Công nghệ chuyển mạch kênh ựược tiếp cận tốt nhất bằng việc xem xét hoạt ựộng của một node chuyển mạch ựơn. Mạng ựược xây dựng xung quanh một node chuyển mạch ựơn gồm một tập hợp các trạm gắn với một ựơn vị chuyển mạch trung tâm. Chuyển mạch trung tâm thiết lập ựường dẫn phân bố giữa hai thiết bị bất kỳ muốn trao ựổi thông tin. Hình 2-4 mô tả các thành phần chắnh của mạng một node chuyển mạch. Các ựường gạch ựứt bên trong chuyển mạch biểu thị các nối kết hiện hành.
.
Hình 2-4 Các thành phần của một node chuyển mạch
Trái tim của một hệ thống hiện ựại ựó chắnh là chuyển mạch số. Chức năng của chuyển mạch số là cung cấp một ựường dẫn tắn hiệu trong suốt giữa các cặp thiết bị ựầu cuối. đường dẫn là trong suốt bởi vì nối kết nối trực tiếp giữa hai thiết bị. Thông thường, các nối kết này là song công.
Thành phần giao tiếp mạng ựại diện cho các chức năng của phần cứng cần thiết ựể nối cho các thiết bị số như các thiết bị xử lý dữ liệu hoặc các máy ựiện thoại số với mạng. Các ựiện thoại tương tự cóthể ựược nối với mạng nếu giao tiếp mạng có chứa bộ chuyển ựổi tắn hiệu tương tự sang tắn hiệu số. Các ựường trung kế ựến các chuyển mạch số khác cung cấp các tuyến ghép kênh cấu thành mạng.
Chuyển mạch phân chia không gian (Space Division Switching)
đơn vị ựiều khiển tiến hành 3 chức năng chắnh, ựầu tiên, chắnh là chức năng thiết lập nối kết, ựây chắnh là chức năng hạot ựộng theo yêu cầu của thiết bị ựược nối với tổng ựài. để thiết lập ựược nối kết, ựơn vị ựiều khiển phải có khả năng kiểm soát và phát hiện ựược nhu cầu, xác ựịnh ựường dẫn qua chuyển mạch tới ựắch nếu ựầu cuối là rỗi. Chức năng thứ hai là ựơn vị ựiều khiển phải duy trì nối kết. Bởi vì chuyển mạch số sử dụng nguyên lý ghép kênh phân chia thời gian và ựiều này có thể yêu cầu thao tác liên tục lên chuyển mạch nhưng các bits truyền thông phải ựược chuyển một cách trong suốt. Chức
đơn vị ựiều khiển
Chuyển mạch số G ia o t iế p m ạ n g C á c t u y ế n n ố i s o n g c ô n g ự ế n c á c t h iế t b ị
năng thứ ba là giải phóng nối kết, nối kết sẽ ựược giải phóng khi ựơn vị ựiều khiển xác ựịnh nhu cầu từ một trong hai thiết bị ựầu cuối tham gia vào cuộc trao ựổi.
Hình 2-5Chuyển mạch phân chia không gian.
đặc trưng quan trọng của thiết bị chuyển mạch kênh là nghẽn hay không nghẽn. Nghẽn xuất hiện khi mạng là không thể nối kết cho hai trạm với lý do là tất cả các ựường dẫn ựều ựang ựược sử dụng. Mạng nghẽn là mạng nằm trong khả năng nói trên, do ựó, mạng không nghẽn cho phép tất cả các trạm có thể nối từng ựôi ựến tất cả các trạm khác theo yêu cầu miễn là các trạm ựó ựang rỗi. Khi mạng chỉ hỗ trợ cho lưu lượng thoại thì cấu hình nghẽn là có thể chấp nhận vì các cuộc gọi có thời gian chiếm giữ khá ngắn nên chỉ có thể nghẽn trong một thời ựiểm nào ựó. Tuy nhiên, với các thiết bị xử lý dữ liệu thì có thể làkhông phù hợp. Trong trường hợp này, mạng ựược cấu hình không nghẽn hoặc gần không nghẽn ựể có thể thỏa mãn ựược chất lượng dịch vụ yêu cầu.
Ta trở lại xem xét hoạt ựộng chuyển mạch kênh trên một node chuyển mạch ựơn. Chuyển mạch phân chia theo không gian là dạng chuyển mạch ựược phát triển từ nguyên bản cho môi trường tương tự ựược thực hiện sang lĩnh vực số. Nguyên lý cơ bản là giống nhau, trong ựó, chuyển mạch ựược sử dụng ựể mang tắn hiệu tương tự hoặc số. Như tên gọi của nó, chuyển mạch phân chia theo không gian có những ựường dẫn tắn hiệu ựược phân chia một một cách vật lý (phân chia không gian). Mỗi nối kết yêu cầu thiết lập ựường dẫn vật lý qua chuyển mạch ựược ấn ựịnh riêng ựể truyền dẫn tắn hiệu giữa hai ựiểm cuối. Cấu trúc cơ sở của chuyển mạch là ựiểm thông bằng kim loại hay cổng ựiện tử mà có thể cho phép hoặc không cho phép tắn hiệu ựi qua ựược ựiều khiển bởi ựơn vị ựiều khiển.
Hình 2-5 cho ta một ma trận chuyển mạch ựơn giản với 10 ựường I/O song công. Ma trận có 10 ngõ vào và 10 ngõ ra, mỗi trạm ựược nối với ma trận qua một ngõ vào và một ngõ ra. Nối kết ựược thực hiện qua ựiểm thông thắch hợp, trong ma trận này yêu cầu 100 ựiểm thông.
Hình 2-6 Chuyển mạch 3 tầng. Chuyển mạch thanh chéo có một số giới hạn sau:
Ớ Số ựiểm thông nhiều (nhiều nhất là bằng tắch số ngõ vào và ngõ ra) thì chi phắ chuyển mạch lớn.
Ớ Suy hao tại ựiểm thông khiến giữa hai thiết bị gắn với hai ựường giao nhau tại ựiểm thông có nối kết kém.
Ớ Các ựiểm thông có hiệu quả sử dụng kém, thậm chắ khi tất cả các thiết bị ựầu cuối là hoạt ựộng thì chỉ một phần nhỏ các ựiểm thông là mở.
để khắc phục ựiều này, các chuyển mạch nhiều tầng ựược áp dụng. Hình 2-6 biểu diễn một chuyển mạch 3 tầng. Việc phân chia chuyển mạch thành nhiều tầng mang lại nhiều lợi ựiểm hơn so với chuyển mạch ựơn tầng:
Ớ Số ựiểm thông giảm, tăng hiệu quả sử dụng thanh chéo. Trong trường hợp này, số ựiểm thông nối cho 10 trạm từ 100 giảm xuống còn 48.
Ớ Có nhiều ựường dẫn qua mạng ựể nối với hai ựiểm cuối hơn so với chuyển mạch ựơn tầng, ựiều này làm tăng ựộ tin cậy.
Tất nhiên là chuyển mạch ựa tầng yêu cầu sơ ựồ ựiều khiển phức tạp hơn. để thiết lập một ựường dẫn trong chuyển mạch ựơn thì nó chỉ cần mở một ựiểm thông nào ựó, còn trong chuyển mạch ựa tầng thì ựường dẫn thông qua các tầng phải ựược xác ựịnh và nhiều cổng tương ứng phải ựược mở.
Nghẽn có thể xảy ra trong chuyển mạch nhiều tầng, ta có thể thấy rằng chuyển mạch như trong Hình 2-5 là loại chuyển mạch không nghẽn, nghĩa là ựường dẫn luôn có thể nối giữa bất kỳ ngõ vào nào ựến ngõ ra nào. Còn ựối với chuyển mạch nhiều tầng như trong Hình 2-6 thì giả sử với các ựường nét ựậm biểu thị trạng thái ựang hoạt ựộng của các ngõ vào và các ngõ ra thì ngõ vào 10 không thể nối với các ngõ ra 3, 4, 5 và thậm chắ ựến những ngõ ra khác. Chuyển mạch ựa tầng có thể làm cho không nghẽn bằng cách
tăng kắch thước hoặc số lượng các tầng chuyển mạch trung gian, nhưng ựiều này ựồng gnhĩa với việc tăng chi phắ.
Chuyển mạch phân chia theo thời gian (Time Division Switching)
Công nghệ chuyển mạch có lịch sử phát triển khá là lâu ựời, hầu hết các công nghệ xuất phát tử kỷ nguyên của tắn hiệu tương tự. Khi kỹ thuật số hóa tắn hiệu thoại và ghép kênh phân chia theo thời gian phát triển thì cả dữ liệu lẫn thoại ựều ựược truyền ở dạng tắn hiệu số, ựiều này dẫn ựến sự thay ựổi nguyên lý trong thiết kế và công nghệ của các hệ thống chuyển mạch. Thay vì sử dụng các hệ thống phân chia không gian thì các hệ thống số thay bằng các thành phần phân chia theo không gian và thời gian.Giả sử rằng mọi chuyển mạch kênh hiện ựại ựều sử dụng kỹ thuật phân chia thời gian cho việc thiết lập và duy trì các kênh. Chuyển mạch phân chia theo thời gian bao gồm các dòng bit tốc ựộ thấp (trong các khe) kết hợp thành một dòng bit tốc ựộ cao ựược chuyển ựổi bởi bộ ựiều khiển logic ựể chuyển dữ liệu từ ngõ vào ựến ngõ ra. để hiểu ựược chuyển mạch phân chia theo thời gian, ta xét chuyển mạch bus TDM như sau.
Chuyển mạch bus TDM các chuyển mạch số khác dựa trên kỹ thuật ghép kênh phân chia theo thời gian ựồng bộ TDM (Time Division Multiplexing). Kỹ thuật TDM cho phép nhiều dòng bit tốc ựộ thấp dùng chung một ựường truyền tốc ựộ cao. Tập hợp các ngõ vào ựược lấy mẫu luân phiên. Các mẫu ựược sắp xếp liên tục vào trong các khe thời gian ở dạng khung tuần hoàn của các khe với số khe trên một khung bằng số ngõ vào. Một khe có thể là 1 bit, 1 byte hoặc một khối dài hơn. điều quan trọng trong TDM ựồng bộ là nguồn và ựắch dữ liệu phải biết về khe thời gian của nhau. Do ựó, không cần phải xác ựịnh các bit trong mỗi khe.
Hình 2-7 Chuyển mạch bus TDM.
Hình 2-7 biểu diễn ựơn giản về kỹ thuật này. Mỗi thiết bị gắn với chuyển mạch qua ựường dây dẫn song công. Các ựường dây này ựược nối với các cổng ựiều khiển ựến
đơn vị ựiều khiển
G ia o t iế p m ạ n g C á c t u y ế n n ố i s o n g c ô n g ự ế n c á c t h iế t b ị C h u y ể n m ạ c h s ố
bus số tốc ựộ cao. Mỗi ựường dây ựược gán một khe thời gian cho ngõ vào ựưa ựến. Trong thời gian của một khe thời gian, cổng của ựường dây ựược mở, cho phép ựợt dữ liệu nhỏ ựưa vào bus. Trong khoảng thời gian này, các cổng của ựường dây kia cũng ựược mở ựến ngõ ra. Như vậy, trong thời gian của một khe thời gian, dữ liệu ựược chuyển từ ựường dây ngõ vào ựến ựường dây ngõ ra. Trong những khe thời gian khác, chuyển mạch cũng thực hiện cho một cặp ngõ vào và ngõ ra khác dùng chung bus tốc ựộ cao.
Xét sơ ựồ thực hiện không nghẽn như trong Hình 2-7. Với chuyển mạch ựược hỗ trợ, vắ dụ 100 thiết bị phải có 100 khe thời gian tương ứng, mỗi khe thời gian ựược gán với một ngõ vào và ngõ ra. Sự lặp ựi lặp lại của tất cả các khe thời gian gọi là khung. Việc gán ngõ vào có thể cố ựịnh, ngõ ra có thể thay ựổi theo nối kết. Khi bắt ựầu một khe thời gian, ngõ vào có thể chèn một cụm dữ liệu vào trên ựường dây mà nó sẽ truyền ựến các ngõ ra xác ựịnh.
Như vậy, khe thời gian phải bằng thời gian truyền dữ liệu của ngõ vào + ựộ trễ truyền dẫn qua bus giữa ngõ vào với ngõ ra và ựể ựồng nhất các khe thời gian thìchiều dài của khe thời gian ựược ựịnh nghĩa bằng thời gian truyền dẫn + ựộ trễ truyền dẫn của bus từ ựầu cuối ựến ựầu cuối.
Tốc ựộ bus phải ựủ lớn ựể có thể khôi phục chắnh xác các khe. Vắ dụ, xét một hệ thống nối kết cho 100 ựường dây song công có tốc ựộ 19.2kbps. Dữ liệu ngõ vào ựược ựệm tại các cổng. Mỗi bộ ựệm phải ựược xóa bằng cách mở cổng ựủ nhanh ựể ngăn sự chồng chập. Như vậy, tốc ựộ dữ liệu trên bus trong vắ dụ này phải lớn hơn 1.92Mbps. Tốc ựộ dữ liệu thật của dữ liệu phải ựủ lớn ựể tắnh toán dự phòng cho trễ truyền dẫn.
Hình 2-8 điều khiển chuyển mạch bus TDM.
Các xem xét trên xác ựịnh dung lượng mang lưu lượng của một chuyển mạch nghẽn, trong ựó, không có việc gán cố ựịnh các ựường dây ngõ vào với các khe thời gian
1 2 3 4 5 6 13 25 46 31 52 64 Bộ nhớ ựiều khiển điều khiển logic
mà chúng ựược phân bố theo yêu cầu. Tốc ựộ dữ liệu trên bus cho biết có cao nhiêu nối kết có thể ựược tiến hành trong cùng một thời ựiểm. Với một hệ thống có 200 thiết bị ở tốc ựộ 19.2kbps và bus có tốc ựộ là 2Mbps thì khoảng một nữa thiết bị có thể ựược nối ở một thời ựiểm bất kỳ.
Sơ ựồ chuyển mạch bus TDM có thể cung cấp cho các ựường dây với các tốc ựộ dữ liệu khác nhau. Vắ dụ, nếu một ựường dây tốc ựộ 9600bps lấy một khe ttrên khung thì dây 19,2kbps sẽ lấy 2 khe trên khung. Tất nhiên, nối kết chỉ có thể ựược thiết lập trên các dây cùng tốc ựộ.
Hình 2-8 là vắ dụ về ựiều khiển chuyển mạch bus TDM. Giả thiết thời gian truyền trên bus là 0.01ộs. Thời gian của một khung là 30.06ộs gồm 6 khe thời gian, mỗi khe thời gian 5.01ộs.Bộ nhớ ựiều khiển chỉ thị cổng ựược mở trong thời gian của khe thời gian. Trog vắ dụ này, bộ nhớ gồm 6 ô nhớ. Chu kỳ ựiều khiển của bộ nhớ là thời gian của khung (30.06ộs). Trong khe thời gian thứ nhất, cổng vào là 1 và cổng ra là 3 ựược phép mở cho dữ liệu ựi từ thiết bị 1 qua bus ựến thiết bị 3. Tương tự như vậy, ta có sự nối kết cho các cặp 2-5, 3-6, 3-1, 5-2 và 6-4 trong các khe thời gian tiếp theo. Như vậy, chuyển mạch thực hiện sự trao ựổi thông tin cho các cổng 1-3, 2-5 và 4-6.
4.đỊNH TUYẾN CHO CÁC MẠNG CHUYỂN MẠCH KÊNH
Trong một mạng chuyển mạch kênh lớn, nhiều nối kết sẽ yêu cầu một ựường dẫn bao gồm nhiều chuyển mạch. Khi cuộc gọi ựược khởi xướng, mạng phải xác ựịnh một ựường nối qua mạng từ thuê bao chủ gọi ựến thuê bao bị gọi thông qua vài chuyển mạch và các ựường trung kế. Có hai yêu cầu chắnh cho cấu trúc của mạng thực hiện chiến lược ựịnh tuyến ựó là hiệu quả và co giãn. Yêu cầu ựầu tiên mô tả việc tối thiểu hóa thiết bị (chuyển mạch và các trung kế) trong mạng ựể kiểm soát lượng tải trong mạng. Tải yêu cầu thường ựược biểu diễn bởi thuật ngữ tải lưu lượng giờ bận, là lượng tải trung bình trong giờ bận trong ngày. Trên quan ựiểm chức năng, ựó là những chức năng thiết yếu ựể kiểm soát lượng tải, trên quan ựiểm giá thành ựó là việc tốithiểu hóa thiết bị sử dụng.Với yêu cầu thứ hai là tắnh co giãn, có những trường hợp mạng quá tải ở một thời ựiểm nào ựó, thì mạng phải có khả năng cung cấp lớp dịch vụ hợp lý ựể các chuyển mạch và các trung kế có thể vẫn hoạt ựộng ựược trong trình trạng như vậy trong một khoảng thời gian nhất ựịnh.
Ý tưởng chắnh của chiến lược ựịnh tuyến là xác ựịnh bản chất của việc cân bằng giữa tắnh hiệu quả và tắnh co giãn. Theo truyền thống, chức năng ựịnh tuyến trong các mạng viễn thông công cộng là phải ựơn giản. Mạng thường có cấu trúc cây hoặc thứ bậc, một ựường dẫn ựược tiến hành bằng cách khởi ựầu từ thuê bao chủ gọi, theo cây của node ựầu tiên, sau ựó ựến cây của thê bao bị gọi. để tăng thêm tắnh ựàn hồi của mạng, thường thêm vào các ựường trung kế có ựộ sử dụng cao ựi qua cấu trúc cây nối các tổng ựài có lưu lượng lớn giữa chúng. Việc thêm các ựường trung kế có ựộ sử dụng cao cung cấp ựộ dự phòng và dung lượng bổ sung cho mạng, tuy nhiên, nó lại làm giảm tắnh hiệu quả và giới hạn cả ựộ ựàn hồi. Bởi vì sơ ựồ ựịnh tuyến này không có khả năng thắch hợp với các tình trạng thay ựổi, mạng phải ựược thiết kế ựể thỏa mãn các yêu cầu cụ thể. Vắ dụ là các giờ bận cho lưu lượng từ ựông sang tây và lưu lượng từ bắc xuống nam là không trùng nhau, mỗi lưu lượng ựưa yêu cầu khác nhau vào hệ thống. điều này làm cho sự phân tắch ảnh hưởng củacác sự thay ựổi này trở nên khó khăn, dẫn ựến quá tầm, không giới hạn và không hiệu quả. Trong vấn ựề ựàn hồi, cấu trúc thứ bậc cố ựịnh với sự bổ sung các ựường trung kế cớ thể trở nên yếu kém và dễ bị sự cố.
để xét các yêu cầu phát triển trên các mạng viễn thông, các nhà cung cấp không sử dụng cấu trúc thứ bậc cố ựịnh nữa mà chuyển sang cấu trúc ựộng. Phương pháp ựịnh tuyến ựộng là một phương pháp quyết ựịnh ựường dẫn theo trình trạng lưu lượng hiện hành. Vắ dụ các node chuyển mạch kênh thường có mỗi quan hệ ngang cấp hơn là thứ
