Кіріспе

Блоктаусыз ең аз көлемді коммутатор – кез келген комбинацияда N кірісті N шығысқа қоса алатын құрылғы. Осы типтегі коммутаторлардың ең көп танымал қолданылуы телефон станцияларында кездеседі. "Блоктаусыз" термині құрылғы ақаулы болмаса, әрқашан қосылыс жасауға қабілетті екенін білдіреді. "Минималды" термині оның мүмкіндігінше аз компоненттері бар екенін, демек, ең төмен шығынға ие екенін көрсетеді. Тарихи тұрғыдан алғанда, телефон коммутаторларында абоненттер арасындағы байланыс үлкен, қымбат электромеханикалық релелер жиынтығымен, яғни Стровгер коммутаторлары арқылы жүзеге асырылды. Стровгер коммутаторларының негізгі математикалық қасиеті – коммутатордың әрбір кірісі үшін дәл бір шығысқа ие болуы. Математикалық коммутация схемалары теориясының көп бөлігі осы қасиетті пайдаланып, кірістер мен шығыстардың комбинациясын қосу үшін қажетті коммутаторлардың жалпы санын азайтуға бағытталған. 1940-1950 жылдары Bell Labs инженерлері телефон станциясын іске асыру үшін қажетті "коммутациялық матаның" көлемін және құнын азайту жолдарына қатысты математикалық зерттеулердің үлкен сериясын бастады. Чарльз Клоз (ʃaʁl klo) жасаған алғашқы, сәтті математикалық талдаулардың бірі, ал кішігірім коммутаторлардан құралған коммутациялық мата Клоз желісі деп аталады.

Қиғаштық қосқышы

Кросбарлы коммутатордың N кірісті N шығысқа кез келген біріне бірі қосу қабілеті бар, сондықтан ол кез келген шақырушыны кез келген бос қабылдағышпен байланыстыра алады, бұл қасиет техникалық терминде "блоктаусыз" деп аталады. Блоктаусыздық қасиетіне ие болғандықтан, ол әрқашан шақыруды (бос қабылдағышқа) аяқтауға мүмкіндік береді, бұл қызмет көрсетудің максималды деңгейін қамтамасыз етеді. Дегенмен, кросбарлы коммутатор мұны N2 (N квадраты) қарапайым SPST коммутаторларын пайдалану арқасында іске асырады. Үлкен N үшін (және телефондық коммутаторлардың практикалық талаптары үлкен болып саналады) бұл өсім тым қымбатқа түседі. Сонымен қатар, үлкен кросбарлы коммутаторларда физикалық проблемалар туындайды. Коммутатор тым көп орынды қажет етеді, сондай-ақ коммутаторлық контактілерді ұстайтын металл тақталар тым ұзын болып, иіліп, сенімсіз жұмыс істеуі мүмкін. Инженерлер сондай-ақ, кез келген уақытта кросбарлы коммутатордың әр таяқшасы тек бір қосылыс жасайтынын байқады. Екі таяқшадағы басқа контактілер пайдаланбалды. Бұл кросбарлы коммутатордың көп бөлігінің тиімсіз пайдаланылғанын көрсетеді. Кросбарлы коммутаторды эмуляциялаудың ең оңай жолы – оны кіші кросбарлы коммутаторлардан құрастырудың жолын табу. Егер кросбарлы коммутаторды кіші кросбарлы коммутаторлардың белгілі бір орналасуы арқылы эмуляциялау мүмкін болса, онда осы кіші кросбарлы коммутаторларды одан да кіші кросбарлы коммутаторлармен эмуляциялауға болады. Бұл коммутациялық тоқыманың тиімділігін арттырады және тіпті оны стандартталған бөлшектерден жасауға мүмкіндік береді. Бұл Clos желісі деп аталады.

Толық қосылған үш қабатты қосқыш

Келесі тәсіл – арқанды бұранданы үш қабатқа бөліп, кішірек арқанды бұрандаларды жасау болды. "Кіріс қабаты", "орталық қабат" және "шығыс қабаты" болады. Кішігірім коммутаторлар аз көлемді, сенімді және, жалпы алғанда, құрастыру оңай, сондықтан арзан. Телефон жүйесіне тек бір-бір байланыс жасау жеткілікті. Интуитивті түрде, әрбір қосалқы коммутатордағы кіріс және шығыс сандары әрқашан тең болуы мүмкін сияқты, бірақ интуиция мұны істеуге болатынын дәлелдемейді және қалай істеу керектігін де көрсетпейді. 16х16 арқанды бұранданы синтездегіміз делік. Құрылыста кіріс жағында әрқайсысында 4 кіріс бар 4 қосалқы коммутатор болуы мүмкін, барлығы 16 кіріс. Сондай-ақ, шығыс жағынан әрқайсысында 4 шығыс бар 4 шығыс қосалқы коммутаторлары болуы мүмкін, барлығы 16 шығыс. Бұл жобада мүмкіндігінше аз сымдарды пайдалану қажет, өйткені сымдарға ақша жұмсалады. Екі қосалқы коммутаторды қосатын сымдардың ең аз саны – бір сым. Сондықтан, әрбір кіріс қосалқы коммутаторының ортаңғы қосалқы коммутаторға бір сымы болады. Сондай-ақ, әрбір ортаңғы қосалқы коммутатордың әрбір шығыс қосалқы коммутаторына бір сымы болады. Сұрақ – қанша ортаңғы қосалқы коммутатор қажет және, демек, кіріс қабатын ортаңғы қабатқа қанша сым қосу керек. Телефон коммутаторлары симметриялық болғандықтан (шалушылар мен шақырылғандардың рөлі ауыстырылады), шығыс қабатына да сол логика қолданылады, ал ортаңғы қосалқы коммутаторлар "квадрат" болады, яғни кіріс және шығыс сандары бірдей болады. Ортаңғы қосалқы коммутаторлардың саны оларға қосылымды бөлу үшін қолданылатын алгоритмге байланысты. Үш қабатты коммутаторды басқарудың негізгі алгоритмі – қажетті кіріс және шығыс коммутаторларына пайдаланылмаған сымдары бар ортаңғы қосалқы коммутаторларды іздеу. Қосылатын ортаңғы қосалқы коммутатор табылғаннан кейін, кіріс және шығыс коммутаторларының дұрыс кіріс және шығыстарына қосылу оңай. Теориялық тұрғыдан алғанда, мысалда тек төрт орталық коммутатор қажет, олардың әрқайсысы әрбір кіріс коммутаторына дәл бір қосылысы және әрбір шығыс коммутаторына бір қосылысы бар. Бұл "минималды жайылмалы коммутатор" деп аталады, оны басқару Bell Labs зерттеулерінің мақсаты болды. Дегенмен, қарындаш пен қағазбен жұмыс істеу, мұндай минималды коммутаторды қажетті кіріс коммутаторына және қажетті шығыс коммутаторына бірде-бір ортаңғы коммутатор қосылмаған жағдайда оңай жеткізе алатынын көрсетеді. Бұл коммутаторды жартылай тоқтату үшін төрт қоңырау салу жеткілікті. Егер кіріс коммутаторы жартылай толған болса, онда оның екі ортаңғы коммутатор арқылы байланыстары болады. Егер шығыс коммутаторы да басқа екі ортаңғы коммутатордан қосылған байланыстармен жартылай толған болса, онда сол кіріс пен шығыс арасындағы жолды қамтамасыз ететін ортаңғы коммутатор қалмайды. Осы себепті "жай ғана қосылған, бұғаттамайтын коммутатор" 16x16 коммутаторы үшін төрт кіріс қосалқы коммутаторы және төрт шығыс коммутаторы бар 7 ортаңғы коммутатор қажет деп есептелді; ең нашар жағдайда, толық кіріс қосалқы коммутаторы үш ортаңғы коммутаторды қолданады, толық шығыс қосалқы коммутаторы үш түрлі коммутаторды қолданады, ал жетіншісі соңғы қосылымды жасауға бос болады. Осы себепті кейде бұл коммутаторды "2n-1 коммутатор" деп атайды, мұнда n – кіріс қосалқы коммутаторларының кіріс порттарының саны. Мысал әдейі кішкентай, және осындай кішкентай мысалда қайта ұйымдастыру көптеген коммутаторларды сақтамайды. 16×16 арқанды бұранданың 256 контакты бар, ал 16×16 минималды жайылмалы коммутатордың 4×4×4×3 = 192 контакты бар. Саны өскен сайын, үнемдеу де артады. Мысалы, 10 000 желілік стансаға 100 миллион контакт қажет болады. Бірақ 100 100×100 қосалқы коммутаторларының үш қабаты тек 300 10 000 контактты қосалқы коммутаторларды немесе 3 миллион контактты пайдаланады. Бұл қосалқы коммутаторлардың әрқайсысы 3 × 10 10 × 10 арқанды бұрандалардан, барлығы 3000 контакттан, бүкіл станса үшін 900 000-нан құралуы мүмкін; бұл 100 миллионнан әлдеқайда аз сан.

Коммутаторлардың практикалық орындалуы

Алгоритм ашылғаннан кейін, Bell жүйесінің инженерлері мен менеджерлері оны талқылай бастады. Бірнеше жылдан соң Bell инженерлері онымен басқарылатын электромеханикалық коммутаторлар жасауды бастады. Ол кезде компьютерлер лампалармен жұмыс істеді және телефон жүйесін басқару үшін жеткілікті сенімді болмады (телефон жүйесінің коммутаторлары қауіпсіздік үшін маңызды, және олар отыз жылда бір рет жоспарланбаған ақауға ұшырауы мүмкін). Релелік компьютерлер алгоритмді іске асыру үшін тым баяу болды. Дегенмен, жүйе компьютерлер жеткілікті сенімді болғанда, оларды қолданыстағы коммутациялық жүйелерге қосуға мүмкіндік беретіндей етіп жобалануы мүмкін. Композиттік коммутаторларды ақауларға төзімді ету қиын емес. Егер қосалқы коммутатор бұзылса, абоненттер қайта қоңырау шалады. Әрбір жаңа қосылымда бағдарламалық қамтамасыз ету соңғы бос қосылымды пайдаланбай, әрбір қосалқы коммутатордағы келесі бос қосылымды сынап көреді. Жаңа қосылымның жұмыс істеу ықтималдығы жоғары, себебі ол басқа схемаларды қолданады. Сондықтан, жүктеме жоғары болғанда, егер белгілі бір PCB-де қосылымдар болмаса, ол сынақ жүргізуге өте ыңғайлы. Белгілі бір баспалы схемалық картаны сынау немесе қызметтен шығару үшін белгілі бір алгоритм бар. Картаның қосалқы коммутаторы арқылы аз қосылымдар өткенде, бағдарламалық қамтамасыз ету осы қосалқы коммутатор арқылы өлшеу құрылғысына көбірек сынақ сигналдарын жіберіп, содан кейін өлшеуді оқиды. Бұл бұрынғы қоңырауларды үзбейді, олар жұмыс істей береді. Егер сынақ сәтсіз аяқталса, бағдарламалық қамтамасыз ету бірнеше сыртқы коммутаторлардан ақаулық туралы мәлімет алып, нақты схемалық картаны анықтайды. Содан кейін ол ақаулы схемадағы бос схемаларды бос емес деп белгілейді. Ақаулы схемаларды пайдаланатын қоңыраулар аяқталғанда, олар да бос емес деп белгіленеді. Біраз уақыттан соң, егер ақаулы схема арқылы ешқандай қоңырау өтпесе, компьютер алмастыруды қажет ететін схемалық картада шамды жағады, және техник оны ауыстыра алады. Ауыстырудан кейін көп ұзамай келесі сынақ сәтті өтеді, жөнделген қосалқы коммутатордың қосылыстары "бос емес" деп белгіленеді, және коммутатор толыққанды жұмыс істейді. Bell-дің алғашқы электрондық коммутаторларындағы диагностика жақсы баспалы схемалық карталардың барлығында жасыл шамды, ал сәтсіз баспалы схемалық карталардың барлығында қызыл шамды жағатын. Баспалы схемалар толығымен өшірмей, алып тастап, ауыстыруға болатындай етіп жасалды. Соның нәтижесінде Bell 1ESS пайда болды. Ол Central Control (CC) деп аталатын процессормен басқарылды, бұл сенімді диодты-транзисторлық логиканы қолданатын, қадамдық, Гарвард архитектурасы бойынша жұмыс істейтін екі компьютерлік жүйе. 1ESS процессорларында екі компьютер әрбір қадамды орындап, бір-бірін тексерді. Егер олар келіспесе, өздерін-өздері диагностикалайды, дұрыс жұмыс істейтін компьютер коммутаторды басқаруды өз мойнына алады, ал екіншісі өзін жарамсыз деп танып, жөндеуді сұрайды. 1ESS коммутаторы 2012 жылға дейін шектеулі түрде қолданылып келді, және оның дизайнын растайтын, әр отыз жылдық жұмыс істеу кезеңінде бір сағаттан кем жоспарланбаған ақаулықтар тіркелді. Бастапқыда ол ірі қалалардағы алыс қашықтыққа арналған байланыс желілеріне орнатылды, бұл әрбір телефон станциясының ең көп пайдаланылатын бөліктері болды. Алғашқы Аналар күнінде ірі қалалар онымен жұмыс істегенде, Bell жүйесі желісінің жалпы сыйымдылығы бойынша рекорд орнатты, орындалған қоңыраулар саны бойынша да, бір коммутаторға секундтық қоңыраулар саны бойынша да. Бұл бір байланыс желісіне шаққандағы жалпы кірістің рекордтық деңгейін құрады.