Báo cáo Kiến trúc máy tính tiên tiến Đề tài Interconnection Networks

Báo cáo Kiến trúc máy tính tiên tiến Đề tài: Interconnection Networks
Lời mở đầu
Như chúng ta đã biết từ các thế hệ máy tính đầu tiên ra đời cho đến ngày nay
nhu cầu kết nối các hệ thống máy tính lại với nhau càng ngày càng trở lên quan trọng
và không thể thiếu trong mọi lĩnh vực. Đó là nhu cầu cung cấp kết nối truyền thông
nhanh giữa các phần mạng máy tính, đặc biệt cho các máy tính song song. Các máy
tính song song đã chia những vấn đề riêng biệt thành các công việc song song mà có
thể thực hiện đồng thời, giảm đáng kể thời gian xử lý của ứng dụng. Bất kỳ hệ thống
song song nào mà sử dụng nhiều hơn một bộ vi xử lý (processor) cho một chương
trình ứng dụng phải được thiết kế để cho các proccessors của nó có thể trao đổi một
cách hiệu quả. Điểm mạnh này đã nhấn mạnh đến tầm quan trọng của mạng liên kết
với toàn bộ hiệu suất của hệ thống song song. Trong nhiều kiến trúc xử lý song song
hiện tại hoặc đang được đề xuất, một mạng liên kết được sử dụng để thực hiện sự
trao dổi số liệu giữa các bộ vi xử lý hoặc giữa các bộ vi xử lý với các module nhớ.
Trong bài tiểu luận này chúng em xin đề cập một số vấn đề về kiến trúc các
mạng liên kết được sử dụng trong các mạng máy tính.
Do thời gian có hạn nên tiểu luận không tránh khỏi những thiếu sót, chúng em
mong nhận được sự đóng góp của thầy.
Qua đây chúng em cũng gửi lời cảm trân trọng nhất tới giảng viên Tiến sĩ
Nguyễn Kim Khánh đã tận tình giúp đỡ chúng em trong quá trình học tập, cùng các ý
kiến đóng góp của các bạn tập thể lớp Cao học Công Nghệ Thông Tin khóa
INTERCONNECTION NETWORKS
1
Báo cáo Kiến trúc máy tính tiên tiến Đề tài: Interconnection Networks
(CÁC MẠNG LIÊN KẾT)
Giới thiệu
Theo lối truyền thống chúng ta xem xét kiến trúc máy tính trong phạm vi của
một máy tính duy nhất. Tuy nhiên trong tiểu luận này, chúng ta sẽ xem xét kiến trúc
của mạng máy tính - là tập hợp có liên kết ở những khoảng cách nào đó của nhiều
máy tính.
Có hai lý do khiến các nhà kiến trúc máy tính quan tâm đến mạng liên kết đó

là:
- Thứ nhất: trong các máy tính lớn (mainframe) đã dùng mạng liên kết để kết
nối các hệ thống tự trị trong một máy tính và những thiết kế như vậy vẫn còn trong
các máy PC ngày nay. Các chuyển mạch đang thay thế các bus để trở thành kỹ thuật
truyền thông thông thường: giữa các máy tính, giữa các thiết bị vào ra, giữa các bản
mạch, giữa các chip và thậm chí giữa các modun bên trong chip. Như vậy, một nhà
kiến trúc máy tính cần phải hiểu thuật ngữ mạng liên kết, các vấn đề và các giải pháp
để thiết kế và đánh giá các máy tính hiện đại.
- Thứ hai: ngày nay, hầu như tất cả các máy tính đang và sẽ kết nối tới các
thiết bị khác. Bất kỳ thiết bị nào thiếu mạng liên kết thì đều không hoàn thiện, do vậy
một máy tính hiện đại nhất định phải có mạng liên kết.
Các thành phần chính của một mạng máy tính gồm:
- Các nút máy tính (node = end system = host).
- Các giao diện phần cứng và phần mềm.
- Các kết nối tới mạng liên kết.
- Mạng liên kết (Interconnection Network=Network=communication subnet).
- Liên kết mạng (Internetworking: internet): sự kết hợp của hai hay nhiều
mạng liên kết.
Để xem xét các mạng liên kết, trong tiểu luận này chúng ta lần lượt tiếp cận
với những nội dung sau:
2
Báo cáo Kiến trúc máy tính tiên tiến Đề tài: Interconnection Networks
(1) Một mạng máy tính đơn giản (gồm 2 máy tính kết nối với nhau).
(2) Môi trường liên kết mạng.
(3) Mạng máy tính có từ hai máy tính trở lên kết nối với nhau.
(4) Cấu trúc liên kết mạng.
(5) Các vấn đề thực tế đối với các mạng liên kết thương mại.
(6) Một số ví dụ mạng liên kết.
(7) Liên kết mạng (kết nối hai hay nhiều mạng liên kết lại với nhau).
(8) Những vấn đề đan xen đối với các mạng liên kết.

**************************
1 - Mạng đơn giản
Máy A Máy B
- Mạng đơn giản là một mạng gồm hai máy tính được nối với nhau theo hai
đường có chiều ngược nhau: từ máy A sang máy B và ngược lại từ máy B sang máy
A.
- Dữ liệu được lưu vào 2 máy dưới dạng hàng đợi FIFO (First in First out -
Vào trước ra trước).
- Gỉa thiết hai máy trao đổi dữ liệu theo từng từ một (số bít dữ liệu truyền ở
một thời điểm là 32 bít).
* Giả sử A muốn nhận dữ liệu từ B, khi đó A thực hiện các bước sau:
+ Gửi một yêu cầu có chứa địa chỉ của dữ liệu mà A muốn nhận sang cho B.
+ Khi B nhận được yêu cầu từ phía A thì B phát trả lời bằng dữ liệu mà A yêu
cầu sang cho A.
Header (1 bít) Payload(32 bít)
3
Báo cáo Kiến trúc máy tính tiên tiến Đề tài: Interconnection Networks
0 Địa chỉ
1 Dữ liệu
0: Yêu cầu.
1: Trả lời.
Do vậy, ngoài các bít dữ liệu thì cần phải có ít nhất một bít trạng thái để báo
là tín hiệu là yêu cầu hay trả lời.
* Phần mềm hỗ trợ thực hiện liên kết mạng giữa hai máy tính thực hiện
các nhiệm vụ chính sau:
- Dịch các yêu cầu và trả lời của các máy thành tin tức bằng các header tương
ứng.
- Phân biệt quá trình truyền tin với các quá trình xử lý khác đang diễn ra trên
hai máy.
- Có chức năng dò lỗi tin: đảm bảo tin tức truyền đi không bị cắt xén lệch hay

bị mất.
+ Phát hiện lỗi bằng cách gắn thêm vào tin cần truyền một trường mã tổng
kiểm tra (checksum) hoặc một mã dò lỗi tin nào đó.
+ Khắc phục khi có tin lỗi bằng cách: dùng đồng hồ đếm thời gian cho mỗi tin
truyền. Nếu có trường hợp mất tin thì đồng hồ thời gian sẽ ngắt.
* Giao thức truyền nhận tin giữa hai máy tính trong mạng liên kết:
+ Gửi tin:
- Ứng dụng copy dữ liệu sẽ gửi vào một bộ nhớ đệm (buffer) của hệ điều
hành.
- Hệ điều hành tính toán checksum, gắn nó vào header hay trailer của tin, sau
đó khởi động đồng hồ thời gian.
- Hệ điều hành gửi dữ liệu lên phần cứng giao diện mạng và yêu cầu phần
cứng này gửi tin.
4
Bít trạng thái =
Báo cáo Kiến trúc máy tính tiên tiến Đề tài: Interconnection Networks
+ Nhận tin: ngược lại với gửi tin:
- Hệ điều hành copy dữ liệu từ phần cứng giao diện mạng vào buffer của hệ
điều hành.
- Hệ thống tính toán checksum trên dữ liệu đó. Nếu checksum này phù hợp
với checksum của nơi gửi thì nơi nhận sẽ gửi thông tin báo đã nhận được tin sang
cho nơi gửi. Nếu checksum này không phù hợp thì nó sẽ xoá tin vừa nhận.
- Sau khi kiểm tra dữ liệu, hệ thống copy dữ liệu sang không gian địa chỉ của
người sử dụng và phát tín hiệu cho ứng dụng tiếp tục hoạt động.
Khi nơi gửi nhận được tín hiệu báo đã nhận được tin của bên nhận
(acknowledge) thì nó sẽ xoá bản copy tin trong buffer hệ thống. Nếu như nơi gửi
nhận được tín hiệu time-out (có lỗi) từ phía nơi nhận thì nó sẽ gửi lại tin cho nơi
nhận và khởi động lại đồng hồ thời gian.
Giả thiết hệ điều hành giữ tin trong buffer của nó để dùng cho trường hợp
phải truyền lại tin khi có lỗi. Lúc này định dạng tin sẽ như sau:

Trailer (4 bít)
Header (2 bít) Payload (32 bít) (Checksum)
00 = Yêu cầu.
01 = Trả lời.
10 = Yêu cầu thừa nhận.
01 = Trả lời thừa nhận.
Lưu ý: giao thức truyền tin trên áp dụng cho việc gửi một tin duy nhất. Nếu
một ứng dụng không yêu cầu có đáp ứng từ phía nhận tin trước khi gửi một tin tiếp
theo thì nơi gửi có thể sử dụng thời gian trễ truyền của tin truyền trước để gửi luôn
một tin tiếp theo.
Ngoài việc phải đảm bảo độ tin cậy khi truyền tin, giao thức truyền cũng phải
thực hiện một số nhiệm vụ khác như: đồng bộ dữ liệu giữa hai bên truyền/nhận (trật
tự các byte trong một từ); tránh truyền một tin hai lần; Thực hiện truyền tin tới ứng
5
Báo cáo Kiến trúc máy tính tiên tiến Đề tài: Interconnection Networks
dụng kia theo trật tự chúng được gửi; Điều khiển luồng tin truyền tại nơi gửi khi
FIFO của nơi nhận đã đầy.
* Các tham số hoạt động của mạng liên kết:
- Bandwidth - Dải tần:
+ Thể hiện tốc độ truyền tin tối đa của mạng.
+ Bao gồm header, payload, trailer.
+ Đơn vị thường dùng là bits/giây, ngoài ra còn có bytes/giây.
- Time of flight:
+ Là thời gian tính từ lúc truyền cho tới khi nơi nhận nhận được bít đầu tiên
của tin truyền, gồm cả những khoảng thời gian trễ tại các bộ trễ (Repeater: trong
mạng máy tính, đây là một thiết bị phần cứng được sử dụng để tăng cự ly ghép nối
mạng) hoặc tại các thiết bị phần cứng khác trong mạng.
+ Với mạng WAN, thời gian này có thể là miligiây
+ Với mạng SAN, thời gian này có thể là nanogiây.
- Transmission time - Thời gian truyền:

+ Là thời gian cho tin truyền đi qua mạng, không kể time of flight.
+ Bằng thời gian nơi nhận nhận được bít đầu tiên trừ cho thời gian nơi nhận
nhận được bít cuối cùng hay bằng khối lượng tin chia cho giải tần. Công thức này chỉ
đúng khi không có tin nào khác cùng tranh mạng ngoài tin đang được truyền trên
mạng.
- Transport latency - Góc trễ truyền:
+ Bằng tổng time of flight và transmission time.
+ Là thời gian tin sử dụng trong mạng liên kết. Hay nói cách khác, nó là thời
gian giữa lúc bít đầu tiên của tin được đưa vào mạng với lúc bít cuối cùng của tin
đến nơi nhận.
- Sender overhead:
Thời gian để bộ xử lý đưa tin vào mạng, kể cả những thành phần phần
6
Báo cáo Kiến trúc máy tính tiên tiến Đề tài: Interconnection Networks
cứng và phần mềm.
- Receiver overhead:
Thời gian để bộ xử lý lấy tin ra khỏi mạng liên kết.
Nhìn chung Receiver overhead thường lớn hơn Sender overhead.
- Total latency - góc trễ tổng:
Total latency = Sender overhead + Time of flight + Dung lượng tin/Dải tần +
Receiver overhead.
2 - Môi trường truyền của mạng liên kết
3 ví dụ về môi trường truyền của mạng liên kết:
(1) - Cáp đồng xoắn.
(2) - Cáp đồng trục.
(3) - Cáp quang
* Cáp đồng hai sợi xoắn:
+ Dùng cho hệ thống điện thoại.
+ Gồm 2 dây cách điện được bện xoắn lại với nhau, mỗi dây dày 1mm
+ Dải tần 1 vài Mb/s ở khoảng cách truyền vài km; vài chục Mb/s ở khoảng

cách ngắn hơn, thích hợp cho mạng LAN.
* Cáp đồng trục:
+ Được phát triển bởi các công ty truyền hình cáp.
+ Gồm một dây đồng cứng được bọc lớp cách điện, lớp cách điện này lại
được bọc bởi phần dẫn điện hình trụ.
+ Tốc độ truyền lớn hơn so với cáp đồng xoắn với khoảng cách truyền chừng
vài km. Một cáp đồng trục băng tần cơ sở 10BaseT có thể truyền 10 Mb/s ở khoảng
cách một km.
* Cáp sợi quang:
Một mạng cáp quang có 3 thành phần:
- Môi trường truyền, một cáp sợi quang.
- Nguồn sáng, một đèn LED hay điốt laze.
7
Báo cáo Kiến trúc máy tính tiên tiến Đề tài: Interconnection Networks
- Bộ tách sóng ánh sáng, một photodiode
Đặc điểm của cáp quang:
+ Có tốc độ truyền cao hơn hẳn so với hai loại trên, tuy nhiên chi phí đắt hơn.
+ Lõi sợi thủy tinh được phủ một lớp sơn để giữ ánh sáng không lọt ra ngoài.
Bao quanh lớp sơn đó là một tầng đệm để bảo vệ lõi và lớp sơn phủ.
+ Không giống như cáp hai sợi xoắn và cáp đồng trục, sợi quang là môi
trường một chiều hay còn gọi là môi trường đơn công. Muốn thực hiện hai chiều,
hay còn gọi là song công thì cần có hai sợi quang nối giữa hai nút.
+ Do ánh sáng khúc xạ tại các giao diện nên nó có thể lan truyền chậm khi nó
đi xuống cáp quang trừ khi đường kính của cáp quang được giới hạn là một bước
sóng ánh sáng: khi đó nó truyền theo một đường thẳng. Do vậy, có hai dạng cáp sợi
quang:
- Sợi đa mode:
 Nó sử dụng những đèn LED rẻ tiền để làm nguồn sáng.
 Có bước sóng lớn hơn nhiều bước sóng của ánh sáng (thường đường
kính là 62.5 micron so với đường kính 1.3 micron của ánh sáng hồng

ngoại).
 Có độ tán sắc nhiều hơn, do đó các tần số sóng tương ứng ở đó có vận
tốc truyền khác nhau.
 Tốc độ truyền 1000 Mb/s ở khoảng cách vài trăm mét hoặc 100 Mb/s ở
khoảng cách vài km.
 Thuộc lại cũ và rẻ hơn so với sợi đơn mode.
- Sợi đơn mode:
 Là sợi bước sóng đơn, đường kính thường là 8 hoặc 9 micron.
 Cần nhiều điốt laze đắt tiền để làm những nguồn sáng.
 Tốc độ truyền hàng Gb/s ở khoảng cách hàng trăm km.
 Suy giảm tín hiệu trên đường truyền giới hạn chiều dài của sợi quang.
 Khó khăn hơn khi muốn gắn những bộ kết nối vào sợi đơn mode.
 Đắt hơn và ít tin cậy hơn, không dễ bị uốn cong .
8
Báo cáo Kiến trúc máy tính tiên tiến Đề tài: Interconnection Networks
 Chi phí, dải tần và khoảng cách truyền của sợi đơn mode bị ảnh hưởng
bởi công suất của nguồn sáng, độ nhạy của bộ tách sóng ánh sáng, và
tốc độ suy giảm/km của cáp sợi quang.
Một kỹ thuật thường được áp dụng trong môi trường truyền cáp quang đó là
kỹ thuật dồn kênh theo phân chia bước sóng (WDM - Wavelength division
multiplexing) để tăng dải tần cho một sợi quang. Kỹ thuật này cho phép gửi đồng
thời nhiều luồng tin khác nhau lên cùng một sợi quang sử dụng những bước sóng ánh
sáng khác nhau, sau đó tại nơi nhận sẽ thực hiện tách các bước sóng khác nhau đó.
Năm 2001, WDM có thể truyền 40 Gb/s sử dụng 8 bước sóng, dự kiến sẽ thực hiện
truyền 400 Gb/s sử dụng 80 bước sóng.
3 – Kết nối mạng máy tính đa thiết bị
* Môi trường chia sẻ so với môi trường dùng chuyển mạch:
- Môi trường chia sẻ:
+ Các máy tính được liên kết với nhau trong một môi trường chia sẻ duy nhất.
+Vì đây là một môi trường chia sẻ nên nó cần có một cơ cấu để phối hợp và

phân xử việc sử dụng môi trường chia sẻ: có nghĩa là ở một thời điểm chỉ cho phép
gửi một tin để tránh xung đột giữa các nhu cầu.
9
Báo cáo Kiến trúc máy tính tiên tiến Đề tài: Interconnection Networks
Sử dụng một trọng tài trung tâm để cho phép gửi một tin. Tuy nhiên trọng tài
trung tâm chỉ thích hợp với những mạng nhỏ. Với những mạng lớn (nhiều nút ở
khoảng cách vài km) lại không thích hợp. Do vậy phải phân tán việc phân xử này:
 Bước đầu tiên trong việc phân xử là theo dõi trước khi bạn ra quyết định.
Một nút trước hết kiểm tra mạng để tránh việc cố ý gửi một tin trong khi
một tin khác vẫn còn truyền trên mạng. Nếu khi mạng rỗi, nút đó sẽ gửi tin.
Tuy nhiên việc theo dõi này lại không có tác dụng vì có thể có một số nút
khác cũng gửi tin cùng ngay lúc đó.
 Bước thứ hai: là bước cảm biến sóng mang và dò va đập. Khi hai nút tại
một thời điểm cùng tiến hành gửi tin thì sẽ xảy ra hiện tượng va đập thông
tin. Gỉa sử giao diện mạng có thể dò được bất kỳ sự va đập thông tin nào
bằng cách lắng nghe xem dữ liệu có bị cắt xén bởi dữ liệu khác đang xuất
hiện trên đường truyền hay không. Việc lắng nghe để tránh và dò những va
đập được gọi là cảm biến sóng mang và dò và đập.
 Vấn đề vẫn chưa được giải quyết nếu tất cả nút trên mạng lại đợi đến chính
xác cùng một thời điểm, cùng lắng nghe để chắc rằng không có tin nào
truyền trên mạng, và sau đó chúng cùng gửi lại tin.
Để tránh hiện tượng va đập giữa các nút, thì nút nào có tin bị cắt xén sẽ
phải đợi một khoảng thời gian ngẫu nhiên trước khi gửi lại.
+ Một cách phân xử khác là truyền một mã thông báo (token) giữa các nút.
Token này sẽ trao cho mỗi nút một quyền sử dụng mạng. Nếu như mạng chia sẻ
được kết nối theo kiểu vòng tròn (ring) thì khi đó token có thể xoay qua tất cả các
nút trên mạng.
+ Mạng chia sẻ chi phí thấp, nhưng lại có giải tần giới hạn.
- Môi trường dùng chuyển mạch:
+ Là môi trường truyền điểm - điểm. Cho phép truyền trực tiếp từ nguồn tới

đích mà không cần đến các nút trung gian can thiệp
10
Báo cáo Kiến trúc máy tính tiên tiến Đề tài: Interconnection Networks
+ Tốc độ truyền nhanh hơn so với cấu trúc mạng chia sẻ do không cần đến
phân xử và giao diện về điện đơn giản hơn.
+ Cho phép mạng liên kết thích ứng được với một khối lượng lớn các nút.
+ Nhược điểm là có góc trễ bổ sung khi truyền tín hiệu qua chuyển mạch.
+ Môi trường truyền dạng chuyển mạch có thể là dây đồng hoặc sợi quang tùy
theo khoảng cách giữa các nút và dải tần mong muốn.
* Kết nối có định hướng và truyền không kết nối (Connection-Oriented,
Connectionless Communication).
- Kỹ thuật dồn kênh theo phân chia tần số:
Khi có nhiều đối tượng cùng tham gia trên đường truyền, để chia sẻ đường
truyền trên những khoảng cách xa nhau, ngành công nghiệp viễn thông đã sử dụng
đến các nút chuyển mạch để dồn các cuộc đàm thoại vào trên cùng những đường
truyền. Do truyền tiếng nói có dải tần thấp nên giải pháp để thực hiện dồn kênh là
chia dải tần của đường truyền thành một số tấn số cố định, mỗi tần số này được gán
cho một cuộc đàm thoại.
Tuy nhiên kỹ thuật này chỉ thích hợp cho truyền tiếng nói mà không hiệu quả đối với
truyền dữ liệu. Để khắc phục người ta đưa ra một kiểu truyền khác thay thế cho kiểu
truyền trên và được gọi là truyền không kết nối.
Liên quan đến ý tưởng so sánh về truyền kết nối với truyền không kết nối có
hai thuật ngữ:
- Chuyển mạch vòng (circuit switching): là cách thức truyền thống để xây
dựng một dịch vụ dựa trên cơ sở kết nối. Một vòng tròn mang tin truyền được thiết
lập từ nguồn tới đích, chiếm giữ giải tần cho đến khi vòng tròn này bị phá. Một
phương pháp thay thế cho việc truyền tin dựa trên cơ sở chuyển mạch gói đó là chia
thông tin thành các gói, hoặc các khung tin, mỗi gói sẽ chứa địa chỉ đích đến của gói
và một lượng thông tin cần truyền. Các gói này không thể sử dụng hết toàn bộ giải
tần, nhưng nhìn chung, chuyển mạch gói sử dụng giải tần của môi trường truyền

nhiều hơn và là cách thức truyền thống để hỗ trợ truyền tin không kết nối.
- Định tuyến: Phát các tin
11
Báo cáo Kiến trúc máy tính tiên tiến Đề tài: Interconnection Networks
Đó là việc các hệ thống phải đảm bảo truyền tin đến nút mạng mong muốn.
Đối với mỗi cấu trúc liên kết mạng, vấn đề định tuyến được thực hiện theo các cách
khác nhau:
+ Đối với mạng chia sẻ môi trường: tin được truyền tới tất cả các nút cùng
chia sẻ môi trường truyền, mỗi nút đều phải theo dõi địa chỉ có trong tin đó để xem
tin đó có giành cho mình hay không. Cách này tỏ ra có hiệu quả khi ta muốn truyền
cùng một tin tới cho nhiều nút, điều này thực hiện khó hơn nhiều ở các mạng dùng
chuyển mạch.
+ Mạng dùng bộ chuyển mạch sử dụng 3 cách để định tuyến:
 Định tuyến trên cơ sở nguồn (source-based routing): Bản thân tin
truyền sẽ chỉ ra đường dẫn đến đích.
 Mạch vòng ảo (Vitual circuit): giữa nguồn và đích được thiết lập một
mạch vòng và tin theo đó được truyền đến đích mong muốn. ATM sử
dụng cách này.
 Định tuyến trên cơ sở đích đến (Destination-based routing): Tin đơn
thuần chỉ chứa địa chỉ đích đến, một chuyển mạch phải chọn một
đường dẫn để truyền tin. IP sử dụng cách này.
Các chuyển mạch trong mạng WAN sử dụng chính sách store and forward
(lưu sau đó chuyển tiếp) để định tuyến: mỗi chuyển mạch đợi cho đến khi có được
toàn bộ tin tại mỗi nút trước khi nó được gửi tới cho nút tiếp theo. Trong mạng SAN
cũng sử dụng chính sách trên nhưng theo cách khác gọi là định tuyến cut-though hay
định tuyến wormhole có nghĩa là chuyển mạch kiểm tra header, quyết định nơi
chuyển tin đến, và sau đó bắt đầu truyền tin ngay lập tức mà không đợi phần còn lại
của tin.
* Điều khiển tắc nghẽn
12

Báo cáo Kiến trúc máy tính tiên tiến Đề tài: Interconnection Networks
Trong mạng dùng chuyển mạch vòng hay mạng dùng chuyển mạch gói đều có
thể xảy ra tắc nghẽn khi có nhiều “phương tiện” cùng tham gia “giao thông”. Đối với
mạng dùng chuyển mạch vòng, khi mạng đã đầy thì sẽ không có thêm mạch vòng
nào nữa được thiết lập dó đó xảy ra tắc nghẽn. Đối với mạng dùng chuyển mạch gói,
mạch bị nghẽn do có quá nhiều gói tin truyền trên mạng. Gỉa pháp để ngăn chặn tắc
nghẽn đó là ngăn không cho những gói tin mới được tham gia vào mạng cho đến khi
lưu lượng giao thông giảm.
Có 3 lược đồ cơ bản dùng để điều khiển tắc nghẽn trong các mạng liên kết, đó
là:
+ Loại bỏ bớt gói tin (packet discarding).
+ Điều khiển luồng (flow control).
+ Làm ngưng các gói tin (choke packet)
- Loại bỏ bớt gói tin là cách đơn giản nhất và tàn nhẫn nhất: nếu như một gói
tin đến một chuyển mạch và trong buffer không còn chỗ trống nữa, thì gói tin này sẽ
bị loại bỏ (không được tiếp nhận). Cách này dựa vào phần mềm mức cao hơn có tác
dụng xử lý những lỗi xảy ra trong quá trình truyền để gửi lại các gói đã bị mất, ví dụ
như giao thức UDP.
- Điều khiển luồng: Thực hiện điều khiển luồng giữa các cặp gửi và nhận. Sử
dụng tín hiệu phản hồi để thông báo cho nơi gửi biết khi nào nó được phép gửi gói
tin tiếp theo.
+ Điều khiển luồng backpressure: thông tin phản hồi được gửi thông qua
những đường dây độc lập giữa những nơi gửi và nơi nhận liền kề để thông báo cho
nơi gửi dừng truyền ngay lập tức khi nơi nhận không thể nhận thêm thông tin được
nữa. Như vậy các kết nối giữa hai điểm sẽ bị đông cứng cho đến khi nơi nhận có thể
tạo chỗ trống để nhận tin tiếp theo. Điều khiển luồng kiểu backpressure thường được
dùng trong những mạng siêu máy tính. SAN và một số chuyển mạch Ethernet tốc độ
Gb gửi tín hiệu va đập giả để điều khiển luồng.
+ Điều khiển luồng dựa trên cơ sở thẻ (credit-based flow control): Cho phép
đích cuối cùng gửi cho nơi gửi tin một thẻ để gửi n gói tin trước khi được phép gửi

13
Báo cáo Kiến trúc máy tính tiên tiến Đề tài: Interconnection Networks
thêm. Cửa sổ là một kiểu điều khiển luồng trên cơ sở thẻ. Kích cỡ của cửa sổ xác
định tần số truyền tối thiểu từ nơi nhận đến nơi gửi. Giao thức TCP sử dụng dạng
cửa sổ này.
Lưu ý: Điều khiển luồng chỉ mô tả cho hai nút của liên kết trong mạng chứ
không phải cho toàn mạng. Điều khiển luồng giúp điều khiển va đập, nhưng không
phải là một giải pháp tổng thể.
- Làm ngưng các gói tin: Mục đích làm giảm lưu lượng tham gia khi mạng bị
nghẽn. Khi xảy ra nghẽn mạch, tạm thời ngưng truyền tin, sau đó thực hiển truyền lại
khi hết nghẽn
4 - Cấu trúc liên kết mạng
* Chuyển mạch tập trung:
Hai cơ cấu dùng chuyển mạch thông dụng là:
+ Mạng Crossbar.
+ Mạng Omega.
- Mạng Crossbar:
+ cho phép một nút bất kỳ có thể liên lạc được với bất kỳ nút nào khác trong
một đường thông xuyên suốt toàn mạng.
+ Vấn đề định tuyến của mạng phụ thuộc vào cách đánh địa chỉ:
 Định tuyến dựa trên cơ sở nguồn: tin đi theo các đường bao hình cung
đến đích.
 Định tuyến dựa trên cơ sở đích: sử dụng một bảng để quyết định cổng
nào ứng với địa chỉ được đưa ra. Một số mạng sẽ chạy các chương
trình trong các chuyển mạch (“các giao thức cây mở rộng”) để tạo bảng
định tuyến trên đường truyền khi kết nối mạng.
14
Báo cáo Kiến trúc máy tính tiên tiến Đề tài: Interconnection Networks
+ Số lượng chuyển mạch trong mạng Crossbar = n
2

(n là số lượng nút).
- Mạng Omega:
+ Liên kết Omega sử dụng chuyển mạch ít hơn liên kết Crossbar: số lượng
các chuyển mạch = n/2 log
2
n (n là số lượng nút).
+ So với mạng Crossbar, tranh chấp giữa các tin truyền trong mạng Omega
xảy ra nhiều hơn. Lượng tranh chấp phụ thuộc vào kiểu truyền. Tranh chấp này được
gọi là blocking.
Ngoài hai cấu trúc mạng như trên, trong cấu trúc mạng chuyển mạch tập trung
còn có một dạng liên kết gọi là fat tree.
15
Báo cáo Kiến trúc máy tính tiên tiến Đề tài: Interconnection Networks
Các liên kết trong mạng thường được vẽ dưới dạng các đồ thị, mỗi một cung
của đồ thị biểu diễn một liên kết.
ưu điểm của fat tree là ta có thể tăng thêm nhiều nút trong fat tree bằng cách
thêm tầng vào các đỉnh của fat tree. Khi tăng thêm như vậy thì dải tần ở đỉnh của cây
cũng tăng theo.
Hình trên cho thấy có thể có nhiều đường giữa hai nút bất kỳ trong một fat
tree. Ví dụ, giữa nút 0 và nút 8 có 4 đường dẫn. Các đường dẫn này dùng để thay thế
các đường dẫn có lỗi. Ngoài ra, nếu các tin được gán một cách ngẫu nhiên cho các
đường dẫn khác nhau, thì khi đó nó sẽ san tải khắp chuyển mạch và sẽ tạo ra thêm
một số vấn đề tắc nghẽn.
* Chuyển mạch phân tán:
Các nút trong chuyển mạch phân tán được nối với nhau theo cấu trúc ring
(vòng tròn), như hình vẽ:

16
Báo cáo Kiến trúc máy tính tiên tiến Đề tài: Interconnection Networks
Bởi vì một số nút không được nối trực tiếp với nhau, nên một số tin sẽ phải

nhảy cóc qua các nút trung gian cho đến khi chúng đến được đích cuối cùng. Không
giống như mạng chia sẻ, mạng ring có thể có nhiều tin được truyền đồng thời, ví dụ
nút đầu tiên có thể gửi tin tới nút thứ 2 cùng thời điểm khi nút thứ 3 gửi tin tới nút
thứ 4.
Một biến tấu khác của mạng ring đó là token ring được sử dụng trong mạng
LAN. Để đơn giản hóa việc phân xử, một token (mã báo hiệu) di chuyển vòng quanh
ring để xác định nút nào được phép gửi một tin. Một nút chỉ có thể gửi tin khi nó
nhận được token đó.
Đối với các máy tính hiệu năng cao, có 3 cấu trúc liên kết mạng thông dụng
có chuyển mạch phân tán như hình vẽ:
Các cấu trúc mạng sử dụng giải tần phân đôi (bisection bandwidth) và một số
liên kết cho 64 nút.
17
Báo cáo Kiến trúc máy tính tiên tiến Đề tài: Interconnection Networks
Phạm trù đánh giá Bus Ring 2D torus 6 - cube Fully connected
Hiệu năng
Giải tần phân đôi 1 2 16 32 1024
Chi phí
Các cổng trên một
chuyển mạch
Tổng số đường
NA
1
3
128
5
192
7
256
64

2080
5 - Các vấn đề thực tế đối với các mạng liên kết thương mại
Ngoài các vấn đề về kỹ thuật như đã đề cập ở những phần trước, các vấn đề
thực tiễn cũng rất quan trong đối với các mạng liên kết. Chúng bao gồm:
- Liên kết.
- Kết nối mạng với máy tính.
- Tiêu chuẩn hoá.
- Xử lý lỗi (fault tolerance).
* Vấn đề liên kết:
Số lượng máy mà việc truyền tin giữa chúng ảnh hưởng đến độ phức tạp của
mạng và các giao thức của nó. Các giao thức phải nhằm mục tiêu cho kích cỡ mạng
lớn nhất và xử lý những trục trặc bất thường. Việc truyền tin giữa hàng trăm máy dễ
dàng hơn so với hàng triệu máy.
* Vấn đề kết nối mạng với máy tính:
Phần mạng máy tính gắn tới máy tính ảnh hưởng đến cả giao diện phần cứng
và phần mềm mạng. Các vấn đề này gồm việc quyết định dùng bus nhớ hay bus vào
ra, sử dụng polling (kiểm soát vòng) hay các ngắt (interrupt), và làm cách nào để
tránh việc gọi hệ điều hành.
* Vấn đề chuẩn hoá:
18
Báo cáo Kiến trúc máy tính tiên tiến Đề tài: Interconnection Networks
Các chuẩn tỏ ra hữu dụng trong thiết kế máy tính, tuy nhiên với các mạng liên
kết chúng thường mang tính tiêu chí. Việc thiết kế các chuẩn tốt liên quan đến vấn đề
chi phí thấp và tính ổn định của chuẩn.
* Vấn đề xử lý khi có lỗi tin:
Yêu cầu đối với hệ thống truyền tin là phải có các cơ cấu truyền lại tin trong
trường hợp có lỗi tin.
* Xử lý lỗi nút:
Trong vận hành mạng liên kết, các lỗi phần mềm xuất hiện thường xuyên hơn
các lỗi phần cứng. Vậy khi có lỗi phần mềm ở một nút thì điều này có cản trở việc

truyền tin của các nút còn lại hay không.
6 - Các ví dụ về các mạng liên kết
* Ethernet: mạng LAN
- Năm 1978: tốc độ truyền là 10 Mbs/s; năm 2001: 100 Mbs/s, 1000 Mbs/s;
năm 2002-2003: 10000 Mbs/s.
- Với tốc độ 10 Mbs/s hay 100 Mbs/s có thể chia sẻ môi trường hoặc nhiều
thiết bị, >1000 Mbs/s lại dựa trên các kết nối điểm-điểm và các chuyển mạch.
- Theo chuẩn IEEE 802.3.
- Mạng chuyển mạch gói phi kết nối. Định dạng gói tin như sau:
19
Báo cáo Kiến trúc máy tính tiên tiến Đề tài: Interconnection Networks
- Định tuyến: đánh địa chỉ đích, định tuyến cut-through.
- Ethernet không có điều khiển luồng thực sự
- Lúc đầu được thiết kế cho cáp đồng trục, ngày nay chủ yếu là cáp đồng
Cat5. Cáp quang được sử dụng cho việc truyền ở những khoảng cách xa hơn và dải
tần lớn hơn. Thậm chí có cả phiên bản không giây.
- Để liên kết các mạng LAN với nhau người ta dùng một thiết bị gọi là cầu -
Bridge. Cầu vận hành ở mức giao thức Ethernet, đơn giản và rẻ tiền hơn router. Sử
dụng mô hình OSI, hoạt động ở tầng 2, tầng liên kết dữ liệu.
20
Báo cáo Kiến trúc máy tính tiên tiến Đề tài: Interconnection Networks
* SAN - Storage Area Network: Infiniband
Infiniband là một mạng SAN được tối ưu hoá dựa trên những khoảng cách
truyền ngắn hơn.
- Chuẩn này có tốc độ xung nhịp là 2.5 GHz và có thể truyền dữ liệu ở tốc độ
tối đa là 2000 Mbs/s trên một kết nối.
- Thuộc loại kết nối điểm-điểm, có thể gộp các điểm kết nối lại thành những
nhóm gồm 4 đến 12 kết nối để tăng dải tần lên 4 đến 12 lần/kết nối.
- Là mạng phi kết nối chuyển mạch gói.
- Định tuyến: cut-through và đánh địa chỉ đích.

- Khoảng cách truyền: Với Cat5: 17m, với cáp quang: 100m.
- Có điển khiển luồng: dùng phản hồi kiểu backpressure.
- Khi lưu dữ liệu nó dựa trên tập lệnh SCSI.
21
Báo cáo Kiến trúc máy tính tiên tiến Đề tài: Interconnection Networks
7 – Internetworking (Liên mạng)
- Internetworking là một trong những cuộc cách mạng quan trọng nhất trong
lĩnh vực truyền thông.
- Nó cho phép các máy tính ở các mạng độc lập và không tương thích có thể
truyền tin cho nhau một cách tin cậy và có hiệu quả.
- Hiệu quả kinh tế cao: ví dụ việc gửi một thư điện tử rẻ hơn rất nhiều so với
việc gọi một cuộc điện thoại đường dài.
- Sử dụng các chuẩn phần mềm cho phép truyền tin tin cậy mà không yêu cầu
các mạng tin cậy:
+ Nguyên tắc cơ bản của các chuẩn này đó là chúng được xây dựng dưới dạng
phân cấp các tầng, mỗi tầng được giao một nhiệm vụ truyền thông cụ thể.
+ Mỗi một máy tính, mạng, và chuyển mạch thực hiện tầng các chuẩn của nó
Những chuẩn phần mềm theo tầng được gọi là những họ giao thức hay những bộ
giao thức.Chúng cho phép các ứng dụng làm việc được với bất kỳ liên kết nào mà
không cần thêm sự can thiệp của người lập trình ứng dụng.
+ Chuẩn TCP/IP là chuẩn internetworking thông dụng nhất, nó là giao thức
điều khiển truyền tin hay còn gọi là giao thức internet. Họ giao thức này là cơ sở của
tên gọi Internet, có nghĩa là có thể kết nối hàng chục triệu máy tính trên khắp thế giới
với nhau.
* Mô hình các tầng OSI (Open Systems Interconnect - liên kết các hệ thống
mở - là một mô hình mô tả các mạng như là một chuỗi các tầng):
Mô hình

OSI

(Open

System Interconnection): là

mô hình

được tổ chức
ISO

đề xuất từ 1977

và công bố lần

đầu vào

1984.

Để các

máy tính và các thiết bị
mạng có

thể truyền thông với nhau phải có những qui tắc giao

tiếp

được

các bên
chấp nhận. Mô hình OSI là một khuôn

mẫu giúp

chúng ta hiểu dữ liệu

đi xuyên
qua mạng như thế nào

đồng thời cũng giúp chúng ta hiểu

được các chức năng
mạng diễn ra tại mỗi lớp.
Nguyên tắc của phương pháp phân tầng là:
22
Báo cáo Kiến trúc máy tính tiên tiến Đề tài: Interconnection Networks
+ Mỗi hệ thống thành phần trong mạng được xây dựng như một cấu trúc
nhiều tầng và đều có cấu trúc giống nhau như: số lượng tầng và chức năng của mỗi
tầng.
+ Các tầng nằm chồng lên nhau, dữ liệu được chỉ trao đổi trực tiếp giữa hai
tầng kề nhau từ tầng trên xuống tầng dưới và ngược lại.
+ Cùng với việc xác định chức năng của mỗi tầng chúng ta phải xác định mối
quan hệ giữa hai tầng kề nhau. Dữ liệu được truyền đi từ tầng cao nhất của hệ thống
truyền lần lượt đến tầng thấp nhất sau đó truyền qua đường nối vật lý dưới dạng các
bit tới tầng thấp nhất của hệ thống nhận, sau đó dữ liệu được truyền ngược lên lần
lượt đến tầng cao nhất của hệ thống nhận
Dưới đây là bảng mô tả tóm tắt những chức năng cơ bản của mỗi tầng trong
mô hình OSI:
Tầng
số
Tên tầng Hàm chính Ví dụ giao

thức
Thành phần
mạng
7 Tầng ứng dụng Được sử dụng cho các
ứng dụng đặc biệt chạy
qua mạng.
FTP, DNS,
NFS, http.
Cổng nối, chuyển
mạch thông minh.
6 Tầng trình diễn Dịch từ ứng dụng sang
định dạng mạng và
ngược lại.
Cổng nối.
5 Tầng phiên Thiết lập, duy trì và kết
thúc các phiên trên mạng
Các ống
được đặt
tên, RPC
Cổng nối.
4 Tầng giao vận Kết nối bổ sung thêm
dưới tầng phiên
TCP Cổng nối.
3 Tầng mạng Dịch tên và địa chỉ mạng
logic thành địa chỉ vật lý
của chúng
IP Thiết bị định
tuyến (Router),
chuyển mạch
ATM

2 Tầng liên kết dữ
liệu
Chuyển các gói tin thành
các bít thô và ở nơi nhận
chuyển các bít thô thành
Ethernet Cầu, Card giao
diện mạng.
23
Báo cáo Kiến trúc máy tính tiên tiến Đề tài: Interconnection Networks
các gói tin.
1 Tầng vật lý Truyền luồng bít thô qua
cáp vật lý.
IEEE 802 Hub
Ta có thể mô tả luồng dữ liệu trên mạng qua mô hình OSI như sau:
Dữ liệu đi xuyên qua mô hình OSI tại mỗi tầng gói dữ liệu đều được xử lý và có
những tên gọi riêng
Tên gọi dữ liệu

ở các tầng trong mô

hình OSI
Dữ liệu trải qua 2 tiến trình cơ bản là
- Tiến trình đóng gói tại trạm gửi (Data Encapsulation)
- Tiến trình mở gói tại trạm nhận (Data De-encapsulation)
24
Báo cáo Kiến trúc máy tính tiên tiến Đề tài: Interconnection Networks
Quá

trình

đóng gói

dữ liệu (tại máy gửi)
Đóng gói dữ liệu là quá trình

đặt dữ liệu nhận

được vào

sau

header (và
trước

trailer) trên mỗi lớp. Lớp

Physical không

đóng gói dữ liệu vì nó

không
dùng

header và

trailer. Việc

đóng gói dữ liệu không nhất thiết phải xảy ra trong
mỗi lần truyền dữ liệu của trình

ứng dụng. Các

lớp 5,

6, 7

sử dụng

header trong
quá trình khởi

động, nhưng trong phần lớn các

lần truyền

thì không có

header
của lớp 5,

6, 7

lý do là không

có thông tin

mới

để trao

đổi.
Các dữ liệu tại máy gửi

được xử

lý theo trình tự như sau:
-
Người dùng thông qua lớp

Application

để

đưa các thông tin
vào

máy

tính.
C
ác

thông

tin này có nhiều dạng khác nhau như: hình
ảnh, âm thanh,

văn bản.
-
Tiếp theo

các thông

tin

đó

được chuyển xuống lớp
Presentation

để chuyển thành

dạng chung, rồi mã hoá

và nén dữ liệu.
-
Tiếp

đó dữ liệu

được chuyển xuống lớp

Session

để bổ sung
các thông tin

về phiên giao dịch này.
-
Dữ liệu tiếp tục

được chuyển xuống lớp

Transport, tại lớp
này dữ liệu

được cắt

ra thành nhiều Segment và

bổ sung thêm các
thông tin

về phương thức vận chuyển dữ liệu

để

đảm bảo

độ tin cậy
khi

truyền.
-
Dữ liệu tiếp tục

được chuyển xuống lớp

Network, tại lớp
này

mỗi

Segment

được cắt ra thành nhiều

Packet và

bổ sung thêm
các thông tin

định tuyến.
25
Data Encapsulation Data De - Encapsulation