Mạng viễn thông chuyển mạch kênh ựường dài thiết kế ban ựầu ựể kiểm soát lưu lượng thoại và ựa số lưu lượng trong mạng này là thoại. Các ựặc trưng chắnh của các mạng chuyển mạch kênh là tài nguyên trong mạng ựược ấn ựịnh cho các cuộc gọi. Với các nối kết thoại thì các kênh có phần trăm sử dụng cao vì hầu hết các thời gian, người này hoặc ựối phương nói chuyện. Tuy nhiên, mạng chuyển mạch kênh bắt ựầu tăng các nối kết dữ liệu thì hai thiếu sót lộ ra một cách rõ ràng:
Trong một nối kết dữ liệu user/host (vắ dụ máy tắnh cá nhân ựăng nhập vào server cơ sở dữ liệu) thì phần lớn ựường dây là rỗi. Như vậy, với các nối kết dữ liệu thì mạng chuyển mạch kênh là không hiệu quả.
Trong mạng chuyển mạch kênh, nối kết cung cấp ựể truyền dẫn với một tốc ựộ dữ liệu không ựổi. Như vậy, mỗi thiết bị ựầu cuối phải truyền và phát cùng tốc ựộ với thiết bị ựầu cuối kia, ựiều này hạn chế ựộ sử dụng mạng trong nối kết với sự ựa dạng của các máy tắnh chủ và các kết cuối.
để hiểu ựược chuyển mạch gói giải quyết bài toán này như thế nào, ta vắn tắt tổng quát hoạt ựộng chuyển mạch gói. Dữ liệu ựược truyền trong các gói có kắch thước ngắn.
Kắch thước gói tối ựa tiêu biểu là 1000 octects (bytes). Nếu nguồn có thông ựiệp dài hơn cần gởi thì thông ựiệp ựược chia thành một chuỗi các gói (Hình 3-1). Mỗi gói chứa một phần (hoặc toàn bộ với thông ựiệp ngắn) là dữ liệu của user cùng với thông tin ựiều khiển. Thông tin ựiều khiển tối thiểu gồm những thông tin mà mạng yêu cầu ựể có thể ựịnh tuyến gói qua mạng và phân phối nó hướng tới ựắch. Tại mỗi node, gói ựược thu nhận, lưu giữ và chuyển nó ựến node tiếp theo.
Hình 3-1 Gói.
Hình 3-2 Vắ dụ một mạng chuyển mạch gói ựơn giản
Trong Hình 3-2, giả sử các gói ựược gởi từu trạm A ựến trạm D. Các gói sẽ bao gồm thông tin ựiều khiển chỉthị ựắch ựến là E. Gói ựược gởi từ A vào node1.Node 1 sẽ lưu trữ gói, xác ựịnh node kế tiếp (là 3), sắp hàng gói ở ngõ ra tuyến (tuyến 1-3). Khi tuyến là sẵn sàng thì gói ựược chuyển ựến node 3, tại ựây, quá trình diễn ra tương tự ựể chuyển gói ựến node 4 và cuối cùng ựến D. Phương thức này có những thuận lợi so với chuyển mạch kênh:
Ớ Hiệu quả ựường dây là lớn hơn vì tuyến từ node ựến node có thể dùng chung cho nhiều gói trong một khoảng thời gian. Các gói ựược sắp hàng và ựược truyền một cách nhanh chóng nếu có thể. Ngược với chuyển mạch kênh, thời gian trên tuyến ựược ấn ựịnh trước sử dụng ghép kênh phân chia
1 2 3 6 5 4 A G B C D E Trạm ựầu cuối Node chuyển mạch Tuyến truyền dẫn User Data Thông tin
theo thời gian ựồng bộ. Nhiều thời ựiểm tuyến là rỗi vì thời gian này ựã ựược ấn ựịnh cho các nối kết rỗi.
Ớ Mạng chuyển mạch gói có thể hoạt ựộng chuyển ựổi tốc ựộ dữ liệu. Hai trạm có tốc ựộ dữ liệu khác nhau có thể trao ựổi các gói cho nhau vì các nối kết ựến các node của nó có tốc ựộ dữ liệu thắch hợp.
Ớ Khi lưu lượng trở nên lớn trong mạng chuyển mạch kênh thì một vài cuộc gọi bị khóa, nghĩa là mạng từchối các yêu cầu nối kết mới cho ựến khi tải mạng là giảm xuống. Trong mạng chuyển mạch gói thì các gói vẫn ựược chấp nhận nhưng khi phân phối thì ựộ trễ tăng.
Ớ độ ưu tiên có thể ựược sử dụng. Như vậy, nếu node có số gói ựợi ựể truyền ựi thì nó có thể truyền các gói có ựộ ưu tiên cao trước. Các gói này nhờ vậy sẽ có ựộ trễ nhỏ hơn các gói có ựộ ưu tiên cao.
Kỹ thuật chuyển mạch
Một trạm có một thông ựiệp ựể gởi qua mạng chuyển mạch gói có chiều dài lớn hơn kắch thước gói tối ựa thì nó chia thông ựiệp ra thành các gói và gởi gởi các gói này ựến mạng. Có hai phương thức ựược sử dụng ựồng thời: datagram và kênh ảo (virtual circuit).
Trong phương thức datgram, mỗi gói ựược ựối xử một cách ựộc lập, không có sự tham khảo ựến các gói trước. Giả sử trạm A trong Hình 3-2 có 3 gói gởi tới D, A truyền các gói 1, 2, 3 ựến node 1. Trên mỗi gói, node 1 phải tiến hành một quyết ựịnh tuyến ựường. Gói 1 phân phối ựến D qua node 3 hoặc node 5 trên bước tiếp theo. Giả sử node 4 quyết ựịnh chọn node 3 là node kế tiếp ựể chuyển cho gói 1 vì khoảng cách từ 1-3-4 là ngắn hơn 1-4-5 và sắp hàng gói 1 trên tuyến 1-3. Gói 2 cũng như vậy, nhưng ựến gói 3 thì node 1 chọn node tiếp theo là 5 vì hàng ựợi của tuyến 1-3 dài hơn hàng ựợi của tuyến 1-5. Như vậy, node 3 sẽ ựi bằng ựường 1-5-4 ựể ựến D. Các gói có thể sẽ ựi những con ựường khác nhau trong datagram. Tại D phải tiến hành sắp xét các gói. Nếu các gói bị triệt tiêu trong mạng, vắ dụ node 3 bị sự cố thì tất cả các gói trong hàng ựợi của nó ựều bị mất, thì khi ựến E phải phát hiện gói bị mất trong mạng và tìm cách ựể khôi phục nó (yêu cầu phát lại).
Trong phương thức kênh ảo, ựường dẫn ựược lập kết hoạch trước ựược thiết lập trước khi gởi gói. Vắ dụ, giả sử A có một hoặc nhiều thông ựiệp ựược gởi ựến D. đầu tiên, nó gởi một gói ựiều khiển ựặc biệt gọi là gói Call-Request tới node 1, yêu cầu một nối kết logic tới D. Node 1 xác ựịnh tuyến yêu cầu ựến 3, tại 3 xác ựịnh tuyến yêu cầu ựến 4 và cuối cùng ựến D. Nếu D sẵn sàng tiếp nhận nối kết thì nó gởi Call-Accepted ựến 4. Gói này ựược chuyển qua node 3 và ựến node 1 rồi ựến A. Bây giờ, A và D trao ựổi dữ liệu qua ựường dẫn ựã ựược thiết lập. Bởi vì ựường dẫn là cố ựịnh trog suốt thời gian của nối kết logic nên có nhiều ựiểm tương ựồng như chuyển mạch kênh nên gọi là kênh ảo. Mỗi gói chứa một ựịnh danh kênh ảo và dữ liệu. Mỗi node trên ựường dẫn ựã ựược thiết lập trước dựa vào ựịnh danh này ựể chuyển gói mà không tiến hành ựịnh tuyến nữa. Vậy, các gói ựi từ A ựến D quya 1-3-4 và từ D về A theo ựường ngược lại 4-3-1. Cuối cùng, thì một trạm gởi gói Clear-Request ựể giải phóng nối kết. Tại một thời ựiểm, mỗi trạm có thể có nhiều hơn một kênh ảo ựến trạm kia và có thể có nhiều kênh ảo ựến các trạm khác nữa. Nếu hai trạm muốn trao ựổi thông tin vượt qua khoảng thời gian nhất ựịnh thì kênh ảo có nhiều ưu ựiểm. đầu tiên, mạng có thể cung cấp các dịch vụ liên quan ựến kênh ảo bao gồm sự sắp xếp tuần tự và ựiều khiển lỗi. Sự sắp xếp tuần tự là do các gói ựi cùng một ựường nên ựến ựắch theo trật tự. điều khiển lỗi là dịch vụ khi nhận ựược gói lỗi thì
node ựó sẽ yêu cầu truyền lại. Ưu ựiểm nữa là các gói truyền trên mạng nhanh hơn với kênh aỏ vì các node không mất thời gian ựể ựịnh tuyến.
Hình 3-3 Hiệu quả về kắch thước gói trong truyền dẫn.
Ưu ựiểm của phương thức datagram là giai ựoạn thiết lập cuộc gọi ựược bỏ qua. Như vậy, nếu mọt trạm muốn gởi vài gói thì datagram phân phối nhanh chóng hơn. Thuận lợi nữa của datagram là nó nguyên sơ, linh hoạt hơn. Vắ dụ, nếu nghẽn ựược phát triển từ một phần của mạng thì các gói ựưa ựến có thể ựược ựịnh tuyến vòng qua nơi nghẽn. Với kênh ảo, các gói theo ựường dẫn ựược lập trước nên nó khó khăn thắch nghi với nghẽn trong mạng. Ưu ựiểm thứ 3 là datagram cung cấp ựộ tin cậy tự nhiên hơn. đối với mạch ảo, khi node bị sự cố, tất cảcác mạch ảo qua node ựó ựều bị mất. vứoi phân phối của datagram thì nếu một node bị sự cố, các gói sau sẽ tìm một ựường khác ựể chuyển tới ựắch.Hầu hếtcác mạng chuyển mạch gói hiện nay sử dụng kênh ảo cho hạot ựộng bên trong của nó. điều này có thể phản ánh ựộng cơ mang tắnh lịch sử cung cấp một mạng với các dịch vụ tin cậy (trong nghĩa sắp xếp tuần tự) như mạng chuyển mạch kênh. Tuy nhiên, nhiều nhà cung cấp các mạng chuyển mạch gói riêng sử dụng hoạt ựộng datagram. Từ quan ựiểm người sử dụng, có vài sự khác biệt trong hành vi bên ngoài dựa vào việc sử
dụng datagram hay kênh ảo. Nếu một người quản lý phải chọn lựa giữa chi phắ và sự thực thi thì họ phải quyết ựịnh hoạt ựộng bên trong mạng là datagram hay là kênh ảo. Cuối cùng, chú ý rằng datagram là kiểu hoạt ựộng chung trong liên mạng.
Kắch thước gói
Một ựiều quan trọng trong thiết kế là ựộ lớn gói ựược sử dụng trong mạng. Có sự tương quan giữa ựộ lớn của gói và thời gian truyền. Như trong Hình 3-3, ta thấy rằng: Nếu gải sử rằng có kênh ảo từ trạm X ựến trạm Y qua các node a, b. thông ựiệp cần chuyển bao gồm 30 octets, mỗi gói chứa 3 octets cho thông tin ựiều khiển, thông tin ựiều khiển này ựược ựắt ựầu mỗi gói gọi là header. Nếu toàn bộ thông ựiệp này ựược gởi trong một gói thì gói này có ựộ dài là 33octets (3octets header và 30 octets dữ liệu) thì trước tiên, gói ựược truyền từ X ựến a. khi nhận ựược toàn bộ gói thì a sẽ truyền gói này ựến b. Khi toàn bộ gói ựã ựược b thu nhận thì b sẽ truyền gói này ựến Y. Tổng thời gian ựược truyền qua các node tương ứng thời gian tuyền 99octets.
Giả sử bây giờ ta chia thông ựiệp thành 2 gói, mỗi gói chứa 15octets và mỗi gói cũng có 3 octets header. Trong trường hợp này, node a có thể bắt ựầu chuyển gói thứ nhất sau khi nhận từ X mà không chờ gói thứ hai. Tổng thời gian truyền bây giờ giảm xuống còn lại tương ứng thời gian truyền 72 octets. Khi ta chia thông ựiệp thành 5 gói thì thời gian giảm xuống tương ựương thời gian truyền cho 63octets. Tuy nhiên, nếu ta chia thành quá nhiều gói thì tổng thời gian truyền không phải là nhỏ nhất mà thậm chắ có thể tăng trở lại. điều này là do mỗi gói phải chứa một header có ựô dài cố ựịnh và ựộ dài phần dữ liệu phải lớn hơn phần header thì mới ựem lại hiệu quả. Hơn nữa, trong vắ dụ này không chỉ ra trễ xử lý các gói tại các node và trễ sắp hàng trong mỗi node. Các ựộ trễ này có thể lớn khi nhiều gói ựược kiểm soát cho một thông ựiệp.So sánh giữa chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói.
So sánh chuyển mạch kênh với chuyển mạch gói
Ta ựã xét hoạt ựộng bên trong của chuyển mạch gói, ta có thể quay trở lại ựể so sánh kỹ thuật này với chuyển mạch kênh. Trước tiên, ta xét trên ý tưởng thực hiện, sau ựó, kiểm tra các ựặc trưng khác.
Thực hiện
So sánh ựơn giản của chuyển mạch kênh và hai dạng chuyển mạch gói ựược mô tả trong Hình 3-4. Hình vẽ mô tả sự truyền thông ựiệp qua 4 nodes, từ trạm nguồn gắn với node 1 ựến trạm ựắch gắn với node 4. trong hình này, ta xét 3 dạng trễ:
Ớ Trễ lan truyền: Thời gian tắn hiệu truyền từ node này sang node khác. Thời gian này thường không ựáng kể. Tốc ựộ các tắn hiệu ựiện từ qua môi trường dây dẫn khoảng 2x108m/s.
Ớ Thời gian truyền: Thời gian ựể bên phát gởi một khối dữ liệu. Vắ dụ thời gian truyền một khối 10000 bits là một giây trên ựường truyền 10kbps.
Ớ Trễ node: Thời gian ựể node tiến hành xiử lý cần thiết .
Trong chuyển mạch kênh, có một ựộ trễ trước khi thông ựiệp ựược. đầu tiên, tắn hiệu yêu cầu cuộc gị ựược gởi qua mạng ựể thiết lập nối kết ựến ựắch. Nếu trạm ựắch là không bận thì trả về tắn hiệu chấp nhận cuộc gọi. Chú ý rằng trễ xử lý tồn tại trong mỗi node trong thời gian yêu cầu cuộc gọi, thời gian này thực hiện việc thiết lập ựường dẫn của nối kết. Khi trả lời, quá trình này là không cần thiết vì nối kết ựã ựược thiết lập. Khi nó ựã ựược thiết lập, thông ựiệp ựược gởi như một khối dữ liệu và trễ ởcác node chuyển mạch là không ựáng kể.
Hình 3-4 định thời sự kiện trong chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói.
Chuyển mạch gói kênh ảo gần tương tự như chuyển mạch kênh. Kênh ảo ựược yêu cầu bằng việc sử dụng gói yêu cầu gọi Call Request, gói này chịu một ựộ trễ nhất ựịnh tại mõi node. Kênh ảo ựược chấp nhận với gói Call Accept. Khác với trường hợp chuyển mạch kênh, cuộc gọi ựược chấp nhận còn có các trễ node ngay cả khi ựường dẫn của kênh ảo ựã ựược thiết lập, ựiều này là do gói ựược sắp hàng tại mỗi node và phải ựợi ựến phiên ựược truyền. Khi kênh ảo ựược thiết lập thì thông ựiệp ựược truyền trong các gói. Ta có thểthấy rằng trong giai ựoạn này có thể không truyền nhanh như chuyển mạch kênh vì chuyển mạch kênh là một tiến trình trong suốt, cung cấp một tốc ựộ dữ liệu cố ựịnh qua mạng. Chuyển mạch gói có một vài ựộ trễ ở mỗi node trên ựường dẫn, và kém hơn nữa, các trễ này là biến ựổi và tăng khi tải tăng.
Chuyển mạch gói datagram không yêu cầu thiết lập cuộc gọi. Như vậy, với các thông ựiệp ngắn, nó truyền nhanh hơn chuyển mạch gói kênh ảo và có thể nhanh hơn cả với chuyển mạch kênh. Tuy nhiên, vì mỗi datagram riêng ựược ựịnh tuyến một cách ựộc lập nên việc xử lý mỗi datagram này ở mỗi node lâu hơn chuyển mạch gói kênh ảo. Như vậy, với thông ựiệp dài thì kênh ảo là tốt hơn.
Hình 3-4 chỉ cho thấy về mối liên hệ về thực hiện của các kỹ thuật, tuy nhiên, thật ra, việc thực hiện tùy thuộc vào các dữ liệu gồm kắch thước mạng, ựồ hình của nó, mẫu tải và các ựặc trưng của tổng ựài tiêu biểu.
Các ựặc trưng khác
Bên cạnh việc thực hiện, có một số ựặc trưng khác có thể ựược xét trong việc so sánh các kỹ thuật ựã ựược bàn luận. Bảng 3-1 tổng quát các ựặc trưng quan trọng này. Hầu hết các ựặc trưng này ựã ựược ựề cập, một vài chú giải bổ sung sau:
Như ựã nói trước ựây, chuyển mạch kênh cung cấp dịch vụ trong suốt, Khi nối kết ựược thiết lập thì cung cấp tốc ựộ dữ liệu không ựổi cho các trạm ựược nối, ựiều này không tồn tại trong chuyển mạch gói mà tiêu biểu là trễ thay ựổi. Ngoài ra, trong chuyển mạch gói datagram, dữ liệu có thể ựến với các trật tự khác với trật tự mà nó ựược truyền.
Ngoài tắnh trong suốt, chuyển mạch kênh không yêu cầu thông tin dẫn ựường, khi nối kết ựã ựược thiết lập thì dữ liệu ựược chuyển qua nó từ nguồn ựến ựắch. Với chuyển mạch gói, mỗi gói bao gồm các bit thông tin dẫn ựường vắ dụ ựịa chỉ ựắch.
Bảng 3-1. So sánh kỹ thuật chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói. Chuyển mạch kênh Chuyển mạch gói
datagram Chuyển mạch kênh ảo
đường dẫn ựược ấn ựịnh Không ấn ựịnh ựường dẫn Không ấn ựịnh ựường dẫn
Truyền liên tục dữ liệu Truyền các gói Truyền các gói
đủ nhanh cho tương tác đủ nhanh cho tương tác đủ nhanh cho tương tác
Không lưu thông ựiệp Các gói ựược lưu cho ựến khi
ựược phân phối
Các gói ựược lưu cho ựến khi ựược phân phối
đường dẫn ựược thiết lập cho toàn bộ cuộc trao ựổi
đường dẫn ựược thiết lập cho mỗi gói
đường dẫn ựược thiết lập cho toàn bộ cuộc trao ựổi
Trễ thiết lập cuộc gọi lớn, trễ
truyền dẫn không ựáng kể. Trễ truyền gói
Trễ thiết lập cuộc gọi, trễ truyền gói.
Báo bận nếu bị gọi bận Không thông báo chủ gói nếu
gói không ựược phân phối
Thông báo cho chủ gói về nối kết ựược chấp nhận
Quá tải có thể ngăn việc thiết lập cuộc gọi, không có trễ trong những cuộc gọi ựã ựược thiết lập
Quá tải tăng trễ gói
Quá tải có thể ngăn thiết lập cuộc gọi, trễ gói tăng.
Các node chuyển mạch cơ
ựiện hoặc máy tắnh Các node chuyển mạch nhỏ
Các node chuyển mạch nhỏ đáp ứng user cho việc bảo vệ
mất thông ựiệp
Mạng có thể ựáp ứng cho từng gói
Mạng có thể ựáp ứng cho chuỗi gói
Thường không chuyển ựổi tốc
ựộ và mã Chuyển ựổi tốc ựộ và mã
Chuyển ựổi tốc ựộ và mã
Truyền băng thông cố ựịnh Sử dụng băng thông ựộng Sử dụng băng thông ựộng
Không có các bit thông tin dẫn ựường sau thiết lập cuộc gọi
Có các bit thông tin dẫn ựường trong mỗi gói.
Có các bit thông tin dẫn ựường trong mỗi gói.
Hoạt ựộng bên trong và bên ngoài
đặc trưng quan trọng nữa của mạng chuyển mạch gói là việc sử dụng datagram ở