Architektury Pól Komutacyjnych

Definicja pola komutacyjnego

Pole komutacyjne to wewnętrzna struktura sprzętowa tworząca ścieżki między wejściami i wyjściami przełącznika. Pole może być jedno- lub wielostopniowe. W drugim wariancie kilka mniejszych elementów tworzy drogę między portami. Sterowanie polem wybiera połączenia zgodne z żądaniami transmisji. Dla pola z $N$ wejściami i $N$ wyjściami projekt powinien określać, które pary mogą działać równocześnie.

Wiele pól komutacyjnych wykorzystuje element komutacyjny 2x2. Ma on dwa wejścia i dwa wyjścia oraz dwa stany: prosty i skrzyżowany. Niezależne elementy mogą pracować równolegle. Kaskadowe połączenie takich elementów tworzy pola wielostopniowe o większej liczbie wejść i wyjść.

Pole Komutacyjne typu Crossbar

Crossbar (pole krzyżowe) jest jedną z najbardziej podstawowych architektur komutacyjnych. Ma strukturę siatki punktów komutacyjnych, zawierającej $N^2$ elementów dla pola o rozmiarze $N \times N$. Każdy punkt może zostać ustawiony niezależnie, dlatego pojedyncze połączenia wybiera się bez przechodzenia przez wspólny stopień pośredni. Przy ruchu jeden do jednego wszystkie wolne pary mogą być obsługiwane równocześnie.

Działanie i charakterystyka

• Działanie: Aby połączyć wejście $i$ z wyjściem $j$, aktywowany jest element komutacyjny na przecięciu $i$-tego wiersza i $j$-tej kolumny.
• Zaleta: Przy wolnych portach wejściowym i wyjściowym pole jest ściśle nieblokowalne i może zestawić żądane połączenie niezależnie od pozostałych aktywnych połączeń.
• Wada: Jednostopniowy crossbar ma $N^2$ punktów komutacyjnych, dlatego koszt i liczba połączeń rosną kwadratowo wraz z $N$. Wielostopniowe pola z elementów 2x2 ograniczają liczbę punktów względem pełnej siatki, ale wprowadzają dodatkowe stopnie i bardziej złożone sterowanie. Długość toru oraz opóźnienie zależą wtedy od konkretnej architektury wielostopniowej, a projekt musi uwzględniać koszt, wyrównanie parametrów sygnału i złożoność sterowania.

Wielostopniowe pola komutacyjne: Clos i Beneš

Wielostopniowe sieci połączeniowe (MIN) ograniczają liczbę elementów względem dużego pola crossbar, ponieważ łączą mniejsze moduły w kolejne stopnie. Sieci Closa i Beneša to dwa standardowe przykłady takiej konstrukcji.

Sieć Closa

Sieć Closa to trójstopniowe pole komutacyjne. Składa się ze stopnia wejściowego z $r$ komutatorami o rozmiarze $n \times m$, stopnia środkowego z $m$ komutatorami $r \times r$ oraz stopnia wyjściowego z $r$ komutatorami $m \times n$. Sieć ma $nr$ wejść i tyle samo wyjść. Liczba komutatorów stopnia środkowego, oznaczona przez $m$, określa liczbę dostępnych dróg między stopniami. Dla ścisłej nieblokowalności spełnia warunek $m \ge 2n-1$, a dla nieblokowalności przestrajalnej wystarcza $m \ge n$.

Sieć Beneša

Sieć Beneša to specjalna, rekurencyjna forma sieci Closa. Realizuje przestrajalnie nieblokowalna. Ustanowienie nowego połączenia może wymagać zmiany tras istniejących połączeń w celu usunięcia blokady. Dla $N$ portów, gdy $N$ jest potęgą 2, sieć ma $2\log_2N-1$ stopni, a każdy stopień zawiera $N/2$ elementów 2x2. Przy porównywalnej liczbie portów sieć Beneša używa mniej elementów komutacyjnych niż ściśle nieblokowalna sieć Closa, a sterowanie jest bardziej złożone.

Inne architektury pól komutacyjnych

Oprócz pól crossbar i sieci Clos stosuje się architektury o innych zależnościach między przepustowością, kosztem i złożonością sterowania.