Передача данных в региональной сети АТМ

Процесс передачи данных в сети АТМ рассмотрим на примере схемы, приведенной на рис.38. Она включает в себя следующие основные компоненты: коммутаторы, концентраторы и конечные системы (LAN, сервера и рабочие станции).

Концентратор АТМ ‑ это устройство, предназначенное для объединения нескольких конечных систем и подключения их к сети АТМ через коммутатор. Он обычно состоит из нескольких монтируемых в стойку модулей, каждый из которых имеет порты с заданными скоростью и протоколами. В концентраторе АТМ каждая конечная система имеет выделенный прямой канал связи с концентратором, а также необходимое аппаратное и программное обеспечение для интерфейса с конкретным типом локальной сети.

Коммутатор АТМ - это устройство, предназначенное для установления виртуальных каналов и коммутации ячеек, передаваемых от источника к потребителю через коммуникационную подсеть сети АТМ. Он имеет несколько входных и выходных линий, число которых, как правило, совпадает, так как соединения являются двусторонними. Коммутаторы АТМ являются синхронными (хотя сам протокол является асинхронным) в том смысле, что во время одного цикла одна ячейка берется с каждой входной линии (если она, конечно, есть), проводится через внутреннюю коммутационную структуру и подается на нужную выходную линию.

Коммутаторы могут производить и конвейерную обработку, т.е. обработка поступившей ячейки происходит за несколько циклов, прежде чем она появляется на выходной линии. Ячейки поступают нерегулярно, поэтому начало каждого цикла определяется главным тактовым генератором. Ячейка подвергается обработке, т.е. коммутации, в том случае, если она полностью поступила к началу очередного цикла, иначе она ждет очередного цикла. Если ячейки прибывают со скоростью 155 Мбит/с, то длительность цикла составляет 2.7 мкс, при скорости 622 Мбит/с цикл длится 700 нс.

Коммутатор АТМ должен отвечать двум основным требованиям: во-первых, количество потерянных ячеек должно быть минимальным, во-вторых, ячейки, принадлежащие к одному и тому же виртуальному каналу, ни при каких обстоятельствах не могут менять порядок следования. Первое требование в цифровом выражении составляет одну ячейку из 10^12, т.е. крупный коммутатор может терять не более 1 - 2 ячеек в час. Второе условие налагает очень жесткие ограничения на схему коммутатора, однако таково требование стандарта АТМ.

Рассмотрим принципы функционирования одного из коммутаторов (рис. 39), который получил название коммутатор с выбыванием ячеек.

Одна из основных проблем при разработке принципиальной схемы коммутатора АТМ состоит в том, как поступить, если несколько прибывших одновременно, точнее к началу одного такта, ячеек предназначаются для одной и той же линии. Простейшее решение заключается в передаче одной ячейки и отбрасывании всех остальных. Однако это решение характеризуется низкой эффективностью.

Более эффективным могла бы стать организация очереди для каждой входной линии. Если две или более ячеек нужно передать на одну и ту же выходную линию, то одна ячейка, например взятая случайным образом, коммутируется, а другая ждет следующего цикла. Но здесь может возникнуть другая проблема: ожидающая своей очереди ячейка блокирует все поступившие следом за ней на ту же линию ячейки, которые возможно направляются на другие выходные линии и могли бы быть обработаны. Этот эффект называется блокированием первым в очереди. Кроме того, при большом числе входных линий конфликт может быть обнаружен только тогда, когда ячейки прибывают на выходную линию. Иногда эта проблема решается путем отправки лишних ячеек назад по обратной шине в очередь на входной линии. Однако при этом может возникнуть потенциальная опасность изменения порядка следования ячеек.

Альтернативная схема состоит в организации очереди на выходной линии. В этом случае обе ячейки коммутируются, но при этом одна из них передается на выходную линию, а другая становится к ней в очередь. Каждая входная линия коммутатора подключена к шине, на которую поступают ячейки. Наличие всего одного задающего устройства значительно упрощает коммутацию и синхронизацию.

Функциональные схемы коммутатора анализируют заголовок каждой поступившей ячейки для определения информации о виртуальном канале, сопоставляют ее с таблицей маршрутов и активизируют соответствующий коммутирующий элемент. Ячейка передается по шине до активного коммутирующего элемента, где она поворачивает в направлении выходной линии. Кроме того, одна ячейка может быть направлена на несколько выходных линий посредством активизации нескольких коммутирующих элементов на широковещательной шине.

Простейший способ разрешения конфликтов состоит в помещении всех ячеек в буфер. Однако если коммутатор имеет 1024 входных линии, то в худшем случае потребуется 1024 буферов. На практике ситуация, когда все поступившие ячейки направляются на одну и ту же выходную линию, маловероятна, поэтому разработчики коммутаторов ограничиваются числом буферов N. В случае такого маловероятного события, как прибытие больше чем N ячеек, устройство, называемое концентратором, выбирает N ячеек, а остальные отбрасывает. Концентратор - это интеллектуальная схема для организации отбора ячеек.

Желательно, чтобы все выбранные ячейки поместились в одну выходную очередь (если она переполнена, все ячейки отбрасываются). Однако помещение всех ячеек в одну очередь за выделенное время невозможно. Поэтому выходная очередь представляет собой несколько очередей. Прошедшие концентратор ячейки попадают в сдвиговый регистр, который распределяет их равномерным образом между N выходными очередями. Последовательность отправки ячеек из той или иной очереди отслеживается при помощи маркера.

Существенным недостатком коммутатора с выбыванием является наличие большого числа коммутирующих элементов, которое равно квадрату числа линий. При числе линий 1024 число коммутирующих элементов будет более миллиона. В связи с этим, существуют другие способы построения коммутаторов. Однако из-за ограничения объема они в настоящем пособии не рассматриваются.