| Статистика |
Онлайн всего: 1 Гостей: 1 Пользователей: 0 |
|
Однокристальные коммутаторы
ВВЕДЕНИЕ
Сетевая техника связи получает все большее распространение, поддерживаемое появлением сетевых интегральных схем с новыми возможностями. Силиконизация сетевых функций это замена сложных систем коммутаторов, маршрутизаторов и стыковых (edge) процессоров на микросхемные наборы коммутаторов, коммутаторов/маршрутизаторов и сетевых процессоров.
В число сетевых микросхем для установки на печатные платы входят: сетевые процессоры (Network Processors), контроллеры с аппаратной логикой (Hardwired Controllers) и коммутирующие кристаллы для локальных сетей (LAN Switch Chips), коммуникационные процессоры и контроллеры.
Эффективность производства интегральных схем автоматически приводит к снижению удельной стоимости цифровых сетей передачи информации. Кроме того, она приводит к слиянию информационных (Datacom) и телефонных (Telecom) сетей в единую отрасль сетевых технологий и продуктов (Network technology and products), которая конкурирует с индустрией персональных компьютеров, уже превратившейся в недорогой массовый рынок.
Целью данной работы является обзор однокристальных коммутаторов, области их применения, а также развитие этой технологии со стороны интеллектуальных служб. [4]
ГЛОССАРИЙ
ЛКС – локальные компьютерные сети.
Технология Ethernet - пакетная технология передачи данных преимущественно ЛКС.
ASIC (англ. Аpplication-specific Integrated Circuit) - интегральная схема, специализированная для решения конкретной задачи, которая применяется в конкретном устройстве и выполняет строго ограниченные функции, характерные только для данного устройства. Примером ASIC может являться микросхема, разработанная исключительно для управления мобильным телефоном, микросхемы аппаратного кодирования/декодирования аудио- и видео-сигналов.
ATM (англ. Asynchronous Transfer Mode — асинхронный способ передачи данных) - сетевая высокопроизводительная технология коммутации и мультиплексирования, основанная на передаче данных в виде ячеек (cell) фиксированного размера.
LAN (англ. Local Area Network) — компьютерная сеть, покрывающая обычно относительно небольшую территорию или небольшую группу зданий (дом, офис, фирму, институт).
NoC (Network on Chip) – подсистема связи на интегральных схемах.
ГЛОССАРИЙ
Возможности сегментов, относящихся к телефонии (Telecom) и передаче информационных данных (Datacom), уже давно определяются возможностями интегральных схем. Однако особенность нынешнего момента в том, что плотность компоновки и рабочие частоты интегральных схем достигли той точки, когда стали появляться новые классы микросхемно управляемых систем. Тактовые частоты микросхем достигли гигагерцового рубежа, а плотность компоновки превышает 100 миллионов транзисторов в пределах кристалла, особенно в таких специализированных устройствах, как микропроцессоры с памятью на кристалле. И пусть аналогичные параметры сетевых микросхем еще не достигнуты, новые возможности кремниевых технологий проложили путь трём отдельным технологиям (которые в настоящее время объединяются):
- сетевые процессоры, более высокая ступень коммуникационных процессоров/контроллеров; они предназначены для использования в качестве стыковых (edge) процессоров, согласовывающих один конец сетевых соединений с другим. Для управления предварительной обработкой данных они могут компоноваться со специализированными микросхемами или иметь свои собственные коммуникационные устройства, реализованные на том же кристалле. Обычно сетевые процессоры разрабатываются для применения в многопроцессорных конфигурациях. В качестве системы межсоединений в некоторых из таких конфигураций применяются коммутирующие архитектуры (switch fabrics).
- контроллеры с аппаратной логикой и коммутирующие схемы для локальных сетей, эти контроллеры с фиксированным монтажом и микропрограммной логикой могут поддерживать специализированную высокопроизводительную сетевую обработку, маршрутизацию и управление локальными сетями. В эту же группу входят кристаллы матричных коммутаторов, поддерживающие несколько одновременных соединений и обеспечивающие динамическую коммутацию. На базе этих устройств с соответствующей логикой поддержки могут создаваться быстродействующие и недорогие сетевые коммутаторы от простых однокристальных коммутаторов уровня 2 до крупномасштабных коммутаторов, состоящих из нескольких коммутирующих схем и связующей логики, а также из матричных коммутаторов уровня 2 и 3.
- коммуникационные процессоры/контроллеры, эти устройства представляют собой 32-разрядные микропроцессорные ядра, реализованные на одном кристалле с отдельным коммуникационным процессором и обеспечивающие формирование/разборку пакетов и обработку разрядов и полей пакета на аппаратном уровне. Обычно процессоры взаимодействуют друг с другом через разделяемое встроенное двухпортовое ОЗУ. Они не обязательно должны подключаться к одному и тому же тактовому генератору, благодаря чему коммуникационный процессор может работать быстрее, чем микропроцессорное ядро.
Структура однокристальных коммутаторов
Однокристальный коммутатор может осуществлять быстродействующие соединения в рамках управления потоками данных по виртуальным каналам. Коммутатор может назначать виртуальные каналы, которые могут заниматься только пакетами данных, передаваемыми по скоростным маршрутам.
Первым коммуникационным процессором/контроллером, реализованным на одном кристалле, было устройство Motorola 68302, которое в итоге выросло в мощнейший PowerQUICC II на базе PowerPC 603. [1]
Возможности этих кристаллов изменят также структуру и состав сетевых продуктов. В частности, сложность коммутирующих кристаллов для локальных сетей продолжает повышаться и далее и уже захватывает обработку на уровне 2 и 3. По мере роста сложности и возможностей сетевой обработки на уровне кристалла различие между коммутаторами (коммутация элементов локальной сети) и маршрутизаторами (коммутация и маршрутизация в системах из разнородных локальных и/или глобальных сетей) будет становиться все незаметнее.
Рассмотрим кристалл Realtek RTL8181, использованный для создания маршрутизатора GN-B46B (IEEE 802.11b).
 Рисунок 1 – Внешний вид кристалла RTL8181
RTL8181 объединяет на одном кристалле 13 модулей: два контроллера Fast Ethernet — один для WAN, другой — для LAN-интерфейса ( хотя совершенно понятно, что это деление условно); контроллер доступа к среде (MAC) IEEE 802.11b; PCI-мост (необходимый, например, для подключения беспроводных интерфейсов стандартов), два кэша команд и данных по восемь килобайт каждый, RISC-микропроцессор с тактовой частотой 200 МГц; устройство управления памятью (Memory Management Unit, MMU), позволяющее без особых ухищрений использовать для управления устроствами современные многозадачные операционные системы (Linux/Unix), контроллер работоспособности (watchdog), таймер, контроллер управления памятью и дополнительные интерфейсы ввода-вывода и отладки (EJTAG).
Интересно, что контроллер Fast Ethernet обладает продвинутой функциональностью и способен подсчитывать контрольные суммы IP-пакетов, поддерживает виртуальные локальные сети (IEEE 802.1Q) и очереди приоритизацию пакетов (IEEE 802.1P).
Встроенный в кристалл контроллер беспроводной локальной сети содержит цифровой процессор, обеспечивающий формирование и обработку сигнала, и шифрование данных с длиной ключа до 128 бит. WLAN Controller
Среди примеров сетевых процессоров, реализованных на одном кристалле назовём цифровой коммуникационный процессор C-Port C-5 (рисунок 2)
 Рисунок 2- Цифровой коммуникационный процессор C-Port C-5
Иногда для решения проблемы достаточно просто выделить для нее всю вычислительную мощность процессора, особенно если он дешевый. Цифровой коммуникационный процессор C-Port C-5 это 16 канальных процессоров плюс 5 специализированных сопроцессоров на одном кристалле. Данный процессор поддерживает все уровни ISO от 2 до 7.
Архитектура сети на однокристальных коммутаторах
Система на кристалле (однокристальная система) — это в микроэлектронике электронная схема, выполняющая функции целого устройства и размещенная на одной интегральной схеме. Такой принцип объединения применяется в первую очередь потому, что техника требует миниатюризации. А без компактного уплотнения графической карты, процессора и других элементов в одну микросхему в миниатюризации не обойтись: важен каждый миллиметр. Однокристальные системы удобны своей практичной комплектацией: они занимают мало места, но выполняют функцию целого компьютера. Поэтому в будущем очевидно применение систем на кристалле в портативной и автономной технике.
В архитектуре NoC каждое ядро или блок процессора соединён с маршрутизатором, через который происходит его общение с другими блоками. Сами однокристальные коммутаторы объединены в сеть, по которой пакеты данных путешествуют от одного блока к другому, так же как пакеты в обычной компьютерной сети. Это значительно упрощает топологию микросхемы и снимает ограничения по масштабированию — в отличие от шины, множество блоков способно общаться одновременно, не мешая друг другу.
Напрямую перенести логику и протоколы работы интернета внутрь чипа было бы неразумно и неэффективно. Здесь совсем другие технологические ограничения и задачи:
Очень жёсткие требования к задержкам и энергопотреблению. Коммутаторы должны работать с наносекундными задержками и быть очень экономичными. Расходы энергии на передачу данных между блоками составляют значительную часть общего потребления современных чипов.
1. Простота и минимализм. Коммутаторы на чипе должны занимать мало места, а значит не могут иметь сложную логику и большой размер буфера.
2. Параллельное, а не последовательное соединение. На физическом
уровне внутри чипа выгоднее предавать биты не последовательно по одному проводнику, а по 32 или 64 параллельным каналам.
Исследованиями сети на интегральных схемах занимаются ведущие компании и университеты мира.
В апреле 2012 года была опубликована работа группы ученых MIT, которые создали прототип 16-ядерного процессора, в котором были применены специфические для NoC-систем оптимизации — виртуальный обход (virtual bypassing) и сигналы с малой амплитудой (low-swing signaling). Эти технологии позволили приблизиться к теоретическим пределам пропускной способности и задержек и заметно снизить энергопотребление.
Принцип работы однокристального маршрутизатора отличается от обычного маршрутизатора.
Обычный маршрутизатор сохраняет полученный пакет в буфер, анализирует его заголовок и решает, куда его отправить дальше. Virtual bypassing позволяет передать пакет практически без задержек, за счёт того, что заголовок посылается заранее, и коммутатор успевает сделать нужные переключения цепей к тому моменту, как придёт тело пакета. Таким образом, пакет идёт без остановок, минуя буфер. Low-swing signaling — это уменьшение разницы между напряжениями 0 и 1 в проводнике, за счёт чего удалось дополнительно сократить энергопотребление. В сумме эти усовершенствования поднимают пропускную способность и экономичность более чем в полтора раза.
Кроме улучшения таких характеристик, как энергопотребление и скорость, архитектура NoC даёт ещё одно важное преимущество. Она легко позволяет объединять не только однородные ядра, но и вообще любые блоки на одном чипе. Как и в компьютерных сетях, физический и транспортный уровни работают одинаково для любых типов данных и протоколов. Можно без особых проблем поставить на место одного или нескольких из универсальных вычислительных ядер любой другой IP-блок, например, графическое ядро, специализированный сигнальный процессор или контроллер какого-либо устройства. И, так же как и в сетях, можно реализовать поддержку Quality of Service на уровне чипа, что может быть полезно для систем реального времени и виртуализации.
Сравнение выпускаемых аналогов
Quadrics выпустила однокристальный коммутатор MB87Q3140.
Его характеристики:
Высокая степень интеграции: в его состав входят средства, реализующие управление доступом к среде передачи данных (Ethernet Media Access Control, MAC); высокоскоростные интерфейсные макроячейки; ключи с малым временем запаздывания; интерфейс CX4/XAUI SERDES. Благодаря наличию перечисленных компонентов, низкому энергопотреблению и возможности агрегации соединений, коммутатор хорошо подходит для работы в составе высокоскоростной, компактной, эффективной в энергетическом отношении коммуникационной среды, обеспечивающей коммутацию и передачу данных по проводным и оптическим каналам пропускной способностью до 240 Гбит/с.
Vitesse Semiconductor выпустила однокристальный коммутатор G-RocX VSC7501.
Его характеристика:
В состав G-RocX VSC7501 входит 6-портовый коммутатор GbE, маршрутизатор и интерфейс физического уровня, рассчитанный на прием и передачу данных о медным проводным линиям с пропускной способностью 10, 100 и 1000 Мбит/с. Кроме того, микросхема содержит согласующие резисторы, цепи ФАПЧ, блок трансляции адресов (Hardware Network Address Translation, HNAT), универсальный асинхронный приемопередатчик (UART), два порта USB 2.0 и порт PCI.
При этом, потребляемая мощность изделия не превышает 3 Вт, что позволяет упростить решение задачи отвода тепла и дает возможность использовать более дешевые пластмассовые корпуса.
BLADE Network Technologies однокристальный коммутатор RackSwitch G8264.
Устройство предназначено для крупных корпоративных сетей и вычислительных центров. Оно оснащено сетевыми интерфейсами 10 и 40 Gigabit Ethernet (GbE), а заявленная пропускная способность - 1,28 Тбит/с. В качестве примеров областей применения для этого сетевого коммутаторы производитель называет суперкомпьютерные кластеры, локальные сети для облачных вычислений и прочие системы, интенсивно использующие виртуализацию и средства ввода-вывода.
Архитектура внутренних соединений коммутатора позволяет иметь минимальные задержки и постоянно-высокую пропускную способность при всевозможных способах подключения сетевых портов (64 порта 10 GbE и до четырех портов 40 GbE). Заявлена поддержка технологий IEEE 802.3ba 40/100 Gigabit Ethernet. Этог коммутатор предназначен для монтажа в 19" стойку.
Micrel выпустила Однокристальные коммутаторы Ethernet — KSZ8873 и KSZ8863.
Его характеристика:
Это самые миниатюрные устройства такого типа в мире. Минимальные размеры обусловлены принципом изготовления устройств: они выполнены по технологии «коммутатор в чипе». Микросхемы KSZ8873 и KSZ8863 могут стать основой для разработки новых поколений недорогих и энергетически эффективных коммутирующих систем со скоростью передачи данных 10 и 100 Мбит/с.
Коммутаторы характеризуются низким энергопотреблением, имеет режимы управление питанием, возможность работы с мобильными процессорами,
• улучшенную систему обработки QoS (включая IPv6). Так же дополнительно встроены LDO для питания ядра и внутренний генератор, формирующий частоту для интерфейса RMII.
С нынешними частотами и плотностью интегральных компонентов однокристальные коммутаторы могут обеспечить высокую производительность обработки сетевых потоков и широкий набор функциональных возможностей. Сетевые интерфейсы и обработка потоков в локальных и глобальных сетях (хотя бы на низких уровнях), уже довольно хорошо изучены. Они тяготеют к повторяемости процессинга, используя преимущества аппаратной (hardwired) логики и фиксированных шинных связей. Для поддержки высокоуровневых протоколов и обработки пакетов это устройство может дополняться управляющим процессором (стандартный высокопроизводительный RISC-процессор), который обеспечивает достаточную гибкость, чтобы удовлетворить требованиям более высоких уровней и меняющихся протоколов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На сетевые проекты влияют два взаимосвязанных фактора: требование более быстрого выхода продукта на рынок и требование его адаптируемости. Более быстрой разработке продукта способствует ориентация на кремниевую и аппаратную логику и зашитое программное обеспечение, в то время как быстроте и простоте адаптируемости - программный подход.
Уже на сегодняшний день компании, специализирующиеся на сетевом оборудовании, «взяли» отметку в 1 Тбит/с пропускной способности в категории однокристальных коммутаторов (BLADE Network Technologies RackSwitch G8264).
Устройство предназначено для крупных корпоративных сетей и вычислительных центров. В качестве примеров областей применения для этого сетевого коммутаторы производитель называет суперкомпьютерные кластеры, локальные сети для вычислений и прочие системы, интенсивно использующие виртуализацию и средства ввода-вывода.
Разрабатываемые коммутаторы, реализованные на одном кристалле, отличаются не только малыми размерами и низким энергопотреблением, но и богатым набором функций QoS. Благодаря этому миниатюрные однокристальные коммутаторы могут успешно использоваться в системах IPTV, IP-STB, Voice-over-IP, а также в промышленных и автомобильных приложениях. А высокая степень интеграции этих устройств упрощает и удешевляет проектирование и изготовление электронных устройств.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. http://www.ixbt.com/news/hard/index.shtml?01/09/44 - описание Motorola PowerQuicc II, 2002 г
2. http://asutp.ru/?p=2001 - Средства и системы компьютерной автоматизации, 2011 г
3. http://www.eparh-chb.ru/multiservisnye-seti.html - Мультисервисные сети, 2012 г.;
4. http://www.mka.ru/?p=40108 - Журнал Мир компьютерной автоматизации, 2000 г |
| Категория: Домашние задания (по сетям МИФИ) | Добавил: reafantu (12.12.2013)
| Автор: Пигарев Денис
|
| Просмотров: 1201
| Рейтинг: 0.0/0 |
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи. [ Регистрация | Вход ] |
|