Построение многокаскадных коммутаторов.

Базовые оптические коммутаторы достаточно легко реализовать только как переключатели 2х2. При увеличении емкости их сложность существенно возрастает, что пока ограничивает размер реализованных коммутаторов на уровне 8х8. Поэтому для коммутаторов большого размера используют различные технологии каскадирования базовых переключателей 2х2 или 1х2/2х1. Принцип каскадирования применяют еще и потому, что при этом существенно снижается стоимость коммутатора, пропорциональная числу БЭ. Так, для матричного коммутатора nхn требуется n2 БЭ, тогда как в случае каскадной схемы можно добиться числа БЭ порядка nlog2n. Большие коммутаторы можно представить в виде упорядоченных наборов входных и выходных портов, связанных коммутируемой сетью связи (КСС). При коммутации цепей КСС управляется централизованно. Для коммутации ячеек, пакетов или виртуальных контейнеров схема управления может быть распределенной, с различными типами буферов на входе и выходе, схем организации очередей для устранения внутренних блокировок и т.д. Рассмотрим более простой случай – коммутацию цепей. Топология сети при этом формально может быть различна, однако с учетом специфики задачи и сложности реализации используют структуры двух типов – дерево и матрица. Основной принцип построения – каскадирование базовых переключательных элементов. Базовый элемент (как переключатель) можно представить в виде четырехполюсника с двумя входами I1 и I2 и двумя выходами O1 и O2 . Переключатель может находиться в двух основных состояниях: проходного и перекрестного соединения, а также в режиме широковещательной передачи. Функциональную пригодность и эффективность многокаскадных оптических коммутаторов (МОК) обычно оценивают с помощью следующих показателей: требуемое число базовых элементов; однородность коммутации (максимальное и минимальное число БЭ на оптическом пути, соединяющем порты входа-выхода в различных комбинациях и соответствующие им оценки максимальных и минимальных потерь); пересекаемость связующих волноводов (crossover) и характеристики блокировки – (блокирующий или неблокирующий МОК). Волноводы могут пересекаться потому, что большие МОК изготавливаются как ОИС на единой подложке. ОИС, в отличие от электронных ИС, не может быть многослойной. При пересечении волноводов возникают потери мощности оптического излучения и переходные помехи (crosstalk) взаимодействия световых потоков. Поэтому во избежание такого пересечения топологию МОК желательно реализовывать в виде плоского графа. Отметим, что данное требование снимается при использовании ИС на фотонных кристаллах – фотонных ИС. Коммутатор называется неблокирующим, если любой незанятый входной порт может быть соединен с любым неиспользуемым выходным портом. В противном случае, если какое-то соединение не может быть реализовано, коммутатор – блокирующий. Неблокирующие коммутаторы делятся на: неблокирующие в строгом смысле (при любом соединении не требуют перемаршрутизации какой-либо связи); неблокирующие в широком смысле (не требуют перемаршрутизации при определенных процедурах коммутации) и перестраиваемые неблокирующие (всегда требуют перемаршрутизации какого-нибудь соединения). Первый тип наиболее желателен, однако его реализация требуют наибольшего числа БЭ. Второй тип является некоторым компромиссом между первым и третьим и используется очень широко. Преимущество перестраиваемых коммутаторов – относительно малое число БЭ. Однако такие коммутаторы на время перемаршрутизации разрывают установленные соединения, что допустимо не для всех приложений. Кроме того, этот тип коммутаторов требует более сложных алгоритмов управления. Описаны четыре основных архитектуры КСС для МОК большого размера: матричный кросс-коммутатор (crossbar); схема КСС Бенеша; схема КСС Шпанке-Бенеша и схема КСС Шпанке. Твердотельные микросхемы. Устройства с твердотельной коммутирующей матрицей используются в тех случаях, когда необходимо обрабатывать низковольтные высокочастотные сигналы. Их областью применения обычно являются локальные и глобальные сети, цифровые абонентские линии (DSL), магистральные каналы Т-1. К достоинствам таких коммутаторов относят малые габариты, высокую скорость переключения, экономическую эффективность как в случае высокой, так и низкой плотности портов, большое время наработки на отказ. Из недостатков можно отметить необходимость специальных защитных цепей при обработке высоковольтных сигналов, наличие гарантированного электропитания для обеспечения непрерывной работы, постоянное потребление электроэнергии. Кроме этого, возможны изменения сигналов. Реле с блокировкой. Коммутаторы на их базе весьма объемные и не годятся для приложений, требующих высокой плотности портов. Реле чувствительны к вибрациям, которые вызывают непредсказуемые изменения их состояний. Они не отображаются в базе данных управляющего ПО, в результате чего наступает рассогласование между состоянием контактов и информацией в базе данных. Частота переключений реле или от внешнего источника может совпасть с резонансной частотой самих реле и привести к потере управления коммутатором. Использование микрореле не намного улучшает положение, а низкое рабочее напряжение не позволяет применять их в телефонных коммутаторах. При необходимости коммутировать большое количество портов устройства становятся весьма дорогостоящими. Но не все так плохо. Коммутаторы способны обрабатывать достаточно высокочастотные сигналы при высоких значениях напряжения (в случае использования стандартных реле), обеспечивают хорошую скорость переключения, потребляют мало энергии и, пожалуй, самая привлекательная их особенность -- могут удерживать соединения при пропадании электропитания. Кроме этого, они помехоустойчивы и имеют большое время наработки на отказ. Коммутаторы на базе шагового двигателя. Устройства, разработанные по этой технологии, используются при необходимости обеспечить высокую плотность портов. Они позволяют делать коммутационные матрицы очень больших размеров и в то же время остаются сравнительно недорогими и малогабаритными. Хотя скорость переключения каналов у них заметно ниже, чем у рассмотренных раньше, тем не менее они находят широкое применение в области телекоммуникаций. При соответствующем проектировании обеспечивается высокая надежность соединений, хотя механический износ и ограничивает срок службы отдельных контактов. Большого времени наработки на отказ можно добиться с помощью архитектур с избыточными каналами. Коммутаторы этого типа не разрывают соединений при пропадании напряжения и способны обрабатывать высоковольтные сигналы.

Создание сложной, структурированной сети, интегрирующей различные базовые технологии, может осуществляться и средствами канального уровня: для этого могут быть использованы некоторые типы мостов и коммутаторов. Мост или коммутатор разделяет сеть на сегменты, локализуя трафик внутри сегмента, что делает линии связи разделяемыми преимущественно между станциями данного сегмента. Тем самым сеть распадается на отдельные подсети, из которых могут быть построены составные сети достаточно крупных размеров.

Однако построение сложных сетей только на основе повторителей, мостов и коммутаторов имеет существенные ограничения и недостатки.

Во-первых, в топологии получившейся сети должны отсутствовать петли. Действительно, мост/коммутатор может решать задачу доставки пакета адресату только тогда, когда между отправителем и получателем существует единственный путь. В то же время наличие избыточных связей, которые и образуют петли, часто необходимо для лучшей балансировки нагрузки, а также для повышения надежности сети за счет образования резервных путей.

Во-вторых, логические сегменты сети, расположенные между мостами или коммутаторами, слабо изолированы друг от друга, а именно не защищены от так называемых широковещательных штормов. Если какая-либо станция посылает широковещательное сообщение, то это сообщение передается всем станциям всех логических сегментов сети. Защита от широковещательных штормов в сетях, построенных на основе мостов и коммутаторов, имеет количественный, а не качественный характер: администратор просто ограничивает количество широковещательных пакетов, которое разрешается генерировать некоторому узлу в единицу времени. Использование же механизма виртуальных сетей, реализованного во многих коммутаторах, хотя и позволяет достаточно гибко создавать изолированные по трафику группы станций, но при этом изолирует их полностью, так что узлы одной виртуальной сети не могут взаимодействовать с узлами другой виртуальной сети.

В-третьих, в сетях, построенных на основе мостов и коммутаторов, достаточно сложно решается задача управления трафиком на основе значения данных, содержащихся в пакете. В таких сетях это возможно только с помощью пользовательских фильтров, для задания которых администратору приходится иметь дело с двоичным представлением содержимого пакетов.

В-четвертых, реализация транспортной подсистемы только средствами физического и канального уровней, к которым относятся мосты и коммутаторы, приводит к недостаточно гибкой, одноуровневой системе адресации: в качестве адреса назначения используется МАС - адрес, жестко связанный с сетевым адаптером.

Наконец, возможностью трансляции протоколов канального уровня обладают далеко не все типы мостов и коммутаторов, к тому же эти возможности ограничены. В частности, в объединяемых сетях должны совпадать максимально допустимые размеры полей данных в кадрах, так как мостами и коммутаторами не поддерживается функция фрагментации кадров. Наличие серьезных ограничений у протоколов канального уровня показывает, что построение на основе средств этого уровня больших неоднородных сетей является весьма проблематичным. Естественное решение в этих случаях - это привлечение средств более высокого, сетевого уровня.