Μεταγωγείς πακέτων (packet switches)

Transcript

1 Μεταγωγείς πακέτων (packet switches)

2 Μεταγωγή (Switching) Λειτουργία: συνδέει εισόδους σε εξόδους, έτσι ώστε τα bits ή τα πακέτα που φτάνουν σε ένα σύνδεσμο, να φεύγουν από έναν άλλο επιθυμητό σύνδεσμο. Μετρικές απόδοσης: καθυστέρηση (delay): ανά πακέτο (για μεταγωγή πακέτου), ανά bit (για μεταγωγή κυκλώματος) χρόνος εγκατάστασης (set-up time): ανά κύκλωμα (για μεταγωγή κυκλώματος ή μεταγωγή εικονικού κυκλώματος) ρυθμαπόδοση (throughput): # γραμμών, ρυθμοί πολυπλοκότητα (complexity): # crosspoints (για μεταγωγή κυκλώματος), μέγεθος buffer (για μεταγωγή πακέτου)

3 Θέλουμε να είμαστε σε θέση να συνδέσουμε οποιαδήποτε είσοδο σε οποιoδήποτε σύνολο εξόδων, αλλά κανένα ζεύγος εισόδων να μη συνδέεται με την ίδια έξοδο. Παραδείγματα: ΝxN point-to-point μεταγωγέας: Θέλουμε να είμαστε σε θέση να συνδέσουμε οποιαδήποτε είσοδο σε οποιαδήποτε έξοδο, αρκεί δύο διαφορετικές είσοδοι να μην έχουν την ίδια έξοδο. # διαφορετικών διαμορφώσεων = Ν! # crosspoints NxM multipoint μεταγωγέας:

4 Crossbar μεταγωγέας με buffers στις εισόδους Ν είσοδοι, Ν έξοδοι (Ν=3 στο σχήμα) Ο χρόνος χωρίζεται σε σχισμές (το πολύ ένα πακέτο φτάνει σε κάθε είσοδο ανά σχισμή) Τα πακέτα (πχ ATM cells) έχουν ίσο μήκος Υπάρχουν buffers μόνο στις εισόδους. Πρόβλημα: Head of Line (HOL) blocking Μπορεί να αποδειχτεί ότι Maximum throughput = 0.58 {«χοντρικη» αναλυση δινει 1-(1-1/Ν) Ν }

5

6 Buffers εξόδου με TDM bus Μια λύση: Input Virtual Buffers with/or without Speedup (3x3)

7 Μεταγωγέας Knockout Concentrator ενός knockout switch (για εναν8x8)

8 Μεταγωγέας Knockout

9 Καθορίζονται από τις παραμέτρους Δίκτυα Clos μεταγωγέας = στοιχειώδης crossbar μεταγωγέας Ένας μεταγωγέας είναι non-blocking, αν όλες οι μία-προς-μία συνδέσεις είναι συμβατές. Ένας μεταγωγέας καλείται αυστηρά (strictly) non-blocking (SNB), αν κάθε νέα σύνδεση από μια ελεύθερη είσοδο σε μια ελεύθερη έξοδο είναι δυνατή, χωρίς να τροποποιηθούν οι υπάρχουσες συνδέσεις. Αλλιώς, καλείται rearrangeably non-blocking (RNB). 9

10 Θεώρημα: αν Απόδειξη: Έστω ότι θέλουμε να συνδέσουμε τον a με τον b:, ο μεταγωγέας Clos είναι SNB. Ο a συνδέεται το πολύ με ΙΝ- 1 ενδιάμεσους μεταγωγείς. Ο b συνδέεται το πολύ με OUT-1 ενδιάμεσους μεταγωγείς. Άρα, υπάρχει ένας ενδιάμεσος μεταγωγέας ελεύθερος. Θεώρημα: αν, ο μεταγωγέας Clos είναι RNB. 10

11 Η πολυπλοκότητα ενός μεταγωγέα Clos (παράδειγμα) NxN μεταγωγέας N=pq: ο crossbar μεταγωγέας απαιτεί crosspoints. RNB Clos: N2=p. Έστω ότι κάθε υλοποιείται ως crossbar μεταγωγέας. Τότε,. SNB Clos: N2=2p-1. Τότε, πχ, αν p=q=100, ένας SNB Clos έχει μόνο το 6% των crosspoints ενός crossbar! 11

12

13 Το δίκτυο Benes (RNB) Έστω και η ακόλουθη αναδρομική κατασκευή: N είσοδοι N έξοδοι Φαίνεται σαν ένα Clos δίκτυο. (δεδομένου, ότι και τα κουτιά είναι RNB). Κάθε κουτί κατασκευάζεται αναδρομικά ως ένα Benes δίκτυο.

14 Κάθε μεταγωγέας μπορεί ξανά να αποσυντεθεί... T(N): # των 2x2 μεταγωγέων στο NxN Benes. Είναι Ένας 2x2 μεταγωγέας απαιτεί 4 crosspoints. Άρα # crosspoints είναι Παράδειγμα:, σε αντιδιαστολή με τα που απαιτεί ένα crossbar.

15 Δρομολόγηση σε ένα δίκτυο Benes Έστω C ένα αρχικό σύνολο από συνδέσεις. Βήμα 1: Διάλεξε μια είσοδο, που δεν έχει ακόμα επιλεγεί (τερμάτισε, αν δεν υπάρχει). Βήμα 2: Σύνδεσε την είσοδο στην επιθυμητή έξοδο (του S, για παράδειγμα), μέσω του U. Βήμα 3: Αν η άλλη έξοδος του S επιθυμεί σύνδεση με είσοδο (για παράδειγμα) του T, σύνδεσέ τις μέσω του L. Πήγαινε στο βήμα 1. Εφάρμοσε τον αλγόριθμο αναδρομικά στα U και L.

16 Generalization of the

17

18 Ταχεία μεταγωγή πακέτου (Fast Packet Switching - FPS) Η συχνότητα των αλλαγών στη διαμόρφωση του μεταγωγέα είναι τάξεις μεγέθους μεγαλύτερη, στην περίπτωση της μεταγωγής πακέτου απ ότι στη μεταγωγή κυκλώματος (μs ή ακόμα και ns, έναντι sec). πακέτο αλγόριθμος δρομολόγησης διεύθυνση προορισμού (datagrams) id εικονικού κυκλώματος (VC switching) Πλεονέκτημα του FPS: ευέλικτη παραχώρηση εύρους ζώνης. Μειονέκτημα του FPS: χρειάζεται buffering.

19 Βασικοί σχεδιασμοί κοινός (shared) buffer buffer εισόδου ή εξόδου κατανεμημένος (distributed) buffer Κοινός buffer Μια συνδεδεμένη λίστα ανά έξοδο. Μια συνδεδεμένη λίστα από ελεύθερο buffer. Πλεονέκτημα: μέγιστη χρησιμοποίηση (utilization) των buffers. Μειονέκτημα: χρειάζεται ταχύς χειρισμός των δεικτών.

20 Buffers εισόδου Head of line (HOL) blocking πρόβλημα Μπορεί να αποδειχτεί ότι Maximum throughput = 0.58

21 Buffers εξόδου φίλτρα διευθύνσεων Πλεονέκτημα: εννοιολογικά απλό. Μειονέκτημα: απαιτεί ταχεία αρτηρία (bus).

22 Εδώ η ετικέτα (tag) είναι ο δυαδικος αριθμός εξόδου. Στo i-οστό στάδιο, αν το αντίστοιχο (i-οστό) bit της ετικέτας είναι 1, πάει κάτω, αλλιώς πάει πάνω. Κατανεμημένος buffer (άλλα παραδείγματα: Baseline, Flip, Delta κλπ) Αυτο-δρομολόγηση (Self-routing) στο Omega (παρομοίως και στα υπόλοιπα)

23 Multistage Interconnection Networks for building high-speed switches (distributed buffer architectures)

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36 Άλλες εναλλακτικες (πλην buffering, deflection) d-dilation όπου ο κάθε συνδεσμος αντικαθισταται από d διαφορετικους συνδεσμους (d=2 στο σχημα) r-replication όπου εχουμε r διαφορετικα παραλληλα αντιγραφα του ΜΙΝ ( d=2 στο σχημα)

37