Un interruptor de extensión mínima sin bloqueo es un dispositivo que puede conectar N entradas a N salidas en cualquier combinación. El uso más común de los interruptores de este tipo es en una central telefónica . El término "sin bloqueo" significa que, si no está defectuoso, siempre puede realizar la conexión. El término "mínimo" significa que tiene la menor cantidad posible de componentes y, por lo tanto, el gasto mínimo.
Históricamente, en las centrales telefónicas, las conexiones entre los interlocutores se organizaban con grandes y costosos bancos de relés electromecánicos , los conmutadores Strowger . La propiedad matemática básica de los conmutadores Strowger es que por cada entrada del conmutador, hay exactamente una salida. Gran parte de la teoría matemática de circuitos de conmutación intenta utilizar esta propiedad para reducir el número total de conmutadores necesarios para conectar una combinación de entradas a una combinación de salidas.
En las décadas de 1940 y 1950, los ingenieros del Laboratorio Bell iniciaron una extensa serie de investigaciones matemáticas sobre métodos para reducir el tamaño y el costo de la " estructura conmutada " necesaria para implementar una central telefónica. Uno de los primeros análisis matemáticos exitosos fue realizado por Charles Clos ( pronunciación en francés: [ʃaʁl klo] ), y una estructura conmutada construida con conmutadores más pequeños se denomina red Clos . [1]
El conmutador de barra transversal tiene la propiedad de poder conectar N entradas a N salidas en cualquier combinación uno a uno , por lo que puede conectar cualquier llamada a cualquier receptor que no esté ocupado, propiedad que recibe el término técnico de "no bloqueo". Al ser no bloqueo, siempre podría completar una llamada (a un receptor que no esté ocupado), lo que maximizaría la disponibilidad del servicio.
Sin embargo, el interruptor de barra transversal lo hace a expensas de utilizar N 2 (N al cuadrado) interruptores SPST simples . Para N grandes (y los requisitos prácticos de un interruptor telefónico se consideran grandes) este crecimiento era demasiado costoso. Además, los interruptores de barra transversal grandes tenían problemas físicos. No solo el interruptor requería demasiado espacio, sino que las barras de metal que contenían los contactos del interruptor se volvían tan largas que se combaban y se volvían poco confiables. Los ingenieros también notaron que, en cualquier momento, cada barra de un interruptor de barra transversal solo estaba haciendo una única conexión. Los otros contactos en las dos barras no se usaban. Esto parecía implicar que la mayor parte de la estructura de conmutación de un interruptor de barra transversal se desperdiciaba.
La forma obvia de emular un conmutador de barras cruzadas era encontrar alguna forma de construirlo a partir de conmutadores de barras cruzadas más pequeños. Si un conmutador de barras cruzadas podía emularse mediante algún arreglo de conmutadores de barras cruzadas más pequeños, entonces estos conmutadores de barras cruzadas más pequeños también podían emularse a su vez mediante conmutadores de barras cruzadas aún más pequeños. La estructura de conmutación podía volverse muy eficiente y posiblemente incluso crearse a partir de partes estandarizadas. Esto se llama red Clos .
El siguiente enfoque fue dividir el conmutador de barras transversales en tres capas de conmutadores de barras transversales más pequeños. Habría una "capa de entrada", una "capa intermedia" y una "capa de salida". Los conmutadores más pequeños son menos masivos, más confiables y, en general, más fáciles de construir y, por lo tanto, menos costosos.
Un sistema telefónico sólo tiene que hacer una conexión uno a uno. Intuitivamente, esto parece significar que el número de entradas y el número de salidas siempre pueden ser iguales en cada subconmutador, pero la intuición no prueba que esto se pueda hacer ni nos dice cómo hacerlo. Supongamos que queremos sintetizar un conmutador de barra transversal de 16 por 16. El diseño podría tener 4 subconmutadores en el lado de entrada, cada uno con 4 entradas, para un total de 16 entradas. Además, en el lado de salida, también podríamos tener 4 subconmutadores de salida, cada uno con 4 salidas, para un total de 16 salidas. Es deseable que el diseño utilice la menor cantidad posible de cables, porque los cables cuestan dinero real. El menor número posible de cables que pueden conectar dos subconmutadores es un solo cable. Por lo tanto, cada subconmutador de entrada tendrá un solo cable a cada subconmutador central. Además, cada subconmutador central tendrá un solo cable a cada subconmutador de salida.
La pregunta es cuántos subconmutadores intermedios se necesitan y, por lo tanto, cuántos cables en total deben conectar la capa de entrada con la capa intermedia. Dado que los conmutadores telefónicos son simétricos (los emisores y los receptores de las llamadas son intercambiables), se aplicará la misma lógica a la capa de salida y los subconmutadores intermedios serán "cuadrados", con la misma cantidad de entradas que de salidas.
La cantidad de subconmutadores intermedios depende del algoritmo utilizado para asignarles la conexión. El algoritmo básico para administrar un conmutador de tres capas consiste en buscar entre los subconmutadores intermedios un subconmutador intermedio que tenga cables sin usar que se conecten a los conmutadores de entrada y salida necesarios. Una vez que se encuentra un subconmutador intermedio que se pueda conectar, la conexión a las entradas y salidas correctas en los conmutadores de entrada y salida es trivial.
En teoría, en el ejemplo, sólo se necesitan cuatro conmutadores centrales, cada uno con exactamente una conexión a cada conmutador de entrada y una conexión a cada conmutador de salida. Esto se denomina "conmutador de alcance mínimo" y su manejo fue el santo grial de las investigaciones de los Laboratorios Bell.
Sin embargo, un poco de trabajo con lápiz y papel mostrará que es fácil conseguir que un interruptor tan mínimo funcione en condiciones en las que ningún interruptor central tenga una conexión tanto con el interruptor de entrada necesario como con el interruptor de salida necesario. Solo se necesitan cuatro llamadas para bloquear parcialmente el interruptor. Si un interruptor de entrada está medio lleno, tiene conexiones a través de dos interruptores centrales. Si un interruptor de salida también está medio lleno con conexiones de los otros dos interruptores centrales, entonces no queda ningún interruptor central que pueda proporcionar una ruta entre esa entrada y esa salida.
Por esta razón, se pensaba que un conmutador 16x16 de tipo "simplemente conectado y sin bloqueo" con cuatro subconmutadores de entrada y cuatro de salida requería 7 conmutadores intermedios; en el peor de los casos, un subconmutador de entrada casi lleno utilizaría tres conmutadores intermedios, un subconmutador de salida casi lleno utilizaría tres diferentes y se garantizaría que el séptimo estuviera libre para realizar la última conexión. Por esta razón, a veces esta disposición de conmutadores se denomina "conmutador 2 n −1", donde n es el número de puertos de entrada de los subconmutadores de entrada.
El ejemplo es intencionalmente pequeño y, en un ejemplo tan pequeño, la reorganización no ahorra muchos conmutadores. Una barra transversal de 16 × 16 tiene 256 contactos, mientras que un conmutador de expansión mínima de 16 × 16 tiene 4 × 4 × 4 × 3 = 192 contactos.
A medida que los números aumentan, los ahorros aumentan. Por ejemplo, una central de 10.000 líneas necesitaría 100 millones de contactos para implementar una barra transversal completa. Pero tres capas de 100 subconmutadores de 100×100 utilizarían solo 300 subconmutadores de 10.000 contactos, o 3 millones de contactos.
Estos subconmutadores podrían a su vez estar formados por 3×10 barras transversales de 10×10, un total de 3000 contactos, lo que sumaría 900.000 para todo el intercambio, lo que supone un número mucho menor que 100 millones.
El descubrimiento crucial fue una forma de reorganizar las conexiones en los conmutadores intermedios para "intercambiar cables" de modo que se pudiera completar una nueva conexión.
El primer paso es encontrar un enlace no utilizado desde el subconmutador de entrada a un subconmutador de capa intermedia (que llamaremos A), y un enlace no utilizado desde un subconmutador de capa intermedia (que llamaremos B) al subconmutador de salida deseado. Dado que, antes de la llegada de la nueva conexión, los subconmutadores de entrada y salida tenían cada uno al menos una conexión no utilizada, ambos enlaces no utilizados deben existir.
Si A y B son el mismo conmutador de capa intermedia, la conexión se puede realizar inmediatamente, como en el caso del conmutador "2 n −1". Sin embargo, si A y B son subconmutadores de capa intermedia diferentes , se requiere más trabajo. El algoritmo encuentra una nueva disposición de las conexiones a través de los subconmutadores intermedios A y B que incluye todas las conexiones existentes, más la nueva conexión deseada.
Haz una lista de todas las conexiones deseadas que pasan por A o B. Es decir, todas las conexiones existentes que se deben mantener y la nueva conexión. El algoritmo propiamente dicho solo se ocupa de las conexiones internas del conmutador de entrada al de salida, aunque una implementación práctica también tiene que realizar un seguimiento de las conexiones correctas del conmutador de entrada y de salida.
En esta lista, cada subconmutador de entrada puede aparecer en dos conexiones como máximo: una al subconmutador A y otra al subconmutador B. Las opciones son cero, uno o dos. Asimismo, cada subconmutador de salida aparece en dos conexiones como máximo.
Cada conexión está vinculada a otras dos como máximo mediante un subinterruptor de entrada o salida compartido, formando un eslabón en una "cadena" de conexiones.
A continuación, comience con la nueva conexión. Asígnele la ruta desde su subinterruptor de entrada, pasando por el subinterruptor central A, hasta su subinterruptor de salida. Si el subinterruptor de salida de esta primera conexión tiene una segunda conexión, asígnele a esa segunda conexión una ruta desde su subinterruptor de entrada hasta el subinterruptor B. Si ese subinterruptor de entrada tiene otra conexión, asígnele a esa tercera conexión una ruta hasta el subinterruptor A. Continúe de esta manera, alternando entre los subinterruptores centrales A y B. Finalmente, debe suceder una de dos cosas:
En el primer caso, regrese al subconmutador de entrada de la nueva conexión y siga su cadena hacia atrás, asignando conexiones a rutas a través de los subconmutadores intermedios B y A en el mismo patrón alterno.
Cuando esto se hace, cada subconmutador de entrada o salida de la cadena tiene como máximo dos conexiones que pasan por él y se asignan a diferentes conmutadores intermedios. De esta forma, todos los enlaces necesarios están disponibles.
Puede haber conexiones adicionales a través de los subconmutadores A y B que no son parte de la cadena, incluida la nueva conexión; esas conexiones pueden dejarse como están.
Una vez que se diseña el nuevo patrón de conexión en el software, se puede reprogramar la electrónica del interruptor, moviendo físicamente las conexiones. Los interruptores electrónicos están diseñados internamente de modo que la nueva configuración se pueda escribir en la electrónica sin alterar la conexión existente y, luego, surta efecto con un solo pulso lógico. El resultado es que la conexión se mueve instantáneamente, con una interrupción imperceptible de la conversación. En los interruptores electromecánicos más antiguos, a veces se escuchaba un ruido metálico de "ruido de conmutación".
Este algoritmo es una forma de ordenamiento topológico y es el corazón del algoritmo que controla un conmutador de expansión mínima.
Tan pronto como se descubrió el algoritmo, los ingenieros y gerentes de sistemas de Bell comenzaron a discutirlo. Después de varios años, los ingenieros de Bell comenzaron a diseñar interruptores electromecánicos que pudieran ser controlados por él. En ese momento, las computadoras usaban tubos y no eran lo suficientemente confiables para controlar un sistema telefónico (los interruptores del sistema telefónico son críticos para la seguridad y están diseñados para tener una falla no planificada aproximadamente una vez cada treinta años). Las computadoras basadas en relés eran demasiado lentas para implementar el algoritmo. Sin embargo, todo el sistema podía diseñarse de modo que cuando las computadoras fueran lo suficientemente confiables, pudieran adaptarse a los sistemas de conmutación existentes.
No es difícil hacer que los conmutadores compuestos sean tolerantes a fallos . Cuando falla un subconmutador, los interlocutores simplemente vuelven a marcar. Por lo tanto, en cada nueva conexión, el software prueba la siguiente conexión libre en cada subconmutador en lugar de reutilizar la última que se liberó. Es más probable que la nueva conexión funcione porque utiliza circuitos diferentes.
Por lo tanto, en un conmutador con mucha actividad, cuando una PCB en particular carece de conexiones, es un candidato excelente para realizar pruebas.
Para probar o retirar del servicio una determinada tarjeta de circuito impreso, existe un algoritmo bien conocido. A medida que pasan menos conexiones a través del subconmutador de la tarjeta, el software envía más señales de prueba a través del subconmutador a un dispositivo de medición y luego lee la medición. Esto no interrumpe las llamadas antiguas, que siguen funcionando.
Si una prueba falla, el software aísla la placa de circuito exacta leyendo la falla de varios conmutadores externos. Luego, marca los circuitos libres en el circuito defectuoso como ocupados. A medida que finalizan las llamadas que utilizan el circuito defectuoso, esos circuitos también se marcan como ocupados. Algún tiempo después, cuando no pasan llamadas a través del circuito defectuoso, la computadora enciende una luz en la placa de circuito que necesita ser reemplazada y un técnico puede reemplazar la placa de circuito. Poco después del reemplazo, la siguiente prueba tiene éxito, las conexiones al subconmutador reparado se marcan como "no ocupadas" y el conmutador vuelve a funcionar por completo.
Los diagnósticos de los primeros interruptores electrónicos de Bell encendían una luz verde en cada placa de circuito impreso que funcionaba bien y una luz roja en cada placa de circuito impreso que fallaba. Los circuitos impresos estaban diseñados para que pudieran quitarse y reemplazarse sin apagar todo el interruptor.
El resultado final fue el Bell 1ESS . Este estaba controlado por una CPU llamada Central Control (CC), una computadora dual de arquitectura Harvard que usaba lógica confiable de diodos y transistores . En la CPU 1ESS, dos computadoras realizaban cada paso , verificándose mutuamente. Cuando no estaban de acuerdo, se diagnosticaban a sí mismas y la computadora que funcionaba correctamente asumía la operación del interruptor mientras que la otra se descalificaba a sí misma y solicitaba reparación. El interruptor 1ESS todavía se usaba de forma limitada en 2012 y tenía una confiabilidad verificada de menos de una hora de falla no programada en cada treinta años de operación, lo que validaba su diseño.
Inicialmente se instaló en los troncales de larga distancia de las grandes ciudades, las partes más utilizadas de cada central telefónica. El primer Día de la Madre en que las grandes ciudades lo utilizaron, el sistema Bell estableció un récord de capacidad total de red, tanto en llamadas completadas como en llamadas totales por segundo por central. Esto dio como resultado un récord de ingresos totales por troncal.
Se puede crear una implementación práctica de un conmutador a partir de un número impar de capas de subconmutadores más pequeños. Conceptualmente, los conmutadores de barra transversal del conmutador de tres etapas se pueden descomponer en conmutadores de barra transversal más pequeños. Aunque cada subconmutador tiene una capacidad de multiplexación limitada, al trabajar juntos sintetizan el efecto de un conmutador de barra transversal N × N más grande .
En un conmutador telefónico digital moderno, la aplicación de dos enfoques de multiplexor diferentes en capas alternas reduce aún más el costo de la estructura de conmutación:
Los conmutadores telefónicos digitales prácticos minimizan el tamaño y el gasto de la electrónica. En primer lugar, es típico "plegar" el conmutador, de modo que tanto las conexiones de entrada como de salida a una línea de abonado sean manejadas por la misma lógica de control. Luego, se utiliza un conmutador de división de tiempo en la capa exterior. La capa exterior se implementa en tarjetas de interfaz de línea de abonado (SLIC) en las cajas de presencia local del lado de la calle. Bajo control remoto desde el conmutador central, las tarjetas se conectan a ranuras de temporización en una línea multiplexada en el tiempo a un conmutador central. En los EE. UU., la línea multiplexada es un múltiplo de una línea T-1 . En Europa y muchos otros países es un múltiplo de una línea E-1 .
Los recursos escasos en un conmutador telefónico son las conexiones entre capas de subconmutadores. Estas conexiones pueden ser ranuras de tiempo o cables, dependiendo del tipo de multiplexación. La lógica de control tiene que asignar estas conexiones, y el método básico es el algoritmo ya discutido. Los subconmutadores están dispuestos lógicamente de modo que sinteticen subconmutadores más grandes. Cada subconmutador, y subconmutador sintetizado, se controla ( de forma recursiva ) mediante la lógica derivada de las matemáticas de Clos. El código de computadora descompone los multiplexores más grandes en multiplexores más pequeños.
Si la recursión se lleva al límite, descomponiendo la barra transversal al mínimo número posible de elementos de conmutación, el dispositivo resultante a veces se denomina conmutador cruzado o conmutador banyan dependiendo de su topología.
Los conmutadores generalmente se conectan a otros conmutadores y redes de fibra óptica a través de líneas de datos multiplexadas rápidas como SONET .
Cada línea de un conmutador puede ser probada periódicamente por la computadora, enviando datos de prueba a través de ella. Si la línea de un conmutador falla, todas las líneas de un conmutador se marcan como en uso. Las líneas del multiplexor se asignan según el principio de "primero en entrar, primero en salir", de modo que las nuevas conexiones encuentren nuevos elementos del conmutador. Cuando se pierden todas las conexiones de un conmutador defectuoso, se puede evitar el conmutador defectuoso y reemplazarlo más tarde.
A partir de 2018, ya no se fabrican estos conmutadores, que están siendo reemplazados por enrutadores de protocolo de Internet de alta velocidad .
