基于共享存儲的高速交換結構研究.pdf

1、分組交換網(wǎng)是網(wǎng)絡發(fā)展的一個重要趨勢，而高速交換系統(tǒng)是網(wǎng)絡中最關鍵的組成部分，擔負著轉發(fā)分組的任務。在當前以IP為主導的分組交換網(wǎng)絡中，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成，而其中用于轉發(fā)分組的數(shù)據(jù)平面構成系統(tǒng)行使交換功能的核心，稱為交換結構。研究圍繞交換結構展開，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。交換結構當前主要可

2、分為Crossbar和共享存儲，其中使用共享存儲的交換結構(芯片)是單板或前端交換中的主流技術之一，受到學術界和產(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，國內在此領域的商用產(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)絡公司承擔國

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)權的1G*12+10G*1的交換芯片，為我國初涉10G 級高速交換結構的研究積累了寶貴的基礎。研究以此為背景，分別從組播調度，緩存門限管理，優(yōu)化運營收入值，以及共享存儲交換結構的多級互聯(lián)四個方面展開研究。 共享存儲交換結構的調度目標是進行高效而公平的轉發(fā)。受組播業(yè)務的驅動，交換結構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，在滑動窗口內對組播-單播的混合數(shù)據(jù)流進行優(yōu)化。已有的研究證明，對組播流量的轉發(fā)進行全局優(yōu)化是一個NP 難問題。提出的方法旨在進行窗口范圍內的局部優(yōu)化，算法的計算復雜性可以被現(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行合理的存儲空間劃分。傳統(tǒng)的共享緩存交換結構的門限控制算法通常以系統(tǒng)當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上，結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)務量

6、，是對流量壓力的準確度量。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)時段的調劑。進一步，對組播的信元的轉發(fā)也可以納入這個工作框架。模擬結果顯示，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)絡資源的分配從交換結構的角度來考慮實際上是各個隊列調度機會的分配問題。由于下一代網(wǎng)絡

7、業(yè)務種類眾多，為各類紛繁的業(yè)務提供復雜的QoS 保障計算復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)的相互關系，將其劃歸為單一的帶寬參數(shù)。將各種不同的業(yè)務流視作對帶寬的競爭，由于不同的業(yè)務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)務模型化為非合作博弈的參與者。通過分析這些業(yè)務流效用和支付之間的關系，得到業(yè)務流經(jīng)過達到Nash均衡時的表現(xiàn)

8、。在此基礎上，提出了共享存儲交換結構為各種不同優(yōu)先級隊列分配帶寬(調度機會)的算法，這種算法能夠實現(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帶寬提高14％，有效避免對帶寬的惡性競爭并提高了網(wǎng)絡運行的收益。 交換系統(tǒng)的可擴展性和健壯性是核心網(wǎng)絡交換設備必須考慮的問題，通過交換結構的多階段互聯(lián)來實現(xiàn)上述目標是最通行的做法，而以何種拓撲進行互聯(lián)，互聯(lián)后如何協(xié)同各個交換元素之間的調度以便構筑分布式交換系統(tǒng)是一

9、個熱點的研究問題。 基于共享存儲結構的Clos 網(wǎng)絡是一種極具應用價值的多階段互聯(lián)拓撲，傳統(tǒng)的調度算法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