Trong mạng chuyển mạch khụng gian, cỏc đường dẫn được thiết lập đồng thời giữa cỏc cổng đầu vào và cỏc cổng đầu ra, hoạt động cựng một tốc độ số liệu như tại đầu vào và đầu ra. Theo lý thuyết, dung lượng của trường chuyển mạch khụng gian là vụ hạn, tuy nhiờn trong thực tế dung lượng bị hạn chế bởi số lượng cỏc đấu nối vật lý, giới hạn của kết nối và đồng bộ hệ thống. Vấn đề trung tõm và mang bản chất cố hữu của cỏc trường chuyển mạch khụng gian là vấn đề tắc nghẽn nội, nhất là khi trường chuyển mạch được xõy dựng bởi kết nối đa tầng. Vấn đề này phụ thuộc chủ yếu vào kiến trỳc của cỏc trường chuyển mạch. Mặt khỏc, kể cả khi kiến trỳc ma trận chuyển mạch khụng tắc nghẽn, hiện tượng tranh chấp đầu ra vẫn cú thể xảy ra và được giải quyết bởi giải phỏp bố trớ cỏc bộđệm trong trường chuyển mạch.
Cỏc mạng chuyển mạch khụng gian được phõn chia dựa trờn số lượng đường dẫn khả dụng giữa cỏc cặp đầu vào và đầu ra. Cỏc mạng chuyển mạch đơn đường tồn tại một đường dẫn giữa một cặp đầu vào/ra, trong khi chuyển mạch đa đường tồn tại nhiều hơn một đường dẫn giữa một cặp đầu vào/ra. Mạng chuyển mạch đơn đường cú cỏc kiểu chuyển mạch Crossbar, chuyển mạch kết nối đầy đủ và chuyển mạch
Banyan. Trong chuyển mạch đa đường gồm: chuyển mạch Banyan mở rộng, chuyển mạch Clos, chuyển mạch đa mặt và chuyển mạch quay vũng.
i, Chuyển mạch crossbar
Chuyển mạch crossbar là một ma trận chuyển mạch hai chiều thường là ma trận vuụng (NxN), được cấu tạo bởi cỏc phần tử kết nối chộo hai trạng thỏi (Cross-Bar),
66
một ma trận chuyển mạch (NxN) cú N2 điểm kết nối chộo. Để thiết lập một đường dẫn từ một đầu vào Ii tới một đầu ra Oj, cỏc chuyển mạch (i,1) tới (i, j-1) và (i+1,j) tới
(N,j) được đặt vào trạng thỏi Cross, và chuyển mạch (i,j) được đặt vào trạng thỏi Bar. Hỡnh 3.10 chỉ ra vớ dụ của một ma trận crossbar kớch thước (4x4).
Độ phức tạp phần cứng của ma trận Crossbar là một hàm của cỏc điểm đấu nối chộo và tăng theo số lượng điểm kết nối chộo. Ta sẽ xem xột số lượng điểm kết nối chộo tốt nhất cú thể cú của ma trận chuyển mạch Crossbar. Ta cú mỗi điểm kết nối chộo gồm hai trạng thỏi, vỡ vậy một trường chuyển mạch cú k điểm kết nối chộo, thỡ sẽ cú 2k trạng thỏi. Một chuyển mạch NxN khụng tắc nghẽn phải thiết lập được cỏc điểm kết nối chộo cho N! cỏch kết nối đầu vào với đầu ra. Điều này được thực hiện với
log2(N!) phần tử hai trạng thỏi.
Như vậy, độ phức tạp của trường chuyển mạch Crossbar sử dụng cỏc phần tử hai trạng thỏi bằng O N( log2N).
Hỡnh 3.10: Kiến trỳc ma trận chuyển mạch Crossbar
Trong kỹ thuật chuyển mạch kờnh, cỏc tiếp điểm được điều khiển từ một trung tõm điều khiển khu vực LOC (Local Controller); trong ma trận Crossbar sử dụng trong mạng chuyển mạch gúi, cỏc phần tửđấu nối chộo thực hiện trực tiếp việc kết nối thụng qua cỏc bit tại tiờu đề gúi tin. Cỏc đặc tớnh tự kết nối là một đặc điểm riờng của trường chuyển mạch gúi, chức năng này cũn được gọi là chức năng tự định tuyến (seft routing). Kiến trỳc trường chuyển mạch kiểu Crossbar cú 3 đặc điểm ưu việt: Khụng tắc nghẽn nội, cấu trỳc đơn giản và cú thể cấu trỳc theo module.
ii, Chuyển mạch kết nối đầy đủ.
Trường chuyển mạch với cỏc kết nối trung gian đầy đủ cho phộp cỏc gúi tin luụn lựa chọn được một tuyến đường giữa hai trường chuyển mạch. Kiểu kết nối này đảm bảo khả năng khụng tắc nghẽn của trường chuyển mạch nhưng tăng độ phức tạp của
67
phần cứng khi sốđiểm kết nối tăng lờn. Trường chuyển mạch kết nối đầy đủ hoạt động tương tựnhư trường chuyển mạch chia sẻphương tiện. Hỡnh 3.11 chỉ ra một vớ dụ của kiểu trường chuyển mạch kết nối đầu đủ.
Cỏc gúi tin đầu vào được phỏt quảng bỏ trờn toàn bộ cỏc cổng đầu ra, vỡ vậy một số gúi từcỏc đầu vào khỏc nhau cú thể yờu cầu ra đồng thời một cổng đầu ra tại một thời điểm, để giải quyết vấn đề này cỏc bộđệm sẽđược bố trớ tại trung tõm hoặc tại cỏc đầu ra của cỏc cổng. Chuyển mạch kết nối đầy đủ cú tốc độ xử lý tiờu đề rất lớn khụng gian tiờu đề tiờu đề yờu cầu N2 bus quảng bỏ riờng biệt. Đõy chớnh là nhược điểm lớn nhất của kiểu trường chuyển mạch này. Ưu điểm của trường chuyển mạch kết nối đầy đủ nằm ở chỗđơn giản và cấu trỳc khụng tắc nghẽn.
Hỡnh 3.11: Chuyển mạch khụng gian kiểu kết nối đầy đủ
iii, Chuyển mạch dựa trờn cấu trỳc Banyan.
Như ta đó biết, kiến trỳc chuyển mạch ghộp đa tầng thường được sử dụng trong cỏc hệ thống chuyển mạch nhằm giảm thiểu độ phức tạp phần cứng và mở rộng dung lượng. Trong mục này ta tập trung vào một số vấn đề cơ bản liờn quan tới cỏc trường chuyển mạch đa tầng kết nối kiểu hỡnh cõy, cũn được gọi là mạng banyan. Cỏc đặc tớnh cơ bản của mạng banyan gồm: (1) Mạng banyan gồm k = log2 N tầng và mỗi tầng cú
2
N
node, (2) Mạng banyan cú đặc tớnh tựđịnh tuyến qua sử dụng k bit địa chỉ, mỗi bit sử dụng để định tuyến qua một tầng và (3) Luật đấu nối đơn giản và tường minh.
Hỡnh 3.12 chỉ ra vớ dụ về tuyến kết nối tự định tuyến qua mạng banyan kớch thước (8x8) với cỏc phần tử đấu nối là ma trận (2x2), trong trường hợp tổng quỏt mạng
banyan được cấu thành từ cỏc phần tử ma trận (n x n). Cỏc đường đậm chỉ ra con đường tự định tuyến, tuyến nối xỏc định bằng một chuỗi gồm k bit nằm trong tiờu đề của gúi tin theo thứ tự cỏc tầng. Cỏc kết nối liờn tầng được xỏc định bởi phương phỏp hoỏn vị xỏo trộn.
68
Hỡnh 3.12: Vớ dụ về mạng banyan (8x8) - Hiện tượng nghẽn nội trong mạng banyan.
Hiện tượng tắc nghẽn nội trong trường chuyển mạch banyan xảy ra khi cú hiện tượng tranh chấp liờn kết giữa cỏc tầng chuyển mạch. Núi cỏch khỏc, hiện tượng tắc nghẽn nội xảy ra khi hai điều kiện sau thoả món: khụng cú một đầu vào rỗi giữa hai đầu vào hoạt động bất kỳ và cỏc địa chỉ đầu ra của cỏc gúi đều trờn cựng một cổng phớa trờn hoặc phớa dưới. Để trỏnh hiện tượng nghẽn nội cũng như nõng cao hiệu năng chuyển mạch, mạng banyan thường được kết hợp với kỹ thuật phõn lụ batcher. Mục tiờu của quỏ trỡnh phõn lo là phõn tỏn lưu lượng điều khiển qua cỏc mẫu liờn kết giữa cỏc tầng nhằm giảm thiểu tranh chấp.
- Cỏc kiểu trường chuyển mạch dựa trờn cấu trỳc banyan
Tựy theo cỏc mẫu kết nối trung gian giữa cỏc tầng chuyển mạch và đặc tớnh kết nối mà mạng chuyển mạch dựa trờn cấu trỳc banyan cú cỏc tờn gọi khỏc nhau. Trong đú, cỏc mạng delta là một phõn lớp của cỏc mạng dựa trờn cấu trỳc banyan cú đặc tớnh tự định tuyến. Rất nhiều kiểu mạng delta như: mạng omega, flip, cube, mạng trỏo đổi (dựa trờn hoỏn vị trỏo đổi) và cỏc mạng baseline. Hỡnh 3.13 minh họa hai kiểu mạng dựa trờn cấu trỳc banyan.
Cỏc kiểu mạng chuyển mạch delta cú một sốưu điểm chớnh:
Độ phức tạp phần cứng của cỏc điểm kết nối chộo giảm xuống O(N log10 N);
Khụng cần cơ chếđịnh tuyến;
69
Hỡnh 3.13: Cỏc trường chuyển mạch trong họ bayan
Một nhược điểm cơ bản của cỏc trường chuyển mạch dựa trờn cấu trỳc banyan là tắc nghẽn nội. Tắc nghẽn nội làm giảm hiệu năng của trường chuyển mạch đỏng kể khi kớch thước của trường chuyển mạch tăng lờn. Giải phỏp hiện nay đối với cỏc trường chuyển mạch này là sử dụng bộđệm hoặc tăng tốc độ của cỏc liờn kết giữa cỏc trường chuyển mạch.
Hỡnh 3.14: Kiến trỳc cỏc trường chuyển mạch đa đường
Chuyển mạch dựa trờn cấu trỳc banyan mở rộng: Kiến trỳc trường chuyển mạch
banyan mở rộng trỡnh bày trờn hỡnh 3.14 (a), đõy là phương phỏp mở rộng theo chiều ngang. Việc mở rộng thờm tầng chuyển mạch đồng nghĩa với việc tạo thờm cơ hội chọn đường cho cỏc gúi tin đi trong nội bộ trường chuyển mạch. Vỡ vậy, hiện tượng mất gúi sẽ giảm xuống so với trường chuyển mạch banyan chưa mở rộng. Tuy nhiờn, nhược điểm chớnh của trường chuyển mạch dựa trờn cấu trỳc mạng banyan mở rộng là vấn đề định tuyến phức tạp cựng với độ phức tạp phần cứng sẽ tăng lờn cựng với số điểm kết nối chộo.
70
Chuyển mạch dựa trờn cấu trỳc ghộp Clos: Phương phỏp ghộp nối Clos nhằm xõy dựng mạng chuyển mạch khụng tắc nghẽn hoàn toàn gồm 3 tầng chuyển mạch. Trường chuyển mạch Clos cho phộp giảm độ phức tạp của hệ thống xuống cũn O (N3/2). Nhược điểm của trường chuyển mạch này là cần cú một cơ chế điều khiển thụng minh và nhanh để sắp xếp cỏc gúi tin vào ma trận chuyển mạch, vấn đề này khụng được đặt ra đối với cỏc yờu cầu kết nối chuyển mạch kờnh vỡ cỏc yờu cầu kết nối kờnh đó được thực hiện trong pha thiết lập cuộc gọi. Hơn nữa, trờn thực tế, rất khú đạt được khảnăng khụng tắc nghẽn hoàn toàn nếu trường chuyển mạch khụng phải là trường chuyển mạch cú cấu trỳc khụng tắc nghẽn hoàn toàn, nhất là với cỏc dạng lưu lượng biến động lớn. Việc tăng cỏc kết nối trung gian cũng sẽ làm giảm khảnăng tắc nghẽn nhưng đồng thời làm tăng độ phức tạp của điều khiển.
Chuyển mạch dựa trờn cấu trỳc đa mặt: Như chỉ ra trờn hỡnh 3.14 (c) trường chuyển mạch gồm nhiều mặt nhằm mục đớch tăng khả năng thụng qua của trường chuyển mạch. Sử dụng một số kỹ thuật nhằm phõn chia lưu lượng đầu vào, chuyển mạch dựa trờn cấu trỳc đa mặt giảm hiện tượng tranh chấp trong trường chuyển mạch. Cỏc ưu điểm khỏc của kiểu kiến trỳc này là tốc độ của đầu ra chỉ bằng tốc độđầu vào và độ tin cậy của hệ thống sẽtăng lờn khi cú cỏc trường chuyển mạch hoạt động song song. Tuy nhiờn, tớnh tuần tự của cỏc gúi tin sẽkhụng được đảm bảo nếu như khụng cựng được truyền trờn cựng một mặt.
Chuyển mạch dựa trờn cấu trỳc quay vũng: Chuyển mạch quay vũng chỉ ra trờn hỡnh 3.14 (d) được thiết kế để trỏnh tranh chấp đầu ra. Việc quay vũng cỏc gúi tin khụng tỡm đỳng địa chỉ đớch về cỏc cổng đầu vào tương tự như một quỏ trỡnh trễ thời gian. Tỉ lệ tổn thất gúi tin sẽ giảm xuống và làm tăng độ thụng qua của trường chuyển mạch. Tuy nhiờn, nhược điểm của chuyển mạch quay vũng là yờu cầu sốlượng chuyển mạch lớn tương ứng với số cổng, hơn nữa việc quay vũng cú thể gõy ra lỗi nờn cần phải thờm một sốcơ chếđiều khiển và làm phức tạp hơn cho hệ thống chuyển mạch.