高速多級(jí)分組交換網(wǎng)絡(luò)若干關(guān)鍵技術(shù)的研究

1、高速多級(jí)分組交換網(wǎng)絡(luò)若干關(guān)鍵技術(shù)的研究隨著Internet業(yè)務(wù)爆炸式增長(zhǎng)和光寬帶傳輸技術(shù)的迅猛發(fā)展,網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)逐漸成為網(wǎng)絡(luò)寬帶化的瓶頸。路由器（交換機(jī)）的內(nèi)部交換網(wǎng)絡(luò)作為網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)的核心部件,是目前高性能寬帶信息網(wǎng)絡(luò)研究的熱點(diǎn)之一。單Crossbar交換網(wǎng)絡(luò)是目前核心路由器的主流交換結(jié)構(gòu),其研究成果十分豐富,但是,由于受工程實(shí)現(xiàn)的限制（機(jī)架供電、芯片體積等）,單Crossbar交換網(wǎng)絡(luò)容量無(wú)法做到很大。采用多級(jí)交換結(jié)構(gòu)是構(gòu)建大容量分組交換網(wǎng)絡(luò)的常用途徑。直接連接網(wǎng)絡(luò)和間接連接網(wǎng)絡(luò)是空分多級(jí)交換網(wǎng)絡(luò)的兩種主要拓?fù)漕?lèi)型。直接連接網(wǎng)絡(luò)雖然具有良好的可擴(kuò)展性,但是網(wǎng)絡(luò)性能難以控制,只是在大容量分組交換網(wǎng)絡(luò)

2、研究初期得到應(yīng)用;間接連接網(wǎng)絡(luò)是目前多級(jí)分組交換網(wǎng)絡(luò)研究的重點(diǎn)。目前對(duì)多級(jí)間接連接網(wǎng)絡(luò)（如三級(jí)Clos網(wǎng)絡(luò),并行分組交換和兩級(jí)交換網(wǎng)絡(luò)等）的研究是對(duì)單Crossbar交換網(wǎng)絡(luò)研究的簡(jiǎn)單推廣,從本質(zhì)上說(shuō)是一種集中式控制方式,這種方式會(huì)帶來(lái)調(diào)度算法實(shí)現(xiàn)困難,交換網(wǎng)絡(luò)性能難以控制和無(wú)法充分發(fā)揮多級(jí)交換網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?yōu)勢(shì)等問(wèn)題,本文針對(duì)這些問(wèn)題對(duì)多級(jí)高速間接連接分組交換網(wǎng)絡(luò)的若干關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究,主要工作和貢獻(xiàn)如下:1.提出了多級(jí)間接分組交換網(wǎng)絡(luò)分布式調(diào)度思想。按照交換網(wǎng)絡(luò)各級(jí)交換單元在網(wǎng)絡(luò)中的地位不同,將它們分為負(fù)載均勻級(jí)交換單元和調(diào)度級(jí)交換單元,分別通過(guò)負(fù)載均衡策略和交換單元內(nèi)部調(diào)度策略來(lái)實(shí)現(xiàn)交換控制

3、。這樣將多級(jí)間接連接網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度問(wèn)題分解為負(fù)載均衡和交換單元內(nèi)部的調(diào)度兩個(gè)子問(wèn)題來(lái)處理,帶來(lái)了以下優(yōu)點(diǎn):（1）實(shí)現(xiàn)了調(diào)度算法的完全分布式,便于多機(jī)架實(shí)現(xiàn)。由于在分布式調(diào)度思想中,通過(guò)負(fù)載均衡級(jí)來(lái)協(xié)調(diào)調(diào)度級(jí)交換單元的業(yè)務(wù)負(fù)載,不需要在交換網(wǎng)絡(luò)的各級(jí)和級(jí)內(nèi)交換單元間進(jìn)行控制信息的交換,因此,這種調(diào)度算法是完全分布式的;(2)調(diào)度算法具有良好的繼承性。在分布式調(diào)度多級(jí)間接連接分組交換網(wǎng)絡(luò)中,調(diào)度級(jí)交換單元的調(diào)度就是單Crossbar內(nèi)部的調(diào)度,可以完全借鑒現(xiàn)有單Crossbar交換網(wǎng)絡(luò)的研究成果;(3)算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,算法性能便于控制和分析。2.分析了三級(jí)Clos網(wǎng)絡(luò)分布式調(diào)度保證性能的資源需求。研究表

4、明在三級(jí)Clos網(wǎng)絡(luò)分布式調(diào)度中,保證性能的網(wǎng)絡(luò)資源需求是Clos網(wǎng)絡(luò)保證性能的最少資源。信元亂序是三級(jí)Clos網(wǎng)絡(luò)分布式調(diào)度采用定長(zhǎng)信元機(jī)制面臨的主要問(wèn)題之一,本文提出了一種可以實(shí)現(xiàn)信元保序的三級(jí)Clos網(wǎng)絡(luò)分布式調(diào)度調(diào)度算法一一LDVSAT法，通過(guò)分析表明該算法不僅具有較好的性能同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)分組信元的完全保序。3.本文在一種實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的分布式調(diào)度算法一一RRBS篇法下,對(duì)三級(jí)Clos網(wǎng)絡(luò)分布式調(diào)度的交換機(jī)制進(jìn)行了研究。研究表明,定長(zhǎng)信元交換機(jī)制和變長(zhǎng)分組交換機(jī)制在三級(jí)Clos網(wǎng)絡(luò)分布式調(diào)度中都具有一定的局限性,為此,本文提出了一種結(jié)合定長(zhǎng)信元和變長(zhǎng)分組交換機(jī)制優(yōu)勢(shì)的混合交換機(jī)制。這種交換機(jī)制

5、以變長(zhǎng)分組為單位實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡,解決了信元亂序問(wèn)題;通過(guò)采用一種新型的令牌機(jī)制實(shí)現(xiàn)了變長(zhǎng)分組負(fù)載分配的公平性;在Clos網(wǎng)絡(luò)的后兩級(jí)采用定長(zhǎng)信元交換機(jī)制,獲得了良好的業(yè)務(wù)適應(yīng)性,研究表明混合交換機(jī)制是一種適合三級(jí)Clos網(wǎng)絡(luò)分布式調(diào)度的交換機(jī)制。4.對(duì)三級(jí)Clos網(wǎng)絡(luò)的故障進(jìn)行了分析,提出了三級(jí)Clos網(wǎng)絡(luò)分布式調(diào)度的故障模型,通過(guò)將網(wǎng)絡(luò)故障歸結(jié)為對(duì)輸入級(jí)不同隊(duì)列的影響,提出了三級(jí)Clos網(wǎng)絡(luò)分布式調(diào)度的容錯(cuò)算法。對(duì)算法的容錯(cuò)方式、容錯(cuò)能力進(jìn)行了分析,研究表明,該算法具有較好的容錯(cuò)能力。5.將分布式調(diào)度思想應(yīng)用到目前研究較多的兩種多級(jí)交換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并行分組交換（PPS）和兩級(jí)交換網(wǎng)絡(luò)中，克服了這兩種交換網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)有研究的不足。在兩級(jí)交換網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)了在分布式調(diào)度思想下和三級(jí)Clos網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一,使得三級(jí)Clos網(wǎng)絡(luò)分布式調(diào)度算法得到進(jìn)一步簡(jiǎn)化。利用本文的研究成果構(gòu)建超大（100Tb/s以上）容量分組交換網(wǎng)絡(luò)，可以在現(xiàn)有成熟技術(shù)下實(shí)現(xiàn)最大容量為655.36Tb/s的交換網(wǎng)絡(luò),遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有研究成果的水平。6.提出