4.1. Термины, определения и классификация коммутационных аппаратов высокого напряжения

imageПри вращении якоря каждая секция обмотки переключается коллектором из одной параллельной ветви в другую, оставаясь некоторое время замкнутой накоротко. Переключение секции и совокупность всех явлений, происходящих в ней при этом, называется коммутацией. Время Т, в течение которого секция остается замкнутой накоротко, называется периодом коммутации.

Коммутатор что это такое и для чего

Если при коммутации обнаруживается искрение на коллекторе, то это может привести в негодность щетки и коллектор, и машина может выйти из строя. Рассмотрим упрощенно причины плохой коммутации и способы ее улучшения.

Представим себе секцию (3н — ) (рис 8-9 и 8-10) отдельно на рис. 8-14 и допустим, что секция вращается очень медленно (Т ≈ ∞), ширина щетки равна ширине коллекторной пластины и что всеми сопротивлениями, кроме сопротивления переходного слоя между щеткой и коллектором, можно пренебречь. Ток Iя переходит из щетки через сопротивление переходного слоя rп = в коллекторную пластину 1, а затем разделится на два равных тока = 0,5Iя, идущих: один в параллельную ветвь с проводами Зн—6в—1в и т. д., а другой — с проводами И Т. Д.

Как только щетка коснется коллекторной пластины 6, начнется коммутация, и ток в секции начнет уменьшаться.

Действительно, если при t = (Т/10)0,9 контактной поверхности щетки касается коллекторной пластины 1, а 0,1 — касается пластины 6, то ток, проходящий через коллекторную пластину 1, равен 0,9 Iя, а через пластину — 0,1 Iя. Токи в параллельных ветвях при неизменном Iя по-прежнему должны быть равны по 0,5 Iя, а следовательно, ток в короткозамкнутой секции ic имеет прежнее направление и величина его равна 0,9 Iя — 0,5 Iя = 0,4 Iя. Ток другой параллельной ветви складывается из тока короткозамкнутой

Рис. 8-14. Начало коммутации (t = 0).

секции 0,4 Iя и тока 0,1 Iя, идущего от щетки в коллекторную пластину 6, т. е. тоже равен 0,4 Iя + 0,1 Iя = 0,5 Iя

Таким образом, ток в короткозамкнутой секции уменьшается пропорционально времени t и в положении, показанном на рис. 8-15, т. е. при t = T/2 равен нулю. Дальше ток в секции начинает нарастать, но уже в обратном направлении и к моменту t = Т, представленному на рис. 8-16, опять равен 0,5 Iя, так как секция разомкнулась и переключена в правую параллельную ветвь. Зависимость ic = показана на рис. 8-17, а и представляет прямую линию. Такой должна быть коммутация в каждой хорошо построенной машине.

image

Рис. 8-15. Средина времени коммутации t = T/2.

Рис. 8-16. Конец коммутации t = T.

Так происходит коммутация при Т ≈ ∞, т.е. когда скорость вращения ничтожна и в секции, замкнутой накоротко, э. д. с, не возникает. На самом деле время коммутации длится. тысячные доли секунды и, значит, ток ic в секции изменяется очень быстро. При этом, как известно, b секции возникает э. д. с. самоиндукции. Поскольку зависимость ic= f (t) — прямая линия, т. е. dic/dt = tg α = const, то величина еs = — Lc(dic/dt)постоянна. Разделив величину еsна сопротивление короткозамкнутой секции, можно получить значение добавочного тока is вызванного э. д. c. самоиндукции es:

ie/(r6 + r1)

где r6 и r1 — сопротивления переходного слоя части щетки, набегающей на шестую коллекторную пластину, и остальной части щетки, сбегающей с первой пластины, Сопротивление самой секции ничтожно мало по  сравнению с r6 и r.

Рис. 8-17. Коммутация при естественных условиях.

Для момента T/2 (рис. 8-15) r6 + r= 2+ 2= 4R, а для t = 0 и t = Т r6 + r= ∞. Вычисленные на основании этих соображений значения тока if(t) показаны на рис. 8-17, б. Сумма токов секции iis при наличии э. д. с. самоиндукции, т. е. в реальных условиях, показана на рис. 8-17, а пунктиром. Коммутация в этом случае называется замедленной, ибо э. д. с. eзатягивает процесс изменения тока в секции, поддерживая его, когда он убывает, и препятствуя его нарастанию в конце периода коммутации. На рис. 8-18 показано распределение токов для момента T/2 при наличии э. д. с. esПри этом оказывается, что плотность тока на набегающем краю щетки уменьшается, а на сбегающем — увеличивается, вызывая дополнительный нагрев и износ щетки сверх расчетного.

Но главная опасность, вызываемая замедленной коммутацией, это, искрение между щеткой и коллектором на сбегающем краю щетки; Вызывается оно эффектом размыкания короткозамкнутой секции в конце коммутации. В. это время запасенная секцией электромагнитная энергия 1/2 Lci2s выделяется в электрической дуге у сбегающего края щетки. Работа машины допустима, если при номинальном режиме работы искрение, определяемое на глаз, не превосходит следующих степеней:

Степень 1 — отсутствие искр (темная коммутация).

Степень 11/4 — слабое точечное искрение под небольшой частью щетки. В этих случаях нет почернения коллектора и нагара на щетках.

Рис. 8-18. Распределение токов при замедленной коммутации.

Степень I1/2 — слабое искрение под большой частью щетки. При этом появляются следы почернения на коллекторе, легко устраняемые протиранием поверхности коллектора тряпкой, смоченной в бензине, а также следы нагара на щетках.

Для улучшения коммутации принимается ряд мер. Чтобы уменьшить ток isпереходное сопротивление делают большим, применяя графитные щетки в машинах нормального типа и угольно-графитные или электрографитированные—в тяговых, крановых машинах и двигателях прокатных станов. В низковольтных машинах (автотракторные, электролизные и др.) применяют медно-графитные щетки. Щетки подбираются опытным путем на испытательном стенде завода и поэтому заменять изношенную щетку можно только щеткой той же марки.

Радикальной мерой улучшения коммутации является применение дополнительных полюсов (рис. 8-19). При этом уничтожается э. д. с. самоиндукции, а значит и дополнительный ток isОни располагаются на геометрической нейтрали и в случае работы машины генератором чередуются с главными полюсами в направлении вращения якоря, как указано на рис. 8-19 а. Действие их включается в следующем. Когда секция, попадая на геометрическую нейтраль, замыкается щеткой накоротко, э. д. с. машины Е в убывающий ток секции ic (pиc. 8-I7, бимеют одно направление. Электродвижущая сила самоиндукции поддерживает убывающий ток, а значит направлена так же. как э. д. с. Е. Поэтому, для компенсации ев секции должна дополнительно наводиться э. д. с. коммутации ек встречная э. д. с. самоиндукции. Условно это показано на рис. 8-19, бЭто и выполняется, если для генератора, вслед за главным полюсом Nустановить в направлении вращения дополнительный s (рис. 8-19, а). Если установить ек= eSто дополнительный ток секции is будет равен нулю и коммутация станет прямолинейной.

Рис. 8-19. Дополнительные полюсы.

При работе машины двигателем, при том же направлении тока в якоре и той же полярности главных полюсов направление вращения якоря будет обратным и э. д. с. Е встречная току. Следовательно, э. д. с. ек должна совпадать с э. д. с. Е (рис. 8-19, б) и чередование полюсов для этого случая будет NnSs.

Для того чтобы компенсация э. д. с. самоиндукции происходила автоматически, при всех нагрузках, обмотка дополнительных полюсов соединяется последовательно с обмоткой якоря (рис. 8-19, а) и полюсы делаются ненасыщенными. В этом случае ек ≡ Фдп ≡ Iя. Так как es Iя то она компенсируется э. д. с. ек при любой нагрузке. В действительности процесс коммутации значительно сложнее, чем был описан.

При эксплуатации машин постоянного тока необходимо считаться с возможностью возникновения «кругового огня по коллектору», который приводит к тяжелой аварии машины. Сущность явления в следующем.

Если магнитная индукция в воздушном зазоре В؏ постоянна, то, разделив напряжение машины на число коллекторных пластин, лежащих между двумя разноименными щетками, находят среднее напряжение между двумя лежащими рядом коллекторными пластинами (Uср) или, что то же, напряжение, создаваемое одной секцией (рис. 8-9). Это напряжение должно быть меньше того, которое способно поддержать электрическую дугу между пластинами, если она по каким-либо причинам возникнет.

Практически напряжение между некоторыми пластинами оказывается выше, чем Uср, особенно благодаря поперечной реакции якоря, увеличивающей индукцию под краем полюса на 30—50%. Тогда в секции, а значит и между коллекторными пластинами, к которым она припаяна, получается повышенное напряжение. Это особенно наблюдается у мощных машин, работающих с большой толчкообразной перегрузкой.

При перегрузке под сбегающим краем щетки образуется сильное искрение, ионизирующее воздух вокруг коллектора. Если напряжение между двумя коллекторными пластинами способно поддержать электрическую дугу, то она возникает, растягивается по коллекторным пластинам, может перекрыть разноименные щетки и переброситься на корпус машины. Против этого явления в машинах постоянного тока принимаются специальные конструктивные меры.

Статья на тему Коммутация тока

Доброго времени суток. Речь пойдёт о коммутации нагрузок переменного тока. На просторах интернета находятся сотни вариантов управления ТЭНами и лампочками через симистор. Вот типовое решение. Но симистор имеет несколько важных недостатков: — Он может сам включится. — Он не подходит для коммутации мощных нагрузок. По опыту работы если в качестве С2 использовать CL21(CBB21) 0.01uF 630V», Китай» их будет часто пробивать, что приводит к замыканию цепи управления. Вот как это западло выглядит на сайте всем известного магазина: Вот как такой конденсатор может выглядеть в готовом изделии. На данной схеме резистор R4 не установлен, вся цепь кроме С2 живая. Такой пробой не единичный случай, это просто самый наглядный. Экономить на конденсаторах не выгодно потому как нагрузка разная бывает, может быть и опасно такое включение. Помимо симисторов существует ещё один вариант. И это контакторы, которыми можно управлять как раз этими самыми симисторами. Это как реле, но большое. На рисунке представлен один из самых часто распространнёных и маленьких экземпляров. Однако, речь дальше пойдёт о тиристорах. Я не буду приводить здесь теорию про тиристоры, желающие могут почитать здесь. Основные отличия от симисторов: — Больший коммутируемый ток (хотя в СССР выпускались симисторы — монстры). — Большая надёжность коммутации. Основные отличия от контакторов: — Меньшие габариты и вес. — Большая скорость коммутации. Они выпускаются как в виде отдельных тиристоров: Обычно они устанавливаются парами на теплоотвод. Выглядит это в железе обычно как-то так: Так и в виде модулей, состоящих из двух тиристоров в одном корпусе: В живую они обычно выглядят как блок, установленный на теплоотвод: Основным отличием от симистора сдрайвером будет необходимость включать тиристоры в каждом полупериоде. Из всей теории я приведу следующий рисунок: На нём изображены коммутируемое напряжение (U), коммутируемый ток (i) и импульсы включения тиристоров (iупр.). Как видно из графика коммутация производится при ноле тока, а не напряжения, что принципиально важно. Существует множество способов включения тиристоров. Но основным на сегодня является включение тиристора двуполярными импульсами, при этом частота импульсов должна быть больше сетевой. Таким образом когда мы подаём команду включения тиристорам, они включатся во время ближайшего, подходящего импульса. А поскольку частота импульсов большая то включение произойдёт практически мгновенно. И если ток через тиристор меньше тока удержания, то каждый следующий импульс будет снова открывать тиристор, что при большой частоте импульсов не будет заметно для питаемой нагрузки. Отключение тиристоров происходит при снижении коммутируемого тока ниже тока удержания. Что при пропадании импульсов управления приведёт к скорейшему закрытию тиристора при переходе тока через ноль в конце полупериода. Схема управление тиристорами похожа на такую: Во вложении более крупная картинка и схема. На микросхемах CD4069 и CD4013 собран генератор управляющих импульсов. В точках А и В получаются вот такие сигналы (осторожно модель) Этот генератор может быть общим для достаточно большого числа каналов управления. Его всегда можно заменить 2 выводами микроконтроллера, но разумнее микроконтроллер разместить на отдельной плате. Создание каналов управления производится копирование всего куска поле точек А и В. Трансформатор Т1 используется в первую очередь как гальваническая развязка. К тому на каком магнитопроводе он будет намотан требования очень расплывчатые. Всё что идет до VT1 рекомендуется делать на отдельной плате управления. Соединение плат лучше выполнять между VT1 и R10. В случае использования модульных тиристоров в точках обозначенных + и — подпаиваются проводники с наконечниками, при этом цвет проводников + и — должен быть различным иначе очень легко запутаться. Предохранитель FU1 нужен для обрыва цепи в случае пробоя тиристоров или неправильной их коммутации. В случае перенапряжений обычно выбивает VD1-VD4 и резисторы на высокой стороне. R11 должен быть в корпусе 2512, остальное допустимо применять в корпусе 1206. Резистор R15 должен быть огнестойкий (серенькие такие). Конденсаторы 1206 все кроме С10. Вот как-то так. Про цепи измерения и питания будет отдельно ибо мне влом.

Период коммутации

Период коммутацииTк представляет собой время, в течение которого секция замкнута накоротко щеткой и коммутируется.

В случае простой петлевой обмотки секция, изображенная на рисунке 1, а в виде петли, присоединяется к соседним коллекторным пластинам. При этом значение Tк равно времени перемещения коллектора, вращающегося с окружной скоростью vк, на ширину щетки bщ:

Tк = bщ / vк . (1)

Рисунок 1. Определение периода коммутации

Обозначим: Dк – диаметр коллектора,

bк = π × Dк / K (2)

– коллекторное деление и

βк = bщ / bк (3)

– коэффициент перекрытия (обычно βк = 2,0 – 4,0, а при сложных петлевых обмотках βк достигает 7,0). Тогда

vк = π × Dк × n = bк × K × n (4)

(n – число оборотов якоря; K – число пластин коллектора) и для простой петлевой обмотки, согласно выражению (1),

(5)

При сложной, m-ходовой петлевой обмотке (рисунок 1, б) между началом и концом секции располагается m – 1 коллекторных пластин. При этом секция замкнута накоротко в течение времени перемещения коллектора на длину дуги bщ – (m – 1) × bк, и, следовательно,

Подставив сюда bщ = βк × bк, число ходов обмотки m = a / p (где а – число пар параллельных ветвей обмотки; p – число пар полюсов) и значение vк из формулы (4), получим

(6)

Выражение (6) действительно также для простой петлевой обмотки (a / p = 1) и, кроме того, как можно показать, для простой и сложной волновых обмоток.

Пусть, например, мы имеем машину с простой петлевой обмоткой и n = 1500 об/мин = 25 об/с, K = 100, βк = 2,5. Тогда по формуле (5) или (6)

Таким образом, процесс коммутации протекает быстро и по отношению к внешней цепи машины является периодическим процессом с частотой порядка 1000 – 3000 Гц.

Уравнения коммутации

Исследуем закономерности коммутации секции для простой петлевой обмотки и примем сначала для простоты, что ширина щетки равна коллекторному делению (рисунок 2).

Рисунок 2. Последовательные моменты коммутации секции

Составим второе уравнение Кирхгофа для коммутируемой секции (рисунок 2):

i × rс + i1 × (rп + rщ1) – i2 × (rп + rщ2) = ∑e , (7)

где i – ток в коммутируемой секции, принимаемый положительным для начального момента коммутации (рисунок 2, а); i1, i2 – токи, протекающие через соединительные проводники («петушки») и коллекторные пластины 1 и 2 к щетке; rс – сопротивление секции; rп – сопротивление «петушка»; rщ1, rщ2 – сопротивление щеточного контакта между пластинами 1 и 2 и щеткой; ∑e – сумма электродвижущих сил, индуктируемых в коммутируемой секции в результате процесса самоиндукции в короткозамкнутой секции и других явлений.

Кроме того, для узловых точек а и б на рисунке 2 можно составить два первых уравнения Кирхгофа:

iа + i + i1 = 0;     iаii2 = 0 . (8)

Процесс коммутации определяется изменением во времени токов i, i1, i2. Эти токи могут быть определены из уравнений (7) и (8), если известны все другие величины. Однако в общем случае решение этих уравнений весьма затруднительно. Действительно, iа, rс и rп можно считать постоянными и заданными величинами. Однако rщ1 и rщ2 являются весьма сложными математическими трудно определимыми функциями токов i1, i2 и времени t. То же можно сказать и о сумме электродвижущих сил ∑e. Поэтому ниже, следуя так называемой классической теории коммутации, находим приближенное решение, которое позволяет выявить основные закономерности процесса коммутации и определить способы ее улучшения.

Подставим i1 и i2 из уравнений (8) и (7). Тогда получим

i × (rс + 2 × rп + rщ1 + rщ2) – iа × (rщ2rщ1) = ∑e ,

откуда

(9)

Первый член этого выражения представляет собой так называемый основной ток коммутации секции, а второй член – добавочный ток коммутации. Очевидно, что знаменатели в выражении (9) определяют сопротивление короткозамкнутого контура коммутируемой секции. Добавочный ток коммутации поэтому можно рассматривать как ток короткого замыкания секции, определяемый электродвижущей силой ∑e.

Коммутация сопротивлением, прямолинейная коммутация

Рассмотрим сначала случай, когда ∑e = 0. При этом в секции существует только основной ток коммутации. Изменение тока секции i определяется только изменением rщ1 и rщ2, вследствие чего этот случай называется коммутацией сопротивлением.

Сопротивления rс и rп значительно меньше rщ1 и rщ2. Поэтому можно положить rсrп ≈ 0, и тогда при ∑e = 0

(10)

В классической теории коммутации принимается, что rщ1 и rщ2 обратно пропорциональны контактным площадям S1 и S2 пластин 1 и 2 со щетками (рисунок 2). При этом предполагается также, что токи i1 и i2 распределяются равномерно по этим площадям.

Пусть начало коммутации соответствует времени t = 0 (рисунок 2, а), а конец t = Tк (рисунок 2, в). Тогда при bщ = bк

(11)

где S – полная контактная площадь коллекторной пластины со щеткой в положении, показанном на рисунке 2, а и в.

Пусть, далее, переходное сопротивление между щеткой и пластиной в предельных положениях в соответствии с рисунком 2, а и в равно rщ. Тогда при указанных выше предположениях

(12)

Подставим теперь значения rщ1 и rщ2 из (12) в (10). Тогда найдем, что

(13)

Зависимость i от t, согласно выражению (13), является линейной (рисунок 3, а). Такую коммутацию поэтому называют прямолинейной.

Рисунок 3. Прямолинейная (а) и криволинейная (б) коммутация сопротивлением

Установим распределение плотности тока под щеткой для этого случая коммутации. Плотности тока под сбегающим и набегающим краями щетки соответственно равны:

На рисунке 3, а для некоторого момента времени t в соответствии с уравнениями (8) показаны также значения токов i1 и i2. При этом из рисунка 3, а следует, что

Значит,

(14)

Очевидно, что при прямолинейной коммутации (рисунок 3, а) α1 = α2 = const. Поэтому в течение всего периода коммутации также jщ1 = jщ2 = const.

Таким образом, при прямолинейной коммутации плотность тока под всей щеткой на протяжении всего времени коммутации неизменна, как если бы щетки находились на сплошном вращающемся контактном кольце, а не на коллекторе. Такой случай коммутации поэтому является теоретически идеальным.

Можно показать, что и при bщ > bк коммутация простой петлевой обмотки является прямолинейной, если только ∑e = 0 и rс = rп = 0.

Если rс ≠ 0 и rп ≠ 0, то по равенствам (9) и (12) можно установить, что при ∑e = 0 ток i изменяется так, как показано на рисунке 3, б. Следовательно, в общем случае коммутация сопротивлением не является прямолинейной. Однако в обычных условиях отклонение кривой на рисунке 3, б от прямой линии мало, и им можно пренебречь.

Замедленная и ускоренная коммутация

В общем случае, при ∑e ≠ 0, на основной ток коммутации накладывается добавочный ток, определяемый последним членом равенства (9):

iк.д = ∑e / rк , (15)

где

rк = rс + 2 × rп + rщ1 + rщ2

или в соответствии с равенствами (12)

(16)
Рисунок 4. Добавочный ток коммутации

Зависимость сопротивления короткозамкнутого контура секции rк от времени согласно выражению (16) изображена на рисунке 4. Если предположить, что ∑e по абсолютной величине постоянна, то характер зависимости iк.д от t при ∑e > 0 и ∑e< 0 имеет вид, также изображенный на рисунке 4.

При ∑e > 0 ток iк.д складывается с основным током коммутации, который можно принять линейным. При этом получается случай так называемой замедленной коммутации (рисунок 5, а), когда изменение тока i в начале коммутации происходит медленно и ускоряется к концу.

Значение тока на сбегающем краю щетки i1 в этом случае сохраняется большим вплоть до конца коммутации, вследствие чего и плотность тока jщ1 под этим краем щетки к концу коммутации становится большой. Размыкание контура короткозамкнутой секции сбегающим краем щетки при этом аналогично выключению или разрыву цепи тока с r и L при помощи рубильника.

По изложенным причинам при замедленной коммутации возникают благоприятные условия для искрения под сбегающим краем щетки.

Рисунок 5. Замедленная (а) и ускоренная (б) коммутация

Этому способствует также то обстоятельство, что контакт на краях щетки менее устойчив (из-за наличия зазора между щеткодержателем и щеткой, последняя качается, и края щетки стираются больше и так далее).

При ∑e< 0 ток iк.д имеет обратный знак и характер изменения токов соответствует рисунку 5, б. В этом случае токи i, i1 и i2 изменяются быстро в начале коммутации, и такая коммутация называется ускоренной. Ток i2 и плотность тока jщ2 на набегающем краю щетки уже в начале коммутации, когда этот край щетки подобно рубильнику замыкает цепь короткозамкнутой секции, становятся большими. При этом существует некоторая тенденция к искрению под набегающем краем щетки.

Однако сильного искрения обычно не наблюдается. В конце же процесса ускоренной коммутации, как видно из рисунка 5, б, ток i1, а также плотность тока jщ1 на сбегающем краю щетки могут быть малы или даже практически равны нулю. Поэтому размыкание цепи короткозамкнутой секции сбегающим краем щетки при такой ускоренной коммутации происходит в весьма благоприятных условиях подобно размыканию рубильником цепи с малым током.

Подобная коммутация, когда ток на сбегающем краю щетки в конце коммутации мал, называется некоторыми авторами также коммутацией со ступенью малого тока. Получению такой коммутации способствуют щетки с круто поднимающейся вольт-амперной характеристикой (кривая 1 на рисунке 1, в статье «Природа щеточного контакта в машине постоянного тока»), когда переходное сопротивление щетки при малых плотностях тока велико.

Таким образом, замедленная коммутация является неблагоприятной и нежелательной. Наоборот, слегка ускоренная коммутация благоприятна, и на практике стремятся достичь именно такой коммутации.

Источник: Вольдек А. И., «Электрические машины. Учебник для технических учебных заведений» – 3-е издание, переработанное – Ленинград: Энергия, 1978 – 832с.

Общие сведения

Коммута́ция — процесс соединения абонентов коммуникационной сети через транзитные узлы.

Коммуникационные сети должны обеспечивать связь своих абонентов между собой. Абонентами могут выступать ЭВМ, сегменты локальных сетей, факс-аппараты или телефонные собеседники. Как правило, в сетях общего доступа невозможно предоставить каждой паре абонентов собственную физическую линию связи, которой они могли бы монопольно «владеть» и использовать в любое время. Поэтому в сети всегда применяется какой-либо способ коммутации абонентов, который обеспечивает разделение имеющихся физических каналов между несколькими сеансами связи и между абонентами сети.

Каждый абонент соединен с коммутаторами индивидуальной линией связи, закрепленной за этим абонентом. Линии связи протянутые между коммутаторами разделяются несколькими абонентами, то есть используются совместно.

Общий термин “коммутация ”применяется для четырех различных технологий: Конфигурационной коммутации; Коммутации кадров; Коммутации ячеек; Преобразования между кадрами и ячейками.

В основе конфигурационной коммутации лежит нахождение соответствия между конкретным портом коммутатора и определенным сегментом сети. Это соответствие может программно настраиваться при подключении или перемещении пользователей в сети.

При коммутации кадров используются кадров сетей Ethernet, Token Ring и т.д. Кадр при поступлении в сеть обрабатывается первым коммутатором на его пути. Под термином обработка понимается вся совокупность действий, производимых коммутатором для определения своего выходного порта, на который необходимо направить данный кадр. После обработки он передается далее по сети следующему коммутатору или непосредственно получателю.

В технологии АТМ также применяется коммутация, но в ней единицы коммутации носят название ячеек. Преобразование между кадрами и ячейками позволяет станциям в сети Ethernet, Token Ring и т.д. непосредственно взаимодействовать с устройствами АТМ. Эта технология применяется при эмуляции локальной сети.

Виды коммутации

Существует три принципиально различные схемы коммутации абонентов в сетях:

  • Коммутация каналов (КК, circuit switching) — организация составного канала через несколько транзитных узлов из нескольких последовательно «соединённых» каналов на время передачи сообщения (оперативная коммутация) или на более длительный срок (постоянная/долговременная коммутация — время коммутации определяется административно).
  • Коммутация сообщений (КС, message switching) — разбиение информации на сообщения, которые передаются последовательно к ближайшему транзитному узлу, который приняв сообщение, запоминает его и передаёт далее сам таким же образом. Получается нечто вроде конвейера.
  • Коммутация пакетов (КП, packet switching) — разбиение сообщения на «пакеты», которые передаются отдельно. Разница между сообщением и пакетом: размер пакета ограничен технически, сообщения — логически. При этом, если маршрут движения пакетов между узлами определён заранее, говорят о виртуальном канале (с установлением соединения). Пример: коммутация IP-пакетов. Если же для каждого пакета задача нахождения пути решается заново, говорят о дэйтаграммном (без установления соединения) способе пакетной коммутации.
  • Коммутация ячеек (КЯ, cell switching) — то же, что и коммутация пакетов, но при коммутации ячеек пакеты всегда имеют фиксированный размер.

Принцип работы Hub’а

Сетевой концентратор или хаб (жарг. от англ. hub — центр деятельности) — сетевое устройство, предназначенное для объединения нескольких устройств Ethernet в общий сегмент сети. Устройства подключаются при помощи витой пары, коаксиального кабеля или оптоволокна.

Термин концентратор (хаб) применим также к другим технологиям передачи данных: USB, FireWire и пр.

В настоящее время хабы почти не выпускаются — им на смену пришли сетевые коммутаторы (свитчи), выделяющие каждое подключённое устройство в отдельный сегмент. Сетевые коммутаторы ошибочно называют «интеллектуальными концентраторами».

Концентратор работает на физическом уровне сетевой модели OSI, повторяет приходящий на один порт сигнал на все активные порты. В случае поступления сигнала на два и более порта одновременно возникает коллизия, и передаваемые кадры данных теряются. Таким образом, все подключённые к концентратору устройства находятся в одном домене коллизий. Концентраторы всегда работают в режиме полудуплекса, все подключённые устройства Ethernet разделяют между собой предоставляемую полосу доступа.

Многие модели концентраторов имеют простейшую защиту от излишнего количества коллизий, возникающих по причине одного из подключённых устройств. В этом случае они могут изолировать порт от общей среды передачи. По этой причине, сетевые сегменты, основанные на витой паре, гораздо стабильнее в работе сегментов на коаксиальном кабеле, поскольку в первом случае каждое устройство может быть изолировано концентратором от общей среды, а во втором случае несколько устройств подключаются при помощи одного сегмента кабеля, и, в случае большого количества коллизий, концентратор может изолировать лишь весь сегмент.

В последнее время концентраторы используются достаточно редко, вместо них получили распространение коммутаторы — устройства, работающие на канальном уровне модели OSI и повышающие производительность сети путём логического выделения каждого подключённого устройства в отдельный сегмент, домен коллизии.

Принцип работы Switch’а (коммутатора)

Сетевой коммутатор или свитч (жарг. от англ. switch — переключатель) — устройство, предназначенное для соединения нескольких узлов компьютерной сети в пределах одного сегмента сети.

Коммутатор работает на канальном уровне модели OSI, и потому в общем случае может только объединять узлы одной сети по их MAC-адресам. Коммутаторы были разработаны с использованием мостовых технологий и часто рассматриваются как многопортовые мосты.

Коммутатор хранит в памяти таблицу коммутации (хранящуюся в ассоциативной памяти), в которой указывается соответствие MAC-адреса узла порту коммутатора. При включении коммутатора эта таблица пуста, и он работает в режиме обучения. В этом режиме поступающие на какой-либо порт данные передаются на все остальные порты коммутатора. При этом коммутатор анализирует кадры (фреймы) и, определив MAC-адрес хоста-отправителя, заносит его в таблицу. Впоследствии, если на один из портов коммутатора поступит кадр, предназначенный для хоста, MAC-адрес которого уже есть в таблице, то этот кадр будет передан только через порт, указанный в таблице. Если MAC-адрес хоста-получателя не ассоциирован с каким-либо портом коммутатора, то кадр будет отправлен на все порты. Со временем коммутатор строит полную таблицу для всех своих портов, и в результате трафик локализуется. Стоит отметить малую латентность (задержку) и высокую скорость пересылки на каждом порту интерфейса.

Режимы коммутации

Существует три способа коммутации. Каждый из них — это комбинация таких параметров, как время ожидания и надёжность передачи.

  1. С промежуточным хранением (Store and Forward). Коммутатор читает всю информацию в кадре, проверяет его на отсутствие ошибок, выбирает порт коммутации и после этого посылает в него кадр.
  2. Сквозной (cut-through). Коммутатор считывает в кадре только адрес назначения и после выполняет коммутацию. Этот режим уменьшает задержки при передаче, но в нём нет метода обнаружения ошибок.
  3. Бесфрагментный (fragment-free) или гибридный. Этот режим является модификацией сквозного режима. Передача осуществляется после фильтрации фрагментов коллизий (кадр размером 64 байта обрабатываются по технологии store-and-forward, остальные по технологии cut-through).

Латентность, связанная с «принятием коммутатором решения», добавляется к времени, которое требуется кадру для входа на порт коммутатора и выхода с него и вместе с ним определяет общую задержку коммутатора.

Принцип работы Router’а (маршрутизатора)

Маршрутиза́тор или роутер, рутер (от англ. router), — сетевое устройство, на основании информации о топологии сети и определённых правил принимающее решения о пересылке пакетов сетевого уровня (уровень 3 модели OSI) между различными сегментами сети.

Обычно маршрутизатор использует адрес получателя, указанный в пакетах данных, и определяет по таблице маршрутизации путь, по которому следует передать данные. Если в таблице маршрутизации для адреса нет описанного маршрута, пакет отбрасывается.

Существуют и другие способы определения маршрута пересылки пакетов, когда, например, используется адрес отправителя, используемые протоколы верхних уровней и другая информация, содержащаяся в заголовках пакетов сетевого уровня. Нередко маршрутизаторы могут осуществлять трансляцию адресов отправителя и получателя, фильтрацию транзитного потока данных на основе определённых правил с целью ограничения доступа, шифрование/дешифрование передаваемых данных и т.д.

Таблица маршрутизации содержит информацию, на основе которой маршрутизатор принимает решение о дальнейшей пересылке пакетов. Таблица состоит из некоторого числа записей — маршрутов, в каждой из которых содержится адрес сети получателя, адрес следующего узла, которому следует передавать пакеты и некоторый вес записи — метрика. Метрики записей в таблице играют роль в вычислении кратчайших маршрутов к различным получателям. В зависимости от модели маршрутизатора и используемых протоколов маршрутизации, в таблице может содержаться некоторая дополнительная служебная информация. Например:

192.168.64.0/16 [110/49] via 192.168.1.2, 00:34:34, FastEthernet0/0.1 где 192.168.64.0/16 — сеть назначения,    110/- административное расстояние     /49 — метрика маршрута,    192.168.1.2 — адрес следующего маршрутизатора, которому следует                  передавать пакеты для сети 192.168.64.0/16,    00:34:34 — время, в течение которого был известен этот маршрут,    FastEthernet0/0.1 — интерфейс маршрутизатора, через который можно                  достичь «соседа» 192.168.1.2. 

Таблица маршрутизации может составляться двумя способами:

  • статическая маршрутизация — когда записи в таблице вводятся и изменяются вручную. Такой способ требует вмешательства администратора каждый раз, когда происходят изменения в топологии сети. С другой стороны, он является наиболее стабильным и требующим минимума аппаратных ресурсов маршрутизатора для обслуживания таблицы.
  • динамическая маршрутизация — когда записи в таблице обновляются автоматически при помощи одного или нескольких протоколов маршрутизации — RIP, OSPF, IGRP, EIGRP, IS-IS, BGP, и др. Кроме того, маршрутизатор строит таблицу оптимальных путей к сетям назначения на основе различных критериев — количества промежуточных узлов, пропускной способности каналов, задержки передачи данных и т. п. Критерии вычисления оптимальных маршрутов чаще всего зависят от протокола маршрутизации, а также задаются конфигурацией маршрутизатора. Такой способ построения таблицы позволяет автоматически держать таблицу маршрутизации в актуальном состоянии и вычислять оптимальные маршруты на основе текущей топологии сети. Однако динамическая маршрутизация оказывает дополнительную нагрузку на устройства, а высокая нестабильность сети может приводить к ситуациям, когда маршрутизаторы не успевают синхронизировать свои таблицы, что приводит к противоречивым сведениям о топологии сети в различных её частях и потере передаваемых данных.

Зачастую для построения таблиц маршрутизации используют теорию графов.

Категория:

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Илья Коршунов
Наш эксперт
Написано статей
134
А как считаете Вы?
Напишите в комментариях, что вы думаете – согласны
ли со статьей или есть что добавить?
Добавить комментарий