Mô hình chuyển mạch gói ATM

Báo cáo thực hành tốt nghiệp mô hình chuyển mạch gói ATM

CHƯƠNG I.Tổng Quát Về ATM

1. Mở đầu

Sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin và nhu cầu trao đổi thông tin ngày càng tăng nhanh và đa dạng hóa của xã hội đòi hỏi hạ tầng mạng phải có sự thay đổi để có thể cung cấp các dịch vụ băng rộng cho khách hàng ISDN băng hẹp không thể đáp ứng thỏa mãn các yêu cầu dịch vụ của khách hàng Mạng B-ISDN ra đời , mục đích chính là kết hợp tín hiệu liên tục

thời gian thực và nhóm các tín hiệu dữ liệu nhờ cách phân bố băng rộng từ các nhóm các dịch

vụ băng hẹp như giám sát từ xa các thiết bị truyền số liệu điện thoại, FAX đến các dịch vụ băng rộng bao gồm điện thoại thấy hình , hội nghị truyền hình, truyền ảnh với xử lý tốc độ cao, dung lượng lớn, chất lượng truy cập cao, và việc điều khiển quá trình chuyển mạch dễ dàng hơn, đơn giản, hiệu suất để điều khiển các dịch vụ khác nhau và hệ thống chuyển mạch băng rộng ATM ra đời để đáp ứng nhu cầu này

2. Mẫu tham chiếu mô hình B-ISDN

[Pick the date]

Đại Học Điện Lực

Chuyển mạch

gói ATM

Thành viên tìm hiểu:

Nguyễn Văn Thiên & Phạm Văn Thọ

Giáo viên: Phan Thị Thanh Ngọc

B-ISDN là mạng tổ hợp dịch vụ số băng rộng (Broadband Integrated Services Digital

Network),B-ISDN có đủ khả năng đáp ứng các dịch vụ mới vượt trội hơn hẳn so với ISDN băng hẹp như: thoại,số liệu,video,…dựa trên những ưu việt của ATM và đặc thù của mạng viễn thông hiện tại,ITU-T tiêu chuẩn thuộc tổ chức viễn thông quốc tế đã chọn giải pháp truyền tải không đồng bộ ATM là phương pháp truyền tải cho mạng ATM Vậy để hiểu rõ hơn về ATM ta sẽ lướt qua một vài điểm của dịch vụ số băng rộng B- ISDN

a) Giao diện của nút mạng B-ISDN

Hình1: giao diện tổng đài của tổng đài B-ISDN tới các nút mạng khác

Giao diện cơ bản của các nút mạng B-ISDN với các nút khác trong mạng được thể hiện ở hình trên,hệ thống tổng đài B-ISDN giao tiếp trực tiếp với các truyển dẫn số tốc độ cao hoặc các thiết bị ghép kênh SDH thông qua kết cuối tổng đài ET (Exchange Terminal) Điểm giao tiếp trên hình chỉ ra là điểm tham khảo AB

b) Giao diện truy nhập của khách hàng

Hình dưới đây thể hiện giao diện cơ bản nhất của kết nối mạng phía khách hàng tới nút B- ISDN

Hình 2: các chức năng của giao diện khách hàng

3. Giới thiệu công nghệ chuyển mạch gói ATM.

thuật chuyển mạch gói chất lượng cao với phương thức truyền không đồng bộ dựa trên không đồng bộ phân chia theo thời gian

ATM truyền theo phương thức không đồng bô có nghĩa là thông tin đưa và đầu vào của hệ thống được nạp vào các bô nhớ, sau đó được chia nhỏ ra thành các tế vào và truyền qua mạng Với kỹ thuật này ATM có đặc điểm như sau:

- Sử dụng gói dữ liệu (cell) nhỏ, có kích thước cố định (53 byte)

- Tốc độ truyền dữ liệu cao,sẽ làm cho trễ đường truyền và biến động trễ nhỏ so với dịch vụ thời gian thực( tốc độ truyền 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 xoắn, cáp sợi quang)

- Có thể truyền đồng thời nhiều loại dữ liệu

• Sự ưu việt của ATM

- Kết hợp ghép kênh không đồng bộ (TDMA) và thống kê cho mọi kiểu lưu lượng

- Gán độ rộng kênh rất linh hoạt và mềm dẻo

- Tốc độ truy nhập cao

- Bảo vệ đầu tư các mạng hiện tại nhờ có kết nối chúng với mạng ATM mới

- Tiết kiệm giá thành OA&M (Operation Administrantion and Maintenance –việc điều hành hoạt động và bảo trì) nhờ công nghệ cao và đồng nhất…

Chương II Nguyên Lý Hoạt Động Của Công Nghệ Chuyển

Mạch Gói ATM

1. Kiến trúc chung của hệ thống chuyển mạch ATM

ATM là mạng kết nối định hướng ,tất cả tế bào ATM trong một kết nối thực tế được truyền theo một đường truyền định sẵn

Có sơ đồ kiến trúc chung của chuyển mạch ATM

Hình 3: sơ đồ kiến trúc chuyển mạch ATM

Nhìn vào sơ đồ thấy hệ thống chuyển mạch ATM bao gồm ba phần chính là:

- Giao diện chuyển mạch: gồm một module điều khiển đầu vào (IC) và một module điều khiển đầu ra (OC)

- Trường chuyển mạch tế bào

- Bộ xử lý chuyển điều khiển : bao gồm hai phần chính là điêu khiển chấp nhận và quản lý chuyển mạch (SM)

Hệ thống chuyển mạch ATM có chức năng: chuyển tiếp các tế bào dữ liệu người dùng từ cổng đầu vào đến các cổng đầu ra thích hợp.Hỗ trợ các chức năng tương ứng trong mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng quản lý của mô hình tham chiếu giao thức B-ISDN

Các hệ thống chuyển mạch ATM có thẻ giữ vai trò như các cổng tế để giao tiếp với những mạng khác như N-ISDN, LAN…ngoài ra, nó còn chứa các giao diện khác như trao đổi thông tin điều khiển và quản lý với các mạng có mục đích đặc biệt như mạng thông minh (IN) và mạng quản lý thông minh (TMN)

Hình 4:sơ đồ khối chức năng của một hệ thống chuyển mạch ATM Chức năng của từng thành phần:

- Mô đun điều khiển đâu vào (IM): thực hiện chức năng tách luồng khỏi khing truyền dẫn và xử lý các chức năng sau đối với mỗi tế bòa ATM

- Mô đun điều khiển đầu ra (OM) : thực hiện phân phối tế bào đến đích hoặc tới một cổng đầu vào của một nút chuyển mạch khi đã biên dịch tế bào

- Khối điều khiển chấp nhận kết nối (CAC): có chức năng thiết lập, giám sát và giải phóng các kết nối ảo CAC nhận các tế bòa báo hiệu từ IM, tách lấy thông tin báo hiệu biên dịch và cập nhật Cuối cùng CAC tạo ra tế bào báo hiệu mới và gửi chúng đến OM

- Khối quản lý hệ thống (SM) : các chức năng quản lý bao gồm quản lý lỗi, quản lý hiệu năng, quản lý cấu hình, quản lý tính cước, quản lý bảo mật và quản lý lưu lượng

Để thực hiện các chức năng này rất cần nhiều sự truyền thông bên trong chuyển mạch giữa SM và các khối chức năng khác

- Khối điều chuyển mạch tế bào (CSF) là phần trung tâm của hệ thống chuyển mạch ATM, thực hiện chức năng chính là định tuyến tế bào dữ liệu từ IM đến OM thích hợp

2. Cấu tạo tế bào ATM

Như phần tổng quát về ATM đã nói ATM sử dụng các tế bào có kích thước cố định 53byte trong đó 5byte cho mào đầu header và 48 byte cho dữ liệu ta có sơ đồ cấu tạo như sau:

Hình 5: cấu tạo tế bào ATM

Trong đó:

- VPI (Virtual Path Indentifier): nhận dạng đường ảo, dùng để phân biệt đường truyền nào trong số các đường nối tới một nút

- VCI (Virtual Channel Indentifier): nhận dạng kênh ảo, dùng để phân biệt kênh nào được dùng trong đường truyền trên

- PT (Payload Type): phân biệt dữ liệu của dịch vụ hay người dùng mà được đóng gói trong cell ATM đang gửi

- HEC (Header Error Check): Dùng CRC kiểm tra lỗi bit của trường header

3. Nguyên Lý Cơ Bản Của ATM

- Nguyên lý cơ bản của ATM là kết hợp các ưu điểm của chuyển mạch kênh với chuyển mạch gói và TDMA

- ATM tạo ra các gói tin gọi là tế bào ATM, nó được chuẩn hóa kích thước và định dạng cho phù hợp nhất, dễ quản lý nhất, hiệu quả nhất và tiếu đề đơn giản nhất

- ATM không quan tâm thông tin là gì và nó từ đâu đến, đơn giản là ATM cắt bản tin cần phát thành các tế bào có kích thước nhỏ bằng nhau, gán tiêu đề cho các tế bòa sao cho nó

có thể định hướng tới mục đích mong muốn, đảm bảo yêu cầu trong suốt quá trình truyền tin

- Trường thông tin của khách hang và phần tiêu đề gọi là mào đầu mang thông tin định tuyến

4 Lựa chọn độ dài tế bào.

Sử dụng gói có độ dài cố định,vấn đề đặt ra là chọn tế bào có kích thước bao nhiêu Kích thước của tế bào sẽ ảnh hưởng tới các chỉ tiêu sau:

- Hiệu suất băng truyền

- Trễ (trễ tạo gói, trễ hàng đợi, trễ tháo gói, biến động trễ…)

- Độ phức tạp khi thực hiện

a) Hiệu suất băng truyền.

Hiệu suất băng truyền được quyết định bởi tỷ lệ giữa kích thước phần tiêu đề và kích thước trường dữ liệu Kích thước trường dữ liệu càng lớn thì hiệu suất càng cao

b) Trễ.

+ Trễ tạo gói: Phụ thuộc vào kích thước trường dữ liệu trong tế bào thể hiện ở hình5 hiệu suất truyền đối với các tế bào có độ dài khác nhau (so sánh 2 tế bào có H=5 và H=4)

và trễ tạo gói của chúng (so sánh giữa 2 tốc độ truyền tiếng nói 64kb/s và 32kb/s)

Hình 6: hiệu suất truyền và trễ tạo gói đối với trường số liệu có độ dài khác

+ Trễ hàng đợi: Bị ảnh hưởng bởi tỷ lệ giữa độ lớn của trường số liệu Lvà độ lớn trường tiêu đề H

Hình 6 thể hiện sự phụ thuộc của trễ hàng đợi và tỷ lệ L/H ta nhận thấy trễ bé nhất khi L/H có giá trị từ 8 ÷ 16, tương ứng với kích thước tế bào từ 32+4 byte tới 64+4 byte + Trễ tháo gói: Bị ảnh hưởng bởi độ dài tế bào Trễ toàn mạng theo khuyến nghị Q.161 của ITU-T cần phải được giới hạn sao cho giá trị của nó nhỏ hơn 25 ms Theo kết quả nghiên cứu của ITU-T, độ dài của tế bào có ảnh hưởng trực tiếp tới trễ:

• Đối với các tế bào có độ dài tương đối ngắn (32 byte hoặc nhỏ hơn) thì trễ tổng rất nhỏ,

• Đối với các tế bào có độ dài lớn (hơn 64 byte) thì trễ tăng lên đáng kể, do đó lúc này sẽ

có giải pháp khắc phục: Đối với các gói có độ dài trung bình trong khoảng 32 ÷ 64 byte, phần lớn các trường hợp ta đều không cần sử dụng bộ khử tiếng vang nếu số nút chuyển mạch, số lần chuyển giữa mạng ATM và mạng đồng bộ, khoảng cách truyền không quá lớn

c) Độ phức tạp khi thực hiện.

Độ phức tạp của hệ thống phụ thuộc vào hai thông số cơ bản, đó là tốc độ xử lý và dung lượng bộ nhớ cần thiết Để giới hạn tỷ lệ mất tế bào, ta cần phải cung cấp một hàng đợi có kích thước đủ lớn Vì vậy kích thước tế bào càng lớn thì kích thước hàng đợi cũng phải càng lớn Mặt khác, khi có một gói tới nút chuyển mạch thì phần tiêu đề của nó cần phải được xử lý ngay trong khoảng thời gian một tế bào, do đó kích thước tế bào càng lớn thì thời gian dành cho việc thực hiện càng nhiều và tốc độ yêu cầu càng thấp

Các giá trị độ dài ở kích thước giữa 32 byte và 64 byte được sử dụng chủ yếu Sự lựa chọn này phụ thuộc vào ba thông số chính đã đề cập ở trên Cuối cùng ITU-T lựa chọn giải pháp tế bào ATM với kích thước cố định có độ dài 53 byte, trong đó phần trường dữ liệu là 48 byte, phần tiêu đề là 5 byte

5 Nguyên tắc định tuyến trong chuyển mạch ATM

Có hai phương thức định tuyến được sử dụng trong chuyển mạch ATM, đó là nguyên tắc tự định tuyến và định tuyến dùng bảng định tuyến

Theo nguyên tắc này việc biên dich VPI/VCI thực hiện tại đầu vào của các phần tử chuyển mạch sau khi biên dịch xong tế bào sẽ nhận thêm phần mở rộng bằng một định danh nội bộ thể hiện xong đã xử lý của tế bào

Quy tắc gán tiêu đề cho tế bào: VPC/VCI cũ= VPI/VCI mới + định danh nội bộ

Hình 6: sơ đồ tự định tuyến

Theo nguyên tắc này, VPI/VCI trong tiêu đề tế bào được biên dịch tại mỗi phần tử chuyển mạch thành một tiêu để mới và mã số cổng đầu ra thích hợp nhờ bảng định tuyến gắn với phần tử chuyển mạch này Trong giai đoạn thiết lập cuộc nối, nội dung của bảng được cập nhật

Hình 7: sơ đồ bảng định tuyến

6 Hoạt động của mạng chuyển mạch ATM

Ta xét một ví dụ ứng dụng ATM để cung cập dịch vụ cho người dùng.Thuê bao ATM có thể nhận được dịch vụ bằng hai cách sau:

Qua kênh ảo cố định nhận PVC (permanent virtual circuit)

Qua kênh ảo chuyển mạch SVC ( switch virtual circuit)

a) PVC: kênh ảo cố định

Hình 8:PVC mạng ATM

Các thành phần cơ bản bao gồm:

- PABX là tổng đài ATM dùng riêng để hỗ trợ cho các dịch vụ điện thoại

- Router là bộ định hướng dùng để kết nối các mạng LAN qua mạng chuyển mạch

- MUX thực hiện chức năng ghép kênh tế bào ATM

- Network Operator ”người điều hành mạng” có chức năng hỗ trợ cho việc thiết

lập/giải phóng các kênh ảo cố định

Việc thực hiện PVC theo thủ tục sau tương tự như kênh cho thuê:

1. Thuê bao gọi nhà cung cấp yêu cầu kênh PVC

2. Thuê bao đưa địa chỉ đích, tốc độ bít yêu cầu và thời gian sử dụng

3. Network Operator – điện thoại viên đưa các thông tin này qua thiết bị kết cuối (Terminal)

để thiết lập kênh tương tự như điện thoại viên bình thường

4. Kênh nối được trực thiết lập

5. Thuê bao trả tiền theo qui định thuê kênh hay theo chi tiết cuộc gọi

Như vậy đỗi với hình thức PVC tương tự như thủ tục thuê kênh truyền thống nhưng nó có các ưu điểm sau:

• Gần như thời gian thực

• Độ rộng băng theo yêu cầu

• Không có thủ thiết lập cuộc gọi

• Nailed-up conection nghĩa là luôn luôn có mạch nối giữa các điểm yêu cầu

• Dễ mở rộng hay giải phóng đường nối

b) SVC kênh ảo chuyển mạch.

Hình 9: SVC mạng ATM

Đối với phương thức này, khi cuộc gọi thiết lập, mạch sẽ được gán cho người dùng và dành riêng cho người dùng

Quá trình thiết lập:

- Thuê bao chủ nhấc máy gọi và quay số

- ATM-hub (trung tâm ATM) cuộc gọi hướng tới, nó thích ứng các thông tin báo hiệu vào tế bào ATM; kiểm tra tốc độ bít yêu cầu

- Các tế bào ATM báo hiệu qua mạng tới đích để thiết lập nối

- ATM – hub đích: khi tế bào tới đích, ATM hub phía đích sẽ gửi các tế bào ngược lại với các thông tin về kênh ảo để thiết lập kênh nối

- Tế bào quay lại với chủ gọi, ATM-hub gán cho các tế bào các giá trị VCI thích hợp

và mạng bây giờ biết định tuyến cụ thể Quá trình thiế lập xong

7 Các yêu cầu đối với ATM

- Để phù hơp với việc truyền tín hiệu thời gian thực thì ATM phải đạt độ trễ đủ nhỏ thì đô dài của các tế bào phải ngắn hơn độ dài các gói thông tin trong chuyển mạch gói

- Các tế bào phải có đoạn mào đầu nhỏ nhất làm tăng hiệu quả sử dụng vì các đường truyền có tốc độ rất cao

- Để đảm bảo độ trễ đủ nhỏ thì các tế bào được truyền ở những khoảng thời gian xác định không có khoảng cách giữa các tế bòa

-Trong ATM thứ tự các tế bào ở bên phát và bên thu phải giống nhau ( đảm bảo nhất quán về thứ tự)