Tầng mạng sử dụng mạch ảo (Virtual Circuit - VC) để truyền các gói tin, về khía cạnh nào đó mạch ảo tương tự mạng điện thoại truyền thống. Có ba giai đoạn trong chuyển mạch ảo:
- Thiết lập mạch ảo: trong cả giai đoạn thiết lập, nơi gửi thông báo địa chỉ nhận với tầng mạng, yêu cầu tầng mạng thiết lập mạch ảo. Tầng mạng xác định tuyến đường giữa bên gửi và bên nhận, tức là chuỗi các cung đường và các thiết bị chuyển mạch mà tất cả các gói dữ liệu sẽ đi qua. Điều này yêu cầu việc cập nhật bảng định tuyến và dự trữ tài nguyên trong mỗi thiết bị chuyển mạch.
- Truyền dữ liệu: Sau khi thiết lập được mạch ảo, dữ liệu có thể được chuyển trong mạch ảo đó.
- Đóng mạch ảo: Giai đoạn này bắt đầu khi phía gửi (hoặc phía nhận) báo cho tầng mạng yêu cầu đóng mạch ảo. Tầng mạng sẽ thông báo cho thiết bị đầu cuối bên kia cũng như các thiết bị chuyển mạch trên mạch ảo để cập nhật lại các bảng định tuyến, giải phóng tài nguyên.
Mạch ảo ở tầng mạng khác với việc thiết lập kết nối ở tầng vận tải. Thiết lập kết nối ở tầng vận tải chỉ liên quan đến các thiết bị đầu cuối của người sử dụng. Hai thiết bị đồng ý thiết lập kết nối và thoả thuận các thông số của kết nối (ví dụ số thứ tự khởi tạo, độ lớn cửa sổ kiểm soát lưu lượng). Hai thiết bị đầu cuối này sẽ nhận biết được về sự kết nối ở tầng vận tải, nhưng các thiết bị chuyển mạch ở giữa thì không biết các thông tin đó. Trái lại trong tầng mạng của mạng chuyển mạch ảo, tất cả các thiết bị chuyển mạch giữa hai thiết bị đầu cuối đều tham gia
vào quá trình thiết lập mạch ảo, và do đó đều nhận biết được tất cả các mạch ảo đi qua.
Hình 7.2 Mô hình dịch vụ chuyển mạch ảo
Bản tin trao đổi giữa các thiết bị đầu cuối yêu cầu khởi tạo hay kết thúc mạch ảo, bản tin trao đổi giữa các thiết bị chuyển mạch yêu cầu thiết lập mạch ảo (cập nhật bảng chuyển mạch) được gọi là bản tin báo hiệu. Giao thức được sử dụng để trao đổi những bản tin này và giao thức báo hiệu. Quá trình thiết lập mạch ảo được minh họa trong hình 5.2. ATM, Frame Relay và X.25 là ba kiến trúc mạng sử dụng chuyển mạch ảo.
Trong mạng chuyển mạch gói, khi thiết bị đầu cuối muốn gửi gói tin, nó đặt vào gói tin địa chỉ thiết bị nhận và sau đó chuyển gói tin vào mạng. Như minh họa trong hình 5.3, không có giai đoạn thiết lập mạch ảo. Những thiết bị trung chuyển trong mạng chuyển mạch gói (được gọi là bộ định tuyến - router) không duy trì bất kỳ trạng thái nào về mạch ảo. Thiết bị trung chuvền sẽ định tuyến gói tin đến đích bằng cách xác định địa chỉ đích, tìm kiếm trên bảng định tuyến và chuyển tiếp gói tin theo hướng đến đích (giống việc chuyển thư bình thường trong hệ thống bưu điện). Vì bảng định tuyến có thể được cập nhật liên tục, nên các gói tin được gửi từ thiết bị đầu cuối này đến thiết bị đầu cuối khác có thể đi theo nhiều tuyến đường khác nhau và đến đích không theo thứ tự. Mạng Internet công cộng ngày nay sử dụng dịch vụ chuyển mạch gói.
Để chuyển đoạn tin của tầng vận tải, tầng mạng thường đưa ra dịch vụ chuyển mạch ảo hoặc dịch vụ chuyển mạch gói nhưng không bao giờ cung cấp cả hai dịch vụ này. Ví dụ, dịch vụ của mạng ATM là mạch ảo trong khi mạng Internet cung cấp dịch vụ chuyển mạch gói. Dịch vụ chuyển mạch ảo được xếp vào lớp dịch vụ hướng nối vì phải thiết lập và kết thúc kết nối cũng như việc duy trì thông tin trạng thái của kết nối tại tất cả thiết bị chuyển mạch. Dịch vụ chuyển mạch gói được xếp vào lớp dịch vụ không hướng nối.
Hình 7.3 Mô hình chuyển mạch gói
Bảng 7.1 tóm tắt những nét chính của mô hình dịch vụ Internet và kiến trúc mạng ATM. Kiến trúc hiện nay của Internet chỉ cung cấp duy nhất dịch vụ chuyển mạch gói, một dịch vụ truyền số liệu theo kiểu hết sức cố gắng.
Bảng 7.1Những đặc điểm chính của mô hình dịch vụ Internet và mạng ATM
Mạng Loại
dịch vụ Đảm bảo băng thông
Đảm bảo không mất
dữ liệu
Thứ tự Độ trễ Kiểm soát Tắc nghẽn Internet Cố gắng tối đa Không Không Không Không Không
ATM CBR Có Có Có Có Không tắc nghẽn
ATM VBR Có Có Có Có Không tắc nghẽn
ATM ABR tốc độ nhỏ nhất Không Có Có Không tắc nghẽn
ATM UBR Không Không Có Có Không
Tầng mạng của mô hình TCP/IP không đảm bảo thời gian gửi các gói tin giống nhau, các gói tin không được đảm bảo đến đích theo đúng thứ tự và thậm chí không đảm bảo gói tin đến được đích. Kiến trúc ATM cung cấp nhiều kiểu dịch vụ khác nhau (ATM có nhiều mô hình dịch vụ). Trong phạm vi cùng một mạng những kết nối khác nhau có thể được cung cấp những lớp dịch vụ khác nhau.
Dịch vụ truyền với tốc độ cố định (CBR- Constant Bit Rate): là mô hình dịch vụ ATM đầu tiên được chuẩn hoá có thể thấy được vai trò các công ty điện thoại đằng sau ATM. Dịch vụ mạng CBR là sự lựa chọn lý tưởng cho việc truyền dữ liệu đa phương tiện (ví dụ điện thoại số) theo thời gian thực với tốc độ truyền cố định. Mục tiêu của dịch vụ CBR là làm cho kết nối mạng trông giống như một đường kết nối thực sự giữa bên gửi và bên nhận. Trong dịch vụ CBR các tế bào được truyền qua mạng với một độ trễ nào. Biến thiên của độ trễ, tỷ lệ các tế bào bị mất hay đến trễ được đảm bảo không vượt quá một giá trị ngưỡng.
Tốc độ truyền tối đa của mỗi kết nối được xác định trước và bên gửi có thể gửi dữ liệu với tốc độ này.
Dịch vụ truyền với tốc độ không xác định (UBR - Unspecified Bit Rate): Không giống dịch vụ CBR (đảm bảo tốc độ, độ trễ mất mát dữ liệu), UBR không đảm bảo những điều này ngoại trừ việc gửi các cell theo đúng thứ tự. Như vậy dịch vụ UBR giống mô hình dịch vụ Cố gắng tối đa của Internet. dịch vụ UBR không cung cấp thông tin phản hồi cho bên gửi về việc các tế bào có đến được đích hay không. Với mạng UBR, tính tin cậy của truyền dữ liệu được triển khai trong các giao thức ở tầng cao hơn, dịch vụ UBR phù hợp với những ứng dụng truyền dữ liệu không cần tốc độ truyền cố định.
Dịch vụ truyền với tốc độ có sẵn (ABR - Available Bit Rate): tương tự như UBR nhưng bổ xung thêm hai tính năng:
- Tốc độ truyền tế bào nhỏ nhất (MRC) được đảm bảo cho kết nối ABR. Tuy nhiên khi tài nguyên của mạng rỗi, bên gửi có thể gửi với tốc độ cao hơn MCR.
- Có phản hồi về tắc nghẽn từ tầng mạng, mạng ATM có thể cung cấp thông tin phản hồi cho bên gửi (là bit thông báo tắc nghẽn hay tốc độ gửi thấp) đề bên gửi điều chỉnh tốc độ gửi.
ABR không đảm bảo một băng thông tối thiểu nhưng cố gắng truyền dữ liệu nhanh nhất có thể. Như vậy, ABR phù hợp với các ứng dụng truyền dữ liệu yêu cầu độ trễ nhỏ (ví dụ duyệt Web).
Dịch vụ truyền với tốc độ biến đổi (variable bit rate - VBR): Trong dịch vụ VBR thời gian thực, tỷ lệ mất gói dữ liệu, độ trễ có thể chấp nhận được thỏa thuận trước giống dịch vụ CBR. Tuy nhiên, tốc độ gửi thực sự được phép thay đổi theo các tham số do người dùng đưa vào. Điều này cho phép sử dụng tài nguyên có hiệu quả hơn, nhưng xét theo các tiêu chí về mất mát dữ liệu, độ trễ thì VBR tương tự CBR.