7. Возникновение очередей в коммутаторах и перегрузки.

Буферизация необходима практически при любой архитектуре коммутационного поля. Например, если в баньяновидной сети две ячейки, адресованные на один и тот же выходной порт, одновременно достигают последнего каскада коммутатора, то на выходе возникает конфликт, устранить который помогает буферизация.

Рассмотрим четыре наиболее распространенных варианта размещения буферов в ATM-коммутаторе (Рис. 10). Каждый из них имеет сильные и слабые стороны, однако сегодня предпочтение отдается организации очередей на выходе коммутатора.

Рис.10. Различные методы буферизации

Организация очередей на входе. Примером такого варианта размещения может служить организация буферов на входных портах неблокирующей структуры с пространственным разделением, например баньяновидной сети Бэтчера. К его недостаткам можно отнести опасность возникновения блокировки в начале очереди. Если две одновременно поступившие ячейки направляются на один и тот же выходной порт, одна из них попадет во входной буфер и будет препятствовать прохождению следующих за ней ячеек, снижая тем самым пропускную способность коммутатора. Решением проблемы является значительное увеличение производительности коммутационного поля с пространственным разделением или замена дисциплины «пришедший первым обслуживается первым» (FIFO) на другую, скажем «пришедший первым обслуживается в случайном порядке» (FIRO).

Организация очередей на выходе. Этот тип буферизации используется в выходных портах структуры с разделяемой шиной. Он оптимален с точки зрения производительности и задержек, но требует применения дополнительных средств для организации одновременной множественной доставки ячеек на любой выходной порт. Таким образом, либо выходные буферы должны функционировать с достаточно высокой скоростью, либо на каждом выходном порте требуются несколько буферов. Оба решения ограничивают производительность и масштабируемость устройства: в первом случае — из-за необходимости существенно повысить внутреннее быстродействие коммутатора, а во втором — буферов.

Внутренняя организация очереди. Как уже говорилось, структуры с пространственным разделением допускают установку буферов внутри коммутационных элементов. Например, в баньяновидной сети такие элементы могут содержать буферы в своих входных портах. Однако такое решение чревато возникновением блокировки в начале очереди, что приводит к значительному снижению производительности, особенно в случае небольших буферов или крупных сетей. Использование внутренних буферов становится причиной нежелательных случайных задержек при прохождении ячейками структуры коммутатора.

Применение рециркуляционных буферов. Этот подход позволяет ячейкам повторно проходить по сети с пространственным разделением, когда несколько ячеек одновременно адресуются на один и тот же выходной порт, причем блокируемые ячейки направляются на входные порты сети через рециркуляционные буферы. Хотя данный вариант обладает серьезным потенциалом для достижения оптимальной производительности и уменьшения задержек при организации выходных очередей, при его практической реализации нужно учитывать следующее.

Во-первых, емкость коммутационного поля должна быть достаточной для размещения рециркулируемых ячеек. Во-вторых, необходимость сохранить исходную последовательность ячеек, проходящих через коммутатор, значительно усложняет управление коммутацией.

Индикация перегрузок. Буферное управление позволяет поддерживать обновление статистики очередей и информировать модуль управления коммутатором о возникновении перегрузок внутри коммутационного поля. Статистика очередей должна быть достаточной для эффективного контроля за работой коммутатора, определения фаз нарастания и снижения перегрузок, а также их характера (пульсирующего или сглаженного во времени). Необходимо проверять несколько полей внутреннего тэга маршрутизации, включая отметки времени и служебную информацию.

Средства буферного управления предоставляют модулю управления коммутатором данные о его функционировании, перегрузках и отброшенных ячейках, а кроме того, сведения, необходимые для учета ресурсов. При обнаружении перегрузки этот модуль способен заставить средства буферного управления скорректировать стратегию распределения или отбрасывания ячеек. Если используется индикатор перегрузки в прямом направлении (EFCI), будет изменено поле типа нагрузки (payload type field) в заголовке ячейки ATM. Для лучшего управления перегрузками могут применяться точные оценки статистических параметров трафика и состояния буферов. Хорошо известными коммутаторами, обеспечивающими управление перегрузками при помощи индикатора EFCI, являются представители семейства ForeRunner компании FORE Systems.

Как показывает анализ алгоритмов буферизации ячеек, буферное управление является сложным процессом, прежде всего — в связи с постоянным изменением требований к уровню QoS и слабой предсказуемостью возникновения перегрузок. Эффективная реализация средств управления, как и ряда других ключевых компонентов ATM-коммутаторов, представляет собой крайне сложную задачу.