Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (590.45 KB, 131 trang )
Đồ án tốt nghiệp
/nut, và trong trờng hợp xửlý thông tin có tốc độ bit thay đổiVBR tỉ lệ tổn thất tế bào cỡ
9
10-7 trên mỗi nut phải đợc đảm bảo chắc chắn. Ngoài ra, nó còn phải đảm bảo yêu cầu về
truyền dẫn, dễ dàng trong việc điều khiển phân phối và tự định tuyến, đảm bảo tính
modul hoá và khả năng mở rộng của tổng đài
Mặt khác, những vấn đề quan trọng nhất có liên quan đến công nghệ chuyển mạch ATM
nhất thiết hiện nay phải đợc giải quyết là:
-Đảm bảo sự hỗ trợ có hiệu quả của truy nhập điểm- đa điểm trong hệ thống chuyển
mạch và nhóm chúng lại.
-Đảm bảo cho việc sử dung lợng lớn của hệ thống chuyển mạch ATM.
-Đảm bảo sự hỗ trợ của các dịch vụ ATM mới nh tốc độ giành sẵn ABR và tốc độ bít
không xác định UBR.
Xem xét tổng quan
Nh đã biết trong ATM có hai thiết bị thực hiện chức năng chuyển mạch tế bào, đó là
chuyển mạch ATM (ATM switch hay VC switch) và bộ nối xuyên (Cross Connect hay
VP switch). Hai thiết bị này thực hiện chức năng chính sau:
Đọc các VPI/VCI của tế bào ở đầu vào và thay đổi giá trị của chúng ở đầu ra.
Truyền tế bào ATM từ dàu vào đến các đầu ra cho trớc .
Cấu trúc của chuyển mạch ATM có thể đợc chia thành hai phần là phần cứng và phần
mềm.
1.Phần cứng của chuyển mạch gồm:
Giao diện của nút chuyển mạch có tác dụng làm cho dòng thông tin đi vào nút chuyển
mạch tơng thích với phần lõi bên trong về mặt tốc độ cũng nh dạng của tế bào.
Phần lõi là chuyển mạch không gian cung cấp các khả năng chuyển mạch các cuộc nối từ
điểm tới điểm và từ điểm tới nhiều điểm. Chúng bao gồm bộ tập chung (Concentrator), và
bộ hợp kênh (Multiplexer) và ma trận chuyển mạch (Switch Matrix).
2.Nút chuyển mạch ATM đợc điều khiển và giám sát bởi phần mềm.
Phần mềm của chuyển mạch ATM gồm ba nhóm chức năng chính:
Xử lý lu lợng đi qua nút chuyển mạch.
104
Đồ án tốt nghiệp
Thực hiện các chức năng vận hành và bảo dỡng ở nút chuyển mạch.
Quản lý các chứcnăng hệ thống.
Trong giới hạn của đề tài chúng ta chỉ đề cập đến thiết kế phần cứng. Do vậy ba yếu tố cốt
lõi của cấu trúc chuyển mạch cần chú ý để đảm boả phơng thc hoạt động của chúng là:
Kiến trúc của chuyển mạch.
Phần cốt lõi của nút chuyển mạch là cơ cấu chuyển mạch.
Cách thức tổ chức bộ đệm của chuyển mạch và mối quan hệ của nó khi thực hiện chuyển
mạch.
Trong chuyển mạch ATM các phần tử chuyển mạch (Switch element) đợc sử dụng để nối
giữa đầu vào và đầu ra của bất kỳ nút chuyển mạch. Nút chuyển mạch có thể đợc xây
dựng từ một hoặc vài phần tử chuyển mạch. Tuy nhiên trên thực tế do yêu cầu về dung lợng thông tin, nút chuyển mạch thờng có cấu trúc đợc xây dựng từ nhiều phần tử chuyển
mạch theo một cách thức nhất định. Có nhiều cách để ghép các phần tử chuyển mạch với
nhau nhng phổ biến nhất là ghép các phần tử chuyển mạch với nhau theo nhiều tầng. Sau
đau ta xem xét cấu trúc và cách xây dựng chuyển mạch lớn
7.2.1.Chọn lạ phần tử chuyển mạch cho thiết kế hệ thống
7.2.1.2.Chọn lựa và xây dựng hệ thống chuyển mạch lớn
I.Xem xét phần tử chuyển mạch
A- Cấu tạo chung của phần tử chuyển mạch
Phần tử chuyển mạch là phần tử cơ bản của trong cấu trúc của hệ thống chuyển mạch. Tại đầu
vào, các thông tin về chọn đờng (có liên quan đến VCI/VPI) đợc phân tích, căn cứ trên kết quả
phân tích đó mà các tế bào đợc đa tới đầu ra thích hợp. Nói chung phần tử chuyển mạch bao
gồm: mạng liên kết giữa đầu vào và đầu ra, IC, OC. Ngời ta phân loại phần tử chuyển mạch theo
cấu trúc của mạng liên kết đầu vào-đầu ra và cách thức tổ chức bộ đệm, các loại phần tử chuyển
mạch sẽ đợc xem xét dới đây:
Mạng liên kết giữa đầu vào và đầu ra
IC
IC
Page 105 of 131
Đồ án tốt nghiệp
OC
OC
Hình 7.1. Mô hình cấu trúc chung của phần tử chuyển mạch
B- Phần tử chuyển mạch theo kiểu ma trận
1
I
2
IC
b
IC
OC
IC: bộ điều khiển đầu vào
OC
OC
1
2
b
OC: bộ điều khiển đầu ra
Hình 7.2. Phần tử chuyển mạch ma trận
Trong phần tử chuyển mạch theo kiểu ma trận, mạng liên kết đầu vào-đầu ra có cấu trúc ma trận
hình chữ nhật (Hình 3.2). phần tử chuyển mạch theo kiểu ma trận lại đợc chia làm 3 loại với
cách tổ chức bộ đệm khác nhau: bộ đệm đầu vào, bộ đệm đầu ra, bộ đệm tại giao điểm của ma
trận
B.1. Phần tử chuyển mạch với bộ đệm đầu vào
Trong phần tử chuyển mạch dùng bộ đệm đầu vào, bộ đệm tế bào đợc đặt ở bộ điều khiển
đầu vào (Hình 7.3)
106
Đồ án tốt nghiệp
1
2
b
Hình 7.3. Phần tử chuyển mạch ma trận với bộ đệm đầu vào
1
2
b
Bộ đệm ở đây là các bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên RAM, có thể truyền các tế bào tại cùng một bộ
đệm đồng thời tới các đầu ra khác nhau thì các bộ đệm phải có nhiều đầu ra hoặc thời gian truy
nhập giảm xuống.
B.2. Phần tử chuyển mạch với bộ đệm đầu ra
1
2
Page 107 of 131
Đồ án tốt nghiệp
b
Hình 7.4. Phần tử chuyển mạch ma trận với bộ đệm đầu ra
1
2
b
Tắc nghẽn chỉ xảy ra khi tốc độ vận hành của ma trận chuyển mạch bằng với tốc độ của dòng tế
bào đầu vào. Nhợc điểm này có thể khắc phục bằng việc giảm thời gian truy nhập bộ đệm và
tăng tốc độ hoạt động của của ma trận chuyển mạch. Tuy vậy yêu cầu tốc độ hoạt động cao sẽ
dẫn tới giới hạn về mặt kích thớc của phần tử chuyển mạch. Thật vậy để không xảy ra tắc nghẽn
bên trong phần tử chuyển mạch dùng bộ đệm đầu ra có kich thớc b*b phải có tốc độ hoạt đông
tăng lên b lần để trong trờng hợp xầu nhất, khi có b đầu vào cùng yêu cầu một đầu ra nh nhau
thì tắc nghẽn cũng không xảy ra, vì vậy kích thớc của phần tử chuyển mạch sẽ không thể lớn tuỳ
ý. Trong trờng hợp ngợc lại, nếu tốc độ của phần tử chuyển mạch không đảm bảo thì bắt buộc
phải bổ xung thêm bộ đệm đầu vào để tránh mất tế bào do tắc nghẽn bên trong.
108
Đồ án tốt nghiệp
B.3. Bộ đệm tại giao điểm của ma trận chuyển mạch
1
2
b
1
2
b
Hình 7.5. Phần tử chuyển mạch ma trận có bộ đệm tại giao điểm
Bộ đệm cũng có thể nằm tại giao điểm của ma trận chuyển mạch. Cấu trúc phần tử chuyển mạch
loại này cho phép các tế bào đi tới đầu ra khác nhau không ảnh hởng tới nhau. Nếu tế bào nằm ở
những bộ đệm khác nhau có cùng một đầu ra thì logic điều khiển cần phải chọn xem bộ đệm nào
sẽ đợc phục vụ đầu tiên. Loại này có nhợc điểm là bộ đệm tại giao điểm có kích thớc nhỏ và
không chia sẻ đợc bộ đệm.
C.- Phần tử chuyển mạch dùng kiểu Bus
Các phần tử chuyển mạch dùng kiểu Bus sử dụng mạng liên kết đầu vào-đàu ra là các bus ghép
kênh theo thời gian tốc độ cao. Tắc nghẽn không xảy ra khi tổng dung lợng của kênh truyền lớn
hơn hoặc bằng tổng dung lợng của tất cả các đầu vào. Để đảm bảo yêu cầu này, phần tử chuyển
mạch kiểu Bus sử dụng phơng pháp truyền bit theo kiểu song song. Thuật toán truy nhập Bus ở
Page 109 of 131
Đồ án tốt nghiệp
đây cho phép Bus truyền đợc chia sẻ cho mỗi bộ đệm theo một chu kỳ cho trớc. Mỗi bộ điều
khiển đầu vào có thể truyền tế bào tới một đầu ra trớc khi hoàn thành việc nhận tế bào kế tiếp.
IC
IC
IC
1
2
b
Bus ghép kênh tốc độ cao
OC
OC
OC
1
2
b
Hình 7.6. phần tử chuyển mạch kiểu Bus
D. Phần tử chuyển mạch kiểu vòng (Ring)
Phần tử chuyển mạch kiểu vòng có câu trúc nh hình 7.7. Tất cả các bộ điều khiển đầu vào và
đầu ra đợc nối với nhau thông qua một vòng tròn. Mạng liên kết đầu vào-đầu ra hoạt dộng theo
110
Đồ án tốt nghiệp
nguyên lý phân khe thời gian với dung lợng của vòng phải lớn hơn hoặc bằng tổng dung lợng của
tất cả các đầu vào. Trong thực tế thờng hay sử dụng phần tử chuyển mạch vòng Orwell trong đó
một vài vòng đợc sử dụng song song để đảm bảo yêu cầu về tốc độ.
OC
OC
1
b
IC
IC
1
b
Hình 7.7. Cấu trúc phần tử chuyển mạch kiểu vòng
E. Phần tử chuyển mạch sử dụng bộ nhớ trung tâm
Trong phần tử chuyển mạch sử dụng bộ nhớ trung tâm các bộ điều khiển đầu vào và đầu ra đều
sử dụng một bộ nhớ chung duy nhất. Số liệu từ tất cả các đầu vào đều đợc ghi vào bộ nhớ này, số
liệu đợc đọc ra bởi đầu ra bất kỳ. Bộ nhớ chung còn có thể đợc tổ chức thành những bộ đệm
logic đầu ra và đầu vào. bởi vì bộ đệm cùng chia sẻ bộ nhớ chung nên dung lợng bộ nhớ yêu cầu
trong trờng hợp này nhở hơn nhiều so với ỷtờng hợp phần tử chuyển mạch dùng bộ đệm riêng
rẽ. Các phần tử chuyển mạch loại này làm việc theo nguyên tắc tự định đờng
Bộ nhớ trung tâm
Page 111 of 131
Đồ án tốt nghiệp
IC
IC
OC
OC
Hình 7.8. Mô hình cấu trúc chung của phần tử chuyển mạch
IC: Bộ điều khiển đầu vào
OC: Bộ điều khiển đàu ra
Ưu nhợc điểm của từng loại phần tử chuyển mạch khi thiết kế chuyển mạch
Nh ta đã biết mỗi loại phần tử chuyển mạch có những đặc điểm, tính chất khác nhau. Muốn thiết
kế đợc hệ thống chuyển mạch hợp lý thì phải phân tích u nhợc điểm của từng loại:
Phần tử chuyển mạch kiểu ma trận đợc chia làm ba loại với các tổ chức bộ đệm khác nhau: bộ
đệm đầu vào, bộ đệm đầu ra, bộ đệm tại giao điểm ma trận. Bộ đệm đầu ra sẽ tránh đợc hiện tợng nghẽn mạch đầu vào và tăng đợc tốc độ thực tế dòng dữ liệu đi qua chuyển mạch, nhng có
nhợc điểm là tốc độ bộ đệm và kích thớc lớn hơn so với bộ đệm đầu vào. Bộ đệm tại giao điểm
của ma trận do dùng chung bộ nhớ đệm giữa đầu vào, đầu ra nên hiệu quả sử dụng bộ đệm là
cao, lợng tế bào phải chờ trung bình giảm, nhng nhợc điểm của bộ đệm ở giao điểm là có kích
thớc nhỏ, không chia sẻ đợc tài nguyên và việc quản lý của bộ đệm tại giao điểm ma trận chuyển
mạch phức tạp hơn nhiều, nên trong thực tế bộ đệm này ít đợc sử dụng hơn
Cấu trúc chuyển mạch BUS về nguyên lý khá đơn giản, dễ ứng dụng. Tuy nhiên, cấu trúc có hạn
chế là chuyển mạch BUS chỉ cho ta một đờng nối cho một tập đòng nối gắn vào nó nên dải thông
cho mỗi phần tử phụ thuộc vào số phần tử gắn vào BUS. Dải thông này không thể tăng nên quá
giới hạn đợc do phụ thuộc tần số đồng hồ hệ thốngvà dải thông đờng truyền. Cuối cùng nếu ta
tăng tần số đồng hồ thì yêu cầu bộ vi xử lý mạnh hơn và điều này cũng chỉ có giới hạn.
112
Đồ án tốt nghiệp
Cấu trúc chuyển mạch vòng có u điểm so với chuyển mạch BUS là một khe thời gian vó nhiều
cổng vào cho mỗi vòng. Tuy nhiên để thực hiện việc này ta lại cần thêm phần cứng và cũng khó
xây dựng các hệ thống chuyển mạch lớn nh cấu trúc chuyển mạch BUS.
Cấu trúc chuyển mạch bộ nhớ dùng chung có u điểm là tiếc kệm đợc bộ nhớ nhất do tát cả các
cổng ra đều sử dụng một bộ nhớ. Thêm nữa do chuyển đổi nối tiếp song song nên chuyển mạch
tốc độ xử lý chỉ cần bằng một phần của tốc độ dòng dữ liệu thực tế. Ví dụ nếu dòng số liệu vào
đợc chuyển sang tám bít song song thì với tốc độ dòng số bên ngoài là 155Mbps, tốc độ xử lý
bên trongchỉ khoảng 20Mbps. Nhợc điểm của loại này là bộ đệm nhỏ, điều khiển bộ đệm phức
tạp.
II. Chọn loại đệm cho chuyển mạch kiểu đệm
Việc triển khai bộ đệ là chìa khoá để giải quyết nghẽn mạch trong chuyển mạch, làm giảm hiện
tợng mất tế bào . Sau đây là một số phơng pháp triển khai bộ đệm trong chuyển mạch ATM:
Chuyển mạch kiểu đầu vào (hình a) là chuyển mạch với vùng đệm đợc đặt ở cuối đầu vào của
nó. Khi tế bào ở đầu tuyến vào không đợc chuyển mạch qua cấu trúc chuyển mạch tất cả các tế
bào phía sau bị trễ lại. Chuyển mạch đầu vào giới hạn mức nối thông chỉ 50-60% tốc độ cổng.
Bởi vậy, đệm vào không phù hợp cho nhiều ứng dụng, thờng đợc kết nối với các chuyển mạch
khác.
Chuyển mạch đệm đầu ra là phơng pháp khả quan, vùng đệm đầu ra đợc trang bị vùng dệm ở
phần cuối của đầu ra. Có thể thiết lập các đờng riêng biệt mà không gây cản trở các cổng khác
nằm giữa phần cuối đầu vào và phần cuối đầu ra làm cho hiện tợng chặn đầu tuyến HOL (Head
of line) không xảy ra. Do vậy nó có lợi thế hơn chuyển mạch kiểu đệm đầu vào trong quá trình
thực hiện, nhng có nhợc điểm do phức tạp trong việc bổ xung phần cứng. Các chuyển mạch điển
hình là chuyển mạch ma trận kiểu BUS- chuyển mạch thanh ngang đã đợc biến đổi.
1
M
1
M
b
b
1
M
Page 113 of 131
Đồ án tốt nghiệp
1
M
b
b
1
M
1
M
Mb
Mb
Mb
(a).Bộ đệm đầu vào
(b).Bộ đệm đầu ra
(c). Bộ đệm đầu ra/ hàng đợi chung
Trong đó: M :là số cổng chuyển mạch ATM
b :là số vị trí đệm tại mỗi cổng
Hình7.9 Chuyển mạch kiểu đệm
Chuyển mạch có đệm dùng chung bao gồm những kiểu cấu hình sau:
114