Bài giảng Truyền thông kỹ thuật số - Chương 6: Mạng chuyển mạch mạch (Circuit Switching Network) - Trịnh Huy Hoàng

CHƯƠNG 6 MẠNG CHUYỂN MẠCH MẠCH(Circuit Switching Network)Giảng viên: Trịnh Huy Hoàng Email:hoangth@hcmup.edu.vnNội dungKhái niệm và ứng dụngCác kỹ thuật chuyển mạch mạchTìm đườngĐiều khiển tín hiệuHệ thống SS7Lớp mạng (Network Layer)Chịu trách nhiệm trao đổi thông tin giữa 2 thiết bị thông qua một mạng truyền thôngCung 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 muốnKết nối các cấu hình điểm-điểm với nhauKết nối các mạng cục bộ với nhauKết nối nhiều mạng cục bộ trên diện rộngMô hình truyền thông PDNChuyển mạch (CS-PDN)Mô hình này dựa trên mạng điện thoại hiện tại. Nó thường đi kèm với chế độ giao tiếp có kết nốiKhi 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 lýChuyển 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 nốiKhi 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 lậpTùy theo cách hiện thực, các gói này có thể đi các đường khác nhau và đến đích không theo thứ tựChính 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)Mạng chuyển mạchMạng chuyển mạchTruyền dẫn khoảng cách xa thông thường được thực hiện trên một mạng các node chuyển mạchCác nodes không quan tâm đến nội dung dữ liệu được truyền Thiết bị đầu cuối là các trạmComputer, terminal, phone, etc.Tập hợp các node và các kết nối tạo thành một mạng truyền thôngDữ liệu được truyền đi bằng cách chuyển từ node này sang node khácNode mạngCác node có thể chỉ kết nối với các node khác hoặc kết nối với các trạm và các node khácKết 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 mạngMạng chuyển mạchChuyển mạch mạchĐường truyền thông dành riêng giữa 2 trạm3 giai đoạnTạo kết nốiTruyền dữ liệuNgắt kết nốiPhải có khả năng chuyển mạch và khả năng kênh truyền để tạo kết nối Phải có sự thông minh trong việc tìm đường2 kỹ thuật chuyển mạchChuyển mạch theo không gian (Space Division Switching)Chuyển mạch theo thời gian (Time Division Switching)Chuyển mạch mạch - Ứng dụngGiai đoạn tạo kết nối tốn thời gianMột 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 quảKhả 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 Chuyển mạch mạch - Ứng dụngỨng dụng về tiếng nóiMạng 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 liệuChuyển 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.Mạng chuyển mạch mạch công cộngThuê baoThiết bị kết nối vào mạngKết nối cục bộ (Local Loop)Kết nối thuê bao (Subscriber loop)Kết nối với mạngBộ trao đổi chuyển mạchTrung tâm chuyển mạchEnd office – hỗ trợ các thuê baoTrung kếNhánh kết nối giữa các bộ trao đổi chuyển mạchPhân/hợp kênhKết nối mạchBộ chuyển mạch mạchChuyển mạch sốCung cấp đường truyền “trong suốt” giữa các thiết bịGiao tiếp mạngĐơn vị điều khiểnTạo kết nốiTheo nhu cầu của thiết bị kết nốiXử lý và yêu cầu ackXác định thiết bị đích rảnhXây dựng đường truyềnDuy trì kết nốiNgắt kết nốiBlocking or Non-BlockingBlockingMạng không thể kết nối các trạm vì tất cả các đường đều đang được sử dụngMạng bị nghẽnĐược dùng trong các hệ thống thoại Thời gian cuộc gọi ngắnNon-blockingCho phép tất cả các trạm đều được kết nối cùng lúcĐược dùng cho các kết nối dữ liệuChuyển mạch không gianĐược phát triển cho môi trường tương tựĐường 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-blockingChuyển mạch không gian 1 tầngN inputsM outputsN inputs/outputsN>M: concentrationN=M: distributionN<M: expansionCrossbar matrixTriangular switchChuyển mạch không gian đa tầngGiảm số điểm kết nốiGia tăng hiệu suất sử dụngNhiều đường kết nối qua mạng giữa 2 trạmĐộ tin cậy gia tăngĐiều khiển phức tạpTrì hoãn khi tín hiệu truyền qua chuyển mạch gia tăng tỷ lệ với số tầng của chuyển mạchCó khả năng blockingDùng vùng đệm ở đầu vào (input buffer), đầu ra (output buffer) hay ở bên trong chuyển mạch (internal buffer)Bộ chuyển mạch 3 tầngChuyển mạch thời gianChia nhỏ các dòng dữ liệu tốc độ thấp để dùng chung một đường truyền số liệu tốc độ caoCác gói nhỏ được điều khiển bởi một bộ điều khiển logic để truyền từ input đến outputCác loại chuyển mạch theo thời gianTime-division Multiplexing BUS (TDM BUS)Time Slot Interchange (TSI)Time-multiplexed SwitchingTime–Division Multiplexing BusMột trong những dạng chuyển mạch theo thời gian đơn giản nhấtDựa trên nguyên lý của TDM đồng bộTất cả các đường truyền (I/O) được nối vào một Bus chungThời gian trên Bus được chia thành các time slotsMột kết nối được thiết lập giữa hai đường truyền (I/O) bằng cách gán cố định một time slotKích thước của chuyển mạch bị giới hạn bởi tốc độ dữ liệu trên BusPhương pháp này thường được sử dụng trong các chuyển mạch kích thước vừa và nhỏTime Slot InterchangeTất cả các đường (I/O) được nối đến một bộ phân hợp kênh (MUX/DEMUX) dùng kỹ thuật bất đồng bộ theo thời gianMột kết nối được thiết lập bằng cách hoán chuyển các time slot trong frameKích thước của chuyển mạch bị giới hạn bởi tốc độ của bộ nhớ điều khiểnThường được dùng làm phần tử chuyển mạch cơ bản (building block) trong các cơ chế chuyển mạch theo thời gian đa tầng (multi-stage)Time–Multiplexed SwitchingMột biến đổi của phương pháp chuyển mạch theo thời gian trong đó mỗi ngõ nhập là một dòng TDMCấu hình chuyển mạch có thể thay đổi trên mỗi time slotThường được sử dụng kết hợp với phương pháp TSI để tạo ra các chuyển mạch đa tầngĐể trách blocking, cấu hình tối thiểu là 3 tầngCấu hình thông thườngTSTTSSSTSTSSSTSSTSTSTTime–Multiplexed SwitchingTìm đườngChức năngXác định kết nối từ thuê bao gọi đến thuê bao được gọi qua một loạt các chuyển mạch và trung kếCác yêu cầu đặt ra trong vấn đề tìm đườngĐộ tin cậyHiệu quảKhả năng chịu đựng lỗi (khả năng co giãn)Các phương pháp tìm đườngTrực tiếp (Direct Routing)Đường đi giữa bất kỳ hai thuê bao nào là cố định và đã được thiết lập từ trướcMạng điện thoại công cộngPhân 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 thốngTìm đường động (Dynamic Routing)Cho phép thay đổi trong việc tìm đường tùy theo lưu thông trong mạngDùng cấu trúc ngang cấp cho các node trong mạngLocal (End)officeRegional center SectionalcenterPrimarycenterTollcentertandemswitchTelephoneToll connectingFINALFINALFINALFINALHU (high-usage trunks)AlternateHierarchicalRoutingTìm đường độngĐường 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 nốiMột số phương pháp tìm đường độngDựa vào thống kê biến động trong mạng (tải, băng thông, ...) theo thời gian, cũng gọi là Time-dependent RoutingAlternate routingDựa 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 RoutingAdaptive routingKết hợp cả hai phương pháp nàyAlternate routingCác đường có thể giữa 2 trạm (end office) được liệt kê trướcBộ chuyển mạch nguồn chọn lựa các đường thích hợpCác đường được liệt kê theo thứ tự ưu tiênƯu tiên kết nối trực tiếpCác đường khác nhau có thể được sử dụng tại các thời điểm khác nhauAdaptive routingCho phép các bộ chuyển mạch phản ứng lại với tình hình lưu thông trên mạngChi phí lớn hơn cho việc quản trịCác bộ chuyển mạch phải trao đổi thông tin để biết tình trạng mạngDTM (dynamic traffic management)Northern TelecomDùng bộ điều khiển trung tâm để tìm đường dự phòng khi có sự nghẽn mạngMỗi bộ chuyển mạch A cập nhật các thông tin sau cho bộ điều khiển trung tâmSố trung kế rảnh để đi đến các điểm lân cận AHiệu suất sử dụng CPU của AĐo 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 năngĐiều khiển tín hiệuChức năngGiám 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 gọiĐược truyền đến người gọi để cung cấp thông tin về sự thiết lập kết nối (tone)Quản trị mạngCác 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, )Tín hiệu điều khiểnĐiều khiển switch – switchThuê bao kết nối với các bộ chuyển mạch khác nhau Bộ chuyển mạch đầu phát được kết nối với đường trung kế, liên kết các bộ chuyển mạch Gởi tín hiệu “nhấc máy” (off hook) trên đường trung kế, yêu cầu thanh ghi số tại bộ chuyển mạch đích (cho địa chỉ)Bộ chuyển mạch đầu nhận gởi tín hiệu “nhấc máy” theo sau tín hiệu “gác máy” để báo hiệu thanh ghi đã sẵn sàng Bộ chuyển mạch đầu phát gởi địa chỉGiai đoạn điều khiển tín hiệuGiữa thuê bao (subscriber) và mạng (network)Phụ thuộc thiết bị thuê bao và bộ chuyển mạchBên trong nội bộ mạng (internal network)Quản lý các cuộc gọi của thuê bao và mạngPhức tạp hơnThông 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 networkKỹ thuật điều khiển tín hiệuInchannel SignalingDùng chung kênh truyền cho tín hiệu điều khiển và cuộc gọi ? không đòi hỏi thêm phương tiện truyền dẫnInbandCác tín hiệu điều khiển có cùng tần số với tín hiệu thoạiCó thể truyền đi bất cứ đâu mà tín hiệu thoại đi đếnKhông thể thiết lập cuộc gọi trên đường truyền thoại hỏng/có lỗiOut-of-bandTín 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 điểmTốc độ truyền hạn chế Trì hoãn giữa khi quay số và khi kết nốiKhắc phục bằng cách sử dụng common channel signalingKỹ thuật điều khiển tín hiệuCommon Channel SignalingCác tín hiệu điều khiển truyền trên kênh truyền độc lập với kênh truyền thoạiMột kênh tín hiệu điều khiển chung cho một số kênh thuê baoGiảm đáng kể thời gian thiếp lập kết nối, độ tin cậy cao hơn các cơ chế khácAssociated ModeKênh tín hiệu chung đi kèm với đường trung kế liên kết các bộ chuyển mạch Disassociated ModeCần các node phụ (các điểm trung chuyển tín hiệu)Thực chất là 2 mạng riêng biệtCấu hình "common – channel" Common vs. In Channel SignalingCommon vs. In Channel SignalingHệ thống điều khiển tín hiệu số 7Signaling System Number 7 (SS7)Cơ chế kênh tín hiệu điều khiển chungDùng trong ISDNĐược tối ưu cho mạng các kênh số 64kDùng để điều khiển cuộc gọi, điều khiển từ xa, quản lý và bảo trì hệ thống Cung cấp một phương tiện tin cậy trong việc trao đổi thông tin theo thứ tự Vẫn hoạt động đối với tín hiệu analog và băng thông dưới 64kDùng trong các liên kết mặt đất điểm-điểm và các liên kết vệ tinh Các phần tử trong mạng tín hiệu điều khiểnĐiểm điều khiển tín hiệu (Signaling point – SP)Bất kỳ điểm nào trong mạng có khả năng xử lý các thông báo điều khiển SS7Điểm trao đổi tín hiệu (Signal transfer point – STP)Là một SP có khà năng tìm đường cho các thông báo điều khiển Control planeChịu trách nhiệm tạo và duy trì kết nốiInformation planeMột khi kết nối đã được tạo, thông tin sẽ được truyền trên “information plane”Điểm trao đổi STPCấu trúc mạng điều khiểnKhả năng của STPSố liên kết điều khiển có khả năng xử lýThời gian truyền thông báoKhả năng truyền thông tin (throughput capacity)Hiệu suất mạng Số lượng SPThời gian trễ điều khiển tín hiệuKhả năng và độ tin cậyKhả năng của mạng trong việc cung cấp các dịch vụ khi các STP bị hư/không sẵn sàngSoftswitch ArchitectureMáy tính đa dụng chạy phần mềm để thực hiện chức năng chuyển mạch điện thoại thông minhGiá thành thấpChức năng đa dạng hơnPhân gói các dữ liệu số hóa thoạiCho phép thoại trên IP (VoIP)Phần phức tạp nhất trong bộ chuyển mạch mạng điện thoại là một quá trình điều khiển cuộc gọi bằng phần mềmĐịnh tuyến cuộc gọiXử lý luận lý cuộc gọiThường chạy trên bộ xử lý đặc thùTách việc xử lý cuộc gọi khỏi phần cứng của bộ chuyển mạchChuyển mạch vật lý được thực hiện bằng cổng phương tiện (media gateway – MG)Xử lý cuộc gọi được thực hiện bằng bộ điều khiển cổng phương tiện (media gateway controller – MGC)Bộ chuyển mạch truyền thốngSoftswitchĐọc thêmW. Stallings, Data and Computer Communications (6th edition), Prentice Hall 2003, chapter 10