網(wǎng)絡(luò)高性能交換結(jié)構(gòu)及調(diào)度算法研究.pdf

1、近十幾年來,互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)流量呈現(xiàn)持續(xù)爆炸性的增長,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(路由器、交換機(jī)等)正在逐漸成為網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展的關(guān)鍵制約因素,而交換結(jié)構(gòu)(SwitchFabric)是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的物理“核心”,研究高線速、多端口、可擴(kuò)展性強(qiáng)并且能夠提供更好的QoS服務(wù)支持的新型交換結(jié)構(gòu)及相關(guān)的調(diào)度算法是目前的重要課題。在此背景之下,本文針對新型高性能交換結(jié)構(gòu)、低抖動調(diào)度算法、多級交換結(jié)構(gòu)的沖突丟包以及全光交換網(wǎng)絡(luò)的輸出波長沖突調(diào)度這四個方面的關(guān)鍵問題進(jìn)行研究

2、。本文的研究獲得國家發(fā)改委下一代互聯(lián)網(wǎng)CNGI項(xiàng)目“支持平滑演進(jìn)的IPv6路由交換設(shè)備研制及產(chǎn)業(yè)化”以及武漢郵電科學(xué)研究院光纖通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目“下一代光接入關(guān)鍵技術(shù)和系統(tǒng)研究”(No.2010OCTN-03)的支持。
　　輸出緩沖排隊(duì)交換結(jié)構(gòu)(OQ)是目前為止最能夠適應(yīng)各種服務(wù)質(zhì)量需求的交換結(jié)構(gòu),但是由于其N倍加速的特點(diǎn),在今天的高速交換網(wǎng)絡(luò)中難以得到廣泛應(yīng)用?；诮徊婢仃嚨慕粨Q結(jié)構(gòu)可以避免N倍加速問題

3、,但是受到交叉矩陣調(diào)度機(jī)制的限制,難以支持復(fù)雜的服務(wù)質(zhì)量需求。交叉點(diǎn)緩沖交換結(jié)構(gòu)是目前性能最好的交換結(jié)構(gòu)之一,但是由于交換結(jié)構(gòu)隊(duì)列的限制,非均衡流量下的性能很不理想。為了解決這一問題,本文提出了負(fù)載均衡-交叉點(diǎn)緩沖交換結(jié)構(gòu)體系方法,這種新型的交換結(jié)構(gòu)通過引入負(fù)載均衡機(jī)制將輸入端口的非均衡流量變換為中間交換端口的近似均衡流量,從而有效的解決了單純交叉點(diǎn)緩沖在非均衡流量下吞吐量性能不足的缺陷并且保留了交叉點(diǎn)緩沖交換結(jié)構(gòu)的高服務(wù)質(zhì)量特性,通過

4、實(shí)驗(yàn)和理論分析證明了負(fù)載均衡-交叉點(diǎn)緩沖交換結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和模擬輸出緩沖排隊(duì)的有效性。同時,為了解決引入負(fù)載均衡機(jī)制可能帶來的交換數(shù)據(jù)流失序問題,進(jìn)一步改進(jìn)了負(fù)載均衡-交叉點(diǎn)緩沖交換結(jié)構(gòu),提出了虛擬隊(duì)列負(fù)載均衡-交叉點(diǎn)緩沖交換結(jié)構(gòu),通過在交叉點(diǎn)緩沖中引入虛擬的輸入隊(duì)列和相應(yīng)的分級調(diào)度算法,有效的保證了交換過程中數(shù)據(jù)流的各個數(shù)據(jù)包有序輸出。
　　部分連接多級交換網(wǎng)絡(luò)具有結(jié)構(gòu)簡單,易于擴(kuò)展等等優(yōu)點(diǎn),對于構(gòu)建高速光交換網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有重要意義

5、。但是多級交換網(wǎng)絡(luò)也存在著固有的內(nèi)部鏈路沖突問題,可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)包的丟失從而影響了網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的服務(wù)質(zhì)量。為了能夠在保持部分連接多級交換網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)的同時,有效的解決內(nèi)部鏈路沖突的問題,提出用信息技術(shù)中的刪除信道模型模擬多級交換網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部固有沖突造成的數(shù)據(jù)包丟失,采用編碼技術(shù)從交換數(shù)據(jù)流中恢復(fù)出丟失的數(shù)據(jù)包而不改動內(nèi)部結(jié)構(gòu)和選路算法。新的算法在最大限度的保持部分連接多級交換網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)的同時,有效解決了由于內(nèi)部鏈路沖突而造成的丟包的問題。
　

6、　傳統(tǒng)研究集中于吞吐量、延時、丟包率等常見的服務(wù)質(zhì)量參數(shù),但是傳輸抖動也是影響音視頻業(yè)務(wù)主要電信級參數(shù)。在目前的混合輸入排隊(duì)-交叉點(diǎn)緩沖交換結(jié)構(gòu)中,低抖動調(diào)度的研究仍是一個電信級業(yè)務(wù)的熱點(diǎn)。針對傳統(tǒng)方法中動態(tài)調(diào)度算法抖動抑制性能較差、幀調(diào)度算法復(fù)雜度高等問題提出基于混合輸入排隊(duì)-交叉點(diǎn)緩沖交換結(jié)構(gòu)(CICQ)的混合動態(tài)-幀調(diào)度算法和基于幀的低抖動調(diào)度算法,將混合輸入排隊(duì)-交叉點(diǎn)緩沖交換結(jié)構(gòu)中基于流量的低抖動幀調(diào)度轉(zhuǎn)化為典型的優(yōu)化問題,通

7、過解優(yōu)化問題獲得了最佳的幀調(diào)度。
　　能夠提供巨大的交換容量和業(yè)務(wù)帶寬的波分復(fù)用光交換系統(tǒng)是目前構(gòu)建未來骨干傳輸交換網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ),而在光交換系統(tǒng)中,為了解決競爭輸出波長而產(chǎn)生的沖突問題,必須高效率的調(diào)度交換結(jié)構(gòu)中的輸出光波長和有限波長轉(zhuǎn)換器資源。針對目前的波長沖突調(diào)度算法在充分利用波長和轉(zhuǎn)換器資源上不理想的問題,提出波長可調(diào)整的沖突調(diào)度算法,將可調(diào)整的波長帶入波長轉(zhuǎn)換器分配階段與空閑波長一起調(diào)度,從而高效的利用了波長和轉(zhuǎn)換器資源,提