高性能三級(jí)Clos交換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及調(diào)度算法研究.pdf

1、以分組交換為基礎(chǔ)的Internet已經(jīng)成為通信網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。隨著光纖通信技術(shù)以及光傳送網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，Internet中現(xiàn)有路由器、交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的容量及可擴(kuò)展性已無(wú)法滿足要求。另一方面，分組交換逐漸被用于在衛(wèi)星通信中替代傳統(tǒng)的彎管式轉(zhuǎn)發(fā)、以及承載電路交換中的實(shí)時(shí)話音等其它業(yè)務(wù)，這對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的硬件復(fù)雜度、吞吐率、時(shí)延及時(shí)延抖動(dòng)等方面提出了新的要求。以crossbar為代表的單級(jí)交換網(wǎng)絡(luò)由于在容量、擴(kuò)展性等方面受到限制，無(wú)法用于構(gòu)

2、建大容量交換網(wǎng)絡(luò)。Clos交換網(wǎng)絡(luò)使用小規(guī)模交換芯片互聯(lián)組成，具有模塊化、可擴(kuò)展、無(wú)內(nèi)部阻塞等優(yōu)點(diǎn)，是下一代大容量路由器和交換機(jī)的主要解決方案。本文在三級(jí)Clos交換網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上針對(duì)上述需求進(jìn)行了研究，論文主要工作和取得的創(chuàng)新性成果如下：
　　1.針對(duì)memory-space-memory(MSM)型三級(jí) Clos交換網(wǎng)絡(luò)在不均衡業(yè)務(wù)輸入時(shí)吞吐率下降的問(wèn)題，提出了在多種業(yè)務(wù)模型下都具有較高吞吐率的分治調(diào)度算法。該算法首先把輸入級(jí)的

3、隊(duì)列劃分為若干個(gè)沖突域，分別對(duì)應(yīng)于每個(gè)輸出級(jí)模塊，則MSM型Clos交換網(wǎng)絡(luò)中的調(diào)度問(wèn)題就可以被分解為不同沖突域內(nèi)的信元選擇問(wèn)題；然后采用串行匹配的策略，限制了沖突發(fā)生的范圍，達(dá)到了較高的吞吐率，同時(shí)減少了仲裁器和級(jí)間連線的數(shù)目，簡(jiǎn)化了交換網(wǎng)絡(luò)的硬件設(shè)計(jì)。仿真表明，該算法可以在多種業(yè)務(wù)輸入時(shí)均達(dá)到較高的的吞吐率，并具有較低的平均時(shí)延；
　　2.針對(duì)MSM型三級(jí)Clos交換網(wǎng)絡(luò)中調(diào)度算法執(zhí)行時(shí)間較長(zhǎng)的問(wèn)題，提出了一種基于流水線操作的

4、逆向調(diào)度算法，以及一種可以降低計(jì)算復(fù)雜度的 LGMSM(Line-Grouping MSM)交換結(jié)構(gòu)。
　　與傳統(tǒng)調(diào)度算法按模塊排列順序執(zhí)行匹配操作不同，逆向調(diào)度算法首先按固定的輪轉(zhuǎn)順序?qū)⑿旁?qǐng)求發(fā)送到各中間級(jí)模塊并分別進(jìn)行內(nèi)部匹配，然后將中間級(jí)的匹配結(jié)果返回給輸入級(jí)，用于指導(dǎo)后續(xù)信元的轉(zhuǎn)發(fā)。調(diào)度過(guò)程中信元請(qǐng)求的發(fā)送不依賴于前一次匹配的結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)了整個(gè)調(diào)度過(guò)程的流水線操作，同時(shí)將三級(jí)Clos交換網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度問(wèn)題簡(jiǎn)化為了單級(jí)cro

5、ssbar結(jié)構(gòu)的匹配問(wèn)題。理論分析證明，逆向調(diào)度算法在不增加硬件開銷的前提下，有效地減少了完成一次調(diào)度所需要的時(shí)間。
　　LGMSM結(jié)構(gòu)通過(guò)將連接兩個(gè)交換單元的一條鏈路擴(kuò)展為多條并行鏈路，在交換規(guī)模相同的情況下有效減少了交換網(wǎng)絡(luò)中仲裁器的數(shù)目以及每個(gè)仲裁器的規(guī)模，并降低了調(diào)度算法的計(jì)算復(fù)雜度。同時(shí)，LGMSM結(jié)構(gòu)在輸入和輸出級(jí)模塊中采用多個(gè)獨(dú)立緩存代替常用的共享緩存，消除了緩存加速。仿真表明，在采用相同調(diào)度算法的情況下，LGMSM

6、結(jié)構(gòu)可以獲得比傳統(tǒng)MSM型Clos交換網(wǎng)絡(luò)更高的吞吐率。
　　3.針對(duì)分組交換網(wǎng)絡(luò)如何有效承載電路業(yè)務(wù)的問(wèn)題，在MSM型Clos交換網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上提出了具有嚴(yán)格QoS保證的電路與分組混合交換網(wǎng)絡(luò)及調(diào)度算法。該交換網(wǎng)絡(luò)將內(nèi)部鏈路分為準(zhǔn)靜態(tài)鏈路和動(dòng)態(tài)鏈路兩類，分別用于承載電路業(yè)務(wù)和分組業(yè)務(wù)。調(diào)度算法為電路業(yè)務(wù)建立具有一定帶寬的虛擬通道，并將其映射為周期性重復(fù)的準(zhǔn)靜態(tài)鏈路，同時(shí)利用剩余帶寬為分組業(yè)務(wù)提供盡力而為的轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)。兩種業(yè)務(wù)可以在同

7、一交換平面上進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，并避免了分組業(yè)務(wù)對(duì)電路業(yè)務(wù)的干擾。仿真表明，混合交換能夠滿足電路業(yè)務(wù)對(duì)QoS的要求，并為分組業(yè)務(wù)提供了較高的吞吐率。
　　4.針對(duì)space-memory-memory(SMM)和memory-memory-memory(MMM)型Clos交換網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)的信元亂序的問(wèn)題，分別提出了低復(fù)雜度的負(fù)載均衡Clos交換網(wǎng)絡(luò)和基于交叉點(diǎn)帶緩存crossbar結(jié)構(gòu)的Clos交換網(wǎng)絡(luò)。
　　負(fù)載均衡Clos交換網(wǎng)絡(luò)在

8、中間級(jí)采用兩級(jí)負(fù)載均衡交換機(jī)，并采用交錯(cuò)對(duì)稱的連接模式和基于反饋的調(diào)度算法，保證同一流的信元在中間級(jí)有相同的排隊(duì)時(shí)延，并可以按序到達(dá)輸出級(jí)模塊。同時(shí)，該算法避免了中間級(jí)緩存的溢出問(wèn)題，提高了緩存的利用率。仿真表明，負(fù)載均衡Clos交換網(wǎng)絡(luò)在多種業(yè)務(wù)模型下均可達(dá)到較高的吞吐率，并且在輸入負(fù)載較重時(shí)可以獲得較低的平均時(shí)延。
　　基于交叉點(diǎn)帶緩存crossbar結(jié)構(gòu)的Clos交換網(wǎng)絡(luò)中，所有交換單元采用了相同的交叉點(diǎn)帶緩存的crossb