1

CCPS curs 4

Funcia de comutaie n reelele de telecomunicaii Rolul principal al unui centru de comutaie ntr-o reea este acela de a dirija informaiile

(mesajele) unui utilizator sosite pe un port de intrare, pe baza informaiilor coninute n mesaj sau livrate la nceputul stabilirii comunicaiei, ctre un port de ieire (direcie) la care este legat utilizatorul destinaie. Prin termenul de utilizatori se neleg intrrile i ieirile din centrul de comutaie.

Metodele de comutaie folosite uzual:

comutaie de circuite ntre punctele de comutaie exist pe toat durata comunicaiei un canal (circuit) transparent;

comutaia de mesaje / pachete unitile de date componente ale unui mesaj se memoreaz i retransmit n fiecare nod al reelei. Nu exist un circuit fizic transparent ntre punctele finale ce intercomunic.

1. Principiile de realizare a comutaiei. Considerm un centru de comutaie (nod de reea) avnd 2 mulimi de puncte de acces: I = mulimea intrrilor, E = mulimea ieirilor. Comutaia spaial este o funcie EI:f , care asociaz unei intrri Ii o ieire Ej .

Se disting cazurile: a) = EI - comutator de tranzit b) EI = - comutator local c) EI,EI - comutator mixt.

Comutaia temporal. Se presupune o resurs comun suport de transmisie partajat n timp ntre mai muli

utilizatori. Fiecare utilizator poate utiliza resursa un anumit interval de timp (canal temporal). Prin acest suport se transmit succesiv, dup o metod oarecare de alocare a intervalelor, mesajele utilizatorilor. Se consider c fiecare dintre utilizatorii u1 ... uN poate fi surs i destinaie (n sensul de punct de iniiere a comunicaiei i respectiv punct final).

Scopul suportului comun este de a transporta mesajele de la o surs Ui la un destinatar Uj. n cel mai general caz, comutaia temporal reprezint posibilitatea de acces a unui Uj la

intervalul de timp n care s-a transmis informaia lui Ui, pentru a o recepiona.

I E

E

Relaia ji este valabil ntr-un anumit interval de timp al comunicaiei i j, dar nu

este obligatoriu ca cele dou intervale s fie identice. De exemplu, dac informaiile de la intrarea i sosesc la o anumit periodicitate, atunci

conexiunea i-j se execut numai n perioadele respective (practic comutatoarele digitale sincrone).

1 1

i j

N N

2

Comutaie temporal centralizat

BCI bus comun de intrare BCE bus comun de ieire Suportul comun partajat n timp este sub forma unui bus comun de intrare BCI i ieire BCE f, g funcii de alocare a suportului comun la utilizatori c- funcie de comutaie CT comutator temporal

ji , - intervale temporale

Terminalele (utilizatorii) sunt u1 ... uN. Se dorete ji UU

f funcie de alocare prin diviziune n timp pentru u1 ... uN (ca surse) a busului comun BCI. g funcie de alocare a busului comun BCE spre utilizatorii u1 ... uN (ca destinaie). j - (canal temporal) conine informaia m(i) generat de Ui pe BCI. La ieirea pe BCE,

datorit funciei c a CT i a celei de alocare g, utilizatorul UN are acces la canalul K n care a ajuns m(i) i va recepiona mesajul generat n Ui.

Modelul generat este valabil pentru comutatoarele de circuit, dar i de pachete. Tipul particular de comutaie este determinat de f,g i c.

Funcia de comutaie c poate fi distribuit, iar CT dispare, rezult ncorporarea unei funcii complexe de comutaie n staiile utilizatorilor ( ex. LAN).

Comutaia centralizat i distribuit n cazul comutaiei centralizate, funciile de comutaie sunt ncorporate n comutatorul

spaial temporal (reea cu un singur nod). RCD reea de conexiune digital (comutatorul propriu-zis). Stabilete legturi transparente

la comutaia de circuite (CC) i este buffer de memorie la comutaia de pachete (CP). Utilizeaz multiplexare cu diviziune n timp, efectueaz comutaii spaiale i temporale.

3

I/F interfaa cu liniile de abonat analogice (LA), digitale (LD) i jonciunile (j) cu alte

centre de comutaie. UCS unitate de comand i semnalizri Pentru CC:

stabilete, menine, supravegheaz i elibereaz conexiunile temporale prin RCD trateaz semnalizrile exploateaz i ntreine sistemul

Pentru CP:

comanda recepionrii i memorrii pachetelor de pe liniile de intrare determinarea direciilor de rutare a pachetelor i organizarea de cozi de ateptare pe liniile

de ieire exploatarea i ntreinerea sistemului

Diferena de principiu ntre comutaia centralizat i cea distribuit: comutatorul centralizat este cel care distribuie mesajele la destinaie, potrivit informaiilor

de adres; la comutaia distribuit, fiecare staie extrage mesajele destinate ei de pe suportul comun,

recunoscndu-le dup informaiile de adres de destinaie. Comutaia distribuit exist n special n LAN-uri, sau reele cu trafic integrat (voce +

date), caracterizate de suport comun (bus, inel, arbore) la care sunt legate staiile. De regul, comutaia este temporal.

Staiile emitoare genereaz pachete ce conin adresa sursei (S), adresa destinaiei (D), informaia propriu-zis (I) i informaii de verificare a corectitudinii.

Comutaia spaial

a) Comutatorul cu o treapt (cross bar) Este o matrice N x M, cu N intrri i M ieiri. La fiecare intersecie se afl un punct de

conexiune, care poate fi blocat sau n conducie. Cnd este n conducie, pune n legtur o linie orizontal (de intrare) cu una vertical (de ieire).

Probleme la comutatoarele spaiale:

blocajul intern - exist o ieire liber, dar nu exist drum pn la ea n interiorul comutatorului;

blocajul extern cnd toate ieirile sunt ocupate. Comutatorul cu o treapt nu prezint blocaj intern oricnd se poate conecta o intrare i la o

ieire j.

4

Limitri: numrul de puncte de conexiune [PC(x, y)] interzice accesul intrrii x la ieirea y; utilizare ineficient (sunt utiliz. al mulimii N puncte din totalul de N x M)

Cnd se realizeaz legturi locale ji , cu { }N...,1j,i se poate reduce numrul de PC la 2NC reele pliate

Reele comutate spaiale: plane - ( ) 2 mulimi de puncte de acces A i B disjuncte BjA,i pliate - ( ) doar A mixte tipuri de legturi locale i de tranzit

Schem pliat pentru legturi locale:

n practic: - N x N comutator ptrat - N x M; N>M concentrator (numr mai mare de intrri) - N x M; N

5

c) Comutatorul spaial digital (pentru semnale multiplexate temporal)

CDT

TCD durata cadrului LI linie de intrare LE linie de ieire Pe liniile de intrare i ieire avem semnale multiplexate n timp. Considerm TCD mprit n

= CD

TN intervale temporale (canale), fiecare de durat , intervale n care exist coduri binare ale

unor surse independente. Ansamblul de n canale temporale, plus eventual alte informaii auxiliare incluse n cadru =

multiplex temporal digital. n plus, dac duratele celor n canale sunt egale i TCD = constant multiplex temporal sincron. (Ex. PCM 30/32)

Presupunem c toate multiplexurile pe LI i LE sunt sincrone i sinfazice (la nivel de cadru). La un moment dat matricea de comutaie conecteaz fiecare intrare (LIi) la o ieire (LEj), pe durata intervalului . n intervalul urmtor, regula de asociere se schimb .a.m.d. pentru cele n canale.

Rezult c matricea de dimensiuni K x L este echivalent cu un comutator spaial nemultiplexat, virtual, de dimensiunea n matrici K x L.

Pentru implementare, se folosete faptul c fiecare vertical este un multiplexor digital (K/1) sau fiecare orizontal este un multiplexor (1/L).

d) Faciliti i utilizri suplimentare ale reelelor de conexiune spaiale RC cu una sau mai multe trepte se folosesc i la calculatoare pentru conectarea

procesoarelor, sau procesoarelor i memoriilor. Ex:

Sortarea unor liste de elemente prin reele de sortare. O reea de sortare accept la intrare liste arbitrare de numere, cte unul pe fiecare port de intrare i produce la ieire o list sortat (monoton). Aplicaii ale reelelor de sortare: comutaia rapid de pachete (ATM).

Rutarea automat a datelor prin reea (similar cu sortarea numerelor): presupunem c o list ce trebuie sortat are cte un articol de date asociat fiecrui element al listei. Dac reeaua are N intrri i N ieiri i lista conine fiecare numere de la 1 la N, atunci reeaua de sortare execut de fapt o permutare a datelor (o rearanjare a datelor de intrare a.. 2 elemente diferite apar la ieiri diferite). Astfel, numerele dup care se face sortarea acioneaz ca etichete de dirijare prin reea a articolelor de date asociate.

6

Permutri de tip special ale datelor necesare n diverse etape de calcul ale anumitor algoritmi ( FFT, prelucrri de matrici , ...)

e) Reele de permutare

Comutator Crossbar cu o treapt fiecare intrare se poate conecta la orice ieire reeaua poate realiza un numr de funcii bijective permutri asupra mulimii (1, ..., N).

O reea de permutare este un sistem (modelabil ca circuit combinaional) fr memorie, cu N intrri i N ieiri interconectate (fix sau variabil n timp dac n interior exist comutatoare) conform unei funcii bijective (permutare).

Dac M = { }1-N . . . 0,1 = mulime ordonat a nodurilor de intrare sau ieire rezult permutarea este definit ca bijecie.

( ) Mx,My,yxpcu,MM:p = Permutri utilizate mai des:

Permutarea cu schimbare de ordin K

( )( ) ( ) KKKKKK 2mod122modx22x

xS +

=

K = ordinul permutrii, x pe n bii,

= K02n1n 2

xb...b,bx = deplasarea la dreapta a

lui x cu k poziii i pierderea celor mai puin semnificativi bii. Permutarea cu amestec perfect (perfect shuffle).

Se obine prin mprirea mulimii nodurilor n 2 submulimi i intercalarea lor. Transformarea este, de fapt, o permutare circular spre stnga cu o poziie a cuvntului binar asociat lui x.

( ) 1032 ,..., = nnn bbbbxa Permutarea fluture.

Se obine prin permutarea primului i ultimului bit din vectorul binar ce-l exprim pe x. ( ) ( ) ( )1n12n001n b,b...,b,bb...,bfxf ==

Ex. ( ){ieirerareint

001100f =321

Permutarea cu inversarea biilor Se folosete pentru transformata Fourier rapid (FFT) ( ) 1n001n b...,bb...,bi =

Permutarea prin deplasare Se face prin adunarea unei uniti i ajustarea modulo 2n, sub forma

( ) ( ) n2mod1xxd += Reele cu permutri n inel (mono i bidirecional), in inele generalizate (hipercuburi) Comutaia temporal

A.Principiul de baz multiplexarea digital temporal = partajarea n timp a unui suport fizic comun de ctre mai muli utilizatori (terminale / staii) care au acces la suport. Acestora li se

7

aloc suportul n anumite intervale de timp (canale temporale). n sistemele digitale, pe suport circul: semnale analogice la origine, digitalizate conform teoremei eantionrii i apoi codificate numeric i semnale de date (digitale) codificate adecvat.

Cadrul = un interval de timp coninnd informaia dintr-un numr n 1 canale temporale. Alocarea intervalelor de timp pentru diveri utilizatori se face de ctre un proces alocator, n

mod fix sau dinamic, duratele canalelor putnd fi egale sau neegale.

n sistemele de comutaie, apare n plus, datorit funciei de comutaie, problema

identificrii i delimitrii n timp a cadrelor i canalelor, deoarece informaiile I introduse pe suport de un utilizator Ui (ntr-un interval alocat lui) trebuie transportate pn la un utilizator Uj (n eventual alt interval de timp).

Intereseaz i protocolul prin care un utilizator are acces la suportul multiplexat (metode de alocare).

a) Metode de partajare temporal a suportului Sunt 2 clase de tehnici te partajare: cu cadre ciclice i cadre aciclice Cadrele ciclice = intervale de timp T, constante, adiacente. Fiecare cadru poate fi divizat la

rndul su n n 1 canale temporale, eventual de dimensiuni diferite (este posibil ca informaia dintr-un cadru s aparin unui singur canal temporal).

Presupunem (la un moment dat) N utilizatori ce doresc acces la suportul comun. Alocarea fix a canalelor temporale: cazul cel mai simplu, n care PA (procesul alocator)

aloc cte un canal temporal fiecrui Ui indiferent dac terminalul respectiv este activ sau nu (ex: PCM standard). Alocarea se mai numete cu canale individuale.

alocare fixa, cadre ciclice

Debitul binar pe canal temporal = ct,

T

nDc = , n= numr de bii / canal (ex. T = 125s, n = 8, Dc = 64 Kb/s PCM)

Alocarea dinamic a canalelor utilizatorii multiplexului pot ocupa diverse canale din

cadrul temporal, n funcie de necesitatea comunicrii cu un anumit debit (ex: pentru ATM). Alocarea se mai numete cu canale comune.

Duratele canalelor temporale pot fi constante i egale ntre ele (se simplific sincronizarea),

dar pot fi i variabile (cadre programabile). Pentru alocarea dinamic (ATM), debitul global disponibil al sistemului este oferit n comun

mai multor utilizatori, care l folosesc n anumite intervale de timp. Astfel, pentru un utilizator dat, debitul poate fi variabil n timp (util pentru trafic cu rat variabil).

Alocarea dinamic permite acordarea total a capacitii oricrui utilizator; este mai

flexibil, utilizeaz mai bine suportul (dar implic un proces de alocare mai complex), include, de fapt i alocarea fix.

Cadre aciclice = intervale de timp de lungime variabil care conin informaia, separate ntre ele prin pauze variabile. Caracterul asincron este mai mult sau mai puin pronunat:

TCD

8

asincronism total = cadrele au lungimi variabile i nu exist ritm comun la nivelul elementului de semnal (bit). Intervalele ntre cadre sunt variabile.

asincronism parial = cadre cu lungimi variabile (multiplu de interval de bit/octet), dar cu ritm comun de tact la nivel de bit, separate ntre ele prin intervale variabile, multipli ai intervalului de bit.

Semnalele de tact de bit, la staiile de emisie (respectiv recepie) pot fi: asincrone,

plesiocrone (frecvene egale teoretic) sau sincrone (ceas master comun). Sistemele aciclice:

ocuparea suportului numai de ctre utilizatorii activi; capacitatea de transport (debit) oferit de suport este comun tuturor utilizatorilor; caracter dinamic al multiplexrii.

Alocarea fix = adecvat comutaiei de circuite. Alocarea dinamic = adecvat comutaiei de pachete sau datagrame. Ele sosesc la intervale de regul aleatoare; ntre surs i destinaie se stabilete numai o

asociere logic (circuit virtual) sau nu exist nici o asociere (cazul datagramelor). Dintre cele 3 metode, cea mai cuprinztoare ca funcionalitate este multiplexarea cu cadre

ciclice i alocarea dinamic (cazul GPRS), care ofer i caracteristic de mod circuit i de mod pachet.

b) Identificarea cadrelor i canalelor n procesul comunicaiei, mesajele multiplexate trebuie distribuite la recepie utilizatorilor

determinai. Demultiplexorul trebuie s cunoasc, sau s restaureze din semnalul recepionat, informaia de partaj temporal i s execute demultiplexarea propriu-zis, adic distribuirea informaiilor pe canale paralele la ieire.

Identificarea cadrelor. n sistemele cu cadre ciclice i alocare fix (canale individuale) se utilizeaz cuvinte de

sincronizare de cadru (coduri binare) plasate la nceputul cadrului sau distribuite n interiorul cadrului. Aceste coduri se transmit periodic (nu obligatoriu n fiecare cadru).

n sistemele cu cadre ciclice i alocare comun a suportului pentru cile de intrare suportul de transmisie nu este n permanen utilizat. Codurile de sincronizare se pot introduce aleator n canalele rmase libere. Dup intrarea n sincronism a sistemului este suficient s se numere elementele binare i s se recunoasc cuvintele de sincronizare (cadrele sunt de lungime fix).

n sistemele cu cadre aciclice este necesar identificarea fiecrui cadru n parte. Se utilizeaz

mai multe metode: inserarea sistematic de cuvinte sincro (flag-uri) ntre cadrele de informaie ncadrarea ntre 2 flag-uri a fiecrui cadru; dup flag-ul de nchidere a cadrului se transmite

pe suport un semnal pauz de bii 1 succesivi; utilizarea unui singur flag de nceput i a unui utilizator de lungime a cadrului (L).

9

Toate cele 3 metode evit prin procedee speciale imitarea configuraiei de bii a flag-ului n

interiorul cadrului pentru a preveni false sincronizri. Flag-urile pot fi realizate practic n mai multe moduri:

configuraii speciale de bii (ex. 0 1 1 1 1 1 1 0 la protocolul HDLC High Density Link Control)

nclcri ale regulii de formare a codului de transmisie n lini, detectrile de recepie.

Exemple de delimitare a cadrelor: Ex. 1: Multiplexul primar PCM E1 (Europa), 2048 Kbit/s Este un sistem cu cadre ciclice i alocare fix a canalelor:

eantionarea cu 8 KHz a semnalelor analogice, cu band limitat la 3400 Hz; intercalarea n timp a seriilor de eantioane (canale temporale); codificarea numeric a fiecrui eantion; adugarea unor coduri speciale pentru formarea cadrului PCM:

o cuvnt de sincro de cadru n canalul 0. o coduri speciale pentru semnalizri ntr-un canal dedicat

formarea unei structuri multi-cadru de semnalizare din mai multe cadre succesive