用于三级Clos网络的一种高效自寻路交换机制研究

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网络的快速发展及业务量的爆炸式增长，使得用户对网络带宽的要求日益提高。作为核心的业务结点，交换机和路由器等交换设备大大影响着网络性能表现。
　　近年来，业界对交换网络设备的研究主要着力于两点：一是对交换结构体系架构的研究；二是交换网络的交换调度算法设计。在大型可扩展交换系统中，采用多个交换模块组成的多级结构如三级Clos结构等，是常用的解决方案。
　　基于Clos结构的交换调度算法有很多，包括传统的RD（Random Dispatching）算法、CRRD（Concurrent Round-Robin Dispatching）算法等，但在高速、高负载量应用环境下，采用这类算法仍存在一些不足之处。比如CRRD算法，它需要采取一定的仲裁策略以及两次匹配过程完成交换，复杂性较高，同时也不可避免的造成大量的控制信息在级间传送，这影响了总体的交换性能。
　　采用自寻路技术则无需复杂的仲裁机制或多次匹配步骤，交换过程简单易处理。然而，自寻路方式容易因端口冲突而造成交换结构内部阻塞，尤其当网络的负载量增大或突发业务增多时，内部阻塞概率也会随之增大，于是导致端到端交换时延的增加，网络性能随之降低。因此自寻路式的交换机制设计关键在于减少交换结构内部的竞争，以减少信元交换的端到端时延。
　　针对以上问题，本文基于三级Clos交换结构，提出了一种高效的自寻路交换机制BA-CIS（Bandwidth Arbitration and Cell Interleaving Scheme）。首先，它在交换结构中采用了基于信元的自寻路交换方式，无需很多传统交换调度算法中涉及到的复杂仲裁匹配过程；其次，该机制采取了“带宽预约分配”方式，每个输出端口根据自身的总带宽合理地为各个输入端口分配带宽，以保证输出端口流不阻塞；第三，针对自寻路方式容易出现的网络内部阻塞问题，该机制提出了“信元间插”策略，该策略是BA-CIS的核心内容。通过“信元间插”，可以使得具有连续信元的分组在被发送到交换结构之前就被“打散”，以保证流量被均匀地进入交换结构中，从而大大减轻了交换结构内部的冲突和阻塞。
　　最后，本文使用C++语言在Windows环境下仿真搭建了支持BA-CIS机制的三级Clos交换结构模型，并在多种场景下考查了该机制的性能。仿真测试结果表明：“信元间插”策略作为BA-CIS交换机制的核心，对网络性能的提升起了很大的作用；当分组平均长度或交换窗口大小变化时，BA-CIS机制网络性能表现良好；该交换机制还能较好的支持热点业务环境和混合业务环境；网络规模扩大后，该机制依然具有良好的稳定性。与CRRD等传统的交换调度方式对比，新自寻路机制下的信元平均网络时延明显减小。

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作者
倪杰;
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作者单位

电子科技大学;

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授予单位电子科技大学;
学科通信与信息系统
授予学位硕士
导师姓名许都;
年度 2013
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类通信网理论;
关键词
Clos网络; 自寻路交换机制; 带宽预约分配; 信元间插; 多次匹配;

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