3. Комутатори з загальним середовищем.

У цих комутаторах пакети, що надходять по вхідних каналах, мультиплексуються в загальне середовище з високою швидкістю передачі. В якості такого середовища можуть виступати загальна (розділена в часі) шина або кільцева структура (рис. 3).

Рисунок 3. Базова структура комутатора з загальною шиною: АФ - адресний фільтр; Пс/Пр — перетворювач послідовний/паралельний; Пр/Пс - перетворювач паралельний/послідовний.

Якщо в якості загального середовища використовується паралельна шина, то її швидкість передачі повинна бути в N раз більше, ніж швидкість передачі по одному вході. Кожен вихідний канал приєднаний до загальної шини через інтерфейс, що містить адресний фільтр і вихідний буфер типу FIFO (один вхід – один вихід). Адресний фільтр у кожному інтерфейсному блоці визначає, чи варто записувати пакет у буфер у залежності від значень ідентифікатора віртуального шляху та віртуального каналу. Комутатори з загальним середовищем і з колективною пам’яттю здійснюють мультиплексування всіх пакетів, що надходять, в один загальний потік і надалі роблять демультиплексування загального потоку пакетів на окремі потоки пакетів по одному на кожен вихід. Демультиплексування виконується адресними фільтрами. У даній структурі спостерігається цілком роздільне використання пам’яті виходами комутатора. В якості блоку буферної пам’яті використовується пам’ять типу FIFO.

4. Комутатори з просторовим розподілом.

У комутаторах цього типу може бути встановлено кілька з’єднань від входів до виходів. При цьому швидкість передачі по кожному з’єднанню може дорівнювати швидкості передачі по одному каналу. Комутатори з просторовим розподілом можуть бути розділені на 3 групи:

• матричні;

• бан’яновидні (деревоподібні);

• с N² роздільними з’єднаннями.

Базова модель комутатора з просторовим розподілом (рис. 4) має N входів і N виходів, N розгалужувачів (демультиплексорів) по одному на кожному вході, N² буферів і N концентраторів (мультиплексорів) по одному на кожен вихід.

На кожному вході комутатора мається розгалужувач (демультиплексор), що направляє пакет у N різних буферів (по одному на кожен вихідний порт). Кожна вихідна лінія підключена до концентратора (мультиплексору, що підключає всі N буферів до вихідної лінії).

Матричні (перехресні) комунікаційні структури. Матрична комунікаційна структура містить масив з перемикачів по одному на кожну пару "вхід-вихід" (рис. 5, а). Кожен перемикач може знаходитися в наскрізному або перехресному стані (рис. 5, б). У наскрізному стані горизонтальний вхід ключа з’єднується з горизонтальним виходом, а вертикальний вхід з вертикальним виходом. У перехресному стані ключа горизонтальний вхід з’єднується з вертикальним виходом, а вертикальний вхід з горизонтальним виходом. Якщо ключ, що знаходиться до i-го рядку і j-ому стовпці, знаходиться в перехресному стані, то відбувається з’єднання i-го входу комутатора з j-им виходом.

Необхідні переключення ключів у перехресний стан можуть здійснюватися кожним пакетом, якщо в ньому міститься номер необхідного вихідного порту. При цьому не потрібно додаткової інформації щодо всіх інших пакетів, що надходять, і необхідних ним вихідних портів.

Таким чином, дана комунікаційна структура має властивість самомаршрутизації. Однак, якщо в одному часовому інтервалі на вхідні порти надходять кілька пакетів і всі вони повинні бути спрямовані до одного виходу, то тільки один пакет буде спрямований до необхідного виходу, а інші пакети можуть бути загублені або збережені, якщо вони будуть занесені в спеціальні буферні пристрої. В останньому випадку пакети будуть передаватися на необхідний вихід, але в інших часових інтервалах. Буферні пристрої можуть бути розташовані у вузлах матриці або на входах комутатора.

Рисунок 4. Базова модель комутатора з просторовим розподілом.

Рисунок 5. Комутатор матричного типу: а - комунікаційна структура; б - стану перемикачів (ключів).

Комутатори бан’яновидного (деревоподібного) типу. Розглянемо реалізацію розгалужувачів і концентраторів за допомогою елементарних (2х2) перемикачів, що можуть знаходиться в одному з двох станів : наскрізному і перехресному. розгалужувач на N=2^k виходів може бути побудований у виді двійкового дерева з k розгалуженнями за допомогою (N-1) елементарних (2х2) перемикачів. На рис. 6 зображений розгалужувач на вісьмох виходів із трьома розгалуженнями та можливе положення перемикачів (ключів).

Розгалужувач на N=2^k виходів може бути побудований у вигляді двійкового дерева з k розгалуженнями на (N-1) двійковому комунікаційному елементі. У кожному такому дереві мається єдиний шлях від кореня дерева (входу) до кожного з листів (виходів). Такий розгалужувач має властивість самомаршрутизації.

Концентратор має таку ж структуру, але як корінь виступає вихідний канал. У такому багатокаскадному комутаторі необхідне число перемикачів дорівнює 2*N²-N, тобто приблизно в 2 рази більше, ніж у комутаторі матричного типу. При цьому потрібно N² проміжних буферів і N² з’єднань між розгалужувачем і концентратором. Шляхом додавання пар вхідних каналів можна з’єднати між собою N входів і N виходів, використовуючи тільки (N/2)хlog₂N елементарних двійкових перемикачів (рис. 7).

Рисунок 6. Розгалужувач на вісьмох виходів із трьома розгалуженнями і стану перемикачів.

Рисунок 7. Багатокаскадна структура для з’єднання восьми входів з вісьма виходами.

При цьому в комутаторах подібного виду спостерігається скорочення кількості перемикачів у порівнянні з іншими схемами їхньої побудови, але мається можливість виникнення внутрішніх конфліктів (блокувань). Дане явище має місце в тих випадках, коли на перемикач надходять два пакети, що повинні бути спрямовані на один чи вихід пакети не призначені для того самого виходу. Існує велика розмаїтість багатокаскадних структур. Незалежно від конкретної реалізації всі багатокаскадні структури що мають N входів і N виходів, мають наступні властивості:

• існує єдиний шлях від вхідного каналу до вихідного;

• установлення з’єднання може бути виконано децентралізовано за допомогою процедури самомаршрутизації;

• можливо одночасне встановлення не більш N з’єднань;

• структура з’єднань є регулярною та модульною, що дозволяє будувати комутатори з великим числом входів і виходів на основі БІС.

Основними способами подолання внутрішніх блокувань і підвищення пропускної здатності є розміщення буферної пам’яті в місцях можливого виникнення блокувань. На цьому принципі будуються буферизовані структури бан’яновидного типу. Бан’яновидна комунікаційна структура Бетчера містить ряд додаткових пристроїв, за допомогою яких дозволяються внутрішні конфлікти і конфлікти на виході (рис. 8).

Рисунок 8. Бан’яновидна комунікаційна структура Бетчера.

У бан’яновидній комунікаційній структурі Бетчера пакети спочатку надходять у так називаний сортувальник, у якому вони розставляються у відповідності зі своїми адресами. При їхньому напрямку в комунікаційну мережу із самомаршрутизацією внутрішніх конфліктів не повинне бути, але можуть бути конфлікти між пакетами, якщо вони направляються на той самий вихід. Для подолання вихідних конфліктів сортувальник доповнюється спеціальним пристроєм (пасткою), що розпізнає в пакетах запит того самого порту на виході сортувальника шляхом порівняння адрес і у всіх кратних адресних запитах залишає лише перші пакети, а інші пакети через ланцюг зворотного зв’язку – рециркулятор - знову надходять на вхід сортувальника для подальшого надходження в комунікаційну мережу.

Комутатори з просторовим поділом з N² роздільними з’єднаннями. У комутаторах цього типу передбачається наявність фізичного ресурсу, що дозволяє установити N² роздільних з’єднань між входами і виходами і тим самим досягти вихідний буферизації. Класичним прикладом може служити шинно-матрична архітектура, розглянута вище. Іншим прикладом може служити так називаний нокаутний комутатор, приведений на рис. 9.

Рисунок 9. Структура нокаутного комутатора.

Тут використовуються N вхідних шин із множинним доступом, N вихідних шин із множинним доступом, N² матричних буферних запам’ятовуючих пристроїв, у кожному з яких знаходиться адресний фільтр, що відповідає вихідній лінії. У даному випадку розгалужувач для вхідної лінії містить вхідну шину і N адресних фільтрів, приєднаних до неї (на рис. 9 ці фільтри знаходяться в N вихідних інтерфейсах). Таким чином, у кожному вихідному інтерфейсі знаходиться N адресних фільтрів. Як вихідний концентратор виступає відповідна шина з множинним доступом. Кожен порт передає свої пакети на широкомовну шину, до якої підключені усі вихідні порти.

Кожен вихідний канал наданий шинним інтерфейсом, що з’єднує його з усіма вхідними шинами. Кожен такий інтерфейс містить N адресних фільтрів, що виявляють пакети, адресовані відповідним вихідним портам. При N паралельно працюючих фільтрах вихідний інтерфейс здатний прийняти N пакетів в одному часовому інтервалі. Тому вхідна смуга пропускання (сумарна швидкість) дорівнює N*V, де V - швидкість передачі по одному вході.

Виходи фільтрів приєднані до NхL-концентратору, що вибирає до L пакетів з числа прийнятих фільтрами. Якщо тому самому вихідному каналу в даному інтервалі часу (циклі) призначено більш L пакетів, то в буфер заноситься тільки L пакетів, а інші пакети губляться. Це аналогічно принципу "нокауту" в олімпійській системі (з N претендентів у наступний коло виходить тільки L претендентів).

Розробив:

доцент КІ

к.т.н., доцент Слюсар І.І.