基于CICQ結(jié)構(gòu)的交換機關(guān)鍵技術(shù)及其實現(xiàn)研究.pdf

1、隨著網(wǎng)絡應用與數(shù)據(jù)流量的不斷增長，對高性能交換設備的需求日益增加。為了實現(xiàn)高性能，交換設備通常采用基于虛擬輸出隊列（Virtual Output Queue,VOQ）的crossbar交換結(jié)構(gòu)，在輸入端設置VOQ緩存隊列，既能使存儲器滿足帶寬需求，又能夠緩解隊頭阻塞問題，保持較高的交換效率。然而，VOQ結(jié)構(gòu)需要一類集中式調(diào)度算法來完成調(diào)度，交換機規(guī)模和端口數(shù)據(jù)速率的增加使得這類調(diào)度算法受到了實際限制。另一方面，輸入-交叉點聯(lián)合排隊（CI

2、CQ）交換結(jié)構(gòu)比VOQ結(jié)構(gòu)更具優(yōu)勢，具有解決VOQ結(jié)構(gòu)的調(diào)度復雜性和可擴展性問題的潛力。CICQ交換結(jié)構(gòu)利用crossbar內(nèi)部交叉點緩存將輸入和輸出端口從邏輯上分離開，從本質(zhì)上實現(xiàn)了簡單的分布式調(diào)度，同時極大地緩解了傳統(tǒng)VOQ結(jié)構(gòu)的輸入和輸出沖突問題，提供更好的交換性能?；贑ICQ結(jié)構(gòu)的高性能交換機需要良好的調(diào)度算法，即具備幾個基本特性：高吞吐率、低延遲、隊列服務公平性、調(diào)度快速和易于硬件實現(xiàn)。
　　本文主要圍繞課題“面向航電

3、應用的光纖通道（Fibre Channal）交換機設計”展開研究。根據(jù)航空電子系統(tǒng)對通信網(wǎng)絡的高實時性、公平性能的要求，以CICQ交換結(jié)構(gòu)為研究對象，重點從提高交換結(jié)構(gòu)的時延性能、公平性方面進行關(guān)鍵技術(shù)的深入研究，并完成基于CICQ結(jié)構(gòu)的4端口FC交換機的設計實現(xiàn)，為后續(xù)的FC交換機芯片設計提供技術(shù)基礎(chǔ)。為了驗證FC交換機的功能和性能，提出了一種能夠精確模擬真實網(wǎng)絡流量的高效流量生成方案，并設計了軟硬件協(xié)同實現(xiàn)的交換機性能驗證平臺，通過

4、驗證平臺對FC交換機進行了驗證測試。論文的主要工作和創(chuàng)新點包括：
　?。?）在CICQ結(jié)構(gòu)的調(diào)度算法研究中，針對現(xiàn)有算法無法同時滿足時延性能和公平性的問題，提出了兩種高性能的調(diào)度算法—MCQF_RR（The Most Critical Queue First-Round Robin）和IMCQF_RR（Improved Most Critical Queue First-Round Robin），并研究其在定長交換下的交換性能。仿

5、真實驗表明，在均勻和非均勻流量下，新算法都能夠保持良好的時延性能和穩(wěn)定性，與典型的LQF_RR（Longest Queue First and Round-robin）算法相當。通過公平性統(tǒng)計分析，MCQF_RR和IMCQF_RR采用最關(guān)鍵隊列優(yōu)先服務的策略，使得輸入隊列在不同情況下能夠保持高效服務，與LQF_RR相比公平性顯著提高。
　　（2）在變長數(shù)據(jù)包切分機制研究中，針對現(xiàn)有切分機制靈活性差和交換效率低等問題，提出了一種高效

6、自適應的數(shù)據(jù)包切分機制（Adaptive Multipacket segments,AMS）。通過實驗分析表明，CICQ結(jié)構(gòu)采用AMS切分機制，在不同的流量模型下能夠保證良好的時延性能，且明顯優(yōu)于已有方法中表現(xiàn)最好的變長多包切分機制（Variable-size Multipacket segments,VMS）。
　?。?）在CICQ結(jié)構(gòu)調(diào)度算法研究的基礎(chǔ)上，面向航空電子系統(tǒng)應用設計了基于光纖通道協(xié)議的CICQ交換機體系結(jié)構(gòu)，主要

7、實現(xiàn)光纖通道協(xié)議中FC-0、FC-1、FC-2P層和數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)功能。對于變長FC幀交換，由于實現(xiàn)簡單的優(yōu)點，選擇采用定長單包切分機制完成變長幀切分。針對現(xiàn)有定長單包切分實現(xiàn)技術(shù)切分延時較大、存儲管理復雜的不足，在幀切分模塊中采用了一種新的預切分方法實現(xiàn)定長單包切分過程，達到切分時延低、數(shù)據(jù)管理簡單的目標，從而有利于提高交換結(jié)構(gòu)的整體性能。
　?。?）在測試流量生成方案的研究中，首先分析了交換設備性能評估時常用的流量模型，并選擇合適

8、的流量模式作為交換機測試中的測試激勵。分析現(xiàn)有流量產(chǎn)生方案的優(yōu)缺點，提出一種基于匯聚過程的流量生成模型，并根據(jù)此模型設計了流量生成器的架構(gòu)。利用處理器的配置靈活性和FPGA硬件的高性能，流量生成器能夠生成實時的泊松過程和自相似過程流量，而且能達到高數(shù)據(jù)速率，具有速度可擴展性。流量的統(tǒng)計特性結(jié)果表明，基于匯聚過程的流量生成器所產(chǎn)生的流量時間序列能夠很好地模擬理想的流量模型。
　?。?）設計并建立了軟硬件協(xié)同實現(xiàn)的交換機性能驗證平臺，