4. CÔNG NGHỆ CHUYỂN MẠCH ATM
4.3.1 Sự phân loại bằng yếu tố chuyển mạch
Các thành phần chuyển mạch được sử dụng có thể được phân loại một cách rộng rãi thành hệ thống phân chia thời gian và phân chia không gian.
<Hình 4-2> Phân loại bởi các thành phần chuyển mạch
1) Hệ thống phân chia thời gian
Hệ thống phân chia thời gian được phân loại chi tiết hơn thành hệ thống bộ nhớ dùng chung và phương tiện dùng chung, và hệ thống phân chia không gian cũng được phân loại chi tiết thành hệ thống một đường và nhiều đường.
Hệ thống bộ nhớ dùng chung là một trong những hệ thống của chuyển mạch ATM hiện đang được phát triển dựa trên những khái niệm của phương pháp chuyển mạch gói của 8 aron năm 1964 và phương pháp chuyển mạch đường, thực hiện sự phân chia thời gian đồng bộ bằng đơn vị khe thời gian. Khi sử dụng phương pháp này, các thành phần chuyển mạch được tạo thành từ bộ nhớ hai cổng dùng chung cho tất cả các cổng đầu ra và đầu vào.
Như được minh hoạ trên hình 4-3, các tế bào đến từ cổng đầu vào được ghép kênh theo trình tự và sau đó được đưa vào trạng thái nối tiếp/song song trước khi được lưu giữ trong bộ nhớ dùng chung. Những tế bào đã đưa vào bộ nhớ dùng chung lại được liên kết tương ứng với số lượng cổng được chỉ định trong danh sách liên kết dành cho việc quản lý. Ngoài ra, các tế bào còn được phân loại cho mỗi cổng đầu ra bằng chức năng điều khiển và sau đó được đưa vào hàng đợi.
Các tế bào, sau khi được đưa ra từ hàng đợi đầu ra một cách tuần tự, lại được phân kênh, sau đó được biến đổi thành trạng thái nối tiếp/song song và cuối cùng được gửi ra qua kênh đầu ra. Trong phương pháp bộ nhớ dùng chung, N cổng đầu ra lần lượt được xử lý một cách tuần tự trong một khoảng thời gian cần thiết cho việc xử lý một tế bào, và tại cùng thời điểm đó, các thành phần của bộ nhớ sẽ có dải băng rộng mà có khả năng đưa ra cùng một lúc N cổng đầu ra. Do đó, khi thừa nhận tốc độ liên kết đầu vào/đầu ra là V thì tốc độ xử lý của bộ nhớ tối thiểu phải là 2NV hoặc lớn hơn.
Như vậy trong thực tế, bộ nhớ được xây dựng theo phương pháp chia nhỏ bit một cách đồng thời nhằm mục đích khắc phục giới hạn về tốc độ xử lý của bộ nhớ.
Khi đó, nếu xem xét lại các đặc trưng của phương pháp bộ nhớ dùng chung, thì hiệu suất có thể được tăng lên tới 100% và sự thực hiện đầy đủ của nó là có thể được với một lượng nhỏ bộ nhớ. Ngoài ra, nó còn có thể khai thác danh sách kết nối riêng biệt một cách phù hợp với mức độ ưu tiên huỷ bỏ các tế bào.
Tuy nhiên, phương pháp này cũng có một vài thiếu sót sau: Kích thước của thành phần chuyển mạch được bổ sung, do giới hạn về tốc độ của bộ nhớ, là nhỏ (thông thường là nhỏ hơn 8x8) và có sự khác nhau rất lớn về mặt thực hiện, phụ thuộc vào tỷ lệ mà với nó, một bộ nhớ dùng chung được sử dụng chung cho mỗi cổng. Hơn nữa, sự tổn thất tế bào sẽ tăng lên trên cổng đầu vào bao gồm một lượng nhỏ lưu lượng khi nhiều kiểu lưu lượng không giống nhau được ghép cho mỗi cổng đầu vào hoặc khi nó yêu cầu bộ điều khiển trung tâm có khả năng điều khiển đồng thời cổng đầu vào/đầu ra.
Những ví dụ điển hình cho việc sử dụng hệ thống này là tổng đài Predule được phát triển bởi CNET của Pháp và tổng đài Hitachi của Nhật vào những năm cuối của thập kỷ 80.
Hệ thống phương tiện dùng chung, tương tự như hệ thống bộ nhớ dùng chung, cũng là một trong số những hệ thống đầu tiên của chuyển mạch ATM. Khi sử dụng hệ thống này, tất cả các tế bào đi đến cổng đầu vào đều được ghép kênh bằng phương pháp phân chia thời gian dựa trên những phương tiện truyền dẫn tốc độ cao thông dụng (bus hoặc vòng). Độ rộng dải băng của những phương tiện được sử dụng thông thường cần phải lớn hơn số N của các cổng đầu vào/đầu ra và gấp hai lần tốc độ đường tuyền V.
Hình 4-4 dưới đây sẽ minh hoạ việc sử dụng bus như là một sự chia sẻ phương tiện. Mỗi cổng đầu ra được kết nối với phương tiện dùng chung thông qua bộ lọc địa chỉ và vùng đệm kiểu FIFO. Bộ lọc địa chỉ lọc ra các địa chỉ của cổng đầu ra bên trong của những tế bào được sử dụng cho việc quảng bá trên các phương tiện và sau đó lưu giữ chúng trong vùng đệm kiểu FIFO tương ứng với cổng đầu ra.
<Hình 4-4> Phương pháp môi trường dùng chung
Việc điều khiển hệ thống này dễ dàng hơn rất nhiều so với hệ thống bộ nhớ dùng chung và nó có thể hỗ trợ cho dạng quảng bá hoặc cho việc truy nhập kiểu nhân bản và có thể vận hành với vùng đệm dung lượng nhỏ. Tuy nhiên, giống như hệ thống bộ nhớ dùng chung, kích thước của các thành phần được sử dụng trong hệ thống này để khắc phục giới hạn về tốc độ của bộ nhớ không thể lớn hơn được.
Những ví dụ điển hình bao gồm ATOM (môđun bộ đệm đầu ra ATM) do NEC và PARIS của Pháp đề xuất (Hệ thống tự động định tuyến kiểu gói) Packetized Automated Routing Integrated System) của Pháp.
2) Phương pháp phân chia theo không gian
Khác với các yếu tố chuyển mạch trong phương pháp phân chia thời gian, các yếu tố chuyển mạch trong phương pháp phân chia theo không gian là các đường chuyển mạch có độ rộng dải tần như đường truyền tốc độ giữa đầu cuối ở đầu vào và đầu cuối ở đầu ra được hình thành trong các thành phần thời gian thực cho mỗi tế bào, và do đó tốc độ nhớ của các thành phần không cần phải lớn hơn 2V và việc điều khiển chức năng chuyển mạch của chúng có thể được phân tán. Ngược lại, hiện tượng được gọi là sự chặn trong (Xem "sự phân loại bằng trạng thái chặn trong" trong phần 4.3.2) được tạo ra liên quan đến cấu hình đường và do đó yêu cầu nhiều kiểu vùng đệm nhằm mục đích ngăn ngừa sự sai hỏng trong quá trình thực hiện.
Vì thành phần của phương pháp có một đường giữa các cổng đầu vào và đầu ra nên có một hệ thống ngang dọc, liên kết nối toàn bộ, và các hệ thống banyan được trình bày ở hình 4-5.
Bên cạnh đó, người ta còn đưa ra các hệ thống augumented banyan, hệ thống banyan song song , và hệ thống luân chuyển tuần hoàn (được minh hoạ trên hình 4-6), đóng vai trò là những yếu tố của hệ thống nhiều đường nhằm mục đích giải quyết vấn đề chặn trong của hệ thống một đường. Chuyển mạch chéo, được minh hoạ trên hình 4-5, có NxN điểm cắt trong các yếu tố chuyển mạch (những yếu tố này được sử dụng rộng rãi trong mạch chuyển mạch) và khi N tế bào đầu vào không được chuyển trực tiếp đến cổng đầu ra cùng một lúc thì N đường truyền riêng biệt khác nhau có thể được cung cấp. Tuy nhiên khi sự xung đột của các cổng đầu ra xảy ra thì việc điều khiển đường sẽ được thực hiện bằng cách đặt vùng đệm lên cổng đầu ra để ngăn ngừa sự tổn thất tế bào.
<Hình 4-5> Phương pháp một đường
Những tế bào đưa vào trước hết được lưu giữ trên cổng vùng đệm đầu vào và chức năng điều khiển đường kiểm tra sự xung đột của cổng đầu ra giữa N tế bào, được đặt trong vùng đệm đứng đầu tiên với trình tự FIFO. Trong trường hợp này, khi số lượng các cổng đầu vào tăng lên bởi sự chặn HOL (Head -of - the - Line), qúa trình thực hiện sẽ giảm xuống một cách đột ngột.
Nói chung, hiệu xuất cực đại không thể vượt quá 0,586 khi N rất lớn (ví dụ như N>1024) và những tế bào được xử lý trên tất cả các đường của đầu vào thì đi vào một cách liên tục (tải là 1).
Khi tải là 0,586 hoặc nhỏ hơn, qúa trình thực hiện sẽ được cải thiện khi số lượng các vùng đệm đầu vào tăng lên và trong trường hợp có 20 vùng đệm đầu vào, tỷ lệ tổn thất tế bào là 10-6 hoặc thấp hơn cho tải đầu vào đạt tới 0.5.
Kết hợp với những yếu tố ở bên trên, người ta đang đưa ra chuyển mạch ma trận bus được trang bị vùng đệm tế bào trên phần đểm cắt, thay cho cổng đầu vào, được sử dụng để khắc phục hiện tượng chặn HOL.
Chuyển mạch liên kết nối hoàn toàn, như được minh hoạ ở hình 4-5, được cấu tạo từ N bus đầu vào kiểu quảng bá, N bus đầu ra kiểu nhân bản, và NxN điểm cắt. Điều này có nghĩa là chuyển mạch kiểu này có khả năng thực hiện NxN kết nối đầy đủ.
Cấu trúc này được dự đoán như là một phiên bản cải tiến kết hợp chuyển mạch ma trận bus, đang được phát triển dựa trên chuyển mạch thanh chéo, và vùng đệm cổng đầu vào. Các ví dụ đặc trưng cho chuyển mạch kiểu này là chuyển mạch knockout và chuyển mạch ISF (Integrate Switch Fabric). Ban đầu, cấu trúc banyan, được đưa ra nhằm kết nối một cách có hiệu quả các bộ xử lý với khối bộ nhớ trong khi Goke và Lipovski tiến hành những nghiên cứu trên cấu trúc tính toán song song, là một cấu trúc chuyển mạch chỉ có duy nhất một đường nối từ một cổng đầu ra khác. Cấu trúc này được đặc trưng bởi các yếu tố chuyển mạch nhị phân có hai đầu vào và hai đầu ra được kết nối tới k cổng và quá trình truyền từ đầu vào tới đầu ra có chức năng tự truyền mà chỉ sử dụng k bit.
Người ta đã và đang đưa ra những kiến nghị sau đây nhằm cải tiến quá trình thực hiện: tốc độ liên kết trong được tăng lên để giải quyết hiện tượng chặn trong trong chuyển mạch banyan, vùng đệm được đặt trên yếu tố chuyển mạch, điều khiển luồng giữa k cổng bằng back pressure được thực hiện, kết nối song song hoặc kết nối bộ đôi được thực hiện để cải thiện đường truyền giữa đầu vào/đầu ra, và những yếu tố phân loại, yếu tố phân phối, và những yếu tố ngẫu nhiên thì được đặt ở phía trước của chuyển mạch banyan.
Cấu trúc của chuyển mạch banyan có vùng đệm, được minh hoạ trên hình 4-5, thì có một vùng đệm trên phần đầu vào của mỗi k cổng, do đó sự chặn trong sẽ được giảm xuống.
Sự truyền qua của chuyển mạch banyan tự nó sẽ giảm xuống một cách nhanh chóng khi số N tăng lên.
Ví dụ khi N là 1024, sự truyền qua là khoảng 0,26 nhưng khi chuyển mạch banyan có vùng đệm thì sự truyền qua có thể tăng lên tới 0,45.
Chuyển mạch batcher banyan, được minh hoạ trên hình 4-5, sắp xếp những tế bào đầu vào theo trình tự của kích thước địa chỉ đầu ra bằng cách sử dụng các yếu tố phân loại bitonic, được đưa ra bởi batcher, và sau đó các đường được xác định bằng cách sử dụng những yếu tố truyền banyan. Khi nhiều tế bào có địa chỉ đầu ra tại cùng một thời điểm sao cho sự xung đột cổng đầu ra xảy ra, thì chỉ có một tế bào được lựa chọn bằng việc sử dụng chức năng đặt bẫy và các tế bào được lựa chọn sẽ được tập trung lại bởi chức năng tập trung. Tiếp theo, chúng được gửi tới phần truyền dẫn, sau đó những tế bào chưa được lựa chọn sẽ được lưu giữ trên vùng đệm luân chuyển tuần hoàn và cuối cùng sẽ được xử lý trước tiên trong quá trình trao đổi tế bào tiếp theo.
Ví dụ điển hình cho cấu trúc chuyển mạch loại này là chuyển mạch starlite do phòng thí nghiệm AT&T Bell phát triển và chuyển mạch sunshine do phòng Nghiên cứu Truyền thông Bell phát triển.