ĐỒ án môn học đồ án VIỄN THÔNG 1 tìm hiểu chuyển mạch ATM

ĐỒ ÁN MÔN HỌCĐỒ ÁN VIỄN THÔNG 1 Bộ môn: Điện tử viễn thông Sinh viên: Lưu Văn Tiến Lớp: K54ĐVT01 Ngành :Điện tử viễn thông Giáo viên hướng dẫn: Phan Thanh Hiền Ngày giao đề: 20/12/2021 N

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KĨ THUẬT CÔNG NGHIỆP

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

ĐỒ ÁN VIỄN THÔNG 1

Bộ môn: Điện tử viễn thông

Sinh viên: Lưu Văn Tiến

Lớp: K54ĐVT01

Ngành :Điện tử viễn thông

Giáo viên hướng dẫn: Phan Thanh Hiền

Ngày giao đề: 20/12/2021 Ngày hoàn thành: 20/12/2021

1) Tên đề tài: Tìm hiểu chuyển mạch ATM

2) Nội dung thuyết minh

1.Phân tích công nghệ ATM

2.Cấu trúc giao thức ATM

3.Chức năng các lớp trong ATM

4.Cấu trúc gói tin ATM

5.Các khái niệm kênh ảo, đường ảo

3) Phân tích hoạt động chuyển mạch ATM

1.Quá trình định tuyến trong ATM

2.Quá trình chuyển mạch ATM tại nút mạng

TỔ TRƯỞNG BỘ MÔN GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

(ký, ghi rõ họ tên) (ký, ghi rõ họ tên)

Mục Lục

PHẦN I TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT CHUYỂN MẠCH ATM 1) Một số khái niệm cơ bản về chuyển mạch

 Chuyển mạch là một quá trình thực hiện đấu nối và chuyển thông tin cho người sử dụng thông qua hạ tầng mạng viễn thông

 Cơ bản thì chuyển mạch được chia làm 2 loại: chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói

 Chuyển mạch gói: Bản tin được chia thành các gói với chiều dài xác định, mỗi gói có phần header mang thông tin địa chỉ và thứ tự gói.Mỗi gói đi qua các node được tiến hành theo phương pháp store and

forward (lưu và chuyển tiếp) Tại đầu thu tiến hành sắp xếp các gói trở

lại

2) Khái niệm chuyển mạch ATM

 Tên gọi : Asynchronous Transfer Mode (viết tắt: ATM): Chế độ truyền

khi chúng được tạo ra mà không phải chịu một sự ràng buộc nào Có thể truyền đồng thời dữ liệu, âm thanh, hình ảnh số hóa

3) Sự ra đời của ATM

 ATM phương thức truyền tải không đồng bộ , cung cấp các dịch vụ băng rộngtương lai

 ATM lần đầu tiên dược nghiên cứu tại trung tâm nghiên cứu CNET(của france telecom) và Bell Lads vào năm 1983, sau đó tiếp tục phát triển tại trung tâm nghiên cứu Allatebell từ năm 1984 Các trung tâm này tích cực nghiên cứu những nguyên lý cơ bản và góp tích cực trong công việc thiết lập các tiêu chuẩn đầu tiên về ATM

 Hiện nay công nghệ ATM đã phát triển tới độ khá hoàn hảo và ổn định Công nghệ này đã được nghiên cứu và triển khai tại nhiều nước trên thế giới Nhiều mạng ATM đã được triển khai , bước đầu cung cấp dịch vụ băng rộng với khách hàng Việc ứng dụng công nghệ ATM vào mạng viễn thông được bắt đầu vào năm 1990

 ATM là sự kết hợp của công nghệ truyền dẫn và công nghệ chuyển mạch qua mạng giao tiếp chuẩn , dựa vào công nghệ ATM để phân chia và ghép tiếng nói , số liệu , hình ảnh… Vào trong một khối có chiều dài cố định gọi

là tế bào

4) Đặc điểm của chuyển mạch ATM

 Công nghệ ATM dựa trên cơ sở của phương pháp chuyển mạch gói, thông tin được nhóm vào các gói tin có chiều dài cố định được gọi là các tế bào, trong đó vị trí các tế bào không phụ thuộc vào đồng hồ đồng

bộ và dựa trên nhu cầu bất kì của kênh cho trước Các chuyển mạch ATM cho phép hoạt động với nhiều tốc độ và dịch vụ khác nhau

 Truyền thông được thực hiện thông qua hệ thống điểm – điểm cung cấp kênh ảo thường trực giữa các máy tính, tức là các kết nối sẽ phải được thiết lập trước khi dữ liệu của các cuộc nối đó có thể truyền qua

 Sử dụng gói dữ liệu (tế bào) nhỏ, có kích thước cố định (53 byte), dễ xử

lý hơn so với các gói dữ liệu có kích thước thay đổi Có 53 bytes gồm 48byte dữ liệu và 5 byte header (byte đầu mào)

 Sử dụng phương pháp điểm – điểm để truyền các gói tin có kích thước

cố định, không chứa nhiều thông tin định tuyến nên tốc độ truyền dữ liệu cao, theo lý thuyết có thể đạt 1,2 Gbit/s

 Chất lượng cao, độ nhiễu thấp nên gần như không cần đến việc kiểm tra lỗi

 Có thể sử dụng với nhiều phương tiện truyền dẫn vật lý khác nhau (cáp

đồng trục, cáp dây xoẵn, cáp quang)

 Có thể truyền đồng thời nhiều loại dữ liệu (thoại,dữ liệu, âm thanh, hình

ảnh,video).

Hình 1: Minh họa các gói tin được truyền trên kênh ảo

PHẦN II

CÔNG NGHỆ CHUYỂN MẠCH ATM

1) CẤU TRÚC GIAO THỨC ATM

 Mô hình ATM chuẩn được chia ra làm 3 lớp:

 Lớp vật lý (physical layer): Layer này tương ứng với layer vật lý

(lớp physical) của mô hình OSI Tại đây, các tế bào được chuyển

đổi thành những dòng bit và truyền qua môi trường vật lý

Layer này có hai layer con: layer con truyền dẫn vật lý PM

(Physical Medium Dependent) và layer con hội tụ truyền dẫn

TC (Transmission Convergence)

 Lớp ATM (ATM layer) : Layer này có thể so sánh với layer liên kết dữ liệu (data link) của mô hình OSI Nó chấp nhận các bộ

phận 48 byte từ layer trên, thêm header 5 byte vào mỗi bộ phận

đó và chuyển đổi thành các cell 53 byte Layer này chịu trách nhiệm định tuyến cho từng cell, quản lý lưu lượng, ghép kênh và chuyển mạch

 Lớp tương tích AAL (adaption layer) : Kết hợp với tầng ATM,

AAL tập trung các gói dữ liệu từ các tầng cao hơn vào các tế bào ATM AAL nhận dữ liệu từ người sử dụng dưới dạng cấu trúc dữ liệu, gắn các thông tin điều khiển đầu và cuối cuối tạo thành bộ phận 48 byte của tế bào ATM

Layer này có hai layer con : layer con hội tụ (Convergence) và layer con phân đoạn – lắp ráp (Segmentation and Reassembly).

Hình 2: Mô hình các lớp ATM ứng với các lớp OST

2) CHỨC NĂNG CỦA CÁC LỚP TRONG ATM

a) Lớp vật lý (physical layer): có nhiệm vụ truyền dẫn các tế bào ATM qua

môi trường truyền dẫn

Hình 3: Lớp vật lý

 Lớp vật lý được cấu tạo từ 2 lớp con :

 Phân lớp truyền dẫn vật lý PM: là một phần của lớp vật lý, liên

quan đến truyền dẫn các bit trên môi trường vật lý có các chức năng phụ thuộc hoàn toàn vào môi trường truyền dẫn vật lý cụ thể

- Phát, nhận bit

- Truyền bit

- Mã hóa dòng bit theo mã hóa đường truyền

- Chuyển đổi điện <=> quang (nếu cần)

- Đồng bộ, tách tín hiệu.

 Phân lớp hội tụ truyền TC: biến đổi các luồng tế bào thành các luồng bit liên tục mà các thiết bị lớp vật lý có thể thu phát được:

- Bên phía phát: +) Ghép các tế bào vào khung truyền dẫn

+) Tạo và kiểm tra mã HEC: Mã HEC được xác định bới 4 byte đầu trong phần header của tế bào, kết quả được lưu

ở byte thứ 5 Mã HEC có nhiệm vụ phát hiện và sửa lỗi của các tế bào trong quá trình truyền và nhận

+)Nhận biết giới hạn tế bào: Khi tốc độ truyền

dẫn lớn hơn số lượng tế bào có thực để truyền, TC sẽ chèn (bên

phát) hoặc tách (bên thu) các tế bào đặc biệt gọi là tế bào rỗng vào

trên khung truyền để đảm bảo tốc độ truyền hợp lý Trong cơ chế này, đầu tiên trạng thái mất đồng bộ HUNT kiểm tra từng bit của header, nếu quy luật mã hóa HEC được tuân thủ, có nghĩa tế bào không lỗi Khi đó hệ thống chuyển sang trạng thái tiền đồng bộ RESYNCH Ở đây hệ thống kiểm tra liên tục mã HEC của các tế bào liên tiếp, nếu một số lần mã HEC đúng thì hệ thóng chuyển sang trạng thái đồng bộ SYNCH, nếu không thì trở lại trạng thái HUNT.

Hình 4: Trường kiểm tra HEC

- Bên phía thu:

+) Xác định biên giới tế bào ATM trong luồng tế bào thu được

+) Thông qua trường HEC xác định tiêu đề có bị lỗi hay không Sửa lỗi đơn bit và phát hiện lỗi đa bit.

+) Tách các tế bào rỗng bên phát đã chèn

b) Lớp ATM (ATM layer)

 Lớp ATM hoạt động không phụ thuộc vào lớp vật lý dưới nó cũng như lớp tương thích AAL ngay trên nó Chức năng chủ yếu của lớp ATM có liên quan tới phần mào đầu của tế bào ATM.

Hình 5: Cấu trúc cơ bản của một tế bào ATM

- Tại phía phát, các đơn vị dữ liệu của SAR được đóng và ráp vào trong phần tải trọng của tế bào Lớp ATM có nhiệm vụ khởi tạo phần mào đầu này cho các tải trọng tế bào này.

- Phần mào đầu được dãn nhãn ghi những thông tin liên quan tới việc truyền tải té bào trong mạng ATM như giá trị nhận dạng đường ảo VPI, giá trị nhận dạng kênh ảo VCI,

- Tại phía thu tế bào được tiếp nhận và bị tách bóc phần mào đầu

và phần tải trọng được đẩy lên cho lớp tương thích AAL.

- Tại phía phát, các tế bào của đường ảo VP (Virtual path) hay các kênh ảo VC (Virtual Channel)khác nhau được ghép vào luồng

tế bào để truyền đi.

- Lớp ATM còn thông dịch các giá trị VPI, VCI để thực hành nhiệm vụ chuyển mạch, các nhiệm vụ khác liên quan đến điều khiển luồng, kiểm soát tắc nghẽn và quản lý mạng.

c) Lớp tương thích AAL (adaption layer)

 Lớp AAL có chức năng tương thích các loại dịch vụ khác nhau với lớp ATM Các dữ liệu của lớp ứng dụng bên trên được chuyển tới

điểm truy nhập dịch vụ của lớp tương thích ATM (AAL) Do các

dịch vụ có bản chất khác nhau (về tốc độ bit, về độ trễ, ) nên các lớp tương thích AAL cũng sẽ có nhiều điểm truy nhập dịch vụ tương ứng với các kiểu AALkhác nhau để đảm bảo dữ liệu của lớp ứng dụng được truyền đi phù hợp và hoàn toàn trong mạng ATM.

 Chức năng chính của lớp AAL :

- Tiếp nhận các đơn vị dữ liệu SDU với các độ dài khác nhau và ghép chúng vào các tế bào ATM có kích thước cố định.

- Phát ra ô tải trọng (cell payload) và cấu hình lại khối data

hay chuyển tiếp các tín hiệu Những chức năng này được tổ chúc trong hai lớp con.

 Lớp tương thích được cấu tạo từ 2 lớp con :

kênh các gói dữ liệu trong lớp ứng dụng bên trên,

- Có nhiệm vụ ghép kênh các gói dữ liệu của lớp ứng dụng.

- Khôi phục /phát hiện lỗi tế bào.

- Thực hiện điều khiển luồng.

- Lớp con CS còn được chia thành hai lớp con nữa: một là lớp con phần chung CP (Common Part) CS và hai là lớp

con dịch vụ SS (Service Specific) CS Chức năng của lớp

CP và CS phụ thuộc vào các dịch vụ của lớp trên sử dụng lớp AAL Ví dụ như thực hiện hoặc tách các phần header hay phần đuôi( tailer) cho khung AAL.

 Phân lớp phân đoạn – lắp ráp (SAR-Segmentaton and Reassembly): Có

chứa năng phân đoạn các PDU (48 byte payload) đưa vào các gói (ATM

cell) và lấy thông tin trong payload của ATM cell để khôi phục các PDU

hoàn chỉnh.

- Thực hiện ghép các đơn vị dữ liệu cửa phân lớp hội tụ CS PDU

- Phân đoạn các đơn vị dữ liệu PDU đó để ghép vào phần tải

trọng của tế bào cũng như khôi phục lại các đơn vị dữ liệu PDU đó từ các

tế bào ATM rồi chuyển lên lớp hội tụ CS.

Bảng 1: Tổng hợp chức năng các lớp trong ATM

3) CẤU TRÚC CỦA TẾ BÀO ATM

a) Phân loại các tế bào ATM

 Các tế bào ATM bao gôm 53 byte, trong đó 5byte là phần header và 48

byte tải trọng (payload) Các tế bào này có kích thước cố định và giống

hệt nhau cho bất kì dịch vụ nào.

Hình 6: Độ dài của một tế bào ATM

 Tế bào rỗng (idle cell): Tế bào này được sử dụng để chèn/tách bởi

lớp vật lí Tế bào rỗng xuất hiện tại miền biên giữ lớp ATM và lớp vật lí, nó có chức năng đảm bảo tương thích giữa luồng tốc độ tế bào với tốc độ truyền dẫn vật lý.

 Tế bào hợp lệ (valid cell): là các tế bào có phần mào đầu hợp lệ

không có lỗi hoặc đã được khắc phục lỗi bởi thông qua cơ chế kiểm soát lỗi mào đầu HEC.

 Tế bào lỗi (invalid cell): là các tế bào có phần mào đầu bị lỗi hoặc

không thể khắc phục lỗi bởi cơ chế HEC Các tế bào lỗi sẽ bị huỷ tại lớp vật lý Cả tế bào lỗi lần tế bào hợp lệ đều là các khái niệm chỉ sử dụng trong lớp vật lý ATM mà thôi.

 Tế bào dịch vụ (assigned cell): là tế bào được sự dụng để cung

cấp dịch vụ cho các ứng dụng của lớp ATM.

 Tế bào không xác định (unassigned cell): là các tế bào không

phải là tế bào dịch vụ Tế bào dịch vụ lẫn tế bào chưa gán được truyền từ lớp vật lý lên lớp ATM

Bảng 2: Phân loại tế bào ATM

b) Cấu trúc của một tế bào ATM

 Đặc điểm của ATM là hướng liên kết, tức là truyền thông được thực hiện thông qua một hệ thống điểm - điểm, cung cấp kênh ảo thường trực giữa các máy tính Do đó khác với chuyển mạch gói, địa chỉ nguồn – đích, số thứ tự các gói là không cần thiết trong ATM.

Hình 7: Cấu trúc của một tế bào ATM

 Phần header

- Phần header: Gồm 5byte, chứa trong header là các thông tin giúp cho

việc tìm đường của các gói ATM qua mạng Vì ATM hoạt động theo phương pháp điểm – điểm nên các gói chỉ có thể luân chuyển qua các vùng mà kết nối tồn tại Cấu tạo của phần header:

+) Trường ID đường đi ảo VPI: Dài 12 bit hoặc 8 bit, cho

phép gán tối đa 4096 (trường hợp 12 bit) đường đi ảo trên một kết nối.

+) Trường ID kênh ảo VCI: Dài 16 bit, cho phép gán tối đa

65536 kênh ảo cho mỗi đường đi

+) Trường PT: Dài 4 bit, chứa thông tin về loại tế bào, thông báo tắc nghẽn và cho biết tế bào có độ ưu tiên cao hay thấp

+) Trường kiểm tra lỗi HEC: Dài 8 bit, dùng để kiểm tra lỗi cho phần tiêu đề

VPI và VCI là hai giá trị qua trọng nhất trong phần header của tế bào Chúng giúp xác định đường truyền cho trặng kế tiếp của tế bào Vì các

tế bào ATM có kích thước rất nhỏ chỉ 53 byte nên không thể chứa địa chỉ mạng đích, vì vậy các giá trị VPI và VCI sẽ có nhiệm vụ xem xét để tìm hướng truyền tiếp theo Khi sang một hướng mới, giá trị của VPI và VCI có thể sẽ thay đổi Tại mỗi chuyển mạch sẽ lưu giữ các cặp giá trị (VPI, VCI) cũ sang cặp (VPI, VCI) mới Tế bào sau khi sang tuyến khác

sẽ nhận cặp giá trị mới này trong phần header

- Dựa vào sự khác biệt về giá trị nhận dạng đường ảo VPI của tế bào

người ta chia ra cấu trúc của tế bào tại hai giao diện:

+)Dạng thứ nhất: Các tế bào được truyền trên giao diện giữa

người sử dụng và mạng UNI (User-Network Interface) Gồm 8 bit VPI

và 16 bit VCI

+)Dạng thứ hai: Các tế bào được truyền giữa các nút chuyển mạch

NNI (Network-Node Interface) Gồm 12 bit VPI và 16 bit VCI.

Hình 8: Cấu trúc tế bào tại giao diện UNI (a) và giao diện NNI (b)

+) Sự khác biệt duy nhất là sự xuất hiện của mặt trường GFC ( điều khiển luồng chung – generic flow control ) ở header của UNI GFC chiếm 4 bit và chỉ có ở giao diện UNI, có nhiệm vụ hỗ trợ điều khiển luồng lưu lượng từ người dùng vào mạng, hỗ trợ chia sẻ tài nguyên giữa các đầu cuối ATM trong mạng khách hàng.

4) CHỨC NĂNG CÁC KHỐI TRONG CẤU TRÚC CỦA TẾ BÀO

a) Khối điều khiển luồng chung GFC

- Trường này có chiều dài 4 bit, nhiệm vụ của nó là tạo ra một cơ

chế giúp kiểm soát lưu lượng kết nối ATM tại giao tiếp B-ISDN UNI.

- GFC sẽ giúp loại bỏ tình trạng quá tải tạm thời có thể xảy ra tỏng

mạng người dùng Khi không được sử dụng cho tính năng này nó

có giá trị đặc biệt là 0000.

- Đối với mạng ATM, gái trị GFC không áp dụng cho giao tiếp NNI

nên nó chỉ có ý nghĩa logic đối với điểm cuối ATM, nghĩa là thực hiện việc kiểm soát đầu cuối kết nối vào mạng.

b) Giá trị nhận dạng đường ảo VPI (Virtual Path Indentifier), và nhận dạng kênh ảo VCI (Virtual Channel Indentifier)

- Đây là hai giá trị quan trọng và có ý nghĩa nhất trong phần mào đầu

của tế bào.

- Hai giá trị này giúp xác định đường truyền cho chặng kế tiếp của tế

bào Đối với mạng ATM, không tồn tại cái gọi là “địa chỉ mạng đích” bởi vì thế tế bào ATM với kích thước 53 byte là quá nhỏ để chứa thêm địa chỉ

- Tại các chuyển mạch ATM, các giá trị VPI và VCI sẽ được xem

xét để tìm hướng truyền tiếp theo, khi chuyển sang hướng mới, các giá trị VPI,VCI có thể bị thay đổi.

- Có sự khác biệt về nhận dạng giá trị dạng đường ảo VPI của tế bào

tại hai giao tiếp NNI và UNI Tại giao tiếp NNI, giá trị VPI có chiều dài tổng cộng là 12 bit Còn tại giao tiếp UNI, giá trị VPI có chiều dài 8 bit.

c) Trường tải trọng PT (Payload type)

- PT là một trường gồm 3bit có nhiệm vụ phân biệt các kiểu tế bào

khác nhau như: tế bào mang thông tin của người sử dụng, tế bào

mang các thông tin về giám sát, vận hành, bảo

dưỡng(OAM-Operation Administration Maintenance).

- Nếu bit đầu PT có giá trị bằng 0 thì đây là tế bào người sử dụng

Trong tế bào người sử dụng, bit số 2 báo hiệu tắc nghẽn trong mạng và bit 3 có chức năng báo hiệu cho lớp tương thích ATM là AAL.

- Nếu bit đầu có giá trị bằng 1 thì đây là tế bào báo mang các thông

tin quả lý mạng.