CONMUTACIÓN - Facultad de Ingeniería

Tecnologías de Redes y Servicios de Telecomunicaciones 1

CONMUTACIÓNING. JUAN VANERIO [email protected]

Tecnologías de Redes y Servicios de Telecomunicaciones 2Autor: Juan Vanerio

Agenda

● Introducción y Definiciones● Conmutación manual y automática● Jerarquía de Centrales● Conmutación digital de circuitos y de paquetes● Técnicas de conmutación digital de circuitos ● Técnicas de conmutación de Paquetes● Lógica de control


Introducción


Introducción y Definiciones

CONMUTACIÓN: función de conectar entre sí al menos dos terminales de la red de telecomunicaciones de modo que puedan intercambiar información y comunicarse.

CIRCUITO: camino físico o lógico entre dos terminales

PAQUETE: conjunto organizado de datos que incluye información del destino.

ANALÓGICO: Tecnología donde se emplean señales continuas en el tiempo y en valores. (ej: audio desde mic)

DIGITAL: Tecnología donde se emplean señales discretas en el tiempo y en valores (ej.: 0,1)


Conmutación de CircuitosFunción de conectar caminos físicos o lógicos (“circuitos”) entre dos abonados

Origen: Interconexión de caminos físicos (circuitos eléctricos) entre terminales telefónicos analógicos.

Conmutación de PaquetesFunción de encaminar paquetes de datos desde una abonado hasta otro

Se asemeja el sistema postal (correos y encomiendas)

Se asemeja a la conmutación de vías en el sistema ferroviario



Plano de Datos ( o de Forwarding, o de usuario)Se encarga de encaminar el trafico de los datos de los usuarios, de acuerdo a las reglas establecidas por el plano de control.

Plano de ControlTransporta información de control de funcionamiento de la red (señalización) y se encarga de la toma de decisiones del encaminamiento.

Estructura de la redLas redes de telecomunicaciones se conceptualizan en tres planos.

Plano de GestiónSe encarga del trafico administrativo y operativo incluyendo configuraciones, políticas de funcionamiento, estadísticas, etc.



Solución: Llevar todas las líneas a un centro desde donde se pueden interconectar dos abonados cualesquiera entre sí

Problema Fundamental Original: Conectar los N abonados con los demás N-1 posibles: ineficiente, caro y no escalable (O(N2)).

IntroducciónConmutación de Circuitos

Línea

Troncal

Conmutador

RED DE TELECOMUNICACIONES

Medio de Transmisión

Terminal

Línea

# Terminales: N # Enlaces: N(N-1)

Crecimiento O(n ) NO ESCALA

2


Introducción

Tipos de elementos en la Red

Medios de trasmisión:conectan nodos entre sí (troncales) y con los terminales (Lineas).

Nodos de conmutación: conmutan las conexiones, las establecen y las reponen reutilizando elementos para conectar todos los terminales.

Conmutación de Circuitos

Terminales: dispositivos que terminan las líneas, típicamente para proveer el servicio al usuario

Puertos o Interfaces de Nodos: son las entidades que vinculan a cada nodo con un medio de transmisión


Plano de datosEl conmutador de circuitos cuenta con un sistema interno que posibilita las conexiones entre los usuarios conectados al mismo.

Plano de ControlLas interconexiones son comandadas por “elementos lógicos de control” que actúan en el establecimiento de los circuitos.

IntroducciónConmutación de Circuitos


No hay circuitos para interconectar, cada paquete se conmuta en forma independiente

No se establece un canal lógico entre los terminales.

Cada nodo almacena paquetes para luego reenviarlos (store&forward).

IntroducciónConmutación de Paquetes


Plano de datosLos conmutadores almacenan y luego deciden el reenvío de cada paquetes según la información de destino del paquete y de aquella con la que ya cuentan.

Plano de ControlLa información para la toma de decisiones se intercambia a nivel de mecanismos de control.

IntroducciónConmutación de Paquetes


Por Tipo de Tecnología: Analógica o Digital

Por Modo: Circuitos o Paquetes

Por Grado de Intervención Humana: Manual o Automática

IntroducciónClasificación de Conmutación


CONMUTACIÓN

ANALÓGICA (solo circuitos)

DIGITAL

MANUAL ELECTROMECÁNICA

CIRCUITOS PAQUETESConmutación Temporal

Conmutación Espacial

Celdas

Datagramas

Circuitos VirtualesPaso a Paso, Rotatorios, Releés, Crossbars

CONMUTACIÓN AUTOMATICA

clavijas

IntroducciónClasificación por Tipo de Tecnología


Conmutación Manual y Automática


Conmutación ManualPrimera Central: New Haven, EEUU. 1878.

21 abonadosTransmisión analógica de voz

Forma de conexión: Clavijas conectando barras perforadas

Las líneas aparecen como jacks en un cuadro existiendo unos circuitos con dos cordones y sus clavijas correspondientes.

La red de conexión era interconectada por la acción de una operadora (el “elemento de control”).


Conmutación Manual – Caso de Uso

1. Para realizar una llamada el abonado de origen descuelga su terminal cerrando el circuito de su par de hilos hasta la central.

2. En el panel de operadora se indicaba con una luz o mecánicamente el jack correspondiente, señalando la presencia de una llamada entrante.

3. La operadora introducía la clavija del cordón de entrada indicado y se ponía en contacto con el abonado que le comunicaba el destinatario de su llamada.

Establecimiento de Llamada Telefónica


4. La operadora seleccionaba entonces el jack del abonado deseado introduciendo la clavija del cordón de salida.

5. Se enviaba una señal al abonado de destino, lo que se hacía mediante corriente alterna que actuaba el timbre de este abonado, el cual al descolgar, completaba la comunicación.

6.

Conmutación Manual – Caso de UsoEstablecimiento de Llamada Telefónica

Al finalizar, la operadora desconectaba los cordones. Si el abonado destino estaba ocupado con otra llamada, lo informaba al abonado origen.


La señalización se realiza a nivel humano entre la Operadora, los abonados y los timbres eléctricos.

En centrales automáticas se convierten en impulsos, frecuencias y tonos.

Con el crecimiento del número de abonados, aumentó rápidamente el tamaño de las centrales manuales.

La conmutación de circuitos eléctricos físicos la realiza la operadora.

Conmutación Manual


Problema: Dimensiones de la central estaban determinadas por el acceso de las operadoras.

Se llegaron a centrales de 10.000 líneas pero era evidente que se estaba llegando al límite práctico dada la complejidad creciente de las redes…

Conmutación Manual


Problema: proporcionar la información del destinatario

Solución: Se asigna una numeración a cada abonado y se diseña un disco generador de pulsos que se enviaban a la central a medida que se marcaban las cifras.

Conmutación Automática

La limitación del acceso de las operadoras llevo a diseñar elementos electromecánicos que efectuaran la conmutación.

Imagen de Dominio Publico. Autor: George Hodan, publicdomainpictures.net.


La señalización de invitación a marcar, libre y ocupado fueron realizados mediante tonos permanentes o con cadencias determinadas.

Definidos estos mensajes de señalización entre el abonado y la central se desarrollan los primeros sistemas de conmutación automática:

Conmutación electromecánica (usada hasta 1997 en Uruguay).

Conmutación Automática


Establece circuitos eléctricos físicos entre los abonados utilizando técnicas electromecánicas(relés, diversos sistemas rotatorios, crossbars, etc..)

Problemas: Gran desgaste de contactos y piezas, alto costo de mantenimiento y de las centrales, grancomplejidad, ruido introducido en los contactos, Conexiones interurbanas y entre compañías, etc.

Conmutación Electromecánica


Los avances en electrónica posibilitaron la aparición de centrales de conmutación digital. Digitalización la voz, su transmisión y la señalización.

Conmutación Automática Digital

Mejoras:● Dimensiones● Consumo (Energía)● Costos● Modularidad (antes eran sistemas monolíticos)● Mantenimiento (eliminación del mant. preventivo)


Uniformidad tecnológica de los planos de control y datos (la red de conexión), simplifica planificación del sistema y mantenimiento.

Desaparecen problemas analógicos como el incremento del ruido y distorsión de atenuación debidos a la distancia y cantidad de enlaces.

Posibilita conmutación de datos.

Conmutación Automática Digital


Clasificación Conmutación Circuitos

CONMUTACIÓN de CIRCUITOS

AUTOMÁTICA

ELECTROMECÁNICA DIGITAL

CONMUTACIÓN ANALÓGICA

MANUAL


Jerarquía de Centrales


Jerarquía de CentralesCentral telefónica: entidad que gestiona la conmutación (encaminamiento) de la llamada.

Para abordarlo se emplea una estructura jerárquica de centrales.

El problema de conectar dos abonados mediante un circuito conmutado es difícil.

Clase1: Internacional

Clase2: Interurbana

Clase3: (intraurbana) Tránsito y/o Tándem

Clase4: Tránsito y/o Tándem

Clase5: Centrales Locales


1.En llamadas locales (usuarios en misma zona de radio 2 a 10km, típico 5km) interviene una sola central.

2.En llamadas interurbanas o internacionales (usuarios de diferentes zonas) intervienen varias centrales.

Jerarquía de Centrales - Tipos de llamadas

En el establecimiento de una llamada puede existir una o varias conmutaciones.

conmutador conmutadorA

B

CRED DE ACCESO RED DE

ACCESO

REDES DE AGREGACION

Y NUCLEOS

Llamada Local

Llamada interurbana o internacional


Tipos de llamadas

Llamada local: tráfico local entre dos abonados de la misma central o URA.

Llamada saliente: abonado local llama a uno de otra central. Se usan los enlaces de salida libres hacia la siguiente central.

Llamada entrante: un abonado de otra central quiere comunicarse con un abonado local. La central conecta desde el enlace entrante con el abonado local.

Llamada de tránsito: la central esta en la ruta entre dos abonados remotos. Se conecta enlace de llegada con uno de salida

Desde la perspectiva de una central


AT&T : Performance Analysis of Telecommunications and Local Area Networks, Wah Chun Chan, The University of Calgary, Figure1-7

CCITT: Performance Analysis of Telecommunications and Local Area Networks, Wah Chun Chan, The University of Calgary, Figure1-8



Centrales Interurbanas de tránsito:interconectan centrales de diferentes ciudades entre sí y son sólo de tránsito. No tienen abonados conectados ni concentradores (Sólo pertenecen a la red de transporte)

Centrales Internacionales: interconectan operadores de distintos países. Algunos países dan tránsito a otros, mediante acuerdos comerciales.


Tránsito y de Tránsito/Tándem: interconectan centrales entre sí y la mayoría son sólo de tránsito. Las de Tándem además tienen concentradores con abonados locales.

Centrales Locales: interconectan abonados entre sí. Radio de cobertura entre 2 a 5+ km alrededor de la central.

URA: Unidades Remotas de Abonados. Minicentrales de funcionalidad limitada, alivian carga de centrales locales.



Jerarquía de Centrales en Uruguay● CTII: Centrales internacionales y centrales interurbanas (tránsito).● 4 centrales Tándem interconectadas totalmente: Centro, Cordón,

Aguada y Unión.● Cada central local (MVD o interior) se conecta a 2 Tándem

(redundancia ante fallas).● En lugares con poca población se usa una sola central o una

URA. Centro Cordón

UniónAguadaCTII Aguada

CTII Unión

ColónMalvín

ESTE OESTE


Conmutación Digital de Circuitos y de Paquetes


Conmutación de Circuitos y de Paquetes

En los sistemas digitales, los nodos de la red o centrales están equipados para realizar la conmutación de alguna de dos formas distintas:

● Conmutación de circuitos

● Conmutación de paquetes


Originalmente solo servicios de Telefonía● Técnica más adecuada: conmutación de circuitos.

El desarrollo de las comunicaciones ha hecho necesario soportar servicios de datos.● Técnica más adecuada: conmutación de paquetes.

Es posible brindar: ● Servicios de datos por conmutación de circuitos.● Servicios de telefonía por conmutación de paquetes.



Se establece una conexión (un camino físico o lógico) entre dos terminales para su para uso exclusivo durante una llamada .


BORSCHT

BORSCHT

local loop (analogico)


conmutador (core)

"Central"

Canal Digital 64kbps Canal

Digital 64kbps

caso digital!

Conexión Transitoria

Tradicionalmente usada en redes de telefonía convencional, aunque también se puede usar para servicios de datos.


CaracterísticasConmutación de Circuitos

Fase de Establecimiento (de la comunicación)● Establece un canal de terminal a terminal, y todos sus

tramos entre nodos.● Existe intercambio de señales entre terminales y la red. ● Para voz y para datos datos.

Retardo de establecimiento● Introducida por la fase de establecimiento.● En sistemas digitales es menor que en

electromecánicos, a su vez menor que en manual.Retardo de trasmisión

● Se manifiesta una vez establecida la conexión● Menor que el de establecimiento● Despreciable en distancias pequeñas.


Durante el tiempo en que dicha comunicación está abierta existe un circuito analógico o digital dedicado permanente y únicamente a ésta.

Esto asegura una capacidad constante del canal Establecido.

CaracterísticasConmutación de Circuitos

Se abre un canal de comunicación o “circuito” que queda retenido hasta que los terminales o la red determinen su final mediante la señalización apropiada.


Conmutación de CircuitosEjemplo de Funcionamiento

● A desea comunicarse con B.

● A envía a la central A (a la que está conectado) una señal indicando que desea su atención.

● La central A responde con una señal para que A envíe la información de destinatario de la comunicación.

● A envía la identidad del terminal B (destinatario).



Terminal A

Central Local

Central Local

Central Local

Terminal C Terminal B

Central Tránsito

Central Tránsito

Central Tránsito

Central Tránsito

A C B

M

N

P

O

Local Loop

Local Loop

Local Loop

Tron

cal

Troncal

Tron

cal

Troncal

Troncal

Troncal Troncal

Señalización (S) dst=t.B



La central A:

● Analiza la identidad recibida

● Selecciona ruta hacia central que corresponda (en este caso M)

● Mediante señalización envía a M la identidad del terminal B.



Terminal A

Central Local

Central Local

Central Local


Central Tránsito

Central Tránsito

Central Tránsito

Central Tránsito

A C B

M

N

P

O

S: dst=t.B

S: dst=t.B



La central M: ● Analiza la identidad recibida.● De acuerdo a su algoritmo de encaminamiento, selecciona la siguiente central y ruta.

● En este caso podrían ser P u O.● La decisión puede basarse en la existencia de enlaces disponibles.

● Envía la identidad del terminal B.

Este procedimiento se repite en todas las centrales involucradas hasta alcanzar el terminal B.



Una vez establecida la comunicación:

● Las centrales quedan transparentes para la información transmitida entre A y B.

● Si A o B desean terminar la llamada, lo señaliza a su central y el fase de “desestablecimiento” libera los recursos en las centrales involucradas.



Terminal A

Central Local

Central Local

Central Local


Central Tránsito

Central Tránsito

Central Tránsito

Central Tránsito

A C B

M

N

P

O

S: dst=t.B

S: dst=t.B S: dst=t.B

S: dst=t.B

Canal d

e V

oz

Canal d

e V

oz


Consecuencias

Las centrales son transparentes al contenido de los canales una vez establecido el circuito.

En cualquier nodo de la red se podría encontrar congestión (recursos insuficientes) con lo cual la conexión podría no establecerse.

● Pueden existir encaminamiento y rutas alternativas disminuyendo probabilidad de congestión



Pensado para servicios de datos.

Los terminales pueden así dividir la información a enviar en varios paquetes que se encaminan (conmutan) independientemente.

Un paquete es un conjunto estructurado y ordenadode datos que se envían a demanda. Tiene: Encabezados: incluyen información de destino. Contenido (Payload): Datos del usuario o aplicación.

Conmutación de Paquetes


Canal de trasmisión ocupado solo durante la trasmisión del paquete.

● Luego queda disponible para la transferencia de paquetes entre otros terminales.

● Multiplexión Estadística para compartir el medio.

● Mayor robustez y eficiencia en el uso de la red.

Los nodos de la red encaminan (conmutan) cada paquete en forma independiente según sus encabezados (típicamente el destino).



Store and Forward

Cada nodo recibe paquetes completos, los encola (almacena), analiza sus encabezados y determina el siguiente nodo o camino lógico para su encaminamiento.

Control de Ruta

Gestiona información de la red y junto con los encabezados del paquete permite realizar la selección de encaminamiento.



No existe fase ni retardo de establecimiento. Cada paquete lleva la información necesaria para su encaminamiento Excepción: SVC.

Los retardos de propagación son aleatorios.Cada nodo intermedio encola los paquetes antes de reenviarlos, introduciendo retardos aleatorios que dependen del tráfico.

Es un sistema de espera y no de perdidaLos paquetes siempre se aceptan y se encolan, no se producen bloqueos si hay memoria suficiente.

Flujos de tasa de bits variables

CaracterísticasConmutación de Paquetes


● Mecanismos para compartir los medios de transmisión.

● Los medios se usan dinámicamente según la necesidad de cada uno:

● “Si tengo para enviar, envío”.● No hay esquema predefinido para dividir los recursos entre los terminales y nodos.

● Las secuencias de paquetes enviados tampoco tienen un patrón por usuario.

● Eficaz en enlaces que no estén “cerca” de saturar.

Multiplexión Estadística

CaracterísticasConmutación de Paquetes


Dos modos de operación:

No orientado a conexión (Datagrama)

Orientado a conexión (Circuito Virtual)

Cada paquete tienen la dirección del abonado o terminal destino.

No se garantiza el orden de arribo de los paquetes

Cada paquete tienen una identificación del circuito lógico al que corresponden.

Casi siempre los paquetes arriban en orden

Estructura en Capas permite combinar los modos



Modo No orientado a Conexión (Datagrama)

● Los encabezados de cada paquete contienen la dirección del destino.

● Mismo destino no implica mismos caminos.● No hay fase de establecimiento.● Ejemplos: Ethernet, IP, IPv6, UDP, Wi-Fi, Internet.



● Se establece (o pre-establece) un camino (circuito virtual) entre terminales o nodos por donde se encaminan los paquetes de una misma transacción.

● Los paquetes llegan en el mismo orden en que se trasmiten.● La identificación del CV va en los encabezados de cada

paquete.● Varios CV por enlace o circuito físico.● Ejemplos: Frame Relay, X.25, ATM, MPLS.

Modo Orientado a Conexión (CV, Circuito Virtual)



Modalidad PVC: Circuito Virtual PermanenteExisten circuitos preestablecidos para cada pareja de terminales (o de nodos) en la red se reutilizan para las diferentes transacciones .No requiere fase de establecimiento.

Modalidad SVC (CV conmutado, “Llamada virtual”)

El circuito virtual se establece a demanda para cada transacción o llamadaExiste fase y retardo de establecimiento Transacciones distintas entre los mismos extremos pueden usar circuitos virtuales distintos



0101100010001011000101011000100 01

0110

0010

01011000100101101

User A

User B

User C

User D

User E

User F

CONMUTACIÓN DE CIRCUITOS

Conmutador

Tasa de Bits Reservada

User A

User B

User C

User D

User E

User F

CONMUTACIÓN DE PAQUETES

To: E Seq: 1010011

To: E Seq: 2001001

To: E Seq: 1010011

To: E Seq: 2001001

To: E

Se

q: 1

0100

11

To: E

Se

q: 2

0010

01

To: E Seq: 1010011

To: E

Seq: 2

001001

To:

E

Seq:

1

010011

To: D

Seq: 1

101101

To: D

Seq:

1

1011

01

To: D Seq: 1101101

To: D

Seq: 1

101101

To: D Seq: 1

101101

To: E Seq: 2010011

To: E Seq: 1001001

Tasa de Bits Compartida

Paquete



Comparación de Tiempos

Fuente: Data and Computer Communications, 6th Edition, W.Stallings , Figure 10.3



Conmutación de Paquetes - Datagrama

Conmutación de Paquetes – Circuito Virtual

Existe fase de Establecimiento y retardo de establecimiento, además de retardo de transmisión.

No hay fase de establecimiento, pero hay encaminamiento.

Hay fase de establecimiento y hay encaminamiento.

Retardo de Transmisión deterministico, depende de la distancia entre extremos.

Retardo de Transmisión aleatorio, depende de la distancia entre extremos y de la congestión.

Retardo de Transmisión aleatorio, depende de la distancia entre extremos, de la congestión y de prioridades.

Canal único y exclusivo para cada comunicación, tasa de bits constante.

Canal compartido según demanda por varias comunicaciones simultaneas, tasas de bit variables.

Canal único y exclusivo para cada comunicación control de acceso, tasas de bit constantes o variables.

Identificación de destino solo se transmite durante fase de establecimiento.

Identificación de destino en cada paquete.

Identificación de camino virtual en cada paquete.

Capacidad de almacenamiento en red pequeña: solo para establecimiento.

Capacidad de almacenamiento en cada nodo y relativamente grande.

Capacidad de almacenamiento en cada nodo y relativamente grande.

Incremento de probabilidad de bloqueo/rechazo.

Aumentan los largos medios de las colas en cada nodo y los retardos.

Aumentan los largos medios de las colas en cada nodo y los retardos.

Limitada a algunos encaminamientos alternativos.

Gran flexibilidad de red. Gran flexibilidad de red.


Técnicas de Conmutación Digital de Circuitos


Funcionamiento del conmutador

BORSCHT


CO

NC

EN

TR

AD

OR

CO

NC

EN

TR

AD

OR

conmutador (core)

CONTROL

CONMUTADOR TELEFONICO


Funciones del Conmutador

● Concentración (M lineas internas del

conmutador entre N abonados).● BORSCHT (conversión y supervisión)● Conmutación● Control de las llamadas● Señalización● Tarificación


Funciones BORSCHT

● Battery feed: proveer corriente a la linea telefónica analógica.

● Overvoltage protection: protección de los componentes frente a descargas.

● Ringing: Provee la energía adicional requerida para el RING de los teléfonos analógicos.

● Supervision: De los estados de la linea (On-Hook/Off-Hook). ● Coding and decoding: Conversión Digital/analógica del audio● Hybrid: pasaje de 2 hilos a 4 hilos: convierte flujo

bidireccional en dos unidireccionales de sentidos opuestos.● Test: de la circuitería y de la linea analógica .

Conjunto de funciones de interfaz requeridas entre una linea analógica y un conmutador digital.


Concentración

Concentración busca compartir los recursos:

Hay concentradores digitales y analógicos

Técnica para sobreasignar enlaces o recursos de la central entre múltiples usuarios

● Minimizar la cantidad de enlaces que van hacia la central (conmutador).

● Concentrador analógico: compartir los BORSCHT del conmutador entre varios abonados (uso

● individual 1% del tiempo).● Concentración N:M, que generalmente es 8:1.


Transmisión entre Centrales – PCM, TDM

Idea: aprovechar las características de la señal digital para trasmitir varios canales de voz por el mismo medio físico.

Es la base de los sistemas de conmutación de circuitos.

TDM aprovecha el tiempo libre entre diferentes pulsos de una señal muestreada para incluir pulsos correspondientes a otra.

TDM: Multiplexación por División en el tiempo

Definición: Método para transmitir múltiples señales por un mismo medio físico utilizando solo una fracción del tiempo para la transmisión de cada una.


Transmisión entre Centrales – PCM, TDMTDM: Multiplexación por División en el Tiempo

Ejemplo con códec G.711

● G.711 toma una muestra de voz de 8 bits cada intervalos fijos de 125 µs que reciben el nombre de “Tiempo de Símbolo” (Ts).

● Para multiplexar N llamadas simultaneas usando TDM, se toman las N muestras de 8 bits tomadas durante el último Ts y se transmiten todas en orden durante el siguiente Ts (tasa de bits al menos 8N/Ts) formando así una “trama”.

● Una vez que se enviaron todas las muestras se envían las del siguiente Ts● Para leer correctamente la trama multiplexada será necesario que exista

sincronía entre el transmisor y el receptor.

REQUIERE SINCRONÍA

Mu

est

ras

de D

ato

s a E

nvia

r (c

ad

a u

na r

ep

rese

nta

Ts

seg

de a

ud

io)

x1

Memoria Circular Lee un dato cada Ts/N

x2

xN

medio de transmisión

Destin

os

x1

Memoria Circular

x1

xN

sincronismo entre Tx y Rx


Jerarquías PCM - E0

PCM de Orden Cero (E0, T0, DS0)

El sistema PCM establece esquemas de TDM

● Jerarquía más baja. Es lo que corresponde a una llamada; 64 Kbps (bidireccionales).

● Definido en ITU-T G.708

● 1 muestra de voz son 8 bits, frecuencia de muestreo de ● 8khz, da una tasa de 8x8=64 kbps con un tiempo de ● símbolo de Ts=1/8=125 µs.

● Sólo el BORSCHT y los terminales ISDN trabajan con DS0


PCM de Primer Orden (E1)

E1 multiplexa en una trama estructurada de bits 30 señales de voz y 2 de para sincronía y control. 32 x 64 kbps = 2.048 kbps, (2 Mbps).

Se trasmiten 32 x 8bits = 256 bits en 125 µs 256 bits/125µs = 2.048 kbps

La trama se divide en 32 time slots

Jerarquías PCM - E1

TS 0

TS 1

TS 2

TS 16

TS 31

8 bits

8 bits

TS 31

TS 0

TRAMA E1 PRI: 32 Time Slots (256 bits) 125 microsegundos)

8 bits

8 bits

8 bits

8 bits

8 bits

8 bits

8 bits

Framing Señalización


TS 0: Alineamiento de trama. Para sincronizar el transmisor con el receptor y para control de integridad. Se envían alternativamente:

En consecuencia tanto el sincronismo como el control llegan cada 64 times slots o sea con cadencia de 4 kHz.

Jerarquías PCM – trama E1

TS 16: Históricamente se usaba para señalización, pero actualmen-te se usa para aplicaciones de usuario.

El sistema PCM (PDH) define tramas desde E0 hasta E4.

● Octeto A: Sincronismo de trama |N0011011| (N: uso nacional)

● Octeto B: Control |C1Axxxxx| (C: CRC-4 , A: alarma, x-dontcare)


Introducción a Técnicas de conmutaciónEn conmutación digital de circuitos, un conmutador toma 1 time slot de una trama E1 y lo pasa a otro time slot de otro o del mismo E1.

Tenemos 4 casos:

conmutador (core)

E1

E1

E1

E1

E1

E1

E1

E1

TS X

TS X

E110TS Y

E115

TS X

E110TS Y

E110

TS X

E110 E115

TS X

E110 E110TS X

Cambia TS y E1

Cambia solo TS

Cambia solo E1

Mantiene TS y E1


Dos técnicas históricas básicas de conmutación:

Conmutación temporal (T) en la cual permuto time slots dentro de una misma trama

Conmutación espacial (S) en la cual se permutan las tramas y se dejan los time slots fijos.

Los conmutadores implementan combinaciones de ambas técnicas (TST, TSST,etc.)

Introducción a Técnicas de conmutación


Conmutación TemporalSe permutan timeslots dentro de la misma trama según instrucción de la memoria de control vocal

Retardo de Conmutación: 125µs

Memoria Vocal (MV): Buffer de entrada de datosMemoria de Control Vocal (MCV): Tiene la información del orden de lectura de la MV para escribir la trama de salida.

Un mecanismo de control programa la MCV a partir del ruteo de la llamada.

Trama de Entrada

TS 0

A1

B2

C3

D

0A

1B2C

3D

posMV

Escritura

CíclicaTS 03TS 11TS 22TS 30

MVC

Trama de Salida

TS 0

D1

B2

C3

A


Conmutación Espacial Digital

Se permutan tramas entre sí, manteniendo el TimeSlotSe implementa con una memoria de control (MC) que comanda los cambios en una matriz de llaves digitales cada timeslot.Un mecanismo de control programa la MC a partir del ruteo de la llamada

CR

OS

SB

AR

Trama 0 EntradaA B C D

Trama 1 EntradaE F G H

A B C D

E F G H

Trama 0 Salida

Trama 1 Salida

MC1 MC0Llaves Digitales

(Semicond Estado Solido)

1

0

1

0

MC0

0

1

0

1

MC1

Memorias de Control de Llaves

TS0

TS1

TS2

TS3


Llave: tiene una entrada, una salida y una compuerta de control con 2 estados lógicos:

ABIERTO (“0”): salida y entrada aisladas entre síCERRADO (“1”): la salida es igual a la entrada.

... ...0

1

......

01

......

01

......

... ...0

10

10

1

... ...0

10

10

1

entrada N

entrada N-1

entrada N+1

salid

a M

salid

a M

+1

salid

a M

-1

Durante un mismo Ts, no pueden haber dos o más llaves cerradas en una misma línea de salida

Escalabilidad y costo: La cantidad de llaves crece cuadráticamente con la cantidad de entradas.

Errores de control o de funcionamiento en las llaves pueden llegar a perder conexiones (Prob. BLOQUEO interno)

Ineficiente: se usan muy pocas llaves en cada intervalo.

Conmutación Espacial Digital


Conmutador TST

Entran y salen el mismo número de tramas

Tramas que van de los conmutadores T a los conmutadores S son lo más grandes posible de manera de minimizar el número de llaves de los conmutadores S

Este esquema permite todas las combinaciones de Entrada/salida posibles sin bloqueo.

T S TTramas E1s de Entrada

Tramas E1s de Salida

control


Técnicas de Conmutación de Paquetes

Técnicas de Conmutación de Paquetes


Cada paquete tiene en su encabezado una identificación para su encaminamiento (CV al que pertenece o dirección de destino).

El conmutador mantiene tablas que le permiten determinar la interfaz de salida y las modificaciones a realizar en el encabezado en función del encabezado original (pueden considerarse también otras variables como p.ej.: la interfaz de entrada del paquete).

La conmutación de paquetes sucede en distintas capas. Existen técnicas para encapsular paquetes dentro de otros

paquetes, con su propio esquema de conmutación, lo que da lugar a redes virtuales conocidas como overlays.

Conmutación de paquetes


Requiere buffers de memoria de tamaño suficiente para almacenar los paquetes en transito

Requiere un dimensionamiento apropiado de la capacidad de sus interfaces, ya que típicamente algunos enlaces sirven para concentrar a otros de menor capacidad

Si la concentración puede superar la capacidad del enlace, las colas de paquetes se llenan más rápido que lo que pueden vaciarse y el sistema no puede sostenerse en el tiempo y comenzará a perder paquetes (“bufferbloat”).

Conmutador de Paquetes


El conmutador introduce retardos aleatorios por: Determinación de la interfaz de salida Encolamiento de paquetes

Wire Speed: Los conmutadores de gran porte tienen una arquitectura interna y hardware especializado (ASIC) que le permiten conmutar paquetes entre sus interfaces con un retardo del mismo orden que el de transmitir por el medio físico.

Existen conmutadores completamente en software, empiezan a aparecer a nivel carrier.



Establecimiento de una conexión lógica mediante paquetes de control (o preestablecida).

El CV no es un camino físico dedicado, sigue siendo compartido, aunque se pueden reservar recursos.

Sigue siendo Store & Forward Los paquetes tienen identificador de circuito virtual (VCID)

para que el conmutador determine interfaz/cola de salida Los VCID tienen validez local a la interfaz Los nodos de la red guardan tablas con formato:

InterfazEntrada

VCIDEntrada

InterfazSalida

VCIDSalida

Conmutación de paquetes en modo circuito virtual


Características Paquetes llegan ordenados a su destino Encaminamiento por conexión, no por paquete: menos

decisiones a tomar. Las decisiones se toman una vez al inicio, durante el

establecimiento. Confiabilidad: Los protocolos de circuitos virtuales

incluyen mecanismos de acknowledge, control de flujo y control de errores. Pueden informar de problemas a los protocolos de capas superiores.




Tablas de encaminamiento según VCID (por conexión) Establecimiento de conexión VCID locales a cada conmutador Menor tiempo de procesamiento para encaminar

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

24

In Int In VCID Out Int Out VCID

1 x 2 24


2 24 5 86

86


5 86 9 57


9 57 11 -

57

Circuito Virtual


Los paquetes... Se procesan de forma independiente Cada uno tiene su propia cabecera con direcciones origen y

destino(p.ej. direcciones IP, direcciones MAC, etc.) Son fragmentos pertenecientes a un mismo mensaje y pueden seguir

caminos diferentes. Pueden llegar desordenados a su destino y deberán ser reordenados La tarea de encaminamiento debe realizarse tantas veces como

paquetes formen un mensaje.

Cada conmutador decide: Interfaz de salida (siguiente nodo) Cambios en el encabezado del paquete a la salida Orden de salida de los paquetes

Conmutación de paquetes en modo datagrama


Conmutación de paquetes en modo datagrama

Tablas de encaminamiento según destino Sin establecimiento de conexión Control de Congestión Mayor tiempo de procesamiento para encaminar

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

Conjunto Destino Out Int

Conjunto 2 3

Dir1Dir2

Pertenece al "conjunto 1"

Pertenece al "conjunto 2"

Dir2

Dir2

Dir2

Dir2


Conjunto 2 7Conjunto Destino Out Int

Conjunto 2 10


Conjunto 2 11

Dir2

2

22

2


Conmutador de Paquetes● Componentes Básicos

● Procesador Central o Controladora● Interfaces de Red (NI o IF)● Placa de Linea (Line Card): tiene las NI● Modulo de Interconexión

● Funciones básicas● Plano de Control: Ejecutar protocolos y algoritmos de ruteo/conmutación (e.g. OSPF, BGP,LDP), cálculo de caminos, mantenimiento de tablas,etc.

● Plano de Datos: Encaminamiento de paquetes desde interfaz entrante hasta saliente



CONTROLADORA

NODOS VECINOS

Calculos Actualizaciones

Control de Rutas y Topologia/ Intercambio de Identificadores

Tabla de Encaminamiento

MODULO DE INTERCONEXIÓN

Line Card

Encaminamiento

Paquetes Entrantes

Paquetes Salientes

NODOS VECINOS

Busqueda datos de encaminamiento

IF

IF

IF

IF

IF

IF

IF

IF

Plano de Control

Plano de Datos

MODULO DE INTERCONEXIÓN

LINE CARD

Transfiere paquetes entre las LC de ingreso y de egreso apropiadas

Tasa de Conmutación (“SR”): tasa máxima de transmisión de paquetes desde las entradas hasta las salidas

Encaminamiento y procesamiento de paquetes

Puede almacenar tablas temporal y parcialmente


LC/IFentrada

Memoria Del Sistema

LC/IF salida

Bu

s d

el s

iste

ma● 1a Gen.: Conmutación vía Memoria

● Arq. Tradicional de computadoras ● CPU que procesa todos los paquetes● Paquetes copiados a la memoria del sistema● SR limitada por ancho de banda de la memoria● Ineficiente: Cada paquete debe pasar por el bus al

menos dos veces

Modulo de Interconexión

● 2a Gen.: Conmutación con Bus Dedicado● Usa un único BUS compartido por todas la LC● CPU central controla el acceso al BUS, no procesa

los paquetes.● Cada paquete en el BUS es recibido por cada LC● Cada LC decide si el paquete debe ser enviado● SR limitada por ancho de banda del bus (debe ser al

menos N veces más rápido que las LC)

IFentrada

CPUArbitro

IF salida

Bus

Co

mpa

rtid

o L

C

● 3a Gen.: Red Interconexión o Switch Fabric


No tiene las limitaciones de SR de los diseños anteriores Redes de interconexión originalmente diseñadas para

conmutadores espaciales de circuitos y arquitecturas multiprocesador (p. ej.: Crossbar).

Durante un breve lapso de tiempo se interconectan directamente la IF de entrada y la de salida

Se usa la switch fabric para transferir cedas simultanea y directamente entre interfaces

Las LC fragmentan los paquetes en unidades de largo fijo (celdas) que se conmutan dentro de la Switch Fabric

Distribuye el trabajo: se emplean ASIC para procesamiento y encaminamiento de paquetes en la LC directamente.

La mayoría de los paquetes no pasan por el procesador central.

Conmutación Por Red de Interconexión (Switch Fabric)


Conmutación Por Red de Interconexión (Switch Fabric)Unidad de Interconexión

(SWITCH FABRIC tipo crossbar)

Procesador Central

Line Card

Inte

rfaz

al

Conm

uta

dor

Motor de Encaminamiento

Inte

rfaz

de R

ed

Line Card

Inte

rfaz

al

Conm

uta

dor


Inte

rfaz

de R

ed

Line Card

Inte

rfaz

al

Conm

uta

dor


Inte

rfaz

de R

ed

Lin

e C

ard

Interfaz al Conmutador

Moto

r de

Enca

min

am

iento

Interfaz de Red

Lin

e C

ard


Moto

r de

Enca

min

am

iento

Interfaz de Red

Lin

e C

ard


Moto

r de

Enca

min

am

iento

Interfaz de Red

Este tipo de conmutadores se conocen también como Conmutadores Distribuidos o Descentralizados

Se dice que la conmutación se “distribuye” entre los elementos físicos


Line Card y Switch Cards

Source: http://www.lightreading.com/document.asp?doc_id=25989

● En un conmutador de paquetes actual se tienen multiples Line cards y múltiples “Switch Cards” (SC) que implementan físicamente el modulo de interconexión

● BackPlane: Conjunto de enlaces seriales que dan conectividad punto a punto entre las LC y las SC


Line cards en Conmutadores Descentralizados

Tareas de procesamiento de paquetes: Clasificación, encaminamiento, estadísticas, disciplina de

encolamiento. Minimiza la carga sobre procesador y modulo de Interconexión -

mayor capacidad al conmutador. Algunas placas hacen conmutación local directa entre sus propias

IF Interfaces de red bidireccionales Emplean ASIC (Application Specific Integrated Circuit) para gran

desempeño Las ASIC no son programables, no se les puede agregar

funcionalidades El ciclo de diseño de ASIC lleva de 12 a 18 meses Herramientas de desarrollo y testing caras


Conmutador Descentralizado: Puerto de Ingreso

Buff

er

de P

aqu

ete

sCeldas

Fragmentador

Switch Fabric

Paquete

● En la LC, dado el destino de un paquete identificar puerto de egreso en tabla de encaminamiento de la memoria local de la LC

● Habrá encolamiento en puerto de ingreso si se producen arribos a tasa mayor que la CR de la switch fabric (aumenta retardo, descarte de paquetes)


Bu

ffer d

e Pa

qu

ete

s

Fragmentador

Switch Fabric

Paquete

Conmutador Descentralizado: Puerto de Egreso

● Encolamiento cuando los arribos desde la Switch Fabric son a tasa mayor que la tasa de transmisión del medio.

● Puede elegir cual paquete del buffer enviar (para minimizar retardos en algunas comunicaciones).

● En caso de saturación del buffer se producirá un alto retardo y perdida de paquetes.


Lógica de Control


Lógica de Control● Parte clave del sistema de conmutación (“Inteligencia”)● Gestiona los recursos de los nodos y los troncales● Implementa los mecanismos de toma de decisiones● Intercambia información con otros nodos

CONTROLADORA

CONTROLADORA


CONMUTADOR (CORE)

CONTROLADORA

CONTROLADORA


CONMUTADOR (CORE)

CONTROLADORA

CONTROLADORA


CONMUTADOR (CORE)

señalizacion señalizacion

I/OADMIN


Posibles dispositivos de I/O:

Lógica de Control

● Sistemas de supervisión (generan alarmas y métricas).● Interfaces de administrador (GUI/CLI/API). (reconfigurar

servicios, anular abonados, etc).● Medios de almacenamiento (tarificación, detalles

llamadas, etc).

● sistemas operativos en tiempo real● disponibilidad de 99,999% del tiempo (5’ / año)

Centrales telefónicas y nodos ópticos (CS):

● Distintos tipos de S.O. (RT, distribuido, monolitico,..)● disponibilidad típicamente menor a 99,999%

Routers/Switches (PS):


Lógica de Control - Tipos de Procesamiento

CENTRALIZADO: Procesador central (gran capacidad) toma todas las decisiones, tiene acceso a todos los recursos y funciones del sistema. Punto único de falla (SPOF).

DISTRIBUIDO: Conjunto de procesadores trabajan simultáneamente, cada uno controlando una parte de los recursos y funciones del sistema. Complejo de actualizar y mantener, sin SPOF. La coordinación puede cargar la red de conmutación.

SEMIDISTRIBUIDO: Modelo con niveles de jerarquía. Coexisten un procesador central (tareas de mayor complejidad: análisis de categorías, dígitos, etc.) con algunos procesadores regionales distribuidos en el sistema (tareas menor nivel: rx y tx de datos ).


Lógica de Control - Redundancia

Compromiso entre costo y disponibilidad.

Duplicación de funcionalidad lógica. Permite a la red telefónica funcionar sin interrupciones.

Comparar con el down time por tiempo de reparación 1hora ~ disponibilidad de 99.1%

Redundancia de Control

Redundancia de Elementos

Duplicación de elementos físicos del nodo:procesadores, matriz de conmutación, elementos de trasmisión, etc.


Métodos de Redundancia de Control

Un procesador de supervisión compara outputs y decide en caso de discrepancia (posible switchover). No se pierden las llamadas en curso.No protege de falla de software.

BALANCEO DE CARGADos procesadores funcionando simultáneamente que se reparten tareas En caso de falla de uno el otro absorbe sus tareas. Efectivo en caso de fallas de software y hardware.

COLD STAND BY: Un procesador principal y otro de respaldo respaldo que se inicia cuando falla el principal.

HOT STAND BY: Dos procesadores realizando ambos la misma operación pero sólo uno tiene el mando.


Muchas Gracias

Conmutación

Ing. Juan Vanerio ([email protected])

Introducción

CONMUTACIÓN - Facultad de Ingeniería

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