Chuyển mạch

Chuyển mạch (Switching) là một kỹ thuật rất quan trọng, nó quyết định sự kết nối được thực hiện như thế nào và dữ liệu lưu chuyển được xử lý ra sao trong một mạng WAN. Dữ liệu gửi qua PSTN hoặc các liên mạng có thể đi theo các con đường rất khác nhau từ nơi gửi đến nơi nhận. Có ba kỹ thuật chuyển mạch cơ bản được sử dụng để chuyển tiếp dữ liệu qua liên mạng là: chuyển mạch kênh (circuit switching), chuyển mạch thông báo (message switching) và chuyển mạch gói (packet switching).

Circuit switching thực hiện sự kết nối giữa người gửi và người nhận bằng một đường truyền vật lý trong suốt quá trình giao tiếp. Ngược lại message switching không thiết lập một đường truyền dành riêng giữa hai trạm mà thay vào đó các thông báo (message) được lưu và chuyển tiếp từ một thiết bị trung chuyển này đến một thiết bị khác cho tới đích. Packet switching tổ hợp các ưu điểm của cả hai kỹ thuật trên bằng cách chia các thông báo dài ra thành từng phần gọi là gói tin (packet). Packet switching là kỹ thuật chuyển mạch hiệu quả nhất trong việc trao đổi dữ liệu. Sau đây ta sẽ xem xét từng kỹ thuật.

1. Circuit switching

Trong kỹ thuật chuyển mạch kênh, một đường truyền vật lý được dành riêng thực hiện liên kết giữa trạm gửi và trạm nhận trong suốt quá trình giao tiếp.

PSTN ( mạng điện thoại công cộng ) là một ví dụ về chuyển mạch kênh.

Trước khi hai trạm có thể truyền dữ liệu, một kênh dành riêng phải được thiết lập giữa hai trạm. Trạm gửi yêu cầu một liên kết tới trạm nhận, sau khi trạm nhận gửi tín hiệu báo nó sẵn sàng để nhận dữ liệu, dữ liệu sẽ được gửi từ trạm nguồn đến trạm đích sau đó trạm đích gửi tín hiệu báo nhận trở lại cho trạm nguồn. Khi kết thúc quá trình giao tiếp trạm nguồn gửi tín hiệu tới trạm đích báo kết thúc quá trình giao tiếp để trạm đích giải phóng liên kết và đồng thời trạm nguồn cũng tự giải phóng liên kết.

Ưu điểm nổi bật của kỹ thuật này là một kênh truyền được dành riêng trong suốt quá trình giao tiếp do đó tốc độ truyền dữ liệu được bảo đảm. Điều này là đặc biệt quan trọng đối với các ứng dụng thời gian thực như audio và video. Hơn nữa khi một kênh được thiết lập sẽ không có độ trễ truy nhập, do kênh truyền luôn sẵn sàng nên việc yêu cầu kênh truyền lại là không cần thiết.

Circuit switching cũng có những nhược điểm riêng, trước hết đây là sự sử dụng kênh truyền không có hiệu quả do kênh truyền được dành riêng nên trong khi kênh truyền rỗi các thiết bị khác cũng không thể sử dụng kênh truyền này, hơn nữa do các kênh truyền dành riêng thường đòi hỏi thông lượng lớn hơn do đó phương tiện truyền thông có thể có giá thành cao và cuối cùng kỹ thuật này có thể mất nhiều thời gian trễ cho việc thiết lập kênh truyền trước khi các trạm có thể giao tiếp với nhau.

2. Message switching

Không giống circuit switching, message switching không thiết lập liên kết dành riêng giữa hai thiết bị giao tiếp mà thay vào đó mỗi thông báo được xem như một khối độc lập bao gồm cả địa chỉ nguồn và địa chỉ đích. Mỗi thông báo sẽ được truyền qua các thiết bị trong mạng cho đến khi nó đến được địa chỉ đích, mỗi thiết bị trung gian sẽ nhận và lưu trữ thông báo cho đến khi thiết bị trung gian kế tiếp sẵn sàng để nhận thông báo sau đó nó chuyển tiếp thông báo đến thiết bị kế tiếp, chính vì lý do này mà mạng chuyển mạch thông báo còn có thể được gọi là mạng lưu và chuyển tiếp (store-and-forward network).

Kỹ thuật này có thể được lập trình với các thông tin về cách chọn đường hiệu quả nhất cũng như các thông tin về các thiết bị trung gian kế tiếp, có thể được sử dụng để chuyển tiếp thông báo cho tới đích, chính vì lý do này và vì điều kiện của mạng luôn thay đổi các thông báo có thể đi tới đích theo những con đường rất khác nhau. Thiết bị được sử dụng để thực hiện việc chuyển mạch thông báo thông thường là các PC, PC phải được chuẩn bị về chỗ trống để lưu giữ các thông báo cho đến khi các thông báo này được chuyển tiếp tới các thiết bị trung gian kế tiếp. Các thông báo có thể được lưu giữ trong bộ nhớ trong hoặc bộ nhớ ngoài và số lượng thông báo được lưu giữ phụ thuộc vào mức độ lưu thông qua nút đó. Một ví dụ điển hình về kỹ thuật này là e-mail, nó được chuyển tiếp qua các nút cho đến khi tới được đích cần đến.

Message switching có những ưu điểm sau:

Cung cấp một sự quản lý hiệu quả hơn đối với sự lưu thông của mạng. Bằng cách gán các thứ tự ưu tiên cho các thông báo ta có thể đảm bảo các thông báo có độ ưu tiên cao hơn sẽ được lưu chuyển thay vì bị trễ do quá trình lưu thông trên mạng.

Giảm sự tắc nghẽn trên mạng. Các thiết bị trung gian có thể lưu giữ các thông báo cho đến khi kênh truyền rỗi thay vì làm tăng thêm sự tắc nghẽn của mạng bằng cách cố truyền mọi thứ trong thời gian thực.

Tăng hiệu quả sử dụng kênh truyền, với kỹ thuật này các thiết bị có thể dùng chung kênh truyền, điều này làm tăng hiệu suất đường truyền do có số lượng dải thông có thể sử dụng lớn hơn.

Cung cấp phương thức truyền thông dị bộ xuyên thời gian (across time zone). Thông báo có thể được gửi mà không yêu cầu người nhận phải có mặt cùng lúc với quá trình gửi.

Nhược điểm của kỹ thuật này là độ trễ do việc lưu trữ và chuyển tiếp thông báo là không phù hợp với các ứng dụng thời gian thực, điểm yếu thứ hai là các thiết bị trung gian có thể phải có dung lượng bộ nhớ rất lớn để có thể lưu giữ các thông báo trước khi có thể chuyển tiếp nó tới một thiết bị trung gian khác.



3. Packet switching

Kỹ thuật này được đưa ra nhằm tận dụng các ưu điểm và khác phục những nhược điểm của hai kỹ thuật trên, đối với kỹ thuật này các thông báo được chia thành các gói tin, mỗi gói tin bao gồm dữ liệu, địa chỉ nguồn, địa chỉ đích và các thông tin về địa chỉ các nút trung gian. Các gói tin riêng biệt không phải luôn luôn đi theo một con đường duy nhất, điều này được gọi là chọn đường độc lập (independent routing), phương pháp này có hai ưu điểm là:

Dải thông có thể được quản lý bằng cách chia nhỏ dữ liệu vào các đường khác nhau trong trường hợp kênh truyền bận.

Nếu một liên kết bị sự cố trong quá trình truyền thông thì các gói tin còn lại có thể được gửi đi theo các con đường khác.

Điểm khác nhau cơ bản giữa kỹ thuật chuyển mạch thông báo và kỹ thuật chuyển mạch gói là trong kỹ thuật chuyển mạch gói các gói tin được giới hạn về độ dài tối đa điều này cho phép các thiết bị chuyển mạch có thể lưu giữ các gói tin trong bộ nhớ trong mà không phải đưa ra bộ nhớ ngoài do đó giảm được thời gian truy nhập và tăng hiệu quả truyền tin.

Ngoài ra còn một số phương pháp chuyển mạch tiên tiến sử dụng trong chuyển mạch lõi như ATM , MPLS ... Chúng tôi sẽ trình bày trong các bài tiếp.