基于CICQ結(jié)構(gòu)的交換機(jī)關(guān)鍵技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)研究.pdf

1、隨著網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用與數(shù)據(jù)流量的不斷增長(zhǎng)，對(duì)高性能交換設(shè)備的需求日益增加。為了實(shí)現(xiàn)高性能，交換設(shè)備通常采用基于虛擬輸出隊(duì)列（Virtual Output Queue,VOQ）的crossbar交換結(jié)構(gòu)，在輸入端設(shè)置VOQ緩存隊(duì)列，既能使存儲(chǔ)器滿足帶寬需求，又能夠緩解隊(duì)頭阻塞問(wèn)題，保持較高的交換效率。然而，VOQ結(jié)構(gòu)需要一類集中式調(diào)度算法來(lái)完成調(diào)度，交換機(jī)規(guī)模和端口數(shù)據(jù)速率的增加使得這類調(diào)度算法受到了實(shí)際限制。另一方面，輸入-交叉點(diǎn)聯(lián)合排隊(duì)（CI

2、CQ）交換結(jié)構(gòu)比VOQ結(jié)構(gòu)更具優(yōu)勢(shì)，具有解決VOQ結(jié)構(gòu)的調(diào)度復(fù)雜性和可擴(kuò)展性問(wèn)題的潛力。CICQ交換結(jié)構(gòu)利用crossbar內(nèi)部交叉點(diǎn)緩存將輸入和輸出端口從邏輯上分離開(kāi)，從本質(zhì)上實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單的分布式調(diào)度，同時(shí)極大地緩解了傳統(tǒng)VOQ結(jié)構(gòu)的輸入和輸出沖突問(wèn)題，提供更好的交換性能?；贑ICQ結(jié)構(gòu)的高性能交換機(jī)需要良好的調(diào)度算法，即具備幾個(gè)基本特性：高吞吐率、低延遲、隊(duì)列服務(wù)公平性、調(diào)度快速和易于硬件實(shí)現(xiàn)。
　　本文主要圍繞課題“面向航電

3、應(yīng)用的光纖通道（Fibre Channal）交換機(jī)設(shè)計(jì)”展開(kāi)研究。根據(jù)航空電子系統(tǒng)對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的高實(shí)時(shí)性、公平性能的要求，以CICQ交換結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，重點(diǎn)從提高交換結(jié)構(gòu)的時(shí)延性能、公平性方面進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)的深入研究，并完成基于CICQ結(jié)構(gòu)的4端口FC交換機(jī)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，為后續(xù)的FC交換機(jī)芯片設(shè)計(jì)提供技術(shù)基礎(chǔ)。為了驗(yàn)證FC交換機(jī)的功能和性能，提出了一種能夠精確模擬真實(shí)網(wǎng)絡(luò)流量的高效流量生成方案，并設(shè)計(jì)了軟硬件協(xié)同實(shí)現(xiàn)的交換機(jī)性能驗(yàn)證平臺(tái)，通過(guò)

4、驗(yàn)證平臺(tái)對(duì)FC交換機(jī)進(jìn)行了驗(yàn)證測(cè)試。論文的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)包括：
　?。?）在CICQ結(jié)構(gòu)的調(diào)度算法研究中，針對(duì)現(xiàn)有算法無(wú)法同時(shí)滿足時(shí)延性能和公平性的問(wèn)題，提出了兩種高性能的調(diào)度算法—MCQF_RR（The Most Critical Queue First-Round Robin）和IMCQF_RR（Improved Most Critical Queue First-Round Robin），并研究其在定長(zhǎng)交換下的交換性能。仿

5、真實(shí)驗(yàn)表明，在均勻和非均勻流量下，新算法都能夠保持良好的時(shí)延性能和穩(wěn)定性，與典型的LQF_RR（Longest Queue First and Round-robin）算法相當(dāng)。通過(guò)公平性統(tǒng)計(jì)分析，MCQF_RR和IMCQF_RR采用最關(guān)鍵隊(duì)列優(yōu)先服務(wù)的策略，使得輸入隊(duì)列在不同情況下能夠保持高效服務(wù)，與LQF_RR相比公平性顯著提高。
　?。?）在變長(zhǎng)數(shù)據(jù)包切分機(jī)制研究中，針對(duì)現(xiàn)有切分機(jī)制靈活性差和交換效率低等問(wèn)題，提出了一種高效

6、自適應(yīng)的數(shù)據(jù)包切分機(jī)制（Adaptive Multipacket segments,AMS）。通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析表明，CICQ結(jié)構(gòu)采用AMS切分機(jī)制，在不同的流量模型下能夠保證良好的時(shí)延性能，且明顯優(yōu)于已有方法中表現(xiàn)最好的變長(zhǎng)多包切分機(jī)制（Variable-size Multipacket segments,VMS）。
　?。?）在CICQ結(jié)構(gòu)調(diào)度算法研究的基礎(chǔ)上，面向航空電子系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)了基于光纖通道協(xié)議的CICQ交換機(jī)體系結(jié)構(gòu)，主要

7、實(shí)現(xiàn)光纖通道協(xié)議中FC-0、FC-1、FC-2P層和數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)功能。對(duì)于變長(zhǎng)FC幀交換，由于實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，選擇采用定長(zhǎng)單包切分機(jī)制完成變長(zhǎng)幀切分。針對(duì)現(xiàn)有定長(zhǎng)單包切分實(shí)現(xiàn)技術(shù)切分延時(shí)較大、存儲(chǔ)管理復(fù)雜的不足，在幀切分模塊中采用了一種新的預(yù)切分方法實(shí)現(xiàn)定長(zhǎng)單包切分過(guò)程，達(dá)到切分時(shí)延低、數(shù)據(jù)管理簡(jiǎn)單的目標(biāo)，從而有利于提高交換結(jié)構(gòu)的整體性能。
　?。?）在測(cè)試流量生成方案的研究中，首先分析了交換設(shè)備性能評(píng)估時(shí)常用的流量模型，并選擇合適

8、的流量模式作為交換機(jī)測(cè)試中的測(cè)試激勵(lì)。分析現(xiàn)有流量產(chǎn)生方案的優(yōu)缺點(diǎn)，提出一種基于匯聚過(guò)程的流量生成模型，并根據(jù)此模型設(shè)計(jì)了流量生成器的架構(gòu)。利用處理器的配置靈活性和FPGA硬件的高性能，流量生成器能夠生成實(shí)時(shí)的泊松過(guò)程和自相似過(guò)程流量，而且能達(dá)到高數(shù)據(jù)速率，具有速度可擴(kuò)展性。流量的統(tǒng)計(jì)特性結(jié)果表明，基于匯聚過(guò)程的流量生成器所產(chǎn)生的流量時(shí)間序列能夠很好地模擬理想的流量模型。
　?。?）設(shè)計(jì)并建立了軟硬件協(xié)同實(shí)現(xiàn)的交換機(jī)性能驗(yàn)證平臺(tái)，