寬帶網(wǎng)課件第三部分交換

1、寬帶網(wǎng)課件第三部分交換 寬帶網(wǎng)課件第三部分交換 傳統(tǒng)電路交換的優(yōu)缺點。 統(tǒng)計復(fù)用：統(tǒng)計復(fù)用：用戶數(shù)據(jù)不再固定、周期性地占用 時隙，而是根據(jù)用戶請求和網(wǎng)絡(luò)資源情況，由 網(wǎng)絡(luò)動態(tài)分配。接收端不按固定的時隙關(guān)系來 提取相應(yīng)用戶數(shù)據(jù)，而是根據(jù)數(shù)據(jù)中攜帶的目 的地址來接收數(shù)據(jù)。這種復(fù)用方式稱為異步時 分復(fù)用，也稱為統(tǒng)計時分復(fù)用。 寬帶網(wǎng)課件第三部分交換 寬帶網(wǎng)課件第三部分交換 LIC: line interface card IPC: input port controller OPC: output port controller 寬帶網(wǎng)課件第三部分交換 寬帶網(wǎng)課件第三部分交換 asdffggg aa

2、 寬帶網(wǎng)課件第三部分交換 switch fabric 51payload 輸出端口優(yōu)先級 信元端口0 端口N-1 端口0 端口N-1 功能定義：信元由 header 和 payload 組成，一般是固定長度。 header 包含輸出端口號和優(yōu)先級等信息，switch fabric 只是處理 header，盡量將信元送往其輸出端口。如果多個信元競爭同一資源，則 根據(jù)優(yōu)先級做適當(dāng)處理。Switch fabric要能夠支持多播等業(yè)務(wù)。在各 種可能的信元流量模式下，信元延遲和丟失率達到一定指標(biāo)。從統(tǒng)計的 觀點來說，提供滿意的服務(wù)質(zhì)量。 10payload 寬帶網(wǎng)課件第三部分交換 將某條入線的信息輸出到

3、特定的一條 或幾條出線上。 寬帶網(wǎng)課件第三部分交換 可以從性能和實現(xiàn)成本兩方面評價一種交換結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣。 性能：性能：在各種可能的業(yè)務(wù)流模式（包括多播）下，分組經(jīng) 過交換結(jié)構(gòu)的時延、時延抖動、丟失率等。 成本：成本：實現(xiàn)交換結(jié)構(gòu)所需的緩存和連線資源的多少，做工 程實現(xiàn)時所需花費的人力物力。 共享緩存交換結(jié)構(gòu)可以認(rèn)為是最好的一種。由于充分共 享內(nèi)部緩存資源，資源消耗較少。因此，可以將共享緩存 作為一種比較對象。 寬帶網(wǎng)課件第三部分交換 交換結(jié)構(gòu)是由連線和緩存構(gòu)成的。 連線又分輸入端連線、內(nèi)部連線和輸出端連線。 當(dāng)多個信元要同時去往一個輸出端口，就造成輸出端沖 突（output port conte

4、ntion)，解決辦法：解決辦法：選擇一個信元從 輸出端口發(fā)出，將其余信元暫時緩存或丟棄。 當(dāng)多個信元要同時經(jīng)過一個內(nèi)部連線時，就造成內(nèi)部連 線沖突（internal line contention)，或稱為內(nèi)部連線阻塞 （internal line blocking)。解決辦法：解決辦法：暫時緩存信元或丟棄 信元。 寬帶網(wǎng)課件第三部分交換 當(dāng)資源沖突引起信元暫時緩存，如果緩存里只有一個 FIFO (First In First Out)隊列，就會產(chǎn)生隊頭阻塞 （Head of Line Blocking：HOL Blocking）現(xiàn)象。 寬帶網(wǎng)課件第三部分交換 研究交換結(jié)構(gòu)要解決的中心問題研

5、究交換結(jié)構(gòu)要解決的中心問題 用多少連線和緩存資源，如何配置資源，在各 種可能的業(yè)務(wù)流量模式下，將沖突的概率減少到可 以接受的程度，從而使信元延遲和丟失率達到一定 指標(biāo)。 寬帶網(wǎng)課件第三部分交換 寬帶網(wǎng)課件第三部分交換 寬帶網(wǎng)課件第三部分交換 寬帶網(wǎng)課件第三部分交換 內(nèi)部無阻塞型：內(nèi)部無阻塞型：如果一個外部輸入端和一個外 部輸出端是空閑的，則一定可以找到空閑的內(nèi) 部通道將輸入端和輸出端連接起來。 內(nèi)部阻塞型：內(nèi)部阻塞型：如果一個外部輸入端和一個外部 輸出端是空閑的，不一定可以找到空閑的內(nèi)部 通道將輸入端和輸出端連接起來。 寬帶網(wǎng)課件第三部分交換 switch fabricswitch fabri

6、c 按資源的使用方法可做如下分類：按資源的使用方法可做如下分類： 寬帶網(wǎng)課件第三部分交換 交換結(jié)構(gòu)中的內(nèi)部資源被所有從輸入到輸出的 信元分時共享，即時分復(fù)用。這種內(nèi)部資源可 以是一個總線，也可以是一個緩存。 時分復(fù)用交換結(jié)構(gòu)可以分為共享媒介型和共享 緩存型，共享媒介可以是總線或環(huán)。 寬帶網(wǎng)課件第三部分交換 從各個輸入端口來的信元分時通過總線到達輸出端，輸出端的AF 讓目的的為本輸出端口的信元通過?？偩€速率至少等于各個輸入端口 速率的和。優(yōu)點是簡單、容易支持多播。缺點是各個輸出端口的緩存 不能共享，緩存的速率至少等于總線速率，且緩存比較大。支持大的 交換容量比較困難。 寬帶網(wǎng)課件第三部分交換 優(yōu)

7、點：優(yōu)點：緩存可以得到充分共享。 缺點：缺點：緩存的速率限制了交換容量的擴展。 寬帶網(wǎng)課件第三部分交換 在時分復(fù)用交換中，所有從輸入端到輸出端的信元經(jīng)過的 是同一個通道。在空分交換中，從輸入端到輸出端有多條 通道，這些通道可以同時工作，多個信元可以同時從輸入 端到輸出端。 空分交換結(jié)構(gòu)的交換容量等于通道的帶寬乘以可以同時工 作的通道數(shù)目。因此，擴容的方法就是提高通道的帶寬和 提高可以同時工作的通道數(shù)目。 寬帶網(wǎng)課件第三部分交換 空分交換又分為單路徑和多路徑。單路徑空分交換結(jié)構(gòu) 中，從一個輸入端到一個輸出端，只有一條路徑；多路 徑空分交換結(jié)構(gòu)中，則有多條。 寬帶網(wǎng)課件第三部分交換 寬帶網(wǎng)課件第三

8、部分交換 寬帶網(wǎng)課件第三部分交換 寬帶網(wǎng)課件第三部分交換 Banyan-based交換機是由多個22的交換單元構(gòu) 成，每個交換單元都是自路由的，即自己可以決 定進入信元的輸出口。 優(yōu)點：優(yōu)點：容易用大規(guī)模集成電路構(gòu)成大容量的交換 機。 缺點：缺點：由于是單路徑，因此是內(nèi)部阻塞的。當(dāng)端 口數(shù)很多時，阻塞概率增大，性能降低。 寬帶網(wǎng)課件第三部分交換 寬帶網(wǎng)課件第三部分交換 普通的Banyan的交換級數(shù)為log2N，擴張的Banyan的交 換級數(shù)大于log2N。 普通的Banyan中，從一個入端口到一個出端口只有一 條路徑，當(dāng)競爭失敗，信元偏離其預(yù)定路徑，則必定 被丟棄。擴張的Banyan中，從一個

9、入端口到一個出端 口的路徑有多條。競爭失敗的信元可以轉(zhuǎn)往其它路徑， 也可能到達目的端口。 寬帶網(wǎng)課件第三部分交換 以最后一級為對稱軸，翻轉(zhuǎn)以最后一級為對稱軸，翻轉(zhuǎn)NN的的Banyan的其它級，的其它級， 就得到就得到NN的的Benes結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。 寬帶網(wǎng)課件第三部分交換 在第一級，N個輸入線被分為r個組，每個組有n條 線，連接到一個交換單元，交換單元有m條輸出 線，每一條分別連接到第二級的一個交換單元。 第二級有m個交換單元，每個交換單元有t條輸出 線。 第三級有t個交換單元，每個交換單元有N/t條輸出 線。 寬帶網(wǎng)課件第三部分交換 三級三級 ClosClos，N=9，n=3，m=3，有內(nèi)部阻

10、塞。粗線表示，有內(nèi)部阻塞。粗線表示 當(dāng)前被占用的連線。輸入端口當(dāng)前被占用的連線。輸入端口9到輸出端口到輸出端口4或或6，無法連通。，無法連通。 寬帶網(wǎng)課件第三部分交換 多平面交換結(jié)構(gòu)中有多個交換平面可以讓信元通過。多平面交換結(jié)構(gòu)中有多個交換平面可以讓信元通過。 優(yōu)點：優(yōu)點：與單平面交換結(jié)構(gòu)相比，可以降低信元沖突概率， 提高性能。同時，可靠性也提高。當(dāng)交換平面中的一個 或多個發(fā)生故障時，剩余的交換平面仍然工作，整個交 換機仍然可以工作，只不過性能降低了。 缺點：缺點：實現(xiàn)復(fù)雜性增加。為避免亂序，屬于同一個packet 的信元必須走同一個交換平面。 寬帶網(wǎng)課件第三部分交換 循環(huán)交換結(jié)構(gòu)中，競爭失敗

11、的信元從循環(huán)端口 輸出，返回到輸入端，競爭下一次機會。 優(yōu)點是優(yōu)點是可以在一定程度上提高性能。缺點是缺點是循 環(huán)端口使交換機的端口數(shù)增加了，且可能出現(xiàn) 信元亂序問題，即屬于一個packet（IP）的信 元沒有按進入的順序到達輸出端。必須采用一 定的機制來處理。 寬帶網(wǎng)課件第三部分交換 共享緩存； OQ（Output Queuing）； IQ（Input Queuing）； VOQ（Virtual Output Queuing）； CIOQ（Combined Input and Output Queuing）； Crosspoint Queuing 寬帶網(wǎng)課件第三部分交換 共享緩存共享緩存 緩存

12、資源可得到充分共享，各輸入、輸出端口可訪問同 一緩存； 在每個信元時隙，要完成所有入端口輸入信元和全部出 端口輸出信元的讀寫操作。因此： memory access cycle=cell length/(2Nlink speed) （假設(shè)：存儲器的總線寬度等于一個cell） 例如：例如：對于155Mb/s的53字節(jié)信元，如果存儲器的訪問周期 為10ns，則交換結(jié)構(gòu)的端口數(shù)小于等于136。 寬帶網(wǎng)課件第三部分交換 OQ（Output Queuing） 寬帶網(wǎng)課件第三部分交換 數(shù)據(jù)到達輸入端后，立即被發(fā)送到對應(yīng)的輸出端； 各輸出端口數(shù)據(jù)的到達速率大于發(fā)送速率，需配 置緩存； 規(guī)模受到緩存存取速率的

13、限制； 緩存利用率不如共享緩存結(jié)構(gòu)。 寬帶網(wǎng)課件第三部分交換 IQ（Input Queuing） 寬帶網(wǎng)課件第三部分交換 數(shù)據(jù)到達各輸入端后，首先被存放在FIFO中； 交換結(jié)構(gòu)的規(guī)模不再受緩存的限制； 需要設(shè)計相應(yīng)的調(diào)度算法，在每個時隙進行入端 口/出端口配對； 會產(chǎn)生隊頭阻塞現(xiàn)象（HOL）； 在業(yè)務(wù)均勻分布的情況下，吞吐率僅為58.6%。 寬帶網(wǎng)課件第三部分交換 VOQ（Virtual Output Queuing） 寬帶網(wǎng)課件第三部分交換 各輸入端口均設(shè)置N個隊列，分別對應(yīng)N個輸出 端口； 不會出現(xiàn)隊頭阻塞現(xiàn)象； 在每個時隙，每個入端口的N個隊列只能選擇一 個隊列發(fā)送數(shù)據(jù)，匹配算法較復(fù)雜； 時延、吞吐率、復(fù)雜度等是考察匹配算法的重 要參數(shù)。 寬帶網(wǎng)課件第三部分交換 CIOQ（Combined Input and Output Queuing） 寬帶網(wǎng)課件第三部分交換 在輸入端口、輸出端口均設(shè)置緩存； 是另一種解決“隊頭阻塞”的方法； 交換結(jié)構(gòu)工作速率是端口的S（1SN）倍； 當(dāng)S=4時，在均勻業(yè)務(wù)情況下，CIOQ交換結(jié)構(gòu)的 吞吐率