Подстанции - это наиболее распространённый тип электроустановок. Одновременно в энергосистемах сооружается или реконструируется их большое количество. Поэтому при проектировании в качестве важной задачи считают унификацию схемных и конструктивных решений в целях снижения затрат на сооружение и эксплуатацию подстанций. Их схемы на высшем (35 кВ и более) и низшем (6-10 кВ) напряжении имеют отличия. Рассмотрим их особенности.
Схемы высшего напряжения. Схемы коммутации подстанций зависят от структуры электрических сетей, в которых выделяют источники питания: шины электростанций, а также вторичные стороны подстанций более высокого напряжения. Кроме того, в схемах учитывается количество питающих и нагрузочных узлов, присоединений к узлу, их взаимное расположение и т.д.
Так, в распределительных сетях 110-220 кВ преимущественно применяются радиальные или радиально-узловые схемы (рис. 3.5). Радиальные схемы бывают с односторонним (рис. 3.5, а) или двусторонним (рис. 3.5, б-г) питанием и подключением подстанций по двум линиям. Так же применяются радиально-узловые схемы (рис. 3.5, д-е). В них хотя бы один нагрузочный узел подключен к сети более чем по двум линиям.
Рис. 3.5 Фрагменты топологических схем электрических сетей.
Рис.3.6. Схемы присоединения подстанций.
По способу присоединения к электрической сети различают тупиковые (рис. 3.6, а), ответвительные (рис. 3.6, б), проходные (рис. 3.6, в) и узловые (рис. 3.6, г) подстанции.
Тупиковые подстанции питаются по радиальным линиям.
Ответвительные подстанции присоединяются к проходящим линиям на ответвлении.
Проходные подстанции подключаются к сети заходом одной линии с двусторонним питанием.
Узловыми именуют подстанции, присоединяемые к сети по трем и более линиям электропередачи.
В основных сетях напряжением 500 кВ и выше применяются кольцевые схемы, так как распределительные и основные сети выполняют различные функции. В начальные этапы развития сети высшего напряжения были предназначены для максимального охвата обширных регионов электроснабжения в целях реализации межсистемного эффекта. Продолжительные нагрузки линий электропередачи были относительно невелики. При этом более предпочтительные технико-экономические показатели имели не радиальные, а кольцевые схемы. Сети 330 кВ занимают промежуточное положение, все более приобретая функции распределительных сетей.
Радиальные схемы сети позволяют максимально унифицировать схемы коммутации подстанций; каждая из них имеет четыре присоединения: две линии электропередачи и два автотрансформатора). В зависимости от конфигурации сети применяются упрощенные схемы. С учетом рис. 3.4 и 3.6 установим соответствие схемы присоединения подстанции ее схеме коммутации:
тупиковые подстанции (рис. 3.6, а) - два блока (рис. 3.4, а или б), два блока с выключателями и неавтоматической перемычкой со стороны линий (рис. 3.4, в );
ответвительные подстанции (рис. 3.6, б) - ответвления от проходящих линий (рис. 3.4, г, д), являющиеся комбинацией блочных схем;
- проходные подстанции (рис. 3.6, в) - мостик с выключателями в цепях линий и ремонтной перемычкой со стороны линий (рис. 3.4, е), мостик с выключателями в цепях трансформаторов и ремонтной перемычкой со стороны трансформаторов
В последней схеме, сохраняется режим секционирования сети при ремонте в ней любого выключателя. Схема на рис. 3.4, е таким важным с позиций надежности свойством не обладает. Однако отключение линии производится одним выключателем, в то время как в альтернативной схеме - двумя. Как известно, линейные выключатели наиболее часто подвергаются отказам.
Для узловых подстанций используются другие схемы (см. табл. 3.4), в которых применяется большее количество выключателей. Среди этих схем следует выделить схемы с двумя системами шин с обходной (рис. 3.7, а) и с одной секционированной системой шин с обходной (рис. 3.7, б).
В нормальном режиме схема с двумя системами шин с обходной имеет фиксированные присоединения. Они распределяются между системами шин по возможности симметрично; шиносоединительный выключатель нормально включен и секционирует электроустановку (рис. 3.7, в). Тот же вид в нормальном режиме имеет схема с одной секционированной системой шин с обходной (рис. 3.7, г).
При выводе из работы в схеме на рис. 3.7, а одной системы шин, все присоединения группируются на второй системе. Такой возможности в схеме на рис. 3.7, б нет.
Рис.3.7. К сравнению схем с двумя системами шин с обходной со схемой с одной секционированной системой шин с обходной
1 – 4 – присоединения.
Рис. 3.8. Фрагменты главных схем:
а - блок с разъединителем; б - то же, но с выключателем; в - два блока с выключателями и неавтоматической перемычкой со стороны линий; г - мостик с выключателями в цепях трансформаторов и ремонтной перемычкой со стороны трансформаторов; д - то же, но в цепях линий и ремонтной перемычкой со стороны линий; е - заход-выход
Рис. 3.8. Окончание.
Рис. 3.9. Фрагменты главных схем:
а - схема с одной секционированной системой шин с обходной; б - схема с двумя системами шин с обходной
Рис. 3.10. Фрагменты схем РУ:
а – четырехугольник; б – схема 3/2.
Рис. 3.11. Фрагменты схем РУ:
а – трансформатор – шины с подключением линий по схеме 3/2; б - трансформатор – шины.
На рис. 3.12 и 3.13 изображены фрагменты главных схем подстанций на стороне 6-10 кВ . При выборе понижающего трансформатора с расщепленными обмотками
Рис. 3.12. Фрагменты РУ на стороне НН с одинарными реакторами:
а – п/ст с постоянным оперативным током; б – п/ст с переменным оперативным током.
Рис. 3.13. Фрагменты РУ со сдвоенными реакторами на п/ст с постоянным оперативным током.
6-10 кВ количество секций будет так же равно четырем (как на рис. 3.13). Если в его цепях установить еще сдвоенные реакторы, то на двухтрансформаторной подстанции количество секций достигнет восьми.
При наличии на подстанции аккумуляторной батареи (т.е. при постоянном оперативном токе) трансформаторы СН 6-10/0,4 кВ подключаются к секциям 6- 10 кВ наряду с другими присоединениями (см. рис. 3.12, а). Если аккумуляторная батарея отсутствует, то на подстанции используется переменный или выпрямленный оперативный ток, и надежность электроснабжения СН повышают подключением трансформаторов СН до вводного выключателя (см. рис. 3.12, б). Конструктивно это более сложное решение. Оно требует дополнительных токопроводов наружной установки.
На рис. 3.14 приведён вариант ввода 6-10 кВ при оснащении подстанции линейными регулировочными трансформаторами. На рис. 3.15 даны схемы подключения источников реактивной мощности. Крупные синхронные компенсаторы устанавливают на мощных узловых подстанциях напряжением 500-750 кВ и подключают к третичным обмоткам понижающих автотрансформаторов. Синхронные компенсаторы небольшой мощности (до 15 Мвар) включаются в сеть прямым пуском. При мощности 50 Мвар и более используется реакторный пуск (рис. 3.15, а).
Рис. 3.14. Ввод на секцию с линейным регулировочным трансформатором.
Рис. 3.15. Подключение источников реактивной мощности:
а – синхронный компенсатор мощностью 50 – 100 МВАр; б – конденсаторной батареи 110 кВ; в - конденсаторной батареи 6 – 10 кВ.
Источниками реактивной мощности являются так же батареи шунтирующих конденсаторов. Они могут подключаться к шинам 110 кВ (рис. 3.15, б). Схема на рис. 3.15, б позволяет осуществлять форсировку мощности батареи шунтированием выключателем части последовательных рядов конденсаторов в фазе. В нулевых выводах батарей ставятся заградительные реакторы, ограничивающие броски тока при форсировке. На зажимах батареи устанавливаются измерительные трансформаторы напряжением 110 кВ, а на зажимах шунтируемой части - трансформаторы 35 кВ. Последние выполняют функции разрядных сопротивлений.
Схемы включения конденсаторных батарей 6-10 кВ разнообразны. На рис. 3.15, в дана схема регулируемой батареи. За счёт коммутации выключателями ее мощность ступенчато варьируется от 25 до 100 %.
Одним из популярных использований диодов является ослабление индуктивной "отдачи": импульсов высокого напряжения, возникающих при прерывании протекания постоянного тока через индуктивность. Возьмем, к примеру, простую схему на рисунке ниже без защиты от индуктивной отдачи.
Когда кнопка нажат, ток проходит через индуктивность, создавая вокруг нее магнитное поле. Когда кнопка отжимается, ее контакт разрывается, прерывая протекание тока через индуктивность и вызывая быстрое уменьшение магнитного поля. Поскольку напряжение, индуцируемое в катушке провода, прямо пропорционально скорости изменения магнитного потока во времени (закон Фарадея: e = NdΦ/dt), это быстрое уменьшение магнитного поля вокруг катушки создает "всплеск" высокого напряжения.
Если речь идет о катушке электромагнита, например, о соленоиде или реле, (сконструированной для создания физической силы при помощи магнитного поля при протекании тока), эффект индуктивной "отдачи" вообще не имеет никакой полезной цели. Фактически, он очень вреден для коммутатора, так как вызывает чрезмерное искрение контактов, что значительно сокращает их срок службы. Из практических способов уменьшения высоковольтного переходного процесса, возникающего при размыкании переключателя, нет более простого, чем так называемый коммутирующий диод, показанный на рисунке ниже.
Индуктивная отдача с защитой: (a) Ключ разомкнут. (b) Ключ замкнут, сохранение энергии в магнитном поле. (c) Ключ разомкнут, индуктивная отдача накоротко замыкается диодом. В этой схеме диод подключен параллельно катушке, поэтому, когда постоянное напряжение будет подаваться на катушку через кнопку, он будет смещен в обратном направлении. Таким образом, когда катушка находится под напряжением, диод не проводит ток (рисунок выше (b)).
Однако когда ключ размыкается, индуктивность катушки реагирует на уменьшение тока индуцированием напряжения обратной полярности с целью поддержания тока той же величины и в том же направлении. Это внезапное изменение полярности напряжения на катушке смещает диод в прямом направлении, и диод обеспечивает путь для протекания тока катушки индуктивности, поэтому вся ее накопленная энергия рассеивается медленно, а не мгновенно (рисунок выше (c)).
В результате напряжение, наведенное в катушке резко ее уменьшающимся магнитным полем, довольно мало: просто величина прямого падения напряжения на диоде, а не сотни вольт, как было ранее. Таким образом, во время процесса разряда к контактам ключа прикладывается напряжение, равное напряжению батареи плюс примерно 0,7 В (если используется кремниевый диод).
В языке электроники термин коммутация относится к изменению полярности напряжения или направления тока. Таким образом, назначение коммутирующего диода состоит в том, чтобы действовать всякий раз, когда напряжение меняет полярность, например, на катушке индуктивности при прерывании протекания через нее тока. Менее формальный термин для коммутирующего диода - демпфер, поскольку "демпфирует" или "гасит" индуктивную отдачу.
Примечательным недостатком этого метода является дополнительное время, которое добавляет к разрядке катушки. Поскольку наведенное напряжение ограничивается до очень низкого значения, скорость изменения магнитного потока во времени сравнительно невелика. Помните, что закон Фарадея описывает скорость изменения магнитного потока (dΦ/dt), как пропорциональную наведенному мгновенному напряжению (e или v). Если мгновенное напряжение ограничено некоторым низким значением, то скорость изменения магнитного потока во времени будет также ограничена низким (медленным) значением.
Если катушка электромагнита "погашена" с помощью коммутирующего диода, магнитное поле буде рассеиваться с относительно низкой скоростью по сравнению с изначальным сценарием (без диода), где поле исчезает почти мгновенно после размыкания ключа. Количество времени, о котором идет речь, будет, скорее всего, меньше одной секунды, но оно будет заметно больше, чем без коммутирующего диода. Это может привести к неприемлемым последствиям, если катушка используется для приведения в действие электромеханического реле, поскольку реле будет иметь естественную "временную задержку" обесточивания катушки, и нежелательная задержка даже в доли секунды может нанести ущерб некоторым схемам.
К сожалению, нельзя одновременно и исключить высоковольтный переходной процесс индуктивной отдачи, и сохранить быстрое снятие намагниченности катушки: невозможно нарушить закон Фарадея. Однако, если медленное снятие намагниченности неприемлемо, можно достигнуть компромисса между переходными напряжением и временем, позволяя напряжению на катушке подняться до некоторого более высокого уровня (но не настолько высокого, как без коммутирующего диода). Схема на рисунке ниже показывает, как это можно сделать.
(a) Последовательно с коммутирующим диодом включен резистор. (b) Диаграмма напряжения. (c) Уровень без диода. (d) Уровень с диодом, но без резистора. (e) Компромиссный уровень с диодом и резистором. Резистор, включенный последовательно с коммутирующим диодом, позволяет напряжению, наведенному катушкой, подниматься до уровня превышающего прямое падение напряжения на диоде, ускоряя тем самым процесс размагничивания. Это, конечно же, будет давать большее напряжение на контактах, и поэтому резистор должен быть такого номинала, чтобы ограничить переходное напряжение на приемлемом максимальном уровне.
Коммутация
Структура станции коммутации
Иерархия коммутаций
Коммутация каналов и коммутация пакетов
Передача данных по телекоммуникационным сетям
Коммутация
Функции, выполняемые узлом сети в процессе организации и распада соединительных трактов между абонентами, называются коммутацией . Коммутация означает временное установление пути передачи от определенного входа до определенного выхода в сети или же в группе таких входов и выходов.
Сеть , в которой соединительные тракты сначала создаются для каждого обмена сообщениями, а после его окончания распадаются на участки, называется коммутируемой . Однако на сети всегда могут быть абоненты, имеющие постоянные соединительные тракты или тракты, организуемые на определенное время по расписанию.
Коммутация осуществляется с помощью комплекса специальных устройств под общим названием «станция коммутации». Употребительны также названия более специфические названия « автоматическая телефонная станция» и « система коммутации».
Автоматическая телефонная станция (АТС) – комплекс устройств, на котором заканчивается множество абонентских линий и который может связать линии между собой или осуществить передвижение сигнала между линиями. Коммутация на АТС означает временную связь между телефонными аппаратами, компьютерами или устройствами, которая устанавливается набором номера.
Система коммутации - устройство, которое соединяет или разъединяет две линии передачи между собой.
Пункт А Пункт Б
Рис.8.1. Место станций коммутации в обобщенной схеме системы электросвязи
В рассмотренной выше схеме передатчик и приемник могут рассматриваться как станции коммутации . В качестве линий передачи выступают двухпроводные соединительные линии между станциями. Станции коммутации являются обязательным элементом простейшей телекоммуникационной сети, рассмотренной ниже.
Простейшая телекоммуникационная сеть
Лицо, пользующееся услугами связи, называется абонентом. Для выхода на связь абонент пользуется своим абонентским устройством (телефонным аппаратом, компьютером или телевизором).
Для передачи информации от одного абонентского устройства сети к другому требуется установить соединение через соответствующее устройство. Это устройство называется станцией коммутации. Абонент идентифицирует требуемое соединение с помощью набора номера, который передается через абонентскую линию в станцию коммутации. Набранный номер содержит контрольную информацию о звонке и маршруте для установления соединений.
В принципе все телефонные аппараты можно соединять кабелями по правилу: «каждый с каждым», как это было на заре телефонии. Однако когда число телефонных аппаратов растет, то оператор вскоре замечает, что приходится часто коммутировать сигналы с одной пары проводов на другую. Очевидно, что, построив станцию коммутации в центре района массового проживания абонентов, можно значительно сократить общую длину проводов. Совсем немного проводов требуется и между районными станциями, т.к. число одновременно происходящих звонков во много раз меньше числа абонентов, см. рис. 8.2. Первые станции коммутации были ручными, коммутации делались на щите переключений.
Рис. 8.2. Простейшая телекоммуникационная сеть.
Телефонные аппараты абонентов были соединены со станциями коммутации с помощью абонентских линий, каждая из которых представляет собой пару проводов. В свою очередь станции коммутации, находящиеся на территории одного города (населенного пункта), были соединены соединительными линиями (СЛ), каждая из которых представляет собой пару проводов.
Строунджер предложил первую автоматическую станцию коммутации в 1887 году. С этого времени управление коммутацией осуществляется абонентами с помощью набора номера. Много десятилетий станции коммутации были комплексами электромеханических реле, но в последние несколько десятилетий они развились в цифровые системы коммутации с программным управлением. Современные станции имеют очень большую емкость – десятки тысяч абонентов, и тысячи из них одновременно производят звонки в час пик.
Если станции коммутации находятся в разных городах, то они соединяются линиями связи, каждая из которых содержит несколько десятков каналов связи.
Совокупность линейных и станционных средств, предназначенных для соединения двух конечных абонентских устройств, называется соединительным трактом . Число коммутационных узлов и линий связи в соединительном тракте зависит от структуры сети и направления соединения.
Структура станции коммутации
Станция коммутации представляет собой устройство, предназначенное для установления, поддержания и разъединения соединений (абонентов).
Для выполнения своих функций станция коммутации должна иметь, рис. 8.3:
· коммутационное поле (КП), состоящее из коммутаторов и предназначенное для соединения входящих и исходящих линий (каналов) на время передачи информации;
· управляющее устройство (УУ), обеспечивающее установление соединения между входящими и исходящими линиями через коммутационное поле, а также прием и передачу управляющей информации.
Рис.8.3. Основные составляющие станции коммутации
Основой станции коммутации является коммутационное поле, которое состоит из элементов коммутации, точек коммутации и коммутаторов.
Элемент коммутации – простейший ключ, который может с помощью управляющего устройства замыкаться и размыкаться. Ключом может быть металлический контакт или полупроводниковый переключатель.
Точка коммутации - несколько одновременно работающих ключей.
Коммутатор – коммутационная схема с n входами и m выходами. В каждой точке пересечения входа с выходом должен быть предусмотрена точка коммутации. На схеме входы представлены горизонтальными, а выходы вертикальными линиями.
Кроме того, на станции имеются источники электропитания, устройства сигнализации и учета параметров нагрузки (количества сообщений, потерь, длительности занятия и др.).
В некоторых случаях станция коммутации может иметь устройства приема и хранения информации, если таковая передается не непосредственно потребителю информации, а предварительно накапливается на узле. Такие узлы применяются в системах коммутации сообщений .
Рис. 8.4. Элементы коммутации, точки коммутации и коммутаторы
Главная задача телефонной станции коммутации построить соединительный тракт между абонентом А, который инициирует звонок, и абонентом Б,
соответственно информации, содержащейся в набранном номере.
Построенный разговорный тракт должен сохраняться вплоть до сигнала отбоя. Этот принцип называется коммутацией каналов в отличие от коммутации пакетов , которая часто используется в компьютерных сетях.
В прошлом коммутационное поле было электромеханическим и контролировалось импульсами с телефона. Позднее, контрольные функции были интегрированы в общий блок контроля. В настоящее время общий блок контроля представляет собой эффективный и надежный компьютер или микропроцессор со значительным программным обеспечением, работающим в режиме реального времени. Станция с таким обеспечением называют станциями коммутации с программным контролем, см. рис.8.5.
Каждая станция коммутации организует соединение между абонентами А и Б в соответствии сигнальной информацией, которую получает от абонента или от предыдущей станции. Если эта станция не является учрежденческой, то она передает сигнальную информацию к ближайшей станции чтобы строить разговорный тракт далее.
Рис. 8.5 Станция коммутации с программным контролем
Иерархия коммутаций
На заре телефонии коммутаторы или станции коммутаций были локализованы в центре района обслуживания и производили соединения для абонентов этого района. Однако и по сей день станции коммутации принято рассматривать как центральные службы.
Когда телефонная плотность выросла, и появился спрос на разговорные тракты большой длины, появилась необходимость связывать соединительными линиями центральные станции. С дальнейшим ростом телефонного обмена потребовалось уже связывать новые коммутаторы с центральными станциями, появился второй уровень коммутации, включающий в себя транзитные коммутаторы. В настоящий момент сети имеют несколько уровней коммутации.
Формы, наименования и число уровней иерархии коммутаций разнятся от страны к стране. Рис. 8.6 показывает пример возможной иерархии коммутируемой сети.
Иерархическая структура сети помогает оператору управлять сетью и сделать прозрачными основные принципы маршрутизации звонков. Звонок направляется каждой станцией вверх по иерархии, если пункт назначения не локализован по уровню ниже этой станции. Структура телефонного номера поддерживает этот простой принцип маршрутизации вверх и вниз по уровням иерархии.
Рис. 8.6. Иерархия станций коммутации
Ключи коммутации телефонных аппаратов (ТА) с линией являются, пожалуй, одним из наиболее сложных элементов сопряжения в микро-АТС.
Различают два вида коммутации:
По минусу питания схемы;
По плюсу питания схемы.
Комбинацией этих двух методов можно реализовать любой способ электрического (не механического) подключения ТА к линии. Рассмотрим их в отдельности.
На рис. 11 приведена простая схема ключа с использованием микросхемы 1014КТ1А по минусу питания.
В соответствии с параметрами микросхемы КР1014КТ1А, В, описанными в , схема обеспечивает надежную работу при максимальном токе коммутации до 110мА и импульсном напряжении до 200 В. Управляющее напряжение не должно превышать 3,5...5 В.
Достоинства схемы:
Высокое качество коммутации (сопротивление в открытом состоянии не превышает 10 Ом);
Простота схемного решения;
Совместимость с КМОП-логикой;
Сверхнизкое потребление по управляющему входу (устойчиво
переключается через сопротивление до 10 МОм). Недостатки схемы:
Невозможность простым схемным решением реализовать контроль за состоянием телефона (снята трубка или положена), что ограничивает применение этого способа коммутации.
На рис. 12 приведена схема коммутации по плюсу питания. Достоинством такой схемы является возможность увязки в схеме с общим корпусом различных узлов телефонной приставки: узла подъема трубки (контроля телефона), узлов коммутации, схемы обработки и пр. достаточно простым способом. Коммутационные свойства этой схемы так же высоки, так как в основе лежит токовый ключ 1014КТ1А.
Принцип работы заключается в следующем. При подаче на базу VT1 логической единицы напряжение на управляющий вход DA1 не подается. Емкость С1 разряжена, ключ DA1 закрыт, мост VD6...VD9 также закрыт, и телефонный аппарат изолирован от линии по плюсу.
При подаче на базу VT1 логического нуля напряжение телефонной линии за счет падения на VD4, VD5 и частично на диодах моста VD6...VD9 через резисторы R1, R2 поступает на управляющий вход 1 DA1. Цепочка VD2, С1 обеспечивает стабильность включения ключа при импульсных помехах на линии (например при наличии импульсов набора номера). Телефон включается по плюсу в линию.
Еще один способ коммутации ТА по плюсу питания схемы рассматривается в . На рис. 13 приведена схема ключа коммутации
с использованием оптопары АОТ101А. Диодно-транзисторный оптрон позволяет осуществить гальваническую развязку цепи управления и ключа коммутации, в качестве которого выступает транзистор КТ972А. Транзистор открывается напряжением с линии через R1, обеспечивая коммутацию ТА на линию. Следует отметить, что сопротивление в открытом состоянии у транзистора КТ972А несколько выше, чем у микросхемы 1014КТ1А, кроме этого, при наличии импульсов в телефонной линии открытое состояние транзистора поддерживается лишь за счет переходных процессов в полупроводнике. Это может несколько ухудшить соответствие схемы коммутации нормам ГОСТ . Для коммутации телефона либо разговорного ключа ТА, в описаны схемы импульсных ключей на составных транзисторах, приведенные на рис. 14, 15, 16.
Эти схемы применяются в телефонных аппаратах импортного и отечественного производства для формирования импульсов набора номера, но с таким же успехом их можно применять в любых телефонных приставках в качестве ключей коммутации по плюсу схемы.
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.
