BÁO cáo đồ án môn học MẠNG VIỄN THÔNG MẠNG CHUYỂN MẠCH (CIRCUIT SWITCHED NETWORK)

Trong quá trình lịch sử phát triển của lĩnh vực kỹ thuật truyền và chuyển mạch các dạng thông tin điện nhiều công nghệ chuyển mạch đã được áp dụng như các thế hệ chuyển mạch nhân công, c

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN TP.HCM

KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG 

BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC

MẠNG VIỄN THÔNG

HK2 - NĂM HỌC: 2020-2021

MẠNG CHUYỂN MẠCH (CIRCUIT-SWITCHED NETWORK)

Nguyễn Tiến Lộc

Đoàn Ngọc Quang

Trương Hoàng Hào

Nguyễn Văn Quang

TP.HCM – 5/2021

MỤC LỤC

PHẦN 1: GIỚI THIỆU CHUNG 3

I Kỹ thuật chuyển mạch 3

II Định nghĩa chuyển mạch 3

PHẦN 2: CHUYỂN MẠCH GÓI (PACKET SWITCHING) 4

I Định nghĩa 4

II Nguyên tắc cơ bản 4

III Ưu và nhược điểm 7

PHẦN 3: CHUYỂN MẠCH KÊNH (CIRCUIT SWITCHING) 8

I Định nghĩa 8

II Nguyên tắc cơ bản 8

III Đặc điểm 9

IV Ưu và nhược điểm 9

PHẦN 4: SO SÁNH CHUYỂN MẠCH GÓI VÀ CHUYỂN MẠCH KÊNH 10

PHẦN 5: CHUYỂN MẠCH QUANG 12

I Định nghĩa 12

II Chuyển mạch chùm quang 12

PHẦN 6: KỸ THUẬT CHUYỂN MẠCH 15

I Kỹ thuật chuyển mạch gói 15

II Kỹ thuật chuyển mạch kênh 16

TÀI LIỆU THAM KHẢO 17

PHẦN I GIỚI THIỆU CHUNG

I. Kỹ thuật chuyển mạch

Kỹ thuật chuyển mạch là một lĩnh vực tìm hiểu, nghiên cứu các phương thức chuyển mạch, định hướng thông tin từ nguồn tin đến đích nhận tin một cách chính xác, hiệu quả, nhằm đảm bảo chất lượng dịch vụ cao, tạo cơ sở tổ chức mạng viễn thông linh hoạt, đa năng và tạo nhiều tiện ích cho người sử dụng

Trong quá trình lịch sử phát triển của lĩnh vực kỹ thuật truyền và chuyển mạch các dạng thông tin điện nhiều công nghệ chuyển mạch đã được áp dụng như các thế hệ chuyển mạch nhân công, các loại tổng đài chuyển mạch hệ cơ điện, các tổng đài chuẩn điện tử, các tổng đài điện tử với các loại phần tử chuyển mạch khác nhau như ma trận chuyển mạch tương tự, các chuyển mạch số và trong tương lai là chuyển mạch quang

… Các nguyên lý chuyển mạch khác nhau cũng lần lượt thay thế nhau và kết hợp với nhau trong các trung tâm chuyển mạch của các mạng viễn thông như nguyên lý phân kênh không gian, nguyên lý chuyển mạch thời gian tương tự (chuyển mạch PAM), chuyển mạch số đối với các tín hiệu điều chế xung mã ghép kênh đồng bộ (chuyển mạch PCM), chuyển mạch đối với các thông tin số dạng gói Kỹ thuật chuyển mạch thường kết hợp với các lĩnh vực kỹ thuật công nghệ khác trong một cấu trúc thiết bị hoặc hệ thống các thiết bị hoàn chỉnh như kỹ thuật điều khiển, kỹ thuật

xử lý các quá trình ngẫu nhiên, kỹ thuật điện-điện tử và chế tạo linh kiện, kỹ thuật truyền dẫn, báo hiệu và xử lý báo hiệu Nhìn chung, mỗi trung tâm chuyển mạch là một hệ thống hoàn chỉnh, rất phức tạp và là sự kết hợp của nhiều lĩnh vực kỹ thuật

mà trong đó kỹ thuật chuyển mạch là nền tảng

AI. Định nghĩa chuyển mạch

Chuyển mạch là một quá trình thực hiện đấu nối và chuyển thông tin cho người sử dụng thông qua hạ tầng mạng viễn thông 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

Như vậy, theo khía cạnh thông thường khái niệm chuyển mạch gắn liền với lớp mạng và lớp liên kết dữ liệu trong mô hình OSI của Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế ISO

Hình 1.1 Kỹ thuật chuyển mạch (Switching

Engineering) Các hệ thống chuyển mạch cấu thành mạng chuyển mạch, ta có hai dạng

chuyển mạch cơ bản: Chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói

PHẦN II CHUYỂN MẠCH GÓI

I. Định nghĩa

Là một loại kỹ thuật gửi dữ liệu từ máy tính nguồn đến máy tính đích qua

mạng dùng một loại giao thức thỏa mãn 3 điều kiện sau:

 Dữ liệu cần vận chuyển chia nhỏ ra thành các gói (hay khung) có kích

thước (size) và định dạng (format) xác định

 Mỗi gói sẽ được chuyển riêng rẽ và có thể đến nơi nhận bằng các đường

truyền (router) khác nhau Như vậy chúng có thể dịch chuyển trong vùng thời gian

 Khi toàn bộ các gói dữ liệu đã đến nơi nhận thì chúng sẽ được hợp lại

thành dữ liệu ban đầu

Đặc điểm chính của chuyển mạch gói là sử dụng phương pháp kết hợp tuyến truyền dẫn theo yêu cầu Mỗi gói được truyền thông tin đi ngay sau khi đường thông tin tương ứng rỗi Nhu vậy các đường truyền dẫn có thể phối hợp sử dụng một số lớn các nguồn tương đối ít hoạt động

AI. Nguyên tắc cơ bản

1) Khái quát chung

Trong kỹ thuật chuyển mạch gói, nguyên tắc hoạt động có thể được vắn tắc như sau:

Khối dữ liệu cần phát sẽ được phân bố vào các gói nhỏ và được truyền đi trên mạng Trong các gói này, ngoài dữ liệu còn có thêm vài tin tức điều khiển mà mạng yêu cầu để có thể định tuyến cho gói đi xuyên qua mạng đến đích Nhằm đảm bảo việc chuyển dữ liệu dạt yêu cầu, mỗi mạng đều tuân thủ các chế độ làm việc nhất định Có 2 chế độ làm việc căn bản trong mạng chuyển mạch gói, đó là chế độ không tạo cầu (Datagram) và chuyển mạch kênh ảo VC (Virtual Circuit)

Hình 2.1 Chuyển mạch Datagram và Chuyển mạch

kênh ảo

2) Chuyển mạch gói (datagram)

Chuyển mạch datagram cung cấp cho các dịch vụ không yêu cầu thời gian thực,việc chuyển các gói tin phụ thuộc vào các giao thức lớp cao hoặc đường liên kết dữ liệu.

Là kỹ thuật chuyển mạch mà các gói tin đi theo các đường khác nhau từ nguồn tới đích mà không phụ thuộc lẫn nhau Các gói tin có thể đến không theo thứ

tự, chúng sẽ được lưu đệm và sắp xếp lại tại đích

Hình 2.2 Mạch không tại cầu nối Datagram

 Đặc điểm:

Mỗi gói sẽ được sử lý độc lập và đi theo bất kì đường thích hợp nào Đường

đi của các gói không giống nhau

Các gói tin có thể đến đích không theo thứ tự, chúng sẽ được sắp xếp lại tại

đích

Khi 1 node bị hư tạm thời, các gói đang chờ tại node đó sẽ bị mất Bên nhận

sẽ phải phát hiện các gói hư mất và sử lý tương úng

 Ưu điểm:

Chuyển mạch datagram cho phép lựa chọn các con đường tới đích nhanh

nhất đáp ứng các thay đổi nhanh của mạng Không cần giai đoạn thiết lập kết nối, thích hợp đối với dạng dữ liệu có lưu lượng thấp và thời gian tồn tại ngắn Đồng thời

nó có khả năng định tuyến lại một phần tử mạng có sự cố

 Nhược điểm:

Nếu một gói tin bị mất coi như là không thành công, các thông tin về trễ sẽ không được đảm bảo cũng như các hiện tượng lặp gói, mất gói cũng dễ dàng xảy ra

đối với kiểu chuyển mạch này Các datagram phải chứa toàn bộ các thông tin về địa

chỉ đích và các yêu cầu của lớp dịch vụ phía trên được thể hiện trong tiêu đề, vì vậy

tiêu đề của datagram là khá lớn.

3) Chuyển mạch kênh ảo

Chuyển mạch kênh ảo yêu cầu giai đoạn thiết lập tuyến giữa thiết bị gởi và thiết bị nhận thông tin một kênh ảo được hình thành giữa các thiết bị trong đường dẫn chuyển mạch, kênh ảo là kênh chỉ được xác định khi có dữ liệu truyền qua và không phụ thuộc vào logic thời gian

Hình 2.3 Cầu mạch ảo (VC)

Đường đi được tạo trước khi gởi các gói dữ liệu Các gói yêu cầu cuộc gọi và chấp nhận cuộc gọi được dùng để tạo kết nối Mỗi đường đi được gán một ID Mỗi gói chứa ID của đường đi thay vì địa chỉ máy đích Không cần tìm đường cho từng gói và đường đi không giành riêng cho từng gói

 Đặc điểm :

Đường đi được định trước khi gửi các gói dữ liệu Đường đi là cố định cho

mỗi phiên giao dịch

Các gói điều khiển được dùng để tạo kết nối

Mỗi đường đi được gán một ID Mỗi gói chứa ID của đường đi thay vì địa

chỉ máy đích

Không cần tìm đường cho từng gói và đường đi không giành riêng cho từng

gói

 Ưu điểm :

Tuyến được thiết lập cho toàn bộ các gói tin nên độ hữu dụng của gói cao hơn và phù hợp truyền các bản tin dài Thứ tự và thời gian trễ lan truyền được khống chế Nếu kênh ảo có lỗi hoặc hỏng, các hệ thống định tuyến sẽ tìm một đường khác thay thế

 Nhược điểm :

Nó cần thiết lập các pha

BI. Ưu và nhược điểm

1) Ưu điểm

 Mềm dẻo và hiệu suất truyền tin cao: Hiệu suất sử dụng đường truyền rất cao vì trong chuyển mạch gói không có khái niệm kênh cố định và dành riêng, mỗi đường truyền giữa các node có thể được các trạm cùng chia sẻ cho để truyền tin, các gói tin sắp hàng và truyền theo tốc độ rất nhanh trên đường truyền

 Khả năng truyền ưu tiên: Chuyển mạch gói còn có thể sắp thứ tự cho

các gói để có thể truyền đi theo mức độ ưu tiên Trong chuyển mạch gói số cuộc gọi

bị từ chối ít hơn nhưng phải chấp nhận một nhược điểm vi thời gian trễ sẽ tăng lên

 Khả năng cung cấp nhiều dịch vụ thoại và phi thoại

 Thích nghi tốt nếu như có lỗi xảy ra: Đặc tính này có được là nhờ khả năng định

tuyến động của mạng.

2) Nhược điểm

 Các gói không có kích thước cố định mà phụ thuộc vào kích thước của bản tin cần truyền

 Trễ lớn nên ko dùng trong các dịch vụ thời gian thực được

 Tốc độ truyền không cao

 Độ tin cậy của mạng gói không cao, dễ xảy ra tắc nghẽn, lỗi mất bản tin

 Tính đa đường có thể gây ra lặp bản tin, làm tăng lưu lượng mạng không cần thiết

PHẦN III CHUYỂN MẠCH KÊNH

I. Khái niệm

Chuyển mạch kênh được hiểu là kỹ thuật chuyển mạch đảm bảo việc thiết lập các đường truyền dẫn dành riêng cho việc truyền tin của một quá trình thông tin giữa hai hay nhiều thuê bao khác nhau

Chuyển mạch kênh được ứng dụng cho việc liên lạc một cách tức thời mà ở

đó quá trình chuyển mạch được thực hiện một cách không tạo cảm giác về sự chậm trễ (tính thời gian thực)

Chuyển mạch kênh tín hiệu số là quá trình kết nối, trao đổi thông tin các khe thời gian giữa một số đoạn của tuyến truyền dẫn TDM số

Một đặc trưng nổi bật của kĩ thuật này là hai trạm muốn trao đổi thông tin với

nhau thì giữa chúng sẽ được thiết lập một “ kênh” (circuit) cố định, kênh kết nối này

được duy trì và dành riêng cho hai trạm cho tới khi cuộc truyền tin kết thúc Thông tin

cuộc gọi là trong suốt Quá trình thiết lập cuộc gọi tiến hành gồm 3 giai đoạn:

 Giai đoạn thiết lập kêt nối: Thực chất quá trình này là liên kết các

tuyến giữa các trạm trên mạng thành một tuyến (kênh) duy nhất dành riêng cho cuộc gọi Kênh này đối với PSTN là 64kb/s (do bộ mã hóa PCM có tốc độ lấy mẫu tiếng

nói 8kb/s và được mã hóa 8 bit)

 Giai đoạn truyền tin: Thông tin cuộc gọi là trong suốt Sự trong suốt thể

hiện qua hai yếu tố: thông tin không bị thay đổi khi truyền qua mạng và độ trễ nhỏ

 Giai đoạn giải phóng (huỷ bỏ) kết nối: Sau khi cuộc gọi kết thúc,

kênh sẽ được giải phóng để phục vụ cho các cuộc gọi khác

AI. Nguyên tắc cơ bản

Mạng chuyển mạch có thể bao gồm nhiều nút (hay trạm nối dây) Mỗi nút và mỗi đầu cuối đều được địa chỉ hoá

Nguồn gửi thông tin sẽ yêu cầu nối mạng tới một địa chỉ đích

Các nút mạng sẽ tự động tìm ra các nút trung gian để nối thành một mạch dẫn từ nguồn tới đích một cách liên tục theo thuật toán đã định sẵn (quá trình này sẽ lâu hơn nếu hai máy nguồn và máy đích cách nhau qua nhiều nút trung gian hơn) Trường hợp một trong các nút trung gian không thể hoàn tất việc nối mạch thì tín hiệu bận (busy) có thể được chuyển về từ nút đó

Trong thực tế, mỗi nút đều có sẵn một bảng ghi nhận các địa chỉ và các nút tương ứng gọi là bảng chuyển tiếp (forwarding table) Bảng này được cập nhật mỗi khi có thêm nút mới hay địa chỉ mới Do đó, các nút chỉ việc yêu cầu nối dây với đường ra thích hợp dựa vào bảng này mỗi khi có lệnh thiết lập đường nối từ ngõ vào tới một địa chỉ bất kì

Nếu máy đích chấp thuận, và việc nối mạch với máy đích hoàn tất thì tín hiệu thông mạch (hay tính hiệu chấp thuận) sẽ được trả về Ngược lại tín hiệu hết thời lượng (timeout) sẽ được gửi về máy chủ.

Máy chủ bắt đầu trao đổi thông tin hay hủy bỏ việc trao đổi Các nút mạng cũng sẽ tự hủy bỏ đường nối, giải phóng các nút cho các yêu cầu nối-chuyển khác

BI. Đặc điểm

Độ tin cậy rất cao: một khi đường nối đã hoàn tất thì sự thất thoát tín hiệu gần như không đáng kể

Băng thông cố định Đối với kiểu nối này thì vận tốc chuyển thông tin là một hằng số và chỉ phụ thuộc vào đặc tính vật lý cũng như các thông số cài đặt của các thiết bị

Có thể dùng kỹ thuật này vào những nơi cần vận tốc chuyển dữ liệu cao hoặc nơi nào cần truy nhập dữ liệu với thời gian thực (realtime data access)

Tuy nhiên, các vận chuyển này sẽ lấy nhiều tài nguyên và chúng được cấp cho một đường nối dây cho tới khi dùng xong hay có lệnh hủy Nói cách khác, các đường nối

dữ liệu nếu trong thời gian mở đường nối mà gặp phải các nút đều đang bận dùng cho đường nối trước đó thì buộc phải đợi cho tới khi các nút này được giải phóng

IV Ưu và nhược điểm

1) Ưu điểm

Chất lượng đường truyền tốt, ổn định, có độ trễ nhỏ Các thiết bị mạng của

chuyển mạch kênh đơn giản, có tính ổn định cao, chống nhiễu tốt

2) Nhược điểm

Sử dụng băng thông không hiệu quả: Tính không hiệu quả này thể hiện qua hai yếu tố Thứ nhất, độ rộng băng thông cố định 64k/s Thứ hai là kênh là dành riêng cho một cuộc gọi nhất định Như vậy, ngay cả khi tín hiệu thoại là “lặng” (không có

dữ liệu) thì kênh vẫn không được chia sẻ cho cuộc gọi khác

Tính an toàn: Do tín hiệu thoại được gửi nguyên bản trên đường truyền nên rất dễ bị nghe trộm Ngoài ra, đường dây thuê bao hoàn toàn có thể bị lợi dụng để an trộm cước viễn thông

Khả năng mở rộng của mạng kênh kém: Thứ nhất là do cơ sở hạ tầng khó nâng cấp và tương thích với các thiết bị cũ Thứ hai, đó là hạn chế của hệ thống báo hiệu vốn đã được sử dụng từ trước đó không có khả năng tùy biến cao

PHẦN IV SO SÁNH CHUYỂN MẠCH GÓI VÀ

CHUYỂN MẠCH KÊNH

Danh mục

so sánh

Đặc điểm

Phương thức

Độ trễ

Tốc độ

Đường truyền

Cách thức truyền dữ liệu

Thông báo

Chịu trách nhiệm Chuyển đổi

Sử dụng băng thông Chi phí dữ liệu

Ứng dụng

Bảng 4.1 So sánh chuyển mạch gói và chuyển

mạch kênh

12

PHẦN V CHUYỂN MẠCH QUANG

I. Định nghĩa

Về nguyên lý, một chuyển mạch thực hiện chuyển lưu lượng từ một cổng lối vào hoặc kết nối lưu lượng trên một khối chuyển mạch tới một cổng lối ra Hệ thống chuyển mạch quang là một hệ thống chuyển mạch cho phép các tín hiệu bên trong các sợi cáp quang hay các mạch quang tích hợp được chuyển mạch có lựa chọn từ một mạch này tới một mạch khác

Tuỳ thuộc vào kỹ thuật chuyển mạch mà các thông tin được trao đổi dưới dạng thời gian thực (chuyển mạch kênh) hoặc dưới dạng ghép kênh thông kê (chuyển mạch gói) Chuyển mạch kênh là một phương pháp thông tin sử dụng để thiết lập cho thông tin giữa 2 điểm Số liệu được truyền trên cùng một tuyến và thông tin truyền đi trong thời gian thực Khác với chuyển mạch kênh, chuyển mạch gói thực hiện truyền các gói số liệu độc lập Mỗi gói đi từ một cổng tới một cổng khác theo một đường nào đó Các gói không thể gửi tới nút kế tiếp khi chưa thực hiện thành công tại nút trước đó Mỗi nút cần có các bộ đệm để tạm thời lưu các gói Mỗi nút trong chuyển mạch gói yêu cầu một hệ thống quản lý để thông báo điều kiện truyền thông tin tới nút lân cận trong trường hợp số liệu truyền bị lỗi

AI. Chuyển mạch chùm quang

Trong các mạng chuyển mạch chùm quang, các chùm dữ liệu bao gồm nhiều gói được chuyển mạch thông qua mạng toàn quang Một bản tin điều khiển (tiêu đề) được truyền đi trước chùm để thiết lập cấu hình chuyển mạch trên tuyến truyền của chùm Các chùm dữ liệu truyền sau tiêu đề mà không cần đợi bản tin xác nhận kết nối đã hoàn thành

Một mạng chuyển mạch chùm quang bao gồm các nút chuyển mạch chùm quang được liên kết với nhau qua các tuyến sợi quang Nút mạng OBS chỉ ra như hình 5.1, nó có thể hoặc các nút biên hoặc là các nút lõi

Mỗi sợi quang có thể hỗ trợ các kênh đa bước sóng sử dụng ghép kênh WDM Một chuyển mạch chùm quang truyền tải một chùm từ một cổng đầu vào tới cổng đầu ra tại đích của nó Các sợi liên kết có thể mang nhiều bước sóng, mỗi bước sóng có thể được xem như một kênh mang thông tin (truyền các chùm thông tin) Gói điều khiển có thể được truyền trong băng trên cùng kênh dữ liệu hoặc trên một kênh điều khiển riêng Một chùm có thể mang một hay nhiều gói IP