Після того, як технологія комутації привернула загальну увагу і отримала високі оцінки фахівців, багато компаній зайнялися реалізацією цієї технології у своїх пристроях, застосовуючи для цього різні технічні рішення. Багато комутатори першого покоління були схожі на маршрутизатори, тобто грунтувалися на центральному процесорі загального призначення, пов'язаному з інтерфейсними портами по внутрішній швидкісний шині (рисунок 4.1). Проте, це були скоріше пробні пристрої, призначені для освоєння самої компанії технології комутації, а не для завоювання ринку.
Рис. 4.1. Комутатор на процесорі загального призначення
Основним недоліком таких комутаторів була їхня низька швидкість. Універсальний процесор ніяк не міг впоратися з великим обсягом спеціалізованих операцій з пересилання кадрів між інтерфейсними модулями.
Для прискорення операцій комутації потрібні були спеціалізовані процесори зі спеціалізованими засобами обміну даними, як у першому комутаторі Kalpana, і вони незабаром з'явилися. Тепер комутатори використовують замовні спеціалізовані БІС, які оптимізовані для виконання основних операцій комутації. Часто в одному комутаторі використовується кілька спеціалізованих БІС, кожна з яких виконує функціонально закінчену частину операцій.
В даний час комутатори використовують в якості базової одну з трьох схем взаємодії своїх блоків або модулів:
комутаційна матриця; колективна багатовхідних пам'ять; загальна шина.Часто ці три способи взаємодії комбінуються в одному комутаторі.
Комутатори на основі комутаційної матриціКомутаційна матриця - основний і найшвидший спосіб взаємодії процесорів портів, саме він був реалізований у першому промисловому комутаторі локальних мереж. Проте, реалізація матриці можлива тільки для обмеженої кількості портів, причому складність схеми зростає пропорційно квадрату кількості портів комутатора (рисунок 4.2).
Рис. 4.2. Комутаційна матриця
Більш детальне представлення одного з можливих варіантів реалізації комутаційної матриці для 8 портів дано на малюнку 4.3. Вхідні блоки процесорів портів на підставі перегляду адресної таблиці комутатора визначають за адресою призначення номер вихідного порту. Цю інформацію вони додають до байтам вихідного кадру у вигляді спеціального ярлика - тега (tag). Для даного прикладу тег представляє просто 3-х розрядне двійкове число, що відповідає номеру вихідного порту.
Рис. 4.3. Реалізація комутаційної матриці 4х4 з допомогою двійкових перемикачів
Матриця складається з трьох рівнів двійкових перемикачів, які з'єднують свій вхід з одним з двох виходів в залежності від значення біта тега. Перемикачі першого рівня управляються перший бітом тега, другого - другим, а третім - третім.
Матриця може бути реалізована і по-іншому, на підставі комбінаційних схем іншого типу, але її особливістю все одно залишається технологія комутації фізичних каналів. Відомим недоліком цієї технології є відсутність буферизації даних усередині комутаційної матриці - якщо складений канал неможливо побудувати через зайнятість вихідного порту або проміжного комутаційного елемента, то дані повинні накопичуватися в їх основі, в даному випадку - у вхідному блоці порту, який прийняв кадр.
Комутатори із загальною шиноюКомутатори із загальною шиною використовують для зв'язку процесорів портів високошвидкісну шину, яка використовується в режимі поділу часу. Ця архітектура схожа на зображену на малюнку 4.1 архітектуру комутаторів на основі універсального процесора, але відрізняється тим, що шина тут пасивна, а активну роль виконують спеціалізовані процесори портів.
Приклад такої архітектури наведено на малюнку 4.4. Для того, щоб шина не була вузьким місцем комутатора, її продуктивність повинна бути принаймні в N / 2 разів вище швидкості надходження даних у вхідні блоки процесорів портів. Крім цього, кадр повинен передаватися по шині невеликими частинами, по кілька байт, щоб передача кадрів між кількома портами відбувалася в псевдопаралельною режимі, не вносячи затримок в передачу кадру в цілому. Розмір такої комірки даних визначається виробником комутатора. Деякі виробники, наприклад, LANNET (зараз підрозділ компанії Madge Networks), вибрали як порції даних, які переносяться за одну операцію по шині, осередок АТМ з її полем даних у 48 байт. Такий підхід полегшує трансляцію протоколів локальних мереж до протоколу АТМ, якщо комутатор підтримує ці технології.
Рис. 4.4. Архітектура загальної шини
Вхідний блок процесора поміщає в клітинку, стерпну по шині, тег, в якому вказує номер порту призначення. Кожен вихідний блок процесора порту містить фільтр тегів, який вибирає теги, призначені даного порту.
Шина, так само як і комутаційна матриця, не може здійснювати проміжну буферизацію, але так як дані кадру розбиваються на невеликі осередки, то затримок з початковим очікуванням доступності вихідного порту в такій схемі немає.
Комутатори з пам'яттю, щоТретя базова архітектура взаємодії портів - двухвходових колективна пам'ять. Приклад такої архітектури наведено на малюнку 4.5.
Рис. 4.5. Архітектура пам'яті, що розділяється
Вхідні блоки процесорів портів з'єднуються з перемиканим входом пам'яті, що розділяється, а вихідні блоки цих же процесорів з'єднуються з перемиканим виходом цієї пам'яті. Перемиканням входу і виходу пам'яті, що розділяється управляє менеджер черг вихідних портів. У пам'яті, що розділяється менеджер організовує кілька черг даних, по одній для кожного вихідного порту. Вхідні блоки процесорів передають менеджеру портів запити на запис даних в чергу того порту, який відповідає адресі призначення пакета. Менеджер по черзі підключає вхід пам'яті до одного з вхідних блоків процесорів і той переписує частину даних кадру в чергу певного вихідного порту. У міру заповнення черг менеджер виробляє також почергове підключення виходу пам'яті, що розділяється до вихідних блокам процесорів портів, і дані з черги переписуються у вихідний буфер процесора.
Пам'ять повинна бути досить швидкодіючою для підтримки швидкості перепису даних між N портами комутатора. Застосування загальної буферної пам'яті, гнучко распределяемой менеджером між окремими портами, знижує вимоги до розміру буферної пам'яті процесора порту.
Комбіновані комутаториУ кожної з описаних архітектур є свої переваги і недоліки, тому часто в складних комутаторах ці архітектури застосовуються в комбінації один з одним. Приклад такого комбінування наведено на малюнку 4.6.
Комутатор складається з модулів з фіксованою кількістю портів (2 - 8), виконаних на основі спеціалізованої БІС (ASIC), що реалізує архітектуру комутаційної матриці. Якщо порти, між якими потрібно передати кадр даних, належать одному модулю, то передача кадру здійснюється процесорами модуля на основі наявної в модулі комутаційної матриці. Якщо ж порти належать різним модулів, то процесори спілкуються по загальній шині. При такій архітектурі передача кадрів усередині модуля буде відбуватися частіше всього швидше, ніж при міжмодульних передачі, так як комутаційна матриця - найбільш швидкий, хоча і найменш масштабований спосіб взаємодії портів. Швидкість внутрішньої шини комутаторів може досягати декількох Гб / c, а у найбільш потужних моделей - до 10 - 14 Гб / с.
Рис. 4.6. Комбінування архітектур комутаційної матриці і загальної шини
Можна уявити й інші способи комбінуванні архітектур, наприклад, використання для взаємодії модулів пам'яті, що розділяється.
Модульні й стекові комутаториУ конструктивному відношенні комутатори діляться на:
автономні комутатори з фіксованою кількістю портів; модульні комутатори на основі шасі; комутатори з фіксованою кількістю портів, що збираються в стек.Перший тип комутаторів зазвичай призначений для організації невеликих робочих груп.
Модульні комутатори на основі шасі частіше за все призначені для застосування на магістралі мережі. Тому вони виконуються на основі якої-небудь комбінованої схеми, в якій взаємодія модулів організовується за швидкодіючої шині або ж на основі швидкої поділюваної пам'яті великого обсягу. Модулі такого комутатора виконуються на основі технології "hot swap", тобто допускають заміну на ходу, без виключення комутатора, так як центральне комунікаційне пристрій мережі не повинно мати перерв у роботі. Шасі зазвичай забезпечується резервованим джерелами живлення і резервувати вентиляторами, в тих самих цілях. У цілому такі комутатори нагадують маршрутизатори вищого класу або корпоративні багатофункціональні концентратори, тому іноді вони включають крім модулів комутації та модулі повторювачів або маршрутизатров.
З технічної точки зору певний інтерес представляють стекові комутатори. Ці пристрої являють собою комутатори, які можуть працювати автономно, так як виконані в окремому корпусі, але мають спеціальні інтерфейси, які дозволяють їх об'єднувати в загальну систему, яка працює як єдиний комутатор. Кажуть, що в цьому випадку окремі комутатори утворюють стек.
Зазвичай такий спеціальний інтерфейс являє собою високошвидкісну шину, яка дозволяє об'єднати окремі корпуси подібно модулями в комутаторі на основі шасі. Оскільки відстані між корпусами більше, ніж між модулями на шасі, швидкість обміну по шині зазвичай нижче, ніж у модульних комутаторів: 200 - 400 Мб / c. Не дуже високі швидкості обміну між комутаторами стека зумовлені також тим, що стекові комутатори зазвичай займають проміжне положення між комутаторами з фіксованою кількістю портів і комутаторами на основі шасі. Стекові комутатори застосовуються для створення мереж робочих груп і відділів, тому надвисокі швидкості шин обміну їм не дуже потрібні і не відповідають їх цінового діапазону.
Структура стека комутаторів, що з'єднуються по швидкісних спеціальним портів, показана на малюнку 4.7.
Рис. 4.7. Стек комутаторів, що об'єднуються за високошвидкісним каналам
Компанія Cisco запропонувала інший підхід до організації стека. Її комутатор Catalyst 3000 (раніше називався EtherSwitch Pro Stack) також має спеціальний швидкісний інтерфейс 280 Мб / с для організації стека, але з його допомогою комутатори з'єднуються не один з одним, а з окремим пристроєм, що містить комутаційну матрицю 8 (8, організуючу більш високопродуктивний обмін між якими парами комутаторів.