[发明专利]三级交换系统及其调度方法

说明书

技术领域

本发明涉及计算机通信领域，尤其是计算机通信领域中路由器的交换系统及调度方法。

背景技术

交换技术是当前通信网的重要基础，长期受到国际学术界和产业界的广泛关注。不同的通信网络由于所支持业务的特性不同，因此采用的交换方式也各不相同。

目前在通信网中所采用的交换方式主要有电路交换、分组交换两种方式。

分组交换技术的主要研究内容为路由交换设备的交换结构及其对应的调度机制。由于交叉开关具有无阻塞特性，实现简单，并且有成熟的商用芯片可直接应用，因此无论在学术研究方面还是在设备研制方面都被广泛的应用于交换结构的构建。

根据排队机制的不同，将交换结构分为输出排队(output queued，OQ)交换结构、输入排队(input queued，IQ)交换结构和联合输入输出排队(combined input-output queued，CIOQ)交换结构。

在输出排队交换结构中，分组到达其输入端口立即经过交换单元转移到相应的输出端口进行缓存排队，由调度算法进行调度输出。由于输出排队交换结构的分组仅仅在输出端口缓存队列排队等待发送，避免了由交换单元内部冲突引发的额外延迟，因此调度算法可以方便的用于提供服务质量控制。

目前基于输出排队交换结构已经提出许多经典算法，不仅复杂度适中，而且可以为业务流提供吞吐量、速率以及时延等多方面的服务质量保障。但输出排队交换单元必须工作于线路速率的n倍，存储单元在完成n个分组写入同时还必须支持一个分组的读取输出，因此存储带宽需要达到线路速率的N+1倍。这使得输出排队交换结构的实现代价较高，当交换端口速率较高或者数量较多时甚至无法实现。

对于输入排队交换结构，分组到达其输入端口进行缓存排队，由调度算法进行调度，经过交换单元转移到相应的输出端口输出。比较输出排队交换结构而言，输入排队交换结构的交换单元和存储单元均只需工作于线路速率，因而对于构建大容量交换结构是一种十分经济的解决方案。为了提高交换单元的带宽利用效率，输入排队交换结构通常基于定长分组进行交换调度。变长分组到达交换结构时需要先被切片为定长分组，完成交换后再重组为原始分组。以线路速率传输一个定长分组所需的时间被称为一个时隙。由于交换单元和存储单元仅工作于线路速率，基于输入排队交换结构的调度算法在每个时隙从一个输入缓存单元中最多只能读取一个定长分组送往输出端口输出，并且在每个时隙从所有输入端缓存单元调度送往一个输出端口的定长分组数量最大为1。

目前在商用设备上应用较多的输入排队调度算法多数属于最大尺度匹配算法，已知的渐进复杂性最好的最大尺度匹配算法复杂度为O(N 2.5)，这类算法在均匀的独立到达业务条件下可以实现100％吞吐量，但在非均匀的业务下，可能导致不稳定和不公平，算法实现依然过于复杂且运行时间长。

联合输入输出排队交换结构中分组到达其输入端口进行输入缓存排队，由输入调度算法进行调度，经过交换单元转移到相应的输出端口进行输出缓存排队，再由交叉节点调度算法进行调度输出。联合输入输出排队交换结构对输入排队机制和输出排队机制进行了折中，通过适当的加速将交换结构中拥塞的分组分别缓存于输入端缓存队列和输出端缓存队列，既不需要很大的加速比，便于扩展，又可以在一定程度上避免交换单元拥塞而引发的额外延迟，提高交换的性能。

带缓存交叉开关通过在传统交叉开关的每一个交叉节点设置一定容量的缓存单元，使得交换单元的每个输入端口和输出端口可以相对独立的使用内部连接带宽资源，避免了集中式的控制机制，因此可以期望获取更好的交换性能。其缺点是交叉节点缓存容量有限，影响了交叉开关的可扩展性。

通过上述分析可以看出，以交叉开关为核心的单级交换系统实现数据分组从输入端到输出端的交换功能，其通用模型如图1所示。输入端口子系统2a包括n个输入端口单元1a。输入端口子系统2a通过交叉开关子系统3a经过输出端口子系统4a输出。中央调度子系统6a负责输入端口子系统2a、交叉开关子系统3a和输出端口子系统4a的协调调度。输出端口子系统4a包括n个输出端口单元5a。

随着互联网中宽带接入和无线接入技术的迅速发展，以及密波分复用(DWDM)光纤传输技术的广泛应用，路由器需要更多数量的端口以适应互联网的扩展要求。传统单级交叉开关交换系统在较多端口情况下需要大量交换矩阵芯片，存在实现成本高、硬件复杂度大、稳定性差和调度方法运算时间长等缺点，难以适应路由器对于端口扩展的需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种三级交换系统及其调度方法，用于适应路由器对于端口扩展的需求。