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面向可重构服务承载网的分域交换技术研究

张博  
【摘要】:面对网络业务的规模化、差异化趋势,单一网络体系架构或者服务模式支撑多样化网络业务的运营显得非常困难。为此,可重构柔性网络技术体系通过构建可重构服务承载网(Reconfigurable Service Carrying Network,RSCN)的方式,在共享底层物理资源的基础上,支持多个异质网络体系架构并存,从而为业务提供多样化的网络服务。在网络级,根据业务需求考虑异质和同质、成本和收益、流量负载均衡等因素实现RSCN优化构建;在节点级,通过平台化支撑构件化处理技术实现RSCN运行的逻辑隔离。可重构路由交换节点中的交换组件作为影响业务时延、时延抖动、丢包率等特性的主要部分,对RSCN的构建发挥着重要的作用,可以通过对交换资源的分割来支持不同RSCN独占交换资源,从而保证业务对服务质量的需求。 本文结合国家863重大项目新一代高可信网络之子课题可重构路由器构件组研制和可重构柔性试验网组网设备工程化实施,面向RSCN构建,对可重构路由交换节点中交换技术进行了较为系统的研究,研究内容主要包括基于Crossbar交换单元的分域交换技术,基于Clos交换网络的分域交换技术,基于无缓存Banyan类网络分域自路由交换技术,基于缓存调度的负载均衡二级分域自路由交换技术四个方面。本文的创新点和主要贡献包括以下六个方面: 1.针对单个交换端口单个RSCN的情况,分析了RSCN映射到交换端口的需求,提出了交换单元分域调度的思想,建立了选择关闭Crossbar中部分交叉节点的分域模型,提出了输入排队的分域最长队列优先(Slicing Domain Longest Queue First,SD-LQF)调度算法,推导了SD-LQF调度算法的输入输出匹配过程。仿真结果表明:SD-LQF调度算法的相对运算复杂度低于传统LQF调度算法;在不同业务源输入下,SD-LQF调度算法的时延低于传统LQF调度算法,接近输出排队的公平调度算法。 2.针对单个交换端口多个RSCN的情况,提出了联合输入交叉节点排队的分域承载组(Slicing Domain Carrying Group,SD-CG)调度算法,推导了平滑轮询的承载组内调度过程,推导了基于时间戳的域内调度和输出端口调度过程,证明了SD-CG调度算法具有良好的时延性能和最坏公平指数公平性。仿真结果表明:在均匀贝努利业务源条件下,SD-CG调度算法具有更优的时延性能,可保证业务带宽的公平性;在Diagonal非均匀贝努利业务源条件下,SD-CG调度算法的吞吐量可达100%。 3.针对RSCN构建过程中交换网络的分域问题,建立了中间级缓存Clos交换网络分域模型,提出了一种分域中间级负载均衡(Slicing Domain Middle-stage Load-balance,SD-ML)调度算法,推导了交换网络中Crossbar交换单元的分域机制,推导了SD-ML调度算法输入级、中间级和输出级仲裁匹配过程,提出了一种SD-ML调度算法的包保序方法,证明了SD-ML调度算法的稳定性和100%吞吐量性能。仿真结果表明:SD-ML调度算法在均匀和非均匀贝努利业务源条件下,具有近似100%吞吐量;4次迭代SD-ML调度算法的时延小于传统Clos交换网络下的调度算法。 4.针对RSCN构建中自路由交换机制随着端口数增加级数太大而无法扩展的问题,借鉴群组集线器多路径自路由交换的思想,提出了一种分域自路由(Slicing DomainSelf-Routing,SD-SR)交换模型,该模型通过2×2排序器和2G-to-G群组集线器建立基本交换结构,采用比特置换描述级间互连方式,采用目的转换确定非均匀群组集线器,进而推导了该模型在非均匀业务源输入下的阻塞率迭代过程。仿真结果表明:该模型在非均匀业务源条件下,阻塞率与集线数G成反比关系,与级数m和不均衡指数w成正比关系;时延与结构参数G、m和w成正比关系,时延总小于百纳秒量级上限,能够为到达业务提供时延上限保障。 5.针对组播RSCN构建中基于调度的软组播复杂度高,而扇出拷贝方式组播吞吐量低的问题,基于SD-SR交换模型,提出了一种逐级部分扇出组播(Stage Partial FanoutMulticast,SPFM)分域交换模型,该模型采用部分扇出拷贝方式和四状态分割编码实现自路由路径选择,进而推导了该模型在单组播混合业务源输入下的单播阻塞率、组播阻塞率和组播扇出率迭代过程。仿真结果表明:SPFM交换模型在贝努利均匀业务源条件下,单播负载强度在一定范围内时,其组播阻塞率小于1%,组播时延总小于百纳秒量级上限,能够为到达组播业务提供时延上限保障。 6.针对RSCN构建中SD-SR交换模型阻塞率高的问题,提出了一种输入分割输出重组的负载均衡(Load-Balanced Input Slicing Output Assembly,LB-ISOA)分域交换模型,该模型在输入进行分组聚合和分割,输出进行分组组装和分发,保证了二级自路由交换网络的负载均衡,并证明了该交换模型在容许流量条件下可实现100%的吞吐量。与传统负载均衡交换对比分析得:LB-ISOA分域交换模型具有无时延抖动,硬件复杂度低,缓存复杂度低,无中间级缓存的优点。仿真结果表明:输入缓存达到总缓存需求的25%以上时,吞吐量可达95%以上;相同结构参数G,K条件下,LB-ISOA交换模型的时延小于复杂度相当的三级缓存负载均衡自路由交换的时延。


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