Cloud e Datacenter Networking

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1 loud e atacenter Networking Università degli Studi di Napoli Federico II ipartimento di Ingegneria Elettrica e delle Tecnologie dell Informazione IETI Laurea Magistrale in Ingegneria Informatica Prof. Roberto anonico Richiami di teoria della commutazione V1.0 Febbraio 2016 Roberto anonico

2 Switching system switching system connects N terminals ( 0, 1,, n-1 ) so that a (unidirectional) transmission is possible from the transmitting side of any given terminal i to the receiving side of any other terminal j (i j) The public telephone system is a switching system in which connections are established on a per-call basis by means of signalling (circuit switching) In the early telephone networks, human operators closed circuits manually, while today this is done automatically by digital switches switched computer LN is also a switching system in which transmission is segmented in packets bringing in the header the address of destination orso di loud e atacenter Networking Prof. Roberto anonico 2

3 Switching system: crossbar matrix # idirectional connections: N # switching elements in the matrix: N 2 Non blocking N switch INPUTS OUTPUTS orso di loud e atacenter Networking Prof. Roberto anonico 3

4 Switch a matrice di commutazione e code (1) Supponiamo che lo switch operi in maniera sincrona Un nuovo pacchetto ricevuto su ciascuna linea di input ogni slot temporale T Un pacchetto trasmesso su ciascuna linea di output ogni slot temporale T ode sulle linee di input e di output sono necessarie per gestire il caso di più pacchetti provenienti da linee di input diverse e diretti verso la stessa uscita In uno switch con code solo sulle linee di output, la matrice di commutazione deve operare ad una velocità N volte superiore al tasso di trasmissione dei pacchetti sulle linee rossbar switch with output queues orso di loud e atacenter Networking Prof. Roberto anonico 4

5 Switch a matrice di commutazione e code (2) Se la matrice di commutazione opera alla stessa velocità delle linee di input e di output La matrice può accettare un solo pacchetto per ciascuna linea di output ogni slot T Occorre una coda per ciascuna linea di input per accumulare pacchetti che trovano occupata la desiderata linea di output rossbar switch with input queues orso di loud e atacenter Networking Prof. Roberto anonico 5

6 Head-of-Line blocking in input-queued switches Let s consider an input-queued switch Head-of-Line blocking problem Example: the 1st and 3rd input flows are competing to send packets to the same output interface The switching fabric decides to transfer the packet from the 3rd input flow The 1st input flow cannot be processed in the same clock cycle and blocks a packet for output interface 3, which is available for processing HOL blocking may cause severe performance degradation (58,6% throughput) Only switches with input buffering can suffer HOL blocking With sufficient internal bandwidth, input buffering is unnecessary; all buffering is handled at outputs and HOL blocking is avoided No-input-buffering is common in small to medium-sized Ethernet switches orso di loud e atacenter Networking Prof. Roberto anonico 6

7 Ethernet switch: Virtual output queueing To prevent the Head-of-Line blocking problem in input-queued switches Rather than keeping all traffic in a single queue per input port, separate queues are maintained for each possible output port N 2 queues With proper scheduling, 100% throughput may be achieved N. McKeown,. Mekkittikul, V. nantharam, J. Walrand. "chieving 100% throughput in an input-queued switch". IEEE Transactions on ommunications, vol.47, no.8, pp , ug 1999 orso di loud e atacenter Networking Prof. Roberto anonico 7

8 Matrice di commutazione elementare 2x2 2 ingressi, 2 uscite 2 configurazioni: straight o crossover orso di loud e atacenter Networking Prof. Roberto anonico 8

9 Reti di commutazione multistadio Reti multistadio N N realizzate con di matrici di commutazione più piccole organizzate in stadi o layer onsideriamo reti a 3 stadi Si decompone N=m n Stadio di ingresso: m switch n k Stadio di uscita: m switch k n Stadio intermedio: k switch m m Se il numero di switch k nello stadio intermedio non è sufficiente, si può verificare una situazione di blocco n Esempio: Rete a 3 stadi di 12 switch 4 4in sostituzione di un unico switch N k diversi percorsi da un ingresso i ad una uscita j Fissato uno switch intermedio, esiste uno ed un solo percorso da un ingresso i ad una uscita j passante per quello switch m k m

10 Reti di commutazione a 3 stadi: teorema di los Se il numero di switch k nello stadio intermedio non è sufficiente, si può verificare una situazione di blocco ondizione minima di non blocco (può essere necessario il reinstradamento): k n ondizione di non blocco che non richiede il re-instradamento: k 2n 1 (Teorema di los) n = 2 k = 2 E F E F E F E F F non può trasmettere ad E: blocco F può trasmettere ad E se si effettua un reinstradamento della trasmissione E harles los. " Study of Non-blocking Switching Networks". ell System Technical Journal, March 1953 orso di loud e atacenter Networking Prof. Roberto anonico

11 Reti di los Reti di commutazione a tre stadi non bloccanti se k 2n-1 blocco rimuovibile con re-rerouting delle trasmissioni se k n Esempio: N=1000, n=10 m=100 switch nel primo e terzo stadio Il secondo stadio avrà k 19 switch 100x100 Numero di punti di connessione: 1000x1000= per singolo crossbar, 100x(10x19)+19x(100x100)+100x(19x10) = per rete di los orso di loud e atacenter Networking Prof. Roberto anonico 11

12 Reti di commutazione a più stadi umentando il numero di matrici elementari ed il numero di stadi, si possono realizzare reti di commutazione arbitrariamente grandi orso di loud e atacenter Networking Prof. Roberto anonico 12