Bài giảng Truyền số liệu - Chương 14: Switching - Nguyễn Việt Hùng

Nội dung text: Bài giảng Truyền số liệu - Chương 14: Switching - Nguyễn Việt Hùng

1. Bài giảng: Truyền số liệu Chương 14: Switching CHƯƠNG 14 SWITCHING Bao lâu mà ta cịn dùng nhiều thiết bị, ta luơn cĩ vấn đề về kết nối chúng thành các cặp thơng tin lẫn nhau. Một trong những giải pháp là thiết lập kết nối điểm -điểm giữa mỗi cặp thiết bị (cấu trúc lưới) hay giữa một hub với các thiết bị (cấu trúc sao). Tuy nhiên, các phương pháp này thường khơng thực tế và lãng phí khi dùng trong các mạng lớn. Số lượng và chiều dài của kết nối địi hỏi một hạ tầng lớn và khơng hiệu quả do phần lớn thời gian khơng được các kết nối sử dụng hết. Một cấu hình khác là dùng kết nối nhiều điểm, thí dụ như bus, nhưng cĩ khĩ khăn khi cự ly và số máy kết mạng tăng vượt quá khả năng của mơi trường và thiết bị. Một phương pháp tốt hơn là chuyển mạch. Một mạng chuyển mạch gồm một chuỗi các nút liên kết nối, được gọi là nút chuyển. Chuyển mạch là phần cứng và/hay các phần mềm cĩ khả năng tạo ra kết nối tạm thời giữa hai linh kiện kết nối với chuyển mạch nhưng khơng phải là tất cả. Trong mạng chuyển mạch, một số các nút này được kết nối với thiết bị cần thơng tin. Các thiết bị khác chỉ được dùng làm đường dẫn (routing). Hình 14.1 Hình trên vẽ một mạch chuyển. Các linh kiện cần thơng tin với nhau (trường hợp này là các máy tính) được đặt tên là A, B, C, và D, v.v, , và các chuyển mạch I, II, III và IV, v.v, Mỗi chuyển mạch được kết nối với nhiều đường và được dùng liên kết chúng, mổi lần hai. Mạng truyền thống thì cĩ ba phương pháp chuyển: chuyển mạch, chuyển gĩi, và chuyển bản tin. Hai phương pháp đầu thường dùng, cịn phương pháp thứ ba thường dùng trong các ứng dụng nối mạng. Biên dịch: Nguyễn Việt Hùng Trang 358
2. Bài giảng: Truyền số liệu Chương 14: Switching Hình 14.2 14.1 CHUYỂN MẠCH (CIRCUIT SWITCHING) Chuyển mạch tạo ra kết nối vật lý trực tiếp giữa hai linh kiện thí dụ như điện thoại và máy tính. Thí dụ, trong hình bên dưới, nếu dùng kết nối điểm-điểm giữa 3 máy tính bên trái với 4 máy tính bên phải, thì cần đến 12 kết nối, nhưng khi dùng chuyển mạch, thì chỉ cần 4 chuyển mạch để giảm số lượng và chiều dài kết nối. D III ` A ` I II ` E B ` C ` F IV ` ` G Hình 14.3 Một chuyển mạch là một linh kiện cĩ n ngõ vào và m ngõ ra nhằm tạo ra các kết nối tạm thời giữa các kết nối ngõ vào với kết nối ngõ ra. Số lượng ngõ vào khơng nhất thiết phải tương thích với ngõ ra. Hình 14.4 Một chuyển mạch gấp n x n cĩ thể kết nối n dây trong chế độ song cơng (full-duplex). Thí dụ, cĩ thể kết nối n điện thoại sao cho mỗi điện thọaicĩ thể được kết nối với mọi máy điện thoại khác. Biên dịch: Nguyễn Việt Hùng Trang 359
3. Bài giảng: Truyền số liệu Chương 14: Switching ADVANCED HYBRID SYSTEM F1F2F3F4 CO9CO10CO11CO12 CO5 CO 6 CO7 CO 8 CO1 CO2 CO3 CO4 INTERCO M' CO NF DND/DND ME SSAGE 123ABC DEF TRAN SFER GH I 456JKL M NO PAUSE PR S 789TUV WXV AU TO DIAL STORE * OPER 0#AUTO ANSW ER MUTE RE DI AL FL A SH H OL D SP-PHONE ADVANCED HYBRID SYSTEM F1F2F3F4 CO9CO10CO11CO12 CO5 CO 6 CO7 CO 8 CO1 CO2 CO3 CO4 INTERCO M' CO NF DND/DND ME SSAGE 123ABC DEF TRAN SFER GH I 456JKL M NO PAUSE PR S 789TUV WXV AU TO DIAL STORE * OPER 0#AUTO ANSW ER MUTE RE DI AL FL A SH H OL D SP-PHONE ADVANCED HYBRID SYSTEM F1F2F3F4 CO9CO10CO11CO12 CO5 CO 6 CO7 CO 8 CO1 CO2 CO3 CO4 INTERCO M' CO NF DND/DND ME SSAGE 123ABC DEF TRAN SFER GH I 456JKL M NO PAUSE PR S 789TUV WXV AU TO DIAL STORE * OPER 0#AUTO ANSW ER MUTE RE DI AL FL A SH H OL D SP-PHONE ADVANCED HYBRID SYSTEM F1F2F3F4 CO9CO10CO11CO12 CO5 CO 6 CO7 CO 8 CO1 CO2 CO3 CO4 INTERCO M' CO NF DND/DND ME SSAGE 123ABC DEF TRAN SFER GH I 456JKL M NO PAUSE PR S 789TUV WXV AU TO DIAL STORE * OPER 0#AUTO ANSW ER MUTE RE DI AL FL A SH H OL D SP-PHONE • • • Hình 14.5 Các chuyển mạch hiên nay cĩ thể dùng hai cơng nghệ: chuyển mạch theo khơng gian và chuyển mạch theo thời gian. Circuit switching Space-division switching Time-division switching Hình 14.6 Chuyển mạch theo khơng gian Trong phương pháp này, các đường dẫn trong mạch được phân biệt lẫn nhau theo khơng gian. Kỹ thuật này ban đầu được thiết kế cho mạng analog, nhung hiện nay được dùng cả mạng số và analog. Phương pháp này đã đươc phát triển qua nhiều thiết kế. Chuyển mạch crossbar Crosspoint 1 To control station 2 3 I II III IV Hình 14.7 Biên dịch: Nguyễn Việt Hùng Trang 360
4. Bài giảng: Truyền số liệu Chương 14: Switching Chuyển mạch crossbar kết nối n ngõ vào với m ngõ ra theo dạng lưới dùng các microswitch điện tử, thí dụ transistor tại các crosspoint. Giới hạn lớn nhất của phương pháp này là số crosspoint cần cĩ. Nối n ngõ vào với m ngõ ra thì cần phải cĩ n x m crosspoint. Thí dụ khi nối 1000 ngõ vào với 1000 ngõ ra thì ta cần cĩ 1.000.000 crosspoint. Yếu tố này làm cho phương pháp này trở nên khơng thực tế do nĩ làm cho kích thước của crossbar trở nên đồ sộ. Các chuyển mạch này cũng khơng hiệu quả do trong thực tế thì trong một thời gian chỉ cĩ khoảng 25% crosspoint là được sử dụng, số cịn lại là rảnh. Chuyển mạch nhiều tầng Giải pháp dùng cho chuyển mạch crossbar là dùng chuyển mạch nhiều tầng, kết hợp crossbar thành nhiều tầng, trong đĩ, các linh kiện được kết nối với chuyển mạch theo dạng phân cấp các chuyển mạch. Hình 14.8 Việc thiết kế chuyển mạch nhiều tầng phụ thuộc vào số tầng và số chuyển mạch cần thiết (hay mong muốn) trong mỗi tầng. Thơng thường thì tầng giữa cĩ số chuyển mạch ít hơn chuyển mạch ở lớp cuối hay lớp đầu. Thí dụ trong hình vẽ trên, thì nếu khơng cĩ tầng giữa thì cần 15 x 15 chuyển mạch crossbar. Khi cĩ tầng giữa thì ta thấy số chuyển mạch trong tâng này chỉ cần 1/3 là đủ. Nhiều đường dẫn: Chuyển mạch nhiều cấp cung cấp nhiều lựa chọn cho các cặp kết nối giữa các cặp. Trong hình dưới minh họa hai đường lưu thơng cĩ thể đi từ một ngõ vào đến ngõ ra dùng các chuyển mạch đã được thiết kế cho thí dụ ở trên Hình 14.9 Trong hình a, đường dẫn được thiết lập từ ngõ vào 4 đến ngõ ra 9. Tuy nhiên, trong hình b, thì cĩ một phương án khác tạo đường dNn từ 4 đến 9. Biên dịch: Nguyễn Việt Hùng Trang 361
5. Bài giảng: Truyền số liệu Chương 14: Switching Hãy so sánh số crosspoint trong crossbar 15 x 15 dùng một tầng và trường hợp nhiều tầng. Khi dùng một tầng, ta cĩ 15 x 15 = 225 crosspoint. Khi dùng nhiều tầng, ta cần: Ba chuyển mạch cho tầng đầu, mổi mỗi chuyển mạch cĩ 10 crosspoint (5 x 2), trong số 30 crosspoint của tầng đầu. Hai chuyển mạch cho tầng hai, mỗi cái cĩ 9 crosspoint (3 x 3) trong số 18 crosspoint của tầng hai Ba chuyển mạch cho tầng ba, với 10 crosspoint (5 x 2) trong số 30 crosspoint của tầng cuối. Tổng số crosspoint cần trong thiết kế của chúng ta là 78. Trong thí dụ này, các chuyển mạch nhiều tầng chỉ cần cĩ 35% so với trường hợp một tầng. Nghẽn mạch (blocking): Khi giảm thiểu số crosspoint cĩ thể tạo ra một hiện tượng gọi là blocking khi cĩ lưu thơng nhiều. N ghẽn mạch (blocking) nĩi về trường hợp một ngõ vào khơng thể kết nối được với ngõ ra do khơng cĩ đường dẫn thích hợp, tất cả các khả năng kết nối đều bị bận. Trong chuyển mạch một tầng thì khơng xảy ra nghẽn mạch, do luơn cĩ kết nối. Trường hợp chuyển mạch nhiều tầng thì chỉ cĩ 2 trong số 5 ngõ vào là cĩ thể dùng được chuyển mạch cùng lúc, đồng thời số ngõ vào ít của tầng giữa cũng gĩp phần giới hạn hoạt động của các kết nối. Trong các hệ thống lớn hơn, thí dụ lên đến 10.000 các ngõ vào ra, thì số tầng càng gia tăng nhằm giảm bớt số crosspoint cần thiết. Từ đĩ, yếu tố nghẽn mạch càng dễ xuất hiện, thí dụ nghẽn mạch điện thọai. Các cơng thức nhằm xác định số tầng, số chuyển mạch tránh được nghẽn mạch thì cần cĩ các phương pháp phân tích thống kê, khơng thuộc phạm vi nghiên cứu này. Chuyển mạch theo thời gian Dùng phương pháp đa hợp bằng cách phân chia theo thời gian. Cĩ hai phương pháp được dùng là: thay đổi khe thời gian (time slot interchange) và bus TDM. Time-Slot Interchange (TSI) Hình bên dưới vẽ một hệ thống kết nối 4 đường vào và bốn đường ra. Giả sử là mỗi đường vào muốn gởi dữ liệu theo trình tự sau: 1Ư 3, 2Ư 4, 3Ư 1, 4Ư 2 Hình a cho thấy kết quả trong phương pháp đa hợp bằng cách phân chia theo thời gian bình thường. Cịn trong hình b, thì trình bày một phương pháp gọi là time-slot interchange (TSI) trong kết nối.TSI thay đổi thứ tự của các slot dựa theo các kết nối mong muốn, Trong trường hợp này, thay đổi thứ tự của dữ liệu từ A, B, C, D thành C, D, A, B. Bây giờ. Khi bộ giải đa hợp tách các slot ra, để chuyển chúng đến các ngõ ra thích hợp. Hình 14.10 Biên dịch: N guyễn Việt Hùng Trang 362
6. Bài giảng: Truyền số liệu Chương 14: Switching Phương thức hoạt động của TSI đươc minh họa trong hình bên dưới. Một TSI bao gồm một RAM (Random Access Memory) với nhiều ơ nhớ. Kích thước mỗi ơ nhớ thì tương đương với kích thước của từng slot riêng biệt. Số ơ nhớ thì bằng số ngõ vào (trong hầu hết các trường hợp, thì thường số ngõ vào và ngõ ra là bằng nhau). Các ơ nhớ RAM được nạp đầy với các dữ liệu đến từ các slot thời gian theo thứ tự nhận được. Các slot được xuất ra theo thứ tự do bộ điều khiển quyết định. Hình 14.11 Bus TDM Hình 14.12 Hình trên vẽ sơ lược một bus TDM. Các đường vào và đường ra được kết nối với bus tốc độ cao thơng qua các cổng vào và cổng ra dạng microswitch. Mỗi cổng vào được đĩng lại trong một slot của bốn slot thời gian. Trong cùng một slot thời gian, chỉ cĩ một cổng ra được đĩng lại. Cặp cổng này cho phép chuỗi dữ liệu đi từ một đường vào này đến một đường ra khác dùng bus. Đơn vị điều khiển mở và đĩng các cổng theo yêu cầu chuyển mạch. Thí dụ, trong hình thì trong slot thời gian đầu tiên thì cổng vào 1 và cổng ra 3 sẽ được đĩng lại; trong slot thời gian thứ hai, cổng vào 2 và cổng ra 4 sẽ được đĩng lại và tiếp tục, Một bus TDM cĩ gấp (folded) cĩ thể được thực hiện dùng đường duplex (vào và ra) và các cổng dual (dual gate). Biên dịch: N guyễn Việt Hùng Trang 363
7. Bài giảng: Truyền số liệu Chương 14: Switching Chuyển mạch tổ hợp khơng-thời gian Khi so sánh chuyển mạch phân chia theo khơng gian và phân chia theo thời gian, ta thấy chuyển mạch khơng gian cĩ ưu điểm là tính tức thời, cịn khuyết điểm là cần cĩ số crosspoint cần thiết đê làm cho chuyển mạch khơng gian khơng bị rơi vào nghẽn mạch. Ưu điểm của chuyển mạch thời gian là khơng cĩ crosspoint, yếu điểm là trong trường hợp TSI cĩ thể cĩ trễ trong quá trình xử lý. Mỗi khi hoạt động thì phải lưu vào RAM rồi mới lục lại và lấy ra. Hình 14.13 Cách thứ ba là kết hợp phương pháp phân chia theo khơng gian và phương pháp phân chia theo thời gian nhằm tận dụng ưu điểm của cả hai loại trên. Khi kết hợp ta các chuyển mạch này được tối ưu về mặt vật lý (số crosspoint) và về thời gian (lượng thời gian trễ). Các chuyển mạch nhiều tầng dạng này được thiết kế theo dạng thời gian-khơng gian-thời gian (TST), thời gian –khơng gian – khơng gian –thời gian (TSST), hay theo một số phương pháp tổ hợp khác. Hình trên mơ tả một chuyển mạch TST đơn giản gồm hai tầng theo thời gian và một tầng theo khơng gian và cĩ 12 ngõ vào và 12 ngõ ra. Thay vì dùng một chuyển mạch theo thời gian, thì chia các ngõ vào thành ba nhĩm (mỗi nhĩm bốn) và nối chúng với ba slot thời gian interchange. Kết quả là trong trường hợp này thời gian trễ giảm cịn 1/3 so với khi chỉ dùng phương pháp phân chia theo thời gian từ việc dùng một slot thời gian interchnge để hoạt động được với cả 12 ngõ vào. Tầng cuối là bản sao của tầng đầu. Tầng giữa là chuyển mạch theo khơng gian (crossbar) nhằm kết nối các nhĩm TSI với nhau cho phép kết nối giữa tất cả các ngõ vào và ngõ ra (e.g kết nối 3 của nhĩm 1 với ngõ ra 7 của nhĩm hai) Mạng điện thoại chuyển mạch cơng cộng. Biên dịch: N guyễn Việt Hùng Trang 364
8. Bài giảng: Truyền số liệu Chương 14: Switching ADVANCED HYBRID SYSTEM ADVANCED HYBRID SYSTEM F1 F2F3F4 F1 F2F3F4 CO9CO10CO1 1 CO1 2 CO9CO10CO1 1 CO1 2 CO5 CO6 CO7CO8 CO5 CO6 CO7CO8 ADVANCED HYBRID SYSTEM CO1 CO2 CO3 CO4 CO1 CO2 CO3 CO4 INTERCOM' CONF DND/DND MESSAGE INTERCOM' CONF DND/DND MESSAGE F1 F2F3F4 CO9CO10CO1 1 CO1 2 ABC DE F ABC DE F 123TRAN SFER 123TRAN SFER CO5 CO6 CO7CO8 CO1 CO2 CO3 CO4 ADVANCED HYBRID SYSTEM GHI 456JKL MNO PAUSE ADVANCED HYBRID SYSTEM GHI 456JKL MNO PAUSE INTERCOM' CONF DND/DND MESSAGE F1F2F3F4 F1F2F3F4 PR S 789TUV WXV AUTO DIAL PR S 789TUV WXV AUTO DIAL CO9 CO10CO11CO12 STO RE CO9 CO10 CO1 1 CO12 STO RE ABC DE F OPE R AUTOAN SW ER OPE R AUTO AN SW ER 123TRAN SFER 0# 0# CO5 CO6 CO7 CO8 * CO5 CO6 CO7 CO8 * MUTE MUTE R EDI AL FLAS H HOL D SP- PH ONE R EDI AL FLAS H HOL D SP- PH ONE ADVANCED HYBRID SYSTEM GHI 456JKL MNO PAUSE CO1CO2CO3CO4 CO1CO2CO3CO4 INTERCOM'CONF DND/DNDMESSAGE INTERCOM'CONF DND/DNDMESSAGE F1F2F3F4 PR S 789TUV WXV AUTO DIAL CO9 CO10CO11CO12 STO RE OPE R AUTO AN SW ER ABC DEF ABC DEF 0# 123TRAN SFER 123TRAN SFER CO5 CO6 CO7 CO8 * MUTE R EDI AL FLAS H HOL D SP- PH ONE CO1CO2CO3CO4 GHI 456J KL M NO PAUSE GHI 456J KL M NO PAUSE INTERCOM' CONF DND/DNDMESSAGE PRS 789TUV WX V AU TO DI AL PRS 789TUV WX V AU TO DI AL STOR E STOR E 123ABC DEF OPER 0#AU TO ANSW ER OPER 0#AU TO ANSW ER TRAN SFER * * MUTE MUTE REDIAL FLA SH H OLD SP- PHO NE REDIAL FLA SH H OLD SP- PHO NE GHI 456J KL M NO PAUSE PRS 789TUV WX V AU TO DI AL STOR E * OPER 0#AU TO ANSW ER MUTE REDIAL FLA SH H OLD SP- PHO NE Hình 14.14 Thí dụ, hình trên vẽ mạng PTSN dùng ở Bắc Mỹ. trạm chuyển mạch này chia thành 5 lớp: regional office (lớp 1), sectional office (lớp 2), primary class (lớp 3), toll office (lớp 4) và and office (lớp 5). Các thuê bao điện thoại được kết nối dùng local loop, đến end office (hay central office). Một thành phố nhỏ cĩ thể chỉ dùng một end office, nhưng thành phố lơn hơn thì cần nhiều end office hơn. N hiều end office được kết nối với toll office. N hiều toll office được nối với primary office. N hiều primary office nối với sectional office, thường phủ rộng hơn một tiểu bang. Cuối cùng thì nhiều sectional office nối thành regional office. Các regional office được kết nối với nhau dùng cấuhình lưới. Truy cập vào trạm chuyển mạch tại end office thường dùng là gọi số (dialing). Trước đây dùng dạng pulse, hiện nay dùng tone (DTMF: Dual tone muti frequency) Hình 14.15 Biên dịch: N guyễn Việt Hùng Trang 365
9. Bài giảng: Truyền số liệu Chương 14: Switching Trong phương pháp touch – tone thì thay vì gởi tín hiệu số, user gởi một bệt tín hiệu analog, gọi là dual tone. Tần số của các tín hiệu được gởi đi thì tùy thuộc vào hàng và cột của phím nhấn, thí dụ tronghình trên khi ta nhấn phím số 8 thì hai tần số 852 và 1336 Hz được gởi đi đến end office CHUYỂN MẠCH GĨI ( PACKET SWITCHING) Chuyển mạch được dùng trong thơng tin thoại. Thí dụ trong điện thoại, khi đã thiết lập được mạch xong, thì được kết nối trong thời gian nĩi chuyện. Chuyển mạch tạo ra kết nối tạm (dialed) hay thường trực (leased) cho đường truyền tùy theo dạng thơng tin truyền. Chuyển mạch thì lại khơng thích hợp cho truyền dữ liệu hay các thơng tin khơng phải là thoại, trong đĩ tồn tại nhiều khoảng trống (idle gap), cho nên khi dùng chuyển mạch cho truyền số liệu thì thường các kênh rảnh và trở thành lãng phí. Yếu điểm thứ hai của chuyển mạch khi truyền dữ liệu là tốc độ truyền. Khi kết nối giữa hai thiết bị thì xem như chỉ cĩ một đường nối nên chỉ tồng tại một tốc độ truyền cho cả hai thiết bị. Điều này làm giảm đi tính mềm dẽo và lợi ích của kết nối chuyển mạch trong mạng với nhiều kết nối của thiết bị số. Thứ ba, chuyển mạch thì khơng cĩ tính mềm dẽo. Một khi thiết lập xong kết nối, thì mạch này phụ trách tồn phần của quá trình truyền dẫn cho dù điều này cĩhiệu quả hay khơng. Cuối cùng, thì mạch chuyển xem tất cả truyền dẫn là như nhau. Mơi yêu cầu chỉ được thỏa mãn khi cĩ kết nối. N hưng trong truyền số liệu thì thường ta muốn cĩ tính ưu tiên; tức là thí dụ x cĩ thể truyền bất cứ lúc nào rảnh nhưng z thì phải được truyền đi ngay, khơng chậm trễ. Một phương án tốt hơn là dùng chuyểnmạch gĩi (packet switching), hay mạng chuyển gĩi (packet-switched network), trong đĩ dữ liệu được truyền trong các đơn vị rời rạc cĩ độ dài ngắn khác nhau và được gọi là gĩi. Chiều dài tối đa của mỗi gĩi là do mạng qui định.Các truyền dẫn dài cĩ thể được chia thành nhiều gĩi. Mỗi gĩi khơng chỉ chứa dữ liệu nhưng cịn cĩ header cùng với các thơng tin điều khiển (thí dụ như ma ưu tiên, và địa chỉ nguồn, địa chỉ đích. Các gĩi được chuyển trong mạng từ nút đến nút. Tại mỗi nút, gĩi được lưu trữ tạm thời rồi được dẫn đường đi tùy theo thơng tin trên header. Cĩ hai dạng chuyển mạch gĩi: datagram và mạch ảo (virtual circuit) Hình 14.16 Biên dịch: N guyễn Việt Hùng Trang 366
10. Bài giảng: Truyền số liệu Chương 14: Switching Phương pháp Datagram Trong phương pháp này, mỗi gĩi được xử lý độc lập. N gay cả khi một gĩi là một phần của cuộc truyền nhiều gĩi đi nữa thì mạng ( và các chức năng lớp mạng) đều xử lý chúng như là đơn lẽ. Phương pháp này được gọi là datagram. Hình dưới đây cho thấy hướng data gram cĩ thể dùng để chuyển giao 4 gĩi từ trạm A đến trạm X. trong thí dụ này, tất cả bốn gĩi (hay datagram) đều thuộc về cùng một bản tin nhưng cĩ thể đi đến đích bằng nhiều đường dẫn khác nhau. 1 3 4 2 3 4 1 4 Hình 14.17 Tuy nhiên phương pháp này cĩ thể làm cho các gĩi đến đích khơng theo thứ tự, điều này yêu cầu lớp vận chuyển trong hầu hết các giao thức để sắp xếp lại trước khi đi đến cảng đích. A Y 3 2 1 I 3 1 III 2 1 ` ` 2 1 2 3 B 1 X 2 1 1 3 1 2 ` ` II 2 IV Hình 14.18 Kết nối liên kết mỗi cặp của nút cĩ thể gồm nhiều kênh. Mỗi kênh này lại cĩ thể mang datagram từ một hay nhiều nguồn khác nhau. Phương pháp đa hợp cĩ thể dùng là TDM hay FDM. Xem hình bên trên, các thiết bị A và B gởi datagram đến các tiết bị X và Y. Một số đường cĩ thể chỉ dùng một kênh trong khi đường khác thì dùng nhiều kênh. Ta thấy là kết nối bên dưới cùng mang hai gĩi từ hai nguồn trong cùng một chiều. Kết nối bên phải, thì mang datagram theo hai chiều. Biên dịch: N guyễn Việt Hùng Trang 367
11. Bài giảng: Truyền số liệu Chương 14: Switching Virtual Circuit Approach Trong hướng này thì quan hệ giữa tất cả các gĩi phụ thuộc vào bản tin hay session được dự phịng. Một đường duy nhất được chọn giữa máy phát và máy thu tại đầu mỗi session. Khi dữ liệu được gởi đi, tất cả các gĩi được truyền lần lượt theo đường di chuyển này. N gày nay, truyền qua mạch ảo được thiết lập thành hai format: chuyển mạch ảo (SVC: switched virtual circuit) và mạch thường trực ảo (PVC: permanent virtual circuit) SVC: Mạch ảo dạng này tương ứng với đường dây dial-up trong mạng điện thoại. Trong phương pháp này thì một mạch ảo được tạo ra khi cần và chỉ tồn tại trong thời gian cĩ cịn trao đổi. Thí dụ trạm A muốn gởi 4 gĩi đến trạm X. Đầu tiên, A yêu cầu thiết lập kết nối với X. Khi đã kết nối xong, thì lần lượt chuyển các gĩi theo thứ tụ. Khi gĩi cuoối cùng đã được nhận và nếu cần thiết thì khi xác nhận xong, thì kết nối được gở bỏ và mạch ảo khơng tồn tại nữa (xem hình bên dưới). Chỉ cĩ một đường tồn tại trong thời gian truyền, cho dủ mạng cĩ thể thiết lập và sữ dụng một con đường khác khi cĩ sự cố hay nghẽn mạch. 2 1 Hình 14.19 Mỗi khi trạm A cần thơng tin với X thì một con đường mới được mở ra. Đường này cĩ thể giống nhau trong nhiêu lần thơng tin nhưng cũng cĩ thể khác nhau tùy điều kiện của mạng. PVC: Thì tương ứng với đường thuê (leased line) trong chuyển mạch. Trong phương pháp này, cũng cĩ mạch ảo được cung cấp giữa hai user một cách liên tục. Mạch được dùng cho các user đặc thù, và ngoải ra thì các user khác khơng đươc dùng đường này, và do được kết nối thường trực nên khơng cần các bước thiết lập và kết thúc kết nối. Trong khi hai user SVC cĩ thể cĩ các đường dẫn khác nhau khi cĩ yêu cầu kết nối, cịn hai user PVC thì luơn chỉ dùng một đường (xem hình bên dưới). Biên dịch: N guyễn Việt Hùng Trang 368
12. Bài giảng: Truyền số liệu Chương 14: Switching Y A II 2 1 I ` ` 2 X B 1 2 1 2 1 ` III IV ` Permanent connection for the duration of the lease Hình 14.20 Kết nối mạch chuyển và kết nối mạch ảo: Tuy cĩ vẽ giống nhau, nhưng giữa mạch chuyển và mạch ảo cĩ nhiều điểm khác nhau như sau: Path versus route Kết nối mạch chuyển tạo ra path giữa hai điểm. Đường dẫn vật lý này được tạo ra bằng cách thiết lập chuyển mạch trong thời gian gọi (dial-up line) hay thuê (leased line). Mạch ảo thì tạo ra route giữa hai điểm. Điều này cĩ nghĩa là mổi switch tạo ra một entry trong bảng routing trong thời gian tồn tại kết nối session (SVC) hay trong thời gian thuê (PVC). Khi nào siwtch nhận được gĩi thuộc kết nối ảo, thì nĩ kiểm tra bảng tìm cột entry tương ứng và route gĩi này xuất theo giao diện (xem hình bên dưới). Hình 14.21 Biên dịch: N guyễn Việt Hùng Trang 369
13. Bài giảng: Truyền số liệu Chương 14: Switching Dedicate (chỉ định) versus sharing (chia sẽ) Trong kết nối mạch chuyển, kết nối này tạo ra đường dẫn (dedicated); các kết nối khác khơng thể dùng đường này. Trong kết nối mạch ảo, kết nối tạo ra route cĩ thể đươc chia sẽ (sharing) bởi các kết nối khác (xem hình vẽ minh họa). Hình 14.22 Hình 14.23 CHUYỂN BẢN TIN (MESSAGE SWITCHING) Chuyển mạch bản tin nổi tiếng với thuật ngữ mơ tả lưu trử và chuyển. Trong cơ chế này, một nút (thường là một máy tính đặc biệt cùng một số đĩa) nhân bản tin, lưu trữ cho đến khi đường dẫn thích hợp được trống, rồi chuyển bản tin đi. Lưu trữ và chuyển tiếp được xem là kỹ thuật chuyển mạch do khơng tồn tại kết nối trực tiếp giữa máy phát và máy thu trong quá trình truyền. Một bản tin được chuyển đi đến nút nằm dọc theo đường đi rồi chuyển đường đi dọc theo nút khác cho đến nới nhận. Chú ý là trong chuyển mạch bản tin, bản tin được lưu trữ và chuyển tiếp từ bộ lưu trữ thứ cấp (đĩa), trong khi trong chuyển mạch gĩi thì gĩi được lưu trữ và chuyển tiếp đến bộ lưu trữ sơ cấp (RAM). Biên dịch: N guyễn Việt Hùng Trang 370
14. Bài giảng: Truyền số liệu Chương 14: Switching Store and Store and forward forward M1 M2 ` ` M1 M2 M2 M1 M1 ` ` Store and Store and forward forward Hình 14.24 Chuyển mạch bản tin rất thơng dụng trong những năm 1960 và 1970. Mục tiêu đầu tiên là cung cấp dịch vụ chất lượng cao (delayed delivery, broacast) dùng cho các linh kiện khơng thơng minh. Các linh kiện này ngày càng được thay thế, nên dạng chuyển mạch này đã dần biến mất (virtually). Đồng thời, thời gian trể cũng như yêu cầu mơi trường lưu trữ lớn tại mỗi nút, làm cho phương pháp này ngày càng khơng thực tế trong thơng tin trực tiếp. Biên dịch: N guyễn Việt Hùng Trang 371
15. Bài giảng: Truyền số liệu Chương 14: Switching TỪ KHĨA VÀ CÁC Ý NIỆM ‰ Blocking ‰ Circuit switching ‰ Crossbar switch Crosspoint ‰ Datagram ‰ Datagram approach to packet switching ‰ Local loop ‰ Message switching ‰ Multistage switching ‰ Packet ‰ Packet-switchied network Packet switching ‰ Path ‰ Permanent virtua; circuit (PVC) ‰ Point to point connection ‰ Public Switched Telephone N etwork (PTSN ) ‰ Route ‰ Space-division switching ‰ Store and forward ‰ Switch ‰ Switched Virtual Circuit (SVC) ‰ TDM bus ‰ Time-division switching ‰ Time-slot Interchange (TSI) ‰ Toch-tone dialing ‰ Virtual Circuit ‰ Virtual circuit approach to packet switching Biên dịch: N guyễn Việt Hùng Trang 372
16. Bài giảng: Truyền số liệu Chương 14: Switching TĨM TẮT ™ Chuyển mạch là phương pháp trong đĩ nhiều thiết bị thơng tin được nối với nhau một cách hiệu quả ™ Chuyển mạch là một phần cứng trung gian hay phần mềm nhằm kết nối tạm thời các thiết bị với nhau ™ Cĩ ba phương pháp chuyển mạch cơ bản: chuyển mạch, chuyển gĩi và chuyển bản tin. ™ Trong mạch chuyển, các gĩi từ một thiết bị đơn di chuyển theo kết nối được chỉ định để đi đến đích. Cĩ hai phuơng pháp là: chia theo khơng gian và/hay phương pháp chia theo thời gian. ™ Trong chuyển mạch theo khơng gian, thì đường dẫn từ thiết bị này sang thiết bị khác được chia ra theo khơng gian với các đường dẫn khác. ™ Crossbar là chuyển mạch theo khơng gian thơng dụng nhất, nhằm kết nối n ngõ vào với m ngõ ra để tạo n x m crosspoint ™ Chuyển mạch nhiều tầng cĩ thể giảm được số crosspoint cần cĩ, nhưng cĩ thể tạo ta blocking. ™ Blocking xuất hiện khi các ngõ vào khơng cĩ đường đi đến ngõ ra. ™ Trong chuyển mạch theo thời gian, các ngõ vào được chia theo thời gian, dùng TDM. Một đơn vị điều khiển gởi các ngõ vào đến các ngõ ra đúng. ™ Phương pháp TSI (time-slot interchange) và bus TDM là hai phương pháp thường dùng trong chuyển mạch theo thời gian. ™ Cĩ thể kết hợp hai phương pháp chuyển mạch theo thời gian và chuyển mạch theo khơng gian. ™ Chuyển gĩi thì thường hiệu quả hơn chuyển mạch trong các thơng tin khơng thoại ™ Cĩ hai hướng chuyển gĩi: hướng datagram và mạch ảo ™ Trong hướng datagram, mỗi gĩi (được gọi là datagram) được xử lý độc lập so với các gĩi khác. ™ Trong hướng mạch ảo, tất cả các gĩi bản tin hay session đi theo đúng một con đường. Phương pháp chuyển mạch ảo được thiết lập dưới hai dạng: SVC: (switched virtual circuit) mạch chuyển ảo và mạch thường trực ảo (PVC: permanent virtual circuit). ™ Trong chuyển bản tin (cịn được gọi là phương pháp lưu trữ và chuyển đi tiếp), tì một nút nhận bản tin, lưu trữ, và gởi đi. ™ Trong mạch chuyển. nhiều segment khác nhau của bản tin đi theo dedicated path, trong hướng chuyển gĩi ảo thì các segment đi theo route được tao ra, kết nối này được chia sẽ với các kết nối khác. Biên dịch: N guyễn Việt Hùng Trang 373
17. Bài giảng: Truyền số liệu Chương 14: Switching BÀI LUYỆN TẬP * Câu hỏi ơn tập 1. Cho biết phương pháp nào hiệu quả hơn mạch chuyển hay mạch ảo? tại sao? 2. Thảo luận về ý niệm chuyển mạch trong vấn đề kết nối thiết bị. 3. Ba phương pháp chuyển mạch là gì? 4. Hai phương pháp dùng trong mạch chuyển là gì? 5. Crosspoint là gì trong ý niệm về crossbar? 6. Yếu tố giới hạn của chuyển mạch crossbar? 7. Blocking ảnh hưởng như thế nào đến chuyển mạch crossbar? 8. Blocking ảnh hưởng như thế nào đến chuyển mạch nhiều tầng? 9. So sánh cơ chế của chuyển mạch khơng gian và chuyển mạch thời gian? 10. Cho biết hai cơngnghệ dùng trong chuyển mạchthời gian? 11. So sánh giữa TSI và bus TDM? 12. Cho biết chức năng của bộ điều khiển trong TSI và và bus TDM? 13. Cho biết ưu điểm của chuyển mạch khơng gian so với chuyển mạch thời gian? 14. Cho biết ưu điểm của chuyển mạch thời gian so với chuyển mạch khơng gian? 15. Liệt kê 5 dạng office của PSTN ? 16. Tại sao phương pháp mạch chuyển khơng hiệu quả trong các truyền dẫn khơng thoại? 17. Cho biết khác biệt cơ bản giữa chuyển mạch và chuyển gĩi? 18. Cho biết hai phương pháp chuyển gĩi? 19. Một bản tin được chia ra thành 3 phần. Cho biết bản tin này được truyền như thế nào trong hướng datagram của chuyển gĩi? 20. Một bản tin được chia ra thành 3 phần. Cho biết bản tin này được truyền như thế nào trong hướng chuyển dùng mạch ảo thường trực? 21. Một bản tin được chia ra thành 3 phần. Cho biết bản tin này được truyền như thế nào trong hướng chuyển dùng chuyển mạch ảo? 22. Cho biết phương pháp khác thay cho chuyển gĩi? * Câu hỏi trắc nghiệm 23. Cho biết dạng chuyển mạch dùng tồn dung lượng của kết nối dedicated: a. chuyển mạch b. chuyển gĩi datagram c. chuyển gĩi mạch ảo d. chuyển bản tin 24. Thiết bị tạo kết nối n ngõ vào với m ngõ ra là: Biên dịch: N guyễn Việt Hùng Trang 374
18. Bài giảng: Truyền số liệu Chương 14: Switching a. crosspoint b. crossbar c. modem d. RAM 25. Cho biết dạng chuyển mạch trong đĩ tất cả datagram của bản tin đi theo cùng một kênh của đường dẫn: a. a. chuyển mạch b. chuyển gĩi datagram c. chuyển gĩi mạch ảo d. chuyển bản tin 26. Cĩ bao nhiêu crosspoint cần cĩ trong trường hợp một tầng với 40 ngõ vào và 50 ngõ ra: a. 40 b. 50 c. 90 d. 2000 27. Một crossbar cĩ 1.000 crosspoint, cho biết xác suất thời gian sử dụng là: a. 100 b. 250 c. 500 d. 1000 28. Để điều khiển thứ tự giao nhận các giá trị slot được lưu trữ trong RAM của TSI, ta dùng: a. crossbar b. crosspoint c. đơn vị điều khiển d. bộ thu/phát 29. Khi dùng phương pháp chuyển mạch nào thì thời gian truyền dữ liệu bụ trễ do yếu tố lưu trữ và truy xuất dữ liệu của RAM a. chia theo khơng gian b. chia theo thời gian c. ảo d. gĩi 30. Trong phương pháp nào thì mỗi gĩi của bản tin khơng phải đi theo cùng một đường từ máy phát đến máy thu a. chuyển mạch b. chuyển bản tin c. chuyển gĩi theo hướng ảo Biên dịch: N guyễn Việt Hùng Trang 375
19. Bài giảng: Truyền số liệu Chương 14: Switching d. chuyển gĩi dùng datagram 31. Trong phương pháp nào thì mỗi gĩi của bản tin phải đi theo cùng một đường từ máy phát đến máy thu a. a. chuyển mạch b. chuyển bản tin c. chuyển gĩi theo hướng ảo d. chuyển gĩi dùng datagram 32. Mạch chuyển ảo tạo ra: a. thiết lập kết nối b. truyền dữ liệu c. nhả kết nối d. tất cả các phương pháp trên 33. Mạch ảo thường trực tạo ra a. thiết lập kết nối b. truyền dữ liệu c. nhả kết nối d. tất cả các phương pháp trên 34. Phương pháp nào thì tổ hợp các chuyển mạch crossbar thành nhiều tầng a. chuyển mạch nhiều tầng b. crosspoint c. chuyển gĩi d. TSI 35. Phương pháp nào dưới đây là chuyển mạch theo thời gian: a. TSI b. Bus TDM c. Crosspoint d. a và b 36. Trong chuyển mạch theo thời gian thì việc lưu trữ gĩi vào trong RAM được điều khiển bởi: a. bus TDM b. crosspoint c. crossbar d. đơn vị điều khiển 37. Mạng PSTN là dạng mạch gì: a. chuyển gĩi b. chuyển mạch Biên dịch: N guyễn Việt Hùng Trang 376
20. Bài giảng: Truyền số liệu Chương 14: Switching c. chuyển bản tin d. các câu trên đều sai Biên dịch: N guyễn Việt Hùng Trang 377
21. Bài giảng: Truyền số liệu Chương 14: Switching BÀI TẬP 38. Cần bao nhiêu crosspoint khi crossbar kết nối 1000 máy điện thoại trong một thành phố nhỏ? 39. Trong hình dưới đây, tìm số crosspoint cần cĩ? Hình 14.25 40. Trong hình trên, tìm số crosspoint cần cĩ khi dùng một chuyển mạch crossbar? 41. Từ bài tập 39 và 40, cho biết hiệu quả đã cải thiện được khi ta dùng 3 tầng thay vì là một? 42. Trong hình vẽ trên, cho biết tối đa bao nhiêu user cĩ thể được kết nối cùng lúc tại ngõ vào? 43. Trong hình vẽ trên, ta cĩ thể giảm bớt tình trạng blocking bằng cách mắc thêm tầng nữa được khơng? 44. Trong hình vẽ dưới đây, cho biết dạng nào cĩ hiệu quả hơn để giải quyết blocking? chứng minh ? Hình 14.26 Biên dịch: N guyễn Việt Hùng Trang 378
22. Bài giảng: Truyền số liệu Chương 14: Switching 45. Cho biết cơng thức để tìm trong cuyển mạch crossbar 3 tầng, số crosspoint (n) theo số đường vào/ra (N ), và số chuyển mạch tại tầng một và ba (K) và chuyển mạch tầng hai (L)? 46. Trong hình sau, đến đường ra là gì nếu các đường vào nhận “A”, “B”, “C” và “D”? Hình 14.27 47. Thiết kế một folded TDM bus? 48. Thiết kế chuyển mạch TSSST cĩ 48 ngõ vào và 48 ngõ ra. Bộ đa hợp vào là 4 x 1; bộ đa hợp ngõ ra là 1 x 4. 49. Thiết kế chuyển mạch STS với 10 ngõ vào và 10 ngõ ra. Chuyển mạch tầng thứ nhất là 5 x 2 và chuyển mạch tầng cuối là 2 x 5. 50. Cho biết chuỗi tín hiệu tần số khi user dùng các phím touch tone để gọi 864-8902? 51. Điền vào bảng dưới đây để so sánh mạng chuyển mạch và mạng chuyển gĩi Issue Circuit-Switched Packet-Switched Dedicated path Store and forward N eed for connection establishment Routing table Delay 52. Điền vào bảng dưới đây để so sánh hướng datagram và hướng mạch ảo trong mạng chuyển gĩi Issue Datagram Virtual Circuit All packets follow the same route Table lookup Connection establishment Packet may arrive out of order Biên dịch: N guyễn Việt Hùng Trang 379
23. Bài giảng: Truyền số liệu Chương 14: Switching 53. Điền vào bảng dưới đây để so sánh PVC và SVC Issue PVC SVC Connection and disconnection Payment Table lookup Duration of an entry in a table Biên dịch: N guyễn Việt Hùng Trang 380