УСТРОЙСТВО КОММУТАЦИИ КАДРОВ Российский патент 1995 года по МПК H04L12/28 

Изобретение относится к электросвязи и может быть использовано в локальных сетях интегрального обслуживания, функционирующих в соответствии с протоколами множественного доступа типа CSMA, CSMA/CD.

Известно устройство, регламентирующее доступ к передающей среде локальной сети связи [1] Устройство содержит мультиплексор и приемопередатчик, причем к входам мультиплексора подключено N станций, а его выход через приемопередатчик соединен с общей шиной. Мультиплексор осуществляет коммутацию по требованию. Если передачу осуществляют две и более станций одновременно, то устройство выдает им сигнал о прекращении передачи, устраняя таким способом наложения сообщений, поступающих от разных станций.

Недостатком такого устройства является отсутствие возможности приоритетной коммутации, а также снижение пропускной способности устройства за счет того, что в случае одновременной передачи сообщений двумя и более станциями ни одна из них не будет обслужена. Кроме того, наличие обратного канала приводит к усложнению технической реализации устройства.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению следует считать устройство для коммутации сигналов сообщений [2] Общими признаками прототипа с предлагаемым устройством являются блок фазовой селекции (БФС), формирователь импульса окончания сообщения (ФИОС), блок коммутации (БК1), выход которого через ФИОС соединен с устанавливающим входом БФС. Кроме того, прототип содержит блок динамической памяти (ДП), блок приоритетной селекции (БПС), блок формирования приоритета коммутации (ФПК), другой блок коммутации (БК2). Информационные входы устройства подключены к блоку ДП и первому блоку БК1, выходы блока ДП соединены с входам БФС и БПС, выходы которого подключены к входам блока ФПК и к управляющим входам блоков БК1 и БК2, выходы блока ФПК соединены с управляющими входами БПС, выход БК1 соединен с входом БК2 и входом ФИОС, выход БФС подключен к стробирующим входам БПС и блока ФПК, выходы БК2 являются информационными выходами устройства.

Устройство осуществляет коммутацию однородного потока сообщений и обеспечивает прохождение только одного сообщения из нескольких, поступивших на его входы, что исключает конфликты и соответственно повышает пропускную способность. Работает устройство следующим образом. Приходящие на вход сигналы сообщения запоминаются в блоке ДП и одновременно подаются на БК1. ДП выполняет функцию индикатора активности входов. По переднему фронту записанных в ДП сигналов БФС формирует строб-импульсы. Первый строб-импульс поступает в блок приоритетной селекции, который открывает соответствующие входы БК1 и БК2. Таким образом осуществляется обслуживание сообщения, поступившего первым. Дальнейший порядок обслуживания определяет блок ФПК. В прототипе дисциплина обслуживания является циклической, при этом обслуживание получит вход, следующий за входом, на который сообщение поступило первым. Фактически устройство предоставляет приоритет входам в циклическом порядке их номеров, что обеспечивает равные условия обслуживания всех входов устройства, ФИОС определяет конец сообщения, вырабатывает строб-импульс, который поступает на БФС и переводит устройство в состояние, позволяющее обслуживать следующий вход. Таким образом, повышается пропускная способность моноканала за счет исключения наложения сигналов. Следует отметить, что принятая в прототипе циклическая дисциплина обслуживания входов устройства не обеспечивает реализацию приоритетного обслуживания сообщений, имеющих более жесткие требования на время доставки, например, кадров речи.

Таким образом, недостатком прототипа является невозможность использования данного устройства в локальных сетях интегрального обслуживания, предназначенных для передачи разнородного потока сообщений, имеющих различные уровни приоритета.

Цель изобретения расширение функциональных возможностей устройства коммутации за счет реализации приоритетной дисциплины обслуживания кадров.

Для этого в устройство коммутации вводятся селектор приоритета, блок управления коммутацией, блок задержки, N входов которого объединены с N входами блока фазовой селекции и являются входами устройства коммутации, N выходов блока фазовой селекции через селектор приоритета подключены к входам блока управления коммутацией, другие N выходов блока фазовой селекции подключены непосредственно к соответствующим входам блока управления коммутацией, дополнительный выход селектора приоритета подключен к дополнительному входу блока управления коммутацией, N выходов которого подключены к управляющим входам блока коммутации, N информационных входов блока коммутации подключены к выходам блока задержки, выход блока коммутации является выходом устройства, выход формирователя импульса окончания сообщения подключен к устанавливающим входам селектора приоритета, блока управления коммутацией.

На фиг.1 изображено устройство коммутации кадров; на фиг. 2 блок фазовой селекции; на фиг. 3 селектор приоритета; на фиг. 4 блок управления коммутацией; на фиг. 5 формирователь импульса окончания сообщения.

Устройство содержит блок 1 задержки, блок 2 фазовой селекции, селектор 3 приоритета, блок 4 управления коммутацией, формирователь 5 импульса окончания сообщения, блок 6 коммутации, причем N информационных входов устройства подключены к N входам блока 1 задержки и N входам блока 2 фазовой селекции, N выходов которого подключен к входам селектора 3 приоритета, а другие N выходов к блоку 4 управления коммутацией, N выходов селектора приоритета подключены к соответствующим входам блока 4 управления коммутацией, а дополнительный выход селектора подключен к соответствующему входу блока 4 управления коммутацией, N выходов которого подключены к управляющим входам блока 6 коммутации, информационные входы которого подключены к информационным выходам блока 1 задержки, выход блока 6 коммутации подключен к входу формирователя 5 импульса окончания сообщения и является выходом устройства, выход формирователя 5 подключен к устанавливающим входам блока 2 фазовой селекции, селектора 3 приоритета, блока 4 управления коммутацией.

Блок 2 фазовой селекции (см.фиг.2) предназначен для определения момента поступления кадра и выделения признака приоритета. Он имеет N входов, N пар выходов и содержит в каждом из N каналов дифференциальную цепочку 7, двухполупериодный выпрямитель 8, RS-триггер 9, ключи 10 и 11, причем каждый вход блока через дифференциальную цепочку 7 подключен к выпрямителю 8, один из выходов которого подключен к R-входу триггера 9 и входу ключа 10, второй выход выпрямителя 8 подключен к входу ключа 11, выход триггера подключен к управляющим входам ключей 10 и 11, выходы которых являются выходами блока, S-входы всех триггеров 9 объединены и являются устанавливающим входом блока.

Селектор 3 приоритета (см.фиг.3) предназначен для идентификации признака приоритета и осуществления приоритетного обслуживания кадров. Он содержит N ключей 12 и N RS-триггеров 13, а также элемент ИЛИ 14 и элемент И 15, причем каждый из N входом селектора через ключ 12 подключен к входу элемента ИЛИ 14 и S-входу соответствующего триггера 13, прямой выход которого является одним из N выходов селектора, инверсные выходы триггеров 13 подключены к входам элемента И 15, выход которого подключен к объединенным управляющим входам ключей 12, выход элемента ИЛИ 14 является дополнительным выходом селектора, R-входы триггера 13 объединены и являются устанавливающим входом селектора.

Блок 4 управления коммутацией (см. фиг.4) предназначен для выработки сигнала управления ключами в блоке 6 коммутации. Он содержит N элементов ИЛИ 16, N D-триггеров 17, кроме того, содержит элемент ИЛИ 18, RS-триггер 19 и элемент ИЛИ 20, причем из 2N входов блока N подключено к С-входам D-триггеров 17 и к входам элемента ИЛИ 18, другие N входов блока через элементы ИЛИ 16 подключены к D-входам триггеров 17, входы элементов ИЛИ 18 и 20 объединены и являются дополнительным входом блока, выход элемента ИЛИ 18 подключен к R-входу триггера 19, выход которого подключен к объединенным входам элементов ИЛИ 16, выход элемента ИЛИ 20 подключен к объединенным R-входам D-триггеров 17, выходы которых являются выходами блока, S-вход RS-триггера 19 и вход элемента ИЛИ 20 объединены и являются устанавливающим входом блока.

Формирователь 5 импульса окончания сообщения (см.фиг.5) содержит последовательно подключенные двухполупериодный выпрямитель 21, интегратор 22, элемент ИЛИ-НЕ 23, дифференциальную цепочку 24, выход которой является выходом формирователя, а его входом является вход двухполупериодного выпрямителя 21.

Работа устройства реализуется в локальных сетях, где сообщения передаются кадрами, а порядок доступа к среде определяется протоколом CSMA/CD. Этот протокол закреплен стандартом IEEE 802.3 [3] Согласно стандарту, в передаваемый кадр входят (см.фиг.6,а): PR преамбула, SFD разделитель начала кадра, SA адрес отправителя, DA адрес получателя, L длина текстовой части, поле данных, FCS контрольная последовательность кадра. Преамбула в кадре используется для обеспечения побитовой синхронизации приемника. Длина ее зависит от характера среды и может достигать семи байт. Состоит преамбула из последовательности логических "0" и "1". По стандарту первым в последовательности является "1", хотя для синхронизации приемника это значения не имеет. Устройство обеспечивает обслуживание кадров с двумя уровнями приоритета. Для передачи низкоприоритетных кадров используется преамбула вида "1010.", а для передачи высокоприоритетных кадров "0101.". Согласно стандарту IEEE 802.3, линейный сигнал представляет собой информационную последовательность, закодированную манчестерским кодом. Вид преамбулы в манчестерском коде для низкоприоритетного кадра показан на фиг.6,б, а для высокоприоритетного кадра на фиг. 6,в. Таким образом, на физическом уровне низкоприоритетный кадр отличается от высокоприоритетного тем, что первый начинается переходом потенциала от нулевого к положительному, а второй переходом нулевого потенциала к отрицательному.

Работает устройство следующим образом.

В каждый момент времени оно может находиться в одном из трех состояний: 1 "свободно", когда на входе нет ни одного сигнала, 2 "занято низкоприоритетным кадром", когда устройство обслуживает один вход, по которому передается низкоприоритетный кадр, 3 "занято высокоприоритетным кадром", когда обслуживается вход с высокоприоритетным кадром. Обслуживание входа предполагает его коммутацию на выход устройства. Осуществляется следующая дисциплина обслуживания входов. При нахождении устройства в состоянии "свободно" оно приступает к обслуживанию того входа, на который кадр поступил первым, т.е. переходит в состояние 2 или 3. Если устройство находится во 2-м состоянии, то оно не реагирует на низкоприоритетные кадры, поступающие на другие входы, либо переходит в 3-е состояние немедленно после поступления на любой вход высокоприоритетного кадра. Если за время обслуживания низкоприоритетного кадра высокоприоритетный не поступил, то устройство обслуживает его полностью, после чего переходит в 1-е состояние. Если устройство находится в 3-м состоянии, то оно обслуживает высокоприоритетный кадр полностью без прерываний вне зависимости от того, какого типа кадр поступил на другой вход. Таким образом реализуется дисциплина обслуживания с абсолютным приоритетом.

Пусть устройство находится в исходном 1-м состоянии. Это состояние устанавливается подачей импульса с формирователя 5 импульса окончания сообщения на объединенные входы блоков 2, 3 и 4. При этом триггеры 9 и 19 устанавливаются в "единичное", а триггеры 13 и 17 в "нулевое" состояние. Сигналы с выходов триггеров 9 открывают ключи 10 и 11, сигналы с инверсных выходов триггеров 13 открывают ключи 12, а сигналы с выходом триггеров 17 закрывают соответствующие ключи блока 6 коммутации. Сигнал логической "1" с выхода триггера 19 через элементы ИЛИ 16 подается на D-вход триггеров 17, что обеспечивает готовность их перехода в "единичное" состояние при поступлении на С-вход строб-импульса, формируемого в блоке 2 фазовой селекции.

Пусть в момент времени Т₁ на первый вход устройства поступает низкоприоритетный кадр НК1 (см.фиг.7,а). Он одновременно подается на блок 1 задержки и блок 2 фазовой селекции. После прохождения дифференциальной цепи 7 сигнал представляет собой последовательность положительных и отрицательных импульсов, показанных на фиг.7,б, двухполупериодный выпрямитель 8 разделяет эти импульсы на два выхода, при этом положительные импульсы подаются на ключ 10, а отрицательные выпрямляются и подаются на ключ 11. Триггер 9, управляющий ключами, подключен таким образом, что перевести его в "нулевое" состояние может только импульс, соответствующий положительному импульсу на входы выпрямителя 8 (см.фиг.7,б). Если на выпрямитель 8 первым поступает положительный импульс (что соответствует поступлению низкоприоритетного кадра), то он проходит ключ 10, после чего триггер 9 переходит в нулевое состояние и сигнал с его выхода закрывает ключи 10 и 11, если поступает первым отрицательный импульс (что соответствует поступлению высокоприоритетного кадра (см. фиг.7,г,д)), то он проходит через ключ 11; следующий за ним положительный импульс проходит ключ 10, переводит триггер 9 в нулевое состояние, что приводит к закрытию ключей 10 и 11. Таким образом, при поступлении на вход устройства коммутации
низкоприоритетного кадра с выхода блока 2 фазовой селекции строб-импульс поступит только на вход блока 4 управления коммутацией, при поступлении высокоприоритетного кадра с выхода блока 2 фазовой селекции один строб-импульс подается на соответствующий вход селектора 3 приоритета, а другой с задержкой на полтакта подается на вход блока 4 управления коммутацией. В момент времени Т₁ строб-импульс с блока 2 фазовой селекции поступит только на блок 4 управления коммутацией, в котором он переведет соответствующий триггер 17 в "единичное" состояние. Сигнал высокого уровня на выходе триггера 17 открывает соответствующий ключ в блоке 6 коммутации и соответственно подключает первый вход на выход устройства.

Кадр НК1, поступивший на первый вход устройства, задерживается в блоке 1 задержки на время переходных процессов и поступает через открытый ключ в блоке 6 коммутации на выход (см.фиг.7,ж). Вместе с тем строб-импульс, поступивший с блока 2 фазовой селекции в блок 4 управления коммутацией через элемент ИЛИ 18 обнулит триггер 19 (см.фиг.7,е), что не даст возможность строб-импульсу, поступившему на другой вход блока 4, перевести соответствующий D-триггер 17 в "единичное" состояние. Поэтому низкоприоритетный кадр НК2 (см.фиг.7,в), поступивший на второй вход устройства в момент времени Т₂ > Т₁, обслужен не будет. Станция-источник кадра НК2, не получив квитанции подтверждения от адресата о получении кадра, согласно протоколу CSNA/CD, предпримет новую попытку его передачи (см.фиг.7,в, в момент времени Т₄). На вход формирователя 5 импульса окончания сообщения с выхода блока 6 коммутации поступает скоммутированный сигнал (см.фиг.5,б), двухполупериодный выпрямитель 21 его выпрямляет, интегратор 22 исключает влияние искаженных фронтов импульсов и кратковременных исчезновений выходного сигнала в случае прерывания низкоприоритетного кадра высокоприоритетным.

Инвертор 23 формирует импульс, длительность которого равна длительности обслуженного сигнала. Дифференциальная цепочка 24 формирует по переднему и заднему фронтам этого импульса короткие импульсы, первый из них, отрицательный, на схему влияния не оказывает, а второй, положительный, поступая на блоки фазовой селекции 4 управления коммутацией и селектор 3 приоритета, переводит устройство в исходное состояние (см.фиг.7, момент времени Т₃). Пусть с момента времени Т₄ устройство находится во 2-м состоянии и обслуживает второй вход с низкоприоритетным кадром НК2 (см.фиг.7,в). Пусть также в момент времени Т₅ > Т₄ на N-й вход поступает высокоприоритетный кадр BKN (см. фиг.7,г). Блок 2 фазовой селекции выделит из этого кадра два строб-импульса, первый из которых поступит на N-й вход селектора 3 приоритета, в котором пройдет через ключ 12, переведет соответствующий RS-триггер 13 в единичное состояние, а через элементы ИЛИ 14 и 20 обнулит все триггеры 17. При этом все входы устройства отключаются от его выхода. Таким образом устройство прерывает обслуживание второго входа с низкоприоритетным кадром НК2 (см.фиг. 7, г, ж момент времени Т₅). Кроме того, логический "0" с инверсного выхода триггера 13 через элемент 15 закрывает все ключи 12. Это исключает прерывание обслуживания высокоприоритетного кадра кадром такого же приоритета,
поступившим на другой вход. В результате поступления строб-импульса на N-й вход селектора 3 приоритета соответствующий триггер 13 имеет на прямом выходе сигнал логической "1", который через элемент ИЛИ 16 поступает на D-вход соответствующего триггера 17. Второй импульс, выделенный в блоке 2 фазовой селекции, непосредственно поступает на С-вход этого же триггера 17, в результате чего он переходит в "единичное" состояние, открывая N-й ключ в блоке 6 коммутации. Кадр BKN через блок 1 задержки, блок 6 коммутации поступает на выход устройства (см.фиг.7,ж). После окончания кадра формирователь 5 переводит устройство в исходное 1-е состояние. В случае, если устройство находится в 1-м состоянии и на его вход первым поступает высокоприоритетный кадр, что строб-импульс, поступающий на соответствующий вход селектора 3 приоритета через элементы ИЛИ 14, 18, подается на R-вход триггера 19, что исключает возможность прерывания высокоприоритетного кадра низкоприоритетным, поступившим на другой вход.

Блок 1 задержки предназначен для задержки сигнала на время, равное максимальному времени установки коммутации. Наибольшая задержка коммутации возникает при поступлении высокоприоритетного кадра, так как коммутация происходит после выделения второго строб-импульса, который следует за первым через полтакта. Таким образом необходимое время задеpжки определяется из соотношения
Т > 1/2V где V скорость передачи информации.

Блок коммутации 6 построен на аналоговых ключах, элементной базой которых могут быть микросхемы типа КР590КН8. Остальные элементы устройства реализуются на широкодоступных микросхемах ТТЛ.

Таким образом, предложенное устройство обеспечивает передачу разноприоритетных кадров в общую шину, при этом высокоприоритетные кадры обслуживаются с минимальной задержкой за счет реализации дисциплины обслуживания с абсолютным приоритетом. Предложенное устройство отличается малыми задержками при обслуживании входов за счет того, что анализ категории приоритета кадра происходит на физическом уровне. Таким образом устройство коммутации кадров является простым в реализации и дает существенный технико-экономический эффект.

Использование: радиотехника. Сущность изобретения: устройство коммутации кадров содержит блок фазовой селекции (БФС) 2, блок коммутации (БК) 6, формирователь импульса окончания сообщения (ФИОС) 5, селектор приоритета (СП) 3, блок управления коммутацией (БУК) 4, блок задержки (БЗ) 1, N выходов которого объединены с входами БФС и являются входами устройства, N выходов БФС через СП подключены к входам БУК, другие N выходов БФС подключены непосредственно к соответствующим входам БУК, дополнительный выход СП подключен к дополнительному входу БУК, N выходов которого подключены к управляющим входам БК, N информационных входов БК подключены к выходам БЗ, выход БК подключен к входу ФИОС и является выходом устройства, выход ФИОС подключен к устанавливающим входам БФС, СП, БУК. 2 з. п. ф-лы, 7 ил.

1. УСТРОЙСТВО КОММУТАЦИИ КАДРОВ, содержащее последовательно соединенные блок коммутации, формирователь импульса окончания сообщения и блок фазовой селекции, отличающееся тем, что введены селектор приоритета, блок управления коммутацией и блок задержки, N входов которого объединены с N входами блока фазовой селекции и являются входами устройства, первая группа выходов блока фазовой селекции через селектор приоритета подключен к первой группе входов блока управления коммутацией, вторая группа выходов блока фазовой селекции подключена к второй группе входов блока управления коммутацией, выходы которого подключены к первой группе входов блока коммутации, вторая группа входов которого подключена к соответствующим выходам блока задержки, дополнительный выход селектора приоритета подключен к дополнительному входу блока управления коммутацией, а устанавливающие входы селектора приоритета и блока управления коммутацией объединены и подключены к выходу формирователя импульсов окончания сообщения, причем выход блока коммутации является выходом устройства. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что селектор приоритета содержит элемент ИЛИ, элемент И, а также N ключей и N RS-триггеров, прямые выходы которых являются выходами селектора приоритета, а инверсные выходы подключены к соответствующим входам элемента И, выход которого подключен к объединенным управляющим входам всех ключей, другие входы которых являются входами селектора, выходы ключей подключены к S-входам соответствующих RS-триггеров, R-входы которых объединены и являются устанавливающим входом селектора, причем выходы всех ключей подключены к соответствующим входам элемента ИЛИ, выход которого является дополнительным выходом селектора приоритета. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок управления коммутацией содержит N элементов ИЛИ, ND-триггеров, RS-триггер и два дополнительных элемента ИЛИ, выходы каждого D-триггера являются выходами блока управления коммутации, а их C-входы объединены с соответстующими входами первого дополнительного элемента ИЛИ и являются первой группой входов блока управления коммутацией, R-входы D-триггеров объединены и подключены к выходу второго дополнительного элемента ИЛИ, выход первого дополнительного элемента ИЛИ подключен к R-входу RS-триггера, выход которого подключен к объединенным первым входам N элементов ИЛИ, вторые входы которых являются второй группой входов блока управления коммутацией, D-входы D-триггеров подключены к выходам соответствующих N элементов ИЛИ, S-вход RS-триггера объединен с первым входом второго дополнительного элемента ИЛИ и является устанавливающим входом блока, второй вход второго дополнительного элемента ИЛИ объединен с соответствующим входом первого дополнительного элемента ИЛИ и является дополнительным входом блока управления коммутации.