Chiến lược sử dụng bộ đệm và các kỹ thuật định tuyến trong chuyển mạch gói

LỜI NÓI ĐẦU
Từ xa xưa nhu cầu trao đổi thông tin của con người đã được hình thành. Khi đó, nhận
thức của con người chưa cao nên chỉ sử dụng những ám hiệu, kí hiệu hết sức giản đơn để
trao đổi thông tin với nhau.
Theo thời gian, nhiều công trình khoa học ra đời, chất lượng cuộc sống của con người
ngày càng được hoàn thiện. Do đó, nhu cầu trao đổi thông tin cũng tăng lên. Yêu cầu về
việc trao đổi thông tin giữa con người cách xa hàng nghìn cây số được đặt ra.
Với sự phát triển của khoa học và công nghệ, nhu cầu trên của con người đã được giải
quyết. Mạng viễn thông ra đời đã đáp ứng được hầu hết những nhu cầu đó của con người.
Việc truyền thoại, số liệu đã trở nên rất giản đơn.
Kỹ thuật chuyển mạch là một trong những kỹ thuật mấu chốt trong các mạng truyền
thông. Sự phát triển mạnh mẽ của hạ tầng truyền thông trong một số năm gần đây đã làm
cho kỹ thuật chuyển mạch có những bước tiến nhảy vọt.
Trong đề tài này, nhóm chúng em nghiên cứu về vấn đề “ Chiến lược sử dụng bộ đệm và
các kỹ thuật định tuyến trong chuyển mạch gói”. Trong suốt thời gian tìm hiểu đề tài,
chúng em xin gửi lời cảm ơn tới các thầy, cô giáo trong trường và đặc biệt là cô giáo
Nguyễn Thị Ngân đã giúp đỡ chúng em hoàn thành đề tài.
Trong quá trình tìm hiểu không thể tránh những thiếu sót, vì vậy rất mong nhận được sự
góp ý của thầy cô và các bạn .
Chúng em xin chân thành cám ơn.
NHÓM 5

MỤC LỤC
CHIẾN LƯỢC SỬ DỤNG BỘ ĐỆM VÀ KỸ THUẬT ĐỊNH
TUYẾN TRONG CHUYỂN MẠCH GÓI
I. Chiến lược sử dụng bộ đệm
1. Giới thiệu chung
Như chúng ta đã biết trong chuyển mạch gói nút chuyển mạch là sự kết
hợp của một cơ cấu chuyển mạch, bộ xử lý mào đầu gói đồng thời thực
hiện chức năng xếp hàng và chuyển mạch phân chia theo không gian.
Mỗi gói tin gồm phần mào đầu và phần tải trọng sẽ được mang đi từ một

cổng vào tới một hay nhiều cổng ra. Node thực hiện tách thông tin từ
phần mào đầu gói. Bộ xử lý thông tin mào đầu trong node sẽ nhận dạng
các thông tin mào đầu và quyết định nó tới đầu ra.
Các trường chuyển mạch gói có khả năng lưu đệm và chuyển tiếp các gói
tin có độ dài thay đổi hoặc cố định nên chiến lược sử dụng bộ đệm phải
phù hợp với kiến trúc của trường chuyển mạch.
Một trong những tiêu chí quan trọng nhất để thiết kế trường chuyển mạch
là hiệu năng của trường chuyển mạch. Hiệu năng của trường chuyển
mạch được đánh giá qua rất nhiều tham số và đều hướng tới sự tối ưu các
tham số. Một trong các tham số cơ bản là:
- Khả năng thông qua của trường chuyển mạch: đó là lưu lượng truyền
qua trường chuyển mạch, được định nghĩa như là xác suất một gói tin
truyền trong một khe qua trường chuyển mạch tới đầu ra. Độ thông qua
tối đa của trường chuyển mạch được gọi là dung lượng chuyển mạch.
- Độ trễ trung bình của gói: là thời gian trung bình yêu cầu của chuyển
mạch để chuyển các gói từ đầu vào tới đầu ra.
- Xác suất mất gói: là xác suất mà các gói nhận được trong đầu vào bị
mất trong trường chuyển mạch vì tràn bộ đệm hoặc do tranh chấp.
Một hệ thống chuyển mạch lý tưởng cần phải chuyển tất cả các gói mà
không gây mất mát với độ trễ nhỏ nhất, thứ tự gói ổn định. Hiệu năng
chuyển mạch ảnh hưởng bởi mẫu lưu lượng của các gói đi đến trường
chuyển mạch.
Có nhiều giải pháp để cải thiện các vấn đề trên của trường chuyển mạch
gói nhưng một phương pháp được sử dụng rộng rãi đó là chiến lược sử
dụng bộ đệm. Việc bố trí các bộ đệm nhằm giải quyết tranh chấp, phối
hợp lưu lượng và cải thiện độ thông qua của các trường chuyển mạch.
Tùy theo vị trí của bộ đệm trong trường chuyển mạch mà ta có chuyển
mạch đệm đầu vào, chuyển mạch đệm đầu ra, chuyển mạch đệm trung
tâm.
2. Các chiến lược sử dụng bộ đệm

a) Chuyển mạch đệm đầu vào
Các trường chuyển mạch đệm đầu vào gồm một ma trận không gian bố
trí các bộ đệm tại tất cả các cổng vào để giải quyết vấn đề tranh chấp.
Mô hình chuyển mạch đệm đầu vào được mô tả như hình dưới đây:

Hình 1.Chuyển mạch đệm đầu vào
Cấu trúc trường chuyển mạch bao gồm 3 khối chính:
 Bộ đệm đầu vào FIFO
 Khối ma trận chuyển mạch
 Khối giải quyết tranh chấp
Các gói tin đi tới trường chuyển mạch được lưu giữ tại các bộ đệm đầu
vào chờ khi đầu ra rỗi. khối ma trận chuyển mạch thực hiện chức năng
định tuyến nội bộ , có thể được cấu tạo từ các ma trận crossbar. Khối giải
quyết tranh chấp có chức năng xác định địa chỉ của các cổng đầu vào và
đầu ra tương ứng, thực hiện phân bổ chúng.
Một ưu điểm quan trọng của chuyển mạch hàng đợi đầu vào là chuyển
mạch tốc độ cao có thể thực hiện dễ dàng, bởi vì chuyển mạch hàng đợi
đầu vào có tốc độ hoạt động bộ đệm mong muốn, cân bằng và xấp xỉ tốc
độ cổng. Vì vậy, chuyển mạch với cơ chế đệm đầu vào có thể tăng kích
thước dễ dàng.
Tuy nhiên, chuyển mạch đệm đầu vào phải đối mặt với độ thông qua bị
hạn chế bởi hiện tượng nghẽn đầu dòng HOL(Head Of Line) và vấn đề
sắp xếp các gói tin để tránh tranh chấp tại đầu ra của trường chuyển
mạch không gian. Vấn đề đầu tiên có thể được giả quyết thông qua việc
tăng tốc độ điều khiển trường chuyển mạch hoặc mở rộng các liên kết
trung gian. Vấn đề chống tranh chấp cổng đầu ra sẽ được thực hiện qua
các lược đồ điều khiển, một lược đồ điều khiển thông dụng nhất đã được
đề xuất bởi HUI qua thuật toán chiếm cổng 3 giai đoạn. Ngoài ra còn
một số lược đồ dựa trên kiểu quay vòng các khoảng thời gian chiếm cổng
và phương pháp chiếm cổng đầu ra ảo.

 Độ thông qua của chuyển mạch đệm đầu vào
Độ thông qua của trường chuyển mạch đệm đầu vào chỉ đạt 58,6% do
hiện tượng nghẽn đầu dòng HOL.
Giả sử trong cùng một khoảng thời gian, 2 cổng vào A và B đều có một
gói tin muốn chuyển tới đầu ra X tại ngay đầu hàng của bộ đệm FIFO.
Khi đó, do một thời điểm không thể gửi đồng thời cả 2 gói tin từ 2 cổng
vào A, B tới đầu ra X nên nếu giả sử kỹ thuật phân xử quyết định cho
phép cổng A gửi gói tin tới cổng X và ngăn cổng vào B gửi gói tin thì tại
cổng vào B các gói tin kế tiếp sau gói tin đầu hàng bị nghẽn không thể
chuyển qua trường chuyển mạch mặc dù đích của chúng đang rỗi. Nghẽn
đầu hàng có thể gây ảnh hưởng tới việc thực hiện tải của trường chuyển
mạch. Nhiều nỗ lực để giải quyết vấn đề nghẽn đầu hàng và cải tiến chất
lượng chuyển mạch như sử dụng các bộ đệm đàn hồi cùng các thuật toán
phân xử.
Vấn đề giải quyết tranh chấp cổng đầu ra có thể được giải quyết thông qua
các lược đồ điều khiển. Ngoài ra, còn một số lược đồ dựa trên kiểu quay
vòng các khoảng thời gian chiếm cổng và phương pháp chiếm cổng đầu ra
ảo.
 Thuật toán giải tranh chấp 3 pha
Gồm 3 giai đoạn:
- Tìm kiếm
- Xác nhận chiếm cổng
- Gửi gói tin
Đầu tiên, tất cả các đầu vào đều chứa các gói đầu tiên của hàng (HOL),
gửi 1 gói yêu cầu có chứa địa chỉ nguồn và địa chỉ đích qua ma trận
chuyển mạch. Các gói được phân loại sao cho phù hợp với yêu cầu chuyển
mạch. Sau đó các gói sẽ được lọc tìm địa chỉ đích. Gói tìm thấy sẽ được
vòng lại. Tất cả các gói đầu vào có các gói tin vòng lại sẽ gửi gói xác nhận
ACK, chứa địa chỉ nguồn của gói vòng tương ứng với địa chỉ đích của gói
tin yêu cầu. Các đầu ra được cặp với các đầu vào để xác nhận đường

chiếm. Sau đó gói tin được chuyển qua trường chuyển mạch theo đường
cổng đã chiếm.
Nhược điểm:
Nhược điểm chủ yếu của thuật toán này nằm tại 2 pha đầu khi xử lý tiêu
đề. Quá trình gửi thông tin chiếm cổng và xác nhận cổng sẽ làm trễ quá
trình xử lý gói tin trong trường chuyển mạch, nhất là khi trường chuyển
mạch được yêu cầu xử lý tốc độ cao. Các yếu tố phụ thuộc vào tốc độ xử
lý nằm tại kích thước của trường chuyển mạch và kích thước của trường
thông tin. Với giả thiết ma trận chuyển mạch có kích thước ( 1000x1000)
và các gói cố độ dài 1000 bit, tiêu đề chiếm khoảng 14%. Điều này ngụ ý
rằng trường chuyển mạch phải hoạt động ít nhất tại tốc độ 170Mbps để xử
lý các luồng 150Mbps.
 Thuật toán giải quyết tranh chấp dựa trên kiểu nghịch vòng
Thuật toán mạch vòng không cần chức năng phân loại, sự phối hợp giữa
các bộ đệm đầu vào được thực hiện trên 2 chu kỳ phục vụ:
- Thứ nhất cho nghẽn đầu ra qua kích hoạt các bộ điều khiển đệm.
- Thứ hai là chỉ định các đầu ra không thể phục vụ tới các bộ điều khiển
đệm còn lại.
Cơ chế nghịch vòng là cơ chế phân chia thời gian logic theo chu kỳ chọn
cổng chuyển mạch. Trong lược đồ này các bộ điều khiển cổng đầu vào
được liên đấu nối thành thành cấu trúc mạch vòng. Một token được tạo ra
tuần tự tương ứng tới tất cả các cổng đầu ra. Token được chiếm khi nó tới
tại cổng đầu tiên chứa đầu ra liên kết với token. Đầu vào nào chiếm token
đầu tiên thì sẽ được phép chuyển gói tin tới cổng đầu ra tương ứng. Ma
trận chuyển mạch không cần đẩy tốc độ lên mà vẫn thực hiện được nhiệm
vụ chuyển mạch.
Nhược điểm:
+ Tốc độ bit tăng lên trong mạch vòng với kích thước của chuyển mạch.
+ Không đảm bảo sự công bằng tại quá trình chiếm token.
 Các cấu trúc giải quyết tranh chấp khác

Chuyển mạch đệm đầu vào cũng có thể cải thiện được để tăng hiệu năng
của trường chuyển mạch. Nó được lưu ý khi tải cao, các gói sẽ bị rơi theo
thứ tự ưu tiên. Có thể giải thích như sau: khi lưu lượng đầu vào là rất cao,
để có thể duy trì các cổng đầu ra bận thay vì bỏ bớt lưu lượng bằng cách
bỏ bớt các gói.
Với hai thuật toán giải quyết tranh chấp trên có thể coi là một bước phát
triển lớn khi so sánh với cac chuyển mạch hành đợi đầu vào thuần túy.
Chúng không đảm bảo được tỉ lệ mất mát tế bào khi lưu lượng cao. Để
duy trì tỉ lệ mất tế bào, các con đường phải được tìm ra để điều khiển
nghẽn HOL. Nghẽn HOL có thể giảm đi theo nhiều cách như sử dụng
chuyển mạch mở rộng, kỹ thuật cửa sổ, kỹ thuật nhóm kênh.
Một kỹ thuật nữa được sử dụng cho chuyển mạch đệm đầu vào là kỹ thuật
cửa sổ. Trong kỹ thuật này tất cả các đầu vào được cho phép gửi các yêu
cầu cho các gói của nó tuần tự trong hàng đợi tại điểm bắt đầu của khe
thời gian, cho đến khi một trong số chúng được chiếm hoặc có một con số
chắc chắn của các lần thử tối đa ( gọi là cửa sổ) được tìm thấy. Thực tế nó
không vượt qua một cửa sổ có kích thước L, khi đó có nghĩa là các thuật
toán trước đây chạy L lần. Vì vậy nó cần tốc độ bit rất cao. Qua mô phỏng
thấy rằng độ thông qua tăng lên cùng với kích thước của cửa sổ L. Nhưng
điều này không sử dụng L lớn hơn 4 vì tại L=4 thì độ thông qua đã đạt
80%.
Một kỹ thuật khác cũng có thể được sử dụng để nâng cao độ thông qua
của trương chuyển mạch là kỹ thuật nhóm kênh. Trong kỹ thuật này, các
đầu ra chuyển mạch được chia thành các nhóm kênh có kích thước R và
các gói được cộng vào các nhóm kênh này thay vì tồn tại dưới dạng riêng
biệt. Nó có khả năng cải thiện hiệu năng khi tổng tải cung cấp đồng thời
trên một nhóm kênh giống như tải trung bình vì số lượng nguồn phục vụ
lớn cho một nhóm kênh.
Tuy nhiên, có một số vấn đề cần quan tâm trong mô hình này là trong một
khe thời gian không chỉ có đầu ra xung đột mà còn phải tránh xung đột

cho cả nhóm kênh khi được chỉ định trên cùng một tuyến truyền dẫn trong
cùng một thời gian. Độ thông qua có thể đạt được trong trường hợp này là
90% trong trường hợp nhóm kênh là 32. Với cùng một kích thước nhóm
kênh và cửa sổ, độ thông qua trong trường hợp này đơn giản hơn so với
lược đồ cửa sổ.
b) Chuyển mạch đệm đầu ra
Được thực hiện bởi một ma trận chuyển mạch không gian đầu vào và
mỗi đầu ra chuyển mạch được trang bị một bộ đệm FIFO. Các gói tin
cùng tranh chấp tại một đầu ra sẽ được lưu trữ tạm thời vào trong các bộ
đệm này
Cấu trúc mô tả như trong hình 2.

Hình 2. Chuyển mạch đệm đầu ra
Ưu điểm :
- Vì các chuyển mạch hàng đợi đầu ra không bị nghẽn dòng tiêu đề HOL nên
hiệu năng của trường chuyển mạch này tốt hơn so với chuyển mạch đệm đầu
vào. Độ thông qua của chuyển mạch đệm đầu ra đạt 81%.
Nhược điểm :
- Dung lượng trường chuyển mạch bị giới hạn bởi bộ nhớ. Giả sử, khi tất cả N
gói tin đầu vào đều cùng ra trên một cổng đầu ra, lúc này bộ đệm không thể
lưu N gói tin trong cùng một khe thời gian nếu trường chuyển mạch có kích
thước lớn và tốc độ đầu vào quá cao. Việc thiếu bộ nhớ sẽ gây tắc nghẽn cục
bộ tại đầu ra và các gói sẽ bị tổn thất trong khi các bộ nhớ khác có thể còn
trống mà không được sử dụng.
Thông thường, các cổng đầu ra ngoài bộ đệm FIFO còn có them bộ lọc địa
chỉ AF. Bộ lọc AF có chức năng xác định địa chỉ của các cổng đầu vào và lọc
các địa chỉ có đầu ra tương ứng trên cổng đầu ra. Các bộ lọc AF và các bộ
đệm FIFO hoạt động độc lập và có thể thiết kế riêng biệt nhằm tăng hiệu quả
xử lí gói tin.
c) Chuyển mạch đệm trung tâm

Bộ đệm trung tâm còn được gọi là hàng đợi chia sẻ. các trường chuyển mạch
có bộ đệm trung tâm chỉ có một hàng đợi được chia sẻ cho các đầu vào và
đầu ra. Cấu trúc chuyển mạch được tổ chức thành N hàng đợi tách biệt tương
ứng với N đầu ra.
Cấu trúc chuyển mạch hàng đợi trung tâm được mô tả như hình 3

Hình 3. Chuyển mạch bộ đệm trung tâm
Bộ nhớ chia sẻ gồm 2 cổng:
- Cổng ghi cho các giao diện đầu vào.
- Cổng đọc cho các giao diện đầu ra.
Bộ nhớ này có thể được truy cập bởi tất cả các đầu vào và đầu ra. Các gói
tin được lưu trữ trong bộ đệm và các đầu ra sẽ lựa chọn các gói tin có đích tới
để đọc ra
Ưu điểm :
Độ thông qua của chuyển mạch loại này tương đương với chuyển mạch
đệm đầu ra (81%) . Có thể tối ưu được bộ nhớ khi chia sẻ tài nguyên, kích cỡ
của bộ nhớ có thể đặt phù hợp với yêu cầu để giữ tỉ lệ mất mát gói dưới một
giá trị chọn trước.
Nhược điểm :
Nhược điểm cũng nảy sinh từ vấn đề lựa chọn kích thước của bộ nhớ khi
bộ nhớ phải duy trì một không gian tối thiểu đồng thời phải mềm dẻo để đáp
ứng được sự bùng nổ của lưu lượng. Ngoài ra không gian bộ nhớ chuyển
mạch trung tâm cũng nhỏ hơn so với 2 loại trên vì bộ nhớ phải chia sẻ cho cả
đầu vào và đầu ra.
Một nhược điểm nữa của chuyển mạch đệm trung tâm đó là hiện tượng
hogging . Vì tiếp cận đệm trung tâm tương tự như chuyển mạch thời gian nên
một vấn đề đáng chú ý là khi các tế bào đầu vào tói bộ đệm trung tâm và
được chuyển ra tới các đầu ra khác nhau, các tế bào sẽ được đọc ngẫu nhiên (
có điều khiển) tại các vùng nhớ ngẫu nhiên. Vì vậy, cần phải có một chiến
lược quản lý vùng nhớ. Trong các chuyển mạch chia sẻ bộ nhớ một đấu nối

bất kỳ có thể chiếm toàn bộ không gian nhớ trong một khoảng thời gian. Đó
chính là hiện tượng Hogging. Để giải quyết vấn đề này có thể có mọt phương
án khác nhằm phân hoạch vùng nhớ thành các cùng nhỏ hơn độc lập. Tuy
nhiên, phương pháp phân hoạch thành các vùng nhớ nhỏ hơn sẽ gây nên tổn
thất khi một số lưu lượng chiếm một đường nào đó lớn trong khi các đương
khác không có hoặc rất ít lưu lượng, điều này cũng làm giảm hiệu năng tổng
thể của mạng chuyển mạch khi việc sử dụng bộ nhớ đệm không hiệu quả.
II. Kỹ thuật định tuyến trong chuyển mạch gói
Định tuyến là một quá trình lựa chọn con đường cho gói tin truyền qua mạng.
Định tuyến được xem như là khả năng của node trong vấn đề lựa chọn đường
dẫn cho thông tin qua mạng. Định tuyến là một khái niệm cốt lõi của chuyển
mạch gói và nhiều loại mạng khác nhau. Định tuyến cung cấp phương tiện tìm
kiếm các tuyến đường theo các thông tin mà gói tin truyền trên mạng.
Mỗi node trong mạng nhận gói dữ liệu từ một đường vào rồi chuyển tiếp tới một
đường ra hướng đến đích của dữ liệu. Như vậy mỗi node trung gian phải thực
hiện chức năng chọn đường hay còn gọi là định tuyến.
Mục tiêu cơ bản của các phương pháp định tuyến nhằm sử dụng tối đa tài
nguyên mạng và tối thiểu gia thành mạng. Để đạt được điều này kỹ thuật định
tuyến phải tối ưu được các tham số mạng và người sử dụng như : xác suất tắc
nghẽn, độ trễ, độ tin cậy, giá thành… Vì vậy một kỹ thuật định tuyến phải thực
hiện tốt 2 chức năng sau :
- Quyết định chọn đường theo những tiêu chuẩn tối ưu nào đó.
- Cập nhật thông tin định tuyến, tức là thông tin dùng cho chức năng.
Tùy thuộc và kiến trúc hạ tần, cơ sở mạng mà các kỹ thuật định tuyến khác nhau
được áp dụng. Các tiêu chuẩn tối ưu khi chọn đường từ trạm nguồn tới trạm đích
có thể phụ thuộc và yêu cầu người sử dụng dịch vụ mạng. Giữa mạng và người
sử dụng có thể có các thỏa thuận ràng buộc về chất lượng dịch vụ cung cấp hay
một số yêu cầu khác. Do đó có thể dẫn tới khả năng chọn đường của mạng chỉ là
cận tối ưu đối với một loại hình dịch vụ cụ thể. Chức năng cập nhật thông tin
địch tuyến là chức năng quan trọng nhất mà các giao thức định tuyến phải thừa

hành. Các giải pháp cập nhật thông tin định tuyến đưa ra hiện nay tập trung vào
giải quyết bài toán cân đối lưu lượng báo hiệu và định tuyến trên mạng với tính
đầy đủ và sự nhanh chóng của các thông tin định tuyến.
Trong các mạng máy tính có rất nhiều kỹ thuật thông tin định tuyến khác nhau đã
được đưa ra. Sự phân biệt các thông tin định tuyến chủ yêu căn cứ vào các yếu tố
liên quan đến 2 chức năng chính đã chỉ ra ở trên. Các yếu tố đó là :
- Sự phân tán của các chức năng chọn đường trên các node của mạng.
+ Kỹ thuật định tuyến tập trung.
+ Kỹ thuật định tuyến phân tán.
- Sự thích nghi với trạng thái hiện hành của mạng.
+ Kỹ thuật định tuyến tĩnh.
+ Kỹ thuật định tuyến động.
- Các tiêu chuẩn tối ưu để định tuyến.
+ Độ trễ trung bình của thời gian truyền gói tin.
+ Số lượng node trung gian giữa nguồn và đích.
+ Độ an toàn của việc truyền tin.
+ Nguồn tài nguyên mạng sử dụng cho truyền tin…
+ Tổ hợp của các tiêu chuẩn trên.