| |
Коммутация в сетях с использованием асинхронного метода переноса и доставки 
/b> Рисунок 1 - Общая структура коммутатора ATMПеречисленные блоки являются услуго-независимыми, а границы между ними иногда оказываются размытыми. Ключевую роль в работе коммутатора играет поле коммутации ячеек [9,15].2.8 ВХОДНЫЕ МОДУЛИПрежде всего входной модуль терминирует входящий сигнал (например, SDH) и выделяет поток ячеек ATM. Этот процесс включает в себя преобразование и восстановление сигнала, обработку заголовка SDH, структурирование ячеек и коррекцию скоростей их передачи. Затем с каждой ячейкой ATM выполняются следующие операции [11,8]:o проверка заголовка на наличие ошибок с помощью поля управления ошибками заголовка (Header Error Control, НЕС);o подтверждение правильности значений идентификаторов VPI/VCI и их трансляция;o определение выходного порта;o направление сигнальных ячеек в модуль САС, а ячеек ОАМ -- в модуль управления коммутатором;o реализация процедуры UPC/UNC для каждой пары соединений VPC/VCC;o дополнение внутреннего тэга, содержащего сведения о внутренней маршрутизации, и мониторинг информации, предназначенной для использования внутри коммутатора. 2.9 ВЫХОДНЫЕ МОДУЛИЭти модули подготавливают потоки ячеек ATM для физической передачи [11,8]:o обрабатывают и удаляют внутренние тэги ячеек;o при необходимости транслируют значения VPI/VC1;o генерируют поле НЕС, обеспечивая возможность последующей проверки заголовка на наличие ошибок;o при необходимости включают ячейки из модулей САС и управления коммутатором в исходящие потоки ячеек;o корректируют скорости передачи ячеек;o упаковывают ячейки в полезную нагрузку сети физического уровня (SDH) и генерируют соответствующие заголовки;o преобразуют цифровой поток бит в оптический сигнал.2.10 МОДУЛЬ САСДанный модуль устанавливает, модифицирует и разрывает соединения виртуальных путей и каналов. Он отвечает за сигнальные протоколы верхних уровней, сигнальные функции уровня адаптации ATM (ATM Adaptation Layer, AAL), необходимые для интерпретации или генерации сигнальных ячеек, за поддержание интерфейсов с сетью сигнализации, согласование с пользователями контрактов на обслуживание (Service Level Agreement, SLA) характеристик трафика при запросах на установление новых соединений VPC/VCC с другими параметрами качества сервиса (QoS) и изменений для существующих соединений VPC/VCC, за распределение ресурсов коммутатора при организации соединений VPC/VCC (включая выбор маршрутов), принятие решения (в ответ на запрос) о допустимости установления соединений VPC/VCC, а также генерацию параметров процедур UPC/NPC [13,15].Если используется централизованная реализация САС, то единственное устройство (модуль) обработки будет получать сигнальные ячейки от входных модулей, интерпретировать их и выдавать решение о возможности формирования соединения и распределении ресурсов коммутатора между всеми соединениями.Если же функции САС распределяются по блокам входных модулей, в каждом из них процедура САС использует меньшее, чем в предыдущем случае, число входных портов. Этот алгоритм гораздо сложнее в реализации, однако он снимает проблему недостаточной производительности при обработке заданий управления соединениями в больших коммутаторах путем их распараллеливания. Однако подобное распределение требует передачи значительных объемов информации между устройствами САС, относящимися к разным модулям, и координации их работы.В некоторых ATM-коммутаторах, например производства Hitachi и NEC, каждый из входных модулей имеет не только собственную процедуру САС, но и небольшое поле маршрутизации ячеек ATM. Заметим также, что часть распределенных функций САС может выполняться выходными модулями, инкапсулирующими управляющую информацию верхних уровней в исходящие сигнальные ячейки.2.11 МОДУЛЬ УПРАВЛЕНИЯ КОММУТАТОРОМЭтот модуль реализует процедуры физического уровня и уровня ОАМ. Он отвечает за управление конфигурацией компонентов коммутатора и зашитой его базы данных, снимает показатели использования ресурсов коммутатора, управляет трафиком, информационной базой текущих процедур администрирования и интерфейсом UNI, обеспечивает интерфейс с операционными системами, сетевое управление, обработку отказов и протоколирование учетной информации, относящейся к управлению. Выполнение таких функций невозможно без эффективных внутрикоммутационных связей между модулем управления и другими функциональными блоками.Централизованное управление коммутатором порой становится «узким местом», если модуль управления перегружен обработкой требований. Чтобы избежать перегрузки, функции данного модуля можно распределять среди входных модулей, которые в этом случае будут контролировать поступающие потоки ячеек данных в целях учета ресурсов и измерения характеристик функционирования коммутатора. В свою очередь, выходные модульные устройства управления способны контролировать выходящие потоки ячеек [10,11].Сложность управления коммутатором обусловлена прежде всего чрезвычайно широким спектром выполняемых им функций, которые к тому же постоянно эволюционируют. В связи с этими обстоятельствами разработка соответствующих международных рекомендаций и стандартов еще далека от своего завершения.2.12 ПОЛЕ КОММУТАЦИИ ЯЧЕЕКПоле коммутации отвечает за передачу ячеек данных (а в ряде случаев -- сигнальных и управления) между другими функциональными блоками. В его задачи входят также концентрация и мультиплексирование трафика, маршрутизация и буферизация ячеек, повышение отказоустойчивости коммутатора, многоадресная и широковещательная передача, распределение ячеек, основанное на приоритетах по задержкам, мониторинг случаев перегрузки и активизация индикатора перегрузки в прямом направлении (Explicit Forward Congestion Indication, EFCI) [8,16].2.13 КОНЦЕНТРАЦИЯ И МУЛЬТИПЛЕКСИРОВАНИЕДля наиболее эффективного использования выходящего соединения трафик должен быть сконцентрирован на входах коммутационного поля. Чтобы добиться стандартной скорости интерфейса коммутационной матрицы, устройство агрегирует, потоки с низкой переменной битовой скоростью в трафик с более высокой скоростью. Коэффициент концентрации сильно коррелирован с характеристиками входящих потоков. Концентрация потоков может применяться при динамическом распределении трафика по нескольким плоскостям маршрутизации, а также при его буферизации и дублировании в целях повышения отказоустойчивости. Мультиплексирование потоков ячеек на входах коммутатора во многом аналогично процессу концентрации [8,9].2.14 МАРШРУТИЗАЦИЯ И БУФЕРИЗАЦИЯОсновными функциями, выполняемыми полем коммутации ячеек, являются маршрутизация и буферизация. Входной модуль дополняет тэгом маршрутизации каждую из ячеек, а коммутационное поле просто направляет их со входных портов на соответствующие выходные. Поступление ячеек может быть распределено во времени посредством использования сдвиговых регистров, каждый емкостью в одну ячейку. Поскольку не исключена одновременная адресация ячеек на один и тот же выход, должна быть предусмотрена возможность их буферизации [9,3].Анализ различных схем маршрутизации и алгоритмов буферизации, применяющихся в ATM-коммутаторах, позволил сформулировать ряд важных принципов их проектирования: обеспечение распределенного управления и высокой степени параллелизма при обработке трафика, реализация функций маршрутизации на аппаратном уровне [10,8,13]. Прежде чем перейти к рассмотрению вариантов организации коммутационного поля, перечислим основные показатели, которыми они характеризуются:- производительность (отношение суммарной скорости выходящего потока к суммарной скорости входящего);- коэффициент использования (отношение средней скорости входящего потока к максимально возможной скорости выходящего);- вероятность потерь ячеек;- задержки передачи ячеек;- длины очередей;- сложность реализации.Ранее методы коммутации подразделяй на пространственные, временные и их комбинации. Предложенная в дальнейшем классификация относит такие методы к одной из следующих категорий:- с разделяемой памятью;- с общей средой;- с полносвязной топологией;- с пространственным разделением (эта категория, в свою очередь, подразделяется на коммутацию, обеспечивающую единственный и множественные пути от входного порта к выходному). Для простоты далее будем рассматривать коммутатор с N входными и N выходными портами и одинаковыми скоростями портов, равными К ячеек/с.2.15 МЕТОД РАЗДЕЛЯЕМОЙ ПАМЯТИБазовая структура коммутатора с разделяемой памятью приведена на рисунке 2 [8,9]. Входящие ячейки преобразуются из последовательного формата в параллельный и записываются в порт ОЗУ. Используя заголовки ячеек с тэгами маршрутизации, контроллер памяти решает, в каком порядке ячейки будут считываться из нее. Выходящие ячейки демультиплексируются при передаче на выходные порты и преобразуются из параллельного формата в последовательный. Рисунок 2.2 - Структура коммутатора с разделенной памятью: RA - чтение адреса; WA- запись адреса; S/P - последовательно параллельное преобразование; P/S - параллельно-последовательное преобразованиеДанный метод подразумевает организацию очередей на выходных портах, где все буферы формируют единое пространство памяти. Он привлекателен тем, что дает возможность вплотную приблизиться к теоретическому пределу производительности. Совместный доступ к буферной памяти минимизирует ее емкость, удерживая долю потерянных ячеек в заданных границах: при резком росте интенсивности трафика в направлении какого-либо выходного порта разделение памяти позволяет максимально сгладить пик нагрузки за счет использования свободной части буфера.Коммутатор Prelude, разработанный фирмой СМЕТ, был одним из первых устройств, применяющих тактированную обработку с групповой буферизацией. Другие широко известные примеры -- коммутатор с разделяемой буферной памятью компании Hitachi и устройство GCNS-2000 корпорации AT&T.Правда, этот метод не свободен от недостатков. Разделяемая память должна работать по крайней мере в N раз быстрее одиночного порта, поскольку ячейки считываются и записываются в память последовательно. Время доступа к памяти -- конечная величина, как и произведение числа портов на скорость обмена через порт (NV). Кроме того, необходимо, чтобы централизованный контроллер памяти успевал обрабатывать заголовки ячеек и тэги маршрутизации с той же скоростью, что и память. Чтобы преодолеть серьезные технические трудности, возникающие при использовании множественных классов приоритета трафика, при сложном распределении ячеек, многоадресной и широковещательной передаче, требуется высокое быстродействие памяти и контроллера [1,16].2.16 МЕТОД ОБЩЕЙ СРЕДЫЯчейки могут передаваться через общую среду -- кольцо, шину или двойную шину. Примером данного метода является шина с временным разделением (ТОМ), представленная на рисунке 3. Входящие ячейки передаются на шину циклически. На каждом выходе адресные фильтры (Address Filter, AF) в соответствии с тэгами маршрутизации считывают и пересылают свои ячейки в выходные буферные устройства. Дабы не допустить переполнения входной очереди, скорость шины должна быть равной по крайней мере NV ячейкам/с [8,9].Рисунок 2.3 - Коммутатор с общей средой на базе шины с временным разделением: AF- адресный фильтр; S/P - последовательно-параллельное преобразование; P/S - параллельно-последовательное преобразованиеМодуляция выходных каналов упрощает работу адресных фильтров, а широковещательная передача с селекцией -- функционирование всей системы. На методе общей среды основана работа нескольких коммутаторов, включая Paris и plaNet компании IBM, Atom корпорации NEC, Fore-Rurmer ASX-100 производства Fore Systems, Синхронная коммутация составных пакетов (Synchronous Composite Packet Switching, SCPS), использующая множественные кольца, -- еще один вариант коммутации с обшей средой. Следует отметить, что возможности масштабирования коммутаторов данного типа оказываются ограниченными, поскольку адресные фильтры и выходные буферы должны действовать со скоростью, в N раз превосходящей скорость передачи портов. Кроме того, выходные буферы здесь не являются общими для N портов, а значит, для сохранения прежней вероятности потерь ячеек требуется, большая суммарная емкость буферов, чем в случае применения метода с разделяемой памятью [16].2.17 МЕТОД ПОЛНОСВЯЗНОЙ ТОПОЛОГИИОтличительная особенность данного метода -- существование независимого пути для каждой из N2 возможных пар входов и выходов (рисунок 2.4). Таким образом, входящие ячейки транслируются на раздельные шины выходных каналов, а адресные фильтры пропускают эти ячейки в выходные очереди [14].Рисунок 2.4 - Коммутатор с полносвязанной топологией: AF- адресный фильтр; В - буферыПреимущества рассматриваемого типа коммутации заключаются в том, что буферизация ячеек происходит на выходных портах и (как в методе с общей средой) отсутствуют ограничения на групповую и широковещательную передачу. Реализация адресных фильтров и выходных буферов достаточно проста: нужно лишь обеспечить требуемую скорость обмена через порт. Метод полносвязной топологии допускает простое масштабирование в широких пределах и позволяет достичь высокой скорости функционирования коммутатора, поскольку все его аппаратные модули работают с одной и той же скоростью.Примерами использования описанного подхода являются устройства с матричной шиной фирмы Fujitsu и система SPANet компании GTE.К сожалению, квадратичный рост числа буферов ограничивает количество выходных портов, хотя скорость обмена через порт лимитируется только физическим быстродействием адресных фильтров и выходных буферов.Устройство The Knockout, разработанное AT&T, было первым прототипом коммутаторов, в которых число буферов уменьшалось ценой небольшого увеличения потерь ячеек. Вместо N буферов на каждом выходе использовалось меньшее фиксированное число буферов L, а общее число буферов составляло NL. Этот подход базируется на предположении, что вероятность одновременного поступления на выходной порт более L ячеек мала. Оказывается, при больших N произвольных (но однородных) параметрах трафика восьми буферов на порт достаточно для удержания доли потерь в пределах одной ячейки из миллиона [14,8].2.18 МЕТОД ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАЗДЕЛЕНИЯПростейшим примером системы с пространственным разделением является коммутатор матричного типа, обеспечивающий физическую взаимосвязь с любым из N входных и N выходных портов. Хорошо известны коммутаторы матричного типа с производительностью в сотни гигабит в секунду, в которых применяются входная и/или выходная буферизация и двунаправленный алгоритм разделения памяти. В целях сокращения числа коммутационных элементов (кроссов), которые необходимы для внутренней коммутации каналов, организации взаимосвязей между вычислительными узлами в многопроцессорных системах и, позднее, коммутации пакетов и ячеек ATM, были разработаны многокаскадные сети (Multistage Interconnection Network, MIN), представляющие собой древовидные структуры [6,12].Баньяновидные сети (свое название они получили потому, что схожи по форме с одноименным тропическим деревом), один из наиболее широко представленных типов сетей MIN, строятся путем формирования каскадов коммутационных элементов [5,6,12]. Основной коммутационный элемент 2x2 обрабатывает входящую ячейку в соответствии с управляющим битом выходного адреса. Если этот бит равен нулю, то ячейка направляется на верхний выходной порт кросса, в противном случае -- на нижний.Рисунок 2.5 - Баньяновидная сеть 8x8На рисунке 2.5 показано последовательное соединение коммутационных элементов, формирующих Баньяновидную сеть 8x8. Сеть 8x8 формируется рекурсивно, при этом первый бит применяется для транспортировки ячейки через первый каскад, а последние два бита -- для маршрутизации ячейки через сеть 4x4 на соответствующий выходной порт.Итак, в Баньяновидной сети NN n-й каскад выбирает направление передачи ячейки по n-му биту выходного адреса. При N=2n такая сеть состоит из (N/2)\log N элементарных двоичных кроссов. Сети MIN способны автоматически обновлять таблицы маршрутизации (т.е. имеют свойство самомаршрутизации), в случае если выходной адрес полностью определяет маршрут следования ячейки через сеть.Популярность Баньяновидных сетей объясняется использованием простых коммутационных элементов для обеспечения процесса коммутации; при этом ячейки передаются параллельно и все элементы действуют с одной и той же скоростью (так как нет дополнительных ограничений на размер N или скорость V). При создании больших коммутаторов указанные свойства позволяют легко реализовать модульный рекурсивный подход на уровне аппаратных средств. Коммутаторы Sunshine компании Bell-core и 1100 подразделения Alcatel Data Networks -- типичные примеры устройств, в которых применяется данный подход.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5
|
|
|
