Truyền sóng và anten - Chương 6: Mạng chuyển mạch mạch (circuit switching network)

Nội dung text: Truyền sóng và anten - Chương 6: Mạng chuyển mạch mạch (circuit switching network)

1. CHƯƠNG 6 MẠNG CHUYỂN MẠCH MẠCH (Circuit Switching Network)  Giảng viên: Trịnh Huy Hoàng Email:hoangth@hcmup.edu.vn
2. Nội dung  Khái niệm và ứng dụng  Các kỹ thuật chuyển mạch mạch  Tìm đường  Điều khiển tín hiệu  Hệ thống SS7 CSE 501035 – Data Communication 2
3. Lớp mạng (Network Layer)  Chịu trách nhiệm trao đổi thông tin giữa 2 thiết bị thông qua một mạng truyền thông  Cung cấp giao tiếp cho các lớp trên (các lớp trên không cần biết topo bên dưới)  Cung cấp việc quản trị kết nối, tìm đường,  X.25, IP,  Để hiệu quả, người ta muốn  Kết nối các cấu hình điểm-điểm với nhau  Kết nối các mạng cục bộ với nhau  Kết nối nhiều mạng cục bộ trên diện rộng CSE 501035 – Data Communication 3
4. Mô hình truyền thông PDN  Chuyển mạch (CS-PDN)  Mô hình này dựa trên mạng điện thoại hiện tại. Nó thường đi kèm với chế độ giao tiếp có kết nối  Khi truy xuất PDN, người dùng được cấp phát một tập các kênh truyền giữa nguồn và đích. Những kênh truyền này dành riêng cho người dùng này trong suốt thời gian trao đổi dữ liệu.  Dùng “kênh truyền” để nhấn mạnh việc nhiều người có thể chia sẻ chung đường truyền vật lý  Chuyển gói (PS-PDN)  Mô hình này dựa trên tính chia sẻ tài nguyên hiệu quả tùy theo nhu cầu trong các công nghệ chuyển mạch số hiện đại và phân kênh bất đồng bộ. Nó thường đi kèm với chế độ giao tiếp không kết nối  Khi truy xuất PDN, người dùng gởi các gói dữ liệu cần truyền cho máy đích, PDN sẽ xử lý các gói này một cách độc lập  Tùy theo cách hiện thực, các gói này có thể đi các đường khác nhau và đến đích không theo thứ tự  Chính vì vậy, các nhà cung cấp chuyển gói có thể cung cấp dịch vụ điều khiển dòng và điều khiển lỗi (trong khi chuyển mạch thường không có) CSE 501035 – Data Communication 4
5. Mạng chuyển mạch  Mạng chuyển mạch  Truyền dẫn khoảng cách xa thông thường được thực hiện trên một mạng các node chuyển mạch  Các nodes không quan tâm đến nội dung dữ liệu được truyền  Thiết bị đầu cuối là các trạm  Computer, terminal, phone, etc.  Tập hợp các node và các kết nối tạo thành một mạng truyền thông  Dữ liệu được truyền đi bằng cách chuyển từ node này sang node khác  Node mạng  Các node có thể chỉ kết nối với các node khác hoặc kết nối với các trạm và các node khác  Kết nối từ node này đến node khác thông thường được phân/hợp (FDM hoặc TDM)  Mạng thông thường được kết nối cục bộ  Kết nối dư thừa là cần thiết cho tính tin cậy của mạng CSE 501035 – Data Communication 5
6. Mạng chuyển mạch CSE 501035 – Data Communication 6
7. Chuyển mạch mạch  Đường truyền thông dành riêng giữa 2 trạm  3 giai đoạn  Tạo kết nối  Truyền dữ liệu  Ngắt kết nối  Phải có khả năng chuyển mạch và khả năng kênh truyền để tạo kết nối  Phải có sự thông minh trong việc tìm đường  2 kỹ thuật chuyển mạch  Chuyển mạch theo không gian (Space Division Switching)  Chuyển mạch theo thời gian (Time Division Switching) CSE 501035 – Data Communication 7
8. Chuyển mạch mạch - Ứng dụng  Giai đoạn tạo kết nối tốn thời gian  Một khi kết nối đã được tạo, quá trình truyền dữ liệu là “trong suốt”  Được phát triển để dùng trong các ứng dụng truyền dẫn thoại (phone)  Không hiệu quả  Khả năng của kênh được dành riêng trong suốt thời gian kết nối  Nếu không có dữ liệu để truyền, khả năng truyền bị lãng phí CSE 501035 – Data Communication 8
9. Chuyển mạch mạch - Ứng dụng  Ứng dụng về tiếng nói  Mạng điện thoại công cộng (Public Telephone Network)  Cung cấp kết nối hai chiều cho việc trao đổi tín hiệu tiếng nói giữa các máy trong mạng điện thoại.  Cuộc gọi có thể được thiết lập giữa bất kỳ hai thuê bao trong phạm vi quốc gia hay quốc tế.  PBX (Private Branch Exchange)  Cung cấp khả năng trao đổi điện thoại giữa các máy trong cùng công ty hay tổ chức (buildings, clusters, )  Cung cấp khả năng kết nối đến mạng điện thoại công cộng.  Mạng kết nối riêng (Private Wire Area Network)  Cung cấp khả kết nối giữa các sites khác nhau.  Thông thường dùng để kết nối các PBX thuộc cùng một công ty hay tổ chức lại với nhau.  Ứng dụng về dữ liệu  Chuyển mạch dữ liệu: cung cấp khả năng kết nối các máy tính và trạm đầu cuối ở một site cục bộ vào mạng điện thoại. CSE 501035 – Data Communication 9
10. Mạng chuyển mạch mạch công cộng  Thuê bao  Thiết bị kết nối vào mạng  Kết nối cục bộ (Local Loop)  Kết nối thuê bao (Subscriber loop)  Kết nối với mạng  Bộ trao đổi chuyển mạch  Trung tâm chuyển mạch  End office – hỗ trợ các thuê bao  Trung kế  Nhánh kết nối giữa các bộ trao đổi chuyển mạch  Phân/hợp kênh CSE 501035 – Data Communication 10
11. Kết nối mạch CSE 501035 – Data Communication 11
12. Bộ chuyển mạch mạch  Chuyển mạch số  Cung cấp đường truyền “trong suốt” giữa các thiết bị  Giao tiếp mạng  Đơn vị điều khiển  Tạo kết nối  Theo nhu cầu của thiết bị kết nối  Xử lý và yêu cầu ack  Xác định thiết bị đích rảnh  Xây dựng đường truyền  Duy trì kết nối  Ngắt kết nối CSE 501035 – Data Communication 12
13. Blocking or Non-Blocking  Blocking  Mạng không thể kết nối các trạm vì tất cả các đường đều đang được sử dụng  Mạng bị nghẽn  Được dùng trong các hệ thống thoại  Thời gian cuộc gọi ngắn  Non-blocking  Cho phép tất cả các trạm đều được kết nối cùng lúc  Được dùng cho các kết nối dữ liệu CSE 501035 – Data Communication 13
14. Chuyển mạch không gian  Được phát triển cho môi trường tương tự  Đường kết nối riêng biệt một cách vật lý  Chuyển mạch ma trận điểm kết nối (crossbar matrix)  Số điểm kết nối tỉ lệ với bình phương số trạm  Việc mất các điểm kết nối dẫn tới việc không có khả năng kết nối qua điểm đó  Hiệu suất sử dụng của các điểm kết nối kém  Khi tất cả các trạm được kết nối, chỉ có vài điểm kết nối được dùng  Non-blocking CSE 501035 – Data Communication 14
15. Chuyển mạch không gian 1 tầng  N>M: concentration N inputs  N=M: distribution  N<M: expansion M outputs Crossbar matrix N inputs/outputs Triangular switch CSE 501035 – Data Communication 15
16. Chuyển mạch không gian đa tầng  Giảm số điểm kết nối  Gia tăng hiệu suất sử dụng  Nhiều đường kết nối qua mạng giữa 2 trạm  Độ tin cậy gia tăng  Điều khiển phức tạp  Trì hoãn khi tín hiệu truyền qua chuyển mạch gia tăng tỷ lệ với số tầng của chuyển mạch  Có khả năng blocking  Dùng vùng đệm ở đầu vào (input buffer), đầu ra (output buffer) hay ở bên trong chuyển mạch (internal buffer) CSE 501035 – Data Communication 16
17. Bộ chuyển mạch 3 tầng CSE 501035 – Data Communication 17
18. Chuyển mạch thời gian  Chia nhỏ các dòng dữ liệu tốc độ thấp để dùng chung một đường truyền số liệu tốc độ cao  Các gói nhỏ được điều khiển bởi một bộ điều khiển logic để truyền từ input đến output  Các loại chuyển mạch theo thời gian  Time-division Multiplexing BUS (TDM BUS)  Time Slot Interchange (TSI)  Time-multiplexed Switching CSE 501035 – Data Communication 18
19. Time–Division Multiplexing Bus  Một trong những dạng chuyển mạch theo thời gian đơn giản nhất  Dựa trên nguyên lý của TDM đồng bộ  Tất cả các đường truyền (I/O) được nối vào một Bus chung  Thời gian trên Bus được chia thành các time slots  Một kết nối được thiết lập giữa hai đường truyền (I/O) bằng cách gán cố định một time slot  Kích thước của chuyển mạch bị giới hạn bởi tốc độ dữ liệu trên Bus  Phương pháp này thường được sử dụng trong các chuyển mạch kích thước vừa và nhỏ CSE 501035 – Data Communication 19
20. Time Slot Interchange  Tất cả các đường (I/O) được nối đến một bộ phân hợp kênh (MUX/DEMUX) dùng kỹ thuật bất đồng bộ theo thời gian  Một kết nối được thiết lập bằng cách hoán chuyển các time slot trong frame  Kích thước của chuyển mạch bị giới hạn bởi tốc độ của bộ nhớ điều khiển  Thường được dùng làm phần tử chuyển mạch cơ bản (building block) trong các cơ chế chuyển mạch theo thời gian đa tầng (multi-stage) CSE 501035 – Data Communication 20
21. Time–Multiplexed Switching  Một biến đổi của phương pháp chuyển mạch theo thời gian trong đó mỗi ngõ nhập là một dòng TDM  Cấu hình chuyển mạch có thể thay đổi trên mỗi time slot  Thường được sử dụng kết hợp với phương pháp TSI để tạo ra các chuyển mạch đa tầng  Để trách blocking, cấu hình tối thiểu là 3 tầng  Cấu hình thông thường  TST  TSSST  STS  SSTSS  TSTST CSE 501035 – Data Communication 21
22. Time–Multiplexed Switching CSE 501035 – Data Communication 22
23. Tìm đường  Chức năng  Xác định kết nối từ thuê bao gọi đến thuê bao được gọi qua một loạt các chuyển mạch và trung kế  Các yêu cầu đặt ra trong vấn đề tìm đường  Độ tin cậy  Hiệu quả  Khả năng chịu đựng lỗi (khả năng co giãn)  Các phương pháp tìm đường  Trực tiếp (Direct Routing)  Đường đi giữa bất kỳ hai thuê bao nào là cố định và đã được thiết lập từ trước  Mạng điện thoại công cộng  Phân cấp (Alternate Hierachical Routing)  Các chuyển mạch được kết nối theo cấu trúc phân cấp.  Các trung kế (trunk) được kết nối thêm vào để cung cấp các đường đi thay thế, khả năng cân bằng tải và chịu đựng lỗi của hệ thống  Tìm đường động (Dynamic Routing)  Cho phép thay đổi trong việc tìm đường tùy theo lưu thông trong mạng  Dùng cấu trúc ngang cấp cho các node trong mạng CSE 501035 – Data Communication 23
24. Tìm đường động  Đường đi thiết lập giữa hai thuê bao thay đổi tùy theo khả năng tải và băng thông của đường truyền tại thời điểm thiết lập kết nối  Một số phương pháp tìm đường động  Dựa vào thống kê biến động trong mạng (tải, băng thông, ) theo thời gian, cũng gọi là Time-dependent Routing  Alternate routing  Dựa vào biến động trong mạng (tải, băng thông, ) để trao đổi cập nhật thông tin tìm đường đi giữa các node trong mạng, từ đó tìm ra được đường đi tối ưu và cập nhật vào bảng routing ở các node chuyển mạch trong mạng, cũng gọi là State-dependent Routing  Adaptive routing  Kết hợp cả hai phương pháp này CSE 501035 – Data Communication 25
25. Alternate routing  Các đường có thể giữa 2 trạm (end office) được liệt kê trước  Bộ chuyển mạch nguồn chọn lựa các đường thích hợp  Các đường được liệt kê theo thứ tự ưu tiên  Ưu tiên kết nối trực tiếp  Các đường khác nhau có thể được sử dụng tại các thời điểm khác nhau CSE 501035 – Data Communication 26
26. Adaptive routing  Cho phép các bộ chuyển mạch phản ứng lại với tình hình lưu thông trên mạng  Chi phí lớn hơn cho việc quản trị  Các bộ chuyển mạch phải trao đổi thông tin để biết tình trạng mạng  DTM (dynamic traffic management)  Northern Telecom  Dùng bộ điều khiển trung tâm để tìm đường dự phòng khi có sự nghẽn mạng  Mỗi bộ chuyển mạch A cập nhật các thông tin sau cho bộ điều khiển trung tâm  Số trung kế rảnh để đi đến các điểm lân cận A  Hiệu suất sử dụng CPU của A  Đo lưu lượng từ A đến B (không thể nối trực tiếp)  Bộ chuyển mạch trung tâm sẽ cho biết đường đi “tốt” khi các đường nối trực tiếp không còn khả năng CSE 501035 – Data Communication 27
27. Điều khiển tín hiệu  Chức năng  Giám sát (Supervisory)  Điều khiển quá trình sử dụng tài nguyên (khởi động và thiết lập cuộc gọi, kết thúc cuộc gọi, ).  Giám sát thông tin liên quan đến trạng thái của các cuộc gọi (cuộc gọi không thành công, cuộc gọi kết thúc, tín hiệu rung chuông)  Địa chỉ (Address)  Cung cấp cơ chế để phân biệt giữa các thuê bao tham gia vào một cuộc gọi hay giám sát các thông tin liên quan đến địa chỉ thuê bao (gọi và được gọi) như số điện thoại, mã vùng, mã quốc gia,  Cấu trúc địa chỉ cũng hỗ trợ trong vấn đề tìm đường, nhất là trong các phương pháp tìm đường phân cấp.  Thông tin cuộc gọi  Được truyền đến người gọi để cung cấp thông tin về sự thiết lập kết nối (tone)  Quản trị mạng  Các tín hiệu điều khiển dùng để quản trị mạng lấy thông tin về trạng thái thuê bao (các cuộc gọi thành công, thời gian kết nối, thông tin tính cước, ) và trạng thái thiết bị (thiết bị chuyển mạch, trung kế, thông tin chuẩn đoán, ) CSE 501035 – Data Communication 28
28. Tín hiệu điều khiển CSE 501035 – Data Communication 29
29. Giai đoạn điều khiển tín hiệu  Giữa thuê bao (subscriber) và mạng (network)  Phụ thuộc thiết bị thuê bao và bộ chuyển mạch  Bên trong nội bộ mạng (internal network)  Quản lý các cuộc gọi của thuê bao và mạng  Phức tạp hơn  Thông thường các kỹ thuật điều khiển tín hiệu khác nhau được dùng ở hai giai đoạn này, vì vậy chuyển mạch cục bộ mà thuê bao kết nối vào phải cung cấp cơ chế ánh xạ giữa cơ chế điều khiển tín hiệu từ thuê bao vào network và cơ chế điều khiển tín hiệu bên trong network CSE 501035 – Data Communication 32
30. Kỹ thuật điều khiển tín hiệu  Inchannel Signaling  Dùng chung kênh truyền cho tín hiệu điều khiển và cuộc gọi ? không đòi hỏi thêm phương tiện truyền dẫn  Inband  Các tín hiệu điều khiển có cùng tần số với tín hiệu thoại  Có thể truyền đi bất cứ đâu mà tín hiệu thoại đi đến  Không thể thiết lập cuộc gọi trên đường truyền thoại hỏng/có lỗi  Out-of-band  Tín hiệu thoại không dùng đủ băng thông 4kHz  Băng thông hẹp dư thừa được dùng cho tín hiệu điều khiển  Có thể được truyền ngay cả khi không có tín hiệu thoại  Cần thêm thiết bị  Tốc độ tín hiệu điều khiển chậm (băng thông nhỏ)  Nhược điểm  Tốc độ truyền hạn chế  Trì hoãn giữa khi quay số và khi kết nối  Khắc phục bằng cách sử dụng common channel signaling CSE 501035 – Data Communication 33
31. Kỹ thuật điều khiển tín hiệu  Common Channel Signaling  Các tín hiệu điều khiển truyền trên kênh truyền độc lập với kênh truyền thoại  Một kênh tín hiệu điều khiển chung cho một số kênh thuê bao  Giảm đáng kể thời gian thiếp lập kết nối, độ tin cậy cao hơn các cơ chế khác  Associated Mode  Kênh tín hiệu chung đi kèm với đường trung kế liên kết các bộ chuyển mạch  Disassociated Mode  Cần các node phụ (các điểm trung chuyển tín hiệu)  Thực chất là 2 mạng riêng biệt CSE 501035 – Data Communication 34
32. Cấu hình "common – channel" CSE 501035 – Data Communication 35
33. Common vs. In Channel Signaling CSE 501035 – Data Communication 36
34. Common vs. In Channel Signaling CSE 501035 – Data Communication 37
35. Đọc thêm  W. Stallings, Data and Computer Communications (6th edition), Prentice Hall 2003, chapter 10 CSE 501035 – Data Communication 44