Tập 1. KỸ THUẬT CHUYỂN MẠCH CƠ BẢN

LỜI NÓI ĐẦU

Với phương pháp tiếp cận từ các giải pháp kỹ thuật cơ bản tới các giải pháp công nghệ, “Giáo trình Cơ sở kỹ thuật chuyển mạch” cung cấp tới sinh viên chuyên ngành Viễn thông, Công nghệ thông tin, Điện-Điện tử các kiến thức cơ sở của lĩnh vực chuyển mạch, hệ thống hóa kiến thức cho sinh viên tiếp cận các giải pháp kỹ thuật và công nghệ chuyển mạch mới một cách tốt nhất, làm tiền đề cho các môn học tiếp theo. Giáo trình gồm 5 chương:

Chương 1: Trình bày các khái niệm và lý thuyết cơ bản của kỹ thuật chuyển mạch, một số mô hình toán học cơ sở ứng dụng trong kỹ thuật chuyển mạch và xu hướng phát triển của công nghệ mạng trong những năm gần đây.

Chương 2: Tóm tắt các vấn đề cốt lõi của kỹ thuật chuyển mạch kênh bao gồm các nguyên lý chuyển mạch cơ bản, các hình thái kết nối trường chuyển mạch và điều khiển kết nối thông tin qua trường chuyển mạch.

Chương 3: Trình bày kỹ thuật và nguyên tắc của chuyển mạch gói liên quan tới các vấn đề phức tạp như các kỹ thuật định tuyến, các giao thức định tuyến và báo hiệu đảm bảo chất lượng dịch vụ. Chương này còn đưa ra một số vấn đề mở và xu hướng phát triển của kỹ thuật chuyển mạch gói trong tương lai.

Chương 4: Tập trung vào các giải pháp công nghệ chuyển mạch tiên tiến được phát triển trên cơ sở công nghệ IP/ATM; công nghệ MPLS là hạ tầng chuyển mạch cho mạng NGN với kỹ thuật định tuyến và báo hiệu đã ngày càng đáp ứng được yêu cầu chất lượng dịch vụ trên mạng viễn thông

Chương 5: Trình bày một số vấn đề liên quan đến kỹ thuật chuyển mạch dưới góc độ điều khiển và báo hiệu – Kỹ thuật chuyển mạch mềm. Các giải pháp và mô hình kết nối trong mạng thế hệ sau được trình bày

nhằm làm rõ vai trò quan trọng của chuyển mạch mềm trong mạng hội tụ hiện nay và các thách thức cần phải vượt qua. Một số mô hình ứng dụng chuyển mạch mềm cũng được đưa ra nhằm giúp bạn đọc tiếp cận tới một số giải pháp công nghệ tiên tiến đang được ứng dụng và triển khai trên mạng viễn thông.

Kỹ thuật chuyển mạch là một lĩnh vực rộng và liên quan tới rất nhiều lĩnh vực khác trong môi trường mạng truyền thông. Vì vậy, sẽ có nhiều phương pháp tiếp cận khác nhau đối với những vấn đề đưa ra trong giáo trình. Nhóm biên soạn rất mong nhận được sự góp ý của đồng nghiệp và bạn đọc để giáo trình sẽ hoàn thiện hơn trong lần xuất bản tiếp theo.

Xin trân trọng giới thiệu cùng bạn đọc!

Häc viÖn c«ng nghÖ b−u chÝnh viÔn th«ng

MỤC LỤC

Lời nói đầu ................................................................................................ 7 Thuật ngữ và từ viết tắt ............................................................................ 9

Chương 1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KỸ THUẬT CHUYỂN MẠCH 1.1 Nhập môn kỹ thuật chuyển mạch.................................................. 17 1.2 Các khái niệm và lý thuyết cơ bản................................................ 18

1.2.1 Một số khái niệm cơ sở......................................................... 18 1.2.2 Các mô hình toán học của lưu lượng.................................... 23 1.2.3 Lý thuyết hàng đợi................................................................ 37 1.2.4 Lý thuyết độ phức tạp........................................................... 42 1.2.5 Lý thuyết đồ thị..................................................................... 44

1.3 Các tổ chức tiêu chuẩn................................................................. 48 1.3.1 Liên minh viễn thông Quốc tế ITU ...................................... 48 1.3.2 Tổ chức tiêu chuẩn Quốc tế ISO .......................................... 49 1.3.3 Viện kỹ thuật điện và điện tử IEEE...................................... 50 1.3.4 Tổ chức đặc trách kỹ thuật Internet IETF............................. 50 1.3.5 Viện Tiêu chuẩn viễn thông châu Âu ETSI.......................... 50 1.3.6 Diễn đàn chuyển mạch đa phương tiện MSF ....................... 51 1.3.7 Diễn đàn IP/MPLS ............................................................... 51

1.4 Quá trình phát triển của kỹ thuật chuyển mạch ........................... 52 1.4.1 Chuyển mạch mềm và hướng tiếp cận

máy chủ cuộc gọi CS ........................................................... 56 1.4.2 Hướng tiếp cận phân hệ đa phương tiện IP (IMS)................ 58

1.5 Kết luận chương ........................................................................... 59 Hướng dẫn ôn tập chương 1............................................................... 59

Chương 2. KỸ THUẬT CHUYỂN MẠCH KÊNH 2.1 Cơ sở kỹ thuật chuyển mạch kênh ................................................ 61

2.1.1 Kỹ thuật điều chế xung mã PCM.......................................... 62 2.1.2 Cấu trúc khung tín hiệu PCM............................................... 67 2.1.3 Trao đổi khe thời gian nội TSI ............................................. 72

2.2 Kiến trúc trường chuyển mạch kênh ............................................ 73 2.2.1 Trường chuyển mạch không gian số .................................... 74 2.2.2 Trường chuyển mạch thời gian số ........................................ 77 2.2.3 Trường chuyển mạch ghép TST ........................................... 80

2.3 Định tuyến trong chuyển mạch kênh ............................................ 86 2.3.1 Định tuyến phân cấp ............................................................. 86 2.3.2 Định tuyến động ................................................................... 88 2.3.3 Kế hoạch đánh số trong mạng PSTN.................................... 92 2.3.4 Định tuyến trong mạng SS7 ................................................. 94

2.4 Chức năng điều khiển chuyển mạch kênh .................................... 96 2.4.1 Điều khiển bus ngoại vi ........................................................ 96 2.4.2 Điều khiển qua kênh báo hiệu .............................................. 96 2.4.3 Điều khiển phân tán.............................................................. 97 2.4.4 Dự phòng điều khiển trong hệ thống chuyển mạch.............. 97

2.5 Trường chuyển mạch trong thực tiễn ........................................... 98 2.5.1 Trường chuyển mạch trong hệ thống NEAX-61∑ ............... 98 2.5.2 Trường chuyển mạch trong hệ thống A1000 E10 .............. 100

2.6 Kết luận chương ......................................................................... 103 Hướng dẫn ôn tập chương 2............................................................. 103

Chương 3. KỸ THUẬT CHUYỂN MẠCH GÓI 3.1 Cơ sở kỹ thuật chuyển mạch gói................................................. 105

3.1.1 Mô hình kết nối hệ thống mở OSI ...................................... 107 3.1.2 Nguyên tắc cơ bản của chuyển mạch gói ........................... 111

3.2 Cấu trúc của bộ định tuyến ....................................................... 116 3.2.1 Các chức năng cơ bản của bộ định tuyến ........................... 117 3.2.2 Lịch sử phát triển cấu trúc bộ định tuyến ........................... 120 3.2.3 Các kiểu bộ định tuyến ứng dụng....................................... 124 3.2.4 Các phần tử của bộ định tuyến ........................................... 125

3.3 Cấu trúc trường chuyển mạch gói.............................................. 127 3.3.1 Phân loại kiến trúc trường chuyển mạch gói ...................... 127 3.3.2 Chuyển mạch phân chia theo thời gian............................... 128 3.3.3 Chuyển mạch phân chia theo không gian........................... 137

3.4 Các chiến lược sử dụng bộ đệm ................................................. 147 3.4.1 Hàng đợi đầu vào................................................................ 149 3.4.2 Hàng đợi đầu ra .................................................................. 155 3.4.3 Hàng đợi trung tâm............................................................. 156 3.4.4 Hàng đợi đầu ra ảo VOQ.................................................... 158 3.4.5 Tổ hợp hàng đợi đầu vào và hàng đợi đầu ra CIOQ........... 159

3.5 Kỹ thuật định tuyến trong mạng chuyển mạch gói..................... 160 3.5.1 Các thuật toán tìm đường ngắn nhất................................... 163 3.5.2 Các giao thức định tuyến nội miền và liên miền ................ 172 3.5.3 Định tuyến hỗ trợ chất lượng dịch vụ QoS......................... 176

3.6 Một số vấn đề về chất lượng dịch vụ .......................................... 183 3.6.1 Giới thiệu chung ................................................................. 183 3.6.2 Các tham số chất lượng dịch vụ ......................................... 186 3.6.3 Một số kỹ thuật nâng cao QoS............................................ 189

3.7 Kết luận chương ......................................................................... 198 Hướng dẫn ôn tập chương 3............................................................. 198

Tài liệu tham khảo................................................................................. 201

THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT

3G Third Generation ThÕ hÖ thø 3

3GPP Third Generation Partnership Project Dù ¸n cho c¸c ®èi t¸c m¹ng thÕ hÖ 3

AAA Authentication, Authorization, Accounting

NhËn thùc, cÊp phÐp, tÝnh c−íc

AAL ATM Adaptation Layer Líp t−¬ng thÝch dÞch vô

ADM Add/Drop Multiplexing Bé ghÐp/t¸ch luång

ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line §−êng d©y thuª bao sè kh«ng ®èi xøng

AF Address Filter Bé läc ®Þa chØ

A-F Accounting Function Chøc n¨ng tÝnh c−íc

AMI Alternate Mark Inversion §¶o dÊu lu©n phiªn

API Application Programmable Interface Giao diÖn lËp tr×nh øng dông

AS Autonomous System HÖ thèng tù trÞ

AS Application Server Server øng dông

ATM Asynchronous Transfer Mode Ph−¬ng thøc truyÒn t¶i kh«ng ®ång bé

BAN Broadband Access Node Nót truy nhËp b¨ng réng

BGCF Border Gateway Control Function Chøc n¨ng ®iÒu khiÓn cæng biªn

BGP Border Gateway Protocol Giao thøc cæng biªn

BICC Bearer Independent Call Control §iÒu khiÓn cuéc gäi ®éc lËp kªnh mang

B-ISDN Broadband Integrated Service Digital Network

M¹ng sè tÝch hîp dÞch vô b¨ng réng

CA Call Agent T¸c nh©n cuéc gäi

CAP CAMEL Application Part PhÇn øng dông Carmel

CAS Channel Associated Signalling B¸o hiÖu kªnh liªn kÕt

CBR Constant Bit Rate Tèc ®é bit cè ®Þnh

CBS Committed Burst Size KÝch th−íc bïng næ cam kÕt

CLP Cell Loss Priority ¦u tiªn tæn thÊt tÕ bμo

CoS Class of Service Líp dÞch vô

CRC Cyclic Redundancy Check KiÓm tra vßng d− theo chu kú

CR-LDP Constraint-based Routing-Label Distribution Protocol

Giao thøc ph©n bæ nh·n ®Þnh tuyÕn rμng buéc

CS Call Server M¸y chñ cuéc gäi

CS Convergence Service Héi tô dÞch vô

CS Circuit Switched ChuyÓn m¹ch kªnh

CSCF Call Session Control Function Chøc n¨ng ®iÒu khiÓn phiªn cuéc gäi

DAR Dynamic Alternate Routing §Þnh tuyÕn lu©n phiªn ®éng

DCR Dynamically Controlled Routing §Þnh tuyÕn ®iÒu khiÓn ®éng

DNHR Dynamic Nonhierarchical Routing §Þnh tuyÕn kh«ng ph©n cÊp ®éng

DS0 Digital Signal No 0 TÝn hiÖu ®−êng d©y sè 0

DSL Digital Subscriber Line §−êng d©y thuª bao sè

DSLAM Digital Subscriber Line Access Multiplexer

Bé ghÐp kªnh truy nhËp DSL

DTL Designated Transit List Danh s¸ch ®−êng ®i ®Þnh s½n

DTIC Digital Trunk Interface Controller Khèi ®iÒu khiÓn giao diÖn trung kÕ sè

DTMF Dual Tone Multi Frequency §a tÇn ©m kÐp

DVA Distance Vector Algorithm ThuËt to¸n vÐc t¬ kho¶ng c¸ch

EGP Exterior Gateway Protocol Giao thøc ®Þnh tuyÕn miÒn ngoμi

FAS Frame Alignment Signal TÝn hiÖu xÕp khung

FEC Forward Equivalent Class Líp chuyÓn tiÕp t−¬ng ®−¬ng

FIB Forward Information Base C¬ së th«ng tin chuyÓn tiÕp

FIFO First In First Out Vμo tr−íc ra tr−íc

FLC Fiber Line Concentrator Bé tËp trung quang

FR Frame Relay ChuyÓn tiÕp khung

FTP File Transfer Protocol Giao thøc truyÒn file

GFC General Flow Control §iÒu khiÓn luång chung

GMPLS Generalized MultiProtocol Label Switch

ChuyÓn m¹ch nh·n ®a giao thøc tæng qu¸t

GSM Global System for Mobile communication

HÖ thèng toμn cÇu cho th«ng tin di ®éng

HDB3 High-Density Bipolar 3 M· l−ìng cùc mËt ®é cao

HDLC High level Data Link Control protocol

Giao thøc ®iÒu khiÓn ®−êng d÷ liÖu møc cao

HLR Home Location Register Bé ®¨ng ký nhμ

HOL Head Of Line NghÏn ®Çu dßng

HSS Home Subscriber Server Server thuª bao nhμ

HTTP Hyper Text Transfer Protocol Giao thøc chuyÓn giao siªu v¨n b¶n

IAD Integrated Access Device ThiÕt bÞ truy nhËp tÝch hîp

ICMP Internet Control Message Protocol Giao thøc b¶n tin ®iÒu khiÓn Internet

IFMP Ipsilon Flow Management Protocol Giao thøc qu¶n trÞ luång cña Ipsilon

IGP Interior Gateway Protocol Giao thøc ®Þnh tuyÕn miÒn trong

IM CN IMS- Core Network IMS- m¹ng lâi

IMS IP Multimedia Subsystem Ph©n hÖ ®a ph−¬ng tiÖn IP

IN Intelligent Network M¹ng th«ng minh

IOT Interoperability Testing KiÓm tra liªn ®iÒu hμnh

IP Internet Protocol Giao thøc Internet

I-PNNI Integrated PNNI PNNI tÝch hîp

IPX Internetwork Packet Exchange Giao thøc trao ®æi gãi liªn m¹ng

ISC IMS Service Control §iÒu khiÓn dÞch vô IMS

ISDN Integrated Service Digital Network M¹ng sè ®a dÞch vô tÝch hîp

IS-IS Intermediate System to Intermediate System

Giao thøc ®Þnh tuyÕn liªn m¹ng

ISP Internet Service Provider Nhμ cung cÊp dÞch vô Internet

ISUP ISDN User Part PhÇn ng−êi dïng ISDN

ITU-T International Telecommunication Union sector T

Liªn minh viÔn th«ng quèc tÕ - LÜnh vùc viÔ th«ng

IW-F InternetWorking Function Chøc n¨ng kÕt nèi liªn m¹ng

LAN Local Area Network M¹ng néi h¹t

LDP Label Distribution Protocol Giao thøc ph©n phèi nh·n

LER Label Edge Router Bé ®Þnh tuyÕn biªn (LSR biªn)

LGN Logical Group Node Nót ®¹i diÖn nhãm logic

LOC Local Controller Bé ®iÒu khiÓn néi bé

LSA Link State Algorithm ThuËt to¸n tr¹ng th¸i ®−êng

LSP Label Switched Path §−êng chuyÓn m¹ch nh·n

LSR Label Switching Router Bé ®Þnh tuyÕn chuyÓn m¹ch nh·n

M3UA MTP3 User Adaptation Layer Líp t−¬ng thÝch ng−êi dïng MTP3

MAP Mobile Application Part PhÇn øng dông di ®éng

MG Media Gateway Cæng ph−¬ng tiÖn

MGC Media Gateway Controller Bé ®iÒu khiÓn cæng ph−¬ng tiÖn

MGCP Media Gateway Control Protocol Giao thøc ®iÒu khiÓn cæng ph−¬ng tiÖn

MHA Min Hop Algorithm ThuËt to¸n b−íc nh¶y tèi thiÓu

MIRA Min Interference Routing Algorithm ThuËt to¸n ®Þnh tuyÕn nhiÔu tèi thiÓu

MMG Mobile Media Gateway Cæng ph−¬ng tiÖn cho m¹ng di ®éng

MMPP Markov Modulated Poisson Process TiÕn tr×nh Poisson m« pháng Markov

MNO Mobile Network Operator Nhμ ®iÒu hμnh m¹ng di ®éng

MoS Mean of Service Thang ®iÓm ®¸nh gi¸ trung b×nh

MPLS MultiProtocol Label Switch ChuyÓn m¹ch nh·n ®a giao thøc

MRFC Media Resource Function Control §iÒu khiÓn chøc n¨ng tμi nguyªn ph−¬ng tiÖn

MRFP Media Resource Function Processor Bé xö lý chøc n¨ng tμi nguyªn ph−¬ng tiÖn

MSF MultiService Forum DiÔn ®μn ®a dÞch vô

MTU Maximum Transfer Unit §¬n vÞ truyÒn tin lín nhÊt

NGN Next Generation Network M¹ng thÕ hÖ sau

NHC Next Hop Client Tr¹m con b−íc kÕ tiÕp

NHS Next Hop Server Tr¹m chñ b−íc kÕ tiÕp

OSA Open Service Architecture KiÕn tróc dÞch vô më

OSPF Open Shortest Path First Giao thøc −u tiªn ®−êng ng¾n nhÊt

OXC Optical Cross-Connect Bé ®Êu nèi chÐo quang

PAM Pulse Amplitude Modulation §iÒu biªn xung

PAR PNNI Augmented Routing §Þnh tuyÕn PNNI më réng

PCM Pulse Code Modulation §iÒu xung m·

PCC Progressive Call Control §iÖu khiÓn cuéc gäi lòy tiÕn

P-CSCF Proxy- CSCF CSCF ®¹i diÖn

PDF Policy Decicion Function Chøc n¨ng quyÕt ®Þnh chÝnh s¸ch

PDU Protocol Data Unit §¬n vÞ d÷ liÖu giao thøc

PG Peer Group Nhãm ngang hμng

PGL Peer Group Leader Tr−ëng nhãm trong nhãm cïng cÊp

PLMN Public Land Mobile Network M¹ng di ®éng mÆt ®Êt

PM Physical Medium M«i tr−êng vËt lý

PNNI Private Network to Network Interface

Giao diÖn m¹ng - m¹ng riªng

PPP Point to Point Protocol Giao thøc ®iÓm tíi ®iÓm

PQ Priority Queuing Hμng ®îi −u tiªn

PSTN Public Switched Telephone Network M¹ng chuyÓn m¹ch ®iÖn tho¹i c«ng céng

PT Payload Type KiÓu t¶i tin

PTSE PNNI Topology State Element PhÇn tö tr¹ng th¸i cÊu h×nh PNNI

PTSP PNNI Topology State Packet Gãi tin tr¹ng th¸i cÊu h×nh PNNI

QoS Quality of Service ChÊt l−îng dÞch vô

RANAP Radio Access Network Application Part

PhÇn øng dông m¹ng truy nhËp v« tuyÕn

RAS Registration Administration and Status Protocol

Giao thøc tr¹ng th¸i, qu¶n lý vμ ®¨ng ký

R-F Routing Function Chøc n¨ng ®Þnh tuyÕn

RIP Routing Information Protocol Giao thøc th«ng tin ®Þnh tuyÕn

RMG Remote Media Gateway Cæng ph−¬ng tiÖn ë xa

RSVP Resource Reservation Protocol Giao thøc dμnh tr−íc tμi nguyªn

RSVP-TE RSVP � Traffic Engineering RSVP cho kü thuËt l−u l−îng

RTCP Realtime Transport Control Protocol

Giao thøc truyÒn t¶i ®iÒu khiÓn thêi gian thùc

RTNR Real-Time Network Routing §Þnh tuyÕn m¹ng thêi gian thùc

RTP Realtime Transport Protocol Giao thøc truyÒn t¶i thêi gian thùc

RLUIC Remote Line Unit Interface Controller

Khèi giao tiÕp ®¬n vÞ vÖ tinh

SAP Service Access Point §iÓm truy nhËp dÞch vô

SAR Segmentation Reassembly Sublayer Ph©n líp c¾t m¶nh t¹o gãi

SCP System Control Point §iÓm ®iÒu khiÓn hÖ thèng

SCIM Service Capability Interaction Management

Qu¶n trÞ t−¬ng t¸c kh¶ n¨ng dÞch vô

SCS Service Capability Server Server kh¶ n¨ng phôc vô

S-CSCF Serviced-CSCF CSCF phôc vô

SCTP Stream Control Transport Protocol Giao thøc truyÒn t¶i ®iÒu khiÓn luång

SDH Synchronous Digital Hierarchy Ph©n cÊp sè ®ång bé

SDS Space Division Switching ChuyÓn m¹ch ph©n chia kh«ng gian

SG Signalling Gateway Cæng b¸o hiÖu

SIGTRAN Signalling Transport Giao thøc truyÒn t¶i b¸o hiÖu

SIN Ship - in - the - Night Con thuyÒn trong ®ªm

SIP Session Initiation Protocol Giao thøc khëi t¹o phiªn

SMTP Simple Message Transfer Protocol Giao thøc truyÒn b¶n tin ®¬n gi¶n

SNMP Simple Network Management Protocol

Giao thøc qu¶n trÞ m¹ng ®¬n gi¶n

SPC Stored Program Control §iÒu khiÓn theo ch−¬ng tr×nh ghi s½n

SPVC Soft Permanent Virtual Channel Kªnh ¶o cè ®Þnh mÒm

SSP Service Switching Point §iÓm chuyÓn m¹ch dÞch vô

SUA SCCP User Adaptation layer Líp t−¬ng thÝch ng−êi dïng SCCP

SVC Switched Virtual Channel Kªnh ¶o chuyÓn m¹ch

SWPA Shortest Widest Path Algorithm ThuËt to¸n t×m ®−êng réng nhÊt vμ ng¾n nhÊt

TC Transmission Convergence Héi tô truyÒn dÉn

TCP Transport Control Protocol Giao thøc ®iÒu khiÓn truyÒn t¶i

TDM Time Division Multiplexing GhÐp kªnh theo thêi gian

TDS Time Division Switching ChuyÓn m¹ch ph©n chia thêi gian

TE Traffic Engineering Kü thuËt l−u l−îng

TL Total Length Tæng ®é dμi

TLV Type/ Length/ Value C¸c tham sè kiÓu/®é dμi/gi¸ trÞ

TMG Trunk Media Gateway Cæng ph−¬ng tiÖn trung kÕ

TOS Type Of Service KiÓu phôc vô

TTL Time to Live Thêi gian sèng

TUA TCAP User Adaptation Layer Líp t−¬ng thÝch ng−êi dïng

UDP User Datagram Protocol Giao thøc d÷ liÖu ng−êi dïng

UE User Equipment ThiÕt bÞ ng−êi dïng

UMTS Universal Mobile Telecommunication System

HÖ thèng viÔn th«ng di ®éng toμn cÇu

UNI User-Network Interface Giao diÖn ng−êi dïng - m¹ng

VBR Variable Bit Rate Tèc ®é bit thay ®æi

VC Virtual Channel Kªnh ¶o

VCC Virtual Channel Connection KÕt nèi kªnh ¶o

VCI Virtual Channel Identifier NhËn d¹ng kªnh ¶o

VoIP Voice over IP Tho¹i qua IP

VPI Virtual Path Identifier NhËn d¹ng ®−êng ¶o

WAP Wireless Application Protocol Giao thøc øng dông kh«ng d©y

WCDMA R4

Wireless Code Division Multiple Access Release 4

§a truy nhËp ph©n chia theo m· kh«ng d©y phiªn b¶n 4

WDM Wavelength Division Multiplexing GhÐp kªnh ph©n chia theo b−íc sãng

WFQ Weighted Fair Queuing Hμng ®îi c©n b»ng träng sè

WLAN Wireless LAN M¹ng néi h¹t kh«ng d©y

WSPA Widest Shortest Path Algorithm ThuËt to¸n t×m ®−êng ng¾n nhÊt vμ réng nhÊt

Chương 1

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KỸ THUẬT CHUYỂN MẠCH

1.1 NHẬP MÔN KỸ THUẬT CHUYỂN MẠCH

Viễn thông là một phần của khái niệm thông tin - một dạng thức chuyển giao thông tin. Mạng viễn thông được coi là hạ tầng cơ sở của xã hội sử dụng kỹ thuật điện, điện tử và các công nghệ khác để chuyển giao thông tin. Mạng viễn thông dưới góc độ đơn giản nhất bao gồm tập hợp các nút mạng, các đường truyền dẫn kết nối giữa hai hay nhiều điểm xác định và các thiết bị đầu cuối để thực hiện trao đổi thông tin giữa người sử dụng. Khái quát, chúng ta có thể coi tất cả các trang thiết bị, phương tiện được sử dụng để cung cấp dịch vụ viễn thông tạo thành mạng viễn thông. Thiết bị đầu cuối là các trang thiết bị của người sử dụng để giao tiếp với mạng cung cấp dịch vụ. Thiết bị chuyển mạch là các nút của mạng viễn thông có chức năng thiết lập và giải phóng đường truyền thông giữa các các thiết bị đầu cuối. Thiết bị truyền dẫn được sử dụng để nối các thiết bị đầu cuối hay giữa các nút với nhau để thực hiện truyền các tín hiệu một cách nhanh chóng và chính xác. Tham gia xây dựng mạng viễn thông có các nhà cung cấp thiết bị, khai thác thiết bị và các nhà cung cấp dịch vụ, v.v.

Cùng với sự phát triển của công nghệ tiên tiến là xu hướng hội tụ cả về công nghệ và dịch vụ mạng truyền thông giữa các mạng cố định, mạng di động và mạng Internet đến mạng thế hệ sau NGN (Next Generation Network). Hạ tầng mạng viễn thông thay đổi không ngừng nhằm đáp ứng các yêu cầu ngày càng cao của người sử dụng, sự tác động

18 Giáo trình Cơ sở kỹ thuật chuyển mạch

này liên quan và ảnh hưởng tới rất nhiều lĩnh vực trên các yếu tố khoa học công nghệ và khoa học kỹ thuật, trong đó bao gồm kỹ thuật chuyển mạch. Cuốn “Giáo trình Cơ sở kỹ thuật chuyển mạch” có hướng tiếp cận từ các vấn đề cơ bản và mấu chốt nhất trong lĩnh vực chuyển mạch tới các xu hướng và giải pháp chuyển mạch tiên tiến nhằm giúp người đọc nhận thức một cách tổng quan các khía cạnh kỹ thuật liên quan tới lĩnh vực này.

Trong phần đầu tiên của giáo trình sẽ giới thiệu các khái niệm cơ sở liên quan tới lĩnh vực chuyển mạch, nhất là các cơ sở toán học và lý thuyết liên quan. Sau đó là các kỹ thuật và nguyên tắc hoạt động của các mạng chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói cùng với các vấn đề liên quan như định tuyến, đánh số và chất lượng dịch vụ. Các kỹ thuật chuyển mạch mới trong mạng tốc độ cao hiện nay được trình bày trong các chương cuối là sự kết hợp giữa các giải pháp công nghệ và giải pháp kỹ thuật, nhằm thể hiện mô hình tổng thể của các công nghệ tiên tiến đang ứng dụng và triển khai trên mạng viễn thông.

1.2 CÁC KHÁI NIỆM VÀ LÝ THUYẾT CƠ BẢN

1.2.1 Một số khái niệm cơ sở

a) Định nghĩa chuyển mạch

Chuyển mạch là một quá trình thực hiện đấu nối và chuyển thông tin cho người sử dụng thông qua hạ tầng mạng viễn thông. Nói cách khác, chuyển mạch trong mạng viễn thông bao gồm chức năng định tuyến cho thông tin và chức năng chuyển tiếp thông tin. Như vậy, theo khía cạnh thông thường khái niệm chuyển mạch gắn liền với lớp mạng và lớp liên kết dữ liệu trong mô hình OSI (Open System Interconnection - Kết nối các hệ thống mở) của Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế ISO (International Organization for Standardization).

b) Hệ thống chuyển mạch

Quá trình chuyển mạch được thực hiện tại các nút mạng, trong mạng chuyển mạch kênh các nút mạng thường gọi là hệ thống chuyển

Chương 1: Giới thiệu chung về kỹ thuật chuyển mạch 19

mạch (Tổng đài), trong mạng chuyển mạch gói thường được gọi là thiết bị định tuyến (Bộ định tuyến). Trong một số mạng đặc biệt, phần tử thực hiện nhiệm vụ chuyển mạch có thể vừa đóng vai trò thiết bị đầu cuối vừa đóng vai trò chuyển mạch và chuyển tiếp thông tin.

c) Phân loại chuyển mạch

Các hệ thống chuyển mạch cấu thành mạng chuyển mạch, ta có hai dạng mạng chuyển mạch cơ bản: Mạng chuyển mạch kênh và mạng chuyển mạch gói. Tuy nhiên, dưới góc độ truyền và xử lý thông tin, chuyển mạch còn có thể phân thành bốn kiểu: chuyển mạch kênh, chuyển mạch bản tin, chuyển mạch gói và chuyển mạch tế bào. Các khái niệm cơ bản được thể hiện trong hình 1.1 (a,b,c).

Mạng chuyển mạch kênh thiết lập các mạch (kênh) chỉ định riêng cho kết nối trước khi quá trình truyền thông thực hiện. Như vậy, quá trình chuyển mạch được chia thành 3 giai đoạn phân biệt: thiết lập, truyền và giải phóng. Để thiết lập, giải phóng và điều khiển kết nối, mạng chuyển mạch kênh sử dụng các kỹ thuật báo hiệu để thực hiện như một thành phần bắt buộc.

Ngược lại với mạng chuyển mạch kênh là mạng chuyển mạch gói, dựa trên nguyên tắc phân chia các lưu lượng dữ liệu thành các gói tin và truyền đi trên mạng chia sẻ, mỗi gói tin là một thực thể độc lập chứa các thông tin cần thiết cho quá trình xử lý thông tin trên mạng. Các giai đoạn thiết lập, truyền và giải phóng sẽ được thực hiện đồng thời trong một khoảng thời gian và quyết định đường đi được xác lập bởi thông tin trong tiêu đề gói tin. Kênh thông tin được hình thành giữa các thiết bị mạng không phụ thuộc theo logic thời gian mà chỉ có ý nghĩa khi có lưu lượng chuyển qua được gọi là các kênh ảo, các kênh ảo có cùng một số đặc tính được ghép thành luồng ảo. Các nút mạng có thể thực hiện chuyển mạch cho từng kênh ảo hoặc cả luồng ảo thay vì cho từng gói tin riêng biệt, phương pháp này cho phép nâng cao hiệu năng truyền thông toàn mạng nhờ giảm bớt một số quy trình xử lý.

20 Giáo trình Cơ sở kỹ thuật chuyển mạch

Thiết bị chuyển mạch

Kênh thông tin

Liên kết

a) Chuyển mạch kênh: hai luồng thông tin trên hai kênh khác nhau

Thiết bị chuyển mạch

Kênh thông tin

Liên kết

Các gói tin

b) Chuyển mạch gói: các tuyến đường độc lập trên mạng chia sẻ tài nguyên

Thiết bị chuyển mạch

Kênh thông tin

Liên kết

Các gói tin

c) Chuyển mạch gói kênh ảo: các gói tin đi trên kênh ảo

Hình 1.1: Các kiểu chuyển mạch cơ bản

Chương 1: Giới thiệu chung về kỹ thuật chuyển mạch 21

d) Kỹ thuật lưu lượng TE

Kỹ thuật lưu lượng TE (Traffic Engineering) được coi là một trong những vấn đề quan trọng nhất trong khung làm việc của hạ tầng mạng viễn thông. Mục đích của kỹ thuật lưu lượng là để cải thiện hiệu năng và độ tin cậy của các hoạt động của mạng bằng các giải pháp tối ưu nguồn tài nguyên mạng và lưu lượng mạng cũng như của người sử dụng. Hay nói một cách khác, kỹ thuật lưu lượng được nhìn nhận như một công cụ sử dụng để tối ưu tài nguyên sử dụng của mạng bằng phương pháp kỹ thuật để định hướng các luồng lưu lượng phù hợp với các tham số ràng buộc tĩnh hoặc động. Các tham số ở đây bao gồm cả tham số mạng và tham số yêu cầu của người sử dụng. Như vậy, mục tiêu cơ bản của kỹ thuật lưu lượng là hướng tới cân bằng và tối ưu các điều khiển của tải và tài nguyên mạng thông qua các thuật toán và giải pháp kỹ thuật.

e) Báo hiệu trong mạng viễn thông

Báo hiệu là một phần của cơ chế điều khiển mạng sử dụng các tín hiệu để điều khiển luồng thông tin, trong mạng viễn thông báo hiệu là sự trao đổi thông tin giữa các phần tử trong mạng liên quan tới các vấn đề như: điều khiển, thiết lập kết nối và thực hiện quản lý mạng. Trong mạng chuyển mạch kênh, báo hiệu là một thành phần cơ bản của quá trình kết nối, nhờ có chức năng báo hiệu mà hệ thống chuyển mạch có thể thực hiện được nhiệm vụ chuyển mạch, thông qua thông tin báo hiệu từ nút mạng tới các thiết bị đầu cuối của người sử dụng để xác định các yêu cầu và quản lý kết nối từ người sử dụng tới nút mạng; báo hiệu mạng được thực hiện để hỗ trợ trực tiếp cho quá trình định tuyến, chọn kênh và quản lý kết nối giữa các nút mạng. Trong mạng chuyển mạch gói, hệ thống báo hiệu hướng tới mục tiêu điều khiển thiết bị và quản lý mạng nhiều hơn là mục tiêu gắn kết với quy trình định tuyến nhằm thiết lập kênh như trong mạng chuyển mạch kênh.

Các hệ thống báo hiệu có thể phân loại theo đặc tính và nguyên tắc hoạt động gồm: báo hiệu trong băng và báo hiệu ngoài băng, báo hiệu

22 Giáo trình Cơ sở kỹ thuật chuyển mạch

đường và báo hiệu thanh ghi, báo hiệu kênh liên kết và báo hiệu kênh chung, báo hiệu bắt buộc, v.v... Các thông tin báo hiệu được truyền dưới dạng tín hiệu điện, quang hoặc bản tin. Ví dụ, các hệ thống báo hiệu trong mạng chuyển mạch điện thoại công cộng PSTN được đánh số từ No1-No7, trong đó gồm có các dạng báo hiệu số, tương tự hay bản tin. Trong mạng IP hiện có rất nhiều giao thức báo hiệu được sử dụng cho các kết nối và trải rộng trên các lớp từ lớp 2 tới lớp 5 trong mô hình OSI. Với các kỹ thuật báo hiệu tại các lớp cao, báo hiệu được thể hiện qua các giao thức. Ví dụ, trong kỹ thuật truyền thoại qua mạng IP (VoIP), các giao thức báo hiệu cho thiết bị đầu cuối thực hiện các chức năng đăng k í, quản trị và trạng thái RAS (Register, Administration và Status) như H.225 trong chồng giao thức H.323. Các giao thức báo hiệu sử dụng để điều khiển các thiết bị cổng đa phương tiện như H.245, MEGACO/H.248 hoặc giao thức khởi tạo phiên (SIP - Session Initation Protocol), truyền tải báo hiệu số 7 trong mạng IP như giao thức truyền tải báo hiệu SIGTRAN (Signalling Transfer) và giao thức điều khiển cuộc gọi độc lập kênh mang BICC (Bearer Independent Call Control).

f) Mạng tích hợp dịch vụ số băng rộng B-ISDN Xu hướng phát triển của mạng viễn thông luôn hướng tới một hạ

tầng duy nhất nhằm đáp ứng tốt nhất các loại hình dịch vụ trên cơ sở băng thông rộng. Mạng tích hợp dịch vụ số băng rộng được định nghĩa như sau: Mạng tích hợp dịch vụ số băng rộng có nhiệm vụ cung cấp các cuộc nối thông qua chuyển mạch, các cuộc nối cố định hoặc bán cố định, các cuộc nối từ điểm tới điểm tới điểm hoặc từ điểm tới đa điểm và cung cấp các dịch vụ yêu cầu, các dịch vụ dành trước hoặc các dịch vụ yêu cầu cố định. Cuộc nối trong B-ISDN phục vụ cho các dịch vụ chuyển mạch kênh, chuyển mạch gói theo kiểu đa phương tiện, đơn phương tiện, theo kiểu hướng liên kết (Connection-oriented) hoặc phi liên kết (Connectionless) và theo cấu hình đơn hướng hoặc đa hướng.