CHƯƠNG 1: CHUYỂN MẠCH GÓI QUANG TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.1 Giới thiệu về chuyển mạch gói Trong chuyển mạch gói thông tin cần truyền đƣợc chia thành các phần nhỏ gọi là gói. Mức độ chia nhỏ thông tin thành các gói phụ thuộc nhiều yếu tố nhƣng cấu tạo của gói tin là nhƣ nhau đều bao gồm phần tiêu đề và phần tải trọng. Các gói tin đƣợc chuyển qua mạng từ nút chuyển mạch này đến nút chuyển mạch khác trên cơ sở lƣu đệm và phát chuyển tiếp. Mỗi nút chuyển mạch sau khi thu một gói sẽ tạm thời lƣu giữ một bản sao của gói vào bộ nhớ đệm cho tới khi đảm bảo gói tin đó đã tới nút chuyển mạch tiếp theo hoặc tới đích.
Thông tin ở phần tiêu đề của gói và phƣơng thức định tuyến của mạng sẽ xác định nút tiếp theo gói tin đƣợc chuyển đến là nút nào. Ƣu điểm nổi bật của chuyển mạch gói là kênh truyền dẫn chỉ bị chiếm dùng trong khoảng thời gian thực sự truyền gói tin, sau đó kênh có thể sử dụng cho các gói tin của các thiết bị đầu cuối khác. Mặt khác, nhiều gói tin của cùng một một bản tin có thể đƣợc truyền một cách đồng thời và có thể theo các tuyến hoàn toàn khác nhau. Chính vì vậy chuyển mạch gói không cần một đƣờng truyền cố định và đƣờng truyền đƣợc sử dụng một cách hiệu quả hơn.
Hai vấn đề quan trọng của chuyển mạch gói là lƣu đệm và chuyển tiếp gói tin, nói cách khác hoạt động cơ bản của một mạng chuyển mạch gói là đệm và tuyến trong mạng 11 .1 Đệm gói Có 4 phƣơng pháp đệm gói là đệm đầu ra, đệm chia sẻ, đệm quay vòng và đệm đầu vào. Mỗi phƣơng pháp này có ƣu điểm và nhƣợc điểm riêng. Các phƣơng pháp này sẽ đƣợc trình bày ở các phần sau đây.1 Đệm đầu ra Trong đệm đầu ra, bộ đệm đặt ở đầu ra của ma trận chuyển mạch để lƣu giữ các gói đến cùng một thời gian. Các gói tới cùng một đầu ra sẽ đƣợc ghi vào bộ đệm đồng thời một cách thích hợp.
Nếu bộ đệm đã đầy thì các gói tiếp theo sẽ bị loại và trong trƣờng hợp này sẽ xảy ra hiện tƣợng mất gói. Xác suất mất gói đối với chuyển mạch đƣợc trang bị bộ đệm đầu ra vào khoảng 10 -11 tới 10-10. Nếu chọn kích thƣớc bộ đệm lớn tuỳ ý thì sẽ không xảy ra hiện tƣợng mất gói song sẽ không kinh tế và trễ gói lớn.1 dƣới đây thể hiện một c huyển mạch gói đệm đầu ra. TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 8 1 1 2 3 2 Ma trận chuyển mạch Hình 1.1 Chuyển mạch gói đệm đầu ra 4 .2 Đệm đầu vào N Đệm đầu vào có cấu trúc gồm một trƣờng chuyển mạch không gian và các bộ đệm ở mỗi đầu vào.
N 4 1 2 2 2 1 4 3 1 N 2 1 4 Ma trận chuyển mạch Hình 1.2: Chuyển mạch đệm đầu vào 4. Các gói tới cùng một đầu vào sẽ đƣợc đƣa vào hàng đợi trƣớc khi đƣa vào ma trận chuyển mạch, do đó giải quyết đƣợc vấn đề tranh chấp ở đầu vào. Các bộ đệm đầu vào thực hiện nhớ đệm cho tới khi mạch logic quyết định hàng đợi nào đƣợc chọn. Mạch logic điều khiển hàng đợi đƣợc xây dựng theo nguyên tắc FIFO (Fist In First Out).
Kiểu đệm gói này rất hay đƣợc sử dụng trong chuyển mạch gói điện vì nó có khả năng đồng bộ các gói tin ở đầu vào, tuy nhiên cũng cần giải quyết hiện tƣợng tắc nghẽn đầu vào HoL (Head- of - Line) 1.3 Đệm quay vòng Ở trƣờng hợp này, nếu các gói ở nhiều đầu vào cùng tới một đầu ra, khi đó chỉ một gói đƣợc truyền qua, còn lại đều đƣợc truyền qua vòng hồi tiếp nhƣ trên hình 1. TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 9 Trễ một khe thời gian Chuyển mạch không gian Hình 1.3: Chuyển mạch quay vòng STARLITE. Mỗi một lần quay vòng sẽ làm trễ thời gian tƣơng ứng một gói, tức là mỗi một vòng cho độ trễ một gói. Nếu cần trễ khác nhau, khi đó cần nhiều vòng hồi tiếp hoặc có thể dùng một vòng nhƣng có độ trễ khác nhau 4 .4 Đệm chia sẻ Đệm chia sẻ là bộ đệm dùng chung cho cả đầu vào và đầu ra.
Ở đây các gói tin đến từ các đầu vào đƣợc đệm trực tiếp vào hàng đợi trung tâm. Các địa chỉ ghi đƣợc cung cấp bởi mạch bộ nhớ và các địa chỉ khả dụng, nó định vị các ô nhớ rỗi của RAM. Cùng thời gian đó tiêu đề của mỗi gói tin đƣợc ghi vào FIFO đệm đầu ra tƣơng ứng. Mỗi đầu ra sẽ lựa chọn các gói hƣớng tới đích từ hàng đợi trung tâm theo nguyên tắc FIFO 4.
1 S/P P/S 1 2 S/P P/S 2 N S/P P/S N FIFO #1 Nhớ các địa chỉ khả dụng Bộ đệm FIFO #2 Hình 1.4 Chuyển mạch trang bị bộ đệm chia sẻ FIFO #N TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 10 Trên đây là một số loại bộ đệm cơ bản. Ngoài các bộ đệm trên, có thể có nhiều loại chuyển mạch đƣợc trang bị bộ đệm khác nữa bằng việc kết hợp các kiểu bộ đệm này lại với nhau, ví dụ kết hợp đệm đầu ra với đệm đầu vào hình thành nên trƣờng chuyển mạch đƣợc trang bị cả đệm đầu ra và đệm đầu vào.2 Định tuyến gói Định tuyến là một vấn đề rất quan trọng trong kỹ thuật chuyển mạch gói để chuyển gói tin từ nguồn đến đích. Tuỳ thuộc vào thuật toán định tuyến mà gói tin có thể đƣợc chuyển theo các đƣờng khác nhau để đến đích. Có hai loại định tuyến là định tuyến cố định và định tuyến động.1 Định tuyến cố định Định tuyến cố định là phƣơng thức định tuyến đơn giản nhất, trong đó thiết bị chuyển mạch gói của mạng chứa các bảng định tuyến cố định.
Các bảng định tuyến này cung cấp những thông tin cần thiết cho việc định tuyến cho các gói qua mạng. Bảng định tuyến đã cấu tạo sẵn đƣợc nạp vào các nút chu yển mạch gói khi mạng đƣợc cấu trúc lần đầu. Nếu một thiết bị mới đƣợc đƣa thêm vào mạng thì bảng định tuyến ở các nút chuyển mạch sẽ đƣợc cập nhật để phản ánh thực trạng mới của mạng. Nói chung, bảng định tuyến ở mỗi nút chuyển mạch khác nhau có thể là một vấn đề, đặc biệt ở mạng lớn.
Quản lý một tập hợp nhiều bảng định tuyến có thể trở thành một công việc khó nhọc cho ngƣời điều khiển và quản lý mạng. Ƣu điểm quan trọng nhất của định tuyến cố định là tính đơn giản. Nhƣng nhƣợc điểm là tất cả các bảng định tuyến phải thiết lập nhân công. Quá trình thiết lập các bảng định tuyến đòi hỏi hiểu biết khá tỉ mỉ về cấu hình của mạng và lƣu lƣợng tải có thể xuất hiện.2 Định tuyến động Ở mạng chuyển mạch gói định tuyến động, các thiết bị chuyển mạch gói có thể đƣa ra những quyết định dựa vào trạng thái của mạng khi chuyển mạch cho các gói.
Dạng định tuyến động đơn giản nhất là mỗi nút chuyển mạch gói của mạng chỉ hiểu biết về tải của tuyến và trạng thái của các tuyến đấu nối trực tiếp vào nút mà TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 11 chúng không biết trạng thái của mọi tuyến và các nút chuyển mạch khác trong mạng. Thông tin đơn giản nhất mà một nút chuyển mạch gói có về một tuyến là nó đang làm việc hay hỏng hóc. Nếu tuyến hỏng thì nút chuyển mạch sử dụng hƣớng phụ khi định tuyến cho các gói mà bình thƣờng nó sẽ chuyển qua tuyến đang bị hỏng. Khi có thể nhiều hƣớng thì nút chuyển mạch gói có thể cho một gói tới một trong ` nhiều tuyến, chỉ có thông tin nội bộ đƣợc dùng cho nút chuyển mạch này khi nó đƣa ra quyết định.
Bảng cấu hình của nó chứa các thông tin về dung lƣợng tƣơng đối của các tuyến và về việc chúng có thể sử dụng đƣợc hay không. Nút chuyển mạch gói cũng có các thông tin về luồng tải tƣơng đối của các tuyến nhờ giám sát tốc độ gói theo mỗi tuyến và kích cỡ các gói đang phải chờ để phát theo tuyến 14 .3 Tiêu chuẩn đánh giá 1.1 Độ trễ Độ trễ gói tin là tổng thời gian truyền gói tin từ nguồn tới đích thông qua mạng. Trễ là một tham số rất quan trọng nó phản ánh chất lƣợng của mạng, một mạng tốt phải là một mạng có độ trễ bé. Có nhiều nguyên nhân gây ra trễ, xét với một nguồn tin thoại chẳng hạn nó sẽ chịu các loại trễ từ lúc đƣa vào mạng đến khi đầu thu khôi phục lại bản tin ban đầu gồm trễ do mã hoá, trễ do quá trình phân/hợp gói, trễ tại bộ đệm của nút chuyển mạch, trễ truyền dẫn trên mạng.
Một số loại trễ sẽ đƣợc xem xét dƣới đây. Trễ do đóng gói Trễ đóng gói là thời gian cần thiết để tạo gói. Trễ tại bộ đệm Trễ tại bộ đệm xuất hiện do gói tin bị đƣa vào hàng đợi và phải chờ tại đó đến lƣợt mình đƣợc xử lý, trễ đệm còn phải tính đến tại đầu thu khi khôi phục lại bản tin do đầu thu phải làm trễ các gói đến sớm để đồng bộ chúng với các gói đến sau. Trễ truyền dẫn Trễ truyền dẫn là khoảng thời gian cần thiết để gói tới đƣợc đích của nó trong suốt quá trình truyền xuyên qua mạng.
Trễ truyền dẫn bao gồm: TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 12 - Trễ do gửi gói thông qua một liên kết, ví dụ gửi một gói 256 byte trên một đƣờng truyền dẫn 64 kbit/s sẽ mất 32ms. - Trễ nhân gói do tín hiệu đƣợc nhân lên khi đi qua các liên kết vật lý. Trễ này thƣờng không đáng kể nếu khoảng cách truyền dẫn nhỏ hơn 1000Km… 1.2 Mất gói Trong mạng chuyển mạch gói, gói có thể bị mất do hiện tƣợng nghẽn trong mạng hoặc cũng có thể bị loại bỏ tại nút mạng. Điều này xảy ra khi gói tin đến đích trễ hơn các gói khác và đích tuyên bố gói đã bị mất.
Mất một gói đơn có thể gây ra mất một hoặc nhiều khung tín hiệu, phụ thuộc vào bộ mã hoá tín hiệu và số lƣợng gói trên một khung. Trong mạng chuyển mạch gói ngƣời ta thƣờng quy định giới hạn xác suất mất gói là 10 -9. Xác suất này đủ đảm bảo một chất lƣợng dịch vụ nhất định khi truyền tin qua mạng.3 Lỗi bit Lỗi bit làm các gói đến một đích có thể bị lỗi. Trong chuyển mạch gói thƣờng sử dụng các phƣơng pháp sửa lỗi nhƣ phƣơng pháp CRC, trong đó bit sửa lỗi đƣợc đƣa vào phần tiêu đề gói.