Разработка архитектуры коммутатора

Архитектуры на основе коммутационной матрицы были разработаны в начале 1990-х годов. Эта архитектура используется для построения коммутаторов различных типов.

Существует множество вариаций архитектуры этого типа. Базовая архитектура на основе коммутационной матрицы N х N непосредственно соединяет N входных портов с N выходными портами в виде матрицы. В местах пересечения проводников, соединяющих входы и выходы, находятся коммутирующие устройства, которыми управляет специальный контроллер. В каждый момент времени, анализируя адресную информацию, контроллер сообщает коммутирующим устройствам, какой выход должен быть подключен к какому входу. В том случае, если два входящих пакета от разных портов-источников будут переданы на один и тот же выходной порт, он будет заблокирован. Существуют различные подходы к решению этой проблемы: повышение производительности матрицы по сравнению с производительностью входных портов или использование буферов памяти и арбитров.

Несмотря на простой дизайн, одной из фундаментальных проблем архитектуры на основе коммутационной матрицы остается ее масштабируемость. При увеличении количества входов и выходов усложняется схемотехника матрицы и в особенности контроллера. Поэтому для построения многопортовых коммутационных матриц используется другой подход, который заключается в том, что простые коммутационные матрицы связываются между собой, образуя одну большую коммутационную матрицу.

Рисунок 2.1 – Матрица коммутации

Можно выделить два типа коммутаторов на основе коммутационной матрицы:

· коммутаторы на основе коммутационной матрицы с буферизацией (buffered crossbar);

· коммутаторы на основе коммутационной матрицы с арбитражем (arbitrated crossbar).

Коммутаторы на основе коммутационной матрицы с буферизацией:

В коммутаторах на основе коммутационной матрицы с буферизацией буферы расположены на трех основных стадиях: на входе и выходе и непосредственно на коммутационной матрице. Благодаря наличию очередей на трех стадиях эта архитектура позволяет избежать сложностей, связанных с реализацией механизма централизованного арбитража. На выходе каждой из стадий осуществляется управление очередями с помощью одного из алгоритмов диспетчеризации.

Несмотря на то, что эта архитектура является простейшей архитектурой коммутаторов, из-за независимости стадий для нее существуют сложности с реализацией качества обслуживания (QoS) в пределах коммутатора.

Коммутаторы на основе коммутационной матрицы с арбитражем:

Эта архитектура характеризуется наличием безбуферных коммутирующих элементов и арбитра, который управляет передачей трафика между входами и выходами матрицы. Отсутствие буферов у коммутирующих элементов компенсируется наличием буферов входных и выходных портов. Обычно разработчики используют один из четырёх методов буферизации: выходные буферы, входные буферы, “виртуальные очереди”, комбинированные входные и выходные буферы.

Рисунок 2.2 – Архитектура на входных очередях

Рисунок 2.3 – Архитектура на выходных очередях

Рисунок 2.4 – Архитектура на виртуальных очередях

Рисунок 2.5 – Архитектура на комбинированных очередях

    Для реализации была выбрана архитектура с виртуальными очередями, так как она надёжнее чем с входными очередями и проще в исполнении, чем с выходными.