Chương 2: Cỏc đặc điểm kỹ thuật ATM 2.1.Lớp tương thớch ATM (AAL)
2.2.3. Cấu tạo chung của cỏc phần tử chuyển mạch
Phần tử chuyển mạch là đơn vị cơ bản nhất trong cấu trỳc của hệ thống chuyển mạch. Tại đầu vào, cỏc thụng tin về chọn đường (cú liờn quan tới VCI/VPI) được phõn tớch, căn cứ trờn kết quả phõn tớch đú mà cỏc tế bào được đưa tới đầu ra thớch hợp. Núi chung cỏc phần tử chuyển mạch bao gồm một mạng liờn 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 trỏnh việc mất mỏt cỏc tế bào khi xảy ra đụng độ bờn trong do hai hoặc nhiều tế bào cựng tranh chấp một đầu ra, phần tử chuyển mạch cần phải cú cỏc bộ đệm
Cỏc tế bào tới phần tử chuyển mạch được đồng bộ với đồng hồ bờn trong thụng qua bộ điều khiển đầu vào IC. OC cú nhiệm vụ chuyển cỏc tế bào mà nú nhận được từ mạng liờn kết đầu vào đầu ra tới đầu ra cho trước. IC và OC liờn kết với nhau thụng qua mạng liờn kết đầu vào-đầu ra. Người ta phõn loại phần tử chuyển mạch theo cấu trỳc mạng liờn kết đầu vào-đầu ra và cỏch thức tổ chức bộ đệm. Cỏc phần tử chuyển mạch ATM cú thể chia làm hai loại: phần tử chuyển mạch phõn chia theo khụng gian và phần tử chuyển mạch phõn chia theo thời gian. Cỏc loại phần tử chuyển mạch khỏc nhau sẽ lần lượt được xem xột.
2.2.4.Phần tử chuyển mạch phõn chia khụng gian (hay phần tử chuyển mạch theo kiểu ma trận) 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)
Trong phần tử chuyển mạch theo kiểu ma trận mạng liờn kết đầu vào-đầu ra cú cấu trỳc ma trõn hỡnh chữ nhật, ma trận này cho phộp nối giữa một đầu vào và một đầu ra bất kỳ (Hỡnh 2.9).
Hỡnh 2.9: Phần tử chuyển mạch kiểu ma trận
Việc nối đầu vào với đầu ra được thực hiện dựa trờn cỏc thụng tin liờn quan đến định tuyến nằm trong phần mào đầu của tế bào ATM. Phần tử chuyển mạch theo kiểu ma trận lại được chia ra thành ba loại với cỏch tổ chức bộ đệm khỏc nhau
• Bộ đệm đầu vào.
• Bộ đệm đầu ra.
• Bộ đệm tại giao điểm của ma trận.
2.2.4.1.Bộ đệm đầu vào
Trong phần tử chuyển mạch dựng bộ đệm đầu vào, bộ đệm tế bào được đặt ở bộ điều khiển đầu vào (Hỡnh 2.10). Nếu sử dụng đệm kiểu vào trước ra trước FIFO (First In First Out), đụng độ sẽ xảy ra nếu hai hoặc nhiều tế bào ở đầu hành đợi
đầu ra đú, tất cả cỏc tế bào cũn lại sẽ bị tắc nghẽn. Hậu quả kộo theo là cỏc tế bào nằm sau tế bào tắc nghẽn ở đầu hàng cũng sẽ bị tắc nghẽn. Để khắc phục nhược điểm này cú thể thay bộ nhớ FIFO bằng bộ nhớ truy nhập ngẫu nhiờn RAM. Nếu tế bào đầu tiờn bị nghẽn , những tế bào sau vẫn cú thể truyền tới một đầu ra rỗi cho trước. Tuy vậy việc sử dụng RAM yờu cầu cỏc cơ chế quản lý bộ nhớ phức tạp hơn để đảm bảo tỡm ra những tế bào được chọn tới cỏc đầu ra rỗi cũng như đảm bảo thứ tự truyền cỏc tới cựng một đầu ra. Ngoài ra để cú thể truyền cỏc tế bào tại cựng một
|||| |||| |||| |||| 1 2 b 1 2 b bộ đệm đồng thời tới cỏc đầu ra khỏc nhau thỡ cỏc bộ đệm phải cú nhiều đầu ra hoặc thời gian truy nhập giảm xuống.
Hỡnh 2.10: Phần tử chuyển mạch kiểu ma trận cú bộ đệm đầu vào
2.2.4.2.Bộ đệm tại đầu ra
Trong chuyển mạch kiểu này (Hỡnh 2.11). Tắc nghẽn chỉ cú thể xảy ra khi tốc độ vận hành của ma trận chuyển mạch bằng với tốc độ của dũng tế bào đầu vào. Nhược điểm này cú thể được 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 yờu cầu tốc độ hoạt động cao sẽ dẫn đến giới hạn về mặt kớch thước của phần tử chuyển mạch….
|||| 1 2 b |||| |||| 1 2 b Hỡnh 2.11: Cấu trỳc phần tử chuyển mạch ma trận với bộ đệm đầu vào
|||| 1 2 b 1 2 b 1 2 b |||| |||| |||| |||| |||| |||| |||| ||||
2.2.4.3.Bộ đệm tại giao điểm của ma trận chuyển mạch
nhau cú cựng một đầu ra thỡ logic điều khiển cần phải chọn xem bộ đệm nào sẽ được phục vụ đầu tiờn. Cấu trỳc phần tử chuyển mạch kiểu này cú nhược điểm là bộ đệm ở giao điểm cú kớch thước nhỏ và khụng chia sẻ được bộ đệm.
Hỡnh 2.12: Cấu trỳc phần tử chuyển mạch kiểu ma trận cú bộ đệm tại giao điểm
2.2.5.Phần tử chuyển mạch phõn chia thời gian
2.2.5.1.Phần tử chuyển mạch dựng kiểu BUS(Bus-Type Switching Element)
IC IC IC
OC OC OC
Bus Ghép kênh thời gian tốc độ cao
1 2 b
1 2 b
Cỏc phần tử chuyển mạch dựng kiểu Bus sử dụng mạng liờn kết đầu vào- đầu ra là cỏc Bus ghộp kờnh theo thời gian tốc độ cao (hỡnh 2.13). Tắc nghẽn khụng xảy ra chỉ khi tổng dung lượng của kờnh truyền lớn hơn tổng dung lượng của tất cả cỏc đầu vào. Để đảm bảo yờu cầu này, phần tử chuyển mạch kiểu Bus sử dụng phương phỏp truyền tải bit theo kiểu song song. Thuật toỏn truy nhập Bus ỏp dụng ở đõy cho phộp Bus truyền được chia sẻ cho mỗi bộ đệm theo một chu kỳ cho trước. Mỗi bộ điều khiển đầu vào cú thể truyền tế bào tới một đầu ra trước khi nhận tế bào kế tiếp. Phần tử chuyển mạch kiểu Bus cần cú bộ đệm đầu ra để đề phũng trường hợp cú vài tế bào cựng tới một đầu ra trong khi tại một thời điểm chỉ cú thể đưa ra ngoài một tế bào.
2.2.5.2.Phần tử chuyển mạch kiểu vũng
Phần tử chuyển mạch kiểu vũng cú cấu trỳc được minh hoạ như hỡnh 2.14. Tất cả cỏc bộ điều khiển đầu vào và đầu ra được nối với nhau thụng qua mạng hỡnh vũng. Mạng liờn kết đầu vào-đầu ra hoạt động theo nguyờn lý phõn khe thời gain với dung lượng của vũng phải lớn hơn hoặc bằng tổng dung lượng của tất cả cỏc đầu vào. Trong thực tế thường hay sử dụng phần tử chuyển mạch vũng Orwell trong đú một vài vũng được sử dụng song song để đảm bảo yờu cầu về tốc độ.
IC OC IC OC 1 b 1 b
Hỡnh 2.14: Cấu trỳc phần tử chuyển mạch kiểu vũng
2.2.5.3.Phần tử chuyển mạch sử dụng bộ nhớ trung tõm IC OC IC OC 1 b 1 b Bộ nhớ trung tâm
Trong phần tử chuyển mạch sử dụng bộ nhớ trung tõm, cỏc bộ điều khiển đầu vào và đầu ra đều sử dụng một bộ nhớ chung duy nhất (hỡnh 2.15). Số liệu từ tất cả cỏc đầu vào đều được ghi vào bộ nhớ này, số liệu được đọc ra bởi đầu ra bất kỳ bộ nhớ chung cũn cú thể được tổ chức thành cỏc bộ đệm logic đầu vào, đầu ra. Bởi vỡ cỏc bộ đệm cựng chia sẻ một bộ nhớ chung duy nhất nờn dung lượng bộ nhớ yờu cầu trong trường hợp này nhỏ hơn nhiều so với trường hợp phần tử chuyển mạch dựng cỏc bộ đệm riờng rẽ. Cỏc phần tử chuyển mạch loại này thường làm việc theo nguyờn tắc tự định đường. Mặt khỏc cũng cần lưu ý rằng phần tử chuyển mạch cú
bộ nhớ trung tõm phải được tổ chức thành cỏc tầng song song để đảm bảo tần suất truy nhập bộ nhớ khụng lớn hơn tốc độ cho phộp của bộ nhớ.
Hỡnh 2.15: Cấu trỳc phần tử chuyển mạch sử dụng bộ nhớ trung tõm
2.2.6.So sỏnh cỏc cấu trỳc chuyển mạch
Phần tử chuyển mạch kiểu ma trận được chia làm ba loại với cỏc tổ chức bộ đệm khỏc nhau: bộ đệm đầu vào, bộ đệm đầu ra, bộ đệm tại giao điểm của ma trận. Bộ đệm đầu vào sẽ trỏnh được hiện tượng nghẽn đầu vào và tăng tốc độ thực tế của dũng dữ liệu đi qua chuyển mạch. Bộ đệm tại giao điểm của ma trận chuyển mạch do dựng chung bộ đệm giữa đầu vào và đầu ra cho nờn hiệu quả sử dụng bộ đệm cao, lượng tế bào phải chờ trung bỡnh giảm, nhưng nhược điểm của nú là bộ đệm ở giao điểm cú kớch thước nhỏ, khụng chia sẻ được và việc quản lý bộ đệm tại giao điểm ma trận chuyển mạch phức tạp hơn rất nhiều nờn trong thực tế bộ đệm này ớt được sử dụng. Cỏc phần tử chuyển mạch kiểu này cú tốc độ chuyển mạch thấp (bằng tốc độ của từng luồng) khú cú khả năng ỏp dụng kỹ thuật Multicast, khú điều khiển độ ưu tiờn và tỷ lệ sử dụng bộ nhớ thấp. Tuy nhiờn về mặt điều khiển tương đối đơn giản.
Cấu trỳc chuyển mạch Bus về nguyờn lý khỏ đơn giản, dễ ứng dụng. Tuy nhiờn, cấu trỳc này cú hạn chế là chuyển mạch Bus chỉ cho ta một đường nối cho một tập hợp cỏc phần tử gắn vào nú nờn dải thụng cho mỗi phần tử phụ thuộc nhiều vào số lượng phàn tử gắn vào Bus. Dải thụng này khụng thể tăng lờn quỏ giới hạn do phụ thuộc tần số đồng hồ hệ thống và dải thụng đường truyền. Nếu ta tăng tần số đồng hồ thỡ yờu cầu bộ vi xử lý mạnh hơn và điều này cũng chỉ cú giới hạn.
Cấu trỳc chuyển mạch vũng cú ưu điểm so với chuyển mạch Bus là một khe thời gian cú nhiều cổng vào sử dụng trong mỗi vũng. Tuy nhiờn để thực hiện việc này ta phải thờm phần cứng và cũng khú xõy dựng cỏc hệ thống chuyển mạch lớn như cấu trỳc Bus.
Cấu trỳc chuyển mạch bộ nhớ dựng chung cú ưu điểm là tiết kiệm được bộ nhớ nhất do tất cả cỏc cổng đều sử dụng chung một bộ nhớ, kỹ thuật nhõn bản
Multicast thực hiện dễ dàng. Thờm nữa do chuyển đổi nối tiếp-song song nờn trong chuyển mạch tốc độ xử lý chỉ cần bằng một phần của tốc độ dũng số liệu thực tế. Nhược điểm của loại này là bộ đệm nhỏ, điều khiển bộ đệm phức tạp.
2.2.7.Cuộc nối ảo cố định PVC (Permanent Virtual Connection)
Cũng như bất kỳ mạng chuyển mạch gúi nào trong ATM người ta cũng định nghĩa cuộc nối ảo cố định (PVC). Việc này được thực hiện thụng qua một vài hỡnh thức yờu cầu dịch vụ. Hệ thống quản lý sẽ đặt cấu hỡnh định tuyến cho cỏc thiết bị để quy định cỏc giỏ trị của VCI/VPI trước. Cấu hỡnh cũng được đặt sẵn ở trong bảng nối đường tại cỏc nỳt chuyển mạch. Người sử dụng cú thể nhận dịch vụ ATM theo hai cỏch:
1. Thiết lập một kờnh ảo cố định.
2. Thiết lập một chuyển mạch kờnh ảo (hay cuộc nối ảo tạm thời).
PVC giống như đường riờng, trong đú người sử dụng gọi người cung cấp dịch vụ yờu cầu một đường riờng từ điểm A đến điểm B. người cung cấp dịch vụ cài đặt, khai bỏo một kờnh dựa vào dung lượng mà khỏch hàng yờu cầu. Hợp đồng PVC thường kộo dài vài năm. Người sử dụng phải trả tiền thuờ kờnh ngay cả khi khụng sử dụng kờnh.
Thủ tục thiết lập PVC.
1. Người sử dụng yờu cầu người cung cấp dịch vụ cấp cho PVC. 2. Người sử dụng được thụng bỏo địa chỉ bị gọi, yờu cầu băng thụng
trung bỡnh hay tốc độ và khoảng thời gian kờnh PVC.
3. Người điều hành thõm nhập kờnh thụng tin từ mỏy điều khiển để thiết lập đường. Bước này phụ thuộc vào thời gian thực cũng như người sử dụng trong mạng thoại yờu cầu đấu nối.
4. Kờnh được thiết lập theo yờu cầu.
5. Người sử dụng trả tiền thuờ kờnh theo thỏng và thời gian sử dụng kờnh. Nếu kờnh khụng sử dụng thỡ chỉ trả tiền thuờ theo thỏng.
PVC cú ưu điểm về thời gian thực, băng thụng theo yờu cầu, khụng cần thủ tục thiết lập gọi, đấu nối bằng lệnh, kờnh tồn tại liờn tục giữa cỏc điểm, dễ mở rộng và cú thể cắt đấu nối kờnh nếu khụng sử dụng.
2.2.8.Cuộc nối ảo tạm thời SVC (Switched Virtual Channel)
Kiểu nối ảo tạm thời cho phộp đầu cuối cú thể cú thể gọi được cỏc đầu cuối khỏc một cỏch linh động.
SVC hoạt động giống như cuộc gọi điện thoại quay số trực tiếp. Khi thiết lập gọi, băng thụng được phận nhiệm đỳng bằng 64 Kbps và kờnh được phõn nhiệm cho người sử dụng ngay khi cuộc gọi được thiết lập và người sử dụng phải trả tiền cho cho thời gian gọi cho dự cú chuyển thụng tin đi hay khụng. Thủ tục bao gồm: thiết lập gọi, chuyển dữ liệu, cắt đấu nối, tớnh cước.
END SystemA END System B ATM Switch Connect to B Connect to B Connect to B Connect to B OK OK OK OK
Đối với kiểu nối ảo tạm thời một kờnh ảo được tự động thụng qua một giao thức bỏo hiệu khụng yờu cầu thiết lập bằng tay giống như thiết lập PVC. Hỡnh 2.16 mụ tả việc thiết lập SVC thụng qua bỏo hiệu.
Hỡnh 2.16: Thiết lập SVCs thụng qua bỏo hiệu
Bỏo hiệu trong ATM được khởi đầu bởi một thiết bị ATM cuối cựng mong muốn được thiết lập một kết nối thụng qua mạng ATM. Cỏc gúi bỏo hiệu được gửi
truyền bỏo hiệu. Tất cả cỏc nỳt chuyển mạch đều được cấu hỡnh trước để để cú thể thu được bất cứ một gúi bỏo hiệu nào và gửi nú đến bộ xử lý bỏo hiệu được tớch hợp trong nỳt chuyển mạch. Bờn cạch kờnh ảo này cũn cú một số kờnh ảo khỏc được dựng để truyền cỏc tớn hiệu bỏo hiệu và điều khiển khỏc. trong thực tế tất cả cỏc kờnh ảo cú VCI<32 đều được dành riờng cho cỏc mục đớch đặc biệt do đú cỏc kờnh ảo truyền thụng tin của người sử dụng cú VCI>32. Bỏo hiệu này được truyền dẫn trong mạng từ nỳt chuyển mạch này đến nỳt chuyển mạch khỏc để thiết lập cỏc giỏ trị nhận dạng kết nối mà nú phải đi qua. Việc này được lặp lại cho đến khi đến đớch cuối cựng. Cỏc giỏ trị nhận dạng kết nối (VPI/VCI) cho một kết nối cụ thể được chỉ rừ bởi nỳt mạng nhận được yờu cầu kết nối. Cỏc giỏ trị nhận dạng kết nối luụn luụn được chỉ rừ ở mỗi chiều của kết nối, nhưng cỏc thụng số ở mỗi chiều cú thể khỏc nhau, đặc biệt băng thụng ở một chiều cú thể là 0.
2.2.9.Xử lý phần tiờu đề của tế bào trong hệ thống chuyển mạch
Nỳt chuyển mạch cú hai nhiệm vụ chớnh là đọc và thay đổi cỏc giỏ trị VCI/VPI và truyền cỏc tế bào từ một đầu vào đến một đầu ra cho trước. Hệ thống chuyển mạch cú hai cỏch để thực hiện việc đú:
• Phương phỏp tự định đường.
• Phương phỏp dựng bảng điều khiển.
2.2.9.1.Phương phỏp chuyển mạch tự định đường (Self- Routing Switching Element)
Khi phần tử chuyển mạch tự định đường, số hiệu nhận dạng VPI/VCI được đọc và dịch ở đầu vào mạng chuyển mạch. Sau khi được đọc và biờn dịch, mỗi tế bào được bổ xung thờm phần tiờu đề mở rộng dựng riờng khi truyền bờn trong mạng chuyển mạch, tiờu đề này nằm trước tiờu đề của tế bào. Như vậy do kớch thước của tế bào được mở rộng vậy tốc độ yờu cầu của mạng cũng phải tăng theo. Hỡnh 2.17 minh hoạ cơ chế xử lý phần mở rộng tiờu đề của tế bào trong mạng chuyển mạch được xõy dựng trờn cơ sở cỏc phần tử chuyển mạch tự định đường
A A B,m,n Bảng Đọc và thay đổi tiêu đề của tế bào Phần tử chuyển mạch tự chọn đường Phần tử chuyển mạch tự chọn đường B n B n m B Tế bào ATM VPI/VCI
Đọc và thay đổi phần tiêu
đề của tế bào ở đầu vào Giá trị VPI/VCIcũ Giá trị VPI/VCI mới + phầntiêu đề mở rộng
m n
Hỡnh 2.17: Cơ chế xử lý đầu khung trong hệ thống chuyển mạch tự định đường Trong chuyển mạch cú k tầng, phần tiờu đề mở rộng cú k trường con. Trường con thứ i chứa địa chỉ đầu ra đớch của phần tử chuyển mạch ở tầng con thứ i. Với cấu trỳc này ta cú thể sắp xếp những phần tử chuyển mạch chồng lờn nhau thành hàng cột, khi đú cú thể tăng được cổng ra. Do đú cú thể mở rộng dung lượng của