Bài giảng Lý thuyết và thực hành Kỹ thuật chuyển mạch và tổng đài

Bài giảng Kỹ thuật chuyển mạch và tổng đài; Hệ cao đẳng nghề Kỹ thuật điện tử truyền thông; trung cấp nghề Kỹ thuật điện tử viễn thông; Lý thuyết 15 tiết; Thực hành 30 tiết. Tổng đài siemens Open scape bussiness x8, x5

TRƯỜNG CAO ĐẲNG KINH TẾ - TÀI CHÍNH THÁI NGUYÊN

KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

BÀI GIẢNG

KỸ THUẬT CHUYỂN MẠCH VÀ TỔNG ĐÀI

(Ban hành theo Quyết định số: …… /QĐ- ngày … tháng … năm 2018 của Hiệu trưởng trường Cao đẳng Kinh tế Tài chính Thái Nguyên)

Chủ biên: - Lê Hoàng * - Đơn vị: Khoa KT Điện tử Viễn thông

- Vũ Thị Thu Hoà - Đơn vị: Khoa KT Điện tử Viễn thông

Thái Nguyên, tháng 6 năm 2018

LỜI GIỚI THIỆU

Môn học Kỹ thuật chuyển mạch và tổng đài là môn học chuyên ngành quan trọng, bắt

buộc của ngành Điện tử truyền thông và Điện tử viễn thông nói riêng và của các ngành kỹ thuật

nói chung Viễn thông luôn gắn liền với các thiết bị của khách hàng như điện thoại, fax, máy

tính, internet, ti vi Để phục vụ cho nhu cầu sử dụng dịch vụ của khách hàng, đòi hỏi phải có hạ

tầng mạng viễn thông gồm có các thiết bị truyền dẫn và chuyển mạch Môn học này sẽ giới thiệu

kiến thức về các loại thiết bị tổng đài điện thoại, các thiết bị chuyển mạch hiện đại trên thực tế,

các kỹ thuật chuyển mạch như chuyển mạch kênh, chuyển mạch gói, chuyển mạch IP

Hiện nay có rất nhiều tài liệu do nhiều tác giả biên soạn nên nguồn tài liệu về Kỹ thuật

chuyển mạch và tổng đài khá phong phú Nhưng hầu hết các tài liệu viết cho trình độ Đại học

với nhiều kiến thức lý thuyết hàn lâm nên việc tiếp cận của sinh viên hệ Cao đẳng và Trung cấp

khá khó khăn Đồng thời hầu hết các tài liệu về lĩnh vực này đều khá cũ và chưa bắt kịp được

với xu hướng công nghệ hiện nay

Để quá trình học tập của sinh viên được tốt hơn và theo được xu hướng công nghệ hiện

nay, nhóm tác giả đã biên soạn Bài giảng Kỹ thuật chuyển mạch và tổng đài gồm 2 phần lý

thuyết và thực hành Bài giảng này được chia thành 3 chương, 3 bài Trong mỗi chương/bài có

bốn phần Phần giới thiệu chung nêu các vấn đề chủ yếu của chương/bài Phần nội dung phân

tích chi tiết các vấn đề chủ yếu đó Phần tóm tắt tổng hợp lại các yêu cầu quan trọng của

chương/bài mà người học cần đạt được Phần cuối nêu các câu hỏi và bài tập Để nghiên cứu tài

liệu được thuận lợi, người học cần có trước kiến thức của các môn học Mạng và dịch vụ viễn

thông, An toàn lao động

Thời lượng môn đun: 2 tín chỉ (24 tiết Lý thuyết + 21 tiết thực hành)

Phần A

Chương 1 Tổng đài điện tử số (3 tiết Lý thuyết)

Chương 2 Kỹ thuật chuyển mạch (12 tiết Lý thuyết)

Chương 3 Thiết bị kết cuối và hệ thống điều khiển (9 tiết Lý thuyết)

Phần B

Bài 1 Cấu trúc tổng đài OSB X5, X8 (3)

Bài 2 Đấu nối tổng đài (6)

Bài 3 Vận hành, khai thác tổng đài (12)

Quá trình biên soạn bài giảng chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong bạn

đọc góp ý kiến để nhóm tác giả sửa chữa, bổ sung thêm, xin cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày 12 tháng 6 năm 2018

Tham gia biên soạn

Chủ biên:

Lê Hoàng

Thành viên

Vũ Thị Thu Hoà

MỤC LỤC

LỜI GIỚI THIỆU 1

MỤC LỤC 2

DANH MỤC HÌNH 4

BẢNG VIẾT TẮT 7

ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG MÔN HỌC/MÔ ĐUN 8

PHẦN A LÝ THUYẾT 12

Chương 1 TỔNG ĐÀI ĐIỆN TỬ SỐ 12

1.1 Tổng quan về tổng đài điện tử số 12

1.1.1 Sơ lược lịch sử phát triển của tổng đài 12

1.1.2 Xu hướng phát triển của tổng đài 15

1.1.3 Phân loại tổng đài 15

1.2 Tổng đài điện tử số SPC 16

1.2.1 Khái niệm 16

1.2.2 Sơ đồ khối và chức năng các khối 16

Câu hỏi ôn tập và bài tập chương 1 19

Chương 2 KỸ THUẬT CHUYỂN MẠCH 20

2.1 Tổng quan 20

2.1.1 Các khái niệm 20

2.1.2 Phân loại 20

2.1.2.1 Theo công nghệ 20

2.1.2.2 Theo kỹ thuật 20

2.1.2.3 Theo trường chuyển mạch 21

2.2 Chuyển mạch kênh 21

2.2.1 Trường chuyển mạch không gian 21

2.2.1.1 Khái quát về chuyển mạch không gian 21

2.2.1.2 Cấu tạo chuyển mạch không gian điều khiển đầu vào 21

2.2.1.3 Nguyên lý hoạt động của chuyển mạch S 22

2.2.2 Trường chuyển mạch thời gian 23

2.2.2.1 Khái quát về chuyển mạch thời gian T 23

2.2.2.2 Cấu tạo 23

2.2.2.3 Nguyên lý hoạt động của chuyển mạch T điều khiển đầu ra 24

2.2.3 Trường chuyển mạch mạch ghép 24

2.3 Chuyển mạch gói 25

2.3.1 Tổng quan 25

2.3.1.1 Khái quát 25

2.3.1.2 Cấu trúc thiết bị định tuyến Router 27

2.3.2 Chuyển mạch ATM 28

2.3.2.1 Khái niệm ATM 28

2.3.2.3 Cấu trúc tế bào ATM 28

2.3.2.4 Cấu trúc hệ thống chuyển mạch ATM 29

2.3.2.5 Ứng dụng của chuyển mạch ATM 31

2.3.3 Chuyển mạch IP 31

2.3.3.1 Khái niệm chuyển mạch IP 31

2.3.3.2 Nguyên lý chuyển mạch IP 38

2.3.4 Chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS 39

2.3.4.1 Khái niệm về MPLS 39

2.3.4.2 Cách thức hoạt động của MPLS 39

2.3.4.3 Tiêu đề MPLS 39

2.3.4.4 Nguyên lý hoạt động, điều hành của MPLS 40

Câu hỏi ôn tập và bài tập chương 2 42

Chương 3 THIẾT BỊ KẾT CUỐI VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 43

3.1 Thiết bị kết cuối 43

3.1.1 Mạch kết cuối đường thuê bao SLTU 43

3.1.1.1 Mạch kết cuối đường thuê bao tương tự ASLTU 43

3.1.1.2 Kết cuối đường dây thuê bao số DSLTU 44

3.1.2 Mạch kết cuối trung kế 45

3.1.2.1 Kết cuối trung kế tương tự (ATTU) 45

3.1.2.2 Kết cuối trung kế số (DTTU) 45

3.2 Hệ thống điều khiển và dự phòng 48

3.2.1 Khái niệm về hệ thống điều khiển 48

3.2.1.1 Khái niệm 48

3.2.1.2 Nhiệm vụ: 48

3.2.1.3 Yêu cầu 48

3.2.2 Các phương thức điều khiển 48

3.2.2.1 Cấu trúc hệ thống điều khiển 48

3.2.2.2 Các phương thức điều khiển 49

3.2.3 Dự phòng 49

3.2.3.1 Khái niệm dự phòng 49

3.2.3.2 Dự phòng cặp đồng bộ (Pair of Synchronized) 49

3.2.3.3 Dự phòng phân tải (Load Sharing) 50

3.2.3.4 Dự phòng nóng (ACT/SBY) 51

3.2.3.5 Dự phòng n+1 51

3.3 Báo hiệu 52

3.3.1 Khái quát 52

3.3.1.1 Khái niệm 52

3.3.1.2 Chức năng của báo hiệu 52

3.3.2 Báo hiệu đường dây thuê bao 52

3.3.2.1 Khái niệm 52

3.3.2.2 Các tín hiệu báo hiệu đường dây thuê bao 52

3.3.3 Báo hiệu trung kế (liên đài) 53

3.3.3.1 Khái niệm 53

3.3.3.2 Báo hiệu kênh liên kết CAS 54

3.3.3.3 Hệ thống báo hiệu kênh chung CCS 57

3.4 Đồng bộ 61

3.4.1 Khái quát chung về đồng bộ 61

3.4.1.1 Khái niệm đồng bộ 61

3.4.2 Các phương thức đồng bộ 62

3.4.2.1 Phương thức cận đồng bộ 62

3.4.2.2 Phương thức đồng bộ 63

Câu hỏi ôn tập và bài tập chương 3 65

PHẦN B THỰC HÀNH 67

Bài 1 CẤU TRÚC TỔNG ĐÀI OSB X5, X8 67

4.1 Giới thiệu tổng đài OSB X8, X5 67

4.1.1 Tổng quan 67

4.1.2 Đặc tính của sản phẩm 67

4.2 Cấu trúc tủ và khe cắm tổng quát 68

4.3 Chức năng các card 69

4.3.1 Bo mạch xử lý trung tâm 69

4.3.2 Bo mạch ngoại vi 72

Câu hỏi ôn tập và bài tập bài 1 75

Bài 2 ĐẤU NỐI TỔNG ĐÀI 76

5.1 Mô hình đấu nối hệ thống tổng quát 76

5.2 Lắp đặt phần cứng 77

5.3 Đấu nối tại các card 82

5.3.1 Luật màu cáp 82

5.3.2 Đấu nối các card ngoại vi 82

5.3.2.1 Card trung kế 82

5.3.2.2 Card thuê bao 85

5.4 Đấu nối từ Card ra MDF 88

5.4.1 Sơ đồ đấu nối MDF 88

5.4.2 Đấu nối tổng đài OSB X8 89

5.4.3 Đấu nối tổng đài OSB-X5 90

5.5 Bài tập thực hành 90

Câu hỏi ôn tập và bài tập bài 2 92

Bài 3 VẬN HÀNH, KHAI THÁC TỔNG ĐÀI 93

6.1 Vận hành khai thác tổng đài 93

6.1.1 Cài đặt phần mềm tổng đài 93

6.1.1.1 Khởi động tổng đài X8 93

6.1.1.2 Kết nối tổng đài 93

6.1.1.3 Cài đặt phần mềm HiPath 3000 Manager 93

6.1.1.4 Đăng nhập tổng đài 94

6.1.2 Quản lý thuê bao 95

6.1.2.1 Khai báo thuê bao mới/đổi số thuê bao Stations 95

6.1.2.2 Cài đặt chức năng cho máy nhánh Key programming 96

6.1.2.3 Cài đặt nhóm cuộc gọi đến Incoming calls 96

6.1.2.4 Cài đặt mã dịch vụ 98

6.1.2.5 Thực hành khai thác các dịch vụ 100

6.1.2.6 Quy trình lắp đặt thuê bao mới và cấp dịch vụ nhấc máy hộ 102

6.1.3 Quản lý trung kế 104

6.1.4 Cấp dịch vụ và nhóm ITR 106

6.1.4.1 Cấp dịch vụ 106

6.1.4.2 Nhóm ITR 107

6.1.5 Quản lý hệ thống 107

6.1.5.1 Quản lý card 107

6.1.5.2 Cài đặt các thông số hệ thống 109

6.2 Bảo dưỡng tổng đài 110

6.2.1 Công việc hàng ngày 110

6.2.2 Công việc hàng tuần 110

6.2.3 Công việc hàng tháng 111

6.2.4 Công việc hàng quý, 6 tháng 111

Câu hỏi ôn tập và bài tập bài 3 111

DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Phát minh máy điện thoại đầu tiên của Alexander Graham Bell 12

Hình 1.2 Mô hình chuyển mạch đầu tiên dùng cho dịch vụ thoại công cộng 1878, New Haven, CT 12

Hình 1.3 Tổng đài nhân công cơ khí tự động đầu tiên năm 1892 13

Hình 1.4 Các hệ thống chuyển mạch trong tổng đài 13

Hình 1.5 Hệ thống chuyển mạch cơ khí năm 1939 14

Hình 1.6 Tổng đài số hoàn toàn đầu tiên DMS-10 và DMS-100 15

Hình 1.7 Sơ đồ khối tổng đài SPC 16

Hình 2.1 Cấu trúc tổng quát của khối chuyển mạch 20

Hình 2.2 Sơ đồ khối chuyển mạch không gian 21

Hình 2.3 Cấu trúc chuyển mạch không gian (S) 3 đầu vào 21

Hình 2.4 Cấu tạo chuyển mạch không gian S điều khiển đầu vào 22

Hình 2.5 Nguyên lý chuyển mạch không gian điều khiển đầu vào 22

Hình 2.6 Sơ đồ khối chuyển mạch thời gian 23

Hình 2.7 Nguyên lý chuyển mạch thời gian T điều khiển đầu ra 24

Hình 2.8 Phân loại trường chuyển mạch gói 25

Hình 2.9 Nguyên lý phân mảnh và tạo gói theo mô hình OSI 26

Hình 2.10 Mạng chuyển mạch gói 26

Hình 2.11 Cấu trúc của bộ định tuyến 27

Hình 2.12 Nguyên lý ATM 28

Hình 2.13 Cấu trúc tế bào ATM 28

Hình 2.14 Các khuôn dạng tiêu đề tế bào ATM 29

Hình 2.15 Sơ đồ khối chức năng của một hệ thống chuyển mạch ATM 30

Hình 2.16 Sơ đồ khối mô đun đầu vào (a) và mô đun đầu ra (b) 30

Hình 2.17 Thiết bị chuyển mạch IP 32

Hình 2.18 Cách thức đóng gói IP 32

Hình 2.19 Tiêu đề gói tin IP v.4 33

Hình 2.20 Cách thức phân mảnh gói dữ liệu IP v4 34

Hình 2.21 Tiêu đề gói tin IP v6 35

Hình 2.22 Cách thức phân mảnh gói dữ liệu IP v6 37

Hình 2.23 Mô hình kết nối theo chuyển mạch IP 38

Hình 2.24 Lớp chèn MPLS 39

Hình 2.25 Định dạng cấu trúc nhãn 40

Hình 2.26 Sự tạo ra LSP và chuyển tiếp các gói thông qua một miền MPLS 40

Hình 3.1 Sơ đồ khối mạch kết cuối thuê bao tương tự ASLTU 43

Hình 3.2 Sơ đồ khối mạch kết cuối thuê bao số DSLTU 44

Hình 3.3 Sơ đồ khối mạch kết cuối trung kế tương tự ATTU 45

Hình 3.4 Sơ đồ khối mạch kết cuối trung kế số DTTU 46

Hình 3.5 Sơ đồ các khối chức năng của DTTU 46

Hình 3.6 Minh hoạ bộ đệm đồng chỉnh khung tín hiệu 47

Hình 3.7 Cách tạo mã HDB3 47

Hình 3.8 Cấu trúc hệ thống điều khiển 49

Hình 3.9 Dự phòng cặp đồng bộ 50

Hình 3.10 Phương thức dự phòng phân tải 50

Hình 3.11 Phương thức dự phòng nóng (ACT/SBY) 51

Hình 3.12 Sơ đồ phương thức Dự phòng n+1 51

Hình 3.13 Báo hiệu đường dây thuê bao và báo hiệu liên đài 52

Hình 3.14 Các phương thức gửi số a) chế độ Pulse b) chế độ Tone 53

Hình 3.15 Hệ thống báo hiệu CAS 54

Hình 3.16 Xử lý báo hiệu đường dây 55

Hình 3.17 Quá trình truyền các bản tin báo hiệu thanh ghi 56

Hình 3.18 Hệ thống báo hiệu CCS 57

Hình 3.19 Cấu trúc mạng báo hiệu số 7 58

Hình 3.20 Các đơn vị bản tin báo hiệu SS7 59

Hình 3.21 Báo hiệu ISUP cơ sở 60

Hình 3.22 Phương pháp cận đồng bộ 62

Hình 3.23 Nguyên lý kỹ thuật vòng khoá pha 63

Hình 3.24 Phương thức đồng bộ chủ tớ dự phòng có lựa chọn trước 64

Hình 3.25 Phương thức đồng bộ chủ tớ ghép lỏng 64

Hình 3.26 Phương thức đồng bộ chủ tớ theo cấp bậc 64

Hình 3.27 Phương thức đồng bộ tương hỗ 65

Hình 4.1 Hình ảnh mặt trước OSB X8, X5 67

Hình 4.2 tổng đài OSB X8 Tủ cơ bản (BB) (a) và tủ mở rộng (EB) (b); tổng đài OSB X5R (c) 68

Hình 4.3 Cấu trúc mặt trước tổng đài OSB X8 69

Hình 4.4 Cấu trúc mặt trước tổng đài OSB X5 69

Hình 5.1 Mô hình đấu nối hệ thống tổng quát 76

Hình 5.2 Mô hình đấu nối mạng cho tổng đài 77

Hình 5.3 Lắp đặt tổng đài lên khung rack 19” 78

Hình 5.4 Đấu đất tổng đài X5 79

Hình 5.5 Đấu đất tổng đài X8 79

Hình 5.6 Đấu nguồn ắc quy trực tiếp cho tổng đài X5, X8 80

Hình 5.7 Đấu nguồn qua hộp nối nguồn và card LUNA2 cho tổng đài X5, X8 81

Hình 5.8 Lắp đặt quạt gió 82

Hình 5.9 Sơ đồ đấu nối tổng quát từ tổng đài tới mạng cáp ngoại vi 88

DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1 Bảng trạng thái báo hiệu của cuộc gọi bình thường 55

Bảng 5.1 Bảng luật màu cáp đồng xoắn đôi 82

Bảng 5.2 Bảng đấu nối Card Trung kế tương tự TMANIW 82

Bảng 5.3 Chân của rắc cắm Jack Sub-D 15 chân - trên card DIUT2 83

Bảng 5.4 Chân của cáp hệ thống S30267-Z167-Axxx 84

Bảng 5.5 Chân gán của cổng cắm Plug Sub-D 15 chân - AMOM 84

Bảng 5.6 Bảng đấu nối Card Trung kế tương tự TLANI4 84

Bảng 5.7 Bảng kết nối Card Thuê bao tương tự SLAV24N 85

Bảng 5.8 kết nối Card Thuê bao số SLMO8N 86

Bảng 5.9 kết nối Card Thuê bao số SLU8NR 87

Bảng 5.10 kết nối Card Thuê bao số SLU8N 87

Bảng 5.11 kết nối Card Thuê bao tương tự SLAV4 88

Bảng 5.12 Bảng đấu nối mặt sau tổng đài X8 89

Bảng 5.13 Vị trí thuê bao trên phiến MDF 8 tổng đài X8 89

Bảng 5.14 Cấu trúc mặt trước OSB X5 90

Bảng 5.15 Vị trí thuê bao trên phiến MDF tổng đài OSB X5 90

Bảng 5.16 Giá trị các thông số đường truyền 90

Bảng 6.1 Sơ đồ chân cáp kết nối trực tiếp PC - tổng đài 93

Bảng 6.2 Mã dịch vụ trên tổng đài OSB X5, X8 98

Bảng 6.3 Quy trình Lắp đặt và cấp dịch vụ nhấc máy hộ cho thuê bao 102

Asynchronous Transfer Mode

Analog Trunk Terminal Unit

Analog Subcriber Line Terminal

Unit

Base Box

Channel Associated Signaling

Call Admission Control

Channel Common Signaling

Cell Loss Priority

Cell Switching Fabric

Digital Interface Unit Trunk

Digital Trunk Terminal Unit

Digital Subcriber Line Terminal

Unit

General Flow Control

Expansion Box

High Density Bipolar order 3

Header Error Check

Integrated Services Digital

Network User Part

Input Module

Internet Protocol

Line-powered Unit For

Network-based Architecture No 2

Main Distribution Frame

Main Distribution Frame Universal

Enhanced

Multiprotocol Label Switching

Operation and Management

Subscriber Line Module Analog

Subscriber Line UP0/E

Subscriber Line Module Optiset

System Management

Synchronous Optical Network

Stored Program Control

Protocol/Internet Protocol

Trunk Module Analog Interface

Virtual Circuit Identification

Virtual Path Identification

Kích hoạt / Hoạt động Chế độ truyền tải không đồng bộ Đơn vị kết cuối trung kế tương tự Đơn vị kết cuối đường thuê bao tương tự

Tủ cơ bản Báo hiệu kênh liên kết Điều khiển chấp nhận cuộc gọi Báo hiệu kênh chung

Ưu tiên mất tế bào Khối chuyển mạch tế bào Đơn vị giao tiếp trung kế số Đơn vị kết cuối trung kế số Đơn vị kết cuối đường thuê bao số Điều khiển luồng chung

Tủ mở rộng

Mã lưỡng cực mật độ cao bậc 3 Kiểm tra lỗi tiêu đề

Phần người dùng mạng số tích hợp đa dịch

vụ

Mô đun đầu vào Giao thức Internet Đơn vị cấp nguồn cho cấu trúc mạng cơ sở

số 2 Giá phối dây chính Giá phối dây mở rộng Chuyển mạch nhãn đa giao thức Vận hành và quản lý

Mô đun đầu ra Tổng đài doanh nghiệp mở

Mô hình kết nối hệ thống mở Kiểu tải trọng

Dự phòng Thuê bao tương tự với giá đỡ

Mô đun đường thuê bao tương tự

Mô đun đường thuê bao số chuẩn UP0/E

Mô đun đường thuê bao số Quản lý hệ thống

Mạng quang đồng bộ Điều khiển bằng phần mềm ghi sẵn Giao thức internet / giao thức điều khiển truyền thông

Mô đun trung kế tương tự Nhận dạng kênh ảo Nhận dạng đường ảo

ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG MÔN HỌC/MÔ ĐUN

Tên môn học/mô đun: Kỹ thuật chuyển mạch và tổng đài

Mã môn học/mô đun:

Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trò của môn học/mô đun:

- Vị trí: Môn học được bố trí sau khi học sinh học xong các môn học chung và các môn học

kỹ thuật cơ sở

- Tính chất: Là môn học thuộc khối kiến thức chuyên môn bắt buộc

- Ý nghĩa và vai trò của môn học:

Mục tiêu môn học/mô đun

Sau khi học xong môn học này, người học có khả năng:

- Về kiến thức:

+ Biết các kiến thức cơ bản về kỹ thuật chuyển mạch kênh, gói, tiên tiến; các phương thức báo hiệu; các phương thức đồng bộ

+ Biết được vị trí của tổng đài trên mạng viễn thông và vai tṛò của tổng đài

+ Biết các chủng loại thiết bị chuyển mạch, tổng đài hiện có trên mạng viễn thông

+ Hiểu cách thức giao tiếp giữa người và hệ thống

- Về kỹ năng:

+ Nhận biết được các thiết bị chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói

+ Phân biệt được cấu trúc và chức năng các khối trong các hệ thống chuyển mạch, tổng đài

+ Có thể tạo số mới, đấu nối, thay đổi số của thuê bao, xoá và lưu trữ thuê bao

+ Có thể tạo các dịch vụ và khai thác dịch vụ cho thuê bao

+ Vận dụng được các quy trình vận hành và bảo dưỡng cho hệ thống chuyển mạch, tổng đài

- Về năng lực tự chủ và trách nhiệm: thao tác đúng theo chỉ dẫn, đảm bảo an toàn vệ sinh lao

Thực hành/Thí nghiệm, thảo luận, bài tập

Kiểm tra

1

1.1 Tổng quan về tổng đài điện tử số

1.1.1 Sơ lược lịch sử phát triển của tổng đài

1.1.2 Xu hướng phát triển của tổng đài

1.2 Tổng đài điện tử số

1.2.1Giới thiệu chung về tổng đài

1.2.2 Sơ đồ và chức năng các khối tổng đài

Câu hỏi ôn tập và bài tập

0,5 5,5

2.2.1 Trường chuyển mạch không gian

2.2.2 Trường chuyển mạch không gian

3.2.1 Khái niệm về hệ thống điều khiển

3.2.2 Các phương thức điều khiển

3.3 Dự phòng

3.4 Xử lý các cuộc gọi

3.4.1 Xử lý cuộc gọi nội hạt

3.4.2 Xử lý cuộc gọi ra (Outgoing

call)

3.4.3 Xử lý cuộc gọi vào (Incoming

Call)

3.5 Báo hiệu

3.5.1 Khái quát chung về báo hiệu

3.5.2 Báo hiệu đường dây thuê bao

3.5.3 Báo hiệu trung kế

0,5 0,5 0,5

0,5

1

5

5.1 Mô hình đấu nối hệ thống tổng quát

5.2 Đấu nối đất bảo vệ

5.2 Đấu nối nguồn

5.2.1 Đấu nối nguồn trực tiếp có hệ

thống ắc quy

0,5 0,5

0,5 0,5

5.2.2 Đấu nối qua hộp đấu nguồn

5.4.1 Sơ đồ đấu nối MDF

5.4.2 Đấu nối tổng đài OSB X8

5.4.3 Đấu nối tổng đài OSB-X5

6.2 Bảo dưỡng tổng đài

6.2.1 Công việc hàng ngày

6.2.2 Công việc hàng tuần

6.2.3 Công việc hàng tháng

6.2.4 Công việc hàng quý, 6 tháng

Câu hỏi ôn tập và bài tập bài 3

10

1

0,5 0,5 0,5

Điều kiện thực hiện môn học:

1 Phòng học chuyên môn hóa, nhà xưởng: phòng học lý thuyết, phòng tổng đài

2 Trang thiết bị máy móc: tổng đài OSB X8, X5, Switch, máy tính = 12 bộ, Máy điện thoại số và tương tự, máy chiếu

3 Học liệu, dụng cụ, nguyên vật liệu: bài giảng Kỹ thuật chuyển mạch và tổng đài, đề cương học tập

4 Các điều kiện khác:

Nội dung và phương pháp đánh giá

1 Nội dung

- Kiến thức:

+ Sơ đồ và chức năng các khối tổng đài SPC

+ Cấu tạo của các trường chuyển mạch thời gian T, không gian S và các trường chuyển mạch ghép

+ Nguyên lý chung của chuyển mạch gói

+ Phương pháp định tuyến trong chuyển mạch gói

+ Cấu trúc tế bào ATM

+ Nguyên lý hoạt động chuyển mạch ATM, chuyển mạch MPLS

+ Báo hiệu trong mạng cố định

+ Các phương thức đồng bộ mạng

+ Tổ chức điều khiển trong tổng đài

+ Dự phòng cho hệ thống điều khiển

+ Kiến thức cơ bản về mạng, TCP/IP

- Kỹ năng:

+ Trình bày vấn đề

+ Phân tích được nguyên lý chuyển mạch của các trường chuyển mạch

+ Trình bày được nguyên lý chuyển mạch ATM, chuyển mạch MPLS,chuyển mạch IP + Hiểu cách thức giao tiếp giữa người và hệ thống

+ Có thể tạo số mới, đấu nối, thay đổi số của thuê bao, xoá và lưu trữ thuê bao

+ Có thể tạo các dịch vụ và khai thác dịch vụ cho thuê bao

+ Vận dụng được các quy trình vận hành và bảo dưỡng cho hệ thống chuyển mạch, tổng đài

Môn học được sử dụng để giảng dạy cho trình độ trung cấp và trình độ cao đẳng

2 Hướng dẫn về phương pháp giảng dạy, học tập môn học:

- Đối với giáo viên, giảng viên:

Trước khi giảng dạy, giáo viên cần phải căn cứ vào mục tiêu và nội dung của từng bài học, chọn phương pháp giảng dạy phù hợp, đặc biệt quan tâm phương pháp dạy học tích cực

để người học có thể tham gia xây dựng bài học Ngoài phương tiện giảng dạy truyền thống, nếu có điều kiện giáo viên nên sử dụng máy chiếu projector, Laptop, và các phần mềm mô phỏng nhằm làm rõ và sinh động nội dung bài học

- Đối với người học:

Tích cực tìm hiểu trước các nội dung trước khi lên lớp

3 Những trọng tâm chương trình cần chú ý:

- Sơ đồ và chức năng các khối tổng đài SPC

- Kỹ thuật chuyển mạch kênh, chuyển mạch gói, ATM, MPLS

- Tổng quan về báo hiệu

- Các phương thức đồng bộ mạng

- Tổ chức điều khiển trong tổng đài

- Vận hành, khai thác thiết bị chuyển mạch băng hẹp

PHẦN A LÝ THUYẾT Chương 1 TỔNG ĐÀI ĐIỆN TỬ SỐ

Giới thiệu:

Các vấn đề cơ sở liên quan tới tổng đài điện tử số SPC, lịch sử hình thành và phát triển của

tổng đài số và vị trí, chức năng các khối cơ bản của tổng đài số

Mục tiêu:

- Trình bày được kiến thức tổng quan về tổng đài

- Trình bày được chức năng các khối

Nội dung chương:

1.1 Tổng quan về tổng đài điện tử số

1.1.1 Sơ lược lịch sử phát triển của tổng đài

Năm 1939 Morse phát minh ra máy điện tín Truyền tín hiệu ”tích – te” trên đường dây

Vào 10/3/1876 Alexander Graham Bell (USA) phát minh ra máy điện thoại, nó đã truyền

được tín hiệu thoại qua khoảng cách xa trên đôi dây cáp đồng 1877 chiếc điện thoại thương mại

đầu tiên được bán

Hình 1.1 Phát minh máy điện thoại đầu tiên của Alexander Graham Bell

a) Điện tín Morse b) Nguyên lý thông tin điện thoại, b) A.G Bell và chiếc điện thoại

nguyên bản đầu tiên, c) Máy điện thoại quay số năm 1939

Ngay sau đó, 1878 tổng đài nhân công (từ thạch, cộng điện) đầu tiên ra đời (21 số) nhằm

đơn giản mạng điện thoại, nhưng còn nhiều hạn chế và nhược điểm

Hình 1.2 Mô hình chuyển mạch đầu tiên dùng cho dịch vụ thoại công cộng 1878, New Haven, CT

Năm 1892 tổng đài cơ khí tự động đầu tiên (hình 1.3) điều khiển trực tiếp được chế tạo,

mặc dù được hoàn thiện trên cơ sở nhiệm vụ của tổng đài nhân công, nhưng còn nhiều nhược

điểm như chứa rất nhiều các bộ phận cơ khí, khả năng và tính linh hoạt bị hạn chế, cồng kềnh

Hình 1.3 Tổng đài nhân công cơ khí tự động đầu tiên năm 1892

Hình 1.4 Các hệ thống chuyển mạch trong tổng đài

a) Chuyển mạch step 1906, b)Chuyển mạch British 1908, c) Chuyển mạch British 1930, d) Chuyển mạch điện tử Belgium sau năm 1940

Năm 1926 ở Thuỵ điển đã xuất hiện một số tổng đài ngang dọc đầu tiên trên cơ sở kết quả nghiên cứu kỹ thuật chuyển mạch và hoàn thiện chức năng của tổng đài từng nấc Tuy nhiên đây cũng chỉ là tổng đài điều khiển trực tiếp nhưng nó khắc được một số nhược điểm của tổng đài từng nấc chủ yếu là quá trình chuyển mạch sử dụng các bộ nối dây ngang dọc, các rơle cơ điện được thay thế bằng các máy tính đơn giản ở dạng khối Do đó kích thước gọn hơn, trọng lượng giảm, tin cậy, linh hoạt hơn, đỡ ồn, dễ điều hành và bảo dưỡng hơn

Hình 1.5 Hệ thống chuyển mạch cơ khí năm 1939 Năm 1938-1939 hãng Ericson của Thuỵ Điển đã có phát minh đầu tiên về trường chuyển mạch điện thoại dùng cơ khí (hình 1.4a), 1.4b), 1.4c)) Năm 1940 hãng Bell của Mỹ đã phát minh ra phương pháp chuyển mạch lá tiếp điểm (chuyển mạch toạ độ) (Hình 1.4d) Năm 1943 hãng thiết kế thêm hệ thống tổng đài có bộ chọn điện cơ khí kiểu quét (tổng đài dựa trên nguyên

lý cận điện tử)

Năm 1945 hãng CGCT (Pháp) thiết kế tổng đài điện tử, dùng đèn điện tử cơ khí, nguyên

lý chuyển mạch dựa theo kiểu thời gian Năm 1947 hãng Philips (Hà Lan) thiết kế tổng đài điện

Năm 1957 hãng CGCT (Pháp) sản xuất tổng đài cỡ nhỏ 20 số dùng trên các tàu chiến Mạch điều khiển bằng xuyến từ và trường chuyển mạch bằng điốt

Năm 1959 hãng Bell (Mỹ) đã đưa ra thiết kế về hệ thống thông tin PCM Năm 1960 hãng sản xuất và khai thác tổng đài điện tử mang máy tính thông dụng

Năm 1962 hãng Siemens (Đức) sản xuất tổng đài điện tử thông dụng EMS

Năm 1963 hãng SEL (Đức) sản xuất và đưa vào sử dụng tổng đài điện tử thông dụng đầu tiên HEGOL

Do công nghệ điện tử phát triển ngày càng nhanh tạo điều kiện thuận lợi cho kỹ thuật máy tính và kỹ thuật tổng đài điện tử phát triển Kể từ năm đó rất nhiều hãng đã sản xuất ra tổng đài điện tử phục vụ mục đích thương mại

Năm 1965, tổng đài điện thoại điện tử đầu tiên ra đời, theo nguyên lý chuyển mạch không gian tương tự đã được đưa vào khai thác ở Mỹ đây là tổng đài nội hạt (Local) điều khiển theo chương trình ghi sẵn SPC (Stored Program Control) Tổng đài này cần cho mỗi cuộc gọi là một tuyến vật lý (Một mạch dây riêng) do vậy cũng không thể có khả năng tiếp thông hoàn toàn Ngay sau đó người ta đã hướng công việc nghiên cứu vào phương thức chuyển mạch phân kênh theo thời gian (chuyển mạch thời gian), tức là người ta dùng một mạch dây cho nhiều cuộc gọi dựa trên cơ sở phân chia thời gian sử dụng, dựa vào phương pháp này có thể thiết lập tổng đài tiếp thông hoàn toàn và không tắc nghẽn (Non Blocking)

Từ những năm đầu của thập kỷ 70 hãng Bell ở Mỹ hoàn thiện một số tổng đài dùng cho chuyển tiếp (Transit) sử dụng phương thức chuyển mạch số kết hợp giữa chuyển mạch thời gian

số và không gian số trên cơ sở chuyển mạch kênh số Hệ thống điều khiển sử dụng hệ vi xử lý chuyên dụng hoạt động theo chương trình ghi sẵn

Năm 1975 tổng đài PBX số hoàn toàn (fully digital Private Branch Exchange) đầu tiên do hãng Northern (Nortel) đã được sản xuất, lắp đặt và đưa vào khai thác ở Pháp (E10A) là tổng đài nội hạt (local) dùng cho các doanh nghiệp Sau đó 1 năm, hãng tiếp tục phát triển hạ tầng mạng trên tổng đài trung tâm nội hạt số hoàn toàn Năm 1977, hãng chế tạo tổng đài số văn phòng cỡ nhỏ đầu tiên DMS-10 (Digital Multiplex Switching) Năm 1979 tổng đài nội hạt dùng toàn bộ là

kỹ thuật số đầu tiên trên thế giới (DMS-100) được giới hiệu bởi Northern Telecom, hệ thống này khai thác các bộ chuyển đổi tương tự số (Aanalog-to-Digital) cải tiến cho hệ thống PABX

số, có dung lượng lên tới 100.000 thuê bao

Hình 1.6 Tổng đài số hoàn toàn đầu tiên DMS-10 và DMS-100 Một số hãng sản xuất tổng đài điện tử số lớn như: Alcatel (Pháp); Ericson (Thuỵ Điển), Siemens (Đức); Panasonic, Fujitsu và NEC, Neax (Nhật); Goldstar và Starex VK (Hàn Quốc),

LG,

1.1.2 Xu hướng phát triển của tổng đài

Hiện tại và tương lai kỹ thuật chuyển mạch tập chung vào các tiêu chí sau:

- Cải thiện về độ an toàn, rút gọn cấu trúc phần cứng

- Phát triển nhiều các dịch vụ mới

- Phát triển hoàn thiện phần mềm đảm bảo an toàn cho vận hành quản lý và bảo dưỡng

- chuyển mạch gói đáp ứng nhu cầu dịch vụ đa phương tiện

- Hướng đến hệ thống chuyển mạch IP, chuyển mạch mềm

- Phát triển công nghệ chuyển mạch quang, hướng tới mạng toàn quang

1.1.3 Phân loại tổng đài

1.1.3.1 Theo nguyên lý điều khiển chuyển mạch

- Tổng dài nhân công: Từ thạch, Cộng điện

- Tổng đài tự động:

Tổng đài tự động cơ điện: Từng nấc, ngang dọc

Tổng đài tự động điện tử: SPC Analog, SPC Digital

- Tổng đài sử dụng nguyên lý :

ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM)

ghép kênh phân chia theo tần số (FDM)

điều chế xung mã (PCM)

1.1.3.2 Theo vị trí mạng (Phạm vi xử lý gọi)

- Tổng đài Host, tổng đài vệ tinh (trong phạm vi tỉnh)

- Tổng đài nội hạt (Local), nội bộ (PABX)

- Tổng đài chuyển tiếp (Tandem/Transit)

- Tổng đài chuyển tiếp quốc gia (Toll)

- Tổng đài chuyển tiếp quốc tế (Gateway)

1.1.2.3 Theo loại tín hiệu

- Tổng đài tương tự (Analog)

1.2.2 Sơ đồ khối và chức năng các khối

1.2.2.1 Sơ đồ khối

Hình 1.7 Sơ đồ khối tổng đài SPC Trong đó:

- Mux/Demux (Multiplexor/ Demultiplexor): Bộ ghép kênh/tách kênh

- RG (Ringing Generator): Khối tạo chuông

- TGD (Tone Generating Devices): Thiết bị tạo âm báo

Thiết bị báo hiệu kênh chung CCS

Thiết bị báo hiệu kênh riêng CAS

Điều khiển thuê bao

Điều khiển chuyển mạch

ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM

Vận hành bảo dưỡng

Phân hệ chuyển mạch

Switching subsystem ASLTU

ATTU

Khối kết cuối Đường thuê

Tới điều khiển trung tâm

Điều khiển trung

kế

Khối vận hành bảo dưỡng

- DTMF (Dual Tone Multi Frequency): Lưỡng âm đa tần

- CAS (Channel Assosiating Signaling): Báo hiệu kênh liên kết

- CCS (Common Channel Signaling): Báo hiệu kênh chung

- ASLTU (Analog Subcriber Line Terminated Unit): Khối kết cuối đường thuê bao tương

tự

- DSLTU (Digital Subcriber Line Terminated Unit): Khối kết cuối đường thuê bao số

- ATTU (Analog Trunk Terminated Unit): Khối kết trung kế tương tự

- DTTU (Digital Trunk Terminated Unit): Khối kết trung kế số

1.2.2.2 Chức năng các khối

* Khối kết cuối (Terminated Unit)

Khối kết cuối hay khối ngoại vi (periphery): Giao tiếp, kết nối giữa thuê bao, trung kế với tổng đài Gồm các khối sau

- Khối kết cuối đường thuê bao (Subcriber Line Terminated Unit)

+ Khối kết cuối thuê bao tương tự (Analog SLTU): Mỗi thuê bao Analog kết nối với tổng đài thông qua một mạch giao tiếp đường dây thuê bao Analog thực hiện chức năng cấp nguồn, bảo vệ quá áp, cấp chuông, giám sát, mã hoá - giải mã, biến đổi 2-4 dây, đo kiểm, được gọi tắt

- Khối ghép/tách kênh (MUltipleX/DeMUltipleX)

Khối ghép kênh/tách kênh (MUX/DMUX) để ghép/tách các tín hiệu thoại của từng kênh

ở dạng số thành luồng số, nhằm nâng cao hiệu suất sử dụng đường số (PCM) tới khối tập trung thuê bao và ngược lại

Thực tế người ta thường ghép 128 hoặc 256 line đấu với một vài bộ MUX, đưa ra 1 hay nhiều đường PCM đấu đến bộ tập trung

- Khối tập trung thuê bao: Tập trung các luồng tín hiệu số có mật độ lưu lượng thấp tại đầu vào thành một số ít các luồng PCM có mật độ cao hơn ở đầu ra nhằm mục đích nâng cao hiệu suất sử dụng các đường PCM giữa bộ tập trung và trường chuyển mạch

Để thực hiện các chức năng trên cấu trúc bộ tập trung thuê bao gồm trường chuyển mạch

T, ghép / tách kênh, Bù suy hao

- Khối tạo thiết bị tạo âm báo (Tone Generating Device): thực hiện chức năng thiết lập tuyến nối các thiết bị phụ trợ Cấp âm báo thu xung đa tần Mỗi vùng nhớ chứa một thông tin về

âm báo đã được số hoá Âm mời quay số, hồi âm chuông, báo bận, tắc nghẽn, âm thông báo

- Lưỡng âm đa tần (Dual Tone Multi Frequency): Đấu nối với bộ tập trung thuê bao qua đường PCM thực hiện chức năng thu xung đa tần từ thuê bao trung tâm, sau đó chuyển các thông tin địa chỉ thu được cho điều khiển trung tâm Số lượng các bộ thu MF được tính toán sao cho đáp ứng nhu cầu sử dụng của thuê bao

- Khối tạo chuông (Ringing Generator): Tạo tín hiệu chuông xoay chiều tần số thấp 25Hz, điện áp cao (65-85VAC) cung cấp cho mạch thuê bao báo có cuộc gọi đến

* Khối kết cuối trung kế (Trunk Terminated Unit):

Giao tiếp, kết nối các tuyến trung kế với tổng đài

- Kết cuối trung kế tương tự (Analog Trunk Terminated Unit): Giao tiếp giữa đường trung

kế analog với tổng đài, cơ bản thực hiện các chức năng giống mạch kết cuối thuê bao Analog (trừ chức năng cấp chuông) được bổ sung báo hiệu liên đài

- Kết cuối trung kế số (Digital Trunk Terminated Unit): Giao tiếp giữa đường trung kế số với tổng đài, thực hiện các chức năng phối hợp biến đổi mã đường truyền, thu phát xử lý báo hiệu liên đài được tóm tắt 8 chức năng GAZPACHO

- Khối tập trung trung kế: Tập trung tất cả các đường trung kế được đấu với tổng đài, đưa

ra luồng số tương đương đưa đến khối CM

* Khối chuyển mạch (Switching Unit)

- Khối chuyển mạch có chức năng: Thiết lập tuyến nối giữa một đầu vào bất kỳ tới một đầu ra bất kỳ Để truyền dẫn tín hiệu thoại và các tín hiệu liên quan khác, với độ tin cậy cao nhất

- Yêu cầu: Trường chuyển mạch phải có độ tiếp thông hoàn toàn (không xảy ra tắc nghẽn)

- Cấu trúc: Ở tổng đài SPC tồn tại 2 hệ thống chuyển mạch số

+ Trường chuyển mạch thời gian tín hiệu số (T)

+ Trường chuyển mạch không gian tín hiệu số (S)

Để nâng cao độ tiếp thông người ta dùng kết hợp giữa chuyển mạch thời gian và không gian

* Khối báo hiệu (Signaling Unit)

- Hệ thống báo hiệu để chuyển thông tin và các lệnh từ điểm này đến điểm khác, các thông tin và các lệnh này liên quan đến việc thiết lập, giám sát và giải phóng các cuộc gọi Báo hiệu được chia làm 2 loại: Báo hiệu đường thuê bao và báo hiệu liên đài (báo hiệu trung kế)

- Báo hiệu thuê bao là báo hiệu giữa thuê bao với tổng đài

- Báo hiệu liên tổng đài là báo hiệu giữa các tổng đài với nhau, và gồm 2 loại là báo hiệu kênh riêng hay kênh liên kết (CAS) và báo hiệu kênh chung (CCS)

* Khối điều khiển (Controller Unit)

- Hệ thống điều khiển có chức năng: Điều khiển toàn bộ mọi hoạt động của tổng đài như + Điều khiển xử lý ngoại vi (Thuê bao, trung kế, báo hiệu)

+ Điều khiển xử lý gọi (Xử lý biên dịch, tạo tuyến, cấp âm, giải phóng, tính cước cho các cuộc gọi) Xử lý vận hành bảo dưỡng Đảm bảo hệ thống hoạt động tin cậy trong thời gian dài

- Cấu trúc: Hệ thống điều khiển tổng đài SPC được ví như hệ thống một hay nhiều máy tính (tuỳ theo cấu hình tổng đài), người ta sử dụng hệ thống một bộ xử lý điều khiển tập trung (Toàn bộ tổng đài) Hay sử dụng nhiều bộ xử lý điều khiển phân tán (Chia công việc xử lý cho các khối điều khiển chức năng riêng) Các bộ xử lý làm việc theo các chương trình đã được phân công cụ thể

* Khối quản trị vận hành và bảo dưỡng (Adminitration Operating and Maintenance Unit)

- Khối vận hành và bảo dưỡng chức năng: Quản lý, khai thác và bảo dưỡng toàn bộ hệ thống

+ Quản lý: Dữ liệu và tình trạng hoạt động của thuê bao, trung kế, hệ thống, cảnh báo, cước

+ Khai thác hệ thống: Thay đổi/khởi tạo hệ thống, backup dữ liệu với các thiết bị nhớ ngoài như ổ đĩa, băng từ, ngoài ra có thể thay đổi chương trình ứng dụng khi cần thiết

+ Bảo dưỡng: Đo kiểm chất lượng đường dây, mạch đường dây thuê bao, trung kế Theo dõi cảnh báo, xử lý các thông tin cảnh báo, xử lý các sự cố thông thường

+ Các thiết bị đo thử và các dung cụ khác

- Yêu cầu: Dễ khai thác, trao đổi, thông tin dễ đọc, dễ hiểu

* Nguồn cung cấp (Battery systems)

Chức năng dùng để cấp nguồn cho sự hoạt động của toàn bộ hệ thống, đảm bảo thông tin liên tục không bị gián đoạn Để thực hiện điều này, nguồn được cung cấp từ 3 nhóm chính: điện lưới, ắc quy và máy phát

Câu hỏi ôn tập và bài tập chương 1

Thực hành:

* Tham quan tổng đài cụ thể

- Tham quan tổng đài tại một trạm cơ sở, tìm hiểu vệ hệ thống cấp nguồn, giám sát, cảnh báo, các khung giá máy, các thiết bị truyền dẫn, thiết bị tổng đài, các tuyến trung kế và các thiết

bị khác

- Hệ thống vận hành bảo dưỡng, giao tiếp người-máy, các khung giá đấu dây MDF, cách thức tổ chức sắp xếp thuê bao theo danh bạ, dây nhảy, sắp xếp thuê bao theo khu vực, và tuyến cáp ra outdoor

- Một số công việc thường ngày tại tổng đài đối với nhân viên trực, các công việc cần làm khi mất điện lưới, cách thức vận hành hệ thống máy phát

Câu hỏi ôn tập chương 1

1.1 Em hãy trình bày những nét cơ bản về lịch sử và xu hướng phát triển của tổng đài? 1.2 Em hãy trình bày đặc điểm của tổng đài?

1.3 Em hãy vẽ sơ đồ khối và trình bày chức năng cơ bản của các khối trong tổng đài số SPC?

Chương 2 KỸ THUẬT CHUYỂN MẠCH

Giới thiệu:

Các vấn đề then chốt trong kỹ thuật chuyển mạch kênh bao gồm các dạng tín hiệu

chuyển mạch, cấu trúc ma trận chuyển mạch và các nguyên lý cơ bản của kỹ thuật chuyển

mạch kênh Các nhìn nhận về hệ thống chuyển mạch gói trên phương diện phân lớp theo mô

hình OSI, kiến trúc phần cứng và các cơ sở kỹ thuật chuyển mạch gói, định tuyến và báo hiệu

của hệ thống chuyển mạch gói Công nghệ chuyển mạch tiên tiến hiện nay trên cơ sở của

mạng IP và ATM, mạng thế hệ sau, công nghệ chuyển mạch mềm

Mục tiêu:

- Trình bày cấu tạo của các trường chuyển mạch thời gian, không gian, trường chuyển

mạch ghép

- Phân tích nguyên lý chuyển mạch của các trường chuyển mạch trên

- Trình bày khái quát các công nghệ chuyển mạch gói, ATM, IP, MPLS

Nội dung chương:

2.1 Tổng quan

2.1.1 Các khái niệm

* Cấu trúc tổng quát của hệ thống huyển mạch số:

Chuyển mạch số là quá trình liên kết các khe thời gian giữa một số các liên kết truyền dẫn

số TDM (ghép kênh phân chia theo thời gian)

Vai trò của thiết bị liên kết mạng được mô tả trong một kiến trúc tổng quát ở hình 2.1

Trong đó các luồng số PCM đầu vào khối chuyển mạch trực tiếp tại mức ghép kênh, trong khi

các mạch tương tự kết cần phải qua khối chuyển đổi tín hiệu A/D D/A

Hình 2.1 Cấu trúc tổng quát của khối chuyển mạch

* Khái niệm chuyển mạch:

Tổ chức liên minh viễn thông thế giới ITU-T định nghĩa chuyển mạch như sau: "Chuyển

mạch là sự thiết lập của một kết nối cụ thể từ một đầu vào đến một đầu ra mong muốn trong một

tập hợp các đầu vào và ra cho đến khi nào đạt được yêu cầu truyền tải thông tin"

Nói cách khác, chuyển mạch trong mạng viễn thông bao gồm chức năng định tuyến cho

thông tin và chức năng chuyển tiếp thông tin

* Hệ thống chuyển mạch: Quá trình chuyển mạch được thực hiện tại các nút chuyển

mạch, trong mạng chuyển mạch kênh thường gọi là hệ thống chuyển mạch (tổng đài) trong

mạng chuyển mạch gói thường được gọi là thiết bị định tuyến (bộ định tuyến)

2.1.2 Phân loại

Có nhiều cách phân loại chuyển mạch kênh, với mỗi cách phân loại ta có các hệ thống

chuyển mạch kênh khác nhau Có thể phân loại như sau:

Thiết bị liên mạng, A/D, báo hiệu, TDM

Thiết bị liên mạng, D/A, báo hiệu, TDM

* Chuyển mạch tương tự

Hệ thống này dùng các chuyển mạch dựa trên tiếp điểm vật lý của hệ thống cơ khí trong các thế hệ tổng đài tương tự cổ điển

- Chuyển mạch phân chia không gian:

- Chuyển mạch cơ kiểu chuyển động truyền:

- Chuyển mạch cơ kiểu mở/đóng:

- Chuyển mạch cơ kiểu rơ-le điện từ

- Chuyển mạch điện tử kiểu chia không gian:

* Chuyển mạch số

Trong một hệ thống chuyển mạch số thì tín hiệu truyền dẫn qua đường chuyển mạch là tín hiệu số, tín hiệu này có thể mang tiếng nói hay số liệu Một hệ thống chuyển mạch số thường phục vụ một số nguồn tín hiệu đó được ghép kênh theo thời gian và truyền đi trên các tuyến truyền dẫn PCM

2.1.2.3 Theo trường chuyển mạch

* Trường chuyển mạch đơn: Mạng chuyển mạch đang được sử dụng trong các tổng đài số nhỏ hiện nay là mạng chuyển mạch có thể được xây dựng từ trường chuyển mạch đơn gồm có:

- Trường chuyển mạch thời gian số (T):

- Trường chuyển mạch không gian số (S):

* Trường chuyển mạch ghép: là sự kết hợp giữa chuyển mạch thời gian và chuyển mạch không gian tín hiệu số, thông thường là T-S-T hay T-S-S-T Cấu trúc S-T-S ít được sử dụng hơn

vì lý do cồng kềnh

2.2.1 Trường chuyển mạch không gian

2.2.1.1 Khái quát về chuyển mạch không gian

Tầng chuyển mạch không gian số S (Space Switching Stage) cấu tạo từ một ma trận chuyển mạch kích thước M đầu vào và N đầu ra

Hình 2.2 Sơ đồ khối chuyển mạch không gian Chuyển mạch không gian có kích thước trường chuyển mạch là MxN Nếu chuyển mạch

S là điều khiển đầu vào (lựa chọn 1 trong số M đầu vào để đưa ra 1 đầu ra), nếu là điều khiển đầu

ra (lựa chọn 1 đầu vào để đưa ra 1 trong N đầu ra) Trên thực tế thường chọn M=N Ngoài ra còn

có tín hiệu cho phép ghi vào bộ nhớ W tại thời điểm thực hiện đóng nút chuyển mạch, và tín hiệu địa chỉ của nút điều khiển và xung đồng hồ đồng bộ

2.2.1.2 Cấu tạo chuyển mạch không gian điều khiển đầu vào

Hình 2.3 Cấu trúc chuyển mạch không gian (S) 3 đầu vào Trường chuyển mạch không gian số S thực hiện quá trình chuyển nội dung thông tin từ các tuyến PCM đầu vào tới các tuyến PCM đầu ra mà không làm thay đổi vị trí khe thời gian

Chuyển mạch không gian (S)

trên trục thời gian Để tạo ra kênh truyền thông cho các cuộc gọi, các thông tin được chuyển qua trường chuyển mạch S với chu kỳ 125μs

Hình 2.4 minh họa nguyên tắc cấu tạo và hoạt động của một tầng chuyển mạch không gian S điều khiển đầu vào Chuyển mạch tầng S cấu tạo từ 2 thành phần cơ bản: Ma trận chuyển mạch và khối điều khiển chuyển mạch (Bộ nhớ điều khiển, đường dây điều khiển)

Hình 2.4 Cấu tạo chuyển mạch không gian S điều khiển đầu vào

2.2.1.3 Nguyên lý hoạt động của chuyển mạch S

Mỗi đường PCM chứa n khe thời gian cho mỗi kênh thoại Chuyển mạch không gian sẽ thực hiện kết nối đường PCM đầu vào bất kỳ tới đường PCM đầu ra bất kỳ và không làm thay đổi khe thời gian Để thực hiện điều này, điểm chuyển mạch cần phải đóng trong suốt thời gian của TSi đó và lặp lại với chu kỳ T = 125 ms trong suốt quá trình tạo kênh Trong các thời gian

TSj khác, vẫn điểm chuyển mạch đó có thể sử dụng cho các quá trình nối khác

Với luồng PCM30/32 các cuộc nối qua ma trận với thời gian đóng mỗi tiếp điểm khoảng 1TS= 125/32=3,9ms chu kỳ lặp lại 125ms Một cuộc gọi điện thoại có thể kéo dài trong khoảng thời gian nhiều khung tín hiệu PCM (thông thường khoảng 1,4÷2,4 triệu khung và tương ứng với khoảng từ 3÷5 phút) Do vậy để điều khiển theo chu kỳ cần một bộ nhớ RAM chứa dữ liệu điều khiển gọi là bộ nhớ điều khiển (CM)

Hình 2.5 Nguyên lý chuyển mạch không gian điều khiển đầu vào Nguyên lý hoạt động của trường chuyển mạch không gian gồm một số bước cơ bản sau:

Ví dụ: Yêu cầu đấu nối cho cuộc gọi tại khe thời gian B1 ở đầu vào I2 tới đầu ra O1

- Quá trình ghi thông tin vào Bộ nhớ điều khiển (CM): Với yêu cầu trên, khối điều khiển tại đầu ra O1 (CM1) sẽ được chọn để thực hiện nhiệm vụ điều khiển chuyển mạch, thông tin điều khiển được ghi vào ngăn nhớ 1 của CM1, nội dung dữ liệu thể hiện địa chỉ của cổng AND ứng với đầu vào I2

- Quá trình đọc thông tin từ CM: Qua sự phối hợp đồng bộ của bộ đếm, chu trình điều khiển tuần tự và đồng bộ giữa chỉ số khe thời gian và con trỏ địa chỉ để đọc dữ liệu ra từ CM1

A2 A3

B2 B3

C2 C3

TS1 TS2 TS3

A1

C1 B1

TS2 TS3

A1

B1

C1

8 bit thoại 3,9µs

Chuyển mạch điện tử

Bộ nhớ điều khiển

Đầu vào

Đầu ra

Chuyển mạch không gian (S) MxN

PCM I1

PCM I2PCM IM

PCM O1

PCM O2PCM ON

Vì vậy, khi con trỏ chỉ đến địa chỉ ngăn nhớ 1, nội dung 2 được đọc ra, đóng tiếp điểm của cổng AND có địa chỉ "2" giữa cổng vào 2 và cổng ra 1 Tiếp điểm được đóng trong suốt thời gian chuyển dữ liệu và bằng thời gian của khe thời gian (8bit = 3,9 μs) Với tính chất logic của tiếp điểm AND, khi hàm điều khiển có mức "1" thì toàn bộ số liệu 8 bit đầu vào sẽ được chuyển tới đầu ra

Đối với mỗi một cuộc nối thoại, chu kỳ đóng tiếp điểm được thực hiện tuần tự theo chu kỳ 125μs, việc ngắt các kết nối được thực hiện đơn giản thông qua quá trình ghi lại dữ liệu trong bộ nhớ CM, các khoảng thời gian còn lại sẽ được thực hiện cho các kết nối khác

Trường chuyển mạch không gian S mang tính thời gian thực nếu xét về tính chu kỳ của quá trình đóng ngắt tiếp điểm, tuy nhiên nhược điểm là khả năng tắc nghẽn khi có nhiều hơn một yêu cầu chuyển mạch TS đầu vào cùng muốn ra một cổng đầu ra Để giải quyết vấn đề trên, các trường chuyển mạch S thường được kết hợp với các bộ đệm gây trễ thời gian để tránh tranh chấp, giải pháp ghép nối với trường chuyển mạch thời gian T được sử dụng phổ biến trong các

hệ thống chuyển mạch hiện nay

2.2.2 Trường chuyển mạch thời gian

2.2.2.1 Khái quát về chuyển mạch thời gian T

Tầng chuyển mạch thời gian T (Time Switching Stage) thực hiện chuyển mạch cho khe thời gian bất kỳ (TS=8bit) từ luồng vào tới khe thời gian bất kỳ của luồng ra dựa trên nguyên tắc gây trễ tín hiệu

Để gây trễ phải có bộ nhớ để lưu trữ các thông tin thoại gọi là bộ nhớ thoại SM (Speech Memory) Quá trình gây trễ tín hiệu được thực hiện theo nguyên tắc trao đổi khe thời gian nội TSI Để điều khiển các quá trình trao đổi các khe thời gian có các bộ nhớ điều khiển CM

Hình 2.6 Sơ đồ khối chuyển mạch thời gian Hình 2.6 chỉ ra sơ đồ khối cấu trúc của trường chuyển mạch thời gian T Trường chuyển mạch thời gian T có hai kiểu điều khiển: Điều khiển đầu vào thực hiện quá trình ghi ngẫu nhiên

và đọc ra tuần tự; Điều khiển đầu ra thực hiện ghi vào tuần tự và đọc ra ngẫu nhiên

ra

- Bộ nhớ điều khiển CM: lưu trữ các thông tin điều khiển, số thứ tự (địa chỉ) của ngăn nhớ tại SM và nội dung dữ liệu trong CM thể hiện các chỉ số khe thời gian TS cần trao đổi Một bộ đếm nhận tín hiệu từ đồng hồ hệ thống để điều khiển các bộ chọn nhằm đồng bộ hoá quá trình ghi đọc thông tin dữ liệu cho CM và SM Dung lượng n ngăn nhớ x bit, 2x=số TS của luồng

Bộ nhớ thoại (SM)

Bộ nhớ điều khiển (CM)

Hình 2.7 Nguyên lý chuyển mạch thời gian T điều khiển đầu ra

2.2.2.3 Nguyên lý hoạt động của chuyển mạch T điều khiển đầu ra

Nguyên tắc hoạt động của trường chuyển mạch thời gian T trên cơ sở của nguyên tắc trao đổi khe thời gian nội TSI Hình 2.7 thể hiện kiểu điều khiển ghi vào tuần tự đọc ra ngẫu nhiên SWRR (Sequence Write Random Read), để rõ hơn ta xem xét một ví dụ minh hoạ có chuyển mạch cho A1 từ khe thời gian TS1 sang TS3

* Quá trình ghi các thông tin:

- Ghi thông tin thoại vào SM: Theo nguyên tắc ghi vào tuần tự, nội dung thông tin trong thoại trong TS1=A1 sẽ được lưu vào ngăn nhớ 1 (8bit)

- Ghi thông tin điều khiển vào CM: Với yêu cầu chuyển đổi trên, hệ thống xử lý trung tâm

sẽ chuyển thông tin tới CM thông qua đường dữ liệu điều khiển, bộ nhớ CM sẽ lưu chỉ số khe thời gian 1 vào ngăn nhớ 3

* Quá trình đọc thông tin:

- Đọc thông tin điều khiển trong CM: Con trỏ địa chỉ của CM sẽ quét lần lượt, đồng bộ với các khe thời gian trên tuyến PCM, như vậy sau khi con trỏ địa chỉ trễ 2TS, nó trỏ đến ngăn nhớ

3, đọc nội dung trong ngăn nhớ 3 của CM thu được 1 (địa chỉ ngăn nhớ của SM)

- Đọc thông tin thoại trong SM: tín hiệu thu được là địa chỉ ngăn nhớ 1, yêu cầu đọc ra nội dung thông tin thoại (A1) tại ngăn nhớ 1 của SM

Như vậy, tại thời điểm xuất hiện khe thời gian TS3, toàn bộ nội dung thông tin A1 của TS1

được chuyển qua trường chuyển mạch Quá trình chuyển mạch được lặp lại theo chu kỳ 125μs

để hình thành nên kênh thông tin qua trường chuyển mạch

Trong ví dụ trên khi TS1<TS3, chuyển mạch T gây trễ 3-1=2TS, như vậy các TS nằm trong cùng một khung PCM, trường hợp kết nối TS4 tới TS2 gâytrễ 2-4=-2TS thực tế không thể trễ âm về thời gian được nên bắt buộc phải chờ đến khung tiếp theo Ví dụ, kết nối TS4 tới TS2 (giả sử luồng PCM có 4TS) Quá trình ghi thông tin tương tự ví dụ trên Thông tin thoại A4 được ghi vào ngăn nhớ 4 của SM Nội dung 4 được ghi vào ngăn nhớ 2 của CM Quá trình đọc thông tin thoại được thực hiện tại thời điểm sau khi trễ đi 2 TS Khi đó bộ đếm đã quét hết các ngăn nhớ từ 1 đến 4 rồi quay lại từ 1 đến 2, lúc này thông tin thoại A4 mới được đọc ra tại TS2 của khung tiếp theo (thực tế 1 khung có 32 TS)

Trường chuyển mạch thời gian T mang tính không gian nếu xét trên khía cạnh vị trí thông tin dữ liệu trong các ngăn nhớ của CM Chuyển mạch T luôn gây trễ tín hiệu và độ trễ lớn nhất không vượt quá một khung PCM, TDmax = (n-1)TS Do tốc độ ghi đọc của bộ nhớ yêu cầu lớn gấp 2 tốc độ luồng PCM nên số lượng khe thời gian trong một khung không vượt quá 1024 TS

do giới hạn của công nghệ vật liệu điện tử Để mở rộng dung lượng, người ta lựa chọn giải pháp ghép với các trường chuyển mạch không gian S

2.2.3 Trường chuyển mạch mạch ghép

Việc tăng dung lượng trường chuyển mạch số để đảm bảo cho số lượng thuê bao và trung

kế lớn tùy ý theo yêu cầu chỉ còn cách phải xây dựng trường chuyển mạch sử dụng kết hợp sử dụng kết hợp các chuyển mạch tầng T và S tiêu chuẩn gọi là chuyển mạch ghép Có rất nhiều

1

4

TS2 TS3

CM

A3 A2 A1

A4

3

A1 A2 A3 A4

TS1 TS2 TS3 TS4

TS4

Bộ nhớ thoại (8bit)

SM

Bộ nhớ điều khiển

Ghi vào tuần tự

Đọc ra ngẫu nhiên

A2 A4 A1 A3

TS1 TS2 TS3 TS4

phương pháp ghép kết hợp giữa các chuyển mạch tầng S và T, ví dụ như T-S, S-T, S-T-S, T-S-T, T-S-S-T,…

2.3.1.1.1 Phân loại

Hình 2.8 dưới đây chỉ ra một cách nhìn tổng quan về các kiểu kiến trúc trường chuyển mạch gói Mô hình này dựa trên cách phân chia của công nghệ chuyển mạch tế bào ATM, là công nghệ chuyển mạch gói có kích thước gói cố định Các ứng dụng trường chuyển mạch tốc

độ cao phổ biến hiện nay đều dựa trên nguyên tắc chuyển mạch kiểu tế bào này [4]

Hình 2.8 Phân loại trường chuyển mạch gói Dựa trên kỹ thuật chuyển mạch các trường chuyển mạch gói được phân chia thành hai nhóm tương tự như trong kỹ thuật chuyển mạch kênh: Chuyển mạch phân chia theo thời gian TDS (Time Division Switching) và chuyển mạch phân chia không gian SDS (Space Division Switching) Chuyển mạch phân chia thời gian TDS chia thành hai kiểu: chia sẻ bộ nhớ và chia

sẻ phương tiện Chuyển mạch phân chia theo không gian chia thành hai nhánh chính: Chuyển mạch đơn đường và chuyển mạch đa đường

2.3.1.1.2 Nguyên lý chuyển mạch gói

Nguyên lý của chuyển mạch gói là dựa trên khả năng của các máy tính tốc độ cao và các thủ tục sao cho có thể chia cắt các cuộc gọi, các bản tin hoặc các giao dịch thành các phần nhỏ gọi là "Gói" tin Gói tin hoàn chỉnh gồm hai phần: Tiêu đề mang các thông tin điều khiển và tải tin là dữ liệu thực cần chuyển qua mạng

Chuyển mạch gói thường thực hiện theo 3 bước xử lý như sau:

+ Bước 1: Phân đoạn gói ở phía phát

Bản tin của người sử dụng PDU (lớp 7,6,5) được chia thành các phân đoạn (Segments - lớp 4) và sau đó các lại được chia tiếp thành các gói (Packet - Lớp 3) có kích thước chuẩn hoá là

32 Byte hoặc 64 Byte tuỳ thuộc vào hệ thống sử dụng Sau đó được gắn thêm các yếu tố cần thiết tạo thành khung (Frame - Lớp 2) gửi đi trên mạng theo nguyên tắc "lưu đệm và phát chuyển tiếp"

Quá trình phân mảnh và tạo gói được thực hiện tại các lớp trong mô hình OSI thể hiện trong hình 2.9 dưới đây

Hình 2.9 Nguyên lý phân mảnh và tạo gói theo mô hình OSI Các Segment sau khi được chia cắt được thêm các trường ‘Đầu’ (Header) và ‘Đuôi’ (Trailer), như vậy chúng chứa ba trường: Đầu chứa địa chỉ đích và các thông tin điều khiển cần thiết để định tuyến gói tin trong mạng Tải tin thực được mang trong trường dữ liệu và trường cuối là trường sửa sai CRC CRC cho phép hệ thống chuyển mạch gói phát hiện lỗi xảy ra trong gói nếu có, nhờ đó đảm bảo yêu cầu rất cao về độ chính xác truyền tin

+ Bước 2: Định tuyến các gói

Các gói tin sẽ được chuyển qua mạng chuyển mạch gói từ nút chuyển mạch này tới nút chuyển mạch khác trên cơ sở “Lưu đệm và phát chuyển tiếp“

Mỗi nút chuyển mạch sau khi thu một gói sẽ tạm thời lưu giữ một bản sao của gói vào bộ nhớ đệm cho tới khi cơ hội phát chuyển tiếp gói tới nút tiếp theo hay tới User

Hình 2.10 Mạng chuyển mạch gói Mạng chuyển mạch gói gồm các thành phần:

- Người dùng (User)

- Nút chuyển mạch gói (Nút)

- Các đường truyền dẫn liên kết các nút chuyển mạch

Hình 2.10 minh hoạ nguyên tắc hoạt động của mạng chuyển mạch gói Giả sử User A có bản tin dài cần gửi đến User B

Bước 1: Nút nguồn nhận bản tin từ User A, nó thực hiện cắt bản tin thành nhiều gói nhỏ (Việt nam sử dụng tiêu chuẩn thông tin của CEPT với 32 Byte/1 gói)

Bước 2: Để định tuyến các gói tin trong chuyển mạch gói có 2 phương pháp tiêu biểu:

Nút CM 6-Đích

Nút CM 5 Nút CM 2

Nút

CM 3

Nút CM 4 Nút CM1- Nguồn

User A

User B

- Định tuyến theo kiểu biểu đồ (Datagram)

- Định tuyến theo kiểu kênh ảo (Virtual Circuit)

+ Bước 3: Tái hợp gói ở phía thu

Các bản tin được xử lý tại đầu thu sau khi tách các tiêu đề, sắp xếp lại và tái hợp thành thông tin gốc

2.3.1.2 Cấu trúc thiết bị định tuyến Router

Hình 2.11 Cấu trúc của bộ định tuyến Hình 2.11 chỉ ra một kiến trúc thông dụng nhất, bộ định tuyến được chia thành hai mặt bằng xử lý riêng biệt:

Mặt bằng định tuyến gồm bộ xử lý, bộ nhớ điều hành và cơ sở dữ liệu sử dụng cho các giao thức định tuyến

Mặt bằng chuyển tiếp được xây dựng trên cơ sở ma trận chuyển mạch gói và được điều khiển trực tiếp bởi bảng chuyển tiếp gói Một bước tiến quan trọng trong việc xây dựng các bộ định tuyến hiệu năng cao là tăng cường xử lý cho từng giao diện mạng để giảm thiểu khối lượng

xử lý và nguồn tài nguyên bộ nhớ của bộ định tuyến Các bộ xử lý đa năng và các mạch tích hợp đặc biệt hoàn toàn có thể giải quyết vấn đề này Tuy nhiên, khả năng xử lý tổng thể cho các gói tin qua hệ thống như thế nào còn phụ thuộc vào khả năng tìm và chọn tuyến, cũng như kiến trúc trường chuyển mạch được lựa chọn

* Các thành phần cơ bản của một router

Cấu trúc chính xác của các router thì rất khác nhau tùy theo phiên bản của nó Nhưng một router thì có các thành phần phần cứng cơ bản sau:

CPU: Central Processing Unit, là đơn vị xử lý trung tâm, thực thi các câu lệnh của hệ điều hành để thực hiện các nhiệm vụ như: khởi động hệ thống, định tuyến, điều khiển các cổng giao tiếp mạng CPU là một bộ vi xử lý, trong các router lớn có thể có nhiều CPU

RAM: được sử dụng để lưu bảng định tuyến, cung cấp bộ nhớ đệm cho chuyển mạch nhanh, chạy tập tin cấu hình và cung cấp hàng đợi cho các gói dữ liệu Trong đa số các router, hệ điều hành cisco IOS chạy trên RAM, RAM thường được chia làm hai phần phần bộ nhớ xử lý chính và phần bộ nhớ chia sẻ nhập/xuất Phần bộ nhớ nhập/xuất thường được chia cho các cổng giao tiếp làm nơi lưu trữ tạm các gói dữ liệu Toàn bộ nội dung trên RAM sẽ bị xóa khi tắt điện Thông thường RAM trên router là loại RAM động DRAM

Flash: bộ nhớ flash thường dùng để lưu toàn bộ hệ điều hành của Router (Cisco IOS) NVRAM: Non-volative Random-access Memory là bộ nhớ không bị mất dữ liệu khi mất nguồn, dùng để lưu tập tin cấu hình Trong một số thiết bị, thì flash và NVRAM có thể là hai

thiết bị riêng, hoặc cả hai cùng một bộ nhớ

Bus: phần lớn các router đều có bus hệ thống và CPU bus Bus hệ thống được sử dụng để thông tin liên lạc giữa CPU, các cổng giao tiếp và các khe mở rộng Loại bus này vận chuyển các gói dữ liệu đi và đến cổng giao tiếp CPU sử dụng CPU bus để truy xuất các thành phần của router thông qua bộ nhớ trên router Loại bus này vận chuyển dữ liệu đi và đến các địa chỉ của ô nhớ tương ứng

ROM: Read Only Memory: là nơi lưu trữ đoạn mã của chương trình kiểm tra phần cứng khi khởi động Sau đó chép phần mềm Ciso IOS từ flash vào RAM Nội dung trong bộ nhớ ROM thì không thể xóa được

Các cổng giao tiếp: có ba loại cổng chính, LAN, WAN và console/AUX Cổng giao tiếp LAN thường là Ethernet hoặc Token ring hoặc cổng quang Cổng WAN có thể là serial hoặc ISDN hoặc cổng quang Cổng console/AUX dùng để kết nối đến máy tính để thực hiện cấu hình router

Nguồn điện: để cung cấp nguồn cho router

2.3.2 Chuyển mạch ATM

2.3.2.1 Khái niệm ATM

Công nghệ truyền tải không đồng bộ – ATM (Asynchronous Transfer Mode) là kỹ thuật chuyển mạch gói tốc độ cao được ITU-T đệ trình như là các chuẩn ghép kênh và chuyển mạch cho mạng số tích hợp đa dịch vụ băng rộng (B-ISDN)

ATM sử dụng các gói có độ dài cố định được gọi là các tế bào để mang các lưu lượng thoại, dữ liệu, video và đa phương tiện

ATM không phân biệt các kiểu tin mang trong tế bào, tất cả các nguồn tin với các tốc độ khác nhau đều được cắt thành các tế bào có kích thước như nhau Tất cả các tế bào này được đổ vào ống dẫn số, thường đó là đường truyền bằng cáp sợi quang, và được trộn một cách tối ưu cho việc chuyển tải trong đường truyền

Hình 2.12 Nguyên lý ATM

2.3.2.3 Cấu trúc tế bào ATM

Kích thước tế bào ATM đóng một vai trò rất quan trọng trong việc đánh giá các tiêu chí về: hiệu quả truyền dẫn, độ trễ, tổn thất, sự toàn vẹn, độ phức tạp khi thực hiện…

Hình 2.13 Cấu trúc tế bào ATM Trong chuyển mạch gói, ở mỗi quốc gia, việc lựa chọn kích thước gói phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể, ví dụ Nhật Bản chọn 64 byte để tăng hiệu quả truyền dẫn, trong khi đó các nước Châu Âu lại chọn 32 byte để giảm độ trễ và tiếng vọng

Tuy nhiên để có một chuẩn chung thống nhất cho ATM thì ATM Forum quyết định chọn kích thước tế bào ATM là 53 byte, trong đó có 5 byte tiêu đề và 48 byte tải tin

5 byte Tiêu đề

48 byte Tải tin

* Có hai khuôn dạng tiêu đề tế bào ATM:

- Khuôn dạng tiêu đề trên giao diện người dùng - mạng (UNI)

- Khuôn dạng tiêu đề trên giao diện mạng - mạng (NNI)

Cấu trúc khuôn dạng tiêu đề tế bào ATM được chỉ ra trong hình 2.14

Hình 2.14 Các khuôn dạng tiêu đề tế bào ATM

* Ý nghĩa các trường thông tin trong ATM

- Trường điều khiển luồng chung GFC (General Flow Control): 4 bit, trong đó 2 bit dùng

cho điều khiển và 2 bit dùng làm tham số GFC chỉ xuất hiện tại giao diện UNI, chức năng của nó:

+ Điều khiển luồng truy nhập từ khách hàng vào mạng

+ Giảm tình trạng quá tải trong thời gian ngắn có thể xảy ra trong mạng của người sử dụng

+ Đối với mạng riêng của khách hàng, GFC có thể được sử dụng để phân chia dung lượng giữa các thiết bị đầu cuối

+ GFC có thể dùng cho cả cuộc nối điểm - điểm và điểm - đa điểm

- Trường định tuyến nhận dạng kênh ảo/đường ảo VCI/VPI (Virtual Circuit Identification / Virtual Path Identification) :

+ Đối với UNI, trường này gồm 24 bit (8bit VPI và 16 bit VCI)

+ Đối với NNI, trường này gồm 28 bit (12 bit VPI và 16 bit VCI)

+ VPI/VCI tạo thành một giá trị duy nhất cho mỗi cuộc nối

Tuỳ thuộc vào vị trí hai điểm cuối của một cuộc nối mà nút chuyển mạch ATM sẽ chuyển tiếp các tế bào trên cơ sở VPI&VCI hay chỉ dựa trên giá trị VPI

Khi qua nút chuyển mạch VPI và VCI sẽ nhận giá trị mới phù hợp cho chặng kế tiếp- (Local Assigned)

- Trường kiểu tải trọng PT (Payload Type): 3 bit dùng để chỉ thị thông tin được truyền là

thông tin của người sử dụng hay thông tin của mạng (gồm thông tin giám sát, vận hành, bảo dưỡng)

- Trường ưu tiên mất tế bào CLP (Cell Loss Priority): Gồm 1 bít duy nhất, được dùng để

phân biệt mức độ ưu tiên của các kết nối khác nhau do khách hàng hoặc nhà cung cấp dịch vụ xác lập Các tế bào với bit CLP=0 có mức ưu tiên cao, ngược lại các tế bào với bit CLP=1 có mức ưu tiên thấp hơn, Vì vậy, khi tắc nghẽn xảy ra, các tế bào có bit CLP=1 sẽ bị loại bỏ trước tế bào

có CLP = 0

- Trường điều khiển lỗi tiêu đề HEC (Header Error Check): Gồm 8 bit, được xử lý tại lớp

vật lý để sửa các lỗi đơn hay phát hiện các lỗi khối trong 5 Byte tiêu đề tế bào

2.3.2.4 Cấu trúc hệ thống chuyển mạch ATM

Kiến trúc của một hệ thống chuyển mạch ATM có thể được minh họa như hình 2.15 Hệ thống chuyển mạch ATM gồm 5 khối chức năng cơ bản:

- Mô đun đầu vào (IM)

- Mô đun đầu ra (OM)

- Điều khiển chấp nhận cuộc gọi (CAC)

- Quản lý hệ thống (SM)

- Khối chuyển mạch tế bào (CSF)

Hình 2.15 Sơ đồ khối chức năng của một hệ thống chuyển mạch ATM Hoạt động của IM và OM có thể được mô tả tổng quan như hình 2.16

Hình 2.16 Sơ đồ khối mô đun đầu vào (a) và mô đun đầu ra (b)

* Mô đun điều khiển đầu vào (IM): Thực hiện chức năng tách luồng ATM khỏi khung truyền dẫn và xử lý các chức năng sau đối với mỗi tế bào ATM:

- Kiểm tra lỗi tiêu đề tế bào sử dụng trường HEC

- Biên dịch các giá trị VPI/VCI

- Xác định cổng đầu ra

- Chuyển tế bào báo hiệu đến CAC

- Thực hiện điều khiển tham số người dùng/mạng cho mỗi kết nối kênh ảo/đường ảo

- Thêm vào tế bào thẻ định tuyến trên cơ sở trường VPI/VCI trong tiêu đề tế bào Thẻ này sau đó được CSF sử dụng để thực hiện chức năng định tuyến và bị loại khi ra khỏi CSF

* Mô đun điều khiển đầu ra (OM): Thực hiện việc phân phối tế bào đến đích hoặc tới một

cổng đầu vào của một nút chuyển mạch khác sau khi đã biên dịch tế bào Nó thực hiện các chức

năng sau:

- Loại bỏ thẻ định tuyến được gán ở IM

- Có thể biên dịch các giá trị VPI/VCI

- Tạo trường HEC mới

- Chèn các tế bào quản lý và điều khiển (nhận được từ CAC và SM) vào luồng tế bào đầu

ra

- Thích ứng luồng tế bào vào khung truyền dẫn

* Khối điều khiển chấp nhận kết nối (CAC): có chức năng thiết lập, giám sát và giải

phóng các kết nối ảo CAC nhận tế bào 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):

- Xử lý vận hành, quản lý, bảo dưỡng (OAM) lớp vật lý

- OA&M lớp ATM

- Quản lý cấu hình các thành phần chuyển mạch

- Kiểm soát bảo mật cho các cơ sở dữ liệu chuyển mạch

- Đo lường mức sử dụng các tài nguyên chuyển mạch

- Quản lý lưu lượng

- Tổ chức thông tin quản lý,

- Quản lý khách hàng - mạng,

- Giao diện với hệ thống vận hành

- Hỗ trợ quản lý mạng

Các chức năng quản lý 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 cần rất nhiều sự

truyền thông bên trong chuyển mạch giữa SM và các khối chức năng khác

* Khối chuyển mạch tế bào (CSF): thực hiện chức năng chính là định tuyến các tế bào dữ

liệu (có thể bao gồm cả các tế bào báo hiệu và định tuyến) từ IM đến OM thích hợp Và một số

chức năng khác bao gồm

- Đệm tế bào

- Multicast/Broadcast

- Dung sai

- Lập lịch tế bào trên cơ sở các ưu tiên về trễ

- Giám sát tắc nghẽn và kích hoạt chỉ thị tắc nghẽn chuyển tiếp ngay lập tức (ECFI)

2.3.2.5 Ứng dụng của chuyển mạch ATM

Chuyển mạch ATM được dùng trong các tổng đài trong mạng B-ISDN, khi đó nó thực

hiện các chức năng sau:

Chuyển tiếp các tế bào dữ liệu người dùng từ các cổng đầu vào đến các cổng đầu ra thích

hợp Hỗ trợ các chức năng tương ứng trong mặt bằng điều khiển và mặt bằng quản lý của mô

hình tham chiếu giao thức B-ISDN

Các hệ thống chuyển mạch ATM có thể giữ vai trò như các cổng để giao tiếp với những

mạng khác (không sử dụng ATM), như N-ISDN, LAN…

Ngoài ra, nó còn chứa các giao diện khác để 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 viễn thông (TMN)

2.3.3 Chuyển mạch IP

2.3.3.1 Khái niệm chuyển mạch IP

Chuyển mạch IP là một thiết bị hay hệ thống mà nó có thể định tuyến các gói tin IP ở lớp

3 và có khả năng chuyển mạch các gói tin ở lớp 2 sau đó gửi một vài hoặc tất cả các gói tin đi

trên đường được chuyển mạch lớp 2

Hầu hết các chuyển mạch IP sử dụng cơ cấu chuyển mạch ATM Hình vẽ 2.17 chỉ rõ hai

mô hình thiết bị chuyển mạch IP

Hình 2.17 Thiết bị chuyển mạch IP Điểm điều khiển IP (IP Control Point) thực hiện các giao thức định tuyến IP điển hình như RIP, OSPF, BGP để cung cấp đường định tuyến từng chặng lớp 3 ngầm định và có thể liên lạc trực tiếp hoặc gián tiếp tới các thành phần của chuyển mạch ATM để gửi các gói tin IP Cũng như các chuyển mạch ATM thông thường, những thành phần chuyển mạch ATM trong chuyển mạch IP duy trì một bảng kết nối các cổng vào/ra, các nhãn vào/ra (VPI/VCI)

Mô hình chuyển mạch IP ảo bao gồm nhiều thành phần chuyển mạch được điều khiển trực tiếp hay gián tiếp của một bộ điều khiển IPCP Sự khác nhau là vị trí của các cổng vào và cổng ra Trong cấu hình của chuyển mạch IP thì các cổng vào và cổng ra đều nằm trong cùng một đơn vị giao diện Với bộ chuyển mạch IP ảo, thành phần vào/ra cũng có thể được định vị trên cùng một đơn vị giao diện hoặc trên mỗi giao diện riêng biệt Điều đó dẫn tới cách thức sử dụng và sự phụ thuộc vào các giao thức tìm đường và báo hiệu ATM và IP trong mỗi mô hình là khác nhau

2.3.3.1.2 Cách thức đóng gói tin IP

Hình 2.18 Cách thức đóng gói IP Quá trình truyền thông giữa bên phát và bên thu và đóng gói tin IP như sau:

1 Gói tin tại các lớp trên (Upper layers) gọi là bản tin lớp trên gồm dữ liệu, ứng dụng và tiêu đề (Upper layer header) sau đó đưa xuống lớp dưới

2 Tại lớp 4 lớp TCP/UDP, gói dữ liệu đầy đủ từ lớp trên được gắn thêm tiêu đề TCP/UDP tạo thành gói của lớp này gọi là bản tin lớp TCP/UDP (TCP Segment) sau đó đẩy xuống lớp dưới

3 Tại lớp 3 lớp IP, Gói tin của lớp trên lại được gắn thêm tiêu đề IP (IP header) tạo thành gói đầy đủ (gọi là IP Datagram) đẩy xuống lớp dưới

4 Tại lớp 2, Gói tin của lớp trên lại được gắn thêm tiêu đề lớp 2 (Layer 2 header) tạo thành gói đầy đủ (gọi là Khung lớp 2 – Ethernet Frame, LAN, WAN, WLAN) đẩy xuống lớp dưới

5 Tại lớp 1, Dữ liệu được chuyển đổi thành dạng số (digital) là các bit phù hợp với môi trường truyền và gửi đi tới bên phát

Tại bên thu quá trình mở gói sẽ được thực hiện từ lớp 1, lớp 2 lên các lớp cao và bỏ các tiêu đề tại các lớp tương ứng để thu lại gói tin lớp cao ban đầu

2.3.3.1.3 Cấu trúc tiêu đề gói tin IP v.4

0 4 8 16 19 31

Hình 2.19 Tiêu đề gói tin IP v.4

* Các trường chức năng của tiêu đề gói tin IP v4 (hình 2.19) gồm có:

- Trường phiên bản (Version): Chỉ ra phiên bản của giao thức hiện hành (IPv4), được sử dụng để máy gửi, máy nhận, các bộ định tuyến cùng thống nhất về định dạng datagram

- Trường nhận dạng độ dài tiêu đề IHL (Identifed Header Length): Trường xác nhận độ dài tiêu đề cung cấp thông tin về độ dài tiêu đề của gói tin, thông thường tiêu đề có độ dài 20 octets

- Trường kiểu dịch vụ TOS (Type Of Service): Trường kiểu dịch vụ dài 8 bit gồm 2 phần: trường ưu tiên và kiểu dịch vụ Trường ưu tiên gồm 3 bit dùng để gán mức ưu tiên cho các gói tin, cung cấp cơ chế cho phép điều khiển các gói tin qua mạng Các bit còn lại dùng xác định kiểu lưu lượng gói tin khi nó chuyển qua mạng, như đặc tính trễ, độ thông qua và độ tin cậy

- Trường tổng độ dài TL (Total Length): Trường hiển thị tổng độ dài gói tin dài 16 bit, sử dụng để xác định chiều dài của toàn bộ gói IP Chiều dài lớn nhất một gói IP cho phép là 65535 octets

- Trường nhận dạng (Identification): Trường nhận dạng dài 16 bit, được máy chủ sử dụng

để phát hiện và nhóm các đoạn bị chia nhỏ của gói tin Các bộ định tuyến sẽ chia nhỏ các gói tin nếu như đơn vị truyền tin lớn nhất của gói tin MTU (Maximum Transmission Unit) lớn hơn MTU của môi trường truyền MTU của môi trường truyền được định nghĩa như là kích cỡ của gói IP lớn nhất mà nó có thể được mang trong một khung liên kết dữ liệu Việc hợp lại các đoạn tin được thực hiện tại máy chủ đích Sự chia cắt gói tin tạo thêm công việc cho các bộ định tuyến

và các máy chủ đầu cuối Một kỹ thuật có tên là tìm tuyến đường cho đơn vị truyền gói tin lớn nhất (Path MTU Discovery) được đưa ra, tạo khả năng cho một máy chủ gửi tin có thể tìm ra một MTU lớn nhất có thể, theo con đường từ nguồn tới đích mà không cần bất kỳ quá trình chia cắt gói tin nào khác

- Trường cờ (Flags) : Trường cờ chứa 3 bít được sử dụng cho quá trình điều khiển phân đoạn, bít đầu tiên chỉ chị tới các bộ định tuyến cho phép hoặc không cho phép phân đoạn gói tin,

2 bít giá trị thấp được sử dụng để điều khiển phân đoạn, kết hợp với trường nhận dạng và trường phân đoạn để xác định gói tin nhận được sau quá trình phân đoạn

- Trường phân đoạn (Fragment Offset): Trường phân đoạn 13 bit mang thông tin về số lần chia một gói tin, kích thước của gói tin phụ thuộc vào mạng cơ sở truyền tin, tức là độ dài gói tin không thể vượt qua MTU của môi trường truyền

- Trường thời gian sống TTL (Time-To-Live): 8 bit Trường thời gian sống của gói tin sử dụng để ngăn các gói tin lặp vòng trên mạng, có vai trò như một bộ đếm ngược nhằm tránh hiện tượng trễ gói tin quá lâu trên mạng TTL cũng sử dụng để xác định phạm vi điều khiển, qua việc xác định xem một gói có thể đi được bao xa trong mạng Bất kỳ gói tin nào có vùng TTL =0 thì gói tin đó sẽ bị bộ định tuyến huỷ bỏ và thông báo lỗi sẽ được gửi về trạm phát gói tin

- Trường giao thức (Protocol) 8 bit: Trường này được dùng để xác nhận giao thức lớp kế tiếp mức cao hơn đang sử dụng dịch vụ IP, thể hiện dưới dạng con số thập phân

- Trường kiểm tra tiêu đề (Checksum): Trường kiểm tra tổng dài 16 bit, để kiểm tra lỗi

4-bit

phiên bản

4-bit IHL Nhận dạng

8-bit thời gian sống

32-bit Địa chỉ IP nguồn 32-bit Địa chỉ IP đích

trong tiêu đề gói tin Ipv.4 Được tính toán trong tất cả các trường của tiêu đề IPv4 (TOS, HL, TTL ) Mỗi khi gói qua bộ định tuyến, các trường lựa chọn có thể bị thay đổi và trường TTL sẽ

bị thay đổi giá trị Cho nên một gói tin khi qua các bộ định tuyến thì trường kiểm tra tổng cần phải được tính toán và cập nhật lại để đảm bảo độ tin cậy của thông tin định tuyến

- Trường địa chỉ nguồn - địa chỉ đích (Source Address - Destination Address): Trường địa chỉ nguồn và địa chỉ đích (32 bit) được các bộ định tuyến và các gateway sử dụng để định tuyến các đơn vị số liệu, luôn luôn đi cùng với gói tin từ nguồn tới đích

2.3.3.1.4 Cách thức phân mảnh gói dữ liệu IP v4

Hình 2.20 Cách thức phân mảnh gói dữ liệu IP v4 Hình 2.20 mô tả cách thức phân mảnh gói dữ liệu lớn 12.000 byte theo các gói tin phụ thuộc vào đơn vị truyền tối đa MTU của mạng Lớp IP nhận được bản tin cần truyền qua mạng,

nó sữ tính toán xem cần bao nhiêu gói IP lớn sau khi thêm vào 20 byte tiêu đề IP Nếu tổng chiều dài lớn hơn MTU mạng bên dưới nó sẽ tiêu tục phân đoạn thành gói IP nhỏ hơn Thiết bị

A muốn gửi bản tin 12.000 byte, kết nối nội bộ của nó có MTU là 3.300 byte Nó sẽ phải chia bản tin thành 4 phần: 3 phần 3.300 byte và 1 phần còn lại 2.100 byte, tính cả tiêu đề

Khi đến mạng giữa 2 Router kích thước MTU của đường truyền là 1.300 byte Nó lại được phân mảnh lần thứ 2 thành 2 gói tối đa là 1.300 byte và 1 gói 700 byte Gói cuối cùng được

phân mảnh thành 1 gói 1.300 byte và1 gói 800byte

Tại đoạn giữa Router 2 và thiết bị B mặc dù có khả năng nhận MTU 3.300 byte nhưng Router sẽ thực hiện truyền trực tiếp các gói MTU 1.300 mà không tái hợp thành gói lớn hơn MTU 3.300

Mỗi bộ định tuyến phải có khả năng phân đoạn khi cần để xử lý các gói IP lên đến kích thước lớn nhất tại mạng mà chúng kết nối Các bộ định tuyến cũng được yêu cầu ở mức tối thiểu

có thể xử lý được MTU tối thiểu là 576 byte Vì kích thước hợp lý của dữ liệu là 512 byte cộng thêm phần tiêu đề IP tiêu chuẩn và phần tuỳ chọn Do đó, trong tiêu chuẩn IP, kích thước 576 byte trở thành giá trị MTU mặc định phổ biến được sử dụng trong các gói dữ liệu IP Ngay cả khi một máy chủ được kết nối qua mạng cục bộ với MTU lớn hơn 576, nó có thể chọn sử dụng giá trị MTU là 576, để đảm bảo rằng không cần phân mảnh thêm nữa bởi các bộ định tuyến trung gian

2.3.3.1.5 Cấu trúc tiêu đề gói tin IP v.6

Vấn đề ở đây là địa chỉ IP, không gian địa chỉ IP v4 ngày càng cạn kiệt, càng về sau địa chỉ

IP v4 không thể đáp ứng nhu cầu mở rộng mạng Vì vậy ra đời IP version 6

Giải pháp mới là đưa vào IPv6 với cấu trúc địa chỉ 128 bit Không gian địa chỉ rộng lớn của IPv6 không chỉ cung cấp nhiều không gian địa chỉ hơn IPv4 mà còn có những cải tiến về cấu trúc Với 128 bit, sẽ có 3,4.1038 địa chỉ Một con số khổng lồ Năm 1994, IETF đã đề xuất IPv6 trong RFC 1752 IPv6 khắc phục một số vấn đề như thiếu hụt địa chỉ, chất lượng dịch vụ, tự động cấu hình địa chỉ, vấn đề xác thực và bảo mật

Hình 2.21 Tiêu đề gói tin IP v6

* Các trường thông tin trong IP v6

- Phiên bản (Version 4bit): Xác định phiên bản của IP được sử dụng để tạo ra các gói dữ liệu Trường này được sử dụng giống như trong IPv4, nó mang giá trị 6 (0110 nhị phân)

- Lớp lưu lượng (Traffic Class 8bit): trường này thay thế các loại của trường kiểu dịch vụ (TOS) trong tiêu đề IPv4 Nó được dùng để xác định chất lượng dịch vụ (QoS) cho cả IPv4 và IPv6

- Nhãn luồng (Flow Label 20bit): trường này được tạo ra để cung cấp hỗ trợ bổ sung cho việc phân phối gói dữ liệu thời gian thực với chất lượng và các đặc tính dịch vụ Nhãn luồng là một chuỗi các datagrams được gửi từ thiết bị nguồn tới một hoặc nhiều thiết bị đích để giảm độ trễ cho các gói

- Độ dài tải trọng (Payload Length 16bit): trường này thay thế trường Tổng chiều dài của tiêu đề IPv4, nhưng nó được sử dụng khác Thay vì đo chiều dài của toàn bộ datagram, nó chỉ chứa số byte của phần tải trọng

- Tiêu đề tiếp theo (Next Header 8 bit): trường này thay thế giao thức Khi một gói dữ liệu

có tiêu đề mở rộng, trường này xác định tiêu đề mở rộng đầu tiên, đó là tiêu đề tiếp theo trong gói dữ liệu này Khi một gói dữ liệu có chỉ tiêu đề "chính" và không có tiêu đề mở rộng, nó phục

vụ cùng một mục đích là trường giao thức IPv4 cũ và có cùng một giá trị, mặc dù con số mới được sử dụng cho các phiên bản của giao thức IPv6 Trong trường hợp này "Next header" là tiêu

đề của bản tin lớp trên mà các gói dữ liệu IPv6 mang đi

- Giới hạn từng chặng (Hop Limit 8bit): trường này thay thế Thời gian sống (TTL) trong IPv4; Qua mỗi chặng giá trị ban đầu 255 giảm đi 1

Version

0 4 8 12 16 20 24 28 31

Traffic Class (8 bit) Flow Label (20 bit) Payload Length (16 bit) Next Header (8 bit) Hop Limit (8 bit)

Source Address (128bit)

Destination Address (128bit)

- Địa chỉ nguồn (Source Address 128bit): 128-bit IP địa chỉ của người gửi datagram này Như với IPv4, điều này luôn luôn là thiết bị nguồn của các gói dữ liệu

- Địa chỉ đích (Destination Address 128bit): địa chỉ IP 128-bit của người nhận dự định của các datagram; unicast, anycast hoặc multicast

* Một số ưu điểm nổi trội của IP v6 là:

Các vấn đề về bảo mật, các tùy chọn của IP và hiệu suất định tuyến Các ích lợi của IPv6 gồm: Tăng kích thước của không gian địa chỉ IP; tăng sự phân cấp địa chỉ; đơn giản hoá địa chỉ host (địa chỉ được thống nhất là: toàn cục, site và cục bộ) ; đơn giản hoá việc tự cấu hình địa chỉ (gồm DHCPv6 và neighbor discovery thay cho ARP broadcast); tăng độ linh hoạt cho định tuyến multicast; có thêm địa chỉ anycast; header được sắp xếp hợp lý; tăng độ bảo mật (vì có thêm các header mở rộng về bảo mật giúp bảo đảm sự toàn vẹn dữ liệu); có tính di động tốt hơn (home agent; care-of-address; và header định tuyến mở rộng); hiệu suất tốt hơn (việc tóm tắt địa chỉ; giảm ARP broadcast; giảm sự phân mảnh gói tin; không có header checksum; QoS được tích hợp sẵn )

- Tăng kích thước của không gian địa chỉ:

IPv6 sử dụng 128 bit địa chỉ trong khi IPv4 chỉ sử dụng 32 bit; nghĩa là IPv6 có

tới 2128 địa chỉ khác nhau; 3 bit đầu luôn là 001 được giành cho các địa chỉ định tuyến toàn cầu (Globally Routable Unicast –GRU) Nghĩa là còn lại 2125 địa chỉ, nghĩa là có khoảng 4,25.1037địa chỉ, trong khi IPv4 chỉ có tối đa 4,29.109

địa chỉ, nghĩa là IPv6 sẽ chứa 1028 không gian địa chỉ IPv4

- Tăng sự phân cấp địa chỉ:

IPv6 chia địa chỉ thành một tập hợp các không gian xác định hay boundary: Ba bit đầu cho phép biết được địa chỉ có thuộc địa chỉ định tuyến toàn cầu (GRU) hay không, giúp các thiết bị định tuyến có thể xử lý nhanh hơn Top level aggregation (TLA) ID được sử dụng vì 2 mục đích: thứ nhất, nó được sử dụng để chỉ định một khối địa chỉ lớn mà từ đó các khối địa chỉ nhỏ hơn được tạo ra để cung cấp sự kết nối cho những địa chỉ nào muốn truy cập vào Internet; thứ hai, nó được sử dụng để phân biệt một đường (route) đến từ đâu

- Đơn giản hoá việc đặt địa chỉ host: IPv6 sử dụng 64 bit sau cho địa chỉ host,và trong 64 bit đó thì có cả 48 bit là địa chỉ MAC của máy, do đó phải đệm vào đó một số bit đã được định nghĩa trước mà các thiết bị định tuyến sẽ biết được những bit này trên subnet, ngày nay, ta sử dụng chuỗi 0xFF và 0xFE (:FF:FE: trong IPv6) để đệm vào địa chỉ MAC Bằng cách này, mọi host sẽ có một host ID duy nhất trong mạng Sau này nếu đã sử dụng hết 48 bit MAC thì có thể

sẽ sử dụng luôn 64 bit mà không cần đệm

- Việc tự cấu hình địa chỉ đơn giản hơn: Kết hợp host ID với multicast ta có thể sử dụng việc tự cấu hình địa chỉ IP

- Tăng độ linh hoạt cho định tuyến multicast: Bit đầu luôn được thiết lập là 1 giúp các thiết

bị định tuyến biết được gói tin này là một gói tin multicast

- Có thêm địa chỉ Anycast: Một địa chỉ anycast là một địa chỉ IPv6 được gán cho một nhóm các máy có chung chức năng, mục đích

- Header hợp lý: Header của IPv6 đơn giản và hợp lý hơn IPv4 IPv6 chỉ có 6 trường và 2 địa chỉ, trong khi IPv4 chứa 10 trường và 2 địa chỉ

+ Định dạng được đơn giản hoá: IPv6 header có kích thước cố định 40 octet với ít trường hơn IPv4, nên giảm được overhead, tăng độ linh hoạt

+ Không có header checksum: trường checksum của IPv4 được bỏ đi vì các liên kết ngày nay nhanh hơn và có độ tin cậy cao hơn vì vậy chỉ cần các host tính checksum còn router thì khỏi cần

+ Không có sự phân mảnh theo từng chặng: trong IPv4, khi các packet quá lớn thì router

có thể phân mảnh nó, tuy nhiên việc này sẽ làm tăng thêm overhead cho packet Trong IPv6 thì chỉ có host nguồn mới có thể phân mảnh một packet theo các giá trị thích hợp dựa vào một MTU path mà nó tìm được, do đó, để hỗ trợ host thì IPv6 chứa một hàm giúp tìm ra MTU từ nguồn đến đích

- Tăng độ bảo mật:

IPv6 tích hợp tính bảo mật vào trong kiến trúc của mình bằng cách giới thiệu

2 header mở rộng tùy chọn: Authentication header(AH) và Encrypted Security Payload (ESP) header Hai header này có thể được sử dụng chung hay riêng để hỗ trợ nhiều chức năng bảo mật

- Hiệu suất tốt hơn: Các gói tin IP và phần tiêu đề cũng như quá trình định tuyến các gói tin đã thay đổi trong IPv6, nhằm cải thiện hiệu suất Kết quả đạt được là ít bị mất hoặc bị rớt gói tin, tin cậy và hiệu quả trong các kết nối Với nhiều người hơn và nhiều các thiết bị chia sẻ Internet hơn, nhu cầu cao hơn cho VoIP (thoại qua IP) và video, hiệu suất sẽ càng quan trọng hơn bao giờ hết

2.3.3.1.6 Cách thức phân mảnh cho các gói dữ liệu IPv6

Hình 2.22 Cách thức phân mảnh gói dữ liệu IP v6 Phần không thể phân mảnh: Phần này bao gồm tiêu đề chính của gói dữ liệu gốc, cũng như bất kỳ tiêu đề mở rộng nào cần phải có mặt trong từng đoạn

Phần phân mảnh: Phần này bao gồm phần dữ liệu của datagram, cùng với các tiêu đề mở rộng khác nếu có: Tiêu đề xác thực, Bảo mật đóng gói, Tải trọng và/hoặc Tùy chọn đích

Ví dụ một gói IPv6 rộng 370 byte, bao gồm tiêu đề IP 40 byte, bốn tiêu đề mở rộng 30 byte và 210 byte dữ liệu Trên thực tế thì không bao giờ phân mảnh gói dữ liệu nhỏ như vậy, tuy nhiên để đơn giản ta ví dụ với con số nhỏ Hai trong số các tiêu đề mở rộng là không thể phân mảnh, trong khi hai tiêu đề có thể phân mảnh Giả sử chúng ta cần gửi nó qua một liên kết với MTU chỉ có 230 byte Yêu cầu trên sẽ được phân thành ba mảnh, không phải hai mảnh, vì cần phải đặt hai tiêu đề mở rộng không thể mở rộng 30 byte trong mỗi đoạn và yêu cầu mỗi đoạn là

độ dài là bội số của 8 Tiến trình phân mảnh gồm:

1 Phân đoạn đầu tiên: sẽ bao gồm 100-byte không thể phân mảnh Phần tiếp theo là một tiêu đề 8 byte (FH) và 120 byte đầu tiên của Fragmentable Một phần của datagram gốc Chúng gồm hai mảnh tiêu đề mở rộng và 60 byte dữ liệu đầu tiên Tức là tổng cộng có khoảng 100 byte

dữ liệu được gửi đi

2 Phân đoạn thứ hai: phần này cũng sẽ chứa Phần không thể phân đoạn 100 byte, tiếp theo là tiêu đề FH và 120 byte dữ liệu (byte 60 đến 179) Còn lại 30 byte dữ liệu

3 Phân đoạn thứ ba: Đoạn cuối cùng sẽ chứa Phần không thể phân đoạn 100 byte, tiêu đề Phân đoạn và 30 byte dữ liệu cuối cùng

Cờ “M” (Nhiều mảnh) sẽ được đặt thành một trong hai đoạn đầu tiên và bằng không, và các giá trị Fragment Offset sẽ được đặt một cách thích hợp

2.3.3.2 Nguyên lý chuyển mạch IP

Điều khiển bộ xử lý định tuyến IP được ghép với chuyển mạch ATM và cho phép chuyển mạch IP như một giao thức của bộ định tuyến IP thông thường và thực hiện truyền gói trên nguyên tắc từng chặng (1)

Khi Luồng dữ liệu lớn xuất hiện giám sát bộ xử lý định tuyến IP sẽ báo hiệu cho luồng truyền trạm kế tiếp phía trên để gán nhãn của một tuyến ảo/ luồng ảo cho các tế bào của luồng

và sau đó sẽ cập nhật vào bảng định tuyến ở chuyển mạch ATM có liên quan Gửi giao thức IFMP tới trạm phát (2) Tiến trình này xảy ra độc lập giữa các cặp chuyển mạch IP phụ thuộc vào tuyến kết nối Nó trở thành nhiệm vụ đơn giản trong kết nối ở các bảng định tuyến chuyển mạch IP Khởi tạo một kết nối có theo các bước trên hình

Nếu luồng đến được biên dịch, nó sẽ gửi tiếp các gói của luồng trên một Kênh ảo rỗi với một nhận dạng kênh ảo (3) Luồng ra có thể giám sát trên cùng một luồng và yêu cầu chuyển mạch IP hiện thời sử dụng một VCI cho nó (4)

Sau đó bộ điều khiển chuyển mạch IP chỉ dẫn chuyển mạch ATM tạo bản đồ cổng cho luồng đó Các số liệu tiếp theo sẽ được chuyển mạch trực tiếp trên phần cứng của chuyển mạch ATM (5)

Hình 2.23 Mô hình kết nối theo chuyển mạch IP Trong khoảng thời gian 60 giây sau khi thiết lập luồng ảo, thì trạng thái của các luồng

ảo sẽ được kiểm tra Nếu không có số liệu truyền qua trong khoảng thời gian đó (time out), thì kênh ảo đó được giải phóng Thời gian kiểm tra tuỳ thuộc vào cấu trúc mạng và thuật toán điều khiển ấn định

Khi sử dụng phương pháp định tuyến IP trên nền mạng ATM dẫn tới một số vấn đề sau:

- Các bộ định tuyến tạo thành điểm nút tắc nghẽn và không thể hỗ trợ lưu lượng ổn định tại tốc độ quá cao, trong khi khả năng của trường chuyển mạch ATM là rất lớn

- Các bảng định tuyến quá lớn và việc truy nhập địa chỉ mất quá nhiều thời gian, vấn đề này có thể cải thiện được nếu sử dụng bảng định tuyến đơn chiều, với sự sắp xếp nhãn theo hình cây, phương pháp tra cứu có sự can thiệp chỉ dẫn của các bảng VPI/VCI trong phần cứng

- Các mạng IP thế hệ sau cần có sự quản lý dải thông, khả năng đáp ứng và QoS mà ATM

có thể hỗ trợ

IP Switch Controller

ATM Switch

Upstream

Node

Downstream Node

1

IP Switch Controller

ATM Switch

Downstream Node

5

4

IP Switch Controller

ATM Switch

Upstream Node

2

3

IP Switch Controller

ATM Switch

Upstream Node

Downstream Node

a) Chế độ hoạt động mặc định b) Gán nhãn theo luồng Upstream

c) Gán nhãn theo luồng Downstream d) Kết nối qua chuyển mạch

- Cần một cách thức đơn giản để hỗ trợ lưu lượng IP phi kết nối qua mạng hướng kết nối

- Báo hiệu và định tuyến trong ATM Forum UNI/NNI được coi là quá phức tạp, cần một giao thức đơn giản mà dễ chấp nhận đối với IP

2.3.4 Chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS

2.3.4.1 Khái niệm về MPLS

Chuyển mạch nhãn đa giao thức Multiprotocol Label Switching (MPLS) là một kỹ thuật mang dữ liệu với hiệu suất cao trên mạng viễn thông Có thể định nghĩa MPLS là một tập các công nghệ mở dựa vào chuẩn Internet mà kết hợp chuyển mạch lớp 2 và định tuyến lớp 3 để chuyển tiếp gói tin bằng cách sử dụng các nhãn ngắn có chiều dài cố định

2.3.4.2 Cách thức hoạt động của MPLS

MPLS có thể được xem như là một tập các công nghệ hoạt động cùng nhau để phân phát gói tin từ nguồn tới đích một cách hiệu quả và có thể điều khiển được Nó sử dụng các đường chuyển mạch nhãn LSP để chuyển tiếp ở lớp 2 mà đã được thiết lập báo hiệu bởi các giao thức định tuyến lớp 3

“Công nghệ lớp 2.5” là một cách nhìn về MPLS Hình sau trình bày MPLS được xem như

là một “ lớp chèn” mà tự đặt nó vào giữa lớp mạng và lớp liên kết dữ liệu

Lớp 4 – 7 (Lớp truyền tải, phiên, trình diễn, ứng dụng) Lớp 3 (lớp mạng)

Lớp 2.5 (MPLS) Lớp 2 (liên kết dữ liệu) Lớp 1 (lớp vật lý)

Hình 2.24 Lớp chèn MPLS

Mô hình này ban đầu xuất hiện như là một mô hình không đồng nhất với OSI, mô hình này chỉ ra rằng MPLS không phải là một lớp mới riêng, mà nó là một phần ảo của mặt phẳng điều khiển ở dưới lớp mạng với mặt phẳng chuyển tiếp ở đỉnh của lớp liên kết dữ liệu MPLS không phải là một giao thức tầng mạng mới bởi vì nó không có khả năng tự định tuyến hoặc có

sơ đồ địa chỉ, mà yêu cầu phải có trong giao thức lớp 3 MPLS sử dụng các giao thức định tuyến

và cách đánh địa chỉ của IP (với sự điều chỉnh và mở rộng cần thiết) MPLS cũng không phải là một giao thức tầng liên kết dữ liệu bởi vì nó được thiết kế để hoạt động trong nhiều công nghệ liên kết dữ liệu phổ biến mà cung cấp yêu cầu chức năng và địa chỉ lớp 2

2.3.4.3 Tiêu đề MPLS

MPLS định nghĩa một tiêu đề có độ dài 32 bit và được tạo nên tại Router chuyển mạch nhãn (LSR – Label Switching Router) đầu vào Nó phải được đặt ngay sau tiêu đề lớp 2 bất kì và trước một tiêu đề lớp 3 Ở đây là IP và được sử dụng bởi LSR vào (Ingress LSR) để xác định một lớp chuyển tiếp tương đương (FEC - Forwarding Equivalence Class) Lớp này sẽ được xét trong vấn đề tạo nhãn, sau đó các nhãn được xử lý bởi LSR chuyển tiếp Khuôn dạng và tiêu đề MPLS được chỉ ra trong hình 2.25 Nó bao gồm các trường sau:

Nhãn: Giá trị nhãn (Label value)20 bits, giá trị này chứa nhãn MPLS Là một số trong khoảng 16 - 1.048.575 = 220(các gói tin được thiết bị gán nhãn từ 1024 - 499.999)

Exp: thử nghiệm sử dụng 3 bits Theo mặc định, một thiết bị sử dụng trường EXP để xác định giá trị của dịch vụ lớp (CoS) để ưu tiên các gói đi qua LSP

S: cuối cùng của ngăn xếp (Bottom of Stack), 1 bit, sử dụng sắp xếp đa nhãn Trường S cho biết nhãn này là nhãn cuối cùng (cũ nhất) trong ngăn xếp Khi nhãn là nhãn cuối cùng trong ngăn xếp, trường S được đặt thành 1 Nếu không, trường S được đặt thành 0

TTL: Thời gian sống cho một gói MPLS, 8 bit, đặt ra một giới hạn mà các gói MPLS có thể đi qua Ban đầu giá trị của nó là 255 sau mỗi chặng (router) giá trị của nó giảm đi 1 Khi giảm tới 0 gói tin bị loại bỏ