T比特路由器交换网络的研究与实现

论文摘要

随着互联网通信量的急剧膨胀,以及光传输网络带宽的飞速发展,作为网络核心节点的路由器逐渐成为网络发展的瓶颈。在路由器中,交换网络是限制其容量和性能的主要因素。 本文以T比特路由器交换网络的关键技术和实现方案为课题目标,对传统分组交换结构和调度算法进行了分析比较,归纳了影响交换可扩展性的主要因素,并分析说明了目前的可行解决方法。同时结合“十五”计划国家863项目“可扩展到T比特的高性能IPv4/IPv6路由器基础平台及实验系统”的设计需求,详细分析了交换网络的性能要求,设计了一种可支持变长分组的缓存交叉开关联合输入输出排队（Combined Input and Output Queued with Buffered Crossbar,BC-CIOQ）交换结构,并提出了一种支持变长分组且易于硬件实现的改进的并行整包轮询（Modified Parallel Packet Round-Roubin,MPPRR）调度算法,最后结合工程实现,给出了BC-CIOQ结构和MPPRR调度算法的具体物理实现,为“可扩展到T比特的高性能IPv4/IPv6路由器基础平台及实验系统”项目提供了可扩展到T比特级的单元级交换网络。测试结果表明,该单元级交换网络能完全满足项目的性能要求。 本文的贡献主要包括以下几点: 基于变长分组交换的需求,提出了一种支持变长分组的缓存交叉开关联合输入输出排队（BC-CIOQ）结构。 在支持变长分组的BC-CIOQ结构中,针对传统整包调度算法响应时延过大和缓存容量要求较高的不足,提出了一种改进的并行整包轮询（MPPRR）算法。 利用变长分组BC-CIOQ结构和MPPRR算法,工程实现了吞吐量为160Gbps的单元级交换网络,为“可扩展到T比特的高性能IPv4/IPv6路由器基础平台及实验系统”项目实现了可扩展到T比特容量的交换网络。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 课题研究任务
• 1.3 本文的主要工作
• 1.4 本文的结构安排
• 第二章 分组交换中的关键技术分析与研究
• 2.1 引言
• 2.2 分组交换中的排队机制
• 2.2.1 输出排队（OQ）结构
• 2.2.2 输入排队（IQ）结构
• 2.2.3 虚拟输出排队（VOQ）结构
• 2.2.4 联合输入输出排队（CIOQ）结构
• 2.3 基本的调度算法
• 2.3.1 输出排队调度算法
• 2.3.1.1 基于RR的调度算法
• 2.3.1.2 基于GPS的调度算法
• 2.3.2 输入排队调度算法
• 2.3.2.1 基于最大匹配的算法
• 2.3.2.2 基于最大权重匹配的算法
• 2.4 交换的可扩展性所面临的挑战
• 2.4.1 典型交换结构的扩展性所面临的挑战
• 2.4.2 目前的可扩展方法
• 2.5 本章小结
• 第三章 缓存crossbar的联合输入输出排队结构及算法
• 3.1 引言
• 3.2 结构模型及定义
• 3.3 模拟OQ交换的充分条件
• 3.4 BC-CIOQ结构的调度算法
• 3.4.1 模拟FIFO OQ交换的调度算法
• 3.4.2 轮询调度算法
• 3.5 变长分组业务的交换
• 3.5.1 改进的并行整包轮询算法-MPPRR
• 3.5.2 MPPRR算法下交叉点的缓存容量
• 3.6 支持QoS的调度机制
• 3.7 简单的性能比较与分析
• 3.8 本章小结
• 第四章 T比特路由器中单元级交换网络的实现
• 4.1 单元级交换网络的总体方案
• 4.2 子交换单元结构的实现
• 4.3 子交换单元调度机的实现
• 4.3.1 调度机的功能模块
• 4.3.2 IS调度机的硬件实现
• 4.3.3 CS调度机的硬件实现
• 4.3.4 仿真与测试结果
• 4.4 QoS保障机制的实现
• 4.5 本章小结
• 第五章 测试结果及扩展到 T比特级的方案
• 5.1 单元级交换网络的测试
• 5.2 T比特级容量的扩展方案
• 结束语
• 致谢
• 参考文献