BAB II JARINGAN SWITCHING DELTA 2.1 Jaringan Interkoneksi Perkembangan jaringan interkoneksi telah berlangsung selama bertahun-tahun. Jaringan berkembang seiring dengan perkembangan jaringan switching telepon, komunikasi interprocessor, dan interkoneksi processor-memory. Switching telepon telah ada sejak munculnya telepon sebagai alat komunikasi. Jaringan awal telepon dibangun dari switch crossbar elektromekanis ataupun switch elektromekanis step-by-step. Pada akhir 1980, kebanyakan switch telepon lokal masih dibangun dari relay elektromekanis, meskipun switch-switch jarak jauh secara menyeluruh telah bersifat elektronik dan digital pada saat itu [1]. Interkoneksi processor-memory muncul di akhir 1960 ketika sistem prosesor paralel menggabungkan jajaran jaringan untuk membolehkan prosesor manapun mengakses tumpukan memori tanpa membebankan prosesor lainnya. Mesin terkecil memakai switch crossbar untuk tujuan ini, dimana mesin-mesin yang lebih besar menggunakan jaringan dengan topologi Butterfly (atau yang sepadan) pada susunan Dance-Hall. Variasi pada tema ini digunakan sejak 1980 untuk banyak prosessor yang terbagi secara paralel (shared memory parallel). Tiga urutan dari evolusi jaringan interkoneksi telah bergabung. Sejak awal 1990, telah ada sedikit perbedaan pada rancangan processor-memory dan jaringan interkoneksi inter-processor, yang faktanyarouter chips yang sama telah digunakan untuk keduanya. Variasi dari Jaringan Clos dan Jaringan Benes dari sistem telepon juga telah muncul pada jaringan multiprocessor sebagai bentuk 5
dari topologi fat tree. Untuk mengerti tentang jaringan interkoneksi, dapat dilihat pada Gambar 2.1. Gambar 2.1 Gambaran fungsional dari jaringan interkoneksi. Seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2.1 jaringan interkoneksi adalah sistem yang dapat diprogram untuk mengirimkan data antar-terminal.gambar tersebut menunjukkan enam terminal, T1 sampai T6 yang terhubung pada satu jaringan. Ketika terminal T3 ingin mengkomunikasikan beberapa data terhadap terminal T5, T3 mengirimkan suatu pesan yang mengandung data pada jaringan dan jaringan akan meneruskan pengiriman pesan pada T5. Jaringan yang dapat diprogram memiliki pengertian bahwa jaringan tersebut memiliki poin-poin yang berbeda setiap waktu. Jaringan yang digambarkan pada Gambar 2.1 dapat mengirim pesan dari T3 ke T5 dalam satu putaran (satuan waktu) kemudian menggunakan sumber yang sama untuk mengirimkan pesan dari T3 ke T1 pada putaran berikutnya. Jaringan tersebut merupakan suatu sistem karena jaringan tersebut terdiri dari beberapa komponen, yaitu buffer, kanal, switch, dan kendali yang bekerja bersama-sama untuk mengirimkan data. 6
Terminal-terminal (dilabelkan dengan T1 sampai T6) dihubungkan pada jaringan dengan menggunakan kanal.arah panah pada masing-masing ujung kanal mengindikasikan bahwa jaringan tersebut bidireksional, yaitu merupakan hubungan timbal balik dari data yang masuk maupun yang keluar dari jaringan interkoneksi. Jaringan interkoneksi berbasis prosesor digunakan pada hampir semua sistem digital yang cukup besar yang memiliki dua komponen untuk berhubungan. Aplikasi paling umum dari jaringan interkoneksi berada pada sistem komputer dan switch-switch komunikasi. Pada sistem komputer, aplikasi jaringan interkoneksi tersebut menghubungkan prosesor ke memori dan peralatan masukan/keluaran (input/outputdevice (I/O)) menuju pengendali keluaran/ masukan. Jaringan interkoneksi tersebut menghubungkan port masukan menuju port keluaran pada switch-switch komunikasi dan router jaringan. Jaringan interkoneksi tersebut juga menghubungkan sensor dan actuator ke prosesor dalam sistem kendali. Dimana saja bit-bit tersebut diangkut antara dua komponen dari sistem, suatu jaringan interkoneksi kerap ditemukan [1]. 2.2 Jaringan Interkoneksi Banyak Tingkat Jaringan interkoneksi merupakan dasar dari telephone exchange sehingga terhubung satu sama lain. Selanjutnya jaringan interkoneksi berkembang dengan menggunakan prosesor paralel dan memori modul paralel. Dalam sistem multiprosesor dan sistem multimemori multiprosesor, salah satu persoalan yang mendasar adalah jaringan interkoneksi, yaitu jaringan untuk menghubungkan prosesor dan memori secara bersama-sama[1]. 7
Jaringan interkoneksi banyak tingkat (Multistage Interconnection Network) adalah jaringan interkoneksi yang digunakan untuk menghubungkan sekelompok N masukan ke sekolompok M keluaran melalui sejumlah tingkat perantara menggunakan elemen switching yang berukuran kecil diikuti oleh interkoneksi tingkat-tingkat penghubung. Secara formal, jaringan banyak tingkat merupakan rangkaian tingkat-tingkat elemen switching dan jalur interkoneksi.jaringan interkoneksi banyak tingkat merupakan bagian dari jaringan indirect atau sering juga disebut dengan jaringan dynamic seperti yang terlihat pada Gambar 2.2.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 khusus lagi adalah crossbar. Gambar 2.2 Jaringan Interkoneksi 8
Tingkat-tingkat penghubung merupakan fungsi interkoneksi, masingmasing fungsi adalah fungsi 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.gambar 2.3 memperlihatkan arsitektur jaringan interkoneksi banyak tingkat. Gambar 2.3 Arsitektur Jaringan Interkoneksi Banyak Tingkat 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 hal ini disebut dengan jaringan interkoneksi banyak tingkat dengan buffer. 9
Sedangkan jaringan interkoneksi banyak tingkat tanpa buffer merupakan jaringan interkoneksi banyak tingkat yang paling sederhana[2]. 2.3 Teknik Switching Teknik switching (penyambungan) merupakan salah satu komponen terpenting dalam jaringan telekomunikasi.komponen utama dari sistem switching atau sentral adalah seperangkat sirkuit masukan dan keluaran yang disebut dengan inlet dan outlet.fungsi utama dari sistem switching adalah membangun jalur listrik diantara sepasang inlet dan outlet tertentu, dimana hardware yang digunakan untuk membangun koneksi seperti itu disebut matriks switching atau switching network.switching network terdiri dari N inlet dan M outlet seperti pada Gambar 2.4. Apabila jumlah inlet sama dengan jumlah outlet (N=M), maka jaringan switching itu disebut symetric network. Gambar 2.4 Jaringan switching Perkembangan pemakaian komputer menyebabkan sistem komunikasi bergeser ke sistem digital.komunikasi juga tidak dibatasi untuk suara yang didigitalisasi, tetapi juga komunikasi data dan gambar (multimedia) sehingga perkembangan sentral digital tidak hanya melayani sistem circuit switching tetapi juga packet switching[2]. 10
Packet switching memungkinkan paket-paket dapat dikirimkan dari satu host ke host yang lain meski host-host tersebut tidak terhubung secara langsung. Packet switching adalah perangkat dengan sejumlah port input dan output dari dan ke host. Tugas utama dari switch adalah menerima paket yang tiba disuatu port kemudian meneruskannya ke port yang tepat sehingga paket akan dapat mencapai tujuannya. Untuk dapat mengetahui port mana yang tepat, switch harus memiliki informasi tentang jalur-jalur yang mungkin ditempuh untuk mencapai tujuan. Switch terhubung dengan link yang harus diteruskan oleh switch melalui suatu port melampui batas kemampuan link yang terhubung kepada port tersebut, maka muncullah masalah contention. Switch melakukan buffering terhadap paket sehingga contention dapat teratasi. Namun jika hal tersebut berlangsung cukup lama, maka buffer switchpun akhirnya akan penuh dan terpaksa membuang paket yang tidak tertampung. Jika pembuangan paket terjadi sangat sering, keadaan ini disebut dengan congestion. Kemampuan switch untuk mengatasi masalah ini adalah aspek penting yang menentukan unjuk kerjanya. Secara sederhana, switching dapat dikatakan sebagai suatu mekanisme yang memungkinkan terjadinya hubungan interkoneksi untuk membangun jaringan yang lebih besar[3]. Rancangan elemen switching yang dibutuhkan adalah rancangan 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 11
berarti sebagai suatu titik yang terdapat pada elemen switching. Dari pengertian diatas dapat disimpulkan bahwa switching adalah proses transfer data dari terminal masukan menuju terminal keluaran. Gambar 2.5 memperlihatkan elemen switching terdiri dari tiga komponen dasar yaitu : modul masukan, switching fabric, dan modul keluaran. Gambar 2.5 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. Fungsi lain yang dilaksanakan pada modul masukan adalah sinkronisasi, pengelompokan 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 dari jaringan transmisi dan elemen switching.jaringan transmisi link ini bersifat pasif dalam arti bahwa hanya sebagai saluran saja. Pada sisi lain elemen switching melaksanakan fungsi seperti internal routing[2]. 12
Terdapat tiga tipe switching fabric yaitu switching via memory, via bus dan via interconnection network. Jaringan Banyan dan Crossbar membentuk proses switching via interconnection network untuk menghubungkan prosesor di dalam multiprosesor. Beberapa rancangan fabric memiliki buffer internal, namun demikian pada hampir semua kasus selalu disediakan buffer pada port. Rancangan buffer tersebut (dari aspek kapasitas dan mekanisme pengelolaan data) akan turut menentukan performansi switch. Patut diperhatikan bahwa fungsionalitas, ukuran dan harga switch lebih banyak ditentukan oleh port (modul masukan/modul keluaran) daripada fabric[2]. 3. Modul keluaran Modul keluaran berfungsi untuk menghubungkan paket ke media transmisi ke berbagai jenis teknologi seperti kontrol error, data filtering, tergantung pada kemampuan yang terdapat pada keluaran tersebut[2]. 2.4 Klasifikasi Jaringan Interkoneksi Banyak Tingkat Jaringan banyak tingkat dibagi menjadi dua bagian, yaitu jaringan single path dan jaringan multi path.gambar 2.6 memperlihatkan klasifikasi jaringan interkoneksi banyak tingkat berdasarkan defenisi. 13
Gambar 2.6 Klasifikasi Jaringan Interkoneksi Banyak Tingkat Jaringan single path merupakan jaringan yang hanya terdiri dari satu jalur yang menghubungkan antara masing-masing pasangan inlet dan outlet, sedangkan jaringan multi path memiliki lebih dari satu jalur (banyak jalur).jaringan single pathbiasanya disebut dengan Jaringan Banyan. Jaringan Banyan didefenisikan sebagai sebuah jaringan dengan jalur yang unik dari sumber ke tujuannya masing-masing[3]. Jaringan interkoneksi banyak tingkat telah digolongkan kedalam tiga kelas menurut ketersediaan jalur-jalur untuk membangun koneksi baru, yaitu blocking, non-blocking dan rearrangable. 1. Blocking Suatu koneksi antara pasangan masukan/keluaran yang bebas tidak selalu mungkin dikarenakan bertabrakan dengan koneksi yang sudah ada.pada 14
umumnya, ada suatu jalur antara setiap pasangan masukan/keluaran, dengan memperkeciljumlah 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. Berdasarkan jenis saluran (channel) dan elemen switching, seperti Gambar 2.3, blocking pada 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), informasi dapat dikirimkan secara bersamaan dengan arah yang berlawanan antara elemen switchingnya yang bersebelahan. 2. Non-Blocking Setiap masukan dapat dihubungkan ke terminal keluaran yang bebas tanpa mempengaruhi koneksi-koneksi yang ada.akan tetapi, jaringan ini membutuhkan tingkat-tingkat tambahan dan memiliki jalur yang banyak antara setiap masukan dan keluaran.contoh yang populer dari jaringan non-blocking ini adalah Jaringan Clos. 3. Rearrangable Setiap terminal masukan dapat dihubungkan ke setiap keluaran yang bebas.bagaimanapun, koneksi-koneksi yang ada boleh mengggunakan jalur-jalur yang dapat diubah-ubah.jaringan-jaringan ini juga membutuhkan jalur yang 15
banyak antara setiap masukan dan keluaran, tetapi jumlah jalur dan biaya lebih kecil daripada penggunaan jaringan non-blocking. 2.5 Link Matriks 2 Tingkatan Link matriks 2 tingkatan mempunyai M inlet group dan setiap group memuat N inlet, dan M outlet group memuat N outlet. Topologi matriks ini menggunakan crosspoint yang lebih sedikit untuk dibandingkan dengan yang digunakan untuk matriks 1 tingkatan. Linear Graph adalah rangkaian sederhana yang terdiri dari 2 node yang dihubungkan dengan 1 cabang, karena hanya ada satu kemungkinan jalur antara inlet manapun dari tingkat a menuju outlet tingkat b. Jika P adalah probabilitas bahwa panggilan dari inlet ke outlet yang tidak terpakai diblok, dan Q adalah probabilitas yang tidak terblok, maka: Q = 1 P = 1 a[3]. 2.6 Jaringan Switching Delta Banyak Tingkat Aplikasi jaringan untuk prosesor menuju ke komunikasi memori yang ada dalam sistem multiproses dapat digunakan sebuah kelas dari jaringan interkoneksi yang sudah ada.jaringan ini dapat menghubungkan langsung antara prosesor dengan modul memori.dengan banyaknya mikro prosesor yang memiliki harga murah, para perancang jaringan membuat beberapa prosesor menjadi sangat menarik. Jaringan ini dianalisis karena dapat membuat bandwidth dan biaya yang lebih efisien.jaringan ini disebut juga Jaringan Delta.Analisa menunjukkan bahwa Jaringan Delta memiliki kemampuan yang jauh lebih baik dari jaringan crossbar dalam sistem multiproses yang besar. Jaringan ini juga jauh lebih 16
murah dibandingkan dengan jaringan crossbar utuh[4]. Selain itu, Jaringan Delta sangat moduler dan sangat mudah untuk dikontrol. Jaringan Delta membentuk sebuah bagian dari jaringan yang lebih luas yang disebut dengan Jaringan Banyan, karena Jaringan Delta mempunyai jalur yang unik dari setiap prosesor ke setiap modul memori yang dituju, yang hampir sama dengan karakteristik suatu Jaringan Banyan. Namun, tidak dibuat atau dianalisis untuk akses memori yang acak yang menyebabkan adanya konflik jalur di dalam suatu jaringan tersebut, dan juga konflik pada suatu memori[4]. 2.6.1 Pengertian Jaringan Delta Jaringan Delta adalah sebuah jaringan switchingbertingkat (Multistage Interconnection Network /MIN), yang merupakan bagian dari Jaringan Banyan, yang biasanya terdiri dari sejumlah elemen switching yang digabungkan ke dalam beberapa tingkat yang di-interkoneksi-kan oleh seperangkat linkdengan jalur yang unik antara sumber dengan tujuan. Jaringan Delta pertama kali diusulkan oleh Patel.Topologi dari Delta adalah dimana ada satu dan hanya satu jalur dari setiap sumber ke setiap tujuan. Suatu sumber masukan didefinisikan sebagai ujung yang mengarah masuk ke dalamnya.tujuan keluaran adalah ujung yang keluar dari masukan, dan semua ujung yang lain disebut perantara (intermediate)[4]. Jaringan Delta adalah salah satu jaringan switchingdengan topologi yang unik dengan pola linkantar-tingkat yang dimilikinya.jaringan Delta secara luas digunakan sebagai jaringan switching atau jaringan interkoneksi karena karakteristiknya. Salah satu karakteristik dari Jaringan Delta adalah bahwa jaringan ini mampu melakukan perutean sendiri (self-routing), yang mana bit-bit 17
alamat keluaran yang terdapat pada header paket dapat menentukan sendiri kemana perutean akan dilakukan. Dengan adanya sifat self-routing, switching Delta tidak memerlukan pengendalian jalur dari luar. Hal ini sangat menghemat biaya[4]. Jaringan Delta merupakan sebuah jaringan switching a n x b n dengan tingkat n, yang terdiri dari modul crossbar a x b. Hubungan pola antar-tahapnya memiliki jalur yang unik dari sumber ke tujuan manapun yang menandakan bahwa jaringan ini memang merupakan bagian dari Jaringan Banyan. Selain itu, digit pada jalurnya dikontrol seperti suatu modul crossbar menghubungkan suatu input ke salah satu output b tergantung dari output b mana yang akan dituju. Dan juga, dalam sebuah Jaringan Delta tidak ada terminal input maupun output dari sebuah modul crossbar yang tidak terhubung. Salah satunya dapat menentukan jumlah modul crossbar pada setiap tahap. Jaringan Delta a n x b n terdiri dari sumber a n dan tujuannya b n.input pada tahap pertama terhubung pada sumber dan tahap terakhir pada output terhubung ke tujuan. 2.6.2 Sifat-Sifat Jaringan Switching Delta Pada Jaringan Delta hanya ada satu jalur hubungan (port input port output). Jaringan Banyan mempunyai blocking internal yang terjadi bila lebih dari satu data mencoba menggunakan (mengakses) link yang sama antara 2(dua) stages Blocking internalmenyebabkan throughput menurun drastis yang sebanding dengan jumlah port di jaringan. Gambar 2.7 dan Gambar 2.8 18
menunjukkan contoh sebuah Jaringan Delta a n x b n dan b n x b n dengan menggunakan q-shuffle[4]. Gambar 2.7 Jaringan switching Delta 4 2 x 3 2 Gambar 2.8 JaringanSwitching Delta 2 3 x 2 3 Jaringan Delta merupakan jaringan interkoneksi banyak tingkat yang ada satu dan hanya satu jalur dari setiap terminal masukan ke setiap terminal keluaran. Jaringan Delta juga merupakan jaringan yang mempunyai masalah blocking, dimana suatu koneksi antara pasangan masukan/keluaran yang bebas 19
tidak selalu mungkin terjadi dikarenakan bertabrakan dengan koneksi yang sudah ada[4]. Salah satu karakteristik dari Jaringan Delta adalah bahwa jaringan ini mampu melakukan perutean sendiri (self-routing), dimana bit-bit alamat keluaran yang terdapat pada header paket dapat menentukan sendiri kemana peruteran akan dilakukan. Routing diputuskan oleh tujuan, maksudnya yaitu label pada keluaran ditandai dengan bilangan biner dengan susunan yang menurun merupakan alamat keluaran. Apabila sebuah paket tiba pada masukan Jaringan Delta, elemen switching pertama merutekan paket ke keluaran sebelah atas jika bit pertama pada alamat tujuan adalah 0 dan merutekan ke keluaran sebelah bawah jika bernilai 1. Elemen switching berikutnya juga memperlakukan paket-paket yang masuk dengan cara perutean yang sama yaitu dengan menggunakan bit berikutnya pada alamat tujuan. Dengan cara perutean seperti ini sebuah paket akan menemukanjalannya menuju terminal keluaran yang dituju tanpa memperdulikan dari masukan yang mana ia datang. Sebagai contoh, dengan memperhatikan Gambar 2.9 jika terminal masukan ingin menyampaikan paket ke alamat tujuan (110)2, maka pada tingkat 1 perutean dikendalikan oleh bit 1 sehingga paket lewat melalui elemen switching sebelah bawah. Pada tingkat 2 paket dikendalikan oleh bit 1, sehingga paket lewat melalui elemen switching sebelah bawah dan pada tingkat terakhir dikendalikan oleh bit 0 dan tiba pada tujuannya melalui elemen switching sebelah atas. Garis tebal memperlihatkan jalur yang dilalui oleh paket. 20
Gambar 2.9 Perutean dari 001 ke 110 Ketetapan yang melekat pada Jaringan Delta menunjukkan bahwa sebuah model jaringan dapat dibangun dengan menggabungkan beberapa contoh dari sebuah model single switch atau switch yang bertingkat[5]. Switch Banyan N x N menggunakan elemen-elemen ( N 2 )logn. Oleh karena itu, switch tidak bisa non-blocking. Permutasi input ke output bisa dibangun apabila tidak bisa di-route-kansecara bersamaan dengan switch[5]. Gambar 2.10 Switch Banyan dengan crossbar 2 x 2 Gambar 2.10 memperlihatkan switch Banyan 2x2. Masing-masing elemen switching merupakan crossbar switch 2x2. Setiap unit informasi yang masuk ke 21
switch memiliki header yang berisi bityang menunjukkan tujuannya (0 atau1)[6]. Bit pertama digunakan untuk mengontrol switching Banyan. Setelah membuat keputusan routing, switching Banyan menghilangkan perutean bit pertama dan sisa paket akan diteruskan ke tahap selanjutnya[6]. Jaringan Delta memiliki tingkat n/b (1,2,...,n/b) dan setiap tingkat mempunyai switch dasar 2 n-b. Output dari switch pada setiap tingkat, kecuali yang terakhir, terhubung ke input pada tingkat switch berikutnya dengan koneksi shuffle atau salah satu dari varian kecilnya. Input N pada switch tingkat pertama dan output N pada switch tingkat terakhir merupakan input dan output pada jaringan ini. Sebuah Jaringan Delta yang lebih sederhana dapat diperoleh dengan menghapus satu atau lebih tingkat dari Jaringan Delta yang biasa. Kontrol pada jaringan didesentralisasi dan setiap switch di dalam jaringan ini beroperasi secara mandiri[7]. 22