuất khoa học kỹ thuật 11 Tạp chí PC World năm 1999, 2000, 2001, 2002, 2003 Mục lục Các thuật ngữ viết tắt T 23T Danh mục hình vẽ T 23T lời nói đầu T 23T PhÇn I: Lý thuyÕt chuyển mạch mạng tích hợp băng T rộng Chương 1: Truy nhập ghép kênh tích hợp băng rộng T T 1.1 GhÐp kªnh theo thêi gian cho dịch vụ đa tốc độ T T 1.1.1 Chế độ truyền tải đồng (STM) T T 1.1.2 Chế độ truyền tải không đồng (ATM) T T 1.2 Kü thuËt ghÐp kªnh theo thêi gian cho dịch vụ cụm (bursty) 10 T T 1.3 Các cấu chuyển mạch theo không gian thời gian 11 T T 1.4 Chuyển mạch theo không gian ghép theo thời gian 11 T T 1.4.1 Chuyển mạch kênh cho tuyến STM 11 T T 1.4.2 Chuyển mạch gói cho tuyến ATM 13 T T Chương 2: Chuyển mạch kênh đa tầng điểm - điểm 15 T T 2.1 Chuyển mạch kênh ®iÓm - ®iÓm 15 T T 2.2 M¹ng chuyển mạch đa tầng 16 T T 2.3 BiĨu diƠn c¸c kÕt nèi b»ng ma trËn Paul 17 T T 2.4 Mạng Clos không nghẽn theo ®óng nghÜa 19 T T 2.5 Các mạng xếp lại 20 T T 2.6 Cấu trúc đệ quy mạng chuyển mạch 20 T T 2.7 M¹ng Cantor 22 T 23T 2.8 Giải thuật điều khiển 23 T 23T Chương 3: Chuyển mạch kênh đa điểm vµ suy réng 26 T T 3.1 Chuyển mạch kênh suy réng (Generalized Circuit Switching) 26 T T 3.2 Các giới hạn tổ hợp độ phức tạp điểm nối 27 T T 3.2.1 Các kết nối điểm - điểm 28 T T 3.2.2 Chuyển mạch đa điểm. 28 T 3.2.3 C¸c bé tËp trung 29 T 23T 3.2.4 Bé siªu tËp trung 29 T 23T 3.2.5 Các mạng chép 30 T 23T 3.3 Phân tách tầng siªu tËp trung nÐn 30 T T 3.4 TÝnh hai mỈt (Dual) - Các siêu tập trung mạng phân tán 34 T T 3.5 Xây dựng mạng chép 34 T T 3.6.Xây dựng mạng đa điểm 37 T T Chương 4: Từ chuyển mạch kênh ®a tèc ®é ®Õn chun m¹ch gãi nhanh 39 T T 4.1.Truy lïng kªnh theo độ sâu tìm kiếm 39 T T 4.2.Liên kết điểm - điểm củaTDM đa khe 41 T T 4.3.Chun m¹ch gãi nhanh 43 T T 4.4 Mạng Banyan tự định tuyến 47 T T Ch­¬ng 5: øng dơng xếp cho chuyển mạch không nghẽn tự ®Þnh T tuyÕn 48 23T 5.1 Các kiểu nghẽn chuyển mạch gãi 48 T T 5.1.1 NghÏn néi t¹i: 48 T 23T 5.1.2.Nghẽn đầu ra: 48 T 23T 5.1.3 Nghẽn đầu đường HOL (Head of Line) 49 T T 5.2 Các mạng xÕp lo¹i bá nghÏn néi t¹i 50 T T 5.3 Giải xung đột đầu chuyển m¹ch gãi 55 T T 5.3.1 S¾p xÕp–thanh läc–tËp trung víi nhập vào lại gói bị nghẽn T T 57 5.3.2 Thăm dò nhận biêt gửi với đệm đầu vào cho gói bị ứ đọng 58 T T 5.4 Lµm giảm nghẽn đầu hàng (HOL) 60 T T 5.4.1 Cho phÐp c¸c gãi sau gãi HOL tranh chÊp đầu 60 T T 5.4.2 Cho phép giải phóng nhiều lần gói HOL xung đột đến đệm T đầu 61 23T 5.5 Kết luận chuyển mạch gói kênh tích hỵp 61 T T Phần II: Lý thuyết lưu lượng mạng tích hợp băng rộng Mở đầu 64 T 23T Ch­¬ng 6: Lưu lượng đầu cuối kết hợp 65 T T 6.1.Đầu T cuối với mô hình trạng thái hữu hạn 65 6.2.Mô hình chuyển trạng thái 67 T T 6.3 Xác suất trạng thái ổn định (Stateady State Probabilities) 69 T T 6.3.1.Quá trình Markov 69 T 23T 6.3.2.Qúa trình bán Markov 70 T T 6.3.3 Quá trình luân phiên làm trạng thái 70 T T 6.4 XÕp chång l­u l­ỵng 71 T 23T 6.4.1 XÕp chång trình luân phiên làm trạng thái đồng d¹ng 72 T T 6.4.2 Phân bố poisson hội tụ phân bố nhÞ thøc 72 T 6.4.3 Các trình Poisson 73 T T 6.4.4 Sự hội tụ trình làm luân phiên xếp chồng tới trình T Poisson 74 23T 6.5 Ph©n bè lưu lượng qúa trình luân phiên trạng th¸i 75 T T 6.6 Phân bố lưu lượng trình Poisson 76 T T 6.7 Các giới hạn băng rộng vµ lt sè lín 79 T T 6.8 ¦íc lượng phân bố đuôi lưu lượng 81 T T Chương 7: Nghẽn chia tài nguyên đơn tầng 82 T T 7.1 Chia sẻ tài nguyên hữu hạn 82 T T 7.2.Chuỗi Markov bị xén xác suất ứ đọng 84 T T 7.3 Tính không nhạy xác suất ứ đọng (Insensivity of Bloking Probabilities) 89 T T 7.4 Phương pháp ngẫu nhiên tương đương 94 T T 7.4.1 Lưu lượng đa tốc độ với đến Poisson 95 T T 7.4.2 Quá trình lưu lượng 96 T T 7.5 Kü thuËt l­u lượng cho đầu cuối đa tốc độ 97 T T 7.6 Phân phối băng thông gọi côm 101 T T Chương 8: nghẽn chia sẻ tài nguyên đa tầng 103 T T 8.1.Bài toán chia sẻ tài nguyên đa tiện nghi 103 T T 8.2.NghÏn ®èi víi ®Þnh h­íng ®­êng nhÊt 104 T T 8.3 Định hướng đường luân phiên phương pháp Lee 105 T T 8.3.1 Các mạng chuổi song song 107 T T 8.3.2 Các mạng chuổi song song 109 T T 8.4 Các giả thuyết để xÊp xØ c¸c x¸c suÊt nghÏn 110 T T 8.4.1 Giả thuyết đối xứng đầu cuối 110 T T 8.4.2 T Giả thuyết đối xứng mạng.110 8.4.3 Giả thuyết đường độc lập 111 T T 8.4.4 Giả thuyết tuyến độc lập 112 T T 8.5 Định tuyến đường luân phiên -Phương ph¸p Jacobaeus 112 T T 8.5.1.Nhị thức fi nhị thức gi 113 T T 8.5.2 fi phân bố nhị thức gj phân bố erlang 114 T T 8.5.3 fi Phân bố erlang gi phân bố nhị thức 114 T T 8.5.4 Cả fi lẫn gi phân bè Erlang 114 T T 8.6 §é phøc tạp mạng không nghẽn bất đối xứng 115 T T Chương 9: Vấn đề xây dựng mạng tích hợp băng réng ë ViÖt Nam hiÖn nãi T chung tỉnh Đắklắk nói riêng 119 T 9.1 Khái niệm chung mạng rộng (B-ISDN) 119 T T 9.2.Sự phát triển thị trường viễn thông Việt Nam đầu kỷ 21 121 T T 9.3 Sù ph¸t triĨn cđa mạng viễn thông tỉnh Đăklăk 122 T T 9.3.1 Giíi thiƯu chung Đắklắk 122 T T 9.3.2 HÖ thèng truyÒn dÉn 123 T T 9.3.3.HƯ thèng chun m¹ch 123 T T 9.3.4 Hệ thống mạng di động 124 T T 9.3.5 HƯ thèng m¹ng trun sè liƯu tØnh 124 T T 9.4 Thết lập mạng viễn thông B-ISDN 125 T T 9.4.1.CÊu tróc m¹ng viƠn thông ATM (hình 9.1) 126 T T 9.4.2.C¸c giao diƯn mạng viến thông ATM 127 T T 9.4.3.ThiÕt lËp m¹ng B-ISDN 127 T T KÕt luËn 129 T 23T Phô lôc A: Néi dung nh·n 130 T T Phụ lục B: Điều kiện không nghẽn mạng Banyan 132 T T Phụ lục C: mạng tự định tuyến giới hạn tổ hợp mạng banyan 133 T T Phô lôc D: XÊp xỉ độ lệch lớn đà cải thiện 144 T T Tài liệu tham khảo 148 T 23T ... ã Chương 9: Vấn đề xây dựng mạng tích hợp băng rộng Việt Nam nói chung tỉnh Đắklắk nói riêng Do lý thuyết chuyển mạch lưu lượng mạng tích hợp băng rộng hai vấn đề rộng Mặt khác, vấn đề liên quan... chất lượng cao Chính điều đòi hỏi phải có mạng thông tin tích hợp, đáp ứng dịch vụ với yêu cầu mặt chất lượng khác Vì vậy, việc nghiên cứu lý thuyết chuyển mạch lưu lượng cho mạng tích hợp băng rộng. .. không nằm lý Hiện giới có nhiều công nghệ chuyển mạch, phổ biến rộng rÃi chuyển mạch kênh chuyển mạch gói công nghệ khác chuyển mạch đa tốc độ (multirate), chuyển mạch nhanh chuyển mạch cụm (burst)