基于共享存儲的高速交換結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、分組交換網(wǎng)是網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的一個重要趨勢，而高速交換系統(tǒng)是網(wǎng)絡(luò)中最關(guān)鍵的組成部分，擔(dān)負(fù)著轉(zhuǎn)發(fā)分組的任務(wù)。在當(dāng)前以IP為主導(dǎo)的分組交換網(wǎng)絡(luò)中，按交換系統(tǒng)對其分組交換的層次看，可包含二層交換，三層交換以及路由器等具體設(shè)備。從功能上劃分，交換系統(tǒng)由數(shù)據(jù)平面，控制平面和管理平面構(gòu)成，而其中用于轉(zhuǎn)發(fā)分組的數(shù)據(jù)平面構(gòu)成系統(tǒng)行使交換功能的核心，稱為交換結(jié)構(gòu)。研究圍繞交換結(jié)構(gòu)展開，對不同層次的具體交換系統(tǒng)和對IPv4/v6的支持具有通用性。交換結(jié)構(gòu)當(dāng)前主要可

2、分為Crossbar和共享存儲，其中使用共享存儲的交換結(jié)構(gòu)(芯片)是單板或前端交換中的主流技術(shù)之一，受到學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的深入而廣泛研究。最近五年BroadCom公司高端交換芯片的交換容量以25％的年均增速進(jìn)入市場，其他公司如Marvell，LightStorm 也紛紛提出了差異化的產(chǎn)品與BroadCom 競爭。而遺憾的是，國內(nèi)在此領(lǐng)域的商用產(chǎn)品尚無一席之地。為了緊跟國際交換芯片的研究，2003-2005 年，武漢郵科院烽火網(wǎng)絡(luò)公司承擔(dān)國

3、家863 項目“萬兆以太網(wǎng)核心交換芯片”，開發(fā)了一款完全自主知識產(chǎn)權(quán)的1G*12+10G*1的交換芯片，為我國初涉10G 級高速交換結(jié)構(gòu)的研究積累了寶貴的基礎(chǔ)。研究以此為背景，分別從組播調(diào)度，緩存門限管理，優(yōu)化運營收入值，以及共享存儲交換結(jié)構(gòu)的多級互聯(lián)四個方面展開研究。 共享存儲交換結(jié)構(gòu)的調(diào)度目標(biāo)是進(jìn)行高效而公平的轉(zhuǎn)發(fā)。受組播業(yè)務(wù)的驅(qū)動，交換結(jié)構(gòu)需要支持高帶寬的單播-組播的混合數(shù)據(jù)流，傳統(tǒng)的處理組播分組的方法包括信元地址拷貝、專

4、門組播隊列等，這些方法對共享存儲器的利用率尚不充分，同時組播信元的拷貝在各個目的端口轉(zhuǎn)發(fā)同步性有待提高。提出一種使用滑動窗口的方法，在滑動窗口內(nèi)對組播-單播的混合數(shù)據(jù)流進(jìn)行優(yōu)化。已有的研究證明，對組播流量的轉(zhuǎn)發(fā)進(jìn)行全局優(yōu)化是一個NP 難問題。提出的方法旨在進(jìn)行窗口范圍內(nèi)的局部優(yōu)化，算法的計算復(fù)雜性可以被現(xiàn)有硬件計算能力接受。性能分析和實驗仿真說明，適度的窗口寬度能將公共存儲區(qū)的利用率提高12％-18％，而將組播在各個端口轉(zhuǎn)發(fā)的時差降低4

5、0％。這個成果已申請國家發(fā)明專利。 共享存儲的門限旨在為各個端口的輸出隊列進(jìn)行合理的存儲空間劃分。傳統(tǒng)的共享緩存交換結(jié)構(gòu)的門限控制算法通常以系統(tǒng)當(dāng)前各個隊列長度為依據(jù)，缺乏對全局流量場景的考慮以及對組播的支持。提出使用有效業(yè)務(wù)量作為控制各個端口隊列門限的主要依據(jù)。這個算法旨在讓各個端口承擔(dān)相同的流量壓力，從而使系統(tǒng)保持均衡狀態(tài)。 在經(jīng)典的有效帶寬的基礎(chǔ)上，結(jié)合輸入的流量速率和分配的緩沖區(qū)大小一起來定義輸出端口的有效業(yè)務(wù)量

6、，是對流量壓力的準(zhǔn)確度量。雙門限的使用使得公共存儲空間既能夠保持在平均意義下的平衡，又能實現(xiàn)突發(fā)時段的調(diào)劑。進(jìn)一步，對組播的信元的轉(zhuǎn)發(fā)也可以納入這個工作框架。模擬結(jié)果顯示，在不同的流量模式下，這個算法比傳統(tǒng)動態(tài)門限算法在取典型值α=1和組播濃度為30％時，對芯片的使用效率和端口的公平性分別提高15％和25％以上。這個成果已申請國家發(fā)明專利。 對網(wǎng)絡(luò)資源的分配從交換結(jié)構(gòu)的角度來考慮實際上是各個隊列調(diào)度機會的分配問題。由于下一代網(wǎng)絡(luò)

7、業(yè)務(wù)種類眾多，為各類紛繁的業(yè)務(wù)提供復(fù)雜的QoS 保障計算復(fù)雜度過高而難于實施，因此有必要從更抽象的資源入手來分析這個問題。首先得到帶寬、時延、丟包率等QoS 參數(shù)的相互關(guān)系，將其劃歸為單一的帶寬參數(shù)。將各種不同的業(yè)務(wù)流視作對帶寬的競爭，由于不同的業(yè)務(wù)占用不同的帶寬資源，能夠給用戶帶來不同的效用并給運營商帶來不同的收入，因此將這些業(yè)務(wù)模型化為非合作博弈的參與者。通過分析這些業(yè)務(wù)流效用和支付之間的關(guān)系，得到業(yè)務(wù)流經(jīng)過達(dá)到Nash均衡時的表現(xiàn)

8、。在此基礎(chǔ)上，提出了共享存儲交換結(jié)構(gòu)為各種不同優(yōu)先級隊列分配帶寬(調(diào)度機會)的算法，這種算法能夠?qū)崿F(xiàn)運營商的收入最大化，通過該算法得到的優(yōu)化帶寬提供的收入值比典型的默認(rèn)帶寬提高14％，有效避免對帶寬的惡性競爭并提高了網(wǎng)絡(luò)運行的收益。 交換系統(tǒng)的可擴展性和健壯性是核心網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備必須考慮的問題，通過交換結(jié)構(gòu)的多階段互聯(lián)來實現(xiàn)上述目標(biāo)是最通行的做法，而以何種拓?fù)溥M(jìn)行互聯(lián)，互聯(lián)后如何協(xié)同各個交換元素之間的調(diào)度以便構(gòu)筑分布式交換系統(tǒng)是一

9、個熱點的研究問題。 基于共享存儲結(jié)構(gòu)的Clos 網(wǎng)絡(luò)是一種極具應(yīng)用價值的多階段互聯(lián)拓?fù)?，傳統(tǒng)的調(diào)度算法CRRD 在實施中由于采用兩階段匹配，需要兩個階段都成功才能完成一次匹配。 提出了CRRD的改進(jìn)方案，采用貫序式的匹配方式，將兩階段匹配簡約為單階段匹配，不僅降低了空間復(fù)雜性，而且能提高匹配命中率，尤其是在不均勻的流量場景下能有效增加系統(tǒng)吞吐率。從理論上證明了這種貫序式匹配算法的死鎖概率為任意小，保證了該算法即使在極端的