Μεταγωγείς πακέτων (packet switches)
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)
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:
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 }
Buffers εξόδου με TDM bus Μια λύση: Input Virtual Buffers with/or without Speedup (3x3)
Μεταγωγέας Knockout Concentrator ενός knockout switch (για εναν8x8)
Μεταγωγέας Knockout
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
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
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
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.
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.
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.
Generalization of the
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.
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.
Buffers εισόδου Head of line (HOL) blocking πρόβλημα Μπορεί να αποδειχτεί ότι Maximum throughput = 0.58
Buffers εξόδου φίλτρα διευθύνσεων Πλεονέκτημα: εννοιολογικά απλό. Μειονέκτημα: απαιτεί ταχεία αρτηρία (bus).
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)
Multistage Interconnection Networks for building high-speed switches (distributed buffer architectures)
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)