Коммутация в телекоммуникациях. Телекоммуникационные станции. Коммутационные поля и типы управления

Нередко встречаются практические ситуации, когда необходимо обеспечить управление нагрузкой (например, осветительными лампами) по проводам с нескольких пультов. Первое, что приходит в голову, это решить подобную задачу «в лоб»: использовать множество проводов, ровно столько, сколько требуется для очевидного решения проблемы. В то же время понятно, что чем больше проводов, чем они длиннее, тем дороже и сложнее получается линия передачи или коммутации, тем меньше ее надежность, тем выше вероятность повреждения.

На рис. 15.1 приведена простая схема организации двухсторонней связи с использованием телеграфной азбуки [Р 7/84-39]. На приемной и передающей сторонах использованы одинаковые генераторы звуковой частоты, нагруженные на телефонные капсюли. Эти капсюли связаны между собой двухпроводной линией связи. Каждый из них одновременно является монитором (устройством контроля) собственного сигнала и индикатором звуковых сигналов, вырабатываемых корреспондентом. Очевидно, чем длиннее линия, тем выше ее электрическое сопротивление, тем выше потери сигнала в ней, соответственно, уменьшается и громкость принимаемого от корреспондента сигнала.

Если расстояние между корреспондентами не столь велико, в качестве одного из проводов линии при работе летом в полевых условиях можно использовать «землю». Для этого в землю вбивают металлический штырь, к которому присоединяют провод. На приемной стороне выполняют аналогичные действия. В качестве провода линии может быть использована и металлическая арматура, трубы, если связь происходит в пределах одного здания.

Генераторы передающей и приемной сторон питаются от отдельных источников питания — гальванических элементов напряжением 1,5 В. Для включения генераторов использованы телеграфные ключи S1 и S2. При отсутствии ключа аналог можно сделать из подручных материалов или использовать для этих целей кнопки. Специальных выключателей питания устройство не требует: эту функцию выполняют телеграфные ключи.

Для полноценного пользования телеграфной связью необходимо, как минимум, месяц осваивать телеграфную азбуку. Поэтому более привлекательными являются системы проводной телефонной связи. На рис. 15.2 — 15.4 приведены варианты практической реализации такой связи.

На рис. 15.2 показана типовая схема организации простейшего варианта проводной связи при использовании усилителя низкой частоты любого типа (см. главу 4). В качестве обратимых преобразователей звука (громкоговоритель — микрофон) используются обычные широко распространенные звуко-излучающие головки электродинамического типа. Для этих же целей можно использовать и телефонные капсюли, громкоговорители радиотрансляционной сети без каких-либо переделок.

Интересно, что наиболее простую линию связи можно организовать, соединив длинными проводами пару громкоговорителей радиотрансляционной сети. Громкость сигнала, разумеется, будет не столь высока, однако какого-либо источника питания для организации связи не требуется.

Переключатели SA1.1 и SA1.2 сдвоены и установлены на стороне одного из абонентов, который и производит поочередное их переключение с приема на передачу. Этим обстоятельством, конечно же, уменьшаются возможности второго абонента.

Практическая схема осуществления двухпроводной связи по схеме рис. 15.2 приведена на рис. 15.3. В качестве усилителя низкой частоты использован однокаскадный усилитель на транзисторе КТ315. Устройство питается от батареи напряжением 9 В. Выключатель питания на схеме не показан.

Устройство двухпроводной телефонной связи описано в книге П. Величкова и В. Христова (рис. 15.4). Оно подключается в двухпроводную линию, имеет собственный источник питания, отключаемый при помощи переключателя SA1. Одновременно этот переключатель (кнопка) позволяет переключать телефонную трубку (в которой собрано устройство) с приема на передачу. В режиме приема батарея, питающая усилитель, отключена. Устройство может находиться в состоянии «на прием» неограниченно долго. При нажатии кнопки SA1 включается двухкаскадный усилитель низкой частоты. Телефонный капсюль становится микрофоном, линия, с подключенными телефонами абонентов, является его нагрузкой. Преимуществом такого схемного решения является то, что количество телефонных трубок (число абонентов), подключенных к линии, не ограничено, но обычно не более десяти.

Помимо организации линии связи не менее актуальным является вопрос, касающийся равноправной возможности управления нагрузками с нескольких пультов. Такого рода задачи встречаются в сельском хозяйстве или в быту при необходимости включения освещения на входе в длинный коридор и выключения света при выходе из него. Существует много схемных решений, позволяющих выполнить эту задачу с использованием минимального количества проводов. С некоторыми из них можно познакомиться на рис. 15.5 — 15.11.

Устройство (рис. 15.5) позволяет включать/выключать ток в нагрузке с двух (или более) пультов управления при использовании источника постоянного тока [Р 2/73-48]. В схеме использовано свойство полупроводникового диода проводить ток только при одной полярности приложенного напряжения. Переключатели SA1 и SA2, установленные на противоположных сторонах линии, позволяют менять полярность питающего напряжения. Соответственно, при смене полярности диод будет закрыт, и ток через нагрузку не пойдет. Включение (переключение положения) любого из переключателей вновь сменит полярность и обеспечит тем самым «правильное», прямое подключение диода в разрыв линии, и протекание тока через нагрузку. В качестве нагрузки (рис. 15.5) может быть использован звуковой генератор либо светодиод с ограничительным резистором. Для самостоятельной доработки схемы рекомендуется подумать, каким образом можно управлять нагрузкой при помощи трех или более пультов управления.

Для многопультовой коммутации нагрузки, например, осветительных ламп, от источника постоянного или переменного тока могут быть использованы схемы, приведенные на рис. 15.6 и 15.7. Переключатели SA1 и SA2, а также SA3 позволяют независимо друг от друга включать/выключать свет в длинном коридоре. В этой схеме использовано три провода.

Четырехпроводные линии двухпультового управления приведены на рис. 15.8 и 15.10. Схема коммутации трех нагрузок по двум проводам показана на рис. 15.9.

Схемы (рис. 15.8 и 15.9) выполнены с использованием реле. Это усложняет устройство, однако позволяет использовать для линии управления провода малого сечения, поскольку ток управления реле, и ток, расходуемый на питание нескольких осветительных ламп, отличаются в сотни раз.

Для проверки работоспособности приведенных на рис. 15.5 — 15.8 схем питание на них можно подать от низковольтного выпрямителя, а взамен ламп накаливания для индикации использовать цепочку светодиод — резистор (рис. 15.8). Величина гасящего резистора R (в кОм) может быть вычислена по формуле:

Совершенно иной принцип управления нагрузкой при помощи неограниченного числа последовательно включенных пультов — кнопок показан на рис. 15.11.

В исходном состоянии напряжение сети через гасящий конденсатор С1 и резистор R1 подается на выпрямитель (VD1 — VD4). На выходе выпрямителя включен стабилитрон, ограничивающий напряжение на схеме управления до 15 В. Параллельно стабилитрону включен резистор R2 и конденсатор С2 (небольшой эмкости), кроме этого, через диод VD5 подключен конденсатор СЗ большой емкости (1000 мкФ), параллельно которому подключены последовательно соединенные тиристор VS1 и обмотка реле К1. Управляющий электрод тиристора подключен к катоду диода VD5.

При кратковременном нажатии на любую из кнопок SB напряжение питания отключается, конденсатор С2 мгновенно разряжается через резистор R2, а управляющий электрод тиристора через этот резистор подключается к конденсатору СЗ. При разряде конденсатора СЗ тиристор отпирается. Реле срабатывает и своими контактами включает нагрузку. Поскольку напряжение питания после отпускания кнопки вновь подается на схему, конденсатор СЗ поддерживается в заряженном состоянии, а тиристор в проводящем. Для отключения нагрузки необходимо нажать и удерживать около секунды любую из кнопок управления. Конденсатор СЗ полностью разрядится, тиристор запрется, реле и нагрузка отключатся.

Литература: Шустов М.А. Практическая схемотехника (Книга 1), 2003 год

Коммутатором называют устройство, позволяющее коммутировать (включать или переключать) электрические сигналы. Аналоговый коммутатор предназначен для коммутации аналоговых, т. е. изменяющихся по амплитуде во времени сигналов.

Отмечу; что аналоговые коммутаторы с успехом можно применять и для коммутации цифровых сигналов.

Обычно состоянием «включено/выключено» аналогового коммутатора управляют подачей управляющего сигнала на управляющий вход. Для упрощения процесса коммутации для этих целей используют цифровые сигналы:

♦ логическая единица - ключ включен;

♦ логический ноль - выключен.

Чаще всего уровню логической единицы отвечает диапазон управляющих напряжений, лежащих в пределах от 2/3 до 1 от напряжения питания микросхемы коммутатора, уровню логического нуля - зона управляющих напряжений в пределах от 0 до 1/3 от напряжения питания. Вся промежуточная область диапазона управляющих напряжений (от 1/3 до 2/3 от величины напряжения питания) соответствует зоне неопределенности. Поскольку процесс переключения носит, хотя и неявно выраженный, пороговый характер, аналоговый коммутатор можно рассматривать по отношению к входу управления как простейший .

Основными характеристиками аналоговых коммутаторов являются:

К числу недостатков переключателя можно отнести то, что предель-

При включении генератора оба ключевых элемента микросхемы разомкнуты. С2 через R5 заряжается до напряжения, при котором ключ DA1.1 включается. На резистивный делитель R1-R3 подается напряжение питания; С1 заряжается через R4, R3 и часть потенциометра R2. Когда напряжение на его положительной обкладке достигнет напряжения включения ключа DA1.2, произойдет разряд обоих конденсаторов, и процесс их заряда- разряда будет периодически повторяться.

Для проверки исправности элементов световой индикации необходимо кратковременно нажать кнопку SA1 «Тест».

При работе на индуктивную нагрузку (электромагниты, обмотки и т. п.) для защиты выходных транзисторов микросхемы вывод 9 микросхемы следует подключить к шине питания, как показано на рис. 23.26.

Рис. 23.24. Структурная Рис. 23.26. включения микросхемы

микросхемы ULN2003A (ILN2003A) (JLN2003A при работе на индуктивную нагрузку

UDN2580A содержит 8 ключей (рис. 23.27). Она способна работать на активную и индуктивную нагрузку при напряжении питания 50 В и максимальном токе нагрузки до 500 мА.

Рис. 23.27. Цоколевка и эквивалентная микросхемы UDN2580A

UDN6118A (рис. 23.28) предназначена для 8-и канального ключевого управления активной нагрузкой при максимальном напряжении до 70(85) В при токе до 25(40) мА. Одна из областей применения этой микросхемы - согласование низковольтных логических уровней с высоковольтной нагрузкой, в частности, вакуумными флуоресцентными дисплеями. Входное напряжение, достаточное для включения нагрузки - от 2,4 до 15 В.

Совпадают с микросхемами UDN2580A по цоколевке, а по внутреннему строению с микросхемами UDN6118A другие микросхемы этой серии - UDN2981 - UDN2984.

Рис. 23.29. Строение и цоколевка микросхемы аналогового мультиплексора ADG408

Рис. 23.28. Цоколевка и эквивалентная микросхемы UDN6118А

Аналоговые мультиплексоры ADG408!ADG409 фирмы Analog Device можно отнести к управляемым цифровым кодом многоканальным электронным переключателям. Первый из мультиплексоров (ADG408) способен переключать единственный вход (выход) на 8 выходов (входов), рис. 23.29. Второй (ADG409) - переключает 2 входа (выхода) на 4 выхода (входа), рис. 23.30.

Максимальное замкнутого ключа не превышает 100 Ом и от напряжения питания микросхемы.

Микросхемы могут питаться от двух- или однополярного источника питания напряжением до ±25 В, соответственно, коммутируемые сигналы по знаку и амплитуде должны укладываться в эти диапазоны. Мультиплексоры отличаются малым потреблением тока - до 75 мкА. Предельная частота коммутируемых сигналов - 1 МГц.

Сопротивление нагрузки - не менее 4,7 кОм при ее емкости до 100 ηФ.

Шустов М. А., Схемотехника. 500 устройств на аналоговых микросхемах. - СПб.: Наука и Техника, 2013. -352 с.

Аннотация: Лекция посвящена общему описанию основных составляющих телефонной станции - коммутационным полям и устройствам управления, которые будут детально рассмотрены в дальнейших лекциях

Общие сведения о телекоммуникационных станциях

В данном разделе будут в основном рассмотрены станции, предназначенные для работы в телефонных сетях. Эти вопросы составляют основу телекоммуникации и изучались многие десятилетия. Существует ряд учебников (, , , ), которые являются базовыми при изучении данного материала, несмотря на то, что в настоящее время многие вопросы, изложенные в указанной литературе, необходимо адаптировать к современной технике. Развитие телекоммуникационной техники привело к интеграции, охватившей сначала сети информации (например, сети передачи речи и передачи данных), а потом соответствующие услуги. Вследствие набирающих силу интеграционных процессов ограничиться рассмотрением только задач передачи речи невозможно, поэтому будут рассмотрены и другие принципы коммутации и обработки информации. Основные принципы построения коммутационных станций не зависят от того, на какой базе (механические элементы или компьютерная техника) выполняются станции. Как мы увидим дальше, решения по построению станций диктуются в первую очередь экономическими и техническими требованиями, порождая таким образом возможность осуществлять новые услуги для абонентов.

Сегодня мы можем наблюдать большое разнообразие как телефонных станций, так и коммутационных узлов обработки информации. Однако все они содержат определенные группы устройств (рис. 1.1).

Рассмотрим задачи, выполняемые каждой из частей станции.

Коммутационное поле решает задачи соединения двух или нескольких источников между собой. На первых этапах внедрения телефонной техники эту роль играли электромеханические устройства на базе электромагнитных элементов. Эти базовые элементы определили названия для первых коммутационных систем:

• декадно-шаговая система Автоматических Телефонных Станций (АТС);
• координатная система АТС (АТС-К) или усовершенствованная АТС-К (АТС-КУ).

С появлением микроэлементной базы и развитием электронной вычислительной техники был разработан целый комплекс цифровых систем передачи и соответствующих цифровых систем коммутации. В настоящее время все больше задач коммутации выполняется совместно с задачами управления. Повышение быстродействия позволяет совместить эти задачи и тем самым приводит к дальнейшему прогрессу техники коммутации информации.

Управляющее устройство решает логические задачи, необходимые для установления соединения, а также выполняет работы, связанные с основными и дополнительными видами обслуживания. Первые системы АТС применяли управляющие устройства на базе электромагнитных реле, по сути представляющие собой медленные компьютеры. Число решаемых ими задач было ограничено вследствие их небогатых логических возможностей и большого времени выполнения. В дальнейшем, по мере развития микрокомпьютеров, для задач управления АТС стали применять универсальную компьютерную технику, и в настоящее время на ней реализованы все части телефонной станции. Поэтому наряду с существующими методами построения и управления сетей, характерными для традиционной телефонии, стали развиваться и получать все большее распространение методы, присущие компьютерным сетям (например, пакетная передача, адресная коммутация и т. п.). При переходе к управлению с помощью компьютеров появилась еще одна существенная составляющая - это программное обеспечение , которое берет на себя все задачи по управлению станцией (кроме физического и некоторых функций уровня звена данных).

Рис. 1.1.

Общая структурная схема современной станции с программным управлением (рис. 1.1) включает также:

• терминальные комплекты, обеспечивающие выполнение протоколов связи уровня звена данных и иногда физического уровня с абонентскими терминалами;
• линейные комплекты, выполняющие те же функции, что и терминальные, но по отношению к объектам сети (другие станции, узлы сети).

Рассмотрим более подробно структуру построения станций на примере телефонных станций. Особенности построения других объектов коммутации информации будут проанализированы отдельно.

Типы построения коммутационного поля

Однозвенное коммутационное поле

Для наиболее простого типа коммутационного поля - полнодоступного коммутационного поля - характерно, что каждый источник, включенный в его вход, может быть соединен с источником, включенным в выход.

Такой тип коммутационного поля применялся в станциях очень малой емкости (до 50 номеров и меньше). Но в последнее время прогресс элементной базы расширяет возможности его применения.

Предварительно можно сказать, что сейчас коммутаторы информационных сетей работают по однозвенному принципу, но постепенно современные коммутаторы, даже на базе программных маршрутизаторов, переходят к многозвенным схемам.

На рис. 1.2 приведено построение условной схемы коммутатора. На каждом пересечении горизонтали и вертикали коммутатора условно показан контакт, для простоты - механический.

Физический принцип реализации такого контакта может быть любым, в том числе и программно-адресным.

Рис. 1.2.

Такие полнодоступные принципы построения коммутационного поля не нашли широкого применения из-за их неэкономичности для станций большой емкости. Только в последнее время в связи с уменьшением габаритов и удешевлением микросхем, реализующих коммутаторы, стало возможным применять этот принцип для построения станций достаточно большой емкости (более 2000 входов/выходов). Но современные станции часто имеют большие емкости, до 300000 входов и 100000 выходов. В этом случае такая матрица просто не может быть выполнена, учитывая ее реальную цену и габариты.

В последнее время во многих важных приложениях для коммутации применяются программные способы, которые выполняются на компьютерах.

Эти способы коммутации эквивалентны способу с применением полнодоступной схемы. Но при больших емкостях один компьютер не может обеспечить обслуживание поступающих потоков вызовов ни по быстродействию, ни по объемам памяти. Поэтому на программном уровне требуется поиск решений, эквивалентных многозвенной коммутации.

Двухзвенные и многозвенные схемы коммутации

При большом числе пользователей более эффективны схемы коммутации, содержащие много звеньев. На рис. 1.3 приведена двухзвенная схема коммутации. Для определения областей применения сравним предыдущую и последующую схемы по числу требуемых точек коммутации.

Рис. 1.3.

На рис. 1.3 приняты следующие обозначения:

• n - число входов в матрицу звена A ;
• r - число матриц звена A ;
• m - число входов матрицы звена A ;
• s - число выходов матрицы звена B ;
• k - число выходов из матрицы звена B ;
• f - "связность".

Связность - это число промежуточных линий, которые соединяют одну определенную матрицу звена A с одной определенной матрицей звена В .

Пусть необходимо коммутировать N входов с M выходами. Тогда будут соблюдаться следующие условия: для полнодоступной коммутационной схемы число точек коммутации равно NM ;

Для неполнодоступной схемы коммутации число точек коммутации равно r (nm) + m/f (ks) .

Однако r (число коммутаторов звена A ) зависит от требуемого общего числа входов N и составляет

В то же время m/f (число коммутаторов звена B ) зависит от требуемого общего числа выходов M :

Тогда число точек коммутации неполнодоступной коммутационной схемы будет равно Nm + Ms .

Тем самым определяется условие: чтобы многозвенная коммутационная схема была более эффективна, чем однозвенная, число коммутационных точек в ней должно быть меньше, чем в полнодоступной:

NM > Nm + Ms 1 > m/M + s/N.

Последнему условию может соответствовать множество сочетаний параметров коммутационных схем , но для всех из них справедливо, чтобы соблюдались соотношения

При появлении в конце 80-х начале 90-х годов быстрых протоколов, производительных персональных компьютеров, мультимедийной информации и разделении сети на большое количество сегментов классические мосты перестали справляться с работой. Обслужи вание потоков кадров между теперь уже несколькими портами с помощью одного процессорного блока требовало значительного повышения быстродействия процессора, а это довольно дорогостоящее решение.

Более эффективным оказалось решение, которое и «породило» коммутаторы: для обслуживания потока, поступающего на каждый порт, в устройство ставился отдельный специализированный процессор, который реализовывал алгоритм прозрачного моста. По сути, коммутатор - это мультипроцессорный мост, способный параллельно продвигать кадры сразу между всеми парами своих портов. Но если при добавлении процессорных блоков компьютер не перестали называть компьютером, а добавили только прилагательное «мультипроцессорный», то с мультипроцессорными мостами произошла метаморфоза - во многом по маркетинговым причинам они превратились в коммутаторы. Нужно отметить, что помимо процессоров портов коммутатор имеет центральный процессор, который координирует работу портов, отвечая за построение общей таблицы продвижения, а также поддерживая функции конфигурирования и управления коммутатором.

Со временем коммутаторы вытеснили из локальных сетей классические однопроцессорные мосты. Основная причина этого - существенно более высокая производительность, с которой коммутаторы передают кадры между сегментами сети. Если мосты могли даже замедлять работу сети, то коммутаторы всегда выпускаются с процессорами портов, способными передавать кадры с той максимальной скоростью, на которую рассчитан протокол. Ну а добавление к этому возможности параллельной передачи кадров между портами предопределило судьбу и мостов, и коммутаторов.

Производительность коммутаторов на несколько порядков выше, чем мостов - коммутаторы могут передавать до нескольких десятков, а иногда и сотен миллионов кадров в секунду, в то время как мосты обычно обрабатывали 3-5 тысяч кадров в секунду.

За время своего существования уже без конкурентов-мостов коммутаторы вобрали в себя многие дополнительные функции, родившиеся в результате естественного развития сетевых технологий. К этим функциям относятся, например, поддержка виртуальных сетей (VLAN), агрегирование линий связи, приоритезация трафика и т. п. Развитие технологии производства заказных микросхем также способствовало успеху коммутаторов, в результате процессоры портов сегодня обладают такой вычислительной мощностью, которая позволяет им быстро реализовывать весьма сложные алгоритмы обработки трафика, например выполнять его классификацию и профилирование.

Технология коммутации сегментов Ethernet была предложена небольшой компанией Kalpana в 1990 году в ответ на растущие потребности в повышении пропускной способности связей высокопроизводительных серверов с сегментами рабочих станций. У коммутатора компании Kalpana при свободном в момент приема кадра состоянии выходного порта задержка между получением первого байта кадра и появлением этого же байта на выходе порта адреса назначения составляла всего 40 мкс, что было гораздо ниже задержки кадра при его передаче мостом.

Структурная схема коммутатора EtherSwitch, предложенного фирмой Kalpana, представлена на рис. 1.

Рис. 1 Структура коммутатора EtherSwitch компании Kolpana

Каждый из 8 портов 10Base-T обслуживается одним процессором пакетов Ethernet (Ethernet Packet Processor, EPP). Кроме того, коммутатор имеет системный модуль, который координирует работу всех процессоров ЕРР, в частности ведет общую адресную таблицу коммутатора. Для передачи кадров между портами используется коммутационная матрица. Она функционирует по принципу коммутации каналов, соединяя порты коммутатора. Для 8 портов матрица может одновременно обеспечить 8 внутренних каналов при полудуплексном режиме работы портов и 16 - при дуплексном, когда передатчик и приемник каждого порта работают независимо друг от друга.

При поступлении кадра в какой-либо порт соответствующий процессор ЕРР буферизует несколько первых байтов кадра, чтобы прочитать адрес назначения. После получения адреса назначения процессор сразу же приступает к обработке кадра, не дожидаясь прихода остальных его байтов.

1. Процессор ЕРР просматривает свой кэш адресной таблицы, и если не находит там нужного адреса, обращается к системному модулю, который работает в многозадачном режиме, параллельно обслуживая запросы всех процессоров ЕРР. Системный модуль производит просмотр общей адресной таблицы и возвращает процессору найденную строку, которую тот буферизует в своем кэше для последующего использования.

2. Если адрес назначенля найден в адресной таблице и кадр нужно отфильтровать, процессор просто прекращает записывать в буфер байты кадра, очищает буфер и ждет поступления нового кадра.

3. Если же адрес найден и кадр нужно передать на другой порт, процессор, продолжая прием кадра в буфер, обращается к коммутационной матрице, пытаясь установить в ней путь, связывающий его порт с портом, через который идет маршрут к адресу назначения. Коммутационная матрица способна помочь только в том случае, если порт адреса назначения в этот момент свободен, то есть не соединен с другим портом данного коммутатора.

4. Если же порт занят, то, как и в любом устройстве с коммутацией каналов, матрица в соединении отказывает. В этом случае кадр полностью буферизуется процессором входного порта, после чего процессор ожидает освобождения выходного порта и образования коммутационной матрицей нужного пути.

5. После того как нужный путь установлен, в него направляются буферизованные байты кадра, которые принимаются процессором выходного порта. Как только процессор выходного порта получает доступ к подключенному к нему сегменту Ethernet по алгоритму CSMA/CD1, байты кадра сразу же начинают передаваться в сеть. Процессор входного порта постоянно хранит несколько байтов принимаемого кадра в своем буфере, что позволяет ему независимо и асинхронно принимать и передавать байты кадра (рис. 2).

Рис 2. Передача кадра через коммутационную матрицу

Описанный пособ передачи кадра без его полной буферизации получил название коммутации «на лету» (on-the-fly), или «напролет» (cut-through). Этот способ представляет собой, по сути, конвейерную обработку кадра, когда частично совмещаются во времени несколько этапов его передачи.

1. Прием первых байтов кадра процессором входного порта, включая прием байтов адреса назначения.

2. Поиск адреса назначения в адресной таблице коммутатора (в кэше процессора или в общей таблице системного модуля).

3. Коммутация матрицы.

4. Прием остальных байтов кадра процессором входного порта.

5. Прием байтов кадра (включая первые) процессором выходного порта через коммутационную матрицу.

6. Получение доступа к среде процессором выходного порта.

7. Передача байтов кадра процессором выходного порта в сеть.

На рис. 3 подставлены два режима обработки кадра: режим коммутации «на лету» с частичным совмещением во времени нескольких этапов и режим полной буферизации кадра с последовательным выполнением всех этапов. (Заметим, что этапы 2 и 3 совместить во времени нельзя, так как без знания номера выходного порта операция коммутации матрицы не имеет смысла.)

Рис. 3. Экономия времени при конвейерной обработке кадра: a - конвейерная обработка,
б - обычная обработка с полной буферизацией

Как показывает схема, экономия от конвейеризации получается ощутимой. Однако главной причиной повышения производительности сети при использовании коммутатора является параллельная обработка нескольких кадров.

Этот эффект иллюстрирует рис. 4, на котором показана идеальная в отношении производительности ситуация, когда четыре порта из восьми передают данные с максимальной для протокола Ethernet скоростью в 10 Мбит/с. Причем они передают эти данные на остальные четыре порта коммутатора не конфликтуя: потоки данных между узлами сети распределились так, что для каждого принимающего кадры порта есть свой выходной порт.

Если коммутатор успевает обрабатывать входной трафик при максимальной интенсивности поступления кадров на входные порты, то общая производительность коммутатора в приведенном примере составит 4 х 10 = 40 Мбит/с, а при обобщении примера для Депортов - (N/2) х 10 Мбит/с. В таком случае говорят, что коммутатор предоставляет каждой станции или сегменту, подключенному к его портам, выделенную пропускную способность протокола.

Рис. 4. Параллельная передача кадров коммутатором

Естественно, что в сети не всегда складывается описанная ситуация. Если двум станциям, например станциям, подключенным к портам 3 и 4, одновременно нужно записывать данные на один и тот же сервер, подключенный к порту 8, то коммутатор не сможет выделить каждой станции по 10 Мбит/с, так как порт 8 не в состоянии передавать данные со скоростью 20 Мбит/с. Кадры станций будут ожидать во внутренних очередях входных портов 3 и 4, когда освободится порт 8 для передачи очередного кадра. Очевидно, хорошим решением для такого распределения потоков данных было бы подключение сервера к более высокоскоростному порту, например Fast Ethernet или Gigabit Ethernet.