Rola pamięci w urządzeniach sieciowych
Współczesny przełącznik i router korzystają z pamięci podczas komutacji pakietów i komórek. Pamięć przechowuje jednostki danych tymczasowo, aby obsłużyć konflikt dostępu, czyli sytuację, w której wiele strumieni rywalizuje o to samo łącze wyjściowe. Takie przechowywanie nazywa się buforowaniem.
W tym ujęciu pamięć sieciową dzieli się na tradycyjną pamięć elektroniczną, taką jak RAM, oraz specjalizowane koncepcje pamięci optycznej opracowywane dla sieci całkowicie optycznych. Na poziomie układu pamięć może być realizowana przez zatrzaski i przerzutniki, a większe układy wykorzystują między innymi SRAM, DRAM, ROM i flash.
Pamięć elektroniczna we współczesnym routerze
Współczesny węzeł komutacyjny, taki jak router IP, wykorzystuje kilka rodzajów pamięci elektronicznej. Każdy z nich pełni odrębną funkcję w obsłudze urządzenia.
- W typowej architekturze routera jest obszarem roboczym dla danych bieżących. Przechowuje między innymi konfigurację, tablice routingu, czyli mapy sieci, oraz bufory pakietów. Gdy pakiety docierają szybciej, niż mogą zostać wysłane, są kolejkowane w RAM. Konkretne urządzenia mogą dodatkowo używać szybkiej pamięci SRAM albo pamięci DRAM o większej pojemności.
- W zależności od konstrukcji przechowuje program startowy lub jego podstawową część. Zawiera instrukcje uruchomienia routera i znalezienia głównego systemu operacyjnego, podobnie jak BIOS w komputerze osobistym. W części urządzeń funkcję startową realizuje pamięć flash albo osobny układ ROM.
- Jest to pamięć masowa dla systemu operacyjnego routera i zapisanych plików konfiguracyjnych. W odróżnieniu od RAM pamięć Flash zachowuje dane po wyłączeniu zasilania. Zapis i kasowanie odbywają się elektrycznie, dlatego zawartość można aktualizować bez wymiany układu.
Strategie buforowania w przełącznikach elektronicznych
W komutacji ATM i szybkich sieciach pakietowych sposób buforowania komórek lub pakietów wpływa na wydajność. Buforowanie obsługuje konflikty dostępu, gdy wiele wejść chce wysłać dane do tego samego wyjścia w tym samym czasie. Lokalizacja i sposób zarządzania buforem określają architekturę przełącznika.
1. Buforowanie na wejściu i blokowanie HOL
W tym modelu każdy port wejściowy ma własny bufor na przychodzące pakiety. Arbiter decyduje, które wejście może nadawać do wyjścia w każdej szczelinie czasowej. Prosta organizacja ma jednak istotne ograniczenie, . Aby ograniczyć HOL, przełącznik może stosować wirtualne kolejki wyjściowe (VOQ), w których każdy port wejściowy utrzymuje osobną kolejkę dla każdego portu wyjściowego.
2. Buforowanie na wyjściu
Pakiety są przekazywane przez pole komutacyjne do bufora przy każdym porcie wyjściowym. Architektura unika blokowania HOL. Przy jednakowych szybkościach portów do tego samego wyjścia może trafić jednocześnie pakietów, co wymaga do zapisów i jednego odczytu w czasie transmisji pakietu. W uproszczonym modelu tor doprowadzający musi pracować razy szybciej od pojedynczej linii, a pamięć musi obsłużyć także odczyt. Rozwiązanie jest wymagające technologicznie i kosztowne w dużych przełącznikach.
3. Buforowanie we współdzielonej pamięci
W tej architekturze jeden centralny bufor jest współdzielony przez porty wejściowe i wyjściowe. Przychodzące pakiety są zapisywane w pamięci, a jednostka sterująca zarządza wskaźnikami i tworzy logiczne kolejki dla portów wyjściowych. Dynamiczna alokacja poprawia wykorzystanie przestrzeni buforowej. Przy jednakowych szybkościach portów i pełnym obciążeniu może wystąpić do zapisów i odczytów w jednym czasie, dlatego łączna przepustowość pamięci musi wynosić co najmniej razy szybkość linii.
Wyzwanie i rozwiązanie buforowania optycznego
Całkowicie optyczna komutacja pakietów utrzymuje sygnał w domenie optycznej i ogranicza liczbę konwersji elektronicznych. Pojawia się jednak problem buforowania, ponieważ propagujące światło trudno zatrzymać i przechować. Brakuje powszechnego, taniego odpowiednika elektronicznej pamięci RAM w domenie optycznej.
Jednym z typowych rozwiązań jest . Pakiet jest kierowany przez odcinek lub pętlę światłowodu o dobranej długości. Przebywa dłuższą drogę i dociera do miejsca przeznaczenia później, co zapewnia czasowe buforowanie.
Architektury buforów optycznych
- Bufory z przesuwaniem informacji (traveling type) Wykorzystują równoległe linie FDL o różnych długościach i czasach opóźnienia, na przykład . Pakiet wymagający określonego opóźnienia jest przełączany do odpowiedniej linii.
- Bufory z recyrkulacją (recirculating type) Wykorzystują pojedynczą pętlę światłowodową. Pakiet może wielokrotnie krążyć w pętli, aby uzyskać dłuższe opóźnienie. Bramki i przełączniki optyczne sterują liczbą obiegów.
W typowym układzie w danej chwili tylko jeden pakiet może być zapisywany do bufora albo z niego odczytywany. Linia FDL opóźnia sygnał, lecz nie daje dostępu do dowolnego miejsca jak RAM. Ograniczenie można zmniejszyć przez WDM (multipleksację falową), w której jedna pętla światłowodowa buforuje wiele pakietów jednocześnie na różnych długościach fali.