ơng 4: các đặc điểm kỹ thuật của ATM 4.1.Lớp t ơng thích ATM (AAL)
4.2.3. Cấu tạo chung của các phần tử chuyển mạch
Phần tử chuyển mạch là đơn vị cơ bản nhất trong cấu trúc của hệ thống chuyển mạch. Tại đầu vào, các thông tin về chọn đờng (có liên quan tới VCI/VPI) đợc phân tích, căn cứ trên kết quả phân tích đó mà các tế bào đợc đa tới đầu ra thích hợp. Nói chung các phần tử chuyển mạch bao gồm một mạng liên kết giữa đầu ra và đầu vào, bộ điều khiển đầu vào IC (Input Controller) tại mỗi cổng vào và bộ điều khiển đầu ra OC (Output Controller) tại mỗi cổng ra. Để tránh việc mất mát các tế bào khi xảy ra đụng độ bên trong do hai hoặc
nhiều tế bào cùng tranh chấp một đầu ra, phần tử chuyển mạch cần phải có các bộ đệm
Các tế bào tới phần tử chuyển mạch đợc đồng bộ với đồng hồ bên trong thông qua bộ điều khiển đầu vào IC. OC có nhiệm vụ chuyển các tế bào mà nó nhận đợc từ mạng liên kết đầu vào đầu ra tới đầu ra cho trớc. IC và OC liên kết với nhau thông qua mạng liên kết đầu vào-đầu ra. Ngời ta phân loại phần tử chuyển mạch theo cấu trúc mạng liên kết đầu vào-đầu ra và cách thức tổ chức bộ đệm. Các phần tử chuyển mạch ATM có thể chia làm hai loại: phần tử chuyển mạch phân chia theo không gian và phần tử chuyển mạch phân chia theo thời gian. Các loại phần tử chuyển mạch khác nhau sẽ lần lợt đợc xem xét.
4.2.4.Phần tử chuyển mạch phân chia không gian (hay phần tử chuyển mạch theo kiểu ma trận)
Trong phần tử chuyển mạch theo kiểu ma trận mạng liên kết đầu vào-đầu ra có cấu trúc ma trân hình chữ nhật, ma trận này cho phép nối giữa một đầu vào và một đầu ra bất kỳ (Hình 4.9).
Hình 4.9: Phần tử chuyển mạch kiểu ma trận
Việc nối đầu vào với đầu ra đợc thực hiện dựa trên các thông tin liên quan đến định tuyến nằm trong phần mào đầu của tế bào ATM. Phần tử chuyển mạch theo kiểu ma trận lại đợc chia ra thành ba loại với cách tổ chức bộ đệm khác nhau • Bộ đệm đầu vào. • Bộ đệm đầu ra. IC IC IC OC OC OC 1 2 b 1 2 b
IC: Bộ điều khiển đầu vào(Input Controller) OC: Bộ điều khiển đầu ra(Output Controller)
• Bộ đệm tại giao điểm của ma trận.
4.2.4.1.Bộ đ ệm đầu vào
Trong phần tử chuyển mạch dùng bộ đệm đầu vào, bộ đệm tế bào đợc đặt ở bộ điều khiển đầu vào (Hình 4.10). Nếu sử dụng đệm kiểu vào trớc ra trớc FIFO (First In First Out), đụng độ sẽ xảy ra nếu hai hoặc nhiều tế bào ở đầu hành đợi cùng tranh chấp một đầu ra. Trong trờng hợp này trừ một tế bào đợc quyền đi tới đầu ra đó, tất cả các tế bào còn lại sẽ bị tắc nghẽn. Hậu quả kéo theo là các tế bào nằm sau tế bào tắc nghẽn ở đầu hàng cũng sẽ bị tắc nghẽn. Để khắc phục nhợc điểm này có thể thay bộ nhớ FIFO bằng bộ nhớ truy nhập ngẫu nhiên RAM. Nếu tế bào đầu tiên bị nghẽn , những tế bào sau vẫn có thể truyền tới một đầu ra rỗi cho trớc. Tuy vậy việc sử dụng RAM yêu cầu các cơ chế quản lý bộ nhớ phức tạp hơn để đảm bảo tìm ra những tế bào đợc chọn tới các đầu ra rỗi cũng nh đảm bảo thứ tự truyền các tới cùng một đầu ra. Ngoài ra để có thể truyền các tế bào tại cùng một bộ đệm đồng thời tới các đầu ra khác nhau thì các bộ đệm phải có nhiều đầu ra hoặc thời gian truy nhập giảm xuống.
Hình 4.10: Phần tử chuyển mạch kiểu ma trận có bộ đệm đầu vào
4.2.4.2.Bộ đệm tại đầu ra
Trong chuyển mạch kiểu này (Hình 4.11). Tắc nghẽn chỉ có thể xảy ra khi tốc độ vận hành của ma trận chuyển mạch bằng với tốc độ của dòng tế bào đầu vào. Nhợc điểm này có thể đợc khắc phục bằng việc giảm thời gian truy cập bộ đệm và tăng tốc độ hoạt động của ma trận chuyển mạch. Tuy vậy nếu yêu cầu tốc độ hoạt động cao sẽ dẫn đến giới hạn về mặt kích thớc của phần tử chuyển mạch . … |||| |||| |||| 1 2 b 1 2 b
Hình 4.11: Cấu trúc phần tử chuyển mạch ma trận với bộ đệm đầu vào
4.2.4.3.Bộ đệm tại giao điểm của ma trận chuyển mạch
Bộ đệm cũng có thể nằm tại giao điểm của ma trận chuyển mạch (hình 4.12). Cấu trúc của phần tử chuyển mạch loại này cho phép các tế bào đi tới các đầu ra khác nhau không ảnh hởng lẫn nhau. Nếu các tế bào nằm ở những bộ đệm khác nhau có cùng một đầu ra thì logic điều khiển cần phải chọn xem bộ đệm nào sẽ đợc phục vụ đầu tiên. Cấu trúc phần tử chuyển mạch kiểu này có nh- ợc điểm là bộ đệm ở giao điểm có kích thớc nhỏ và không chia sẻ đợc bộ đệm. Hình 4.12: Cấu trúc phần tử chuyển mạch kiểu ma trận có bộ đệm tại giao điểm
|||| 1 2 b |||| |||| 1 2 b |||| 1 2 b 1 2 b |||| |||| |||| |||| |||| |||| |||| ||||
4.2.5.Phần tử chuyển mạch phân chia thời gian
4.2.5.1.Phần tử chuyển mạch dùng kiểu BUS(Bus-Type Switching Element)
Các phần tử chuyển mạch dùng kiểu Bus sử dụng mạng liên kết đầu vào- đầu ra là các Bus ghép kênh theo thời gian tốc độ cao (hình 4.13). Tắc nghẽn không xảy ra chỉ khi tổng dung lợng của kênh truyền lớn hơn tổng dung lợng của tất cả các đầu vào. Để đảm bảo yêu cầu này, phần tử chuyển mạch kiểu Bus sử dụng phơng pháp truyền tải bit theo kiểu song song. Thuật toán truy nhập Bus áp dụng ở đây cho phép Bus truyền đợc chia sẻ cho mỗi bộ đệm theo một chu kỳ cho trớc. Mỗi bộ điều khiển đầu vào có thể truyền tế bào tới một đầu ra trớc khi nhận tế bào kế tiếp. Phần tử chuyển mạch kiểu Bus cần có bộ đệm đầu ra để đề phòng trờng hợp có vài tế bào cùng tới một đầu ra trong khi tại một thời điểm chỉ có thể đa ra ngoài một tế bào.
Hình 4.13: Phần tử chuyển mạch kiểu BUS
4.2.5.2.Phần tử chuyển mạch kiểu vòng
Phần tử chuyển mạch kiểu vòng có cấu trúc đợc minh hoạ nh hình 4.14. Tất cả các bộ điều khiển đầu vào và đầu ra đợc nối với nhau thông qua mạng hình vòng. Mạng liên kết đầu vào-đầu ra hoạt động theo nguyên lý phân khe thời gain với dung lợng của vòng phải lớn hơn hoặc bằng tổng dung lợng của tất cả các đầu vào. Trong thực tế thờng hay sử dụng phần tử chuyển mạch vòng Orwell trong đó một vài vòng đợc sử dụng song song để đảm bảo yêu cầu về tốc độ.
IC IC IC
OC OC OC
Bus Ghép kênh thời gian tốc độ cao
1 2 b
Hình 4.14: Cấu trúc phần tử chuyển mạch kiểu vòng
4.2.5.3.Phần tử chuyển mạch sử dụng bộ nhớ trung tâm
Trong phần tử chuyển mạch sử dụng bộ nhớ trung tâm, các bộ điều khiển đầu vào và đầu ra đều sử dụng một bộ nhớ chung duy nhất (hình 4.15). Số liệu từ tất cả các đầu vào đều đợc ghi vào bộ nhớ này, số liệu đợc đọc ra bởi đầu ra bất kỳ bộ nhớ chung còn có thể đợc tổ chức thành các bộ đệm logic đầu vào, đầu ra. Bởi vì các bộ đệm cùng chia sẻ một bộ nhớ chung duy nhất nên dung l- ợng bộ nhớ yêu cầu trong trờng hợp này nhỏ hơn nhiều so với trờng hợp phần tử chuyển mạch dùng các bộ đệm riêng rẽ. Các phần tử chuyển mạch loại này th- ờng làm việc theo nguyên tắc tự định đờng. Mặt khác cũng cần lu ý rằng phần tử chuyển mạch có bộ nhớ trung tâm phải đợc tổ chức thành các tầng song song để đảm bảo tần suất truy nhập bộ nhớ không lớn hơn tốc độ cho phép của bộ nhớ.
Hình 4.15: Cấu trúc phần tử chuyển mạch sử dụng bộ nhớ trung tâm
4.2.6.So sánh các cấu trúc chuyển mạch
Phần tử chuyển mạch kiểu ma trận đợc chia làm ba loại với các tổ chức bộ đệm khác nhau: bộ đệm đầu vào, bộ đệm đầu ra, bộ đệm tại giao điểm của ma trận. Bộ đệm đầu vào sẽ tránh đợc hiện tợng nghẽn đầu vào và tăng tốc độ thực tế của dòng dữ liệu đi qua chuyển mạch. Bộ đệm tại giao điểm của ma trận chuyển mạch do dùng chung bộ đệm giữa đầu vào và đầu ra cho nên hiệu quả sử dụng bộ đệm cao, lợng tế bào phải chờ trung bình giảm, nhng nhợc điểm của nó là bộ đệm ở giao điểm có kích thớc nhỏ, không chia sẻ đợc và việc quản lý bộ đệm tại giao điểm ma trận chuyển mạch phức tạp hơn rất nhiều nên trong
IC OC IC OC 1 b 1 b IC OC IC OC 1 b 1 b Bộ nhớ trung tâm
thực tế bộ đệm này ít đợc sử dụng. Các phần tử chuyển mạch kiểu này có tốc độ chuyển mạch thấp (bằng tốc độ của từng luồng) khó có khả năng áp dụng kỹ thuật Multicast, khó điều khiển độ u tiên và tỷ lệ sử dụng bộ nhớ thấp. Tuy nhiên về mặt điều khiển tơng đối đơn giản.
Cấu trúc chuyển mạch Bus về nguyên lý khá đơn giản, dễ ứng dụng. Tuy nhiên, cấu trúc này có hạn chế là chuyển mạch Bus chỉ cho ta một đờng nối cho một tập hợp các phần tử gắn vào nó nên dải thông cho mỗi phần tử phụ thuộc nhiều vào số lợng phàn tử gắn vào Bus. Dải thông này không thể tăng lên quá giới hạn do phụ thuộc tần số đồng hồ hệ thống và dải thông đờng truyền. Nếu ta tăng tần số đồng hồ thì yêu cầu bộ vi xử lý mạnh hơn và điều này cũng chỉ có giới hạn.
Cấu trúc chuyển mạch vòng có u điểm so với chuyển mạch Bus là một khe thời gian có nhiều cổng vào sử dụng trong mỗi vòng. Tuy nhiên để thực hiện việc này ta phải thêm phần cứng và cũng khó xây dựng các hệ thống chuyển mạch lớn nh cấu trúc Bus.
Cấu trúc chuyển mạch bộ nhớ dùng chung có u điểm là tiết kiệm đợc bộ nhớ nhất do tất cả các cổng đều sử dụng chung một bộ nhớ, kỹ thuật nhân bản Multicast thực hiện dễ dàng. Thêm nữa do chuyển đổi nối tiếp-song song nên trong chuyển mạch tốc độ xử lý chỉ cần bằng một phần của tốc độ dòng số liệu thực tế. Nhợc điểm của loại này là bộ đệm nhỏ, điều khiển bộ đệm phức tạp.
4.2.7.Cuộc nối ảo cố định PVC (Permanent Virtual Connection)
Cũng nh bất kỳ mạng chuyển mạch gói nào trong ATM ngời ta cũng định nghĩa cuộc nối ảo cố định (PVC). Việc này đợc thực hiện thông qua một vài hình thức yêu cầu dịch vụ. Hệ thống quản lý sẽ đặt cấu hình định tuyến cho các thiết bị để quy định các giá trị của VCI/VPI trớc. Cấu hình cũng đợc đặt sẵn ở trong bảng nối đờng tại các nút chuyển mạch. Ngời sử dụng có thể nhận dịch vụ ATM theo hai cách:
1. Thiết lập một kênh ảo cố định.
2. Thiết lập một chuyển mạch kênh ảo (hay cuộc nối ảo tạm thời).
PVC giống nh đờng riêng, trong đó ngời sử dụng gọi ngời cung cấp dịch vụ yêu cầu một đờng riêng từ điểm A đến điểm B. ngời cung cấp dịch vụ cài đặt, khai báo một kênh dựa vào dung lợng mà khách hàng yêu cầu. Hợp đồng PVC thờng kéo dài vài năm. Ngời sử dụng phải trả tiền thuê kênh ngay cả khi không sử dụng kênh.
Thủ tục thiết lập PVC.
2. Ngời sử dụng đợc thông báo địa chỉ bị gọi, yêu cầu băng thông trung bình hay tốc độ và khoảng thời gian kênh PVC.
3. Ngời điều hành thâm nhập kênh thông tin từ máy điều khiển để thiết lập đờng. Bớc này phụ thuộc vào thời gian thực cũng nh ngời sử dụng trong mạng thoại yêu cầu đấu nối.
4. Kênh đợc thiết lập theo yêu cầu.
5. Ngời sử dụng trả tiền thuê kênh theo tháng và thời gian sử dụng kênh. Nếu kênh không sử dụng thì chỉ trả tiền thuê theo tháng.
PVC có u điểm về thời gian thực, băng thông theo yêu cầu, không cần thủ tục thiết lập gọi, đấu nối bằng lệnh, kênh tồn tại liên tục giữa các điểm, dễ mở rộng và có thể cắt đấu nối kênh nếu không sử dụng.
4.2.8.Cuộc nối ảo tạm thời SVC (Switched Virtual Channel)
Kiểu nối ảo tạm thời cho phép đầu cuối có thể có thể gọi đợc các đầu cuối khác một cách linh động.
SVC hoạt động giống nh cuộc gọi điện thoại quay số trực tiếp. Khi thiết lập gọi, băng thông đợc phận nhiệm đúng bằng 64 Kbps và kênh đợc phân nhiệm cho ngời sử dụng ngay khi cuộc gọi đợc thiết lập và ngời sử dụng phải trả tiền cho cho thời gian gọi cho dù có chuyển thông tin đi hay không. Thủ tục bao gồm: thiết lập gọi, chuyển dữ liệu, cắt đấu nối, tính cớc.
Đối với kiểu nối ảo tạm thời một kênh ảo đợc tự động thông qua một giao thức báo hiệu không yêu cầu thiết lập bằng tay giống nh thiết lập PVC. Hình 4.16 mô tả việc thiết lập SVC thông qua báo hiệu.
Hình 4.16: Thiết lập SVCs thông qua báo hiệu END SystemA END System B ATM Switch Connect to B Connect to B Connect to B Connect to B OK OK OK OK
Báo hiệu trong ATM đợc khởi đầu bởi một thiết bị ATM cuối cùng mong muốn đợc thiết lập một kết nối thông qua mạng ATM. Các gói báo hiệu đợc gửi thông qua một kênh ảo cố định có VPI 0, VCI 5 . Kênh này đợc dành riêng để truyền báo hiệu. Tất cả các nút chuyển mạch đều đợc cấu hình trớc để để có thể thu đợc bất cứ một gói báo hiệu nào và gửi nó đến bộ xử lý báo hiệu đợc tích hợp trong nút chuyển mạch. Bên cạch kênh ảo này còn có một số kênh ảo khác đợc dùng để truyền các tín hiệu báo hiệu và điều khiển khác. trong thực tế tất cả các kênh ảo có VCI<32 đều đợc dành riêng cho các mục đích đặc biệt do đó các kênh ảo truyền thông tin của ngời sử dụng có VCI>32. Báo hiệu này đợc truyền dẫn trong mạng từ nút chuyển mạch này đến nút chuyển mạch khác để thiết lập các giá trị nhận dạng kết nối mà nó phải đi qua. Việc này đợc lặp lại cho đến khi đến đích cuối cùng. Các giá trị nhận dạng kết nối (VPI/VCI) cho một kết nối cụ thể đợc chỉ rõ bởi nút mạng nhận đợc yêu cầu kết nối. Các giá trị nhận dạng kết nối luôn luôn đợc chỉ rõ ở mỗi chiều của kết nối, nhng các thông số ở mỗi chiều có thể khác nhau, đặc biệt băng thông ở một chiều có thể là 0.
4.2.9.Xử lý phần tiêu đề của tế bào trong hệ thống chuyển mạch
Nút chuyển mạch có hai nhiệm vụ chính là đọc và thay đổi các giá trị VCI/ VPI và truyền các tế bào từ một đầu vào đến một đầu ra cho trớc. Hệ thống chuyển mạch có hai cách để thực hiện việc đó:
• Phơng pháp tự định đờng.
• Phơng pháp dùng bảng điều khiển.
4.2.9.1.Ph ơng pháp chuyển mạch tự định đ ờng (Self- Routing Switching Element)
Khi phần tử chuyển mạch tự định đờng, số hiệu nhận dạng VPI/VCI đợc đọc và dịch ở đầu vào mạng chuyển mạch. Sau khi đợc đọc và biên dịch, mỗi tế bào đợc bổ xung thêm phần tiêu đề mở rộng dùng riêng khi truyền bên trong mạng chuyển mạch, tiêu đề này nằm trớc tiêu đề của tế bào. Nh vậy do kích th- ớc của tế bào đợc mở rộng vậy tốc độ yêu cầu của mạng cũng phải tăng theo. Hình 4.17 minh hoạ cơ chế xử lý phần mở rộng tiêu đề của tế bào trong mạng chuyển mạch đợc xây dựng trên cơ sở các phần tử chuyển mạch tự định đờng
Hình 4.17: Cơ chế xử lý đầu khung trong hệ thống chuyển mạch tự định đờng Trong chuyển mạch có k tầng, phần tiêu đề mở rộng có k trờng con. Trờng con thứ i chứa địa chỉ đầu ra đích của phần tử chuyển mạch ở tầng con thứ i. Với cấu trúc này ta có thể sắp xếp những phần tử chuyển mạch chồng lên nhau thành hàng cột, khi đó có thể tăng đợc cổng ra. Do đó có thể mở rộng dung l-