Architektury Pól Komutacyjnych

Popularne projekty pól komutacyjnych, w tym sieci Crossbar, Drzewiaste, Beneša i Closa.

Serce Przełącznika

to wewnętrzna struktura sprzętowa, która tworzy ścieżki między wejściami a wyjściami przełącznika. Wyobraź sobie je jako wysoce zautomatyzowaną wersję staromodnej centrali telefonicznej, gdzie operator ręcznie łączył kable, aby zestawić rozmowę. Celem jest zbudowanie pola, które może efektywnie połączyć dowolne ze swoich $N$ wejść z dowolnym z $N$ wyjść.

Większość pól komutacyjnych jest zbudowana z prostego elementu składowego: elementu komutacyjnego 2x2. Element ten ma dwa wejścia, dwa wyjścia i może być w jednym z dwóch stanów: „prosto” lub „na krzyż”. Poprzez układanie tych prostych elementów na różne sposoby, możemy tworzyć duże i złożone pola komutacyjne.

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 $N \times N$ .

Diagram pola komutacyjnego 4x4 typu crossbar

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: Główną zaletą jest to, że jest to pole . Dopóki żądane porty wejściowy i wyjściowy są wolne, połączenie zawsze może zostać zrealizowane.
Wada: Podstawową wadą jest różna długość drogi optycznej dla różnych połączeń. Połączenie z wejścia 0 do wyjścia 0 przechodzi tylko przez jeden element, podczas gdy połączenie z wejścia 3 do wyjścia 3 może przechodzić przez $2N-1$ elementów. Ta zmienność powoduje różne poziomy tłumienia i opóźnienia sygnału, co komplikuje jego odbiór. Złożoność $N^2$ sprawia również, że jest to rozwiązanie kosztowne dla dużych przełączników.

Wielostopniowe Pola Komutacyjne: Clos i Beneš

Aby zmniejszyć złożoność pól typu crossbar przy zachowaniu dobrej wydajności, opracowano wielostopniowe sieci połączeniowe (MIN). Sieci Closa i Beneša są fundamentalnymi przykładami tego podejścia.

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 $m \times n$ . Kluczową właściwością jest to, że może być ściśle nieblokowalna, jeśli liczba komutatorów w stopniu środkowym, $m$ , jest wystarczająco duża, a konkretnie, gdy spełniony jest warunek $m \ge 2n-1$ .

Ściśle nieblokowalna, gdy m ≥ 2n − 1 · 5 ≥ 5

Sieć Beneša

Sieć Beneša to specjalna, rekurencyjna forma sieci Closa. Nie jest ściśle nieblokowalna, ale jest . Oznacza to, że każde żądane połączenie może zostać zrealizowane, ale może to wymagać zmiany tras istniejących połączeń w celu uniknięcia blokady. Choć jest bardziej skomplikowana w sterowaniu, używa mniej elementów komutacyjnych niż ściśle nieblokowalna sieć Closa.

N (potęga 2)

Wejścia:0

Wyjścia:0

i=0 → j=0

Inne Architektury Pól Komutacyjnych

Oprócz klasycznych pól typu crossbar i sieci typu Clos, opracowano inne architektury oferujące różne kompromisy między wydajnością, kosztem i złożonością.

Architektura Drzewiasta

To pole wykorzystuje drzewiastą strukturę rozgałęźników 1xN na wejściu i łączników Nx1 na wyjściu. Chociaż koncepcyjnie proste, wymaga bardzo dużej liczby podstawowych elementów 2x2, co czyni je mniej wydajnym dla większych przełączników w porównaniu z innymi projektami.

Kliknij wejście i wyjście, aby podświetlić ścieżkę

Pole typu Baseline

W sieci typu Baseline istnieje tylko jedna możliwa droga między daną parą wejście-wyjście. Ma to znaczącą zaletę, że tłumienie sygnału jest zawsze takie samo, niezależnie od ścieżki połączenia, co upraszcza przetwarzanie sygnału. Jednak jego główną wadą jest to, że jest to sieć blokowalna; nowe połączenia mogą być zablokowane przez istniejące, nawet jeśli żądane wejście i wyjście są wolne.