ĐIỆN tử VIỄN THÔNG lecture2 circuit switching khotailieu

Bài giảng
Mạng Viễn thông (33BB)
Trần Xuân Nam
Khoa Vô tuyến Điện tư
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


Kênh dành riêng giữa 2 đầu khách hàng




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



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:




Ghép kênh & chuyển mạch các kênh
Báo hiệu & điều khiển để thiết lập các kênh
Chuyển mạch là sự kết nối từ một trong các đầu vào đến 1 trong các đầu ra mong
muốn.

Trần Xuân Nam/HVKTQS


Phân loại chuyển mạch





1.
-

-

-

-

Chuyển mạch thông báo
Chuyển mạch kênh
Chuyển mạch gói
chuyển mạch gói định tuyến đến từng gói
chuyển mạch gói theo kênh ảo
Công nghệ chuyển mạch kênh:
chuyển mạch nhân công: phát minh năm 1877, đấu bằng nhân công, thao tác viên nối người
dùng theo yeu cầu. ( thiết lập mạch để dòng điện chạy từ một đường dây này đến đường dây
khác), cần có N kết nôi từ thuê bao đến tổng đài trung tâm
Chuyển mạch tự động:
+ chuyển mạch strowger: phát minh năm 1888, là hệ thống chuyển mạch thông minh và linh
hoạt, quay số người dùng điều khiển thiết lập kết nối, hệ thống đánh số điện thoại thập phân.
Công nghệ chuyển mạch kênh
Nguyên lý chung:
Hoạt động theo kiểu hướng kết nối: các kết nối đưuoc thiết lập theo kiểu end-to-end trước khi
truyền thông tin (3 bước), tài nguyên được dành riêng cho kết nối trong suốt quá trình hoạt
động
Thông tin được truyền theo luồng

Trần Xuân Nam/HVKTQS


Nếu không có tài nguyên khả dụng, cuộc gọi bị mất.

Bước1: thiết lập liên kết
Bước2: truyền
Bước3: ngắt
 Đặc điểm kiểu hoạt động hướng kết nối

Trước khi truyền thôg tin: - có trễ truyền lan tín hiệu

Trong khi truyền thông tin: - Có trễ truyền lan tín hiệu
- Không có trễ mào đầu và các trễ khác
b. Chuyển mạch thông báo:
 Nguyên lý chung: -Các bản tin chứa địa chỉ nguồn và đích
- theo nguyên tắc: store và forward
+ các bản tin được chuyển tiếp từng chặng qua mạng
Các vấn đề chính:
c. Công nghệ chuyển mạch gói
 Nguyên lý chung:


Trần Xuân Nam/HVKTQS




•

o
o

Các bản tin được chia thành các gói
Gói tin chứa địa chỉ nguồn và đích

Gửi các gói tin theo nguyên tắc
Store và forward
Nhiệm vụ về nhà: truyền dẫn tương tự và truyền dẫn số
Tại sao phải truyền dẫn số, xu hướng phát triển của mạng truy nhập
Dịch phần 4.5 trong netword

Trần Xuân Nam/HVKTQS


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/HVKTQS

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

Các

đường
Tốc độ Cao
Network of Regional
Trần Xuân Nam/HVKTQS Subnetworks

α

National &
International

Chapter 4
Circuit-Switching
Networks
Circuit Switches


Network: Links & Switches



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
Switch
Network

Switch
User n

1
2
3
…

User n – 1
User 1

Trần Xuân Nam/HVKTQS

N

Connection
of inputs
to outputs

1
2
3
…

Link

Control

N


Các dạng Chuyển mạch Kênh




Chuyển mạch Phân chia Không gian (Space-Division
switches)
 Tạo kết nối vật lý giữa inputs và outputs
 Crossbar switches
 Multistage switches
Chuyển mạch Phân chia Thời gian (Time-Division switches)

 Time-Slot



Interchange (TSI) Switching
Ghép lai kết hợp chuyển mạch Time & Space
 Chuyển mạch TST (Time-space-time switches)

Trần Xuân Nam/HVKTQS


Crossbar Space Switch







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
…



N
1

2

…

 Mong muốn giảm số điểm nối: Multistage switch
Trần Xuân Nam/HVKTQS

N –1 N


Multistage Space Switch




Xây dựng chuyển mạch lớn gồm nhiều tầng (multistage) 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/HVKTQS

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



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/HVKTQS

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





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:



(n-1) đầu vào của chuyển mạch tầng 1 bị chiếm bởi (n-1)
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



ù
k- é
ë(n - 1) + (n - 1) û³ 1 hay k ³ 2n - 1
Khi k<2n-1 switch bị nghẽn với xác suất khác không

Trần Xuân Nam/HVKTQS

Điều kiện không nghẽn mạch Clos

nxk
j

…

Desired
input

kxn

N/n x N/n
n-1

kxn

1

1

n-1
busy

…

…

1

N/n x N/n

N/n x N/n
n+1

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/HVKTQS


Độ phức tạp của Multistage Switch


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







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 +


(

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/HVKTQS


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



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!



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






Trần Xuân Nam/HVKTQS

8x16
144

3

…



16x8

144x144

N/n

16

1152 outputs



8x16
1

…



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

…



1152 inputs




Bài tập


Xét trường hợp N=1024,




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 sư dụng crossbar switch một tầng

Đáp án: Cmin=193.536

Trần Xuân Nam/HVKTQS


Thiết kế Multistage thực tế




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








[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 để dành kết nối cho
connection mới
Các switch kiểu Rearrangeably nonblocking switch không
được sư dụng trong thực tế, do độ phức tạp để sắp xếp lại
các kết nối lớn.

Trần Xuân Nam/HVKTQS


Multistage với k=n
nxk
1

N/n x N/n

kxn

N/n x N/n
2

kxn

Desired
input

1

…

…

1

nxk
j

m

Desired
output

nxk
N/n

…

…

A’

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/HVKTQS


Banyan Multistage Switch


Kết nối nhiều tầng chứa 2x2 switch


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 sư dụng thêm các switch để giảm hay chống nghẽn
mạch
Sư dụng trong ATM





Trần Xuân Nam/HVKTQS


Time-Slot Interchange (TSI) Switch




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/HVKTQS

Time-slot interchange


Time-Slot Interchange (TSI) Switch







d
24

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)

c …
23

1

a

2

b

3
b
2

Incoming

TDM
stream

Trần Xuân Nam/HVKTQS

a
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

d
2

Outgoing

TDM

stream

c
1


Time-Slot Interchange (TSI) Switch




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

c …
23

1

a

2

b

3

b
2

Incoming

TDM
stream

Trần Xuân Nam/HVKTQS

a
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

d
2

Outgoing

TDM
stream

c
1