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基于CICQ结构的交换机关键技术及其实现研究

王晓婷  
【摘要】:随着网络应用与数据流量的不断增长,对高性能交换设备的需求日益增加。为了实现高性能,交换设备通常采用基于虚拟输出队列(Virtual Output Queue,VOQ)的crossbar交换结构,在输入端设置VOQ缓存队列,既能使存储器满足带宽需求,又能够缓解队头阻塞问题,保持较高的交换效率。然而,VOQ结构需要一类集中式调度算法来完成调度,交换机规模和端口数据速率的增加使得这类调度算法受到了实际限制。另一方面,输入-交叉点联合排队(CICQ)交换结构比VOQ结构更具优势,具有解决VOQ结构的调度复杂性和可扩展性问题的潜力。CICQ交换结构利用crossbar内部交叉点缓存将输入和输出端口从逻辑上分离开,从本质上实现了简单的分布式调度,同时极大地缓解了传统VOQ结构的输入和输出冲突问题,提供更好的交换性能。基于CICQ结构的高性能交换机需要良好的调度算法,即具备几个基本特性:高吞吐率、低延迟、队列服务公平性、调度快速和易于硬件实现。本文主要围绕课题“面向航电应用的光纤通道(Fibre Channal)交换机设计”展开研究。根据航空电子系统对通信网络的高实时性、公平性能的要求,以CICQ交换结构为研究对象,重点从提高交换结构的时延性能、公平性方面进行关键技术的深入研究,并完成基于CICQ结构的4端口FC交换机的设计实现,为后续的FC交换机芯片设计提供技术基础。为了验证FC交换机的功能和性能,提出了一种能够精确模拟真实网络流量的高效流量生成方案,并设计了软硬件协同实现的交换机性能验证平台,通过验证平台对FC交换机进行了验证测试。论文的主要工作和创新点包括:(1)在CICQ结构的调度算法研究中,针对现有算法无法同时满足时延性能和公平性的问题,提出了两种高性能的调度算法—MCQF_RR(The Most Critical Queue First-Round Robin)和IMCQF_RR(Improved Most Critical Queue First-Round Robin),并研究其在定长交换下的交换性能。仿真实验表明,在均匀和非均匀流量下,新算法都能够保持良好的时延性能和稳定性,与典型的LQF_RR(Longest Queue First and Round-robin)算法相当。通过公平性统计分析,MCQF_RR和IMCQF_RR采用最关键队列优先服务的策略,使得输入队列在不同情况下能够保持高效服务,与LQF_RR相比公平性显著提高。(2)在变长数据包切分机制研究中,针对现有切分机制灵活性差和交换效率低等问题,提出了一种高效自适应的数据包切分机制(Adaptive Multipacket segments,AMS)。通过实验分析表明,CICQ结构采用AMS切分机制,在不同的流量模型下能够保证良好的时延性能,且明显优于已有方法中表现最好的变长多包切分机制(Variable-size Multipacket segments,VMS)。(3)在CICQ结构调度算法研究的基础上,面向航空电子系统应用设计了基于光纤通道协议的CICQ交换机体系结构,主要实现光纤通道协议中FC-0、FC-1、FC-2P层和数据包转发功能。对于变长FC帧交换,由于实现简单的优点,选择采用定长单包切分机制完成变长帧切分。针对现有定长单包切分实现技术切分延时较大、存储管理复杂的不足,在帧切分模块中采用了一种新的预切分方法实现定长单包切分过程,达到切分时延低、数据管理简单的目标,从而有利于提高交换结构的整体性能。(4)在测试流量生成方案的研究中,首先分析了交换设备性能评估时常用的流量模型,并选择合适的流量模式作为交换机测试中的测试激励。分析现有流量产生方案的优缺点,提出一种基于汇聚过程的流量生成模型,并根据此模型设计了流量生成器的架构。利用处理器的配置灵活性和FPGA硬件的高性能,流量生成器能够生成实时的泊松过程和自相似过程流量,而且能达到高数据速率,具有速度可扩展性。流量的统计特性结果表明,基于汇聚过程的流量生成器所产生的流量时间序列能够很好地模拟理想的流量模型。(5)设计并建立了软硬件协同实现的交换机性能验证平台,对平台的软件部分和硬件部分分别进行描述。将基于汇聚过程的高效流量生成器应用于FC交换机的验证测试过程中,产生近似真实网络流量行为特征的测试流量。基于交换机性能验证平台对4端口FC交换机原型进行验证测试,并分析了测试结果。


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