3.2.1. Cấu Tạo Chung Của Phần Tử Chuyển Mạch:
Phần tử chuyển mạch là đơn vị cơ bản trong cấu trúc của hệ thống chuyển mạch.
Tại đầu vào, các thông tin về chọn đường được phân tích, căn cứ trên kết quả phân tích đó mà các tế bào được đưa tới đầu ra thích hợp. Nói chung, các phần tử chuyển mạch bao gồm một mạng liên kết giữa đầu vào và đầu ra, bộ điều khiển đầu vào IC (Input Controller) tại mỗi cổng vào và bộ điều khiển đầu ra OC (Output Controller) tại mỗi cổng ra. Để tránh việc mất tế bào khi xãy ra đụng độ bên trong do hai hoặc nhiều tế bào cùng tranh chấp một đầu ra, phần tử chuyển mạch cần có các bộ đệm. Mỗi bộ đệm gồm có các yêu cầu kỹ thuật sau:
• Kích thước bộ đệm.
• Tốc độ truy suất bộ đệm.
• Nguyên lý điều khiển bộ đệm.
• Hệ số sử dụng bộ đệm.
Các tế bào tới phần tử chuyển mạch được đồng bộ với đồng hồ bên trong thông qua bộ điều khiển đầu vào IC, OC có nhiệm vụ chuyển các tế bào mà nó nhận được từ mạng liên kết đầu vào tới đầu ra cho trước. IC và OC liên kết với nhau thông qua mạng liên kết đầu vào đầu ra. Người ta phân loại phần tử chuyển mạch theo cấu trúc của mạng liên kết đầu vào đầu ra và cách thức tổ chức bộ đệm.
Hình: Mô Hình Cấu Tạo Chung Của Phần Tử Chuyển Mạch Sau đây ta đi xem xét các loại phần tử chuyển mạch
3.2.2. Phần Tử Chuyển Mạch Theo Kiểu Ma Trận:
Trong phần tử chuyển mạch theo kiểu ma trận, mạng liên kết đầu vào đầu ra có cấu trúc ma trận chữ nhật, ma trận này cho phép nối giữa một đôi đầu vào và đầu ra rỗi
IC Mạng Liên
Kết Giữa Đầu Vào Và
Đầu Ra
OC
OC IC
. . .
. . .
phần định tuyến nằm trong phần tiêu đề (Header) của tế bào ATM. Phần tử chuyển mạch theo kiểu ma trận lại được chia thành ba loại với cách tổ chức bộ đệm khác nhau:
• Bộ đệm đầu vào.
• Bộ đệm đầu ra.
• Bộ đệm tại giao điểm của ma trận.
3.2.2.1. Bộ Đệm Đầu Vào:
Trong phần tử chuyển mạch dùng bộ đệm đầu vào, bộ đệm tế bào được đặt ở bộ điều khiển đầu vào. Nếu sử dụng đệm kiểu FIFO, đụng độ sẽ xãy ra nếu hai hoặc vài tế bào ở đầu hàng đợi cùng tranh chấp một đầu ra. Trong trường hợp này trừ một tế bào được quyền đi tới đầu ra đó, tất cả tế bào còn lại sẽ bị tắt nghẽn. Hậu quả kéo theo là các tế bào nằm sau tế bào nghẽn ở đầu hàng cũng bị tắt nghẽn. Để khắc phục nhược điểm này có thể thay bộ nhớ FIFO bằng bộ nhớ RAM. Nếu tế bào đầu tiên bị tắt nghẽn, những tế bào sau vẫn có thể truyền tới các đầu ra rỗi cho trước. Tuy vậy việc sử dụng RAM yêu cầu các cơ chế quản lý bộ nhớ phức tạp hơn để đảm bảo những tế bào được chọn tới các đầu ra rỗi cũng như đảm bảo thứ tự truyền các tế bào tới cùng một đầu ra.
Ngoài ra cũng có thể truyền các tế bào tại cùng một bộ đệm đồng thời tới các đầu ra khác nhau thì các bộ đệm phải có nhiều đầu ra hoặc thời gian truy nhập giảm xuống.
Hình: Cấu Trúc Phần Tử Chuyển Mạch Có Đệm Đầu Vào
IC
IC
IC
OC
OC OC
Hình: Phần tử chuyển mạch ma trận
IC: Input Controller OC: Output Controller
. . .
. . .
.
. . . . .
. . .
3.2.2.2. Bộ Đệm Tại Đầu Ra:
Hình sau minh họa phần tử chuyển mạch sử dụng bộ đệm đầu ra. Tắt nghẽn chỉ xảy ra khi tốc độ vận hành của ma trận chuyển mạch bằng với tốc độ của dòng tế bào đầu vào. Nhược điểm này có thể được khắc phục bằng việc giảm thời gian truy nhập bộ đệm và tăng tốc độ hoạt động của ma trận chuyển mạch (thực chất tốc độ hoạt động ở đây là tốc độ ghi đọc của RAM). Tuy vậy yêu cầu tốc độ hoạt động cao sẽ dẫn tới giới hạn về kích thước của các phần tử chuyển mạch. Thật vậy, để không xảy ra tắt nghẽn bên trong phần tử chuyển mạch dùng bộ đệm đầu ra có kích thước b*b phải có tốc độ hoạt động tăng lên b lần để trong trường hợp xấu nhất, khi có b tế bào cùng đồng thời yêu cầu một đầu ra như nhau thì tắt nghẽn cũng không xãy ra, vì vậy kích thước của phần tử chuyển mạch sẽ không thể lớn tùy ý. Trong trường hợp ngược lại, nếu tốc độ
hoạt động của phần tử chuyển mạch không đảm bảo thì bắt buộc phải bổ sung thêm bộ đệm đầu vào để tránh mất tế bào do tắt nghẽn bên trong.
Hình: Cấu Trúc Phần Tử Chuyển Mạch Có Bộ Đệm Đầu Ra 3.2.2.3. Bộ Đệm Tại Giao Điểm Của Ma Trận Chuyển Mạch:
Bộ đệm cũng có thể nằm tại giao điểm của ma trận chuyển mạch . Cấu trúc phần tử chuyển mạch loại này cho phép các tế bào đi tới các đầu ra khác nhau không ảnh hưởng tới nhau. Nếu các tế bào nằm ở những bộ đệm khác nhau có cùng một đầu ra thì logic điều khiển cần phải chọn xem bộ đệm nào sẽ được phục vụ đầu tiên. Cấu trúc phần tử chuyển mạch kiểu này có nhược điểm là bộ đệm ở giao điểm có kích thước nhỏ và không chia sẽ được bộ đệm.
IC IC
IC
OC OC OC
1 2
b
1 2 b
Hình: Cấu Trúc Phần Tử Chuyển Mạch Ma Trận Có Bộ Đệm Tại Giao Điểm 3.2.2.4. Giải Quyết Tranh Chấp Giữa Các Tế Bào:
Trong trường hợp nhiều tế bào cùng đồng thời tranh chấp một đầu ra, cần phải có cơ chế giải quyết tranh chấp một cách công bằng và giảm thiểu tỷ lệ mất tế bào. Sau đây là một số phương pháp lựa chọn :
• Phương pháp ngẩu nhiên: Tế bào sẽ được lựa chọn một cách ngẩu nhiên giữa vài tế bào cùng tranh chấp một đầu ra.
• Phương pháp chu kỳ: Các bộ đệm được phục vụ theo chu kỳ tuần hoàn.
• Phụ thuộc vào trạng thái bộ đệm: Tế bào của bộ đệm dài nhất sẽ được phục vụ đầu tiên. Đối với phương pháp này, cần có thuật toán để tính toán độ dài của các bộ đệm có tế bào tranh chấp cùng một đầu ra.
• Phương pháp tính toán độ trể: Phương pháp này yêu cầu phải tính toán toàn bộ các bộ đệm có tế bào cùng tranh chấp một đầu ra. Tế bào nào bị trễ lớn hơn sẽ được phục vụ trước. Phương pháp này phải giữ lại thông tin về trật tự của các tế bào có đầu ra nhử nhau.
Phương pháp ngẫu nhiên và chu kỳ thực hiện đơn giản nhưng có độ trễ rất cao. Trễ tế bào được giảm thiểu nếu dùng phương pháp tính toán độ trễ. Trong phương pháp phụ thuộc vào trạng thái bộ đệm, xác suất mất tế bào là tối thiểu.
1 2
b
1 2 b
3.2.3. Chuyển Mạch Có Phương Tiện Dùng Chung (Shared Medium Switch):
Hình trên mô tả cấu trúc của chuyển mạch có phương tiện dùng chung. Các cell đến được ghép lại trong một môi trường chung là Bus hoặc Ring. Tốc độ của môi trường chung thường lớn hơn hoặc bằng tổng tốc độ của các ngõ vào/ra. Mỗi ngõ ra được gán với một địa chỉ cố định. khi ngõ ra của một cell được xác định, địa chỉ ngõ ra được gán cho từng cell trước khi chúng được gửi đến mội trường chung. Địa chỉ này được giải mã tại từng giao diện ngõ ra và được lọc theo địa chỉ để xác định cell có được gửi tới ngõ ra hay không. Sau khi qua bộ lọc địa chỉ, các cell được lưu tạm thời trong bộ nhớ ngõ ra và được gửi đến ngõ ra.
Cơ cấu chuyển mạch này có ưu điểm là độ thông suốt lớn nhờ cơ chế truyền dữ liệu song song và có khả ngăng cung cấp các dịch vụ nhân phiên bàn và quảng bá, có thể được sử dụng như là các thành phần của một hệ thống chuyển mạch lớn mà trong đó các thành phần này được đấu nối với nhau.
Tuy nhiên, nó cho nhược điểm là khi số lượng và tốc độ ngõ vào/ra lớn thì môi trường dùng chung phải có tốc độ rất cao gây khó khăn về mặt công nghệ chế tạo. Do vậy, cấu trúc chuyển mạch này thích hợp với số lượng ngõ vào/ra nhỏ.
3.2.3.1. Phần Tử Chuyển Mạch Phương Tiện Dùng Kiểu Bus:
S/P AF FIFO P/S
1 1
S/P AF FIFO P/S
2 2
S/P AF FIFO P/S
N N Shared Medium
S/P (Succeed/parallel): Bộ chuyển đổi Nối Tiếp – Song Song P/S (parallel/Succeed): Bộ chuyển đổi Song Song –Nối Tiếp AF (Address Filter): Bộ lọc địa chỉ
FIFO (First in - First Out): Bộ nhớ vào trước ra trước
Hình: Chuyển Mạch Có Phương Tiện Dùng Chung Bộ Nhớ Ngõ Ra
Hình: Phần Tử Chuyển Mạch Kiểu Bus
Các phần tử chuyển mạch dùng kiểu Bus sử dụng mạng liên kết đầu vào đầu ra là các Bus ghép kênh theo thời gian tốc độ cao. Tắc nghẽn không xảy ra chỉ khi tổâng dung lượng của kênh truyền lớn hơn hoặc bằng tổng dung lượng của tất cả các đầu vào. Để đảm bảo yêu cầu này, phần tử chuyển mạch kiểu Bus sử dụng phương pháp truyền bit theo kiểu song song. Thuật toán truy nhập Bus áp dụng ở đây cho phép Bus truyền được chia sẽ cho mỗi bộ đệm theo một chu kỳ cho trước. Mỗi bộ điều khiển đầu vào có thể truyền tế bào tới một đầu ra trước khi hoàn thành việc nhận tế bào kế tiếp. Phần tử chuyển mạch kiểu Bus cần có bộ đệm đầu ra để đề phòng trường hợp có vài tế bào cùng tới một đầu ra trong khi tại một thời điểm chỉ có thể đưa ra ngoài một tế bào.
3.2.3.2. Phần Tử Chuyển Mạch Phương Tiện Dùng Kiểu Ring:
Phần tử chuyển mạch vòng có cấu trúc được minh họa như hình sau. Tất cả các bộ điều khiển đầu vào và đầu ra được nối với nhau thông qua mạng hình vòng. Mạng liên kết đầu vào đầu ra hoạt động theo nguyên lý phân khe thời gian với dung lượng của vòng phải lớn hơn hoặc bằng tổng dung lượng của tất cả các đầu vào. Trong thực tế thường hay sử dụng phần tử chuyển mạch Orwell trong đó một vài vòng được sử dụng song song để đảm bảo yêu cầu về tốc độ.
Hình: Cấu Trúc Phần Tử Chuyển Mạch Kiểu Vòng IC
OC