Bài giảng kỹ thuật chuyển mạch

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ KỸ THUẬT CHUYỂN MẠCH (Dùng cho hệ đại học chuyên ngành ĐTVT) Hưng Yên 2015 (Tài liệu lưu hành nội bộ) MỤC LỤC MỤC LỤC CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG VIỄN THÔNG 1.1 Các mạng viễn thông truyền thống 1.1.1 Khái niệm mạng viễn thông 1.1.2 Các đặc điểm mạng viễn thông 1.1.3 Sơ lƣợc mạng viễn thông Việt Nam 1.1.4 Các c ng cụ hoạch đ nh mạng 12 1.1.5 Hoạch đ nh mạng 20 1.2 Mạng viễn thông hệ NGN(Next Generation Network) 21 1.2.1 Khái niệm 21 1.2.2 Đặc điểm mạng NGN 22 1.2.3.Các công nghệ mạng NGN 24 CHƢƠNG II: KHÁI QUÁT HỆ THỐNG CHUYỂN MẠCH SỐ 26 2.1 Ph n t ch m t cu c g i 26 2.1.1 Tín hiệu nhấc máy ( off- hook) 26 2.1.2 Sự nhận dạng thuê bao g i 27 2.1.3 Sự phân phối b nhớ kết nối thiết b dùng chung 28 2.1.4 Các chữ số đ a 28 2.1.5 Phân tích chữ số 29 2.1.6 Thiết lập đƣờng dẫn chuyển mạch 30 2.1.7 Dịng chng âm hiệu chng 30 2.1.8 Tín hiệu trả lời 30 2.1.9 Giám sát 30 2.1.10 Tín hiệu xóa kết nối 31 2.2 Kỹ thuật báo hiệu hệ thống chuyển mạch số 31 2.2.1 Giới thiệu chung 31 2.2.1.1 Khái niệm 31 2.2.1.2 Các chức báo hiệu 31 2.2.1.3 Đặc điểm hệ thống báo hiệu 32 2.2.1.4 Hệ thống thông tin báo hiệu 32 2.2.1.5 Kỹ thuật báo hiệu 33 2.2.2 N i dung báo hiệu 33 2.2.2.1 Phân tích cu c g i 33 2.2.2.2 Phân loại báo hiệu 33 2.2.3 Phƣơng pháp truyền dẫn báo hiệu 38 2.2.3.1 Báo hiệu kênh kết hợp 39 2.2.3.2 Báo hiệu kênh chung 41 2.2.4 Báo hiệu số 43 2.2.4.1 Khái niệm chung 43 2.2.4.2 Phân mức báo hiệu số 46 2.2.5 Xử lý báo hiệu tổng đài 47 2.2.5.1 Giới thiệu 47 2.2.5.2 Sự đ nh tuyến tổng đài 48 2.2.5.3 Các b thu phát báo hiệu 52 2.2.5.4 Các b tạo tone tin thông báo 54 2.3 Chuyển mạch 57 2.3.1 Chuyển mạch phân chia theo tầng 58 2.3.2 Kỹ thuật chuyển mạch 61 2.4 Điều khiển tổng đài 62 2.4.1 Hiện thực tổng đài nh n c ng 63 2.4.2 Điều khiển chung 64 2.5 Giới thiệu tổng qu n m t tổng đài kỹ thuật số SPC 64 CHƢƠNG III: KỸ THUẬT CHUYỂN MẠCH SỐ 68 3.1 Giới thiệu chung 68 3.2 Chuyển mạch kh ng gi n kỹ thuật số 70 3.3 Chuyển mạch thời gi n số 74 3.4 Các cấu tr c củ khối chuyển mạch số dung lƣợng lớn 78 3.4.1 Giới thiệu chung 78 3.4.2 Khối chuyển mạch T-S-T 80 3.4.3 Khối chuyển mạch kênh hƣớng 82 3.5 Điều khiển khối chuyển mạch số 84 3.5.1 Sơ đ khối chức 84 3.5.2 Thuật toán ch n đƣờng r i 93 3.5.3 Đ tin cậy n toàn khối chuyển mạch 95 CHƢƠNG IV: Ỹ THUẬT CHUYỂN ẠCH G I 98 4.1 Những khái niệm chuyển mạch gói 98 4.1.1 Khái niệm chuyển mạch gói (packet switching) 98 4.1.2 Mạng chuyển mạch gói PSN (Packet Switching Network) 99 4.2 Phƣơng thức hoạt đ ng mạng chuyển mạch gói PSN 102 4.2.1 Khái quát 102 4.2.2 Các chế đ làm việc mạng chuyển mạch gói 103 4.2.3 Những cố chiến lƣợc khắc phục 106 4.3 Đóng gói th ng tin 110 4.3.1 Cấu trúc gói 110 4.3.2 Phƣơng pháp kiểm tra sai CRC (Cyclic Redundancy Check) 112 4.3.3 ch thƣớc gói 113 4.4 Kỹ thuật ghép kênh mạng chuyển mạch gói 116 4.4.1 Sơ lƣợc kỹ thuật STDM (Statistical Time – Division Multiplexing) 116 4.4.2 Hoạt đ ng ghép kênh mạch ảo mạng TYMNET 119 4.5 Đ nh tuyến mạng PSN 121 4.5.1 Giới thiệu 121 4.5.2 Các phƣơng pháp đ nh tuyến 121 4.5.3 M t vài giải thuật tìm đƣờng ngắn thông dụng 129 4.6 Điều khiển lu ng liệu 130 4.6.1 Giới thiệu 130 4.6.2 Phƣơng pháp cửa sổ d ch 130 4.7 M t số giao thức chuyển mạch gói 133 4.7.1 Giao thức X.25 133 4.7.2 Giao thức TCP/IP (Transmission Control Protocol/ Internet Protocol) 134 CHƢƠNG V: CÔNG NGHỆ CHUYỂN MẠCH ATM 140 5.1 Tổng quan ATM 140 5.1.1 Giới thiệu ATM 140 5.1.2 Cấu trúc giao diện ngƣời sử dụng mạng 141 5.1.3 Tế bào ATM 144 5.1.4 Sự mô tả xáo tr n tế bào 149 5.1.5 Phân lớp ATM BISDN 149 5.1.6 Các d ch vụ: hƣớng kết nối không kết nối 156 5.1.7 Chuyển mạch đ nh tuyến B – ISDN/ ATM 158 5.1.8 Các yêu cầu báo hiệu 161 5.1.9 Chất lƣợng d ch vụ 162 5.1.10 Sự truyền tải tế bào ATM 166 5.2 Các hệ thống chuyển mạch ATM 171 5.2.1 Tổng quan mạng ATM 171 5.2.2 Cấu trúc tầng chuyển mạch ATM 174 5.3 Các khái niệm chuyển mạch ATM 177 5.3.1 Hiện tƣợng Blocking liên kết n i (bên trong) 177 5.3.2 Sự tranh chấp cổng (Output Port Contention) 178 5.3.3 Head-of- Line Blocking 178 5.3.4 Kỹ thuật truyền Multicasting 179 5.3.5 Sự ph n đ i cu c g i (Call Splitting) 179 5.4 Phân loại kiến trúc chuyển mạch ATM 181 5.4.1 Chuyển mạch phân chia theo thời gian 182 5.4.2 Chuyển mạch phân chia theo không gian 185 TÀI LIỆU THAM KHẢO 196 CHƢƠNG I TỔNG QUAN VỀ MẠNG VIỄN THƠNG 1.1 Các mạng viễn thơng truyền thống 1.1.1 Khái niệm mạng viễn thông ạng viễn th ng phƣơng tiện truyền đƣ th ng tin từ đầu phát tới đầu thu ạng có nhiệm vụ cung cấp d ch vụ cho khách hàng ạng viễn th ng b o g m thành phần ch nh: thiết b chuyển mạch, thiết b truyền dẫn, m i trƣờng truyền thiết b đầu cuối  Thiết b chuyển mạch g m có tổng đài n i hạt tổng đài gi ng Các thuê b o đƣợc nối vào tổng đài n i hạt tổng đài n i hạt đƣợc nối vào tổng đài gi ng Nhờ thiết b chuyển mạch mà đƣờng truyền dẫn đƣợc dùng chung mạng đƣợc sử dụng m t cách kinh tế  Thiết b truyền dẫn dùng để nối thiết b đầu cuối với tổng đài, h y giữ tổng đài để thực việc truyền đƣ t n hiệu điện Thiết b truyền dẫn chi làm h i loại: thiết b truyền dẫn ph truyền dẫn cáp qu ng Thiết b truyền dẫn ph thuê b o thiết b thuê b o dùng m i trƣờng thƣờng cáp kim loại, nhiên có m t số trƣờng hợp m i trƣờng truyền cáp qu ng v tuyến  i trƣờng truyền b o g m truyền hữu tuyến v tuyến Truyền hữu tuyến b o g m cáp kim loại, cáp qu ng Truyền v tuyến b o g m vi b , vệ tinh  Thiết b đầu cuối cho mạng thoại truyền thống g m máy điện thoại, máy F x, máy t nh, tổng đài PABX(Private Automatic Branch Exchange) ạng viễn th ng đƣợc đ nh nghĩ nhƣ s u: ạng viễn th ng m t hệ thống g m n t chuyển mạch đƣợc nối với nh u đƣờng truyền dẫn N t đƣợc ph n thành nhiều cấp kết hợp với đƣờng truyền dẫn tạo thành cấp mạng khác nh u ạng viễn th ng n y đƣợc chi thành nhiều loại Đó mạng mắc lƣới, mạng s o, mạng tổng hợp, mạng vòng k n mạng th ng Các loại mạng có ƣu điểm nhƣợc điểm khác nh u để phù hợp với đặc điểm củ vùng đ lý (trung t m, hải đảo, biên giới,…) h y vùng lƣu lƣợng (lƣu thoại c o, thấp,…) ạng viễn th ng n y đƣợc ph n cấp nhƣ hình 1.3 Trong mạng n y g m n t: − N t cấp 1: trung t m chuyển mạch gi ng quốc tế − N t cấp 2: trung t m chuyển mạch gi ng đƣờng dài − N t cấp 3: trung t m chuyển mạch gi ng n i hạt − N t cấp 4: trung t m chuyển mạch n i hạt − N t cấp 5: trung t m chuyển mạch từ x 1.1.2 Các đặc điểm mạng viễn thông Các mạng viễn th ng có đặc điểm chung t n m t cách riêng lẻ, ứng với m i loại d ch vụ th ng tin lại có t m t loại mạng viễn th ng riêng biệt để phục vụ d ch vụ  ạng Telex: dùng để gửi điện dƣới dạng ký tự đƣợc mã hoá bit (mã B udot) Tốc đ truyền thấp (từ 75 tới 300 bit/s)  ạng điện thoại c ng c ng, g i mạng POTS (Pl in Old Telephone Service): đ y th ng tin tiếng nói đƣợc số hó chuyển mạch hệ thống chuyển mạch điện thoại c ng c ng PSTN  ạng truyền số liệu: b o g m mạng chuyển mạch gói để tr o đổi số liệu giữ máy t nh dự gi o thức củ X.25 hệ thống truyền số liệu chuyển mạch kênh dự gi o thức X.21  Các t n hiệu truyền hình đƣợc truyền theo b cách: truyền sóng v tuyến, truyền qu hệ thống mạng truyền hình cáp CATV (Community Antenn Television) cáp đ ng trục truyền qu hệ thống vệ tinh h y cịn g i truyền hình trực tiếp DBS (Direct Bro dc st System)  Trong phạm vi qu n, số liệu giữ máy t nh đƣợc tr o đổi th ng qu mạng cục b LAN (Loc l Are Network) mà tiếng mạng Ethernet, Token Bus Token Ring i mạng đƣợc thiết kế cho d ch vụ riêng biệt kh ng thể sử dụng cho mục đ ch khác V dụ t kh ng thể truyền tiếng nói qu mạng chuyển mạch gói X.25 trễ qu mạng lớn Ngƣời t chi mạng Viễn th ng theo kh cạnh s u:  Xét góc đ kỹ thuật b o g m mạng chuyển mạch, mạng truyền dẫn, mạng truy nhập, mạng báo hiệu mạng đ ng b  Xét góc đ d ch vụ mạng Viễn th ng g m mạng s u: mạng điện thoại cố đ nh, mạng điện thoại di đ ng mạng truyền số liệu PSTN (Public Switching Telephone Network) Là mạng chuyển mạch thoại c ng c ng PSTN phục vụ thoại b o g m h i loại tổng đài: tổng đài n i hạt (cấp 5), tổng đài t ndem (tổng đài gi ng n i hạt, cấp 4) Tổng đài t ndem đƣợc nối vào tổng đài Toll để giảm mức ph n cấp Phƣơng pháp n ng cấp t ndem bổ sung cho m i n t m t AT Các AT core core cung cấp d ch vụ băng r ng cho thuê b o, đ ng thời hợp mạng số liệu n y vào mạng chung ISDN Các tổng đài cấp cấp tổng đài loại lớn Các tổng đài có kiến tr c tập trung, cấu tr c phần mềm phần cứng đ c quyền ISDN (Integrated Service Digital Network) Là mạng số t ch hợp d ch vụ ISDN cung cấp nhiều loại ứng dụng thoại phi thoại m t mạng x y dựng gi o tiếp ngƣời sử dụng – mạng đ d ch vụ m t số giới hạn kết nối ISDN cung cấp nhiều ứng dụng khác nh u b o g m kết nối chuyển mạch kh ng chuyển mạch Các kết nối chuyển mạch củ ISDN b o g m nhiều chuyển mạch thực, chuyển mạch gói kết hợp củ ch ng Các d ch vụ phải tƣơng hợp với kết nối chuyển mạch số 64 kbit/s ISDN phải th ng minh để cung cấp cho d ch vụ, bảo dƣỡng chức quản lý mạng, nhiên t nh th ng minh kh ng đủ m t vài d ch vụ cần đƣợc tăng cƣờng từ mạng từ th ng minh th ch ứng thiết b đầu cuối củ ngƣời sử dụng Sử dụng kiến tr c ph n lớp làm đặc trƣng củ truy xuất ISDN Truy xuất củ ngƣời sử dụng đến ngu n ISDN khác nh u tùy thu c vào d ch vụ yêu cầu tình trạng ISDN củ quốc gi PSDN (Public Switching Data Network) Là mạng chuyển mạch số liệu c ng c ng PSDN chủ yếu cung cấp d ch vụ số liệu ạng PSDN b o g m PoP (Point of Presence) thiết b truy nhập từ x Hiện n y PSDN đ ng phát triển với tốc đ nh nh bùng nổ củ d ch vụ Internet mạng riêng ảo (Virtu l Priv te Network) Mạng di động GSM (Global System for Mobile Telecom) Là mạng cung cấp d ch vụ thoại tƣơng tự nhƣ PSTN nhƣng qu đƣờng truy nhập v tuyến ạng chuyển mạch dự c ng nghệ ghép kênh ph n thời gi n c ng nghệ ghép kênh ph n tần số Các thành phần củ mạng là: BSC (Base Station Controller), BTS (Base Transfer Station), HLR (Home Location Register), VLR ( Visitor Location Register) MS ( Mobile Subscriber) Hiện n y nhà cung cấp d ch vụ thu đƣợc lợi nhuận phần lớn từ d ch vụ nhƣ le sed line, Fr me Rel y, AT , d ch vụ kết nối Tuy nhiên xu hƣớng giảm lợi nhuận từ d ch vụ bắt bu c nhà kh i thác phải tìm d ch vụ dự IP để đảm bảo lợi nhuận l u dài VPN m t hƣớng củ nhà kh i thác Các d ch vụ dự IP cung cấp kết nối giữ m t nhóm user xuyên qu mạng hạ tầng c ng c ng VPN đáp ứng nhu cầu củ khách hàng kết nối dạng ny-to- ny, lớp đ d ch vụ, d ch vụ giá thành quản lý thấp, riêng tƣ, t ch hợp xuyên suốt với mạng Intr net/Extr net t nhóm user Intr net Extr net hoạt đ ng th ng qu mạng có đ nh tuyến IP Các mạng riêng ảo có chi ph vận hành thấp hẳn so với mạng riêng phƣơng tiện quản lý, băng th ng dung lƣợng Hiểu m t cách đơn giản, VPN m t mạng mở r ng tự quản nhƣ m t lự ch n sở hạ tầng củ mạng WAN VPN liên kết user thu c m t nhóm k n h y giữ nhóm khác nh u VPN đƣợc đ nh nghĩ m t chế đ quản lý Các thuê b o VPN di chuyển đến m t kết nối mềm dẻo trải dài từ mạng cục b đến mạng hoàn chỉnh Các thuê b o dùng (Intr net) khác (Extr net) tổ chức Tuy nhiên cần lƣu ý n y mạng PSTN/ISDN đ ng mạng cung cấp d ch vụ liệu 1.1.3 Sơ lƣợc mạng viễn thông Việt Nam Cấu trúc mạng Để phục vụ cho d ch vụ th ng tin nhƣ thoại, số liệu, f x, telex d ch vụ khác nhƣ điện thoại di đ ng , nhắn tin,… nên nƣớc t n y mạng chuyển mạch c ng c ng cịn có mạng củ m t số d ch vụ khác Riêng mạng Telex kh ng kết nối với mạng thoại củ VNPT, mạng khác đƣợc kết nối vào mạng củ VNPT th ng qu kênh trung kế b SU ( in Switch Unit), m t số khác lại truy nhập vào mạng PSTN qu kênh thuê b o bình thƣờng, sử dụng kỹ thuật DLC(Digit l Loop C rrier), kỹ thuật truy nhập v tuyến,… Về cấu tr c mạng, mạng viễn th ng củ VNPT n y chi thành cấp: cấp quốc tế, cấp quốc gi , cấp n i tỉnh/thành phố Xét kh cạnh chức củ hệ thống thiết b mạng mạng viễn th ng b o g m: mạng chuyển mạch, mạng truy nhập, mạng truyền dẫn mạng chức Mạng chuyển mạch ạng chuyển mạch có cấp (dự cấp tổng đài chuyển mạch): gi ng quốc tế, gi ng đƣờng dài, n i tỉnh n i hạt Riêng thành phố H Ch inh có thêm cấp gi ng n i hạt Hiện n y mạng VNPT có trung t m chuyển mạch quốc tế chuyển mạch quốc gi Hà N i, Đà Nẵng, Thành phố H Ch inh ạch củ bƣu điện tỉnh đ ng phát triển mở r ng Nhiều tỉnh, thành phố xuất cấu tr c mạng với nhiều tổng đài Host, thành phố lớn nhƣ Hà N i, Thành phố H Ch inh đ ng triển kh i T ndem n i hạt ạng viễn th ng củ VNPT đƣợc chi làm cấp, tƣơng l i đƣợc giảm từ cấp xuống cấp ạng thành viên củ VNPT điều hành: VTI, VTN bƣu điện tỉnh VTI quản lý tổng đài chuyển mạch gi ng quốc tế, VTN quản lý tổng đài chuyển mạch gi ng đƣờng dài trung t m Hà N i, Đà Nẵng TpHC Phần lại bƣu điện tỉnh quản lý Các loại tổng đài có mạng viễn th ng Việt N m: A1000E củ Alc tel, NEAX61Σ củ NEC, AXE10 củ Ericsson, EWSD củ Siemens Các c ng nghệ chuyển mạch đƣợc sử dụng: chuyển mạch kênh (PSTN), X.25 rel y, AT (số liệu) Nhìn chung mạng chuyển mạch Việt N m nhiều cấp việc điều khiển b ph n tán mạng (điều khiển nằm tổng đài) Mạng truy nhập Với mạng cung cấp d ch vụ khác nh u mà có mạng truy nhập tƣơng ứng Việc tìm hiểu mạng truy nhập phần SV tự nghiên cứu chuyển mạch đ tuyến lại đƣợc chia thành m t vài loại khác nh u, đƣợc minh h a hình 5.29 Trong phần này, mơ tả sơ lƣợc hoạt đ ng, ƣu điểm, nhƣợc điểm, giới hạn vốn có m i loại chuyển mạch Hình 5.29 Sự phân loại kiến trúc chuyển mạch ATM 5.4.1 Chuyển mạch phân chia theo thời gian Trong TDS, có m t cấu trúc truyền th ng đơn bên trong, mà đƣợc chia sẻ tất tế bào di chuyển từ cổng vào tới cổng qua b chuyển mạch Cấu trúc truyền thơng bên m t BUS, m t vòng, m t b nhớ Nhƣợc điểm kỹ thuật giới hạn dung lƣợng xác cấu trúc truyền thơng bên Tuy nhiên, loại cung cấp m t ƣu điểm tất tế bào chảy d c theo m t cấu trúc truyền th ng đơn, dễ dàng đƣợc mở r ng để h trợ hoạt đ ng multicast broadcast a) Chuyển mạc dù c u i trƣờng Ở m t b chuyển mạch dùng chung môi trƣờng, tế bào đến cổng vào đƣợc ghép kênh theo thời gian m t phƣơng tiện tốc đ c o thƣờng nhƣ m t bus hay m t vòng(ring), dải thơng với N lần tốc đ đƣờng truyền vào Th ng lƣợng củ m i trƣờng đƣợc chia sẻ xác đ nh dung lƣợng b chuyển mạch đầy đủ Nhƣ hình 5.30, m i đƣờng truyền r đƣợc kết nối tới m i trƣờng tốc đ c o đƣợc chia sẻ qua m t giao diện g m m t b l c đ a chỉ(Address Filter - AF) m t b điệm FIFO lối B l c đ a kiểm tra phần đầu(header) tế bào lối vào, s u chấp nhận tế bào dành cho ch nh Phƣơng pháp tập trung có m t ƣu điểm m i cổng hoạt đ ng đ c lập đƣợc xây dựng tách biệt Tuy nhiên, nhiều 182 nguyên lý thiết kế phần cứng nhiều b đệm đƣợc yêu cầu để cung cấp giao diện tách biệt cho m i cổng Hình 5.30 Cấu trúc chuyển mạch dùng chung m i trƣờng M t khe thời gi n đƣợc chia làm N khe nh Trong m i khe nh , m t cell từ m t đầu vào đƣợc quảng bá tới tất cổng đầu r Điều làm đơn giản hóa q trình truyền đ hƣớng M t bit đặt cổng lối với m i bit hiển th tế bào đƣợc đ nh tuyến tới cổng lối mà đƣợc đ nh kèm tới phần trƣớc tế bào M i AF kiểm tra bit tƣơng ứng với đ nh xem tế bào đƣợc lƣu trữ FIFO theo đ y t nhƣợc điểm cấu trúc kích cỡ b chuyển mạch N b giới hạn tốc đ b nhớ Nói m t cách cụ thể tất tế bào lối vào N đƣợc dành cổng lối FIFO khơng thể lƣu trữ tất N tế bào m t khe thời gian kích cỡ b chuyển mạch lớn hay tốc đ đƣờng vào cao M t nhƣợc điểm khác thiếu b nhớ việc chia sẻ b đệm FIFO Khi m t cổng lối b tắc nghẽn tạm thời nạp vào lƣu lƣợng cao b đệm FIFO b đầy bắt đầu loại b tế bào Trong l c đó, b đệm FIFO khác có m t khoảng trống nhƣng kh ng thể đƣợc dùng cổng tắc nghẽn Kết là, m t b chuyển mạch dùng chung b nhớ đƣợc dùng thay b) Chuyển mạch dùng chung b nhớ Trong m t b chuyển mạch dùng chung b nhớ nhƣ hình 5.31, tất tế bào vào đƣợc ghép kênh phân chia theo thời gian vào m t dòng liệu đơn đƣợc ghi m t cách tới b nhớ dùng chung Việc đ nh tuyến tế bào đƣợc thiết lập việc rút tế bào lƣu trữ để hình thành m t 183 lu ng liệu lối r đơn Lu ng liệu s u đƣợc phân kênh vào đƣờng r khác nh u Các đ a mà cho việc ghi tế bào vào đ c tế bào lƣu trữ đƣợc cung cấp m t module điểu khiển tùy theo th ng tin đ nh tuyến đƣợc rút từ phần đầu tế bào Hình.5.31 Cấu tr c chuyển mạch dùng chung b nhớ Ƣu điểm loại chuyển mạch cung cấp ứng dụng b nhớ tốt nhất, tất cổng lối vào/ lối chia sẻ b nhớ Kích cỡ b nhớ nên đƣợc hiệu chỉnh tùy theo việc giữ tốc đ tế bào dƣới m t giá tr ch n Có hai khác việc dùng chung b nhớ cổng là: dùng chung đầy đủ(full sharing) dùng chung chia phần đầy đủ(complete partitioning) Với dùng chung chia phần đầy đủ tồn b b nhớ đƣợc chia thành N phần nhau, N số lƣợng cổng vào/ra, m i phần đƣợc gán với m t cổng cụ thể Còn dùng chung đầy đủ, tồn b b nhớ đƣợc dùng chung tất cổng mà khơng có đặt dành riêng M t vài cấu khác dùng việc đặt m t đƣờng biên biên dƣới không gian b nhớ đƣợc dùng để ngăn chặn giữ đ c quyền b nhớ m t vài cổng Giống nhƣ b chuyển mạch dùng chung m i trƣờng, b chuyển mạch dùng chung b nhớ có nhƣợc điểm tốc đ truy cập b nhớ giới hạn kích thƣớc b chuyển mạch điều khiển b chuyển mạch dùng chung b nhớ phức tạp Bởi ứng dụng đệm tốt nên loại dùng chung b nhớ phổ biến có nhiều biến thể loại dùng chung m i trƣờng 184 5.4.2 Chuyển mạch phân chia theo không gian Trong TDS, m t cấu trúc truyền th ng bên đơn đƣợc chia sẻ tất cổng vào r Trong SDS tất nhiều đƣờng dẫn vật lý đƣợc cung cấp cổng vào Những đƣờng dẫn hoạt đ ng đ ng thời làm s o để nhiều tế bào đƣợc truyền qua b chuyển mạch m t lúc Dung lƣợng tổng c ng b chuyển mạch t ch số dải thơng m i đƣờng dẫn số lƣợng đƣờng dẫn mà truyền tế bào đ ng thời Tuy nhiên thực tế b giới hạn ràng bu c thực thi phần cứng nhƣ pin thiết b , giới hạn kết nối, vấn đề đ ng b Các b chuyển mạch SDS đƣợc chia dựa số lƣợng đƣờng dẫn có hiệu lực m t vài cặp vào/ra Ở b chuyển mạch đơn đƣờng có m t đƣờng dẫn t n cho m t vài cặp vào/r , b chuyển mạch đ đƣờng có nhiều m t đƣờng dẫn cho m t vài cặp vào Ở b đơn đƣờng có điều khiển đ nh tuyến đơn giản b đ đƣờng, nhƣng b đ đƣờng lại có dung l i(fault tolerance) cao a) Các b chuyển mạc đƣờng Các b chuyển mạch đơn đƣờng đƣợc chia thành b chuyển mạch dựa crossbar, b chuyển mạch liên nối đầy đủ b chuyển mạch dựa banyan  Các b chuyển mạch Crossbar M t b chuyển mạch crossb r đƣợc hình 5.32 cho trƣờng hợp N =4, đƣờng ngang thể lối vào, đƣờng d c lối M t cách bản, m t b chuyển mạch NxN bao g m m t mảng hình vng củ N2 crosspoint hoạt đ ng riêng, tƣơng ứng với m t cặp vào – M i crosspoint có hay trạng thái có thể: cross(mặc đ nh) bar M t kết nối cổng vào i cổng r j đƣợc thiết lập việc đặt cặp crosspoint (i, j) trạng thái bar để crosspoint khác d c kết nối trì trạng thái cross Trạng thái bar m t crosspoint đƣợc kích hoạt riêng lẻ tế bào vào đ ch củ đƣợc làm thích hợp với đ a lối Khơng m t thơng tin tồn b tế bào khác đ ch củ đƣợc u cầu Đặc tính đƣợc g i đặc tính tự đ nh tuyến(self-routing), tính phức tạp việc điều khiển đƣợc giảm cấu chuyển mạch chức điều khiển đƣợc phân bố tất crosspoint 185 Các b chuyển mạch crossbar có ba tính chất thú v là: nonblocking, cấu trúc đơn giản, m đun hó Tuy nhiên trở nên phức tạp mà số lƣợng crosspoint lên đến N2 Sự đ nh để lựa ch n thành công cho tất lối m i khe thời gian cịn trở thành m t nghẽn cổ chai hệ thống mà kích cỡ b chuyển mạch gi tăng Có v trí cho b đệm m t b chuyển mạch crossbar: (a) crosspoint cấu chuyển mạch, (b) lối vào b chuyển mạch, (c) lối vào lối b chuyển mạch Ở m i lại có ƣu nhƣợc điểm riêng Hình 5.32 M t b chuyển mạch crossbar cỡ 4x4 Hình 5.33a minh h a chiến lƣợc đệm tế bào crosspoint B chuyển mạch ma trận bus (B X) đƣợc đề xuất Fujitsu m t ví dụ loại AF chấp nhận tế bào dành trƣớc cho cổng r tƣơng ứng lƣu ch ng b đệm Các tế bào mà đợi b đệm m t c t đƣợc ch n cho cổng với m t tế bào m i khe B chuyển mạch làm việc không trải qua giới hạn th ng lƣợng đƣợc gánh việc đệm lối Trong m t hoàn cảnh cụ thể tƣơng tự để đạt đƣợc việc xếp hàng đợi lối ra, với khác nh u hàng đợi cho 186 m i l i r đƣợc phân bố qua N b đệm Khi khơng có chia sẻ N b đệm tổng b nhớ đƣợc yêu cầu cho m t tốc đ cho trƣớc lớn yêu cầu cho xếp hàng đợi lối r (nhƣ trƣờng hợp dùng chung m i trƣờng) Khi b nhớ đệm yêu cầu nhiều dung lƣợng cố đ nh m t chip logic crosspoint việc bao g m b đệm crosspoint m t chip giới hạn khắt khe số lƣợng crosspoint m t chip Hình 5.33b minh h a b chuyển mạch xếp hàng đợi lối vào Việc tách biệt b đệm từ crosspoint đáng mong m i từ tầm nhìn mang tính súc tích mạch mà M t tế bào đến m t lối vào trƣớc tiên vào b đệm, chờ đợi đến phiên đƣợc chuyển mạch qua b chuyển mạch Với giải pháp tranh chấp đƣợc ph n tán xung đ t đƣợc giải m t cách riêng lẻ crosspoint Khi m t tế bào đến m t crosspoint mà sẵn đƣợc đặt m t tế bào trƣớc đó, h y tranh chấp với tế bào khác đ ng tr nh chấp m t tính hiệu blocking đƣợc tạo gửi tới cổng lối vào Điều để block truyền dẫn tế bào để giữ tế bào b đệm lối vào cho cố gắng sau Với giải pháp tranh chấp tập trung chức ph n xử đƣợc sử dụng cho m i cổng r để giải tranh chấp, m t tế bào đƣợc dành cho m t cổng r đƣợc cho phép đƣợc chuyển tiếp đến cấu chuyển mạch  Các b chuyển mạch liên nối đầy đủ Trong m t b chuyển liên nối đầy đủ, tính kết nối đầy đủ lối vào lối r thƣờng đƣợc hình thành bus quảng bá riêng rẽ từ tất cổng lối vào tới tất cổng lối r , nhƣ hình 5.34 N b đệm riêng lẻ đƣợc yêu cầu m t b chuyển mạch này, m i m i cổng lối Tuy nhiên N b đệm lối b chuyển mạch liên nối đầy đủ đƣợc chia đ nh tới đƣờng vào trở nên giống hệt với b chuyển mạch đệm crosspoint cung cấp tính phức tạp thực thi hiệu 187 Hình 5.33 Các chiến lƣợc đệm khác cho m t b chuyển mạch crossbar 188 Hình.5.34 M t b chuyển mạch liên nối đầy đủ B chuyển mạch liên nối đầy đủ hoạt đ ng m t loại giống nhƣ b chuyển mạch dùng chung m i trƣờng M t tế bào từ m t vài cổng lối vào đƣợc quảng bá tới tất cổng lối r Do tế bào từ cổng lối vào riêng rẽ đƣợc truyền m t lúc tới cổng lối Vì b l c tế bào b đệm đƣợc đ nh (m i loại cho m t cổng lối r ) đƣợc yêu cầu để l c tế bào đƣợc phân phát nhầm để lƣu trữ tạm thời tế bào đƣợc trù đ nh từ trƣớc đ ng cách Tuy nhiên b chuyển mạch liên nối đầy đủ khác với b chuyển mạch dùng chung m i trƣờng ch yêu cầu overhead tăng tốc b gây truyền qu m i trƣờng dùng chung đƣợc thay yêu cầu overhead không gian N2 bus quảng bá riêng rẽ Đ y m t nhƣợc điểm t nh toán loại chuyển mạch Ƣu điểm b chuyển mạch liên nối đầy đủ nằm cấu trúc nonblocking đơn giản, giống nhƣ b chuyển mạch crossbar B chuyển mạch knockout m t ví dụ loại  Các b chuyển mạch kiểu Banyan( Banyan-Based Switches) Những b chuyển mạch Banyan m t h loại chuyển mạch tự đ nh tuyến đƣợc xây dựng từ 2x2 thành phần chuyển mạch với m t đƣờng dẫn đơn m t vài cặp vào/r Nhƣ hình 5.35 có tơpơ thu c h Banyan mạng Delta, Omega banyan Tất chúng yêu cầu thực thi tƣơng ứng B chuyển mạch Banyan cung cấp ƣu điểm khác nhau: thứ có m t tính phức tạp củ đƣờng dẫn yếu tố chuyển mạch N logN (các yếu tố làm phù hợp b chuyển mạch crossbar liên nối đầy đủ), tính phức tạp N2 cho cấu trúc b chuyển mạch lớn Sự tự đ nh tuyến 189 m t đặc tính thu hút ch khơng cần cấu điều khiển cho việc đ nh tuyến tế bào Th ng tin đ nh tuyến đƣợc chứa tế bào, đƣợc dùng tế bào đƣợc đ nh tuyến d c đƣờng dẫn(tuyến nối) Cấu trúc song song b chuyển mạch cung cấp m t điểm lợi ch tế bào riêng rẽ tuyến khác đƣợc xử lý đ ng thời Tùy thu c vào cấu tr c đệ qui module mà b chuyển mạch cỡ lớn đƣợc xây dựng cách sử dụng thành phần chuyển mạch sơ cấp mà khơng chỉnh sửa cấut trúc Điều đƣợc thực m t cách thích hợp VLSI Hình 5.35 Ba tơpơ khác chuyển mạch Banyan Mặt hạn chế b chuyển mạch kiểu banyan b chuyển mạch blocking bên Sự thực thi làm giảm s t nh nh chóng k ch thƣớc b chuyển mạch gi tăng Sự thực thi đƣợc cải tiến MxM thành phần chuyển mạch đƣợc triển khai thay cho 2x2 thành phần chuyển mạch Điều đƣ đến lớp b chuyển mạch delta B chuyển mạch delta m t h b chuyển mạch tự đ nh tuyến đƣợc xây dựng từ MxM thành phần chuyển mạch với m t đƣờng dẫn đơn m t vài cổng lối vào Trong thực thi b chuyển mạch delta tốt b chuyển mạch loại b ny n khác, nhƣng m t b chuyển mạch blocking Sự thực thi b chuyển mạch b giảm tùy thu c vào tranh chấp bên Điều đƣợc cải tiến cách gi tăng tốc đ liên kết n i bên b chuyển mạch cổng r vào h y đƣ vào b đệm vào thành phần chuyển mạch 190 b) Các b chuyển mạc đa đƣờng Các b chuyển mạch đ đƣờng đƣợc chia thành b chuyển mạch augmented banyan, b chuyển mạch Clos, b chuyển mạch multiplane, b chuyển mạch quay vòng(recirculation) nhƣ hình 5.36 Hình 5.36 Những b chuyển mạch đ đƣờng phân chia theo không gian  Augmented Banyan Switches Ở m t b chuyển mạch b ny n NxN bình thƣờng tế bào qu logN tầng thành phần chuyển mạch trƣớc đến đ ch chúng B chuyển mạch augmented banyan có nhiều tầng b chuyển mạch banyan bình thƣờng Ở b chuyển mạch b ny n bình thƣờng, m t tế bào b chệch hƣớng tới m t kết nối kh ng đ ng lạc đƣờng từ m t tuyến nối đ c đ nh trƣớc tế bào kh ng đƣợc đảm bảo để đến lối r đƣợc u cầu Cịn b chuyển mạch augmented banyan tế bào b chệch hƣớng đƣợc cung cấp nhiều h i để đƣợc đ nh tuyến tới đ ch lần việc sử dụng tầng đƣợc tăng lên( ugmented) sau Khi tế bào b chệch hƣớng khơng đến đ ch sau tầng cuối b loại b Ƣu điểm b chuyển mạch b ny n đƣợc tăng thêm tỉ lệ tế bào đƣợc giảm Sự thực thi b chuyển mạch đƣợc cải tiến Còn nhƣợc điểm loại chuyển mạch lƣợc đ đ nh tuyến phức tạp Các tế bào đƣợc kiểm tra tất tầng đƣợc tăng thêm để xác đ nh xem đến cổng 191 r yêu cầu củ ch ng h y chƣ Nếu đ ng ch ng đƣợc gửi tới module giao diện lối Còn kh ng, đƣợc đ nh tuyến đến tầng b kiểm tra lần M t nhƣợc điểm số lƣợng tầng đƣợc tăng lên cần có đ lớn thích hợp Việc thêm tầng vào b chuyển mạch làm gi tăng t nh phức tạp phần cứng B chuyển mạch banyan tandem b chuyển mạch tr o đổi bố trí lại đ i (du l shuffle exch nge switch) m t ví dụ loại  Three-Stage Clos Switches Cấu trúc chuyển mạch Clos ba tầng đƣợc hình 5.36b, bao g m tầng module chuyển mạch Ở tầng đầu tiên, N đƣờng lối vào đƣợc chia thành r nhóm củ n đƣờng M i nhóm củ đƣờng đến m i module chuyển mạch tầng Có m lối module chuyển mạch tầng đầu tiên; m i kết nối tới tất m module chuyển mạch tầng thứ h i Tƣơng tự nhƣ m i module chuyển mạch tầng thứ hai có t lối r để r i lại kết nối tới tất t module chuyển mạch tầng thứ Còn tầng thứ 3, N lối r đƣợc cung cấp nhƣ t nhóm củ s đƣờng M t điều cần quan tâm với loại chuyển mạch Clos ba tầng có blocking Hình 5.37 m t b chuyển mạch Clos tầng với N = 9, n = m = Những đƣờng đậm biểu th tuyến mà sẵn sàng đƣợc dùng Nó lối vào cổng số đƣợc kết nối tới cổng lối lẫn lối số 6, lối r sẵn sàng Bằng cách gi tăng giá tr m (số lƣợng cổng từ m i module chuyển mạch tầng hay số lƣợng module chuyển mạch tầng thứ 2) giảm đƣợc tƣợng blocking Để tìm đƣợc giá tr m cho m t b chuyển mạch ba tầng nonblocking xem hình 5.38 192 Hình 5.37 Ví dụ tƣợng blocking n i m t b chuyển mạch Clos tầng Chúng ta cần thiết lập m t tuyến nối từ cổng a tới cổng b M t tình trạng xấu cho blocking xuất tất n – đƣờng vào n – đƣờng lại lại đ ng bận đ ng đƣợc kết nối tới module chuyển mạch tầng khác Do có (n – 1) + (n – 1) = 2n – module chuyển mạch tầng không sẵn sàng để tạo m t tuyến nối từ a tới b Tuy nhiên, có module chuyển mạch tầng t n m t liên kết thích hợp sẵn sàng cho kết nối Do đó, m t b chuyển mạch Clos ba tầng nonblocking nếu: m > 2n – + = 2n – Tổng số Nx crosspoint m t b chuyển mạch Clos ba trạng thái đối xứng ( nhƣ t = r s = n) là: N N x  Nm  m   n Thay m = 2n – vào phƣơng trình cho Nx t đƣợc biểu thức cho b chuyển mạch Clos ba tầng nonblocking nhƣ s u: N N x  N (2n  1)  (2n  1)   n Với b chuyển mạch cỡ lớn, n lớn lẫy xấp xỉ: 2 N N N x  N (2n)  (2n)   Nn  2   n  n 193 Hình 5.38 Điều kiện nonblocking cho m t b chuyển mạch Clos ba tầng Để tối ƣu hó số lƣợng crosspoint ta lấy vi phân biểu thức Nx theo n   đặt kết T đƣợc n  N 2 Thay giá tr n vào biểu thức Nx ta đƣợc: N x  N  O( N ) B chuyển mạch Clos ba tầng có m t ƣu điểm giảm đƣợc phức tạp phần cứng từ O(N2) b chuyển mạch 3/2 crossbar xuông O(N ) đƣợc thiết kế để nonblocking Hơn cịn cung cấp đ tin cậy có nhiều m t tuyến nối qua b chuyển mạch để kết nối từ cổng vào tới cổng r Nhƣợc điểm b chuyển mạch loại m t vài cấu thông minh nhanh cần đƣợc để xếp lại kết nối tất khe thời gian tế bào theo tế bào đến blocking bên đƣợc ngăn ngừ Điều có tƣợng nghẽn cổ ch i k ch thƣớc b chuyển mạch trở nên lớn lên Thực tế thật khó để ngăn chặn tƣợng blocking bên b thân b chuyển mạch nonblocking Khi kết nối liên kết bên xuất th ng lƣợng b giảm Điều đƣợc cải tiến việc gi tăng số lƣợng liên kết bên module chuyển mạch để có nhiều tuyến nối cho tế bào đ nh tuyến Việc gi tăng dải thông liên kết bên cịn có ích ch thay cho việc có m t tế bào cho m i kết nối bên m i khe thời gian nhiều m t tế bào từ module lối vào( module mà đƣợc dành trƣớc cho module thứ 3) đƣợc đ nh tuyến M t cách khác để giảm blocking bên đ nh tuyến tế bào m t kiểu ngẫu nhiên Nếu module chuyển mạch 194 trung tâm có b đệm phải đƣợc làm cổng lối r để trì xếp thứ tự tế bào  Multiplane Switches Nhƣ hình 5.36c, b chuyển mạch multiplane quy cho b chuyển mạch mà có nhiều (thƣờng xác đ nh)plane chuyển mạch Những b chuyển mạch multipl ne đƣợc đề ngh chủ yếu nhƣ cách để gi tăng th ng lƣợng hệ thống Bằng việc sử dụng m t vài cấu để phân bố tải lƣu lƣợng vào xung đ t tế bào bên b chuyển mạch đƣợc giảm Hơn nhiều m t tế bào đƣợc truyền tới m t cổng cách sử dụng plane chuyển mạch, đƣờng lối hoạt đ ng tốc đ c o đƣờng lối vào M t ƣu điểm khác b chuyển mạch multiplane đƣợc sử dụng để đạt đƣợc đ tin cậy cao mát tồn b plane chuyển mạch giảm dung lƣợng nhƣng kh ng giảm khả liên kết b chuyển mạch Tuy nhiên xếp tế bào đƣợc phân bố trừ tế bào thu c m t kết nối đƣợc đẩy để dùng m t mặt b chuyển mạch banyan song song b chuyển mạch Sunshine ví dụ b chuyển mạch multiplane  Recirculation Switches Những b chuyển mạch quay trịn hình 5.36d đƣợc thiết kế để điều khiển vấn đề kết nối cổng Bằng việc quay tròn tế bào (các tế bào mà kh ng đến đƣợc cổng suốt khe thời gian tại) trở lại cổng lối vào qua m t hệ tuyến nối quay trịn tỉ lệ tế bào đƣợc giảm Điều làm cho th ng lƣợng hệ thống gi tăng Nhƣợc điểm b chuyển mạch quay tròn yêu cầu m t b chuyển mạch lớn để đặt cổng quay tròn Và việc quay tròn làm xuất l i xếp M t vài cấu cần trì xếp tế bào tế bào m t kết nối 195 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đào Văn Đã - Nguyễn Thành Long, Giáo trình kỹ thuật chuyển mạch, ĐHSP T Hƣng Yên, 2015 [2] Nguyễn Văn Điềm, Giáo trình kỹ thuật chuyển mạch số, NXB GD, 2005 [3] Nguyễn Th nh Hà, Giáo trình kỹ thuật chuyển mạch tổng đài số, NXBKH KT Hà N i, 2009 [4] i Văn Quý, Nguyễn Hữu iên, Nguyễn Văn Giáo, Giáo trình ỹ thuật chuyển mạch, HVKTQS, 2001 [5] Hoàng Tr ng inh - Nguyễn Th nh Trà, ỹ thuật chuyển mạch 1, HVCNBC Viễn th ng, 2007 [6] Roger L Freeman, Fundamental of telecommuniction 196 ... tổng đài kỹ thuật số SPC 64 CHƢƠNG III: KỸ THUẬT CHUYỂN MẠCH SỐ 68 3.1 Giới thiệu chung 68 3.2 Chuyển mạch kh ng gi n kỹ thuật số 70 3.3 Chuyển mạch thời... m kết nối chuyển mạch kh ng chuyển mạch Các kết nối chuyển mạch củ ISDN b o g m nhiều chuyển mạch thực, chuyển mạch gói kết hợp củ ch ng Các d ch vụ phải tƣơng hợp với kết nối chuyển mạch số 64... NGN Công nghệ chuyển mạch Chuyển mạch m t thành phần lớp mạng chuyển tải củ cấu tr c NGN nhƣng có th y đổi lớn mặt c ng nghệ so với thiết b chuyển mạch TD trƣớc đ y C ng nghệ chuyển mạch củ mạng