
Телекоммуникационные системы и сети. Структура и основные функции. Том 1 / Содержание / Раздел 7. Методы распределения информации / Тема 7.3. Системы коммутации каналов
- Раздел 1. Основы построения телекоммуникационных систем
- Тема 1.1. Місце систем телекомунікацій в інформаційній інфраструктурі сучасного суспільства
- Тема 1.2. Общая архитектура и задачи телекоммуникационных систем
- Тема 1.3. Классификация сетей, клиентов, операторов и услуг связи
- Тема 1.4. Краткая характеристика существующих телекоммуникационных технологий
- Тема 1.5. Требования к современным и перспективным ТКС
- Тема 1.6. Контрольные вопросы и задания
- Раздел 2. Сети связи последующего поколения: архитектура, основные характеристики и услуги
- Тема 2.1. Определение и характеристика основных возможностей NGN
- Тема 2.2. Инфокоммуникационные услуги. Особенности услуг связи следующего поколения
- Тема 2.3. Многоуровневая архитектура и функциональный состав NGN
- Тема 2.4. Перспективы концепции NGN
- Тема 2.5. Контрольные вопросы и задания
- [→] Раздел 3. Стандартизация сетевых протоколов и телекоммуникационного оборудования
- Тема 3.1. Открытые системы и их взаимодействие
- Тема 3.2. Основные организации по стандартизации сетевых решений
- [→] Тема 3.3. Эталонная модель взаимодействия открытых систем
- 3.3.1. Многоуровневый подход и декомпозиция задачи сетевого взаимодействия
- 3.3.2. Интерфейс, протокол, стек протоколов
- 3.3.3. Общая характеристика модели OSI
- 3.3.4. Физический уровень. Функции и примеры протоколов
- 3.3.5. Канальный уровень. Функции и примеры протоколов
- 3.3.6. Сетевой уровень. Функции и примеры протоколов
- 3.3.7. Транспортный уровень. Функции и примеры протоколов
- 3.3.8. Сеансовый уровень. Функции и примеры протоколов
- 3.3.9. Представительский уровень. Функции и примеры протоколов
- 3.3.10. Прикладной уровень. Функции и примеры протоколов
- [→] 3.3.11. Деление ЭМВОС на сетенезависимые и сетезависимые уровни
- Тема 3.4. Стандартные стеки сетевых протоколов
- 3.4.1. Стек протоколов OSI
- 3.4.2. Стек протоколов TCP/IP
- 3.4.3. Стек протоколов IPX/SPX
- 3.4.4. Стек протоколов NetBIOS/SMB
- 3.4.5. Стек протоколов технологии Х.25
- 3.4.6. Стек протоколов технологии Frame Relay
- 3.4.7. Стек протоколов технологии B-ISDN и АТМ
- 3.4.8. Семейство протоколов DECnet
- 3.4.9. Сетевая модель DoD
- 3.4.10. Связь стандартов IEEE 802 с моделью OSI
- 3.4.11. Стек протоколов сетей следующего поколения
- Тема 3.5. Стандартизация сетевого оборудования
- Тема 3.6. Контрольные вопросы и задания
- Раздел 4. Линии связи
- Тема 4.1. Физические параметры среды распространения электромагнитных волн
- Тема 4.2. Общие сведения о линиях связи
- Тема 4.3. Основные свойства кабельных линий связи
- Тема 4.4. Линии связи на основе медных кабелей
- Тема 4.5. Теория волоконных световодов
- Тема 4.6. Свойства неоднородных линий
- Тема 4.7. Конструкции кабелей связи
- Тема 4.8. Электромагнитные влияния в линиях связи
- Тема 4.9. Структурированные кабельные системы
- Тема 4.10. Атмосферная лазерная связь
- Тема 4.11. Особенности радиолиний, радиорелейных и спутниковых линий связи
- 4.11.1. Общие принципы построения радиолиний связи
- 4.11.2. Распространение радиоволн в радиолиниях связи
- 4.11.3. Особенности распространения радиоволн в радиорелейных линиях связи
- 4.11.4. Особенности распространения радиоволн в спутниковых линиях связи
- 4.11.5. Особенности построения радиолиний связи
- 4.11.6. Общие характеристики построения спутниковых линий связи
- 4.11.7. Зоны видимости для систем спутниковой связи
- 4.11.8. Статистическая структура сигналов СЛС
- 4.11.9. Основные составляющие систем спутниковой связи
- 4.11.10. Методы организации спутниковой связи
- 4.11.11. Обоснование выбора параметров аппаратуры при проектировании радиорелейных линий
- 4.11.12. Выбор энергетических характеристик радиорелейных линий
- 4.11.13. Устойчивость функционирования радиорелейных линий
- Тема 4.12. Контрольные вопросы и задания
- Раздел 5. Способы формирования групповых сигналов
- Тема 5.1. Краткая характеристика способов формирования групповых сигналов
- Тема 5.2. Способы формирования аналоговых групповых сигналов
- Тема 5.3. Способы формирования цифровых групповых сигналов
- Тема 5.4. Объединение синхронных цифровых потоков
- Тема 5.5. Объединение асинхронных цифровых потоков
- Тема 5.6. Объединение низкоскоростных потоков
- Тема 5.7. Кодовое уплотнение сигналов
- Тема 5.8. Виды сигналов в системах с кодовым разделением
- Тема 5.9. Технология спектрального уплотнения
- Тема 5.10. Формирование группового сигнала с использованием IP-технологий
- Тема 5.11. Контрольные вопросы и задания
- Раздел 6. Методы доступа
- Тема 6.1. Общая характеристика методов доступа
- Тема 6.2. Методы решения конфликтов в алгоритмах доступа
- Тема 6.3. Модели и архитектура сети доступа
- Тема 6.4. Оптические технологии в сети доступа
- Тема 6.5. Методы использования физических ресурсов в сетях доступа
- Тема 6.6. Особенности использования пространственно-поляризационных параметров при радиодоступе
- Тема 6.7. Контрольные вопросы и задания
- Раздел 8. Системы синхронизации
- Тема 8.1. Виды синхронизации, их роль, место и задачи в современных цифровых системах связи
- Тема 8.2. Фазовая (частотная) синхронизация
- Тема 8.3. Тактовая (символьная) синхронизация
- Тема 8.4. Джиттер и вандер цифровых сигналов
- Тема 8.5. Цикловая (кадровая) синхронизация
- Тема 8.6. Сетевая синхронизация цифровой связи
- Тема 8.7. Контрольные вопросы и задания
- Раздел 9. Системы сигнализации
- Тема 9.1. Виды и состав сигналов
- Тема 9.2. Классификация протоколов сигнализации
- Тема 9.3. Внутрисистемная сигнализация в ЦСК
- Тема 9.4. Особенности сигнализации в стыках V.5
- Тема 9.5. Абонентская сигнализация
- Тема 9.6. Оборудование сигнализации современных ЦСК
- Тема 9.7. Специфические особенности украинских систем сигнализации
- Тема 9.8. Методология спецификации и описания систем сигнализации
- Тема 9.9. Цифровая многочастотная сигнализация R2D
- Тема 9.10. Общеканальная система сигнализации № 7
- Тема 9.11. Сигнализация DSS1
- Тема 9.12. Сигнализация в корпоративных сетях
- Тема 9.13. Сигнализация в сетях с коммутацией пакетов
- Тема 9.14. Сигнализация в сетях B-ISDN/ATM
- Тема 9.15. Сигнализация в сети ІР-телефонии
- Тема 9.16. Контрольные вопросы и задания
- Раздел 10. Технологии и протоколы управления в ТКС
- Тема 10.1. Содержание задач управления в сетях следующего поколения
- Тема 10.2. Подсистема управления услугами
- Тема 10.3. Подсистема контроля и управления сетью
- Тема 10.4. Подсистема сетевого управления на уровнях транспорта и доступа
- 10.4.1. Базовая архитектура управления на уровнях транспорта и доступа ТКС
- 10.4.2. Классификация и маркировка пакетов трафика
- 10.4.3. Управление интенсивностью трафика
- 10.4.4. Управление очередями на сетевых узлах
- 10.4.5. Маршрутизация: цели, основные задачи и протоколы
- 10.4.6. Сигнальные протоколы резервирования сетевых ресурсов
- 10.4.7. Функции управления канального уровня относительно обеспечения QoS
- 10.4.8. Уровни качества обслуживания и соответствующие им модели обслуживания
- Тема 10.5. Перспективы развития технологий сетевого управления
- Тема 10.6. Контрольные вопросы и задания
- Раздел 11. Конвергенция в телекоммуникационных системах
- Тема 11.1. Конвергенция в ТКС: история, цели и задачи
- Тема 11.2. Виды конвергенции
- Тема 11.3. Примеры решений относительно конвергенции в системах телекоммуникаций
- Тема 11.4. Качество конвергентных услуг
- Тема 11.5. Контрольные вопросы и задания
- Раздел 12. Методы обеспечения информационной безопасности объектов телекоммуникационной системы
- Тема 12.1. Основные термины и понятия в сфере информационной безопасности
- Тема 12.2. Основные подходы к обеспечению информационной безопасности
- Тема 12.3. Криптографическая защита информации
- Тема 12.4. Использование механизма электронной цифровой подписи
- Тема 12.5. Техническая защита информации
- Тема 12.6. Контрольные вопросы и задания
- Раздел 13. Электропитание телекоммуникационных систем связи
- Тема 13.1. Общие положения
- Тема 13.2. Системы электропитания предприятий электросвязи
- Тема 13.3. Типовое оборудование электроустановок предприятий электросвязи
- Тема 13.4. Дистанционное электропитание
- Тема 13.5. Источники бесперебойного питания (ИБП)
- Тема 13.6. Электромагнитная совместимость источников электропитания
- Тема 13.7. Перспективы развития электропитания ТКС
- Тема 13.8. Контрольные вопросы и задания
7.3.7. Архитектура и характеристики коммутационных систем на базе быстрой коммутации пакетов (БКП)
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 q — S, 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.