網(wǎng)絡高性能交換結構及調度算法研究.pdf

1、近十幾年來,互聯(lián)網(wǎng)絡的業(yè)務流量呈現(xiàn)持續(xù)爆炸性的增長,網(wǎng)絡節(jié)點(路由器、交換機等)正在逐漸成為網(wǎng)絡基礎設施發(fā)展的關鍵制約因素,而交換結構(SwitchFabric)是網(wǎng)絡節(jié)點的物理“核心”,研究高線速、多端口、可擴展性強并且能夠提供更好的QoS服務支持的新型交換結構及相關的調度算法是目前的重要課題。在此背景之下,本文針對新型高性能交換結構、低抖動調度算法、多級交換結構的沖突丟包以及全光交換網(wǎng)絡的輸出波長沖突調度這四個方面的關鍵問題進行研究

2、。本文的研究獲得國家發(fā)改委下一代互聯(lián)網(wǎng)CNGI項目“支持平滑演進的IPv6路由交換設備研制及產(chǎn)業(yè)化”以及武漢郵電科學研究院光纖通信技術和網(wǎng)絡國家重點實驗室開放基金資助項目“下一代光接入關鍵技術和系統(tǒng)研究”(No.2010OCTN-03)的支持。
　　輸出緩沖排隊交換結構(OQ)是目前為止最能夠適應各種服務質量需求的交換結構,但是由于其N倍加速的特點,在今天的高速交換網(wǎng)絡中難以得到廣泛應用?；诮徊婢仃嚨慕粨Q結構可以避免N倍加速問題

3、,但是受到交叉矩陣調度機制的限制,難以支持復雜的服務質量需求。交叉點緩沖交換結構是目前性能最好的交換結構之一,但是由于交換結構隊列的限制,非均衡流量下的性能很不理想。為了解決這一問題,本文提出了負載均衡-交叉點緩沖交換結構體系方法,這種新型的交換結構通過引入負載均衡機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緩沖交換結構的高服務質量特性,通過

4、實驗和理論分析證明了負載均衡-交叉點緩沖交換結構的穩(wěn)定性和模擬輸出緩沖排隊的有效性。同時,為了解決引入負載均衡機制可能帶來的交換數(shù)據(jù)流失序問題,進一步改進了負載均衡-交叉點緩沖交換結構,提出了虛擬隊列負載均衡-交叉點緩沖交換結構,通過在交叉點緩沖中引入虛擬的輸入隊列和相應的分級調度算法,有效的保證了交換過程中數(shù)據(jù)流的各個數(shù)據(jù)包有序輸出。
　　部分連接多級交換網(wǎng)絡具有結構簡單,易于擴展等等優(yōu)點,對于構建高速光交換網(wǎng)絡系統(tǒng)具有重要意義

5、。但是多級交換網(wǎng)絡也存在著固有的內部鏈路沖突問題,可能導致數(shù)據(jù)包的丟失從而影響了網(wǎng)絡應用的服務質量。為了能夠在保持部分連接多級交換網(wǎng)絡的優(yōu)點的同時,有效的解決內部鏈路沖突的問題,提出用信息技術中的刪除信道模型模擬多級交換網(wǎng)絡內部固有沖突造成的數(shù)據(jù)包丟失,采用編碼技術從交換數(shù)據(jù)流中恢復出丟失的數(shù)據(jù)包而不改動內部結構和選路算法。新的算法在最大限度的保持部分連接多級交換網(wǎng)絡的特點的同時,有效解決了由于內部鏈路沖突而造成的丟包的問題。
　

6、　傳統(tǒng)研究集中于吞吐量、延時、丟包率等常見的服務質量參數(shù),但是傳輸抖動也是影響音視頻業(yè)務主要電信級參數(shù)。在目前的混合輸入排隊-交叉點緩沖交換結構中,低抖動調度的研究仍是一個電信級業(yè)務的熱點。針對傳統(tǒng)方法中動態(tài)調度算法抖動抑制性能較差、幀調度算法復雜度高等問題提出基于混合輸入排隊-交叉點緩沖交換結構(CICQ)的混合動態(tài)-幀調度算法和基于幀的低抖動調度算法,將混合輸入排隊-交叉點緩沖交換結構中基于流量的低抖動幀調度轉化為典型的優(yōu)化問題,通

7、過解優(yōu)化問題獲得了最佳的幀調度。
　　能夠提供巨大的交換容量和業(yè)務帶寬的波分復用光交換系統(tǒng)是目前構建未來骨干傳輸交換網(wǎng)絡的基礎,而在光交換系統(tǒng)中,為了解決競爭輸出波長而產(chǎn)生的沖突問題,必須高效率的調度交換結構中的輸出光波長和有限波長轉換器資源。針對目前的波長沖突調度算法在充分利用波長和轉換器資源上不理想的問題,提出波長可調整的沖突調度算法,將可調整的波長帶入波長轉換器分配階段與空閑波長一起調度,從而高效的利用了波長和轉換器資源,提