Bài giảng Mạng chuyển mạch (Circuit switching)

Chương 5: Mạng chuyển mạch mạch (Circuit switching Bùi Văn Hiếu bvhieu@cse.hcmut.edu.vn Bộ môn Kỹ thuật máy tính Khoa Khoa học và Kỹ thuật Máy tính Trang Nội dung  Giới thiệu mạng chuyển mạch mạch  Điều khiển tín hiệu  Hệ thống điều khiển tín hiệu SS7 Bộ môn Kỹ thuật máy tính Khoa Khoa học và Kỹ thuật Máy tính Trang Nội dung  Giới thiệu mạng chuyển mạch mạch  Điều khiển tín hiệu  Hệ thống điều khiển tín hiệu SS7 Bộ môn Kỹ thuật máy tính Khoa Khoa học và Kỹ thuật Máy tính Trang Mạng chuyển mạch  Truyền dẫn khoảng cách xa thường truyền qua một mạng các node trung gian (node chuyển mạch)  Các node không quan tâm đến nội dung dữ liệu được truyền  Chức năng của các node là cung cấp khả năng chuyển mạch  Dữ liệu được truyền node này sang node khác cho đến khi đến đích Bộ môn Kỹ thuật máy tính Khoa Khoa học và Kỹ thuật Máy tính Trang Một số khái niệm  Trạm (station): thiết bị đầu cuối muốn giao tiếp (máy tính, điện thoại ...)  Node mạng: thiết bị cung cấp chức năng chuyển mạch  Các node có thể chỉ kết nối với các node khác hoặc kết nối với các trạm và các node khác  Kết nối từ node này đến node khác thông thường được dồn kênh (FDM hoặc TDM)  Giữa hai node có thể không có kết nối trực tiếp nhưng luôn có ít nhất hai đường kết nối (tăng độ tin cậy) Bộ môn Kỹ thuật máy tính Khoa Khoa học và Kỹ thuật Máy tính Trang Ví dụ mạng chuyển mạch B A E F C D 1 4 5 2 3 6 7 Personal computer Personal computer Mainframe Switching Node Personal computer Personal computer Server Figure 10.1 Simple Switching Network Bộ môn Kỹ thuật máy tính Khoa Khoa học và Kỹ thuật Máy tính Trang Mạng chuyển mạch mạch  Là mạng chuyển mạch  Có một đường truyền dành riêng cho hai trạm  Kênh truyền được dành riêng chứ không phải đường vật lý được dành riêng Bộ môn Kỹ thuật máy tính Khoa Khoa học và Kỹ thuật Máy tính Trang Quá trình giao tiếp  3 giai đoạn  Tạo kết nối  Tạo đường dành riêng cho hai trạm  Truyền dữ liệu  Dữ liệu có thể số hay tương tự tùy thuộc vào mạng  Ngắt kết nối Bộ môn Kỹ thuật máy tính Khoa Khoa học và Kỹ thuật Máy tính Trang Ứng dụng  PBX (Private Branch Exchange)  Cung cấp khả năng trao đổi điện thoại giữa các máy trong cùng công ty hay tổ chức (buildings, clusters,...)  Cung cấp khả năng kết nối đến mạng điện thoại công cộng  Mạng kết nối riêng (Private Wire Area Network)  Cung cấp khả kết nối giữa các sites khác nhau  Thông thường dùng để kết nối các PBX thuộc cùng một công ty hay tổ chức lại với nhau Bộ môn Kỹ thuật máy tính Khoa Khoa học và Kỹ thuật Máy tính Trang Ứng dụng (tt)  Mạng điện thoại công cộng (Public Telephone Network)  Tập hợp các mạng quốc gia kết nối hình thành mạng quốc tế  Được thiết kế hướng tới truyền dữ liệu thoại Bộ môn Kỹ thuật máy tính Khoa Khoa học và Kỹ thuật Máy tính Trang Thành phần mạng điện thoại công cộng  Thuê bao (subscriber)  Thiết bị kết nối vào mạng (vd: điện thoại)  Kết nối cục bộ (local loop, subscriber loop)  Đường kết nối giữa thuê bao và mạng  Bộ trao đổi (exchange)  Trung tâm chuyển mạch  Bộ chuyển mạch kết nối trực tiếp với thuê bao gọi là end office  Trung kế (trunk)  Đường kết nối giữa các bộ trao đổi Bộ môn Kỹ thuật máy tính Khoa Khoa học và Kỹ thuật Máy tính Trang Ví dụ End Office Subscriber Loop Connecting Trunk Connecting Trunk Intercity Trunk Long-distance office Long-distance office End Office Digital PBX Figure 10.2 Example Connection Over a Public Circuit-Switching Network Bộ môn Kỹ thuật máy tính Khoa Khoa học và Kỹ thuật Máy tính Trang Kết nối mạch Figure 10.3 Circuit Establishment a b c d Trunk Trunk End office End office Intermediate exchange Bộ môn Kỹ thuật máy tính Khoa Khoa học và Kỹ thuật Máy tính Trang Phần tử chuyển mạch  Chuyển mạch số (digital switching)  Cung cấp đường truyền “trong suốt” giữa hai đường bất kì  Giao tiếp mạng (network interface)  Phần cứng để kết nối với các thiết bị  Đơn vị điều khiển (control unit)  Tạo kết nối  Duy trì kết nối  Ngắt kết nối Control Unit Network Interface F u ll -d u p le x l in es to a tt a ch ed d ev ic es Figure 10.4 Elements of a Circuit-Switch Node Digital Switch Bộ môn Kỹ thuật máy tính Khoa Khoa học và Kỹ thuật Máy tính Trang Blocking or Non-Blocking  Blocking  Mạng không thể kết nối các trạm vì tất cả các đường giữa hai trạm đều không thể sử dụng  Mạng bị nghẽn  Được dùng trong các hệ thống thoại  Non-blocking  Cho phép tất cả các trạm đều được kết nối cùng lúc  Được dùng cho các kết nối dữ liệu Bộ môn Kỹ thuật máy tính Khoa Khoa học và Kỹ thuật Máy tính Trang Chuyển mạch không gian  Được phát triển cho môi trường tương tự  Đường kết nối riêng biệt một cách vật lý  Phân loại  Chuyển mạch không gian một tầng  Chuyển mạch không gian đa tầng Bộ môn Kỹ thuật máy tính Khoa Khoa học và Kỹ thuật Máy tính Trang Chuyển mạch không gian một tầng N inputs M outputs N inputs/outputs N>M: concentration N=M: distribution N<M: expansion Crossbar matrix Triangular switch Bộ môn Kỹ thuật máy tính Khoa Khoa học và Kỹ thuật Máy tính Trang Chuyển mạch không gian một tầng  Nhận xét  Số điểm kết nối tỉ lệ với bình phương số trạm  Việc mất các điểm kết nối dẫn tới việc không có khả năng kết nối qua điểm đó  Hiệu suất sử dụng của các điểm kết nối kém  Khi tất cả các trạm được kết nối, chỉ có vài điểm kết nối được dùng  Non-blocking Bộ môn Kỹ thuật máy tính Khoa Khoa học và Kỹ thuật Máy tính Trang Bộ chuyển mạch 3 tầng Bộ môn Kỹ thuật máy tính Khoa Khoa học và Kỹ thuật Máy tính Trang Chuyển mạch không gian đa tầng  Giảm số điểm kết nối  Gia tăng hiệu suất sử dụng  Nhiều đường kết nối qua mạng giữa 2 trạm  Độ tin cậy gia tăng  Điều khiển phức tạp  Trì hoãn khi tín hiệu truyền qua chuyển mạch gia tăng, tỷ lệ với số tầng của chuyển mạch  Có khả năng blocking Bộ môn Kỹ thuật máy tính Khoa Khoa học và Kỹ thuật Máy tính Trang Chuyển mạch thời gian  Chia nhỏ các dòng dữ liệu tốc độ thấp để dùng chung một đường truyền số liệu tốc độ cao  Các gói nhỏ được điều khiển bởi một bộ điều khiển logic để truyền từ input đến output  Các loại chuyển mạch theo thời gian  Time-division Multiplexing BUS (TDM BUS)  Time Slot Interchange (TSI) Bộ môn Kỹ thuật máy tính Khoa Khoa học và Kỹ thuật Máy tính Trang Time–Division Multiplexing Bus  Một trong những dạng chuyển mạch theo thời gian đơn giản nhất  Dựa trên nguyên lý của TDM đồng bộ  Tất cả các đường truyền (I/O) được nối vào một Bus chung  Một kết nối được thiết lập giữa hai đường truyền (I/O) bằng cách gán một time slot Bộ môn Kỹ thuật máy tính Khoa Khoa học và Kỹ thuật Máy tính Trang Time–Division Multiplexing Bus N inputs N outputs 1n…1 frame Synchronous Time Division Multiplexing Bộ môn Kỹ thuật máy tính Khoa Khoa học và Kỹ thuật Máy tính Trang Time Slot Interchange  Tất cả các đường (I/O) được nối đến một bộ phân hợp kênh (MUX/DEMUX) dùng kỹ thuật bất đồng bộ theo thời gian  Một kết nối được thiết lập bằng cách hoán chuyển các time slot trong frame  Thường được dùng làm phần tử chuyển mạch cơ bản (building block) trong các cơ chế chuyển mạch theo thời gian đa tầng (multi-stage) I J K L I J K L Ia J b I b J a TSI Bộ môn Kỹ thuật máy tính Khoa Khoa học và Kỹ thuật Máy tính Trang Nội dung  Giới thiệu mạng chuyển mạch mạch  Điều khiển tín hiệu (control signalling)  Hệ thống điều khiển tín hiệu SS7 Bộ môn Kỹ thuật máy tính Khoa Khoa học và Kỹ thuật Máy tính Trang Điều khiển tín hiệu là gì?  Điều khiển tín hiệu là các phương tiện  Mạng dùng chúng để quản lý  Các cuộc gọi được tạo, duy trì và kết thúc Bộ môn Kỹ thuật máy tính Khoa Khoa học và Kỹ thuật Máy tính Trang Chức năng  Âm báo cho thuê bao: tín hiệu quay số, tín hiệu báo bận...  Truyền số cần gọi cho trung tâm chuyển mạch  Truyền thông tin giữa các chuyển mạch thông tin về cuộc gọi: được thiết lập, không được thiết lập, kết thúc...  Tín hiệu làm điện thoại rung chuông  Truyền thông tin cho tín cước  Truyền thông tin tình trạng của thuê bao, chuyển mạch  Truyền thông tin để xác định và cô lập hệ thống bị hỏng Bộ môn Kỹ thuật máy tính Khoa Khoa học và Kỹ thuật Máy tính Trang Ví dụ Bộ môn Kỹ thuật máy tính Khoa Khoa học và Kỹ thuật Máy tính Trang Phân loại chức năng  Giám sát (Supervisory)  Điều khiển quá trình sử dụng tài nguyên (khởi động và thiết lập cuộc gọi, kết thúc cuộc gọi, ...).  Giám sát thông tin liên quan đến trạng thái của các cuộc gọi (cuộc gọi không thành công, cuộc gọi kết thúc, tín hiệu rung chuông)  Địa chỉ (Address)  Cung cấp cơ chế để phân biệt giữa các thuê bao: số điện thoại, mã vùng, mã quốc gia,…  Thông tin cuộc gọi  Âm nghe được báo cho thuê bao thông tin về tình trạng của cuộc gọi  Quản trị mạng  Dùng để duy trì hoạt động, phát hiện lỗi Bộ môn Kỹ thuật máy tính Khoa Khoa học và Kỹ thuật Máy tính Trang Vị trí của điều khiển tín hiệu  Điều khiển tín hiệu giữa thuê bao và mạng  Điều khiển tín hiệu bên trong mạng Bộ môn Kỹ thuật máy tính Khoa Khoa học và Kỹ thuật Máy tính Trang Kỹ thuật điều khiển tín hiệu  Inchannel Signaling  Dùng chung kênh truyền cho tín hiệu điều khiển và cuộc gọi  Không đòi hỏi thêm phương tiện truyền dẫn  Inband  Các tín hiệu điều khiển có cùng tần số với tín hiệu thoại  Có thể truyền đi bất cứ đâu mà tín hiệu thoại đi đến  Không thể thiết lập cuộc gọi trên đường truyền thoại hỏng/có lỗi  Out-of-band  Dựa trên đặc điểm tín hiệu thoại không dùng hết băng thông 4kHz cấp cho nó  Phần băng thông hẹp riêng biệt được dùng cho tín hiệu điều khiển  Có thể được truyền tín hiệu điều khiển liên tục  Cần thêm thiết bị để xử lý  Tốc độ tín hiệu điều khiển chậm (băng thông nhỏ) Bộ môn Kỹ thuật máy tính Khoa Khoa học và Kỹ thuật Máy tính Trang Kỹ thuật điều khiển tín hiệu  Common Channel Signaling  Các tín hiệu điều khiển được truyền trên kênh truyền độc lập với kênh truyền thoại  Một kênh tín hiệu điều khiển chung cho một số kênh thuê bao  Associated Mode  Kênh tín hiệu chung đi kèm với đường trung kế liên kết các bộ chuyển mạch  Disassociated Mode  Kênh tín hiệu có thể đi khác với kênh thoại  Phức tạp và mạnh hơn  Cần các node phụ (các điểm trung chuyển tín hiệu)  Thực chất là 2 mạng riêng biệt Bộ môn Kỹ thuật máy tính Khoa Khoa học và Kỹ thuật Máy tính Trang Common vs. In Channel Signaling Bộ môn Kỹ thuật máy tính Khoa Khoa học và Kỹ thuật Máy tính Trang Cấu hình "common – channel" Bộ môn Kỹ thuật máy tính Khoa Khoa học và Kỹ thuật Máy tính Trang Nội dung  Giới thiệu mạng chuyển mạch mạch  Điều khiển tín hiệu  Hệ thống điều khiển tín hiệu SS7 Bộ môn Kỹ thuật máy tính Khoa Khoa học và Kỹ thuật Máy tính Trang Hệ thống điều khiển tín hiệu số 7  Signaling System Number 7 (SS7)  Cơ chế kênh tín hiệu điều khiển chung  Được thiết kế chuyên biệt cho ISDN  Được tối ưu cho mạng các kênh truyền số 64kbps  Dùng để điều khiển cuộc gọi, điều khiển từ xa, quản lý và bảo trì hệ thống  Cung cấp một phương tiện tin cậy: trao đổi thông tin theo thứ tự, không mất, không trùng lặp  Có thể hoạt động trên kênh truyền tương tự và tốc độ dưới 64kbps  Có thể dùng cho liên kết vi ba điểm-điểm mặt đất và các liên kết vệ tinh Bộ môn Kỹ thuật máy tính Khoa Khoa học và Kỹ thuật Máy tính Trang Các phần tử  Điểm điều khiển tín hiệu (Signaling point – SP)  Bất kỳ điểm nào trong mạng có khả năng xử lý các thông báo điều khiển của SS7  Thuê bao, trung tâm điều khiển mạng...  Điểm trao đổi tín hiệu (Signal transfer point – STP)  Là một SP có khả năng tìm đường cho các thông báo điều khiển  Một node chỉ thực hiện chuyển mạch hoặc thể gồm cả xử lý các thông báo Bộ môn Kỹ thuật máy tính Khoa Khoa học và Kỹ thuật Máy tính Trang Mô hình SS7  Control plane  Chịu trách nhiệm tạo và duy trì kết nối  Information plane  Một khi kết nối đã được tạo, thông tin sẽ được truyền trên “information plane” STP STP STP STP SPUser Control Plane User SP SP SP SP SP SP LEUser Information Plane User LE TC Figure 10.9 SS7 Signaling and Information Transfer Points TC TC LE LE STP = Signaling transfer point SP = Signaling point TC = Transit center LE = Local Exchange STP STP STP STP SPUser Control Plane User SP SP SP SP SP SP LEUser Information Plane User LE TC Figure 10.9 SS7 Signaling and Information Transfer Points TC TC LE LE STP = Signaling transfer point SP = Signaling point TC = Transit center LE = Local Exchange Bộ môn Kỹ thuật máy tính Khoa Khoa học và Kỹ thuật Máy tính Trang Yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc  Khả năng của STP  Số liên kết điều khiển có khả năng xử lý  Thời gian truyền thông báo  Khả năng truyền thông tin (throughput capacity)  Hiệu suất mạng  Số lượng SP  Thời gian trễ điều khiển tín hiệu  Khả năng và độ tin cậy  Khả năng của mạng trong việc cung cấp các dịch vụ khi các STP bị hư/không sẵn sàng