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Redes de computadores: Tecnologia de
Comutação
Prof. Dr. Amine BERQIAProf. Dr. Amine BERQIA
[email protected] [email protected]
http://w3.ualg.pt/~bamine / http://w3.ualg.pt/~bamine /
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Comutação de Circuitos Comutação de Mensagens Comutação de Pacotes
– Comutação de pacotes Datagrama – Comutação de pacotes por circuito
virtual
Sumário Sumário
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Porque Porque Comutação? Comutação?
CPU
Mem principal.
Conecte 1
Conecte 2
Conecte 3
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.
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• 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
Tecnologia de Comutação Tecnologia de Comutação
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Comutação de Circuitos Comutação de Circuitos
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.
Comutador office
Físico cobre
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Operação de Comutação Operação de Comutação de Circuitos (1) de Circuitos (1)
Comutação de Circuitos envolve três fases: 1. Estabelecimento de circuito 2. Transferência de Dados 3. Terminação do circuito
A
B
C
D
E
1
2
3
4
5
7
6
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"Sinal de ocupado" se capacidade para um circuito não disponível
A
B
C
D
E
1
2
3
4
5
7
6
Operação de Operação de Comutação de Comutação de
CircuitosCircuitos(2)(2)
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Propriedades de Propriedades de Comutação de CircuitosComutação 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.
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Temporização na Temporização na Comutação de Circuitos Comutação de Circuitos
Atraso de Propagação por salto
Estabelecimento do Circuito
Atraso Trans. Dados
Terminação Circuito
Atraso de Propagação entre duas estações
Salto 1 Salto 2 Salto 3
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Atraso de fim-a-fim de Atraso de fim-a-fim de Comutação Circuitos 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 + NDp + L/B + A
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Vantagens: 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.
Vantagens e Vantagens e Desvantagens de Desvantagens de
Comutação de CircuitosComutação de Circuitos
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Operação de Comutação Operação de Comutação por Mensagens 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.
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Atraso de ponta-a-ponta Atraso de ponta-a-ponta de Comutação por de Comutação por
Mensagens 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
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• 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 Comutação por PacotesPacotes
Ola, Amigo,
Ola, Amigo H2
Mensagem
H1 Pacotes
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Comutação por Pacote Comutação por Pacote DatagramaDatagrama
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.
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Operação de Comutação Operação de Comutação por Pacote Datagrama por Pacote Datagrama
(1) (1)
A
B
C
D
E
1
2
3
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5
7
6
Analogia: sistema postal; Por vezes designado modelo sem conexão; Cada comutador mantém uma tabela de encaminhamento (routing).
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Operação de Comutação Operação de Comutação por Pacote Datagrama por Pacote Datagrama
(2) (2)
Um
B
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Operação de Comutação Operação de Comutação por Pacote Datagrama por Pacote Datagrama
(3) (3)
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Operação de Comutação Operação de Comutação por Pacote Datagrama por Pacote Datagrama
(4) (4)
A
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C
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1
2
3
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Operação de Comutação Operação de Comutação por Pacote Datagrama por Pacote Datagrama
(5) (5)
Um
B
C
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Operação de Comutação Operação de Comutação por Pacote Datagrama por Pacote Datagrama
(6) (6)
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Um
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Operação de Comutação Operação de Comutação por Pacote Datagrama por Pacote Datagrama
(7) (7)
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Operação de Comutação Operação de Comutação por Pacote Datagrama por Pacote Datagrama
(8) (8)
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A
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Operação de Comutação Operação de Comutação por Pacote Datagrama por Pacote Datagrama
(9) (9)
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Operação de Comutação Operação de Comutação por Pacote Datagrama por Pacote Datagrama
(10) (10)
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Exemplo de Comutação Exemplo de Comutação por Pacote Datagramapor Pacote Datagrama
0 1 3
2 Host C
Host A 0
3 1
2 Host D
Host H
2 1 3
0
Host B
Host F
Comutador 1 Comutador 2
Comutador 3
Porta Com.
Tabela de encaminhamento para comutador 2
A B D F
3 0 0 1
Destino
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Atraso de ponta-a-ponta Atraso de ponta-a-ponta de Pacote de Datagramade 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 saltoN = 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) + NDp
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Comutação por Pacotes Comutação por Pacotes de Circuito Virtual 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 Dados3. Disconexão VC
È garantida a entrega de pacotes em sequência.
Contudo , pacotes de VCs diferentes podem ser intercalados.
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Exemplo de Circuito Exemplo de Circuito Virtual Virtual
0 1 3
2
Host A
0 3 1
2
Host C
2 1 3
0
Host B
Host D
Comutador 1 Comutador 2
Comutador 3
Porta Entrada
Segmento de tabela de VC Com. 1
2 2 2 2
Nº VC Entrada
Porta Saída
Nº VC Saída
1 4 5 6
2 0 1 0
4 3 11 4
5
11
7
4
5 5
5
5
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Atraso de ponta-a-ponta de Atraso de ponta-a-ponta de Comutação por Pacotes de Comutação por Pacotes de
Circuito VirtualCircuito 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) + NDp + A
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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;
Vantagens Comutação Vantagens Comutação por Pacotes por Pacotes
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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.
Desvantagens de Desvantagens de Comutação por Pacotes Comutação por Pacotes
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Estrutura Comutador Estrutura Comutador ATMATM
Tecido Comutação
Comutadores ATM são elementos de rede que apoiam o controle de conexão, transporte de célula, e administração das funções das redes ATM.
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Comutadores Comutadores Crossbar Crossbar
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.
E
N
T
R
A
D
A
S
SAÍDAS
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Comutadores Comutadores KnockoutKnockout
Concentrador
Retry or
Discard
Filteros
Endereços
Buffers
1
2
3
4
1 2 3 4
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.
N
L
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Elemento de Elemento de Comutação (SE) 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.
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Banyan Banyan Switches Switches
Uma família de comutadores auto-encaminhantes, informação de routing contida no cabeçalho Uma família de comutadores auto-encaminhantes, informação de routing contida no cabeçalho de célula,; de célula,;
Estrutura paralela, podem ser processadas várias células em caminhos diferentes Estrutura paralela, podem ser processadas várias células em caminhos diferentes simultaneamente; simultaneamente;
Mais adequado para construir grandes comutadores; Mais adequado para construir grandes comutadores; Dois grandes problemas. Dois grandes problemas.
0
1
2
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fase 2 fase 1 fase 0
000
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010
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SE
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Banyan Switch Bloqueado Banyan Switch Bloqueado InternamenteInternamente
Problema 1: Bloqueado internamente, até mesmo as saídas estão disponíveis. Problema 1: Bloqueado internamente, até mesmo as saídas estão disponíveis. Soluções:Soluções:
1. Usar M xM (M>2) SEs (Clos);1. Usar M xM (M>2) SEs (Clos);
2. Utilizar buffers dentro de cada SE (WUGS-20); 2. Utilizar buffers dentro de cada SE (WUGS-20);
3. Usar Rede de Distribuição para distribuir células de entrada tão uniformemente quanto possível. 3. Usar Rede de Distribuição para distribuir células de entrada tão uniformemente quanto possível.
0
1
2
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4
5
6
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fase 2 fase 1 fase 0
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Banyan Switches saída Banyan Switches saída BloqueadaBloqueada
Problem2: Saída Bloqueada. Duas ou mais células apontam à mesma linha de saída. Problem2: Saída Bloqueada. Duas ou mais células apontam à mesma linha de saída. Solução: Usar Redes Batcher Banyan Switching. Solução: Usar Redes Batcher Banyan Switching.
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1
2
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organize 2 fase 1 fase 0
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Comutadores com Entrada Comutadores com Entrada BufferedBuffered
Células destinadas a saídas inactivas não podem ser servidas por causa de Células destinadas a saídas inactivas não podem ser servidas por causa de Bloqueamento Bloqueamento Head-Of-Line(HOL) Head-Of-Line(HOL) . .
0
1
2
3
3 2
0
1
t4 t3 t2 t1 t0
SF
AE
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