Что значит ток коммутации в коммутаторе

Обновлено: 03.07.2024

В различных технических текстах можно встретить термин «коммутатор». Что это такое? В самом общем смысле - это устройство для переключения электрических цепей (сигналов), которое может быть электронным, электронно-лучевым или электромеханическим.

В узком смысле так обычно называют коммутатор зажигания, которым оснащаются любые транспортные средства с бензиновыми двигателями. Этой разновидности коммутаторов, в основном автомобильных, и посвящена данная статья.

Предыстория систем зажигания

Как известно, в каждом цикле работы бензинового двигателя внутреннего сгорания существует этап приготовления топливно-воздушной горючей смеси и этап ее сгорания. Но чтобы смесь сгорела, ее нужно чем-то поджечь.

Первым решением, применявшимся в самых ранних автомобильных ДВС, было зажигание смеси от калильной трубки, вставленной в цилиндр и разогреваемой предварительно перед запуском двигателя. При его работе температура этой трубки постоянно поддерживалась за счет сгорающей в каждом цикле работы смеси.

Интересно, что система искрового зажигания от магнето применялась параллельно с калильным зажиганием автодвигателей, но поначалу только для промышленных газовых ДВС. Этот принцип был быстро перенят и автопроизводителями, а после изобретения Р. Бошем в 1902 году привычной свечи зажигания искровая система стала общепринятой.

Принцип искрового зажигания

В настоящее время наиболее распространена батарейная система зажигания, содержащая источник тока в виде автомобильного аккумулятора при пуске и автомобильного генератора при работающем двигателе, катушку зажигания, представляющую собой трансформатор с высоковольтной вторичной обмоткой, к которой присоединена искрообразующая свеча зажигания, а также распределитель (коммутатор) зажигания. Работа коммутатора заключается в периодическом прерывании цепи тока первичной обмотки катушки зажигания. При каждом таком прерывании тока его магнитное поле, существующее в точках пространства, занятых проводами вторичной обмотки катушки зажигания, очень быстро уменьшается. При этом в соответствии с законом электромагнитной индукции в тех же точках пространства возникает весьма большое вихревое электрическое поле, напряженность которого создает высокую (до 25 кВ) ЭДС во вторичной обмотке катушки зажигания, разорванной электродами свечи. Напряжение между ними быстро достигает величины, достаточной для пробоя воздушного промежутка, и тогда проскакивает электрическая искра, поджигающая топливно-воздушную смесь.

Что коммутируется в системе зажигания?

Итак, автомобильный коммутатор. Что это такое и зачем он нужен? Коротко говоря, это устройство, задачей которого является разрыв цепи тока в первичной обмотке катушки зажигания в наиболее выгодный для этого момент.

В четырехтактном ДВС этот момент наступает в конце такта сжатия (2-го такта работы ДВС), незадолго до достижения поршнем так называемой верхней мертвой точки (ВМТ), в которой расстояние от любой точки поршня до оси вращения коленвала ДВС является максимальным. Поскольку коленвал совершает круговое вращательное движение, то момент прерывания тока привязывают к некоторому его положению перед достижением им и поршнем положения ВМТ. Угол между этим положением коленвала и вертикальной плоскостью называют углом опережения зажигания. Он варьируется в диапазоне от 1 до 30 градусов.

Учитывая историю, на вопрос: «Автомобильный коммутатор: что это такое?» - следует отвечать, что это сначала механический, а позже, по мере развития техники, электронный прерыватель тока в катушке зажигания.

Механический предшественник коммутатора зажигания

Собственно, коммутатором это устройство стали называть лишь в последние годы, после того как оно стало полностью электронным. А прежде, начиная с 1910 года, когда на автомобилях «кадиллак» впервые появилась автоматическая система зажигания, его функцию наряду с другими задачами выполнял прерыватель-распределитель (трамблер). Такая двойственность наименования возникла из-за двоякой функции его в системе зажигания. С одной стороны, ток в первичной обмотке катушки зажигания нужно прерывать – отсюда возникает «прерыватель». С другой стороны, напряжение высоковольтной обмотки катушки зажигания нужно поочередно распределять по свечам всех цилиндров, причем с нужным углом опережения. Отсюда вторая половина названия – «распределитель».

Как работали трамблеры?

Прерыватель-распределитель имеет приводимый во вращение от коленвала внутренний вал, на котором закреплен диэлектрический ротор-бегунок с вращающейся токоразносной пластиной на его торце. По пластине скользит подпружиненная угольная щетка, соединенная с высоковольтным центральным контактом в крышке распределителя, который, в свою очередь, соединен с вторичной обмоткой катушки зажигания. Токоразносная пластина периодически приближается к расположенным в крышке трамблера контактам высоковольтных проводов, идущих к свечам цилиндров. В этот момент во вторичной обмотке катушки возникает высокое напряжение, которое пробивает два воздушных промежутка: между токоразностной пластиной и контактом провода к данной свече и между электродами свечи.

На том же валу установлены кулачки, число которых равно числу цилиндров, а выступы каждого кулачка размыкают одновременно с подключением конкретной свечи контакты прерывателя тока, включенные в цепь первичной обмотки катушки зажигания.

Чтобы между контактами прерывателя не возникало искры при размыкании, параллельно им подключен конденсатор большой емкости. При размыкании контактов прерывателя ЭДС индукции в первичной обмотке вызывает ток заряда конденсатора, но вследствие его большой емкости напряжение на нем, а следовательно и между разомкнутыми контактами, не достигает величины пробоя воздуха.

А как же с углом опережения?

Как известно, при уменьшении частоты вращения коленвала смесь в цилиндрах нужно поджигать в такте ее сжатия попозже, прямо перед самой ВМТ, т.е. угол опережения зажигания следует уменьшать. Наоборот, при увеличении частоты вращения смесь в такте сжатия нужно поджигать пораньше, т.е. угол опережения увеличивать. В трамблерах эту функцию выполнял центробежный регулятор, механически связанный с кулачками прерывателя тока. Он поворачивал их на валу распределителя таким образом, чтобы они пораньше или попозже в такте сжатия смеси размыкали контакты прерывателя.

Изменять угол опережения необходимо и при неизменной частоте, когда меняется нагрузка на двигатель. Эту работу выполняло специальное устройство – вакуумный регулятор зажигания.

Появление первых коммутаторов

К концу 70-х годов прошлого века стало ясно, что самым слабым узлом трамблера являются контакты прерывателя, через которые протекал полный ток первичной обмотки. Они постоянно подгорали и выходили из строя. Поэтому первым решением стала специальная электронная схема коммутатора для прерывания тока в катушке. В ее входную слаботочную цепь включались провода от выводов традиционного контактного прерывателя трамблера. Однако теперь его контакты прерывали не полный ток катушки зажигания, а небольшой ток во входной цепи коммутатора.

Собственно же электронный коммутатор был конструктивно выполнен в отдельном блоке и подключался (по желанию водителя) к классическому трамблеру. Такая система зажигания получила название контактной электронной. Она была весьма популярной в 80-е годы прошлого века. И в наше время еще можно встретить оснащенные ею автомобили.

Схема коммутатора контактной электронной системы собиралась на транзисторах.

Следующий шаг – отказ от контактного прерывателя

Контактный прерыватель тока даже в слаботочном варианте, применяемом в контактной электронной системе зажигания, оставался весьма ненадежным узлом. Поэтому автомобилестроители предпринимали немалые усилия для его исключения. Эти усилия увенчались успехом после создания бесконтактного датчика-распределителя на основе датчика Холла.

Теперь вместо нескольких кулачков на валу распределителя стали устанавливать цилиндрический полый экран с прорезями и шторками между ними, причем число шторок и прорезей равно числу цилиндров двигателя. Шторки и прорези экрана движутся в магнитном поле, создаваемом постоянным магнитом, мимо миниатюрного датчика Холла. Пока мимо него движется шторка экрана, выходное напряжение датчика Холла отсутствует. Когда же шторка сменяется прорезью, с датчика Холла электронной схемой снимается фронт импульса напряжения, свидетельствующий о необходимости прервать ток в первичной обмотке катушки зажигания. Этот импульс напряжения передается по проводам в блок коммутатора тока в катушке зажигания, где он предварительно усиливается и далее используется для управления основным силовым коммутирующим каскадом.

Другим вариантом бесконтактного датчика-распределителя является узел с оптическим датчиком, у которого вместо датчика Холла используется фототранзистор, а вместо постоянного магнита – светодиод. Оптический датчик имеет такой же вращающийся экран с прорезями и шторками.

Появление коммутатора как такового

Итак, в бесконтактной системе зажигания вместо одного контактного трамблера появились два отдельных узла: бесконтактный (но только по низкому напряжению) датчик-распределитель и электронный коммутатор. Функцию же распределения высоковольтного напряжения по свечам зажигания в датчике-распределителе по-прежнему выполняет механический ротор-бегунок с токоразносной пластиной.

А как же с регулированием угла зажигания? Эти задачи по-прежнему выполняют центробежный и вакуумный регуляторы в составе датчика-распределителя. Первый из них теперь поворачивает на валу не кулачки, а сдвигает шторки экрана, изменяя тем самым угол зажигания. Вакуумный же регулятор имеет возможность сдвигать датчик Холла с его опорной пластиной, также регулируя данный угол.

Учитывая вышеизложенное, на вопрос: «Современный автомобильный коммутатор: что это такое?» – следует давать ответ, что это конструктивно обособленный электронный блок бесконтактной системы зажигания.

Отказ от распределения высокого напряжения

Дольше всего в коммутаторе сохранялся механический распределитель высоковольтного напряжения по свечам цилиндров. Самое интересное, что этот узел был достаточно надежен и не вызывал больших нареканий. Однако время не стоит на месте, и в начале нашего столетия схема подключения коммутатора претерпела очередные крупные изменения.

В современных автомобилях вообще отсутствует распределение высоковольтного напряжения от одной катушки по разным свечам. Наоборот, в них «размножились» сами катушки и стали принадлежностью свечи каждого цилиндра. Теперь вместо контактной коммутации свечей по высокому напряжению выполняется бесконтактная коммутация их катушек по низкому напряжению. Конечно, это усложняет схему коммутатора, но и возможности современной схемотехники гораздо шире.

В современных автомобилях с инжекторными двигателями управление коммутатором осуществляет либо автономный блок управления двигателем, либо бортовой компьютер автомобиля. Эти устройства управления анализируют не только скорость вращения коленвала, но множество других параметров, характеризующих топливо и охлаждающую жидкость, температуру различных узлов и окружающей среды. На основании их анализа в режиме реального времени меняются и настройки угла опережения зажигания.

Неисправности коммутатора

Наиболее часто встречающейся неисправностью механического трамблера является подгорание его контактов: как подвижных, так и высоковольтных контактов свечей. Чтобы этого не случилось (по крайней мере, не слишком быстро), нужно регулярно осматривать их, и если на них образовался нагар, то его следует снять надфилем или мелкой шкуркой.

Если вышел из строя конденсатор, включенный параллельно контактам прерывателя, или резистор в цепи центрального высоковольтного электрода, то их можно заменить.

Неисправности коммутатора электронного, вызванные выходом из строя усилителя импульсов датчика Холла или коммутатора тока катушки, обычно не подлежат устранению, так как такой коммутатор является неразборным. В этом случае, как правило, неисправный блок просто заменяется новым.

Как проверить коммутатор?

Если обороты двигателя на холостом ходу «плавают», или он глохнет на ходу, или вообще не запускается, то следует проверить наличие искры на подключенных к распределителю зажигания с датчиком Холла свечах. Для этого нужно выкрутить их, надеть наконечники бронепроводов, положить свечи на «массу» и «крутануть» коленвал стартером. Если искры нет или она слабая, нужно переходить к коммутатору.

Но как проверить коммутатор? Следует включить зажигание и оценить, как отклоняется стрелка вольтметра. Если коммутатор исправен, то она должна отклоняться в два этапа. Сначала стрелка занимает некоторое промежуточное положение, в котором остается 2-3 секунды, а затем переходит в конечное (штатное) положение. Если стрелка сразу занимает конечное положение, то можно пробовать заменять коммутатор.

Подключение коммутатора

Как подключить коммутатор к бесконтактной системе зажигания? Следует помнить, что его клеммная колодка подключается двумя проводами к клеммам «Б» и «К» катушки зажигания, трехпроводным жгутом с разъемом - к датчику Холла на датчике-распределителе и одним проводом - к «массе». С выводом «+» аккумулятора схема коммутатора соединяется на клемме «Б» катушки.

Управление мощными нагрузками — достаточно популярная тема среди людей, так или иначе касающихся автоматизации дома, причём в общем-то независимо от платформы: будь то Arduino, Rapsberry Pi, Unwired One или иная платформа, включать-выключать ей какой-нибудь обогреватель, котёл или канальный вентилятор рано или поздно приходится.

Традиционная дилемма здесь — чем, собственно, коммутировать. Как убедились многие на своём печальном опыте, китайские реле не обладают должной надёжностью — при коммутации мощной индуктивной нагрузки контакты сильно искрят, и в один прекрасный момент могут попросту залипнуть. Приходится ставить два реле — второе для подстраховки на размыкание.

Вместо реле можно поставить симистор или твердотельное реле (по сути, тот же тиристор или полевик со схемой управления логическим сигналом и опторазвязкой в одном корпусе), но у них другой минус — они греются. Соответственно, нужен радиатор, что увеличивает габариты конструкции.

Я же хочу рассказать про простую и довольно очевидную, но при этом редко встречающуюся схему, умеющую вот такое:

Гальваническая развязка входа и нагрузки
Коммутация индуктивных нагрузок без выбросов тока и напряжения
Отсутствие значимого тепловыделения даже на максимальной мощности

Но сначала — чуть-чуть иллюстраций. Во всех случаях использовались реле TTI серий TRJ и TRIL, а в качестве нагрузки — пылесос мощностью 650 Вт.

Классическая схема — подключаем пылесос через обычное реле. Потом подключаем к пылесосу осциллограф (Осторожно! Либо осциллограф, либо пылесос — а лучше оба — должны быть гальванически развязаны от земли! Пальцами и яйцами в солонку не лазить! С 220 В не шутят!) и смотрим.

Пришлось почти на максимум сетевого напряжения (пытаться привязать электромагнитное реле к переходу через ноль — задача гиблая: оно слишком медленное). В обе стороны бабахнуло коротким выбросом с почти вертикальными фронтами, во все стороны полетели помехи. Ожидаемо.

Резкое пропадание напряжения на индуктивной нагрузке не сулит ничего хорошего — ввысь полетел выброс. Кроме того, видите вот эти помехи на синусоиде за миллисекунды до собственно отключения? Это искрение начавших размыкаться контактов реле, из-за которого они однажды и прикипят.

Итак, «голым» реле коммутировать индуктивную нагрузку плохо. Что сделаем? Попробуем добавить снаббер — RC-цепочку из резистора 120 Ом и конденсатора 0,15 мкФ.

Лучше, но не сильно. Выброс сбавил в высоте, но в целом сохранился.

Та же картина. Мусор остался, более того, осталось искрение контактов реле, хоть и сильно уменьшившееся.

Вывод: со снаббером лучше, чем без снаббера, но глобально проблемы он не решает. Тем не менее, если вы желаете коммутировать индуктивные нагрузки обычным реле — ставьте снаббер. Номиналы надо подбирать по конкретной нагрузке, но 1-Вт резистор на 100-120 Ом и конденсатор на 0,1 мкФ выглядят разумным вариантом для данного случая.

Литература по теме: Agilent — Application Note 1399, «Maximizing the Life Span of Your Relays». При работе реле на худший тип нагрузки — мотор, который, помимо индуктивности, при старте имеет ещё и очень низкое сопротивление — добрые авторы рекомендуют уменьшить паспортный ресурс реле в пять раз.

А теперь сделаем ход конём — объединим симистор, симисторный драйвер с детектированием нуля и реле в одну схему.

Что есть на этой схеме? Слева — вход. При подаче на него «1» конденсатор C2 практически мгновенно заряжается через R1 и нижнюю половину D1; оптореле VO1 включается, дожидается ближайшего перехода через ноль (MOC3063 — со встроенной схемой детектора нуля) и включает симистор D4. Нагрузка запускается.

Конденсатор C1 заряжается через цепочку из R1 и R2, на что уходит примерно t=RC

100 мс. Это несколько периодов сетевого напряжения, то есть, за это время симистор успеет включиться гарантированно. Далее открывается Q1 — и включается реле K1 (а также светодиод D2, светящий приятным изумрудным светом). Контакты реле шунтируют симистор, поэтому далее — до самого выключения — он в работе участия не принимает. И не греется.

Выключение — в обратном порядке. Как только на входе появляется «0», C1 быстро разряжается через верхнее плечо D1 и R1, реле выключается. А вот симистор остаётся включённым примерно 100 мс, так как C2 разряжается через 100-килоомный R3. Более того, так как симистор удерживается в открытом состоянии током, то даже после отключения VO1 он останется открытым, пока ток нагрузки не упадёт в очередном полупериоде ниже тока удержания симистора.

Красиво, не правда ли? Причём при использовании современных симисторов, устойчивых к быстрым изменениям тока и напряжения (такие модели есть у всех основных производителей — NXP, ST, Onsemi, etc., наименования начинаются с «BTA»), снаббер не нужен вообще, ни в каком виде.

Более того, если вспомнить умных людей из Agilent и посмотреть, как меняется потребляемый мотором ток, получится вот такая картинка:

Стартовый ток превышает рабочий более чем в четыре раза. За первые пять периодов — то время, на которое симистор опережает реле в нашей схеме — ток падает примерно вдвое, что также существенно смягчает требования к реле и продлевает его жизнь.

Да, схема сложнее и дороже, чем обычное реле или обычный симистор. Но часто она того стоит.

Прежде чем принять решение о передаче кадра, коммутатор получает и анализирует его содержимое. В современных коммутаторах используются следующие методы коммутации, определяющие поведение устройства при получении кадра:

коммутация с промежуточным хранением (store-and-forward);
коммутация без буферизации (cut-through).

Оба метода коммутации принимают решение о продвижении кадров на основе МАС-адреса получателя, но отличаются последовательностью действий, которые коммутатор выполнит, прежде чем передать или отбросить поступивший на его порт кадр .

Метод коммутации с промежуточным хранением (store-and-forward) исторически появился первым. Он характеризуется тем, что коммутатор , прежде чем передать кадр , полностью копирует его в буфер и производит проверку на наличие ошибок. Если кадр содержит ошибки (не совпадает контрольная сумма, или кадр меньше 64 байт или больше 1518 байт ), то он отбрасывается. Если кадр не содержит ошибок, то коммутатор находит МАС- адрес приемника в своей таблице коммутации и определяет выходной порт . Затем, если не определены никакие фильтры, коммутатор передает кадр через соответствующий порт устройству назначения.

Несмотря на то, что этот способ передачи связан с задержками (чем больше размер кадра, тем больше времени требуется на его прием и проверку на наличие ошибок), он обладает двумя существенными преимуществами:

коммутатор может быть оснащен портами, поддерживающими разные технологии и скорости передачи, например, 10/100 Мбит/с, 1000 Мбит/с и 10 Гбит/с;
коммутатор может проверять целостность кадра, благодаря чему поврежденные кадры не будут передаваться в соответствующие сегменты.

В большинстве коммутаторов D-Link реализован этот метод коммутации. Благодаря использованию в устройствах высокопроизводительных процессоров и контроллеров ASIC ( Application -Specific Integrated Circuit ), задержка, вносимая коммутацией store-and- forward при передаче кадров, оказывается незначительной.

Коммутация без буферизации (cut-through) была реализована в первом коммутаторе Ethernet , разработанном фирмой Kalpana в 1990 г. При работе в этом режиме теоретически коммутатор копирует в буфер только МАС- адрес назначения (первые 6 байт после преамбулы) и сразу начинает передавать кадр , не дожидаясь его полного приема. Однако современные коммутаторы не всегда реализуют коммутацию без буферизации в классическом варианте. В зависимости от реализации коммутатор дожидается приема в буфер определенного количества байтов кадра и, если на порте не определены никакие фильтры, принимает решение о его передаче. Так как при работе в режиме cut-through коммутатор не дожидается приема всего кадра, то он не выполняет проверку кадров на наличие ошибок. Проверка кадра на наличие ошибок возлагается на принимающий узел. Однако, современная сетевая инфраструктура , включающая оборудование и кабельную систему позволяет свести вероятность возникновения ошибочных кадров к минимуму.

Основным преимуществом коммутация без буферизации по сравнению с коммутацией с промежуточным хранением является уменьшение времени передачи кадров большого размера. Например, если приложение использует Jumbo-фреймы (кадры Ethernet , размер поля данных которых может достигать 10 000 байт ), то коммутатор , работающий в режиме cut-through , будет передавать данные на несколько микро или миллисекунд (в зависимости от скорости портов коммутатора) быстрее коммутатора, использующего режим store-and- forward .

Помимо этого, коммутаторы с поддержкой режима cut-through хорошо подходят для использования в сетях, например в центрах обработки данных, с приложениями критичными к задержкам.

Однако в некоторых случаях, метод cut-through теряет свои преимущества в скорости передачи. Это может произойти при перегрузке сети, использовании функций фильтрации, требующих обработки на ЦПУ, или когда порты коммутатора поддерживают разную скорость (если коммутационная матрица плохо спроектирована).

Коммутаторы D-Link серии DXS-3600-xx обеспечивают гибкость в выборе метода коммутации, т.к. поддерживают selectable store-andforward/ cut-through mode . По умолчанию в коммутаторах этой серии используется режим store-and- forward , поэтому для получения преимуществ от использования режима cut-through , администратор сети должен сначала его активизировать. Коммутатор будет копировать в буфер , и изучать первые 560 байт кадра. Если размер кадра окажется больше 560 байт , коммутатор автоматически переключится в режим cut-through и начнет процесс продвижения кадра, не дожидаясь его полного приема. Соответственно для кадров, чей размер меньше или равен 560 байт будет использоваться режим коммутации store-and- forward .

Конструктивное исполнение коммутаторов

В зависимости от конструктивного исполнения (габаритных размеров) можно выделить три группы коммутаторов:

настольные коммутаторы (Desktop switch);
автономные коммутаторы, монтируемые в телекоммуникационную стойку ( Rack mounted switch);
коммутаторы на основе шасси ( Chassis switch).

Как следует из названия, настольные коммутаторы предназначены для размещения на столах, иногда они могут оснащаться входящими в комплект поставки скобами для крепления на стену. Обычно такие коммутаторы обладают корпусом обтекаемой формы с относительно небольшим количеством фиксированных портов (у коммутаторов D-Link количество портов варьируется от 5 до 16), внешним или внутренним блоком питания и небольшими ножками (обычно резиновыми) для обеспечения вентиляции нижней поверхности устройства. Чаще всего коммутаторы настольного форм-фактора используются в сетях класса SOHO (Small Office, Home Office), где не требуется высокая производительность и расширенные сетевые функции. В качестве примера коммутатора в настольном исполнении можно привести коммутатор D-Link модели DES-1008A.

Автономные коммутаторы в стоечном исполнении высотой 1U обладают корпусом для монтажа в 19" стойку, встроенным блоком питания и фиксированным количеством портов (у коммутаторов D-Link количество портов может достигать 52-х штук). По сравнению с настольными коммутаторами коммутаторы, монтируемые в стойку, обеспечивают более высокую производительность и надежность , а также предлагают широкий набор сетевых функций и интерфейсов. Как правило, такие коммутаторы используются на уровнях доступа и распределения сетей малых и средних предприятий (Small to Medium Business, SMB), корпоративных сетей и сетей провайдеров услуг (Internet Service Provider, ISP).

Среди коммутаторов в стоечном исполнении с фиксированным количеством портов можно выделить отдельную группу устройств — стековые коммутаторы. Эти устройства представляют собой коммутаторы, которые могут работать как автономно, так как выполнены в отдельном корпусе, так и совместно, благодаря наличию специальных интерфейсов, позволяющих объединять коммутаторы в одно логическое устройство с целью увеличения количества портов, удобства управления и мониторинга. Говорится, что в этом случае отдельные коммутаторы образуют стек.

Коммутаторы на основе шасси содержат слоты, которые могут быть использованы для установки интерфейсных модулей расширения, резервных источников питания и процессорных модулей. Модульное решение обеспечивает гибкость применения, высокую плотность портов и возможность резервирования критичных для функционирования коммутатора компонентов. Модули такого коммутатора поддерживают технологию hot swap ("горячая замена"), то есть допускают замену на ходу, без выключения питания коммутатора. Коммутаторы на основе шасси предназначены для применения на магистрали сети крупных корпоративных сетей, городских сетей или сетей операторов связи .

Физическое стекирование коммутаторов

Под физическим стекированием понимается объединение нескольких коммутаторов в одно логическое устройство с целью увеличения количества портов, удобства управления и мониторинга. Объединенные в стек коммутаторы имеют общие таблицы коммутации и маршрутизации (для коммутаторов 3 уровня).

В коммутаторах D-Link используются 2 топологии стекирования: "кольцо" (ring) и "цепочка" ( chain ).

Рис. 1.6. Топологии стекирования "кольцо" и "цепочка"

Стек типа "кольцо" (кольцевая топология) строится по следующей схеме: каждое устройство в стеке подключается к вышележащему и нижележащему, при этом самый нижний и самый верхний коммутатор в стеке также соединяются. При передаче данных пакет последовательно передается от одного устройства стека к другому до тех пор, пока не достигнет порта назначения. Система автоматически определяет оптимальный путь передачи трафика, что позволяет достичь полного использования полосы пропускания. Преимуществом топологии "кольцо" является то, что при выходе одного устройства из строя или обрыве связи остальные устройства стека будут продолжать функционировать в обычном режиме.

В стеке типа "цепочка" (линейная топология) каждое устройство соединено с вышележащим и нижележащим. Самый верхний и самый нижний коммутаторы не соединяются.

Физическое стекирование по линейной и кольцевой топологии реализовано в семи сериях коммутаторов D-Link. Коммутаторы серий DGS-1510-xx, DGS-3120-xx позволяют объединить в стек до 6 устройств, коммутаторы серии DGS-3610-xx – до 8 устройств, а коммутаторы серий DGS-3420-xx и DGS-3620-xx – до 12 устройств, используя интерфейсы 10 Gigabit Ethernet ( 10GE ).

Все устройства стека управляются через один IP- адрес . Передача данных между ними ведется в полнодуплексном режиме.

Сегодня практически вся электроника в доме, офисе, на предприятиях требует подключения к интернету. И мы говорим не о Wi-Fi, а именно о традиционном Ethernet-подключении с помощью старой доброй витой пары, RJ-45 и прочих радостей жизни.

Давайте сначала поговорим о характеристиках, которые стоит учитывать при выборе любого коммутирующего устройства: количественные и функциональные преимущества. Именно от них принято отталкиваться в первую очередь при планировании инфраструктуры сети.

Количество портов коммутатора

По сути, это главная характеристика, поскольку число гнезд подключения напрямую влияет на количество оборудования, которое можно объединить.

Один свитч поддерживает от 5 до 48 портов. Наибольший интерес у большинства рядовых пользователей вызывают модели на 5-15 гнезд. Этого достаточно, чтобы обустроить небольшую домашнюю сеть, подключив к ней сетевое оборудование, средства умного дома и не только. Корпоративный сегмент уже смотрит на свитчи с 15-52 гнездами подключения. В последнем случае работают 48 обычных + 4 сервисных.

Скорость портов коммутатора достигает либо 100 Мбит/с, либо 1 Гбит/с. Рекомендуем смотреть в сторону гигабитных каналов . Хотя бы потому, что в ближайшем будущем они станут таким же мейнстримом, как сегодня 100 Мбит. А если что-то покупать на несколько лет, лучше немного переплатить сейчас и не тратиться на апгрейд в будущем.

Поддержка PoE

Если этот параметр предусмотрен в спецификациях, значит подключаемые устройства (так называемые PoE-коммутаторы) можно запитывать от сетевого кабеля, не создавая никаких помех в сигнале. Режим особенно полезен для оборудования, которое настоятельно не рекомендуется подключать к источнику сетевого питания (WEB-камеры).

Количество SFP-портов

SFP — особые порты высокого уровня. Они служат преимущественно для объединения двух и более устройств в единых кластер. В отличие от Ethernet предусмотрена передача информации на расстояние более 100 метров без потери скорости. Подобные порты не оснащают приемо-передатчиками. Это всего лишь слот для SFP-модуля. А вот последний как раз и представляет наибольший интерес, ведь в него можно воткнуть как витую пару, так и оптику.

Скорость коммутаторов

Количество — это хорошо, но качество тоже немаловажно. От него зависит степень выдерживаемой на сеть нагрузки без ухода в аварийный режим, перезагрузку, перегрев, а то и выход из строя. Естественно, цена от этого вырастает, но при этом пользователь получает ряд функциональных преимуществ.

Скорость обслуживания пакетов

Этот параметр определяет производительность, или иначе быстроту, с которой устройство обрабатывает передаваемые данные. Измеряется в миллионах пакетов в секунду — Mpps. Под скоростью обслуживания подразумевают два взаимосвязанных процесса:

1. filtering - фильтрация;
2. forvarding - передача пакетов внутри одной сети.

Первый параметр определяет ту скорость, с которой свитч за одну секунду производит с поступающими пакетами информации следующие действия:

прием фрейма во временный буфер;
оперативный поиск порта для адреса назначения, используя таблицу с адресами;
уничтожение фрейма, если источник и приемник имеют идентичные показатели.

Скорость продвижения — параметр, который определяет с какой скоростью (в секунду) свитч обрабатывает и передает информацию по такому алгоритму:

помещает кадр в буфер;
ищет порт назначения;
пересылает кадр адресату.

Предполагается, что эти количественные характеристики соответствуют пропускной способности Ethernet и имеют минимальный размер в 64 байта. Исходя из этого, диапазон скоростного лимита для оборудования может колебаться в пределах 1.4-71.4 Mpps.

Далее по степени значимости можно выделить следующие свойства:

3. способность прогона пакетов (пропускная);
4. задержка фрейма во время его передачи;
5. размер вшитой таблицы адресов;
6. буфер фрейма/фреймов;
7. общая производительность.

Рассмотрим их подробно.

Внутренняя пропускная способность коммутатора

Параметр также известен как thoughput. Измеряется общим числом данных, которые были перенаправлены через порты за указанный отрезок времени. Чем длиннее передаваемый фрейм, тем выше нужна полоса пропускания. Для стандартных 14 880 кадров/сек пропускная способность для 64-х байтных пакетов составляет 5.48 Мбайт в секунду. Лимит для скорости передачи определяется самим коммутатором.

Задержка фрейма

Этот параметр означает время, которое было затрачено с момента передачи кадра в буфер свитча и до его приема на адресный порт. Иными словами — это скорость движения одного кадра с выполнением таких операций как:

обращение к таблицы сохраненных адресов;
буферизация;
решение о дальнейшем движении или фильтрации по месту;
организация доступа к выходным портам.

Также немалую роль в этом процессе играет тип движения кадров. При «сквозной» коммутации задержки колеблются от 10 до 40 мкс. Полная буферизация обычно занимает от 50 до 200 мкс. Все зависит от длины фрейма.

При высокой загрузке оборудования зачастую даже при «сквозной» коммутации большое количество входящих фреймов должны толпиться в буферной зоне. А потому сложные дорогие устройства имеют адаптивный режим работы и самостоятельно определяют тип трафика.

Объем CAM-таблицы

Этот параметр определяет предельное число MAC-адресов, вмещаемых таблицей соответствия портов в памяти. Значения в таблице MAC-адресов коммутатора различаются для каждого порта. При переполнении хранилища самая старая запись перезаписывается самой новой. Даже несмотря на переполнение, сеть продолжает работу, однако пропускная способность сильно снижается из-за перегрузки избыточным трафиком.

Объем буфера

Параметр определяет емкость временного хранилища фреймов, если отсутствует возможность их моментальной передачи на порты адресации. Трафик при этом распределяется неравномерно, периодически случаются пульсации. Объем буферной зоны во многом определяет то, какую нагрузку коммутатор может выдержать без последствий.

Простые модели рассчитаны на несколько сотен килобайт/порт. Дорогостоящие устройства предлагают до 5-10 мегабайт соответственно.

Выводы

Коммутаторы — многоуровневые агрегаты, которые практически невозможно рассматривать по одному параметру. Технику рассматривают в комплексе и примеряют ее характеристики под определенную задачу.

В сферическом вакууме, к которому все стремятся, коммутатор передает фреймы на той же скорости, что и подключенный внешний узел. Естественно, без потерь, задержек и простоев. Для этих целей вся внутренняя начинка устройства должна соответствовать объемам поступающего трафика.

Но в реальности существует множество физических ограничений, накладываемых на возможности коммутаторов:

типы трафика;
интенсивность передачи;
размеры кадров;
скорость распределения сигнала по портам.

Эталонную систему оценки свитчей пока не придумали, есть лишь «корпоративные тесты» для конкретных случаев. Иными словами, практический метод все еще остается самым действенным. Если устройство удовлетворяет вашим потребностям и показывает отличную производительность в сети — значит выбор верный. Остальное покажет только опыт.

Если у вас еще остались вопросы по критериям выбора сетевого оборудования, вы всегда можете задать их нашим специалистам. Закажите консультацию, и мы предоставим вам всю требуемую информацию.

Читайте также: