Transcript La commutation

La commutation
• Elle consiste à trouver un chemin entre une
entrée et une sortie d’un commutateur (CAA,
CTS, CTP, …)
• Il y a au moins 3 types de commutation :
la commutation spatiale
la commutation temporelle
la commutation de paquets
La commutation spatiale
• Elle consiste à mettre en place un circuit continu
entre l’entrée et la sortie
• En règle générale, elle nécessite une matrice
d’interrupteurs commandés par un signal de
commande
• Les signaux de commande sont issus de la valeur de
mémoires à 1 bit définissant la position « ouvert » ou
« fermé » de l’interrupteur
• Le commutateur peut donc être géré par un
processeur mettant à jour ces mémoires en fonction
de la signalisation
La commutation spatiale
• La fermeture
d’un contact
entre 2 fils crée
le chemin
recherché
Liaisons entrantes
• En principe, il suffit
de fabriquer une
matrice de fils non
connectés
représentant les
liaisons entrantes
et les liaisons
sortantes
Liaisons sortantes
La commutation spatiale
• La mémoire de commande
représente l’état des
interrupteurs
• Il n’y a au plus qu’un seul
« 1 » pour chaque ligne ou
pour chaque colonne
• Les lignes où il y a un « 1 »
correspondent à des lignes
occupées
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
On peut faire des économies
• Si les lignes entrantes
et les lignes sortantes
sont identiques (lignes
mixtes), on peut avoir
une structure
comportant moins
d’interrupteurs mais
avec une gestion un
peu plus compliquée
Au lieu de n2 interrupteurs, il suffit d’en avoir n(n-1)/2
Les gros commutateurs
• Les gros commutateurs doivent être faciles à
maintenir
• Ils sont construits à partir de commutateurs
de petite taille alignés sur des colonnes
• Pour ne pas avoir de blocage, il faut 3
colonnes (réseaux de Clos)
• La gestion de ces commutateurs est assez
difficile, car il faut trouver un chemin
disponible entre les 3 colonnes
Un exemple: un commutateur 16x16 à
partir d’ éléments 4x4
A
B
C
1
1
1
2
2
2
3
3
3
4
4
4
La recherche de chemin
conjuguée
• On cherche une sortie libre entre la ligne entrante et
la deuxième colonne du commutateur
• On cherche une entrée libre entre la deuxième
colonne et la ligne sortante
• Si cette entrée et cette sortie correspondent au
même élément de la deuxième colonne, on a trouvé
un chemin
• S’il y a plusieurs chemins possibles, on choisit l’un
d’entre eux au hasard pour assurer une utilisation
moyenne identique de tous les éléments et
augmenter la fiabilité d’ensemble
Un exemple
•
On connaît l’élément d’entrée
pex : la ligne 2 de A1
On a la matrice de commande de A1
•
On connaît l’élément de sortie
pex : la ligne 4 de C3
On a la matrice de commande de C3
0 0 1 0
1 0 0 0
1
0 0 0 0
0 1 0 0
1
0 1 0 0
0 0 0 0
0
0 0 0 0
0 0 0 0
0
Pour connaître les sorties libres,il faut
faire un OU logique sur les colonnes
Pour connaître les entrées libres,il faut
faire un OU logique sur les lignes
0 1 1 0
L’élément de la colonne B qui doit être choisi est défini par les éléments « 0 » que
l’on obtient en faisant un OU logique entre les mots donnant les entrées et les
sorties libres
0 1 1 0
1 1 0 0
1 1 1 0 Le chemin disponible passe par B4
La commutation temporelle
• Le principe consiste à changer de place dans une
trame des conversations numériques multiplexées
I
II
III
IV
V VI
1
2
3
4
5
6
T
6
3
2
5
4
1
I
II
III
IV
V VI
I parle avec VI
II parle avec III
IV parle avec V
Une réalisation possible
Trame de sortie
Trame d’entrée
4
3
1
2
1
1
2
3
4
5
6
AD
entrée
1
AD
sortie
6
Cpteur
x6
Horloge
Montage avec pilotage par
la sortie
6
3
2
5
4
1
1
signalisation
Une réalisation possible
Trame de sortie
Trame d’entrée
5
4
1
3
2
1
2
3
4
5
6
AD
entrée
2
2
AD
sortie
3
Cpteur
x6
Horloge
6
3
2
5
4
1
2
Une réalisation possible
Trame de sortie
Trame d’entrée
6
5
1
4
3
1
3
2
2
4
3
5
AD
entrée
3
6
AD
sortie
2
Cpteur
x6
Horloge
6
3
2
5
4
1
3
Une réalisation possible
Trame de sortie
Trame d’entrée
1
6
1
5
1
4
3
2
2
4
3
5
4
6
AD
entrée
4
AD
sortie
5
Cpteur
x6
Horloge
6
3
2
5
4
1
4
Une réalisation possible
Trame de sortie
Trame d’entrée
2’
1’
1
6
1
5
3
2
4
2
4
3
5
5
AD
entrée
5
6
AD
sortie
4
Cpteur
x6
Horloge
6
3
2
5
4
1
5
Une réalisation possible
Trame de sortie
Trame d’entrée
3’
2’
2
1
1’
6
1
3
4
2
4
3
5
5
AD
entrée
6
6
6
AD
sortie
1
Cpteur
x6
Horloge
6
3
2
5
4
1
6
Une réalisation possible
Trame de sortie
Trame d’entrée
4’
3’
1
2’
1’
1’
3
2
6
1
4
4
3
5
5
AD
entrée
1
6
AD
sortie
6
Cpteur
x6
Horloge
6
3
2
5
4
1
1
Une réalisation possible
Trame de sortie
Trame d’entrée
5’
4’
1
3’
2’
1’
3
5
2
2’
3
6
1
4
4
5
AD
entrée
2
6
AD
sortie
3
Cpteur
x6
Horloge
6
3
2
5
4
1
2
Une réalisation possible
Trame de sortie
Trame d’entrée
6’
5’
1
4’
3’
3
5
1’
3’
5
AD
entrée
3
2
2’
Horloge
6
1
4
6
AD
sortie
2
Cpteur
x6
3
6
3
2
5
4
1
3
Une réalisation possible
Trame de sortie
Trame d’entrée
1
6’
1
5’
1’
4’
3
3’
5
2
5
4
2’
3
6
4’
6
AD
entrée
4
AD
sortie
5
Cpteur
x6
Horloge
6
3
2
5
4
1
4
Les avantages du montage piloté
par la sortie
• Possibilité d’insérer la même conversation dans
deux slots différents
conversation à trois
un seul générateur de tonalités
• Possibilité de faire de la commutation de connées à
des vitesses supérieures à 64 kbps
Une autre réalisation possible
Trame de sortie
Trame d’entrée
1
2
3
4
5
6
AD
entrée
signalisation
6
3
2
5
4
1
AD
sortie
Cpteur
x6
Horloge
Montage avec pilotage par
l’entrée
Les gros commutateurs
• Ils commutent des trames MIC 32, quel
que soit le trafic
• Dans un réseau plésiochrone (avec des
horloges non synchronisées), on ne
peut pas faire mieux
• On utilise la structure de réseaux de
Clos
Une réalisation possible d’un
commutateur de trames 3x3
Trame 1
Trame 2
Mémoire de
données de
la trame 1
Trame 1
Trame 2
Mémoire de
données de
la trame 2
Trame 3
Trame 3
Adresse
entrée
Mémoire de
données de
la trame 3
Cpteur
x32
Chaque commutateur est ouvert
1/3 du temps
Mémoire
de
commande
Adresse
sortie
La commutation de paquets
Les paquets sont dirigés vers des files d ’attente en sortie
C ’est le commutateur qui choisit la sortie (routage)
Qu’est ce qu’un commutateur de
paquets ?
• C’est une mémoire divisée en zones de taille
égale à un paquet
• Les paquets sont mis en mémoire dans une
zone vide dont on trouve l’adresse dans la
pile des vides
• Les paquets sont routés en inscrivant la
zone où se trouve le paquet dans une file de
sortie
• Lorsque les paquets sont émis, la zone où se
trouvait le paquet se retrouve dans la file des
vides
Les deux grands types de réseau à
commutation de paquets
Les réseaux connectés (ex. : TRANSPAC ou X25)
Un chemin est défini une fois pour toute pour toute la
transaction entre deux correspondants (circuit virtuel)
Avantage : Les paquets des différents messages se suivent sur
le circuit virtuel ; il n ’y a pas de problèmes de reconstitution
des messages
Problème : si le circuit a un défaut, la transaction s arrête et
doit être réinitialisée
Avant de débuter une transaction, il faut envoyer un paquet
d ’appel qui permet de construire le circuit virtuel
Les réseaux connectés
Virtual Circuit Switching
• Connexion orienté - exige l'installation d'une
connexion pour établir un chemin fixe
• Use small-sized Virtual Circuit Identifier (VCI)
when forwarding packets
• Quand l'échec de lien se produit, le
raccordement-chemin original doit être déchiré
vers le bas pour libérer le stockage, et une
nouvelle installation de connexion est
exécutée. larger impact to the application
• VCI of a connection can be different in each
routers  no need to negotiate for a “free” VCI
among different routers
Routing Tables: Virtual Packet Switching
1
A
2
1
3
5
7
3
1
4
8
6
B
5
2
4
3
C
5
2
5
6
2
Node 3
Node 1
Incoming
node VC
A 1
A 5
3
2
3
3
Outgoing
node VC
3
2
3
3
A 1
A 5
Incoming
node VC
1
2
1
3
4
2
6
7
6
1
4
4
Outgoing
node VC
6
7
4
4
6
1
1
2
4
2
1
3
D
Node 6 Incoming
node VC
3
7
3
1
B
5
B
8
Outgoing
node VC
B
8
B
5
3 1
3
7
Node 4
Node 2
Incoming
node VC
C
6
4
3
Outgoing
node VC
4
3
C
6
Incoming
node VC
2
3
3
4
3
2
5
5
Outgoing
node VC
3
2
5
5
2
3
3
4
Node 5
Incoming
node VC
4
5
D
2
Outgoing
node VC
D
2
4
5
Figure 7.24
Delays in Virtual-Circuit Packet
Switching
Connect
request
t
CC
CR
CC
CR
Connect
confirm
1
2
3
1
2
Release
3
t
t
1
2
3
• One RTT delay is required for initial
connection setup.
• Half of a RTT is required for connection
release
t
Cut-through Packet Switching
• Used in virtual circuit switching
• Packets are forwarded as long as the header is
received and the table lookup is carried out
• No hop-by-hop error checking
• Suitable for delay-sensitive applications that can
tolerate some errors (e.g. video and speech
transmission)
• Also appropriate when the transmission is
virtually error-free (e.g. Optical fiber transmission)
Cut-through Packet Switching
Source
t
Switch 1
2
1
3
t
Switch 2
2
1
3
t
1
Destination
2
3
t
Minimum Delay = 3p+T
Les deux grands types de réseau à
commutation de paquets
Les réseaux non connectés(ex. : ARPA)
L ’émetteur envoie ses paquets au réseau qui les transporte
individuellement vers le récepteur
Le réseau cherche le chemin le plus rapide pour chaque
paquet, appelé datagramme
Avantage : si une partie du réseau se casse, mais s ’il reste
un chemin, le paquet parvient à son correspondant
Problème : le récepteur doit avoir assez de mémoire libre
pour reconstituer le message
Avant d ’émettre, il faut envoyer un paquet de réservation
S ’il y a des blocages dans le réseau, le temps de transit
devient prohibitif
Les réseaux non connectés
Connectionless Packet
Switching
• Datagrams are forwarded based on the
destination node address
• When a host sends a packet, it cannot know
whether the network is capable to deliver it
(maybe some intermediate links are broken or
the destination node is off)
• Each packet is forwarded independently, and
may take different paths to the destination
• Link failure has less impact on communication if
an alternate route can be found within a short
time
Le routage dans les réseaux non
connectés
•
•
•
•
Routage aléatoire (dirigé)
Inondation
Mesure du temps retour
Algorithmes intelligents
Flooding
• By flooding an incoming packets to all neighbor
nodes except the one from which the packet
comes, the packet can eventually get to the
target node.
• Flooding can be used when routing table is not
available (e.g. during system start-up) or when
survivability is required (e.g. in military networks)
• Flooding is also used to distribute link-state
information (e.g. When Dijkstra’s algorithm is
used in routing)
Flooding
• With flooding, the number of packets flowing in a
network increases exponentially and many redundant
packets are transmitted (refer to lecture notes), and
consumes a lot of resources.
• Two approaches to reduce resource consumption in
flooding:
– Time-to-live field (TTL) in a packet is used to limit the number of
hops it can transverse.
– When a packet passes a node, the node ID will be added to the
packet header. When a node receiving a packet including its own
ID, it will discard it.
Example of Dijkstra’s Algorithm
N
D3 = 2
3
2
D1 = 0 1
5
3
1
D2 = 3
2
4
1
2
4 D4 = 5
2
3
5
D5 = 
6
D1 = 0 1
N
D6 = 
5
1
D2 = 3
N
D3 = 2
3
D1 = 0 1
5
3
1
D2 = 3
2
4
6
2
4
D6 = 3
1st Iteration
1
2
4 D4 = 4
2
3
5
D5 = 5
2nd Iteration
1
2
4 D4 = 4
2
3
5
D5 = 
3
Initial States
2
D3 = 2
3
2
6
D6 = 3
N
D3 = 2
2
D1 = 0 1
3
5
3
1
D2 = 3
2
4
1
2
4 D4 = 4
2
3
5
D5 = 5
3rd Iteration
6
D6 = 3
Example of Dijkstra’s
Algorithm – Cont’
N
D3 = 2
2
D1 = 0 1
3
5
3
1
D2 = 3
2
4
1
2
4 D4 = 4
2
3
5
D5 = 5
6
D6 = 3
N
4nd
Iteration
D3 = 2
2
D1 = 0 1
3
5
3
1
D2 = 3
2
4
1
2
4 D4 = 4
2
3
5
D5 = 5
5th Iteration
6
D6 = 3
Caractéristiques Architecturales des
commutateurs ATM
Les caractéristiques architecturales des commutateurs ATM sont évaluées
pour leur pertinence à rencontrer les exigences de performance des
protocoles qui supporteront les services à offrir dans B-ISDN.
Un commutateur ATM comprend un ensemble de N ports d’entrées, et
N ports de sorties, un switch fabric, et un processeur de controle de
gestion - management control processor (MCP).
Input Controllers
MCP
Output Controllers
0
1
.
.
.
N
0
.
.
.
Switch Fabric
.
.
.
1
.
.
.
N
42
Switch Fabric
Un “switch fabric” est un mécanisme qui achemine les
cellules des ports d’entrée aux ports de sortie. Il doit
s’occuper des problèmes suivants :
Établissement d’un chemin entre un port d’entrée et

un port de sortie à l’intérieur du commutateur;
La discipline de service pour les ports d’entrées;

Mécanisme de résolution de contention pour les

cellules qui compétitionnent pour les liens ou d’autres
ressources internes du commutateur (avoir à faire
avec le blockage interne);
Support de plusieurs ports d’entrée aux connexions de

ports de sortie (parallélisme).
43
Classification de Switch Fabrics
ATM
ATM Switch Fabrics
Time
division
Shared
memory
Space
division
Single
path
Shared
medium
Bus
Ring
Multiple
path
Augmented Parallel Load Recirculation
Banyan planes sharing
Matrix Banyan Sorted
Banyan
Delta
44
Commutation Time
Division
La connexion physique entre les ports d’entrées et de sorties

dans le switch fabric peut être développée en utilisant la
méthodologie de « time or space division ».
Dans “time division switching” commutation temporelle,

l’utilisation de ressources physiques est multiplexée entre
plusieurs connexions d’entrées et de sorties en se basant sur
des emplacements en temps discrets. Un bus est un exemple
d’un médium physique qui peut faciliter le multiplexage
temporel en utilisant de module de mémoire.
cells from input ports
Me mo ry
Mo d u l e
cells to output ports
45
Space Division Switching
Dans la méthodologie “space division”, le
switch fabric peut supporter plusieurs
connexions au même moment. Les
connexions sont basées sur la
disponibilité de chemins physiques du
switch fabric qui ne sont pas en conflit.
a0
a1
2x2
switching
element
b0
b1
Switching Elements
a0
b0
a0
b0
a1
b1
a1
b1
Straight through
Lower broadcast
a0
b0
a0
b0
a1
b1
a1
b1
exchange
Upper broadcast
Routing
Routage de cellules à travers un « space-division switch »
peut être accomplit par:
• self routing
• label routing
self routing compte sur les interconnexions régulières du
switching elements dans le fabric.
label routing, le champ VCI dans l’entête est utilisé par
chaque switching element pour prendre les décision de
lien de sortie.
Knockout Switch
A knockout switch is a matrix architecture. Any input
can transmit to any output. The switch is self routing.
0
bus
1
input
bus drivers
N-1
filter
Filtering is based on the
packet destination address
Knockout
concentrator
The concentrator with
R buffers (R<N)
implements a selection
algorithm for selecting R cells out
of the maximum N possible cells
arriving at that port. Worse case:N-R cells lost
0
R
R out of N
selection
algorithm is
used by the
concentrator
output
R
N-1
Separate output
buffers can be
maintained and
a shifter can be
used to allocate
cells to the
buffers in order
to ensure proper
sequencing of
transmitted cells
on each virtual
connection in an
ATM Network.
Multistage Switches
Two of the basic switching fabrics used
for multistage switching are the Banyan
and the Delta networks.
Delta Networks
N input port switch composed of b x b
simpler switching elements. There are K
stages, where N = bK (K=logbN) and N/b
switches in each stage (column).
Example of Delta network
8 x 8 Delta 2 network, where b = 2, N = 8, K = log28 = 3
columns (switches in a column)
K
N
0
1
2
3
4
5
6
7
0
1
0
1
0
1
0
1
one
half
of
the
deck
the
other
half
of
the
deck
a perfect shuffle
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
a perfect shuffle
000
001
010
011
100
101
110
111
Multiple connections
The bits of the destination address
provide the required routing tags. The
digits in the destination address are used
000
0 stages. 0
to0set 0the state of the
destination
port
address
1
011 2
3
white bit
controls
4
switch
setting
in each 5
stage
6
101 7
1
1
0
1
0
1
1
011
0
1
011
101
0
1
101
011
0
1
0
1
0
1
0
1
Stage 1
101
Perfect shuffle
Stage 2
Perfect shuffle
0
1
Stage 3
001
010
011
100
101
110
111
Internal blocking
Internal link blocking as well as output blocking can
happen in a Delta network. The following
example illustrates an internal blocking for
011 0 to output 3 and input 4 to
connections
of input
011 0
000
0
0
0
010
blocking link
output 2.1
1
1
001
010
1
2
3
4
5
6
7
???
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
Stage 1
Perfect shuffle
Stage 2
Perfect shuffle
???
???
Stage 3
010
011
100
101
110
111
Output Blocking
The following example illustrates output
blocking for the connections between input
1 and output 6, and input 3 and output 6.
110
110
0
1
2
3
4
5
6
7
0
1
0
1
110
0
1
0
1
Stage 1
110
Perfect shuffle
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
000
001
010
011
100
101
0
1
110
111
0
1
Stage 2
110
110
Perfect shuffle
Stage 3 output blocking
The Banyan Network
The banyan network is another self-routing
switching fabric, similar in topology to the delta network.
011
101
0
1
2
3
4
5
6
7
0
1
011
0
1
0
1
0
1
0
1
011
0
1
011
0
1
0
1
101
0
1
101
011
101
0
1
Stage 1
101
0
1
Stage 2
0
1
Stage 3
000
001
010
011
100
101
110
111
Adding Load Distribution
Because of internal blocking, input traffic is
sorted on the destination ports. The
A
B
000
0
0
0
network is known
as Batcher
sorter 0
1
1
1
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
B
A
Stage 1
Perfect shuffle
Perfect shuffle
Stage 2
A = Connection to output port 3 (011)
B = Connection to output port 2 (010)
Stage 3
001
010
011
100
101
110
111
Adding Recirculation
Recirculating networks can redistribute, to
the input ports, packets that were not
successfully delivered in a given cycle.
Switch
fabric
recirculation
buffer
This technique deals with output or internal blocking.
Starlight Switch Structure
Output
Input
Sort
Concentrator network
Trap
buffer
Routing
Banyan Network
The Trap network examines the output of the
sort network and removes all packets with the
same destination address. The duplicates are
routed back to the sort network for the next cycle
Adding Parallel Switching
Planes
One way to increase throughput is to
connect the input and output ports to
multiple planes of the switch fabric.
Each input port can distribute its traffic to the multiple
homogeneous fabric planes. Similarly, each output port
can be fed from multiple fabric planes.