Реферат Архитектуры высокоскоростных коммутаторов пакетов для Ш-ЦСИО - файл n1.doc

Реферат Архитектуры высокоскоростных коммутаторов пакетов для Ш-ЦСИО
скачать (803.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc804kb.21.10.2012 08:51скачать

n1.doc

  1   2   3   4
Архитектуры высокоскоростных коммутаторов пакетов для широкополосных цифровых сетей интегрированного обслуживания
Традиционно дорогим и дефицитным ресурсом в сетях связи была доступная полоса частот, в связи с чем методы организации сетей и коммутации выбирались с целью оптимизации использования данного ресурса. Эти методы различались в зависимости от вида передаваемой информации (коммутация каналов для речи, коммутация пакетов для данных) и вида обслуживаемой среды (локальная среда, город, большая территория). Сегодня при разработке сетей связи выделяются две новые характеристики. Первая выражается в стремлении поддерживать много новых (широкополосных) возможностей применения (таких, как цифровая видео и факсимильная связь), что стало возможным благодаря высокой пропускной способности волоконно-оптических систем передачи; вторая состоит в стремлении разработать единую систему связи, обеспечивающую все виды обслуживания интегрированным и унифицированным образом. Наилучшим методом коммутации, отвечающим этим требованиям, оказывается коммутация пакетов. Это наиболее подходящий метод в случае передачи данных с импульсным характером трафика; данный метод также обеспечивает значительную гибкость при удовлетворении широкого спектра требований по скорости передачи и задержки, возникающих вследствие интегрирования видов обслуживания. Поэтому одна из основных проблем состоит в разработке и реализации коммутаторов пакетов, способных коммутировать пакеты сравнительно малой длины с чрезвычайно высокой скорости (скажем 100 000 – 1 000 000 пакетов в секунду на одну линию связи), архитектуры таких высокоскоростных коммутаторов, а также обсуждаются вопросы, связанные с достижимыми характеристиками и их практической реализацией.
I. ВЕДЕНИЕ

А. Организация сетей и коммутация



Поскольку линия связи обеспечивает возможность информационного обмена лишь между двумя пунктами, возникает вопрос, как обеспечить такую возможность для большого числа географически разнесенных абонентов, каждый из которых в произвольной момент времени испытывает потребность в информационном обмене с любым другим абонентом. Ответ на данный вопрос связан с понятиями организации сети и коммутации.

Организация сети означает создание конфигурации средств связи в виде сети, которая в состоянии обслуживать большое число географически разнесенных пользователей. Географическое разнесение не означает, что пользователи находятся далеко друг от друга, хотя расстояния и могут оказывать влияние на выбор типа сети. Поскольку сеть с полносвязной топологией, обслуживающая N абонентов, требует наличия N(N-1)/2 линий связи, что практически реализуемо лишь при малых N, обычно используется конфигурация сети с неполной связностью, включающая намного меньше линий связи (рис. 1). Коммутация является средством, позволяющим распределять ограниченные связные ресурсы между пользователями, с тем чтобы обеспечивать определенную степень связности абонентов ?????????????????? мутацией экономичным и эффективным образом обеспечивает возможность информационного обмена между абонентами.

Традиционно используемая для передачи информации полоса частот является дефицитным и дорогим ресурсом, в связи с чем методы организации сетей и коммутации выбираются с целью эффективного использования данного ресурса. Эти методы различаются в зависимости от вида передаваемой информации (речь или данные) и вида обслуживаемой среды (локальная среда, город, большая территория). Хотя на сегодняшний день разработано много разнообразных сетей, предназначенных для решения разных задач, все они основаны на использовании двух основных способов коммутации, называемых коммутацией каналов и коммутацией пакетов



Рис. 1. Топология сети с неполной связностью
При коммутации каналов на все время сеанса связи от инициатора обмена к адресату устанавливается полная цепочка связанных каналов, которая остается связанной и используемой лишь данной парой абонентов до того момента, когда они ее освободят. Цепочка устанавливается с помощью специального сигнала вызова, который приходит по сети от инициатора обмена к получателю, захватывая каналы связи по мере своего продвижения. Как только цепочка установлена, обратный сигнал информирует об этом отправителя, и последний теперь может начинать передачу. С, этого момента коммутаторы становятся как бы прозрачными для передачи информации от источника к получателю, т. е. два оконечных пользователя получают для своих практических целей непрерывный канал, соединяющий их на все время сеанса связи. Коммутация каналов используется в телефонных сетях для передачи речи.

В случае локальной среды (здание, несколько близко расположенных объектов, небольшой город), сеть имеет звездообразную структуру с единственным коммутатором в центре (рис. 2). Для больших районов (большой город, страна) сеть состоит из некоторого числа коммутационных узлов, каждый из которых обслуживает группу пользователей. Эти узлы соединены друг с другом и образуют базовую сеть произвольной конфигурации (рис. 3). Двухпунктовое соединение абонентских аппаратов может задействовать несколько узлов коммутации, в зависимости от местоположения абонентов.





Рис. 2. Сеть с звездообразной структурой.


В приложениях, связанных с передачей данных, обмен информацией между пользователями происходит посредством блоков данных, называемых сообщениями. Для максимального удовлетворения требованиям и характеристикам такого обмена была введена коммутация сообщений. Сообщение, готовое к передаче, включает данные, которые необходимо передать, заголовок, содержащий служебную информацию (например, адреса источника и получателя, тип сообщения, приоритет и т. д.), и контрольную сумму, используемую для контроля ошибок. Коммутаторы представляют собой компьютеры с соответствующими вычислительными возможностями и объемом памяти. Рассмотрим для примера типичную сеть связи между удаленными абонентами с произвольной топологией (рис. 4). Вначале сообщение передается от абонентского аппарата к коммутатору сообщений, к которому он непосредственно подключен. После того как сообщение принято полностью, коммутатор изучает его заголовок и выбирает канал для последующей передачи. Этот процесс повторяется в других коммутаторах до тех пор пока сообщение не будет доставлено адресату. (Этот метод передачи также на­зывается методом переприема.)


Рис. 4. Территориальная вычислительная сеть



Почему же метод переприема лучше соответствует потребностям передачи данных, чем коммутация каналов? Последняя оказывается экономически оправданной лишь в тех случаях, когда по сформированной цепочке каналов связи будет идти сравнительно стационарный поток информации. Именно так происходит при передаче обычной речи, в силу чего коммутация каналов широко используется в системе телефонной связи. С другой стороны, информационный поток, которым обмениваются компьютеры, имеет тенденцию к группированию. Группирование характеризуется случайными временными паузами в процессе формирования передаваемой информации, переменной длинной сообщений и жесткими требованиями по времени-задержки при передаче. Пользователи и устройства требуют использования ресурсов связи сравнительно редко, но когда это происходит, важным является достаточно быстрый ответ. Если бы для связи между двумя абонентами необходимо было для удовлетворения требования по задержке доставки установление сквозного соединения, то связной канал должен быть достаточно широкополосным. Однако из-за наличия случайных пауз в процессе формирования передаваемой информации, результирующее использование канала было бы неэффективным. Если бы широкополосные каналы объединялись в сквозной канал по каждому отдельному запросу о передаче сообщения, то связанное с каждым запросом время установки сквозного соединения оказалось бы большим по сравнению. с временем передачи. Что опять ведет к неэффективному использованию каналов. Для пользователей с импульсной информационной активностью метод передачи с переприемом обеспечивает более ????????????????????????? канал связи лишь на время передачи, а остальное время оно хранится в каком-либо промежуточном коммутаторе, так что каналы связи доступны для передачи .других сообщений. Итак, главное преимущество принципа передачи с переприемом над коммутацией каналов состоит в том, что полоса частот системы связи распределяется динамически, причем распределение осуществляется на уровне каждого канала связи в сети и каждого сообщения (для каждой пары отправитель – получатель).

Коммутация пакетов представляет собой один из вариантов коммутации сообщений. В этом случае длина блоков данных, которые могут передаваться в сети, ограничивается заданным максимальным значением; эти блоки называются пакетами. Сообщения, длина которых превосходит допустимую, разбиваются на несколько пакетов, которые передаются независимо друг от друга по принципу переприема. Коммутация пакетов создает обсуждавшиеся выше достоинства коммутации сообщений и предоставляет дополнительные возможности. Она в полной мере обеспечивает преимущества справедливого динамического распределения полосы частот, даже если длина сообщений существенно различна.

При коммутации пакетов задержка сквозной передачи оказывается меньше, чем при коммутации сообщений, вследствие эффекта «течения по трубе», т. е. возможности одновременной передачи сразу многих пакетов одного сообщения в последовательных каналах связи, образующих цепочку от отправителя к получателю. Коммутация пакетов приводит к уменьшению потребной емкости запоминающих устройств в промежуточных коммутаторах, поскольку, благодаря своему ограниченному размеру, пакеты имеют меньше шансов быть отброшенными в узле, чем полное сообщение. Наконец, процедуры исправления ошибок оказывается более эффективными в случае коммутации пакетов, ибо пакеты опять-таки в силу ограниченной длины менее подвержены ошибкам при передаче, чем сообщения, и если при передаче в канале в пакете возникает ошибка, то в повторной передаче по этому каналу нуждается лишь этот пакет. Нет необходимости говорить, что коммутация пакетов требует использования дополнительных функциональных и вычислительных ресурсов, в частности перестановки пакетов какого-либо сообщения, которые могут приходить в конечный узел не по порядку. Эффективное использование связных ресурсов, в сочетании с непрерывным прогрессом в технологии цифровой обработки, который до сих пор не отставал от расширения полосы частот, доступной связному оборудованию, сделало коммутацию пакетов наиболее экономически выгодным и, следовательно, наиболее предпочтительным способом коммутации для передачи данных с момента своего появления в конце 60-х годов.

Сети, подобные рассмотренным выше, в которых коммутаторы пакетов связаны сквозными (двухпунктовыми) каналами связи в соответствии с какой-либо общей конфигурацией (рис. 4), обычно обслуживают обширные географические районы (сюда относятся национальные сети) и называются территориальными сетями (ТС). Первой системой этого класса явилась известная сеть APRANET – национальная исследовательская сеть с коммутацией пакетов разработанная ????????????????????????? при поддержке Агентства перспективных научно-исследовательских работ Министерства обороны США (DARPA) и функционирующая до настоящего времени, обслуживая ряд университетов, а также правительственные и военные организации. Как в США, так и в других странах мира существует много других широкодоступных сетей данного типа (Telnet в США, Datapac в Канаде, Transpac во Франции и др.). Крупные корпорации имеют собственные частные сети, соединяющие их офисы. В то время как APRANET использует арендованные телефонные каналы со скоростью передачи порядка 56кбит/с, более новые сети общего назначения используют арендованные цифровые средства передачи, известные, как линии Т16, которые обеспечивают скорость передачи 1.544 Мбит/с.

В начале 70-х гг. появился новый тип сетей с коммутацией пакетов – сети с совместным использованием среды, обычно называемые широковещательными сетями с множественным доступом. В данном случае вся сеть состоит из общей передающей среды, которая разделяется между всеми станциями. Последние получают доступ к среде в соответствии с определенными протоколами контроля доступа к среде (КДС), причем всякий раз время доступа ограничено, как правило, временем передачи одного пакета (или сообщения). В таких сетях передача любого пользователя может быть принята всеми остальными абонентами, откуда и происходит их широковещательный характер.



Свойство широковещательности в отсутствие ре­трансляции, присущее данным сетям, позволяет до­стичь полносвязности сети при очень небольших за­тратах: каждый абонент подключается к общему каналу через интерфейс, который прослушивает все передачи и принимает адресованные данному абонен­ту пакеты. По существу разделение широковещатель­ной среды в соответствии с некоторым протоколом множественного доступа (реализуемого децентрализо­ванно всеми станциями, подключенными к разделяе­мой среде) представляет собой функцию коммутации. При рассмотрении таких систем большую роль игра­ют два фактора: 1) необходимость эффективного ис­пользования дорогостоящего связного ресурса (напри­мер, спутникового канала или диапазона радиоспект­ра) при совместном его использовании большим числом независимых и разнесенных географически по­льзователей с импульсным трафиком, и 2) необходи­мость обеспечить высоких уровень связности между большим числом абонентов с ярко выраженной груп­пирующейся информационной активностью (напри­мер, когда абоненты расположены на небольшой тер­ритории, скажем здание или группа задний). Такие системы нашли широкое применение в локальных и городских системах, называемых соответственно, ло­кальными сетями (ЛС) или городскими сетями (ГО). Существуют две преобладающих структуры .таких се­тей. Это так называемые системы с широковещательной линией, в которых пользователи подключены к одному кабелю через простые пассивные ответвители (рис. 5). Эти системы идеально подходят для об­служиваемой среды, включающей большое и часто переменное число недорогих оконечных устройств, требующих обеспечения взаимной связанности. Суще­ствуют также так называемые кольцевые сети, в ко­торых интерфейс каждого оконечного устройства соединен лишь с двумя соседями через двухпунктовые однонаправленные каналы, образуя тем самым коль­цо (рис. 6). Кольцевой интерфейс – активный компо­нент, способный анализировать проходящий сквозь него информационный поток для определения доступа и регенерировать сигнал с целью передачи по следую­щему каналу. Сообщения (или пакеты) получают воз­можность распространяться по кольцу, тем самым обеспечивая широковещательность. Средние скорости передачи данных, реализуемые в таких сетях, лежат в пределах от 1 до 100 Мбит/с. Здесь важно отме­тить, что средняя пропускная способность, достижи­мая при работе всех пользователей, не может превос­ходить по порядку величины ширину полосы частот коллективной среды; далее, из-за использования де­централизованной коммутации и связанных с этим на­кладных расходов, достижимая пропускная способ­ность обычно ниже ширины доступной полосы ча­стот. Помимо того, хотя пиковая скорость передачи, необходимая пользователю, может составлять лишь часть ширины полосы частот, пользовательский сете­вой интерфейс должен работать с максимальной ско­ростью, определяемой средой.
Рис. 6. Кольцевая сеть







В. Цифровые сети интегрированного обслуживания
Как подчеркивалось в предыдущем разделе, для обеспечения применений с принципиально различными характеристиками трафика и предъявляемыми требо­ваниями обычно используются отдельные системы связи, разрабатываемые специально для решения тех или иных задач. Помимо упомянутых выше технических аспектов, такая ситуация является еще результатом эволюционного процесса. Но сегодня происходит поворот к разработке единой системы связи, обеспечивающей одновременно все виды обслуживания унифицированным образом. Среди прочих доводов в пользу такого подхода назовем простоту установки и эксплу­атации, лучшие характеристики доступа пользовате­лей и экономические показатели. Хотя сегодня мы еще далеки от достижения поставленной цели, шаги в данном направлении уже делаются. Здесь стоит упо­мянуть о двух разработках: это узкополосные ЦСИО и пакетированная речь.

Первоначально во всей телефонной сети использо­валась аналоговая передача. С появлением цифровой обработки сигналов и компьютерных технологий электромеханические коммутаторы и аналоговые ка­налы между ними были постепенно заменены цифро­выми коммутаторами и средствами передачи. В сети речевой сигнал преобразуется в цифровую форму с ис­пользованием импульсно-кодовой модуляции (ИКМ), образуя поток данных с постоянной скоростью 64 кбит/с; тем самым речевой канал просто превращает­ся в 64 кбит/с канал передачи данных. Однако цепи подключения абонентов (витая пара, соединяющая те­лефон с центром) остались аналоговыми; ввиду этого передача данных по телефонной сети требует испо­льзования модема, и достижимая скорость передачи остается ограниченной интервалом 300—3600 бит/с. ЦСИ расширяет возможности цифровой передачи для существующих витых пар и обеспечивает абонен­ту два 64-кбит/с коммутируемых канала (называемых В-каналами) и один 16 -кбит/с канал с коммутацией пакетов (называемый В-каналом). С помощью В-канала передается служебная информация, необходимая для формирования двух В-каналов, а также могут транслироваться какие-либо данные пользователя в пакетном режиме. Пользователи, связанные с высо­кой деловой активностью, могут обеспечиваться на­ивысшей скоростью передачи, равной 1.544 Мбит/с, т. е. скоростью, доступной для каналов типа Т1. Та­ким образом, при использований ЦСИО пользовате­лям, находящимся дома или в офисе, цифровая связь со средней скоростью 144 кбит/с становится столь же доступной, как и сегодня услуги обычной телефонной связи. Развертывание ЦСИО началось во многих странах и во многих районах США.

Основная особенность ЦСИО состоит в том, что это – широкодоступная сквозная сеть связи удален­ных абонентов, обеспечивающая основные связные возможности для широкого спектра потребностей абонентов. Оконечная аппаратура ЦСИО будет объ­единять функции многих устройств, включая телефон, персональный компьютер, графическую станцию, те­левизор и другие еще не созданные устройства и бу­дет обеспечивать передачу данных, а также коммутацию для сквозной передачи. ЦСИО сделает передачу данных столь же простой вещью, как звонок по теле­фону. Эта связь во многих случаях исключит необхо­димость в отдельной сети передачи данных, а для ре­ализации выбранной функции потребуется лишь на­бор сквозных протоколов для обеспечения надежности и безопасности. С другой стороны, вклю­чение в современный стандарт ЦСИО (64 кбит/с) функций высококачественной видеопередачи и инте­рактивной передачи изображений с высокой степенью разрешения может оказаться более сложной задачей. Действительно, цифровое ТВ требует скорость пере­дачи порядка 50 – 100 Мбит/с, что намного превосхо­дит возможности ЦСИО.

Рентгеновский снимок высокого разрешения, пре­образованный в цифровую форму, может содержать до 50 Мбит информации; следовательно, время пере­дачи такого снимка со скоростью 64 кбит/с составит 13 мин. Однако для видеопередачи при низкой ско­рости перемещения деталей изображения можно сжать сигнал до уровня, достаточного для возмож­ности передачи его с помощью ЦСИО. Данные усло­вия удовлетворяются для таких приложений, как ви­деотелефонная связь и видеотелеконференции; при этом абоненты должны воздерживаться от резких движений, ибо это будет приводить к смазанной картине.

Последнее замечание насчет узкополосных ЦСИО. Хотя пользователь видит интеграцию видов обслужи­вания, внутри сети оба метода коммутации будут оставаться в первое время изолированными и осу­ществляться раздельно. Существующие коммутаторы каналов по-прежнему будут обеспечивать сквозной 64кбит/с канал независимо от того, что передается – речь или данные; к этому добавятся независимые коммутаторы пакетов, которые обеспечат услуги пакетной коммутации в D-каналах. Итак, если не говорить о D-канале, который предназначен, в основном, для контроля и служебных целей, единственное, что предлагает пользователям узкополосная ЦСИО, – это 64-кбит/с сквозной канал для передачи данных. Это уже означает отход от установленного принципа, со­гласно которому для передачи данных лучше всего подходит коммутация пакетов. Главная причина, по которой такое положение вещей приемлемо, – это изобилие 64кбит/с каналов для передачи данных в те­лефонной сети с коммутируемыми каналами, которое обеспечивается путем сдвига используемого диапазона в область более высоких частот за счет возможностей цифровых коммутаторов, что делает такие сквозные каналы сравнительно дешевыми и удобными. Однако, как ожидается, следующий шаг в эволюции узкопо­лосных ЦСИО будет сделан в направлении объедине­ния обоих методов коммутации в одном коммутаци­онном оборудовании, и следовательно, в достижении желаемой интеграции.

Другое направление разработок, о котором стоит упомянуть, – это обеспечение интегрированных услуг при передаче речи в пакетной форме. Развитию данного направления способствовало несколько фак­торов. Во-первых, потребность доказать, что сети с пакетной коммутацией (ЛС или ГС) могут быть испо­льзованы для передачи речи в дополнение к функциям передачи данных, для которых они разрабатывались. Во-вторых, преобразование речи в цифровую форму не всегда реализуется при постоянной скорости пере­дачи. Более изощренные методы кодирования (такие, как линейное кодирование с предсказанием) могут, приводить к более низким скоростям передачи (напри­мер 16 кбит/с), благодаря устранению избыточности или подавлению пауз между фразами; в результате та­кого сжатия речевой трафик приобретает группирую­щийся характер, и пакетная коммутация становится адекватным методом коммутации. Такой подход был успешно использован в частных телефонных сетях, в которых распределенные учрежденческие телефонные станции связаны через арендованные линии типа Т1. Это не только обеспечивало выгоду от снижения по­требной скорости передачи для каждого речевого ка­нала, но и позволило более эффективно использовать линии типа Т1 благодаря динамической маршрутиза­ции пакетов.

Интересно отметить, что в случае двух описанных направлений привычное существенное различие двух видов информации (речь и данные) и степени адекват­ности методов коммутации для каждого из них оказа­лись в известной мере сглаженными.
С. Широкополосные ЦСИО и быстрая коммутация пакетов
Постоянное желание обеспечить большую ширину полосы передачи, чем это возможно с применением радио- или проводных средств, привело к развитию оптических средств связи. Практически это стало воз­можным благодаря двум фундаментальным достиже­ниям: лазерам и волоконным световодам. Лазер обес­печивает когерентный источник света, который мож­но включать и выключать с достаточно большой скоростью, что позволяет использовать огромный ча­стотный ресурс, имеющийся в оптическом диапазоне, спектра. Волоконный световод создает необходимую среду для передачи светового сигнала на большие расстояния с малым затуханием. Совмещение лазерной технологии и одномодовых волоконнооптических ка­белей позволят передавать данные при много боль­шем значении произведения скорости передачи на рас­стояние, чем при использовании традиционных сред. Например, при использовании одномодовых волоко-нооптических кабелей с одномодовыми лазерами бы­ла достигнута скорость передачи 4 Гбит/с на расстояние 100 км без промежуточных переприемов. При ис­пользовании так называемых перестраиваемых лазеров и частотного уплотнения каналов с тем же волокном достижима гораздо большая скорость пе­редачи.

Высокая пропускная способность волоконноопти­ческих систем вызвала к жизни много прикладных на­правлений, требующих много большей полосы переда­чи, чем имеющаяся в существующих сетях. Неко­торые из этих направлений связаны с компьютерами (например, связь между удаленными суперкомпьюте­рами, совместно выполняющими задачу, скажем, по моделированию полета), другие связаны с передачей высококачественных видеосигналов (например, в раз­влекательных или обучающих системах). Чтобы полу­чить представление о скоростях передачи, которые здесь требуются, вспомним, что преобразование стан­дартного, с полосой 6 МГц, видеосигнала в цифровую форму приводит к скорости передачи порядка 600 Мбит/с — 1 Гбит/с. Новое телевидение высокой четкости (ТВЧ), для которого в аналоговой форме требуется полоса 27 МГц, при переходе к цифровой форме при­водит к скоростям передачи данных в пределах от 600 Мбит/с до 1 Гбит/с. При использовании методов сжатия эти скорости могут быть снижены до 50Мбит/с и 150Мбит/с для современного стандарта и ТВЧ, соответственно. Большее сжатие, если оно и возможно, существенно снижало бы качество, особен­но при передаче изображений быстро движущихся объектов. Следовательно указанные скорости оказываются минимальными для таких целей, как развлечения и обучение. Даже передача неподвиж­ных изображений требует во многих случаях ширины полосы того же порядка, что и у видеосигналов. Вспомним, что преобразованный в цифровую форму рентгеновский снимок высокого разрешения, испо­льзуемый в медицине, содержит от 50 до 100 Мбит информации. Если врачу требуется извлечь из базы данных несколько снимков в интерактивном режиме для изучения их на графическом дисплее высокого разрешения или передать их коллеге для постановки диагноза во время пятиминутки, то время задержки при передаче не должно превосходить одной секунды, что требует скорости сквозной передачи порядка 100 Мбит/с.

Хотя волоконнооптическая технология обеспечива­ет требуемую ширину полосы частот для передачи создание сети, которая может обеспечивать обслужи­вание абонентов на таких скоростях, остается серьез­ной проблемой. «Узким местом» здесь оказывается коммутатор. Поскольку подобные высокоскоростные сети разрабатываются с тем, чтобы поддерживать все виды обслуживания (речь, данные, видео, изобра­жения) интегрированным образом, наиболее подходя­щим методом коммутации оказывается коммутация пакетов. Она обеспечивает желаемую гибкость, позво­ляющую справиться с широким разнообразием скоростей передачи и требований по задержке, которые вы­текают из объединения видов обслуживания. В обла­сти электросвязи пакетная коммутация известна как режим асинхронной передачи, или РАЛ (в отличие от коммутации каналов, имеющего также режим син­хронной передачи, или ГСП). МККТТ в настоящее время предпринимает усилия по определению и стан­дартизации РАП. В настоящее время в РАП опре­делены пакеты фиксированной длины, включающие по 48 байт данных и порядка 5 байт контрольной ин­формации. Определены также многие значения ско­рости передачи по линии причем номинальные скорос­ти равны 150 Мбит/с (требуемые для цифрового ТВЧ) и 600 Мбит/с.

Итак, главная проблема состоит в разработке ком­мутатора пакетов, способного обеспечивать скорость коммутации от 100000 до 1000000 пакетов в секунду на одну линию связи. Первые коммутаторы такого типа реализуются путем использования электронной технологии сверхбольших интегральных схем. Экспе­риментальные прототипы строятся из модулей, каж­дый из которых обеспечивает коммутацию 32х32 ка­налов при скорости 150 Мбит/с. При установленной для РАС длине пакета эти модули имеют скорость коммутации порядка 12 млн. пакетов в секунду. Раз­рабатываются также коммутаторы, способные обес­печить еще большие скорости передачи (например, 1 Гбит/с на одну входную линию).
О. Краткое содержание статьи
Ниже описываются различные варианты архитектуры для высокоскоростных коммутаторов пакетов. Рассматриваются лишь те коммутаторы, которые предполагается реализовать на электронной базе. Об­суждение архитектуры фотонных коммутаторов вы­ходит за рамки данной работы. В разд. II делается ?????? определений и кратко описывается уникальные возможности быстродействующих пакетных коммутаторов. Определяются три типа коммутаторов пакетов: с коллективной памятью, с коллективной средой и с пространственным разделением. После­дующие три раздела посвящены этим трем типам коммутаторов; при этом приводится описание каждо­го типа и примеры.

II. ОПРЕДЕЛЕНИЯ. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ
Коммутатор пакетов – это устройство, имеющее N входов и N выходов, которое направляет поступаю­щие по его входам пакеты на требуемые выходы. Для простоты изложения предположим сначала, что все каналы обладают одинаковой пропускной способнос­тью, все пакеты имеют одинаковую длину и моменты поступления пакетов по разным каналам синхронизи­рованы. Иными словами, мы принимаем, что вре­менная ось разбита на сегменты, длительность кото­рых равна времени передачи пакета по каналу связи, так что коммутатор работает в синхронном режиме. Примем также, что каждый поступающий пакет пред­назначен для единственного, выходного порта, однако корреляция направления дальнейшего следования между поступающими пакетами отсутствует, так что сразу несколько пакетов из числа поступавших на вход коммутатора в некотором временном сегменте может предназначаться для последующей передачи через один и тот же выходной порт. Мы будет назы­вать такое событие выходным конфликтом. Из-за возможности возникновения выходных конфликтов в коммутаторе должна быть предусмотрена возмож­ность буферизации пакетов. Итак, коммутатор паке­тов – это устройство, осуществляющее две функции: маршрутизацию (или, что то же самое, коммутацию) и буферизацию.

Идеальным является коммутатор, который в со­стоянии без потерь и с минимально возможной за­держкой направлять все поступающие пакеты по тре­буемым выходным каналам, сохраняя при этом поря­док, в котором пакеты поступили на вход. Соответственно, идеальный коммутатор должен об­ладать свойством сохранения действия (если в каком-либо временном сегменте t в коммутатор поступает хотя бы один пакет, который должен быть направлен через выходной порт j, то через этот порт должен пе­редаваться такой же пакет). Коммутатор должен рас­полагать достаточной емкостью буферов, чтобы из-за ее недостатка не происходило потерь пакетов. (Заме­тим, что для коммутатора с сохранением действия в отсутствие выходных конфликтов буферизация в сущ­ности не нужна).

В то время как функциональные требования к вы­сокоскоростным коммутаторам пакетов достаточно просты и по существу те же, что у коммутаторов, традиционно используемых в компьютерных сетях, главная сложность задачи состоит в том, чтобы разработать коммутатор, удовлетворяющий требованиям по скорости коммутации. В последние годы появилось несколько вариантов архитектуры ?????????????? коллективной памятью, с коллективной средой и с пространственным разделением. Каждой из этих ка­тегорий присущи специфические черты и особенности, которые будут рассмотрены ниже. Однако во всех трех случаях технические ограничения лимитируют размер коммутатора и канальную скорость, так что построения больших коммутаторов используется многоступенчатая конфигурация из большого числа со­единенных между собой модулей, что обеспечивает многообразие различных возможных соединений от к выходу. На рис. 7а показано, например, как 64 (32х32) коммутационных модулей можно построить коммутатор 1024х1024. При этом за счет двухступенчатой организации модулей обеспечивается единственное соединение каждой пары вход/выход. Использование трехступенчатого соединения 96 модулей, обеспечивает уже 32 возможных внутренних соединения для каждой пары вход/выход (рис. 7b). Число таких соединений может быть увеличено до 64 при использовании в средней ступени 64 модулей вместо как показано на рис. 7с. Поскольку все эти конструкции можно применить в коммутаторе любого главное внимание в остальной части статьи будет сосредоточено на выбранном варианте архитектуры коммутационных модулей.






Рис. 7. Построение больших коммутаторов путем многоступенчатого соединения модулей

Важным фактором, влияющим на характеристики коммутатора пакетов, является модель входного трафика. Модель трафика определяется 1) процессом, ко­торый описывает поступление пакетов на входы ком­мутатора, и 2) распределением выходных портов, требуемых для дальнейшей передачи поступающих пакетов. Простейшая модель трафика, представляю­щая интерес, предполагает описание процесса поступ­ления пакетов по входным каналам в виде независи­мых испытаний Бернулли с параметром Р, а требуе­мый для передачи порт для каждого поступающего пакета выбирается независимо и с равной вероятнос­тью из всего множества портов. Такая модель назы­вается независимой однородной моделью трафика. Могут использоваться и другие модели, отражающие зависимость моментов поступления пакетов и требуемых для передачи портов. Например, пакеты могут поступать по входному каналу в виде групп случайной длины, причем все пакеты в группе предназначены для передачи через один и тот же выходной порт. В таком случае модель трафика задается путем указа­ния распределения длины групп, промежутков между последовательными группами и выходного порта, требуемого для каждой группы. Такая модель может быть названа моделью группирующегося трафика. Еще один пример модели трафика можно найти в приложениях, в которых пакеты генерируются с по­стоянными интервалами.

Помимо основной операции коммутации, от ком­мутатора иногда может потребоваться выполнение еще двух функций. Первая – это многоадресная пере­дача. В зависимости от обслуживаемой прикладной задачи может оказаться необходимым передать обра­зованный в некотором узле сети пакет более чем од­ному получателю. Это можно осуществить, сформи­ровав в узле-отправителе требуемое число копий паке­та, каждая из которых предназначена определенному получателю, а затем передавая эти пакеты независи­мо друг от друга. Альтернативный способ многоа­дресной передачи состоит в использовании коммута­торов, обладающих возможностью передавать пакет сразу через несколько выходных портов, в соответст­вии с предназначенной для этой цели информацией, что обеспечивает доставки многим адресатам един­ственного пакета, сформированного в узле-отправителе. Данный режим работы снижает загру­женность сети, правда за счет усложнения конструк­ции коммутаторов. Вторая функция, которая может требоваться от коммутатора, – это возможность при­оритетного обслуживания. Она сводится к возмож­ности различать поступающие пакеты согласно ин­формации о приоритете, которая в них заложена, и ????????????? при обслуживании пакетов с более высоким приоритетом. Возможность многоадресной передачи и приоритетного обслуживания в разных вариантах архитектуры коммутаторов дости­гается разными путями. Ниже, где это будет удобнее, мы рассмотрим, как реализуются данные функции.
Ш. ВЫСОКОСКОРОСТНЫЕ КОММУТАТОРЫ ПАКЕТОВ

С КОЛЛЕКТИВНОЙ ПАМЯТЬЮ
А. Базовое описание
Высокоскоростные коммутаторы пакетов с кол­лективной памятью можно считать «наиболее естест­венным» типом коммутаторов из-за большого сход­ства их принципов построения с традиционными ком­мутаторами пакетов, используемыми в обычных территориальных компьютерных сетях, и синхронны­ми коммутаторами с разделением времени, основан­ными на механизме обмена с временным сегментиро­ванием, используемыми в сетях с коммутацией кана­лов. Коммутатор состоит из единой двухпортовой памяти, совместно используемой всеми входными и выходными каналами. Все поступающие на вход ком­мутатора пакеты мультиплексируются в один поток, который поступает в общую память для хранения. В памяти пакеты организуются в раздельные очереди на выход, по одной на каждый выходной канал. Одно­временно путем поочередного извлечения пакетов из выходных очередей формируется выходной поток, ко­торый затем демультиплексируется и пакеты переда­ются по выходным каналам.

В рассматриваемом варианте архитектуры до­лжны быть удовлетворены два основных конструк­тивных требования. Во-первых, время, необходимое процессору для того, чтобы определить, в какую оче­редь поставить поступивший пакет и выработать со­ответствующие управляющие сигналы, должно быть достаточно мало, чтобы процессор успевал справ­ляться с потоком поступающих пакетов. Следова­тельно, в системе должен быть предусмотрен цент­ральный контроллер, способный в течение каждого временного сегмента обрабатывать последовательно N входных пакетов и выбрать N пакетов для дальнейшей передачи. Второе, самое важное требование относится к коллективной памяти. Откладывая ана­лиз размера памяти до следующего подраздела, рас­смотрим здесь требования к времени доступа в па­мять и скорости записи/считывания. Ясно что .ско­рость записи/считывания должна быть достаточно велика, чтобы можно было обслуживать одновремен­но весь входной и выходной трафик. Если число по­ртов равно М, а скорость обмена через порт равна V, то скорость записи/считывания должна составлять 2NV (например, для 32-канального коммутатора с ка­нальной скоростью порядка 150 Мбит/с скорость за­писи/считывания должна составлять по крайней мере 9.6 Гбит/с). При заданных ограничениях на время до­ступа к памяти требуемая скорость записи/ считывания может быть достигнута путем параллель­ной организации памяти (называемой также разряд­ной организацией). С другой стороны, если длина па­кета ограничена, и существует максимальное число банков памяти, которые могут параллельно использо­ваться, то это обстоятельство приводит к тому, что основным лимитирующим фактором становится время доступа ??????????????????? временного сегмента доступ к памяти должен осу­ществляться N раз для постановки пакетов в очередь и N раз для извлечения пакетов из очереди. Таким об­разом, размер коммутирующего модуля (число кана­лов и канальные скорости) определяется скоростью доступа к памяти и быстродействием процессора. По­лучить приемлемый размер коммутаторов при задан­ной канальной скорости передачи можно только при использовании при их разработке больших интеграль­ных схем (БИС), так что задача проектирования со­стоит в идентификации и построении различных БИС. Более того, при необходимом высоком быстродейст­вии схем важно ограничить число требуемых микро­схем (в том числе и микросхем памяти), с тем чтобы вопросы их компоновки не вызывали больших осложнений.
В. Требования к объему памяти
В силу ограниченности объема памяти и независи­мого характера адресации поступающих пакетов неко­торые пакеты могут быть не восприняты коммутато­ром и потеряны. Следует определить объем памяти так, чтобы скорость потерь пакетов не превышала определенной максимальной величины. Требуемый объем памяти является функцией не только размера коммутатора N. Предложенной нагрузки р и модели трафика, но и способа коллективного использования памяти разными выходными очередями. В качестве иллюстрации этой зависимости рассмотрим случай однородной модели трафика и исследуем при этом все возможности. В первом случае память разбивается на N различных секций, каждая из которых предназначена для отдельной очереди (полное разбиение памяти). Пакет, который должен быть отправлен через j-й выход, будет утрачен, если секция выделенная для j-й выходной очереди, заполнена. Вторая возможность – это полностью совместное использование памяти, при котором все очереди могут формироваться в любой области памяти, и пакет будет потерян, лишь если заполнена вся память.

На рис. 8 показана вероятность потери пакета для случая полного разбиения памяти как функция числа буферов пакетов b, выделенных каждой выходной очереди. Рис. 8а соответствует случаю предложенной нагрузки р=0.8, а рис. 8b-p=0.9. заметим, что при заданном b вероятность потерь увеличивается с ростом N, ибо при этом для каждой очереди возрастает дисперсия входного процесса. Заметим также, что предельный результат для N=? является хорошей аппроксимацией при N>32. На рис. 9 показана зависимость предельной вероятности потерь от b для различных значений b. При 80%-ной нагрузке, чтобы обеспечить вероятность потерь пакетов 10-6, необходимо для каждого выходного порта предусмотреть буфер объемом 28 пакетов. При 90%-ной нагрузке для этого потребуется буфера объемом 60 пакетов.




Рис. 8. Вероятность потери пакета из-за переполнения выходного буфера объема b при полном разбиении памяти для разных значений N и предложенной нагрузки. (а) р=0.8 (b) р=0.9

Рис.9. Вероятность потери пакета из-за переполнения выходного буфера объема b при полном разбиении памяти для N=? и разных значений р
При полностью совместном использовании памяти характеристики, связанные со скоростью потерь пакетов, резко улучшаются, так что общий требуемый объем памяти оказывается существенно меньше. На рис. 10 показано изменение скорости потерь пакетов для разных значений и предложенной нагрузки р=0.8 и 0.9. Заметим, что скорость потерь с увеличением N уменьшается, что в силу возрастающей при этом степени коллективного использования памяти. При N> 32 и р> 0.9 может быть гарантирована вероят­ность потерь пакетов <10-6, если объем буферов со­ставляет 10N пакетов. Разумеется, при больших N и меньших р может потребоваться меньше, чем 10 бу­феров на одну очередь.



Объем буфера, b (пакеты) Объем буфера, b (лапты)

(а) (Ь)

Рис. 10. Вероятность потери пакета при полностью совместном использовании памяти как функция объема буфера b, приходящегося на один выходной канал для разных значений N и предложенной нагрузки, (а) р = 0.8 (b) р = 0.9.
На рис. 11 проводятся сравне­ние скорости потерь для случаев полного разбиения и полностью совместного использования памяти для различных N и заданной нагрузке р = 0.85. Сокращение объема памяти при переходе от раздельного к совместному использованию становится все более значительным с увеличением N.




Объем буфера, b (пакеты)

Рис. 11. Сравнение вероятностей потери пакета при полном разбиения памяти и полностью совмест­ном ее использования для входной нагрузи р = 0.85.
На рис. 12 показано отношение требуемого объема памяти при раздельном и совместном использовании в функции N для нагрузки 0.9 к вероятности потерь 10-6.

Существенное влияние на характеристики потерь пакетов в коммутаторе оказывает наличие группирующейся нагрузки в модели трафика. Для иллюстрации рассмотрим пример модели группирующегося ????????????????????? промежутки между ними распределены по геометрическому закону. Обозначим нагрузку на коммутатор р (средняя скорость поступления пакетов) и среднюю длину пачки Lв. Для заданной нагрузки р, величина Lв однозначно определяет среднюю величину промежутка между последовательными пачками. Объем буфера на одну выходную очередь для случая полного разбиения памяти, позволяющий достичь заданную скорость потерь, оказывается большим, чем в случае однородной модели, причем потребный объем буфера возрастает с увеличением длины пачек. На рис. 13 показана полученная моделированием требуемая объема буфера в зависимости от Lв при р=0.9 и разных значениях вероятности потерь. Приведенные на графике результаты соответствуют случаю смешанного трафика, состоящего наполовину из группирующегося и негруппирующегося трафика. При вероятности потерь 10-4 и длине пачек, равной 8 пакетам, требуется объем буферного пространства порядка 400 пакетов на каждую очередь.


Рис. 12. отношение объемов буферной памяти при полностью совместном и полном разделении требуемых для обеспечения вероятности потери пакета ниже 10-9 для предложенной нагрузки р=0.9
Хотя полностью совместное использование памяти, которое ведет к минимизация объема памяти, может быть менее подвержено влиянию переполнений, вызванных группирующимся характером трафика, некоторые ­проблемы по-прежнему остаются в силе и требуют принятия соответствующих мер. В частности при группирующемся трафике возможно возникновение ситуаций, когда небольшое число выходных очередей внезапно увеличивается до очень большого, что из-за монопольного использования совместной памяти временно затрудняет формирование других выходных очередей. Подобные переходные эффекты в приведенных выше результатах не учитывались, хотя они могут оказать серьезное негативное влияние на характеристики коммутатора. Правильная стратегия распределения памяти должна лежать где-то между двумя крайними случаями, рассмотренными выше. Можно, например, осуществлять совмещение памяти с ????????????? объем буфера, выделяемого для каждой очереди.


Рис. 13. Требуемый объем буферной памяти, приходящейся на один выходной канал при полном разделении памяти как функция сред­ней длины группы для смешанного однородного и группирующего­ся трафим.
С. Примеры
1) Prelude [11]. Примером коммутатора с разбие­нием памяти является коммутатор Ргешс1е, разрабо­танный во Франции в Национальном центре исследо­ваний в области связи (CNET) [11]. Отличительная особенность данной разработки состоит в способе мультиплексирования пакетов в коллективную память и демультиплексирования из нее. Чтобы лучше по­нять этот аспект, важно заметить, что принципы, на которых основана разработка коммутатора Prelude, унаследованы от синхронного механизма коммутации с разделением времени (СРВ), используемого в сетях с коммутацией каналов. Поэтому перед описанием коммутатора Prelude полезно кратко рассмотреть только что упомянутый механизм.

Метод коммутации СРВ относится к ситуации, когда большое число каналов с одинаковой скоростью передачи мультиплексируются в одну линию переда­чи. Это имеет, место, когда в телефонной сети имеет­ся линия типа T1, вмещающая 24 речевых канала со скоростью 64 кбит/с каждый. Данные, относящиеся к одному каналу, передаются по линии в виде малых сегментов одинакового размера, а сегменты, относя­щиеся к разным каналам, перемежаются по периодическому закону. Другими словами, сегменты группи­руются в кадры одинаковой длины (т. е. состоящие из одинакового числа сегментов), причем сегменты, занимающие в кадрах одинаковые позиции, образуют один канал. Заметим, что в телефонной сети каждый сегмент—это 8-битный цифровой отсчет речевого сигнала.





  1. Фрагментация и преобразование в параллельный формат

  2. Синхронизация и согласование фаз

  3. Супериультиплексирование

  4. Демультиплексирование и преобразование в последовательный формат


Рис. 14. Общая структура коммутатора Prelude [11].
Напомним, что при коммутации каналов перед началом передачи информации от источника к получателю устанавливается сквозное соединение. В коммута­торе установление соединения состоит в осуществле­нии однозначного соответствия между временными сегментами входной ?????????????? передача информации, коммутатору остается только произвести обмен содержимого этих временных сегмен­тов (отсюда и название – перестановка временных сегментов). В результате создается двунаправленный канал, и с этого момента нет необходимости включе­ния в сегменты служебной информации.

Коммутатор, реализующий перестановку временн­ых сегментов, состоит из мультиплексора, памяти, демультиплексора и контроллера. Кадры, поступаю­щие по всем входным линиям, вначале выстраивают­ся по порядку. Затем они синхронно мультиплексиру­ются в единый суперкадр, начиная с сегментов, зани­мавших первые позиции во всех поступавших кадрах, затем идут сегменты с номером 2 и т. д. Таким обра­зом, каждый сегмент, поступивший по какой-либо ли­нии, сохраняет свою «индивидуальность» в силу свое­го положения в суперкадре. Если имеется N входных линий и К сегментов в каждом кадре, то суперкадр содержит NК сегментов. Эти сегменты последова­тельно записываются в NК ячеек общей памяти. Запи­си NК ячеек используются для всех суперкадров. Од­новременно данные из памяти считываются в выход­ной суперкадр. Однако считывание данных производится не последовательно, а в порядке, опре­деляемом контроллером в соответствии с установлен­ными соединениями, т. е. для каждого сегмента выходного суперкадра указывается отдельный адрес для считывания.

Prelude – это асинхронная версия описанного выше механизма. Здесь сегменты соответствуют пакетам определенной фиксированной длины (а именно, 16 байт: один байт для заголовка и 15 байт – данные по­льзователя). Выходной порт для некоторого пакета определяется по содержимому его заголовка. Использования коммутатора Prelude (как и всех коммутаторов с асинхронным режимом передачи) предполагает установление в сети виртуальных соединений. Соответственно это влечет за собой существование ??????????????? пакетов по каждому виртуальному каналу, в течение которой контроллер коммутатора должен обновить свою информационную базу, с тем чтобы ввести ин­формацию, относящуюся к вновь создаваемому вир­туальному каналу. Таким образом, заголовок пакета содержит лишь номер виртуального канала. Этот но­мер, наряду с номером входной линии, по которой поступил пакет, используется контроллером для определения выходного канала связи, по которому следует передать пакет дальше, и нового номера виртуального канала, который закладывается в заголовок паке­та. Итак, в отличие от коммутатора СВР, в данном случае контроллер должен обрабатывать заголовок каждого пакета. Соответственно, важно синхронным образом передавать заголовки в контроллер для обра­ботки. Остальные 15 байт каждого пакета не требуют изучения и направляются непосредственно в память, где ожидают дальнейшей отправки.

Для решения перечисленных задач число N при разработке коммутатора Prelude было принято рав­ным числу байт в одном пакете. Соответственно скорость, с которой заголовки должны поступать в контроллер, равна скорости поступления байтов по одной входной линии. При таком выборе N имеется возможность мультиплексировать все заголовки на входную линию, например первую, и подключить к контроллеру для обработки заголовков только ее. Именно так и сделано в конструкции коммутатора Prelude. После преобразования из последовательного формата ????????????????? входным линиям проходят этап синхронизации и согласования фаз (рис. 14). После этого пакеты считываются таким образом, что оказываются сдвинутыми во времени на один байт при переходе от одной входной линии к другой (рис. 15). В силу указанного выше выбора N аналогичная картина гарантируется для всех пачек по N пакетов, поступающих вплотную друг за другом. Эти сдвинутые по диагонали пакеты затем подаются на вращательный селектор с пространственным разделением, который в циклическом порядке реализует 16 различных коммутационных матриц (на рис. 16 показан случай N=4). Этот вращательный цикл синхронизован с поступающими пакетами таким образом, чтобы заголовок каждого пакета оказался на первом выходе коммутатора, а последующие 15 байт каждого пакета последовательно коммутировались на остальные 15 выходов, с тем чтобы каждый последующий байт сдвинулся во времени на один байт по отношению к предыдущему. Помимо возможности извлечения заголовков из всех пакетов для передачи их в контроллер для обработки, данная форма «супермультиплексирования» имеет еще одно важное достоинство. Пакеты теперь представлены в параллельном коде на всех N линиях. Считая, что память организована в виде банков, каждый из которых подключен к одной линии, пакеты можно записать в память в параллельном коде без дополнительной обработки.

Рис. 15. Диагональное выравнивание пакетов в коммутаторе Prelude






Рис. 16. Параллельно-диагональное супермультиплексирование пакетов с использованием вращательного коммутатора с пространственным разделением в Prelude
Контроллер обрабатывает заголовки, определяя выходной канал для передачи пакета и новое содержимое заголовка. (Заметим, что благодаря синхронному характеру супермультиплексированию по отношению к местной шкале времени контроллер может опреде­лить номер входной линии, по которой поступил за­головок). После окончания обработки заголовка в пустую ячейку первого банка памяти записывается новый заголовок, а последующие байты этого же пакета оказываются размещенными в других банках «по диагонали», так что для каждого следующего байта содержимое адресного регистра должно увеличиваться на 1 (рис. 17). Адрес заголовка пакета затем помеща­ется в очередь соответствующего выходного канала (рис. 18).


Рис. 17. Запись пакетов в параллельные банки памяти в коммутаторе Prelude



Рис. 18. Управление коммутацией и выходные очереди в коммутаторе Prelude

Считывание пакетов для передачи по выходным каналам осуществляется подобным же образом. На каждом такте контроллер представляет адрес извлекаемого пакета. Точнее, из контроллера поступает адрес ячейки в первом банке памяти, в которой записан искомый заголовок, остаток пакета легко восстанавливается из других банков (рис. 19). Адрес пакета извлекается из одной из выходных очередей, где записаны указатели пакетов. Восстановленный таким образом пакет поступает на ?????????????? аналогично используемому на входе и преобразует пакеты для последовательной передачи по выходным каналам. Важно, чтобы поступающие адреса извлекаемых из памяти заголовков согласовались с состоянием вращательного селектора в цикле, что гарантирует правильную коммутацию пакетов.




Местная шкала времени

Рис. 19. Извлечение заголовков из памяти в коммутаторе Prelude
Как отмечалось выше, характеристики коммутатора Prelude определяются способом распределения памяти между выходными очередями. В описании Prelude указываются выходные контрольные очереди фиксированной длины по 16 слов и память, включающая в свой состав в общей сложности 256 пакетов. Это, очевидно, означает полностью раздельное использование памяти. Из представленных выше результатов следует, что для обеспечения достаточно низких вероятностей потерь пакетов при сравнительно большой нагрузке выходные контрольные очереди должны быть намного длиннее, а общий объем памяти – намного больше. (Вспомним, например, что для обеспечения вероятности потерь 10-6 при нагрузке 0.9 при возможности потерь 10-10 при нагрузке 0.85 максимальная длина очереди должна составлять 64, в этом случае объем памяти должен быть в N раз больше, т.е. составлять 16х16 = 1024 ячейки). Заметим, однако, что, поскольку все входные и выходные кана­лы имеют доступ к коллективной памяти, не составляет труда расширить данный проект с тем, чтобы достичь большей степени коллективного использования памяти, вплоть до полностью совместного ее использования. Наконец, следует сказать, что здесь ничего не предусмотрено для реализации многоадресной передачи и приоритетного обслуживания

2) коммутатор HITACHI с коллективным буфером памяти. Другим примером разработки высокоскоростного коммутатора пакетов, в который использован подход, основанный на идее коллективной памяти, служит архитектура, предложенная недавно HITACHI (рис. 20).

Рис. 20. Базовая архитектура коммутатора с коллективной памятью Hitachi
В данном случае вся память совместно используется ??????????? организованными в форме связанных списков. Как показано на рисунке 20, помимо входных/выходных БИС, осуществляющих преобразование последовательного формата в параллельный и наоборот, а также БИС преобразования заголовка (ПЗ), которые обрабатывают номер виртуального канала в каждом пакете, в коммутаторе используются три типа кристаллов: БИС коммутаторов (КМ), БИС, выполняющие контрольные функции (КОНТР) и БИС буферов адресов используемых областей памяти (БА НОП). Микросхемы КМ содержат память, мультиплексор (М), демультиплексор (ДМ). Микросхемы КОНТР содержат N регистров адресов записи (РАЗ) и N регистров адресов чтения (РАЧ), по одной паре на каждый связанный список. При каждом поступлении пакета на вход после преобразования заголовка (при котором определяется, в какой связанный список следует поместить пакет) опрашивается соответствующий РАЗ для получения адреса свободной области памяти, в которую следует записать данный пакет. Одновременно идентифицируется микросхемами БА НОП и выдается адрес нового свободного буфера памяти. В результате РАЗ, как и соответствующие указатели, изменяют свое значение. Подобным же образом для каждого временного сегмента в каждом связанном списке с помощью РАЧ идентифицируется один пакет, который извлекается из памяти и передается по выходному каналу. При этом одновременно корректируются указатели и содержимое БА НОП. Чтобы удовлетворить требованиям по быстродействию, используется разрядная организация памяти с большим числом идентичных микросхем КМ, соединенных параллельно (рис. 21).







Рис. 21. Разрядная организация памяти в коммутаторе Hitachi

??????????????????? и приоритетного обслуживания. Для реализации приоритетного обслуживания в рассматриваемом случае полностью совместного использования памяти достаточно организовать хранение пакетов, предназначенных для передачи через некоторый выходной порт, в виде нескольких связанных списков, по одному для каждого уровня приоритета. Контрольная секция коммутатора при этом будет содержать равное числу уровней приоритета количество идентичных БИС, каждая из которых содержит РАЗ и РАЧ для соответствующего уровня. Декодер уровня приоритета будет выбирать требуемую контрольную БИС ?????????????? аналогичным образом будут извлекаться из очередей в соответствии со своим уровнем приоритета, начиная с самого высокого.

Функция многоадресной передачи также «в принципе» легко реализуема. После установления виртуального соединения в коммутаторе хранится информация о многоадресной маршрутизации пакетов, передаваемых по данному виртуальному каналу, которая затем используется для записи требуемого числа копий одного и того же пакета в соответствующие выходные очереди. Поскольку такая задача требует проведения нескольких операций записи в общую память, в зависимости от входного трафика по другим входным линиям пакет может быть занесен в специальный буфер внутри коммутатора и храниться там до тех пор, пока не будут записаны, в память все его копии. Таким образом, коммутатор необходимо модифицировать, включив в него широковещательный буфер для хранения пакетов, подлежащих многоадресной передаче, таблицы широковещательных маршрутов, содержащий номера выходных каналов для каждого многоадресного пакета, и схемы управления, необходимой для решения соответствующей задачи.



Рис. 22. Базовая структура архитектуры с коллективной шиной
IV. ВЫСОКОСКОРОСТНЫЕ КОММУТАТОРЫ С КОЛЛЕКТИВНОЙ СРЕДОЙ
В коммутаторах с коллективной средой все пакеты, поступающие по входным каналам, синхронно мультиплексируются в общую среду с высокой скоростью передачи, роль которой обычно играет параллельная шина с полосой, в N раз большей, чем скорость пере­дачи по одному входному каналу (рис. 22). Каждый выходной канал подсоединен к шине через интерфейс, состоящий из адресного фильтра и выходного буфера, организованного по принципу «первым пришел – первым вышел» (FIFO). Такой интерфейс в состоянии принять все пакеты, передаваемые по шине. В зависи­мости от номера виртуального канала, по которому передается пакет (или в зависимости от выходного адреса пакета), адресный фильтр в каждом интерфей­се определяет, следует ли записывать наблюдаемый на шине пакет в буфер FIFO. Итак, подобно коммута­торам с коллективной памятью, коммутаторы с кол­лективной средой основаны на мультиплексировании всех поступающих пакетов в один поток и последую­щем демультиплексировании общего потока на от­дельные потоки, по одному на каждый выходной ка­нал. Все пакеты приходят по единому пути— широковещательной шине с временным разделением, а демультиплексирование осуществляется адресными фильтрами в выходных интерфейсах. (Данный подход в принципе напоминает вариант архитектуры, испо­льзуемый в коммутаторах каналов и основанный на шине с временным уплотнением с той разницей, что в данном случае для определения направления переда­чи каждый пакет должен обрабатываться «на ходу», а не использованием информации, сформированной ранее на этапе установки соединения в канальном коммутаторе, и кроме того ???????? выходной интерфейс должен быть в состоянии принимать пакеты со средней скоростью N пакетов за сегмент.) Отличие этого типа коммутаторов от коммутаторов с коллек­тивной памятью состоит в том, что в данном типе архитектуры осуществляется полностью раздельное использование памяти выходными очередями, так что последние могут быть организованы по принципу FIFO. Примером реализации такой архитектуры служит коммутатор Atom, предложенный и разрабаты­ваемый фирмой NEC. Ниже приводится описание работы, рассмотрение вопросов реализации и функциональных возможностей коммутатора Atom.

Как и в случае архитектуры с коллективной памятью, важнейший вопрос при реализации архитекту­ры с коллективной шиной состоит в том, как обеспе­чить высокую скорость передачи данных шины в бу­феров памяти, которые должны работать со средней скоростью (N+1)V, где V—скорость обмена через порт. Решение данной проблемы также очень напоми­нает решение, использованное для архитектуры с кол­лективной памятью. При заданных ограничениях на скорость доступа к памяти и размеры БИС (число ло­гических элементов и число выводов) реализация ком­мутационного модуля, очевидно, должна быть осно­вана на параллельной организации, что позволит уменьшить требуемые скорость доступа и размер микросхем.

Рис. 23. Разрядная организация коммутатора Atom с коллективной шиной.
При условии, что выходные очереди разделены, можно реализовать параллельную структуру, соответствующую количеству выходных портов (см. рис. 23). Такая организация позволяет преодолеть ограни­чение на размер микросхем (особенно по числу выво­дов), поскольку при этом на каждом кристалле до­лжен быть расположен лишь один буфер. Однако по­добная организация не позволяет преодолеть ограничения на скорость доступа к памяти и требует наличия высокоскоростной шины в каждой БИС, по­скольку каждый выходной порт должен анализиро­вать все пакеты, поступающие в коммутатор. Аль­тернативное решение состоит в использовании раз­рядной организации памяти (рис. 23), что решает обе проблемы. Поступающие последовательные потоки бит преобразуются в Р параллельных потоков, каж­дый из которых поступает в одну из Р параллельных БИС. В каждой микросхеме N битовых потоков, каж­дый из которых имеет скорость V/Р, опять преобра­зуется в параллельный Q-разрядный код. Выбор вида технологии, используемого при реализации, определя­ет величину Р и Q (а также N), исходя из присущих ему ограничений. Поскольку распределение данных по выходным очередям должно осуществляться идентич­ным образом во всех Р БИС, вместо дублирования функции фильтрации адресов выходных очередей и распределения информации, содержащейся в заголов­ке каждого поступающего пакета для всех БИС, более целесообразной оказывается разработка единого (централизованного) контроллера, обрабатывающего заголовки всех поступающих пакетов и указывающе­го,. в какой выходной буфер следует помещать дан­ные. Это осуществляется путем извлечения заголов­ков поступающих пакетов и направления их в контроллер. Заголовки, в свою очередь, мультиплексируются в общую широковещательную шину, к которой подключены все адресные фильтры (по одному на выходной порт). Последние определя­ют, какие пакеты должны быть записаны в относящиеся к ним буферы FIFO, и направляют соответ­ствующие управляющие сигналы записи в БИСы. (Отметим сходство данного способа организации и способа, показанного на рис. 21 для архитектуры с коллективной памятью.)

Как говорилось в разделе II, для построения коммутаторов, размер которых превышает размер одного модуля, используется многоступенчатая организация модулей. Именно такое решение предлагается для коммутатора Atom (рис. 24). При этом предлага­ется каждый входной канал подключать через интер­фейс (ВхИ). В процессе установления виртуального со­единения ВхИ выбирает физический маршрут внутри коммутатора, по которому должны следовать все со­ответствующие пакеты. Затем ВхИ анализирует заго­ловок каждого поступающего пакета и, исходя из но­мера виртуального канала, указывает в начале пакета физический маршрут следования пакета. Именно эта информация используется соответствующими модуля­ми для правильной коммутации. То, что все пакеты, следующие по некоторому виртуальному каналу, проходят внутри коммутатора по одному и тому же маршруту, гарантирует сохранение последовательнос­ти поступающих пакетов.

Рис. 24. Многоступенчатая конфигурация коммутатора Atom
Для поддержки функции многоадресной адресации адресные контроллеры в модулях должны быть мо­дифицированы следующим образом. Во время уста­новления многоадресного виртуального соединения ВхИ получают указания, на какие из выходных по­ртов должны коммутироваться соответствующие пакеты. Затем ВхИ выбирают составные маршруты следования пакетов и сообщают каждому модулю, за­действованному в сети маршрутов, номер многоа­дресного канала и список выходных портов модуля, в которые должны направляться копии пакетов. Кон­троллер содержит контрольную таблицу многоадрес­ных соединений, в которую он записывает список вы­ходных портов для каждого номера широковещатель­ного канала в виде битовой карты. В дальнейшем все пакеты, принадлежащие многоадресному виртуальному соединению, снабжаются в ВхИ соответствующим номером широковещательного канала (вместо после­довательности выходных портов, используемой при двухпунктовой маршрутизации). Контроллеры модулей способны отличать двухпунктовые входные пакеты от многоадресной благодаря наличию индикатора.. В случае двухпунктовых пакетов адресные филь­тры используют поля физических адресов, как описано выше. В случае многоадресных пакетов адресные фильтры выходных линий модуля управля­ются записями в контрольной таблице многоадрес­ных соединений, доступ в которую осуществляется в соответствии с номером широковещательного канала (рис. 25).


Рис. 25. Управляющая структура коммутатора А при работе в многоадресном режиме
Кроме того, для каждого выходного канала ком­мутатора Atom существует свой интерфейс (ВыхИ). Назначение ВыхИ состоит в том, чтобы каждую вы­ходящую копию пакета, принадлежащего многоадрес­ному виртуальному соединению, снабдить своим но­мером виртуального канала. Необходимость введения ВихИ вытекает из того, что эти номера для разных копий могут быть различными. Эти номера поступа­ют в ВыхИ на этапе установления соединения и поме­чаются номером многоадресного канала. Для двухто­чечных каналов, когда на выходе появляется един­ственная копия входного пакета, новый номер виртуального канала может быть помещен вместо старого после получения пакета в ВхИ и необходи­мость в ВыхИ отпадает.

Хотелось бы отметить простоту, с которой функ­ция многоадресной адресации может быть реализована в архитектуре с коллективной шиной. Широкове­щательность шины и тот факт, что выходные буферы являются независимым областями памяти, подключенными к шине, обеспечивает легкость, с которой любому набору буферов можно дать команду на од­новременную запись данного пакета. Это свойство резко контрастирует с архитектурой, основанной на коллективной памяти, где для формирования копии в требуемых ????????? нескольких операций записи, причем последние должны быть проведены так, чтобы не вызвать кон­фликта с другим входным трафиком. Поскольку входной трафик обычно непредсказуем, выполнение такой задачи может приводить к случайным задержкам.

Приоритетное обслуживание при коллективной шине обеспечивается, как и в случае коллективной па­мяти, путем разделения выходных очередей для каж­дого канала на несколько приоритетных классов. Поле приоритета каждого пакета обрабатывается адресным контроллером, который обеспечивает адресные фильтры информацией, необходимой для записи пакета в конкретную очередь. Другим примером коммутатора с коллективной средой является автоматическая интегрированная пакетная система маршрутизации Paris. В данном случае к общей коллективной шине подключены отдельные адаптеры входных и выходных каналов (рис. 22). Таким образом, первое отличие коммутаторов и Paris состоит в том, что во втором случае параллельная структура имеется как на выходе, так и на входе. Другое отличие сводится тому, что в коммутаторе Paris предусматривается возможность обработки пакетов переменной длины (от 250 до 8000 бит), в то время как Atom ориентирован на обработку асинхронных пакетов фиксированной длины. Соответственно, метод управления шиной, принятой в Paris, выбран так, чтобы разрешать захват шины входными адаптерами, в то время как в коммутаторе Atom используется метод временного разделения. Наличие случайной задержки, связанной с временем доступа входного адаптера к шине Paris, де­лает необходимой дополнительную буферизацию во входных адаптерах, чего не требуется в коммутаторе Atom. Анализ требуемых объемов буферов для ком­мутатора Paris показал, что при управлении шиной по принципу исчерпывающего ци­клического опроса достаточен небольшой объем буфе­ров (порядка 4 пакетов максимальных длины), чтобы избежать потери пакетов во входных адаптерах. Это позволяет считать коммутатор Paris, по существу, от­носящимся к типу коммутаторов с выходными буфе­рами. (Подробное описание реализации адаптеров коммутатора Paris до настоящего временя не опубли­ковано.)

Из приведенного описания ясно, что архитектура с коллективной шиной приводит к независимым выход­ным очередям в отсутствие совместного использова­ния памяти. Размер каждого FIFO-буфера, требуемый для обеспечения заданных характеристик потерь паке­тов, определяется результатами, представленными в предыдущем разделе для архитектуры с полностью раздельным использованием памяти (см. подразд. III.В).
V. ВЫСОКОСКОРОСТНЫЕ КОММУТАТОРЫ ПАКЕТОВ С ПРОСТРАНСТВЕННЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ
В противоположность вариантам архитектуры с коллективной памятью и шиной, в случае которых входной трафик всех входных каналов мультиплекси­руется в единый поток с полосой, в N раз превышаю­щей полосу одного канала, в коммутаторе с про­странственным разделением от входов к выходам одновременно устанавливается несколько соединений, скорость передачи по каждому из которых равны скорости передачи по одному каналу. В результате ни один компонент памяти, входящий в коммутацион­ную структуру, не должен работать со скоростью, превышающей 2V, т. е. канальную скорость. Другая характерная особенность состоит в том, что управле­ние коммутатором не обязательно должно быть цент­рализованным, а может быть распределено по комму­тационной структуре.

Однако данному типу архитектуры присущи свои собственные трудности. В зависимости от конкретно­го вида используемой внутренней структуры и имею­щихся коммутационных ресурсов может оказаться не­возможным одновременно установить все требуемые соединения. Эта особенность, обычно называемая внутренней блокировкой, ограничивает пропускную способность коммутатора и представляет централь­ную проблему при рассмотрении коммутаторов с про­странственным разделением.

С данным вопросом связан вопрос о буферизации. В отличие от коммутаторов с коллективной памятью или шиной, в структурах, характеризующихся воз­можностью внутренних блокировок, выходная буфе­ризации пакетов невозможна. С другой стороны, бу­феры могут быть размещены в местах, где в принци­пе возможны конфликты соединений, – ближе к входу. Наконец, буферы могут быть помещены на входе коммутатора. Как мы увидим в последующем, размещение буферов оказывает большое влияние как на характеристики коммутатора с пространственным разделением, так и на вопросы реализации.

Существует много видов коммутаторов с пространственным разделением, структура которых может быть разбита на три категории: 1) матричная, 2) баньяновидная, 3) структура с N2 разделенными соединениями. Для лучшего понимания дальнейшего изложения полезно рассмотреть следующую простую абстрактную модель пакетного коммутатора и схематично описать различные коммутационные структуры, рассматриваемые ниже. Это позволить, сравнивать данные структуры с единых позиций.

Согласно модели, на каждом входе i-го коммутатора имеется разветвитель (т.е. демультиплексор), который направляет соответствующие пакеты в N разных буферов, пронумерованных от (i,1) до (i,N), по одному буферу на каждый выходной порт. Примем также, что каждая выходная линия j ???????? концентратору (мультиплексору), который соединяет все буферы (i,j), i = 1,2,…,n с выходной линией j. Таким образом, данная модель коммутатора содержит N разветвлений, N концентраторов и n2 буферов (рис. 26). Разные варианты предлагаемых коммутационных структур отличаются способом реализации расветвителей и концентраторов, а также местоположением буферов.

Рис. 26. Абстрактная модель коммутатора с пространственным разделением
А. Матричные (перекрестные) коммутационные структуры
1) Базовое описание. Первый электронных комму­татор с пространственным разделением, известный под названием координатного коммутатора, первона­чально применялся при коммутации каналов. В основе схемы координатного (матричного) коммутатора ле­жит квадратный массив из N2 ключей (реле), по одно­му на каждую пару вход — выход (рис. 27). Замыкание ключа, находящегося в точке пересечения (i,j), обра­зует физическое соединение входного канала i и вы­ходного канала j. Другими словами, когда вход i и выход i свободны, соединение между ними можно ??????????? (i,j)-го ключа. Нетрудно видеть, что наличие N2 ключей в составе ко­ординатного коммутатора позволяет соединить одно­временно N пар входных/выходных каналов при усло­вии, что эти пары разделены


  1   2   3   4


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации