Принципы построения коммутационных систем с параллельной настройкой

СИСТЕМЫ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ

УДК 621.395.74

Е. А. Барабанова, Н. С. Мальцева

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ КОММУТАЦИОННЫХ СИСТЕМ С ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ НАСТРОЙКОЙ

Введение

Скорость обработки информации в сетях передачи данных и многопроцессорных системах во многом определяется характеристиками вычислительной среды. В процессе развития современной техники идею повышения производительности вычислительной системы за счет увеличения числа процессоров использовали неоднократно. В настоящее время развитие супер-компьютерных технологий идет по четырем основным направлениям: векторно-конвейерные суперкомпьютеры, SMP-системы (симметрично мультипроцессорные системы), MPP-системы (системы с массовым параллелизмом) и NUMA-системы (неоднородный доступ к памяти).

Недостатком SMP- и MPP-систем является снижение скорости межпроцессорного обмена из-за отсутствия общей памяти, поскольку нет общей среды для хранения данных, предназначенных для обмена между процессорами. Требуется использование специализированных коммутаторов для повышения скорости обмена данными между процессорами. Недостатком является также и то, что каждый процессор может использовать только ограниченный объем локального банка памяти. С организацией вычислительного процесса в NUMA-системах связана и разработка систем межпроцессорного обмена. Обмен информацией может происходить посредством общей памяти. Но при использовании большого числа процессоров возможны конфликты при доступе к памяти, и это является основным недостатком гибридных систем. Возможна также организация межпроцессорного обмена по принципу близкодействия, но в этом случае необходимо ввести операции транзитного обмена, что снижает производительность системы.

Данные методы межпроцессорного обмена не требуют больших затрат на оборудование, однако либо ограничивают пропускную способность, либо не обеспечивают полноту межпроцессорных соединений. Альтернативным вариантом является использование коммутационных структур с параллельной настройкой.

Построение коммутационных систем с параллельной идентификацией

Для повышения скорости обмена информацией в сетях передачи данных и многопроцессорных вычислительных системах предлагается использовать методы параллельной обработки каналов данных на фоне передачи информации в многозвенных коммутационных системах (КС), работающих в пачечном режиме коммутации.

К методам параллельной обработки относятся:

— параллельная идентификация свободных каналов данных;

— параллельный поиск свободных каналов связи [1].

Метод параллельной идентификации свободных каналов данных позволяет производить настройку КС на фоне передачи информации.

Для осуществления метода параллельной идентификации свободных каналов данных разработана ячейка коммутации для многозвенной КС, позволяющая производить настройку КС на фоне передачи информации [2]. Для этого в структуру ячейки введён элемент, позволяющий блокировать поступление параллельных идентификаторов на вход ячейки в промежуток времени, когда ячейка участвует в передаче информации. Это сделано для того, чтобы исключить возможность произвольного разрыва канала связи. Существующие ячейки коммутации позволяют проводить параллельную настройку, но только последовательным методом, т. к. существует вероятность разрыва установленного соединения, если в момент передачи информации на входы ячейки вновь поступят многоразрядные коды. Структурная схема ячейки коммутации представлена на рис. 1.

Ячейка состоит из четырёх основных блоков - элемента сравнения, коммутационного узла, коммутационного элемента и элемента запрета. Элемент сравнения служит для поразрядного сравнения имени линии, к которой подключена коммутационная ячейка (П3), и поступающего на вход параллельного идентификатора (П4).

Рис. 1. Структурная схема ячейки коммутации КС с параллельной идентификацией каналов данных: ЭС - элемент сравнения; КУ - коммутационный узел; КЭ - коммутационный элемент; ЭЗ - элемент запрета; ПО - начало работы ячейки; П1 - начало передачи информации; П2 - потенциал разборки каналов связи; П3, П4 - подача настроечных кодов; И1, И2, И3, И4 - шины передачи информации

Коммутационный узел регистрирует положительные результаты сравнения, а если результат в одном из разрядов отрицателен, элемент сравнения переходит в обратное состояние и больше не регистрирует положительные результаты сравнения до конца цикла настройки. При получении внешних сигналов и в случае равенства поступающих кодов коммутационный узел включает коммутационный элемент.

Коммутационный элемент позволяет образовать канал связи через данную ячейку, соединив через себя вход с выходом ячейки коммутации. Управляющие входы необходимы для начальной подготовки ячейки коммутации, а также для установления и разрыва канала связи.

При дальнейшей разработке функциональной схемы ячейки коммутации необходимо учесть следующие требования:

— число элементов в ячейке коммутации должно быть минимальным;

— ячейка коммутации должна быть универсальной в использовании, т. е. подходить для применения в коммутационных блоках (КБ) входного, выходного и промежуточного каскадов;

— во время передачи информации ячейка должна быть недоступна для параллельных идентификаторов, поступающих на её входы.

Функциональная схема данной ячейки представлена на рис. 2. В качестве элемента сравнения может быть использован элемент «сложение по модулю 2» или «исключающее ИЛИ». Коммутационный узел включает в себя элементы И3, триггер 1, ИЛИ 5. В качестве КЭ выступают логические элементы И6, И7. Элемент запрета состоит из триггера 2 и логического элемента ИЛИ 8.

Рис. 2. Функциональная схема ячейки коммутации КС с параллельной идентификацией каналов данных

Поиск свободных ячеек коммутации осуществляется в контроллерах, в памяти которых хранятся сведения, представленные в виде массива данных о свободных и занятых ячейках коммутации.

Построение коммутационных систем с параллельным поиском каналов связи

В отличие от метода параллельной идентификации алгоритм параллельного поиска реализуется в самой КС, поэтому структура коммутационного поля КС с параллельным поиском сложнее. Коммутационные блоки и ячейки коммутации входного, промежуточного и выходного каскадов построены по разным принципам. Самое сложное построение имеет ячейка коммутации промежуточного каскада.

Трёхкаскадная КС с параллельным поиском каналов связи имеет три режима работы: режим настройки, под которым подразумевается процесс установления соединений, режим передачи пакетов и режим разборки каналов связи [3]. Разборка каналов связи происходит динамически как во время передачи, так и во время настройки. При этом настройка новых каналов связи и разборка старых может происходить параллельно с процессом передачи пакетов по установленным каналам связи.

Каждый такт настройки выполняется за два полутакта. В течение первого производится поиск каналов связи через блоки промежуточного каскада к блокам входного каскада. Во время второго полутакта производится поиск каналов связи к конкретным входам в блоках входного каскада и образование ветвящихся в блоках промежуточного каскада соединений.

Поиск и фиксация каналов связи в режиме настройки осуществляются в трёхкаскадной КС под воздействием команд коммутации и управляющих сигналов, появляющихся на соответствующих управляющих входах системы. Команда коммутации представляет собой пару ^, p), которая идентифицирует тот информационный вход КС, с которым необходимо соединить соответ-

ствующий выход. Совокупность пар (х, р) представляет собой программу коммутации, которая хранится в буферных оперативных запоминающих устройствах КБ выходного каскада. Команды коммутации считываются параллельно на выходы КС, свободные от передачи информации.

Параллельный поиск производится методом последовательного перебора всех возможных каналов связи между двумя устройствами до тех пор, пока не будет найден свободный промежуточный путь. Для организации последовательного перебора в начальный момент поиска триггеры, расположенные в главной диагонали выходного КБ, устанавливаются в единичное состояние. Таким образом, первый выход выходного КБ будет подключен к первому КБ промежуточного каскада, второй выход - ко второму КБ промежуточного каскада. Последний выход будет подключен к соответствующему КБ промежуточного каскада.

Каждая команда коммутации по каналам связи, образовавшимся в результате включения триггеров главной диагонали, поступает на выходы КБ промежуточного каскада. В промежуточном каскаде производится сравнение первых элементов пар и номеров КБ входного каскада. Номера входных блоков входного каскада поступают на входы КБ промежуточного каскада из постоянного запоминающего устройства номеров, подключенных к каждому входу КБ промежуточного каскада. Сравнение происходит в узле сравнения ячейки коммутации КБ промежуточного каскада (рис. 3).

Узел сравнения состоит из сумматора 47 по модулю два (исключающее ИЛИ), элементов И 48 и 50 и элемента ИЛИ 49.

49

47

по (П2;

50

48

Рис. 3. Функциональная схема узла сравнения

В ячейках КБ промежуточного каскада, в которых произошло сравнение первого элемента команды коммутации, пришедшего с выходного блока, и номера, пришедшего из постоянного запоминающего устройства, образуется предварительный канал связи. Но из двоек, поступивших на промежуточный каскад, первые элементы могут быть равны, а вторые - нет. Из таких двоек необходимо выбрать одну для фиксации каналов связи. В КС с параллельным поиском предполагается, что выбирается двойка с меньшим по своей величине вторым элементом. Канал связи, указанный такой двойкой, фиксируется, а второй элемент соответствующей двойки пропускается на сравнение во входной КБ.

Во входном КБ в каждой ячейке производится сравнение второго элемента соответствующей команды коммутации и номера входа, поступающего из постоянного запоминающего устройства, подключенного к соответствующему входу. В ячейках, где произошло сравнение, фиксируется канал связи. Для того чтобы зафиксировать канал связи в КБ выходного каскада из КБ промежуточного каскада, выдается сигнал фиксации. После этого происходит переход ко второму шагу поиска канала связи. Для этого производится сдвиг на следующую диагональ. При этом ячейки выходного каскада, в которых зафиксирован канал связи, в поиске не участвуют. Процедура поиска по побочным диагоналям выполняется точно так же, как и по главной диагонали. Отличием является то, что в поиске не участвуют команды коммутации, для которых каналы связи уже найдены.

После установления всех необходимых соединений в КС начинается фаза передачи информации. При этом информация передается только в одном направлении - от информационных входов системы к ее выходам.

Для завершения полного процесса поиска и фиксации всех требуемых каналов связи необходимо выполнить столько шагов настройки, сколько существует различных каналов связи между входами и выходами через промежуточный каскад КС. Это число рано У. Для неблокируемой трехкаскадной КС по крайней мере один из них будет не заблокирован независимо от того, в каком порядке производится поиск этих каналов.

Как только из центрального управляющего устройства поступает сигнал о разрыве соединения между конкретным входом и конкретным выходом, на управляющий вход поступает импульс разборки канала связи. Узел разборки каналов связи (рис. 4) состоит из элемента И 51, элемента задержки 52 на один такт (Б-триггера) и элемента ИЛИ 53. Входы узла разборки каналов связи обозначены через 54-57, а выходы - 58.

52

53

57

Рис. 4. Функциональная схема узла разборки каналов связи

По сигналу из центрального управляющего устройства на свободные выходы системы выдаётся следующий набор команд коммутации из буферных оперативных запоминающих устройств. Так начинается новая фаза настройки КС.

Принципы построения многозвенных коммутационных систем с параллельной настройкой

За счёт многозвенности КС удаётся уменьшить число ячеек коммутации в КС с большим количеством входов и выходов.

Многозвенная (многокаскадная) КС с параллельной настройкой содержит нечётное число звеньев: входное, промежуточное и выходное. Каждое звено многозвенной КС с параллельной идентификацией свободных каналов данных содержит КБ (на рис. 5 они обозначены 1...Х, 1...Я и 1.Х). Коммутационные блоки всех звеньев содержат ячейки коммутации.

Промежуточные каскады

Выходной каскад

Рис. 5. Структурная схема многозвенной КС с параллельной настройкой

Для обеспечения полнодоступности и неблокируемости многозвенного коммутационного поля с параллельной настройкой необходимо соблюдение критерия Пола. Суть данного критерия состоит в том, что число выходов каждого КБ входного каскада, а следовательно, и число КБ в промежуточном каскаде должно быть не менее Я = 2р-1, где р - число входов в КБ входного каскада.

Например, если КС имеет 2048 входов и 2048 выходов и должна состоять из 5 звеньев, то входное и выходное звенья системы будут иметь по 128 КБ размерностью 16 х 64 и 64 х 16 соответственно. Второе и четвёртое звенья будут состоять из 64 КБ размерностью 128 х 128. Промежуточное звено системы состоит из 256 КБ размерностью 128 х 128.

К выходам КС подключены контроллеры. Все они связаны между собой общей шиной, предназначенной для обмена информацией, и соединены с единым для всей системы устройством управления (рис. 6).

Промежуточные каскады

Рис. 6. Структурная схема многозвенной КС с параллельной идентификацией

свободных каналов данных

Устройство управления обеспечивает функционирование коммутационного поля с параллельной идентификацией каналов связи. В качестве устройства управления может быть выбран автомат с жёсткой логикой.

Заключение

В сетях передачи данных и многопроцессорных вычислительных системах для связи устройств используются КС с последовательной настройкой и КС с параллельной настройкой, работающие в разовом режиме коммутации. Пропускная способность КС с параллельной настройкой, работающих в пачечном режиме, больше пропускной способности КС с последовательной настройкой в 2,5 раза и в 2 раза больше пропускной способности КС, использующих разовый режим коммутации [4]. Для реализации пачечного режима коммутации в КС с параллельной настройкой предлагаются принципы построения ячеек и блоков коммутации, на основе которых можно строить многозвенные КС.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Барабанова Е. А., Мальцева Н. С. Многокаскадные коммутационные системы с параллельной настройкой // Научно-технические ведомости СПбГПУ. - 2007. - № 1-4 (52). - С. 118-121.

2. Пат. на изобретение 2359313 Рос. Федерация, МПК С06Г 7/00. Трёхкаскадная коммутационная система / Жила В. В., Барабанова Е. А., Мальцева Н. С (ЯИ). - № 2007107780/09; заявл. 01.03.2007; опубл. 20.06.2009; бюл. № 17.

3. Пат. на полезную модель 73568 Рос. Федерация, МПК Н03К17/04. Ячейка коммутации для многокаскадной коммутирующей системы / В. В. Жила, Н. С. Мальцева, Е. А. Барабанова (ЯИ). -№ 2007147277/22; заявл. 18.12.07; опубл 20.05.08.

4. Барабанова Е. А., Мальцева Н. С. Имитационное моделирование коммутационных систем // Вестн. Астра-хан. гос. техн. ун-та. Сер.: Управление, вычислительная техника и информатика. - 2009. - № 1. - С. 146-150.

Статья поступила в редакцию 14.05.2010

AUFBAU PRINCIPLES OF SWITCHING SYSTEMS WITH SHUNT TUNING

E. A. Barabanova, N. S. Maltseva

Aufbau principles of multilink switching systems with shunt tuning, which can be used in data networks and multiprocessor computation systems, are considered in the paper. The object of the research is switching blocks and cells of switching of multilink switching system with parallel search and parallel identification.

Key words: multilink switching system, parallel searching, switching cell, comparison node, disassembly node, switching block.