CHƯƠNG 2: CƠNG NGHỆ CHUYỂN MẠCH GĨI
2.1 CƠ SỞ KỸ THUẬT CHUYỂN MẠCH GĨI
Kỹ thuật chuyển mạch gói dựa trên ngun tắc chuyển thơng tin qua mạng
dưới dạng gói tin. Gói tin là thực thể truyền thơng hồn chỉnh gồm 2 phần:Tiêu đề
mang các thông tin điều khiển của mạng hoặc của người sử dụng và tải tin là dữ liệu
của thơng tin cần chuyển qua mạng. Q trình chuyển thơng tin qua mạng chuyển
mạch gói có thể khơng cần xác lập đường dành riêng và các mạng chuyển mạch gói
được coi là mạng chia sẻ tài nguyên, các gói tin sẽ được chuyển dao từ nút mạng
này đến nút mạng khác trong mạng chuyển mạch gói theo nguyên tắc lưu đệm và
chuyển tiếp, nên mạng chuyển mạch gói cịn được gọi là mạng chuyển giao trong
khi mạng chuyển mạch kênh được gọi là mạng trong suốt đối với dữ liệu người sử
dụng.
Xét hướng tiếp cận tương đối đơn giản từ khía dịch vụ cung cấp, các dịch vụ
được cung cấp trên mạng viễn thông chia thành dịch vụ thoại và dịch vụ phi thoại,
trong đó đại diện cho dịch vụ phi thoại là dịch vụ số liệu. Quá trình số hố và gói
hố thoại thuộc về hai phạm trù khác nhau. Trong mạng chuyển mạch điện thoại
công cộng PSTN hiện nay, tín hiệu thoại đã được số hố và chuyển đi trên các kênh
logic thiết lập trước đó bằng các phương pháp báo hiệu. Dữ liệu thoại được gọi là đã
gói hố nếu những thơng tin số hố này chuyển tải trên hạ tầng mạng chuyển mạch
gói dưới dạng các gói tin. Một cách trực quan, mạng chuyển mạch điện thoại công
cộng PSTN được phát triển trên cơ sở kỹ thuật chuyển mạch kênh để cung cấp các
dịch vụ thoại truyền thống. Các mạng dữ liệu như các mạng cục bộ LAN (Local
Area Network), mạng Internet là mạng chuyển mạch gói dựa trên kỹ thuật chuyển
mạch gói để thực hiện chuyển tải thông tin dữ liệu cho người dung. Một khía cạnh
khác biệt giữa các dịch vụ thoại và dịch vụ dữ liệu được chỉ ra trong bảng sau:
Dịch vụ thoại trong mạng chuyển mạch công cộng PSTN thường sử dụng kỹ
thuật điều chế PCM và chiếm dụng băng thông cố định 64kbit/s, chất lượng cuộc


gọi thoại chủ yếu phụ thuộc vào kỹ thuật điều chế vì sử dụng kênh dành riêng cho
các cuộc nối.

Bảng 2.1. Sự khác biệt dịch vụ thoại và dịch vụ dữ liệu.
Đặc điểm

Dịch vụ thoại

Dịch vụ dữ liệu

Băng thông

Cố định và thấp (64kbit/s)

Thay đổi (có thể lên tới Gbit/s)

Bùng phát băng thơng

Khơng

Lớn (100/1000:1)

Nhạy cảm với lỗi

Đàm thoại lại nếu có lỗi

Không cho phép lỗi

Phát lại thông tin

Không thể thực hiện được

Thực hiện dễ dàng


Độ trễ

Thấp và ổn định

Lớn và có thể thay đổi

Kiểu kết nối

Hướng kết nối

Có thể là phi kết nối

Mặt khác, chất lượng các dịch vụ dữ liệu được thực hiện qua mạng chuyển mạch gói
phụ thuộc rất lớn vào băng thông cung cấp. Một số ứng dụng địi hỏi băng thơng
rất lớn và nhiều khi khơng cố định, sự biến động băng thông rất lớn theo xu hướng
tăng bất thường được gọi là hiện tượng bùng nổ băng thơng. Vì vậy, cơ chế xác định
kênh dành riêng trước trong mạng chuyển mạch kênh khó có thể đáp ứng được tiêu
chí bùng nổ băng thơng của các dịch vụ dữ liệu.
Một khía cạnh khác của chất lượng dịch vụ cũng ln được tính đến trong q
trình chuyển thơng tin cho người sử dụng là độ trễ của quá trình truyền tin. Các dịch
vụ thoại địi hỏi thời gian trễ và ổn định, yêu cầu này hoàn toàn được thoả mãn
trong mạng chuyển mạch kênh vì mạng chuyển mạch kênh sử dụng kênh dành riêng
và kết nối có hướng cho các kết nối. Trong khi đó các mạng chuyển mạch gói chủ
yếu nhằm mục đích cung cấp các dịch vụ dữ liệu có thể được xây dựng theo hướng
kết nối và sử dụng kênh ảo để cung cấp các dịch vụ yêu cầu độ trễ thấp và ổn định.
Tuy nhiên, một khi yêu cầu độ trễ của dịch vụ dữ lệu khơng q ngặt nghèo thì
mạng dữ liệu thường được xây dựng theo mơ hình phi kết nối nhằm giảm thiểu các
quy trình điều khiển và lưu lượng điều khiển trên mạng.



2.1.1 Mơ hình kết nối hệ thống mở OSI.
Hệ thống A

Hệ thống B

Lớp ứng dụng

Lớp ứng dụng
Giao thức

Lớp trình diễn

Lớp trình diễn

Lớp phiên

Lớp phiên

Lớp truyền tải

Lớp truyền tải
NODE

Lớp mạng

Lớp mạng
…….....................

Lớp mạng


Lớp liên kết dữ
liệu

Lớp liên kết dữ
liệu

Lớp liên kết dữ
liệu

Lớp vật lý
..............................

Lớp vật lý

Lớp vật lý
…………

Hình 2.1: Mơ hình phân lớp OSI RM
Mục tiêu của mơ hình kết nối hệ thống mở OSI là để đảm bảo rằng bất kỳ một
xử lý ứng dụng nào đều không ảnh hưởng tới trạng thái nguyên thuỷ của dịch vụ,
hoặc các xử lý ứng dụng có thể giao tiếp trực tiếp với các hệ thống khác trên cùng
lớp nếu các hệ thống cùng được hỗ trợ theo tiêu chuẩn của mơ hình OSI . Mơ hình
OSI cung cấp một khung làm việc tiêu chuẩn cho các hệ thống kết nối với nhau dựa
trên mơ hình phân lớp. Mơ hình gồm có 7 chức năng chính, có thể phân thành 2
vùng chính.


- Lớp thấp cung cấp các dịch vụ đầu cuối - tới - đầu cuối đáp ứng phương tiện
truyền số liệu, các chức năng hướng về phía mạng từ lớp 3 về lớp 1.

- Lớp cao cung cấp các dịch vụ ứng dụng đáp ứng truyền thông tin, các chức
năng hướng về người sử dụng từ lớp 4 tới lớp 7.
Bảng 2.2: Tóm tắt các chức năng của mơ hình phân lớp OSI
Các lớp
Lớp ứng dụng

chức năng
Quản lý truyền thơng

Ví dụ
Các giao thức:

ứng dụng
Sử dụng các bản tin

Lớp trình diễn

giữa các ứng dụng
Thêm các cấu trúc vào

Telnet,FTP
Giao thức: Biến đổi,

Sử dụng kỹ thuật thay

đơn vị số liệu để trao

nén, giải nén

đổi số liệu : nén và


đổi
Quản lý các dịch vụ

Các giao thức:

giải nén
Sử dụng các cuộc gọi

điều khiển luồng số

SIP,RTCP

thủ tục từ xa

liệu
Độ tin cậy và ghép các

Các giao thức: TCP,

Sử dụng các phân

số liệu truyền qua

UDP

đoạn(segments)

mạng
Truyền số liệu qua


Các giao thức: IP, IPX

Sử dụng tiêu

mạng
Truyền dẫn, khung và

Các giao thức:

đề(datagram)
Sử dụng khung , gói,

điều khiển lỗi

PPP,HDLC, ATM, FR,

tế bào

Giao tiếp cơ, điện tới

MPLS
Card giao tiếp mạng

Sử dụng bit

Lớp phiên

Lớp truyền tải


Lớp mạng
Lớp liên kết số liệu

Lớp vật lý

phương tiện truyền
thơng

Mơ hình OSI có thể chia thành 3 mơi trường điều hành:
- Môi trường mạng: liên quan tới các giao thức, trao đổi các bản tin và các tiêu
chuẩn liên quan tới các kiểu mạng truyền số liệu khác nhau.
- Môi trường OSI: Cho phép thêm vào các giao thức hướng ứng dụng và các tiêu
chuẩn cho phép các hệ thống kết cuối trao đổi thông tin với hệ thống khác theo
hướng mở.
- Môi trường hệ thống thực: Xây dựng trên mơ hình OSI và liên quan tới đặc tính
dịch vụ và phần mềm của người sản xuất, nó được phát triển để thực hiện nhiệm vụ
xử lý thông tin phân tán trong thực tế.


Những mơi trường này cung cấp những đặc tính sau:
- Giao tiếp giữa các lớp
- Chức năng của các lớp, giao thức định nghĩa tập hợp của những quy tắc và
những quy ước sử dụng bởi lớp để giao tiếp với một lớp tương đương tương tự
trong hệ thống từ xa khác.
- Mỗi lớp cung cấp một tập định nghĩa của những dịch vụ tới lớp kế cận.
- Một thực tế chuyển thông tin phải đi qua từng lớp.
Các chức năng chi tiết của các lớp được đĩnh nghĩa trong tiêu chuẩn ISO 7489 và
chuẩn X.200 của ITU-T. Các đặc tính cơ bản được tóm tắt như sau:
2.1.1.1 Lớp ứng dụng
Lớp ứng dụng cung cấp các dịch vụ truyền thông của người sử dụng dưới các

dạng thức số liệu, báo hiệu điều khiển và các đáp ứng của các thiết bị đầu cuối , các
hệ thống giao thức điều khiển các ứng dụng thông qua các phần tử dịch vụ ứng dụng
quản lý truyền thông giữa các ứng dụng.
2.1.1.2 Lớp trình diễn
Lớp trình diễn chịu trách nhiệm tạo ra các khn dạng dữ liệu cho lớp ứng dụng
tương thích giữa các ứng dụng và hệ thống truyền thông.
Các giao thức lớp trình diễn đưa ra các ngơn ngữ, cú pháp và tập đặc tính phù hợp
cho truyền thơng, đồng thời thống nhất các mã, phương pháp mã hoá và giải mã, giữ
liệu cho các dịch vụ lớp tương ứng.
2.1.1.3 Lớp phiên
Lớp phiên quản lý các dịch vụ và điều khiển luồng số liệu giữa các người sử dụng tham
gia vào phiên truyền thông, các giao thức lớp phiên chỉ ra các luật và phương pháp thực
hiện phiên truyền thông mà không can thiệp vào nội dung truyền thông.
2.1.1.4 Lớp truyền tải
Lớp truyền tải cung cấp các dịch vụ truyền tải dữ liệu từ đầu cuối tới đầu cuối,
cung cấp khả năng truyền tải có độ tin cậy giữa các thiết bị đầu cuối mà không liên
quan trực tiếp tới phần cứng mạng truyền thông. Đáp ứng các yêu cầu của lớp phiên
qua chất lượng dịch vụ, kích thước đơn vị dữ liệu, điều khiển luồng và các yêu cầu
sửa lỗi.


2.1.1.5 Lớp mạng
Lớp mạng cung cấp chức năng định tuyến, thiết lập và quản lý các kết nối trong
mạng, các giao thức lớp mạng cung cấp thông tin về cấu hình logic của mạng, địa
chỉ và ánh xạ các kết nối tới các thiết bị vật lý trong mạng.
2.1.1.6 Lớp liên kết dữ liệu
Lớp liên kết dữ liệu hoạt động trên các liên kết dữ liệu hoặc một phần mạng của
kết nối, lớp liên kết dữ liệu cung cấp các chức năng liên quan tới hệ thống truyền
dẫn như đồng bộ, điều khiển luồng dữ liệu, phát hiện và sửa lỗi truyền dẫn và ghép
kết hợp các kênh logic trên đường dẫn vật lý.

2.1.1.7 Lớp vật lý
Lớp vật lý cung cấp mơi trường truyền dẫn , tín hiệu đồng hồ và cách thức truyền
bit trên phương tiện truyền dẫn. Các chuẩn của lớp vật lý cung cấp các đặc tính và
nguyên tắc giao tiếp cơ, điện , sóng tới phương tiện truyền thông.
2.1.2 Nguyên tắc cơ bản của chuyển mạch gói
Unicast và multicast: Các kết nối trong mạng viễn thơng thường là các kết nối
điểm tới điểm (Unicast). Vì vậy, lưu lượng đưa vào một đầu vào của ma trận chuyển
mạch chỉ yêu cầu duy nhất một đầu ra. Tuy nhiên các ứng dụng như audio/video hội
nghị hay quảng bá dữ liệu lại yêu cầu nhiều đầu ra đồng thời. Để hỗ trợ chuyển
mạch đa hướng (Multicast) hệ thống chuyển mạch được bổ sung thêm cơ chế sao
chép dữ liệu giữa các đầu vào và đầu ra.
Độ thông qua và tốc độ (Speedup): Độ thông qua của trường chuyển mạch được
định nghĩa như là tỷ số của tốc độ đầu ra trung bình khi tất cả các đầu vào có lưu
lượng chiếm 100% tại tốc độ đường dây. Độ thông qua của trường chuyển mạch là
một giá trị dương và nhỏ hơn hoặc băng 1. Tốc độ speedup của trường chuyển mạch
được xác định qua tốc độ chuyển tiếp nội trong trường chuyển mạch so với tốc độ
đầu vào hoặc đầu ra. Khi tốc độ seedup của trường chuyển mạch lớn hơn 1, trường
chuyển mạch phải có các bộ đệm tại các cổng đầu ra để lưu đệm các thông tin dữ
liệu để tránh tổn thất thông tin. Việc thiết lập cơ chế seedup của trường chuyển
mạch cho phép trường chuyển mạch chuyển nhiều gói tin trong cùng một khe thời


gian tới đầu ra để giảm bớt tranh chấp đầu ra và nâng cao độ thông qua của trường
chuyển mạch.
Nghẽn và tranh chấp đầu ra: Vấn đề tắc nghẽn và tranh chấp đầu ra thường xảy
ra tại các trường chuyển mạch không gian, đối với trường chuyển mạch thời gian
vấn đề tắc nghẽn đã được tranh chấp và xử lý tại các bộ ghép kênh. Hiện tượng tắc
nghẽn ngụ ý các xung đột không thể giải quyết tại các vị trí khác nhau của trường
chuyển mạch. Tranh chấp đầu ra xảy ra khi có nhiều hơn một yêu cầu đầu vào cùng
muốn kết nối tới đầu ra trong cùng một thời điểm, hiện tượng này làm giảm hiệu

năng tổng thể của trường chuyển mạch. Khi các điều kiện tranh chấp không được
giải quyết sẽ dẫn tới hiện tượng tắc nghẽn.
Đặc tính kết nối: Một quy trình kết nối có hướng gồm 3 giai đoạn tách biệt: thiết
lập kết nối, truyền thơng tin và giải phóng kết nối. Một kiểu kết nối khác đối ngược
với hướng kết nối là kiểu phi kết nối, phi kết nối cho phép các thực thể thơng tin
được truyền độc lập với các đặc tính kết nối được thể hiện trong các tiêu đề thực
thể thông tin. Trong mạng chuyển mạch gói nguyên thuỷ, các giai đoạn kết nối có
hướng truyền thống trong chuyển mạch kênh khơng cịn tồn tại mà thay vào đó là
phương pháp chuyển theo một giai đoạn duy nhất gồm cả 3 giai đoạn.
Sự khác biệt giữa chuyển mạch bản tin và chuyển mạch gói nằm tại q trình xử
lý bản tin, chuyển mạch gói thực hiện việc phân đoạn bản tin thành các thực thể phù
hợp với đường truyền và cấu hình mạng, các gói có thể có kích thước thay đổi hoặc
cố định. Trong khi đó, gói tin trong chuyển mạch bản tin là gói tin nguyên thuỷ của
người sử dụng. Hiện nay phương pháp chuyển mạch bản tin và phương pháp chuyển
mạch gói được gọi chung là phương pháp chuyển mạch gói. Phương pháp chuyển
mạch gói với các gói có kích thước cố đinh được gọi là chuyển mạch tế bào (cell).
Ví dụ trong cơng nghệ truyền tải khơng đồng bộ ATM (Asynchronous Transfer
Mode), thông tin người sử dụng và các thơng tin điều khiển được đóng gói thành
các gói cố định có kích thước 53 byte(48 byte tải tin + 5 byte tiêu đề ), các thuật
toán xử lý trong ATM thường áp dụng cho cả luồng tế bào để nâng cao cho hiệu quả
của quá trình xử lý, các thông tin để xác lập các xử lý luồng được lấy ra từ các
trường chức năng như: nhận dạng kênh ảo và nhận dạng luồng ảo tại tiêu đề của tế


bào ATM. Đối ngược với mạng ATM, mạng IP sử dụng phương pháp chuyển mạch
cho các gói tin có độ dài thay đổi. Vì vậy các thuật tốn xử lý gói tin truyền thơng
thường thực hiện trên từng gói thay vì cho từng luồng. Các phương pháp xử lý đều
có những ưu nhược điểm riêng do hiệu quả của phương pháp xử lý còn phụ thuộc
vào dạng của luồng lưu lượng cần xử lý, thời gian tồn tại của luồng lưu lượng và
một số khía cạnh khác.

Thời gian

Gói

Trễ truyền lan

Thiết lập

Thời gian
Truyền

Trễ hàng đợi

Gói

Thời gian
Giải phóng
Thiết lập+ truyền + giải phóng
Thiết lập+truyền+giải phóng
A

B

C

D

(a) Chuyển mạch kênh

A


B

C

D

(b) Chuyển mạch bản tin

A

B

C

D

(c) Chuyển mạch gói

Hình 2.2: Tiến trình kết nối theo thời gian của
các kiểu chuyển mạch cơ bản
Để có được các gói tin chuyển mạch, một q trình phân mảnh và tạo gói từ dữ
liệu người sử dụng được thực hiện tại các lớp cao phía người sử dụng. Q trình
phân mảnh và tạo gói theo các lớp của mơ hình OSI gồm mơ hình đóng gói dữ liệu
và khn dạng dữ liệu ứng dụng. Từ các luồng dữ liệu người sử dụng, thơng tin
được cắt mảnh theo các đặc tính của hệ thống truyền dẫn hoặc chuyển mạch, một


trong các tham số chính được sử dụng để xác định kích thước gói là tham số tốc độ
truyền dẫn tối đa MTU (Maximum transfer Unit) của các liên kết. Đơn vị dữ liệu

người sử dụng được chuyển qua từng lớp tới khi phân đoạn để tạo gói tại lớp 3 của
mơ hình OSI.
Lớp ứng dụng

Luồng dữ lliệu

APDU

Lớp trình diễn

Luồng dữ lliệu

PPDU

Lớp phiên

Luồng dữ lliệu

SPDU

Lớp truyền tải

Dữ liệu

Lớp mạng

Tiêu đề lớp mạng

Dữ liệu


Gói

Lớp liên kết dữ
liệu

Tiêu đề lớp liên kết
dữ liệu

Dữ liệu

Khung

Lớp vật lý

1010111100011001101

Dữ liệu

Đoạn

Bít

Bản tin nguyên thuỷ (độ dài L bit)

Tiêu đề

Thơng tin

CRC


Trường thơng tin
có độ dài (M bit)

Bit bắt đầu khung

Bit kết thúc khung
Tải tin (N bit)
Tiêu đề

CRC

Hình 2.3: Đóng gói dữ liệu theo mơ hình OSI
Kỹ thuật chuyển mạch gói cho phép kết nối thơng tin từ đầu cuối tới đầu cuối qua
quá trình chia sẻ tài nguyên, sử dụng các tập thủ tục và các liên kết có tốc độ khác
nhau để truyền các gói tin và có thể chuyển gói trên thành đường dẫn khác nhau. Có


2 kiểu chuyển mạch gói cơ bản: chuyển mạch gói (datagram) và chuyển mạch kênh
ảo VC (Virtual Circuit).
2.1.2.1 Chuyển mạch gói (datagram)
Chuyển mạch gói (datagram) cung cấp cho các dịch vụ khơng u cầu thời gian
thực, việc chuyển các gói tin phụ thuộc vào các giao thức lớp cao hoặc đường liên
kết dữ liệu. Chuyển mạch kiểu datagram không cần giai đoạn thiết lập kết nối và rất
thích hợp với dạng giữ kiệu có lưu lượng thấp và thời gian tồn tại ngắn. Chuyển
mạch datagram là chuyển mạch kiểu nỗ lực tối đa (best effort), các thông tin về trễ
sẽ không được đảm bảo cũng như các hiện tượng lặp gói, mất gói cũng dễ dàng xảy
ra đối với kiểu chuyển mạch này. Các datagram phải chứa toàn bộ các thông tin về
địa chỉ và các yêu cầu của lớp dịch vụ phía trên được thể hiện trong tiêu đề, vì vậy
tiêu đề của datagram là khá lớn. Về ưu điểm, chuyển mạch datagram cho phép lựa
chọn các con đường tới đích nhanh nhất đáp ứng các thay đổi nhanh của mạng.

2.1.2.2 Chuyển mạch kênh ảo
Chuyển mạch kênh ảo (VC- Virtual Channel) yêu cầu giai đoạn thiết lập tuyến
giữa thiết bị gửi và thiết bị nhận thông tin, một kênh ảo được hình thành giữa các
thiết bị trong đường dẫn chuyển mạch; kênh ảo là kênh chỉ được xác định khi có dữ
liệu truyền qua và khơng phụ thuộc vào logic thời gian. Chuyển mạch kênh ảo yêu
cầu một tuyến hiện ngay trong quá trình định tuyến và kênh ảo nhận dạng thông
qua trường nhận dạng kênh ảo VCI (Virtual Channel Identifier) nằm tại tiêu đề gói
tin. Trong q trình thiết lập kênh ảo, nhận dạng kênh ảo VCI, được tạo ra bởi các
nút chuyển mạch để chỉ định các nguồn tài nguyên của gói tin sẽ chuyển qua.
Một khi kênh ảo được thiết lập dọc theo tuyến đường từ nguồn tới đích qua các
liên kết và các nút thì kênh được sử dụng để truyền các gói tin. Các gói có VCI
trong tiêu đề có thể được sử dụng như con trỏ để truy nhập tới các thông tin lưu trữ
tại các nút chuyển mạch. Các trường nhận dạng kênh ảo cần phải duy nhất để phân
biệt các thông tin người sử dụng và tái sử dụng, nếu sử dụng các VCI cho tồn bộ
mạng thì số lượng VCI rất lớn và khơng ngừng tăng lên theo kích cỡ mạng. Vì vậy,
người ta sử dụng nhận dạng các dạng kênh ảo theo các vùng cục bộ, thậm chí là trên
từng liên kết. Với cách này, khi một VC khởi tạo mỗi một nút chuyển mạch dọc


tuyến đường sẽ phải xác lập các nhận dạng kênh ảo trên các liên kết đầu vào và liên
kết đầu ra của nút chuyển mạch đó. Các nút phải thoả thuận với nhau về nhận dạng
kênh ảo duy nhất trên liên kết giữa hai nút cho một kênh ảo.
Nhận dạng kênh ảo trên các liên kết đầu vào và đầu ra không cần thiết phải
giống nhau, việc chuyển thông tin dựa trên tiêu đề gói tin có chứa VCI sẽ thực hiện
việc chuyển đổi thông tin trong các VCI đầu vào tới đầu ra.Tất cả các gói được gửi
trên cùng một kênh ảo VC sẽ theo cùng một đường dẫn, vì vậy thứ tự và thời gian
trễ lan truyền được khống chế, điều này rất có ích đối với các lưu lượng thời gian
thực và có thời gian tồn tại dài. Nếu kênh ảo lỗi hoặc hỏng, các hệ thống định tuyến
sẽ tìm một đường khác để thay thế. Khi ngắt kênh ảo, gói tin điều khiển ngắt đấu
nối được truyền tới tất cả các thiết bị mà kênh ảo đi qua để giải phóng tài nguyên và

kênh ảo sẽ được tái sử dụng cho các kết nối khác. Một số kênh ảo có cùng một đặc
tính có thể ghép thành luồng ảo và được thể hiện qua trường nhận dạng đường ảo
VPI (Virtual Path Identifier). Thiết bị chuyển mạch nhận dạng thông tin luồng ảo và
thực hiện chuyển mạch toàn bộ luồng ảo.
2.2 KIẾN TRÚC CỦA BỘ ĐỊNH TUYẾN
Các hệ thống chuyển mạch gói trong mạng Internet được cịn được gọi là các bộ
định tuyến.
2.2.1 Các chức năng cơ bản của bộ định tuyến
Nhiệm vụ cơ bản của một bộ định tuyến được nhìn nhận dưới góc độ kỹ thuật
chuyển mạch là chức năng định tuyến và chuyển tiếp gói tin qua bộ định tuyến.
Hình 2.4 thể hiện một cấu trúc chức năng điển hình của bộ định tuyến cũng như các
tuyến kết nối giữa các khối chức năng, một số nhiệm vụ chính được mơ tả như sau:
Dựa trên các thông tin trao đổi với các bộ định tuyến lân cận, tiến trình định tuyến
xây dựng cấu hình mạng và tính tốn đường dẫn tốt nhất thơng qua cơ sở dữ liệu
trong bảng định tuyến. Cấu hình mạng phản ánh các mạng đích có thể tìm kiếm và
nhận dạng qua các địa chỉ tiền tố IP và được thể hiện trong bảng định tuyến. Bảng
định tuyến ánh xạ thông tin dữ liệu 1:1 tới một bảng cơ sở dữ liệu mang tính cục bộ
để sử dụng chuyển tiếp gói tin là bảng chuyển tiếp. Tiến trình xử lý chuyển tiếp là
tiến trình chuyển các gói tin từ các giao diện đầu vào tới các giao diện đầu ra thích
hợp dựa trên các thơng tin trong bảng chuyển tiếp.


Xử lý định tuyến

Cập nhật tuyến
Trao đổi tuiyến với
Các node lân cận

Bảng chuyển tiếp


Trao đổi tuiyến với
Các node lân cận

Tìm kiếm địa chỉ đích

Xử lý chuyển tiếp gói
Các gói tin đến

Các gói tin đi

Hình 2.4: Tiến trình xử lý định tuyến và chuyển tiếp trong bộ định tuyến
2.2.1.1 Tiến trình chuyển tiếp gói tin
Các chức năng của tiến trình chuyển tiếp có thể chia thành hai nhóm: chuyển
tiếp cơ bản và chuyển tiếp phức hợp. Chuyển tiếp cơ bản định nghĩa một tập tối
thiểu các chức năng của bộ định tuyến được cung cấp để truyền các gói tin giữa các
giao diện. Chuyển tiếp phức tạp thể hiện các xử lý phụ của bộ định tuyến nhằm đáp
ứng các yêu cầu riêng của môi trường ứng dụng.
* Các chức năng chuyển tiếp cơ bản
Để chuyển tiếp một gói tin IP từ một giao diện đầu vào tới một giao diện đầu ra,
một bộ định tuyến cần phải thực hiện các chức năng cơ bản sau:
- Xác nhận tiêu đề IP: Tất cả các gói tin tới bộ định tuyến đều được xác nhận
thơng tin thơng qua tiêu đề. Các gói tin có tiêu đề khơng hợp lệ sẽ bị loại bỏ. Các
thông tin cần xác minh như: phiên bản IP, độ dài tiêu đề và tổng độ dài gói.
- Điều khiển thời gian sống gói tin: Các bộ định tuyến thực hiện giảm giá trị
truờng TTL( Time To Live) trong tiêu đề gói tin IP để tránh hiện tượng lặp vòng.


Giá trị lớn nhất của TTL là 255 và sẽ giảm đi 1 khi qua bộ định tuyến, trường TTL =
0 thì gói tin sẽ bị loại bỏ.
- Tính lại tổng độ dài: Sau khi trường TTL thay đổi, tổng độ dài tiêu đề được cập

nhật lại. Thay vì tính tốn lại tồn bộ độ dài tiêu đề, bộ định tuyến chỉ tính tốn độ
lệch tăng của nó vì TTL luôn luôn giảm 1 sau mỗi bước qua bộ định tuyến.
- Tìm kiếm tuyến: Địa chỉ đích của gói tin được sử dụng để tìm kiếm trong bảng
chuyển tiếp nhằm xác định cổng đầu ra. Kết quả của quá trình tìm kiếm chỉ ra một
cổng đầu ra (unicast) hoặc một tập cổng đầu ra (multicast).
- Phân đoạn: Quy trình phân đoạn được thực hiện khi đơn vị truyền lớn nhất MTU
của liên kết cổng đầu ra nhỏ hơn MTU của liên kết cổng đầu vào.
- Xử ký trường tuỳ chọn trong gói tin IP: Trường tuỳ chọn của gói tin IP chỉ ra các
xử lý đặc biệt đối với gói tin tại bộ định tuyến.
* Các chức năng chuyển tiếp phức tạp
Bên cạnh những chức năng chuyển tiếp cơ bản, các chức năng chuyển tiếp phức
tạp được sử dụng để hỗ trợ một số đặc tính đặc biệt của mơi trường ứng dụng như:
Bảo mật, các yêu cầu lưu lượng khác nhau từ người sử dụng và các mức chất lượng
dịch vụ. Các vấn đề trên được chuyển thành các xử lý phụ trợ trong q trình
chuyển tiếp gói tin gồm nhận dạng các yêu cầu, xác định tài nguyên và phân biệt
mức dịch vụ thông qua một số cơ chế sau:
- Phân loại gói: Để phân biệt các gói tin, bộ định tuyến không chỉ xác định trường
địa chỉ IP đích mà cịn xác định một số trường chức năng khác như: địa chỉ nguồn,
địa chỉ đích, cổng nguồn và cổng đích.Tiến trình phân biệt gói tin và ứng dụng các
hoạt động cần thiết với gói tin được gọi là q trình phân loại gói tin.
- Biên dịch gói: trong một số kịch bản kết nối mạng, bộ định tuyến đóng vai trị
như một cổng kết nối giữa mạng riêng và mạng cơng cộng, trên đó hỗ trợ chức năng
biên dịch địa chỉ mạng NAT (Network Address Translation). Chức năng này yêu cầu
bộ định tuyến duy trì một danh sách các host kết nối và địa chỉ cục bộ để chuyển đổi
địa chỉ.
- Sắp xếp thứ tự ưu tiên lưu lượng: Bộ định tuyến có thể được yêu cầu đảm bảo
một số mức chất lượng dịch vụ. Vì vậy, bộ định tuyến cần áp dụng các mức ưu tiên


khác nhau cho các luồng lưu lượng để phù hợp với các yêu cầu cung cấp chất lượng

dịch vụ.
2.2.1.2 Tiến trình xử lý định tuyến
Tiến trình xử lý định tuyến nhằm đảm bảo nội dung của bảng chuyển tiếp phản
ánh chính xác cấu hình mạng phục vụ cho nhiệm vụ chuyển tiếp. Để thực hiện
nhiệm vụ đó, bộ định tuyến gồm một số thành phần và thủ tục xử lý sau:
- Các giao thức định tuyến: Các bộ định tuyến cần thực hiện một số giao thức
định tuyến như OSPF, RIP, BGP để duy trì quan hệ với các bộ định tuyến khác
thơng qua chu trình gửi và nhận thơng tin cập nhật từ các bộ định tuyến kế cận. Sau
khi nhận được các thông tin cập nhật tuyến, bộ định tuyến sửa đổi thông tin trong
bảng chuyển tiếp để chuyển các gói tin tới cổng ra thích hợp theo tình trạng hiện
thời của mạng.
- Cầu hình hệ thống: Người điều hành mạng thực hiện một số nhiệm vụ như cấu
hình giao diện, cài đặt giao thức định tuyến và các luật phân loại gói tin. Vì vậy, các
bộ định tuyến cần thực hiện các chức năng khác nhau như: thêm, sửa đổi, xố các
dữ liệu cấu hình.
- Quản lý bộ định tuyến: Để hỗ trợ thêm nhiệm vụ cấu hình, các bộ định tuyến
được giám sát để hoạt động tốt nhất. Các chức năng này gồm một số chức năng
quản lý khác nhau được thực hiện qua giao thức quản lý.
2.2.2 Lịch sử phát triển cấu trúc bộ định tuyến
2.2.2.1 Cấu trúc bộ định tuyến thế hệ thứ nhất
Bộ định tuyến thế hệ thứ nhất tương đối đơn giản dưới phương diện cấu trúc. Bộ
định tuyến sử dụng Bus truyền thống làm chức năng chuyển tin được điều khiển bởi
một số xử lý tập trung đa chức năng. Ngoài ra cịn có một số khối chức năng như:
bộ đệm tập trung và các card đường truyền đầu vào và đầu ra. Bộ định tuyến nhận
các gói tin tại giao diện và gửi các gói tin này tới bộ xử lý trung tâm CPU (Central
Proccessor Unit). CPU có nhiệm vụ xác định chặng đến tiếp theo của gói tin và gửi
chúng tới giao diện đầu ra tương ứng. Các gói tin đi vào bộ định tuyến phải được
truyền trên cùng một busddeer lập lịch trình tới đầu ra và thường được lưu đệm tại
một bộ nhớ dữ liệu tập trung. Các card giao tiếp đường truyền là các thiết bị mang



tính thụ động vì khơng chứa khả năng xử lý gói. Nhược điểm cơ bản của mơ hình
cấu trúc này là dữ liệu phải đi hai lần qua bus sau khi vào bộ định tuyến và bus chỉ
có thể được sử dụng cho một card đường truyền tại một thời điểm. Một nhược điểm
khác nữa là hệ thống xử lý của bộ định tuyến, với chức năng đa xử lý, CPU sẽ phải
thực hiện rất nhiều công việc gồm cả chức năng định tuyến lẫn chuyển gói, nó tạo ra
một tải trọng lớn cho các bộ xử lý đồng thời tạo ra hiện tượng nghẽn cổ chai tại bộ
định tuyến.

Bộ xử lý
(CPU)

Bộ nhớ

DMA

DMA

DMA

Card đường
dây

Card đường
dây

Card đường
dây

MAC


MAC

MAC

Các
cổng vào
Các cổng
vào/ra

Các cổng vào/ra

Hình 2.5: Cấu trúc bộ định tuyến thế hệ đầu tiên
Hiệu năng của bộ định tuyến thế hệ thứ nhất phụ thuộc rất lớn vào tốc độ bus và
năng lực xử lý của bộ xử lý trung tâm. Cấu trúc này không thể đáp ứng được nhu
cầu lưu lượng ngày càng tăng của các giao diện mạng với tốc độ lên tới nhiều
gigabit.
2.2.2.2 Cấu trúc bộ định tuyến thế hệ thứ hai
Bộ định tuyến thế hệ thứ hai được bổ xung các bộ xử lý ASIC (Application
Specific Integrated Circuit): Mạch tích hợp chuyên dụng và một số bộ nhớ trong
card đường truyền nhằm phân tán hoạt động chuyển gói, giảm lưu lượng tải trên bus
dùng chung. Những thành phần bổ xung này có thể thực hiện tìm kiếm cục bộ tiêu


đề gói tin trong từng card đường truyền để xác định một số thông tin chuyển tiếp và
thực hiện lưu đệm gói tin đến khi bus rỗi. Như vậy, cấu trúc của bộ định tuyến thế
hệ thứ hai này cho phép xử lý sơ bộ gói tin ngay tại các giao diện. Tại phần xử lý,
bộ định tuyến giữ một bảng định tuyến trung tâm và liên kết điều khiển tới các bộ
xử lý vệ tinh nằm tại các giao diện mạng. Nếu một tuyến nối khơng có sẵn trong
bảng lưu đệm thì bộ xử lý cục bộ tại giao diện sẽ yêu cầu tới bảng biên dịch tại

trung tâm. Vì cấu trúc bộ định tuyến thế hệ thứ hai là bước cải tiến của bộ định
tuyến thứ nhất và vẫn sử dụng đường bus là phương tiện chuyển tin nên vẫn tồn tại
một số nhược điểm.
Bộ xử lý
(CPU)

DMA

Bộ nhớ

DMA

DMA

Cache

Cache

Bộ nhớ

Bộ nhớ

Bộ nhớ

MAC

MAC

MAC


Cache

Card
đường dây

Các cổng vào/ra

Các cổng vào/ra

Hình 2.6: Các bộ cấu trúc định tuyến thế hệ thứ hai
Tại tốc độ cao các bộ xử lý trung tâm vẫn xảy ra hiện tượng tắc nghẽn vì có q
nhiều u cầu xử lý tại các giao diện mạng và thời gian xử lý chậm hơn rất nhiều
nếu như dữ liệu này đã được lưu đệm tại card đường dây.
Hạn chế chính của cấu trúc này là lưu lượng phụ thuộc rất lớn vào khả năng xử lý
của CPU và năng lực của Bus. Tuy nhiên, nếu khơng tính đến phương diện giá
thành thiết bị, ta có thể thấy rõ hiệu năng hệ thống sẽ tăng lên cùng với việc tăng


dung lượng bộ nhớ đệm tại các card giao diện và mở rộng kích thước bảng định
tuyến. Một giải pháp khác nhằm phân tán và giảm tốc độ truyền gói tin trên Bus
bằng các khối chuyển gói song song, như vậy cấu trúc này mở rộng được băng
thông của Bus sử dụng chung. Tuy nhiên, cơ chế điều khiển cho các khối chuyển
gói song song sẽ phức tạp hơn so với sử dụng cơ chế gói đơn.
2.2.2.3 Kiến trúc bộ định tuyến thế hệ thứ ba
Để giải quyết vấn đề tắc nghẽn tại bus chuyển gói của các bộ định tuyến thế hệ
thứ hai, thế hệ bộ định tuyến thứ ba được thiết kế với mục tiêu thay thế bus sử dụng
chung bằng trường chuyển mạch. Các thiết kế cho bộ định tuyến thế hệ thứ ba nhằm
giải quyết 3 hạn chế tiềm tàng trước đây gồm: Năng lực xử lý, kích thước bộ nhớ
và băng thơng của phương tiện chuyển mạch. Cả 3 vấn đề này đều có thể tránh được
bằng cách sử dụng một cấu trúc với nền tảng là ma trận chuyển mạch và các giao

diện được thiết kế hợp lý.
Hình 2.7 chỉ ra cấu trúc thơng dụng nhất của bộ định tuyến thế hệ thứ ba, bộ
định tuyến được chia thành hai mặt bằng xử lý riêng biệt: Mặt bằng định tuyến gồm
bộ xử lý, bộ nhớ điều hành và cơ sở dữ liệu sử dụng cho các giao thức định tuyến;
mặt bằng chuyển tiếp gói tin được xây dựng trên cơ sở ma trận chuyển mạch gói và
được điều khiển trực tiếp bởi bảng thơng tin chuyển tiếp gói tin. Một bước tiến quan
trọng trong bộ xây dựng định tuyến hiệu năng cao là tăng cường xử lý cho từng giao
diện mạng để giảm thiểu khối lượng xử lý và nguồn tài nguyên bộ nhớ của bộ định
tuyến.


Mặt bằng định tuyến

Phần mềm định tuyến

Bộ xử lý
CPU

Bộ nhớ

Bảng định tuyến

Cơ cấc xử lý gói
Bảng chuyển gói
Cổng vào/ra

Cổng vào /ra
Card đường
truyền


Ma trận chuyển mạch

Card đường
truyền

Mặt bằng chuyển tiếp

Hình 2.7: Cấu trúc bộ định tuyến thế hệ thứ ba
Các bộ xử lý đa năng và các mạch tích hợp đặc biệt hồn tồn có thể giải quyết
được vấn đề này. Tuy nhiên, khả năng xử lý tổng thể cho các gói tin qua hệ thống
như thế nào cịn phụ thuộc vào khả năng tìm và chọn tuyến, cũng như kiến trúc
trường chuyển mạch được lựa chọn.
2.2.3 Các kiểu bộ định tuyến ứng dụng
Các bộ định tuyến có thể có độ phức tạp rất khác nhau tuỳ thuộc vào phạm vi
ứng dụng và môi trường phát triển. Thông thường, các bộ định tuyến thương mại
được phân chia thành ba kiểu bộ định tuyến: Các bộ định tuyến lõi, các bộ định
tuyến biên và các bộ định tuyến cho các vùng riêng.
Cổng vào/ra
2.2.3.1 Bộ định tuyến lõi

Cổng vào/ra


Các bộ định tuyến lõi được sử dụng bởi các nhà cung cấp dịch vụ để kết nối một
số lượng lớn các mạng nhỏ của người sử dụng. Lưu lượng tới các bộ định tuyến lõi
là rất lớn và thường được tập hợp trước, vì vậy các yêu cầu cơ bản của bộ định
tuyến lõi là phải có khả năng chuyển mạch tốc độ cao và độ tin cậy lớn. Tốc độ
chuyển mạch tại các bộ định tuyến lõi thường bị hạn chế bởi thời gian tìm kiếm
tuyến trong bảng chuyển tiếp, khi nhận được một gói tin tại cổng đầu vào, các
khoản mục trong bảng định tuyến cần phải được tìm kiếm để xác định tiền tố thích

hợp dài nhất. Tiền tố thể hiện mạng đích IP mà gói tin sẽ tới và sử dụng để xác định
giao diện ra. Để đáp ứng được nhu cầu tăng rất mạnh của lưu lượng trong mạng lõi,
các thuật toán đặc biệt cải thiện phần cứng được yêu cầu để quá trình tìm kiếm
nhanh và hiệu quả. Độ tin cậy của bộ định tuyến phụ thuộc vào độ tin cậy các thành
phần vật lý như các card đường dây, trường chuyển mạch, các bộ xử lý và các phần
mềm xử lý. Độ tin cậy trong các hệ thống định tuyến thường được cải thiện thông
qua giải pháp trang bị kép.
2.2.3.2 Bộ định tuyến biên
Các bộ định tuyên biên còn được gọi là các bộ định tuyến truy nhập, được triển
khai tại biên các mạng cung cấp dịch vụ cho các kết nối từ mạng lõi tới mạng khách
hàng. Các bộ định tuyến biên cần phải có giao diện mở để đáp ứng nhiều cơng nghệ
truy cập khác nhau và có khả năng tập hợp hơn nhiều luồng lưu lượng từ phía khách
hàng để đưa tới mạng lõi. Mặt khác các bộ định tuyến biên phải được hỗ trợ nhiều
giao thức cho mạng khách hàng để đáp ứng các dạng kết nối khác nhau.
2.2.3.3 Bộ định tuyến xí nghiệp
Mạng xí nghiệp kết nối các hệ thống kết cuối tại cơng ty, xí nghiệp hay các
trường đại học, các yêu cầu cơ bản của bộ định tuyến xí nghiệp cung cấp các kết nối
số lượng lớn hệ thống đầu cuối. Hơn nữa, các bộ định tuyến này thường được yêu
cầc cung cấp chất lượng dịch vụ phân biệt cho các thành phần riêng của mạng xí
nghiệp. Một mạng xí nghiệp điển hình thường được chia thành các phân đoạn
Ethernet và kết nối qua các thiết bị như Hub, cầu hay chuyển mạch lớp 2, các dạng
mạng này có kết nối mềm dẻo nhằm đáp ứng được sự tuỳ biến của khách hàng.
Ngoài yêu cầu của các kết nối cơ bản, một số yêu cầu như khả năng hỗ trợ kết nối


đa phương tiện hoặc quảng bá, đa dạng kết nối với các thiết bị trong mạng xí nghiệp
hay hỗ trợ các giải pháp bảo mật là các yêu cầu của bộ định tuyến xí nghiệp.
2.2.4 Các phần tử của bộ định tuyến
Từ khía cạnh chức năng, bộ định tuyến được xem như một tập hợp các mơ đun, trong đó thực hiện một tập các chức năng liên quan tới nhau. Một bộ định
tuyến điển hình gồm 6 mơ – đun chức năng như chỉ ra trên hình dưới đây.

- Các giao diện mạng: Một giao diện mạng có thể chứa nhiều cổng để cung cấp
các dạng kết nối tới các liên kết mạng. Một kết cuối cổng là một liên kết vật lý tại
bộ định tuyến và phục vụ như một điểm vào và ra cho các gói tin. Cổng đặc trưng
cho một kiểu phương tiện vật lý của liên kết và hỗ trợ một số chức năng như: tương
thích với các giao thức lớp 2, xử lý thơng tin lớp 2/3 và đóng gói thơng tin trong tiêu
đề lớp 2.
- Các cơ chế chuyển tiếp: Chịu trách nhiệm cho các chỉ định giao diện nào sẽ
chuyển tiếp gói tin tới. Khi một cổng nhận một gói tin mới, giao diện mạng tách các
tiêu đề lớp 2 và gửi thơng tin tiêu đề lớp 3 hoặc tồn bộ gói tin tới cơ chế chuyển
tiếp. Cơ chế chuyển tiếp gồm một bảng thông tin chuyển tiếp chứa các thông tin về
giao diện ra của bộ định tuyến. Các thuật toán tìm kiếm tuyến có thể được thực hiện
trong các phần cứng hoặc phần mềm chuyển tiếp. Để hỗ trợ QoS, cơ chế chuyển
tiếp có chức năng phân loại gói thành các lớp dịch vụ định trước.
- Quản lý lưu lượng: Thành phần này cung cấp các bộ đệm để lưu trữ tạm thời các
gói tin khi xảy ra tắc nghẽn tại đầu ra. Khi hàng đợi tràn do tắc nghẽn trong mạng,
quản lý lưu lượng lựa chọn các gói tin sẽ loại bỏ. Như vậy, quản lý lưu lượng được
sử dụng để quản lý hàng đợi và thực hiện các chính sách cho các gói tin.
- Trường chuyển mạch: Trường chuyển mạch cung cấp các đầu nối cho các giao
diện mạng đầu vào tới giao diện mạng đầu ra. Trong bộ định tuyến thế hệ 1 và 2,
thành phần này được thay thế bằng bus, trong các bộ định tuyến thế hệ 3 được thay
thế bằng các ma trận chuyển mạch. Tổng số băng thông trên tất cả các giao diện gắn
tới bộ định tuyến được coi là băng thông yêu cầu của trường chuyển mạch.


Card xử lý định tuyến

Bộ xử lý điều khiển
tuyến

Bảng định

tuyến

Bộ nhớ

Card đường dây

Giao diện
mạng(OUT)

Giao diện
mạng(IN)

Quản lý
lưu
lượng

Bộ nhớ đệm

Card đường dây

Quản lý
hàng
đợi

Quản lý
hàng
đợi

Bảng
chuyển

tiếp

Bảng
chuyển
tiếp

Cơ cấu chuyển tiếp

Quản lý
lưu
lượng

Bộ nhớ đệm

Giao diện
mạng(OUT)

Giao diện
mạng(IN)

Cơ cấu chuyển tiếp

Card chuyển mạch

Hình 2.8: Các khối chức năng của bộ định tuyến thực tế
- Bộ xử lý điều khiển tuyến: Bộ xử lý điều khiển chịu trách nhiệm chấp hành và thực
thi các giao thức định tuyến. Nó duy trì bảng định tuyến thơng qua các q trình cập
nhật thông tin đinh tuyến. Dựa trên nội dung của các định tuyến, bảng chuyển tiếp
được tính tốn và cập nhật. Thêm vào đó là các chức năng cấu hình và quản lý bộ
đinh tuyến. Bộ xử lý điều khiển tuyến thực hiện các hoạt động phức tạp như xử lý

lỗi trong q trình xử lý gói tin.
2.3 KIẾN TRÚC TRƯỜNG CHUYỂN MẠCH GÓI
2.3.1 Phân loại kiến trúc trường chuyển mạch gói
Các thế hệ bộ định tuyến khơng sử dụng trường chuyển mạch trong mặt bằng
trường chuyển tiếp gặp rất nhiều trở ngại khi xử lý tốc độ cao, vì các giới hạn của
bộ xử lý về mặt tốc độ, kiến trúc không phân tán chức năng và được coi như là một


kiểu chuyển mạch phân chia thời gian, nên hầu hết các bộ định tuyến tốc độ cao
hiện nay đều sử dụng trường chuyển mạch khơng gian.
Các trường chuyển mạch gói có khả năng lưu đệm và chuyển tiếp các gói tin có
độ dài thay đổi hoặc cố định, nên chiến lược sử dụng bộ đệm phải phù hợp với kiến
trúc của trường chuyển mạch, các bộ đệm có thể được bố trí tại đầu vào, đầu ra hoặc
trung tâm trường chuyển mạch.

Trường chuyển mạch gói

Phân chia thời gian Phân chia không gian

Đơn đường
Chia sẻ
phương tiện

Đa đường

Chia sẻ
bộ nhớ

Crossbar Kết nối
đủ


Banyan Banyan
mở rộng

Clos Đa mặt Quay vịng

Hình 2.9: Phân loại các kiến trúc trường chuyển mạch gói
Dựa trên kỹ thuật chuyển mạch các trường chuyển mạch gói được phân chia
thành 2 nhóm tương tự như trong kỹ thuật chuyển mạch kênh: Chuyển mạch phân
chia theo thời gian và chuyển mạch phân chia theo không gian. Chuyển mạch phân
chia theo thời gian chia thành 2 kiểu: Chia sẻ bộ nhớ và chia sẻ phương tiện; chuyển
mạch phân chia theo không gian chia thành 2 nhánh chính: Chuyển mạch đơn
đường và chuyển mạch đa đường.
2.3.2 Chuyển mạch phân chia theo thời gian
Cấu trúc chuyển mạch phân chia theo thời gian (TDS) được nhìn nhận như một
cấu trúc truyền thông đơn chia sẻ tài nguyên cho các gói tin vào/ra hệ thống. Thành
phần chia sẻ tài ngun này có thể là bus, mạch vịng Ring hoặc bộ nhớ. Nhược
điểm lớn nhất của kỹ thuật này là giới hạn dung lượng của cấu trúc truyền thông


nội. Tuy nhiên, các cấu trúc này có thể dễ dàng mở rộng để hỗ trợ chứa các điều
hành kết nối đa hướng. Một số bộ định tuyến thuộc vùng mạng truy nhập sử dụng
kiến trúc này và thuộc về các thế hệ đầu và thế hệ 2 của bộ định tuyến.
2.3.2.1 Chuyển mạch chia sẻ phương tiện
Trong chuyển mạch chia sẻ phương tiện, các gói tin tại cổng vào được ghép kênh
theo tthời gian và chuyển trên phương tiện (bus hoặc mạch vịng ring). Độ thơng
qua của các mạch chia sẻ này quyết định năng lực của toàn bộ chuyển mạch.
Để thực hiện chuyển mạch qua phương tiện sử dụng chung, trường chuyển mạch
được điều khiển bởi khối logic điều khiển bus. Truy nhập phương tiện dùng chung
được điều khiển theo một trong các phương pháp sau:

Điều khiển tập trung sử dụng thẻ: Trung tâm điều khiển đặt các thẻ tại mỗi giao
diện đầu vào để gán cho mỗi gói đã được nhận tại cổng đầu vào mà chưa thể chuyển
tới cống đầu ra yêu cầu. Nếu một gói tin hiện diện tại đầu ra bộ đệm của giao diện
vào, nó sẽ được truyền qua bus chia sẻ tới cổng tương ứng. Sau khi quá trình kết
thúc, bộ điều khiển tiếp tục thực hiện chu kỳ cấp thẻ mới.
Điều khiển phân tán sử dụng báo hiệu giữa các cổng đầu vào và đầu ra: Giao
diện đầu vào xử lý các gói tin đến để tìm cổng đầu ra và tạo ra một yêu cầu tới cổng
đầu ra tương ứng. Khi cổng đầu ra chấp nhận gói tin và bus lỗi, một tín hiệu báo
hiệu được phản hồi lại cổng đầu vào và sau đó gói tin được truyền qua bus chia sẻ
phương tiện. Phương pháp điều khiển này rất phù hợp với các mạng có các gói tin
đến khơng theo quy luật và kích thước gói tin biến đổi. Bộ định tuyến thế hệ hai
thường sử dụng phương pháp biến đổi này.
Điều khiển phân tán đồng bộ sử dụng bus ghép kênh phân chia theo thời gian:
Phương pháp điều khiển này thích hợp với các chuyển mạch tế bào phân chia thời
gian. Với một trường chuyển mạch có kích thước NxN, thời gian trên bus được chia
thành N khe thời gian. Mỗi khe thời gian được chỉ định cho một cổng đầu vào, gói
tin được truyền qua bus tới tất cả các cổng đầu ra và được lọc bởi bộ lọc địa chỉ
AF( Address Filter) để tới cổng đầu ra thích hợp.
Hình 2.10 các cổng đầu ra được gắn trực tiếp với bộ lọc địa chỉ AF và bộ đệm
FIFO(First In First Out). AF xác định địa chỉ của các cổng đầu vào và lọc các địa


chỉ có đầu ra tương ứng trên cổng đầu ra. Các bộ lọc địa chỉ và các bộ đệm trên các
cổng đầu ra hoạt động độc lập và có thể thiết kế riêng biệt nhằm tăng hiệu quả xử lý

BUS chia thời gian

gói tin.

Giao diện vào


Giao diện ra

AF

S/P

FIFO

Giao diện vào

Giao diện ra
AF

S/P

S/P

FIFO

S/P

Cổng
vào

Cổng ra
(N)

(N)
Giao diện vào


Giao diện ra

AF

S/P

Logic điều khiển
BUS

FIFO

S/P


Hình 2.10: Cấu trúc trường chuyển mạch chia sẻ phương tiện
Điều bất lợi lớn nhất của kiến trúc này là dung lượng trường chuyển mạch bị
giới hạn bởi tốc độ bộ nhớ. Trong thực tế, khi tất cả N gói đầu vào đều cùng ra một
cổng đầu ra. Các bộ đệm đầu ra khơng thể lưu tồn bộ N gói tin trong một khe thời
gian nếu trường chuyển mạch có kích thước lớn và tốc độ đầu vào quá cao. Việc
thiếu bộ nhớ đệm sẽ gây tắc nghẽn cục bộ tại đầu ra và các gói sẽ bị tổn thất trong
khi đó các bộ nhớ tại các cổng khác có thể cịn trống mà khơng được sử dụng.
Giả thiết thời gian cần thiết để một gói chuyển qua trường chuyển mạch là t p và
thời gian truy nhập bộ nhớ là tm, số lượng cổng chuyển mạch N có thể tính theo
cơng thức sau:
(N+1) 

tp
tm


Ví dụ, khe thời gian cần thiết để chuyển một gói tin p s = 64 byte tại giao diện có tốc
độ  = 10Gbit/s là:
tp

=

Ps



=

64 X 8(bit )
= 51,2ns
10 X 109 (bit / s)

Nếu thời gian truy nhập bộ nhớ tm = 4ns, thì tổng số cổng sẽ là

51,2
-1 11 cổng
4

2.3.2.2 Chuyển mạch chia sẻ bộ nhớ
Cấu trúc chia sẻ bộ nhớ trong hình 2.11, các gói tin được ghép theo thời gian
thành một luồng dữ liệu đơn và chuyển tuần tự vào bộ nhớ chia sẻ. Địa chỉ cung cấp
cho các gói tin ghi vào và đọc ra được điều khiển bởi mô – đun điều khiển theo các
thơng tin trong tiêu đề gói tin.
Ưu điểm của kiểu trường chuyển mạch chia sẻ bộ nhớ này là có thể tối ưu được
bộ nhớ khi chia sẻ tài ngun. Kích cỡ của bộ nhớ có thể đặt phù hợp với yêu cầu để
giữ tỉ lệ mất mát gói tin dưới một giá trị chọn trước. Tuy nhiên, nhược điểm chính

cũng nảy sinh từ vấn đề lựa chọn kích cỡ bộ nhớ này, khi bộ nhớ phải duy trì một
khơng gian tối thiểu đồng thời phải mềm dẻo để đáp ứng sự bùng nổ của lưu lượng.
Bộ nhớ chia sẻ là bộ nhớ gồm 2 cổng (kép), cổng ghi cho các giao diện đầu vào
và cổng đọc cho các giao diện đầu ra. Mặt khác, bộ nhớ chia sẻ được tổ chức thành