Телекомунікаційні системи та мережі. Том 1. Структура й основні функції.  /  Зміст  /  Розділ 7. Методи розподілу інформації   /  Тема 7.3. Системи комутації каналів

Зміст:

7.3.7. Архітектура й характеристики комутаційних систем на базі швидкої комутації пакетів (ШКП)

Структура системи комутації ШКП

Відповідно до концепції ШКП, розробленої дослідницькою групою Bell. Lab, великомасштабні системи ШКП мають модульну структуру типу, наведену на рис. 7.3.12.

Рис. 7.3.12. Архітектура системи швидкої комутації пакетів

До складу комутатора входить набір ідентичних комутаційних модулів (КМОД) — зв’язкові комутаційні модулі (ЗКМ) і внутрішні комутаційні модулі (БКМ). Перший тип модулів забезпечує всі зовнішні з’єднання вузла комутації, а другий — їх взаємодію через внутрішні з’єднання. Сполучний блок (СБ) являє собою багатокаскадну комутаційну схему із просторовим поділом, що відрізняється від звичайного координатного комутатора меншою складністю внутрішньої структури. Зі зростанням розмірності СБ його складність зростає за законом, що ненабагато відрізняється від лінійного, тоді як у випадку координатного з’єднувача складність системи зростає за квадратом. Процесор-супервізор (ПС) забезпечує загальні функції керування й експлуатації.

Основним елементом системи, наведеної на рис. 7.3.12, є КМОД. Його базові функції — установлення з’єднань і обробка пакетів. Кожний КМОД діє незалежно від інших. Інтерфейс між КМОД усередині самої системи будується за таким самим принципом, як і інтерфейси між системами. Структурну схему КМОД показано на рис. 7.3.13. Процесор пакетів (ПП) реалізує функції протоколів канального рівня, включаючи визначення напрямку передачі кожного пакета. Комутаційна матриця (КМ) є центральним вузлом комутаційного модуля. КМ може встановлювати як 2-точкові, так і багатоточкові з’єднання. У першому випадку КМ визначає шлях для одного пакета, у другому — розмножує пакети й визначає шлях передачі для кожного з них.

Рис. 7.3.13. Структура комутаційного модуля

Процесор з’єднань (ПрЗ) забезпечує керування встановленням з’єднань, як двоточкових, так і багатоточкових. Для цього він обмінюється службовими повідомленнями із КМОД і управляє діями КМОД і КМ шляхом запису інформації у свої внутрішні контрольні таблиці станів. ПРС також виконує різні адміністративні й експлуатаційні функції.

Кожний пакет, прийнятий з каналу зв’язку, містить номер логічного каналу, що ідентифікує з’єднання, до якого належить логічний канал. Окрім номера каналу є також байт, що захищає номер каналу від помилок. При прийманні пакетів у ПП до основного заголовка може бути додано трохи додаткових байтів, включаючи маршрутне поле, необхідне для вибору шляху через КМ. При двоточковому з’єднанні маршрутне поле містить номер вихідної лінії й новий номер логічного каналу. У режимі багатоадресної передачі додається спеціальне поле, в якому зазначається кількість копій, напрямки їхньої доставки тощо.

КМ складається в загальному випадку із трьох компонентів — схеми розмноження (СР) і одержання копій пакетів (для віщального режиму), розподільної мережі (PМ) і з’єднувальної мережі (ЗМ). Пакети для двоточкових з’єднань проходять через СР без змін, у віщальному режимі пакет розмножується у вигляді копій. Блоки PМ і ЗМ використовують маршрутну інформацію для встановлення з’єднання між вхідними й вихідними ПП. Блок СМ фізично забезпечує встановлення з’єднань, тоді як PC розподіляє повідомлення на вході ЗМ шляхом певного сортування для того, щоб уникнути перевантаження й конфліктів у ЗМ. Кожна з названих мереж (СР, PC і ЗМ), відповідно до концепції ШКП, розробленої Bell. Lab, являє собою буферовану багатокаскадну сполучну мережу (БСМ).

При високих вимогах до показників якості функціонування систем ШКП (продуктивність кілька мільйонів пакетів/с при підключенні каналів із сумарною швидкістю передачі трохи Гбіт/с сумарна затримка порядку 1 мс) КМ повинна мати суто паралельну структуру. Крім того, керування КМ також має бути розподіленим, причому кожний комутаційний елемент КМ діє відповідно до змісту заголовка незалежно від інших комутаційних елементів (КЕ). Описана концепція передбачає використання як КМ самомаршрутизованої БСМ. Мережа такого типу містить безліч незалежних КЕ, організованих у послідовно з’єднані каскади. Кожний КЕ управляється відповідною двійковою послідовністю, що визначає номер необхідного вихідного ПП. Перший розряд номера управляє першим КЕ, другий розряд — другим КЕ тощо.

БСМ належать до класу баньянових або дельта-мереж. Як правило, дельта-мережі побудовані на координатних КЕ із двома входами й двома виходами (2 × 2) і з буферами на кожному вході. У простіших схемах буфери мають ємність на один пакет. Характеристики комутаційної системи ШКП визначаються, головним чином, структурою й характеристиками БСМ, що становить основу КМ.

Однією з основних особливостей таких БСМ є те, що сумарна продуктивність комутатора не пов’язана прямо зі швидкістю передачі по з’єднанню і збільшується із зростанням кількості входів/виходів. Зазначена особливість дозволяє побудувати комутатори з істотно вищою продуктивністю, ніж комутатори на однопроцесорному принципі, використовуючи ту саму елементну базу. Це означає, що з’єднання й відповідно комутаційні елементи можуть бути низькошвидкісними, а продуктивність комутатора з паралельною структурою буде не гіршою, ніж при використанні більш високошвидкісних елементів в однопроцесорній структурі. Таким чином, забезпечується можливість розширення типів застосовуваних елементів і зменшення проблем проектування відповідних електричних схем. Властивості й принципи побудови БСМ і вплив БСМ на характеристики комутаційної системи розглядаються нижче.

Характеристики комутаторів ШКП

У деяких країнах були розроблені комутатори на базі ШКП. Так, компанія Bell. Lab випускає комутатори комутаційного модуля, до якого підключаються 63 волоконно-оптичні лінії зі швидкістю в кожній лінії 100 Мбіт/с. Продуктивність такого модуля при завантаженні 0,8 склала близько 5 Гбіт/с. Комутаційні елементи реалізовані на базі КМОП-ВІС.

Відомі комутатори, у яких повна затримка мовленнєвого пакета в гіпотетичному міжкінцевому з’єднанні довжиною близько 6400 км при двох концентраторах і шести вузлах ШКП для завантаження 0,85 не перевищує 150 мс для 99 % пакетів. Продуктивність центру ШКП становить близько 1 Гбіт/с (106 пакетів/с). У Великобританії розроблені процесори (контролери) пакетів на тримікронних КМОП-структурах з високою щільністю компонування. Контролери вхідного/вихідного портів виконані на стандартному 8-розрядному шинному інтерфейсі. Комутаційний елемент являє собою координатний комутатор 4 × 4. У цій розробці використовувалися небуферовані КЕ. Тактова частота контролера й КЕ становить 8 МГц. Швидкість передачі на одну вхідну лінію в макеті розміром 64 × 64 (64 входи й 64 виходи) — 10 Мбіт/с. Комутатор забезпечує гарантований максимум затримки, що задовольняє вимогам при передачі мови.

При переході до 2-мікронних КМОП-схем можна одержати тактову частоту порядку 50 МГц і швидкість до 50 Мбіт/с на один вхід комутатора. При цьому сумарна продуктивність комутатора при відповідній кількості входів/виходів може досягати 150 Гбіт/с. Далі наведено оцінки продуктивності комутатора при переході на схеми, виконані на арсеніді галію (1 Гбіт/с на вхід) і на оптичні КЕ (понад 1 Гбіт/с на вхід).

В останні роки були опубліковані дані про високопродуктивні системи ШКП, що базуються на концепціях, відмінних від концепції, заснованої на використанні КМ зі структурою БСМ (табл. 7.3.1), та описані пакетні комутатори, у яких з’єднання вхідних і вихідних портів здійснюється за допомогою кільцевої локальної мережі. Кільцева мережа містить 16 кілець зі швидкістю 400 Мбіт/с у кожному кільці. Продуктивність експериментального комутатора близько 3 Гбіт/с або близько 3 млн пакетів/с при затримці пакета в комутаційній системі менше 1,5 мс. Так само, як і в системах комутації на базі БСМ, в описаному комутаторі всі комутаційні процедури реалізуються на твердій логіці. Характеристики комутатора задовольняють вимогам таких служб, як передача мови, даних і зображень.

Таблиця 7.3.1 Характеристики комутаторів ШКП на базі багатокаскадних з’єднувальних мереж

Елементна база
Швидкість передачі
Розмір КМ
Продуктивність
Гбіт/с
Млн пакетів/с
КМОП-ВІС
50 Мбіт/с
64×64
256×256
1024×1024
4096 ×4096
2,2
9,0
36,0
144,0
2,2
9,0
36,0
144,0
КМОП-ВІС
150 Мбіт/с
64×64
256×256
1024×1024
4096×4096
7,0
28,0
112,0
448,0
7,0
28,0
112,0
448,0
Арсенід галію
1 Гбіт/с
64×64
256×256
1024×1024
4096×4096
45,0
180,0
720,0
2,9·10 3
45,0
180,0
720,0
2900,0

Характеристики багатокаскадних з’єднувальних мереж — основного елемента систем ШКП

Загальні відомості. Спочатку багатокаскадні сполучні мережі (БСМ) застосовувалися при побудові націнок структур для з’єднання процесорних і буферних модулів. Разом з тим, принципи функціонування БСМ, їх властивості визначають можливість їхнього успішного застосування як комутаційних систем при побудові великомасштабних комутаторів КП для Ш-ЦМІО. Застосування БСМ у системах КП забезпечує високу продуктивність комутатора, прості протоколи керування комутацією, малі значення затримки й практично необмежену можливість нарощування з метою збільшення ємності вузла комутації.

Різні багатокаскадні мережі були запропоновані як КМ. Найпростішою за структурою є БСМ координатного типу (рис. 7.3.14). При N входах і N виходах необхідне число комутаційних елементів (КЕ) становить N2. Кожний КЕ аналізує маршрутний індекс пакета на відповідність адресі вертикального вихідного порту. Якщо маршрутний індекс пакета й адреса шини збігаються, то пакет спрямовується по вертикальній шині. Якщо маршрутний індекс і адреса не збігаються, то пакет спрямовується по горизонтальній шині. Розглянута БСМ є неблокованою і має простий алгоритм самомаршрутизації. Однак будувати більші комутатори на базі координатних БСМ не економічно, оскільки кількість КЕ може стати досить значною. Крім того, кожний пакет має пройти в середньому через N/2 КЕ, що приводить у великомасштабних комутаторах до тривалих затримок.

Рис. 7.3.14. Схема БСМ координатного типу

Відзначимо, що на ранніх етапах застосування БСМ у системах зв’язку сполучні мережі використовувалися в системах комутації каналів. Як КЕ застосовувалися небуферовані ключі й тому питання про нагромадження затримки не було. Разом з тим, проблема зменшення апаратного забезпечення БСМ залишалася відкритою. Було розроблено кілька схем телефонних комутаторів (Клоз, 1953; Бенеш, 1964). Основний результат робіт Клоза й Бенеша — створення структур з’єднувальних мереж, що використовують значно менше КЕ, ніж класична координатна схема. Мережі управлялися центральним контролером, що забезпечує замикання КЕ. Такий спосіб установлення з’єднань можна було вважати прийнятним для систем КК, оскільки в них з’єднання встановлювалися на великий часовий інтервал.

Однак алгоритми маршрутизації в мережах Клоза й Бенеша виявляються досить складними й вимагають перевірки стану всього комутатора перед тим, як маршрут має бути встановлений. Алгоритми, що самі маршрутизуються, не були розроблені для цих мереж, що й визначило неможливість їхнього використання в системах ШКП.

На відміну від багатокаскадних мереж КК, де спочатку встановлюється шлях і потім передається інформація, у БСМ на базі КП шлях установлюється для кожного пакета. Для подолання технічних труднощів (необхідність рішення завдання маршрутизації кілька мільйонів разів у секунду в комутаторах великої розмірності) були запропоновані самомаршрутизовані БСМ, у яких визначення маршруту покладається на КЕ. У самомаршрутизованої БСМ вибір шляху передачі пакета через комутаційне поле вирішується в істотно розподіленій формі, що виключає обмеження щодо продуктивності, як це має місце в системах із застосуванням центрального процесора для керування.

Основною метою застосування методу КП в описаних БСМ було отримання націнок систем з високою продуктивністю й невеликою затримкою. Розподілений контроль стає особливо важливим у таких системах, оскільки пакети невеликої довжини проходять через мережу зі швидкостями, істотно вищими, ніж у системах із центральним процесором. У БСМ на базі КП як КЕ почали використовуватися координатні з’єднувачі з пам’яттю, розмір якої багато в чому визначає показники якості системи в цілому.

До з’єднувальних мереж подібного типу належать мережі зі структурою «баньян», «Омега», «непрямий бінарний d-куб», мережа тригерного типу, дельта-мережа й ін. Відзначимо, що в літературі з комутаторів ШКП при описі таких мереж найчастіше використовується термін «баньянні мережі», перелічимо основні властивості баньянних БСМ:

  • мережа розміром N × N містить 0 (Nlog2N) КЕ, розподілених у 0 (log2N) каскадах (при використанні КЕ розміром 2 × 2);
  • керування мережею повністю розподілене;
  • мережа має модульну структуру й може бути легко нарощена;
  • число КЕ, через які проходить пакет, дорівнює 0 (log2N);
  • при використанні принципу КП БСМ забезпечують вищу продуктивність, ніж системи КК, і менші затримки, ніж системи КП;
  • у мережах забезпечується одиничність шляху.

Властивість одиничності шляху означає, що з’єднання кожної пари «вхід-вихід» є для даної структури єдиним. При використанні баньянних мереж у ШКП це означає, що окремі пакети, що належать одному повідомленню, випливатимуть по тому самому шляху. У результаті зберігається порядок проходження пакетів і дисперсія затримки для пакетів одного повідомлення буде меншою, ніж у випадку, коли кожний пакет передається через мережу незалежним маршрутом (режим дейтаграм). Зазначений спосіб передачі, у свою чергу, визначає можливість побудови простих протоколів синхронізації для таких служб, як мова й відео.

На рис. 7.3.15 подано 3-каскадний баньянний комутатор 8 × 8 (8 входів, 8 виходів), реалізований на КЕ 2 × 2. Схема КЕ координатного типу з буферами на вході й принцип вибору маршруту через КЕ наведені на рис. 7.3.16. Маршрутизація пакета через комутатор здійснюється тільки за допомогою твердої логіки. Кожний пакет має в заготовці n-розрядний номер, де n — число каскадів комутатора. У першому каскаді КЕ спрямовує пакет або до верхнього, або до нижнього виходу відповідно до першого розряду номера:

  • значення 0 відповідає передачі інформації до верхнього виходу;
  • значення 1 відповідає передачі інформації до нижнього виходу.

Рис. 7.3.15. Баньянна мережа 8 × 8

Потім перший розряд віддаляється з номера в заголовку. У наступних каскадах КЕ реалізують аналогічні маршрутні функції шляхом напрямку пакета до одному з виходів КЕ й видалення чергового біта в номері. Цей процес відбувається доти, поки пакет не доставлять на необхідну вихідну лінію.

Можна бачити, що номер у заготовці пакета є просто бінарним номером необхідної вихідної лінії в останньому каскаді.

Якщо в обох буферних накопичувачах одного КE є пакети й вони мають бути передані через ту саму вихідну лінію, то виникає конфлікт, що призводить до явища блокування. Передбачається, що у разі конфлікту один з пакетів буде обраний для подальшої передачі випадково, а другий залишиться в буфері. Однак введення буфера на один пакет не приводить до повного усунення блокувань і нормована продуктивність баньянної мережі з буферованими КЕ може істотно відрізнятися від одиниці. У баньян-мережі з КЕ розміром 2 × 2 і буфером на один пакет максимальна продуктивність в умовах рівномірно розподіленого трафіка становить приблизно 0,45.

Рис. 7.3.16. Структурна схема та принцип дії КЕ:
а — буферований координатний з’єднувач 2 × 2; б — установлення з’єднання в КЕ при різних значеннях управляючих бітів

Продуктивність КМ на базі БСМ визначається як середнє число пакетів, що пройшли через КМ за одиницю часу в перерахуванні на один вхід, а нормована продуктивність — як відношення продуктивності до максимальної продуктивності, що може бути забезпечена в КМ. Ще один показник якості КМ — затримка пакета, визначається як число тактових інтервалів між моментом надходження пакета на вхідний порт і моментом появи пакета у вихідному порту.

Методи поліпшення характеристики КМ на основі багатокаскадних мереж. Блокування або конфлікти між пакетами є одним з основних недоліків БСМ баньянного типу. Існує кілька шляхів розв’язання цієї проблеми, серед яких виділимо такі:

  • введення додаткових буферних накопичувачів у КЕ;
  • організація багатошляхових БСМ за допомогою введення паралельних з’єднань між каскадами або паралельних підмереж;
  • включення між портами й розподільної БСМ додаткової БСМ, що виконує роль сортувальної схеми;
  • введення зворотного зв’язку всередині сполучної БСМ.

Місце й розмір буферних накопичувачів є ключовими питаннями при проектуванні комутаторів ШКП. При цьому необхідно мати можливість збільшення ємності буферів (числа місць для пакетів), що призводить до зростання продуктивності комутаторів ШКП, але в той же час приводить до збільшення абсолютних значень затримки, її джитера, а також складності апаратного забезпечення.

Досліджувалися проблеми, пов’язані із введенням буферних накопичувачів у вхідні й вихідні порти. Так, комутаційні матриці (КМ) з буферуванням на вході характеризуються показниками якості, приблизно вдвічі гіршими порівняно із КМ із буферуванням на виході. Однак суто вихідне буферування вимагає приблизно на порядок більше апаратного забезпечення й внутрішніх з’єднань у КМ порівняно з варіантом вхідного буферування: якщо ємність і продуктивність зростають, то зростає й затримка. При цьому продуктивність досягає насичення при qS, тоді як затримка зростає практично лінійно зі зростанням розміру КМ. Таким чином, при збільшенні ємності буфера від чотирьох до восьми програш за затримкою відчутніший, ніж виграш за продуктивністю.

Другий метод поліпшення характеристик БСМ — введення паралельних з’єднань між каскадами й паралельних (дублювальних) підмереж. Дослідження, проведені для небуферованих дублювальних дельта-мереж і мереж з декількома паралельними лініями між каскадами у випадку КЕ розміром 2 × 2 засвідчили, що використання двох паралельних ліній між каскадами веде до істотного поліпшення продуктивності, а 4 паралельні лінії забезпечують продуктивність, близьку до граничної (КФ із координатною структурою). Використання дублювальних підмереж хоча й приводить до підвищення продуктивності, однак їхнє введення не таке ефективне, як застосування паралельних з’єднань. Аналогічні результати отримані при використанні паралельних структур у буферованих баньянних мережах. Разом з тим, необхідно відзначити, що введення паралельних структур (як з’єднань, так і підмереж) призводить до втрати однієї із властивостей баньянних мереж — одиничності шляху передачі пакетів одного повідомлення. Це може викликати порушення цілісності повідомлення при складанні й привести до зростання джитера затримки між пакетами.

Ще один шлях поліпшення якісних показників КМ на базі БСМ полягає в тому, що перед основною сполучною мережею включається додаткова БСМ, що виконує сортувальні функції. Основна мета сортувальної мережі складається в мінімізації ймовірності конфліктів. Тому число каскадів у N-входовій сортувальній мережі має бути в (log2N + 1)/2 разів більше, ніж комутаційних каскадів у баньянній сполучній мережі.

Деякі фірми пропонують використовувати розподільник рандомізаційного типу, що здійснює розподіл пакетів у наступній за ним баньянній мережі за випадковим законом, що дозволить зберегти властивість одиничності шляху (на відміну від попередніх розподільних схем) при підвищенні продуктивності КМ. Алгоритми також забезпечують цілісність повідомлення й мінімальний джитер затримки між пакетами. Вибір шляху передачі пакетів одного повідомлення здійснюється на етапі встановлення з’єднання.

Підвищення продуктивності мережі без виникнення перевантажень можливе замість додаткової сортувальної мережі за рахунок введення зворотного зв’язку (ЗЗ) усередині баньянної мережі. Ланцюг ЗЗ з’єднує прямо вихідний і вхідний каскади, що перебувають в одному рядку комутаційної матриці. Недоліками БСМ із ЗЗ є майже дворазове збільшення кількості КЕ й втрата властивості самомаршрутизації.

Таким чином, на сьогодні досліджено властивості великої кількості мереж баньянного типу (або дельта-мереж), відмітними рисами яких є:

  • простота структури;
  • можливість побудови на поширених типах ВІС;
  • спрощені протоколи керування;
  • можливість реалізації комутаційної системи цілком на твердій логіці.

Ці властивості баньянних мереж дають можливість широко їх застосовувати для побудови гнучких комутаторів ШКП із високою продуктивністю й невеликою затримкою.

Комутатори ШКП на базі БСМ мають забезпечувати всі види інтерактивних служб передачі даних, підтримувати служби передачі мови й відеоінформації. Затримка у вузлах ШКП передбачається набагато менше, ніж у вузлах звичайної КП, що робить можливою пакетну передачу мови. Із протоколів ШКП виключаються процедури корекції помилок і керування потоками, які переносяться в протоколи Point-to-Point. Таке рішення приводить до значного економічного ефекту порівняно з використанням зазначених процедур на канальному рівні. Нарешті, вузли ШКП забезпечують віщальний і багатоточковий режими передачі, тоді як вузли КП, головним чином, 2-точковий режим.