多级多平面交换结构的交换机制研究

摘要

随着互联网及其数据业务不断飞速发展，互联网中交换和路由系统的要求越来越高。而作为交换和路由系统核心的交换结构，也呈现越来越复杂的趋势。单级交换结构如crossbar和简单的多级交换结构如benes，clos等都已经无法单独满足大容量的交换需求。于是更大规模的多级多平面交换结构得到了更多的应用。多级多平面交换系统整合多个交换结构和输入输出线卡，形成巨大的信息处理能力，可以满足Tbps级别的交换需求。
　　 本文主要研究了多级多平面交换结构中的交换机制。所谓交换机制，指的是分组在交换结构中转发时采用的基本数据单元格式，主要有定长信元和变长分组两类，而定长分组交换机制又可分为逻辑切割分组交换和直接分组交换两种。不同的交换机制需要由不同的调度算法实现，首先总结了单级交换结构中不同交换机制的实现算法，并进行选择和改进，应用到多级多平面交换结构中。对应用于逻辑切割分组交换机制的匹配算法PB-iSLIP进行改进，形成CPB-iSLIP算法，以满足crossbar结构中集中式匹配的需要。对应用于直接交换分组机制的轮询算法RR进行改进，形成PRR算法，以避免RR算法服务各VOQ队列时的不公平性，并对两种算法进行了仿真比较，验证PRR算法时延特性有所改善。
　　 以DUNE公司的SAND芯片交换架构为参考模型，搭建一个PPS结构的多级多平面交换结构仿真模型，中间各交换平面为三级clos交换结构，而clos结构的每个交换单元是crossbar结构。在此模型中，根据分布式调度思想，在各级应用不同的算法来实现三种不同的交换机制，主要包括输入和输出级的流量控制算法，输入级的负载均衡算法，中间级的路由匹配算法，以及信元切割和重组算法等。同时，在实现直接交换分组机制时，还需要进行中间级硬件模型的改变，采用带VOQ的CICQ crossbar结构。
　　 对三种交换机制的仿真发现，逻辑切割分组的交换机制因为规避了定长信元交换机制时的信元乱序问题，所以具有较好的时延特性，同时实现的硬件和算法复杂度较低，所以我们认为逻辑切割分组的交换机制具有最优的性能表现。