Redes de computadores: Tecnologia de Comutação Prof. Dr. Amine BERQIA bamine@ualg.pt http://w3.ualg.pt/~bamine /

Sumário Comutação de Circuitos Comutação de Mensagens Comutação de Pacotes Comutação de pacotes Datagrama Comutação de pacotes por circuito virtual

Porque Comutação? CPU Conecte 1 Conecte 2 Conecte 3 Mem principal. Barramento de I/O Assuma a estação de trabalho com DMA é usado como comutador para mover dados; Desempenho é limitado: Cada pacote cruza o bus de I/O duas vezes e é lido e escrito na memoria uma vez; Para evitar este problema, utilizamos uma grande malha de tecido de comutação para reduzir a contenção fornecer uma grande fluidez.

Tecnologia de Comutação Recursos são reservados nas redes de comutação de circuitos de comutação de circuitos. Semelhante a um restaurante que aceita reservas. Uma rede de telefones é uma rede de comutação de circuitos. Recursos não são reservados para redes de comutação de pacotes. Semelhante a um restaurante que não aceita reservas. A Internet é uma rede de comutação de pacotes. Não todas as redes podem ser classificadas como puras redes de comutação de pacotes ou circuitos. Redes baseadas em ATM associam conceitos de comutação de circuitos e de pacotes

Comutação de Circuitos Físico cobre Comutador office Quando você / seu computador faz uma cahamada, o equipamento de comutação dentro do sistema de telefone procura um caminho físico de cobre desde o seu telefone até o telefone de destino. Esta técnica é chamada de comutação de circuitos.

Operação de Comutação de Circuitos (1) 7 1 D 4 2 B 6 E 3 5 Comutação de Circuitos envolve três fases: 1. Estabelecimento de circuito 2. Transferência de Dados 3. Terminação do circuito

Operação de Comutação de Circuitos(2) 7 1 D 4 2 B 6 E 3 5 "Sinal de ocupado" se capacidade para um circuito não disponível

Propriedades de Comutação de Circuitos Um caminho de comunicação dedicado é estabelecido entre duas estações através dos nós da rede. O caminho dedicado é chamado uma conexão comutada por circuito ou circuito. Um circuito ocupa uma capacidade fixa de cada ligação durante o tempo da conexão. A capacidade não utilizada pelo circuito NÂO PODE ser usado por outros circuitos. Dados não se atrasam nos comutadores.

Temporização na Comutação de Circuitos Salto 1 Salto 2 Salto 3 Estabelecimento do Circuito Atraso de Propagação por salto Atraso Trans. Dados Atraso de Propagação entre duas estações Terminação Circuito

Atraso de fim-a-fim de Comutação Circuitos Tc = S + D + UM Neste caso, S = tempo de inicio de chamada D = tempo de entrega de mensagem = atraso propagação + tempo transmissão = Nx Dn + L/B Em que, N = Numero de saltos entre as duas estações Dp = Atraso de Propagação por salto L = Tamanho de Dados B = Taxa de Dados Um = tempo de Reconhecimento So : Tc = S + NDp + L/B + A

Vantagens e Desvantagens de Comutação de Circuitos 1.Largura da banda fixa, capacidade garantida (nenhuma congestão). 2.Variação do atraso de ponta-a-ponta biaxo (atraso é quase constante). Desvantagens: 1. Iniciar e Terminar conexões introduz overhead. 2. Utilizador paga circuito, mesmo quando não utiliza. 3. Outros utilizadores não podem usar o circuito nem sequer se estiver livre de tráfego. 4. Tráfego entre computadores é frequentemente desigual, deixando a conexão ociosa a maior parte do tempo. 5. Remetente e receptor precisam enviar e receber a mesma taxa. 6. Quando circuito está ocupado, ou no max. da capacidade, as conexões estão bloqueadas.

Operação de Comutação por Mensagens Não é estabelecida uma ligação fisica de cobre entre emissor e receptor Cada bloco é recebido por inteiro, inspeccionado por erros, e depois retransmitido, chamado store-and-forward. Nenhum limite no tamanho da mensagem. Cabe aos Routers fazer buffer de mensagens longas utilizando discos. Pode conter uma ligação de router-router durante minutos. Inútil para tráfego interactivo.

Atraso de ponta-a-ponta de Comutação por Mensagens Tm = N. Md + Pd Neste caso, N = Número de saltos entre duas estações Md = tempo de entrega de Mensagem por salto = atraso propagação + atraso transmissão = Dp + L/B Pd = Atraso Processamento entre dois saltos Tm = N(Dp + L/B) + (N - 1)  Pd

Comutação por Pacotes Mensagem Pacotes Ola, Amigo, H1 Ola, H2 Amigo Uma mensagem não é enviada como uma única unidade, mas dividida em pacotes pequenos que são transmitidos individualmente. Cada pacote tem cabeçalho que contém a origem, destino e numero de sequencia; Pacotes podem viajar em rotas diferentes, ou podem chegar no destino for a de ordem. A rede reúne os pacotes, utilizando a informação contida em cada pacote relativo ao número de sequência. Comutador tem que receber o pacote inteiro antes de possa começar a transmitir o primeiro bit do pacote sobre a ligação de saída. Dois métodos: Pacote de Datagrama e Pacote de Circuito Virtual (VC).

Comutação por Pacote Datagrama 1. Não há atraso de ida-e-volta por ter de esperar pela inicialização duma conexão; Uma estação pode enviar dados assim que esteja pronta. 2. Quando uma estação enviar um pacote, não existe forma de saber se a rede é capaz de entregar ou se a estação de destino esta disponível. 3. Cada pacote (de mesma mensagem) pode viajar por caminhos diferentes; É necessário voltar a colocar a sequência. 4. Como todos os pacotes têm que levar o endereço de destino completo, o overhead por pacote é maior que para o método orientado a conexão.

Operação de Comutação por Pacote Datagrama (1) 7 1 D 4 2 B 6 E 3 5 Analogia: sistema postal; Por vezes designado modelo sem conexão; Cada comutador mantém uma tabela de encaminhamento (routing).

Operação de Comutação por Pacote Datagrama (2) Um 7 1 D 4 2 B 6 E 3 5

Operação de Comutação por Pacote Datagrama (3) 7 1 D 4 2 B 6 E 3 5

Operação de Comutação por Pacote Datagrama (4) 7 1 D 4 2 B 6 E 3 5

Operação de Comutação por Pacote Datagrama (5) Um 7 1 D 4 2 B 6 E 3 5

Operação de Comutação por Pacote Datagrama (6) 7 1 D 4 2 B 6 E 3 5

Operação de Comutação por Pacote Datagrama (7) Um 7 1 D 4 2 B 6 E 3 5

Operação de Comutação por Pacote Datagrama (8) 7 1 D 4 2 B 6 E 3 5

Operação de Comutação por Pacote Datagrama (9) 7 1 D 4 2 B 6 E 3 5

Operação de Comutação por Pacote Datagrama (10) 7 1 D 4 2 B 6 E 3 5

Exemplo de Comutação por Pacote Datagrama Comutador 1 2 Comutador 2 3 1 3 1 Host F Host C 2 Host A Comutador 3 1 3 Tabela de encaminhamento para comutador 2 Host D Host B 2 Destino Porta Com. A B D F 3 1 Host H

Atraso de ponta-a-ponta de Pacote de Datagrama Td = D1 + D2 + D3 Neste caso, D1 = tempo para transmitir e entregar todos os pacotes ao primeiro salto D2 = tempo de entrega de ultimo pacote ao segundo salto D3 = tempo de entrega de último pacote ao terceiro salto Que seja, NP =  L/(P-H)  = numero de pacotes em que, L = comprimento de mensagem, P = tamanho de pacote, H = tamanho de cabeçalho t = tempo de transmissão por pacote = P/B, B = taxa de dados Dp = atraso de propagação por salto N = Numero de saltos entre estações D1 = Np (P/B) + Dp D2 = D3 = t + Dp = P / B + Dp Td = D1 + D2 + D3 = Np(P/B) + Dp + (N –1 )(P/B + Dp) = (Np+N -1)(P/B) + NDp

Comutação por Pacotes de Circuito Virtual Comutação por pacotes VC é um híbrido de comutação de circuitos e comutação por pacotes: Todo os dados são transmitidos como pacotes Todos os pacotes de uma mensagem são enviados junto num caminho preestabelecido (circuito virtual) Comunicação com circuitos virtuais (VC) acontece em três fases: 1. Estabelecimento de VC 2. Transferência Dados 3. Disconexão VC È garantida a entrega de pacotes em sequência. Contudo , pacotes de VCs diferentes podem ser intercalados.

Exemplo de Circuito Virtual Comutador 1 2 Comutador 2 3 1 3 1 Host D 5 11 2 5 5 Host A 5 7 Comutador 3 1 3 Segmento de tabela de VC Com. 1 Host B Porta Entrada Nº VC Entrada Porta Saída Nº VC Saída 2 5 4 2 1 4 5 6 2 1 4 3 11 Host C

Atraso de ponta-a-ponta de Comutação por Pacotes de Circuito Virtual Tv = V1 + V2 + A Neste caso, V1 = tempo de inic. de ligação, S, V2 = tempo de comutação de pacote de datagrama, Td, A = Tempo de reconhecimento Tv = S + Td + A = S+ (Np+N -1)(P/B) + NDp + A

Vantagens Comutação por Pacotes 1.Comutação por pacotes utiliza recursos mais eficientemente; 2.Tempo de iniciar e terminar ligações muito pequeno; 3.É mais flexível (i.e. não se preocupa muito com o que é enviou, desde que seja possível colocar em formato pacote); 4. Emissor e receptor podem transmitir a taxas diferentes; 5. Tipos diferentes de computadores podem comunicar em rede de comutação por pacotes; 6. Redes de comutação por pacotes não recusam uma conexão; no máximo, atrasam a ligação até que o pacote possa ser transmitido; 7. Comutação por pacotes consegue gerir tráfego impulsivo (bursty). É mais usado nas redes de computadores;

Desvantagens de Comutação por Pacotes 1. Nenhuma garantia nos atrasos; 2. Algoritmos são mais complexos; 3. Demasiados pacotes poderão conduzir a uma congestão da rede comutada por pacotes: pacotes que não são guardados ou entregues podem ser descartados; 4. Pacotes podem chegar a tempos diferentes e numa ordem diferente de aquela em que foram enviados: problemático para uma conversa telefónica.

Estrutura Comutador ATM Tecido Comutação Comutadores ATM são elementos de rede que apoiam o controle de conexão, transporte de célula, e administração das funções das redes ATM.

Comutadores Crossbar ENTRADAS SAÍDAS 1. Para Crossbar NxN, tem 2N barramentos, N2 cruzamentos, que estão On ou Off; 2. Um buffer em cada cruzamento; 3. De acordo com árbitro, entre N buffers, um buffer será escolhido em cada fatia de tempo; 4. Estrutura simples e não-bloqueante; 5. Precisa de mecanismo arbitragem complexa; 6. Buffers não são compartilhados; 7. No max. N de N2 são usados. ENTRADAS SAÍDAS

Comutadores Knockout N L Concentrador Retry or Discard Filteros N barramentos separados para cada par E/S. Duas possibilidades: 1. Celulas múltiplas vão para mesma porta de saída; 2. Uma celula é multicast a várias portas de saída. A memória tem que funcionar N vezes a taxa de entrada que é impossível para comutadores grandes. Assim um concentrador e buffers são necessários para reduzir a exigência de veloc. De memoria. Concentrador selecciona L (N) para buffer. Todas as celulas L seleccionados entram no filtro de endereços. Filtro de endereços os distribui uniformemente por buffres de saída que utilizando um testemunho para manter registro de qual buffer vai a seguir. 1 2 3 4 Concentrador Retry or Discard N L Filteros Endereços Buffers 1 2 3 4

Elemento de Comutação (SE) 2x 2 elementos de comutação; Regra de encaminhamento: se o bit da porta de saída for 0, envie célula a saída superior, senão saída inferior; Se ambas as células vão para mesma saída, ou põe uma em buffer ou descarta uma; Utilizando este SE simples, podemos construir tecidos complicados.

Banyan Switches 1 2 3 4 5 6 7 000 001 010 011 100 101 110 111 SE fase 2 fase 1 fase 0 Uma família de comutadores auto-encaminhantes, informação de routing contida no cabeçalho de célula,; Estrutura paralela, podem ser processadas várias células em caminhos diferentes simultaneamente; Mais adequado para construir grandes comutadores; Dois grandes problemas.

Banyan Switch Bloqueado Internamente 1 2 3 4 5 6 7 000 001 010 011 100 101 110 111 fase 2 fase 1 fase 0 Problema 1: Bloqueado internamente, até mesmo as saídas estão disponíveis. Soluções: 1. Usar M xM (M>2) SEs (Clos); 2. Utilizar buffers dentro de cada SE (WUGS-20); 3. Usar Rede de Distribuição para distribuir células de entrada tão uniformemente quanto possível.

Banyan Switches saída Bloqueada 1 2 3 4 5 6 7 000 001 010 011 100 101 110 111 organize 2 fase 1 fase 0 Problem2: Saída Bloqueada. Duas ou mais células apontam à mesma linha de saída. Solução: Usar Redes Batcher Banyan Switching.

Comutadores com Entrada Buffered t4 t3 t2 t1 t0 1 2 3 1 2 3 3 2 SF 0 2 1 AE Células destinadas a saídas inactivas não podem ser servidas por causa de Bloqueamento Head-Of-Line(HOL) .