10.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

 Какой бы архитектурный подход ни использовался при проектировании коммутаторов, практически везде необходима буферизация. Мы остановимся на трех базовых подходах, или схемах размещения буферов.

  Буферизация на выходе. Этот тип буферизации предусматривает организацию буферов при выходных портах. Обычно данная схема применяется для коммутаторов с полносвязной топологией и с разделяемой средой передачи. Для решения проблемы одновременной доставки множества пакетов в один порт, как правило, используется пул буферов, в идеале их количество для каждого выходного порта должно совпадать с числом входных портов. Отметим, что выходная буферизация не создает эффекта блокировки первым в очереди.

В пакетных коммутаторах требуются буферы для временного хранения передаваемых пакетов. Буферизация требуется, в первую очередь, для разрешения внешних и внутренних конфликтов из-за ресурсов. Пример внешнего конфликта из-за ресурсов возникает, когда два пакета должны быть переданы на один и тот же выходной порт. В этом случае обычно один пакет передается, а другой буферизируется. Внутренние конфликты возникают, когда два пакета претендуют на одно и то же внутреннее средство, например внутреннюю шину коммутатора. Средства коммутаций токов встроены либо во входные дискретные буферы, либо в дискретные выходные буферы, либо в систему внутренней буферизации (M.G. Hiuchy and M.J.Karol. "Quening in High-Performance Packet Switching", IEEE Journal on Selected Areas in Communications. Sac-6, hh.1587-1597. Dec. 1988). Для дискретных входных портов очередь связана с каждым входным портом. Поступающие пакеты направляют в низ очереди. Верхний пакет удаляется, если в коммутаторе не возникают внутренние или внешние конфликты с другими пакетами. Выходная буферизация связывает подобную очередь с каждым выходным портом. Внутренняя буферизация связывает дискретные буферы с внутренними структурами (или ступенями) коммутатора. Результаты предыдущих исследований (K. Lutz, "Considerations on ATM switching techniques," International Journal of Digital and Analog Cabled Systems, vol.1, pp. 237-243. 1988; A. Eckberg and T.Hou, "Effects of output buffer sharing on buffer requirements in an ATDM packet switch, " in Proc. of INFOCOM'88, (New Orleans, Louisina), IEEE, Mar. 1988, pp. 459-466; H.Kim and A.Leon-Garcia", A ultistage ATM switch with interstage buffers", International Journal of Digital and Analog Cabled Systems, vol. 2, pp. 289-301; Dec. 1989; H.Kim and A.Leon - Garcia, "Comparative performance study of ATM -switches", in preparation for the Proceedings of the IEEE, 1990) показывают, что совместное использование общего буфера существенно снижает вероятность потери пакета коммутатором. Ожидается, что еще больший эффект будет для разделенных потоков (трафиков).

Размеры и количество буферов, используемых в пакетном коммутаторе, могут оказать существенное влияние на их стоимость и характеристики. Большие размеры и количество буферов отрицательно сказываются на сложности и стоимости. Кроме того, большие буферы могут значительно увеличить задержку, требуемую для передачи пакета от коммутатора. Маленькие дискретные буферы могут привести к выпадению пакетов из-за переполнения. Желательно потребовать использование буферов малого размера, количество которых возрастало бы линейно с возрастанием количества входов и выходов коммутатора.

Переключатели с выходной буферизацией имеют самые лучшие характеристики с точки зрения пропускной способности и задержки прохождения пакета при однородных видах потоков. Однако их высокая аппаратурная сложность приводит к необходимости изучения структуры коммутатора с входной очередью, который имеет меньшую аппаратурную сложность (J.Hue and E.Arthurs, "A broadband packet switch for integrated transport; IEEE Journal on Selected Areas in Communications, Vol. SAC-5, pp. 1264-1273, Oct. 1987). В данном изобретении представлена архитектура коммутатора с организацией входной очереди без блокировки (пакетов) и с входной очередью совместно используемой памяти. Простая очередь совместно используемой памяти позволяет входным портам совместно использовать общий буфер, поглощая таким образом разделенные потоки без возрастания потерь пакетов. Более того, коммутатор гарантирует передачу пакетов в том порядке, в котором они были приняты, снимая проблему восстановления последовательности с конечного пользователя.

11. ATM (англ. Asynchronous Transfer Mode — асинхронный способ передачи данных) — сетевая высокопроизводительная технология коммутации и мультиплексирования, основанная на передаче данных в виде ячеек (cell) фиксированного размера (53 байта^[1]), из которых 5 байтов используется под заголовок. В отличие от синхронного способа передачи данных (STM — англ. Synchronous Transfer Mode), ATM лучше приспособлен для предоставления услуг передачи данных с сильно различающимся или изменяющимся битрейтом.

Сеть ATM строится на основе соединенных друг с другом АТМ-коммутаторов. Технология реализуется как в локальных, так и в глобальных сетях. Допускается совместная передача различных видов информации, включая видео, голос.

Ячейки данных, используемые в ATM, меньше в сравнении с элементами данных, которые используются в других технологиях. Небольшой, постоянный размер ячейки, используемый в ATM, позволяет:

• Совместно передавать данные с различными классами требований к задержкам в сети, причем по каналам как с высокой, так и с низкой пропускной способностью;

• Работать с постоянными и переменными потоками данных;

• Интегрировать на одном канале любые виды информации: данные, голос, потоковое аудио- и видеовещание, телеметрия и т.п.;

• Поддерживать соединения типа точка–точка, точка–многоточка и многоточка–многоточка.

Технология ATM предполагает межсетевое взаимодействие на трёх уровнях.

Для передачи данных от отправителя к получателю в сети ATM создаются виртуальные каналы, VC (англ. Virtual Circuit), которые бывают трёх видов:

• постоянный виртуальный канал, PVC (Permanent Virtual Circuit), который создаётся между двумя точками и существует в течение длительного времени, даже в отсутствие данных для передачи;

• коммутируемый виртуальный канал, SVC (Switched Virtual Circuit), который создаётся между двумя точками непосредственно перед передачей данных и разрывается после окончания сеанса связи.

• автоматически настраиваемый постоянный виртуальный канал, SPVC (Soft Permanent Virtual Circuit). Каналы SPVC по сути представляют собой каналы PVC, которые инициализируются по требованию в коммутаторах ATM. С точки зрения каждого участника соединения, SPVC выглядит как обычный PVC, а что касается коммутаторов ATM в инфраструктуре провайдера, то для них каналы SPVC имеют значительные отличия от PVC. Канал PVC создаётся путём статического определения конфигурации в рамках всей инфраструктуры провайдера и всегда находится в состоянии готовности. Но в канале SPVC соединение является статическим только от конечной точки (устройство DTE) до первого коммутатора ATM (устройство DCE). А на участке от устройства DCE отправителя до устройства DCE получателя в пределах инфраструктуры провайдера соединение может формироваться, разрываться и снова устанавливаться по требованию. Установленное соединение продолжает оставаться статическим до тех пор, пока нарушение работы одного из звеньев канала не вызовет прекращения функционирования этого виртуального канала в пределах инфраструктуры провайдера сети.

Для маршрутизации в пакетах используют так называемые идентификаторы пакета. Они бывают двух видов:

• VPI (англ. virtual path identifier) — идентификатор виртуального пути (номер канала)

• VCI (англ. virtual circuit identifier) — идентификатор виртуального канала (номер соединения)

Проиллюстрируем принцип работы коммутаторов ATM на примере АТМ-сети, представленной на рис. 4.27,а). Для простоты положим, что узлы А, В, ... представляют собой оконечные коммутаторы, к которым подключены соответствующие пользователи (абоненты) сети. Это означает, что между узлами А, В, ... и коммутаторами Км1, Км2 и Км3 данные передаются в виде ячеек.

Положим, что в процессе установления соединения, сформированы виртуальные соединения, показанные на рис.4.31 и построена таблица коммутации для коммутатора Км1, представленная на рис.4.32.

Как видно из таблицы, сформировано 5 виртуальных соединений (каналов) между абонентами сети: A-D, B-E, B-F, C-F иС-G. Рассмотрим процесс прохождения через KmI ячейки от абонента А, в заголовке которой в момент её поступления в порт 1 коммутатора в качестве идентификаторов виртуального пути и виртуального канала будут находиться значения VPI=10 и VCI=10l (рис. 4.31). В соответствии с записью в первой строке таблицы коммутации, поступившая на 1-й порт ячейка с VPI=10 и VCI=101 должна быть направлена в 4-й порт коммутатора, причём в заголовке ячейки идентификаторы виртуального пути и виртуального канала должны быть заменены на значения VPI=40 и VCI=103 (рис.4.33). Аналогично, ячейка, поступившая на 2-й порт с VPI=20 и VCI=104 будет направлена в 4-й порт коммутатора, причём в заголовке идентификаторы виртуального пути и виртуального канала будут заменены на значения VPI=40 и VCI=107.

12. Распараллеливание плоскостей поля маршрутизации и структуры буферов поднимает степень отказоустойчивости однако гораздо важнее повысить избыточность в пределах отдельных плоскостей. Баньяновидные сети склонны к отказам поскольку содержат единственный путь в каждой паре «вход—выход»; сети с множественными путями отличаются большей отказоустойчивостью. Для повышения избыточности следует включать в состав Баньяновидных сетей дополнительные коммутационные элементы и каскады избыточные и альтернативные соединения либо увеличивать число входных и выходных портов. Платой за это становится усложнение как схем буферизации и маршрутизации так и средств управления [8].

Для организации эффективного контроля за отказоустойчивостью коммутационной системы применяются разнообразные тестирующие

механизмы. Маршрутизация специальных ячеек через тестовые элементы и отслеживание их появления на выходах а также добавление служебной информации в заголовок ячейки позволяют обнаружить потери ячеек ошибочные пути или неоправданные задержки. При выявлении отказа трафик перераспределяется до устранения причины сбоя причем функция перераспределения может выполняться как концентраторами так и самим коммутационным полем.