Truyền số liệu

Trong một mạng chuyển mạch, dữ liệu được đưa vào từ một trạm sau đó được định tuyến và chuyển mạch giữa các nút mạng để truyền đến đích. Ví dụ, trên hình 6.1, dữ liệu cần truyền từ trạm nguồn A đến trạm đích F được gửi tới nút 4. Sau đó, chúng có thể được định tuyến để qua nút 5 và 6 hoặc 7 và 6 để tới đích. Có một số điều cần lưu ý như sau:

- Một số nút chỉ có kết nối tới nút khác (ví dụ như nút 5, 7). Nhiệm vụ duy nhất của chúng là chuyển mạch dữ liệu nội bộ. Các nút khác có một hoặc nhiều các nút kết nối trực tiếp tới nên nó có thêm các chức năng chuyển mạch, như là các nút này có thể chấp nhận và chuyển tiếp dữ liệu tới các trạm gắn tới nó.

- Các liên kết nút - trạm thường được dành riêng cho các liên kết điểm – điểm. Các liên kết nút - nút thường được ghép kênh, sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số (FDM) hoặc kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số (TDM).

- Thông thường, mạng không có kết nối đầy đủ, nghĩa là không có một kết nối trực tiếp tới tất cả các cặp nút. Tuy nhiên, ta luôn mong muốn có nhiều hơn một liên kết giữa các trạm. Điều này sẽ tăng độ tin cậy của mạng.

Trong các mạng chuyển mạch diện rộng, có hai công nghệ thường được sử dụng: chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói.

6.2. Mạng chuyển mạch kênh

Chuyển mạch kênh (circuit switching) được định nghĩa là kỹ thuật chuyển mạch đảm bảo việc thiết lập một đường dành riêng cho việc truyền tin giữa hai trạm. Đường truyền này gồm một chuỗi các kết nối giữa các nút mạng.

Chuyển mạch kênh được ứng dụng cho việc liên lạc một cách tức thời mà ở đó quá trình chuyển trình chuyển mạch được đưa ra một cách không có cảm giác về sự chậm trễ (thời gian thực) và độ trễ biến thiên giữa nơi thu và nơi phân phối tin hay ở bất kỳ phần nào của hệ thống truyền tin. Mạng điện thoại công cộng là một ví dụ ứng dụng kỹ thuật chuyển mạch kênh.

Truyền thông qua chuyển mạch kênh bao gồm ba giai đoạn. Sau đây sẽ giải thích các giai đoạn này dựa theo mạng chuyển mạch hình 6.1.

1. Giai đoạn thiết lập kết nối. Trước khi truyền dữ liệu, một đường truyền từ đầu cuối đến đầu cuối (từ trạm đến trạm) được thiết lập. Ví dụ, trạm A gửi tới nút 4 yêu cầu kết nối tới trạm E. Dựa trên thông tin định tuyến, các biện pháp có sẵn và chi phí, nút 4 lựa chọn liên kết tới nút 5. Liên kết vật lý này dành ra một kênh logic (sử dụng FDM hoặc TDM) và gửi một bản tin yêu cầu kết nối tới E. Khi đó, một đường truyền dành riêng được thiết lập tới A thông qua nút 4, 5. Vì có một số các trạm được gắn tới nút 4 nên có thể thiết lập các đường nội bộ từ nhiều trạm tới nhiều nút. Nút 5 cấp phát một kênh tới nút 6. Nút 6 hoàn thành kết nối tới nút E. Trước khi kết thúc giai

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 210 trang tài liệu này.

đoạn thiết lập, hệ thống cần kiểm tra để xác định trạng thái trạm E bận hay đã sẵn sàng chấp nhận kết nối.

2. Giai đoạn truyền dữ liệu. Bây giờ có thể truyền dữ liệu từ trạm A đến trạm E. Việc truyền dẫn có thể là số hoặc tương tự, phụ thuộc vào bản chất của mạng. Khi các hãng phát triển các mạng số tích hợp thì việc sử dụng truyền số (nhị phân) đối với cả dữ liệu và thoại sẽ là phương pháp chủ đạo. Đường truyền từ trạm A qua 4 liên kết tới đích: chuyển mạch nội bộ thông qua nút 4, liên kết 4 – 5, chuyển mạch nội bộ thông qua nút 5, liên kết 5 – 6, chuyển mạch nội bộ thông qua nút 6, cuối cùng là liên kết 6 – trạm E. Các liên kết này thông thường là song công hoàn toàn.

3. Giai đoạn ngắt kết nối. Sau một thời gian truyền dữ liệu, nếu một trong hai trạm gửi yêu cầu ngắt kết nối thì tín hiệu này sẽ được gửi tới nút 4, 5 và 6 để, giải phóng các tài nguyên đã bị chiếm dụng để sẵn sàng phục vụ cho các yêu cầu kết nối khác.

Chuyển mạch kênh có thể không hiệu quả. Dung lượng kênh phải được dành riêng trong suốt quá trình kết nối, ngay cả khi không có dữ liệu trên đường truyền. Đối với truyền thoại thì hiệu suất cao hơn, nhưng cũng không đạt tới 100%. Đối với kết nối client/server hay từ thiết bị đầu cuối tới máy tính thì kênh truyền có thể rỗi trong hầu hết thời gian kết nối. Hơn nữa, khi xét về hiệu suất thì chuyển mạch kênh có thời gian trễ truyền tín hiệu do phải thiết lập đường truyền dành riêng. Tuy nhiên, sau khi đã thiết lập xong thì hệ thống mạng chuyển mạch sẽ trở nên trong suốt với người dùng, có nghĩa là người dùng sẽ không cảm nhận được về sự trễ trong việc truyền dữ liệu. Thông tin được truyền với tốc độ dữ liệu cố định, không có trễ chuyển mạch hay định tuyến tại các nút mạng mà chỉ còn tồn tại trễ lan truyền tín hiệu qua các liên kết; trễ này là không đáng kể.

Hình 6.2. Ví dụ về việc kết nối thông qua mạng điện thoại công cộng.

Chuyển mạch kênh được phát triển để xử lý lưu lượng thoại, nhưng hiện nay nó cũng được sử dụng cho truyền dữ liệu. Mạng điện thoại công cộng (PSTN) là một ví dụ của mạng chuyển mạch kênh, gồm có bốn thành phần kiến trúc cơ bản như sau:

- Các thuê bao (subscribers): là các thiết bị kết nối vào mạng. Trong các mạng viễn thông công cộng thì các thuê bao phần lớn là điện thoại, nhưng những năm gần đây thì lưu lượng dữ liệu đã tăng lên rất nhanh.

- Đường thuê bao (subscriber line): là liên kết giữa thuê bao với mạng, còn được gọi là mạch vòng thuê bao (subscriber loop) hay mạch vòng nội bộ (local loop). Hầu như tất cả các kết nối mạch vòng đều sử dụng dây xoắn đôi. Chiều dài của một mạch vòng nội bộ thường chỉ vài kilômét cho đến vài chục kilômét.

- Các tổng đài (exchanges): là các trung tâm chuyển mạch trong mạng. Một trung tâm chuyển mạch hỗ trợ trực tiếp cho các thuê bao được gọi là tổng đài đầu cuối (end office). Một tổng đài đầu cuối sẽ hỗ trợ cho nhiều nghìn thuê bao.

- Các đường trung kế (trunks) là các đường nối giữa các tổng đài, trên đó tổ chức thành nhiều kênh logic sử dụng kỹ thuật FDM hoặc TDM đồng bộ.

Các thuê bao kết nối trực tiếp tới một tổng đài đầu cuối để có thể kết nối tới các thuê bao hoặc tới các tổng đài khác. Các tổng đài còn lại sẽ thực hiện việc định tuyến và chuyển mạch dữ liệu giữa các tổng đài đầu cuối. Ta sẽ phân tích sự khác biệt này trên hình 6.3. Để kết nối hai thuê bao gắn trực tiếp vào cùng một tổng đài đầu cuối thì tổng đài đầu cuối này sẽ thực hiện chuyển mạch vào tạo kết nối cho phép hai thuê bao đó trao đổi với nhau (thuê bao a và b). Trong trường hợp hai thuê bao đó gắn với hai tổng đài đầu cuối khác nhau thì cần phải (thuê bao a và d) thiết lập một chuỗi các liên kết thông qua một hoặc nhiều tổng đài trung gian.

Công nghệ chuyển mạch được thúc đẩy bởi các ứng dụng xử lý với lưu lượng thoại. Một trong những yêu cầu then chốt đối với thoại là không có cảm giác về trễ truyền và sự biến thiên trễ nên kênh truyền phải được thiết lập trước với tốc độ truyền không bị thay đổi.

Hình 6.3. Sơ đồ thiết lập đường truyền

Các thành phần của một nút chuyển mạch

Trái tim của một nút chuyển mạch hiện đại là bộ phận chuyển mạch số. Chức năng của bộ chuyển mạch số là cung cấp đường truyền trong suốt giữa bất kỳ một cặp thiết bị được kết nối vào. Về cơ bản thì các kết nối này cho phép truyền song công hoàn toàn.

Hình 6.4. Mạng chuyển mạch công cộng

Thành phần giao diện mạng (network interface) cung cấp chức năng và phần cứng cần thiết để kết nối các thiết bị vật lý, như các thiết bị xử lý dữ liệu, điện thoại số, tới mạng. Các điện thoại tương tự cũng có thể được gắn vào nếu giao diện mạng có phần chuyển đổi sang tín hiệu số.

Khối điều khiển thực hiện ba nhiệm vụ chính: thiết lập kết nối, duy trì kết nối và ngắt kết nối.

Chuyển mạch kênh tín hiệu số là quá trình thực hiện trao đổi nội dung thông tin số trong các khe thời gian của các tuyến PCM đầu vào tới đầu ra. Để thực hiện hiệu quả quá trình chuyển mạch, các tuyến PCM thường được ghép kênh với tốc độ cao trước khi đưa tới trường chuyển mạch. Phần dưới đây, ta sẽ

Đường dây từ tổng đài

Đường dây đến thuê bao

TRƯỜNG CHUYỂN MẠCH

Giao tiếp đường dây

Hình 6.5. Trường chuyển mạch

Trong hệ thống tổng đài, chúng ta gặp phải một số thuật ngữ về chuyển mạch như: chuyển mạch, mạng chuyển mạch, trung tâm chuyển mạch, trường chuyển mạch. Để tránh sự lẫn lộn, chúng ta xét các khái niệm sau:

- Chuyển mạch: mô tả một nguyên tố chuyển mạch đơn giản.

- Trường chuyển mạch: mô tả sự hợp thành của một nhóm các chuyển mạch. Trung tâm chuyển mạch (tổng đài) chứa trường chuyển mạch.

Một mạng chuyển mạch gồm các trung tâm chuyển mạch, các thiết bị đầu cuối và hệ thống truyền dẫn.

Việc bố trí sử dụng các trường chuyển mạch trong hệ thống chuyển mạch phụ thuộc chủ yếu vào kiến trúc điều khiển của hệ thống. Tuy nhiên, kiến trúc trường chuyển mạch kênh được chia thành hai dạng phân chia theo nguyên tắc hoạt động: Trường chuyển mạch không gian (S) và trường chuyển mạch thời gian (T). Dưới đây sẽ trình bày nguyên lý cấu trúc của trường chuyển mạch không gian S, thời gian T.

6.2.1. Chuyển mạch phân chia không gian

Chuyển mạch không gian số S thực hiện quá trình chuyển nội dung thông tin từ các tuyến PCM đầu vào tới các tuyến PCM đầu ra mà không làm thay đổi vị trí khe thời gian trên trục thời gian. Để tạo ra kênh truyền thông cho các cuộc gọi, các thông tin được chuyển qua trường chuyển mạch không gian số được chuyển mạch định kỳ với khoảng thời gian 125µs.

Hình 6.6. Nguyên lý chuyển mạch không gian S

Các trường chuyển mạch không gian S được thiết kế để hỗ trợ chuyển mạch đồng thời một số lượng lớn các cuộc nối dưới sự điều khiển của các chương trình ghi sẵn. Hình 6.6. chỉ ra sơ đồ nguyên lý cấu trúc của trường chuyển mạch không gian S điển hình theo kiểu điều khiển đầu vào, kiểu điều khiển đầu ra được thực hiện bằng sự hoán đổi vị trí gắn cổng đầu ra của các phần tử kết nối.

Trường chuyển mạch không gian S được cấu tạo từ hai khối chính: Khối ma trận chuyển mạch và khối điều khiển cục bộ.

- Khối ma trận chuyển mạch

Khối ma trận chuyển mạch được cấu trúc dưới dạng ma trận hai chiều, gồm các cổng đầu vào và các cổng đầu ra, trên các cồng là các tuyến PCM có chu kỳ khung 125µs. Các điểm nối trong ma trận là các phẩn tử logic không nhớ (thông thường là các mạch AND). Một ma trận có N cổng đầu vào và M cổng đầu ra trở thành ma trận vuông khi N = M.

Khối điều khiển khu vực

Bộ nhớ điều khiển kết nối CM lưu trữ các thông tin điều khiển theo chương trình ghi sẵn cho ma trận chuyển mạch, nội dung thông tin trong CM sẽ thể hiện vị trí tương ứng của điểm kết nối cần chuyển mạch.

Bộ giải mã địa chỉ DEC chuyển các tín hiệu điều khiển mã nhị phân thành các tín hiệu điều khiển cổng cho các phần tử kết nối AND.

Bộ đếm khe thời gian TS.C (Time Slot Counter) nhận tín hiệu đồng hồ từ đồng hộ hệ thống cấp các xung đồng bộ cho bộ điều khiển theo đồng bộ của các tuyến PCM vào và ra.

TS. C đưa tín hiệu đồng bộ vào bộ chọn SEL để đồng bộ quá trình ghi dịch địa chỉ và tác vụ ghi đọc của bộ nhớ CM.

Nguyên tắc hoạt động của trường chuyển mạch không gian S gồm một số bước cơ bản sau:

Các tuyến PCM trên các cổng đầu vào và đầu ra được đồng bộ hóa theo tín hiệu đồng bộ. Như trên hình 6.6 chỉ ra mỗi khối điều khiển khu vực LOC đảm nhiệm một cổng đầu ra, vì vậy số bộ điều khiển LOC sẽ bằng đúng số cổng đầu ra (M bộ điều khiển).

Để rò hơn nguyên tắc điều khiển và hoạt động của trường chuyển mạch S, ta xét một ví dụ cụ thể: Yêu cầu chuyển nội dung thông tin trên TS3 tại cổng đầu vào 4 ra TS3 trên cổng đầu ra 1. Với yêu cầu trên, khối điều khiển khu vực LOC 1 sẽ thực hiện nhiệm vụ điều khiển chuyển mạch, thông tin điều khiển được đưa trước vào CM thông qua đường dữ liệu điều khiển Data, thanh ghi địa chỉ của bộ chọn SEL trỏ đến ngăn nhớ số 03: tương ứng với chỉ số TS3 của khung PCM, nội dung dữ liệu điều khiển thể hiện cổng kết nối vào (cổng 4).

Qua sự phối hợp đồng bộ của TS.C, một chu kỳ điều khiển tuần tự và đồng bộ giữa chỉ số khe thời gian và con trỏ địa chỉ đọc dữ liệu ra từ CM. Vì vậy, khi con trỏ chỉ đến địa chỉ 03, thời gian hệ thống sẽ trùng khớp với TS3 trên các tuyến PCM, đồng thời SEL chỉ thị quá trình đọc dữ liệu và chuyển thông tin dữ liệu qua bộ DEC để giải mã, thực hiện đóng tiếp điểm giữa cổng vào 4 và cổng ra 1. Tiếp điểm được đóng trong suốt thời gian chuyển dữ liệu và bằng thời gian của khe thời gian. Với tính chất logic của tiếp điểm AND, khi hàm điều khiển có mức 1 thì toàn bộ số liệu đầu vào sẽ được chuyển tới đầu ra.

Đối với mỗi một cuộc nối thoại, chu kỳ đóng tiếp điểm được thực hiện tuần tự theo chu kỳ 125µs, việc ngắt các kết nối được thực hiện đơn giản thông qua quá trình ghi lại dữ liệu trong bộ nhớ CM, các khoảng thời gian còn lại sẽ được thực hiện cho các kết nối khác. Nếu ma trận chuyển mạch là ma trận vuông thì tổng số kênh tối đa có

thể kết nối đồng thời sẽ là Ch = n x N (n: số khe thời gian trong một khung PCM; N: số cổng đầu vào chuyển mạch S).

Trường chuyển mạch không gian S mang tính thời gian nếu xét về tính chu kỳ của quá trình đóng ngắt tiếp điểm. Tuy nhiên, chu kỳ này là cố định cho tất cả các cuộc nối qua trường chuyển mạch. Nhược điểm này luôn tồn tại trong các trường chuyển mạch không gian S là khả năng tắc nghẽn khi có nhiều hơn một yêu cầu chuyển mạch TS đầu vào cùng muốn ra một cổng đầu ra. Một ma trận chuyển mạch không tắc nghẽn, hoàn toàn được định nghĩa là một ma trận có khả năng đáp ứng được các kết nối từ các đầu vào bất kỳ tới các đầu ra bất kỳ.

Hiện tượng tranh chấp cổng đầu ra trong nội bộ trường chuyển mạch được gọi là hiện tượng tắc nghẽn nội. Để giải quyết vấn đề trên, các trường chuyển mạch S thường được kết hợp với các bộ đệm gây trễ thời gian để tránh tranh chấp, giải pháp ghép nối với trường chuyển mạch thời gian T được sử dụng phổ biến trong các hệ thống chuyển mạch hiện nay.

Khả thông của bộ chuyển mạch

Bộ chuyển mạch tiếp thông hoàn toàn (toàn thông) là bộ chuyển mạch mà mỗi đầu vào đều có khả năng nối tới đầu ra bất kỳ. Đối với loại bộ chuyển mạch này phải có quan hệ 1:1 giữa đầu vào - phần tử chuyển mạch - đầu ra, nghĩa là trên giao điểm giữa một đầu vào bất kỳ với một đầu ra bất kỳ đều phải có phần tử chuyển mạch tương ứng (hình 6.6 a)

Bộ chuyển mạch không toàn thông (tiếp thông không hoàn toàn) loại này khác loại trên là ở một số giao điểm của ma trận chuyển không có phần tử chuyển mạch.

Như thế một số đầu vào không thể nối tới một số đầu ra nào đó (hình 6.7 b)

Trong sơ đồ chuyển mạch tiếp thông hoàn toàn, ta thấy ràng bất kỳ đầu vào nào cũng có khả năng nối với đầu ra mong muốn, còn trong sơ đồ chuyển mạch tiếp thông không hoàn toàn thì chỉ có một số đầu vào nào đó thì mới có khả năng nối với một số đầu ra tương ứng nào đó mà thôi. Thông thường, các sơ đồ tiếp thông không hòa toàn được thiết kế với mục đích kinh tế ở những nơi có nhu cầu trao đổi thông tin không đồng đều.