1.3 Các công nghệ làm nền cho mạng thế hệ mới
1.3.2 Công nghệ chuyển mạch ATM
ATM (Asynchronous Transfer Mode) đƣợc nghiên cứu tại Trung tâm CNET của France Telecom năm 1983 và đƣợc phát triển ở nhiều Trung tâm khác. ATM công cộng đầu tiên đƣợc triển khai ở Mỹ năm 1993. ATM có thể kết nối đến tất cả các loại mạng hiện hữu, và có thể thích nghi với nhiều chủng loại tốc độ.
ATM là phƣơng thức truyền tải mang đặc tính của chuyển mạch gói, sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia không đồng bộ. ATM ghép các luồng dữ liệu vào các khối có kích thƣớc cố định và đƣợc gọi là tế bào (Cell). Tế bào ATM có kích thƣớc cố định là 53 byte.
ATM là một kỹ thuật truyền tin tốc độ cao. ATM nhận thông tin ở nhiều dạng khác nhau nhƣ thoại, số liệu, video và cắt ra thành nhiều phần nhỏ gọi là tế bào. Các tế bào này, sau đó đƣợc truyền qua các kết nối ảo VC (virtual connection). Vì ATM có thể hỗ trợ thoại, số liệu và video với chất lƣợng dịch vụ trên nhiều công nghệ băng rộng khác nhau, nó đƣợc coi là công nghệ chuyển mạch hàng đầu và thu hút đƣợc nhiều sự quan tâm.
ATM khác với định tuyến IP ở một số điểm. Nó là công nghệ chuyển mạch hƣớng kết nối. Kết nối từ điểm đầu đến điểm cuối phải đƣợc thiết lập trƣớc khi thông tin đƣợc gửi đi. ATM yêu cầu kết nối phải đƣợc thiết lập bằng nhân công hoặc thiết lập một cách tự động thông qua báo hiệu. Một điểm khác biệt nữa là ATM không thực hiện định tuyến tại các nút trung gian. Tuyến kết nối xuyên suốt đƣợc xác định trƣớc khi trao đổi dữ liệu và đƣợc giữ cố định trong thời gian kết nối. Trong quá trình thiết lập kết nối, các tổng đài ATM trung gian cấp cho kết nối một nhãn. Việc này thực hiện hai điều: dành cho kết nối một số tài nguyên và xây dựng bảng chuyển tế bào tại mỗi tổng đài. Bảng chuyển tế bào này có tính cục bộ và chỉ chứa thông tin về các kết nối đang hoạt động đi qua tổng đài. Điều này khác với thông tin về toàn mạng chứa trong bảng định tuyến của router dùng IP.
Quá trình chuyển tế bào qua tổng đài ATM cũng tƣơng tự nhƣ việc chuyển gói tin qua router. Tuy nhiên, ATM có thể chuyển mạch nhanh hơn vì nhãn gắn trên các cell có kích thƣớc cố định (nhỏ hơn của IP), kích thƣớc của bảng chuyển tin nhỏ hơn nhiều so với của IP router, và việc này đƣợc thực hiện trên
các thiết bị phần cứng chuyên dụng. Do vậy, thông lƣợng của tổng đài ATM thƣờng lớn hơn thông lƣợng của IP router truyền thống.
Để đảm bảo QoS trong mạng ATM, ngoài cơ chế chuyển mạch nhanh do nhãn trên Cell có kích thƣớc nhỏ và kích thƣớc bảng định tuyến nhỏ cũng đảm bảo đƣợc một phần về QoS. Song để có sự đảm bảo QoS, ATM còn sử dụng một số phƣơng pháp để điều khiển lƣu lƣợng và chống tắc nghẽn.
1.3.2.1. Điều khiển thông số người sử dụng (UPC)
Có hai phƣơng pháp điều khiển thông số ngƣời sử dụng:
- Phƣơng pháp thùng rò rỉ (Leaky Bucket): Sử dụng bộ đếm có giá trị tăng lên khi có tế bào mới xuất hiện và giảm theo chu kỳ.
- Phƣơng pháp cửa sổ (Sliding and Jumping Window): sử dụng cửa sổ thời gian để hạn chế số lƣợng tế bào đến.
a. Phƣơng pháp thùng rò rỉ (Leaky Bucket)
Sử dụng bộ đếm có giá trị tăng lên khi có tế bào mới xuất hiện và giảm theo chu kỳ. Đây là một giải thuật đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm tra sự phù hợp của luồng cell dựa vào các thông số trong hợp đồng lƣu lƣợng. Thuật toán có nghĩa là một cái thùng với một cái lỗ ở đáy và chất lỏng trong thùng sẽ đƣợc rỉ ra với một tốc độ nào đó tƣơng ứng với tốc độ lƣu thông của luồng cell. Chiều sâu của thùng tƣơng ứng với một thông số lƣu lƣợng. Khi một Cell đến Gremlin sẽ kiểm tra lƣu lƣợng của thùng còn lại và xem lƣu lƣợng của Cell đến có làm tràn thùng không.
Đối với luồng cell phù hợp, cell đầu tiên tới thấy thùng trống nên chất lỏng từ cell này đƣợc đổ vào thùng làm nội dung của thùng tăng lên 4 đơn vị. Đến cell time thứ 3, hai đơn vị đƣợc rút ra khỏi thùng và đồng thời có một cell tới. Gremlin xác định rằng chất lỏng từ cell này sẽ rót vào thùng vừa tới miệng thùng nhƣ vậy là nó phù hợp nên chất lỏng trong cell này đƣợc đƣa vào thùng. Bây giờ thì thời điểm tới của cell phù hợp sớm nhất sẽ là 4 cell time sau đó tức là cell time thứ 7 vì 4 đơn vị phải đƣợc rút ra khỏi thùng để cell tới không làm cho nội dung của thùng vƣợt quá 6 đơn vị làm tràn thùng.
Đối với luồng cell không phù hợp, cell đầu tiên tới ở cell time thứ nhất, lúc này thùng rỗng nên nó rót vào thùng 4 đơn vị. Qua 4 cell time kế tiếp thì thùng bị rỉ hết . Ở cell time thứ 5 một cell khác tới và nạp vào thùng rỗng 4 đơn vị. Ở cell time thứ 6 một cell nữa lại đến, lúc này nội dung trong thùng còn lại 3 và nhƣ vậy gremlin xác định rằng thùng sẽ tràn nếu chất lỏng từ cell tới đƣợc rót vào thùng, nhƣ vậy cell này không phù hợp và gremlin sẽ rót chất lỏng từ cell này ra ngoài. Vì chất lỏng từ cell không phù hợp không đƣợc đƣa vào thùng nên cell phù hợp kế tiếp có thể tới ở cell time thứ 7. Cell tới ở cell time thứ 13 sẽ rót vào thùng rỗng 4 đơn vị, cell kế tới ở cell time thứ 15 sẽ nạp đầy thùng. Cuối cùng cell tới ở cell time thứ 17 sẽ làm cho thùng bị tràn do đó nó là cell không phù hợp [5].
Hoạt động Tagging sẽ đặt các bit CLP của các Cell vi phạm 6 và 17 lên 1; còn phƣơng thức discarding sẽ hủy bỏ hoàn toàn các cell này.
b. Phương pháp cửa sổ (Sliding Windows - Jumping Windows)
Hai giải thuật này đều dựa vào hoạt động của một cửa sổ với hai thông số: W là kích thƣớc cửa sổ và M là số cell cho phép trong một cửa sổ. Tất cả các cell vƣợt quá số lƣợng M cell trong một cửa sổ đều là các cell không hợp lệ. Điểm khác nhau giữa hai giải thuật là: trong cửa sổ sẽ trƣợt theo trục thời gian, mỗi lần trƣợt tới một chu kỳ cell (cell time); còn trong giải thuật cửa sổ nhảy sẽ nhảy trên trục thời gian với bƣớc nhảy bằng kích thƣớc W của cửa sổ [5].
Phần sau đây mô tả hoạt động của hai giải thuật này với giá trị cụ thể là W=10 và M = 3.
Hình 1.11: Đánh dấu luồng Cell theo phương pháp cửa sổ trượt và nhảy
Trong điều khiển UPC, nó đƣợc dùng để tránh tắc nghẽn. Các Cell không phù hợp sẽ đƣợc UPC đánh dấu bằng cách đặt CLP=1 và có độ ƣu tiên thấp hơn các Cell có CLP=0 nhƣng chúng đều đƣợc đƣa vào mạng. Khi xảy ra tắc nghẽn các Cell có CLP=1 sẽ bị loại bỏ.
1.3.2.3 Điều khiển chấp nhận kết nối (CAC_Connection Admission Control)
Đây là chức năng phần mềm của tổng đài ATM, nó có nhiệm vụ xác định xem yêu cầu kết nối có đƣợc chấp nhận hay không thông qua việc kiểm tra lƣu lƣợng và QoS đƣợc yêu cầu.
Hình 1.12: Mô hình điều khiển chấp nhận kết nôi
Khi một yêu cầu kết nối với băng thông R đƣợc đƣa tới bộ xác định tốc độ cực đại của CAC để xem xét. Băng thông trung kế là T và một phần băng thông A của nó đã đƣợc ấn định cho các kết nối đang tồn tại. Nếu yêu cầu R vƣợt quá băng thông còn lại sẵn có (T-A) thì yêu cầu bị từ chối và ngƣợc lại nó đƣợc chấp nhận. Phƣơng pháp này rất đơn giản và tỏ ra rất hiệu quả trong việc chống tắc nghẽn, nâng cao QoS [5].
1.3.2.4 Điều khiển ưu tiên (PC_Priority Control)
Điều khiển ƣu tiên đƣợc thực hiện để đạt đƣợc các yêu cầu về độ trễ và tỷ lệ Cell bị Loss cho các ứng dụng có hiệu suất cao. Nhƣ vậy có thể tạo ra dòng lƣu lƣợng có tính chất ƣu tiên khác nhau bằng việc sử dụng các Bit ƣu tiên để loại bỏ tế bào (CLP). Nếu bộ đệm bị tràn, các thành phần của mạng cho phép loại bỏ một cách chọn lọc các Cell có độ ƣu tiên thấp.
Có hai phƣơng thức loại bỏ Cell:
Phƣơng pháp hất ra: Cell có độ ƣu tiên cao sẽ thay thế Cell có ƣu tiên thấp hơn trong bộ đệm.
R>T-A
User
User yêu cầu một VC
X Mbps Y delay Z cellloss
Mạng ATM
User yêu cầu kết
nối
CAC trả lời đồng ý hay không
A
T Từ chối yêu cầu
Băng thông đang sử dụng Băng thông còn lại
Băng thông yêu cầu
CAC chỉ chấp nhận kết nối khi không ảnh hƣởng đến QoS của các kênh đang tồntại R
Phƣơng pháp chiếm từng phần bộ đệm: Một phần của bộ đệm sẽ đƣợc dự trữ cho Cell có ƣu tiên cao.
Tóm lại, trong kỹ thuật ATM có nhiều phƣơng pháp để khắc phục sự cố khi có tắc nghẽn nhƣ loại bỏ các Cell có CLP=1, hay xóa các kết nối đang tồn tại có độ ƣu tiên thấp hoặc ngƣời điều hành mạng có thể ngắt một số đƣờng kết nối nào đó và định tuyến lại cũng nhƣ việc bổ sung tài nguyên cho mạng. Nhƣ vậy ATM có thể đảm bảo QoS một cách thông suốt đầu cuối đến đầu cuối, đây chính là thế mạnh của ATM.
Hiện nay, trong việc xây dựng mạng IP, có đến mấy loại kỹ thuật, nhƣ IP over SDH/ SONET, IP over WDM và IP over Fiber. Còn kỹ thuật ATM, do có các tính năng nhƣ tốc độ cao, chất lƣợng dịch vụ (QoS), điều khiển lƣu lƣợng, … mà các mạng lƣới dùng bộ định tuyến truyền thống chƣa có, nên ATM đã đƣợc sử dụng rộng rãi trên mạng đƣờng trục IP. Mặt khác, do yêu cầu tính thời gian thực còn tƣơng đối cao đối với mạng lƣới, IP over ATM vẫn là kỹ thuật đƣợc chọn trƣớc tiên hiện nay. Cho nên việc nghiên cứu đối với IP over ATM vẫn còn rất quan trọng. Mà MPLS chính là sự cải tiến của IP over ATM kinh điển [5][6].