網(wǎng)絡(luò)高性能交換結(jié)構(gòu)及調(diào)度算法研究.pdf

1、近十幾年來(lái),互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)流量呈現(xiàn)持續(xù)爆炸性的增長(zhǎng),網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(路由器、交換機(jī)等)正在逐漸成為網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展的關(guān)鍵制約因素,而交換結(jié)構(gòu)(SwitchFabric)是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的物理“核心”,研究高線速、多端口、可擴(kuò)展性強(qiáng)并且能夠提供更好的QoS服務(wù)支持的新型交換結(jié)構(gòu)及相關(guān)的調(diào)度算法是目前的重要課題。在此背景之下,本文針對(duì)新型高性能交換結(jié)構(gòu)、低抖動(dòng)調(diào)度算法、多級(jí)交換結(jié)構(gòu)的沖突丟包以及全光交換網(wǎng)絡(luò)的輸出波長(zhǎng)沖突調(diào)度這四個(gè)方面的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行研究

2、。本文的研究獲得國(guó)家發(fā)改委下一代互聯(lián)網(wǎng)CNGI項(xiàng)目“支持平滑演進(jìn)的IPv6路由交換設(shè)備研制及產(chǎn)業(yè)化”以及武漢郵電科學(xué)研究院光纖通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金資助項(xiàng)目“下一代光接入關(guān)鍵技術(shù)和系統(tǒng)研究”(No.2010OCTN-03)的支持。
　　輸出緩沖排隊(duì)交換結(jié)構(gòu)(OQ)是目前為止最能夠適應(yīng)各種服務(wù)質(zhì)量需求的交換結(jié)構(gòu),但是由于其N倍加速的特點(diǎn),在今天的高速交換網(wǎng)絡(luò)中難以得到廣泛應(yīng)用。基于交叉矩陣的交換結(jié)構(gòu)可以避免N倍加速問(wèn)題

3、,但是受到交叉矩陣調(diào)度機(jī)制的限制,難以支持復(fù)雜的服務(wù)質(zhì)量需求。交叉點(diǎn)緩沖交換結(jié)構(gòu)是目前性能最好的交換結(jié)構(gòu)之一,但是由于交換結(jié)構(gòu)隊(duì)列的限制,非均衡流量下的性能很不理想。為了解決這一問(wèn)題,本文提出了負(fù)載均衡-交叉點(diǎn)緩沖交換結(jié)構(gòu)體系方法,這種新型的交換結(jié)構(gòu)通過(guò)引入負(fù)載均衡機(jī)制將輸入端口的非均衡流量變換為中間交換端口的近似均衡流量,從而有效的解決了單純交叉點(diǎn)緩沖在非均衡流量下吞吐量性能不足的缺陷并且保留了交叉點(diǎn)緩沖交換結(jié)構(gòu)的高服務(wù)質(zhì)量特性,通過(guò)

4、實(shí)驗(yàn)和理論分析證明了負(fù)載均衡-交叉點(diǎn)緩沖交換結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和模擬輸出緩沖排隊(duì)的有效性。同時(shí),為了解決引入負(fù)載均衡機(jī)制可能帶來(lái)的交換數(shù)據(jù)流失序問(wèn)題,進(jìn)一步改進(jìn)了負(fù)載均衡-交叉點(diǎn)緩沖交換結(jié)構(gòu),提出了虛擬隊(duì)列負(fù)載均衡-交叉點(diǎn)緩沖交換結(jié)構(gòu),通過(guò)在交叉點(diǎn)緩沖中引入虛擬的輸入隊(duì)列和相應(yīng)的分級(jí)調(diào)度算法,有效的保證了交換過(guò)程中數(shù)據(jù)流的各個(gè)數(shù)據(jù)包有序輸出。
　　部分連接多級(jí)交換網(wǎng)絡(luò)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于擴(kuò)展等等優(yōu)點(diǎn),對(duì)于構(gòu)建高速光交換網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有重要意義

5、。但是多級(jí)交換網(wǎng)絡(luò)也存在著固有的內(nèi)部鏈路沖突問(wèn)題,可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)包的丟失從而影響了網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的服務(wù)質(zhì)量。為了能夠在保持部分連接多級(jí)交換網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)的同時(shí),有效的解決內(nèi)部鏈路沖突的問(wèn)題,提出用信息技術(shù)中的刪除信道模型模擬多級(jí)交換網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部固有沖突造成的數(shù)據(jù)包丟失,采用編碼技術(shù)從交換數(shù)據(jù)流中恢復(fù)出丟失的數(shù)據(jù)包而不改動(dòng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和選路算法。新的算法在最大限度的保持部分連接多級(jí)交換網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)的同時(shí),有效解決了由于內(nèi)部鏈路沖突而造成的丟包的問(wèn)題。
　

6、　傳統(tǒng)研究集中于吞吐量、延時(shí)、丟包率等常見(jiàn)的服務(wù)質(zhì)量參數(shù),但是傳輸抖動(dòng)也是影響音視頻業(yè)務(wù)主要電信級(jí)參數(shù)。在目前的混合輸入排隊(duì)-交叉點(diǎn)緩沖交換結(jié)構(gòu)中,低抖動(dòng)調(diào)度的研究仍是一個(gè)電信級(jí)業(yè)務(wù)的熱點(diǎn)。針對(duì)傳統(tǒng)方法中動(dòng)態(tài)調(diào)度算法抖動(dòng)抑制性能較差、幀調(diào)度算法復(fù)雜度高等問(wèn)題提出基于混合輸入排隊(duì)-交叉點(diǎn)緩沖交換結(jié)構(gòu)(CICQ)的混合動(dòng)態(tài)-幀調(diào)度算法和基于幀的低抖動(dòng)調(diào)度算法,將混合輸入排隊(duì)-交叉點(diǎn)緩沖交換結(jié)構(gòu)中基于流量的低抖動(dòng)幀調(diào)度轉(zhuǎn)化為典型的優(yōu)化問(wèn)題,通

7、過(guò)解優(yōu)化問(wèn)題獲得了最佳的幀調(diào)度。
　　能夠提供巨大的交換容量和業(yè)務(wù)帶寬的波分復(fù)用光交換系統(tǒng)是目前構(gòu)建未來(lái)骨干傳輸交換網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ),而在光交換系統(tǒng)中,為了解決競(jìng)爭(zhēng)輸出波長(zhǎng)而產(chǎn)生的沖突問(wèn)題,必須高效率的調(diào)度交換結(jié)構(gòu)中的輸出光波長(zhǎng)和有限波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器資源。針對(duì)目前的波長(zhǎng)沖突調(diào)度算法在充分利用波長(zhǎng)和轉(zhuǎn)換器資源上不理想的問(wèn)題,提出波長(zhǎng)可調(diào)整的沖突調(diào)度算法,將可調(diào)整的波長(zhǎng)帶入波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器分配階段與空閑波長(zhǎng)一起調(diào)度,從而高效的利用了波長(zhǎng)和轉(zhuǎn)換器資源,提