BÀI GIẢNG MẠNG VIỄN THÔNG

Bài giảng
Mạng Viễn thông (33BB)
Trần Xuân Nam
Khoa Vô tuyến Điện tử
Học viện Kỹ thuật Quân sự


Bài 2
Circuit-Switching
Networks
Circuit Switches
The Telephone Network
Signaling
Traffic and Overload Control in
Telephone Networks
Cellular Telephone Networks


Mạng chuyển mạch Kênh
z

Kênh dành riêng giữa 2 đầu khách hàng
z

z

Kênh có thể là nhiều dạng khác nhau
z
z
z
z

z

Khách hàng có thể là người hoặc thiết bị (router or switch)
Đường dành riêng để truyền dẫn dòng điện
Các khe thời gian dành riêng để truyền các mẫu thoại
Các khung dành riêng để truyền các khung tín hiệu
Các bước sóng dành riêng để truyền các tín hiệu quang

Các mạng chuyển mạch kênh yêu cầu:
z
z

Ghép kênh & chuyển mạch các kênh
Báo hiệu & điều khiển để thiết lập các kênh

Trần Xuân Nam/HVKTQṢ


Phương pháp phát triển mạng
•

Sử dụng chuyển mạch: Một chuyển mạch cung cấp mạng cho
một nhóm người dùng;
Ví dụ: một chuyển mạch điện thoại kết nối một vùng nội hạt

•

Network

•
•

Access
network

Sử dụng chuyển mạch kết hợp ghép kênh: Một bộ ghép kênh kết
nối 2 mạng
Ví dụ: một đường truyền tốc độ cao kết nối 2 chuyển mạch

Trần Xuân Nam/HVKTQṢ


Phương pháp phát triển mạng
1*

b

a
(a)

Metropolitan network A có
thể xem như một mạng
Access Subnetworks

2

a

4

3

A

A

c

(b) National network xem như
mạng của các Regional
Subnetworks (including A)

b

d

Mạng thành phố

c

d

Mạng của các
Access
Subnetworks

A

zCác

đường
zTốc độ Cao
Network of Regional
Trần Xuân Nam/HVKTQṢ Subnetworks

α

National &
International


Chapter 4
Circuit-Switching
Networks
Circuit Switches


Network: Links & Switches
z

z

Kênh (circuit) bao gồm các tài nguyên dành riêng cho một
chuỗi các tuyến (links) & chuyển mạch (switches) qua
mạng
Chuyển mạch Kênh (circuit switch) nối các link đầu vào tới
các links đầu ra
zSwitch
zNetwork

Switch
User n

1
2
3
…

User n – 1
User 1
N
Trần Xuân Nam/HVKTQṢ

Connection
of inputs
to outputs

1
2
3
…

Link

Control

N

Các dạng Chuyển mạch Kênh
z

z

z

Chuyển mạch Phân chia Không gian (Space-Division
switches)
z Tạo kết nối vật lý giữa inputs và outputs
z Crossbar switches
z Multistage switches
Chuyển mạch Phân chia Thời gian (Time-Division switches)
z Time-Slot Interchange (TSI) Switching
Ghép lai kết hợp chuyển mạch Time & Space
z Chuyển mạch TST (Time-space-time switches)

Trần Xuân Nam/HVKTQṢ


Crossbar Space Switch

z

z

z

Chuyển mạch là một
mảng N x N các điểm

nối
Nối một đầu vào đến
một đầu ra bằng cách
đóng điểm nối
Không bị ngẽn: bất
kỳ input có thể nối
đến output
Phức tạp: N2 điểm nối

1
2
…

z

N
1

2

…

Æ Mong muốn giảm số điểm nối: Multistage switch
Trần Xuân Nam/HVKTQṢ

N –1 N


Multistage Space Switch
z

z
z

Xây dựng chuyển mạch lớn gồm nhiều tầng (multitage) chuyển mạch
n inputs tới tầng thứ nhất chia sẻ k đường tới các chuyển mạch
crossbar trung gian
Chọn k lớn sẽ có nhiều tổng đài trung gian, nên có nhiều đường tới
đầu ra, chuyển mạch ít bị nghẽn
2(N/n)nk + k (N/n)2 crosspoints
1

1

2

n×k

N/n × N/n
2

3

2

k×n

…

k×n
N/n × N/n

k

Trần Xuân Nam/HVKTQṢ

1

3

n×k
N/n

k×n
k×n

n×k

…

N
inputs

N/n × N/n

…

n×k

N/n

N

outputs


Multistage Space Switch
z
z

2

Tổng số điểm nối: 2(N n )nk + k (N n )
Câu hỏi đặt ra [Clos, 1953]: Sử dụng k (số chuyển mạch trung
gian) bằng bao nhiêu thì chuyển mạch không bị nghẽn?
2(N/n)nk + k (N/n)2 crosspoints
1

1

2

n×k

N/n × N/n
2

3

2

k×n

…

k×n
N/n × N/n
k

Trần Xuân Nam/HVKTQṢ

1

3

n×k
N/n

k×n
k×n

n×k

…

N
inputs

N/n × N/n

…

n×k

N/n

N
outputs


Điều kiện không nghẽn mạch Clos
z

z
z

Giả thiết cần thực hiện kết nối từ đầu vào cuối của
switch j ở tầng thứ nhât tới đầu ra cuối của switch m
ở tầng thứ 3
Điều kiện không nghẽn mạch tương đương với tồn tại
ít nhất một đường nối giữa đầu vào và đầu ra
Xét trường hợp xấu nhất:
z
z

z

(n-1) đầu vào của chuyển mạch tầng 1 bị chiếm bởi (n1) chuyển mạch trung gian phía trên
VÀ (n-1) đầu ra của chuyển mạch ở tầng 3 bị chiếm bởi
(n-1) chuyển mạch trung gian tiếp theo

Điều kiện không nghẽn mạch xảy ra khi
k − ⎡⎣ (n − 1) + (n − 1) ⎤⎦ ≥ 1 hay k ≥ 2n − 1

z

Khi k<2n-1 switch bị nghẽn với xác suất khác không

Trần Xuân Nam/HVKTQṢ


Điều kiện không nghẽn mạch Clos

j

1

1

n-1
busy

…

…
nxk

…

Desired
input

kxn

N/n x N/n

1

N/n x N/n
n-1
N/n x N/n
n+1

kxn
m

n-1
busy

Desired
output

…

nxk

N/n x N/n
2n-2
nxk
N/n

x N/n
Free path N/n2n-1

Free path

kxn
N/n

Do k=2n-1 nên số đường dây bên trong gần gấp đôi số đường dây
đầu vào
Trần Xuân Nam/HVKTQṢ


Độ phức tạp của Multistage Switch
z

C(n) = số điểm nối cần trong chuyển mạch Clos

C (n) = 2 Nk + k ( N n )
Trong trường hợp không nghẽn mạch, k=2n-1, tính số
điểm nối cần thiết nhỏ nhất
2
C |Nonblocking = 2 N (2n − 1) + (2n − 1) ( N n )
2

z

z

z

Lấy đạo hàm theo n, đặt bằng 0

∂C
2N 2 2N 2
2N 2
0=
= 4N − 2 + 3 ≈ 4N − 2 ⇒ n = N 2
∂n
n
n
n
Số điểm nối nhỏ nhất là:

(

Cmin = 2 N +
z

(

N
N /2

) )(2
2

N
2

)

− 1 ≈ 4 N 2 N = 4 2 N 3/2 < N 2

Multistage switch yêu cầu số điểm nối ít hơn Crossbar

Trần Xuân Nam/HVKTQṢ


Ví dụ: Thiết kế Clos Switch
Crossbar chip, Circa 2002, của Mindspeed
Tech Inc., có các chỉ tiêu sau:

Sử dụng Circa 2002 để thiết kế
switch 1152x1152 không bị nghẽn

8x16
2

144×144
1

16x8
1

16x8

144x144

8x16
3

2

2

16x8

z

N=1152, n=1152/144=8
Số switch tầng 1 (8x16): N/n=144
Số switch tầng 2 (144x144):
k>=2n-1=15, chọn k=16
Số switch tầng 3 (16x8): 144
Tổng throughput: 3.125x1152=3.6 Tbps!

z

Chú ý: crossbar switch 144x144 có thể chia nhỏ thành nhiều switch con

z
z

z

Trần Xuân Nam/HVKTQṢ

8x16
144

3

…

z

16x8

144x144

N/n

16

1152 outputs

z

8x16
1

…

z

144 inputs x 144 outputs, 3.125 Gbps/line
Tổng throughput của Crossbar chip:
144 line x 3.125 Gbps/line=450 Gbps

…

z

1152 inputs

z


Bài tập
z

Xét trường hợp N=1024,
z

z

Tính số điểm nối nhỏ nhất khi thiết kế một switch 3
tầng theo điều kiện không nghẽn mạch Clos?
So sánh số điểm nối tính được với số điểm nối trong
trường hợp sử dụng crossbar switch một tầng

Đáp án: Cmin=198.608

Trần Xuân Nam/HVKTQṢ


Thiết kế Multistage thực tế
z

z

Thực tế các telephone switch sử dụng k<2n-1 và chấp nhận

một tỷ lệ nghẽn mạch nhất định
Essentially or Rearrangeably nonblocking switch
z

z
z

z

[Hui 1990] chỉ ra rằng khi n=k có thể thiết kế được switch
không nghẽn,
Tồn tại kết nối giữa tất cả các cặp đầu vào và đầu ra
Các switch trung gian cần sắp xếp lại giành kết nối cho
connection mới
Các switch kiểu Rearrangeably nonblocking switch không
được sử dụng trong thực tế, do độ phức tạp để sắp xếp lại
các kết nối lớn.

Trần Xuân Nam/HVKTQṢ


Multistage với k=n
nxk

N/n x N/n

1

Desired
input

1

…

…

1

kxn

N/n x N/n
2

nxk
j

kxn
m

Desired
output

…

…

A’

nxk

N/n

Free path

B’
n-1
N/n x N/n
n

Free path
kxn
N/n

• Tồn tại kết nối từ đầu vào đến B’ và từ A’ đến đầu ra

• Nếu A’=B’ thì có không bị nghẽn
• Do không thể kết nối B’ với A’ nên phải sắp xếp lại các kết nối hiện thời
Trần Xuân Nam/HVKTQṢ


Banyan Multistage Switch
z

Kết nối nhiều tầng chứa 2x2 switch
z

z
z
z

z

Có log2N tầng, mỗi tầng N/2 chuyển mạch 2x2, tức
là n=2
Tổng số điểm nối log2(N)x(N/2)22=2Nlog2N
Bị nghẽn mạch nhiều
Cần sử dụng thêm các switch để giảm hay chống
nghẽn mạch
Sử dụng trong ATM

Trần Xuân Nam/HVKTQṢ


Time-Slot Interchange (TSI) Switch
z
z
z

Thay thế các đường dây vật lý đầu vào bằng một đường
dây tốc độ cao
Một slot trong TDM frame tương ứng một kết nối
TSI thay các điểm nối ở space switch bằng thao tác đọc và
ghi một slot vào bộ nhớ

Đầu vào

Ghi các slot vào memory
theo thứ tự̣

23

Bộ nhớ
Đầu vào 23
nối đầu ra 1

Đọc các slot theo
trình tự hoán vị

Đầu ra
Trần Xuân Nam/HVKTQṢ

Time-slot interchange


Time-Slot Interchange (TSI) Switch
Ghi bytes từ dòng TDM đến vào memory theo thứ tự đến
Đọc bytes theo trình tự hoán vị vào dòng TDM đầu ra
Trình tự hoán vị xác định khi thiết lập kết nối
Dòng TDM có chu kỳ 125 µsec
Thời gian đọc và ghi vào bộ nhớ 2 chu kỳ bộ nhớ
Max # slots = 125 µsec / (2 x chu kỳ bộ nhớ)

z
z
z
z
z
z

c …

23

a

2

b

3
b
2

zIncoming

TDM
stream

Trần Xuân Nam/HVKTQṢ

a
1

zzz

d
24

1

Write

22
slots in
order of 23
arrival

24

Read slots
according to
connection
permutation

c
d

Time-slot interchange

b
24

a …
23

zOutgoing

TDM
stream

d
2

c
1


Time-Slot Interchange (TSI) Switch
z
z
z

c …
23

1

a

2

b

3
b
2

zIncoming

TDM
stream

Trần Xuân Nam/HVKTQṢ

a
1

zzz

d
24

Ví dụ: giả thiết chu kỳ bộ nhớ là 125nsec
Số slot tối đa có thể xử lý là 125 µsec / (2 x 125x10-3)=500
Số kết nối có thể xử lý: 500/2=250 kết nối

Write
22
slots in
order of 23
arrival

24

Read slots
according to
connection
permutation

c
d

Time-slot interchange

b
24

a …
23

zOutgoing

TDM
stream

d
2

c
1


Time-Space-Time Hybrid Switch
z
z
z
z

Chuyển mạch ghép lai giữa space and time
Sử dụng TSI ở tầng 1 và 3; crossbar ở tầng giữa
Thay n x k space switch bằng TSI switch với số slot trong TDM
frame đầu vào là n, số slot ở frame đầu ra là k

Nhiệm vụ của TSI switch là nối n-slot đầu vào tới k-slot đầu ra
nxk
1

N
inputs

kxn

N/n x N/n

1

1

nxk
2

nxk

nxk
N/n
Trần Xuân Nam/HVKTQṢ

n … 2

1
2
1

zzz

…

3

Input TDM
frame with
n slots

n
Time-slot interchange

Output TDM
frame with k
slots
k … 2

1


Time-Space-Time Hybrid Switch
z
z

Để hệ thống làm việc đồng bộ, yêu cầu thời gian frame đầu vào
và thời gian frame đầu ra bằng nhau
Nếu k=2n-1, thì tốc độ xử lý bên trong TSI switch gần gấp đôi tốc
độ dữ liệu đầu vào

nxk
1

N
inputs

kxn

N/n x N/n

1

1

nxk
2

nxk

nxk
N/n
Trần Xuân Nam/HVKTQṢ

n … 2

1
2
1

zzz

…

3

Input TDM
frame with
n slots

n
Time-slot interchange

Output TDM
frame with k
slots
k … 2

1


Lưu chuyển time slots giữa các
switches
z

z
z

z
z

z

Giả thiết các frame ra khỏi TSI switch đồng bộ về thời
gian, và có time slot 1 trong một frame đi ra từ TSI
switch tầng 1
Time slot 1 tương ứng với đầu ra 1 của TSI switch và
được nối tới crossbar switch trung gian số 1,
Tức là tất cả các slot 1 của các frame trung gian đều
được nối tới N/n đầu vào của crossbar switch trung gian
số 1 và được chuyển tới N/n đầu ra
Trong khoảng thời gian time-slot 1 tất cả các switch
trung gian khác không hoạt động
Tương tự cho các trường hợp khác, tại khoảng thời gian
1 time slot chỉ có 1 switch trung gian hoạt động trong khi
các switch khác không hoạt động
Chia sẻ chung một switch trung gian Æ Time-division
switching

Trần Xuân Nam/HVKTQṢ