Functia de comutatie in retelele de comunicatii

Functia de comutatie in retelele de comunicatii
    5.5.1. Introducere
    Centrul de comutatie (nodul de retea) are rolul de a dirija informatiile unui utilizator sosite pe un port de intrare, pe baza informatiilor continute in mesaj sau livrate la inceputul stabilirii comunicatiei, catre un port de iesire la care este legat utilizatorul destinatie.
Metode de comutatie folosite:
- comutatia de circuite - in care intre punctele de comutatie exista pe durata comunicatiei un canal (circuit) transparent;
- comutatia de pachete/mesaje in care datele componente ale unui mesaj se memoreaza si retransmit (store and forward) in fiecare nod al retelei.

    5.5.2. Principiile de realizare a comutatiei
    5.5.2.1. Comutatia spatiala si temporala
a) Comutatia spatiala

Se defineste functia f : I E

Fig. 5.21. Functia de comutatie spatiala.

    Consideram un centru de comutatie (nod de retea) ce are doua multimi de acces:

o        multimea intrarilor I,

o        multimea iesirilor E.

    Comutatia spatiala este o functie care asociaza unei intrari iI I o iesire jI E.
    Distingem urmatoarele cazuri:
a) I ? E = Ø comutator de tranzit
b) I = E comutator local
c) I ? E ? Ø comutator mixt
    Aceasta comutatie spatiala reprezinta corespondenta i j, unde iI I si jI E.
    Relatia este valabila intr-un interval de timp care este inclus in intervalul t al comutatiei i j, dar nu este obligatoriu ca cele doua intervale sa fie identice (daca informatiile de la intrare sosesc cu o anumita periodicitate, atunci conexiunea i j se executa numai in perioadele respective).
    b) Comutatia temporala
    Consideram o resursa comuna, suport de transmisie partajata in timp intre mai multi utilizatori. Fiecare utilizator poate aloca resursa un anumit interval de timp (canal temporal). Prin suport se transmit mesajele utilizatorilor dupa o metoda de alocare a intervalelor.
Comutatia temporala reprezinta posibilitatea de acces a unui utilizator U_j in intervalul de timp in care s-a transmis informatia lui U_i pentru a fi receptionata.

In cazul comutatiei temporale, suportul comun partajat este bus-ul, care poate fi bus comun de intrare (BCI) si bus comun de iesire (BCE).

Fig. 5.22. Comutatia temporala.

    Suportul este partajat in timp intre utilizatori U₁ U_n cu ajutorul a doua functii:
- functia de alocare prin diviziune in timp pentru utilizatorii U₁ U_n (ca surse) a bus-ului comun de intrare BCI - f;
- functia de alocare a bus-ului comun de iesire BCE spre utilizatorii U₁ U_n (ca destinatie) - g.

    Modurile de realizare a functiilor de alocare pentru acces la suportul multiplexat f, g si c determina un tip particular de comutatie.
    Comutatorul poate fi centralizat sau distribuit.

    5.5.2.2. Comutatia centralizata
    In cazul comutatiei centralizate, functia de comutatie este incorporata in comutatorul spatial-temporal.
    Comutatorul poate fi considerat ca o retea cu un singur nod.
    Structura unui comutator spatial-temporal este prezentata in figura 5.23.

Fig. 5.23. Schema bloc a unui comutator digital

I/F - interfata de linii de terminal si jonctiune unde se conecteaza abonatii analogici pe liniile L_A, abonatii digitali pe L_D si trunchiurile CTA si alte comutatii prin jonctiuni.
UCS - Unitatea de comanda si semnalizari
RCD - Retea de conexiune digitala
RCD (comutatorul propriu-zis) are urmatoarele functii:
- de a stabili legaturi transparente in cazul comutatiei de circuite;
- buffer de memorie (MT) in cazul comutatiei prin memorare si retransmitere (STORE AND FORWARD).
    Caracteristici:
- efectueaza comutatii temporale si spatiale;
- realizeaza multiplexari cu diviziune in timp;
- formatul este de semnal digital.
I/F - interfata cu linii de abonat analogice, digitale, jonctiuni pentru legaturi cu alte centre de comutatie, trunchiuri CTA.
UCS - avand functiile:
a) pentru comutatia de circuite comanda stabilirea, mentinerea, supravegerea si eliberarea conexiunilor temporale prin RCD, precum si tratarea, semnalizarea, exploatarea si intretinerea sistemului;
b) pentru comutatia de pachete, comanda receptionarii si memorarii pachetelor de pe liniile de intrare, determinarea directiilor de rutare si organizarea de cozi pe liniile de asteptare.

    5.5.2.3. Comutatia distribuita
    Comutatia distribuita in retelele LAN sau cu trafic integrat (voce+date) este caracterizata prin existenta unor suporturi comune de tip bus, ring, arbore la care sunt conectate statiile.
    Diferenta dintre comutatia centralizata si cea distribuita:
- comutatia centralizata distribuie mesajele la destinatie potrivit informatiei de adresa a destinatiei;
- in comutatia distribuita fiecare statie extrage mesajele destinate ei de pe suportul comun recunoscandu-le dupa informatia de adresa de destinatie.

5.5.5. Comutatia bidimensionala

Se exemplifica in fig. 5.28. prin prezentarea cazurilor posibile de comutatie dintr-o retea de comutatie digitala (RCD)

canal 2 Li_i canal 1 Le_j (t)
canal 3 LI_i canal 3 Le_j (s)

Fig. 5.28. Comutatia bidimensionala.

    Comutatia bidimensionala este spatiala si temporala.
    Comutatoarele reale au linii de intrare LI si linii de iesire LE pe care circula multiplexuri temporale sincrone sau asincrone.
    La anumite momente, fluxul de date de pe anumite LI este dirijat spre anumite LE.
    Se executa o comutatie bidimensionala adica lui LI_j LE_j (spatiala) si unui canal i (LI_i) canal m (Le_k) (temporala).
    In retelele de telefonie, de date si digitale integrate se foloseste comutatia bidimensionala ST.
    Comutatorul poate contine subsisteme pentru efectuarea de comutatie temporala TSI (Time Slot Interchange) si SD (Space Division), rezulta ca se pot realiza in acelasi modul ambele tipuri de comutatie (modul de comutatie).
    Structurile comutatorului ST depind de structurile multiplexurilor de pe liniile de intrare-iesire cu cadre ciclice si alocare fixa, dinamica a canalelor sau, cu cadre aciclice si alocare dinamica.
    Modul de alocare a canalelor fix sau dinamic determina structura comutatorului.

    5.5.5.1. Comutatia multiplexurilor sincrone cu canale individuale
    In cazul alocarii fixe a canalelor pentru utilizatorii multiplexului, comutatorul trebuie sa asigure pe toata durata comunicatiei conectarea unui canal i apartinand liniei interioare i la un canal m ce apartine liniei exterioare k.
    Comutatorul devine transparent si nu contine o functie de memorare a mesajelor de date de pe LI. Acestea sunt transferate pe LE conform informatiei de comutatie achizitionate in prealabil de catre UC a comutatorului.
    Functionarea comutatorului este sincrona.
    Daca debitul total de intrare este mai mare decat debitul total de iesire, comutatorul lucreaza cu blocaj.
    Toate solicitarile ce depasesc capacitatea de iesire vor fi refuzate.
    In figura 5.28. se prezinta un comutator de tip ST numit si retea de conexiune digitala pentru multiplex cu cadre ciclice si alocare individuala a canalelor.
    Intrarile si iesirile din RCD sunt linii digitale MIC cu multiplexuri temporale sincrone (cadre ciclice) avand in fiecare cadru, n = 4 canale temporale.
    Presupunem ca toate multiplexurile de intrare si iesire sunt sincrone la nivel de bit si cadru.
    Reteaua de comutatie digitala stabileste drumuri temporale intre canalele de pe liniile de intrare si canalele de pe liniile de iesire.
    In comutatia spatiala are loc modificarea rutei fizice.
    Plasarea in timp a canalelor ramane neschimbata.
    In comutatia temporala informatia din LI_i este comutata in alt interval de timp.
    Modificarea timpului necesita evident o functie de memorare care nu este necesara la comutatia spatial sincrona.
    Se observa ca numarul canalului de iesire 1 fiind mai mic decat cel al canalului de intrare 2, rezulta ca informatia de intrare va fi livrata la iesire in cadrul urmator astfel ca rezulta o intarziere inerenta. Valoarea acestei intarzieri depinde de numarul canalelor implicate in comutatie.
    Din analiza functiilor principale ale retelei de comutatie digitala (RCD) rezulta:
    - asigura intr-o maniera ciclica a corespondentelor LI_i LE_j pentru comutatia spatiala si canalul 1 canalul m pentru comutatia temporala;
    - absorbirea decalajului temporal intre intrare si iesire pentru comutatia temporala
    Intarzierea produsa de comutatia temporala este constanta pentru o conexiune si este £ T (intervalul de cadru temporal).
    Functia de memorie necesara comutatorului sincron nu foloseste decat pentru modificarea intervalului de timp (canal) si nu pentru memorarea mesajului sau a unei fractiuni de mesaj. Daca se considera nula intarzierea introdusa de comutatorul ST se poate considera conceptual aceasta structura ca fiind transparenta (fara memorare a mesajului), drept urmare ea devine utilizabila pentru comutatia in mod circuit.
    Din cauza unidirectionalitatii RCD, realizarea unei comunicatii bidirectionale necesita stabilirea a doua drumuri simetrice pentru a asigura cele doua sensuri.
    In figura 5.29. este prezentata comunicatia intre terminalele T_k si T_i prin comutatorul (s+t) pe doua trasee:
T_k (canal m) LI_j (canal n) LE_j T_i
T_i (canal n) LI_j (canal m) LE_i T_k

MX - multiplexoare (MIC)
T - terminale de utilizator

Fig. 5.29. Comutatia bidirectionala printr-un comutator RCD sincron.

    5.5.5.2. Comutatia multiplexurilor asincrone cu alocare dinamica a canalelor
    Este caracteristica in retelele de date cu comutatie de pachete/mesaje si retelele de comunicatii cu servicii integrate. Multiplexurile pe liniile de iesire sunt resurse comune, alocarile se fac in mod asincron pentru blocuri de date (cadre) de pe multiplexurile de intrare. Intrucat pot exista simultan mai multe solicitari pentru aceeasi linie de iesire, este necesara organizarea de cozi de asteptare la liniile de iesire si de aici rezulta implicit realizarea unei functii de memorare a pachetelor de date de pe liniile de intrare. Pe liniile de intrare si iesire debitele binare pot fi diferite, ceea ce constituie un avantaj.
    Functiile principale ale comutatorului sunt:
- comutatia spatiala a pachetelor din multiplexul de intrare in tamponul de memorie asociat liniei de iesire, pe durata transferului pachetului;
- stabilitatea liniei de iesire pentru fiecare pachet de intrare pe baza informatiilor continute in el.

    5.5.6. Tehnici de comutatie utilizate in retelele de comunicatii
    5.5.6.1. Introducere
    In cadrul comutatiei electronice sunt specifice doua metode:
    - comutatia de circuite;
    - comutatia de pachete/mesaje.
    Comutatia de circuite se caracterizeaza prin existenta unui canal sau concatenari de canale intre noduri de retea, disponibil intre doua terminale, canal care este transparent si dedicat conexiunii.
Caracteristici:
- transmisia in timp real a informatiei (intre cei doi utilizatori nu exista intarzieri);
- transparenta circuitului;
- terminalele aflate in comunicatie sunt simultan disponibile;
- absenta prelucrarilor in noduri.
    Comutatia de pachete/mesaje este caracterizata prin faptul ca mesajele sau portiuni din ele sunt memorate si retransmise ("store and forward') in fiecare nod de retea. Nu exista intre cele doua terminale decat un canal logic sau circuit virtual iar in unele cazuri nu exista nici macar o asociere.
    Comutatia de pachete se foloseste pentru transfer de date cu caracter intermitent si in tranzactii scurte si dese.
    Comutatia de circuite se utilizeaza in transferuri de date de volum mare si in transmisii in timp real.

    5.5.6.2. Comutatia de circuite
    Este tehnologia dominanta pentru semnalele de vorbire si pentru comunicatii de date. Presupune trei faze:
a) stabilirea circuitului;
b) transferul mesajului;
c) deconectarea circuitului.
a) Stabilirea circuitului
Cerinte:
- circuitul este stabilit inainte de inceperea comunicatiei si se deconecteaza dupa terminarea comunicatiei;
- comutatorul implicat trebuie sa fie capabil sa comute canale avand debitul cerut de circuit si sa ofere conexiuni transparente;

- comutatorul trebuie sa posede inteligenta necesara pentru alegerea rutelor.
Fig. 5.30. Stabilirea conexiunii intre terminalele A - C. Comutatia de circuite.

    Presupunem ca statia A doreste o comunicare cu statia C (fig. 5.30.). Deosebim urmatoarele etape:
- de obicei, linia dintre statia A si nodul de retea 1 exista; daca nu , ea trebuie stabilita;
- statia A face demersuri pentru obtinerea unui canal spre nodul de retea 1;
- nodul de retea 1 prelungeste circuitul catre statia C pe ruta (1) sau (2), aceasta rutare facandu-se pe baza urmatorilor factori:

o        adresa destinatiei;

o        starea rutelor spre statia C;

o        strategia de rutare predefinita;

o        costul diverselor rute posibile;

- nodurile de retea 2 si 3 intreprind actiuni pentru stabilirea canalului spre nodurile 5 si 4; canalele obtinute pe jonctiunile ce trebuie concatenate sunt legate intern prin comutatoarele nodurilor;
- nodul 5 completeaza actiunea spre statia C, testeaza starea de ocupat/disponibil liber si informeaza chematorul asupra starii lui C.
Terminalele A si C trebuie sa fie compatibile.
b) Transferul mesajului
Prin circuitul stabilit semnalul circula, de obicei, duplex.
c) Deconectarea circuitului
Se face la initiativa statiilor A sau C. Nodurile de retea primesc informatia de deconectare. Cerinte:
- calea de conexiune se stabileste inaintea transferului propriu-zis si se deconecteaza dupa acesta;
- comutatoarele implicate trebuie sa execute comutari ale canalelor avand debitul cerut de circuit si sa ofere conexiuni transparente;
- comutatoarele sa aiba inteligenta necesara pentru stabilirea rutelor.
Observatii:
1) dupa stabilirea circuitului, acesta este transparent intre cele doua terminale, comutatoarele nu mai intervin decat pentru pastrarea conexiunii, neefectuand prelucrari ale informatiilor utilizatorilor;
2) utilizarea canalului este ineficienta pentru ca este alocat pe toata durata comunicatiei;
3) intarzierea semnalului prin circuit rezulta doar ca urmare a timpului de propagare;
4) tratarea erorilor revine ca sarcina pentru terminale.
Terminalele trebuie sa fie compatibile la viteza de transmisie, la cod si la diferite proceduri (datorita transparentei circuitului).
Se poate aprecia despre comutatia de circuite ca are aplicatii pentru serviciul telefonic, in retelele telefonice publice sau in sistemul STAR.
Se caracterizeaza prin faptul ca prelucreaza trafic foarte mare, avand aplicatii si in transmisiile de date, pentru interconectarea de terminale sau a calculatoarelor in arii locale (LAN).
Cerinte impuse acestei metode:
- stabilirea, mentinerea si eliberarea circuitelor;
- transmisie duplex transparenta;
- intarziere mica si constanta;
- calitate adecvata pentru transmisia reala;
- o probabilitate de blocaj acceptabila (<10^-2).
Tehnologiile folosite pentru aceasta metoda sunt:
- comutatia spatial temporala;
- algoritmi de rutare in retea;
- semnale de comanda;
- multiplexare cu diviziune in timp si frecventa (MUX TDM/FDM).
    Se folosesc multiplexuri de cadre ciclice, fiecare cadru avand n canale temporale. Accesul terminalelor de utilizator se face cu alocare fixa, individuala a cate unui canal temporal pentru fiecare utilizator.
    Jonctiunile de transmisie intre nodurile de retea sunt construite pe linii radio, radio-releu, cablu coaxial, cablu fibra optica.
Principiul de comutatie este comutatia spatial-temporala sincrona.

    5.5.6.3. Comutatia de mesaje /pachete
    Este utilizata in retelele de comunicatie cu viteza de transmisie mare. Se caracterizeaza, in principal, prin memorarea si retransmiterea mesajelor (pachetelor) in fiecare nod de retea catre destinatie:

o        pe aceeasi ruta fizica (circuite virtuale);

o        pe rute independente (datagrame) pentru fiecare pachet in parte.

1. Comutatia de mesaje
a) Comutatia de mesaje presupune includerea in mesaj, la terminalul de emisie, a informatiilor de utilizator (info-U) si a informatiilor de dirijare la destinatie (info-A).
Comutatia consta in dirijarea mesajului pe baza adresei de destinatie prin retea. In comutatorul final, info-A este extrasa si se livreaza la destinatar numai info-U.
Dezavantaje principale:
- intarzierea posibil mare in cazul unor mesaje lungi;
- volumul memoriei tampon intr-un nod este relativ mare.
Comutatia de mesaje intre doi sau mai multi abonati se face printr-un schimb de mesaje efectuat in trei faze asincrone:
a) achizitia (inregistrarea in memorie);
b) rutarea (plasarea mesajului receptionat pe linia i intr-o coada de asteptare pe linia de iesire j);
c) retransmisia mesajului pe linia de iesire.
Mesajele continand info-U si info-A, trebuie sa aiba un anumit format, care defineste:
- antetul mesajului (adrese, tipul mesajului, etc.);
- textul propriu-zis al mesajului, de lungime teoretic nelimitata;
- partea finala.
2. Comutatia de pachete
Comutatia de pachete divizeaza mesajul in pachete de lungimi fixe (10³ biti /pachet). Fiecare pachet se completeaza cu info-A si comenzi si se transmit succesiv, cu memorie si retransmitere in fiecare nod de retea, pana la destinatie.
Avantaje:

o        timpul de transfer este mai mic;

o        memoriile necesare in nodurile de retea sunt mai mici.

Pentru explicarea comutatiei de pachete de foloseste figura 2.
Terminalul A transmite pachete la terminalul D (in ordinea A1D, A2D), la terminalul B (A1B) si datagrame la terminalul B (a1b, a2b).
Circuitele virtuale (c.v.) pastreaza aceeasi ruta intre statii. Termenul de virtual vizeaza tocmai aceasta proprietate.

Termenul de virtual se refera la tehnica de memorare-retransmitere, neexistand deci un circuit fizic transparent. C.V. se stabilesc, se mentin si se elibereaza.

= pachet transmis pe circuit virtual
= datagrama

Fig. 5.31. Retea de comutatie de pachete.

    Stabilirea CV intre terminalele T_A-T_D:
- terminalul A transmite un pachet special "CALL REQUEST' spre nodul de retea (1), cerandu-i o conexiune logica spre terminalul T_D;
- nodul de retea (1) decide sa ruteze pachetele spre terminalul D pe directia (3);
- astfel se transmite pachetul " CALL REQUEST' pe directia (3) -(4);
- nodul de retea (4) transmite " CALL REQUEST' la terminalul T_D;
- daca terminalul D este disponibil intoarce spre (4) un pachet "CALL ACCEPT';
- pachetul de acceptare este returnat pe calea inversa spre terminalul A.
Transferul se realizeaza dupa cum urmeaza:
- fiecare pachet (A1D, A2D) poarta un identificator de CV, astfel incat orice nod de pe ruta stabilita dirijeaza in mod corespunzator pachetul;
- nu se mai elibereaza nici o decizie de rutare.
Eliberarea C.V. se face cu ajutorul pachetului " CLEAR REQUEST'.
    La un moment dat intre doua statii pot exista mai multe circuite virtuale. De asemenea, o statie poate avea mai multe circuite virtuale cu diverse alte statii.
Circuitele virtuale pot fi stabilite la cerere sau pot fi semitransparente.
    Facilitati suplimentare ale C.V. fata de datagrame:
- secventarea pachetelor se pastreaza, toate urmeaza aceeasi ruta, in ordinea in care au fost emise;
- controlul erorilor se face pe fiecare legatura de date intre noduri.
In mod similar se transmite pachetul A1B de la terminalul A la terminalul B.
Datagramele sunt pachete tratate independent, fara nici o referire la pachetele anterioare ce apartin aceluiasi mesaj. Se exemplifica astfel:

o        terminalul A transmite datagramele a1b, a2b destinate terminalului B;

o        nodul de retea (1) receptioneaza pachetele in ordinea a1b, a2b;

o        nodul de retea (1) alege mai multe rute catre terminalul B ((1)-(2); (1)-(3)).

    Daca in momentul primirii pachetului a1b, coada de asteptare la directia (1)-(3) este mult mai scurta decat la directia (1)-(2), atunci nodul de retea (1) dirijeaza pachetul pe directia (1)-(3).
    Rezulta faptul ca aceasta metoda a datagramelor nu asigura secventialitatea mesajelor. Sarcina reordonarii lor este indeplinita de catre circuitul final.
    Pierderea unui pachet din cauza defectarii unui nod de retea nu poate fi detectata in nodurile retelei de comunicatie.

    3. Clase de dirijare a pachetelor

Fig. 5.32.a. Circuite virtuale.

Fig. 5.32.b. Autodirijarea

Fig. 5.32.c. Circulatia datagramelor

    Pentru circuite virtuale (CV) exista o eticheta in pachet indicand carui canal logic ii apartine blocul respectiv. Eticheta determina mereu aceeasi comutatie spatiala ( fig. 5.32.a.).
    Ca urmare, pachetele apartinand unui circuit virtual urmeaza aceeasi ruta fizica intre doua puncte terminale ce comunica intre ele.
    In cazul autodirijarii, etichetele descriu explicit drumurile prin retea. Este nevoie de un pointer care permite scurtarea etichetei transferate la iesirea comutatorului, dupa consumarea acelei parti a etichetei ce a determinat ultima actiune de comutatie. Este posibil ca partea folosita sa nu fie transmisa mai departe ( fig. 5.32.b).
    In cazul datagramelor fiecare pachet este independent de celelalte si contine adresa completa a destinatiei. Pe baza acestei adrese, el poate fi dirijat pe diverse rute (nu intotdeauna aceleasi) pana la destinatie. Alegerea rutei se face in fiecare nod, in functie de adresa si starea retelei ( fig. 5.32.c).