CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU TRỄ TRUYỀN THÔNG TRONG MỘT SỐ MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP TIÊU BIỂU
3.2. Trễ truyền thông trong mạng Ethernet
3.2.2. Cấu hình mạng Ethernet sử dụng Switch
Sự phát triển của các bộ chuyển mạch sử dụng cho mạng LAN (LAN Switch) đã làm thay đổi cấu hình truyền thống của mạng Ethernet thành mạng hình sao chuyển mạch gói. Khác với kiến trúc hình sao trong cấu hình mạng truyền thống các bộ tập trung tín hiệu (HUB) được thay bằng các LAN Switch thông minh. Các HUB chỉ đơn thuần đóng vai trò tập trung tín hiệu và tạo ra môi trường truyền dẫn chung và mạng hình sao trong cấu hình mạng truyền thống chỉ đơn thuần là nhằm cải thiện độ tin cậy của hệ thống đối với các sự cố ở cấp truyền thông. Về bản chất truyền tin thì mạng sử dụng HUB không khác với mạng hình bus.
Kiến trúc mạng hình sao trong hệ thống mạng Ethernet sử dụng Switch với trạm trung tâm là LAN Switch thực hiện việc phân luồng các gói tin theo đúng lộ trình yêu cầu của nó. Trong hệ thống mạng có thể có sự kết hợp cả các HUB và Switch. Khi đó các Switch sẽ đóng vai trò phân chia hệ thống mạng thành nhiều phân đoạn và trễ truyền thông sẽ bao gồm trễ trong mỗi phân đoạn và trễ xử lý, truyền tin trong các Switch. Hệ thống mạng được gọi là “chuyển mạch hoàn toàn”
nếu ta không sử dụng các phân đoạn theo cấu hình mạng truyền thống. Trong phần này chúng ta sẽ nghiên cứu về trễ truyền thông trong hệ thống mạng chuyển mạch hoàn toàn và trễ xử lý, truyền tin trong các Switch. Hình 3-4 mô tả cấu hình mạng chuyển mạch hoàn toàn sử dụng Switch.
Trong hệ thống mạng chuyển mạch hoàn toàn các Switch phân chia mạng thành nhiều phân đoạn, mỗi phân đoạn chỉ có hai đối tác truyền thông là nút mạng và Switch. Như đã phân tích hệ thống mạng Ethernet truyền thông chỉ cho phép truyền dữ liệu theo một chiều tại một thời điểm hay nói cách khác chế độ hoạt động của hệ thống mạng Ethernet truyền thống là chế độ bán song công (half-duplex).
thông nên có thể cho phép hệ thống hoạt động ở chế độ song công hoàn toàn (full- duplex) bằng cách thiết lập các kênh truyền dữ liệu và kênh nhận dữ liệu riêng biệt nhờ việc sử dụng cáp quang hoặc cáp xoắn. Khi mỗi phân đoạn chỉ gồm hai đối tác truyền thông và hoạt động ở chế độ song công hoàn toàn thì sẽ không xảy ra xung đột hay nói cách khác phương pháp điều khiển truy nhập CSMA/CD sẽ không hoạt động khi hệ thống mạng hoạt động (thực tế CSMA/CD chỉ hoạt động ở thời điểm ban đầu khi Switch nhận dạng các cổng). Điều này làm tăng hiệu năng và khả năng thông qua của hệ thống mạng và là ưu điểm lớn nhất trong hệ thống mạng sử dụng Switch. Để phân tích trễ truyền thông trong hệ thống mạng chuyển mạch hoàn toàn trước hết ta tìm hiểu hoạt động của LAN Switch.
Hình 3-4. Cấu hình mạng chuyển mạch hoàn toàn sử dụng Switch 3.2.3. LAN Switch
Trong mô hình mạng 7 lớp OSI thì HUB hoạt động ở lớp vật lý còn LAN Switch hoạt động ở cả lớp liên kết dữ liệu và lớp vật lý.
Các LAN Switch bao gồm một vài bộ nhớ đệm tốc độ cao dùng để lưu giữ các khung truyền tin (hay các thông điệp) trước khi nó được chuyển tới cổng khác hoặc các cổng khác (khi truyền thông báo). Bộ nhớ đệm này càng lớn thì càng cho phép LAN Switch xử lý cùng lúc càng nhiều khung truyền tin và làm tăng hiệu năng đáp ứng của mạng với các lưu lượng truyền tin khác nhau. Khi LAN Switch
LAN Switch
Sensor Actuator IPC
Controller Sensor Printer
Actuator IPC
sẽ được kiểm tra các lỗi có thể xảy ra trong khi truyền và nhận. Quá trình truyền tin diễn ra như sau:
* Thông tin được truyền từ nút truyền tới LAN Switch và LAN Switch sẽ thực hiện việc ghi tạm các khung truyền tin vào bộ đệm đầu vào.
* Các khung truyền tin trong bộ đệm sẽ được LAN Switch sẽ thực hiện việc kiểm tra và chuyển tới bộ đệm đầu ra được yêu cầu theo nguyên tắc vào trước – ra trước (first in first out, FIFO).
* Từ bộ đệm đầu ra các khung truyền tin sẽ được chuyển tới nút mạng nhận tin và cũng theo quy tắc vào trước- ra trước.
Một tình huống có thể xảy ra đối với các LAN Switch là các bộ đếm có thể bị tràn khi lưu lượng truyền thông lớn và có thể xảy ra tình trạng khung truyền tin bị bỏ qua. Tuy nhiên trong các LAN Switch thông minh, người ta đã thiết kế một chế độ làm việc đặc biệt để xử lý tình huống này. Đó là chế độ tạm dừng, PAUSE. Chế độ tạm dừng được định nghĩa trong IEEE 802.3x (bổ xung cho điều khiển thời gian thực) [16]. Theo đó khi nút mạng nhận được khung điều khiển truy nhập (MAC Control Frame) với mã hoạt động trong byte đầu tiên của dữ liệu sẽ nhận biết rằng khung điều khiển đang sử dụng để thực hiện chế độ tạm dừng. Khi nhận được lệnh tạm dừng, nút mạng sẽ ngay lập tức dừng việc gửi dữ liệu cho tới khi có lệnh mới hoặc thời gian tạm dừng hết hiệu lực. Chế độ tạm dừng nhằm mục đích để ngăn ngừa việc bỏ qua các khung dữ liệu do tràn bộ đệm đầu vào vì hiện tượng quá tải ngắn hạn.
Khi gửi lệnh tạm dừng, nút mạng yêu cầu tạm dừng (Switch hoặc nút mạng) sẽ gửi kèm theo tham số chỉ thị thời gian mà đối tác truyền thông phải đợi trước khi trở lại tiếp tục truyền tin. Khi thời gian tạm dừng kết thúc, nút truyền tin sẽ quay trở lại quá trình truyền tin ở đúng trạng thái mà nó đã dừng lại. Lệnh tạm dừng có thể được ghi đè, có nghĩa là lệnh mới nhận được sẽ thay thế lệnh cũ và nút mạng yêu cầu tạm dừng có thể rút ngắn hoặc mở rộng thời gian đợi của đối tác truyền thông bằng cách gửi lệnh tạm dừng mới trước khi lệnh cũ hết hiệu lực. Để xác định khi nào thì gửi lệnh tạm dừng và khi nào thì huỷ lệnh người ta đặt ngưỡng cho bộ đệm
như trên Hình 3-5. Ngưỡng bao gồm có ngưỡng trên và ngưỡng dưới. Khi bộ đệm đạt tới ngưỡng trên lệnh tạm dừng sẽ được phát ra và khi bộ đệm tụt xuống ngưỡng dưới thì phát lệnh huỷ bỏ tạm dừng (lệnh tạm dừng với thời gian tạm dừng bằng 0).
Vấn đề đặt ra là ngưỡng trên được đặt sao cho phần còn lại của bộ đệm đủ để tiếp nhận các khung truyền tin đã đang tiếp tục tới. Kích thước yêu cầu tối thiểu của phần còn lại phụ thuộc vào tốc độ, phương tiện truyền dẫn và độ dài đường truyền.
Hình 3-5. Ngưỡng trong bộ đệm đầu vào
Tương tự như vậy, ngưỡng dưới được xác định để sao cho bộ đếm không bị trống trong khi dữ liệu đang được gửi tới. Tuy nhiên vấn đề đối với ngưỡng dưới ít quan trọng hơn ngưỡng trên vì nếu bộ đếm trống nó chỉ đơn thuần làm suy giảm hiệu năng của mạng còn việc xác định ngưỡng trên không đúng có thể gây ra hiện tượng tràn bộ đệm và khung truyền tin sẽ bị bỏ qua. Các LAN Switch thông minh được thiết kế các thuật toán nhận dạng và thống kê để đảm bảo tối đa hiệu năng của mạng bằng cách điều khiển ngưỡng trên và ngưỡng dưới của bộ đệm thích nghi với các trạng thái làm việc khác nhau của hệ thống mạng. Với cách như vậy hiệu năng của hệ thống mạng sẽ là tối ưu mà vẫn không bỏ qua bất kỳ khung truyền tin nào.
Tóm lại hoạt động của LAN Switch như sau:
* Switch sẽ chuyển các khung truyền tin từ bộ đệm đầu vào tới bộ đệm đầu ra yêu cầu. Nếu bộ đệm đầu ra đầy thì việc chuyển các khung truyền tin sẽ được
kênh vào khung dữ liệu m
khung dữ liệu h
khung dữ liệu l
khung dữ liệu 1 tới bộ đệm đầu ra Ngưỡng trên
Ngưỡng dưới
Bộ đệm đầu vào
dừng lại và sẽ được tiếp tục trở lại ngay khi bộ đệm đầu ra xuất hiện chỗ trống (hết trạng thái đầy).
* Với bộ đệm đầu vào thì Switch sẽ truyền lệnh tạm dừng tới đối tác truyền thông khi bộ đệm đầu vào vượt qua ngưỡng trên. Khi nhận được lệnh tạm dừng nút mạng truyền tin sẽ dừng việc truyền tin lại cho tới khi bộ đệm đầu vào của Switch xuống ngưỡng dưới hoặc thời hạn tạm dừng kết thúc.