Comutação - Ulisses Cotta Cavalca

TRANSMISSÃO DE DADOS
Aula 5: Comutação
Notas de aula do livro:
FOROUZAN, B. A., Comunicação de Dados e Redes de
Computadores, MCGraw Hill, 4ª edição
Prof. Ulisses Cotta Cavalca
<[email protected]>
Belo Horizonte/MG
2015
SUMÁRIO
1) Comutação
2) Comutação de circuitos
3) Comutação de datagramas
4) Rede de circuitos virtuais
5) Estrutura de um comutador
1. Comutação
●
●
●
●
A Multiplexação reune um conjunto de técnicas que
permite a transmissão simultânea de vários sinais por
um único link.
A partir da necessidade de conectar diversos
dispositivos por mais de um link, surge como solução a
comutação.
Comutadores são dispositivos capazes de criar
conexões temporárias entre dois ou mais dispositivos
conectados a ele.
Os dispositivos de comunicação também são
denominados como sistemas finais.
1. Comutação
●
Exemplo de uma rede comutada:
1. Comutação
●
Tipos de redes comutadas:
2. Comutação de circuitos
2.1. Introdução
●
●
●
●
A rede de comutação de circuito consiste de um
conjunto de switches conectados por ligações
físicas.
A conexão entre duas estações de uma rota
específica é feita por um ou mais links.
No entanto, cada conexão usa apenas um canal
dedicado em cada link.
Cada link é normalmente dividido em n canais
usando FDM ou TDM.
2. Comutação de circuitos
2.1. Introdução
Uma rede de comutação de por circuitos é
formada por conjunto de comutadores
conectados por links físicos nos quais cada
link é divido em n canais
Na comutação de circuitos, os recursos
precisam ser reservados durante a fase de
estabelecimento da conexão: os recursos
permanecem dedicados por toda a duração da
transferência de dados até a fase de
encerramento da conexão.
2. Comutação de circuitos
2.1. Introdução
●
Na rede comutada por circuitos:
●
●
●
●
A comutação de circuitos ocorre na camada física;
Antes de realizar a comunicação de dados, é
necessário que os comutadores façam reserva de
recursos, tais como canais, buffer, processamento e
portas de I/O;
Dados transferidos entre duas estações não são
empacotados;
Nenhuma informação adicional de endereçamento é
necessária.
2. Comutação de circuitos
2.1. Introdução
●
Na rede comutada por circuitos:
2. Comutação de circuitos
2.1. Introdução
●
EXEMPLO 1:
●
Como um exemplo trivial, vamos usar uma rede de
comutação de circuitos para conectar oito telefones
em uma pequena área. A comunicação é através de
canais de voz de 4 kHz. Assumimos que cada link
utiliza FDM para ligar um máximo de dois canais de
voz. A largura de banda de cada ligação é de 8 kHz. A
Figura a seguir mostra a situação, em que o telefone
1 está ligado ao telefone 7; 2 a 5; 3 a 8; e 4 a 6. Claro
que a situação pode mudar quando novas conexões
são feitas. O interruptor controla as conexões.
2. Comutação de circuitos
2.1. Introdução
●
EXEMPLO 1:
2. Comutação de circuitos
2.1. Introdução
● EXEMPLO 2:
●
Como outro exemplo, considere uma rede de comutação
de circuito que conecta computadores em dois escritórios
remotos de uma empresa privada. Os escritórios estão
ligados através de uma linha de T-1 alugado de um
provedor de serviço de comunicação. Há dois
interruptores 4 × 8 (4 entradas e 8 saídas) nesta rede.
Para cada chave, quatro portas de saída são dobradas
nas portas de entrada para permitir a comunicação entre
computadores no mesmo escritório. Outros quatro portas
de saída permitem a comunicação entre os dois
escritórios. A figura a seguir mostra a situação.
2. Comutação de circuitos
2.1. Introdução
●
EXEMPLO 2:
2. Comutação de circuitos
2.2. Fases de comunicação
●
Uma comutação de circuitos exige as seguintes
fases:
●
●
●
Estabelecimento de conexão: finalidade de
estabelecer um circuito dedicado de comunicação entre
dois sistemas finais. Como consequência, garante
recursos mínimos para transferência de dados;
Transferência de dados: Transmissão de dados
propriamente dita;
Encerramento da conexão: Desconexão e liberação
dos recursos e circuito dedicado.
2. Comutação de circuitos
2.3. Desempenho
●
Eficiência:
●
●
Redes e comutação de circuitos não são tão
eficientes, pois um recurso alocado para uma
conexão permanece em uso até que a mesma seja
encerrada;
Atraso:
●
Mesmo com baixa eficiência, o atraso em rede de
comutação por circuito é baixo, pois os recursos
necessários para a transferência de dados já estão
garantidos.
2. Comutação de circuitos
2.3. Desempenho
●
Atraso (visualização):
2. Comutação de circuitos
2.4. Aplicação
A comutação na camada física na rede
telefônica tradicional usa o método de
comutação de circuitos.
3. Comutação de datagramas
3.1. Introdução
●
●
●
Em comunicação de dados, é preciso enviar
mensagens a partir de um sistema a outro
extremo.
Se a mensagem vai passar através de uma
rede de comutação de pacotes, que necessita
de ser dividido em pacotes de tamanho fixo ou
variável.
O tamanho do pacote é determinado pela rede
do protocolo que rege.
3. Comutação de datagramas
3.1. Introdução
Tradicionalmente, em uma rede de
comutação de pacotes não existe
reserva de recursos; os recursos são
alocados sob demanda
QoS
(Qualidade de Serviço)
Traffic shaping
Best effort
(melhor esforço)
3. Comutação de datagramas
3.2. Tabela de roteamento
Um roteador em uma rede
de datagramas usa uma
tabela de roteamento que
se baseia no endereço do
destino
3. Comutação de datagramas
3.3. Desempenho
●
Eficiência:
●
●
Melhor eficiência, pois recursos são alocados
apenas quando pacotes são transferidos;
Atraso:
●
●
Atraso pode ser maior, em função do tempo de
espera de cada pacote em cada roteador antes de
ser transmitido.
Como caminho de transmissão de cada pacote
pode ser diferente, o atraso também pode ser
diferente.
3. Comutação de datagramas
3.3. Desempenho
●
Atraso (visualização):
4. Rede de circuitos virtuais
4.1. Introdução
●
●
●
●
Combina funcionamento da rede comutada por
circuito e rede de datagramas;
Requer fases de estabelecimento e encerramento
de conexão, e transferência de dados;
Recursos alocados no momento do
estabelecimento da conexão, ou durante a
transferência
Rede de circuito virtual é implementada na
camada de enlace
4. Rede de circuitos virtuais
4.2. Endereçamento
●
Um circuito virtual contém dois endereços:
●
●
Endereço global: Endereço único no escopo da rede.
Nesse caso, é utilizado para criar endereços VCI.
Esse endereço global não é endereço IP.
Identificador de Circuitos Virtuais (VCI): identifica um
circuito na comunicação entre dois switches.
4. Rede de circuitos virtuais
4.3. Fases de comunicação
●
●
●
Estabelecimento da conexão: Um switch cria uma
entrada para cada circuito virtual. Composto pelas
seguintes etapas:
●
solicitação de estabelecimento de conexão
●
reconhecimento
Transferência de dados: Para transmissão de um frame,
todos os switches precisam ter uma tabela de entrada
para seu circuito virtual;
Encerramento da conexão: Switches destroem entrada
na tabela através de solicitação de encerramento de
conexão.
4. Rede de circuitos virtuais
4.3. Fases de comunicação
●
Estabelecimento da conexão: solicitação de
estabelecimento de conexão
4. Rede de circuitos virtuais
4.3. Fases de comunicação
●
Estabelecimento da conexão: reconhecimento
4. Rede de circuitos virtuais
4.3. Fases de comunicação
●
Transferência de dados: em um único switch
4. Rede de circuitos virtuais
4.3. Fases de comunicação
●
Transferência de dados: transferência origem-destino
4. Rede de circuitos virtuais
4.4. Desempenho
●
Eficiência:
●
●
●
Na comutação de circuitos virtuais, todos os
pacotes pertencentes à mesma origem e destino
trafegam pela mesma rota;
Mas, pode ser que os pacotes cheguem ao destino
com retardos diferentes, caso a alocação de
recursos seja feita sob demanda.
Atraso:
●
Atraso detectado no estabelecimento e
encerramento de conexão;
4. Rede de circuitos virtuais
4.4. Desempenho
●
Atraso (visualização):
4. Rede de circuitos virtuais
4.5. Aplicação
A comutação de dados na camada de
enlace de uma WAN comutada, como
redes ATM e frame relay, é normalmente
implementada usando-se técnicas de
circuitos virtuais.
5. Estrutura de um comutador
5.1. Introdução
●
●
Estrutura de comutadores de circuito:
●
Comutador crossbar;
●
Comutador multinível;
●
Comutador por divisão de tempo;
●
Comutador por divisão de espaço e tempo.
Estrutura de comutadores de pacotes;
5. Estrutura de um comutador
5.2. Comutador crossbar
●
●
●
●
Comutador apresenta estrutura de barramento
cruzado;
Apresenta “n” entradas e “m” saídas;
Desvantagem é o grande número de
cruzamentos necessários, mxn no total;
Na prática, estudos mostram que menos de
25% dos pontos de cruzamento estão em uso
em um dado momento
5. Estrutura de um comutador
5.2. Comutador crossbar
5. Estrutura de um comutador
5.3. Comutador multinível
●
●
●
Resolve o problema do comutador crossbar
sobre a quantidade de cruzamentos;
Comutadores crossbar são conectados em
níveis (geralmente 3);
Na prática, é implementada a possibilidade de
várias rotas dentro do comutador, o que diminui
a quantidade de pontos.
5. Estrutura de um comutador
5.3. Comutador multinível
5. Estrutura de um comutador
5.3. Comutador multinível
Em um comutador multinível, o total de
pontos de cruzamento é
2kN + k(N/n)2
o qual é muito menor que o número de
cruzamento de um comutador crossbar
(N2).
5. Estrutura de um comutador
5.3. Comutador multinível
●
●
●
Bloqueio: Situação que uma entrada não
consegue estabelecer um circuito, em função
das “rotas” internas de um comutador estarem
ocupadas.
Bloqueio não acontece em comutadores
crossbar (1 nível), pois todas as “rotas” são
dedicadas
Critério de Clos determina a condição de não
haver bloqueio em comutador multinível.
5. Estrutura de um comutador
5.3. Comutador multinível
Critério de Closs:
●
n = (N/2)1/2
●
k > 2n – 1
●
Pontos de cruzamento ≥ 4N [(2N)1/2 – 1]
5. Estrutura de um comutador
5.4. Comutador por divisão de tempo
●
●
●
Utiliza multiplexação TDM dentro do comutador;
Intercâmbio de time-slot (TSI): Sistema que
conecta entrada e saída do sistema de
multiplexação TDM.
Um comutador por divisão de tempo é
composto por:
●
Multiplexador TDM
●
Demultiplexador TDM;
●
Elemento TSI.
5. Estrutura de um comutador
5.4. Comutador por divisão de tempo
5. Estrutura de um comutador
5.5. Comutador por divisão de tempo e espaço
● Comutação por divisão de espaço:
●
●
Vantagem: comutação instantânea;
●
Desvantagem: número de pontos de cruzamento;
Comutação por divisão de tempo:
●
●
●
Vantagem: não necessita de pontos de cruzamento;
Desvantagem: processamento de cada conexão cria
retardos.
Comutadores TST (Tempo-Espaço-Tempo): Unifica
o melhor das duas técnicas de comutação por
espaço e por tempo.
5. Estrutura de um comutador
5.5. Comutador por divisão de tempo e espaço
5. Estrutura de um comutador
5.6. Comutador de pacotes
●
●
Estrutura diferente de comutadores de circuitos,
porém com algumas heranças.
Componentes básicos:
●
Porta de entrada;
●
Porta de saída;
●
Processador de roteamento;
●
Estrutura de comutação.
5. Estrutura de um comutador
5.6. Comutador de pacotes
5. Estrutura de um comutador
5.6. Comutador de pacotes
●
Porta de entrada:
●
●
●
Realiza as funções da camada física e de enlace
de dados
Os bits são reconstruídos a partir do sinal recebido
Porta de entrada possui buffer de fila para conter
eventuais atrasos.
5. Estrutura de um comutador
5.6. Comutador de pacotes
●
Porta de saída:
●
●
Realiza a mesma função da porta de entrada, porém na ordem
inversa.
Processador de roteamento:
●
●
Processador de roteamento executa funções da camada de rede;
Endereço de destino é usado para encontrar o endereço do
próximo nó, ao mesmo tempo, a porta de saída.
5. Estrutura de um comutador
5.6. Comutador de pacotes
●
Estrutura de comutação:
●
●
●
Transferência do pacote da fila de entrada para a
fila de saída;
Velocidade de transferência afeta na latência do
pacote;
Estruturas:
–
–
Comutador crossbar: estrutura de barramento cruzado;
Comutador Banyan: implementação semelhante a de um
comutador multiestágio.
5. Estrutura de um comutador
5.6. Comutador de pacotes
●
Estrutura de comutação: Comutador Banyan.