Điều khiển truy nhập và bộ đệm trong mạng ATM (asynchronous transfer mode

Điều khiển truy nhập và bộ đệm trong mạng ATM
(Asynchronous Transfer Mode).
Sinh viên thực hiện: Trần Anh Khánh.
Ngời hớng dẫn: PGS-TS PHAN Hữu Huân.
Tóm tắt:
Vấn đề điều khiển truy nhập và bộ đệm trong mạng ATM cũng là yếu tố rất quan
trọng, để đáp ứng chuyển mạch các luồng số liệu tốc độ cao và có đặc tính biến động
trong mạng truyền thông không đồng bộ ATM (Asynchronous Transfer Mode). Ngoài
việc điều khiển truy nhập còn sử dụng các bộ đệm cho phép chuyển mạch ATM đạt đợc
chất lợng phục vụ cần thiết, đồng thời giảm đợc tốc độ chuyển mạch.
1: Những vấn đề cơ bản của kỹ thuật chuyển mạch ATM
(Asynchronous Transfer Mode).

Đặc điểm của mạng ATM:
Trong những năm gần đây, sự phát triển của điện tử, tin học, viễn thông... đã thúc đẩy
quá trình phát triển của nền kinh tế đòi hỏi các ngành kỹ thuật phát triển để đáp ứng nhu
cầu, mong đợi của các ngành có liên quan. Để đáp ứng đợc những yêu cầu thông tin của
các ngành có liên quan các chuyên gia viễn thông đã nghiên cứu và cho ra đời công nghệ
truyền tin mạng không đồng bộ ATM (Asynchronous Trarfer Mode).
Lý do
- Mạng ATM ra đời do nhiều lý do nhng tập trung vào các lý do chủ yếu sau:
+ Do mâu thuẫn giữa nhu cầu thông tin tăng nhng nguồn tài nguyên dùng chung có
hạn.
+ Do yêu cầu tạo ra mạng thống nhất cho các dịch vụ thuê bao khác nhau.
ví dụ: Điện thoại, fax, truyền số liệu, video,...
+ Do yêu cầu sử dụng mềm dẻo, tốc độ cao, chất lọng cao.
+ Thuận tiện cho vận hành, quản lý, bảo dỡng.
+ Yêu cầu sử dụng công nghệ phù hợp với xu thế thời đại và có độ tin cậy cao.
- ATM (Asynchronous Transfer Mode) là thuật ngữ chỉ ra một dạng truyền dẫn thông
tin trên mạng không cần đến đồng bộ. Các thông tin trong cùng một cuộc gọi đợc gói
thành các gói tin có kích thớc nhất định ở đầu phát có thể dễ dàng lặp lai ở đầu thu nh

lúc nó tạo ra, mà không cần phải có các thông tin về chu kỳ. Trật tự thông tin lặp lại dựa
vào thông tin trên gói.


- Trong hệ thống STM (Synchronous Transfer Mode), thì các phần tử số liệu tơng ứng
với kênh đã cho đợc nhận biết theo trật tự của nó trong khung.Từ đây ta thấy ATM có hai
khả năng quan trọng.
+ ATM đợc sử dụng các gói có kích thớc nhỏ và cố định gọi là tế bào ATM. Tế bào
nhỏ cùng với tốc độ truyền lớn sẽ làm cho trễ truyền tin và biến động trễ giảm đủ nhỏ
thoả mãn yêu cầu đối với các dịch vụ cần làm việc trong trờng thời gian thực. Ngoài ra
kích thớc gói nhỏ và cố định cũng sẽ tạo điều kiện cho việc hợp kênh ở tốc độ cao dễ
dàng.
+ ATM có khả năng nhóm một vài kênh ảo thành một đờng ảo giúp cho việc định
tuyến truyền đợc dễ dàng.
Cấu trúc tế bào của mạng ATM.
- Đối với mạng ATM, thì các tế bào ATM đợc định nghĩa nh là cấu tạo đơn vị thông
tin bé nhất của mạng. Dung lợng của tế bào ATM đợc căn cứ vào hiệu suất băng truyền,
các dạng trễ của tín hiệu qua mạng, tốc độ và độ phức tạp hiện tại các nút chuyển mạch.
Với tế bào càng lớn khi truyền số liệu thì hiệu suất sử dụng càng tăng do giảm đợc phần
tiêu đề, nhng khi truyền các thông tin thoại thì giảm chất lợng do ảnh hởng của trễ. Để
dung hoà ngời ta đã xác định đợc dung lợng của tế bào với kích thớc không đổi và thay
đổi và cuối cùng chọn kích thớc của tế bào ATM bằng 53 byte đợc chia thành hai phần cơ
bản: phần tiêu đề gồm 5 byte và phần dữ liệu 48 byte.
- Chúng ta chú ý rằng, ATM là kiểu truyền định tuyến liên kết, nên địa chỉ đích, địa
chỉ nguồn, thứ tự gói không cần có trong gói tế bào ATM nữa. Toàn bộ việc nhận dạng
cuộc nối ảo sao cho cuộc giao dịch đợc thông suốt và đến đích đợc nhận biết nhờ trờng
tiêu đề của tế bào ATM.
- Công nghệ ATM ra đời sau các loại công nghệ khác, vì vậy trong quá trình
phát triển ATM và ứng dụng nó vào thực tế phải tính đến sự tơng thích giữa các
mạng. Nói một cách khác, giữa chúng có sự truy nhập lẫn nhau. Vì lý do đó nên

thực tế phải xây dựng hai chuẩn giao diện UNI và NNI (tế bào ATM tai giao diện
ngời sử dụng mạng UNI và tề bào ATM tại giao diện nút mạng NNI).

2: Điều khiển truy nhập các bộ đệm trong chuyển mạch mạng ATM
(Asynchronous Transfer Mode).
- Trong chuyển mạch ATM, để đáp ứng các luồng số liệu tốc độ cao và có đặc tính
biến động lớn, ngoài việc điều khiển truy nhập, còn phải sử dụng các bộ đệm cho phép
chuyển mạch ATM đạt đợc chất lợng phục vụ và giảm đợc tốc độ chuyển mạch. Có ba


loại bộ đệm đợc dùng trong mạng ATM là bộ đệm đầu vào, bộ đệm đầu ra và bộ đệm bên
trong.
- Vấn đề mấu chốt của bộ đệm trong chuyển mạch ATM là các bộ đệm vào, ra để làm
cơ sở cho việc áp dụng các bộ đệm trong chuyển mạch ATM.
Các phơng pháp điều khiển truy nhập:
- Khi cần thiết lập một cuộc nối trong mạng ATM, bao giờ mạng cũng phải quản lý
hợp đồng lu lợng. Các tham số đợc quản lý chính là các tham số thống kê của lu lợng.
- Để tránh tắc nghẽn và bảo đảm chất lợng dịch vụ, cần phải sử dụng các thuật toán
điều khiển tại các điểm truy nhập. Trong mạng ATM ngời ta dùng thủ tục điều khiển
tham số ngời sử dụng UPC (Usage Parameter Control ATM forum) để kiểm soát các
điều kiện đã xác định trong hợp đồng sử dụng. Đối với một nút chuyển mạch, việc điều
khiển truy nhập đợc phân chia tại các tầng khác nhau. Đó là điều kiện chấp nhận cuộc
nối (Connection Admission Control) và điều kiện truy nhập đầu cuối (Access Control).
- Trên mạng ATM có các biện pháp để điều khiển lu lợng dựa trên các tham số nh:
+ Tốc độ tế bào nhỏ nhất MCR (Maximum Cell Rate) cho phép.
+ Tốc độ tế bào đỉnh PCR (Peak Cell Rate) là số tế bào lớn nhất trên một giây có thể
truyền qua kết nối.
+ Độ thay đổi trễ tế bào CDV (Cell Delay Variation) là độ sai lệch tính theo giây của
thời điểm tế bào đến so với thời điểm đến lý tởng.
+ Kích thớc burst lớn nhất MBS (Maximum Buffer Size) là số tế bào lớn nhất có thể

truyền tại tốc độ PCR (Peak Cell Rate).
+ Tốc độ tế bào trung bình cho phép SCR (Sustainable Cell Rate) là tốc độ trung bình
lớn nhất của dòng tế bào.
Điều khiển chấp nhận cuộc nối (Admission Control):
- Mục tiêu của điều khiển chấp nhận cuộc nối là chấp nhận hay từ chối cuộc gọi
(chúng ta luôn nhớ rằng khái niệm cuộc gọi ở đây không chỉ là giao tiếp thoại mà bao
gồm tất cả các dịch vụ khác trong B-ISDN) với các yêu cầu dịch vụ cụ thể (độ rộng băng,
xác suất tế bào, thời gian trễ) để tránh bị tắc nghẽn.
- Trong thực tế, việc điều khiển chấp nhận cuộc nối rất phức tạp, bản tin sẽ gửi theo
tất cả các đờng ảo VP (Virtual Path) (có khả năng cung cấp kênh ảo VC (Virtual Chenel)
cho dịch vụ đến đợc đích) để đạt đợc chất lợng phục vụ QOS (Quality Of Service) theo
yêu cầu mà không ảnh hởng đến các cuộc nối khác đã hoạt động.
- Giải pháp đơn giản nhất là chỉ định độ rộng băng yêu cầu cho các VP và dùng băng
này phân chia cho các VC dựa trên lu lợng tải đỉnh PCR (Peak Cell Reta) cần thiết. Khi
đó đờng nối đã chọn và các bộ đệm dùng trong các nút chuyển mạch sẽ luôn đảm bảo đ-


ợc QOS. Điều kiện theo nguyên tắc này khá đơn giản, nhng nó loại trừ dùng bộ tập trung,
điều này đồng nghĩa với việc mở rộng băng lớn hơn nhiều lần cần thiết và vì vậy dẫn đến
việc giảm hiệu suất khai thác tài nguyên.
- Trong thực tế, ngời ta sử dụng thuật toán phức tạp đi kèm theo với các bộ tập trung
thống kê (Statistical Multiplexing) để tăng hiệu quả sử dụng tài nguyên của hệ thống. Đó
là thuật toán áp dụng với các tốc độ cơ bản của B-ISDN bảo đảm QOS cho các cuộc nối
có hiệu quả trên toàn mạng. Giả sử nguồn lu lợng là mô hình ON-OFF đợc đặc trng bằng
3 tham số:
Rp - Tốc độ đỉnh (Peak Rate), (Cell/Sec).
1/ - Độ dài bình quân của nhóm (Sec).
1/ - Thời gian trung bình của giai đoạn không có tế bào (Sec).
- Nhìn chung, tất cả các nguồn đều có thể mô tả bằng xích MarKov liên tục hai trạng
thái, kể cả các nguồn hỗn hợp hay không đồng nhất.

Nguyên lý điều khiển chấp nhận cuộc nối tại nút chuyển mạch:
- Ta giả sử vào lúc tải bùng nổ, các tế bào đến liên tục hay theo chu kỳ với tốc độ Rp. Có K lu lợng đến, mỗi loại có thông số đặc trng riêng cùng đợc tập trung vào một đờng
truy nhập của nút chuyển mạch (Access link) với dung lợng phục vụ CL Cell/Sec.
- Khởi đầu tất cả các đờng lu lợng mới đều truy nhập vào các bộ đệm tơng ứng. Rõ
ràng, thông lợng của mạng và QOS cho mỗi loại phụ thuộc vào các bộ đệm kết nối. Khi
lu lợng tăng hay nhu cầu về QOS thay đổi ngời ta áp dụng bảng điều khiển động để đáp
ứng tuỳ theo loại lu lợng, yêu cầu về QOS và mức chiếm dụng của bộ đệm. Đó chính là
nguyên lý của việc điều khiển chấp nhận cuộc nối.
- Bảng điều khiển tối u là bảng điều khiển đảm bảo đợc số cuộc nối nhiều nhất cho
mỗi loại lu lợng. Số cuộc nối sẽ phụ thuộc vào phơng án điều khiển, dung lợng của đờng
truy nhập CL, số loại lu lợng vào QOS yêu cầu.
- Số cuộc nối lớn nhất là chóp của vùng điều khiển kích thớc k khi biểu diễn vùng có
thể điều khiển đợc của hệ thống. Phơng án điều khiển tối u là phơng án mang lại vung
điều khiển lớn nhất. Ví dụ khi sử dụng bộ đệm FIFO đem lại vùng điều khiển nhỏ nhất.
- Với mỗi vùng điều khiển cho trớc cuộc gọi sẽ bị khoá nếu việc chấp nhận nó sẽ đa
hệ thống ra khỏi vùng điều khiển.
Các phơng pháp điều khiển truy nhập:
- Phơng pháp điều khiển tốc độ trung bình SCR (Subtainable Cell Rate).
- Phơng pháp điều khiển dựa trên hiệu suất sử dụng băng.
- Phơng pháp điều khiển dựa trên tốc độ đỉnh PCR.


Tính toán với nguồn thay đổi:
- Khi các nguồn thay đổi (fluid-flow) yêu cầu dung lợng phục vụ cần thiết theo thời
gian (ví dụ nh truyền ảnh ) và giả định các nguồn biến động vào là đồng nhất.
- Đối với các nguồn vào không đồng nhất thì mỗi nguồn có tốc độ đỉnh R p khác nhau
và khoảng thời gian ở các trạng thái ON-OFF khác nhau.
- Việc điều khiển truy nhập thực chất là giám sát lu lợng cuộc nối, nếu khách hàng vi
phạm hợp đồng đã thoả thuận thì các tế bào này đợc loại bỏ để tránh tắc nghẽn mạch và
đảm bảo yêu cầu về QOS. Việc loại bỏ thực hiện bằn cách các tế bào này sẽ đợc gán

nhãn (Fag) và đợc loại bỏ sau khi truy nhập vào trong mạng chuyển mạch và sẽ đợc tính
vào các tham số tắc nghẽn của mạng.
- Trên thực tế, có 2 phơng pháp điều khiển để biến đổi lu lợng không ảnh hởng đến
mạng.
- Các phơng pháp này là đa tất cả các lu lợng vào bộ đệm lò xo (Elastic) và đọc ra
đều đặn hoặc dùng biện pháp điều khiển từ nguồn vào.
+ Phơng pháp thứ nhất (đa tất cả lu lợng vào bộ đệm lò xo). Việc nạp vào và đọc ra
của bộ đệm đợc thực hiện theo các thuật toán khác nhau. ATM Forrum đã đa ra các thuật
toán về điều khiển tốc độ tế bào (Generic Cell Rate Algorithm) trong đó có thuật toán
gáo rò.
+ Phơng pháp thứ hai đã đợc nghiên cứu và cho thấy rằng với các dịch vụ của
B-ISDN với tốc độ cao. Việc điều khiển các nguồn lu lợng không hiệu quả do đáp ứng
điều khiển từ các nguồn (khách hàng) không đủ nhanh để tránh ảnh hởng tới mạng. Các
ứng dụng theo hớng này đợc sử dụng trên mạng ATM giữa các tổng đài và các tầng trên
mạng (Feedback Control) để điều khiển tốc độ truyền từ các tổng đài nội hạt.
Đặc điểm của bộ đệm:
- Có ba loại bộ đệm đợc sử dụng trong mạng ATM (vào, ra, bên trong).
- Tại bộ đệm vào, các tế bào đợc xếp hàng. Khi hàng đợi rỗng thì các tế bào sẽ đợc
chuyển mạch vào mạng, còn ngợc lại nó sẽ phải xếp hàng. Khi sử dụng bộ đệm tại đầu
vào, thì tại mỗi khe thời gian nhiều nhất là một cổng vào đợc phép phát tế bào đến cổng
ra. Nh vậy, mỗi cổng vào truyền một tế bào đến cổng ra trên cùng một khe thời gian.
- Bộ đệm ra lầ bộ đệm cho phép một tế bào tới cổng ra cùng với nhịp đồng hồ của khe
thời gian, nó sẽ đợc ra ngoài mạng chuyển mạch nếu bộ đệm ra rỗng, không thì tế bào
phải ở lại tại đầu bộ đệm. Tại cùng một thời điểm trên cùng một khe thời gian, ở một đầu
ra yêu cầu nhiều tế bào ra thì tế bào nào ở đầu hàng đợi thì đợc ra trớc còn tế bào kia bị


khoá. Khi đó đầu ra yêu cầu kia cũng bị khoá vì tế bào đầu hàng bị khoá không thể đọc
đợc.
- Bộ đệm bên trong chỉ đóng vai trò nh phòng đợi không có dịch vụ hay chỉ là cổng

đệm của bộ Demux.
- Tuỳ theo yêu cầu của mạng chuyển mạch mà sử dụng loại bộ đệm nào. Ví dụ mạng
BUS chung (Share Medium ) sử dụng bộ đệm đầu ra để tăng tính linh hoạt, cho phép cả
N đầu vào chuyển các tế bào chờ đến một đầu ra theo yêu cầu.
- Trong mạng ATM, sử dụng các bộ đệm đầu ra đợc tính toán trên cơ sở biến ngẫu
nhiên, nó mô tả số tế bào nằm trong bộ đệm và cổng ra của chuyển mạch ATM có cùng
tốc độ với mỗi cổng vào.

Kết luận.
Nhìn chung cho đến nay, các mạng viễn thông phát triển không đồng đều, làm việc
đồng bộ. Điều này tất yếu phải có nhiều mạng với dịch vụ khác nhau song song tồn tại,
do đó mạng có tính độc lập về dịch vụ nên không mềm dẻo, khó quản lý vận hành bảo dỡng và khai thác nguồn tài nguyên của mạng không hiệu quả. Trớc những khó khăn trên,
các chuyên gia viễn thông đã đa ra ý tởng xây dựng một mạng duy nhất cho mọi dịch vụ
viễn thông, Đó là lý do cho ra đời mạng tổ hợp dịch vụ chuyển mạch ATM.
Trong chuyển mạch ATM, để đáp ứng chuyển mạch các luồng số liệu cao và có đặc
tính biến động lớn, thì ngoài việc điều khiển truy nhập còn phải sử dụng các bộ đệm cho
phép chuyển mạch ATM đạt đợc chất lợng phục vụ cần thiết, đồng thời giảm đợc tốc độ
chuyển mạch. ở nớc ta dịch vụ mạng đã bắt đầu triển khai ở các ngân hàng để bảo đảm
nhu cầu lớn về thông tin của khách hàng. Hiện tại cha nhiều nhng tơng lai chắc chắn sẽ
phát triển mạnh.

Tài liệu tham khảo.
1. Tài liệu hớng dẫn của PSG-TS Phan Hữu Huân về Hệ thống chuyển mạch ATM
(Asynchronous Transfer Mode).
2. Các tạp chí Bu chính Viễn thông.


Trờng đại học dân lập phơng đông.
Khoa công nghệ thông tin.

Báo cáo
Nghiên cứu khoa học

Đề tài

Điều khiển truy nhập và bộ đệm trong mạng ATM
(Asynchronous Transfer Mode).

Ngời hớng dẫn: PGS-TS Phan hữu Huân.
Sinh viên thực hiện: Trần Anh Khánh.
Mã số: 611241.


Trờng đại học
dân lập phơng đông.
hànội_2002
Khoa công nghệ thông tin.

Báo cáo
nghiên cứu khoa học

Đề tài

Điều khiển truy nhập và bộ đệm trong mạng ATM
(Asynchronous Transfer Mode).

Hà nôi_2002.