교환기술 (Switching)

교환기술 1. 회선교환 네트워크 2. 데이터그램 네트워크 3. 가상회선 네트워크 4. 교환기 구조 5. 요약

교환  교환 (Switching) ■ 다중 장치가 있을 때, 각각의 장치를 어떻게 1 대 1 로 연결할 것인가

교환 네트워크 종류 ■ 회선 교환 (circuit switching) ■ 패킷 교환 (packet switching) ■ 메시지 교환 (message switching)

CIRCUIT-SWITCHED NETWORKS A circuit-switched network consists of a set of switches connected by physical links. A connection between two stations is a dedicated path made of one or more links. However, each connection uses only one dedicated channel on each link. Each link is normally divided into n channels by using FDM or TDM. Three Phases Efficiency Delay Circuit-Switched Technology in Telephone Networks Topics discussed in this section:

1. 회선 교환 네트워크  간단한 회선 교환 네트워크

A circuit-switched network is made of a set of switches connected by physical links, in which each link is divided into n channels. 회선 교환 네트워크는 각 링크를 n 개의 채널로 나누는 물리적인 링크에 의해 연결된 교환 기의 집합으로 이루어진다

In circuit switching, the resources need to be reserved during the setup phase; the resources remain dedicated for the entire duration of data transfer until the teardown phase. 회선 교환에서는 설정 단계에서 자원 할당이 필요하며, 해제 단계에 들기 전까지는 계속해서 전체 데이터 전송 기간 동안 전용적으로 할당되어야 한다

As a trivial example, let us use a circuit-switched network to connect eight telephones in a small area. Communication is through 4-kHz voice channels. We assume that each link uses FDM to connect a maximum of two voice channels. The bandwidth of each link is then 8 kHz. Figure 8.4 shows the situation. Telephone 1 is connected to telephone 7; 2 to 5; 3 to 8; and 4 to 6. Of course the situation may change when new connections are made. The switch controls the connections. Example 1

회선 교환 네트워크  예 1. 에서 사용된 회선 교환 네트워크

Example 2 As another example, consider a circuit-switched network that connects computers in two remote offices of a private company. The offices are connected using a T-1 line leased from a communication service provider. There are two 4 × 8 (4 inputs and 8 outputs) switches in this network. For each switch, four output ports are folded into the input ports to allow communication between computers in the same office. Four other output ports allow communication between the two offices. Figure 8.5 shows the situation.

회선 교환 네트워크  예 2. 에서 사용된 회선 교환 네트워크

회선 교환에서 이루어지는 3 단계  설정 단계 – 교환기 사이에 전용 회선을 만드는 것  데이터 전송단계  해제 단계

회선 교환 네트워크  Delay in a circuit-switched network

Switching at the physical layer in the traditional telephone network uses the circuit-switching approach. 전통적인 전화 네트워크에서 물리층 교환은 회선 교환 방식을 사용한다.

2. DATAGRAM NETWORKS In data communications, we need to send messages from one end system to another. If the message is going to pass through a packet-switched network, it needs to be divided into packets of fixed or variable size. The size of the packet is determined by the network and the governing protocol. Routing Table Efficiency Delay Datagram Networks in the Internet Topics discussed in this section:

In a packet-switched network, there is no resource reservation; resources are allocated on demand. 패킷 교환망에서 자원 예약은 없으며, 자원은 필요에 따라 할당된다.

데이터그램 네트워크  4 개의 교환기 ( 라우터 ) 를 이용한 데이터그램 망 ■ 각 패킷 ( 데이터그램 ) 은 다른 패킷과 무관하게 취급 ■ 네트워크 층에서 이루어짐

데이터그램 네트워크  데이터그램망에서의 경로표 (Routing table)

A switch in a datagram network uses a routing table that is based on the destination address. 데이터그램 망의 교환기는 목적지 주소를 기반 으로 한 경로 표를 가지고 있다.

The destination address in the header of a packet in a datagram network remains the same during the entire journey of the packet 데이터그램 망에서 헤더의 목적지 주소는 패킷 이 전송되는 동안 내내 같은 값을 유지한다

데이터그램 네트워크  데이터그램에서의 지연 Total delay = 3T( 전송 시간 ) + 3 π ( 전파 지연 시간 ) + W1 + W2( 대기 시간 )

Switching in the Internet is done by using the datagram approach to packet switching at the network layer 인터넷에서 교환은 네트워크 층에서 패킷을 교환하는 데이터그램 방식이다

3. VIRTUAL-CIRCUIT NETWORKS A virtual-circuit network is a cross between a circuit- switched network and a datagram network. It has some characteristics of both. Addressing Three Phases Efficiency Delay Circuit-Switched Technology in WANs Topics discussed in this section:

3. 가상회선 네트워크  가상 회선 네트워크 특성 ■ 회선 교환 네트워크처럼 설정 및 해체 단계가 있다 ■ 회선 교환처럼 자원이 설정 단계에서 할당될 수도 있고, 필요에 따라 할당될 수도 있다 ■ 데이터 그램 네트워크처럼 데이터는 패킷으로 전송되며, 각 패킷은 헤더에 주소를 담는다 ■ 회선 교환처럼 연결이 설정되고 나면 패킷은 같은 경로를 따라 전송된다 ■ 가상회선 네트워크는 보통 데이터 링크층에서 구현된다

가상회선 네트워크

 가상회선 주소지정 ■ 전역 주소 (Global address) ▶ 네트워크 전체에서 통용되는 주소 ■ 가상회선 식별자 (VCI, Virtual Circuit Identifier) ▶ 교환기에서 사용되는 주소로서 프레임에서 사용

가상회선 네트워크  가상회선 식별자

가상회선 네트워크  가상회선 네트워크의 교환기와 표

30 가상회선 네트워크  가상회선 네트워크에서 발신지 - 대 - 목적지 데이터 전송

가상회선 네트워크  가상회선 네트워크에서 설정 요청

가상회선 네트워크  가상회선 네트워크에서 설정 확인응답

In virtual-circuit switching, all packets belonging to the same source and destination travel the same path; but the packets may arrive at the destination with different delays if resource allocation is on demand. 가상회선 교환에서 같은 발신지와 목적지에 속한 모든 패킷은 동일한 경로를 거치지만 한정된 자원에 대해 서로 다른 지연으로 목적지에 도착할 수 있다

가상회선 네트워크  가상회선 네트워크에서의 지연 Total delay = 3T + 3π + setup delay + teardown delay

Switching at the data link layer in a switched WAN is normally implemented by using virtual-circuit techniques. 교환식 WAN 에서 링크 계층 교환은 보통 가상회선 기술들을 사용하여 구현된다

4. STRUCTURE OF A SWITCH We use switches in circuit-switched and packet- switched networks. In this section, we discuss the structures of the switches used in each type of network. We use switches in circuit-switched and packet- switched networks. In this section, we discuss the structures of the switches used in each type of network. Structure of Circuit Switches( 회선 교환 ) Structure of Packet Switches( 패킷 교환 ) Topics discussed in this section:

스위치 구조  회선 교환

스위치 구조  공간 - 분할 (Space-Division) 교환 ■ 회선에서 경로는 다른 것들과 공간적으로 분리 (crossbar switch)  Crossbar 교환 ■ 각 교차점상의 전기 마이크로 스위치 (transistor) 를 이용하여, 격자 내에서 n 입력과 m 출력을 연결

스위치 구조  Crossbar 교환 ■ 3 개의 입력과 4 개의 출력을 갖는 크로스바 교환기 (Crossbar switch)

스위치 구조  다단교환기 ■ 다른 교환기와 계층적 구조를 가짐

In a three-stage switch, the total number of crosspoints is 2kN + k(N/n) 2 which is much smaller than the number of crosspoints in a single-stage switch (N 2 )

Example 3 Design a three-stage, 200 × 200 switch (N = 200) with k = 4 and n = 20 Solution In the first stage we have N/n or 10 crossbars, each of size 20 × 4. In the second stage, we have 4 crossbars, each of size 10 × 10. In the third stage, we have 10 crossbars, each of size 4 × 20. The total number of crosspoints is 2kN + k(N/n) 2, or 2000 crosspoints. This is 5 percent of the number of crosspoints in a single-stage switch (200 × 200 = 40,000)

According to the Clos criterion: n = (N/2) 1/2 k > 2n – 1 Crosspoints ≥ 4N [(2N) 1/2 – 1]

Example 4 Redesign the previous three-stage, 200 × 200 switch, using the Clos criteria with a minimum number of crosspoints. Solution We let n = (200/2) 1/2, or n = 10. We calculate k = 2n − 1 = 19. In the first stage, we have 200/10, or 20, crossbars, each with 10 × 19 crosspoints. In the second stage, we have 19 crossbars, each with 10 × 10 crosspoints. In the third stage, we have 20 crossbars each with 19 × 10 crosspoints. The total number of crosspoints is 20(10 × 19) + 19(10 × 10) + 20(19 ×10) = 9500

스위치 구조  시 분할 (Time Division) 교환 ■ TDM(Time-division multiplexing) 과 TSI(Time-Slot Interchange) 을 이용해 확립 ■ TSI : 요구되는 연결상에 기반으로 한 슬롯의 번호를 변경

스위치 구조  시간 - 분할 다중화 ■ 시간 간격 교환의 유무에 따른 시분할 다중화

스위치 구조  TSI (Time-Slot Interchange)

48 스위치 구조  공간 분할 교환기와 시분할 교환기 결합

스위치 구조  패킷 교환기 구조 ■ 구성요소 : 입력포트, 출력포트, 라우팅 처리기, 교환 회로

스위치 구조  입력 포트 ■ 패킷 교환의 물리 및 데이터 링크층 기능을 수행

스위치 구조  출력 포트 ■ 순서만 반대일뿐 입력 포트와 같은 기능 수행

스위치 구조  반얀 교환기 (Banyan switch)

스위치 구조  반얀 교환기 (Banyan switch) 의 경로 지정 예

스위치 구조  뱃처 반얀 교환기 (Batcher-Banyan switch)

교환방식의 특성 비교 55 방식 특성 회선교환메시지 교환가상회선 패킷교환데이터그램 패킷교환 전용전송로유무무무 전송단위연속적인 데이터메시지패킷 메시지의 저장 여부저장하지 않음저장, 필요시 검색일시적 저장, 검색기능 없음 일시적 저장, 검색기능 없음 이용에 적합한 전송 형태 길이가 긴 연속적 전송 저속 메시지 전송순간적인 대량 데이터의 고속전송 전송 경로의 형태동일한 전송경로메시지마다 경로설정전체 패킷전송을 위해 경 로설정 각 패킷마다 경로설정 지연 시간 영향연결호출 설정지연, 전송지연은 무시 메시지 전송지연연결호출 설정지연, 패킷 전송지연 패킷전송지연 과부하시연결호출 설정중단메시지 전송지연 증가연결호출 설정중단 ; 연결 설정 후에는 패킷전송지 연 증가 패킷전송지연 증가 코드 및 속도변환무유유유 전송데이터와 수신 데이터의 순서일치 일치불일치일치불일치 대역폭고정동적사용 가능 회선 에러발생시다른 회선 재설정여러 경로 중 선택다른 회선 재설정여러 경로 중 선택 오버헤드연결설정 후 불필요메시지마다 필요각 패킷마다 필요 응용분야실시간 대화형실시간 대화형 부적합실시간 대화형