【摘要】：以分組交換為基礎(chǔ)的Internet已經(jīng)成為通信網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。隨著光纖通信技術(shù)以及光傳送網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展,Internet中現(xiàn)有路由器、交換機等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的容量及可擴(kuò)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(zhuǎn)發(fā)、以及承載電路交換中的實時話音等其它業(yè)務(wù),這對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的硬件復(fù)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(luò)由于在容量、擴(kuò)展性等方面受到限制,無法用于構(gòu)建大容量交換網(wǎng)絡(luò)。Clos交換網(wǎng)絡(luò)使用小規(guī)模交換芯片互聯(lián)組成,具有模塊化、可擴(kuò)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(luò)的基礎(chǔ)上針對上述需求進(jìn)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(luò)在不均衡業(yè)務(wù)輸入時吞吐率下降的問題,提出了在多種業(yè)務(wù)模型下都具有較高吞吐率的分治調(diào)度算法。該算法首先把輸入級的隊列劃分為若干個沖突域,分別對應(yīng)于每個輸出級模塊,則MSM型Clos交換網(wǎng)絡(luò)中的調(diào)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(dá)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(luò)的硬件設(shè)計。仿真表明,該算法可以在多種業(yè)務(wù)輸入時均達(dá)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(luò)中調(diào)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逆向調(diào)度算法,以及一種可以降低計算復(fù)雜度的LGMSM(Line-Grouping MSM)交換結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)調(diào)度算法按模塊排列順序執(zhí)行匹配操作不同,逆向調(diào)度算法首先按固定的輪轉(zhuǎn)順序?qū)⑿旁埱蟀l(fā)送到各中間級模塊并分別進(jìn)行內(nèi)部匹配,然后將中間級的匹配結(jié)果返回給輸入級,用于指導(dǎo)后續(xù)信元的轉(zhuǎn)發(fā)。調(diào)度過程中信元請求的發(fā)送不依賴于前一次匹配的結(jié)果,從而實現(xiàn)了整個調(diào)度過程的流水線操作,同時將三級Clos交換網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度問題簡化為了單級crossbar結(jié)構(gòu)的匹配問題。理論分析證明,逆向調(diào)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(diào)度所需要的時間。LGMSM結(jié)構(gòu)通過將連接兩個交換單元的一條鏈路擴(kuò)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(luò)中仲裁器的數(shù)目以及每個仲裁器的規(guī)模,并降低了調(diào)度算法的計算復(fù)雜度。同時,LGMSM結(jié)構(gòu)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(diào)度算法的情況下,LGMSM結(jié)構(gòu)可以獲得比傳統(tǒng)MSM型Clos交換網(wǎng)絡(luò)更高的吞吐率。3.針對分組交換網(wǎng)絡(luò)如何有效承載電路業(yè)務(wù)的問題,在MSM型Clos交換網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上提出了具有嚴(yán)格QoS保證的電路與分組混合交換網(wǎng)絡(luò)及調(diào)度算法。該交換網(wǎng)絡(luò)將內(nèi)部鏈路分為準(zhǔn)靜態(tài)鏈路和動態(tài)鏈路兩類,分別用于承載電路業(yè)務(wù)和分組業(yè)務(wù)。調(diào)度算法為電路業(yè)務(wù)建立具有一定帶寬的虛擬通道,并將其映射為周期性重復(fù)的準(zhǔn)靜態(tài)鏈路,同時利用剩余帶寬為分組業(yè)務(wù)提供盡力而為的轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)。兩種業(yè)務(wù)可以在同一交換平面上進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā),并避免了分組業(yè)務(wù)對電路業(yè)務(wù)的干擾。仿真表明,混合交換能夠滿足電路業(yè)務(wù)對QoS的要求,并為分組業(yè)務(wù)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(luò)中出現(xiàn)的信元亂序的問題,分別提出了低復(fù)雜度的負(fù)載均衡Clos交換網(wǎng)絡(luò)和基于交叉點帶緩存crossbar結(jié)構(gòu)的Clos交換網(wǎng)絡(luò)。負(fù)載均衡Clos交換網(wǎng)絡(luò)在中間級采用兩級負(fù)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(diào)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(dá)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(fù)載均衡Clos交換網(wǎng)絡(luò)在多種業(yè)務(wù)模型下均可達(dá)到較高的吞吐率,并且在輸入負(fù)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(jié)構(gòu)的Clos交換網(wǎng)絡(luò)中,所有交換單元采用了相同的交叉點帶緩存的crossbar結(jié)構(gòu)。輸入級模塊首先將同一流的信元按固定的輪轉(zhuǎn)順序依次發(fā)往所有中間級模塊,然后在中間級各輸出端口處采用基于最早信元優(yōu)先的選擇機制,最后輸出級模塊采用和輸入級相同的輪轉(zhuǎn)順序從各交叉點緩存讀出信元。理論分析證明該算法避免了交換網(wǎng)絡(luò)的信元亂序,同時仿真表明該交換網(wǎng)絡(luò)在避免信元亂序的同時,達(dá)到了較高的吞吐率及較低的時延。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TN915.0

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本文編號：2489313