Tài liệu Nghiên cứu hệ thống atm và ứng dụng atm trong mạng cục bộ (atm lan)

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP LỜI NÓI ĐẦU Nhu cầu về giao tiếp trao đổi thông tin đối với loài người trỏ nên không thể thiếu trong cuộc sống hàng ngày và nhu cầu ấy ngày càng tăng cùng với sự phát triển rất cao của trí tuệ loài người. Bắt đâu từ chiếc máy điện thoại, là một sự nhảy vọt lớn trong thông tin của loài người, con người dần dần tiến tới việc truyền dữ liệu chữ, truyền số liệu đi từ điểm này tới điểm khác. tiếp đó là việc truyền hình ảnh làm con người gắn bó với nhau hơn và bây giờ người ta muốn dùng tất cả các loại thông tin khác nhau như tiếng nói, hình ảnh, số liệu trong cùng một lúc( như cầu truyền hình) truyền từ một điểm đến nhiều điểm hoặc từ một điểm đến một điểm. Cứ mỗi lần như vậy, cùng với sự tiến bộ trong thông tin, những hệ thống thông tin cùng với sự cung cấp cho nó ngày càng lớn dần lên, nó đã và đang đặt ra những thách thức mới về mặt quản lý cho con người. Mạng dịch vụ tổ hợp số băng hẹp N - ISDN ra đời vào đầu những năm 80 như là một cứu cánh cho sự phát triển này. Nó cho phép một mạng có thể cung cấp tất cả các dịch vụ hiện có. Tuy nhiên, sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin và nhu cầu trao đổi thông tin ngày càng tăng nhanhvà đa dạng hoá của xã hội đòi hỏi phải cấp bách các dịch vụ truyền ảnh bao gồm cả ảnh tĩnh và ảnh động chất lượng cao và truyền số liệu, truyền file tốc độ siêu cao mà chúng yêu cầu tốc độ bít tới vài trăm Mb/s, thậm chí tới hàng chục Gb/s. Nói chung mạng ISDN băng hẹp không thể đáp ứng, thoả mãn được các yêu cầu bổ xung nêu trên. một mạng viễn thông thống nhất đáp ứng tất cả các loại hình dịch vụ viễn thông và xử lý tin với tốc độ yêu cầu rất khác nhau từ một vài Kb/s đến hàng chục Gb/s, thậm chí hàng Tb/s gọi là mạng số liên kết đa dịch vụ băng rộng (B-ISDN) và chỉ có B- ISDN với có khả năng cung cấp dịch vụ đa phương tiện. Ngày nay một số giải pháp kỹ thuật đã được đề xuất nhằm cải thiện độ thực hiện của mạng viễn thông và tiến tới thực hiện B-ISDN. Trong số các Công nghệ thông tin khác nhau phải kể đến công nghệ quan trọng nhất đó là phương thức truyền không đồng bộ ( Asynchronous transfer Mode - ATM). ATM có thể ứng dụng trong các môi trường khác nhau như mạng LAN, mạng WAN, mạng công cộng, mạng cáp truyền hình. Do vậy ITU-T đã quyết định rằng kiểu truyền không đồng bộ ATM sẽ là phương pháp truyền cho mạng B-ISDN trong tương lai và đã đưa ra các khuyến nghị về ATM, đặt cơ sở cho mạng ATM cũng như phần lớn các tham số của nó. Tại Việt Nam hiện nay cùng với sự phát triển nhanh chóng của ngành Bưu chính Viễn thông, công nghệ ATM cũng đã bắt đầu được chú trọng nghiên cứu nhằm đáp ứng được những nhu cầu ngày càng tăng của xã hội. Bản đồ án này là một phần trong quá trình nghiên cứu, tìm tòi nhằm tiến tới nhanh chóng áp dụng công nghệ mũi nhọn này tại Việt Nam, nội dung chủ yếu là : nghiên cứu hệ thống ATM và ứng dụng ATM trong mạng cục bộ (ATM-LAN). KHOA ĐIỆN- ĐIỆN TỬ -1 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề án gồm hai phần : Phần A: Trình bày lý thuyết chung về công nghệ truyền tải không đồng bộ ATM như đặc điểm chung, các dịch vụ, các tính toán để thiết lập tham số ATM, các giao thức ở các tiếp giáp khác nhau, chuyển mạch truyền dẫn. Phần B: Trình bày các ứng dụng của công nghệ ATM và đặc biệt là ứng dụng trong mạng ATM-LAN. Phần này tôi cố gắng trình bày trong phạm vi có thể về kiến thức mạng ATM-LAN, ứng dụng quan trọng của ATM là mô phỏng ATM-LAN. B-ISDN là một kỹ thuật rất mới, ATM- LAN cũng chưa được sử dụng rộng rãi do còn một số vấn đề cần giải quyết, do đó bản đồ án không tránh khỏi một số thiếu sót và nhiều vấn đề vẫn chưa được trình bày và giải quyết. Vì vật tôi rất mong được sự góp ý và giúp đỡ của các thầy cô và các bạn. KHOA ĐIỆN- ĐIỆN TỬ -2 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP MỤC LỤC Lời nói đầu. Phần I: Cơ sở lý thuyết chung về công nghệ chuyển tải không đồng bộ ATM. Chương I : ATM giải pháp cho các dịch vụ viễn thông băng rộng 1.1 Giới thiệu. 1.1.1 Các đặc điểm của mạng viễn thông ngày nay. 1.1.2 Sự ra đời của hệ thống viễn thông mới B- ISDN 1.2 Giới thiệu về ATM và khả năng của ATM. 1.2.1 Khái niệm cơ bản về ATM. 1.2.2 Các lĩnh vực công nghệ mới quyết định sự ra đời và phát triển của ATM Chưong II : Xây dựng các tham số cơ bản cho B-ISDN 2.1. Các tham số của hệ thống. 2.1.1.Tốc độ bit tự nhiên, tốc độ bit trung bình, tốc độ bit cực đại và tốc đọ truyền dịch vụ của mạng 2.1.2. Các tham số đặc trưng cho chất lượng mạng. 2.2. Lựa chọn kiểu truyền cho B-ISDN. 2.2.1. chuyển mạch kênh 2.2.2.chuyển mạch kênh đa tốc độ 2.2.3 chuyển mạch kênh tốc độ cao 2.2.4. chuyển mạch gói. 2.2.5. dạng truyền không đồng bộ ATM. 2.3. Tính toán các tham số cơ bản cho ATM. 2.3.1. Độ trễ. 2.3.2. Tỷ lệ lỗi. 2.4. Xác định độ dại cho tế bào ATM. 2.4.1. Lựa chọn giữa hai giải pháp độ dài cố định hay thayđổi 2.4.2. Lựa chọn kích thước của tế bào ATM. 2.5. Tóm tắt. Chương III : kỹ thuật mạng ATM 3.1. Mở đầu . 3.2. Đặc điểm kỹ thuật của B-ISDN 3.3. Kỹ thuật liên kết mạng trong B-ISDN 3.3.1. Mô hình sắp xếp các lớp mạng của B- ISDN 3.3.2. Một số khái niệm có liên quan đến kênh ảo và đường ảo 3.3.3. Các ứng dụng của cuộc nối kênh ảo và đường ảo. 3.4. Cấu trúc tế bào ATM. 3.4.1.Số liệu nhận dạng kênh ảo VCD và đường ảo VPI. 3.4.2 Kiểu tế bào. 3.4.3 CLP KHOA ĐIỆN- ĐIỆN TỬ -3 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 3.4.4HEC 3.4.5GFC 3.5 Nguyên lý chuyển mạch và báo hiệu trong ATM. 3.5.1 Nguyên lý chuyển mạch 3.5.2 Nguyên lý báo hiệu 3.6 Cấu trúc phân lớp của mạng ATM 3.6.1Tổng quan 3.6.2 Các lớp thấp trong B- ISDN 3.6.3 Các lớp cao trong B-ISDN 3.7 Mạng của người sử dụng và các vấn đề thông tin liên mạng 3.7.1Đặc điểm giao diện UNI 3.7.2Mô hình mạng CN 3.8 Tóm tắt Chương IV : hệ thống truyền dẫn trong ATM 4.1 Tổng quan 4.2 Các thiết bị truyền dẫn băng rông 4.2.1 Bộghép kênh SDH 4.2.2 Bộ phân kênh SDH 4.2.3 Bộ hân luồng thông tin đồng bộ 4.2.4 Bộ tập trung và bộ dãn ATM 4.2.5 Bộ nối xuyên ATM 4.2.6 Chuyển mạch ATM 4.2.7 Các khối dịch vụ 4.2.8 phần tử kết nối liên mạng IWU 4.3 Các chức năng truyền dẫn băng rộng 4.3.1 Tạo ra các tế bào ATM từ dong thông tin lên tục 4.3.2 Truyền dẫn tế bào ATM 4.3.3 Ghép kênh và tập trung dòng thông tin 4.3.4 Phân luồng và trung chuyển dòng tế bào 4.4 Mạng truyền dẫn SONET/SDH 4.5 Cấu trúc truyền dẫn băng rộng 4.5.1 Cấu trúc mạng địa phương 4.5.2 Câu trúc mạng trung kế 4.6 Tóm tắt Phần B : tổng quan mô hình cấu trúc mạng băng rộng Chương V : tổng quan về mô hình mạng ATM 5.1 Cấu trúc mạng cục bộ KHOA ĐIỆN- ĐIỆN TỬ -4 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 5.2 Phương tiện truyền 5.3 Quan hệ giữa phương tiện truyền và cấu trúc 5.4 Các giao thức điều khiển truy nhập phương tiện truyền 5.4.1Truy nhập ngẫu nhiên CSMA/CD 5.4.2Token BUS 5.4.3Token Ring 5.5 Kiến trúc ATM - LAN 5.6 Mô phỏng ATM - LAN Chương IV : Mô phỏng mạng ATM-LAN 6.1 Tổng quan 6.2 Kiến trúc giao thức 6.3 Mô phỏng LAN 6.3.1 Giới thiệu 6.3.2 Client và Server trên LAN mô phỏng 6.3.3 Toàn cục của mô phỏng LAN 6.3.4 Dạng khung LAN mô phỏng KHOA ĐIỆN- ĐIỆN TỬ -5 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG I : ATM GIẢI PHÁP CHO CÁC DỊCH VỤ VIỄN THÔNG BĂNG RỘNG 1.1Giới thiệu. 1.1.1.Các đặc điểm của mạng viễn thông ngày nay. Cho đến nay các mạng viễn thông là các mạng chuyên dụng, ứng với mỗi loại dịch vụ thông tin lại có ít nhất một loại mạng viễn thông để phục vụ dịch vụ đó. Ví dụ ; • mạng telex : dùng để gửi các bức điện dưới dạng ký tự đã được mã 5 bit ( mã Baudot). Tốc độ truyền rất thấp ( từ 75 đến 300 bit/s ). • Mạng điện thoại công cộng : còn gọi là mạng POTS ( plain old telephone service ), ở đây thông tin tiếng nói được số hoá và chuyển mạch qua hệ thống mạch điện thoại công cộng PSTN ( Public switched telephone network ) • Mạng truyền số liệu bao gồm mạng truyền mạch gói để trao đổi giữa các máy tính dựa trên các thủ tục X25 và mạng truyền số liệu chuyển mạch kênh X21. • Các tín hiệu truyền hình có thể truyền theo 3 cách : truyền bằng sóng vô tuyến, truyền qua hệ thống mạng truyền hình CATV ( community antenna TV) bằng cáp đồng trục hoặc qua hệ thống vệ tinh, còn gọi hệ thống truyền hình trực tiếp DBS ( direct broadcast system ). • Trong phạm vi cơ quan việc truyền số liệu giữa các máy tính được thực hiện bởi mạng cục bộ LAN ( local area network ) mà nổi tiếng nhất là mạng Ethernet, token bus và token ring Mỗi mạng trên được thiết kế cho các dịch vụ riêng biệt và không thể sử dụng cho các mục đích khác. Ví dụ : ta không thể truyền hệ thống nói qua mạng truyển mạch gói X25 vì trễ qua mạng này quá lớn. Hậu quả là hiện nay có rất nhiều loại mạng khác nhau cùng song song tồn tại. Mỗi mạng lại yêu cầu phương pháp thiết kế, sản xuất, vận hành, bảo dưỡng khác nhau. Như vậy mạng viễn thông hiện tại có rất nhiều nhược điểm mà quan trọng nhất là : - Chỉ truyền được các dịch vụ độc lập tương ứng với từng loại mạng . - Thiếu mềm dẻo : sự ra đời của các thuật toán nén tiếng nói, nén ảnh và tiến bộ trong công nghệ VLSI ảnh hưởng mãnh mẽ tới tốc độ truyền tín hiệu. Ngoài ra còn có nhiều dịch vụ truyền thông trong tương lai mà hiện nay chưa dự đoán trước được, mỗi loại dịch vụ sẽ có tốc độ truyền khác nhau. Ta dễ dàng nhận thấy rằng hệ thống hiện nay rất khó thích nghi yêu cầu của các dịch vụ khác trong tương lai. - Kém hiệu quả trong việc bảo dưỡng, vận hành cũng như việc sử dụng tài nguyên. Vì tài nguyên sẵn có trong một mạng không thể chia sẻ cho các mạng khác cùng sử dụng. 1.1.2.Sự ra đời của hệ thống viễn thông mới B- ISDN Như đã nêu trên, yêu cầu có một mạng viễn thông duy nhất ngày càng trở nên bức thiết, chủ yếu là do các nguyên nhân sau : - Các yêu cầu dịch vụ băng đang tăng lên KHOA ĐIỆN- ĐIỆN TỬ -6 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - Các kỹ thuật xử lý tín hiệu, chuyể mạch truyền dẫn ở tốc độ cao ( khoảng vài trăm Mbit/s tới vài Gbit/s) đã trở thành hiện thực. - Những tiến bộ về khả năng xử lý ảnh và số liệu - Sự phát triển của mạng ứng dụng phền mềm trong lĩch vực tin học và viễn thông. - Sự cần thiết phải tổ hợp các dịch vụ phụ thuộc lẫn nhau ở chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói vào một mạng băng rộng duy nhất. So với các mạng khác, dịch vụ tổ hợp và mạng tổ hợp có nhiều ưu điểm về mặt kinh tế, phát triển, thực hiện vận hành và bảo dưỡng. - Sự cần thiết phải thoả mãn tính mền dẻo cho các yêu cầu về phía người sử dụng, cũng như người quản trị mạng ( về mặt tốc độ truyền, chất lượng dịch vụ ). - Khuyến nghị ITU -T121 đưa ra tổng quan về khả năng của B-ISDN như sau : B-ISDN cung cấp các cuộc nối thông qua chuyển mạch các cuộc nối cố định ( parmanent ) hoặc bán cố định ( Semi – parmanent ), các cuộc nối từ điểm tới điểm, hoặc từ điểm tới nhiều điểm và cung cấp các dịch vụ theo yêu cầu cố định. Cuộc nối trong B- ISDN phục vụ cho các dịch vụ chuyển mạch kênh, chuyển mạch gói theo kiểu đa phương tiện( Multimedia ), đơn phương tiện ( monomedia) theo kiểu hướng liên kết ( connectionless) và theo cấu hình đơn hướng hoặc đa hướng B- ISDN là một mạch thông minh có khả năng cung cấp các dịch vụ cải tiến, cung cấp các cung cụ bảo dưỡng và vận hành (OAM), điều khiển và quản lý mạch rất hiệu quả. 1.2. Giới thiệu về ATM và khả năng của ATM. 1.2.1. Khái niệm cơ bản về ATM. B-ISDN theo ITU-T dựa trên cơ sở truyền không đồng bộ ATM. Như vậy ATM sẽ là nền tảng của B- ISDN trong tương lai. Hình 1.1. Cấu trúc khung thời gian trong ATM Kênh 1 Kênh 2 Kênh n Kênh 1 Kênh 2 Kênh n Khe thời gian Kkung thời gian 125 Hình 1.1 : Cấu trúc khung thời gian trong STM Kênh 1 Kênh 5 Kênh1 Kênh 1 Kênh không sử dụng KHOA ĐIỆN- ĐIỆN TỬ -7 Kênh 5 Kênh 1 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Phần tiêu đề của tế bào ATM Phần thông tin của người sử dụng Hình 1.2 : cấu trúc luồng thông tin trong ATM Trong kiểu truyền không đồng bộ, thuật ngữ “ truyền “ bao gồm cả lĩnh vực truyền dẫn và chuyển mạch, do đó “ dạng truyền “ ám chỉ cả chế độ truyền dẫn và chuyển mạch thông tin trong mạng. Thuật ngữ “ không đồng bộ” giải thích cho một kiểu truyền trong đó các gói trong cùng một cuộc nối có thể lặp lại một cách bất thường như lúc chúng đựoc tạo ra theo yêu cầu cụ thể mà không theo chu kỳ. Để minh hoạ, hình 1.1 và 1.2 biểu diễn sự khác nhau giữa dạng truyền đồng bộ và dạng truyền không đồng bộ. Trong dạng truyền đồng bộ STM ( Synchronous transfer mode ), các phần tử số liệu tương ứng với kênh đã cho được nhận biết bởi vị trí của nó trong khung truyền ( Hình 1 ) trong khi ở ATM các gói thuộc về một cuộc nối lại tương ứng với các kênh ảo cụ thể và có thể xuất hiện tại bất kỳ vị trí nào ( Hình 2). ATM còn có hai đặc điểm quan trọng • Thứ nhất : ATM sử dụng các gói có kích thước nhỏ và cố định gọi là các tế bào ATM ( ATM cell), các tế bào nhỏ cùng với tốc độ truyền lớn sẽ là cho trễ truyền và biến động trễ ( delay jitter) giảm đủ nhỏ đối với dịch vụ thời gian thực, ngoài ra kích thước nhỏ cũng sẽ tạo điều kiện cho việc hợp kênh ở tốc độ cao được dễ dàng hơn. • Thứ hai : còn có một đặc điểm rất quan trọng là khả năng nhóm một vài kênh ảo ( Virtual path) 1.2.2.Các lĩnh vực công nghệ mới quyết định sự ra đời và phát triển của ATM. Có hai yếu tố ảnh hưởng tới ATM đó là : - Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ bán dẫn cũng như công nghệ quang điện tử. - Sự phát triển các ý tưởng mới và khái niệm hệ thống . 1.2.2.1. Các tiến bộ về mặt công nghệ. • Công nghệ bán dẫn : Công nghệ CMOS là công nghệ rất có triển vọng bởi độ tích hợp lớn, tốc độ cao ( khoảng vài trăm Mbit/s tới vài Gbit/s, độ tiêu tốn năng lượng thấp. • Công nghệ quang : Các đưòng truyền dẫn quang có các ưu điểm như : độ suy giảm thấp ( dẫn tói khoảng cách truyền lớn), độ rộng băng truyền lớn, kích thước nhỏ, độ mền dẻo cơ học cao, tránh được nhiễu của trường điện từ, xác suất truyền lỗi thấp và không có nhiều xuyên âm. 1.2.2.2. Các ý tưởng mới về khái niệm hệ thống. KHOA ĐIỆN- ĐIỆN TỬ -8 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Các quan điểm mới vê hệ thống đựoc phát triển mạnh mẽ trong những năm gần đây, đó là hệ thống phải có độ mên dẻo thích hợp, độ rộng băng của hệ thống tuỳ thuộc cào yuê cầu của từng dịch vụ cụ thể, các dịch vụ thời gian thực đựoc truyền theo phương pháp truyền mạng gói. Các ý tưởng này phải thoả mãn hai chức năng chính của mạng đó là : - Tính trong suốt về mặt nội dung ( Semantic transparency ). Tính trong suốt về nội dung là chức năng đảm bảo việc truyền đúng từ đàu phát tới đầu thu ( tức là sự chính xác về mặt nội dung ) Đầu cuối Nút chuyển mạch Đầu cuôi 3 Điều khiẻn lỗi đầy đủ Điều khiển lỗi đầy đủ 3 3 3 2 2 2 2 1 1 1 1 Hình 1.3 : Điều khiển lỗi đầy đủ trên mọi liên kết của mạng Chuyển mạch gói Trong các mạng chuyển gói khi mới ra đời, chất lượng truyền số liệu còn thấp, do đó để đảm bảo chất lượng truyền chấp nhận được, người ta phải thực hiện chức năng điều khiển lỗi trên mọi liên kết ( link by link ). Việc điều khiển lỗi nay được thực hiện bởi các thủ tục HDL ( Hight level Data Link control) bao gồm các chức năng : giới hạn khung ( frame delimiting ), đảm bảo truyền bit chính xác, kiểm tra lỗi ( kiểm tra mã dư vòng CRC - Cyclic Redundancy Check ), sửa lỗi bằng các thủ tục truyền lại. Hình 1.3 trình bày thủ tục điều khiển lỗi đầy đủ của mạng chuyển mạch gói thông qua mô hình liên kết các hệ thống mở OSI. Ta thấy rằng quá trình điều khiển được thực hiện trên lớp 2. Ơ đây quá trình điều khiển lỗi được thực hiện trên mọi liên kết thông qua nút chuyển mạch, do đó nút chuyển mạch phải xử lý rất nhiều thông tin làm ảnh hưỏng tới độ xử lý và độ tin cậy của hệ thống. Đầu cuối Nút chuyển mạch Điều khiển lỗi đầy đủ ( từ đầu cuối đến đầu cuối) 3 2b 2a 1 Đầu cuối 3 2b Điều khiẻn lỗi có giứa hạn KHOA ĐIỆN- ĐIỆN TỬ 2a 2a 1 1 Điều khiẻn lỗi có giứa hạn -9 2a 1 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 1.4 : Điều khiển lỗi có giới hạn ở mạng chuyển tiếp khung. Đầu cuối 3 Nút chuyển mạch Điều khiển lỗi đầy đủ ( từ đầu cuối đến đầu cuối) 2 Đầu cuối 3 2 1b 1b 1b 1b 1a 1a 1a 1a Hình 1.5 : chuyển mạch tế bào trong mạng ATM với các chức năng tối thiểu. Chức năng Chuyển mạch gói Chuyển tiếp khung ATM Truyền lại gói X Giới hạn khung X X Kiểm tra lỗi X X Bảng 1.1 : Các chức năng thực hiện ở nút mạng của X25 chuyển tiếp khung ATM. Đối với B- ISDN ý tưởng này còn được mở rộng hơn nữa, các chức năng điều khiển lỗi không còn được cung cấp ở các nút chuyển mạch trong mạng nữa mà trong trường hợp cần thiết, sẽ được cung cấp bởi các thiết bị đầu cuối. Như vậy các chức năng điều khiển trong mạng được giảm từ điều khiển lỗi đầy đủ ( full error control ) ở mạng chuyển gói X 25 xuống còn cực kỳ tối thiểu ở mạng ATM, do đó các nút ở ATM có độ phức tạp tối thiểu và vì thế có tốc độ truyền rất cao, có thể lên tới 600 Mbit/s ( Hình 1.5). Bảng 1.1 trình bày các chức năng được thực hiện ở tại nút mạng chuyển mạch gói thế hệ cũ và mạng chuyển mạch gói thế hệ mới ( phương pháp chuyển tiếp khung) của mạng ATM. Rõ ràng nút mạng ATM hầu như không phải xử lý thông tin điều khiển nào trong khi đó nút mạng của hệ thống chuyển gói thế hệ cũ phải xử lý rất nhiều thông tin. - Độ trong suốt về mặt thời gian ( time transferency). KHOA ĐIỆN- ĐIỆN TỬ - 10 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Các dịch vụ thời gian thực yêu cầu dòng bit có trễ rất ngắn khi được truyền từ đầu phát tới đầu thu. Có thể phân biệt hai loại trễ : trễ do chuyển mạch và trễ do truyền từ điểm đầu tới điểm cuối. Hệ thống chuyển mạch gói và chuyển tiếp khung rất khó khăn khi thực hiện các dịch vụ thời gian thực vì độ trễ cao. Do độ phức tạp của nút chuyển mạch, chúng chỉ có thể hoạt động ở tốc độ vừa và thấp. Mạng ATM chỉ cần các chức năng tối thiểu ở nút chuyển mạch , do đó nó cho phép truyền số liệu với tốc độ rất cao, trễ trên mạng và các biến động giảm xuống còn vài trăm s , do đó quan hệ thời gian được đảm bảo như trong trường hợp chuyển mạch kênh. 1.3.Tóm tắt. Chương này đã trình bày các đặc điểm của các mạng viễn thông hiện hữu cũng như các hạn chế của chúng và nhu cầu dịch vụ băng rộngđang tăng lên. Từ đó vấn đề đặt ra là phải có một mạng tổ hợp băng rộng duy nhất ( B-ISDN) thay thế tất cả các mạng viễn thông nói trên. Chính trên cơ sở này mà ATM hình thành và phát triển. Sự phát triển của kỹ thuật ATM là kết quả trực tiếp của các ý tưởng mới về khái niệm hệ thống được hỗ trợ bởi các thành tựu to lớn trong công nghệ bán dẫn và công nghệ quang điện tử. ATM có khả năng đáp ứng được một loạt các dịch vụ băng rộng khác nhau, kể cả trong lĩnh vực gia đình cũng như trong thương mại. KHOA ĐIỆN- ĐIỆN TỬ - 11 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Chương II : các tham số và đặc điểm cơ bản của B-ISDN. 2.1. các tham số của hệ thống. Sau đây sẽ trình bày một số tham số của các dịch vụ trong mạng băng rộng sau đó sẽ trình bày tới các tham số và tính toán về lỗi cũng như trễ trong mạng. Các tham số này rất quan trọng vì có thể dựa vào đó để đánh giá chất lượng mạng. 2.1.2 . Tốc độ tự nhiên, tốc độ trung bình, tốc độ bit cực đại và tốc độ truyền dịch vụ của mạng. Mạng băng rộng tương lai cần được truyền một số lượng lớn các dịch vụ, từ các dịch vụ tốc độ thấp như : đo lường từ xa, báo động từ xa, tiếng nói, fax, tới các dịch vụ tốc độ trng bình như : âm nhạc, điện thoại truyền hình, truyền số liệu tốc độ cao hoặc các dịch vụ có tốc độ rất cao như : HDTV, thư viện vidio... Các dịch vụ này có tốc độ từ vài bit/s tới vài trăm Mbit/s, thời gian truyền từ vìa giây tới vài giờ ( Hình 2.1). KHOA ĐIỆN- ĐIỆN TỬ - 12 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 2.1. Đặc điểm tốc độ thời gian truyền của các dịch vụ băng rộng. Có thể biểu diễn tốc độ bit tự nhiên của dịch vụ bằng hàm S(t), hàm này kéo dài trong thời gian truyền thông tin T. Có hai giá trị quan trọng là : tốc độ bit cực đại ( the peak natural bit rate ) và tốc độ trung bình E(S(t)) được tính trong khoangr thời gian T. Quãng thời gian T cùng với hai giá trị E(S(t)) và S là các tham số quan trọng của dịch vụ. Ta có công thức : S = max[s(t)] T E[s(t)]= 1/T  s(t )dt 0 Tỷ lệ giữa E và S được gọi là đại lượng B ( Bustinss). B đặc trưng cho sự thay đổi của tốc độ dòng bit theo thời gian. Để minh hoạ cho 2 đại lượng E và S được thể hiện trên hình 2.2. B = S/ E[s(t)] S(t) (bit/s) S E[s(t)] 0 t(s) T Hình 2.2 : Đồ thị minh hoạ đại lượng S, S(t) và E. KHOA ĐIỆN- ĐIỆN TỬ - 13 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Rõ ràng tốc độ bit tự nhiên S(t) đối với mỗi phiên liênlạc, nhưng S và E(St)) như nhau đối với mỗi loại dịch vụ, bảng 2.1 trình bày một số giá trị E và B của vài loại dịch vụ. Dịch vụ Truyền số liệu Truền văn bản , tài liệu Điện thoại truyền hình/ hội nghị truyền hình TV Truyền hình phân giải cao E[s(t)](Mbit/s) 1,5-130 1,5-45 1,5-130 30-130 130 B 10 1-10 5 2-3 5 Bảng 2.1 : Các đặc điểm tham số E và B của một số dịch vụ. Sau đây ta xét mối liên hệ giữa tốc độ truyền và tốc độ bit cực đại ( hay tốc độ truyền tự nhiên của dịch vụ ) và ảnh hưởng của nó đến chất lượng truyền. Từ hình 2.3 nhận thấy rằng, nếu tốc độ truyền nhỏ hơn tốc độ bit cực đại S thì chất lượng bịgiảm xuống do một số bit sẽ phải cắt bỏ để đảm bảo tốc độ bit tự nhiên của dịch vụ phù hợp với tốc độ truyền. Tốc độ (bit/s) Phần bị giảm chất lượng truyền Tốc độ ruyền tren mạng Tốc độ truyền tự nhiên của dịch vụ 0 t(s) Hình 2.3 : Chất lượng giảm do tốc độ truyền nhỏ hơn tốc độ bit cực đại Mặt khác, nếu tốc độ truyền luôn lớn hơn hoặc bằng tốc độ bit cực đại của dịch vụ thì các thông tin vô nghĩa sẽ được sử dụng để điền đầy vào khoảng chênh lệch giữa tốc độ bit tự nhiên và tốc độ truyền, do đó sẽ tiêu phí độ rộng băng truyền. Điều này được minh hoạ trên hình 2.4. Tốc độ (bit/s) tiêu phí độ rộng băng truyền Tốc độ truyền trên mạng Tốc độ bit tự nhiên của dịch vụ 0 KHOA ĐIỆN- ĐIỆN TỬ t(s) - 14 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 2.4 : Tiêu phí độ rộng băng truyền do tốc độ truyền lớn hơn tốc độ bit cực đại Qua hai thí dụ trên, có thể kết luận rằng cần phải lựa chọn tốc độ truyền thích hợp tuỳ theo yêu cầu dịch vụ. 2.1.2. Các tham số đặc trưng cho chất lượng mạng. Như đã trình bày ở 1.2.2.2 để truyền thông tin một cách tin cậy, mạng phải đảm bảo hai chỉ tiêu : - Trong suốt về mặt nội dung. - Trong suốt về mặt thời gian. 2.1.2.1 : Các tham số liên quan đến tính trong suốt về mặt nội dung. Tính trong suốt về mặt nội dung đảm boả cho mạng khả năng truyền thông tin một cáh chính xác từ nguồn tới đích với số lỗi cho phép. Truyền thực tế có 3 loại lỗi : - Lỗi đơn vị số liệu dư ( residual error data unit rate) : là các lỗi không thể khôi phục được. - Lỗi số liệu bị phân phối nhầm (misdelivered data unit rate) : là lỗi khi số liệu bị truyền tới các đích sai. - Lỗi số liệu không được truyền đi ( not delivered data unit rate) : là lỗi khi số liệu không được truyền tới địa chỉ cho trước. Như vậy các loại lỗi trên đặc trưng cho tính thông suốt về mặt nội dung và gây ra một tỷ lệ lỗi tr nào đó, chúng có thể được định nghĩa bởi các tham số sau : - Tỷ lệ lỗi bit : Được đặc trưng bằng tham số tỷ lệ bit lỗi BER ( bit error rate) : BER = Tổng số bit lỗi / Tổng số các bit được gửi đi Các bit lỗi có thể xảy ra riêng biệt ( lỗi đơn) hay xảy ra liên tục thành nhóm. - Tỷ lệ lỗi gói : trong các mạng hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển mạng gói, một nhóm các lỗi có thể xẩy ra do một nhóm thông tin bị mất hoặc bị định đường nhầm ( misrouted). Tỷ lệ gói được đặc trưng bằng tham số tỷ lệ lỗi gói PER ( packet error rate ) : PER =Số gói bị lỗi/Tổng số gói được gửi Trong thực tế, lỗi gói thường xảy ra do hai nguyên nhân : các gói bị mất do định đường sai hoặc do tắc nghẽn ; được đặc trưng bằng tỷ lệ mất gói PLR (packet loss rate ) : PLR = Tổng số gói bị mất / Tổng số gói được gửi KHOA ĐIỆN- ĐIỆN TỬ - 15 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Các gói tới các đích không mong muốn nhưng các đích này lại chấp nhận chúng như các gói đúng. Đại lượng đặc trưng cho trường hợp này được gọi là tỷ lệ chèn gói PIR (packet insertion rate ) : PIR = Tổng số gói chèn vào đích nhầm/tổng số các gói được gửi đi Trong mạng các lỗi có thể xuất hiện ở phần truyền dẫn tại các bộ tập trung kênh hoặc tại nút chuyển mạch. 2.1.2.2 : Các tham số liên quan đến tính trong suốt về mặt thời gian. Độ trong suốt về mặt thời gian đảm bảo độ trễ đủ nhỏ cho các dịch vụ thông tin trên mạng, đặc biệt là các dịch vụ thời gian thực. Trong suốt về mặt thời gian được đặc trưng bởi hai tham số là trễ D và biến động trễ J ( delay jitter). Nói chung đội trễ D giữa đầu thu và đầu phát giữa các tế bào ATM có thể khác nhau được biểu thị bằng độ trễ cực đại DM và độ trễ cực tiểu Dm. Sự khác nhau giữa DM và Dm dẫn tới biến động trễ : J =DM-Dm. Chú ý : biến động trễ là độ trễ không đồng đều của các thông tin tới cùng một điểm cuối tại các thời điểm khác nhau. Nó dẫn tới việc khôi phục tiến hiệu không chính xác trong các dịch vụ yêu cầu thời gian thực. Theo ITU-T, nếu trễ giữa hai đầu cuối lớn hơn 25msthì phải lắp thêm các bộ khử tiếng vang. Tuy vậy trễ trong mạng phần lớn có giá trị xấp xỉ một giá trị trung bình Do nào đó, xác suất xảy ra trễ khác xa giá trị Do này rất nhỏ. Xác suất trễ 1 trễ D0 Hình 2.5 : Hàm mật độ trễ của các dịch vụ truyền trên mạng. Tham số trễ D lại chia thành hai loại gồm : - Trễ truyền : Dt - Trễ xử lý : Dp. Lúc đó D được tính : D = Dt + Dp Trễ Dt xảy ra tại các nút chuyển mạch và được cấu tạo vật lý của mỗi nút cũng như phương pháp xử lý thông tin cuả chúng. Theo ITU-T độ trễ trung bình trong chuyển mạch số phải nhỏ hơn 450 s . Trong ATM, giá trị này còn bé hơn do tốc độ xử lý đã tưng lên đáng kể. Bảng 2.2 : Thể hiện tỷ lệ lỗi và trễ cho phép của các loại dịch vụ khác nhau Dịch vụ BER PLR PIR Trễ KHOA ĐIỆN- ĐIỆN TỬ - 16 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thoại Truyền số liệu Truyền hình quảng bá Âm thanh chất lượng cao Xử lý điều khiển từ xa 10-7 10-7 10-6 10-5 10-3 10-3 10-6 10-8 10-7 10-3 10-3 10-6 10-8 10-7 10-3 25ms/500ms 1000ms 1000ms 1000ms 1000ms Bảng 2.2 : Tỷ lệ lỗi và trễ chấp nhận được đối với từng dịch vụ của mạng ATM. 2.2. lựa chọn kiểu truyền chuyển B-ISDN. Như đã trình bày trong 1.2.1 ITU-T chọn kiểu truyền không đồng bộ là dạng truyền cho B-ISDN truyền tương lai ; nguyên nhân để lựa chọn ATM như nền tảng củaB-ISDN ( đã giới thiệu sơ qua ở 1.1) sẽ rõ ràng hơn sau khi ta xem một hệ thống thông tin khác nhau. 2.2.1. Chuyển mạch kênh. Phương pháp chuyển mạch này đã được sử dụng từ lâu trong mạng điện thoại, nhày nay nó vẫn được sử dụng trong N- ISDN. Chuyển mạch kênh sử dụng phương pháp ghép kênh theo thời gian DTM ( time division multiplexing). Chuyển mạch kênh rất thiều phần mềm dẻo do các thông tin phải truyền theo một tấn số cố định dẫn tới giới hạn về mặt tốc độ và không thích hợp cho việc truyền các dịch vụ băng rộng có đặc điểm khác nhau. 2.2.2. chuyển mạch kênh đa tốc độ. Để khắc phục sự thiếu mền dẻo của chế độ truyền đơn tốc độ trong chuyển mạch kênh, người ta đưa ra hệ thống chuyển mạch kênh đa tốc độ MRCS ( Multirate circuit switching ). Các đường nối trong MRCS được chia thành n kênh cơ bản gồm các khung thời gian với các khe thời gian có độ dài khác nhau, mọi cuộc liên lạc có thể được xây dựng từ n kênh này. hệ thống chuyển mạch MRCS rất phức tạp do mỗi kênh cơ sở của một đường nối phải giữa đồng bộ với các kênh khác. Do đó ITU-T cũng không coi MRCS là giải pháp cho mạng băng rộng. 2.2.3. chuyển mạch kênh tốc độ cao. Các tài nguyên trong hệ thống chuyển mạch kênh tốc độ cao FCS ( Fast circuit suitching) chỉ được cung cấp khi thông tin được gửi đi và khi gửi xong thông tin tài nguyên được giải phóng trở lại. Sự cung cấp này được thiết lập mỗi lần gửi như trong trường hợp chuyển mạch gói, nhưng dưới sự điều khiển của tín hiệu báo hiệu liên kết nhanh ( fast associated signalling) chư không nằm tiêu đề như trong chuyển mạch gói. Sự kết hợp giữa FCS và MRCS được gọi là hệ thống chuyển mạch nhanh đa tốc độ MRFCS ( Multirate fast circuit switching ). Tuy vậy nó cũng còn một vài nhược điểm, đặc biệt là phức tạp khi thiết kế và điều khiển một hệ thống như vậy, vì ở đây yêu cầu khả năng thiết lập và huỷ bỏ cuộc nối trong một khoảng thời gian rất ngắn. FCS và MRCS cũng không được lựa chọn làm giải pháp cho mạch băng rộng. 2.2.4. chuyển mạch gói. KHOA ĐIỆN- ĐIỆN TỬ - 17 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Để đảm bảo chất lượng truyền chấp nhận được từ đầu cuối tới đầu cuối, cần có độ phức tạp của X25 nhằm xử lý lỗi và điều khiển luồng giữa các đường liên kết ( Link by link). Mặt khác những gói có độ dài khác nhau yêu cầu quản lý bộ đệm rất phức tạp do đó tốc độ hoạt động không cao. Trong X25 lớp hai sử dụng truy nhập đường liên kết bằng LAPB( balalced link access procedure ). LAPB được sử dụng để thực hiện các chức năng như nhận biết giới hạn khung ; chèn tách các bit chống lỗi, truyền lại các khung bị mất bằng thủ tục ARQ ( automatic repeat request) điều khiển luồng. Các hệ chuyển mạch gói sau này được cải tiến thành hai hệ thống thành chuyển mạch khung ( Frame switching) và chuyển tiếp khung (Frame relaying). Trong chuyển tiếp khung việc truyền lại các khung số liệu bị lỗi chỉ được truyền từ đầu cuối tới đầu cuối ( giữa các thiết bị đầu cuối người sử dụng). Tại nút mạng chỉ có chức năng phát hiện lỗi để huỷ bỏ các khung vì không cần thiết phải truyền các khung này, ngoài ra cũng không có chức năng điều khiển luồng hoặc phân kênh hợp kênh. Trong chuyển mạch khung, các chức năng phát hiện lỗi và điều khiển luồng vẫn còn giữa lại ở nút mạch do đó việc truyền lại khung và điều khiển luồng bằng cửa sổ trượt vẫn được thực hiện trên cơ sở các liên kết. Hai hệ thống chuyển mạch khung và chuyển tiếp khung có rất nhiều ưu điểm, tuy vậy chúng vẫn không có khả năng thực hiện các dịch vụ thời gian thực do trế lớp.’ 2.2.5.Dạng truyền không đồng bộ. Sau khi xem xét rất nhiều hệ thống khác nhau, cuối cùng ITU-T quyết định lấy ATM là mạng phục vụ cho các dịch vụ băng rộng bởi vì ATM thoả mãn được các yêu cầu đặt ra, các ưu điểm của nó là : - Mềm dẻo và phù hợp với các dịch vụ trong tương lai. - Có hiệu quả trong việc sử dụng tài nguyên. - Chỉ sử dụng một mạng duy nhất cho tất cả các dịch vụ. ATM còn có các tên gọi khác như ATD( asynchronous time division ), IBCN ( intergrated broadband commulication network). 2.3. Tính toán các tham số cơ bản cho ATM. Như đã đề cập ở trên các tham số ở ATM đều được tính toán dựa trên cơ sở hai yêu chính là độ trong suốt về mặt thời gian đặc trưng bởi độ trễ và độ trong suốt về mặt nội dung, đặc trưng bởi tỷ lệ lỗi. 2.3.1. Độ trễ. Trễ khi truyền thông qua mạng ATM được quyết định bởi các phần khác nhau của mạng, mỗi phần đóng góp vào trễ tổng của mạng. Hình 2.7 trình bày trễ qua các khâu khá nhau của mạng. Chuyển KHOA ĐIỆN- ĐIỆN TỬ mạchATM Mạng ATM - 18 Chuyển nạch ATM DD ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TD1 PD TD2 TD3 TD4 FD1+QD1 (a) Trễ trong mạng ATM thuần tuý TD1 PD TD2 TD3 TD4 FD1+QD1 (b) trễ trong mạng kết hợp giữa ATM và mạng đồng bộ Trong đó : Hình a: -PD : Trễ tạo gói -TD: trễ truyền -FD : Trễ chuyển mạch -QD: Trễ hàng đợi -DD: Trễ tháo gói Hình b: -FD: trễ của mạng đồng bộ Hình 2.7 : các loại trễ khác nhau trong mạng ATM. Trong mạng ATM thuần tuý, thông tin được đóng gói thành các tế bào và khôi phục thành các trạng thái đầu ở nơi nhận tin. Các tế bào được sử dụng khắp mọi nơi trên mạng. Ngựoc lại trong mạng kết hợp một phần của mạng hoạt động với tế bào phần khác hoạt động, với các khung thời gian. Các loại trễ bao gồm : - Trễ truyền ( TD) phụ thuộc vào khoảng cách điểm đầu và điểm cuối thông thường có giá trị từ 4-5 s /km. - Trễ tạo gói : ( PD) xảy ra khi các thông tin được đóng gói vào các tế bào. - Trễ chuyển mạch cố định : (FD) xảy ra khi một tế bào ATM đi qua chuyển mạch, nó có giá trị cố định.’ - Trễ hàng đợi (QD) trễ này có giá trị thay đổi xảy ra tại các hàng đợi trong hệ thống chuyển mạch. - Trễ tháo gói : (DD) xảy ra tại đầu thu của mạng ATM và tại gianh giới giữa mạng ATM và mạng đồng bộ trong trường hợp kết hợp. Như vậy ta có thể tính toán trễ tổng cộng như sau : - Trong mạng thuần tuý ATM : D1=TDi +FDj + maxqQDj + PD - Trong mạng kết hợp. D2=TDi +FDj + maxqQDj + k.PD +SD1 KHOA ĐIỆN- ĐIỆN TỬ - 19 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trong đó : i: - Đoạn liên kết của đường truyền j: - Số chuyển mạch ATM k: - Số lần tạo gói / tháo gói giữa mạng ATM và mạng đồng bộ SD1- trễ trong các mạng đồng bộ Bảng 2.3: Trình bày trễ qua từng khâu trong mạng Tốc độ Kích thước tế bào (byte) TD() FD() QD() PD() SD() D1() D2() 150 Mbit/s 16 32 64 4000 64 200 2000 900 6264 9365 4000 128 400 4000 900 8528 13828 4000 256 800 8000 900 12256 21956 16 600 Mb/s 32 64 4000 16 50 2000 900 6166 9016 4000 32 100 4000 900 8123 13132 4000 64 200 8000 900 12364 21364 2.3.2. Tỷ lệ lỗi. Cũng như các hệ thống khác các lỗi xảy ra trong ATM là do sự không hoàn hảo của hệ thống chuyển dẫn hoặc của hệ thống chuyển mạch. 2.3.2.1. Sự mất tế bào do lỗi ở phần tiêu đề. Lỗi truyền sẽ dẫn tới sự thay đổi không mong muốn các thông tin truyền. Nếu lỗi xảy ra ở phần số liệu của tế bào thì cả tế bào vẫn được truyền tới điểm cuối do ATM không có bất cứ một cơ chế chống lỗi nào khi truyền từ kiên kết tới liên kết. Nếu lỗi xảy ra ở phần tiêu đề thì chuyển mạch ATM sẽ không dịch nhầm phần tiêu đề này và sau đó tế bào có thể bị định đường sai. điều này xảy ra khi phần tiêu đề mang giá trị của một đường nối khác. Nếu phần tiêu đề mang một giá trị không tồn tại thì tế bào dẽ bị huỷ bỏ. Trong cả hai trường hợp đều có thể xảy ra lỗi nhân (multiplication error) do chỉ cần một bit trong phần tiêu đề cũng dẫn tới cả tế bào. Tỷ lỗi được gọi là B. 2.3.2.2. Sự mất tế bào do tràn hàng đợi. Do kích thước thích hợp của các hàng đợi trong mạng sự mất tế bào do tràn hàng đợi giảm xuống tơí giá trị chấp nhận được ,giá trị này khoảng 10 -8. Việc tính toán kích thước hàng đợi được giảm nhẹ rất nhiều bởi tính chất hướng liên kết (connection - oriented))của ATM vì nó tạo khả năng đẻ mạng cho phép hoặc từ chối một cuộc nối nhỏ hơn hoặc lớn hơn tải con lại trong hàng đợi . 2.4:Xác đinh độ dài cho tế bào ATM KHOA ĐIỆN- ĐIỆN TỬ - 20