Матричные коммутаторы: взгляд на физический уровень

Коммутаторы по-прежнему остаются в центре внимания сетевой индустрии, и, следуя основным тенденциям, мы продолжаем знакомить читателей с их архитектурой. В "Компьютерном Обозрении" (# 28, 2000) были представлены общие принципы построения коммутаторов. В данной публикации рассматриваются некоторые особенности физического уровня матричных, или координатных, коммутаторов.

Прежде всего вспомним определение матричного коммутатора. Основным его элементом является кроссовая матрица, которая содержит ряд (условно) вертикальных и горизонтальных шин и электромагнитные средства (например, реле) для соединения любой вертикальной шины с любой горизонтальной.

Сегодня различают три типа технологий создания соединений. Они, соответственно, базируются на твердотельных аналоговых микросхемах, реле с блокировкой и шаговом двигателе, замыкающем и размыкающем контакты. Каждая из технологий имеет свои особенности и нишу для приложений, которые мы сейчас вкратце и рассмотрим.

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.

Типы матриц

Рис. 1
Рис. 2

Основой для построения коммутаторов рассматриваемого типа с неблокирующей архитектурой и соединений "каждый с каждым" является координатная матрица (crossbar matrix). Замыкая переключатели в точках пересечения вертикальных и горизонтальных шин (рис. 1), можно соединить входную линию с выходной. Главный недостаток таких матриц — квадратичная зависимость количества точек коммутации от числа входов и выходов. Однако такой "прямой" дизайн сегодня практически не встречается, поскольку разработаны приемы, позволяющие значительно уменьшить их число, сохраняя, по сути, все привлекательные свойства координатных матриц. Таким требованиям отвечают, в частности, матрицы с многокаскадной архитектурой. На рис. 2 приведена схема трехкаскадной коммутационной матрицы, число точек коммутации у которой в два раза меньше, чем у аналогичной однокаскадной. При этом она остается неблокирующей и обеспечивает соединения "каждый с каждым".

Прикладная архитектура

Так мы будем называть архитектурные особенности устройств, ориентированных для определенных областей применения. Здесь различают четыре типа физических уровней. Во избежание неточностей их названия мы приводим на языке оригинала:

  • Metallic Test Access Unit (MTAU);
  • exception switch;
  • some-to-some cross-connect;
  • any-to-any cross-connect.

Сделаем теперь необходимые пояснения.

Рис. 3
Рис. 4
Рис. 5

MTAU является устройством или набором функций, с помощью которых осуществляется доступ к цепям с целью тестирования. Функциональность MTAU может быть встроена в сетевые элементы. Коммутаторы этого типа являются узкоспециализированными и их архитектура плохо подходит для других применений. Основное назначение коммутаторов — подсоединить тестовую шину с подключенным к ней тестером к любому порту и обеспечить пользователю удаленный доступ к порту для тестирования (рис. 3).

Exception switch — это коммутатор с исключенными (незадействованными) шинами. Его архитектура более сложная, чем у MTAU, и он предоставляет большее число шин для доступа к любому из портов. Конструкция коммутатора позволяет использовать специальную шину для тестирования, а оставшиеся — для нейтрализации неисправностей, например для переключения на оборудование, предварительно подсоединенное к ним (рис. 4).

Some-to-some cross-connect переводится как соединение "некоторых с некоторыми". Как правило, такие коммутаторы строятся на базе нескольких матриц типа any-to-any ("каждый с каждым") с ограниченными возможностями коммутации (рис. 5). Вход одной такой матрицы может быть соединен с выходом другой обычно несколькими путями, тем не менее недостаточное число шин быстро приводит к блокировке, делая эту архитектуру непригодной для приложений, требующих коммутации "каждый с каждым" без блокировки путей. Ну и наконец, архитектура…

Any-to-any cross-connect. Коммутаторы с такой архитектурой являются наиболее гибкими. Правильно спроектированные, они обеспечивают коммутацию без блокировки, прозрачную для протоколов и могут использоваться для очень широкого класса приложений. Однако, пожалуй, наиболее привлекательной особенностью коммутаторов данного класса является возможность предоставить пользователю альтернативный сервис с помощью подсоединения к уже подключенному порту желаемого оборудования. Правда, как уже упоминалось выше, за все это приходится расплачиваться слишком большим количеством точек коммутации.

Сегодня на рынке присутствует оборудование с множеством реализаций физического уровня. Их конструкция, как мы видели, базируется на разных технологиях создания соединений и типах матриц. Естественно, каждый из типов устройств имеет свою, наиболее соответствующую их архитектуре область приложений.