Архитектура коммутаторов ATM

Все выполняемые коммутаторами ATM функции можно свести к следующим основным:

q внутренняя коммутация ячеек;

q мультиплексирование и демультиплексирование потоков ячеек.

Процесс коммутации происходит достаточно просто: с входного порта коммутатора берется ячейка, она проводится через созданный для нее коммутационный путь и далее поступает на вычисленный выходной порт. С учетом того, что на порты коммутатора поступает множество ячеек, принадлежащих разным пользователям, важным параметром является время загрузки ячейки в коммутатор. То есть коммутатор должен быть устроен так, чтобы ни в коем случае не перепутать порядок следования ячеек в потоке и не смешать разные потоки.

Если в коммутаторе количество входных портов больше количества выходных, то потоки ячеек от нескольких портов направляются в один выходной порт с использованием механизма мультиплексирования. Если необходимо разделить поток, состоящий из ячеек с данными от разных пользователей, используется процесс демультиплексирования.

По принципам построения коммутаторы можно разделить на три типа:

q с коллективной памятью;

q с общей магистралью;

q с пространственным разделением.

Первый тип коммутаторов имеет память, общую для входных и выходных блоков. В таком коммутаторе все управляется централизованно. Для реализации различных вариантов входных очередей общая память может динамически разбиваться на сегменты.

Для второго типа коммутаторов характерно наличие общей магистрали, в которую мультиплексируются все входные потоки. Механизм управления потоком определяет по идентификаторам принадлежность каждой ячейки и демультиплексирует общий поток через так называемые адресные шины. Управление таким коммутатором также носит централизованный характер.

Коммутатор с пространственным разделением сразу устанавливает несколько соединений от входных портов к выходным. Управление таким коммутатором осуществляется по портам. Существенным недостатком коммутаторов такого типа является невозможность создания соединения при занятости всех внутренних ресурсов. Такая ситуация называется внутренней блокировкой. Основным отличием коммутаторов такого типа от первых двух является невозможность выходной буферизации данных.

В свою очередь коммутаторы с пространственным разделением делятся на:

q матричные;

q баньяновидные;

q с N² разделенными соединениями.

Матричные коммутаторы основаны на матрице, в узлах которой расположены переключатели. Переключатели могут находиться в двух состояниях: сквозном (соединяются горизонтальные и вертикальные входы и выходы) и перекрестном (горизонтальные и вертикальные входы и выходы соединяются попарно). Буферная память может располагаться в узлах коммутационной матрицы или на входе. Схема с буферизацией в узлах позволяет избежать столкновения ячеек, направленных на один выходной порт. Существует схема очередности обслуживания буферов. Размещение буферов на входе коммутатора позволяет разделить функции буферизации и коммутации.

Для уменьшения количества переключателей в узлах коммутационной матрицы были разработаны коммутаторы с баньяновидной (многокаскадной) структурой. На рис. 12.2 показан пример коммутатора с баньяновидной структурой.

Для частичного предотвращения внутренних блокировок и повышения пропускной способности в баньяновидной структуре используют буферизацию. При этом буферная память размещается на входе коммутатора. Буферная память способна разрешать конфликты, возникающие в том случае, если входные потоки задействуют практически все переключатели в коммутационной структуре. Если же длительное время задействуется некоторое небольшое число переключателей, то буферная память не способна нейтрализовать конфликт. В этом случае может произойти потеря ячеек.

Существует способ равномерного распределения трафика по всем переключателям. Для этого перед коммутационной структурой ставится специальное устройство – распределитель, который разделяет входной поток по разным входам основной коммутационной структуры. Такую схему называют- баньяновидной коммутационной структурой Бэтчера (рис. 12.3).

Коммутатор Бэтчера также состоит из переключателей. При поступлении двух ячеек на один из переключателей, он сравнивает их адреса. Ячейка с большим номером направляется по стрелке (см. рис. 12.3). Ячейка с меньшим номером – в противоположном направлении. Если поступает одна ячейка, то она передается в направлении, противоположном направлению стрелки. На выходе коммутатора Бэтчера ячейки распределяются соответствующим образом и передаются на коммутатор типа баньяна.

В качестве еще одного способа избавления от конфликтов применяют параллельные и последовательные соединения нескольких коммутационных структур. Коммутаторы с N²-paздeлeнными соединениями способны гарантированно устанавливать регламентированное число соединений. Буферная память устанавливается на выходе коммутатора. Такие коммутаторы делятся на три подгруппы:

q шинно-матричные коммутаторы;

q нокаутные коммутаторы;

q коммутаторы с интегрированной коммутационной структурой.