5.5.1. Introducere Centrul de comutaie (nodul de reea) are rolul
de a dirija informaiile 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 la care este
legat utilizatorul destinaie. Metode de comutaie folosite: comutaia
de circuite n care ntre punctele de comutaie exist pe durata
comunicaiei un canal (circuit) transparent; comutaia de
pachete/mesaje n care datele componente ale unui mesaj se memoreaz
i retransmit (store and forward) n fiecare nod al reelei. 5.5.2.
Principiile de realizare a comutaiei 5.5.2.1. Comutaia spaial i
temporal a) Comutaia spaial Se definete funcia f : I E
Fig. 5.21. Funcia de comutaie spaial. Considerm un centru de
comutaie (nod de reea) ce are dou mulimi de acces: mulimea
intrrilor I, mulimea ieirilor E. Comutaia spaial este o funcie care
asociaz unei intrri iI o ieire jE. Distingem urmtoarele cazuri: a)
I E = comutator de tranzit b) I = E comutator local c) I E
comutator mixt
Aceast comutaie spaial reprezint corespondena i j, unde iI i jE.
Relaia este valabil ntr-un interval de timp care este inclus n
intervalul al comutaiei i j, dar nu este obligatoriu ca cele dou
intervale s fie identice (dac informaiile de la intrare sosesc cu o
anumit periodicitate, atunci conexiunea i j se execut numai n
perioadele respective). b) Comutaia temporal Considerm o resurs
comun, suport de transmisie partajat n timp ntre mai muli
utilizatori. Fiecare utilizator poate aloca resursa un anumit
interval de timp (canal temporal). Prin suport se transmit mesajele
utilizatorilor dup o metod de alocare a intervalelor. Comutaia
temporal reprezint posibilitatea de acces a unui utilizator Uj n
intervalul de timp n care s-a transmis informaia lui Ui pentru a fi
recepionat. n cazul comutaiei temporale, suportul comun partajat
este bus-ul, care poate fi bus comun de intrare (BCI) i bus comun
de ieire (BCE). Fig. 5.22. Comutaia temporal.
Suportul este partajat n timp ntre utilizatori U1 Un cu ajutorul
a dou funcii: funcia de alocare prin diviziune n timp pentru
utilizatorii U1 Un (ca surse) a bus-ului comun de intrare BCI f;
funcia de alocare a bus-ului comun de ieire BCE spre utilizatorii
U1 Un (ca destinaie) g.
Modurile de realizare a funciilor de alocare pentru acces la
suportul multiplexat f, g i c determin un tip particular de
comutaie. Comutatorul poate fi centralizat sau distribuit. 5.5.2.2.
Comutaia centralizat n cazul comutaiei centralizate, funcia de
comutaie este ncorporat n comutatorul spaial-temporal. Comutatorul
poate fi considerat ca o reea cu un singur nod. Structura unui
comutator spaial-temporal este prezentat n figura 5.23.
Fig. 5.23. Schema bloc a unui comutator digital I/F interfa de
linii de terminal i jonciune unde se conecteaz abonaii analogici pe
liniile LA, abonaii digitali pe LD i trunchiurile CTA i alte
comutaii prin jonciuni. UCS Unitatea de comand i semnalizri RCD
Reea de conexiune digital RCD (comutatorul propriu-zis) are
urmtoarele funcii: de a stabili legturi transparente n cazul
comutaiei de circuite; buffer de memorie (MT) n cazul comutaiei
prin memorare i retransmitere (STORE AND FORWARD). Caracteristici:
efectueaz comutaii temporale i spaiale; realizeaz multiplexri cu
diviziune n timp; formatul este de semnal digital. I/F interfa cu
linii de abonat analogice, digitale, jonciuni pentru legturi cu
alte centre de comutaie, trunchiuri CTA. UCS avnd funciile:
a) pentru comutaia de circuite comand stabilirea, meninerea,
supravegherea i eliberarea conexiunilor temporale prin RCD, precum
i tratarea, semnalizarea, exploatarea i ntreinerea sistemului; b)
pentru comutaia de pachete, comanda recepionrii i memorrii
pachetelor de pe liniile de intrare, determinarea direciilor de
rutare i organizarea de cozi pe liniile de ateptare.
5.5.2.3. Comutaia distribuit n reelele LAN Comutaia distribuit n
reelele LAN sau cu trafic integrat (voce+date) este caracterizat
prin existena unor suporturi comune: bus, ring, arbore la care sunt
conectate staiile. Diferena dintre comutaia centralizat i cea
distribuit: comutaia centralizat distribuie mesajele la destinaie
potrivit informaiei de adres a destinaiei; n comutaia distribuit
fiecare staie extrage mesajele destinate ei de pe suportul comun
recunoscndu-le dup informaia de adres de destinaie. 5.5.3. Comutaia
spaial Se realizeaz cu ajutorul reelelor de conexiune (de
interconectare). Fiecare rut fizic prin reea constituie o resurs
unic alocat (permanent/temporar) pentru comunicarea mesajelor ntre
doi utilizatori. O dat cu dezvoltarea tehnologiei digitale, reelele
spaiale s-au multiplicat virtual prin folosirea liniilor fizice cu
multiplexare n timp rezultnd comutatoare combinate
spaial/temporale. Reelele de conexiune spaiale mai sunt utilizate
frecvent n sistemul multiprocesor i calculatoare paralele pentru a
permite accesul multiplu al procesoarelor la memorii sau comunicaie
ntre procesoare. Reelele de conexiune pot fi statice (nu implic
comutaii spaiale) sau dinamice (implic comutaii spaiale).
Topologiile de comutaii statice includ: bus; inel; arbore;
stea;
plas; interconectare total. Reelele de conexiune dinamic sunt
configurate variabil n timp datorit comutaiei incluse care modific
legturile (conexiunile). 5.5.3.1. Comutatorul cu treapt i dou
trepte Cel mai simplu comutator spaial este cel cu o singur treapt
sau etaj de tip crossbar. Este un principiu n care exist o matrice
N x M avnd N intrri i M ieiri. La fiecare intersecie se afl un
punct de conexiune care poate fi blocat sau n conducie. Se pune n
legtur o linie orizontal (la intrare) cu una de ieire vertical, n
mod necondiionat, independent de starea altor puncte de conexiune.
La comutator intereseaz economicitatea (numrul de puncte de
conexiune), probabilitatea de blocaj intern, simplitatea comenzii,
uurina de implementare, existena subsistemelor redondante pentru
creterea fiabilitii. Blocajul intern reprezint situaia cnd exist o
ieire liber dar nu exist drum pn la ea prin interiorul
comutatorului. Blocajul extern reprezint situaia n care toate
ieirile din comutator sunt ocupate. Limitrile comutatorului spaial:
numrul de puncte de conexiune crete proporional cu n2 ceea ce duce
la cost mate pentru capaciti mari; defectarea unui punct de
conexiune interzice accesul intrrii la ieire; utilizare ineficient
(sunt utilizate cel mult n puncte din totalul N x M). n practic,
structura matriceal se ntlnete sub forma N x N (comutator ptrat), N
x M (N > M) concentrator (numr mai mare de intrri) sau N x M (N
< M) distribuitor. Dimensiunile N i M se aleg astfel nct
comutatorul s intre ntr-un circuit integrat.
a
b
Fig. 5.24. Reele de conexiune n treapt. Conectarea treptelor 1 i
2 se face conform principiului accesibilitii totale, adic orice
punct de acces de intrare s aib acces la orice ieire. Se poate
observa din figur c la o matrice din treapta nti pleac un fascicol
sau un link la orice matrice din treapta a doua.
Fig. 5.25. Reele de conexiune cu 2 trepte. n cazul comutaiei
electronice, de regul, traseele sunt electric unidirecionate astfel
nct o comunicaie (i j) ntre dou puncte de acces necesit dou drumuri
prin RC (reea de comutaie) i anume: i j i i j. Este folosit pentru
capaciti mici sau ca elemente pentru comutatorul cu trei trepte. n
figura 5.25. se prezint structura unui comutator spaial
dreptunghiular cu dou trepte de matrici. Numrul de matrici din
treapta nti este N/n, unde n este numrul de intrri ntr-o matrice,
iar numrul de matrici din treapta a doua este M/m. Interconectarea
treptelor 1 i 2 se face conform principiului interconectrii totale
(orice punct de acces de intrare s aib acces la orice ieire).
Legturile dintre matricele din cele dou trepte se face prin k
linkuri. Reeaua de comutaie cu dou trepte se poate utiliza ca
element constructiv pentru reelele cu patru trepte. Numrul de
puncte de conexiune este sensibil mai mic dect la reeaua cu o
treapt dar apare blocajul intern mai frecvent. De exemplu, la
comutatorul ptrat N x N i pentru k=1, numrul de puncte de conexiune
este:
2N 2 . (5.1) N pc = n Este cu un ordin de mrime mai mic dect la
structura cu o treapt. n reelele cu mai mult de dou trepte exist
avantajul drumurilor multiple ntre dou puncte de acces. 5.5.4.
Realizarea comutaiei temporale 5.5.4.1. Introducere Multiplexorul
primar MIC standard CEPT cu viteza de 2048 Kb/s este un sistem cu
cadre ciclice i alocare fix a canalelor. n standardul CEPT, primul
nivel ierarhic l constituie multiplexul primar obinut prin
fenomenele: eantionare cu 8 KHz a semnalelor analogice cu banda
limitat la 3400 Hz; intercalarea n timp a seriilor de eantionare i
obinerea canalelor temporale; codificarea numeric a fiecrui
eantion; adugarea unor coduri speciale pentru formarea cadrului MIC
i anume n canalul 0 se introduce cuvntul de sincronizare de cadru,
i respectiv se introduc coduri speciale n canalul 15 pentru
semnalizri; formarea unor structuri multicadru de semnalizare care
sunt alctuite din mai multe cadre succesive. Caracteristicile
principale ale multiplexului primar MIC 30/32 sunt: numrul total de
canale 32 numrul de canale pentru utilizatori 30 durata cadrului
125 s, fix numrul de bii/canal 8 alocarea canalelor fix canale
speciale C0 folosit pentru transmiterea unui cod de sincronizare de
cadru; C16 folosit pentru schimb de informaii de semnalizare debite
binare 64 Kb/s canal; 2048 Kb/s cadru structura de multicadru 16
cadre succesive reprezentnd o perioad de 2 ms n care se transmit
semnalizrile pentru toate cele 30 de canale de utilizator.
Recepionarea semnalului MIC implic trei nivele de sincronizare:
bit, cadru i multicadru.
5.5.4.2. Principiile comutaiei temporale digitale Pentru a le
explica inem seama de metodele de multiplexare digital temporal i
metodele de acces la multiplex. Se prezint dou scheme de principiu
cu comutaie centralizat (comutator central) (fig. 5.26)i distribuit
(fr comutator central) n care se pun n eviden relaiile dintre
funciile de comutaie i procesele alocatoare care realizeaz
protocoalele de acces la suport (fig. 5.27).
Fig. 5.26. Principiile CT centralizat n cazul comutatorului
centralizat, comutatorul k realizeaz partajarea suportului comun
prin explorarea celor N utilizatori (explorare ciclic). Intervalele
de timp alocate pentru U1 sunt constante i egale cu T/N unde T
reprezint durata unui cadru. Considerm c acest comutator de
multiplexor k' se rotete sincron i sinfazic cu k ceea ce reprezint
de fapt ideea c procesul alocator este unic.
U1......UN = utilizatori MX, DX = multiplexor, demultiplexor CT
= comutator temporal M = memorie temporal UC = unitate de comand ic
= informaia de comutaie PA = proces alocator al canalelor temporale
la utilizatori m(i) = mesaj/fraciune de mesaj generat de terminalul
U1
Fig. 5.27. Principiile comutaiei temporale distribuite Funcia de
comutaie temporal nu o poate realiza dect comutatorul temporal
central (CT). Acesta: cunoate procesul de alocare de ctre PA;
primete n UC informaiile de comutaie prin care un utilizator Ui
solicit transmiterea mesajelor sale m(i) ctre utilizatorul Uj;
presupunem c Uj face acelai lucru, adic cere comutaia cu
utilizatorul Ui; pe baza unei funcii de memorare executat prin
memoria M, comandat de UC, plaseaz periodic n intervalul i=T/N
alocat lui Ui mesajul sau fraciunea de mesaj m(j) sosit de la Uj.
Se observ c dac este constant i comanda de ctre UC a memoriei M
rmne neschimbat, ntre Ui i Uj se realizeaz un circuit prin aceea c
Uj recepioneaz b/T bii/s unde b reprezint numrul de bii/canal
temporal. Din aceast cauz acest tip de comutaie este folosit n mod
standard pentru comutaia de circuite. Funcia de comutaie distribuit
este nglobat n procesele alocatoare PA care sunt incluse n fiecare
staie Si neexistnd ca n cazul precedent un PA central, de aceea
informaia de comutaie ic trebuie generat mereu la fiecare nou bloc
de date. Privitor la funcionarea sincron/asincron a celor dou
scheme se poate observa c acest comutator central CT poate lucra i
asincron dac PA aloc suportul pentru intervale inegale de timp i
eventual dinamic variabil n timp.
CT trebuie s primeasc informaia asupra PA prin includerea de
informaii de adres n fiecare bloc de date pentru identificarea
sursei i destinaiei blocului. Centrul de comutaie se reduce astfel
la PA. Dac PA este distribuit la fiecare utilizator, atunci Ui
devine Si. 5.5.5. Comutaia bidimensional Se exemplific n fig. 5.28.
prin prezentarea cazurilor posibile de comutaie dintr-o reea de
comutaie digital (RCD)
canal 2 LIi canal 1 LEj (t) canal 3 LIi canal 3 LEj (s) canal 2
LIj canal 4 LEi (t+s) Fig. 5.28. Comutaia bidimesional. Comutaia
bidimensional este spaial i temporal. Comutatoarele reale au linii
de intrare LI i linii de ieire LE pe care circul multiplexuri
temporale sincrone sau asincrone. La anumite momente, fluxul de
date de pe anumite LI este dirijat spre anumite LE. Se execut o
comutaie bidimensional adic lui LIj LEj (spaial) i unui canal i
(LIi) canal m (LEk) (temporal). n reelele de telefonie, de date i
digitale integrate se folosete comutaia bidimensional ST.
Comutatorul poate conine subsisteme pentru efectuarea de comutaie
temporal TSI (Time Slot Interchange) i SD (Space Division), rezult
c se pot realiza n acelai modul ambele tipuri de comutaie (modul de
comutaie).
Structurile comutatorului ST depind de structurile
multiplexurilor de pe liniile de intrareieire cu cadre ciclice i
alocare fix, dinamic a canalelor sau, cu cadre aciclice i alocare
dinamic. Modul de alocare a canalelor fix sau dinamic determin
structura comutatorului. 5.5.5.1. Comutaia multiplexurilor sincrone
cu canale individuale n cazul alocrii fixe a canalelor pentru
utilizatorii multiplexului, comutatorul trebuie s asigure pe toat
durata comunicaiei conectarea unui canal i aparinnd liniei
interioare i la un canal m ce aparine liniei exterioare j.
Comutatorul devine transparent i nu conine o funcie de memorare a
mesajelor de date de pe LI. Acestea sunt transferate pe LE conform
informaiei de comutaie achiziionate n prealabil de ctre UC a
comutatorului. Funcionarea comutatorului este sincron. Dac debitul
total de intrare este mai mare dect debitul total de ieire,
comutatorul lucreaz cu blocaj. Toate solicitrile ce depesc
capacitatea de ieire vor fi refuzate. n figura 5.28. se prezint un
comutator de tip ST numit i reea de conexiune digital pentru
multiplex cu cadre ciclice i alocare individual a canalelor.
Intrrile i ieirile din RCD sunt linii digitale MIC cu multiplexuri
temporale sincrone (cadre ciclice) avnd n fiecare cadru n = 4
canale temporale. Presupunem c toate multiplexurile de intrare i
ieire sunt sincrone la nivel de bit i cadru. Reeaua de comutaie
digital stabilete drumuri temporale ntre canalele de pe liniile de
intrare i canalele de pe liniile de ieire. n comutaia spaial are
loc modificarea rutei fizice. Plasarea n timp a canalelor rmne
neschimbat. n comutaia temporal informaia din LIi este comutat n
alt interval de timp. Modificarea timpului necesit evident o funcie
de memorare care nu este necesar la comutaia spaial sincron. Se
observ c numrul canalului de ieire 1 fiind mai mic dect cel al
canalului de intrare 2, rezult c informaia de intrare va fi livrat
la
ieire n cadrul urmtor astfel c rezult o ntrziere inerent.
Valoarea acestei ntrzieri depinde de numrul canalelor implicate n
comutaie. Din analiza funciilor principale ale reelei de comutaie
digital (RCD) rezult: asigur ntr-o manier ciclic a corespondenelor
LIi LEj pentru comutaia spaial i canalul 1 canalul m pentru
comutaia temporal; absorbirea decalajului temporal ntre intrare i
ieire pentru comutaia temporal. ntrzierea produs de comutaia
temporal este constant pentru o conexiune i este T (intervalul de
cadru temporal). Funcia de memorie necesar comutatorului sincron nu
folosete dect pentru modificarea intervalului de timp (canal) i nu
pentru memorarea mesajului sau a unei fraciuni de mesaj. Dac se
consider nul ntrzierea introdus de comutatorul ST se poate
considera conceptual aceast structur ca fiind transparent (fr
memorare a mesajului), drept urmare ea devine utilizabil pentru
comutaia n mod circuit. Din cauza unidirecionalitii RCD, realizarea
unei comunicaii bidirecionale necesit stabilirea a dou drumuri
simetrice pentru a asigura cele dou sensuri. n figura 5.29. este
prezentat comunicaia ntre terminalele Tk i Ti prin comutatorul
(s+t) pe dou trasee: Tk (canal m) LIj (canal n) LEj Ti Ti (canal n)
LIj (canal m) LEi Tk
LEi
LEj
MX multiplexoare (MIC) T terminale de utilizator Fig. 5.29.
Comutaia bidirecional printr-un comutator RCD sincron. 5.5.5.2.
Comutaia multiplexurilor asincrone cu alocare dinamic a canalelor
Este caracteristic n reelele de date cu comutaie de pachete/mesaje
i reelele de comunicaii cu servicii integrate. Multiplexurile pe
liniile de ieire sunt resurse comune, alocrile se fac n mod
asincron pentru blocuri de date (cadre) de pe multiplexurile de
intrare. ntruct pot exista simultan mai multe solicitri pentru
aceeai linie de ieire, este necesar organizarea de cozi de ateptare
la liniile de ieire i de aici rezult implicit realizarea unei
funcii de memorare a pachetelor de date de pe liniile de intrare.
Pe liniile de intrare i ieire debitele binare pot fi diferite, ceea
ce constituie un avantaj. Funciile principale ale comutatorului
sunt: comutaia spaial a pachetelor din multiplexul de intrare n
tamponul de memorie asociat liniei de ieire, pe durata transferului
pachetului; stabilitatea liniei de ieire pentru fiecare pachet de
intrare pe baza informaiilor coninute n el. 5.5.6. Tehnici de
comutaie utilizate n reelele de comunicaii 5.5.6.1. Introducere
n cadrul comutaiei electronice sunt specifice dou metode:
comutaia de circuite; comutaia de pachete/mesaje. Comutaia de
circuite se caracterizeaz prin existena unui canal sau concatenri
de canale ntre noduri de reea, disponibil ntre doua terminale,
canal care este transparent i dedicat conexiunii. Caracteristici:
transmisia n timp real a informaiei (ntre cei doi utilizatori nu
exist ntrzieri); transparena circuitului; terminalele aflate n
comunicaie sunt simultan disponibile; absena prelucrrilor n noduri.
Comutaia de pachete/mesaje este caracterizat prin faptul c mesajele
sau poriuni din ele sunt memorate i retransmise (store and forward)
n fiecare nod de reea. Nu exist ntre cele dou terminale dect un
canal logic sau circuit virtual, iar n unele cazuri nu exist nici
mcar o asociere. Comutaia de pachete se folosete pentru transfer de
date cu caracter intermitent si n tranzacii scurte i dese. Comutaia
de circuite se utilizeaz n transferuri de date de volum mare si n
transmisii n timp real. 5.5.6.2. Comutaia de circuite Este
tehnologia dominant pentru semnalele de vorbire i pentru comunicaii
de date. Presupune trei faze: a) stabilirea circuitului; b)
transferul mesajului; c) deconectarea circuitului. a) Stabilirea
circuitului Cerine: circuitul este stabilit nainte de nceperea
comunicaiei i se deconecteaz dup terminarea comunicaiei;
comutatorul implicat trebuie s fie capabil s comute canale avnd
debitul cerut de circuit i s ofere conexiuni transparente;
comutatorul trebuie s posede inteligena necesar pentru alegerea
rutelor.
Fig. 5.30. Stabilirea conexiunii ntre terminalele A C. Comutaia
de circuite. Presupunem c staia A dorete o comunicare cu staia C
(fig. 5.30.). Deosebim urmtoarele etape: de obicei, linia dintre
staia A i nodul de reea 1 exist; dac nu , ea trebuie stabilit;
staia A face demersuri pentru obinerea unui canal spre nodul de
reea 1; nodul de reea 1 prelungete circuitul ctre staia C pe ruta
(1) sau (2), aceast rutare fcndu-se pe baza urmtorilor factori:
adresa destinaiei; starea rutelor spre staia C; strategia de rutare
predefinit; costul diverselor rute posibile nodurile de reea 2 i 3
ntreprind aciuni pentru stabilirea canalului spre nodurile 5 i 4;
canalele obinute pe jonciunile ce trebuie concatenate sunt legate
intern prin comutatoarele nodurilor; nodul 5 completeaz aciunea
spre staia C, testeaz starea de ocupat/disponibil liber i informeaz
chemtorul asupra strii lui C. Terminalele A i C trebuie s fie
compatibile. b) Transferul mesajului Prin circuitul stabilit
semnalul circul, de obicei, duplex. c) Deconectarea circuitului
Se face la iniiativa staiilor A sau C. Nodurile de reea primesc
informaia de deconectare. Cerine: calea de conexiune se stabilete
naintea transferului propriu-zis i se deconecteaz dup acesta;
comutatoarele implicate trebuie s execute comutri ale canalelor
avnd debitul cerut de circuit i s ofere conexiuni transparente;
comutatoarele s aib inteligena necesar pentru stabilirea rutelor.
Observaii: 1) dup stabilirea circuitului, acesta este transparent
ntre cele dou terminale, comutatoarele nu mai intervin dect pentru
pstrarea conexiunii, neefectund prelucrri ale informaiilor
utilizatorilor; 2) utilizarea canalului este ineficient pentru c
este alocat pe toat durata comunicaiei; 3) ntrzierea semnalului
prin circuit rezult doar ca urmare a timpului de propagare; 4)
tratarea erorilor revine ca sarcin pentru terminale. Terminalele
trebuie s fie compatibile la viteza de transmisie, la cod i la
diferite proceduri (datorit transparenei circuitului). Se poate
aprecia despre comutaia de circuite c are aplicaii pentru serviciul
telefonic, n reelele telefonice publice sau n sistemul STAR. Se
caracterizeaz prin faptul c prelucreaz trafic foarte mare, avnd
aplicaii i n transmisiile de date, pentru interconectarea de
terminale sau a calculatoarelor n arii locale (LAN). Cerine impuse
acestei metode: stabilirea, meninerea i eliberarea circuitelor;
transmisie duplex transparent; ntrziere mic i constant; calitate
adecvat pentru transmisia real; o probabilitate de blocaj
acceptabil (
