truyền số liệu trong mạng chuyển mạch gói. một số bài toán ứng dụng

+ Error control kiểm soát lỗi: Có nhiều nguyên nhân gây sai, mất gói trongquá trình truyền như: Mất đường nối, hỏng nút mạng, trạm thu nhận sai… Như vậy, trong mạng chuyển mạch gói do dữ

LỜI MỞ ĐẦU.

Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ khoa học kỹ thuật, việccập nhật mọi thông tin đều đòi hỏi độ chính xác và đặc biệt là tốc độ xử lý, truyềndẫn thông tin về thiết bị đầu cuối nơi người sử dụng yêu cầu Chính vì vậy kỹ thuậttruyền số liệu đang nắm giữ một vai trò lớn lao trong sự phát triển của khoa học -công nghệ

Trong các trường Đại học chuyên ngành đào tạo kỹ thuật nói chung và trườngĐại học Hàng Hải nói riêng, kỹ thuật truyền số liệu luôn là một mảng kiến thứckhông thể thiếu đối với các Sinh viên theo học chuyên ngành Điện tử - Viễn thông.Cho dù mang đậm tính chất của dịch vụ truyền số liệu (DATA) nhưng kỹ thuậttruyền số liệu ngày nay lại là xuất phát điểm cho đa dịch vụ, một nhu cầu tất yếutrong mạng viễn thông và mạng máy tính hiện đại Khi chúng ta nắm chắc kiến thứccăn bản của các kỹ thuật truyền số liệu sẽ tạo điều kiện cho chúng ta có thể nghiêncứu chuyên sâu các vấn đề trong lĩnh vực Điện tử -Viễn thông

Các mạng truyền số liệu hiện nay đang phát triển đa dạng và phong phú nhưngvẫn dựa chủ yếu vào 3 kỹ thuật chuyển mạch chính là:

+ Kỹ thuật chuyển mạch kênh

+ Kỹ thuật chuyển mạch tin

+ Kỹ thuật chuyển mạch gói

Trong 3 kỹ thuật chuyển mạch trên, kỹ thuật chuyển mạch gói đang được ứngdụng và phát triển rộng rãi trong các dịch vụ truyền số liệu Vì nó cho phép nângcao tốc độ truyền dữ liệu, đồng thời đáp ứng được nhiều dịch vụ về dữ liệu với giáthành rẻ Để hiểu sâu hơn về kỹ thuật này em đã chọn đề tài: “ TRUYỀN SỐ LIỆUTRONG MẠNG CHUYỂN MẠCH GÓI MỘT SỐ BÀI TOÁN ỨNG DỤNG” làm

Đồ án Tốt nghiệp Đồ án được chia làm 3 chương:

Chương I: Tổng quan truyền số liệu và Chuyển mạch gói

Chương II: Truyền số liệu trong mạng chuyển mạch gói

Chương III: Một số bài toán ứng dụng

Trong quá trình làm Đồ án, với sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của thầy giáo

Thạc sỹ: Vũ Văn Rực và các thầy cô trong khoa Điện - Điện tử tàu biển cùng các

bạn trong lớp đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp em hoàn thành Đồ án đúng tiến độyêu cầu

Em xin chân thành cám ơn.!

Hải Phòng Ngày 15 tháng 02 năm 2011

Sinh viên: Phạm Trung Thắng

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN TRUYỀN SỐ LIỆU VÀ CHUYỂN

MẠCH GÓI.

1.1 TỔNG QUAN TRUYỀN SỐ LIỆU.

1.1.1 Tin tức và Tín hiệu.

Tin tức là một tập hợp các ký hiệu mang nội dung nhất định Nó là khâu đầu

và khâu cuối của bất kỳ hệ thống truyền thông nào

Tin tức có thể nhận biết bằng mắt hoặc bằng tai Ví dụ như: một lời nói, mộthình ảnh, một bài văn… Nhưng để truyền đi ở một cự ly xa, nó phải được gia công

để trở thành tín hiệu điện

Tín hiệu điện là một đại lượng vật lý nào đó biến đổi theo điện áp, tần số,thời gian Khi được gia công nó biến đổi theo qui luật của tin tức Hay nói cáchkhác tín hiệu mang nội dung của tin tức

Phân loại tín hiệu: Có nhiều cách phân loại tín hiệu, song, để đơn giản trong

kỹ thuật có 2 loại hình thức chính: tín hiệu liên tục và tín hiệu rời rạc

- Tín hiệu liên tục là tín hiệu mà trong khoảng thời gian xác định nó có vô vàn cácgiá trị

- Tín hiệu rời rạc là tín hiệu mà trong khoảng thời gian xác định nó có hữu hạn cácgiá trị

1.1.2 Hệ thống thông tin Truyền số liệu.

Kênh thông tin

Thiết bị chuyển đổi số liệu bên thu

Thiết bị đầu cuốibên thu

Nhận tinNhiễu

- Nguồn tin: Tổ chức sắp xếp các tin tức thành bản tin được lưu trữ trên các thiết bịghi tin như: băng từ, đĩa từ…

- Thiết bị đầu cuối bên phát là tổng hợp nguồn tin số, các mạch logic biến đổi, các

bộ phận nhận tin Các ký hiệu tin tức trước khi truyền đi sẽ được mã hoá thành các

tổ hợp mã gọi là mã nguồn Từ các mã biến đổi thành tín hiệu điện tương ứng đểtruyền đến thiết bị truyền đổi số liệu

- Thiết bị chuyển đổi số liệu bên phát là thiết bị biến đổi có chức năng biến đổi cáctín hiệu từ thiết bị đầu cuối thành các tín hiệu phù hợp với kênh truyền và thực hiệnquá trình ghép kênh bên phát

- Kênh thông tin: Đảm bảo môi trường truyền dẫn tín hiệu từ nơi phát đến nơi thuvới lượng suy hao cho phép

- Nhiễu: làm giảm chất lượng tín hiệu

- Thiết bị đầu cuối bên thu và Thiết bị chuyển đổi số liệu bên thu có chức năngtương tự bên phát Chúng thực hiện giải mã, ghi nhận các bit thông tin hay các tổhợp mã và sửa sai, nâng cao độ tin cậy của hệ thống

- Thiết bị nhận tin: lưu trữ tin trên các thiết bị mang tin hoặc hiển thị tin

mã nguồn có thể được người sử dụng mã hoá cấp cao hơn, tức là thực hiện mã hoáchống nhiễu Mã hoá chống nhiễu là quá trình người ta thêm vào từ mã các phần tửkhông mang nội dung tin tức Các phần tử này có nhiệm vụ phát hiện lỗi và sửa sailỗi Các phần tử không mang tin gọi là các phần tử dư thừa Người ta chứng minhrằng độ dư thừa càng cao thì khả năng chống nhiễu càng hiệu quả

Các từ mã đươc chuyển thành tín hiệu, tín hiệu này được gọi là mã tín hiệu

mã tín hiệu là dãy xung điện tương ứng với các tổ hợp phần tử nhị phân Tín hiệunày được gọi là tín hiệu cấp 1 Tín hiệu cấp 1 được đưa đến thiết bị chuyển đổi sốliệu Tại đây tín hiệu cấp 1 được chuyển thành tín hiệu cấp 2 để phù hợp với đườngtruyền

Vì trong quá trình truyền, tín hiệu số liệu sẽ bị suy hao do đặc tính đườngtruyền của kênh thông tin Bởi vậy, để tín hiệu truyền được từ đài phát tới đài thu

một cách bình thường thì kênh thông tin phải có độ suy hao trong phạm vi chophép Ngoài ra tín hiệu truyền trên kênh thông tin còn chịu sự ảnh hưởng của nhữngtác động khác do các nguồn nhiễu gây nên làm cho tín hiệu bị sai, méo, giảm độ tincậy Vì thế phải sử dụng các biện pháp thích ứng để khắc phục can nhiễu Một trongcác biện pháp tối ưu là ta sử dụng phương pháp phát hiện và sửa sai lỗi.

Tín hiệu tới đài thu sẽ được thiết bị chuyển đổi số liệu ở đài thu tách về đúngcác kênh và biến đổi dãy tín hiệu câp 2 về tín hiệu cấp 1, rồi đưa vào các thiết bịđầu cuối Tại đây tín hiệu được chuyển thành các từ mã Thiết bị đầu cuối thực hiệngiải mà thành tin tức đưa đến các thiết bị nhận tin Thiết bị nhận tin thực hiện cácphương pháp hiển thị tin hoặc lưu tin theo yêu cầu người sử dụng

1.1.3 Các phương pháp truyền số liệu.

- Đơn công: Số liệu chỉ được truyền theo 1 hướng, bên thu không thông báo đượccho bên phát Tức là chỉ phát hoặc chỉ thu

- Bán song công: Số liệu có thể thực hiện trên cả 2 hướng nhưng không phải đồngthời cùng 1 lúc Tức là thu thì ngừng phát hoặc phát thì ngừng thu

- Song công: Số liệu có thể truyền đi theo cả 2 hướng đồng thời Tức là vừa phátvừa thu

- Phương pháp truyền số liệu không đồng bộ: các bit được truyền đi theo 1 khungtin độc lập, mỗi khung tin bắt đầu và kết thúc bằng 1 bit đặc biệt ( Bit Start và BitStop) với mục đích tạo đồng bộ giữa bên thu và bên phát

Ưu điểm: yêu cầu tính đồng bộ hệ thống không cao nên thiết bị trong hệ

thống khá đơn giản, giá thành rẻ

Nhược điểm: hiệu quả sử dụng kênh thấp do phải truyền nhiều bit Start và

Stop là những bit không mang tin Tốc độ truyền tin cũng bị hạn chế

- Phương pháp đồng bộ: phương pháp này khắc phục được nhược điểm của phươngpháp không đồng bộ Bản chất của phương pháp này là các tín hiệu được gửi đi 1cách liên tục với tốc độ không đổi Trường hợp này yêu cầu thiết bị đầu cuối phảitạo ra và duy trì tần số nhịp đồng bộ với tín hiệu đầu vào, tức là đồng bộ tần số nhịpbên phát trong suốt quá trình làm việc

1.2 TỔNG QUAN CHUYỂN MẠCH GÓI.

Mạng truyền số liệu rất đa dạng về chủng loại cũng như về số lượng, có nhiềucách phân chia mạng truyền số liệu Xét về mặt kỹ thuật có thể phân chia mạngtruyền số liệu ra 3 loại sau:

+ Mạng chuyển mạch kênh

Xác lập kênh truyền: Trong quá trình truyền dữ liệu giữa 2 thuê bao (User)

dữ liệu có thể phải đi qua rất nhiều nút mạng, các nút mạng lại là điểm xuất phátcủa nhiều liên kết tới các nút mạng khác Như vậy trước khi dữ liệu được truyền đicần phải thiết lập một kênh truyền, việc thiết lập này dựa vào các thuật toán tìmđường (routing) Cuối cùng khi đã thiết lập kênh truyền giữa thuê bao chủ gọi vàthuê bao bị gọi cần thiết phải kiểm tra trạng thái bận rỗi của thuê bao bị gọi trướckhi có thể truyền dữ liệu

Truyền dữ liệu: Dữ liệu (DATA) được truyền qua kênh đã xác lập, quá trìnhtruyền có thể là đơn công, bán song công hay song công

Giải phóng kênh truyền: Sau khi dữ liệu được truyền hết xuất hiện thông báocủa thuê bao gọi hoặc bị gọi báo cho các nút mạng trung gian giải phóng sự kết nối

để phục vụ quá trình thiết lập kênh cho các thuê bao khác

Như vậy, trong quá trình truyền dữ liệu ta thấy kênh truyền được thiết lậptrước khi truyền dữ liệu nên cần phải dự trữ dung lượng kênh cho mỗi cặp thuê baođồng thời các bộ chuyển mạch tại các nút mạng phải đáp ứng được yêu cầu thiết lậpkênh của mạng Khi kênh truyền được xác lập thì dữ liệu chỉ được truyền trên kênh

cố định này

1.2.2 Mạng chuyển mạch tin.

Hiện nay các bức thư điện tử, điện báo, các files của máy tính… còn đượcgọi là các các bản tin Quá trình truyền các bản tin thực hiện như sự trao đổi dữ liệu

số hai chiều giữa các máy tính

Với chuyển mạch tin không tồn tại sự thiết lập kênh giữa hai thuê bao, điềunày khác hẳn với chuyển mạch kênh Mỗi thuê bao khi truyền một bản tin nó sẽ gánđịa chỉ của thuê bao nhận vào bản tin Trong quá trình trao đổi dữ liệu bản tin đượctruyền qua các nút, tại mỗi nút bản tin được tạm lưu trữ trên bộ đệm và sẽ đượcchuyển dần tới các nút khác cho đến khi tới đích

Trong kỹ thuật mạng chuyển mạch tin, các nút mạng còn có chức năng quản lýviệc truyền thông như xác nhận trả lời tin báo đã nhận đúng hay chưa hoặc yêu cầu

truyền lại những tin báo nhận sai Đồng thời kiểm soát thông lượng đường truyềnnhằm tránh xung đột, tắc nghẽn thông tin trong mạng

Nhược điểm của mạng chuyển mạch tin là thời gian trễ lớn do bản tin bị giữtại các bộ đệm của nút mạng Thời gian trễ này bao gồm cả thời gian nhận bản tin

và thời gian xếp hàng chờ chuyển tiếp bản tin đó

1.2.3 Mạng chuyển mạch gói.

Chuyển mạch gói tương tự như chuyển mạch tin, sự khác nhau cơ bản làtrong chuyển mạch gói dữ liệu được chia ra thành các gói tin nhỏ có kích thước xácđịnh Các gói tin này được gửi trên mạng thông qua một đường hoặc nhiều đườngtới đích, có thể gửi theo trình tự hoặc không theo trình tự Mỗi gói tin sẽ mangthông tin về địa chỉ nguồn, địa chỉ đích, dữ liệu và các thông số kèm theo khác Phíathu khi nhận các gói tin dựa vào các thông tin gói tin mang theo để sắp xếp thành dữliệu như ở phía phát

Trong mạng chuyển mạch gói có hai phương pháp được dùng để truyền góitin là: Datagram & Vitual Circuit (mạch ảo)

Datagram: Các gói tin là độc lập với nhau, đường đi của mỗi gói tin có thểkhác nhau do đó thứ tự các gói tin đến Đích là không giống nhau Bởi vậy, mỗi góitin sẽ phải mang thêm thông tin về số thứ tự phát của mình để dễ dàng sắp xếp cácgói tin thành khối dữ liệu

Vitual Circuit (mạch ảo): Trong mạch ảo, sự kết nối logic mạch được thiếtlập trước khi truyền mỗi gói tin Mỗi gói tin bao gồm dữ liệu và nhận dạng kênh ảo.Mỗi nút với đường đi đã định sẽ chuyển trực tiếp gói tin đến đúng địa chỉ mà khôngcần tìm đường nữa Điều này khác hẳn với Datagram, mỗi nút mạng trong mạch ảokhông cần tìm đường cho mỗi gói mà nó chỉ làm 1 lần cho 1 kết nối Kết nối chấmdứt khi 1 trong 2 trạm truyền đi gói tin Clear Request để thông báo chấm dứt kếtnối

Nhược điểm của các liên kết ảo là khi một nút mạng bị hỏng thì các liên kết ảoqua nút đó đều phải bỏ còn với Datagram thì khi một nút mạng bị hỏng gói tin vẫn

có thể được truyền theo đường khác

Hai vấn đề cơ bản của chuyển mạch gói là:

+ Routing (tìm đường)

+ Traffic control (điều khiển lưu lượng)

Routing (tìm đường): Chức năng cơ bản của chuyển mạch gói là chuyển cácgói tin từ trạm nguồn tới trạm đích, để thực hiện chức năng đó một hoặc nhiều conđường thông qua mạng được chọn (con đường này nối từ trạm nguồn tới trạm đích

thông qua một số nút trung gian) Do có rất nhiều nút mạng trung gian nên khôngphải là chỉ có một đường đi tới đích mà có rất nhiều đường đi khác nhau Bằng cácthuật toán tìm đường con đường tối ưu nhất sẽ được chọn.

Traffic control (điều khiển lưu lượng): Giá trị lưu lượng trong mạng cần phảiđược điều khiển để tăng hiệu suất Traffic control có 4 loại với các mục đích khácnhau: Flow control, Congestion control, Deadlock control, Error control

+ Flow control (điều khiển luồng dữ liệu): Lưu lượng dữ liệu sẽ được điềukhiển phù hợp với khả năng xử lý của phía thu để các bộ đệm thu không bị tràn

+ Congestion control (điều khiển tắc nghẽn): Đảm bảo cho lưu lượng dữ liệu

đi vào mạng không vượt quá khả năng xử lý của toàn mạng

+ Deadlock control: Là tình trạng một nút không chấp nhận chuyển tiếp cácgói tin vì nó không còn bộ đệm

+ Error control (kiểm soát lỗi): Có nhiều nguyên nhân gây sai, mất gói trongquá trình truyền như: Mất đường nối, hỏng nút mạng, trạm thu nhận sai…

Như vậy, trong mạng chuyển mạch gói do dữ liệu được chia thành nhiều góinhỏ có kích thước xác định nên cho phép các nút mạng có thể quản lý toàn bộ cácgói tin trong bộ nhớ mà không cần lưu tạm trữ trên bộ nhớ ngoài Đồng thời nhờvào các thuật toán tìm đường tối ưu giúp việc định tuyến cho các gói tin thông quamạng cũng nhanh hơn Chính vì vậy mà kỹ thuật chuyển mạch gói đạt được hiệuquả cao hơn rất nhiều so với kỹ thuật chuyển mạch tin

CHƯƠNG II: TRUYỀN SỐ LIỆU TRONG MẠNG CHUYỂN

MẠCH GÓI.

Trong mạng chuyển mạch gói, các gói tin được truyền từ phía phát tới phíathu phải đi qua rất nhiều trạm trung gian Các trạm trung gian như vậy gọi là các nútmạng Các nút mạng này được trang trí các bộ đệm để lưu trữ trước khi xử lý góitin Để các gói tin đến trạm đích nhanh và chính xác đòi hỏi chuyển mạch gói phảiđáp ứng và hoàn thành tốt việc tìm đường, điều khiển luồng và tránh tắc nghẽn.Ngoài ra việc kiểm soát lỗi trên đường truyền cũng có vai trò vô cùng quan trọng

2.1 ĐIỀU KHIỂN LUỒNG VÀ TRÁNH TẮC NGHẼN.

Trước khi đi sâu nghiên cứu vấn đề này chúng ta cần phân biệt rõ 2 kháiniệm:

+ Thông lượng: Là tốc độ truyền thông tin của mạng tính theo đơn vị gói/s.+ Lưu lượng: Là tốc độ thông tin đi đến mạng bao gồm cả thông tin mới vàthông tin phát lại

2.1.1 Khái niệm và phân loại điều khiển luồng.

Trong mạng thông tin nói chung và đối với mạng chuyển mạch gói nói riêngvấn đề điều khiển luồng thông tin luôn được đặt lên hàng đầu Trong thực tế rấtnhiều mạng chuyển mạch gói nằm trong tình trạng quá tải vì số lượng người sửdụng rất lớn và ngày một tăng nhanh với nhiều ứng dụng khác nhau Để tránh hiệntượng tắc nghẽn xảy ra trong mạng và nâng cao chất lượng dịch vụ, điều đó đã yêucầu các nhà thiết kế mạng hoặc phải chấp nhận tăng chi phí nâng cấp tài nguyênmạng hoặc phải áp dụng các kỹ thuật điều khiển luồng để tránh hiện tượng nghẽnmạng

Điều khiển luồng: Là cơ chế nhằm đảm bảo việc truyền thông tin của phíaphát không vượt quá khả năng xử lý của phía thu

Trong kỹ thuật mạng điều khiển luồng được chia ra làm 2 loại:

Hình 2.1: Phân loại kỹ thuật điều khiển luồng.

+ Điều khiển luồng giữa hai nút đầu cuối (End to End): Là cơ chế nhằm đảmbảo nút nguồn (nơi tạo kết nối để truyền thông tin) thực hiện việc truyền thông tinkhông vượt quá khả năng xử lý của nút đích (nơi kết thúc liên kết truyền thông tin).+ Điều khiển luồng giữa 2 nút mạng liên tiếp (Hop by Hop): Là cơ chế điềukhiển luồng giữa 2 nút mạng liên tiếp trên đường kết nối từ phía phát đến phía thuđược chọn

Trong kỹ thuật điều khiển luồng người ta thường phân biệt 2 kỹ thuật điềukhiển luồng chính sau:

+ Điều khiển luồng theo phương pháp cửa sổ trượt (Sliding windown)

+ Điều khiển luồng theo phương pháp chậu rò (Leaky bucket)

2.1.2 Khái niệm và phân loại điều khiển tránh tắc nghẽn.

Tắc nghẽn là một vấn đề thường gặp trong các mạng chuyển mạch gói mànguyên nhân chủ yếu là do tài nguyên mạng còn hạn chế mà số lượng người sửdụng liên tục tăng và dường như không có giới hạn Trong cấu trúc của một mạngchuyển mạch gói thường bao gồm nhiều nút mạng được liên kết với nhau thông quanhiều đường liên kết Một nút mạng có thể kết nối với nhiều nút mạng khác thôngqua các đường liên kết nối đến nó và ngược lại các nút mạng khác cũng có thể traođổi thông tin với nó thông qua các liên kêt này Thông thường các nút mạng đượcthiết kế với bộ đệm lưu trữ có hạn, nếu tình trạng tắc nghẽn xảy ra với một nútmạng nào đó thì bộ đệm tương ứng của nút sẽ dần đầy và bị tràn bộ đệm Đây lànguyên nhân gây mất các gói tin Nếu tình trạng mạng bị tắc nghẽn kéo dài một nútmạng bị tràn bộ đệm hệ quả là sẽ kéo theo các nút mạng trước nó trong đường liênkết cũng nhanh chóng bị tràn bộ đệm Khi đó mạng có thể bị tắc nghẽn hoàn toàn,

thông lượng của mạng gần như bằng 0, làm mất các gói tin Nếu một gói tin bị mấtthì tại thời điểm tắc nghẽn các tài nguyên mà gói tin đó sử dụng được coi là lãngphí.

Tránh tắc nghẽn: Là cơ chế kiểm soát thông tin đi vào mạng nhằm đảm bảotổng lưu lượng đi vào mạng không vượt quá khả năng xử lý của toàn mạng

Các nguyên nhân gây tắc nghẽn:

+ Do tràn bộ đệm: Như phần trên vừa chỉ ra, bộ đệm tràn là nguyên nhân gây

ra mất các gói tin và hiện tượng tắc nghẽn trong mạng

+ Do lỗi đường truyền: Các hiệu ứng đường truyền gây ra mất các gói tin vàảnh hưởng đến tắc nghẽn trong mạng

+ Do nghẽn cổ chai: Là hiện tượng xảy ra khi hai mạng có tốc độ chênh lệchnhau quá lớn tại nút nối giữa các đường liên kết hai mạng sẽ xảy ra tắc nghẽn

+ Do lưu lượng lớn và thay đổi đột ngột gây ra tình trạng tắc nghẽn

Nguyên lý chung của tránh tắc nghẽn:

Hình 2.2: Đồ thị đánh giá trạng thái tắc nghẽn trong mạng.

Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa thông lượng của mạng và lưu lượng đưavào mạng (offered load) Với mức lưu lượng vào mạng nhỏ (phía trái điểm gãy)thông lượng tăng tuyến tính với lưu lượng đưa vào, đó là lúc băng thông chưa được

sử dụng hết Thông lượng lớn nhất khi lưu lượng đưa vào mạng gần với băng thônggiới hạn của mạng và thông lượng tăng chậm tương ứng với kích thước dữ liệutrong bộ đệm Khi lưu lượng đưa vào mạng tiếp tục tăng lên đến một giới hạn nào

đó thông lượng trong mạng giảm đột ngột từ điểm vách đến một giá trị rất nhỏ Lúcnày mạng rơi vào trạng thái tắc nghẽn, thông lượng có thể giảm xuống bằng khôngtrạng thái này gọi là Deadlock.

Nguyên lý chung của các phương pháp điều tránh tắc nghẽn trên mạng là duytrì điểm hoạt động của mạng nằm ở phía trái điểm gãy và đảm bảo bộ đệm các nútmạng không bị tràn

Phân loại các phương pháp điều khiển chống tắc nghẽn:

Dựa trên nguyên lý hoạt động có thể phân loại các phương pháp điều khiểnchống tắc nghẽn như sau:

Hình 2.3: Phân loại các phương pháp điều khiển tránh tắc nghẽn.

Điều khiển tránh tắc nghẽn vòng hở: Là phương pháp điều khiển dựa theonguyên lý kiểm soát lượng thông tin đầu vào mạng hoặc điều khiển thông lượng đầuvào phía thu Phương pháp này không sử dụng thông tin phản hồi từ phía thu, từ cácnút mạng và việc điều khiển luồng dựa vào nguyên lý chậu rò (Leaky bucket) Ưuđiểm của phương pháp này là các kỹ thuật được ứng dụng đơn giản, thời gian đápứng khá nhanh do thông lượng đầu vào đã được hạn chế

Điều khiển phía phát: Thông lượng đầu vào phía phát sẽ được kiểm soát chặtchẽ để không gây quá tải cho mạng

Điều khiển phía thu: Khả năng xử lý của phía thu là có hạn do vậy thônglượng đầu vào phía thu cũng nằm trong sự kiểm soát

Điều khiển tránh tắc nghẽn vòng kín: Là phương pháp sử dụng thông tin phảnhồi từ các nút mạng, từ phía thu để luôn kiểm soát được trạng thái của mạng Khi

xảy ra tắc nghẽn có thể xử lý dựa trên nguyên lý cửa sổ trượt (sliding windown).Nhược điểm của phương pháp này là thời gian đáp ứng chậm do các thông tin phảnhồi cần được xử lý nhưng hiệu quả điều khiển luồng cao hơn nhiều so với phươngpháp trên.

Hoạt động của phương pháp điều khiển tránh tắc nghẽn vòng kín tương tự nhưcác phương pháp kiểm soát lỗi đều dựa trên các thông tin phản hồi để biết đượctrạng thái của mạng từ đó đưa ra các biện pháp xử lý Các phương pháp kiểm soátlỗi cũng được coi là các phương pháp điều khiển luồng tránh tắc nghẽn với hoạtđộng dựa trên nguyên lý cửa sổ trượt

2.1.3 Ý nghĩa của việc điều khiển luồng và tránh tắc nghẽn.

Để thấy rõ chức năng và tác động của các biện pháp điều khiển luồng và tránhtắc nghẽn ta xét hoạt động của một mạng khi không có sự kiểm soát

Hình 2.4: Hoạt động của mạng khi không có sự kiểm soát.

Hoạt động của mạng khi không có sự kiểm soát: Giả sử có 2 kết nối từ BA theo đường B-Y-X-A với tốc độ λAB và từ CD theo đường C-Z-X-D, tốc độ λCD

Do mạng không có kiểm soát nên tài nguyên mạng và bộ đệm tại các nút mạng X,Y,Z có thể được sử dụng bởi bất kì gói tin nào Giả sử môi trường truyền không gây ra lỗi thì các gói tin gửi đi không bị sai nhưng vẫn có thể phải gửi lại, nguyên nhân là do các nút mạng không cho phép chuyển tiếp gói tin vì không còn bộ đệm

để tạm thời lưu gói tin trước xử lý

Để thấy rõ hiệu quả của việc điều khiển lưu lượng trong mạng ta xét cáctrường hợp sau:

+ Trường hợp 1 (λ =BA 7Kbps và λ =CD 0): Trường hợp này không xảy ra tắcnghẽn vì lưu lượng từ BA được mạng trung chuyển hết Tốc độ truyền dữ liệu(lưu lượng dữ liệu) đến nút A bằng tốc độ dữ liệu do nút B đưa vào mạng Đồngthời đường kết nối dữ liệu từ BA có các liên kết đều thỏa mãn tốc độ dữ liệu

7

Data

λ ≥ Kbps.

+Trường hợp 2 (λBA = +8 δ Kbps (δ >0) và λ =CD 0): Trường hợp này tốc độ

dữ liệu BA lớn hơn tốc độ của liên kết XA do vậy, tốc độ dữ liệu YX lớnhơn XA, dữ liệu dư sẽ được lưu trong bộ đệm của X Quá trình truyền cứ tiếp tụcđến một thời điểm nào đó bộ đệm của X đầy và tràn làm cho các gói tin từ Y đến sẽkhông được lưu và bị hủy Vì bộ đệm của Y lưu lại các gói tin chưa được báo nhận

để truyền lại nên bộ đệm Y cũng dần bị đầy và tràn

Nút X có khả năng chuyển 8Kbps khi lưu lượng đầu vào của nó là 8+δ Kbpsthì X hủy δ Kbps Lúc này, đường Y-X sẽ có tốc độ 8 2+ δ Kbps (với 8+δ Kbps làthông tin từ B đến, δ là thông tin phát lại) Nhưng vì nút X chỉ có thể chuyển 8Kbps nên nó hủy 2δ Kbps và Y lại phải truyền lại thông tin này Quá trình tiếp tụccho tới khi nhánh Y-X hoạt động với tốc độ 64 Kbps Tương tự, nhánh BY cũnghoạt động với tốc độ 16 Kbps

Để giải quyết vấn đề này có thể làm theo hai giải pháp:

++ Xây dựng hệ thống mạng có khả năng đáp ứng tốc độ của dữ liệu XA (

8+δ Kbps) nhằm đáp ứng với yêu cầu về tốc độ của B Giải pháp này chỉ thực sựkhả thi và đạt hiệu quả khi tốc độ phát tin của B là ổn định trong một thời gian dài,ngược lại thì hiệu quả sử dụng tài nguyên rất thấp do không tận dụng hết đáp ứnglưu lượng của mạng

++ Giới hạn tốc độ truyền tin của B xuống còn 8Kbps: Giải pháp này khả thikhi yêu cầu truyền tin của B trong phần lớn thời gian là nhỏ hơn 8Kbps và tốc độvượt quá 8Kbps chỉ xảy ra trong khoảng thời gian ngắn

+ Trường hợp 3 (λ =BA 7Kbps và λ =CD 7Kbps): Tương tự như trường hợp 1trường hợp 3 không xảy ra tắc nghẽn trong mạng Dữ liệu được chuyển từ ADvới tốc độ 7Kbps cho mỗi nút tức là mỗi một liên kết trong mạng hoạt động với tốc

độ 7Kbps

+ Trường hợp 4 (λBA = +8 δ Kbps và λ =CD 7Kbps): Trường hợp này liên kếtCD đáp ứng đầy đủ yêu cầu kết nối C-D tuy nhiên liên kết BA không đáp ứngđược yêu cầu kết nối B-A Khi đó hai kết nối giữa B-A và C-D cùng chia sẻ bộ đệmcủa nút X Lưu lượng thông tin BA sẽ làm đầy và tràn bộ đệm của X làm cho

thông tin từ B và C đến qua nút X đều bị hủy và phải phát lại Hệ quả là cả hai nút

Y và Z đều bị tràn bộ đệm và tất cả các đường liên kết đều hoạt động với tốc độ cựcđại Các gói tin từ BA và CD đều phải được lưu tại bộ đệm của nút X chờ xử

lý Khi bộ đệm này đầy và tràn X sẽ hủy các gói tin tới này Do tốc độ dữ liệu Y-Xgấp 2 lần tốc độ Z-X (khi các liên kết này hoạt động với tốc độ đỉnh) nên lượng góitin từ YX sẽ gấp 2 lần từ ZX Ta nhận thấy trong trường hợp này thông lượngtổng cộng của mạng bị giảm từ 14Kbps xuống 8 + 4 = 12 Kbps Trong đó thônglượng của nút B giảm từ 8+δ Kbps 8Kbps còn nút C giảm từ 7Kbps 4Kbps

Hình 2.5: Các trạng thái hoạt động của mạng.

Trường hợp lý tưởng: Mạng sẽ thực hiện chuyển tất cả các gói đi vào mạngkhi tốc độ đến của các gói nhỏ hơn khả năng trung chuyển của mạng (đoạn dốc củađường lý tưởng) Khi lưu lượng vào mạng lớn hơn khả năng đáp ứng của mạng thìmạng phải có khả năng chuyển các gói tin với tốc độ bằng thông lượng của mạng(đoạn bằng của đường lý tưởng)

Trường hợp không có kiểm soát: Mạng sẽ chuyển tất cả các gói tin khi lưulượng nhỏ hơn 1 giá trị cực đại nào đó Khi vượt qua ngưỡng đó thông lượng bắtđầu giảm, lưu lượng vào càng nhiều thì thông lượng càng giảm Một số trường hợpmạng hầu như không chuyển được gói tin nào, trạng thái đó gọi là Deadlock

Trường hợp có kiểm soát: Áp dụng các biện pháp điều khiển luồng và điềukhiển tránh tắc nghẽn hệ thống có khả năng hoạt động tốt ngay cả khi lưu lượng vàomạng lớn hơn thông lượng của mạng Tuy nhiên do ta phải sử dụng các thông tincho các thuật toán điều khiển nên thông lượng thực tế của mạng sẽ nhỏ hơn trườnghợp lý tưởng thậm chí nhỏ hơn cả trong trường hợp không có điều khiển

2.1.4 Nhiệm vụ chủ yếu của điều khiển luồng và tránh tắc nghẽn.

Điều khiển luồng và tránh tắc nghẽn được sử dụng khi có sự giới hạn về tàinguyên giữa những người sử dụng hay giữa các thiết bị mạng

Điều khiển luồng và tránh tắc nghẽn nhằm:

+ Tối ưu hóa thông lượng sử dụng của mạng: Việc điều khiển luồng và tránhtắc nghẽn trong một mạng đơn giản như việc truyền thông tin giữa 2 thiết bị đầucuối với nhau là không cần thiết vì tình trạng tắc nghẽn ít xảy ra, tốc độ truyềnthông tin tiến gần đến tốc độ truyền tin cực đại của đường truyền vật lý Nhưngtrong một mạng lớn với nhiều nút mạng thì việc điều khiển luồng và tránh tắc nghẽn

là một trong những yếu tố quan trọng nhằm tối ưu hóa thông lượng của mạng, nângcao hiệu quả truyền thông tin của toàn mạng

+ Giảm trễ gói tin: Gói tin khi được truyền từ phía phát đến phía thu phải điqua nhiều nút mạng, mỗi nút sẽ giữ gói tin trên bộ đệm chờ xử lý sau đó sẽ chuyểntiếp gói tin tới một nút trên đường liên kết đã được thiết lập trước Thời gian gói tin

đi từ phía phát tới phía thu gọi là thời gian trễ truyền Thời gian trễ này yêu cầucàng nhỏ càng tốt, nó phụ thuộc chủ yếu vào môi trường truyền dẫn và độ dài liênkết Điều khiển luồng và tránh tắc nghẽn chỉ đảm bảo thời gian trễ của gói tin ở mứcchấp nhận được thông qua việc giới hạn số lượng gói tin đi vào mạng tránh tìnhtrạng tắc nghẽn do đó giúp làm giảm trễ hàng đợi trong bộ đệm nhớ tại các nútmạng Vì vậy điều khiển luồng không thể là phương pháp điều khiển chính để sửdụng trong các ứng dụng đòi hỏi trễ thời gian nhỏ

+ Đảm bảo tính công bằng cho việc trao đổi thông tin trên mạng: Tính côngbằng trong trao đổi thông tin là khả năng đảm bảo cho các thuê bao quyền sử dụngtài nguyên mạng như nhau trong các ứng dụng khác nhau Đảm bảo tính công bằngtrong việc sử dụng tài nguyên mạng là 1 yếu tố quan trọng hàng đầu trong kỹ thuậtmạng Việc điều khiển luồng và tránh tắc nghẽn cho phép các thuê bao sử dụngđúng tài nguyên mạng theo dịch vụ đã đăng kí sử dụng

+ Tránh tắc nghẽn trong mạng: Nhiệm vụ chủ yếu của điều khiển luồng làtránh tình trạng tắc nghẽn xảy ra trong mạng Vì vậy điều khiển luồng và điều khiểntránh tắc nghẽn là 2 kỹ thuật có liên quan chặt chẽ với nhau Điều khiển luồng làviệc kiểm soát thông tin giữa các thiết bị đầu cuối cụ thể trong khi điều khiển tắcnghẽn liên quan đến việc kiểm soát thông tin trên toàn mạng Hai kỹ thuật điềukhiển này có đặc điểm chung là đều phải tìm biện pháp giới hạn lưu lượng thông tinđầu vào nhằm tránh hiện tượng lưu lượng vào quá lớn làm giảm hiệu suất truyềntoàn mạng mà có thể dẫn tới nghẽn hoàn toàn thông tin trong mạng

2.1.5 Các thuật toán trong điều khiển luồng và tránh tắc nghẽn.

a Thuật toán Leaky bucker

Để có thể đáp ứng được yêu cầu của điều khiển luồng, người ta đưa ra cácphương pháp thực hiện điều khiển luồng và chống tắc nghẽn dựa trên việc hạn chếbăng thông Cơ chế kiểm soát băng thông đảm bảo lượng thông tin đưa vào mạngkhông vượt quá một mức nào đó nhằm tránh tắc nghẽn trong mạng

Cơ chế kiểm soát băng thông của thông tin đi vào mạng chia làm hai loại:

+ Kiểm soát chặt: Với tốc độ thông tin vào mạng trung bình là r (gói/s), thì hệ thống kiểm soát sẽ chỉ cho một gói vào sau mỗi 1/r giây.

+ Kiểm soát lỏng: Với tốc độ thông tin vào mạng trung bình là r (gói/s) thì hệ thống kiểm soát sẽ cho K gói vào mạng trong khoảng thời gian K/r giây Trong

phương pháp này, tốc độ dữ liệu trung bình là không đổi nhưng mạng cho phépnhận tối đa K gói tin tại một thời điểm Cơ chế này thường được hoạt động dựa trênnguyên lý của phương pháp chậu rò (leaky bucket)

Hình 2.6: Nguyên lý hoạt động của thuật toán chậu rò (Leaky bucker).

Trong hình (2.6) nút mạng được trang bị một chậu rò dùng kiểm soát lưulượng thông tin đi vào mạng Chậu rò là một bộ đệm có khả năng lưu trữ tối đa là B

thẻ bài Các thẻ bài được đưa vào chậu rò với tốc độ r (thẻ bài/s) cho tới khi chậu

đầy các thẻ bài thì nó sẽ không nhận thêm thẻ bài nữa Nguyên lý chung là mỗi khimột gói tin đến một nút mạng để có thể được vào được mạng thì gói tin đó phải

nhận được một thẻ bài Do vậy, tốc độ trung bình của gói tin vào mạng là r (gói

tin/s) và bằng tốc độ tạo thẻ bài Khi chậu rò đầy thẻ bài, nút mạng có thể cho

truyền gói tin với tốc độ tối đa là r (gói tin/s) còn nếu số lượng thẻ bài trong chậu

nhỏ thì chúng ta thấy được khả năng kiểm soát tốc độ luồng thông tin vào mạng.Với việc sử dụng chậu rò, luồng thông tin vào mạng có tốc độ không vượt quá

r (gói/s) Nếu mạng có nhiều nút mạng để giao tiếp với bên ngoài, mỗi nút mạng

được trang bị một chậu rò để kiểm soát lưu lượng thông tin vào mạng thì cho dù tốc

độ thông tin của đến các nút có thể thay đổi, nhưng tốc độ thông tin trong mạng khá

ổn định

Dựa trên nguyên tắc hạn chế băng thông vào mạng người ta có thể thực hiệnđiều khiển luồng và tránh tắc nghẽn cho mạng Khi thông lượng vào mạng vượt quámột ngưỡng nào đó thì mạng sẽ xảy ra hiện tượng tắc nghẽn như đã trình bày ởphần trên Vì vậy khi chúng ta có các biện pháp hạn chế thông lượng đầu vào thì cóthể tránh được sự tắc nghẽn trong mạng Đây chính là cơ sở để người ta đưa ra cácdạng của thuật toán chậu rò (Leaky bucket)

Dựa trên nguyên lý trên người ta đưa ra 3 dạng của thuật toán Leaky bucket:+ Leaky bucket không có buffer

+ Leaky bucket có 1 bộ đệm: data buffer

+ Leaky bucket có 2 bộ đệm: data buffer và token pool

Do công nghệ ngày càng phát triển mạnh mẽ nên các thuật toán Leakybucket không buffer và Leaky bucket có 1 bộ đệm dần ít được sử dụng Thay vào

đó Leaky bucket có 2 bộ đệm được ưu dùng trong hầu hết các mạng bởi tính ưuđiểm của mình

Leaky bucket có 2 bộ đệm: Data buffer và token pool.

Hình 2.7: Hoạt động của Leaky bucket có 2 bộ đệm.

Khi một nguồn phát ra các gói tin với tốc độ nhỏ hơn tốc độ tạo thẻ bài thì chỉ

có một số thẻ bài được sử dụng bằng cách gán 1:1 cho các gói tin, số thẻ bài còn lại

sẽ không được sử dụng Như vậy, để tận dụng hết số thẻ bài tạo ra trong trường hợpnày người ta sử dụng một bộ đệm (token pool) để chứa các thẻ bài chưa được sửdụng Nếu ở thời điểm sau đó nguồn phát lại phát các gói tin với tốc độ lớn hơn tốc

độ tạo thẻ bài thì các thẻ bài trong token pool sẽ được tiếp tục sử dụng

Như vậy, việc thêm bộ đệm để lưu Token thì tốc độ phát của nguồn phát tạimột thời điểm có thể lớn hơn tốc độ tạo thẻ bài tại thời điểm đó Xét trong thời giandài thì thuật toán điều khiển này làm cho tốc độ phát các gói tin của nguồn phát tiếngần về tốc độ tạo Token

b Thuật toán cửa sổ trượt.

Cơ chế điều khiển luồng và tránh tắc nghẽn dựa trên thuật toán cửa sổ trượtđược thực hiện bởi việc giới hạn số lượng gói tin được truyền ở phía phát nhằmđảm bảo lưu lượng thông tin vào mạng không vượt quá khả năng xử lý của phía thu.Với thuật toán cửa sổ trượt, phía phát sẽ không thực hiện phát tiếp gói tin cho đếnkhi phía thu xử lý xong các gói tin trước đó Khi phía thu xử lý xong các gói tin dophía phát gửi tới thì nó sẽ báo cho phía phát biết và khi đó phía phát sẽ tiếp tục gửicác gói tin tiếp theo Cơ chế này nhằm đảm bảo việc truyền tin không bao giờ vượtquá khả năng xử lý của phía thu

Số lượng gói tin có thể đợi báo nhận bị giới hạn bởi một con số tối đa, giớihạn này được gọi là kích thước cửa sổ truyền (send windown), ký hiệu là K (Kthường được hiểu là kích thước cửa sổ cực đại) Nếu K=1 thì phương pháp này hoàntoàn giống với phương pháp điều khiển luồng RQ dừng và đợi với hiệu suất sửdụng liên kết thấp

Hoạt động của phương pháp cửa sổ trượt: thứ tự truyền mỗi gói tin đều mangmột chỉ số để phân biệt với nhau Các gói tin đã được báo nhận sẽ được xóa khỏi bộđệm truyền nhằm giải phóng bộ đệm Gói tin cuối cùng được xác nhận sẽ được xóakhỏi bộ đệm và làm trống đi một vị trí trong bộ đệm đồng thời tạo điều kiện chobiên trên của cửa sổ tăng lên một đơn vị tương ứng với một gói tin được nằm trongcửa sổ trượt Nói cách khác cửa sổ trượt qua vị trí của gói tin nào trong thứ tựtruyền thì gói tin đó có thể truyền đi mà không cần chờ báo nhận

Xét một ví dụ với Kmax= 7 Quá trình truyền tin được mô tả như hình vẽ:

Hình 2.8: Quá trình truyền tin theo thuật toán cửa sổ trượt ( với K max =7).

Trong quá trình truyền tin ta thấy hai gói tin số 6 và 7 đã được gửi tới phíaphát nhưng chưa nhận được báo nhận để có thể xóa khỏi bộ đệm cho nên vẫn nằmtrong bộ đệm Khi một gói tin nằm trong cửa sổ được phát đi (phát không cần chờbáo nhận), biên dưới của cửa sổ tăng lên một đơn vị làm kích thước tức thời của cửa

sổ giảm đi một đơn vị

Trong trường hợp xảy ra tắc nghẽn trong mạng, gói tin cuối cùng nằm trongcửa sổ đã được phát đi mà vẫn chưa có bất cứ báo nhận nào quay trở lại phía phát.Khi đó biên dưới của cửa sổ tăng dần trong khi biên trên vẫn giữ nguyên vị trí làmcho kích thước cửa sổ thu hẹp dần Khi kích thước cửa sổ bằng 0 sẽ không có góitin nào được phát đi Tới đây chúng ta thấy được rõ ràng hiệu quả của phương phápcửa sổ trượt Lưu lượng đầu vào của mạng đã được giới hạn bằng việc dừng phátgói tin tiếp theo Nhưng thực ra việc điều khiển lưu lượng đầu vào của mạng khôngchỉ tới khi cửa sổ K=0 mới xảy ra mà lúc K=0 là khi mạng đã nằm trong tình trạngtắc nghẽn kéo dài làm cho thông lượng của mạng giảm xuống bằng 0 Quá trìnhđiều lưu lượng mạng nhằm hạn chế tắc nghẽn trong toàn mạng diễn ra ngay trongquá trình thay đổi kích thước tức thời của cửa sổ Khi thông lượng của mạng lớn,

kích thước cửa sổ sẽ tăng dần đến kích thước cửa sổ cực đại Khi mạng xảy ra tắcnghẽn, kích thước cửa sổ giảm dần từ giá trị Kmax đến khi K=0 phía phát sẽ ngừng

hẳn quá trình phát

Như vậy khi mạng hoạt động tốt không có tắc nghẽn ta hình dung rằng cửa sổ

K sẽ được tăng lên một đơn vị và lại giảm đi một đơn vị, kích thước cửa sổ khôngthay đổi mà nó trượt đi một đơn vị theo thứ tự truyền lần lượt trượt qua các gói tincần phát Vì thế kỹ thuật này còn gọi là “ cửa sổ trượt ”

Tại phía phát cũng sử dụng một cửa sổ tương tự, kích thước lớn nhất của bộđệm gói tin tại phía thu gọi là kích thước cửa sổ thu (Receive Windown) Hoạt độngcủa cửa sổ thu tương tự như của cửa sổ phát Khi một gói tin được nhận biên trêncủa cửa sổ sẽ tăng lên một đơn vị, sau quá trình xử lý gói tin và chuyển tiếp gói tinphía thu sẽ phát đi một báo nhận cho phía phát để thông báo cho nó biết rằng gói tintương ứng đã được nhận tốt (nhận không lỗi và xử lý xong) để phía phát có thể xóagói tin đó ra khỏi bộ đệm Khi gửi đi một gói tin báo nhận biên dưới của cửa sổ thutăng lên một đơn vị, khi nhận một gói tin biên trên của cửa sổ thu tăng lên một đơn

vị Quá trình cứ tiếp tục diễn ra như vậy cửa sổ thu sẽ lần lượt trượt qua các gói tinđược nhận theo thứ tự nhận

Với việc kết hợp hoạt động nhịp nhàng giữa phía phát và phía thu bằng việc

sử dụng báo nhận, số lượng gói tin đồng thời tồn tại trên đường truyền luôn nằmtrong một giới hạn nhất định Nếu phía thu có bộ đệm với dung lượng lớn hơn tổngkích thước các gói tin nằm trong giới hạn thì khó có thể xảy ra tràn bộ đệm ở phíathu

2.2 ĐỊNH TUYẾN VÀ KỸ THUẬT TÌM ĐƯỜNG ĐI CHO DỮ LIỆU

TRONG MẠNG CHUYỂN MẠCH GÓI.

2.2.1 Định tuyến trong mạng chuyển mạch gói.

Khi một gói đưa vào vùng mạng từ một thiết bị đàu cuối ,nó phải được địnhhướng tới thiết bị đầu cuối nhờ thiết bị chuyển mạch gói của mạng

Có hai phương pháp định hướng chủ yếu đó là :

- Định hướng cố định

- Định hướng động

a Định hướng cố định.

Định hướng cố định là phương pháp dịnh hướng đơn giản nhất, trong đó thiết

bị chuyển mạch gói của mạng chứa các bảng định hướng cố định Các bảng địnhhướng này cung cấp cho tất cả thông tin cần để phân hướng cho các gói qua mạng

Hình 2.9: Ví dụ về phân tuyến cố định.

Hình 2.9 Trình bày một mảng chuyển mạch gói nhỏ kiểu mắt lưới không đều

Để mô tả sự làm việc của chúng, ta xác định bảng tạo tuyến cho thiết bị chuyểnmạch gói S2

Địa chỉ của thiết bị đầu cuối Tuyến

4 Sự tạo hướng cho S2 ở mạng này được mô tả như trên

Hình 2.10: Lập địa chỉ theo khu vực.

Lưu ý là cùng có thể các gói của hơn một thiết bị đầu cuối có thể tạo hướngqua cùng một tuyến Điều này là thực tế đối với các thiết bị đầu cuối A, B và E, Ftrong nút S2 nó có nghĩa là có ít nhất hơn một nút chuyển mạch gói ở hướng nối tớicác thiết bị đầu cuối này Bảng tạo tuyến đã cấu tạo sẵn được nạp vào các nútchuyển mạch gói khi mạng được cấu trúc lần đầu Nếu một thiết bị đầu cuối mớiđược đưa thêm vào mạng thì càng tạo ra hướng ở các nút chuyển mạch này phảiđược cập nhật để phản ánh thực tế đó

Rõ ràng là ưu điểm quan trọng nhất của phương pháp tạo hướng cố định này làtính đơn giản Còn các nhược điểm là tất cả các bảng tạo hướng cần được thiết lậpnhân công Quá trình thiết lập các bảng tạo hướng đì hỏi hiểu biết khá tỉ mỉ về cấuhình của mạng và lưu lượng tải có thể xuất hiện Điểm lưu ý vừa nêu là do cáctuyến ở một mạng chuyển mạch gói không phải tất cả đều có cùng dung lượng.Mạng chuyển mạch gói được cấu trúc ban đầu rất cẩn thận bởi các thiết bị cao cấp,

mà đưa thêm vào một thiết bị đầu cuối mới vẫn có thể phải thiết lập lại toàn bộ kếhoạch tạo hướng Thông thường, thông tin và nhân lực liên quan đến công việc lắpđặt ban đầu không được sử dụng cho các công việc mở mang mạng lưới thì còn gặpkhó khăn nhiều hơn Có thể khắc phục nhược điểm này để giảm đi những hướngmắc về bảng tạo hướng là dùng phương thức địa chỉ khu vực Ở chỗ sử dụng kiểu

đánh địa chỉ này thì địa chỉ của thiết bị đầu cuối chứa một số thông tin về tạohướng Khái niệm này không giống khái niệm sử dụng trong hệ thống điện thoại.Phương thức đánh địa chỉ theo khu vực có nhiều ưu điểm:

- Các bảng tạo hướng ở mỗi nút chuyển mạch có dung lượng nhỏ Điều nàyquan trọng bởi vì nó làm giảm đi thời gian cần để tìm ở bảng khi một gói yêu cầugọi cần được tạo hướng và thiết lập một đường nối gọi thực Như ở trường hợp mộtmạng gọi thực, và khi các chương trình số liệu cần được tạo hướng đối với mạnglập trình số liệu Tình hưống này là cực kì nghiêm trọng ở các mạng lập trình số liệu

vì ở đây mỗi gói được tạo hướng riêng

- Khi không sử dụng phương thức lập địa chỉ khu vực thì mỗi nút chuyểnmạch trong mạng cần phải biết từng thiết bị đầu cuối đấu nối vào mạng Khi sửdụng địa chỉ khu vực, nút chỉ cần biết khu vực mà không cần biết từng thiết bị đầucuối trong khu vực Chỉ các thiết bị đầu cuối đáu nói trực tiếp vào nút chuyển mạchthì nó mới quan tâm Điều này giúp cho công việc mở rộng mạng lưới đơn giản hơnrất nhiều Ở những mạng chuyển mạch gói rất lớn có thể phải sử dụng các vùng nhỏhơn trong một khu vực Hệ thống điện thoại lại cho thêm cách sử dụng tương tự.Quan sát tổng thể hệ thống điện thoại, các khu vực là các quốc gia riêng Tương tựnhư vậy có thể thực hiện cho mạng chuyển mạch gói Các địa chỉ của thiết bị đầucuối có thể chia ra từng phần như mã chọn quốc tế, mã vùng Tùy thuộc vào chỗđặt các nút chuyển mạch, chúng chỉ cần thông tin về các khu vực chính mà khôngcần biết về các vùng nhỏ trong khu vực này Vì vậy kĩ thuật đánh địa chỉ theo khuvực để tạo lập các mạng chuyển mạch gói rất lớn mà không cần bảng tạo hướng

b Định hướng động.

Ở mạng chuyển mạch gói bảng tạo hướng cố định toàn bộ những quyết định

mà mạng dùng để tạo hướng cho các gói được định trước bởi các bảng tạo hướng cốđịnh ở các thiết bị chuyển mạch gói Ở các mạng chuyển mạch gói tạo hướng động,các thiết bị chuyển mạch gói có thể đưa ra những quyết định tạo hướng dựa vàotrạng thái của mạng khi chuyển mạch cho các gói Điều đó có nghĩa là người chịutrách nhiệm lắp đặt và điều hành mạng lưới như vậy không cần hiểu sâu mối quan

hệ của mạng lưới khi sử dụng nó Ở nhiều mạng, độ hiệu dụng rất quan trọng, tức làthời gian sử dụng đường nối giữa các thiết bị đầu cuối càng nhiều càng tốt Để tăng

độ hiệu dụng mạng thì mạng cần có khả năng tự động sử dụng tuyến phụ giữa cácthiết bị đầu cuối trong trường hựop có sự cố tuyến hoặc nút chuyển mạch Để sửdụng mạng tối ưu cần tách lưu lượng cho các hướng khác nhau Quá trình này gọi làphân tải Phương thức tạo hướng động thuận tiện cho việc điều chỉnh luồng tại cho

mỗi hướng để đảm bảo sử dụng tối đa các tuyến và thời gian trễ cho các gói tin thấpnhất Để có được điều này nút chuyển mạch phải tạo ra các quyết định thông minhkhi chuyển mạch cho từng gói ở mỗi tình huống.

Khả năng phân tải cũng có thể rất hữu hiệu khi một số tuyến của mạng côngcộng tính cước theo sử dụng Phương thức tạo hướng động có thể sử dụng tối ưucác tuyến liên kết với các tuyến riêng để tạo ra khả năng tiếp thông tốt với giá cảhợp lí

Dạng tạo hướng động đơn giản nhất là mỗi nút chuyển mạch gói của mạng chỉhiểu biết về tải của tuyến và trạng thái của các tuyến đầu nối trực tiếp vào nút.Chúng không biết trạng thái của mọi tuyến và các nút chuyển mạch khác trongmạng Thông tin đơn giản nhất mà một nút chuyển mạch gói có về một tuyến là nóđang làm việc hay hỏng hóc Nếu tuyến hỏng thì nút chuyển mạch sử dụng hướngphụ khi tạo hướng cho các gói mà bình thường nó sẽ chuyển tới tuyến đang bị hỏng.Khi có thể sử dụng hai hoặc nhiều hướng thì nút chuyển mạch gói có thể tạohướng cho một gói tới một hay nhiều tuyến, chỉ có thông tin nội bộ được dùng chonút chuyển mạch này khi nó đưa ra các quyết định Bảng cấu hình của nó chứa cácthông tin về dung lượng tương đối của các tuyến và về chúng có thể sử dụng đượchay không Nút chuyển mạch gói cũng có các thông tin về luồng tải tương đối củacác tuyến nhờ giám sát tốc độ gói theo mỗi tuyến và kích cỡ các hàng gói đang phảichờ để phát theo tuyến

Ưu việt chủ yếu của phương thức tạo hướng động đơn giản là nó không đòihỏi bất kì một cơ chế ngoại lệ nào trong mạng để chuyển tin theo hướng giữa cácnút chuyển mạch Thực thể động được lưu toàn bộ trong mỗi nút chuyển mạch Nếumột nút chuyển mạch gói đầu cuối đấu vào mạng, khi mạng được đưa vào hoạtđộng lần đầu thì tất cả các hạng mục này chứa sự xác định tại hướng cho các thiết bịđầu cuối này Mục tiêu của mạng này là luôn luôn sử dụng hướng tối ưu cho cácthiết bị đầu cuối Độ trễ chuyển tiếp nhỏ nhất, khi mạng đang làm việc, có thể xácđịnh độ trễ của bất kì hướng nào nhờ phối hợp thông tin về kích cỡ hàng của nó vớithông tin do các nút khác đầu nối trực tiếp với nút này

Thông thường nút chuyển mạch phát một bảng trễ cho các nút đầu nối trựctiếp với nó Bảng trễ này có một hạng mục cho mỗi một thiết bị đầu cuối trên mạng.Khi có một nút chuyển mạch thu bảng này nó kết hợp bảng này với bảng tạo hướnghiện thời của nút để tạo ra bảng mới Đối với mỗi thiết bị đầu cuối nút so sánh thờigian trễ ở bảng tạo hướng của nó với thời gian trễ ở bảng trễ đã thu được và hiệuchỉnh để tuyến có hiệu quả Nếu thời gian trễ mới nhỏ hơn thời gian trễ ở hướng

hiện đang dùng thì hạng mục của bảng tạo hướng đối với thiết bị đầu cuối đó đượccập nhật để chỉ ra hướng tốt hướng đã được tìm.

Cơ chế này cho phép sự thay đổi chuyển tải ở mạng được thông báo tự độngcho mạng Nếu kích cỡ của các bảng có thể thay đổi được thì thiết bị mới đưa vàomạng sẽ xuất hiện trong các bảng tạo hướng này của các nút chuyển mạch một cách

tự động và trong khoảng thời gian ngắn trong khi đầu nối vào mạng Tương tự, khimột thiết bị đầu cuối bị hỏng, điều này được phản ánh vào mạng trong một khoảngthời gian ngắn Vì vậy tính hiệu dụng của mọi thiết bị đầu cuói nối vào mạng đềuđược thực hiện ở mọi nơi trong mạng

Nếu đưa vào thêm một tuyến mới cho mạng thì phải xoá sự phân tải cho cáchướng đang dùng, mạng sẽ tự động sử dụng tuyến mới, lúc đó có thể dẫn tới thờigian trễ chuyển tiếp gói ngắn hơn

Khả năng tự động thay đổi cấu hình một cách linh hoạt cho mạng chuyểnmạch gói khi thay đổi cách sử dụng hay công nghệ sẽ tạo ra cho một mạng các đặctính làm việc tuyệt vời Nhân viên quản lí mạng về cơ bản có thể phó mặc cho mạng

tự quan tâm giải quyết các vấn đề Vì khả năng sử dụng của các thiết bị đầu cuối ởmọi nơi đều biết nên việc giám sát rất đơn giản và tự động thông báo cho nhân viênquản lí mạng các vấn đề đang xảy ra Mở mang mạng lưới cũng đơn giản vì những

sự thay đổi của bảng tạo hướng cần làm để đưa thêm vào mạng các thiết bị đầu cuốimới không cần thực hiện bằng nhân công

Có 2 phương cách để điều khiển phát các bản trễ cho các nút chuyển mạchtrong mạng Phương pháp ARPANET sử dụng là mỗi nút chuyển mạch của mạngchuyển mạch của mạng chuyển bằng trễ của mình đi ở một tốc độ cố định ỞARPANET các bảng này được trao đổi mất 2/3 giây một lần Các tốc độ thấp hơndùng cho các đường dây tốc độ thấp Có một vấn đề là trong thời gian lâu hơn màkhông có sự trao đổi tức là phát bảng trễ Nói chung, đặc biệt là ở những bảng lớnthì đầu đề của các bảng trễ đang xúc tiến có thể đáng kể, vì vậy phát đi không cầnthiết các bảng trễ gây lãng phí cho các bộ chuyển mạch và dung lượng tuyến

Để khắc phục nhược điểm này, người ta sử dụng phương sách "điều khiểnbiến cố" Ở đây các bảng trễ chỉ được phát đi khi có gì đó thay đổi Sự thay đổi này

có thể là khi một hướng mới hoặc hoặc một thiết bị đầu cuối đưa vào làm việc hoặckhi xuất hiện hiện tượng tăng thời gian trễ ở một nhóm hướng Nếu mạng ổn định

và luồng tải không đổi thì không phát đi bảng trễ, vì vậy khả năng tổng thể củatuyến và nút dùng cho các gói chuyển mạch

Mạng chuyển mạch gói sử dụng phương thức tạo hướng "thích ứng phân bổ"thích hợp nhất các mạng lập trình số liệu vì không cần duy trì thông tin về các cuộcgọi thực ở các nút chuyển mạch Khó thực hiện được phương thức tạo hướng độngcho các mạng gọi thực vì thông tin cần cho các nút chuyển mạch định vị trong cácthiết bị chuyển mạch này theo hướng của cuộc gọi thực Để các gói có thể sử dụnghướng khác, thì thông tin của các cuộc gọi thực cũng cần phải chuyển đổi.

Cách tốt nhất để sử dụng phương thức tạo hướng thích ứng phân bổ để tạo ramột mảng gọi thực là chuyển giao thức gọi thực về loại lập trình số liệu (tức là sửdụng lập trình số liệu để chuyển thông tin gọi thực giữa các thiết bị đầu cuối) Chỉcác thiết bị đầu cuối mới cần có hiểu biết nào đó về giao thức gọi thực

2.2.2 Kỹ thuật tìm đường đi cho dữ liệu trong mạng chuyển mạch gói.

a Cơ sở lý thuyết cho kỹ thuật tìm đường.

Vấn đề tìm đường trong hệ thống chuyển mạch gói phức tạp hơn trong các hệthống chuyển mạch điện tử

Chức năng đầu tiên của chuyển mạch gói là nhận những gói từ trạm nguồn vàcung cấp nó đến người nhận Để hoàn thnành việc đó, một hoặc nhiều con đườngthông qua mạng được chọn, thông thường khả năng cho phép nhiều hơn một Điều

đó có nghĩa là con đường được chọn cần phải mạnh, đảm bảo một số yêu cầu cầnthiết trong chức năng đường truyền như: chính xác, đơn giản, cường tráng, ổn định,hợp lý và tối ưu

Sự chọn đường thường dựa vào tiêu chuẩn đơn giản là chọn đường ngắn nhấtthông qua mạng Con đường có số bước nhảy ít nhất cho một gói Trong thực tếngười ta thường dùng các con đường có thời gian đi là nhỏ nhất Đường có giá trịnhỏ nhất có thể không cùng con đường ngắn nhất Giá trị nhỏ nhất bao gồm chotừng đường và đưòng thông qua mạng bao gồm tích lũy giá trị bé nhất của cácđường thành phần Như vậy để cung cấp một gói từ trạm này đến trạm khác, mộtcon đường được quyết định dựa trên một số tiêu chuẩn Đặc tính cơ bản của sựquyết định là thời gian và vị trí

Sự quyết định về thời gian dựa vào cả gói hoặc mức mạch Nếu tác động bêntrong của mạng là Datagrams, sự quyết định con đường là dựa vào từng gói Chomạch tác động bên trong là VC (Virtual Circuit), sự quyết định con đường dựa vàothời gian thiết lập mạch và sau đó các gói sẽ theo cùng một đường, chú ý rằng ta nói

ở đây là cho mạch VC trong Một số mạng, sự dàn xếp đường đi để tạo con đườngcho một gói cụ thể của mạch VC ngoài thì khác hẳn, đó là trường hợp sử dụngDatagrams trong mà VC ngoài

Sự quyết định về vị trí được thay đổi theo mạng khác nhau ở một số mạng,mỗi NODE của mạng chịu trách nhiệm chọn đường ra cho đường đi của gói kho góiđến Về nguyên tắc, việc quyết định con đưòng là do một NODE trung tâm, cónghĩa là mạng điều khiển tập trung.

Cái nguy hiểm của cách này là khi mất điều khiển tập trung có thể dẫn đếnmạng ngừng hoạt động Phương pháp phân tán có thể phức tạp hơn nhưng nó mạnhhơn Ta thấy sự quyết định thời gian và vị trí hoàn toàn độc lập nhau

Một phần tiếp theo của vấn đề tìm đường là nguồn thông tin của mạng phụthuộc vào các tiêu chuẩn, sự chọn vị trí và cách chọn đưòng Những thông tin cầnthiết là thông tin về đồ hình của mạng, lưu thông và giá trị làm chậm

b Thuật toán giá trị bé nhất:

Thực tế tất cả các mạng chuyển mạch gói sự quyết định đường của nó dựa trênmột số dạng phân loại giá trị tối thiểu Nếu sự phân loại theo giá trị các bước nhảy

là ít nhất, mỗi đường có giá trị một Nếu phân loại theo thời gian, giá trị của mỗiđường tương xứng dung lượng mỗi đường, tương xứng tải tức thời trên đường đi,hoặc một số tổ hợp Trong một số trường hợp, sự đánh giá các giá trị đó không baogiờ gồm giải thuật giá trị nhỏ nhất Với điều đó có thể nói đơn giản

Cho một mạng các NODE nối nhau bằng những đường hai chiều, mỗi đường

đó có giá trị tổng hợp cho mỗi hướng Ta định nghĩa giá trị của đường giữa haiNODE là tổng giá trị của những đường nó đi qua Cho mỗi cặp NODE tìm thấy mộtcon đường với giá trị bé nhất

Chú ý rằng: giá trị của một con đưòng có thể khác nhau về hai hướng Điều đóhoàn toàn đúng, ví dụ như: nếu giá trị đó của đường bằng độ dài của các gói sắphàng của 2 NODE trên đường đó Hầu hết các giải thuật giá trị bé nhất được sửdụng trong mạng chuyển mạch gói đều dựa trên 2 giải thuật: Dijktras và BelimanFord

Giải thuật Dijktras:

Giải thuật Dijktras có thể phát biểu như sau: để tìm con đưòng ngắn nhất từNODE nguồn cho trước đến tất cả các NODE khác, ta thực hiện bằng cách pháttriển thêm vào độ dài của đường Quá trình thực hiện giải thuật như sau: tại bướcthứ k, con đường ngắn nhất đến k NODE từ NODE nguồn đã được xác định là MNODE ở bước (k+1), NODE có đường ngắn nhất được thêm vào M và con đường

từ nguồn đến nó được xác định

Giải thuật có thể giải thích như sau với các định nghĩa:

N = số lượng NODE trong mạng