交換式路由技術(shù)
雖然計(jì)算機(jī)工業(yè)在近幾年引入了越來越高速的共享式總線，從ISA到EISA直至現(xiàn)在的PCI。但是這仍然跟不上網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的步子。首先,共享總線不可避免內(nèi)部沖突；第二，共享總線的負(fù)載效應(yīng)使得高速總線的設(shè)計(jì)難度太大。
1．單級交換結(jié)構(gòu)
交換結(jié)構(gòu)的引入逐步克服了共享總線的以上缺點(diǎn)。從技術(shù)上,目前使用較多的交換結(jié)構(gòu)有共享內(nèi)存和Crossbar兩種。而Crossbar的結(jié)構(gòu)由于其簡單性得到了更多的青睞和更廣泛的采用。
共享內(nèi)存結(jié)構(gòu)是通過共享輸入輸出端口的緩沖器，從而減少了對總存儲空間的需求。分組的交換是通過指針調(diào)用來實(shí)現(xiàn)的，這提高了交換容量。但它的速度受限于內(nèi)存的訪問速度。
Crossbar結(jié)構(gòu)可以同時(shí)提供多個(gè)數(shù)據(jù)通路。一個(gè)Crossbar結(jié)構(gòu)由N×N交叉矩陣構(gòu)成。當(dāng)交叉點(diǎn)（X，Y）閉合時(shí)，數(shù)據(jù)就從X輸入端輸出到Y(jié)輸出端。交叉點(diǎn)的打開與閉合是由調(diào)度器來控制的。因此，Crossbar結(jié)構(gòu)的速度要取決于調(diào)度器的速度。調(diào)度器是Crossbar交換結(jié)構(gòu)的核心，它在每個(gè)調(diào)度時(shí)隙內(nèi)收集各輸入端口有關(guān)數(shù)據(jù)包隊(duì)列的信息，經(jīng)過一定的調(diào)度算法得到輸入端口和輸出端口之間的一個(gè)匹配，提供輸入端口到輸出端口的通路。
Crossbar結(jié)構(gòu)可以支持高帶寬的原因主要有兩個(gè):第一,線路卡到交換結(jié)構(gòu)的物理連接現(xiàn)在簡化為點(diǎn)到點(diǎn)連接,這使得該連接可以運(yùn)行在非常高的速率。半導(dǎo)體廠商目前已經(jīng)可以用傳統(tǒng)CMOS技術(shù)制造出1Gbit/s速度的點(diǎn)對點(diǎn)串行收發(fā)芯片,并且可以在今后幾年里把速度進(jìn)一步提高到4～10Gbit/s的水平。第二個(gè)原因是它的結(jié)構(gòu)可以支持多個(gè)連接同時(shí)以最大速度傳輸數(shù)據(jù),這一點(diǎn)極大的提高了整個(gè)系統(tǒng)的吞吐量。只要同時(shí)閉合多個(gè)交叉節(jié)點(diǎn)，多個(gè)不同的端口就可以同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。從這個(gè)意義上，我們稱所有的Crossbar在內(nèi)部是無阻塞的,因?yàn)樗梢灾С炙卸丝谕瑫r(shí)以最大速率傳輸(或稱為交換)數(shù)據(jù)。
數(shù)據(jù)包通過Crossbar的時(shí)候,可以是以定長單元的形式(通過數(shù)據(jù)包的定長分割),也可以不進(jìn)行分割直接進(jìn)行變長交換。一般高性能的Crossbar交換結(jié)構(gòu)都采用了定長交換的方式,在數(shù)據(jù)包進(jìn)入Crossbar以前把它分割為固定長度的cells,等這些cells通過交換結(jié)構(gòu)以后再按照原樣把它組織成原來的變長包(packet)。
交叉開關(guān)和共享內(nèi)存都能夠達(dá)到比較高的吞吐率。共享內(nèi)存的特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡單，能達(dá)到比較高的吞吐率,但是其可擴(kuò)展性比較差,當(dāng)線路接口卡數(shù)量較多時(shí),性能將受到一定的影響。而交叉開關(guān)能夠達(dá)到比較高的速率,擴(kuò)展性好,但是需要設(shè)計(jì)完善的調(diào)度算法并用高速硬件實(shí)現(xiàn)調(diào)度器。隨著人們對交叉開關(guān)調(diào)度算法研究的深入,已經(jīng)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了許多性能良好、實(shí)現(xiàn)簡單的調(diào)度算法。因此,目前高性能路由器都趨向于使用交叉開關(guān)作為交換結(jié)構(gòu)。
但是交叉開關(guān)和共享內(nèi)存結(jié)構(gòu)仍屬于單級交換結(jié)構(gòu)范疇。當(dāng)考慮大型系統(tǒng)時(shí)，單級交換結(jié)構(gòu)有兩個(gè)基本問題。第一、對于小規(guī)模系統(tǒng)，每端口成本還算合理，但隨著規(guī)模的擴(kuò)大，其成本漲得也特快。第二、所有的單級交換結(jié)構(gòu)在技術(shù)上受限于其尺寸與速度。一旦達(dá)到這些極限，單級交換機(jī)無法再增加端口或提升線路速率。正因?yàn)槿绱�，可擴(kuò)展的交換系統(tǒng)必須采用多級結(jié)構(gòu)。
2. 多級交換結(jié)構(gòu)
多級交換結(jié)構(gòu)是由多個(gè)交換單元互聯(lián)起來的，每個(gè)交換單元具有一整套輸入輸出，與普通交換機(jī)類似，提供輸入輸出的連接。通過互聯(lián)多個(gè)小的交換單元，就可以制造一個(gè)大型的、可擴(kuò)展的交換結(jié)構(gòu)。多級結(jié)構(gòu)之間的不同取決于交換單元之間是如何互聯(lián)的。典型的結(jié)構(gòu)包括Benes網(wǎng)、Butterfly網(wǎng)、Clos網(wǎng)等形式。
Benes網(wǎng)使用方形交換單元（即：輸入輸出端口數(shù)相同）進(jìn)行多級互聯(lián)。一般來說，3級N部Benes網(wǎng)的每一級均可以用N個(gè)輸入/輸出端口和N個(gè)交換單元來構(gòu)造（如圖4所示）。這個(gè)格形結(jié)構(gòu)在每個(gè)輸入端和每個(gè)輸出端之間形成N個(gè)可能的通路。Benes輸出可以擴(kuò)展至任意奇數(shù)級。 本新聞共 4頁,當(dāng)前在第 2頁 1 2 3 4 |
