BAB II JARINGAN INTERKONEKSI BANYAK TINGKAT 2.1 Switching Komponen utama dari sistem switching atau sentral adalah seperangkat sirkit masukan dan keluaran yang disebut dengan inlet dan outlet. Fungsi utama dari sistem switching adalah membangun jalan listrik diantara sepasang inlet dan outlet tertentu, dimana perangkat yang digunakan untuk membangun koneksi seperti itu disebut switching matriks atau switching network. Jaringan switching tidak membedakan antara inlet/outlet yang tersambung ke pelanggan maupun ke trunk. Sebuah sistem switching tersusun dari elemen-elemen yang melakukan fungsi-fungsi switching, kontrol dan signaling. Seiring dengan perkembangan yang terjadi pada sistem transmisi dimana dengan ditemukannya sistem transmisi serat optik yang menyebabkan peningkatan kecepatan transmisi dan menyebabkan adanya tuntutan akan suatu desain sistem switching yang sesuai dengan kebutuhan transmisi tersebut. Desain elemen switching yang dibutuhkan adalah desain yang dapat meneruskan paket data secara cepat, dapat dikembangkan dengan skala yang lebih besar dan dapat secara mudah untuk diimplementasikan. Suatu elemen switching dapat digambarkan sebagai suatu elemen jaringan yang menyalurkan paket data dari terminal masukan menuju terminal keluaran. Kata terminal dapat berarti sebagai suatu titik yang terdapat pada elemen switching. Dari pengertian di atas dapat disimpulkan bahwa switching adalah proses transfer data dari terminal masukan menuju terminal keluaran. Gambar 2.1 menggambarkan suatu tipe dari elemen switching dimana
terlihat bahwa suatu switch yang terdiri dari tiga komponen dasar yaitu: modul masukan, switching fabric, dan modul keluaran. Masukan Modul Masukan Modul Masukan Switching Fabric Modul Keluaran Modul Keluaran Keluaran Gambar 2.1 Tipe Elemen Switching Ketiga komponen switch tersebut dijelaskan sebagai berikut : 1. Modul masukan Modul masukan akan menerima paket yang datang pada terminal masukan. Modul masukan akan menyaring paket yang datang tersebut berdasarkan alamat yang terdapat pada header dari paket tersebut. Alamat tersebut akan disesuaikan dengan daftar yang terdapat pada virtual circuit yang terdapat pada modul masukan. Fungsi ini juga dilakukan pada modul keluaran. Fungsi lain dilaksanakan pada modul masukan adalah sinkronisasi, pengklasifikasian paket menjadi beberapa kategori, pengecekan error dan beberapa fungsi lainnya sesuai dengan teknologi yang ada pada switching tersebut. 2. Switching fabric Switching fabric melakukan fungsi switching dalam arti sebenarnya yaitu merutekan paket dari terminal masukan menuju terminal keluaran. Switching fabric terdiri atas jaringan transmisi dan elemen switching. Jaringan transmisi ini bersifat pasif dalam arti bahwa hanya sebagai saluran saja. Pada sisi lain elemen switching melaksanakan fungsi seperti internal routing.
3. Modul keluaran Modul keluaran berfungsi untuk menghubungkan paket ke media transmisi dan ke berbagai jenis teknologi seperti kontrol error, data filterring, tergantung pada kemampuan yang terdapat pada modul keluaran tersebut. 2.2 Jaringan Interkoneksi Komunikasi diantara terminal-terminal yang berbeda harus dapat dilakukan dengan suatu media tertentu. Interkoneksi yang efektif antara prosesor dan modul memori sangat penting dalam lingkungan komputer. Menggunakan arsitektur bertopologi bus bukan merupakan solusi yang praktis karena bus hanya sebuah pilihan yang baik ketika digunakan untuk menghubungkan komponen-komponen dengan jumlah yang sedikit. Jumlah komponen dalam sebuah modul IC bertambah seiring waktu. Oleh karena itu, topologi bus bukan topologi yang cocok untuk kebutuhan interkoneksi komponenkomponen di dalam modul IC. Selain itu juga tidak dapat diskalakan, diuji, dan kurang dapat disesuaikan, serta menghasilkan kinerja toleransi kesalahan yang kecil. Di sisi lain, sebuah crossbar yang ditunjukkan pada Gambar 2.2 menyediakan interkoneksi penuh diantara semua terminal dari suatu sistem tetapi dianggap sangat kompleks, mahal untuk membuatnya, dan sulit untuk dikendalikan. Untuk alasan ini jaringan interkoneksi merupakan solusi media komunikasi yang baik untuk sistem komputer dan telekomunikasi. Jaringan ini membatasi jalur-jalur diantara terminal komunikasi yang berbeda untuk mengurangi kerumitan dalam menyusun elemen switching [4].
P 1 P 2 P n M 1 M 2 M n Gambar 2.2 Arsitektur Crossbar Fungsi jaringan interkoneksi dalam sistem komputer dan telekomunikasi adalah untuk mengirimkan informasi dari terminal sumber ke terminal tujuan [4]. 2.3 Karakteristik Jaringan Interkoneksi Topologi Struktur fisik dari suatu jaringan interkoneksi ditunjukkan oleh topologinya sendiri. Topologi suatu jaringan interkoneksi ditunjukkan secara matematis dengan sebuah grafik G=(V,E), dimana V adalah seperangkat terminal (prosesor, modul memori, komputer, dan elemen switching perantara) dan E adalah seperangkat link/jalur. Teknik Switching Secara umum digunakan tiga teknik switching, yaitu circuit switching, packet switching dan message switching. Tetapi yang sering digunakan adalah circuit switching dan packet switching. Pada circuit switching, jalur antara sumber dan tujuan harus telah disediakan sebelum komunikasi terjadi dan koneksi ini harus tetap dijaga sampai pesan mencapai tujuannya. Setiap koneksi yang dibangun melalui jaringan circuit switching
mengakibatkan dibangunnya kanal komunikasi fisik diantara terminal sumber dengan terminal tujuan. Kanal komunikasi ini digunakan secara khusus selama terjadi koneksi. Jaringan circuit switching juga menyediakan kanal dengan laju yang tetap. Pada hubungan circuit switching, koneksi biasanya terjadi secara fisik bersifat point to point. Kerugian terbesar dari teknik ini adalah penggunaan jalur yang bertambah banyak untuk jumlah hubungan yang meningkat. Efek yang timbul adalah biaya yang akan semakin meningkat disamping pengaturan switching menjadi sangat komplek. Kelemahan yang lain adalah munculnya idle time bagi jalur yang tidak digunakan. Hal ini tentu akan menambah inefisiensi. Circuit switching mentransmisikan data dengan kecepatan yang konstan sehingga untuk menggabungkannya dengan jaringan lain yang berbeda kecepatan tentu akan sulit. Pemecahan yang baik yang bisa digunakan untuk mengatasi persoalan di atas adalah dengan metode packet switching. Dengan pendekatan ini, pesan yang dikirim dipecah-pecah dengan besar tertentu dan pada tiap pecahan data ditambahkan informasi kendali. Informasi kendali ini, dalam bentuk yang paling minim, digunakan untuk membantu proses pencarian rute dalam suatu jaringan sehingga pesan dapat sampai ke alamat tujuan. Contoh pemecahan data menjadi paket-paket data ditunjukkan pada Gambar 2.3.
Data Header paket Paket Gambar 2.3 Pemecahan Data Menjadi Paket-paket Penggunaan packet switching mempunyai keuntungan dibandingkan dengan penggunaan circuit switching antara lain : 1. Efisiensi jalur lebih besar karena hubungan antar node dapat menggunakan jalur yang dipakai bersama secara dinamis tergantung banyakanya paket yang dikirim. 2. Bisa mengatasi permasalahan laju data yang berbeda antara dua jenis jaringan yang berbeda laju datanya. 3. Saat beban lalu lintas meningkat, pada model circuit switching, beberapa pesan yang akan ditransfer dikenai pemblokiran. Transmisi baru dapat dilakukan apabila beban lalu lintas mulai menurun. Sedangkan pada model packet switching, paket tetap bisa dikirimkan, tetapi akan lambat sampai ke tujuan (delivery delay meningkat). 4. Pengiriman dapat dilakukan berdasarkan prioritas data. Jadi dalam suatu antrian paket yang akan dikirim, sebuah paket dapat diberi prioritas lebih.
Sinkronisasi Dalam suatu jaringan interkoneksi sinkron, kegiatan elemen switching dan terminal masukan maupun terminal keluaran (I/O) dikendalikan oleh sebuah clock pusat sehingga semuanya bekerja secara sinkron. Sedangkan pada jaringan interkoneksi asinkron tidak. Strategi Pengaturan Pengaturan sebuah jaringan dapat dilakukan dengan cara terpusat ataupun terdistribusi. Dalam strategi pengaturan terpusat, sebuah pengendali pusat harus memiliki semua informasi yang global dari sistem pada tiap waktu. Ini akan menghasilkan dan mengirimkan sinyal kontrol kepada terminal yang berbeda pada jaringan tergantung dari informasi yang dikumpulkan. Kompleksitas sistem bertambah dengan cepat seiring bertambahnya jumlah terminal dan dampaknya mengakibatkan sistem dapat berhenti. Berbeda dengan jaringan terdistribusi, pesan-pesan yang dirutekan mengandung informasi perutean yang dibutuhkan. Informasi ini ditambahkan kepada pesan dan akan dibaca dan digunakan oleh elemen switching untuk merutekan pesan-pesan tersebut sampai ke tujuan. Algoritma Perutean Algoritma perutean tergantung pada sumber dan tujuan dari suatu pesan, jalur interkoneksi yang digunakan ketika melalui jaringan. Perutean dapat disesuaikan ataupun ditentukan. Jalur yang telah ditentukan mekanisme peruteannya tidak dapat diubah sesuai dengan trafik yang terjadi pada jaringan, artinya tidak dapat dialihkan ke rute yang berbeda apabila terjadi kepadatan trafik [4].
2.4 Klasifikasi Jaringan Interkoneksi Jaringan interkoneksi dapat dibagi menjadi statis atau jaringan langsung (direct network), dinamis atau jaringan tidak langsung (undirect network), dan hybrid. Jaringan hybrid adalah jaringan interkoneksi yang memiliki struktur yang rumit. Untuk selanjutnya akan dibahas lebih tentang jaringan statis dan dinamis dan dalam Tugas Akhir ini difokuskan pada jaringan interkoneksi dinamis yaitu jaringan switching Omega. Gambar 2.4 menunjukkan klasifikasi jaringan interkoneksi [4]. 2-D Mesh Mesh 3-D Mesh 1-D Unidirectional Torus or Ring Torus (k-ary n-cube 2-D Bidirectional Torus Strictly Orthogonal Topologies 3-D Bidirectional Torus Direct Networks Hypercube Other Topologies: Trees, Cube-connecter Cycles, de Brujin Network, Star Graphs,etc Crossbar Unidirectional MIN Regular Topologies Blocking Networks Interconnection Network Indirect Networks Multistage Interconnection Networks Bidirectional MIN Irregular Topologies Non Blocking Networks Hybrid Networks Multiple Backplane Buses Hierarchical Networks Cluster-Based Networks Other Hypergraph Topologies: Hypercubes, Hypermeshes, etc Gambar 2.4 Klasifikasi Jaringan Interkoneksi 2.4.1 Jaringan Interkoneksi Statis (Jaringan Langsung) Dalam jaringan interkoneksi statis, jalur diantara terminal yang berbeda dari sistem bersifat pasif dan hanya jalur yang telah ditentukan oleh prosesor pengendali yang dapat digunakan untuk berkomunikasi. Masing-masing terminal dihubungkan secara
langsung ke terminal lain dengan jalur interkoneksi tertentu. Beberapa hal yang penting dalam topologi ini: - Derajat terminal (node), yaitu jumlah jalur yang dihubungkan ke terminal yang menghubungkan tetangganya. - Diameter, yaitu jarak maksimum antara dua terminal dalam jaringan. - Regularity, yaitu sebuah jaringan yang teratur jika semua terminalnya memiliki derajat yang sama. - Simetris, yaitu sebuah jaringan simetrik jika terlihat sama dari masing-masing perspektif terminal. Linier Array Ring Mesh Fully Interconnected Hypercube Gambar 2.5 Beberapa Contoh Jaringan Statis Dalam jaringan statis, jalur pentransmisian pesan dipilih dengan algoritma perutean. Mekanisme switching menentukan bagaimana masukan dihubungkan ke keluaran dalam sebuah terminal. Semua teknik switching dapat digunakan dalam jaringan langsung. Jaringan statis yang paling sederhana adalah jaringan bus [4].
2.4.2 Jaringan Dinamis (Jaringan Tidak Langsung) Jika dibandingkan dengan jaringan statis, dengan jalur interkoneksi antar terminal yang pasif, konfigurasi jalur dalam sebuah jaringan interkoneksi dinamis merupakan fungsi dari kondisi elemen switching. Jalur diantara terminal pada jaringan interkoneksi dinamis berubah sesuai dengan perubahan kondisi elemen switching. Jaringan dinamis dibangun menggunakan crossbar (khususnya yang berukuran 2 x 2) [4]. 2.4.2.1 Jaringan Interkoneksi Satu Tingkat Jaringan interkoneksi satu tingkat adalah sebuah jaringan dinamis yang dibangun dari satu tingkat penghubung dan dua tingkat elemen switching. Gambar 2.6 menunjukkan skema umum jaringan interkoneksi satu tingkat. Crossbar yang menyediakan koneksi penuh antara semua terminal dari sistem merupakan jaringan interkoneksi non-blocking satu tingkat. Tingkat penghubung dalam Gambar 2.6 adalah fungsi permutasi atau pertukaran keluaran elemen switching ke tingkat yang terjauh ke kiri masukan elemen switching yang lain. Lebih dari satu jalur yang dibutuhkan melalui jaringan untuk komunikasi yang efektif antara sumber dan tujuan [4].
Tingkat Penghubung Input Tingkat dari elemen switching Modul memory Gambar 2.6 Skema Jaringan Satu Tingkat 2.4.2.2 Jaringan Interkoneksi Banyak Tingkat Jaringan merupakan suatu gambaran berarah dimana node-nodenya terdiri dari tiga bagian berikut: - terminal sumber, yang memiliki indegree 0 - terminal tujuan, yang memiliki outdegree 1 - elemen switching, yang memiliki indegree dan outdegree positif Jaringan banyak tingkat adalah jaringan dimana terminal-terminalnya dapat diubah pada tingkat-tingkatnya, dimana semua terminal sumber pada tingkat 0, dan semua keluaran pada tingkat i dihubungkan ke masukan pada tingkat i+1. Jika semua terminal tujuan dari jaringan banyak tingkat dihubungkan ke tingkat n+1, maka disebut jaringan n-tingkat. Jaringan uniform adalah jaringan banyak tingkat dimana semua elemen switching pada suatu tingkat yang sama memiliki jumlah terminal masukan dan terminal keluaran
yang sama. Jaringan square dengan derajat k adalah jaringan banyak tingkat yang dibangun dari elemen switching k x k. Jaringan interkoneksi banyak tingkat (Multistage interconnection network/min) adalah jaringan interkoneksi yang digunakan untuk menghubungkan sekelompok N masukan ke sekelompok M keluaran melalui sejumlah tingkat perantara menggunakan elemen switching yang berukuran kecil diikuti oleh interkoneksi tingkat-tingkat penghubung. Secara formal, jaringan interkoneksi banyak tingkat merupakan rangkaian tingkattingkat elemen switching dan jalur interkoneksi. Arsitektur elemen switching yang paling umum adalah jaringan interkoneksi antara elemen-elemen switching itu sendiri yang berukuran lebih kecil. Elemen switching yang paling sering digunakan adalah hyperbar dan lebih lebih khusus lagi adalah crossbar. Tingkat-tingkat penghubung merupakan fungsi interkoneksi, masing-masing fungsi adalah bijeksi dari alamat elemen switching tingkat-tingkat sebelumnya yang menghubungkan semua keluaran elemen switching dari tingkat yang diberikan ke masukan dari tingkat berikutnya. Dalam lingkungan multiprosesor, link tingkat pertama dihubungkan ke sumber (biasanya prosesor) dan link tingkat terakhir dihubungkan ke tujuan (modul memory). Jumlah tingkat minimum jaringan interkoneksi banyak tingkat harus menyediakan koneksi penuh (full connection) dari terminal masukan ke terminal keluaran. Jaringan interkoneksi banyak tingkat secara umum ditunjukkan pada Gambar 2.7. Elemen switching pada jaringan interkoneksi banyak tingkat boleh memiliki buffer masukan ataupun buffer keluaran. Buffer berfungsi sebagai penyimpanan sementara untuk pesan-
pesan yang diblok ketika konflik terjadi. Dalam kasus ini disebut jaringan interkoneksi banyak tingkat dengan buffer. Sedangkan jaringan interkoneksi banyak tingkat tanpa buffer merupakan jaringan interkoneksi banyak tingkat yang paling sederhana. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.7, jaringan interkoneksi banyak tingkat memiliki N masukan dan M keluaran. Jaringan interkoneksi banyak tingkat memiliki n tingkat, G 0 sampai G n-1. Masing-masing tingkat G i memiliki W i elemen switching yang berukuran a i,j x b i,j dimana 1 j W i, dengan demikian tingkat G i memiliki p i terminal masukan dan q i terminal keluaran sehingga [4] : p i = W j= 1 = i W i a i, j dan q i j= 1 b i, j...(2.1) Tingkat-tingkat dari link/jalur interkoneksi C 0 C 1 C 2 C n-1 C n N terminal Prosesor M terminal Modul G 0 G 1 G n-1 memory Ket: = Switching Element = Elemen Switching Tingkat-tingkat dari elemen-elemen switching Gambar 2.7 Arsitektur Jaringan Interkoneksi Banyak Tingkat
Pola koneksi antara dua tingkat yang berbatasan atau berdekatan, G i-1 dan G i yang ditunjukkan C i, menggambarkan pola koneksi untuk link p i = q i-1 dimana p 0 = N dan q n-1 = M. Dengan demikian sebuah jaringan interkoneksi banyak tingkat dapat ditunjukkan sebagai [4] : C 0 (N)G 0 (W 0 )C 1 (p 1 )G 1 (W 1 ) G n-1 (W n-1 )C n (M).(2.2) Dimana C 0 adalah pola koneksi dari sumber ke tingkat switching pertama dan C n adalah pola koneksi dari tingkat switching terakhir ke tujuan. Pola koneksi C i (p i ) menggambarkan bagaimana link-link p i seharusnya dihubungkan ke keluaran q n-1 = p i dari tingkat G i-1 dan masukan p i ke tingkat G i. Pola koneksi yang berbeda memberikan perbedaan karakteristik dan topologi jaringan interkoneksi banyak tingkat. Link-link itu diberi label dari 0 sampai p i -1 pada C i [4]. 2.5 Klasifikasi Jaringan Interkoneksi Banyak Tingkat Penggolongan jaringan interkoneksi banyak tingkat berdasarkan defenisi-defenisi yang telah diberikan ditunjukkan pada Gambar 2.8. Jaringan interkoneksi banyak tingkat telah digolongkan ke dalam tiga kelas menurut ketersediaan jalur-jalur untuk membangun koneksi baru, yaitu [4]: 1. Blocking. Suatu koneksi antara pasangan masukan/keluaran yang bebas tidak selalu mungkin dikarenakan konflik dengan koneksi yang sudah ada. Pada umumnya, ada suatu jalur yang unik antara setiap pasangan masukan/keluaran, dengan memperkecil jumlah elemen switching dan tingkat. Jaringan dengan satu jalur (unipath network) disebut juga sebagai jaringan switching banyan.
Jaringan switching banyan digambarkan sebagai suatu kelas dari jaringan interkoneksi banyak tingkat dimana ada satu dan hanya satu jalur dari setiap terminal masukan ke setiap terminal keluaran. Square Delta Non Delta Uniform Banyan Network Non Square Delta Non Delta Blocking Network Non Uniform (Non Square) Delta Non Delta Multistage Interconnection Network Non Banyan Network Uniform Square Non Square Non Uniform Non Blocking Network Gambar 2.8 Klasifikasi Jaringan Interkoneksi Banyak Tingkat Dengan menyediakan jalur yang banyak (multiple path) dalam jaringan bloking (blocking network), konflik dapat dikurangi dan toleransi kesalahan dapat ditingkatkan. Jaringan-jaringan bloking ini juga dikenal sebagai jaringan banyak jalur (multipath network). 2. Nonblocking. Setiap masukan dapat dihubungkan ke terminal keluaran yang bebas tanpa mempengaruhi koneksi-koneksi yang ada. Mereka membutuhkan tingkattingkat tambahan dan memiliki jalur yang banyak antara setiap masukan dan keluaran. Contoh yang popular dari jaringan nonblocking adalah jaringan Clos. 3. Rearrangable. Setiap terminal masukan dapat dihubungkan ke setiap keluaran yang bebas. Bagaimanapun, koneksi-koneksi yang ada boleh menggunakan jalur-
jalur yang dapat diubah-ubah. Jaringan-jaringan ini juga membutuhkan jalur yang banyak antara setiap masukan dan keluaran, tetapi jumlah jalur dan biaya lebih kecil daripada penggunaan jaringan non-bloking. Berdasarkan jenis saluran (channel) dan elemen switching, jaringan interkoneksi banyak tingkat dapat juga dibagi menjadi: 1. Jaringan interkoneksi banyak tingkat satu arah (unidirectional), kanal-kanal dan elemen-elemen switchingnya satu arah. 2. Jaringan interkoneksi banyak tingkat dua arah (bidirectional), kanal-kanal dan elemen-elemen switchingnya dua arah. Ini menunjukkan bahwa informasi dapat dikirimkan secara simultan (bersamaan) dalam arah yang berlawanan antara elemen switching yang bersebelahan [4].