Коммутация в сетях с использованием асинхронного метода переноса и доставки (стр. 2 из 17)
Поступившая ячейка синхронизирована в соответствии с внутренним временем входного контроллера (1C). Выходной контроллер (ОС) транспортирует ячейки, полученные от взаимосвязной сети, по назначению. Входные и выходной контроллеры попарно соединены сетью взаимосвязи.
IC - input controller - входной контроллер
ОС- output controller - выходной контроллер
Рисунок 1.1- Стандартная модель коммутационного элемента
1.3 МАТРИЧНЫЕ (ПЕРЕКРЕСТНЫЕ) КОММУТАЦИОННЫЕ СТРУКТУРЫ
Внутренняя не блокируемая коммутационная структура может быть
построена путем использования перекрестной прямоугольной матрицы для создания взаимосвязной сети (рисунок 1.2). Одновременно с этим существует
возможность связки любой незанятой пары вход / выход. Так или иначе,
перекрестная связь входа и выхода зависит от информации ячейки так же, как и от случайности возникновения «опасных соревнований» ячеек [7,8].
Внутри такой коммутационной структуры возможны различные расположения буферов:
· На входных контроллерах
· На выходных контроллерах
· В узлах матрицы
1C - входной контроллер
ОС - выходной контроллер
Рисунок 1.2 - Матричная коммутационная структура
1.4 ВХОДНАЯ БУФЕРИЗАЦИЯ В КОММУТАТОРАХ МАТРИЧНОГО ТИПА
При входной буферизации отдельные буферы размещаются на входных контроллерах (рисунок 1.3). При использовании FIFD буферов (first-in first-out) конкуренция возникает в случае появления двух или более ячеек, находящихся в голове очереди, стремящихся одновременно к одному и тому же выходу [3,8]. В этом случае происходит блокировка в голове очереди, т.е. пакеты, следующие за блокированным в голове очереди пакетом, также блокируется, даже если они предназначены для другого доступного выхода.
Рисунок 1.3 - Коммутатор матричного типа с входными буферами
Для преодоления этого недостатка, FIFD буфера могут быть замещены на запоминающее устройство с произвольной выборкой (RAM). Если первая ячейка заблокирована, то для передачи выбирается следующая, при условии, что ее порт назначения свободен. Однако такой режим функционирования требует более сложного управления буферами для нахождения ячеек, следующих к свободным портам выхода, и обеспечения порядка следования пакетов, направляющихся на один и тот же выход. Общая емкость буфера должна логически разделяться в зависимости от нагрузки на разные буферы FIFD (по количеству выходных линий).
Дальнейшие улучшения могут быть достигнуты при условии, что два или более ячейки могут быть переданы одновременно из одного буфера к различным выходам. Это требует использования буфера с множеством выходов или буфера с пониженной произвольной выборкой времени.
1.5 ВЫХОДНАЯ БУФЕРИЗАЦИЯ В КОММУТАТОРАХ МАТРИЧНОГО ТИПА
Рисунок 1.4 показывает коммутационную структуру, состоящую из матрицы с выходными буферами [8,9]. Только в случае, когда матрица функционирует на той же скорости, что и входящие линии, может возникнуть конфликт «опасных соревнований» (несколько ячеек одновременно стремятся попасть на один выход). Этот недостаток может быть сконцентрирован путем понижения прямого доступа буферного времени и увеличения скорости коммутатора матричного типа. Эти факторы могут привести к технологическим ограничениям в размере коммутационной структуры.
Коммутационный элемент с выходной буферизацией будет не блокируемым в том случае, когда фактор быстродействия коммутатора матричного типа равен b (т.е. b ячеек одновременно стремятся попасть на один выход) для b x b коммутационного элемента. В других случаях, добавочные буферы необходимы на входе для избежания потери ячеек под действием внутренней блокировки.
Рисунок 1.4 - Коммутатор матричного типа с выходной буферизацией
1.6 БУФЕРИЗАЦИЯ В ТОЧКАХ ПЕРЕСЕЧЕНИЯ КОММУТАТОРА МАТРИЧНОГО ТИПА
Буферы могут быть также расположены в индивидуальных точках пересечения матрицы (рисунок 1.5) [8]. Такой коммутационный элемент получил название «Бабочка» (butterfly). Эта схема предупреждает столкновение ячеек, движущихся к одному выходу. Если более чем в одном буфере находятся ячейки, предназначенные для одного и того же выхода, то по той или иной системе должен быть выбран буфер, обслуживаемый первым.
Рисунок 1.5 - Буферизация в точках пересечения коммутатора матричного типа
В действительности, эта стратегия размещения буфера имеет недостаток: малого размера буфер требуется на каждой точке пересечения (узле), и разделить этот буфер не представляется возможным. Поэтому невозможно достигнуть той же эффективности работы коммутационной структуры, какую обеспечивает коммутационная структура с выходной буферизацией.
1.7 КОЛЬЦЕОБРАЗНЫЙ ТИП СТРУКТУРЫ КОММУТАТОРА
В кольцеобразном типе структуры коммутатора все входы и выходы взаимно соединены через кольцевую сеть, которая должна быть управляема особым образом, чтобы минимизировать избыток [1,8]. В принципе, фиксированное время размещения схемы может быть использовано, но это требует кольцевой емкости, которая является суммой емкостей всех входящих звеньев. Если кольцевая мощность меньше, чем входная мощность, то гибкое эластичное размещение схемы является необходимостью, которая результирует добавочный избыток.
Кольцевая структура имеет преимущество под шинной структурой в том, что промежуток времени может быть использован несколько раз за одно
вращение. Однако это требует, чтобы выходные контроллеры были освобождены в течение заданного времени.
1.8 ОСОБЕННОСТИ КОММУТАТОРА БАНЬЯНОВИДНОГО ТИПА
Коммутационной структуре матричного типа требуется N2 ключей, что усложняет работу такой коммутационной структуры при увеличении N (свыше двух десятков). Поэтому были предприняты поиски альтернативных коммутационных структур, основанных на многокаскадных сетях [5,6].
Чтобы наилучшим способом описать концепцию многокаскадных структур коммутаторов с пространственным разделением, обратимся к абстрактной модели коммутатора с пространственным разделением и рассмотрим возможность реализации разветвителей и концентраторов с помощью элементарных (2х2)-переключателей, которые могут находиться в двух состояниях - сквозном и перекрестном.
Разветвитель на N=2k выходов может быть построен в виде двоичного дерева с k разветвлениями на N-1 двоичном коммутационном элементе. В таком дереве существует единственный путь от корня (входа) до каждого из листьев. Таким образом, такой разветвитель обладает свойством самомаршрутизации.
Проблема, связанная с таким вариантом конструкции многокаскадного коммутатора с пространственным разделением, имеет два аспекта:
o во-первых, требуемое число переключателей равно 2N2-N, т.е. почти вдвое больше количества элементов в коммутаторе матричного типа;
o во-вторых, требуется N промежуточных буферов и N2 соединений между разветвителем и концентратором.
Однако в каждом временном интервале для передачи одного пакета с входа на выход требуются не все переключатели, имеющиеся в дереве. Возможно совместное использование переключателей несколькими разетвителями. Путем добавления пар входных каналов к уже имеющейся структуре можно соединить между собой N входов и N выходов, используя только (N / 2)log2 N элементарных двоичных переключателей.
У конструкции коммутатора с пространственным разделением и числом элементов (N / 2)log2 N существует два интересных свойства [1,4]:
- первое - это сокращение общего числа переключателей;
- второе - возможность возникновения внутренних конфликтов.
При этом возникновение внутренних конфликтов будет иметь место не только в случае, когда на переключатель поступают два пакета, которые должны быть направлены на один и тот же выход, но внутренние конфликты могут возникать и в случаях, когда пакеты не предназначены для одного и того же выходного порта.
Существует очень большое количество разнообразных многокаскадных структур. За последние два десятка лет специалисты разных стран проводили исследования многокаскадных коммутационных структур и наработали комплекс типовых решений, актуальных на сегодняшний день.
Однако, независимо от конкретной разновидности все N´N многоканальные структуры обладают следующими основными свойствами:
oсуществует единственный путь, соединяющий входной канал с выходным;
oустановление соединений может быть осуществлено децентрализовано с использованием процедуры самомаршрутизации;
oво всех сетях возможно одновременное установление не более N соединений;
oструктура сети является регулярной, что удобно для реализации на СБИС;
oструктура является модульной, что позволяет строить большие сети без необходимости модификации физической компоновки или алгоритмов.