大容量光交换结构交换调度算法设计与实现

摘要

随着骨干网传输容量的急剧上升，业务的不断到来，交换网络中的关键节点交换机的“电子瓶颈”问题成为限制网络吞吐能力的重要原因。因此对交换设备的研究是提高光传输网络性能的重点。
　　研究包括两个方面：一方面是高性能的可扩展交换结构；另一方面是高效的交换调度算法。在不同交换结构的特性、适用范围很明确的今天，低时延、多种QoS性能支持的相关调度算法的研究，越来越成为人们关注的焦点，也成为了构建高性能交换设备最核心的部分。
　　本文研究的超大容量七级Clos结构光网络交换机可达10Pbps级别的交换容量，并根据这种交换机的系统结构，设计出新的交换路由算法。通过加快数据处理速度、提高业务吞吐量、降低业务阻塞率，来缓解目前遇到的问题。
　　本文根据这种七级Clos交换机的系统结构和到来业务的特性，将研究的调度算法分为三部分：首先是平面内的业务选择中间级的问题，根据满配平面的业务矩阵规模为512X512，中间级满配的规模为64 X64，采用基于二部图染色原理的环形算法来处理业务。并在此基础之上，提出并设计双向和同向两种新型的环形算法，大大加快数据处理速度。通过对比资源消耗情况、可达到最高的时钟频率，来解释这三种方法的差异。在Modelsim软件下完成逻辑功能模块的仿真验证，并通过FPGA实验，来验证我们所提出算法的正确性与可行性。
　　其次，根据平面间系统结构的特性、业务的多样性，考虑到无阻塞、避免回溯和重排等要求，提出端口扩展的算法，解决了矩阵度为2的幂次方环形算法的应用问题，并作逻辑验证来说明可行性。
　　最后，考虑到竭力轮询算法将业务分发到各个平面所需的时间太多，且骨干网业务流量长期变化不大的情况，提出了基于增量矩阵的轮询算法的优化，对后到来的业务只对它的业务增量矩阵进行处理。通过对比在不同业务负载率和多种规模的增量矩阵等情况下，两种算法在时延、阻塞率方面的表现。仿真表明：在业务变化量不大的情况下，这种基于增量的改进算法在减少时延方面有更好的表现。

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第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究现状及意义

1.3 主要研究内容及组织形式

第二章 Clos交换结构及调度算法的研究

2.1 交换网络的结构分类

2.2 业务路由算法

2.3 器件约束条件

2.4 交换结构的控制方式

2.5 本章小结

第三章 平面内光交换结构调度算法设计与实现

3.1 大容量光交换结构业务特性

3.2 交换调度算法设计

3.3交换调度算法的逻辑实现

3.4 FPGA实验结果与仿真结果对比

3.5 本章小结

第四章 平面间调度算法的设计与优化

4.1 平面间业务特性

4.2 端口扩展算法

4.3 竭力均衡算法

4.4 本章小结

第五章 全文总结与展望

5.1 全文总结

5.2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果