nghiên cứu về công nghệ chuyển mạch ATM

Chuyển mạch ATM Là phương thức truyền tải không đồng bộ, kết hợp chuyển mạch kênh, chuyển mạch gói, và phương pháp ghép TDM thống kê

LỜI NÓI ĐẦU

Cùng với sự phát triển của công nghệ tiên tiến là xu hướng hội tụ mạng truyền thônggiữa mạng cố định và mạng di động và internet sang mạng thế hệ kế tiếp NGN (NextGeneration Network) Hạ tầng mạng thay đổi không ngừng nhằm đáp ứng các nhu cầungày càng cao của người sử dụng, sự tác động này liên quan ảnh hưởng tới rất nhiềulĩnh vực trong viễn thông trong đó bao gồm cả kỹ thuật chuyển mạch Kỹ thuật chuyểnmạch là 1 trong những kỹ thuật nền tảng của các mạng truyền thông

Chuyển mạch ATM Là phương thức truyền tải không đồng bộ, kết hợp chuyển mạchkênh, chuyển mạch gói, và phương pháp ghép TDM thống kê

Tiểu luận này, chúng em nghiên cứu về công nghệ chuyển mạch ATM

Trong khi làm còn nhiều thiếu sót, mong cô giúp đỡ

Hà Nội ,ngày 18 tháng 1 năm 2011

Sinh viên thực hiện:

Hình 2.2 Cấu trúc tế bào ATM tại giao diện NNI

Hình 2.3 Cấu trúc tế bào ATM tại giao diện UNI

Hình 2.4 kênh ảo và đường ảo

Hình 2.5 Mô hình tham chiếu B.ISDN

Hình 2.6 Mô hình các lớp của ATM so với mô hình OSI

Hình 2.7 lớp vật lý

Hình 2.8 Lớp ATM

Hình 2.9 2 dạng header UNI và NNI

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT VỀ ATM

1.1Giới thiệu:

Hiện nay, các mạng viễn thông hiện tại có đặc điểm chung là tồn tại một cáchriêng rẽ, ứng với mỗi loại hình dịch vụ thông tin lại có ít nhất một loại mạng viễn thôngriêng biệt để phục vụ dịch vụ đó như:

- Mạng Telex: Có thể thu phát tín tức trong phạm vi toàn cầu Dùng để gửicác bức điện dưới dạng các ký tự đã được mã hóa bằng mã 5 bit Tốc độ truyền rất thấp(từ 75bit/s đến 300 bit/s) Mặt dù tốc độ truyền thấp, chậm chỉ có các chữ cái, ký hiệuđược truyền đi nhưng mạng vẫn được sử dụng để truyền các tin tức thuê bao doanhnghiệp nhằm mục đích truyền các bản tin ngắn

- Mạng điện thoại công cộng: Còn gọi là mạng POTS ( Plain OldTelephone Service), là mạng được xây dựng sớm nhất Nó phát triển từ các tổng đàitương tự và phương thức truyền dẫn tương tự và đặc biệt là chuyển mạch kênh theo thờigian thực Ở mạng này tiếng nói được số hóa và chuyển mạch ở hệ thống chuyển mạchđiện thoại công cộng PSTN (Public Switched Telephone Network) Yêu cầu độ trễ rấtnhỏ

- Mạng truyền số liệu: Phần lớn các mạng truyền số liệu trên thế giới làmạng số liệu chuyển mạch gói, tức là thông tin được cắt thành các gói có kích thướcphù hợp và được phát lên những đường thông đang rỗi ở thời điểm đó Khe hở giữa cácgói có thể được các loại thông tin khác sử dụng Các mạng chuyển mạch gói để trao đổi

số liệu giữa các máy tính dựa trên giao thức của X.25 và hệ thống truyền số liệu chuyểnmạch kênh dựa trên các giao thức X.21

Các tín hiệu truyền hình: Có thể được truyền theo 3 cách: truyền bằng sóng vôtuyến, truyền qua hệ thống mạng truyền hình CATV (Community Antena TV) bằng cápđồng trục hoặc truyền qua hệ thống vệ tinh còn gọi là hệ thống truyền hình trực tiếpDBS (Direct Broadcast System)

Trong phạm vi cơ quan, số liệu giữa các máy tính được trao đổi thông qua mạngcục bộ LAN thường là mạng: Ethernet, Token Bus, và Token Ring

Hậu quả là hiện nay có rất nhiều loại mạng khác nhau cùng song song tồn tại.Mỗi mạng lại yêu cầu phương pháp thiết kế, sản xuất, vận hành, bảo dưỡng khác nhau.Như vậy hệ thống mạng viễn thông hiện tại có rất nhiều nhược điểm mà quan trọng là:

 Chỉ truyền được các dịch vụ độc lập tương ứng với từng mạng

 Thiếu mềm dẻo: Sự ra đời của các thuật toán nén tiếng nói, nén ảnh,…vàtiếng bộ trong công nghệ VLSI ảnh hưởng mạng mẽ tới tốc độ truyền tín hiệu

 Kém hiệu quả trong việc bảo dưỡng, vận hành cũng như việc sử dụng tàinguyên Tài nguyên có trong một mạng không thể chia sẻ cho các mạng khác cùng sửdụng

1.2 Sự ra đời của hệ thống viễn thông mới B-ISDN:

 ISDN là gì?

- ISDN (Intergated Services Digital Network – Mạng số tích hợp dịch vụ)

là tập các giao thức nhằm kết hợp mạng điện thoại số và dịch vụ truyền dữ liệu Nóimột cách khác, mạng ISDN cho phép tất cả các thông tin thoại (phone), số liệu (data) vàhình ảnh (video) có thể truyền qua một đường dây thuê bao (subscriber line) với tốc độcao và chất lượng tốt

- Mục tiêu của ISDN là nhằm tạo ra một mạng diện rộng có cung cấp khảnăng kết nối điểm-điểm trong môi trường số Điều này thực hiện được bằng cách tíchhợp thành một tất cả các dịch vụ truyền riêng biệt mà không cần thêm kết nối hayđường dây thuê bao mới

Mạng số tích hợp dịch vụ băng rộng B – ISDN (Broadband Integrated Services

đó các hình ảnh chất lượng cao được truyền đi ở tốc độ từ 2 tới 5 Mbit/s

- Các dịch vụ phục vụ trong lĩnh vực kinh doanh và giao dịch: Các thuêbao trong phạm vi công sở, văn phòng có những đặc điểm hoàn toàn khác so với cácthuê bao gia đình Điểm chung duy nhất giữa hai lĩnh vực này là điện thoại truyền hình.Tuy vậy, dịch vụ này cũng phải được mở rộng để tiến tới điện thoại hội nghị truyềnhình, sao cho người sử dụng có thể dùng dịch vụ điện thoại truyền hình để liên lạc vàiđiểm cùng một lúc

- Từ sự cần thiết phải tổ hợp các dịch vụ phụ thuộc lẫn nhau ở chuyểnmạch kênh và chuyển mạch gói vào một mạng băng rộng duy nhất Cần thiết phải thỏamãn tính mềm dẻo cho các yêu cầu về phía người sử dụng cũng như người quản lýmạng (về mặt tốc độ truyền, chất lượng dịch vụ, …) Vì vậy cũng như người quản trịmạng Mạng B-ISDN ra đời nhằm đáp ứng các điều kiện trên (băng rộng, bảo dưỡng,mềm dẻo, kinh tế, …) mà mạng băng hẹp N.ISDN không đáp ứng được So với các

mạng khác, dịch vụ tổ hợp và mạng tổ hợp có nhiều ưu điểm về kinh tế, phát triển, thựchiện, vận hành và bảo dưỡng hơn.

Vậy mạng tổ hợp dịch vụ số băng rộng (Broadband Integrated Services DigitalNetwork – B-ISDN ) cung cấp các cuộc nối thông qua chuyển mạch, các cuộc nối cốđịnh (Permanent) hoặc bán cố định (Semi-Permanent), các cuộc nối từ điểm tới điểmhoặc từ điểm tới nhiều điểm và cung cấp các dịch vụ theo yêu cầu, các dịch vụ dànhtrước hoặc các dịch vụ yêu cầu cố định Cuộc nối trong B-ISDN phục vụ cho cả cácdịch vụ chuyển mạch kênh, chuyển mạch gói theo kiểu đa phương tiện (Multimedia),đơn phương tiện (Monomedia), theo kiểu hướng liên kết (Connection – Oriented) hoặckhông liên kết (Connectionless) và theo cấu hình đơn hướng hoặc đa hướng B-ISDN làmạng thông minh có khả năng cung cấp các dịch vụ cải tiến, cung cấp các công cụ bảodưỡng và vận hành (OAM), điều khiển và quản lý mạng rất hiệu quả

1.3 Khái niệm cơ bản về ATM:

Là phương thức truyền tin trong đó thông tin được chia thành các gói có chiềudài nhỏ không thay đổi gọi là các tế bào tin Tế bào tin được truyền độc lập và sẽ đượcsắp xếp lại thứ tự ở đầu thu ATM không đồng bộ bởi lý do các gói trong cùng mộtcuộc kết nối có thể lập lại một cách bất thường như lúc chúng được tạo ra theo yêu cầu

cụ thể mà không theo một chu kì nào cả

ATM có thể truyền được tất cả các dịch vụ viễn thông mà không cần quan tâmđến đặc tính và chất lượng của dịch vụ và thỏa mãn được các yêu cầu:

• Mềm dẻo và phù hợp với các dịch vụ tương lai

• Có hiệu qủa trong việc sử dụng tài nguyên

• Chỉ sử dụng một mạng duy nhất cho tất cả các dịch vụ

Vì vậy, cuối cùng ITU – T quyết định chọn phương thức truyền ATM làm mạngphục vụ cho các dịch vụ trong mạng băng rộng Thật vậy mạng ATM có những ưu điểmsau:

- Điều khiển được nhiều loại lưu thông khác nhau như: Dữ liệu, tiếng nói,hình ảnh, Video, …

- Khả năng sử dụng đường truyền hiệu qủa: Cho phép truyền các ứng dụnghình ảnh, dữ liệu, có tốc độ cố định, hoặc biến đổi theo thời gian hoặc ngắt quãng

- Dùng kỹ thuật chuyển mạch bằng phần cứng: Với chiều dài tế bào cốđịnh là 53 Bytes, ATM cho phép việc xử lý chuyển mạch bằng các phần cứng có tốc độrất nhanh, giảm thiểu thời gian chuyển mạch và tăng đáng kể tốc độ truyền

- Cho khả năng thiết lập các nhóm kênh ảo: Nhóm kênh ảo được địnhnghĩa bằng chỉ số nhận dạng ảo (VPI/VCI), Do vậy có thể tạo mới, thay đổi lưu lượnghoặc lộ trình bằng cách điều khiển việc gán các nhãn địa chỉ tại các nút chuyển mạch.Khả năng này cho phép việc quản lý và điều hành mạng năng động

- Đặc tính truyền dẫn mềm dẻo: Cho phép hầu như không giới hạn về tốc

độ của mỗi kênh cũng như số lượng các kênh vì mỗi kênh thông tin được thiết lập bằngchuỗi các tế bào ATM, số lượng các tế bào được truyền đi trong một đơn vị thời gian là

tự do, số lượng kênh trên một đường truyền phụ thuộc vào số các nhận dạng logic nêntốc độ mỗi kênh thông tin luôn đạt đến mức tối đa có thể được.

- Có khả năng cung cấp băng thông theo yêu cầu, ATM là kỹ thuật hiệuqủa cho việc xây dựng mạng: Người sử dụng có thể kết nối với mạng bằng cách dùngnhững bộ thích ứng hỗ trợ băng thông tùy theo yêu cầu riêng của người sử dụng đó

1.4 Tính trong suốt của hệ thống:

Để truyền thông tin một cách tin cậy, mạng phải đảm bảo 2 chỉ tiêu sau:

- Trong suốt về mặt nội dung

- Trong suốt về mặt thời gian

 Tính trong suốt về mặt nội dung

Tính trong suốt về mặt nội dung là chức năng đảm bảo việc truyền đúng chínhxác các bit từ đầu phát đến đầu thu với số lỗi cho phép Khi mới ra đời, trong các mạngchuyển mạch gói chất lượng truyền số liệu còn kém, do đó để đảm bảo chất lượngtruyền chấp nhận được người ta phải thực hiện chức năng điều khiển lỗi trên mọi liênkết Việc điều khiển lỗi này được thực hiện bởi giao thức HDLC (High Level Data LinkControl) bao gồm các chức năng: giới hạn khung, đảm bảo truyền bit chính xác, kiểmtra lỗi, Ở đây quá trình điều khiển lỗi được thực hiện trên mọi liên kết thông qua nútchuyển mạch, do đó nút chuyển mạch phải xử lý một loạt các thủ tục phức tạp khácnhau làm ảnh hưởng đến tốc xử lý chung của hệ thống

Sau này, do chất lượng của hệ thống truyền dẫn và chuyển mạch tăng lên nên tỷ

lệ lỗi trên mạng giảm.Với một mạng chất lượng cao như vậy người ta chỉ cần thực hiệnmột số chức năng của thủ tục HDLC Bằng cách này người ta giảm được khối lượngthông tin mà nút chuyển mạch cần xử lý Nhờ đó tốc độ của nút tăng lên Như vậy lớp 2trên mô hình OSI được chia thành hai lớp con Lớp 2a chuyên cung cấp các chức năng

cơ bản của lớp 2, lớp 2b cung cấp các chức năng bổ sung Các hệ thống ứng dụngnguyên lý này được gọi là chuyển tiếp khung (Frame Relay)

 Tính trong suốt về mặt thời gian

Các dịch vụ thời gian thực yêu cầu dòng bit có trễ rất ngắn khi được truyền từđầu phát đến đầu thu, tức là chúng yêu cầu tính chính xác về thời gian Có thể phân biệthai loại trễ: trễ do chuyển mạch và trễ từ điểm đầu đến điểm cuối Đặc trưng bằng haitham số: trễ D và biến động J Mạng ATM chỉ cần những chức năng tối thiểu ở nútchuyển mạch, do đó nó cho phép truyền số liệu tốc độ rất cao, trễ trên mạng và các biếnđộng trễ giảm xuống, do đó quan hệ thời gian được đảm bảo như trong trường hợpchuyển mạch kênh

CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC MẠNG PHÂN LỚP ATM

2.1 Cấu trúc tế bào ATM:

Ta biết rằng, đặc điểm của ATM là hướng liên kết Do đó khác với mạng chuyểnmạch gói, địa chỉ nguồn và đích, số thứ tự gói là không cần thiết trong ATM Hơn thế,

do chất lượng của đường truyền rất tốt nên các cơ chế chống lỗi trên cơ sở từ liên kếttới liên kết cũng được bỏ qua Ngoài ra ATM cũng không cung cấp các cơ chế điềukhiển luồng giữa các nút mạng do cơ cấu điều khiển cuộc gọi của nó Vì vậy chức năng

cơ bản còn lại của phần tiêu đề trong tế bào ATM là nhận dạng cuộc nối ảo

Như đã xem xét để lựa chọn tế bào ATM thì tế bào ATM là tế bào cố định, có 53Bytes: 5 Bytes tiêu đề và 48 Bytes dữ liệu

ATM cell có cấu trúc giống nhau cho bất kỳ loại dịch vụ nào

Hình 2.1 Cấu trúc cell

- Header: 5 Octet (5 bytes) Thông tin chứa trong Header giúp cho việc tìmđường của các ATM cell qua mạng Do mạng ATM hoạt động theo cách kết nối cóhướng nên các cell chỉ có thể luân chuyển qua các vùng mà các kết nối tồn tại Lưu ý:Các cell Header không dùng để khởi tạo bắt tay trong các kết nối

- Payload: 48 Octet(48 bytes) Chứa Data của người sử dụng, và các tín hiệu điềukhiển tương ứng Sau khi phát xong các cell, bên phần thu sẽ tổ chức lại các luồngData, gói Data cho giống như ban đầu

Phần tiêu đề của tế bào ATM có hai dạng: Một dạng là các tế bào được truyềntrên giao diện giữa người sử dụng và mạng UNI, dạng còn lại là các tế bào được truyềngiữa các nút chuyển mạch NNI

Hình 2.3 Cấu trúc tế bào ATM tại giao diện UNI

 Đặc điểm của các trường trong cấu trúc tế bào:

- Số hiệu nhận dạng kênh ảo VCI (Virtual Channel Identifier) và đường ảoVPI (Virtual Path Identifier)

Hình 2.4 kênh ảo và đường ảo

Do kênh truyền ATM có thể truyền với tốc độ từ vài Kbit/s tới vài trăm Mbit/stại một thời điểm nào đó, do đó VCI được dùng để nhận dạng các kênh được truyềnđồng thời trên đường truyền dẫn Thông thường trên một kênh được truyền đồng thờitrên đường truyền dẫn Thông thường trên một đường truyền có hàng ngàn kênh nhưvậy, vì thế VCI có độ dài 16 bit (Tương ứng với 65535 kênh)

Do mạng ATM có đặc điểm hướng liên kết nên mỗi cuộc nối được gán một sốhiệu nhận dạng VCI tại thời điểm thiết lập Mỗi giá trị VCI chỉ có ý nghĩa tại từng liênkết từ nút tới nút của mạng Khi cuộc nối kết thúc, VCI được giải phóng để dùng chocuộc nối khác Ngoài ra VCI còn có ưu điểm trong việc sử dụng cho các cuộc nối đadịch vụ như dịch vụ điện thoại truyền hình, âm thanh và hình ảnh sẽ được truyền trên

hai kênh có VCI riêng biệt, do đó ta có thể bổ sung hoặc hủy bỏ một dịch vụ trong khiđang thực hiện một dịch vụ khác.

VPI được sử dụng để thiết lập cuộc nối đường ảo cho một số cuộc nối kênh ảoVCC VPI cho phép đơn giản hóa các thủ tục chọn tuyến cũng như quản lý, nó có độdài 8 bit hoặc 12 bit tùy thuộc tế bào ATM đang được truyền qua giao diện UNI hayNNI

Tổ hợp cả VCI và VPI tạo thành một giá trị duy nhất cho mỗi cuộc nối Tùythuộc vào vị trí đối với hai điểm cuối mà nút chuyển mạch ATM sẽ định đường dựatrên giá trị của VPI và VCI hay chỉ dựa trên giá trị VPI Tuy vậy cần lưu ý rằng VCI vàVPIø chỉ có ý nghĩa trên từng chặng liên kết của cuộc nối Chúng đuợc sử dụng để việcchọn đường trên các chặng này được dễ dàng hơn Do số VPI và VCI quá nhỏ nênchúng không thể đuợc sử dụng như một số hiệu nhận dạng toàn cục vì khả năng xảy rahai cuộc nối sử dụng ngẫu nhiên cùng một số VPI và VCI là rất cao Để khắc phục,người ta cho VCI và VPI là duy nhất trên mỗi đoạn liên kết Trên từng đoạn liên kếtnày, hai nút chuyển mạch sử dụng VPI và VCI như số hiệu nhận dạng cho mỗi cuộc nốitrên đoạn đó Khi đã qua nút chuyển mạch, VPI và VCI nhận các giá trị mới phù hợpvới đoạn tiếp theo

- Trường kiểu tế bào PT (Payload Type):

PT là một trường gồm 3 bit có nhiệm vụ phân biệt các kiểu tế bào khác nhaunhư: tế bào mang thông tin của người sử dụng, tế bào mang các thông tin về giám sát,vận hành, bảo dưỡng (OAM)

Nếu bit đầu PT có giá trị = 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 lớptương thích ATM là AAL

Nếu bit đầu PT chó giá trị = 1 thì đây là tế bào báo mang các thông tin quản lýmạng

Cấu trúc trường PT trong tế bào mang thông tin OAM

100 Tế bào OAM lớp F5 liên quan tới liên kết

101 Tế bào OAM lớp F5 liên quan tới đầu cuối

110 Tế bào quản lý tài nguyên

111 Dành cho việc sử dụng trong tương lai

- Trường chỉ mức ưu tiên mất tế bào CPL (Cell Loss Priority):

CLP là trường dùng để phân loại các cuộc nối khác nhau theo mức độ ưu tiên khicác tài nguyên trong mạng không còn là tối ưu nữa Thí dụ trong trường hợp quá tải, chỉ

có các cuộc nối có mực độ ưu tiên thấp là bị mất thông tin Có hai loại ưu tiên khácnhau là ưu tiên về mặt nội dung và ưu tiên về mặt thời gian Trong chế độ ưu tiên vềmặt thời gian, vài tế bào có thể có độ trễ trong mạng dài hơn các tế bào khác Trong chế

độ ưu tiên về mặt nội dung, các tế bào có độ ưu tiên cao hơn sẽ có xác suất mất gói íthơn Các mức ưu tiên có thể được ấn định trên cơ sở cuộc nối (qua mỗi VCI hoặc VPI)hoặc trên cơ sở mỗi tế bào Trong trường hợp thứ nhất, tất cả các tế bào thuộc về mộtkênh ảo hoặc đường ảo sẽ có một mức ưu tiên xác định Trong trường hợp thứ hai, mỗi

tế bào thuộc về một kênh ảo hoặc đường ảo sẽ có các mức ưu tiên khác nhau

+ Nếu CLP = 0 : Độ ưu tiên cao

+ Nếu CLP = 1: Độ ưu tiên thấp

- Trường điều khiển lỗi tiêu đề HEC (Header Error Control)

Trường điều khiển lỗi tiêu đề HEC chứa mã dư vòng CRC (Cyclic RedundancyCheck) Mã này tính toán cho 5 bytes tiêu đề Do phần tiêu đề bị thay đổi sau từngchặng nên CRC cần được kiểm tra và tính toán lại với mỗi chặng

Đa thức sinh được dùng ở đây là đa thức:

g(x) = x8 + x2 + x + 1

- Trường điểu khiển luồng chung GFC (Generic Flow Control)

Ở giao diện giữa người sử dụng và mạng UNI, phần tiêu đề có vài khác biệt sovới giao diện NNI Sự khác nhau căn bản nhất là trường VPI bị rút ngắn lại còn 8 bits(so với 12 bits ở giao diện NNI), thay vào chỗ 4 bits của VPI là trường điều khiển luồngchung GFC Cơ chế của GFC cho phép điều khiển luồng các cuộc nối ATM ở giao diệnUNI Nó được sử dụng để làm giảm tình trạng quá tải trong thời gian ngắn có thể xảy ratrong mạng của người sử dụng Cơ chế GFC dùng cho cả các cuộc nối từ điểm tới điểm

và từ điểm tới nhiều điểm

Khi kết hợp mạng ATM với các mạng khác như DQDB (dictributed Queue DualBus), SMDS (Swiched Multi-megabit Data Service), GFC đưa ra 4 bit nhằm báo hiệucho các mạng này làm thế nào để hợp kênh các tế bào của các cuộc nối khác nhau Mỗimạng đều có một logic điều khiển tương ứng dùng GFC cho các giao thức truy nhậpcủa riêng các mạng này Do đó trong trường hợp này, GFC thực chất là một bộ các giátrị chuẩn để định nghĩa mức độ ưu tiên của ATM đối với các quy luật truy nhập vào cácmạng khác nhau