現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)交叉開關(guān)交換結(jié)構(gòu)調(diào)度算法

1、3. 交換結(jié)構(gòu)(SWITCHING FABRIC)根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)表對(duì)分組進(jìn)行處理，將某個(gè)輸根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)表對(duì)分組進(jìn)行處理，將某個(gè)輸入端口進(jìn)入的分組從一個(gè)合適的輸出端口轉(zhuǎn)發(fā)出去。入端口進(jìn)入的分組從一個(gè)合適的輸出端口轉(zhuǎn)發(fā)出去。是路由器的關(guān)鍵構(gòu)件是路由器的關(guān)鍵構(gòu)件三類常用交換結(jié)構(gòu)：三類常用交換結(jié)構(gòu)： 共享內(nèi)存、共享總線、共享內(nèi)存、共享總線、 crossbar(交叉開關(guān)交叉開關(guān))高性能交換結(jié)構(gòu)及其調(diào)度算法是研制高速高性能交換結(jié)構(gòu)及其調(diào)度算法是研制高速IPIP路由器路由器交換結(jié)構(gòu)是路由器的核心，有總線、共享交換結(jié)構(gòu)是路由器的核心，有總線、共享內(nèi)存和交叉開關(guān)內(nèi)存和交叉開關(guān)3 3種類型。種類型。目前在實(shí)際的路由器設(shè)計(jì)中

2、，一般采用如目前在實(shí)際的路由器設(shè)計(jì)中，一般采用如下兩種方式構(gòu)建高端路由器：共享內(nèi)存下兩種方式構(gòu)建高端路由器：共享內(nèi)存+ +集中轉(zhuǎn)發(fā)，分布緩存集中轉(zhuǎn)發(fā)，分布緩存+ +交換矩陣。交換矩陣。第一種方式的典型代表為第一種方式的典型代表為JuniperJuniper的的M40 M40 路路由器，由器，第二種方式的典型代表為第二種方式的典型代表為CiscoCisco的的GSR12000GSR12000路由器路由器總線總線 由于由于端口速率高，交換結(jié)構(gòu)需要加速，而且端口速率高，交換結(jié)構(gòu)需要加速，而且接口板與交換板之間、控制板與接口板之間、控接口板與交換板之間、控制板與接口板之間、控制板與交換板之間的連線很多

3、，目前的高速路由制板與交換板之間的連線很多，目前的高速路由器以及交換機(jī)都采用高速背板總線以提高系統(tǒng)的器以及交換機(jī)都采用高速背板總線以提高系統(tǒng)的吞吐率吞吐率。 為了提高效率，數(shù)據(jù)線采用串行差分線路，速率可達(dá)每秒鐘12吉比特。要保證如此高的傳輸速率和那么多的連線，對(duì)背板總線的設(shè)計(jì)要求非常高。如何降低數(shù)據(jù)的傳輸誤碼率以及保證時(shí)鐘同步是總線設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)。斯坦福大學(xué)的Tiny Tera路由器項(xiàng)目中，大量采用串行總線的實(shí)現(xiàn)方法值得研究和借鑒共享內(nèi)存結(jié)構(gòu)共享內(nèi)存結(jié)構(gòu) 的路由器把接收的數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)在共享內(nèi)存，端口間只需交換數(shù)據(jù)包指針而無需拷貝整個(gè)數(shù)據(jù)包，可有效提高交換結(jié)構(gòu)帶寬利用率。但存儲(chǔ)器存取速度受限制，

4、也限制路由器帶寬。交叉開關(guān)交叉開關(guān)在在N N個(gè)輸入端口和個(gè)輸入端口和N N個(gè)輸出端口間個(gè)輸出端口間建立建立N N條共享?xiàng)l共享總線總線。輸入。輸入和輸出端口通過并和輸出端口通過并發(fā)交換多個(gè)數(shù)據(jù)包而提高帶寬發(fā)交換多個(gè)數(shù)據(jù)包而提高帶寬。一般的交叉開關(guān)存在的一個(gè)問題是，輸入端一般的交叉開關(guān)存在的一個(gè)問題是，輸入端口口HOLHOL阻塞使帶寬利用率低。阻塞使帶寬利用率低。一一個(gè)解決方法是內(nèi)部加速，使交叉開關(guān)的內(nèi)個(gè)解決方法是內(nèi)部加速，使交叉開關(guān)的內(nèi)部帶寬大于輸入鏈路帶寬總和，輸出端口同部帶寬大于輸入鏈路帶寬總和，輸出端口同時(shí)接收多個(gè)輸入端口的數(shù)據(jù)包。這種輸出排時(shí)接收多個(gè)輸入端口的數(shù)據(jù)包。這種輸出排隊(duì)方式優(yōu)點(diǎn)

5、是數(shù)據(jù)包只存在輸出排隊(duì)時(shí)延，隊(duì)方式優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)包只存在輸出排隊(duì)時(shí)延，但缺點(diǎn)是擴(kuò)展性較差但缺點(diǎn)是擴(kuò)展性較差。另另一個(gè)解決方法是輸入虛擬排隊(duì)。交叉開關(guān)一個(gè)解決方法是輸入虛擬排隊(duì)。交叉開關(guān)在每個(gè)輸入端口對(duì)應(yīng)于一個(gè)輸出端口維持一在每個(gè)輸入端口對(duì)應(yīng)于一個(gè)輸出端口維持一個(gè)個(gè)FIFOFIFO隊(duì)列。隊(duì)列。調(diào)度算法確定各排隊(duì)數(shù)據(jù)包在路由器輸出端口的發(fā)調(diào)度算法確定各排隊(duì)數(shù)據(jù)包在路由器輸出端口的發(fā)送順序，得到輸入端口和輸出端口之間的一個(gè)匹配，送順序，得到輸入端口和輸出端口之間的一個(gè)匹配，提供輸入端口到輸出端口的通路提供輸入端口到輸出端口的通路。 n 先來先服務(wù)先來先服務(wù)n 隨機(jī)選擇隨機(jī)選擇(Random Select

6、ing)n 輪循輪循(Round-Robin)n 加權(quán)公平排隊(duì)加權(quán)公平排隊(duì)(WFQ-Weighted FairQueuing) n 分層鏈路共享算法等。分層鏈路共享算法等。3. 交換結(jié)構(gòu)交換結(jié)構(gòu)(switching fabric)調(diào)度算法確定各排隊(duì)數(shù)據(jù)包在路由器輸出端口的發(fā)調(diào)度算法確定各排隊(duì)數(shù)據(jù)包在路由器輸出端口的發(fā)送順序，得到輸入端口和輸出端口之間的一個(gè)匹配，送順序，得到輸入端口和輸出端口之間的一個(gè)匹配，提供輸入端口到輸出端口的通路提供輸入端口到輸出端口的通路。 n 先來先服務(wù)先來先服務(wù)n 隨機(jī)選擇隨機(jī)選擇(Random Selecting)n 輪循輪循(Round-Robin)n 加權(quán)公平

7、排隊(duì)加權(quán)公平排隊(duì)(WFQ-Weighted FairQueuing) n 分層鏈路共享算法等。分層鏈路共享算法等。3. 交換結(jié)構(gòu)交換結(jié)構(gòu)(switching fabric)調(diào)度算法中，加權(quán)公平排隊(duì)算法（調(diào)度算法中，加權(quán)公平排隊(duì)算法（WFQ-WFQ-Weighted Fair QueuingWeighted Fair Queuing）和經(jīng)過改進(jìn)后的加權(quán)公）和經(jīng)過改進(jìn)后的加權(quán)公平流排隊(duì)算法（平流排隊(duì)算法（WF2Q-Weighted Fair Flow WF2Q-Weighted Fair Flow QueuingQueuing）比較容易實(shí)現(xiàn)，而且性能也不錯(cuò)?？偅┍容^容易實(shí)現(xiàn)，而且性能也不錯(cuò)?？傊?/p>

8、要讓互聯(lián)網(wǎng)真正能夠綜合多種業(yè)務(wù)，作為之，要讓互聯(lián)網(wǎng)真正能夠綜合多種業(yè)務(wù)，作為網(wǎng)絡(luò)連接核心設(shè)備的路由器，必須提高端口速網(wǎng)絡(luò)連接核心設(shè)備的路由器，必須提高端口速率和交換容量，提供率和交換容量，提供QoSQoS保證和流量工程（保證和流量工程（TE-TE-Traffic EngineeringTraffic Engineering）功能。）功能。 加權(quán)公平排隊(duì)算法是一種理想的調(diào)度算法。它加權(quán)公平排隊(duì)算法是一種理想的調(diào)度算法。它根據(jù)每個(gè)連接權(quán)值分配鏈路帶寬。設(shè)各連接權(quán)根據(jù)每個(gè)連接權(quán)值分配鏈路帶寬。設(shè)各連接權(quán)值可表示為值可表示為w1, w2,w1, w2,wnwn，其中，其中wiwi=1=1，則排隊(duì)，則排

9、隊(duì)連接連接k k具有可保證帶寬具有可保證帶寬wkwk* *R/R/wiwi，R R為鏈路帶寬。為鏈路帶寬。因此，加權(quán)公平排隊(duì)算法可保護(hù)和隔離連接，因此，加權(quán)公平排隊(duì)算法可保護(hù)和隔離連接，公平分配剩余帶寬，并且若連接發(fā)送速率受限公平分配剩余帶寬，并且若連接發(fā)送速率受限于漏桶控制算法，則該連接具有一個(gè)可保證的于漏桶控制算法，則該連接具有一個(gè)可保證的端到端時(shí)延上限。但加權(quán)公平排隊(duì)算法缺點(diǎn)是端到端時(shí)延上限。但加權(quán)公平排隊(duì)算法缺點(diǎn)是需要保存每個(gè)排隊(duì)連接狀態(tài)信息，各數(shù)據(jù)包需需要保存每個(gè)排隊(duì)連接狀態(tài)信息，各數(shù)據(jù)包需求虛擬時(shí)鐘并且按優(yōu)先級(jí)排隊(duì)，其擴(kuò)展性差。求虛擬時(shí)鐘并且按優(yōu)先級(jí)排隊(duì)，其擴(kuò)展性差。分層鏈路共享服

10、務(wù)是指按類層次組織一個(gè)鏈路的分層鏈路共享服務(wù)是指按類層次組織一個(gè)鏈路的所有連接，路由器基于策略地給每個(gè)類對(duì)象分配所有連接，路由器基于策略地給每個(gè)類對(duì)象分配鏈路帶寬。分層鏈路共享需要實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)目標(biāo)：鏈路帶寬。分層鏈路共享需要實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)目標(biāo)：若一個(gè)類有足夠帶寬需求，應(yīng)保證該類的最小網(wǎng)若一個(gè)類有足夠帶寬需求，應(yīng)保證該類的最小網(wǎng)絡(luò)帶寬；若一個(gè)類具有剩余帶寬，應(yīng)保證各兄弟絡(luò)帶寬；若一個(gè)類具有剩余帶寬，應(yīng)保證各兄弟類公平使用這些剩余帶寬；在類層次內(nèi)，支持實(shí)類公平使用這些剩余帶寬；在類層次內(nèi)，支持實(shí)時(shí)和優(yōu)先級(jí)服務(wù)。對(duì)于以上這些目標(biāo)，有時(shí)可能時(shí)和優(yōu)先級(jí)服務(wù)。對(duì)于以上這些目標(biāo)，有時(shí)可能是沖突的，調(diào)度算法應(yīng)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)機(jī)制優(yōu)先滿足某是沖突的，調(diào)度算法應(yīng)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)機(jī)制優(yōu)先滿足某些目標(biāo)要求。用于分層鏈路共享服務(wù)的調(diào)度算法些目標(biāo)要求。用于分層鏈路共享服務(wù)的調(diào)度算法主要包括基于類排隊(duì)主要包括基于類排隊(duì)(Class Based (Class Based QueueingQueueing)4)4，分，分層加權(quán)公平排隊(duì)算法層加權(quán)公平排隊(duì)算法(Hierarchical Packet Fair (Hierarchical Packet Fair Queu