Архитектуры аппаратного коммутатора для сетей банкоматов

В сетях ATM информация сегментируется на ячейки фиксированной длины, и ячейки передаются по сети асинхронно. Чтобы соответствовать скорости передачи сетевых каналов и минимизировать накладные расходы на обработку протокола, ATM выполняет коммутацию ячеек в фабриках аппаратной коммутации, в отличие от традиционных сетей с коммутацией пакетов, где коммутация в основном выполняется программно.

Для коммутаторов ATM было предложено и реализовано большое количество конструкций (14). Хотя существует множество различий, архитектуры коммутаторов ATM можно в целом разделить на две категории: архитектуры с асинхронным временным разделением (ATD) и архитектуры с пространственным разделением.

Асинхронные переключатели с временным разделением. Архитектура ATD или одиночный путь обеспечивает единый мультиплексированный путь через коммутатор ATM для всех ячеек. Обычно используется шина или кольцо.

На рисунке 9 показана базовая структура коммутатора ATM, предложенного в (15). На рис. 6 четыре входных порта подключены к четырем выходным портам шиной мультиплексирования с временным разделением (TDM).

Рисунок 9. Асинхронный переключатель с временным разделением 4 x 4

Каждому входному порту выделяется фиксированный временной интервал на шине TDM, и шина предназначена для работы со скоростью, равной сумме скоростей входящих битов на всех входных портах. Размеры слотов TDM фиксированы и равны по длине времени, необходимому для передачи одной ячейки ATM. Таким образом, в течение одного цикла TDM четыре входных порта могут передавать четыре ячейки ATM на четыре выходных порта.

В коммутаторах ATD максимальная пропускная способность определяется одним мультиплексированным каналом. Коммутаторы с N входными портами и N выходными портами должны работать со скоростью в N раз быстрее, чем каналы передачи.

Таким образом, общая пропускная способность коммутаторов ATD ATM ограничена текущими возможностями логической технологии устройства. Коммерческими примерами коммутаторов ATD являются коммутатор Fore Systems ASX и VNswitch компании Digital.

Переключатели пространственного деления. Чтобы устранить ограничение на один путь и увеличить общую пропускную способность, коммутаторы ATM с пространственным разделением реализуют несколько путей через коммутационную фабрику.

Большинство коммутаторов с пространственным разделением основаны на многоступенчатых межсетевых сетях, в которых небольшие коммутационные элементы (обычно 2 x 2 перекрестных коммутатора) организованы в каскады и обеспечивают несколько путей через коммутационную структуру.

Вместо того, чтобы мультиплексироваться по одному маршруту, ячейки ATM коммутируются в пространстве через структуру. Далее описаны три типичных типа пространственных переключателей.

Баньяновые переключатели. Переключатели Banyan являются примерами переключателей пространственного разделения. Переключатель Баньяна размера N x N создается путем объединения ряда двоичных переключающих элементов в несколько этапов (log2N этапов). На рис. 10 изображен самомаршрутизирующийся коммутатор Banyan 8 x 8 (14).

Рисунок 10. Переключатель Banyan 8 x 8 с двоичными переключающими элементами

Коммутационная фабрика состоит из двенадцати переключающих элементов 2 x 2, собранных в три каскада. Из любого из восьми входных портов можно получить доступ ко всем восьми выходным портам.

Одной из желательных характеристик коммутатора Banyan является то, что он является самомаршрутизирующимся. Поскольку каждый коммутатор точки пересечения имеет только две выходные линии, для указания правильного пути вывода требуется только один бит.

Очень просто: если желаемые выходные адреса ячейки ATM хранятся в заголовке ячейки в двоичном коде, решения о маршрутизации для ячейки могут быть приняты на каждом коммутаторе точки пересечения путем проверки соответствующего бита адреса назначения.

Хотя переключатель Banyan прост и обладает привлекательными особенностями, такими как модульность, что делает его пригодным для реализации СБИС, он также имеет некоторые недостатки. Одним из его недостатков является то, что он внутренне блокируется.

Другими словами, ячейки, предназначенные для разных выходных портов, могут конкурировать за общий канал внутри коммутатора. Это приводит к блокировке всех ячеек, которые хотят использовать эту ссылку, кроме одной. Следовательно, переключатель Banyan называется блокирующим переключателем.

На рис. 10 показаны три ячейки, поступающие на входные порты 1, 3 и 4 с адресами портов назначения 0, 1 и 5 соответственно. Ячейка, предназначенная для выходного порта 0, и ячейка, предназначенная для выходного порта 1, в конечном итоге конкурируют за связь между вторым и третьим этапами. В результате только один из них (ячейка из входного порта 1 в этом примере) фактически достигает пункта назначения (выходного порта 0), а другой блокируется.

Переключатели Бэтчера-Баньана. Другим примером переключателей пространственного деления является переключатель Бэтчера-Баньяна (14). (См. рис. 11.) Она состоит из двух многоступенчатых взаимосвязанных сетей: самомаршрутизирующейся сети Banyan и сортировочной сети Batcher.

Рисунок 11. Переключатель Бэтчера-Баньяна

В коммутаторе Бэтчера-Баньяна поступающие ячейки сначала попадают в сортировочную сеть, которая принимает ячейки и сортирует их по возрастанию в соответствии с их выходными адресами. Затем ячейки попадают в сеть Banyan, которая направляет ячейки к правильным выходным портам.

Как было показано ранее, переключатель Banyan имеет внутреннюю блокировку. Однако переключатель Banyan обладает интересной особенностью. А именно, внутренней блокировки можно избежать, если ячейки, поступающие на входные порты коммутатора Banyan, будут отсортированы в порядке возрастания по адресам назначения.

Коммутатор Батчера-Баньяна использует этот факт и использует сеть сортировки Батчера для сортировки ячеек, тем самым делая коммутатор Батчера-Баньяна внутренне неблокирующим. Коммутатор Starlite, разработанный Bellcore, основан на архитектуре Батчера-Баньяна (16).

Поперечные переключатели. Перекрестный переключатель соединяет N входов и N выходов в полностью взаимосвязанную топологию; то есть внутри переключателя (14) имеется N2 точек пересечения. (См. рис. 12.) Поскольку всегда можно установить соединение между любой произвольной парой входов и выходов, внутренняя блокировка в ригельном переключателе невозможна.

Рисунок 12. Выбивной (перекладной) переключатель

Архитектура ригельного переключателя имеет некоторые преимущества. Во-первых, он использует простой перекрестный переключатель с двумя состояниями (открытое и подключенное состояние), который легко реализовать. Во-вторых, модульность конструкции коммутатора позволяет легко расширять его.

Можно построить коммутатор большего размера, просто добавив больше перекрестных переключателей. Наконец, по сравнению с коммутаторами на базе Banyan, конструкция перекрестного коммутатора обеспечивает низкую задержку передачи, поскольку имеет наименьшее количество точек соединения между входными и выходными портами.

Однако одним из недостатков этой конструкции является тот факт, что она использует максимальное количество точек пересечения (переключателей точек пересечения), необходимых для реализации переключателя N x N.

Выключатель от AT&T Bell Labs представляет собой неблокирующий переключатель, основанный на конструкции перекладины. Он имеет N входов и N выходов и состоит из ригельного переключателя с шинным интерфейсным модулем на каждом выходе (рис. 12).

Неблокирующие буферные коммутаторы. Хотя некоторые коммутаторы, такие как Батчер-Баньян и перекрестные переключатели, являются внутренне неблокируемыми, две или более ячеек могут по-прежнему конкурировать за один и тот же выходной порт в неблокирующем коммутаторе, что приводит к отбрасыванию всех ячеек, кроме одной. Чтобы предотвратить такую ​​потерю, необходима буферизация ячеек коммутатором.

На рисунке 13 показано, что буферы могут быть размещены на входах коммутатора, на выходах коммутатора или внутри самой коммутационной матрицы в качестве общего буфера. Некоторые коммутаторы помещают буферы как во входные, так и в выходные порты коммутатора.

Рисунок 13. Неблокирующие коммутаторы с буферизацией

Первый подход к устранению конфликтов на выходе — разместить буферы на выходных портах коммутатора. В худшем случае ячейки, поступающие одновременно на все входные порты, могут быть предназначены для одного выходного порта.

Чтобы гарантировать, что в этом случае ни одна ячейка не будет потеряна, передача ячеек должна выполняться со скоростью, в N раз превышающей скорость входных каналов, и коммутатор должен иметь возможность записывать N ячеек в выходной буфер в течение одного времени передачи ячейки.

Примеры коммутаторов с выходной буферизацией включают нокаутирующий переключатель от AT&T Bell Labs, коммутаторы Siemens & Newbridge MainStreetXpress, коммутатор VIRATA от ATML и коммутатор Lattis от Bay Networks.

Второй подход к буферизации в коммутаторах ATM заключается в размещении буферов во входных портах коммутатора. Каждый вход имеет выделенный буфер, и ячейки, которые в противном случае были бы заблокированы на выходных портах коммутатора, сохраняются во входных буферах. Коммерческими примерами коммутаторов с входными и выходными буферами являются коммутаторы IBM 8285 Nways и коммутаторы Cisco Lightstream 2020.

Третий подход заключается в использовании общего буфера внутри структуры коммутатора. В коммутаторе с общим буфером буфер на входных и выходных портах отсутствует. Поступившие клетки немедленно вводятся в коммутатор. Когда происходит конфликт на выходе, победившая ячейка проходит через коммутатор, а проигравшие ячейки сохраняются для последующей передачи в общем буфере, общем для всех входных портов.

Ячейки, только что прибывшие к коммутатору, присоединяются к буферизованным ячейкам, конкурируя за доступные выходные данные. Поскольку для выбора доступно больше ячеек, возможно, что меньшее количество выходных портов будет простаивать при использовании схемы общего буфера.

Таким образом, коммутатор с общим буфером может обеспечить высокую пропускную способность. Однако одним из недостатков является то, что ячейки могут доставляться вне последовательности, поскольку ячейки, поступившие позже, могут выиграть у буферизованных ячеек во время конкуренции.

Еще одним недостатком является увеличение количества внутренних портов ввода и вывода коммутатора. Коммутатор Starlite с ловушкой от Bellcore является примером архитектуры коммутатора с общим буфером. Другие примеры коммутаторов с общим буфером включают коммутаторы Lightstream 1010 от Cisco, коммутаторы Prizma от IBM, коммутаторы Hitachi 5001 и коммутаторы ячеек ATM Lucent.