công nghệ truyền tải không đồng bộ atm

<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

<b>LỜI NÓI ĐẦU</b>

Vào cuối thập kỷ 80, sau một thời gian nghiên cứu ITU - T đã đưa rakết luận sẽ triển khai một công nghệ mới, công nghệ truyền tải không đồng bộATM trên mạng dịch vụ băng rộng B - ISDN. Mạng B - ISD /ATM ra đờingay lập tức đã đạt được các thành công to lớn do khả năng cung cấp các dịchvụ băng roọng khác nhau cũng như khả năng thích ứng tới với mọi công nghệđường truyền.

Mạng ATM công cộng đầu tiên trên thế giới được triển khai ở Mỹ từnăm 1993 - 1995 mang tên WILEL (nay là WORLD - COM). Mạng ATM ởNhật mang tên JAPAN CAMPUS nối 22 trường đại học trên toàn bộ lãnh thổNhật đã hoàn thành vào tháng 5 - 1995 và ở Italia mang tên SOCRA nối 14thành phố chủ chốt xây dựng năm 1995 - 1996.

Hiện nay cơng nghệ ATM đã hồn chỉnh đến mức mạng ATM có thểkết nối với tất cả các loại mạng hiện hữu và chuyển mạch ATM có thể thíchnghi với các chủng loại tốc độ khác nhau. Với việc hồn thiện của cơng nghệATM, của truyền dẫn SDH trên cáp sợi quang thì việc xây dựng một xa lộ thôngtin cung cấp dịch vụ đa phương tiện (Multimedia Service) trên mạng B - ISDNsẽ sớm có khả năng trở thành hiện thực trong những năm đầu của thế kỷ 21.

Tuy nhiên công nghệ ATM là cơng nghệ phức tạp cũng như địi hỏi chiphí rất cao và chỉ được ứng dụng mạng ở các công nghiệp tiên tiến. Thực tế ởViệt Nam, mạng ATM mới chỉ được ứng dụng trong mạng viễn thông quânsự mà chưa được ứng dụng trong mạng viễn thông Việt Nam. Như vậy có thểnói ATM vẫn cịn là mới mẻ đối với chúng ta. Nhưng với xu hướng hội nhậpvà phát triển của đất nước hiên nay, chóng ta hồn tồn có thể tin tưởng vềviệc xây dựng mạng ATM thực nghiêm tiến tới xây dựng một mạng ATMhoàn chỉnh ở Việt Nam là điều có thể dự báo trước trong một tương lai khôngxa.

</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2">

Nhận thức được điều này, em đã mạnh dạn dành toàn bộ thời gian thực

<i><b>tập và làm luận văn tốt nghiệp để nghiên cứu đề tài “Công nghệ truyền tải</b></i>

<i><b>không đồng bộ ATM và khả năng ứng dụng truyền thoại có phân bố băngthông động trên ATM”. Nội dung đồ án của em như sau:</b></i>

Chương 1: Các đặc điểm về công nghệ truyền tải không đồng bộ ATM.Chương 2: Cấu trúc phân lớp, nhiệm vụ & chức năng các lớp chínhtrong mơ hình tham chiếu B - ISDN.

Chương 3: Dịch vụ giả mạch - Nguyên lý và các yêu cầu kết nối dịchvụ có cấu trúc Nx 64 Kb/s.

Chương 4: Nghiên cứu dịch vụ giả mạch có phân bố băng thơng động(DBCES).

Chương 5: Mơ hình ứng dụng truyền thoại trên ATM.

Do vấn đề nghiên cứu cịn mới mẻ, thời gian khơng nhiều cho việc tìmtịi và tiếp cận với một cơng nghệ mới cũng như giới hạn của bản thân, đồ ánnày chắc chắn khơng thể tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong có được ýkiến đóng góp của các thầy, cô giáo, các anh chị đồng nghiệp, các bạn bè gầnxa để đồ án có thể hồn thiện hơn.

Cuối cùng em xin gửi lời cám ơn chân thành tới thầy giáo hướng dẫnĐại tá Th.s Nguyễn Duy Chuyên, Trung uý. Ks Đồn Minh Tân cùng tồn thểcác anh trong phịng kỹ thuật - Truyền số liệu của trung tâm kỹ thuật côngnghệ cao (Bé TLTT), những người đã giúp đỡ em rất nhiều trong suốt thờigian em làm đồ án.

<i> Hà nội, tháng năm 2003</i>

<b>Sinh viên Nguyễn Việt Hùng</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

<b>CHƯƠNG 1</b>

<b> CÁC ĐẶC ĐIỂM VỀ CÔNG NGHỆ TRUYỀN TẢI KHÔNG ĐỒNG BỘ ATM</b>

<b>1.1. Sù ra đời của cơng nghệ ATM</b>

Mạng viễn thơng trước đây có đặc điểm chung là chúng tồn tại riêng rẽ,ứng với mỗi loại dịch vụ thơng tin lại có Ýt nhất một loại mạng viễn thôngriêng biệt để phục vụ dịch vụ đó. Ví dụ như:

 Mạng Telex: dùng để gửi các bức điện dưới dạng ký tự đã đượcmã hoá. Tốc độ truyền rất thấp (75 - 300bps)

 Mạng điện thoại cơng cộng: thơng tin tiếng nói được số hố vàchuyển mạch quan hệ thơng chuyển mạch điện thoại công cộng. Tốc độ tối đa64 kbps.

 Mạng truyền số liệu bao gồm: Mạng truyền mạch gói để trao đổithơng tin giữa các máy tính và mạng truyền số liệu chuyển mạch kênh.

 Hệ thống truyền hình quảng bá: sử dụng sóng vơ tuyến truyềnqua vệ tinh.

 Mạng cục bộ LAN: thực hiện truyền số liệu trong phạm vi hẹp,tốc độ rất cao (vài chục đến vài trăm Mbps).

 Mạng Internet: thực hiện truyền số liệu trên phạm vi toàn thếgiới, tốc độ nhỏ (từ vài trăm đến vài nghìn bps).

Chính điều này đã gây ra rất nhiều khó khăn trong việc thiết kế, vậnhành, bảo dưỡng hệ thống như không thuận tiện cho khách hàng để đăng kýcác dịch vụ mong muốn sử dụng. Bên cạnh đó xuất hiện các nhu cầu ngàycàng tăng về các dịch vụ băng rộng như: Dịch vụ điện thoại truyền hình, điệnthoại hội nghị, video theo yêu cầu (VOD), truyền hình số, truyền hình có độphân giải cao (HDTV), dịch vụ truyền số liệu tốc độ cao... Vì vậy dẫn đến yêucầu ra đời một mạng liên kết đa dịch vụ có khả năng cung cấp dịch vụ đaphương tiện (Multimedia Service) thoả mãn mọi nhu cầu của xã hội thông tin

</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">

hiện nay và trong kỷ nguyên thông tin sắp tới. Đó chính là mạng liên kết dadịch vụ băng rộng B - ISDN (Broadband - Intergrated Service DigitalNetwork).

Sù ra đời của B - ISDN mà cơ sở của nó là một cơng nghệ mới. Cơngnghệ này có khả năng tương thích với đường truyền cơng nghệ cao từ vàiMbps đến vài Gbps do đó có thể chấp nhận mọi thách thức của nhu cầu dịchvụ cũng như sự phát triển của công nghệ đường truyền. Đồng thời, nó có khảnăng tương thích các loại dịch vụ từ truyền tiếng nói, hình ảnh với u cầuthời gian thực, độ trễ nhỏ đến các dịch vụ truyền số liệu tốc độ cao yêu cầutổn thất đường truyền nhỏ. Đó chính là cơng nghệ truyền tải khơng đồng bộATM.

<b>1.2. Định nghĩa ATM </b>

ATM là công nghệ thiết kế cho việc truyền tải tốc độ cao của tiếng nói(voice), truyền hình (video), dữ liệu (data) thơng qua mạng riêng và mạngcông cộng sử dụng công nghệ chuyển tiếp tế bào. Các nghiên cứu về ATMđược bắt đầu từ những năm 1980. Các chuẩn B - ISDN /ATM được công bốđầu tiên năm 1988 bởi ITU - T và từ đó đến nay ngày càng được hồn thiện.Có 2 tổ chức cùng song song nghiên cứu trao đổi lẫn nhau để đưa ra cácchuẩn hoá về ATM là ITU - T và ATM Forum. Những tiêu chuẩn mở củaATM được đưa ra chủ yếu bởi ATM Forum, đây là tổ chức được Cisco,NET /ADAPTIVE, Northern Telecom và Sprint lập ra năm 1991.

ATM là viết tắt của từ Asynchronous Transfer Mode là phương thức

<b>truyền tải không đồng bộ, trong đó thuật ngữ “khơng đồng bộ” có nghĩa là</b>

tốc độ dữ lỉệu được truyền đi không nhất thiết ứng với một băng thơng nhấtđịnh, điều này nói lên rằng việc truyền dẫn chỉ được thực hiện nếu như có dữ

<b>liệu thực được truyền đi, “Khồng đồng bộ” cũng để nói đến tính chất các</b>

thơng tin xuất hiện trong hệ thống (các gói được truyền đi) có thể lặp lại bấtthường khơng có chu kỳ. Ở đầu vào, các thơng tin sẽ được nạp vào bộ đệmsau đó được cắt nhỏ thành các tế bào và được truyển tải qua mạng.

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

Là công nghệ ghép kênh và chuyển mạch tế bào, ATM kết hợp đượcnhững ưu điểm của cả chuyển mạch kênh (trễ truyền dẫn không đổi, tốc độbảo đảm) và chuyển mạch gói (linh hoạt, hiệu quả cao với những lưu lượngbiến thiên). ATM có các đặc điểm quan trọng sau đây.

 ATM sử dụng các gói có kích thước nhỏ cố định gọi là tế bào(Cell), các tế bào nhỏ cùng với tốc độ truyền dẫn lớn làm cho trễ truyền vàbiến động trễ giảm đủ nhỏ đối với các dịch vụ yêu cầu thời gian thực, ngồi rakích thước nhỏ và cố định cho phép thực hiện chuyển mạch ở phần cứng hiệuquả hơn so với những gói có kích thước thay đổi và tạo điều kiện cho việc kếthợp kênh ở tốc độ cao được dễ dàng.

 Dịch vụ kết nối trong ATM là có liên kết (connection - orientedservice), cho phép định tuyến các tế bào thông qua mạng ATM dựa trên cáckết nối ảo sử dụng các nhận dạng kết nối đơn giản ( khả năng nhóm một vàikênh ảo thành một đường ảo giúp cho việc định tuyến dễ dàng )

 Ghép kênh không đồng bộ cho phép sử dụng hiệu quả băngthông và ghép / tách dữ liệu với độ ưu tiên và kích thước khác nhau

 Sự kết hợp của những đặc điểm trên cho phép ATM cung cấpcác dịch vụ khác nhau cho các yêu cầu giữ liệu khác nhau và thiết lập dịch vụyêu cầu tại thời điểm kết nối được thiết lập. Điều này có nghĩa là một kênh ảocủa dịch vụ đưa ra có thể được đảm bảo ở một băng thống nhất định cũng nhưcác tham số lưu lượng khác phục vụ cho kết nối này.

Thực chất công nghệ ATM là một bước phát triển tiếp theo của côngnghệ mạch gói (Packet Switching). Tuy nhiên có 2 đặc điểm khác nhau cơbản giữa ATM và chuyển mạch gói

 Thứ nhất: đối với chuyển mạch gói thơng tin người sử dụng đượcchứa trong các gói có độ dài thay đổi (hiện nay kích thước các gói thường là64/128 bytes). ATM sử dụng các tế bào in có độ dài cố định là 53 bytes.

</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">

 Thứ hai: Chuyển mạch gói sử dụng phương thức kết nối thơng tinkhơng định hướng (Connectionless-oriented). Do đó chuyển mạch gói khơngcó thể đảm bảo việc truyền tải các dịch vụ theo các yêu cầu về chất lượng củadịch vụ đó (QoS - Quality of Service). Trong khi đó ATM sử dụng phươngthức kết nối truyền tải thơng tin có hướng (Connection - oriented) nên các kếtnối trong mạng ATM đảm bảo duy trì các trị số QoS tuỳ theo yêu cầu dịch vụ.

<b>1.3. Nguyên lý ATM</b>

Trong mục này chúng ta sẽ tìm hiểu nguyên lý chung của ATM. Nhưchúng ta biết, một cách quản lý tốt các luồng thông tin lớn là cắt thơng tinthành các gói càng nhỏ càng tốt để thuận lợi hơn cho quản lý. ATM khôngquan tâm thơng tin là gì hoặc khn dạng của nó ra sao. Nó chỉ đơn giản làcắt thơng tin thành các gói có độ dài bằng nhau cịn gọi là các tế bào có gántiêu đề để gói có thể được định tuyến tới tích của nó. Các tiêu đề trong ATMcó chức năng chính là định tuyến và do vậy chúng có thể chuyển qua mạngmà khơng cần nhiều thao tác xử lý.

Hình 1.1 miêu tả nguyên tắc trong ATM, tất cả các loại thông tin nhưdữ liệu (data), âm thanh (sound), hình ảnh động (moving pictures) hoặc ảnhtĩnh (still image)... đều có thể được phân chia thành các gói nhỏ có kích thướccố định (các cell) và được chuyển đi khơng qua tâm tới nội dung của gói đó.

</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">

<b>Hình 1-1: Nguyên lý ATM.</b>

Như vậy trong ATM các luồng dữ liệu của các dịch vụ khác nhau cũngnhư các luồng dữ liệu đầu vào có tốc độ khác nhau (64 Kbps, 2Mbps,34Mbps...) đều được cắt thành các gói đều nhau - tế bào. Các tế bào từ cácnguồn khác nhau đó sẽ được trộn theo cách sao cho truyền dẫn tối ưu nhấtcũng như đáp ứng được mọi yêu cầu của tất cả dịch vụ trong đó có cả các dịchvụ yêu cầu thời gian thực như thoại, truyền hình hội nghị.

Một điều cần lưu ý là nếu 2 nguồn có băng thơng tương ứng là x bit/svà y bit/s thì bằng thơng hiệu dụng thơng thường sẽ là (x + y) bit/s. Cịn trongATM, băng thơng hiệu dụng z < (x + y) bit /s vì mọi thông tin trong các bit

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

được phân gói trong các tế bào zero hay các tế bào không hợp lệ. Do vậy băngthông hiệu dụng giảm. Ngồi ra một điều rất quan trọng trong ATM đó là khảnăng cấp phát băng thông động: cấp phát băng thơng cho th bao có u cầu(các cell ATM được tạo ra chỉ khi có u cầu), nếu khơng có u cầu thì băngthơng này sẽ được giải phóng hoặc cung cấp cho người sử dụng khác. Đồngthời nếu không có tải trọng (phần mang thơng tin) cần truyền đi trên một phầnđường truyền xác định trong mét chu kỳ thời gian, các cell trống sẽ được tạora vì thế băng thơng hiệu dụng có thể được sử dụng một cách linh hoạt đápứng các yêu cầu thay đổi.

<b>1.4. Các khái niệm tổng quan về ATM</b>

Trong phần này chúng ta sẽ tìm hiểu các khái niệm cơ sở có liên quanđến công nghệ truyền tải không đồng bộ ATM.

<i><b>1.4.1. Các loại thiết bị ATM</b></i>

Một mạng ATM được tạo ra từ một hoặc nhiều thiết bị chuyển mạchATM và các thiết bị kết cuối ATM. Một đầu cuối (hay hệ thống đầu cuối)ATM chứa một giao diện tương thích mạng ATM. Các trạm làm việc, các bộđịnh tuyến, các đơn vị dịch vụ số liệu (DSU<small>S</small>), các chuyển mạch LAN, các bộmã hố và giải mã video (CODEC<small>S</small>)... là các ví dụ về hệ thống đầu cuối ATM(hình 1.2). Ta có thể nhận thấy rằng chúng đều có một giao diện ATM để kếtnối với thiết bị chuyển mạch ATM, sau đó qua mạng ATM tới thiết bị chuyểnmạch khác ở phía đầu xa.

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

<b>Hình 1.2: Các thiết bị mạng ATM.</b>

<i><b>1.4.2. Các kiểu giao diện mạng ATM</b></i>

Có hai kiểu giao diện liên kết các thiết bị ATM trên các kết nối điểm

<b>-điểm: giao diện Người sử dụng - Mạng (UNI) và giao diện Mạng - Mạng(NNI), hay còn gọi là giao diện Nút - Mạng. UNI kết nối một hệ thống đầu</b>

cuối ATM (phía người sử dụng) với một chuyển mạch ATM (phía mạng).NNI kết nối hai chuyển mạch ATM với nhau, trong trường hợp này cả haiphía đều là mạng.

UNI và NNI đều được chia nhá ra thành các UNI và NNI riêng và côngcộng, tuỳ thuộc vào vị trí của chuyển mạch ATM và ý muốn của người thựchiện. Hình 1.3 cho thấy một UNI riêng kết nối một đầu cuối ATM với mộtchuyển mạch ATM riêng, cịn UNI cơng cộng kết nối một đầu cuối ATMhoặc mọt chuyển mạch riêng với một chuyển mạch công cộng.

NNI riêng kết nối hai chuyển mạch ATM với nhau trong cùng mộtmạng riêng. NNI công cộng kết nối hai chuyển mạch ATM với nhau trongcùng một mạng công cộng. Loại giao diện thứ ba là giao diện truyền tải băngrộng (BICIK) kết nối hai thiết bị chuyển mạch công cộng ở hai mạng côngcộng khác nhau.

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

<b>Hình 1.3: Các giao diện ATM.</b>

Hình 1.3 cịng cho ta thấy một bộ định tuyến với thiết bị xử lý giao diệnATM (AIP) có thể được kết nối một cách trực tiếp tới chuyển mạch ATM,còn những bộ định tuyến khơng có giao diện ATM thì phải kết nối qua mộtthiết bị dịch vụ số liệu ATM (ADSU) sau đó mới kết nối tới chuyển mạchATM.

<i><b>1.4.3. Tế bào ATM</b></i>

Đơn vị cơ sở thông tin sử dụng cho ATM có độ dài cố định là 53 byte(53 octet). Trong đó 5 byte đầu chứa thơng tin cho phần tiêu đề (header) trongkhi 48 byte tải trọng). Kích thước nhỏ có tác dụng giảm thời gian trễ và kíchthước cố định làm tăng hiệu quả chuyển mạch. Điều này có tác dụng rất lớn vìmạng ATM có độ linh động rất cao. Phần tiêu đề có nhiệm vụ chính là địnhtuyến tế bào và thay đổi tại mỗi nút chuyển mạch. Dữ liệu được truyền thôngsuốt qua mạng và không thay đổi trong suốt quá trình truyền.

- Header: 5 byte (5 octet). Thơng tin chứa trong Header có nhiệm vụchính là giúp cho việc định tuyến (routing) của các cell ATM trong mạngATM. Do mạng ATM hoạt động theo cách kết nối thơng tin có định hướng

</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">

(connection - oriented) nên các cell chỉ có thể luân chuyển qua các vùng màcác kết nối tồn tại.

<b>Hình 1.4: Cấu trúc cơ bản tế bào ATM</b>

- Payload: 48 byte (48 octet). Chứa thong tin hữu Ých của các loại ứngdụng khác nhau như: thoại (speech), tín hiệu truyền hình (video), dữ liệu(data), và các thông tin điều khiển cũng được thêm vào để bảo vệ các ứngdụng tương ứng dụng tương ứng. Sau khi thu đủ các tế bào của thông tin phátđi, bên phần thu sẽ tổ chức lại các luồng dữ liệu, gói dữ liệu để khơi phục lạithông tin như đã phát đi. Chú ý rằng ATM chỉ có trách nhiệm truyền dẫn phầntải trọng, nó không liên quan đến phần điều khiển và bảo vệ nội dung chophần tải trọng. Việc đảm bảo an toàn cho phần tải trọng được thực hiện ở thiếtbị đầu cuối.

Tuỳ thuộc vào giao diện, phần Header có thể là dụng UNI (User Network Interface) hoặc NNI (Network - Network Interface). Trong đó UNIlà cấu trúc phần tiêu đề của các tế bào truyền trên giao diện giữa người sửdụng và mạng. NNI là cấu trúc phần tiêu đề của các tế bào truyền trên giaodiện giữa mạng với mạng. Cấu trúc của hai loại này như sau:

<small>48 </small>

<small>53 Octets ATM Cell</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">

32bit 8 bit CRC

<b>Hình 1.5. Cấu trúc phần tiêu đề tại giao diện UNI</b>

Đối với tiêu đề tại giao diện NNI 4 bit của trường GFC trong giao diệnUNI được thay thế hoàn toàn bởi các bít của trường VPI. Do đó trường VPIcó độ dài là 12 bit

<b>Hình 1.6: Cấu trúc phần tiêu đề tại giao diện NNI.</b>

GFC (General Flow Control) : Điều khiển luồng chungVPI (Virtual Path Identifier) : Chỉ thị nhận dạng đường ảoVCI (Virtual Curcuit Identifier) : Chỉ thị nhận dạng kênh ảoPT (Payload Type) : Kiểu tải trọng

CLP (Cell Loss Prỉoity) : Ưu tiên loại bỏ CellHEC (Header Error Control) : Điều khiển lỗi tiêu đề

<i><b> 1.4.4. Lựa chọn kích thước tế bào.</b></i>

<b>Người ta đã nghiên cứu để đưa ra một quyết định về kích thướccủa các tế bào dựa trên một số các yếu tố chính sau đây:</b>

- Hiệu quả truyền dẫn: Tế bào kích thước càng lớn thì độ trễ càng lớnnhưng tỷ lệ lượng tin hữu Ých lớn, ngược lại kích thước nhỏ thì trễ Ýt hơn.

- Độ trễ: Tế bào bị trễ bởi nhiều nguyên nhân, nguyên nhân gây trễkhác nhau như: trễ truyền dẫn, trễ do chê, do Jitter, do việc tạo gói và hợpgói...

- Độ phức tạp khi thực hiện.

Khi mà kích thước tế bào chuẩn được thảo luận bởi ATM Forum, cómột cuộc tranh cãi lựa chọn kích thước tải trọng tế bào ATM giữa kích thước

</div>