Ch11. Switching

• What is the "Switching"?
• Switching Types
  1. Circuit-Switching
  2. Packet-Switching
  3. Message-Switching
• Circuit Switch
  • Effiecient
  • Delay
• Packet Switch
  • Datagram networks
  • Virtual Circuit Network
• Switch Structure
  • Circuit Switch structure
  • Packet Switch structure

Why we need switch?

- 무수히 많은 디바이스들이 존재한다. 하지만, 데이터 송수신에서 출발지와 목적지는 정해져 있기에, end-to-end 연결을 해야 한다. 이 때 필요한 것이 "Switch"이다.

 

 

Types of Switch

 

Circuit Switched Networks

회선교환망은 물리적 계층에서 연결 돼 있는 스위치들의 집합으로 이루어져있다.
두 stations사이에는 하나 혹은 그 이상의 링크들이 있다.
그러나, 각각의 연결들은 각 링크에서의 지정된 채널들만 사용가능하며, 각 링크들은 N channles(FDM of TDM)들로 나뉜다.

 

Three phase

1. Switching Procedure

Circuit establishment :  Establish circuit between stations before data transmission

-> "Call request" is propagated step by step to destination station

Data transmission : Transmit analog / digital data along the established circuit

Circuit Disconnection : Sends a "circuit disconnect" signal to disconnect the connected circuit.

 

2. Advantage

- the transmission delay can be ignored and network transparency provided

 

3. Disadvantage

- Both stations must be ready at the same time

- Call setup delay occurs

- Inefficient use of link capacity

 

Efficienty

- 연결 시작부터 종료까지 완전히 자원이 확보 돼 있어야한다.

- 이 자원은 다른 PC가 사용하지 못하며, 정해놓은 end point들끼리만 사용할 수 있도록 확보한다.

- Ex. Telephone network

 

Delay

- 지연문제는 심각하지 않은 편이다. 

- Data 송/수신 과정 중에서, 각 Switch에 대해 Delay가 발생하지 않는다.

 

 

Packet Switching

1. In Data Communications

- 하나의 end point부터 다른 end point까지의 통신

- Message전송 시, 정해진 프로토콜에 따른 일정한 길이의 size로 packet을 자른다.

- 길이는 고정될 수도 있고, 가변적일 수도 있다.

2. In a datagram network

- 패킷이 여러개가 있고, 각각의 패킷들을 독립적이다.

- Multi-Packet전송이 되며, network입장에서는 이들이 여러개가 아니라 단일 packet이라고 생각한다.

 

Datagram Approach

1. 각각의 패킷들을 독립적으로 다룬다.

2. Connectionless approach to use IP protocol -> Band Reservation X, Time-Division process X

-> Resources are allocated on demand(수요 기반 자원 할당)

3. Packet order may change

4. Routing Management

Delay of Datagram network

 

Virtual Circuit Network

- Circuit Switch + Datagram network

- Packet Switching

• Data transmission을 위한 스위칭 기술(VoIP and MoIP)
• Link's transmission capacity is shared only by users with packets
• Statistical Multiplexing을 사용한다는 것은 자원을 효율적으로 사용하는 것이다.
• Buffer Overflow는 패킷 손실을 일으킬 수 있다.
• QoS는 degraded, So, control scheme that can satisfy QoS is needed

1. Data transmission을 위한 switching 기술(VoIP and MoIP)

2. Link's transmission capacity는 오로직 패킷을 사용하는 사용자에게만 공유된다.

3. 하나의 예시로, statistical multiplexing을 사용하는 것은 자원을 효율적으로 사용하는 것이다.

4 버퍼 오버플로우는 패킷 손실을 야기할 수 있다.

5. QoS는 저하될 수 있으므로, QoS를 제어하는 방식이 필요하다.

 

• Characteristics of Virtual Circuit Network
  • Connection, Disconnection의 기저는 Circuit-switched network로 이루어져있다.
  • Circuit Switching, 자원은 연결 단계에서 혹은 자원 할당이 필요한 단계에서 자원이 할당될 것이다.
  • Datagram network에서처럼, 데이터는 패킷단위로 전송되며, 각각의 패킷은 Header address를 포함하고있다.
  • 한 번 연결설정이 이루어지면, 패킷은 같은 길로 전송된다.
  • Virtual circuit networks는 주로 data link layer에서 이루어진다.
• Virtual Circuit Approach
  • Implemented with SVC(Switched Virtual Circuit) and PVC(Permanent Vitual Circuit)
  • 센더와 리시브 사이의 단일 path를 기반으로 동작하며, message or session and all packets이 전송된다.
  • Connection-oriented approach
  • SVC
    • 각 커넥션 셋업에서 서로 다른 path을 사용한다.
    • 라우팅을 셋팅하고, 데이터를 전송한다. 그리고 라우팅 연결을 해제한다.
  • PVC
    • 각 커넥션 셋업에서 동일한 path를 사용한다.
    • User에게 path를 dedicated를 하는 것을 제공한다.

 

Virtual Circuit identifier

Switch and table for a virtual circuit network

Source-to-destination data transfer in a virtual-circuit switch network

Setup request in a virtual-circuit network

Setup acknowledgment in a virtual-circuit network

Delay of virtual circuit network

SVC process

 

Setup in advance

 

Structure of Circuit Switches

• 현재의 회로 스위칭은 두 가지 기술 중 하나를 사용할 수 있다. : Space-division switch or Time-division switch
• Space-Division
  • The path in the circuit is spatially separated from the others(crossbar switch)
• Crossbar Switch
  • Using an electrical micro-switch on each intersection, connet the n and m outputs in the grid
• Crossbar Switch

Crossbar switch with three inputs and four outputs(Crossbar switch)

 

• Multistage switch

It has a gierarchical structure with other switch

- N by N -> N의 수가 많을수록, Cross point의 수가 많아진다.

- input, output의 수가 많을수록, 제작비용이 많아진다. -> 더 작은 사이즈의 module을 만든다.

위의 경우, "Multi switch"를 제작한 것을 알 수 있다.(제작비용 감소)

 

• Time Division Switch

Time-division multiplexing -> Time-division multiplexing with without Time Slot Interchange(TSI)

Time Slot Interchange : Change Time Slot on same highway

 

• Space-Time Division switch
  • T-S-T Switch : Domestic TDX-1, TDX-10, TDX-100 series, etc...
• S-T-S Switch

 

Structure of Packet Switches

• Packet Switching(Router) System -> Internet에서 주로 사용
  • A packet has hour components : input ports, output ports, the routing precessor, and the switching fabrics

 

Input/Output port

1. Input port

- 물리 계층과 데이터 링크 계층에서 패킷의 교환이 발생한다.

2. Output port

- Input port에서와 동일한 역할을 하며, order가 reverse된다.

 

Switching fabrics

- Transfer packet from input link to appropriate output link

- Switching rate : rate at which packets can be transfer from inputs to outputs

-> Often measured as multiple of input/output line rate

-> N inputs : switching rate N times line rate desirable

- Three major types of switching fabrics

 

Switching via memory

- first generation routers:

• 전통적인 컴퓨터방식에서는 CPU의 직접적인 제어로 스위칭을했다.
• 패킷은 시스템의 메모리에서 Copy한다.
• Memory bandwidth에 의해 속도를 제한한다.(2bus crossings per datagram)

• datagram from input port memory to output port memory via a shared bus
• bus contention : switching speed limited by bus bandwidth

Switching via interconnection network

• Multistate switch : nxn switch from multiple stages of smaller switches
• Exploiting parallelism
  • Fragment datagram into fixed length cells on entry
  • Switch cells through the fabric, reassemble datagram at exit

3x3 crossbar

8x8 multistage switch built from smaller-sized switches

 

• Scaling, using multiple switching "planes" in parallel: speedup, scaleup via parallelism
• Cisco CRS router
  • basic unit : 8 switching planes
  • each plane : 3-stage interconnection network
  • up to 100's Tbps switching capacity

Router performance incresing

 

Input port queuing

• 만약, Switch fabric이 input ports combined보다 느리다면, queueing 은 아마 input queues를 일으킬것이다.
  • Queueing delay 그리고 loss due to input buffer overflow!
• HOL blocking(Head-of-the-Line) : queued datagram at front of queue prevents others in queue from moving forward

HOL

 

Output port queuing

• Buffering : 데이타그램이 링크 전송 비율보다 빠르게 도착하면 발생한다.
• Drop policy : 만약 No free buffers일 때 어떤 데이터그램을 Drop해야 할까?
  • These is, Datagrams can be lost due to congestion, lack of buffers
• Scheduling discipline : datagram 전송을 위한 Queued의 양을 선택한다. -> FIFO, FCFS,....
  • Priority scheduling - who gets best performance, network neutrality

 

• 스위치를 통한 도착 속도가 출력 라인 속도를 초과할 때 버퍼링
• Queuing(delay) and loss due to output port buffer overflow!

A banyan switch

- Self Routing을 하는 Switch

• BanyanSwitch
• N input, n output
  • log2n steps, each step n/2 unit switch
  • Add the switch control code to the front of the packet -> Automatically find the path
• Internal collisions may occur