- Một số chuyển mạch khác thực hiện có chặn của các chuyển mạch này
e Xác suất tràn bộ đệm: Lượng cll bị mất do không đủ bộ đệm Thông số này
liên quan đến chất lương dịch vụ QoS.
3.2> Hàng đợi đầu vào
ngõ vào ngõ ra Cấu trúc - chuyển mạch hàng đợi
H4.13 : Cấu trúc hàng đợi đầu vào
Chuyển mạch kiểu hàng đợi đầu vào là chuyển mạch với hàng đợi (vùng đệm)
được đặt ở cuối đầu vào của nó. Chuyển mạch kiểu thanh chéo và chuyển mạch
Batcher Banyan là những thí dụ điển hình. Trong loại chuyển mạch này, bộ phân xử
luận lý sẽ tính toán và quyết định bộ đệm nào được phục vụ tại thời điểm nào sao cho
không xảy ra tranh chấp. Bộ phân xử luận lý này có thể chỉ đơn giản như luân phiên
CHƯƠNGIV CHUYỂN MẠCH ATM
phục vụ các hàng đợi và cũng có thể phức tạp hơn như là phục vụ hàng đợi nào dài
nhất để giữ được chiều dài trong các hàng đợi là như nhau.
Đối với chuyển mạch hàng đợi đầu vào, vì các hàng đợi hoạt động theo nguyên
lý và trước ra trước (FIFO — First In First Out) nên có ưu điểm là đơn giản và đảm bảo
được thứ tự của các tế bào, nhưng lại có thể xảy ra hiện tượng nghẽn đầu hàng như
hình dưới đây.
Kuà TgÕ Ta
ngõ vào
1
Cấu trúc chuyển mạch
H4.14: Hàng đợi đầu vào
Trong trường hợp xảy ra như trên hình, cả ba hàng đợi đều có tế bào ở đầu hàng
cần ngõ ra 2 và tại thời điểm đó chỉ có tế bào ở hàng đợi thứ nhất là được chuyển tới
ngõ ra 2 vì hàng đợi thứ nhất đang được phục vụ (được vẽ bằng đường liền nét). Các hàng đợi khác phải chờ trong khi các tế bào kế tiếp của nó đang mong muốn được
chuyển tới một ngõ ra khác hoàn toàn rãnh rỗi. Hiện tượng này là hiện tượng nghẽn
đầu hàng (HOL - Head Of the Line), chỉ vì một tế bào đầu hàng mà các tế bào sau nó
phải chờ đợi trong khi tại thời điểm đó các tế bào này có thể được phục vụ. Điều này đã gây ra nhược điểm cho kiểu hàng đợi FIFO là không sử dụng tối ưu khả năng của mạng liên kết trong chuyển mạch.
Để khắc phục nhược điểm này của kiểu hàng đợi FIFO, người ta thay thế bằng bộ
nhớ truy xuất ngẫu nhiên RAM (Random Access Memory). Khi đó nếu xảy ra trường hợp tế bào đâu hàng phải đứng chờ thì các tế bào kế tiếp vẫn được phục vụ để được
chuyển đến các ngõ ra đang rãnh rỗi. Nhưng điểu này cũng gây ra rắc rối là bộ điều khiển đòi hỏi phải phức tạp hơn để vừa tìm ra tế bào cân chuyển đến các ngõ ra còn
trống, vừa phải đảm bảo thứ tự các tế bào cho ngõ ra đó.
3.3> Hàng đợi đầu ra
Chuyển mạch kiểu hàng đợi đầu ra, được trang bị vùng đệm trên phần cuối của đầu ra, có thể thiết lập các đường riêng biệt mà không gây cản trở các cổng khác nằm giữa phần cuối đầu vào và phần cuối đầu ra khắc phục được hiện tượng nghẽn đầu hàng HOL. Do đó nó có lợi thế hơn chuyển mạch kiểu vùng đệm đầu vào, nhưng lại nẩy sinh một nhược điểm do những phức tạp trong việc bổ sung phần cứng.
Trong phương pháp hàng đợi đầu ra, khi có nhiều tế bào từ các điều khiển ngõ vào muốn đi qua mạng liên kết đến cùng một ngõ ra, phải đòi hỏi một sự chuyển đời nội
bộ tốc độ cao để lần lượt chuyển các tế bào này đến các điều khiển ngõ ra mong
CHƯƠNG1IV CHUYỂN MẠCH ATM
kết (Interconnection Network) và các bộ đệm đầu ra (Output Buffer) phải có khả năng
xử lý n tế bào trong một chu kỳ tế bào. Một thuận lợi của phương pháp này là không cần bộ xử lý luận lý và nguyên lý xếp hàng FTIFO.
ngõ vào ngõ ra Cấu trúc ˆ chuyển mạch hàng đợi H4.15 : Hàng đợi đầu ra
3.4> Hàng đợi trung tâm
Trong phương pháp hàng đợi trung tâm, các bộ đệm không dành riêng cho ngõ vào, ngõ ra như hai phương pháp vừa được xét ở trên mà là dùng chung cho tất cả các ngõ
vào và ngõ ra như hình dưới đây.
Các tế bào đến từ ngõ vào sẽ được lưu trực tiếp trong hàng đợi, và các ngõ ra sẽ chọn những tế bào muốn đến đang được lưu trong hàn đợi theo nguyên lý FIFO. Phương
pháp hàng đợi trung tầm có một lợi điểm là kích thước các bộ đệm được đòi hỏi nhỏ
hơn và cho phép tỷ lệ mất tế bào nhỏ trong điều kiện tải nặng. Nhưng lại có nhược
điểm là phương pháp này yêu cầu tốc độ truy xuất phải rất cao để có thể cho phép các tế bào đến và đi được truy xuất cùng một thời điểm. Và công việc quản lý các hàng đợi chắc chắn phải phức tạp hơn.
3.5> Kết luận cho các phương pháp chuyển mạch dùng hàng đợi
Trong các phương pháp hàng đợi, ba yếu tố quan trọng nhất quyết định đến độ
phức tạp của những hệ thống hàng đợi này là: kích thước hàng đợi, tốc độ bộ nhớ và
sự điều khiển bộ nhớ.
Kích thước hàng đợi tùy thuộc vào hệ thống đòi hỏi chất lượng như thế nào (tỷ lệ
mất tế bào, độ trễ, tải nặng hay nhẹ) và phương pháp xếp hàng. Nó phản ánh số lượng bộ đệm tế bào được hỗ trợ bởi phần tử chuyển mạch. Trong phương pháp hàng đợi trung tâm đồi hỏi dung lượng bộ nhớ ít nhất và phương pháp hàng đợi đầu ra là nhiều nhất. Ở chuyển mạch hàng đợi đầu vào, khi các tế bào đến cùng một lúc và không cùng chọn một ngõ ra, lúc đó có thể có nhiều tế bào được chuyển đi cùng một lúc. Trong khi đó ở chuyển mạch hàng đợi đầu ra, chỉ có một tế bào được chuyển đi tại một thời điểm. Nhưng ngược lại, trong phương pháp hàng đợi đầu ra, độ trễ do truyền tế bào lại nhỏ hơn so với phương pháp hàng đợi đầu vào, vì trong chuyển mạch hàng đợi đầu vào các tế bào không đến được ngõ ra mong muốn thường được giải quyết
CHƯƠNG IV CHUYỂN MẠCH ATM
bằng cách là quay ngược về qua một vòng tạo trễ để chờ có hội thứ hai, tránh hiện
tượng nghẽn đầu hàng.
Tốc độ bộ nhớ là thời gian truy xuất bộ nhớ hàng đợi của phần tử chuyển mạch.
Nó phụ thuộc vào nguyên lý xếp hàng, số lượng của các ngõ vào, ra và tốc độ của
những kết nối vào ra của phân tử chuyển mạch.
Điều khiển bộ nhớ là điều khiển luận lý các hàng đợi của một phần tử chuyển mạch. Sự phức tạp của điều khiển này phụ thuộc vào nguyên lý xếp hàng. Trong
phương pháp chuyển mạch hàng đợi trung tâm, độ phức tạp của điều khiển bộ nhớ là
cao nhất do tất cả các ngõ dùng chung một hàng đợi và nó đòi hỏi một chức năng quản lý động.
Cả ba thông số trên đều rất phụ thuộc vào công nghệ chế tạo Chip, kích cỡ mỗi phần tử nhớ cũng như tốc độ mà hệ thống phải có khả năng hoạt động và kích thước của chuyển mạch.
Để cụ thể hơn trong việc so sánh 3 phương pháp xếp hàng ta đặt :
e Số lượng ngõ vào và ra :N = l6
e Tốc độ liên kết của mỗi lối vào ra : F = 150 Mbps
e_ Độ rộng bộ nhớ tính theo bịt : W = 16
e© Bộ nhớ có thể là một cổng (không đọc và nghỉ đồng thời) hoặc hai cổng (cho phép đọc ghi đồng thời).
Hàng đợi đầu vào:
Đối với hàng đợi đầu vào, bộ nhớ được truy xuất bởi một đầu vào và một đầu ra. Nếu dùng bộ nhớ một cổng nghĩa là không thể đọc và ghi đồng thời để đảm bảo không
mất cell, yêu cầu tốc độ truyền bên trong chuyển mạch là:
F”= 2.F = 2.150=300(Mbps).
Thời gian truy xuất bộ nhớ là:
W 16 :
T=_— = = 53,33.107 (s)=53,33 (ns)
F° 300.10
Nếu dùng bộ nhớ hai cổng, để đảm bảo không bị mất cell, yêu câ tốc độ truyển bên
trong chuyển mạch là:
F”= F=150 (Mbps)
Thời gian truy xuất bộ nhớ là:
16
T= _Ÿ -—— -= 106,67 (ns)
CHƯƠNG IV CHUYỂN MẠCH ATM
Hàng đợi trung tâm:
Đối với hàng đợi trung tâm, trong thời gian một cell (Cell Time), bộ nhớ được
truy xuất đồng thời N đầu vào và N đầu ra. Nếu dùng bộ nhớ một cổng, để đảm bảo không mất cell, yêu cầu tốc độ chuyển mạch bên trong là:
Fˆ=2 . (N.F)=2.(150.16) =4800 (Mbps)
Thời gian truy xuất bộ nhớ là:
T=-W— ~—lổ—— =3,33.10° (s)= 3,33 (ns) F' — 480010
Nếu dùng bộ nhớ hai cổng, để đảm bảo không mất cell, yêu cầu tốc độ truyền bên
trong chuyển mạch là:
F”= N.F =16 .150 =2400 (Mbps)
Thời gian truy xuất bộ nhớ là:
_W_ _._ l6 _ _ “9 (ey=
T=—D.— “ 2aogigs = 667. 10” (s)=6,67 (ns)
Việc sử dụng bộ nhớ hai cổng thay thế cho bộ nhớ một cổng rất có lợi trong
phương pháp hàng đợi trung tâm. Bởi vì trong phương pháp này thời gian truy xuất rất
ngắn đồi hỏi tốc độ chip cao, việc dùng bộ nhớ hai cổng sẽ làm tăng thời gian truy
xuất đáng kể.
Hàng đợi đầu ra:
Đối với hàng đợi đầu ra, trong thời gian một cell, công việc của bộ nhớ là nhận
một cell từ N đầu vào và xuất một cell tại một đầu ra. Nếu dùng bộ nhớ một cổng, để
đảm bảo không mất cell, yêu cầu tốc độ truyền bên trong chuyển mạch là: F' = (N+1).F= (16+1).150 = 2550 (Mbps)
Thời gian truy xuất bộ nhớ là:
16
T=_W -_ =6,27107(s)=6,27 (ns) E - 2550.10
Nếu dùng bộ nhớ hai cổng, để đảm bảo không mất cell, yêu cầu tốc độ bên trong
chuyển mạch là:
CHƯƠNG IV CHUYỂN MẠCH ATM
Thời gian truy xuất bộ nhớ là:
W 16
T=——— =— =6 61.10? (s) = 6,67 (ns)
F 2400.10
Sau đây là bảng tóm tắt thời gian truy xuất bộ nhớ của ba phương pháp xếp hàng.
Hàng đợi đầu | Hàng đợi đầu | Hàng đợi trung
vào Tả tâm Bộ nhớ một cổng W/2F W/F(N+1) W/2NF Kết quả thí dụ 53,3 6,27 3,33 (n$) Bộ nhớ hai cổng W/F W/NF W/NF Kết quả thí dụ 106,6 6,67 6,67 (ns)
Từ bảng trên, trong 3 phương pháp xếp hàng dùng bộ nhớ một cổng, thời gian
truy xuất bộ nhớ của xếp hàng đầu vào là lớn nhất, và phương pháp hàng đợi trung
tâm có thời gian truy xuất bộ nhớ là nhỏ nhất. Tuy nhiên trong phương pháp hàng đợi
đầu vào sẽ gặp phải hiện tượng nghẽn đầu hàng nên độ thông suất của chuyển mạch giảm xuống.
Còn trong trường hợp sử dụng bộ nhớ hai cổng, thời gian truy xuất bộ nhớ của
hàng đợi đầu vào là lớn nhất, phương pháp hàng đợi đầu ra và hàng đợi trung tâm có thời gian truy xuất bằng nhau. Cách dùng hàng đợi trung tâm đòi hỏi dung lượng bộ đệm lớn và điều khiển tương đối phức tạp hơn.
Tuỳ theo công nghệ sản xuất chip, tùy nhu cầu thực tế của hệ thống mà các nguyên lý xếp hàng sẽ được nhà sản xuất sử dụng và kết hợp một cách linh động.
3.6> Giải quyết tranh chấp giữa các tế bào
Trong trường hợp nhiều tế bào cùng tranh chấp một đầu ra. Cần phải có một cơ chế giải quyết tranh chấp một cách công bằng và giảm thiểu tỷ lệ mất tế bào. Một số
phương pháp lựa chọn sau đây:
e Phương pháp lựa chọn ngẫu nhiên: Tế bào sẽ được lựa chọn một cách ngẫu nhiên giữa vài tế bào tranh chấp một đầu ra.