Analisis Kinerja Jaringan Switching Delta Banyak Tingkat
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 switch pun 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 anx bn 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 anx bn terdiri dari sumber andan tujuannya bn.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 an x bn dan bn x bn dengan
menggunakan q-shuffle[4].
Gambar 2.7 Jaringan switching Delta 42 x 32
Gambar 2.8 JaringanSwitching Delta 23 x 23
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 (�⁄ ) ���. 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 2n-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
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 switch pun 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 anx bn 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 anx bn terdiri dari sumber andan tujuannya bn.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 an x bn dan bn x bn dengan
menggunakan q-shuffle[4].
Gambar 2.7 Jaringan switching Delta 42 x 32
Gambar 2.8 JaringanSwitching Delta 23 x 23
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 (�⁄ ) ���. 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 2n-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