Luận văn Nghiên cứu đặc tính của trễ truyền thông trong hệ điều khiển phân tán (DCS)

xác trễ truyền thông là hết sức khó khăn. Trong [13] và [14] tác giả đã đưa ra mô hình trễ truyền thông tổng quát cho mạng truyền thông với ràng buộc về sự bùng phát lưu lượng truyền thông. Mô hình này chuẩn hoá các mạng truyền thông thành sự ghép nối của năm phần tử cơ bản là kênh truyền, bộ đệm nhận, bộ dồn kênh, bộ tách kênh và cơ cấu điều khiển. Mô hình này thường được sử dụng để ước lượng tốc độ truyền thông trong quá trình phát triển các thiết bị mạng. Trong [18] đã giới thiệu phương pháp tính toán định lượng trễ truyền thông trong ba mạng tiêu biểu là ControlNet, Ethernet và DeviceNet. Các phân tích được tiến hành trên trạng thái làm việc ổn định của hệ thống mạng nhằm so sánh hiệu năng của các hệ thống mạng này. Trong chương này sẽ nghiên cứu về đặc điểm và tính chất của trễ truyền thông trong các mạng truyền thông kỹ thuật số nói chung từ đó phát triển phương pháp tính toán định lượng và phân tích trễ truyền thông trong mạng truyền thông công nghiệp tiêu biểu là CAN và Ethernet. Trên cơ sở đó xác định nguyên nhân của tính ngẫu nhiên của trễ truyền thông. 3.1. Thời gian trễ trong truyền thông 3.1.1. Giới thiệu Khi dùng mạng để truyền thông thì có rất nhiều ưu điểm song ta phải chú ý đến một số vấn đề đó là bao giờ cũng có trễ khi trao đổi, tính toán dữ liệu giữa các 48 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên nút mạng. Khi muốn trao đổi thông tin từ cảm biến đến cơ cấu chấp hành hay từ bộ điều khiển đến cơ cấu chấp hành… đều phải mất một khoảng thời gian nhất định. Thời gian truyền một thông điệp từ nút mạng này tới nút mạng kia trong mạng được gọi là trễ truyền thông. Tuỳ thuộc vào các yếu tố như: kiểu mạng, cơ chế định tuyến trong mạng mà thời gian trễ có các đặc tính khác nhau. Trong một số hệ thống, thời gian trễ này gần như không đổi nhưng trong nhiều hệ thống, trễ truyền thông thay đổi theo cơ chế ngẫu nhiên. 3.1.2. Các thành phần của thời gian trễ Theo mô hình mạng OSI có thể phân chia trễ truyền thông thành bốn phần chính: * Trễ tiền xử lý trong nút truyền: Đây là thời gian xử lý truyền thông trên nút truyền tin bao gồm thời gian tính toán và mã hoá dữ liệu tương ứng trong các lớp từ lớp ứng dụng (applocation layer) tới lớp mạng (network layer). * Trễ do đợi truyền tin: Thành phần trễ này bao gồm thời gian xếp hàng và thời gian đợi mạng sẵn sàng, tương ứng trong lớp liên kết dữ liệu (data link layer) trên nút truyền. * Trễ trên đường mạng: Thành phần trễ này là thời gian thực hiện truyền tin tương ứng trong các lớp vật lý (physical layer) trên nút truyền và lớp vật lý trong nút nhận. * Trễ xử lý trên nút nhận: thành phần trễ này là thời gian cần thiết để xử lý trên nút nhận bao gồm việc giải mã dữ liệu và các tính toán cần thiết khác. Thành phần trễ này tương ứng với thời gian trễ trong các lớp mạng từ lớp liên kết dữ liệu tới lớp ứng dụng. Trễ truyền thông được biểu diễn theo phương trình sau [18]: Tcom.d = Tpre + Twait+Ttx+ Tpost (3.1) Trong đó Tcom.d là trễ truyền thông, Tpre là trễ tiền xử lý, Twait là thời gian đợi truyền tin, Ttx là thời gian truyền tin và Tpost là trễ xử lý trên nút nhận. 49 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Trên Hình 3-1 trình bày phân bố của các thành phần trễ truyền thông trong mô hình mạng OSI. Chúng ta sẽ lần lượt phân tích đặc điểm của từng thành phần trễ trong truyền thông. Hình 3-1. Phân bố của các thành phần trễ truyền thông trong mô hình mạng OSI 3.1.2.1. Thời gian tiền xử lý truyền thông trong nút truyền, Tpre Tpre là thời gian cần thiết để thực hiện các tính toán, mã hoá dữ liệu cần thiết trước khi truyền dữ liệu như thời gian tính toán kích thước dữ liệu, phân chia dữ liệu, tính toàn mã kiểm tra, mã hoá dữ liệu,… Đối với các hệ thống có hệ xử lý truyền thông riêng thì thời gian này thường là hằng số hoặc có thể bỏ qua còn đối với các hệ thống sử dụng chung hệ xử lý cho cả tính toán điều khiển và truyền thông thì thời gian tiền xử lý này còn bao gồm cả thời gian đợi CPU thực hiện các tác vụ khác. Trong trường hợp này Tpre thường lớn và mang tính ngẫu nhiên, ảnh hưởng tới trễ truyền thông của cả hệ thống và thường không thể bỏ qua được. 3.1.2.2. Trễ đo thời gian ở nút truyền, Twait Thời gian đợi ở nút truyền của thông điệp bao gồm thời gian đợi trong hàng đợi và thời gian đợi giành quyền truyền tin. Thời gian đợi ở nút truyền phụ thuộc vào giao thức truyền thông, mô hình truyền thông, kích thước của dữ liệu cần truyền nút mạng A Chương trình ứng dụng Lớp ứng dụng Lớp liên kết dữ liệu Lớp vật lý T p re T w ai t T p o st T p re T w ai t T p o st Ttx Ttx nút mạng B Chương trình ứng dụng Lớp ứng dụng Lớp liên kết dữ liệu Lớp vật lý 50 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên và lưu lượng truyền thông trên mạng. Trong mạng thực hiện phương pháp hỏi đáp đồng thời, thời gian truyền còn phụ thuộc vào số lượng nút mạng trả lời đồng thời đối với một lần hỏi. Gọi thời gian xếp hàng là Tqueue và thời gian đợi giành quyền truyền tin là Tblock ta có: Twait = Tqueue + Tblock (3.2) a. Thời gian xếp hàng, Tqueue Thời gian xếp hàng, Tqueue là thời gian thông điệp đợi trong bộ đếm tại nút truyền trong khi các thông điệp khác trong hàng đợi được truyền. Thời gian xếp hàng phụ thuộc vào chiều dài của hàng đợi hiện tại, tương quan về mức độ ưu tiên của các thông điệp trong hàng đợi và thông điệp trên mạng. Thời gian xếp hàng mang tính ngẫu nhiên và rất khó phân tích. ta có thể khống chế thời gian xếp hàng bằng cách lập phương án “chen ngang” cho các thông điệp quan trọng. Với cách chen ngang như vậy có thể có Tqueue bằng không nhưng ta phải đổi giao thức truyền thông thành giao thức truyền thông phi tiêu chuẩn. Với các thông điệp khác thì việc xếp hàng là không tránh được và ta có thể khống chế hàng đợi bằng một chiến lược lập lịch toàn hệ thống một cách hợp lý. Tuy nhiên chiều dài hàng đợi sẽ tăng lên dần tới thời gian xếp hàng tăng lên khi mạng rơi vào trạng thái quá tải. b. Thời gian đợi giành quyền truyền tin, Tblock Thời gian đợi giành quyền truyền tin, Tblock là thời gian mà thông điệp phải đợi khi thông điệp cần truyền đã ở đầu hàng và sẵn sàng cho việc truyền tin tới khi nút truyền chính thức giành được quyền truyền tin. Thời gian này bao gồm thời gian đợi nút mạng đang thực hiện truyền thông kết thúc việc truyền thông, mạng trở nên sẵn sàng và thời gian đợi truyền lại thông điệp nếu xảy ra xung đột. Thời gian đợi giành quyền truyền tin phụ thuộc vào giao thức truyền thông và là yếu tố chính quyết định hiệu năng của hệ thống mạng. Chúng ta sẽ khảo sát Tblock của một số mạng tiêu biểu trong các phần tiếp sau của chương này. 51 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 3.1.2.3. Trễ trên đường mạng, Ttx Trễ trên đường mạng bao gồm độ dài của thông điệp (theo thời gian) và thời gian truyền của tín hiệu trên phương tiện truyền thông. Trễ trên đường mạng được tính như sau: propframext TTT  (3.3) trong đó Tframe là chiều dài khung truy nhập mạng theo thời gian và Tprop là thời gian truyền tín hiệu. a. Độ dài của điệp, Tframe Vì hệ thống mạng truyền thông sử dụng truyền thông nối tiếp nên trễ trên đường mạng bao gồm thời gian cần thiết để biểu diễn tất cả các bit dữ liệu hay chính là độ dài của thông điệp theo thời gian. Độ dài của thông điệp theo thời gian chính là độ dài của một khung truy nhập mạng và nó phụ thuộc vào kích thước dữ liệu, các thành phần của một khung truy nhập mạng, các thành phần dữ liệu điều khiển truyền thông phần đệm và độ rộng của một bit, Tbit [18]. Ta có độ dài của khung truy nhập mạng theo thời gian được tính như sau: Tframe=[ Ndata + Novhd + Npad + Nstuff ] x 8 x Tbit (3.4) Trong đó Tframe là độ dài theo thời gian của khung truy nhập mạng, Ndata là kích thước dữ liệu tính theo bytes, Novhd là thông tin điều khiển truyền thông, Npad là phần đệm để đảm bảo yêu cầu tối thiểu của khung truyền và Nstuff là số bytes sử dụng để nhồi bít. Số lượng bit nhồi phụ thuộc vào từng giao thức truyền thông. Ví dụ mạng CAN sử dụng cơ cấu nhồi bit theo phương án cứ 5 bits “1” liên tục thì nhồi một bit “0” và ngược lại, 5 bits “0” liên tục thì nhồi một bit “1”; mạng Ethernet, ControlNet và Profibus sử dụng mã hoá Manchester và do vậy không yêu cầu nhồi bit. b. Thời gian truyền tín hiệu, Tprop Thời gian truyền tín hiệu, Tprop phụ thuộc vào tốc độ lan truyền tín hiệu trên phương tiện truyền thông và khoảng cách giữa nút truyền và nút nhận. Ta có thể tính toán được thời gian truyền lớn nhất dựa vào khoảng cách tối đa cho phép của hệ thống mạng đang sử dụng. Các cặp truyền - nhận khác nhau sẽ có khoảng cách khác nhau và do vậy rất khó để xác định chính xác thời gian truyền tín hiệu. Đối với 52 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên các hệ thống mạng đồng bộ bit (như mạng CAN) thì thời gian truyền phải nhỏ hơn độ rộng một bit và chiều dài cáp tối đa phải đảm bảo việc đồng bộ hoá bit này. Theo [2] thời gian truyền tín hiệu có thể tính bằng công thức sau: prop l T k c  x (3.5) Trong đó l là khoảng cách giữa nút truyền và nút nhận, c là tốc độ ánh sáng trong chân không (3x10 8 m/s) và k là hệ số tốc độ truyền. Thực tế đối với các hệ thống cáp mạng truyền thông có k = 0,67, có nghĩa là tốc độ truyền tín hiệu khoảng 2x108 m/s. Nếu có các thiết bị lặp lại thì phải tính cả thời gian truyền tín hiệu qua các thiết bị này. 3.1.2.4. Trễ xử lý tại nút nhận, Tpost Trễ xử lý nút nhận là thời gian cần thiết để tiến hành giải mã dữ liệu nhận được thành định dạng phù hợp để có thể sử dụng trong các ứng dụng điều khiển. Cũng giống như trễ tiền xử lý trên nút truyền, nếu hệ thống có hệ xử lý truyền thông riêng thì thời gian này thường là hằng số hoặc có thể bỏ qua còn đối với các hệ thống sử dụng chung hệ xử lý cho cả tính toán điều khiển và truyền thông thì thời gian tiền xử lý còn bao gồm cả thời gian chờ đợi CPU thực hiện các tác vụ khác và Tpost thường không thể bỏ qua được. 3.1.2.5. Lược đồ thời gian của quá trình truyền thông Từ các phương trình (3.1), (3.2) và (3.3) ta có: Tcom.d = Tpre+Tqueue+Tblock+Ttx+Tpost (3.6) Để dễ dàng cho việc phân tích trễ truyền thông, từ (3.6) ta xây dựng lược đồ thời gian của quá trình truyền thông như trên Hình 3-2. Lược đồ thời gian trên là tổng quát áp dụng cho các hệ thống mạng mà việc truyền tin giữa hai nút mạng được thực hiện trực tiếp thông qua phương tiện truyền dẫn là cáp mạng. Trong trường hợp có thiết bị truyền dẫn trung gian như trong cấu hình mạng hình sao với trạm chủ truyền thông hoặc trong hệ thống mạng có các bộ lặp lại thì thời gian trễ trên đường mạng không chỉ bao gồm thời gian đợi giành 53 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên quyền truyền tin, Tblock và thời gian lan truyền tín hiệu, Tprop mà còn có cả thời gian xử lý trong các thiết bị trung gian này. Hình 3-2. Lược đồ thời gian của quá trình truyền tin trên mạng Các thành phần của trễ truyền thông trong (3.6) có thể chia thành hai nhóm: * Nhóm có giá trị bằng hằng số * Nhóm có giá trị mang tính ngẫu nhiên Thuộc về nhóm có giá trị bằng hằng số là trễ do thời gian lan truyền tín hiệu trên mạng, Tprop. Ngoài ra các thành phần khác như thời gian xử lý ở nút truyền Tpre và thời gian xử lý ở nút nhận Tpost thì tuỳ theo cách thức thực hiện việc xử lý truyền thông nó có thể là hằng số. Riêng độ dài thông điệp Tframe sẽ là hằng số khi kích thước thông điệp nhỏ hơn kích thước tối thiểu quy định của khung truyền. Nhóm có giá trị mang tính ngẫu nhiễn bao gồm thời gian xếp hàng Tqueue thời gian đợi giành quyền truyền tin Tblock và nhiều trường hợp có thêm chiều dài thông điệp Tframe.Các thành phần này tạo nên tính ngẫu nhiên của trễ truyền thông và ta sẽ nghiên cứu đặc điểm, tính chất của chúng trong các mục tiếp theo của chương này. preT Vào hàng đợi Đứng đầu hàng đợi Twait Gửi bit thứ nhất Ttx Nhận bit thứ nhất Gửi bit cuối cùng Nhận bit cuối cùng Kết thúc truyền thông Tqueue Tblock Tframe Tframe Tprop Tpost Nút mạng truyền tin Đường truyền Nút mạng nhận tin Khởi tạo truyền thông Nút mạng truyền tin Đường truyền Nút mạng nhận tin Thời gian 54 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 3.2. Trễ truyền thông trong mạng Ethernet Như đã trình bày trong mục 2.3.3, Ethernet sử dụng phương pháp điểu khiển truy nhập mạng CSMA/CD. Có nhiều giao thức mạng đã được phát triển trên nền Ethernet nhưng phổ biến nhất vẫn là giao thức TCP (Transport Control Protocol) với hơn 95% lưu lượng truyền thông trên các mạng IP diện rộng. Sự phổ biến của Ethernet đã thúc đẩy các nhà nghiên cứu và phát triển ứng dụng điều khiển tìm cách áp dụng Ethernet công nghiệp (Industrial Ethernet). Ethernet công nghiệp được phát triển theo hướng tận dụng những ưu điểm của mạng Ethernet là tốc độ cao, giá thành thấp, dễ thực hiện và khắc phục các nhược điểm của nó là không đáp ứng yêu cầu thời gian thực và tính dự phòng. Ethernet TCP sử dụng khung truy nhập theo tiêu chuẩn IEEE 802.3 và là giao thức hướng kết nối (connection - oriented). Ethernet TCP tạo ra một kết nối logic trước khi thực hiện truyền dữ liệu với bốn tham số: địa chỉ nguồn, địa chỉ đích, cổng nguồn, cổng đích. Để phân tích kỹ hơn về trễ truyền thông trong mạng Ethernet TCP ta sẽ tìm hiểu về thành phần trễ do đợi giành quyền truyền tin Tblock, thành phần trễ cơ bản gây ra tính bất định và sự khác nhau của trễ trong các hệ thống mạng khác nhau. Các phân tích được tiến hành trên cấu hình mạng Ethernet TCP truyền thống và cấu hình mạng với các sửa đổi cho ứng dụng công nghiệp. 3.2.1. Cấu hình mạng truyền thông Ethernet là mạng kiểu băng cơ sở (baseband) trong đó tín hiệu mang thông tin dạng số được đưa trực tiếp vào kênh truyền dẫn mà không qua điều biến. Hệ thống mạng Ethernet truyền thông thường sử dụng hai kiến trúc phổ biến là kiến trúc mạng hình bus và kiến trúc mạng hình sao. Kiến trúc mạng hình bus sử dụng cáp đồng trục để truyền dẫn và có hai loại chính là cáp gầy (cáp RG58-thin ethernet) và cáp béo (thick ethernet) [20][16]. Kiến trúc mạng hình sao sử dụng cáp xoắn với một HUB có vai trò như bộ lặp lại và phân phát tín hiệu tới tất cả các nút mạng. Trong cấu hình Ethernet truyền thống, tất cả các nút mạng (bao gồm cả thiết bị điều khiển và văn phòng) được nối chung vào một hệ thống mạng mà không có 55 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên sự phân cách nào. Cấu hình này dẫn tới bất kỳ hoạt động nào trên mạng cũng sẽ ảnh hưởng tới tất cả các thiết bị mạng và làm tăng xác suất xảy ra xung đột. Trên Hình 3-3 mô tả cấu hình mạng Ethernet truyền thống. Thời gian đợi giành quyền truyền tin Tblock mang tính ngẫu nhiên do việc sử dụng thuật toán BEB như đã phân tích trong mục 2.2. Hình 3-3. Cấu hình mạng Ethernet truyền thống Giả thiết rằng trong một lát thời gian (hay khe thời gian [2]) thông điệp cần truyền của một nút mạng có xác suất xuất hiện với phân bố Poisson và kỳ vọng toán là . Xác suất không xuất hiện thông điệp là e-, xác suất xuất hiện thông điệp là: pa =1 - e - (3.7) Theo thuật toán BEB, xác suất để nút mạng phải truyền lại thông điệp thực hiện việc truyền lại thông điệp là: Pr = 2 -i (3.8) với i là chỉ số lần xảy ra xung đột. Gọi n là số phần tử của tập các nút mạng trên mạng N, nr là số phần tử của tập các nút mạng phải truyền lại thông điệp Nr, na là số phần tử của tập các nút mạng có thông điệp mới xuất hiện Na. Trong khoảng thời gian của một lát thời gian, một nút mạng sẽ thực hiện truy nhập mạng để truyền thông điệp cần truyền mới Sensor Actuator IPC PC Controller Sensor Printer 56 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên xuất hiện, hoặc truy nhập mạng truyền thông điệp cần truyền lại hoặc không có thông điệp nào cần truyền. Ta có xác suất để nút mạng j bất kỳ là nút mạng duy nhất xuất hiện thông điệp trong khoảng thời gian của một lát thời gian bất kỳ là:                 ra N r jN a a j a pppP )1()1( \ (3.9) Xác suất để nút mạng j là nút mạng duy nhất truy cập mạng thực hiện việc truyền lại các thông điệp (bị xung đột trước đó) trong một lát thời gian bất kỳ là:                 j\ )1()1( ra N r N ar j r pppP (3.10) Xác suất để không có nút mạng nào truy nhật mạng để truyền dữ liệu là:               ra N r N a ppP )1()1(0 (3.11) Xác suất xảy ra xung đột hay xác suất để có từ hai nút mạng trở lên cùng truy nhập mạng trong khoảng thời gian của một lát thời gian bất kỳ là:         ra N j r N j ac PPPP 01 (3.12) Theo thuật toán BEB [20], khi xảy ra xung đột thì thông điệp đang truyền bị xung đột sẽ bị ngừng lại và đợi một khoảng thời gian. Gọi f(i) là số lát thời gian đợi phải truyền lại thì theo luật toán BEB ta có: i i ii if 2 2 ... 2 2 2 1 0)( 1  => 2 12 )(   i if (3.13) Tổng thời gian đợi giành quyền truyền tin từ thời điểm nút mạng phát hành thông điệp (thời điểm thông điệp đứng đầu hàng đợi) tới thời điểm truyền lại thứ k là: slotkkk Tfgg )1(1   (3.14) 57 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Tslot là độ dài của một lát thời gian là thời gian cần thiết để tín hiệu đi và về giữa hai trạm xa nhau nhất trong mạng. Với mạng 10Mbps ta có Tslot=51,2s. fk được tính như sau: f(k) k=1,2,…,10 f(k)= (3.15) f(10) k=11,12,…,15 Công thức (3.14) là công thức đệ quy với g0 = 0 cho trường hợp không có xung đột. Như vậy xảy ra 17 tình huống đối với thời gian đợi thực hiện truyền lại thông điệp bị xung đột là: một tình huống không xảy ra xung đột, 15 tình huống do phải truyền lại thông điệp bị xung đột với số lần truyền từ 1 tới 15 và một tình huống báo lỗi (sau 15 lần truyền lại mà vẫn không được). Ta có thể tính kỳ vọng toán của thời gian đợi truyền lại của lần xung đột thứ k tương ứng với các tình huống trên như sau: (3.16) và do đó kỳ vọng toán của thời gian đợi giành quyền truyền tin là:     residk k TTEE   16 0 blockT với Tresid là thời gian đợi nút mạng đang truyền kết thúc truyền tin và mạng trở về trạng thái sẵn sàng. Sau xung đột thứ 16, nút mạng sẽ bỏ qua thông điệp này và báo lỗi [20]. Có thể nhận thấy thời gian đợi giành quyền truyền tin Tblock trong cấu hình mạng truyền thống mang tính ngẫu nhiên và từ phương trình (3.6) ta thấy trễ truyền thông trong cấu hình truyền thống của mạng Ethernet cũng mang tính ngẫu nhiên. Với việc bỏ qua các khung truyền tin khi số lần xung đột là 16 và khi đó sẽ xảy ra tình trạng mất dữ liệu hay sự đảm bảo truyền tin trong mạng Ethernet là kém. Vấn đề trở nên trầm trọng khi số lượng nút mạng lớn, lưu lượng truyền tin tăng, tần suất       k ck r k c Pg PPE kk g 0 }{T 58 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên xảy ra xung đột lớn. Có thể nói là cấu hình mạng Ethernet kiểu truyền thống này không phù hợp với ứng dụng điều khiển. Tuy nhiên cấu hình mạng truyền thống có ưu điểm là hỗ trợ mạng hình bus, kiến trúc mạng đơn giản, tiết kiệm dây dẫn mạng nên người ra vẫn sử dụng nó trong các ứng dụng điều khiển. 3.2.2. Cấu hình mạng Ethernet sử dụng Switch Sự phát triển của các bộ chuyển mạch sử dụng cho mạng LAN (LAN Switch) đã làm thay đổi cấu hình truyền thống của mạng Ethernet thành mạng hình sao chuyển mạch gói. Khác với kiến trúc hình sao trong cấu hình mạng truyền thống các bộ tập trung tín hiệu (HUB) được thay bằng các LAN Switch thông minh. Các HUB chỉ đơn thuần đóng vai trò tập trung tín hiệu và tạo ra môi trường truyền dẫn chung và mạng hình sao trong cấu hình mạng truyền thống chỉ đơn thuần là nhằm cải thiện độ tin cậy của hệ thống đối với các sự cố ở cấp truyền thông. Về bản chất truyền tin thì mạng sử dụng HUB không khác với mạng hình bus. Kiến trúc mạng hình sao trong hệ thống mạng Ethernet sử dụng Switch với trạm trung tâm là LAN Switch thực hiện việc phân luồng các gói tin theo đúng lộ trình yêu cầu của nó. Trong hệ thống mạng có thể có sự kết hợp cả các HUB và Switch. Khi đó các Switch sẽ đóng vai trò phân chia hệ thống mạng thành nhiều phân đoạn và trễ truyền thông sẽ bao gồm trễ trong mỗi phân đoạn và trễ xử lý, truyền tin trong các Switch. Hệ thống mạng được gọi là “chuyển mạch hoàn toàn” nếu ta không sử dụng các phân đoạn theo cấu hình mạng truyền thống. Trong phần này chúng ta sẽ nghiên cứu về trễ truyền thông trong hệ thống mạng chuyển mạch hoàn toàn và trễ xử lý, truyền tin trong các Switch. Hình 3-4 mô tả cấu hình mạng chuyển mạch hoàn toàn sử dụng Switch. Trong hệ thống mạng chuyển mạch hoàn toàn các Switch phân chia mạng thành nhiều phân đoạn, mỗi phân đoạn chỉ có hai đối tác truyền thông là nút mạng và Switch. Như đã phân tích hệ thống mạng Ethernet truyền thông chỉ cho phép truyền dữ liệu theo một chiều tại một thời điểm hay nói cách khác chế độ hoạt động của hệ thống mạng Ethernet truyền thống là chế độ bán song công (half-duplex). Trong hệ thống mạng sử dụng Switch, mỗi phân đoạn chỉ gồm hai đối tác truyền 59 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên thông nên có thể cho phép hệ thống hoạt động ở chế độ song công hoàn toàn (full- duplex) bằng cách thiết lập các kênh truyền dữ liệu và kênh nhận dữ liệu riêng biệt nhờ việc sử dụng cáp quang hoặc cáp xoắn. Khi mỗi phân đoạn chỉ gồm hai đối tác truyền thông và hoạt động ở chế độ song công hoàn toàn thì sẽ không xảy ra xung đột hay nói cách khác phương pháp điều khiển truy nhập CSMA/CD sẽ không hoạt động khi hệ thống mạng hoạt động (thực tế CSMA/CD chỉ hoạt động ở thời điểm ban đầu khi Switch nhận dạng các cổng). Điều này làm tăng hiệu năng và khả năng thông qua của hệ thống mạng và là ưu điểm lớn nhất trong hệ thống mạng sử dụng Switch. Để phân tích trễ truyền thông trong hệ thống mạng chuyển mạch hoàn toàn trước hết ta tìm hiểu hoạt động của LAN Switch. Hình 3-4. Cấu hình mạng chuyển mạch hoàn toàn sử dụng Switch 3.2.3. LAN Switch Trong mô hình mạng 7 lớp OSI thì HUB hoạt động ở lớp vật lý còn LAN Switch hoạt động ở cả lớp liên kết dữ liệu và lớp vật lý. Các LAN Switch bao gồm một vài bộ nhớ đệm tốc độ cao dùng để lưu giữ các khung truyền tin (hay các thông điệp) trước khi nó được chuyển tới cổng khác hoặc các cổng khác (khi truyền thông báo). Bộ nhớ đệm này càng lớn thì càng cho phép LAN Switch xử lý cùng lúc càng nhiều khung truyền tin và làm tăng hiệu năng đáp ứng của mạng với các lưu lượng truyền tin khác nhau. Khi LAN Switch hoạt động trong chế độ “lưu giữ và chuyển thông điệp”, tất cả các khung truyền tin LAN Switch Sensor Actuator IPC Controller Sensor Printer Actuator IPC 60 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên sẽ được kiểm tra các lỗi có thể xảy ra trong khi truyền và nhận. Quá trình truyền tin diễn ra như sau: * Thông tin được truyền từ nút truyền tới LAN Switch và LAN Switch sẽ thực hiện việc ghi tạm các khung truyền tin vào bộ đệm đầu vào. * Các khung truyền tin trong bộ đệm sẽ được LAN Switch sẽ thực hiện việc kiểm tra và chuyển tới bộ đệm đầu ra được yêu cầu theo nguyên tắc vào trước – ra trước (first in first out, FIFO). * Từ bộ đệm đầu ra các khung truyền tin sẽ được chuyển tới nút mạng nhận tin và cũng theo quy tắc vào trước- ra trước. Một tình huống có thể xảy ra đối với các LAN Switch là các bộ đếm có thể bị tràn khi lưu lượng truyền thông lớn và có thể xảy ra tình trạng khung truyền tin bị bỏ qua. Tuy nhiên trong các LAN Switch thông minh, người ta đã thiết kế một chế độ làm việc đặc biệt để xử lý tình huống này. Đó là chế độ tạm dừng, PAUSE. Chế độ tạm dừng được định nghĩa trong IEEE 802.3x (bổ xung cho điều khiển thời gian thực) [16]. Theo đó khi nút mạng nhận được khung điều khiển truy nhập (MAC Control Frame) với mã hoạt động trong byte đầu tiên của dữ liệu sẽ nhận biết rằng khung điều khiển đang sử dụng để thực hiện chế độ tạm dừng. Khi nhận được lệnh tạm dừng, nút mạng sẽ ngay lập tức dừng việc gửi dữ liệu cho tới khi có lệnh mới hoặc thời gian tạm dừng hết hiệu lực. Chế độ tạm dừng nhằm mục đích để ngăn ngừa việc bỏ qua các khung dữ liệu do tràn bộ đệm đầu vào vì hiện tượng quá tải ngắn hạn. Khi gửi lệnh tạm dừng, nút mạng yêu cầu tạm dừng (Switch hoặc nút mạng) sẽ gửi kèm theo tham số chỉ thị thời gian mà đối tác truyền thông phải đợi trước khi trở lại tiếp tục truyền tin. Khi thời gian tạm dừng kết thúc, nút truyền tin sẽ quay trở lại quá trình truyền tin ở đúng trạng thái mà nó đã dừng lại. Lệnh tạm dừng có thể được ghi đè, có nghĩa là lệnh mới nhận được sẽ thay thế lệnh cũ và nút mạng yêu cầu tạm dừng có thể rút ngắn hoặc mở rộng thời gian đợi của đối tác truyền thông bằ