基于带缓存交叉开关的交换结构研究

论文摘要

网络技术发展的业务驱动属性已成共识，构建网络新架构已经成为近年来国内外研究的热点问题。新的网络架构在以下三个方面对路由交换设备提出了更高的要求：第一，路由交换设备必须能够支持更高的端口速率和更密集的端口数量，以便于大规模用户的集中接入和快速分路；第二，路由交换设备必须具有良好的组播支持能力，用于支撑具有动态组播特性的宽带流媒体网络承载业务；第三，路由交换设备必须能够提供良好的服务质量保障，使得网络实时多媒体业务从应用级平稳过渡到运营级。 交换结构从广义上包含交换结构和调度算法两个方面，其性能直接影响甚至决定路由交换设备的性能。路由交换设备所面临的更高要求对交换结构和调度算法设计带来了严峻的挑战，但现有技术在性能和工程实现复杂度之间存在着难以逾越的障碍。从交换结构分析，时分复用技术对总线速率和存储器访问速率要求过高，严重影响了交换结构在高速环境下的可实现性；从调度算法分析，采用集中式调度机制提供组播支持和服务质量保障复杂度过高，很难用于工程实现。带缓存交叉开关通过引入交叉节点缓存，将交换单元的控制机制由传统的同步集中式简化为异步分布式，可以大大降低调度算法的实现复杂度，为提升路由交换设备的综合性能提供了一个更好的基础平台。 为此论文结合国家“十五”863计划重大专项《中国高性能宽带信息网(3Tnet)示范工程》、《大规模汇聚接入路由器关键技术研究》和《军用下一代互联网》的研发，重点研究了基于带缓存交叉开关交换结构及调度算法的可扩展性、组播支持和服务质量保障问题，并对上述研究进行了有机整合，提出了一种整体解决方案，指导交换结构和调度算法的设计。同时，论文根据《军用下一代互联网》对全网服务质量的特殊需求，提出了一种支持区分服务模型的交换调度设计方案，并予以工程实现。 本课题主要包括如下几个方面的工作： ■ 交换性能评价方法可分为理论分析和仿真实验两种。理论分析方法很难针对交换系统日益复杂的行为得出系统模型的解析解，仅能提供定性分析与粗略评估；仿真实验手段缺乏对多种交换结构和调度算法系统的支持，在一致性、可继承性和可扩展性方面存在缺陷。本文提供了一种在一定约束范围内的仿真分析方法，并采用系统级设计方法和面向对象技术设计实现了一种集成多种结构和算法的交换性能仿真评价系统(SPES，SwitchPerformance Evaluation System)，为交换调度领域的技术创新和方案设计提供了向导作用。 ■ 交换系统可扩展性由交换结构和调度算法共同决定。本文针对联合输入交叉节点排队交换结构现有调度策略在复杂度和性能方面的缺陷，对其调度判决过程进行了建模分析，并通过综合考虑两级队列整体调度需求，提出一种具有良好可扩展性的最大紧迫度优先(MUF，Maximum Urgency First)调度算法。仿真结果表明MUF算法具有良好的稳定性

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 表目录
• 图目录
• 缩略语列表
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景、目的及意义
• 1.2 前人工作回顾
• 1.2.1 输出排队交换结构
• 1.2.2 输入排队交换结构
• 1.2.3 联合输入输出排队交换结构
• 1.2.4 基于带缓存交叉开关的交换结构
• 1.3 本文的主要工作
• 1.4 论文结构安排
• 第二章 一种高效的交换结构性能评价模型与实现方法
• 2.1 引言
• 2.2 系统模型分析
• 2.3 系统设计实现
• 2.3.1 业务源子系统
• 2.3.2 输入输出子系统
• 2.3.3 交换单元子系统
• 2.3.4 调度子系统
• 2.3.5 仿真控制子系统
• 2.4 系统参数设置及性能指标提取
• 2.5 系统性能验证
• 2.6 本章小结
• 第三章 一种简单高效的可扩展 MUF调度算法
• 3.1 引言
• 3.2 带缓存交叉开关交换结构可扩展性分析
• 3.2.1 联合输入交叉节点交换结构
• 3.2.2 典型算法分析
• 3.3 最大紧迫度优先调度算法
• 3.4 仿真性能评价
• 3.5 本章小结
• 第四章 一种联合单组播的全分布式 ME-MUF调度方案
• 4.1 引言
• 4.2 组播交换结构现状分析
• 4.3 带缓存交叉开关组播交换方案
• 4.3.1 支持组播的联合输入交叉节点排队交换结构
• 4.3.2 组播扩展的最大紧迫度优先调度算法 ME-MUF
• 4.4 仿真分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 一种可提供Qos保障的SDM-CICOQ交换结构
• 5.1 引言
• 5.2 SDM-CICOQ交换结构
• 5.3 性能分析
• 5.3.1 吞吐量分析
• 5.3.2 模拟 OQ交换结构分析
• 5.4 HPS调度方案
• 5.5 仿真验证
• 5.6 本章小结
• 第六章 一种军用路由设备的交换结构设计实现方案
• 6.1 引言
• 6.2 网络服务质量模型选取
• 6.2.1 IntServ/RSVP模型
• 6.2.2 DiffServ模型
• 6.2.3 IntServ还是 DiffServ
• 6.3 支持 DiffServ模型的交换调度方案设计
• 6.3.1 交换结构及其排队机制
• 6.3.2 DSME-MUF调度算法
• 6.3.3 公平性分析
• 6.4 仿真分析
• 6.5 工程实现
• 6.5.1 交换单板模块化结构实现
• 6.5.2 调度机的 FPGA实现
• 6.5.3 整机双端口测试结果
• 6.6 本章小结
• 第七章 结束语
• 7.1 本文工作总结
• 7.2 需要进一步研究的问题
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果