KỸ THUẬT CHUYỂN MẠCH Gể
3.1.CƠ SỞ KỸ THUẬT CHUYỂN MẠCH Gể
Kỹ thuật chuyển mạch gúi dựa trờn nguyờn tắc chuyển thụng tin qua mạng dưới dạng gúi. Gúi tin là thực thể truyền thụng hoàn chỉnh gồm hai phần: Tiờu đề mang cỏc thụng tin điều khiển của mạng hoặc của người sử dụng và tải tin là dữ liệu thực cần chuyển qua mạng. Quỏ trỡnh chuyển thụng tin qua mạng chuyển mạch gúi cú thể khụng cần xỏc lập đường dành riờng và cỏc mạng chuyển mạch gúi được coi là mạng chia sẻ tài nguyờn. Cỏc gúi tin sẽđược chuyển giao từ cỏc nỳt mạng này tới nỳt mạng khỏc trong mạng chuyển mạch gúi theo nguyờn tắc lưu
đệm và chuyển tiếp, nờn mạng chuyển mạch gúi cũn được coi là mạng chuyển giao trong khi mạng chuyển mạch kờnh được coi là mạng trong suốt đối với dữ liệu người sử dụng.
Trờn hướng tiếp cận tương đối đơn giản từ khớa cạnh dịch vụ cung cấp, cỏc dịch vụđược cung cấp trờn mạng viễn thụng chia thành dịch vụ thoại và dịch vụ phi thoại, trong đú đại diện cho dịch vụ phi thoại là dịch vụ số liệu. Chỳng ta hiểu rằng, số hoỏ và gúi hoỏ thoại là hai vấn
đề hoàn toàn khỏc nhau, trong mạng chuyển mạch điện thoại cụng cộng PSTN hiện nay tớn hiệu thoại đó được số hoỏ, và kỹ thuật chuyển mạch truyền thống được ỏp dụng là kỹ thuật chuyển mạch kờnh. Dữ liệu thoại chỉđược gọi là đó gúi hoỏ nếu những gúi này được chuyển tải trờn mạng chuyển mạch gúi. Trong mục này chỳng ta sẽ xem xột những vấn đề kỹ thuật cơ
bản được ứng dụng trong hệ thống chuyển mạch: Kỹ thuật chuyển mạch kờnh và kỹ thuật chuyển mạch gúi. Mạng điện thoại cụng cộng (PSTN) được phỏt triển trờn mạng chuyển mạch kờnh để cung cấp cỏc dịch vụ thoại truyền thống. Cỏc mạng dữ liệu như cỏc mạng cục bộ LAN (Local Area Network), mạng Internet là mạng chuyển mạch gúi rất thớch hợp để trao đổi dữ
liệu. Trong Bảng 3.1 ta thấy sự khỏc biệt giữa cỏc dịch vụ thoại (chuyển mạch kờnh) và dịch vụ dữ liệu (chuyển mạch gúi). Đặc điểm Dịch vụ thoại Dịch vụ dữ liệu Băng thụng Bựng phỏt băng thụng Nhạy cảm với lỗi Phỏt lại thụng tin Độ trễ Kiểu kết nối Cốđịnh và thấp (dưới 64kb/s) Khụng Đàm thoại lại nếu cú lỗi Khụng thể thực hiện được Thấp và ổn định Hướng kết nối thay đổi (cú thể lờn tới Gb/s) Lớn (100/1000:1) Khụng cho phộp lỗi Thực hiện dễ dàng Lớn và cú thể thay đổi Cú thể là phi kết nối Bảng 3.1: So sỏnh một sốđặc điểm của dịch vụ thoại và dữ liệu
Cỏc dịch vụ thoại trong mạng PSTN hiện nay sử dụng kỹ thuật điều chế PCM và chiếm băng thụng 64kb/s. Nếu chỳng ta cú thể cung cấp băng thụng lớn hơn cho mỗi cuộc gọi thỡ chất
lượng cuộc gọi thoại cũng khụng vỡ thế mà tốt hơn. Trỏi lại, đối với cỏc dịch vụ dữ liệu băng thụng rất quan trọng. Một sốứng dụng đũi hỏi băng thụng tới 1Gb/s hoặc cao hơn. Sự thay đổi về băng thụng thường được gọi là bựng nổ băng thụng. Trong khi dịch vụ thoại được cung cấp bởi kỹ thuật chuyển mạch kờnh luụn đũi hỏi băng thụng khụng đổi, ngược lại cỏc dịch vụ dữ
liệu cú thể cú nhu cầu về băng thụng thay đổi tới hàng trăm, thậm chớ hàng ngàn lần.
Độ trễ là tham số rất quan trọng đểđỏnh giỏ chất lượng mạng điện thoại. Cỏc cuộc gọi thoại
đũi hỏi thời gian trễ thấp và ổn định. Nhiều mạng dữ liệu cũng cú yờu cầu độ trễ tương đối thấp, tuy nhiờn khụng đũi hỏi sựổn định. Chẳng hạn trong khi truyền file’ việc cỏc gúi tin của
đầu hay cuối file đến trước khụng cú ý nghĩa gỡ. Để đảm bảo độ trễ thấp và ổn định mạng PSTN được thiết kế là mạng định tuyến theo hướng kết nối. Một số mạng dữ liệu cũng là mạng hướng kết nối, tuy nhiờn một khi yờu cầu về độ trễ khụng quỏ ngặt nghốo thỡ mạng dữ liệu thường được xõy dựng theo mụ hỡnh phi kết nối.
3.1.1. Mụ hỡnh kết nối hệ thống mở OSI.
Trong khoảng giữa những năm 70, cụng nghiệp mỏy tớnh bắt đầu phỏt triển rất mạnh, và nhu cầu kết nối thụng tin qua mạng tăng lờn rất nhanh. Cỏc hệ thống mỏy tớnh cần trao đổi thụng tin qua rất nhiều hỡnh thỏi khỏc nhau của mạng. Hệ thống mở ra đời nhằm tiờu chuẩn hoỏ cho tất cả cỏc đấu nối gọi là mụ hỡnh kết nối hệ thống mở OSI.
Mục tiờu của mụ hỡnh OSI (Open System Interconnection) là đảm bảo rằng bất kỳ một xử lý
ứng dụng nào đều khụng ảnh hưởng tới trạng thỏi nguyờn thuỷ của dịch vụ, hoặc cỏc xử lý
ứng dụng cú thể giao tiếp trực tiếp với cỏc hệ thống mỏy tớnh khỏc trờn cựng lớp (nếu cỏc hệ
thống cựng được hỗ trợ theo tiờu chuẩn của mụ hỡnh OSI). Mụ hỡnh OSI cung cấp một khung làm việc tiờu chuẩn cho cỏc hệ thống. Cấu trỳc phõn lớp được sử dụng trong mụ hỡnh và cú 7 lớp, cú thể phõn loại thành 2 vựng chớnh.
Hỡnh 3.1: Mụ hỡnh phõn lớp OSI RM
Lớp thấp cung cấp cỏc dịch vụđầu cuối - tới - đầu cuối đỏp ứng phương tiện truyền số
liệu, cỏc chức năng hướng về phớa mạng từ lớp 3 tới lớp 1.
Lớp cao cung cấp cỏc dịch vụ ứng dụng đỏp ứng truyền thụng tin, cỏc chức năng hướng về người sử dụng từ lớp 4 tới lớp 7.
Mụ hỡnh OSI cú thể chia thành ba mụi trường điều hành:
Mụi trường mạng: liờn quan tới cỏc giao thức, trao đổi cỏc bản tin và cỏc tiờu chuẩn liờn quan tới cỏc kiểu mạng truyền thụng số liệu khỏc nhau.
Mụi trường OSI: Cho phộp thờm vào cỏc giao thức hướng ứng dụng và cỏc tiờu chuẩn cho phộp cỏc hệ thống kết cuối trao đổi thụng tin tới hệ thống khỏc theo hướng mở.
Mụi trường hệ thống thực: Xõy dựng trờn mụ hỡnh OSI và liờn quan tới đặc tớnh dịch vụ và phần mềm của người sản xuất, nú được phỏt triển để thực hiện nhiệm vụ xử lý thụng tin phõn tỏn trong thực tế. Cỏc lớp Chức năng Vớ dụ Ứng dụng Lớp ứng dụng Quản lý truyền thụng giữa cỏc ứng dụng Cỏc giao thức: Telnet, FTP Sử dụng cỏc bản tin Lớp trỡnh diễn Thờm cỏc cấu trỳc vào đơn vị số liệu để trao đổi Giao thức : Biến đổi, nộn, giải nộn. Sử dụng kỹ thuật thay đổi số liệu; nộn, và giải nộn Lớp phiờn Quản lý cỏc dịch vụ và điều khiển luồng số liệu Cỏc giao thức: SIP, RTCP Sử dụng cỏc cuộc gọi thủ tục từ xa Lớp truyền tải Độ tin cậy và ghộp cỏc số liệu truyền qua mạng Cỏc giao thức: TCP, UDP Sử dụng cỏc segments
Lớp mạng Truyền số liệu qua mạng Cỏc giao thức: IP,IPX Sử dụng tiờu đề (datagram) Lớp liờn kết số liệu Truyền dẫn, khung và điều khiển lỗi Cỏc giao thức: PPP, HDLC, ATM, FR, MPLS Sử dụng khung, gúi, tế bào Lớp vật lý Giao tiếp cơ, điện tới phương tiện truyền thụng Card giao tiếp mạng Sử dụng bớt Bảng 3.2: Túm tắt chức năng cỏc lớp của mụ hỡnh OSI
Những mụi trường này cung cấp những đặc tớnh sau: Giao tiếp giữa cỏc lớp.
Chức năng của cỏc lớp, giao thức định nghĩa tập hợp của những quy tắc và những quy
ước sử dụng bởi lớp để giao tiếp với một lớp tương đương tương tự trong hệ thống từ
xa khỏc. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Mỗi lớp cung cấp một tập định nghĩa của những dịch vụ tới lớp kế cận. Một thực thể chuyển thụng tin phải đi qua từng lớp.
Cỏc chức năng chi tiết của cỏc lớp được định nghĩa trong tiờu chuẩn ISO 7498 và chuẩn X.200 của ITU-T. Cỏc đặc tớnh cơ bản được túm tắt như sau:
(i). Lớp ứng dụng
Cung cấp cỏc dịch vụ truyền thụng của người sử dụng với cỏc dạng thức số liệu, bỏo hiệu
điều khiển và cỏc đỏp ứng của cỏc thiết bịđầu cuối, cỏc hệ thống giao thức điều khiển cỏc ứng dụng thụng qua cỏc phần tử dịch vụứng dụng, quản lý truyền thụng giữa cỏc ứng dụng.
Lớp trỡnh diễn chịu trỏch nhiệm tạo ra cỏc khuụn dạng dữ liệu cho lớp ứng dụng tương thớch giữa cỏc ứng dụng và hệ thống truyền thụng. Cỏc giao thức lớp trỡnh diễn đưa ra cỏc ngụn ngữ, cỳ phỏp và tập đặc tớnh phự hợp cho truyền thụng, đồng thời thống nhất cỏc mó, dữ liệu cho cỏc dịch vụ lớp ứng dụng.
(iii). Lớp phiờn
Lớp phiờn quản lý cỏc dịch vụ và điều khiển luồng số liệu giữa cỏc người sử dụng tham gia vào phiờn truyền thụng, cỏc giao thức lớp phiờn chỉ ra cỏc luật và phương phỏp thực hiện phiờn truyền thụng mà khụng can thiệp vào nội dung truyền thụng.
(iv). Lớp truyền tải
Lớp truyền tải cung cấp cỏc dịch vụ truyền tải dữ liệu từđầu cuối tới đầu cuối, cung cấp khả
năng truyền tải cú độ tin cậy giữa cỏc thiết bịđầu cuối mà khụng liờn quan trực tiếp tới phần cứng mạng truyền thụng. Đỏp ứng cỏc yờu cầu của lớp phiờn qua chất lượng dịch vụ, kớch thước đơn vị dữ liệu, điều khiển luồng và cỏc yờu cầu sửa lỗi.
(v). Lớp mạng
Lớp mạng cung cấp chức năng định tuyến, thiết lập và quản lý cỏc kết nối trong mạng, cỏc giao thức lớp mạng cung cấp thụng tin về cấu hỡnh logic của mạng, địa chỉ và ỏnh xạ cỏc kết nối tới cỏc thiết bị vật lý trong mạng.
(vi). Lớp liờn kết dữ liệu
Lớp liờn kết dữ liệu hoạt động trờn cỏc liờn kết dữ liệu hoặc một phần mạng của kết nối, lớp liờn kết dữ liệu cung cấp cỏc chức năng liờn quan tới hệ thống truyền dẫn nhưđồng bộ, điều khiển luồng dữ liệu, phỏt hiện và sửa lỗi truyền dẫn và ghộp hợp cỏc kờnh logic trờn đường dẫn vật lý.
(vii). Lớp vật lý
Lớp vật lý cung cấp mụi trường truyền dẫn, tớn hiệu đồng hồ và cỏch thức truyền bit trờn phương tiện truyền dẫn. Cỏc chuẩn của lớp vật lý cung cấp cỏc đặc tớnh và nguyờn tắc giao tiếp cơ, điện, súng tới phương tiện truyền thụng.
3.1.2. Nguyờn tắc cơ bản của chuyển mạch gúi
Chương 2 đó xem xột cỏc đặc tớnh cơ bản của kỹ thuật chuyển mạch kờnh, chỳng ta nhận thấy rằng kỹ thuật chuyển mạch kờnh thường được ứng dụng cho cỏc dịch vụ thời gian thực, hướng kết nối và lưu lượng khụng bựng phỏt. Trong khi đú mục tiờu của chuyển mạch gúi là sử dụng cho dữ liệu nờn luụn phải sẵn sàng chấp nhận lưu lượng bựng phỏt trong khi cú thể
khụng cần hướng kết nối hoặc thời gian thực.
Đặc tớnh hướng kết nối yờu cầu cỏc giai đoạn kết nối phõn biệt gồm: thiết lập kết nối, truyền thụng tin và giải phúng kết nối. Một kiểu kết nối khỏc đối ngược với kiểu hướng kết nối là kiểu phi kết nối. Phi kết nối cho phộp cỏc thực thể thụng tin được truyền độc lập với cỏc đặc tớnh kết nối được thể hiện trong cỏc tiờu đề thực thể thụng tin. Cỏc giai đoạn kết nối như trong chuyển mạch kờnh khụng cũn tồn tại mà thay vào đú là phương phỏp chuyển theo một giai đoạn duy nhất gồm cả ba giai đoạn.
Hỡnh 3.2 dưới đõy chỉ ra sự khỏc biệt cơ bản xột theo phương diện kết nối của cỏc phương thức chuyển mạch kờnh, chuyển mạch bản tin và chuyển mạch gúi.
Hỡnh 3.2: Cỏc phương phỏp chuyển mạch cơ bản
Sự khỏc biệt giữa chuyển mạch bản tin và chuyển mạch gúi nằm tại quỏ trỡnh xử lý bản tin, chuyển mạch gúi thực hiện việc phõn đoạn bản tin thành cỏc thực thể phự hợp với đường truyền và cấu hỡnh mạng, cỏc gúi cú thể cú kớch thước thay đổi hoặc cố định, phương phỏp chuyển mạch với cỏc gúi cú kớch thước cố định được gọi là chuyển mạch tế bào (cell). Như
vậy, một bản tin người dựng cú thể phõn thành nhiều gúi. Sau quỏ trỡnh chuyển mạch cỏc gúi sẽđược tỏi hợp để hoàn nguyờn lại thụng tin của người sử dụng [7]
Quỏ trỡnh phõn mảnh và tạo gúi được thực hiện tại cỏc lớp trong mụ hỡnh OSI thể hiện trong hỡnh 3.3 dưới đõy.
Bản tin nguyên thuỷ (độ dài L bit)
Thông tin CRC
Tiêu đề
Tr−ờng thông tin có độ dài (M bit) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Tải tin (N bit) Tiêu đề CRC
Bít bắt đầu khung Bít kết thúc khung
Hỡnh 3.3: Đúng gúi dữ liệu theo mụ hỡnh OSI
Kỹ thuật chuyển mạch gúi cho phộp kết nối thụng tin từđầu cuối tới đầu cuối qua quỏ trỡnh chia sẻ tài nguyờn, sử dụng cỏc tập thủ tục và cỏc liờn kết cú tốc độ khỏc nhau để truyền cỏc gúi tin và cú thể chuyển gúi trờn nhiều đường dẫn khỏc nhau. Cú hai kiểu chuyển mạch gúi cơ
bản: chuyển mạch datagram DG (datagram) và chuyển mạch kờnh ảo VC (Virtual Circuit). Trờn hỡnh 3.4 mụ tả sơ lược 2 kiểu chuyển mạch này.
Hỡnh 3.4: Chuyển mạch Datagram và chuyển mạch kờnh ảo
(i).Chuyển mạch Datagram: Chuyển mạch datagram cung cấp cho cỏc dịch vụ khụng yờu cầu thời gian thực. Việc chuyển gúi tin phụ thuộc vào cỏc giao thức lớp cao hoặc đường liờn kết dữ liệu. Chuyển mạch kiểu datagram khụng cần giai đoạn thiết lập kết nối và rất thớch hợp đối với dạng dữ liệu cú lưu lượng thấp và thời gian tồn tại ngắn. Chuyển mạch datagram là chuyển mạch kiểu nỗ lực tối đa (best effort), cỏc thụng tin về trễ sẽ khụng được đảm bảo cũng như cỏc hiện tượng lặp gúi, mất gúi cũng dễ dàng xảy ra đối với kiểu chuyển mạch này. Cỏc datagram phải chứa toàn bộ cỏc thụng tin vềđịa chỉđớch và cỏc yờu cầu của lớp dịch vụ phớa trờn được thể hiện trong tiờu đề, vỡ vậy tiờu đề của datagram là khỏ lớn. Tuy nhiờn, chuyển mạch datagram cho phộp lựa chọn cỏc con đường tới đớch nhanh nhất đỏp ứng cỏc thay đổi nhanh của mạng.
(ii) Chuyển mạch kờnh ảo: Chuyển mạch kờnh ảo VC (Virtual Channel) yờu cầu giai đoạn thiết lập tuyến giữa thiết bị gửi và thiết bị nhận thụng tin, một kờnh ảo được hỡnh thành giữa cỏc thiết bị trong đường dẫn chuyển mạch; kờnh ảo là kờnh chỉđược xỏc định khi cú dữ liệu truyền qua và khụng phụ thuộc vào logic thời gian. Chuyển mạch kờnh ảo yờu cầu một tuyến hiện ngay trong quỏ trỡnh định tuyến và kờnh ảo được nhận dạng thụng qua trường nhận dạng kờnh ảo VCI (Virtual Channel Identifier) nằm tại tiờu đề gúi tin. Trong quỏ trỡnh thiết lập kờnh
ảo, nhận dạng kờnh ảo VCI được tạo ra bởi cỏc node chuyển mạch để chỉđịnh cỏc nguồn tài nguyờn của gúi tin sẽ chuyển qua (vớ dụ: bộđệm, dung lượng liờn kết).
Một khi kờnh ảo được thiết lập dọc theo tuyến đường từ nguồn tới đớch qua cỏc liờn kết và cỏc node thỡ kờnh được sử dụng để truyền cỏc gúi tin. Cỏc gúi cú VCI trong tiờu đề cú thểđược sử dụng như con trỏđể truy nhập tới cỏc thụng tin lưu trữ tại cỏc nỳt chuyển mạch. Cỏc trường nhận dạng kờnh ảo cần phải duy nhất để phõn biệt cỏc thụng tin người sử dụng và tỏi sử dụng. Nếu sử dụng cỏc VCI cho toàn bộ mạng thỡ số lượng VCI rất lớn và khụng ngừng tăng lờn theo kớch cỡ mạng. Vỡ vậy, người ta sử dụng cỏc nhận dạng kờnh ảo theo cỏc vựng cục bộ, thậm chớ là trờn từng liờn kết. Với cỏch này, khi một VC khởi tạo mỗi một nỳt chuyển mạch dọc tuyến
đường sẽ phải xỏc lập cỏc nhận dạng kờnh ảo trờn cỏc liờn kết đầu vào và liờn kết đầu ra của nỳt chuyển mạch đú. Cỏc nỳt phải thoả thuận với nhau về nhận dạng kờnh ảo duy nhất trờn liờn kết giữa hai nỳt cho một kờnh ảo.
Nhận dạng kờnh ảo trờn cỏc liờn kết đầu vào và đầu ra khụng cần thiết phải giống nhau, việc chuyển thụng tin dựa trờn tiờu đề gúi tin cú chứa VCI sẽ thực hiện việc chuyển đổi thụng tin trong cỏc VCI đầu vào tới VCI đầu ra. Tất cả cỏc gúi được gửi trờn cựng một kờnh ảo VC sẽ
theo cựng một đường dẫn, vỡ vậy thứ tự và thời gian trễ lan truyền được khống chế. Điều này rất hữu ớch đối với cỏc lưu lượng thời gian thực và cú thời gian tồn tại dài. Nếu kờnh ảo lỗi hoặc hỏng, cỏc hệ thống định tuyến sẽ tỡm một con đường khỏc thay thế. Cỏc phương phỏp tỡm
đường và thiết lập đường dẫn sẽđược trỡnh bày trong mục định tuyến. Khi muốn giải phúng kờnh ảo, gúi tin điều khiển ngắt đấu nối được truyền tới tất cả cỏc thiết bị mà kờnh ảo đi qua để