Коммутатор Баньяна 8х8 линий. Разработка схемы управления

• Название: Коммутатор Баньяна 8х8 линий. Разработка схемы управления
• Дата: 17.11.2020
• Размер: 0.8 Mb.
• Имя файла: 3727_Rnh.doc
• Тип: Пояснительная записка; #151380

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

Учреждение образования

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНФОРМАТИКИ И РАБИОЭЛЕКТРОНИКИ

Кафедра «Сетей и устройств телекоммуникаций»

Пояснительная записка к курсовому проекту по курсу «Системы коммутации» на тему:

«Коммутатор Баньяна 8х8 линий. Разработка схемы управления»

Выполнила: Проверил:

студент гр. 863001 Лапшин С.М.

Житкевич И.В.

Минск 2011

СОДЕРЖАНИЕ:

Введение……...……….………………………...………….…………………3

1. Классификация ЦКП.……........................................................................5

2.Обоснование структуры проектируемого коммутатора Баньяна….7

3.Обоснование выбора элементарной базы проектируемого коммутатора Баньяна………………………………………………………..10

4.Разработка принципиальной схемы коммутатора Баньяна ………11

5.Процесс установления соединения в коммутатора Баньяна ……...12

Заключение…………………………………………………………………14

Литература…………………….……………………………………………15

ВВЕДЕНИЕ

Цифровые системы коммутации, наряду с цифровыми системами передачи, являются важнейшими элементами современных сетей телекоммуникаций.

В зависимости от способа коммутации различают цифровые системы коммутации каналов, пакетов и сообщений. Несмотря на существенные различия данных технологий распределения информации, коммутационные системы, их реализующие, имеют много общего в принципах построения и функционирования. Коммутационные системы современных узлов коммутации каналов и пакетов строятся на основе многозвенных коммутационных схем, основу которых составляют однозвенные коммутационные блоки. Построение многозвенных коммутаторов является эффективным средством уменьшения структурной сложности и стоимости коммутационной системы за счет сокращение числа промежуточных путей между входами и выходами.

Необходимым условием успешного построения и развития инфокоммуникаций является цифровизация телекоммуникационного оборудования – взаимосвязанных систем представления, хранения, обработки, передачи и распределения информации. Ближайшей перспективой эволюции техники связи в данном направлении является переход от аналоговых и гибридных аналого-цифровых сетей связи к цифровым сетям с интеграцией служб (ЦСИС).

В интересах построения ЦСИС цифровизация не сводится лишь к переходу от аналоговых методов передачи и распределения информации к цифровым, но представляет значительно более фундаментальное преобразование, которое касается в первую очередь телекоммуникационных и инфокоммуникационных технологий, структуры сетей, а также принципов управления и технической эксплуатации. Каждое из указанных направлений является самостоятельной областью развития техники связи и информатики, гармонично связанной с другими областями и проникающей в них.

Так, телекоммуникационные технологии охватывают сети и системы распределения информации, а также преобразование и обработку сигналов – носителей информации в интересах эффективной передачи информации между абонентами (пользователями) сети в условиях требуемых уровней качества и защиты от несанкционированного доступа. Инфокоммуникации расширяют данное представление, интегрируя в телекоммуникационные структуры элементы хранения, обработки и представления информации, варианты доступа к которой предоставляются пользователям в виде услуг и поддерживаются соответствующими службами сети. ЦСИС в этом смысле рассматривается как часть инфокоммуникационной структуры с акцентом на технологии передачи и распределения информации. Переход от технологии коммутации каналов к технологии коммутации пакетов, осуществляемый в ЦСИС, – лишь небольшая, но важная ступень в процессе развития телекоммуникаций.

В данном курсовом проекте будут рассмотрены принципы построения и функционирования коммутационного поля на основе коммутатора Баньяна.

1.Классификация ЦКП.

Модульное построение современных цифровых коммутационных систем позволяет использовать их в качестве любой станции или узла связи. В ЦСК выделяют основную, неизменную часть оборудования, добавление к которой дополнительного оборудования позволяет получить любую станцию сети связи. Аналогично систему коммутации ЦСК можно разделить на основное цифровое КП и дополнительные коммутационные элементы, которые обеспечивают концентрацию абонентской нагрузки, создание групповых трактов или преобразование цифровых потоков. В данной главе будут рассматриваться структуры основных цифровых КП.

С учетом симметричности и модульности построения все множество синхронных цифровых КП с функциональной полнотой коммутации можно разделить на пять классов. В каждом классе можно выделить базовую структуру и подструктуры, образованные добавлением до­полнительных коммутационных элементов с предварительным мультиплексированием (MUX) и последующим демультиплексированием (DMUX) цифровых групповых трактов.

1. Базовая структура: S*k-T*r-S*k.
Подструктура: MUX-S*k-T*r-S*k-DMUX.

Особенностью поля является наличие S-ступени в первом и последнем звене, порядок следования Т- и S-ступеней внутри поля - произвольный с соблюдением правил симметрии.

2. Базовая структура: T*k-S*r-T*k.
Подструктура: MUX –T*k-S*r- Т* к- DMUX.

Особенностью поля является наличие Т-ступени в первом и последнем звене, порядок следования Т- и S- ступеней внутри поля - произвольный с соблюдением правил симметрии.

3. 
   Базовая структура: S/T* k-S*r-S/T* к. Подструктура: MUX - S/T * k-S *r-S/T* к- DMUX.
   
4. 
   Базовая структура: S/T * к. Подструктура: MUX-S/T*k-DMUX.
   
5. 
   Кольцевые цифровые коммутационные поля.
   

Хотя кольцевые КП строятся на S/T-ступенях (кольцевых соединителях), и по сути являются разновидностью полей 4 класса, но ввиду их важности и особенностей построения принято выделять их в отдельный класс.

Определение оптимальных форм сочетания временных и пространственных ступеней коммутации - сложная проблема, которая не может быть решена отдельно от других задач, возникающих при построении цифровых КП: построение систем управления и группообразования, выбор способов коммутации (параллельный или последовательный), оптимизация соотношения между временной и пространственной ступенями коммутации и др.

При построении ЦСК большой емкости необходимо принимать во внимание, что при уменьшении временной ступени коммутации могут возникнуть следующие проблемы:

• 
  сложность обеспечения заданного качества обслуживания абонентов при превышении нормативной нагрузки из-за отсутствия свободных временных каналов исходящих линий, согласованных во времени с соответствующими свободными каналами входящих линий;
  
• 
  трудность обеспечения поступления ИКМ сигналов на элементы коммутации S-ступени в строго определенные моменты времени, кратные циклу 125 мкс.
  

Исходя из этого, а также с учетом стремительного развития полупроводниковых БИС, становится выгодным строить ЦКП с полной временной и уменьшенной пространственной ступенями коммутации. При этом на временную ступень возлагаются задачи не только по временному сдвигу коммутируемых сигналов, но и по синхронизации, выравниванию времени распространения сигналов по линии связи, а также уменьшению внутренних блокировок.

2.Обоснование структуры проектируемого коммутатора Баньяна.

В Баньяновидной сети NN n-й каскад выбирает направление передачи ячейки по n-му биту выходного адреса. При N=2ⁿ такая сеть состоит из (N/2)\log N элементарных двоичных кроссов. Сети MIN способны автоматически обновлять таблицы маршрутизации (т.е. имеют свойство самомаршрутизации), в случае если выходной адрес полностью определяет маршрут следования ячейки через сеть.

Популярность Баньяновидных сетей объясняется использованием простых коммутационных элементов для обеспечения процесса коммутации; при этом ячейки передаются параллельно и все элементы действуют с одной и той же скоростью (так как нет дополнительных ограничений на размер N или скорость V). При создании больших коммутаторов указанные свойства позволяют легко реализовать модульный рекурсивный подход на уровне аппаратных средств.

Отрицательным свойством Баньяновидных сетей является их принадлежность к блокирующим схемам, причем вероятность блокировки ячейки при ее маршрутизации быстро возрастает с ростом сети [8]. Очевидно, что в таких сетях существует единственный путь с любого входного порта на любой выходной. Регулярные Баньяновидные сети используют только один тип коммутационных элементов. В их разновидности (так называемых SW-Баньяновидных сетях) вероятность блокировки ячеек удается уменьшить, применяя кроссы больших размеров, — они строятся рекурсивно из коммутационных элементов размером LМ, где L>2 и М>2.

Дельта-сети представляют собой подкласс SW - Баньяновидных сетей и обладают свойством самомаршрутизации. Существует несколько типов дельта-сетей: прямоугольная (кроссы имеют одинаковое число входов и выходов), базовая (baseline), омега, флип, куб, обратный куб и др. Сеть дельта-b размером NN содержит log_bN каскадов, причем каждый каскад состоит из N/b коммутационных элементов bЬ.

Как уже говорилось, число точек коммутации в Баньяновидных сетях меньше N², что может приводить к конфликту маршрутов двух ячеек, адресованных на разные выходные порты. При возникновении подобной ситуации, именуемой внутренней блокировкой, лишь одна из двух ячеек способна достичь следующего каскада, а в результате общая производительность снижается.

Одно из решений проблемы состоит в добавлении специальной сети предварительной сортировки (например, так называемого сортировщика Батчера), которая направляет ячейки в Баньяновидную сеть. Сортировщик позволяет избежать блокировок при адресации ячеек на различные выходные порты, но если они одновременно адресуются на один и тот же выход, единственным решением становится буферизация [1,4].

Для повышения избыточности следует включать в состав Баньяновидных сетей дополнительные коммутационные элементы и каскады, избыточные и альтернативные соединения либо увеличивать число входных и выходных портов. Платой за это становится усложнение как схем буферизации и маршрутизации, так и средств управления [8]

Независимо от конкретной разновидности все NN многоканальные структуры обладают следующими основными свойствами:

• 
  существует единственный путь, соединяющий входной канал с выходным;
  
• 
  установление соединений может быть осуществлено децентрализовано с использованием процедуры самомаршрутизации;
  
• 
  во всех сетях возможно одновременное установление не более N соединений;
  
• 
  структура сети является регулярной, что удобно для реализации на СБИС;
  
• 
  структура является модульной, что позволяет строить большие сети без необходимости модификации физической компоновки или алгоритмов.
  

Основной недостаток такой структуры заключается в наличии внутренних блокировок, что снижает пропускную способность коммутатора.

Структура дельта-коммутатора представлена на рисунке 1



Рисунок 1. Структура дельта-коммутатора
3. Обоснование выбора элементарной базы проектируемого коммутатора Баньяна

Прямоугольная дельта-система (ДС) емкостью NxN (N входов и N выходов) состоит из K каскадов (звеньев):
K = log_SN= log₂8=3 , (1)
Каждый из которых содержит по M коммутационных элементов (КЭ), емкостью SxS каждый:
M = N/S=8/2=4 . (2)
Вероятность блокировки пакета в ДС определяется как вероятность блокировки в последовательном соединении K коммутационных элементов:
P = 1- (1- P_E)^K , (3)

Где P_E — вероятность блокировки пакета в КЭ.

4.Разработка принципиальной схемы коммутатора Баньяна
Каждый коммутационный элемент состоит из двух мультиплексоров, а управляет работой мультиплексоров D-триггер с инвертирующим элементом. D-триггер выполняет функцию генератора тактовых импульсов (вход С), так же на него поступают адресные данные в виде трехбитового слова (вход D). Так как у коммутационного элемента 2 входа и 2 выхода, тогда нам нужен мультиплексор 2 в 1. Так как такие мультиплексоры не производят, его можно построить на элементах И и ИЛИ.

Таблица состояний коммутационного элемента:

	X1	X2	A	Z1	Z2
MUX1	0 0 1 1	0 1 0 1	0 0 0 0	0 0 1 1	0 1 0 1
MUX2	0 0 1 1	0 1 0 1	1 1 1 1	0 1 0 1	0 0 1 1

Рисунок 2. Структурная схема коммутационного элемента

Принципиальная схема коммутатора Баньяна приведена в приложении.
5. Процесс установления соединения в коммутаторе Баньяна
Передаваемый пакет в своем заголовке содержит трехразрядный двоичный номер узла назначения. Данная сеть относится к сетям с самомаршрутизацией (self-routing), поскольку адрес пункта назначения не только определяет маршрут сообщения к нужному узлу, но и используется для управления прохождением сообщения по этому маршруту. Каждый БКЭ, куда попадает пакет, просматривает один бит адреса и в зависимости от его значения направляет сообщение на выход 0 или 1. Состояние элементов первой ступени сети (левый столбец БКЭ) определяется старшим битом адреса узла назначения. Средней ступенью (второй столбец) управляет средний бит адреса, а третьей ступенью (правый столбец) - младший бит. Если значение бита равно 0, то сообщение пропускается через верхний выход БКЭ , а при единичном значении — через нижний. Адрес узла назначения содержится в заголовке сообщения.

Рисунок 3 показывает пример соединения в Баньян сети 88, где темные линии отражают передающие пути. С правой стороны адрес каждого выходного сигнала обозначен как ряд n-битов, b₁...b_n. Адрес ячейки сигнала закодирован в заголовке ячейки. На первом уровне проверяется бит b₁, если это 0, ячейка будет выдвинута на высший, исходящий уровень; если это 1,то ячейка отправляется на низший уровень. На следующем уровне проверяется бит b₁, передача сигнала происходит аналогично.


Рисунок 3. Баньян сеть 88
Внутренняя блокировка происходит в случае когда ячейка потеряна из-за конфликтных ситуаций на уровне сети. Рисунок 3.3 приводит пример внутренней блокировки внутри Баньян сети 8x8. Тем не менее, Баньян сеть не будет иметь внутренних блокировок, если будут соблюдены следующие условия:

• 
  Нет свободного входного сигнала между любыми двумя активными входами.
  
• 
  Выходные адреса ячеек находятся либо в прямом, либо в обратном порядке.
  

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данном курсовом проекте был разработан коммутатор Баньяна. Актуальностью данной работы является тот факт, что коммутаторы Баньяна часто используются при различных способах коммутации во многих цифровых автоматических телефонных станциях.

Литература

1. 
   Ефимушкин В. Ледовских Т. Коммутация в сетях АТМ // Сети. – №1. – 2000. - С26-31.
   
2. 
   Кучерявый А.Е. Нестеренко В.Д. Парамонов А.И. Стратегия развития сетей связи на основе новых технологий // Электросвязь.– №1 – 2001.- С25-27.
   
3. 
   Назаров А.Н. Разживин И.А., Симонов М.В. АТМ: технические решения создания сетей. – М.: Горячая линия – Телеком.-2001.-216 с
   
4. 
   Назаров А.Н., Симонов М.В. АТМ: технология высокоскоростных сетей. – М.: Эко-Трендз, 1997.– 12с.
   
5. 
   Нейман В.И. Эволюция цифровой техники коммутации // Радио. – №7. – 1997.– С.51-55.
   
6. 
   Нейман В.И. Эволюция цифровой техники коммутации // Радио. –№8.– 1997. – С.54-56.