ĐIỆN tử VIỄN THÔNG c4 kỹ thuật chuyển mạch gói 2 khotailieu

Vai trò, vị trí của hệ thống chuyển mạch gói • Mạng chuyển mạch gói: các nút chuyển mạch gói • Một hệ thống chuyển mạch gói: là thiết bị switch, bộ định tuyến trong mạng IP, thiết bị chu

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG CHUYỂN MẠCH KÊNH

CHƯƠNG 3:

HỆ THỐNG CHUYỂN MẠCH GÓI

Vai trò, vị trí của hệ thống chuyển mạch gói

• Mạng chuyển mạch gói: các nút chuyển mạch gói

• Một hệ thống chuyển mạch gói: là thiết bị switch, bộ định tuyến trong mạng IP, thiết bị chuyển mạch ATM hay Frame Relay trong các mạng tương ứng

Vị trí

Các hệ thống chuyển mạch ở mức truy nhập

– có nhiều giao diện với các loại mạng khác nhau.

– khả năng hỗ trợ QoS cho dịch vụ

ATM Switching

• Point-to-Point Links Interconnect Switches

• Closer to Internet topology

• Don’t connect shared-media segments

Host A

Switch C

Switch D

Switch B

Switch E

Host F

ATM Switching (2)

• Big difference with Internet routing: ATM

uses virtual circuits to route packets

• Packet switching, but with fixed-length

cells

• 48 bytes + 5 bytes header

• Why fixed-length cells?

• Optimized hardware in switch can get

higher throughput

• Why 48 bytes?

• Europe and US couldn’t agree, one wanted

64 bytes and another 32 bytes, so they split the difference

ATM Adaptation Layer 3/4

• Due to small packet sizes, need a layer

above ATM to fragment and reassemble long packets

• ATM Adaptation Layer (AAL) 3/4

• IP packets can be encapsulated in ATM

packets: IP over ATM

• ATM operates as a part of Internet backbone

• Since ATM is network layer protocol, then still

need link layer – SONET, e.g encapsulate IP over ATM over SONET

• too much overhead!

Virtual Circuit Routing

• Create a virtual circuit path across an

interconnected mesh of switches

• Each packet is labeled with a virtual circuit ID

in its header

Host A

Switch C

Switch D

Switch B

Switch E

Host F

Virtual Circuit Routing (2)

• Each node chooses an unused VC number

on a leg of circuit

• Each switch maintains a routing table

mapping VC on input interface to VC on output interface

Host A

Switch C

Switch D

Switch B

Switch E

Host F7

Virtual Circuit Routing (3)

Host A

Switch C

Switch D

Switch B

Switch E

Switch B Routing Table

Any cell with VCI=7 from A

Is (1) relabeled with VCI=88(2) Then routed onto E interface

Virtual Circuit Routing (4)

Host A

Switch C

Switch D

Switch B

Switch E

Switch E Routing Table

Any cell with VCI=88 from B

Is (1) relabeled with VCI=10(2) Then routed onto F interface

VC’s have local scope

www.ptit.edu Trang 14

Setting up VC Routing Tables

• Permanent Virtual Circuits (PVC) are set up

by a network administrator

• Switched Virtual Circuits (SVC) are set up

by sending control signals into the network

• Send setup message with dest address

• Assume for now that switches can determine

the best outgoing interface to forward a setup packet on when the setup packet arrives

• As setup message courses through network,

each switch picks its incoming VCI (an unused

#)

• When setup msg reaches destination, send

acknowledgment back along same path, so each upstream switch knows VCI chosen by

Một số hệ thống (tiếp)

– Tra cứu địa chỉ MAC đích trong bảng chuyển tiếp để xác định

cổng ra

• Nếu tìm được, chuyển ra cổng

• Nếu không tìm được, phát quảng bá ra tất cả các cổng

– Xác định địa chỉ MAC nguồn từ khung gửi đến để xây dựng

bảng chuyển tiếp.

– Chuyển khung ra cổng ra– Truyền khung ra đường truyền

Ethernet Switches

• Essentially, the same as bridges, with

support for many more interfaces:

• Still forward frames based on destination

address

• Still construct forwarding table based on

source address

• Special routing fabric to speed frame routing

from input interface to output interface

80/20 Rule

• Position a bridge so that

• 80% of traffic on a segment is local

• 20% is forwarded

• Higher throughput, because each LAN has

its own conversation

• Example: place users of Server 1 on same

LAN Server 1 could be a file/Web server

Server 2Server 1

Why Not Bridge Ethernet Indefinitely?

• Couldn’t really bridge cross-country

• Delay accumulates in each bridge

• Many bridges, due to small segment sizes

• Many different types of LAN’s, e.g Token

Ring and FDDI, with completely different addressing schemes

Ethernet Ethernet

…?

Kiến trúc chức năng

Kiến trúc chức năng (tiếp)

Kiến trúc chức năng (tiếp)

• Gồm các phần cơ bản sau:

– Các giao diện vào/ra kết nối với các mạng bên ngoài – Các bộ xử lý điều khiển các hoạt động định tuyến, quản lý, báo hiệu, lập lịch, giao tiếp với người quản trị…

– Các kết nối bên trong, hay còn gọi là trường chuyển mạch, để chuyển các gói tin từ các cổng vào đến các cổng ra.

Chức năng

Chức năng

• Hỗ trợ kỹ thuật lưu lượng (Traffic Engineering)

• Có khả năng kết nối đến nhiều loại mạng khác nhau (PSTN, ATM, Frame Relay…)

• Giao tiếp với người sử dụng

Quá trình chuyển gói tin qua Hệ thống

• Nhận gói tin từ cổng vào, nó sẽ kiểm tra tiêu đề gói tin IP (kiểm tra các trường protocol version, header length, packet length, and header checksum)

• Kiểm tra trường Thời gian sống (Time to Live-TTL) của gói tin: khi trường TTL giảm đến 0, gói tin sẽ bị hủy và bản tin ICMP thông báo giá trị TTL đã bị vượt quá sẽ được gửi cho phía phát

• Xem xét địa chỉ IP đích của gói tin để tra cứu bảng định tuyến

• Quyết định chuyển tiếp gói tin qua việc thực hiện phân loại gói tin để điều khiển QoS và hạn chế truy cập

• Gắn thêm phần tiêu đề lớp Liên kết dữ liệu và chuyển ra cổng ra.

Faster and faster

Yêu cầu về thiết kế hệ thống

• Hiệu năng chuyển gói: chuyển gói với tốc độ cao

(hàng trăm triệu p/s)

• Khả năng mở rộng: tính kế thừa, tính hoạt động

liên tục của hệ thống.

• Đảm bảo QoS: hỗ trợ các dịch vụ khác nhau qua

các cơ chế: DiffServ, lọc gói, kiểm soát gói, giới hạn tốc độ, giám sát lưu lượng.

Độ sẵn sàng cao:

Cơ chế dự phòng phần cứng và phần mềm được thiết

kế theo kiểu modul

Cho phép các phần cứng có thể thay thế được, phần mềm nâng cấp được trong quá trình khai thác

Khó khăn

• Tốc độ bộ nhớ:

– Tốc độ tổng cộng của một cổng vào ra của bộ nhớ tại cổng chuyển mạch có thể lên tới trên 100Gbit/giây Giả sử kích thước gói tin là khoảng 40byte, thời gian cho phép của mỗi gói tin trong bộ nhớ đệm

ở mỗi cổng phải < 2,5ns Đây là một thách thức lớn với công nghệ

về bộ nhớ

• Bộ phân xử khi có xung đột gói ở cổng ra:

– Giả sử một cổng chuyển mạch có tốc độ 40Gbit/giây, gói tin 40byte, đường kết nối trong trường chuyển mạch có tốc độ gấp đôi → bộ giải quyết xung đột chỉ có 40ns để xử lý.

• Điều khiển QoS:

– Khi tốc độ đầu vào của hệ thống tăng, việc thực thi các công việc như kiểm soát/định dạng luồng gói tin ở cổng vào và quản lí bộ đệm (các chính sách loại bỏ gói), lập lịch gói tin ở cổng ra (để đảm bảo yêu cầu QoS cho mỗi luồng hay mỗi lớp dịch vụ) trở nên rất khó

Hệ thống định tuyến IP tốc độ cao

• Kiến trúc cơ bản (tập trung)

Trường chuyển mạch

Giao diện vào/ra

Giao diện vào/ra

Giao diện vào/ra

Bộ điều khiển quản lí

Bộ điều khiển

tuyến

Khối thực hiện chuyển gói

Khối thực hiện chuyển gói

Khối thực hiện chuyển gói

Chuyên môn hóa chức năng

Kiến trúc cơ bản (phân tán)

Giao diện vào ra

Khối thực hiện chuyển gói

Giao diện vào ra

Khối thực hiện chuyển gói

Giao diện vào ra

Khối thực hiện chuyển gói

Trường chuyển mạch

Giao diện vào ra

Khối thực hiện chuyển gói

Giao diện vào ra

Khối thực hiện chuyển gói

Giao diện vào ra

Khối thực hiện chuyển gói

Bộ điều khiển tuyến

Bộ điều khiển quản lí

CPU Bộ nhớ Bộ nhớ

Card I/O N

Trường chuyển mạch

Điều khiển bộ định tuyến

Điều khiển quản lý

Khối quản lí lưu lượng (TM)

• Điều khiển truy nhập lưu lượng bao gồm các cơ chế và kỹ thuật như:

(1) Xác định các yêu cầu dịch vụ và đặc tính lưu lượng (vd: như tốc độ đỉnh,

giới hạn trễ, khả năng chịu lỗi) của luồng dữ liệu;

(2) Định dạng (shape) các luồng dữ liệu (vd: giảm tốc độ và/hoặc mức độ

bùng nổ-burstiness);

(3) Kiểm soát các luồng dữ liệu và thực hiện các điều chỉnh cần thiết khi lưu

lượng không tuân theo quy định (vd: như loại bỏ, tăng độ trễ hoặc đánh dấu các gói tin);

• Quản lí bộ đệm

– Thực hiện các chức năng loại bỏ gói khi số gói tin trong bộ đệm vượt quá một ngưỡng nhất định, dựa trên các yêu cầu mất gói tin và độ ưu tiên của gói tin

– Các cơ chế được đề xuất sử dụng cho quản lí bộ đệm gồm:

• Loại bỏ gói sớm (EPD- Early Packet Discard).

• Loại bỏ gói sớm ngẫu nhiên (REPD- Random Early Packet Discard)

• Loại bỏ gói sớm ngẫu nhiên theo trọng số (WREPD- Weighted Random Early Packet Discard).

• Loại bỏ gói một phần (PPD-Partial Packet Discard)

Khối TM (tiếp)

• Lập lịch gói tin:

– Đảm bảo các gói tin được truyền dẫn đáp ứng các yêu cầu về

độ trễ, tốc độ được cấp phát cho mỗi kết nối.

– Các cơ chế lập lịch được đề xuất:

• Kiểu vòng (round robin),

• Xếp hàng công bằng theo trọng số (WFQ-Weighted Fair Queuing)

• Các biến thể của xếp hàng như worst-case fairness WFQ (WF2 Q+)

• Ngoài ra: nhiều các kĩ thuật, thuật toán, kiến trúc khác nhau cho điều khiển QoS được sử dụng trong TM Khối TM có thể quản lí nhiều bộ đệm để xử lí các xung đột giữa các đầu vào của trường chuyển mạch

Bộ định tuyến thực tế

Kiến trúc bộ định tuyến lai (thế hệ 4)-100 Tbit/s

Bộ định tuyến 100 Tbit/s thực tế

Một số phương pháp nâng cao dung lượng hệ thống

• Tăng tốc độ tìm kiếm bảng định tuyến:

– Thời gian tìm kiếm được quyết định bởi số lần truy cập bộ nhớ

để xác định được cổng ra và tốc độ của bộ nhớ.

Ví dụ, nếu một thuật toán thực hiện 8 lần truy cập bộ nhớ và cổng vào có bộ nhớ với tốc độ truy cập là 60ns, thời gian để xác định được 1 tuyến sẽ là 480ns (khoảng 2 triệu lần tìm kiếm tuyến/giây)

– Thiết kế các cấu trúc dữ liệu cho bảng định tuyến

– Các kỹ thuật cải tiến phần cứng

• Các giải pháp theo hướng này dựa trên các bộ nhớ CAM (content-addressable memories)và các bộ nhớ caches

– Các kỹ thuật thu gọn bảng

– Các kỹ thuật băm (hashing)

Một số phương pháp nâng cao dung lượng hệ thống

• Cải tiến trường chuyển mạch: quang

Hệ thống T640 TX-Matrix của Juniper

• Gồm:

– 4 nút định tuyến T640 và một ma trận định tuyến TX kết nối các nút với nhau thông qua truờng chuyển mạch Clos 3 tầng để tạo thành một bộ định tuyến với dung lượng lên tới 2.5 Terabits

Kiến trúc nút định tuyến T640

Các mặt phẳng trường chuyển mạch của T640

Hệ thống Carrier Routing System

CRS-1 của Cisco

Trường chuyển mạch 3 tầng

của CSR-1

Một số

Bộ định tuyến biên và lõi thông dụng

Cisco GSR 12416

Juniper M160

Bài tập

1 Cấu trúc tế bào ATM tại giao diện UNI và NNI

2 Các khái niệm VPI,VCI,VCC trong hệ thống chuyển mạch ATM.

3 Trình bày các thông tin trong bảng định tuyến RIT của hệ thống chuyển mạch ATM

4 Trình bày chức năng của LER và LSR trong mạng MPLS

5 Chuyển mạch ATM được thiết kế có thể kết nối 20 STM-4, RIT được thiết kế tại các giao diện đầu vào Tính tốc độ tìm kiếm của RIT?

6 Tế bào ATM được đóng gói thành các frames để chuyển qua cơ cấu chuyển mạch Cấu trúc của 1 frame bao gồm 53 octet cho trường tải tin và 3 octet trong phần mào đầu để định tuyến và điểu khiển khi đi vào cơ cấu chuyển mạch Tính thông lượng (throughput) yêu cầu của cơ cấu chuyển mạch?

Bài tập 7

• Cho bảng chuyển tiếp gói tin dưới đây:

a Vẽ cây nhị phân biểu diễn các prefix trên?

b Chuyển cây nhị phân biểu diễn ở trên sang cây nén đường (path-compressed trie)?

c Tìm tiền tố ánh xạ tốt nhất (BMP) trong cây phần b của địa chỉ bắt đầu với mô hình bit là 11101110 Từ đó xác định nút kế tiếp để chuyển tiếp gói tin.

Chương 4: Đánh giá độ tin cậy hệ thống

• Độ tin cậy và các tham số liên quan

• Các mô hình phân tích đánh giá độ tin cậy

• Mô hình Markov và ứng dụng

• Phân tích và đánh giá hệ thống chuyển mạch số

Mục đích phân tích độ tin cậy

• Định lượng được độ tin cậy của hệ thống, so sánh với những mục tiêu đặt ra

• Nghiên cứu kiến trúc của hệ thống ở góc độ về độ tin cậy, đề xuất những cải tiến đối với kiến trúc hiện có nếu thấy kém tin cậy

• Hiểu rõ sự tương tác giữa các chức năng phần cứng

và phần mềm có liên quan đến việc chuẩn đoán khôi phục hệ thống, các phương pháp sửa chữa

Các kỹ thuật đánh giá độ tin cậy HT

• Phân tích cây lỗi (ít được sử dụng)

• Phân tích sơ đồ khối độ tin cậy: nối tiếp, song song

• Phân tích dựa trên chuỗi Markov: trạng thái của hệ thống và các chuyển dịch (transitions)

Độ tin cậy và các tham số

• Độ tin cậy của hệ thống:

– Là xác suất làm việc không hỏng của hệ thống trong quá trình hoạt động (3min/year; 2h/40 years)

– Liên quan với chất lượng hoạt động của hệ thống.

• Các tiến trình cơ bản trong mô hình đánh giá độ tin cậy:

Các tham số liên quan

• Tỷ lệ hỏng (cường độ hỏng) – Failure rate: là tỷ số giữa hỏng hóc xảy

ra trong một đơn vị thời gian ứng với thời điểm khảo sát với số hệ thống còn lại làm việc tốt cho tới thời điểm đó

• Thời gian trung bình dẫn đến sai hỏng – MTTF: là khoảng thời gian trung bình từ lúc hoạt động cho đến lúc hỏng hóc.

• Thời gian trung bình giữa các sai hỏng - MTBF: tính theo đơn vị thời gian là giờ hoặc năm (công thức 4.11).

• Thời gian sửa chữa trung bình - MTTR: bằng tổng thời gian hoạt động bảo trì sửa chữa chia cho tổng số hoạt động bảo trì sửa chữa trong suốt một chu kỳ thời gian cho trước

• Chu kỳ bảo dưỡng kỹ thuật là khoảng thời gian giữa hai lần tiến hành bảo dưỡng (công thức 4.15).

• Độ khả dụng (Availability):

– Khuyến nghị M.60 (1988) và G.911 (3/1993)

– Độ khả dụng của mạng là khả năng thực hiện các chức năng yêu cầu tại thời điểm quy định hoặc tại thời điểm bất kỳ trong khoảng thời gian quy định với giả thiết là các điều kiện hoạt động được đáp ứng theo yêu cầu (công thức 4.16)

Bài tập 1

• Một thiết bị PABX có tỷ lệ sai hỏng 10000 FIT và độ tin cậy 0.95 Anh/chị xác định thời gian sửa chữa trung bình và chu kỳ bảo dưỡng kỹ thuật cho thiết bị đó?

Các mô hình phân tích đánh giá độ tin cậy

Mô hình phân tích (tiếp)

• Mô hình hệ thống phân chia tải (m/n)

– Độ tin cậy (công thức 4.28) (P.94) – Ví dụ 4.2 (P.95)

Bài tập 2

Bài tập 2

Bài tập 2

Bài tập 2

Bài tập 3

Mô hình Markov và ứng dụng

• Chuỗi Markov rời rạc theo thời gian

Chuỗi Markov rời rạc theo thời gian

Chuỗi Markov liên tục theo thời gian

Chuỗi Markov liên tục theo thời gian

Ứng dụng

Bài tập 4

Bài tập 4

Bài tập 4