CHƯƠNG 3: CHUYỂNMẠCH ATM 3.1 Giới thiệu
3.1.2. Cỏc đặc điểm chớnh của atm
3.1.2.1. Khỏi niệm về ATM
ATM là phương thức truyền khụng đồng bộ kỹ thuật chuyển mạch gúi chất lượng cao. Cú phương thức truyền tải định hướng, chuyển gúi nhanh dựa trờn ghộp khụng đồng bộ phõn chia theo thời gian.
ATM đó kết hợp tất cả những lợi thế của kỹ thuật chuyển mạch trước đõy vào một kỹ thuật truyền thụng duy nhất. Sử dụng cỏc gúi cố định gọi là cỏc tế bào, nú cú thể truyền tải một hỗn hợp cỏc dịch vụ bao gồm thoại, hỡnh ảnh, số liệu, cú thể cung cấp cỏc băng thụng theo yờu cầu. ATM cú thể loại trừ được cỏc “nỳt cổ chai” thường xảy ra ở cỏc mạng LAN và WAN hiện nay.
3.1.2.2. Cỏc đặc điểm của ATM
ATM truyền tải theo phương thức khụng đồng bộ, tức là cỏc thụng tin được truyền từ đầu phỏt tới đầu thu một cỏch khụng đồng bộ và được thể hiện như sau: thụng tin xuất hiện tại đầu vào của hệ thống được nạp vào cỏc bộ nhớ đệm, sau đú chỳng được chia nhỏ thành cỏc tế bào và truyền tải qua mạng. ATM cú hai đặc điểm quan trọng là:
+ Thứ nhất: ATM sử dụng cỏc gúi cú kớch thước nhỏ và cố định gọi là tế bào ATM (ATM cell), cỏc tế bào nhỏ cựng với tốc độ truyền lớn sẽ làm cho trễ truyền và biến động trễ giảm đủ nhỏ đối với cỏc dịch vụ thời gian thực.ngoài ra kớch thước nhỏ cũng sẽ tạo điều kiện cho việc hợp kờnh ở tốc độ cao được dễ dàng hơn.
+ Thứ hai: ATM cũn cú một đặc điểm rất quan trọng là nhúm một vài kờnh ảo thành một đường ảo mhằm giỳp cho việc định tuyến được dễ dàng. Phương thức truyền tải trong ATM gần giống với phương thức chuyển mạch gúi. Và nú cú một số đặc điểm khỏc với chuyển mạch gúi như sau:
+ Để phự hợp với việc truyền tớn hiệu thời gian thực thỡ ATM phải đạt độ trễ đủ nhỏ, tức là cỏc tế bào phải cú độ dài ngắn hơn cỏc gúi thụng tin trong chuyển mạch gúi.
+ Cỏc tế bào cú đoạn mào đầu nhỏ nhất nhằm tăng hiệu quả sử dụng vỡ cỏc đường truyền cú tốc độ rất cao.
+ Để đảm bảo độ trễ đủ nhỏ thỡ cỏc tế bào được truyền ở những khoảng thời gian xỏc định, khụng cú khoảng trống giữa cỏc tế bào.
+ Trong ATM thứ tự cỏc tế bào ở bờn phỏt và bờn thu phải giống nhau (đảm bảo nhất quỏn về thứ tự).
Những đặc điểm này giỳp cho mạng ATM cú sự mền dẻo và linh hoạt vỡ nú cú thể tạo ra sự tương thớch về mặt tốc độ truyền của cỏc tế bào (tốc độ của thụng tin) và tốc độ của thụng tin được tạo ra (tốc độ thay đổi nguồn tớn hiệu).
ATM cú thể điều khiển tất cả cỏc kiểu lưu lượng: Voice, Audio, Video, Text, Data..., được ghộp kờnh và chuyển mạch trong một mạng chung. Trong mạng ATM độ rộng băng cú thể gỏn lại trong thời gian thực cho bất kỡ kiểu lưu lượng khỏc nhau nào theo yờu cầu, cú thể thấy rằng đõy là một cụng nghệ cho mọi mụi trường LAN, GAN, PSTN... Đõy là nguyờn nhõn nổi bật làm cho ATM được lựa chon làm cụng nghệ chuyển mạch và truyền dẫn chung cho cỏc dịch vụ trong mạng B-ISDN.
Cỏc tớnh năng ưu việt của ATM và mụi trường ATM là:
+ Ghộp kờnh khụng đồng bộ (ATDM) và thống kờ cho mọi kiểu lưu lượng.
+ Gỏn độ rộng kờnh rất linh hoạt và mềm dẻo.
+ Giảm cỏc mạng riờng.
+ Chấp nhận mạng hiện cú nhờ kết nối chỳng với mạng ATM mới.
+ Tốc độ truy cập cao (155 Mbt/s – 16 Gbt/s)
Tiết kiệm giỏ thành OA&M (Operation Administrantion and Maintenance) nhờ cụng nghệ cao và đồng nhất.
Bản chất của ATM là liờn kết truyền cỏc tế bào với cỏc thụng tin được tạo ra và ATM cung cấp khả năng ghộp kờnh “thống kờ” với đường truyền. Do đú trong ATM đó tận dụng được dung lượng truyền dẫn trong cỏc thời điểm cú “hoạt động thấp” của nguồn thụng tin với thay vỡ truyền đi cỏc tế bào “khụng cú ớch”, là cỏc tế bào truyền đi trong khoảng thời gian này, sẽ cú cỏc nguồn thụng tin khỏc nhau được thay thế. Trong trường hợp cú nhiều nguồn thụng tin được thay đổi (VBR) truyền đi trờn cựng một đường truyền thỡ khả năng ghộp kờnh “thống kờ” là rất cao.
Tế bào ATM cú kớch thước cố định và kết hợp với ghộp kờnh, giỳp cho việc tổ hợp nhiều nguồn tớn hiệu khỏc nhau trờn một đường truyền được dễ dàng, từ đú cỏc nhà khai thỏc cú thể cung cấp nhiều dịch vụ cho khỏch hàng trờn cựng một đường truyền.
Tuy nhiờn ATM khụng phải khụng cú nhược điểm:
+ Thời gian tổ hợp tế bào và trễ biến động tế bào.
+ Trễ biến động tế bào sinh ra bởi cỏc giỏ trị trễ khỏc nhau tại những điểm chuyển mạch và cỏc thiết bị tỏch/ghộp kờnh, dẫn đến khoảng cỏch cỏc tế bào bị thay đổi. Trong tớn hiệu thoại sẽ bị ảnh hưởng rất nhiều nếu xảy ra trễ này.
Trễ của mạng Giá trị trễ tăng Giá trị trễ giảm
3.1.2.3. Cấu trỳc tế bào ATM
Cấu trỳc một tế bào ATM
6
52 53 53
Phần mang thông tin dịch vụ Information Section Phần tiêu đề Header Section Byte 1 2 3 4 5 8 7 6 5 4 3 2 1
Hỡnh 3.2 Cấu trỳc một tế bào ATM
Đặc điểm của ATM là hướng liờn kết nờn khỏc với chuyển mạch gúi là địa chỉ nguồn, đớch và số thứ tự cỏc gúi tin là khụng cần thiết. ATM cũng khụng cung cấp cơ chế điều khiển luồng giữa cỏc nỳt mạng nhưng cú khả năng nhúm một vài kờnh ảo thành một đường ảonhằm giỳp cho việc định tuyến được dễ dàng hơn. Vỡ vậy chức năng cơ bản của phần tiờu đề trong tế bào ATM là nhận dạng cỏc cuộc nối ảo.
Dựa vào cấu trỳc phõn cấp ATM theo sơ đồ:
Hỡnh 3.3 Cấu trỳc phõn cấp ATM
Tương ứng với hai cấp giao diện trờn, người ta đưa hai dạng cấu trỳc phần tiờu đề tương ứng: Mạng cụng cộng Mạng cụng cộng NNI (Giao diện giữa cỏc nỳt mạng) Mạng riờng Mạng riờng Cỏc trạm kết
cuối sử dụng cuối sử dụngCỏc trạm kết cuối sử dụngCỏc trạm kết Cỏc trạm kết cuối sử dụng
UNI
(Giao diện mạng - khỏch hàng)
+ Cấu trỳc phần tiờu đề giao diện giữa người sử dụng và mạng UNI.
+ Cấu trỳc phần tiờu đề giao diện giữa cỏc nỳt mạng NNI.
Hỡnh 3.4 Cấu trỳc tiờu đề tế bào ATM
í nghĩa cỏc trường trong phần tiờu đề.
+ GFC (General Flow control) là trường điều khiển luồng chung. Trường này chỉ dựng cho giao diện UNI trong cấu hỡnh Điểm - Điểm, cú độ dài gồm 4 bit, trong đú 2 bit dựng cho điều khiển và 2 bit dựng làm tham số. Cơ cấu này đó được tiờu chuẩn húa.
+ VPI (Virtual Path Identyfier) và VCI (Virtual Channel Identyfier) là hai trường định tuyến cho cỏc tế bào trong quỏ trỡnh chuyển mạch:
- Với UNI thỡ cú 8 bit VPI và 16 bit VCI.
- Với NNI thỡ cú 12 bit VPI và 16 bit VCI.
Hai trường này ghi nhận dạng luồng ảo và kờnh ảo. Đặc tớnh cơ bản của ATM là chuyển mạch xảy ra trờn cơ sở giỏ trị trường định tuyến:
- Mạch xảy ra trờn VPI thỡ gọi là kết nối đường ảo.
- Nếu chuyển mạch xảy ra trờn VPI và VCI thỡ gọi là kết nối kờnh ảo.
+ PT (Payload Type) là trường tải thụng tin để xỏc định xem tế bào này mang thụng tin khỏch hàng hay thụng tin điều khiển. Nú cũng xỏc định quỏ tải của tế bào thụng tin khỏch hàng. Trường này cú ở cả hai giao diện và cú độ dài 3 bit.
+ CLP (Cell Loss Prioryti) là trường ưu tiờn bỏ tế bào dựng để chỉ ra khả năng cho phộp hoặc khụng cho phộp bỏ cỏc tế bào khi cú hiện tượng quỏ tải xảy ra.
- Nếu cỏc tế bào cú CLP = 0 thỡ cú mức ưu tiờn cao.
* Cấu trỳc tế bào ATM tại UNI
PT VPI 1 VPI 1 2 3 4 5 . . 53 Byte 1 2 3 4 5 . . 53 Byte GFC VPI VPI VCI VCI VCI CLP HEC
Phần mang thụng tin của người sử dụng Bit 8 7 6 5 4 3 2 1 VPI VCI VCI VCI PT CLP HEC
Phần mang thụng tin của người sử dụng
Bit 8 7 6 5 4 3 2 1 Octet
- Nếu cỏc tế bào cú CLP = 1 thỡ cú mức ưu tiờn thấp.
Trường này chỉ nhận hai giỏ trị “0” hoặc”1” nờn cú độ dài 1 bit và tồn tại ở cả hai giao diện.
+ HEC (Heacler Error Check) là trường kiểm tra lỗi phần tiờu đề. Trường này cú độ dài 8 bit. Nú dựng để phỏt hiờn lỗi ghộp bit và sửa lại cho đỳng cỏc lỗi ghộp bit đơn đú. Cụng việc này được thực hiện ở lớp vật lý.
3.1.2.4. Kỹ thuật ghộp kờnh trong ATM
Nhựơc điểm cơ bản của STM là lóng phớ khả năng truyền tải của hệ thống và khú xử lý đồng thời tất cả cỏc dịch vụ yờu cầu (thậm chớ khụng thể xử lý được) cú tốc độ dũng bit rất khỏc nhau.
Khảo sỏt sơ bộ kỹ thuật dựng trong chế độ truyền tải đồng bộ STM là kỹ thuật ghộp kờnh theo thời gian đồng bộ STDM (Synchronous Time Divission Multiplexing). STDM thực hiện ghộp kờnh đồng bộ với đồng bộ hệ thống vỡ cỏc khung tớn hiệu phải bố trớ sắp xếp theo một thứ tự cố định và lặp lại theo một chu kỳ hoàn toàn xỏc định bởi đồng hồ hệ thống.
Mỗi khe thời gian Tsi của một khung được gỏn cho một kờnh liờn lạc cố định trong suốt thời gian của quỏ trỡnh thụng tin, do vậy thường xảy ra lóng phớ nguồn tài nguyờn vỡ kờnh đó gỏn dành riờng cho một quỏ trỡnh thụng tin thỡ cho dự nú khụng được sử dụng (khi khụng cú thụng tin để truyền) cũng khụng thể dựng cho cỏc quỏ trỡnh thụng tin khỏc.
Khỏc với chế độ ghộp kờnh đồng bộ, trong kỹ thuật ghộp kờnh khụng đồng bộ ATDM (Asynchronous Time Divission Multiplexing) khụng cũn nhiệm vụ gỏn khe thời gian cho cỏc quỏ trỡnh thụng tin cụ thể nữa mà cứ cú bất kỳ khe thời gian nào rỗi thỡ ATDM ghộp gúi tin cần truyền vào. Núi cỏch khỏc, ATDM đó thực hiện kỹ thuật ghộp kờnh thống kờ, nghĩa là cỏc gúi tin chuẩn của nguồn tin cú thể ghộp vào đồng thời nhiều khe thời gian cú chỉ số khe khỏc nhau và do vậy ATDM đạt được độ mềm dẻo, linh hoạt, hiệu quả cao với nhiều kiểu dịch vụ, ở mọi tốc độ bit và kiểu lưu lượng khỏc nhau. C B A A B C A1 A3 B1 B2 C2 C3 A1 A3 B1 B2 C2 C3 A1 B1 B2 C2 A3 C3 A1 B1 B2 C2 A3 C3 STDM ATDM 27
Hỡnh 3.5 So sỏnh STDM và ATDM
Giải phỏp kết hợp cỏc ưu điểm, khắc phục cỏc nhược điểm của kỹ thuật chuyển mạch kờnh và chuyển mạch gúi, sử dụng ATDM sẽ cú khả năng đỏp ứng tốt cỏc yờu cầu trong B-ISDN là vấn đề chủ yếu của cụng nghệ truyền tải khụng đồng bộ ATM.
Như đó trỡnh bày, thuật ngữ “truyền” bao gồm cả lĩnh vực truyền dẫn và chuyển mạch trong mạng, mạng ATM cú khả năng chỉ gửi số liệu liờn quan tới một cuộc nối khi nú cú thực sự cú số liệu cần truyền và khụng cú khe thời gian gỏn riờng cho cuộc nối đú. Điều này hoàn toàn khỏc so với cơ chế “đồng bộ” khi ứng với cuộc nối cần phải cú một khe thời gian dành riờng xỏc định, vỡ mỏy thu STM khụng thể khụi được thụng tin chứa trong cỏc khe thời gian khỏc.
3.1.2.5. Nguyờn lý cơ bản của ATM
Nguyờn lý cơ bản của ATM là kết hợp cỏc ưu điểm của chuyển mạch kờnh với chuyển mạch gúi và ATDM. Trong cụng nghệ kỹ thuật chuyển mạch gúi, vớ dụ trong giao thức X.25 cỏc gúi tin cú phần tiờu đề khỏ phức tạp, kớch thước khỏ lớn và khụng chuẩn hoỏ độ dài gúi tin. Như vậy cú nghĩa là xử lý ở chuyển mạch gúi tương đối khú, kớch thước lớn nờn độ trễ lớn, xử lý và truyền dẫn chậm đồng thời khú quản lý quỏ trỡnh.
Khắc phục nhược điểm này của chuyển mạch gúi ở ATM người ta tạo ra cỏc gúi tin gọi là “tế bào ATM”, nú được chuẩn hoỏ khớch thước và định dạng cho phự hợp nhất, dễ quản lý nhất, hiệu quả nhất và tiờu đề đơn giản nhất.
Thật vậy đụi khi cỏch tốt nhất để quản lý lượng thụng tin lớn là chia thành cỏc gúi tin nhỏ nhờ vậy dễ quản lý hơn. ATM khụng quan tõm thụng tin là cỏi gỡ và nú từ đõu đến. Đơn giản là ATM cắt bản tin cần phỏt thành cỏc tế bào ATM cú kớch thước nhỏ và bằng nhau, gỏn tiờu đề cho cỏc tế bào sao cho cú thể định hướng chỳng tới được đớch mong muốn, đảm bảo cỏc yờu cầu trong suốt quỏ trỡnh truyền tin. Mừi tế bào này theo ITT-T đưa ra kớch thước là 53 byte, trong đú cú 5 byte tiờu đề và 48 byte trường thụng tin. Trường thụng tin mang thụng tin của khỏch hàng và phần tiờu đề gọi là “mào đầu” mang thụng tin mạng như thụng tin định tuyến.
Vỡ đi trờn cựng một đường truyền nờn cú thể cú nhiều tế bào từ cỏc nguồn tớn hiệu khỏc nhau ghộp lại với nhau tạo nờn một luồng tế bào cú chung một nguồn tớn hiệu. Việc này được thực hiện bằng thụng tin ở mào đầu của tế bào.
Tr ờng thông tin Mào đầu
Hỡnh 3.6 Cấu trỳc nguyờn lý dạng tế bào.
Với trường thụng tin thỡ được truyền tải thụng suốt qua mạng ATM và khụng bị xử lý trong quỏ trỡnh vận chuyển (khụng cú điều khiển lỗi như trong chuyển mạch gúi).
Túm lại: ATM là chế độ truyền tải cỏc gúi tin khụng đồng, nú khỏc chế độ chuyển mạch gúi nhưng núi chung ATM cú đặc trưng của chuyển mạch gúi đồng thời cũng cú cỏc đặc tớnh trễ và tốc độ cao như cụnng nghệ chuyển mạch kờnh (vỡ kớch thước nhỏ và tiờu đề đơn giản hơn chuyển mạch gúi nhiều).
3.1.2.6. Cấu trỳc phõn lớp của mạng ATM
Theo mụ hỡnh tham chiếu liờn kết hệ thống mở OSI (Open System Interconnection ) của tổ chức tiờu chuẩn hoỏ quốc tế ISO ( International Standrd Organization ). Mỗi hệ thống mở đều cú cỏc hệ thống con được sắp xếp theo thứ tự như hỡnh 3.7
Một PDU lớp N bao gồm thụng tin điều khiển giao thức PCI ( Protocol Control Information ) lớp N và số liệu tới từ lớp N+1 thụng tin điều khiển trao đổi giữa cỏc thực thể lớp N. Hỡnh 3.8 mụ tả mối quan hệ giữa cỏc thực thể và cỏc lớp trong mụ hỡnh OSI. Đ ờng truyền vật lý Lớp cao nhất Lớp N+1 Lớp N Lớp N-1 Lớp thấp nhất Hệ thống A Hệ thống B . . . . . . Hỡnh 3.7 Mụ hỡnh phõn lớp OSI Thực thể N+1 Thực thể N Thực thể N Thực thể N+1 Giao thức đẳng cấp N Giao thức đẳng cấp N+1 Lớp sử dụng dịch vụ Lớp cung cấp dịch vụ PDU N-PDU
Hỡnh 3.8 Mối quan hệ giữa cỏc thực thể và cỏc lớp trong OSI
PDU lớp N+1 SDU lớp N+1 PDU lớp N+1 PCI lớp N Lớp N+1 Lớp N
Hỡnh 3.9 Cỏc kiểu đơn vị số liệu và quan hệ giữa chỳng