高性能三級Clos交換網(wǎng)絡結構及調度算法研究.pdf

1、以分組交換為基礎的Internet已經(jīng)成為通信網(wǎng)絡的重要組成部分。隨著光纖通信技術以及光傳送網(wǎng)絡的快速發(fā)展，Internet中現(xiàn)有路由器、交換機等網(wǎng)絡設備的容量及可擴展性已無法滿足要求。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)的彎管式轉發(fā)、以及承載電路交換中的實時話音等其它業(yè)務，這對網(wǎng)絡設備的硬件復雜度、吞吐率、時延及時延抖動等方面提出了新的要求。以crossbar為代表的單級交換網(wǎng)絡由于在容量、擴展性等方面受到限制，無法用于構

2、建大容量交換網(wǎng)絡。Clos交換網(wǎng)絡使用小規(guī)模交換芯片互聯(lián)組成，具有模塊化、可擴展、無內(nèi)部阻塞等優(yōu)點，是下一代大容量路由器和交換機的主要解決方案。本文在三級Clos交換網(wǎng)絡的基礎上針對上述需求進行了研究，論文主要工作和取得的創(chuàng)新性成果如下：
　　1.針對memory-space-memory(MSM)型三級 Clos交換網(wǎng)絡在不均衡業(yè)務輸入時吞吐率下降的問題，提出了在多種業(yè)務模型下都具有較高吞吐率的分治調度算法。該算法首先把輸入級的

3、隊列劃分為若干個沖突域，分別對應于每個輸出級模塊，則MSM型Clos交換網(wǎng)絡中的調度問題就可以被分解為不同沖突域內(nèi)的信元選擇問題；然后采用串行匹配的策略，限制了沖突發(fā)生的范圍，達到了較高的吞吐率，同時減少了仲裁器和級間連線的數(shù)目，簡化了交換網(wǎng)絡的硬件設計。仿真表明，該算法可以在多種業(yè)務輸入時均達到較高的的吞吐率，并具有較低的平均時延；
　　2.針對MSM型三級Clos交換網(wǎng)絡中調度算法執(zhí)行時間較長的問題，提出了一種基于流水線操作的

4、逆向調度算法，以及一種可以降低計算復雜度的 LGMSM(Line-Grouping MSM)交換結構。
　　與傳統(tǒng)調度算法按模塊排列順序執(zhí)行匹配操作不同，逆向調度算法首先按固定的輪轉順序將信元請求發(fā)送到各中間級模塊并分別進行內(nèi)部匹配，然后將中間級的匹配結果返回給輸入級，用于指導后續(xù)信元的轉發(fā)。調度過程中信元請求的發(fā)送不依賴于前一次匹配的結果，從而實現(xiàn)了整個調度過程的流水線操作，同時將三級Clos交換網(wǎng)絡的調度問題簡化為了單級cro

5、ssbar結構的匹配問題。理論分析證明，逆向調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度所需要的時間。
　　LGMSM結構通過將連接兩個交換單元的一條鏈路擴展為多條并行鏈路，在交換規(guī)模相同的情況下有效減少了交換網(wǎng)絡中仲裁器的數(shù)目以及每個仲裁器的規(guī)模，并降低了調度算法的計算復雜度。同時，LGMSM結構在輸入和輸出級模塊中采用多個獨立緩存代替常用的共享緩存，消除了緩存加速。仿真表明，在采用相同調度算法的情況下，LGMSM

6、結構可以獲得比傳統(tǒng)MSM型Clos交換網(wǎng)絡更高的吞吐率。
　　3.針對分組交換網(wǎng)絡如何有效承載電路業(yè)務的問題，在MSM型Clos交換網(wǎng)絡的基礎上提出了具有嚴格QoS保證的電路與分組混合交換網(wǎng)絡及調度算法。該交換網(wǎng)絡將內(nèi)部鏈路分為準靜態(tài)鏈路和動態(tài)鏈路兩類，分別用于承載電路業(yè)務和分組業(yè)務。調度算法為電路業(yè)務建立具有一定帶寬的虛擬通道，并將其映射為周期性重復的準靜態(tài)鏈路，同時利用剩余帶寬為分組業(yè)務提供盡力而為的轉發(fā)服務。兩種業(yè)務可以在同

7、一交換平面上進行轉發(fā)，并避免了分組業(yè)務對電路業(yè)務的干擾。仿真表明，混合交換能夠滿足電路業(yè)務對QoS的要求，并為分組業(yè)務提供了較高的吞吐率。
　　4.針對space-memory-memory(SMM)和memory-memory-memory(MMM)型Clos交換網(wǎng)絡中出現(xiàn)的信元亂序的問題，分別提出了低復雜度的負載均衡Clos交換網(wǎng)絡和基于交叉點帶緩存crossbar結構的Clos交換網(wǎng)絡。
　　負載均衡Clos交換網(wǎng)絡在

8、中間級采用兩級負載均衡交換機，并采用交錯對稱的連接模式和基于反饋的調度算法，保證同一流的信元在中間級有相同的排隊時延，并可以按序到達輸出級模塊。同時，該算法避免了中間級緩存的溢出問題，提高了緩存的利用率。仿真表明，負載均衡Clos交換網(wǎng)絡在多種業(yè)務模型下均可達到較高的吞吐率，并且在輸入負載較重時可以獲得較低的平均時延。
　　基于交叉點帶緩存crossbar結構的Clos交換網(wǎng)絡中，所有交換單元采用了相同的交叉點帶緩存的crossb