Đồ án Phân tích cấu trúc phần cứng chuyển mạch ATM và xem xét ảnh hưởng của nó đến chất lượng dịch vụ

Trong tiêu đề của tế bào ATM, việc thiết lập bit CLP=0 hay 1 sẽ quyết định mức ưu tiên tổn thất tế bào. Thường dịch vụ này cho phép tỷ lệ tổn thất tế bào rất thấp và trễ nhỏ. + Dịch vụ tốc độ bit thay đổi VBR: Dịch vụ này cho phép người sử dụng truyền tế bào với tốc độ thay đổi. Do sử dụng ghép kênh thống kê nên xảy ra tổn thất tế bào. Dựa vào độ nhạy với trễ, các dịch vụ VBR được chia thành hai loại: VBR yêu cầu thời gian thực và VBR không yêu cầu thời gian thực. Đối với VBR yêu cầu thời gian thực cần quan tâm đến độ trễ và sự thay đổi trễ tại ttốc độ đỉnh tế bào . Đối với VBR không yêu cầu thời gian thực thì chỉ quan tâm đến trễ trung bình. + Dịch vụ tốc độ bit dành sẵn ABR: Dịch vụ này dành cho ứng dụng không theo thời gian thực trong mạng ATM. Tỷ lệ tổn thất tế bào và sự thay đổi trễ truyền không được chuẩn hoá. Căn cứ vào trạng thái lưu lượng mạng, átmẽ cho phép người sử dụng truỳen với tốc độ thấp hơn tốc độ tối thiểu đã đăng ký với mạng. + Dịch vụ tốc độ bit không xác định UBR được dành cho các ứng dụng không theo không theo thời gian thực và không có các giới hạn chặt chẽ về trễ tế bào và biến trễ tế bào. Dịch vụ này được đưa ra nhằm khai thác tối đa khả năng của mạng ATM. Như vậy việc phân loại trên có thể được tóm tắt trong bảng 3.3 như sau: ATM Forum Xếp theo B-ISDN Diễn giải Xếp theo UNI 3.0/3.1 QoS Xếp theoUNI 4.0 QoS 0 UBR Không xác định tốc độ 1 CBR A Tốc độ truyền không đổi 2 VBR thời gian thực B Tốc độ truyền không đổi 3 VBR không thời gian thực C Tốc độ truyền thay đổi,có hướng liên kết 4 ABR không thời gian thực D Tốc độ truyền thay đổi, hướng không liên kết Bảng 3.3: Các loại QoS Tên của các loại chất lượng dịch vụ trên có khác nhau giữa ITU-T và ATM Forum, và vậy bảng 3.3 ở trên là bảng tổng quát biểu diễn sự tương đương giữa các địng nghĩa của các loại dịch vụ QoS theo tiêu chuẩn hiện hành. IV. các yêu cầu của qos đối với các ứng dụng Các ứng dụng khác nhau có các yêu cầu về QoS khác nhau. Hình 3.5 biểu diễn các yêu cầu của QoS đối với các loại dịch vụ khác nhau: dịch vụ tiếng nói, dịch vụ truyền file, truyền số liệu, truyênd hình ảnh và video. Xác suất tổn thất tế bào 10-4 10-6 10-8 10-10 Tiếng nói Truyền file Số liệu Video Hình ảnh 0,01 0,1 .1 1 10 Độ biến đổi trễ cực đại(s) Hình 3.5: Các yêu cầu của QoS đối với các loại dịch vụ khác nhau Trong mạng điện thhoại, nếu tín hiệu tiếng nói có trễ lớn hơn 15ms thì luân luân có tiếng vọng. Trong trường hợp tín hiệu tiếng nói được gói hoá thì có thể chấp nhận tỷ lệ tổn thất tế bào xấp xỉ 1% mà không gây khó chịu đối với người nghe. Tín hiệu thoại và video có độ biến đổi trễ như nhau, nhưng xác suất tổn thất tế bào cho phep đối với tín hiệu thoại khoảng 10-3-10-5, với tín hiệu video từ 10-8-10-10. Các yêu cầu ứng dụng video phụ thuộc vào nhiều nhân tố bao gồm thuật toán mã hoá tín hiệu video, độ động cần thiết của chuỗi hình ảnh và độ phân giải cần thiết của hình ảnh. Đối với hình ảnh xác suất tổn thất tế bào cho phép khoảng 10-7-10-9. Nhìn chung độ tổn thất ảnh hưởng đến chất lượng của hình ảnh, với mức từ méo dạng một khung hình ảnh đến mất luôn toàn bộ khung hình, tuỳ thuộc vào mứca độ tổn thất và độ nhạy của thuật toán mã hoá video. Thật vậy, khi độ trễ biến đổi từ 20 ms đến 40 ms thì có thể gây nên giật hình ảnh rất dễ nhận thấy trong khi xem video. Các ứng dụng truyền file cũng rất nạy với tổn thất và sự biến đổi của trễ do yêu cầu truyền lại và hậu quả là hiệu suất sử dụng giảm. ở đây độ nhạy phụ thuộc vào thuật toán nhận dạng tổn thất và cách thức truyền lại của ứng dụng. Các ứng dụng cơ sở dữ liệu rất nhạy với trễ, tổn thất, và biến đổi của xác suất tổn thất tế bào cho phép khoảng 10-3-10-5 và độ biến đổi trễ khoảng 15ms-10 s. Điều lý tưởng đối với các ứng dụng loại này là độ rộng băng là vô hạn, tốc độ truyền gần với ánh sáng. V. tóm tắt Chương 3 đề cập đến các vấn đề liên quan đế hợp đồng lưu thông chất lượng dịch vụ QoS. Quan điểm về QoS của ISO trên cơ sở mô hình OSI của ITU-T và ATM Forum. Phân loại chất lượng dịch vụ theo ATM Forum ITU-T. Các tham số chính của chất lượng dịch vụ QoS là: trễ trung bình, trễ tế bào và tỷ lệ tổn thất tế bào . một số yêu cầu về độ trễ và xác suất tổn thất tế bào của QoS đối với các loại hình dịch vụ khác nhau, đảm bảo chất lượng dịch vụ đúng theo yêu cầu của người sử dụng. Chương 4 ảnh hưởng của cấu trúc phần cứng chuyển mạch atm đến chất lượng dịch vụ I. tổng quan Như chúng ta đã biết, yêu cầu chung của mạng chuyển mạch ATM là xử lý tốc độ cao, dung lượng lớn, chất lượng truy nhập cao, và việc điều khiển quá trình chuyển mạch dễ dàng, đơn giản. Ngoài ra mạng chuyển mạch ATM còn phải có khả năng duy trì trật tự truyền dẫn các tế bào trên mạng, chuyển mạch cũng cần phải được modul hoá và có khả năng phát triển tốt. Vì thế ,sự tổn thât tế bào ,sự trễ trong quá trình truyền dẫnvà tỷ lệ chèn sai tế bào là những yếu tố chínhđể quyết định chất lượng của hệ thống chuyển mạch, đồng thời đó cũng là những tham số quan trọng quyết định chất lượng dịch vụ (QoS). Để đảm bảo cho chất lượng dịch vụ đúng yêu cầu của người sử dụng , điều quan trọng làlàm thế nào cho dòng tế bào truyền đạt được đảm bảo tuân theo đúng hợp đồng lưu thông. Để đạt được điều này mọi thiết bị , phương tiện trên mạng phải phối hợp với nhau một cách nhịp nhàng, nghĩa là cấu trúc phần cứng của nút chuyển mạch ATM phải đảm bảo sao cho tốc độ chuyển mạch , sự trễ trong quá trình truyền dẫn tế bào, tỷ lệ chèn sai tế bào và hệ số tổn thất tế bào trong giới hạn cho phép tuỳ theo từng dịch vụ cụ thể. Đồng thời nút chuyển mạch ATM còn được điều khiển và giám sát bởi phần mềm. Trong đo việc xử lý lưu lượng đi qua nút chuyển mạch là một vấn đề quan trọng ảnh hưởng lớn đến chất lượng dịch vụ. Sau đây chúng ta xem xét một số khía cạnh của cấu trúc phần cứng chuyển mạch ATM ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ. II. ảnh hưởng của cấu trúc chuyển mạch đến chất lượng dịch vụ Mạng viễn thông được kết hợp bởi các phần tử mạng,bao gồm các đường truyền dẫn và tại các nut (giao của các đường truyền dẫn ) là các chuyển mạch. Do đó khi dữ liệu của các dịch vụ được truyền đi từ điểm phát tới điểm nhận, dữ liệu được truyền qua đường dẫn và các chuyển mạch. Mạng ATM với đường truyền dẫn là cáp quang nên có độ tin cậy cao, tỷ lệ lỗi thấp, tốc độ dữ liệu có thể truyền cao nên dữ liệu truyền trên đường có độ tin cậy rất cao. Các chuyển mạch lúc này như là nút cổ chai vì thực tế nó có ttóc đọ và độ tin cậy nhỏ nhất , tỷ lệ tổn thất tế bào cao nhất. Do đó chất lưpợng dịch vụ của mạng phụ thuộc chủ yếu vào tốc độ, độ tin cậy, tỷ lệ lỗi của các chuyển mạch và việc quản lý lưu lượng tại các nút chuyển mạch. Chuyển mạch có nhiệm vụ định tuyến cho các tế bào ATM sao cho cóp tốc độ và độ tin cậy càng cao càng tốt, tỷ lệ tổn thất tế bào càng nhỏ càng tốt và tất nhiên giá thành càng rẻ càng tốt, nghĩa là đảm bảo chất lượng dịch vụ ở mức cao nhất. Thực tế là các yêu cầu nay rất mâu then với nhau. Ví dụ như: đối với một chuyển mạch nhất định khi lưu lượng dòng dữ liệu qua chuyển mạch tăng thì tỷ lệ lỗi tăng lên . Khi lưu lượng dòng dữ liệu tăng tới một mức nào đó thì sẽ không đảm bảo tỷ lệ mất tế bào. Vì vậy chỉ có thể xét ảnh hưởng của cấu trúc chuyển mạch ATM tới chất lượng dịch vụ ở một mức độ nhất định. Do cấu trúc của khối chuyển mạch ATM gồm có các phần tử chuyển mạch nối với nhau theo một cách nào đó, nên các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ QoS cần xét đến là: + Loại phần tử chuyển mạch. + Phần tử chuyển mạch. + Bộ đệm của chuyển mạch. + Kích thước chuyển mạch. 1. Loại chuyển mạch Đây là một trong các yếu tố quan trọng của chuyển mạch. Nó quyết định cách thức hoạt động của chuyển mạch. Ta phải xét : + Cuyển mạch loại nào : chuyển mạch chặn, chuyển mạch kiểu vòng.. + Mạng tô-pô của chuyển mạch này làg mạng gì: mạng thanh ngang, mạng Banyan, mạng sắp xếp + Bộ đệm (vị trí đặt, kích thước, tốc độ ghi/đọcbộ đệm) 2. Cấu trúc phần tử chuyển mạch Phần tử chuyển mạch quyết định nhiều yếu tố: tốc độ, trễ chuyển mạch, số tầng trong chuyển mạch.Tuỳ theo yêu cầu của các tham số của chất lượng dịch vụ mà ta phải xét: + Cấu trúc phần tử chuyển mạch: Cấu trúc kiểu ma trận (sử dụng bộ đệm đầu vào,đầu ra hay tại điểm chuyển mạch), cấu trúc bus, cấu trúc vòng, cấu gtrúc bộ nhớ dùng chung. Mỗi cấu trúc này có ưu nhược điểm riêng. + Tốc độ của các phần tử chuyển mạch đó: nó có thể nhận dòng số liệu vào với tốc độ bao nhiêu(ví dụ tốc độ 155Mb/s hay 620 Mb/s) . Tất nhiên là tốc độ của các phần tử chuyển mạch càng cao thì tốc độ dòng số liệu có thể qua chuyển mạch càng cao. + Tỷ lệ lỗi và trễ của các phần tử chuyển mạch đối với các loại dịch vụ tại các điểm chuyển mạch. + Kích thước của các phần tử chuyển mạch : số đầu ra đầu vào của chúng. Nếu kích thước của chúng càng lớn thì số tầng trong trong chuyển mạch càng nhỏ và sẽ ảnh hưởng lơns trong các chuyển mạch nghhẽn. Kích thước các phần tử chuyển mạch thường tương đối nhỏ: ví dụ 8x8 hay 16x16. 3. Bộ đệm Bộ đệm đóng vai trò rất quan trọng trong cấu trúc chuyển mạch, nó là nhân tố quyết định tỷ lệ tổn thất tế bào, tỷ lệ lỗi trong hầu hết các chuyển mạch. - vị trí đặt bộ đệm: đầu vào , đầu ra , dùng chung hay kết hợp giữa các vị trí trên. - Phương thức ghi đọc bộ đệm -Tốc độ ghi đọc bộ đệm (chú ý tốc độ ghi đọc bộ đệm đặt tại các vị trí khác nhaulà khác nhau) - Kích thước bộ đệm - Trễ trong bộ đệm III. ảnh hưởng của phần tử chuyển mạch atm đến qos Các đặc tính kỹ thuật của phần tử chuyển mạch ảnh hưởng tới chất lượng dịch vụ QoS của mạng ATM bao gồm: loại phần tử chuyển mạch sử dụng, tốc độ của phần tử chuyển mạch, tỷ lệ lỗi, loại phần tử chuyển mạch sử dụng để tạo nên chuyển mạch. 1. Loại phần tử chuyển mạch Phần tử Chuyển mạch kiểu ma trận Chuyển mạch kiểu Bus Chuyển mạch vòng Chuyển mạch bộ đệm dùng chung Nguyên lý chuyển mạch Theo không gian Theo thời gian Theo thời gian Theo thời gian Yêu cầu bộ đệm Có Có Không Có Trễ Lớn nhất Phụ thuộc quá trình truyền Phụ thuộc quá trình truyền Phụ thuộc quá trình truyền Hiệu quả sử dụng bộ đệm Thường hoặc thấp Thường Cao Điều khiển bộ đệm Tuỳ vị trí bộ đệm Phức tạp Rất phức tạp Hiệu suất sử dụng 0,58-1 1 1 1 Tốc độ xử lý trong Bằng tốc độ dòng dữ liệu Bằng tốc độ dòng dữ liệu Bằng tốc độ dòng dữ liệu Thấp hơn tốc độ dòng dữ liệu Nhạy cảm với lưu lượng bùng nổ Nhạy cảm Không xác định Không xác định Không xác định Hiệu quả sử dụng đường truyền <=1 Có thể >1 Bảng 4.1 Các phần tử chuyển mạch 2. Tốc độ phần tử chuyển mạch Một kênh ATM gồm nhiều loại thông tin khác nhau như thoại, số liệu, hình ảnh.Vì một nguồn tin sinh ra các tế bào tin theo tốc độ dịch vụ của nó nên tốc độ kênh cũng thay đổi theo, do đó chuyển mạch ATM cũng phải có tốc độ phù hợp với từng loại dịch vụ. Dịch vụ Tốc độ (Mb/s) Truyền số liệu (hướng liên kết) 1,5-130 Truyền số liệu (Không liên kết) 1,5-130 Truyền văn bản, tài liệu 1,5-45 Điện thoại truyền hình/ Hội nghị truyền hình 1,5-130 Truyền hình 30-130 Truyền hình phân giải cao 130 Bảng 4.2: Các dịch vụ cơ bản và tốc độ tương ứng của chúng 3. Trễ và tỷ lệ lỗi của phần tử chuyển mạch. Trễ xử lý xảy ra tại các nút chuyển mạch được quyết định bởi cấu tạo vật lý của mỗi nút. Theo ITU-T, độ trễ trung bình trong chuyển mạch số phải nhỏ hơn 450 mico giây. Trong ATM, giá trị này bé hơn do tốc độ xử lýđã tăng lên đáng kể. Dịch vụ CER CLR CMR Trễ (ms) Thoại 10-7 10-3 10-3 25-500 Truyền số liệu 10-7 10-6 10-6 < 10,00 Truyền hình quảng bá 10-6 10-8 10-8 < 1,00 Âm thanh chất lượng cao 10-8 10-7 10-7 < 25 Xử lý, điều khiển từ xa 10-3 10-3 10-3 10,00 Bảng 4.3 Tỷ lệ lỗi và trễ cho phép của các loại dịch vụ khác nhau. Theo số liệu của Bellcore ở bảng 4.4, xác suất của sự trễ truyền tế bào vượt quá 150 s là nhỏ hơn 1%, và xác suất của độ rộng trễ truyền mà vượt quá 250 s là không được lớn hơn 10-10. Những yếu tố như sự trễ trong quá trình thiết lập tế bào, trễ trong truyền tế bào, trong hàng đợi tại nút chuyển mạch và trong quá trình xử lý tế bào bởi sự vận hành phần mềm, đều gây nên sự trễ trong mạng ATM. Tuy nhiên, yếu tố quan trọng nhất là sự trễ gây bởi quá trình thiết lập tế bào và tập hợp tế bào. Ví dụ, tiếng nói là loại dịch vụ CBR, thì cần một khoảng thời gian 125 s cho mỗi byte để chuyển thành tín hiệu số 64 kb/s. Do số lượng thông tin thực sự có trên mõi tế bào là 48 byte, không kể phần tiêu đề nên thời gian trễ là 6 ms. Kết quả là thời gian trễ sẽ lớn hơn nhỡng yếu tố khác hàng choc đến hàng trăm lần. Bên canh đó , do sự trễ trong quá trình truyền dẫn của mạng gây bởi mỗi tế bào khác nhau, nnên khi độ rộng biến đổi trễ lớn hơn bởi khối tế bào thì chất lượng dịch vụ của mỗi ứng dụng yêu cầu quá trình xử lý thời gian sẽ giảm xuống một cách đột ngột. Ví dụ như trong trường hợp tín hiệu truyền hình màn ảnh bắt đầu nhấp nháy hoặc hình ảnh và tiếng nói không phù hợp với nhau. Các tham số thực hiện CPL Các kết nối QoS 1 Các kết nối QoS 2 Tỷ lệ tổn thất tế bào (CLR) 0 < 1,7x10-10 < 10-7 Tỷ lệ tổn thất tế bào (CLR) 1 < 10-4 < 10-4 Trễ truyền tế bào (CTD) 1/0 150 s 150 s Biến đổi trễ tế bào (CDV) 0 250 s Chưa xác định Biến đổi trễ tế bào (CDV) 1 Chưa xác định Chưa xác định Bảng 4.4: Chất lượng ttruyền dẫn của kết nối ATM Chuyển mạch ATM được xem là phần cơ bản của mạng ATM với tính mềm dẻo của băng tần rất cao, thoả mãn hầu hết các loại hình dịch vụcó tốc độ khác nhau. Do đó lưu lượng giữa các đường vào và các đường ra tốc độ cao thay đổi rất lớn, dẫn đến hiện tượng có thể xảy ra hiện tượng tắc nghẽn tức thời . Vì vậy cấu trúc chuyển mạch ATM phải đảm bảo sao cho hệ số tổn thất tế bào cho phép tuỳ theo tưngf loại dịch vụ cụ thể. Bảng 4.5 cho thấy yêu cầu cụ thể về độ tổn thất tees bào cho từng dịch vụ. Dịch vụ Yêu cầu Thoại CCITT Rec 727 cho ADPCM (32 Kb/s) CCITT Rec 711 cho PCM (64 Kb/s) < 10-2 < 10 -3 Thoại băng rộng CCITT Rec 722 cho SB- ADPCM (64 Kb/s) < 10 -2 Hình ảnh Mã hoá lớp TV chuẩn (Cần loại bỏ tế bào chọn lọc) Mã hoá nén cao TV chuẩn (tốc độ bit trung bình 10 Mb/s) Mã hoá nén cao TV chuẩn (tốc độ bit trung bình 100 Mb/s < 10 -5 < 10-9 < 10-10 Số liệu Giao thức HDLC (64 Kb/s – 100 Mb/s) Giao thức SREJ < 10-16 < 10-3 Bảnh 4.5: Yêu cầu về độ tổn thất tế bào cho từng dịch vụ Những yêu cầu đối với hệ thống chuyển mạch ATM là quá trình xử lý tế bào trong trường hợp xử lý thông tin CBR là 10-9/nút, và trong trường hợp xử lý thông tin VBR tỷ lệ tổn thất tế bào cỡ 10-7/ nút phải được đảm bảo chắc chắn. Ngoài ra còn phải đảm bảo việc truyền đạt 100% sự hỗ trợ của tốc độ truy nhập loại STM-1 (155 Mb/s) hoặc của lớp cao hơn trên cổng của phần tử chuyển mạch. 4. Kích thước phần tử chuyển mạch Kích thước chuyển mạch cũng ảnh hưởng tới chất lượng dịch vụcủa chuỷen mạch ATM. Kích thước chuyển mạch ATM phụ thuộc vào phương pháp chuyển mạch ATM có bộ đệm hay không. Nếu chuyển mạch kích thước nhỏ thì ta có thể sử dụng phần tử chuyển mạch làm nhiệm vụ chuyển mạch. Khi đó sẽ không phải xét đến cấu trúc chuyển mạch phức tạp mà chỉ cần sử dụng chuyển mạch thanh ngang là được. Khi kích thước chuyển mạch tăng thì phải sử dụng cấu trúc chuyển mạch nhiều tầng đẻ giảm chi phí. Tuy nhiên kích thước chuyển mạch càng tăng thì chuyển mạch sẽ càng nhièu tầng và tế bào muốn đi tới cổng ra sẽ phải đi qua nhiều phần tử chuyển mạch hơn, do đó dễ bị tắc nghẽn hơn, tổn thất tế bào lớn hơn, và trễ của hệ thống chuyển mạch là tổng của các trễ phần tử tăng lên. Điều này có nghĩa là các tham số của chất lượng dịch vụ không đảm bảo các yêu cầu QoS, ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ của hệ thống. IV. ảnh hưởng của bộ đệm đến qos Khi nghiên cứu chuyển mạch ATM ta đã xét đến việc phân loại các chuyeenr mạch ATM theo các phương pháp khác nhau. Nhưng với bất cứ phương pháp phân loại nào thì trong hệ thống chuyển mạch ATM vaanx có thể xảy ra hiện tượng xung đột khi hai hay nhiều tế bào cùng yêu cầu một đích đến. Xung đột có thể là xung đột trong hay xung đột ngoài . Khi đó sẽ xảy ra hiện tượng mất tế bào và không đảm bảo chất lượng dịch vụ. Để giải quyết vấn đề này ta có hai phương pháp sau: * Phương pháp sử dụng chuyển mạch ATM không có bộ đệm: Khi xảy ra xung đột thì cho phép 1 tế bào được ra, các tế bào còn lại tiếp tục được truyền trong chuyển mạch * Phương pháp sử dụng chuyển mạch ATM có bộ đệm: Dùng bộ đệm đẻ lưu giữ lại các tế bào chưa được truyền đi. Trong thức tế phương pháp sử dụng bộ đệm được sử dụng trong hầu hết các chuyển mạch. Do đó ta phải nghiên cứu kỹ về vai trò bộ đệm trong chuyển mạch ATM. Đối với bộ đệm, ta cần tìm hiểu các yếu tố : Vị trí đặt bộ đệm, kích thước bộ đệm. Với chuyển mạch nhất định và với bộ đệm đã chọ ta phải xem xét các tham số: xác suất các trạng thái bộ đệm, tỷ lệ tổn thất tế bào, độ trễ trung bình , trễ thay đổi, loại dịch vụ . Tất cả các yếu tố trên đều ảnh hưởng lẫn nhau.Ví dụ nếu ta tăng dòng lưu lượng số liệu qua 1 nút chuyển mạch thì đẻ đảm bảo chất lượng dịch vụ ta phải tăng kích thước bộ đệm hoặc tăng tốc độ ghi đọc bọ đệm. Sau đây ta sẽ xét từng yếu tố. Điều đầu tiên phải xem xét là dịch vụ ở đây là loại dịch vụ nào, có 1 hay nhiều loại dịch vụ, tốc độ dịch vụ là bao nhiêu, yêu cầu chất lượng dịch vụ như thế nào, từ đó có các yêu cầu kỹ thuật: tỷ lệ mất goí, đọ trễ trung bình, tốc độ, từ đó có thể tìm được cấu trúc chuyển mạch thích hợp. Một số loại dịch vụ yêu cầu CLR rất nhỏ , cỡ khoảng 10-9 (khoảng 1 giây trong 32 năm) trong khi một số loại dịch vụ khác như tiếng nói chỉ yêu cầu CLR là 10-3. Một số loại têu cầu thời gian thực, số khác lại không. Có loại yêu cầu tốc độ khá lớn nhưng có loại yêu cầu tốc độ nhỏ.Với mỗi loại dịch vụ ta sẽ có kích thước bộ đệm phù hợp. 1. Chuyển mạch không sử dụng bộ đệm Tại thời điểm bắt đầu của 1 chu kỳ, tất cả các cổng vào có tế bào cùng một lúc đưa yêu cầu tới tầng chuyển mạch thứ nhất. Tại mỗi tầng, các yêu cầu này ssẽ được gửi trước tới tầng tiếp theo (theo đường do bảng điều khiển định tuyến xác định). Nếu hai hay nhiều yêu cầu phải đi qua cùng một đường thì sẽ xảy ra xung đột. Lúc đó một yêu cầu được chọn , các yêu cầu còn lại bị từ chối. Nếu yêu cầu đi tới cổng đích thành công thì sẽ có tín hiệu thành công báo trở lại cổng ban đầu. Nếu không thì cungx có tín hiệu không thành công phản hồi về. Khi đó đường nối được thiết lập từ cổng vào đến cổng đích.Các tế bào sẽ được truyền thẳng trên đường đó từ cổng vào tới cổng đích. Sauk hi đã truyền xong đường nối được huỷ bỏ để dành cho các đường nối khác. Khi tốc độ dòng dữ liệu qua chuyển mạch tăng thì khả năng để các dòng số phải yêu cầu cùng đầu ra các phần tử chuyển mạch trong chuyển mạch tăng rất nhanh và như vậy xác suất để yêu cầu bị từ chối tăng rất nhanh. Khi kích thước chuyển mạch tăng thì xung đột tăng đặc biệt là với các chuyển mạch chặn do xung đột giữa các tế bào khi đi qua nhiều tầng hơn. Khi yêu cầu bị từ chối sẽ xảy ra hiện tượng: - Hoặc tế bào phải thực hiện đi trong chuyển mạch lần nữa (đối với các chuyển mạch kiểu vòng), cho nên đẫn đến trễ truyền té bào tăng lên. - Hoặc mất tế bào, điều này lại dẫn tới tỷ lệ mất tế bào tăng nhanh Với các chuyển mạch chặn: Nếu không sử dụng bộ đệm thì hiệu suất sử dụng rất nhỏ, cò nếu sử dụng bộ đệm thì hiệu suất yăng lên khá nhiều. Với các chuyển mạch không chặn: nếu không sử dụng bộ đệm, do có tỷ lệ lỗi quá lớn cho nên người ta luôn sử dụng bộ đệm. Ta lấy ví dụ chuyển mạch kiểu Banyan không sử dụng bộ đệm: Giả sử chuyển mạch Banyan không sử dụng bộ đệm kích thước bn xbn. Chuyển mạch này gồm n tầng các phần tử chuyển mạch b*b. Do xác suất một tế bào được định địa chỉ tới một đầu ra phần tử chuyển mạch bận là : p0=p, pi=1-(1-pi-1/b)b ( 4.1) Vậy hiệu suất sử dụng : p=pn (4.2) Tỷ lệ lỗi là : pi=1-pn/p0 Rõ ràng là hiệu suất sử dụng giảm khi N tăng lên (hay n tăng). Ví dụ : b=2, p=0,6. Khi đó: p0=0,6; p1=0,51; p2=0,445; p3=0,395; p4=0,356; p5=0,325; p6=0,289 Khi N=64 thì hiệu suất sử dụng còn có p6=0,298. Để tăng hiệu suất sử dụng và giảm tỷ lệ lỗi, ta sử dụng cấu trúc Banyan bổ xung. Cấu trúc này sử dụng K chuyển mạch Banyan nối song song với nhau. Việc ghi đọc tế bào có thể thực hiện theo 3 cách: ngẫu nhiên, phát nhiều , lựa chọn. Khi đó ta có: Với cách ghi đọc ngẫu nhiên, xác suất một đầu ra phần tử chuyển mạch bận là: p0=p/k, pi=1-(1-pi-1/b)b (4.3) Vậy hiệu suất sử dụng : p=1-(1-pn)k (4.4) Tỷ lệ lỗi là: pi=1-(1-(1-pn/p0)k)/p (5.5) Trong đó: p là hiệu suất tải (offer load) Trong trường hợp chuyển mạch ATM không có bộ đệm, để đảm bảo các yêu cầu về các tham số chất lượng chất lượng dịch vụ thì kích thước của chuyển mạch phải tăng rất lớn. Trở lại ví vụ trên: Nếu mạng Banyan kích thước bn*bn gồm n tầng, sử dụng phần tử chuyển mạch b*b. khi đó hiệu suất sử dụng chuyển mạch là p = 2b/((b-1)n+2b/p) (4.6) Khi xây dựng các chuyển mạch , người ta thường sử dụng các tế bào kích thước 2*2 hay 2i*2i với i là số tự nhiên. Mặc dù có một số phương thức để xử lý khi số cổng ra và số cổng vào khác 2i nhưng nói chung có hoạt động không tốt và ít được chú ý. Điều này do trong hầu hết các trường hợp phải sử dụng mạng chuyển mạch với một số đầu ra, đầu vào trên một số phần tử chuyển mạch không được sử dụngĐiều này làm cho ,cost, của chuyển mạch tăng hơn so với các chuyển mạch dựa trên phần tử chuyển mạch 2i*2i. Do có một số đầu ra, đầu vào không sử dụng , việc điều khiển mạng này gặp nhiều khó khăn cho nên hiệu suất sử dụng giảm. Tương tự ,các chuyển mạch có số đầu vào, đầu ra không bằng nhau,hay số đầu vào ra không là 2i cũng phải bỏ một số đầu ra, đầu vào và mạng có thể phải sử dụng các loại phần tử chuyển mạch khác nhau. Vì sử dụng các loại phần tử chuyển mạch khác nhau cho nên điều khiển định tuyến khó khăn dẫn đến kết quả là sự truyền qua giảm. Nếu định tuyến trong các chuyển mạch dựa vào các bit định tuyến thì rõ ràng hiệu suất sử dụngcác bit định tuyến sẽ không caodo có một số gia trị của chúng không được sử dụng. Có thể nói rằng chuyển mạch ATM không dùng bộ đệm thông thường chỉ được dùng cho các mạng có dung lượng nhỏ hoặc dùng cho các nút chuyển mạch có lưu lượng nhỏ chảy qua . Khi các yêu cầu về chất lượng dịch vụ tăng lên như tăng số cổng vào ra, tăng tốc độ truyền …. Hệ thống chuyển mạch ATM đẻ đáp ứng được phải tăng kích thước chuyển mạch rất lớn, cồng kềnh, đòi hỏi công nghệ chế tạo cao,vấn đề định tuyến sẽ hết sức phức tạp…dẫn đén giá thành cao và rất khó đáp ứng. Chính vì các lý do trên cho nên chúng ta sẽ đi sâu nghiên cứu các hệ thống chuyển mạch sử dụng bộ đệm. 2.Chuyển mạch sử dụng bộ đệm Chuyển mạch sử dụng bộ đệm được sử dụng trong hầu hết các chuyển mạch ATM hiện nay, mục đích chibhs của việc sử dụng bộ đệm là giảm tỷ lệ tổn thất tế bào. Các tế bào chưa được truyền đi sẽ được lưu giữ vào bộ đệm. Do kích thước bộ đệm có giới hạn đến lúc nào đó cáo thể bộ đệm sẽ bị đầy và nó từ chối nhận thêm tế bào , lúc đó có thể sẽ bị mất tế bào. Trừ vài loại chuyển mạch sử dụng phương thức quay vòng tế bào (như chuyển mạch trộn , loại đã được thiết kế để không cần sử dụng bộ đệm) còn đối với hầu hết các loại chuyển mạch khác việc sử dụng bộ đệm sẽ làm tăng đáng kể tốc độ và độ tin cậy của chuyển mạch. Mức độ tăng độ tin cậy phụ thuộc vào nhiều yếu tố trong đó kích thước bộ đệm là quan trọng nhất. Ví dụ khi kích thước chuyển mạch Banyan N=256 thì nếu không sử dụng bộ đệm sẽ có sự truyền qua khoảng 0,26 theo hình 4.3 nhưng khi có bộ đệm thì hiệu suất sử dụng có thể lên tới 0,58(với chuyển mạch Banyan N=256, bộ đệm vào kích thước Bi=32) Có thể coi tất cả các chuyển mạch đều sử dụng bộ đệm(với các chuyển mạch không sử dụng bộ đệm thì coi kích thước bộ đệm bằng 0).Do đó ta coi việc xét sử dụng bộ đệm hay không sử dụng bộ đệm chuyển thành xét ảnh hưởng của kích thước bộ đệm đến chuyển mạch a, Cơ sở lý thuyết Việc đánh giá ảnh hưởng của phần cứng chuyên mạch ATM đến chất lượng dịch vụ là công việc rất phức tạp bởi vì: - Phải xem có bao nhiêu loại dịch vụ, số lượng tương ứng các thuê bao ứng với mỗi dịch vụ, đặc tính kỹ thuật của dịch vụ đó (tốc độ, tỷ lệ lỗi,…). - Khi xây dựng chuyển mạch , ta phải xem chuyển mạch đó có hoạt động tốt hay không, có đạt được các yêu cầu về chất lượng dịch vụ hay không. Có 2 phương pháp để xây dựng đánh giá là: Phương pháp đo: phương pháp này có ưu điểm là dễ thực hiện và phản ánh chính xác chất lượng dịch vụ do loại chuyển mạch nào đó đang được sử dụng. Tuy nhiên, có nhược điểm là đòi hỏi phải có số liệu thống kê lớn và chỉ thực hiện được đối với các hệ thống chuyển mạch đang hoạt động. Phương pháp dự báo: Phương pháp này có ưu điểm là không cần thực hiện trên các chuyển mạch đang thực sự hoạt động. Do đó hay được sử dụng để xem xét các chuyển mạch đang nghiên cứu. Phương pháp này được xây dựng dựa trên sự phân tích hệ thống và tổng hợp hệ thống Do điều kiện không thể đo trực tiếp các chuyển mạch ATM trong thực tế nên trong phần này ta chỉ đề cập đến phương pháp thứ hai: phương pháp dự báo. Khi hai hay nhiều tế bào cùng yêu cầu một cổng ra thì chỉ có một tế bào được truyền đi còn các tế bào khác phải dừng lại trong hàng đợi(bộ đệm).Do đó việc tìm hiểu lý thuyết xếp hàng là rất cần thiết , nó cho biết tế bào phải chờ bao lâu trong hàng đợi, hàng chờ dài trung bình bao nhiêu, xác suất hàng chờ vượt qua một ngưỡng nào đó là bao nhiêu. Thông qua lý thuyết xếp hàng sẽ xác định được xác suất mất tế bào, trễ tế bào trong bộ đệm chuyển mạch a.1. Lý thuyết xếp hàng Lý thuyết xếp hàng được xây dựng trên cơ sở quan sát sự xếp hàng trong hệ thống dịch vụ điện thoaị của kỹ sư Erlang người Đan mạch .Đối tượng nghiên cứu về lý thuyết xếp hàng là quá trình hình thànhvà tồn tại hàng chờ trong các hệ dịch vụ . Với bất kỳ một hệ thống dịch vụ nào, người chủ mong muấn có càng nhiều khách hàng càng tốt, hiệu suất sử dụng càng cao càng tốt. Trong khi đó khách hàng lại muốn được phục vụ càng nhanh càng tốt. Do xác suất xuất hiện khách hàng tại các thời điểm khác nhau là khác nhau , vì thế cần phải nghiên cứu quy luật xuất hiệncủa khách hàng và hàng chờ sao cho hiệu suất sử dụng hệ thống ở múc hợp lý. Khách hàng tới hàng đợi để nhận được dịch vụ, họ đợi để được phục vụ nếu dịch vụ này chưa có sẵn. Trong hàng đợi có bộ đệm họ phải mất thời gian đợi , phục vụ xong rồi họ rời hệ thống . Trong ATM, “Khách hàng” chính là các tế bào , các nhóm, các kết nối. “Dịch vụ’’ chính là các kênh dịch vụ, dung lượng hệ thống. Tế bào tới hàng đợi với tốc độ trung bình (lamda). Tốc độ phục vụ khách hàng là nuy hay thời gian phục vụ khách hàng là s. Thơì gian phục vụ hay tốc độ phục vụ để nói lên hệ thống không phải là trống. Nếu hệ thống trống, khi đó người ta gọi dịch vụ rỗi. Khi bộ đệm tế bào ATM trống, thì sẽ có một dòng liên tục các khe tế bào trống được truyền đi. Về mặt phân tích toán học trong bộ đệm ATM,việc đồng bộ thường không được quan tâm, tế bào được đưa vào phục vụ ngay khi bộ đệm trống. Nhiều kênh dịch vụ có thể đồng thời phục vụ “khách hàng”. Hệ thống đa kênh có thể tương thích với các tổ chức hàng đợi:mỗi kênh phục vụ một hàng đợi riêng hoặc có chung một hàng đợi cho tất cả các kênh.Dung lượng hệ thống bao gồm vùng đợi và kênh phục vụ có thể hạn chế hoặc không hạn chế. Một hệ thống xếp hàng có thể được biểu diễn như sau: A/B/X/Y/Z (4.7) Trong đó: A:phân bố thời gian xuất hiện “khách hàng” B: Phân bố thời gian phục vụ X: số cửa phục vụ Y: dung lượng hệ thống Z: luật xếp hàng (giả thiết rằng luật xếp hàng là FIFO) A và B nhận một trong các giá trị sau: M: Luật phân bố theo chuỗi Markov[2] G: Phân bố tổng quan (General)[2] D: Phân bố xác định [2]. Giả sử hệ thống có hàng chờ vô hạn và ta không biết luận đến, luật phục vụ, số kênh và mức độ ưu tiên phục vụ, ta có các thông số cơ bản của lý thuyết xếp hàngnhư sau: - Hiệu suất p (đối với một kênh phục vụ) s (4.8) - Số khách hàng (tế bào) trong hàng chờ w: w=.tw (4.9) - Số khách hàng (tế bào)trung bình trong hệ thống: q= .t q (4.10) - Thời gian trung bình trong hệ thống tq: tq=tw+s (4.11) - Sos khách hàng (tế bào)trong hệ thống : q=w+p (4.12) Trong đó: : tốc độ đến của khách hàng (tế bào) q : số khách hàng trong hệ thống s: thời gian phục vụ tw: thời giant rung bình trong hàng chờ tq: thời gian trung bình trong hệ thống a.2. Các hệ thống hàng đợi * Hệ thống hàng đợi M/M/1 Hệ thống hàng dợi M/M/1là hệ thống có một cửa phục vụ với đầu vào là quá trình Poisson và thời gian phục vụ là chuỗi Markov. Điều này có nghĩa là : - Các tế bào đến theo luật Poisson. Khi đó xác suất để k tế bào đến hệ thống trong một khoảng thời gian T là: PA(k)= (4.13) - Thời gian phục vụ các tế bào phân bố theo hàm mũ (đối với mạng ATM là độ dài của burst thay đổi ngẫu nhiên theo hàm mũ): PB= se-sx (4.14) - Hệ thống có một kênh phục vụ. Trong đó: : là tốc độ tế bào đến trung bình(là kỳ vọng của phân bố P(A)=E[P(A)]=. : là tốc độ phục vụ tế bào (là kỳ vọng của phân bố P(B) nghĩa là E[P(B)] =). Khi đó ta có: Xác suất có n tế bào chờ là : P(n tế bào chờ)=pn.(1- p) (4.15) Trễ trung bình là: tq = (4.16) * Hệ thống hàng đợi M/D/1 Mô hình hàng đợi này áp dụng với điều kiện: - Thời gian đến của các tế bào tuân theo luật Poisson và xác suất để k tế bào đến hệ thống trong một khoảng thời gian T, tính theo công thức (4.13) - Thời gian phục vụ các tế bào là không đổi tính theo công thức (4.14) - Hệ thống có một kênh phục vụ. Công thức tính số burst/s: (4.17) Trong đó: B: là số byte trong 1 burst. R: Tốc độ bit/s của 1 kênh. Trễ trung bình trong hàng đợi M/D/1 là : tw = Nhận thấy: Mô hình M/M/1 phân tích chính xác hơn đối với nguồn có dạng không ổn định do đó được dùng để phân tích mức burst hay nguồn có tốc độ bít thay đổi VBR. Ngược lại, nếu nguồn có dạng ổn định nhiều hơn (ở mức tế bào) thì dùng M/D/1 cho kết quả chính xác hơn. * Hệ thống hàng đợi M/D/1/K Trong hệ thóng này ta thấy xuất hiện ký hiệu D và K, điều này nói lên rằng: - Thời gian đến của các tế bào tuân theo luật Poisson và xác suất để k tế bào đến hệ thống trong một khoảng thời gian T, tính theo công thức (4.13) - Thời gian phục vụ các tế bào là không đổi, tính theo công thức (4.14) - Hệ thóng có một kênh phục vụ. - Hệ thống có bộ đệm dung lượng k. Môhình hàng đợi này dùng để phân tích hệ thống chuyển mạch . Nhận xét: Trong việc tính toán đối với hệ thống chuyển mạch ATM thì độ mất tế bao và độ trễ tế bào là hai ddặc tính quan trọng. Tuy nhiên đối với những dịch vụ yêu cầu thời gian thực thì độ trễ đặc biệt quan trọng và ta cần phải quan tâm . Công thức (4.16) và (4.18) cho phép ta tính được thời gian đợi trung bình từ kích thước hàng đợi và tốc độ tới hàng đợi của tế bào. Trong hai hệ thống trên ta nhận thấy thời gian đợi của tế bào trong hệ thống M/D/1 (với hệ thống chuyển mạch có bộ đệm có kích thước hạn chế K thì sử dụng hàng đợi M/D/1/K ) chỉ bằng một nửa thời gian đợi trong hệ thống M/M/1. Đây là giá trị trung bình mà ta tính được , trong thực tế tế bào phải mất thêm nhiều thời gian hơn. Độ trễ là tham số đặc biệt quan trọng khi ta đề cập tới các kết nối đầu cuối-đầu cuối , tất cả các tế bào trong kết nối phải truyền qua một chuỗi các bộ đệm. Tại các bộ đệm , nó sẽ bị trễ đi một khoảng thời gian, thời gian trễ này phụ thuọc vào số các tế bào có trong bộ đệm. Điều này tạo nên các tế bào có độ trễ khác nhau, gọi là biến độ trễ tế bào a.3. Mô hình phân tích chuyển mạch Khi nghên cứu bộ đệm trong chuyển mạch ATM cần chú ý là các tế bào tới các bộ đệm theo hai mức cơ bảm quan trọng nhất là : mức tế bào và mức burst. Mức burst là hiện tượng bùng nổ thông tin, nghĩa là số tế bào đến trong một khoảng thời gian vượt quá khả năng cho phép của hệ thống, có thể tạm dịch là ‘chùm’ hoặc ‘nhóm’. * Công thức cân bằng bộ đệm trong chuyển mạch Gọi a(k)là xác suất có k tế bào đến trong một khe thời gian. Quá trình đến này phân bố theo luật nhị thức. Do sự truy nhập ngẫu nhiên của các tế bào đến nên tại một khe thời gian bất kỳ bộ đệm cũng có thể chứa i tế bào, các tế bào này có thể đếm tại các khe thời gian 0,1,2,i+1. Trạng thái i có thể xuất phát từ 0 tăng đến i hoặc từ i giảm xuống 1. Để chuyển từ trạng thái i+1 sang trạng thái i thì tại các khe thời gian đó không có tế bào đến, nghĩa là a(0). Gọi s(k) là xác suất bộ đệm ở trạng thái có k tế bào. Nếu bộ đệm có dung lượng không xác định , xác suất để bộ đệm không có tế bào là s(0), khi đó số tế bào bị mất bằng : L=0 và ta có A=C (4.19) Kết quả này được suy ra từ công thức mất cuộc gọi của Erlang L=A-C (4.20) với: L: là số thong tin bị mất. A: số thông tin đến. C: là số thông tin được phục vụ. Giả sử: là tốc độ đến của các tế bào/s s là thời gian phục vụ một tế bào là hiệu suất phục vụ Khi đó số tế bào được phục vụ trpng 1s là:= (4.21) Nếu thời gian phục vụ một tế bào đúng bằng độ dài của một khe thời gian, thì số tế bào đến trung bình trong một khe thời gian là E(a) bằng ssố tế bào được phục vụ trong một khe thời gian, thì số tế bào đến trung bình trong một khe thời gian là , nghĩa là : E(a)=. (4.22) Nhưng là trạng thái mà hệ thống không trống , do đó : E(a)= =1-s(0) , hay s(o)=1- E(a) (4.23) Công thức này dùng để xác định xác suất hệ thống không có hàng chờ tại một khe thời gian. Đó chính là công thức cân bằng bộ đệm. Như vậy nếu ta biết được tốc độ đầu vào thì ta có thể xác định được xác suất để hệ thống trống. Nếu tốc độ đầu vào lớn hơn tốc độ phục vụ thì s(0)< 0, Thì hệ thống xếp hàng không bền vững và số tế bào có trong bộ đệm sẽ tăng không có giới hạn. * Xác suất trạng thái có k tế bào trong bộ đệm không giới hạn Tính s(0): Xét với khe thứ n, ta có : Với trạng thái 0 (không có tế bào),hệ thống có thể có một hoặc không có tế bào trong khe thứ n-1 với điều kiện không có tế bào tại khe thứ n, nghĩa là: s(0)=s(0).a(0)+s(1).a(0) (4.24) s(k): chỉ xác suất bộ đệm ở trrạng thái k tại cuối khe thời gian n-1 và khe n. a(i): chỉ xác suất có một tế bào đến tại khe thời gian n. Từ (4.20) ta có: s(1) = s(0). (4.25) Tương tự, với trạng thái 1 tại khe n, ta có: s(1) = s(0).a(1) + s(1).a(1) + s(2).a(0) (4.26) s(2) = (4.27) Sử dụng phương pháp qui nạp , một cách tổng quát ta cóac suất trạng thái có k tế bào trong bộ đệm : s(k) = (4.28) Như vậy , với giả thiết bộ đệm có dung lượng không giới hạn thì số tế bào k có trong bộ đệm có thể lớn hơn bao nhiêu cũng được. Tuy nhiên trong thực tế kích thước bộ đệm là có giới hạn . Với công thức trên có thể xác định dung lượng bộ đệm theo xác suất mất tế bào yêu cầu. * Xác suất trạng thái có k tế bào trong bộ đệm có giới hạn Một vấn đề đặt ra là đối với hệ thống xếp hàng có bộ đệm giới hạn thì sẽ xảy ra hiện tượng mất tế bào. Do đó ta không thể tính s(0) trực tiếp. Sử dụng phương pháp tương tự trường hợp bộ đệm không giới hạn, bằng cách giả sử đã biết s(0), ta có: s(1)=s(0). (4.29) s(k) = (4.30) Sau đây sẽ tính xác suất trạng thái đầy của bộ đệm có dung lượng x tế bào: Trạng thái đầy của bộ đệm là trạng thái tại điểm cuối của khe thời gian i có x hoặc nhiều hơn x tée bào đến trong khe thời gian đó. Nếu hệ thống là không rỗng tại thời điểm xuất phát , thì trước điểm mà khe thời gian làm cho hệ thống đầy , hệ thống có x -1 tế bào, chứ không phải x. Do đó: s(x)= s(0).A(x) (4.31) Trong đó , A(k) là xác suất có ít nhất k tế bào đến trong một khe thời gian: A(k) = 1- a(0) . a(1) ....a(k-1) (4.32) Tuy nhiên , do s(0) chưa xác định nên ta không thể xác định được s(k). Để tính s(k), ta đinh nghĩa biến mới: u(k) = (4.33) Khi đó: u(0) = = 1 (4.34) u(1) = (4.35) u(k) = = = (4.36) u(k) = A(x) (4.37) Như vậy , với 0 k x ta có thể xác định u(k). Tuy nhiên, có nhận xét rằng do dung lượng bộ đệm có giới hạn là x nên xác suất để xảy ra hàng chờ trong khoảng 0 k x là 1, tức là: (4.38) Từ đó ta có : = = = (4.39) Vì vậy: s(0) = (4.40) Từ (4.40) ta xác định được s(0), từ đó xác định được xác suất trạng thái có k tế bào trong bộ đệm có giới hạn s(k) theo công thức sau: s(k)= s(0).u(k) (4.41) *. Xác suất mất tế bào Từ công thức (4.20), ta có: L = E(a)- = E(a)- (1-s(0)) (4.42) Từ đó xác suất mất tế bào là: PCLP = (4.43) * Trễ Có 3 loại trễ trong hệ thống xếp hàng: Trễ Ud: do các tế bào đến trước đang chờ phục vụ nằm trong bộ đệm . Trễ Bd: do các tế bào khác trong nhóm tế bào đến. Trễ Td: là trễ hệ thống xếp hàng tính từ thời điểm có tế bào đến và được phục vụ xong. Td = Ud + Bd (4.44) Đối với trễ Ud: Giả sử mõi tế bào trễ ít nhất một khe thời giant a có: - Xác suất trễ do bộ đệm đã có một tế bào chờ: Pr (Ud=1) = Ud (l) = s(0) + s(1) (4.45) Xác suất trễ do bộ đệm đã có k tế bào chờ: Pr (Ud =k) = Ud (k) = s(k) với k >1 (4.46) Đối với trễ Bd Trễ gây ra do có k tế bào đứng trước trong nhóm là: Bd (k)= Pr (Bd =k) (4.47) Pr(Bd=k) phụ thuộc vào vị trí k của tế bào đang xét trong nhóm. Do đó : Pr(Bd=k) =Bd (k) = (4.48) Tổng trễ Td được tính như sau: Td (k) =Ud(j ). Bd (k-j ) (4.49) Các công thức trên chính là mô hình toán học để xây dựng thuật toán phân tích hệ thống chuyển mạch .Tuy nhiên các thông số xác định được đều mang tính chất thống kê. a.4. Mô hình phân tích lưu lượng mức tế bào Mức té bào được sử dụng đối với nguồncó tốc độ bit không đổi (CBR), quá trình xuất hoẹn tế bào vào hệ thống không tuân theo luật Poisson khi số nguồn lưu lượng nhỏ, đồng thời luật phục vụ là kuật D. Do đó mô hình M/M/1 không phù hợp mà phải dùng mô hình M/D/1 và ND/D/1. * Mô hình ND/D/1 Mô hình ND/D/1 gồm N nguồn độc lập , có tính chu kỳ D. Khi kích thước bộ đệm không giới hạn thì xác suất mất tế bào bằng xác suất Q(x) của dãy chờ vượt quá kích thước x nào đó: N- n PCLP= Q(x) = nN n. (4.50) Gọi số lần đế trong một chu kỳ của nguồn CBR là j và do hiệu suất nguồn không vquá 1 nên j 1và nếu có N nguồn thì j N. Giá trị N này xác định kích thước hàng chờ. Nếu kích thước bộ đẹm lớn hơn N thì sẽ không xảy ra hiện tượng mất tế bào. Mô hình ND/D/1 có thể đơn giản hoá khi lưu lượng gần với tốc độ dịch vụ và gọi là chế độ “tải cao”. *. Phân tích chế độ tải cao Đối với dãy xếp hàng M/D/1, xác suất mất tế bào nằm trong bộ đệm vượt quá kích thước x bộ đệm , nghĩa là : PCLP = Q(x) = exp (4.51) Để ý rằng là chiều dài trung bình của dãy hàng chờ . Vì vậy là tốc độ trung bình làm cho chiều dài dãy hàng chờ giảm. Nhận xét rằng công thức (4.51) được sử dụng để xác định xác suất của hàm phân bố mũ . Đó là công thức để xác định gần đúng xác suất mất tế bào đối với một bộ đệm kích thước x. Công thức (4.51) càng chính xác khi hiệu suất càng cao. Ta xây dựng công thức xác định mối quan hệ giữa dung lượng bộ đệm x và xác suất mất tế bào như sau: Từ (4.51) lấy logarit tự nhiên hai vế ta có: lnQ(x) =2x. Hay x=-ln Q(x). . hoặc = (4.52) Đối với dãy xếp hàng ND/D/1, xác suất tế bào được tính bằng công thức [4]: PCLP= Q(x)= exp (4.53) * Phân tích lưu lượng ở mức nhóm (burst) tế bào Mô hình phân tích lưu lượng ở mức nhóm tế bào được áp dụng để phân tích trong trường hợp nguồn VBR. Khái niệm nhóm tế bào dùng để chỉ trường hợp tổng số các tế bào đén đồng thời trong một khoảng thoừi gian lớn hơn số khe thời gian. Ví dụ : Nếu trong 24 khe thời gian có 26 tế bào đến thì có 2 tế bào vượt quá số khe thời gian . Nếu sau 2400 khe thời gian thì vẫn luồng lưu lượng trên sẽ có 200 tế bào vượt qúa dung lượng.Số tế bào này sẽ được giữ trong bộ đệm hoặc bị mất . Đó là hiện tượng Burst. Trên cơ sở lý thuyết chúng ta đã xem xét việc đặt bộ đệm tại các vị trí : đầu vào, đầu ra, dùng chung. Mỗi vị trí sẽ có ưu nhược điểm riêng. b. Tính toán với bộ đệm đầu ra Xét mạng chuyển mạch NxN, có N đầu vào va N đầu ra . Giả thiết các tế bào đến đầu nút chuyển mạch là ngẫu nhiên, độc lập với nhau. Tại một khe thời gian , xác suất một tế bào đến 1 đầu vào là còn gọi là tỷ lệ sử dụng kênh (0 1). Mỗi tế bào có thể chọn 1 dầu ra là 1/N. Vậy sác suất dể 1 tế bào đến một đầu vào và chọn một đầu ra là /N. Theo công thức Bernoulli, xác suất để k=i tế bào trong N đầu vào đến và chọn một đầu ra trong một khe thời giạn là: Pr[k=i] = i.N-i Với i= 0,1,2,….,N (4,54) Qua phép biến đổi Z, hàm sinh xác suất (PGF) cho k tế bào là: K(z) = zi.i.N-i (4.55) Theo dãy thời gian rời rạc Markov, trong mỗi thời điểm, bộ đệm tăng thêm k tế bào mới và giảm 1 tế bào, tế bào này được truyền tới đầu ra. Do vậy số tế bào trong bộ đệm (chiều dài hàng chờ) ở thời điểm t là: qt = max [0, qt-1+ kt-1] (4.56 ) Trong đó qt-1 là số tế bào trong bộ đệm ở thời điểm t-1 Hàm sinh xác suất tương ứng là: Q(z) = (4.57) Lượng tế bào trung bình trong bộ đệm: 2 W= Limz = (4.58) Với N (tương ứng kích thước khối chuyển mạch vô hạn) Thì : 2 W= t w = (4.59) Đây cũng chính là biểu thức cho hàng chờ M/D/1 có phân bố đầu vào dạng poisson vì: LimNr[k=i] = (4.60) Và LimNK(z) = e-(1-z) (4.61) Thời gian chờ trung bình của một tế bào tuỳ ý trong bộ đệm : Từ công thức : W=.tw (4.62) Trong đó tw là thời gian chờ trung bình : Suy ra : tw = W. = (4.63) Khi N, ta có: tw = (4.64) Từ các biểu thức (4.56) , (4.59), (4.63), (4.64) , thì thời gian chờ trung bình và lượng tế bào trong bộ đệm là nhỏ khi nhỏ. Đây cũng là cơ sở để tính toán chiều dài hàng chờ , nghĩa là yêu cầu bao nhiêu không gian đệm tại đầu ra để tổn thất tế bào nhỏ nhất. c. Tính toán với bộ đệm đầu vaò Giả thiết hàng chờ ở trạng thái bão hoà , nghĩa là luôn có tế bào nằm sẵn trong bộ đệm và quá trình các tế bào đến bộ đệm đầu vào tuân theo qui luật Bernoulli[2]. ở khe thời gian t có Bti tế bào đến cần chuyển ra đầu i, song bị chặn lại ở ô đầu hàng đợi . cũng trong thời gian này có một số tế bào được chuyển ra , dành cho Ati tế bào được dịch đến các ô đầu hàng đợi. Vì trong một khe thời gian chỉ có một tế bào được chuyển đi , số tế bào nằm ở ô đầu hàng đợi ở thời điểm t là Bti , bằng số tế bào nằm sẵn ở thời điểm trước đó t-1 là Bti-1 trừ đi một tế bào đã được chuyển đi và cộng thêm Ati tế bào mới được đẩy ra các ô đầu hàng đợi . Ta có: Bti = max(0,Bti-1-1 + Ati) (4.65) Mỗi tế bào mới này có xác suất chọn 1 trong số N đầu ra của khối chuyển mạch là 1/N. Gọi Lt-1 là số hàng đợi có số tế bào mới được đẩy ra đầu hàng vào thời điểm t-1.Xác suất cho Ati =i tế bào mới dịch đến đầu hàng đợi sẽ là: iPr =i i t-i -i (4.66) Tổng só tế bào mới được đẩy ra đầu các hàng đợi ở thời điểm t sẽ là : ti Số này chính bằng số tế bào được chuyển qua khối chuyển mạch tới đầu ra ở thời điểm t . Vậy : Lt – 1= N- ti -1 =ti (4.67) Số tế bào trung bình được chuyển tới đầu ra khối chuyển mạch là: =N - i (4.68) Suy ra : i =N- (4.69) Với thông lượng trên 1 đầu ra ta có: = =N. (4.70) =N(1- ) (4.71) Khi N , ta có: i =(1- ) (4.72) Mặt khác : 2 i = (4.73) So sánh hai biểu thức (4.69) và (4.70) ta suy ra: max =2- = 0,586 =58,6% (4.74) Thông lượng cực đại max khi N , chỉ đạt 58,6%. Như vậy hệ thống hàng đợi đầu vào đạt hiệu quả thấp, mặc dù kích thước khối chuyển mạch tương đối lớn, nó chỉ chuyển tiếp được một nửa tải nhận được . d. Bộ đệm dùng chung Có ưu điểm là kích thước bộ đệm nhỏ hơn đáng kể so với hai loại chuyển mạch nêu trên do hiệu suất sử dụng bộ đệm cao và có độ trễ nhở hơn.Nếu kích thước bộ đệm bằng nhau thì các yếu tố kỹ thuật : tốc độ cao hơn hẳn so với hai loại trên, tỷ lệ mất gói cũng nhỏ hơn so với hai loại bộ đệm vào. Bộ đệm dùng chung có thể gồm N bộ đệm nhỏ cho N cổng ra hay dùng một bộ đệm cho cả N cổng. Nhược điểm của phương thức bộ đệm dùng chung là yêu cầu bộ đệm phải có tốc độ ghi đọc cao để có khả năng ghi nhiều tế bào trong một khe thời gian. Có thể thấy rằng bộ đệm dùng chung giảm được tỷ lệ mất tế bào rất nhiều so với 2 loại trên.Ta có bảng so sánh ảnh hưởng của vị trí đặt bộ đệm đến các thông số kỹ thuật: Bộ đệm đầu vào Bộ đẹm đầu ra Bộ đệm dùng chung Hiệu suất sử dụng thấp (tối đa 0,58 trừ khi dùng các phương pháp đặc biệt) cao Cao Kích thước bộ đệm trung bình (320 với chuyển mạch 16*16) lớn (896 với chuyển mạch 16*16) nhỏ (113 với chuyển mạch 16*16) Tốc độ truy tìm bộ đệm 2V (L+1)V 2V Tốc độ điều khiển 2nhiệm vụ (L+1)V 2V Trễ lớn nhỏ Nhỏ Tỷ lệ lỗi lớn trung bình Nhỏ Độ nhạy cảm với lưu lượng không đồng nhất nhạy cảm không không Độ nhạy cảm với lưu lượng bùng nổ nhạy cảm nhạy cảm không Bảng 4.6: ảnh hưởng của vị trí đặt các bộ đệm Trong đó: V: tốc độ giao diện vào L: là số tế bào đượ phục vụ trong một khe thời gian Bộ đệm phối hợp đầu vào đầu ra cần tổng bộ đêmj nhỏ hơn , bộ đệm đầu vào không đóng vai trò chuyển mạch nên giảm được số tín hiệu báo hiệu cho bộ đệm đầu vào . Sự tiết kiệm này giảm được độ phức tạp của chuyển mạch và do đó cải thiện được đặc tính chuyểnmạch .nhất là chuyển mạch dung lượng lớn e. ảnh hưởng của kích thước bộ đệm Đối với mỗi loại chuyển mạch nhất định nếu kích thước bộ đệm càng tăng thì khả năng mất tế bào càng giảm, nhưng trễ trong bộ đệm càng tăng. Trễ có ảnh hưởng tới chất lượng của dịch vụ yêu cầu thời gian thực . Hơn nữa nếu số bộ đệm tăng thì thì trễ cũng tăng.vì thế chúng ta xem xét kích thước bộ đệm như thế nào (để số bộ đệm tế bào phải đi qua là ít nhất ) để vừa đảm bảo khả năng mất tế bào nhỏ, vừa đảm bảo độ trễ tế bào nhỏ nhất. Nếu có hai dòng số liệu cùng tới một cửa và có tổng tốc độ nhhỏ hơn dung lượng chuyển mạch thì tế bào của một dòng sẽ được chứa vào bộ đệm lúc này không cần lớn lắm. Nhưng nếu tổng tốc độ lớn hơn dung lượng chuyển mạch thì để đảm bảo tỷ lệ mất tế bào chấp nhận được thì kích thước bộ đệm lúc đó lớn hơn nhiều. Trong trường hợp tổng tốc độ các dòng dữ liệu nhỏ hơn tốc độ chuyển mạch thì khi kích thước bộ đệm tăng xác suất tràn bộ đệm giảm rất nhanh .Nhưng khi tổng tốc độ các dòng dữ liệu lớn hơn tốc độ chuyển mạch thì khi kích thước bộ đệm tăng rất nhanh trong khi xác suất tràn bộ đệm giảm chậm. Ngoài ra kích thước bộ đệm còn phụ thuộc vào tải, đặc biệt là đối với bộ đệm đầu vào. Khi dòng lưu lượng qua chuyển mạch tăng thì trễ tăng và tỷ lệ lỗi tế bào cũng tăng. Do đó nếu phải đảm bảo chất lượng dịch vụ khi tốc độ dòng số liệu tăng thì ta phải tăng dung lượng bộ đệm. Qua các phần đã trình bày trên cho chúng ta thấy rõ sự ảnh hưởng rất quan trọng của bộ đệm đối vơí chất lượng dịch vụ ATM và công tác thiết kế một hệ thống ATM. Bảng thuật ngữ và các từ viết tắt Từ viết tắt Thuật ngữ tiếng Anh Thuật ngữ tiếng việt tra cứu AAL ABR ACR ATD ATM BER B-ISDN B-NT B-TE BT BSVCI CATV CBR CCITT CEI CER CLP CN CO CP CPCS CPI CRC CS CTD DBR FCS FD FIFO GFC HEC IC IN IP ISDN ITU ISO LAN NNI OC PC PCI PCR PER PDH PIR PL PM PSTN RAM SAR SDH SONET SSCP SSCS SSM SSP ST STM SVC TDM TE VBR VC VCC VCI VP VPC VPCI VPI WAN ATM Adaption Layer Available Bit Rate Allowed Cell Rate AsynchronousTime Division Asynchronous Transfer Mode Bit Error Rate Broadband Integrate Service Digital Network Broadband Network Termination Broadband Termination Equipment Burst tolerance Broadcast Signalling Virtual Channel Identifier CommunityAntenna Television Constant Bit Rate Committee Consaltant International Telegraph And Telephone Connection Identifier Cell error rate Cell Loss Priority Customer Network Central Office Common Part Common Part Covergence Sublayer Common Part Indication Cyclic Redundancy Check Covergence Sublayer Cell Transfer Delay Deterministic bit rate Fast Circuit Switching Fixed Switching Delay First In- First Out Generic Flow Control Header Error Control Input Controller Intelligent Network Internet Protocol Integrated Service Digital Network International Telecommunication Union International Standards Organisation Local Area Network Network Node Interface Output Controller Persional Computer Protocol Control Information Peak Cell rate Packet Error Rate Protocol Data Unit Packet Insert Rate Physical Layer Physical Medium Public Switched Telephone Network Random Access Memory Segmentation And Reassembly Synchronous Digital Hierarchy Synchronous Optical Television Service Specific Cooperation Funtion Service Specific Convergen Sublayer Single Segment Message Service Specific Part Segment Type Synchonous Transfer Mode Signal Virtuaral Chanel Time Division Multiplexing Terminal Equiment Variable Bit Rate Virtuaral Chanel Virtuaral Chanel Connection Virtuaral Chanel Identifier Virtuaral Part Virtuaral Part Connection Virtuaral Part Connection Identifier Virtuaral Part Identifier Wide Area Network Thuật ngữ tiếng việt tra cứu ATM Adaption Layer Tốc độ bít có sẵn Tốc độ bit cho phép Hệ thống ghép kênh thời gian không đồng bộ Dạng truyền không đồng bộ Tỷ lệ lỗi bít Mạng tổ hợp dịch vụ số băng rộng Thiết bị kết cuối mạng băng rộng Thiết bị đầu cuối mạng băng rộng Dung sai bùng nổ số liệu Số nhận dạng kênh hiệu truyền thông Hệ thống truyền hình cáp Tốc độ truyền là hằng số Uỷ ban tư vấn điện thoại điện báo quốc tế Số hiệu nhận dạng phần tử cuộc nối Tỷ lệ lỗi tế bào Trường ưu tiên tổn thất tế bào Mạng của người sử dụng Bộ phận trung tâm Phần chung Lớp con hội tụ chung Trường báo hiệu phần chung Mã kiểm tra dư vòng Lớp con hội tụ Trễ truyền tế bào Tốc độ bit xác định Chuyển mạch kênh tốc độ cao Trễ chuyển mạch cố định Bộ đệm vào trước ra trước Trường điều khiển luồng chung Trường điều khiển lỗi tiêu đề Bộ điều khiển đầu vào Mạng thông minh Giao thức mạng Internet Mạng tổ hợp dịch vụ số Hiệp hội viễn thông quốc tế Tổ chức chuẩn quốc tế Mạng cục bộ Giao diện giữa các nút mạng Bộ điều khiển đầu ra Máy tính cá nhân Thông tin điều khiển thủ tục Tốc độ tế bào đỉnh Tỷ lệ lỗi gói Đơn vị số liệu thủ tục Tỷ lệ chèn gói Lớp vật lý Lớp con đường truyền vật lý Mạng điện thoại công cộng Bộ nhớ truy nhập ngẫu nhiên Lớp con thiết lập và tháo tế bào Phân cấp đồng bộ số Mạng truyền dẫn quang đồng bộ Chức năng phối hợp phụ thuộc dịch vụ Lớp con hội tụ phụ thuộc dịch vụ Thông điệp CS-PDU đơn Phần phụ thuộc dịch vụ Kiểu phân đoạn Chế độ truyền đồng bộ Kênh báo hiệu ảo Phương pháp ghép kênh theo thời gian Thiết bị đầu cuối Tốc độ truyền thay đổi Kênh ảo Nối kênh ảo Số hiệu nhận dạng kênh ảo Đường ảo Nối đường ảo Số hiệu nhận dạng cuộc nối đường ảo Số liệu nhận dạng đường ảo Mạng diện rộng