具有網(wǎng)絡(luò)編碼功能的代數(shù)交換系統(tǒng)及其voq調(diào)度算法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于通信技術(shù)領(lǐng)域，到代數(shù)交換和網(wǎng)絡(luò)編碼等范圍，具體涉及一種具有網(wǎng)絡(luò)編碼功能的代數(shù)交換系統(tǒng)及其VOQ (Virtual Output Queue)調(diào)度算法。
【背景技術(shù)】
[0002]二十一世紀(jì)以來，互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展突飛猛進(jìn)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)滲透到人類生活的各個(gè)方面，深刻影響著人們的工作和學(xué)習(xí)方式。隨著互聯(lián)網(wǎng)規(guī)模的不但擴(kuò)大，用戶數(shù)量飛速增加，網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性也日益明顯?，F(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量持續(xù)迅猛增長(zhǎng)，這為給以IP為核心的互聯(lián)網(wǎng)帶來了越來越嚴(yán)重的技術(shù)挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)主要由交換設(shè)備和傳輸設(shè)備組成。事實(shí)上，目前以路由器為代表的交換設(shè)備的核心交換能力嚴(yán)重滯后于傳輸線卡帶寬的發(fā)展，路由器已經(jīng)成為制約網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。同時(shí)，Internet以TCP/IP體系結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，其網(wǎng)絡(luò)層(IP層)只提供盡最大努力交付的服務(wù)并不提供服務(wù)質(zhì)量QoS承諾。因此，研宄出更高效且保證QoS的路由交換結(jié)構(gòu)是充分利用現(xiàn)有傳輸能力和為下一代網(wǎng)絡(luò)提供QoS保證的業(yè)務(wù)的關(guān)鍵。
[0003]為了提高路由器的性能并降低實(shí)現(xiàn)代價(jià)，國(guó)際國(guó)內(nèi)提出了許多交換結(jié)構(gòu)，其中又引人注目的有共享總線結(jié)構(gòu)[I],共享存儲(chǔ)(Shared Memory) [2],交叉矩陣(Crossbar) [3]等結(jié)構(gòu)。
[0004]共享總線結(jié)構(gòu)易于擴(kuò)展也比較容易實(shí)現(xiàn)，但是其速率較低。共享存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)雖然可以達(dá)到比較高的速度，但是其速率仍然受到內(nèi)存速度的限制，其存儲(chǔ)器帶寬性能瓶頸使得當(dāng)端口數(shù)量較多時(shí)，存儲(chǔ)器帶寬需求較大，不能滿足大規(guī)模擴(kuò)展應(yīng)用的條件。交叉矩陣是最典型的使用最普遍的交換結(jié)構(gòu)，它是一種簡(jiǎn)單的空分交換開關(guān)，將N個(gè)輸入端口和N個(gè)輸出端口任意的互連。當(dāng)端口數(shù)N較小時(shí)，交叉矩陣是一種實(shí)現(xiàn)無阻塞、自路由的理想交換結(jié)構(gòu)。但該結(jié)構(gòu)需要的交換單元的數(shù)量是N2，硬件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度為O (N2)，當(dāng)N較大時(shí)，其成本變得不可接受，不滿足大規(guī)模擴(kuò)展的要求。
[0005]為了構(gòu)造一種適合大規(guī)模擴(kuò)展的交換結(jié)構(gòu)，何偉等人提出了一種多路徑自路由交換結(jié)構(gòu)[3]，這種結(jié)構(gòu)將代數(shù)分配格理論應(yīng)用于自路由模型，該結(jié)構(gòu)具有完全分布式自路由、無內(nèi)部緩存、無緩存時(shí)延及無抖動(dòng)等優(yōu)勢(shì)[3]。在保證提供QoS的條件下，適合大規(guī)模擴(kuò)展，很好的滿足了用戶的需求。
[0006]然而這種結(jié)構(gòu)具有內(nèi)部阻塞的缺點(diǎn)，這一缺點(diǎn)嚴(yán)重阻礙了該結(jié)構(gòu)的發(fā)展與應(yīng)用。要保證數(shù)據(jù)在傳輸中的吞吐率，一種有效的方法是將網(wǎng)絡(luò)編碼和代數(shù)交換結(jié)構(gòu)結(jié)合，而這大大加大了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。為了更好的將二者進(jìn)行結(jié)合，本發(fā)明創(chuàng)新性地提出了一種適用于具有網(wǎng)絡(luò)編碼功能的代數(shù)交換系統(tǒng)的VOQ調(diào)度算法。該算法提出了一種高效、簡(jiǎn)單的決策，提高系統(tǒng)的交換和傳輸效率。
[0007]引用文獻(xiàn):
[0008][I]Cheng T D, Franaszek P A, Georg1u C J, et al.Dynamic switch protocolson a shared medium network:U.S.Patent 5,235,592 [P].1993-8-10.11s.
[0009][2]Andrade P,Cooperman M, Sieber R ff.ATM shared memory switch withcontent addressing:!! S.Patent 5,513,134[P].1996-4-30.
[0010][3] Hui Li, Wei He, Xi CHEN, Peng Yi, Binqiang Wang, “Mult1-pathSelf-routing Switching Structure by Interconnect1n of Multistage SortingConcentrators”，IEEE CHINAC0M2007, Aug.2007, Shangha1.
[0011][4] B.Prabhakar, N.McKeown, R.Ahu ja ; “Multicast scheduling forinput-queued switches，，，IEEE J.Selected Areas Commun，vol.15，n0.5，p855_866，1997.

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]一種具有網(wǎng)絡(luò)編碼功能的代數(shù)交換系統(tǒng)，
[0013]主要包含以下模塊:N個(gè)輸入端口(1-1-1，...，1-1-N)、數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊(1_2)、編碼模塊(1-3)、N個(gè)VOQ調(diào)度模塊(1-4-1，1-4-2，1-4-N)、代數(shù)交換模塊(1_5)、組裝模塊(1-6-1，...，1-6-N)、解碼模塊(1-7-1，...，1-7-N)、N 個(gè)輸出端口(1-8-1，...，1-8-N)；上述各個(gè)模塊相互配合完成數(shù)據(jù)包在系統(tǒng)中的切割、編碼、交換、組裝、解碼等操作。
[0014]一種具有網(wǎng)絡(luò)編碼功能的代數(shù)交換系統(tǒng)的VOQ調(diào)度算法，包括:數(shù)據(jù)包在預(yù)處理、編碼之后，按照其目的端口地址進(jìn)行分流，依次送入N個(gè)VOQ中(如，目的地址為i的信元進(jìn)入V0Q(1，i))，每個(gè)輸入端口配有一個(gè)檢測(cè)器，檢測(cè)器可以實(shí)時(shí)的記錄VOQ中的信元的數(shù)量，并將該數(shù)量反饋給調(diào)度器，調(diào)度器按照一定的規(guī)則進(jìn)行分析，并給出決策，最終決定該端口 N個(gè)VOQ中哪些信元被送入后級(jí)交換結(jié)構(gòu)。
[0015]本發(fā)明中，將VOQ中信元的占用率進(jìn)行建模，檢測(cè)器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)VOQ的空滿程度，由此將輸入端口的數(shù)據(jù)流量歸為Heavy，F(xiàn)air，Light三種模型，針對(duì)三種不同流量模型分別智能、快速的作出決策，提高了該調(diào)度算法的適應(yīng)性。
【附圖說明】
[0016]圖1為實(shí)施例一的具有網(wǎng)絡(luò)編碼功能的代數(shù)交換系統(tǒng)示意圖。
[0017]圖2為適用于實(shí)施例一的VOQ和調(diào)度器。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面通過【具體實(shí)施方式】結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0019]本實(shí)施例提出了一種在具有網(wǎng)絡(luò)編碼功能的代數(shù)交換系統(tǒng)中的適合代數(shù)交換的編碼算法。該算法以信元為單位進(jìn)行編碼，把編碼后的數(shù)據(jù)發(fā)送到VOQ調(diào)度模塊器和代數(shù)交換結(jié)構(gòu)中，最后在解碼和組裝模塊中恢復(fù)出原來的數(shù)據(jù)包。
[0020]本發(fā)明中所涉及的整個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)編碼的代數(shù)交換系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，VOQ和調(diào)度器結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。以下結(jié)合圖1、圖2進(jìn)行詳細(xì)說明。標(biāo)準(zhǔn)的IP數(shù)據(jù)包從N個(gè)輸入端口 11(1-1-1，...，1-1-N)進(jìn)入，在數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊12中(1_2)，將添加同步控制信號(hào)，并把數(shù)據(jù)包切割成長(zhǎng)度相等的數(shù)據(jù)片和添加包頭控制信息。圖1中黑色粗箭頭表示封包，即標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包；數(shù)據(jù)包進(jìn)入數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊12之后，灰色粗箭頭表示被切割之后的數(shù)據(jù)片，即信元；灰色細(xì)箭頭表示流控，即數(shù)據(jù)同步信號(hào)。編碼模塊13(1-3)對(duì)信元進(jìn)行編碼，產(chǎn)生的冗余信息隨原始數(shù)據(jù)包一起進(jìn)入后級(jí)模塊。N個(gè)并行的VOQ模塊14(1-4-1，...，1-4-N)將數(shù)據(jù)按照輸出端口分流，同時(shí)將數(shù)據(jù)包按一定的調(diào)度算法送入交換結(jié)構(gòu)15(1-5)，交換結(jié)構(gòu)15即代數(shù)交換模塊。在組裝模塊16中(1-6-1，1_6_N)，系統(tǒng)將歸屬于同一個(gè)數(shù)據(jù)包的信元按照一定的順序重新組裝，恢復(fù)出原始的數(shù)據(jù)包。只有當(dāng)組裝過程中監(jiān)測(cè)到有一個(gè)信元丟失時(shí)，才會(huì)啟動(dòng)解碼模塊17(1-7-1，1-7-N)，通過解碼恢復(fù)出丟失的信元。輸出端口 18(1-8-1，..., 1-8-N)用于輸出數(shù)據(jù)包。其中，監(jiān)測(cè)工作由監(jiān)測(cè)器191執(zhí)行，調(diào)度算法由調(diào)度模塊192執(zhí)行。
[0021]一種適用于網(wǎng)絡(luò)編碼代數(shù)交換系統(tǒng)的VOQ調(diào)度算法，是根據(jù)VOQ中的占用率，對(duì)當(dāng)前輸入端口的流量進(jìn)行建模，將其歸納為:HeaVy，F(xiàn)air，Light三種模型，做出相應(yīng)的調(diào)度決策，具體如下:
[0022]對(duì)于一個(gè)32 X 32 (M = 4，G = 8)代數(shù)交換結(jié)構(gòu)來說，其中M為群組數(shù)，G為群組大小。系統(tǒng)中共有4個(gè)V0Q，每個(gè)VOQ的狀態(tài)分為三類:Light, Fair, Heavy ;設(shè)Light的上限，％為Heavy的下限；設(shè)ε (i, j)為V0Q(i，j)中信元的占用率。那么，
[0023]a)當(dāng) O < ε (i, j) < ε L，則 VOQ (i，j)的狀態(tài)為 Light ；
[0024]b)當(dāng) ε L<= ε (i, j) <= ε Η，則 V0Q(i，j)的狀態(tài)為 Fair ;
[0025]c)當(dāng) ε (i, j) > eHJjV0Q(i，j)的狀態(tài)為 Heavy ;
[0026]根據(jù)以上定義，每個(gè)VOQ調(diào)度器的工作步驟如下:
[0027]I)按照定義I判斷當(dāng)前四個(gè)VOQ的狀態(tài)。
[0028]2)根據(jù)當(dāng)前VOQ的狀態(tài)判斷輸入端口的流量模型。假如有3個(gè)以上的VOQ狀態(tài)均為Heavy，則輸入端口流量模型為Heavy ;假如有3個(gè)以上的VOQ狀態(tài)均為L(zhǎng)ight，則輸入端口流量模型為L(zhǎng)ight ;否則，則該端口流量模型為Fair。
[0029]3)根據(jù)端口流量模型選擇信元的數(shù)量送往交換結(jié)構(gòu):
[0030]1.Heavy:從ε (i, j)最大的VOQ中選擇6個(gè)信元，從ε (i, j)第二大的VOQ中選擇2個(gè)信元，共8個(gè)信元送往后級(jí)交換模塊。
[0031]i1.Fair:從ε (i, j)最大的VOQ中選擇4個(gè)信元，從ε (i, j)第二大的VOQ中選擇4個(gè)信元，共8個(gè)信元送往后級(jí)交換模塊。
[0032]ii1.Light:從四個(gè)VOQ中各選2個(gè)信元送往后級(jí)交換模塊。假如有VOQ中剩余信元不足2個(gè)，則按實(shí)際情況輸出。
[0033]iv.其他:當(dāng)隊(duì)列中信元數(shù)量不足或無信元時(shí)，則產(chǎn)生無效信元來彌補(bǔ)，后面的解碼和組裝模塊將忽略這些無效信元。
[0034]按照以上調(diào)度算法，系統(tǒng)可快速做出決策，在保證具有網(wǎng)絡(luò)編碼功能的代數(shù)交換系統(tǒng)吞吐率的條件下，提高交換效率。
[0035]以上內(nèi)容是結(jié)合具體的實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說明。對(duì)于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡(jiǎn)單推演或替換。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種具有網(wǎng)絡(luò)編碼功能的代數(shù)交換系統(tǒng)， 主要包含以下模塊:N個(gè)輸入端口、數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊、編碼模塊、N個(gè)VOQ調(diào)度模塊、代數(shù)交換模塊、組裝模塊、解碼模塊、N個(gè)輸出端口 ； 其特征在于，上述各個(gè)模塊相互配合完成數(shù)據(jù)包在系統(tǒng)中的切割、編碼、交換、組裝、解碼等操作。2.一種具有網(wǎng)絡(luò)編碼功能的代數(shù)交換系統(tǒng)的VOQ調(diào)度算法，其特征在于， 包括:數(shù)據(jù)包在預(yù)處理、編碼之后，按照其目的端口地址進(jìn)行分流，依次送入N個(gè)VOQ中，每個(gè)輸入端口配有一個(gè)檢測(cè)器，檢測(cè)器可以實(shí)時(shí)的記錄VOQ中的信元的數(shù)量，并將該數(shù)量反饋給調(diào)度器，調(diào)度器按照一定的規(guī)則進(jìn)行分析，并給出決策，最終決定該端口 N個(gè)VOQ中哪些信元被送入后級(jí)交換結(jié)構(gòu)。
【專利摘要】本發(fā)明屬于通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及到VOQ調(diào)度算法和代數(shù)交換等范圍，具體涉及一種具有網(wǎng)絡(luò)編碼功能的代數(shù)交換系統(tǒng)及其VOQ調(diào)度算法。本發(fā)明在具有網(wǎng)絡(luò)編碼功能的代數(shù)交換系統(tǒng)上添加了VOQ模塊，并設(shè)計(jì)了適合網(wǎng)絡(luò)編碼和代數(shù)交換系統(tǒng)的虛擬輸出隊(duì)列調(diào)度算法。本系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是：為了更好的實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)編碼，本發(fā)明在代數(shù)交換系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一套適合網(wǎng)絡(luò)編碼的代數(shù)交換的VOQ調(diào)度算法。該算法提供了一種更快、更簡(jiǎn)單的決策方法，在保證系統(tǒng)具有較高吞吐率、滿足系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量(QoS,Quality of Service)的條件下，能夠最大程度利用網(wǎng)絡(luò)編碼的特性，從而大大提高了系統(tǒng)的交換效率。
【IPC分類】H04L12/933, H04L12/931
【公開號(hào)】CN104917701
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510298852
【發(fā)明人】呂士杰, 李碩彥, 張明龍, 朱鍵, 馬麗, 李揮
【申請(qǐng)人】香港中文大學(xué)深圳研究院
【公開日】2015年9月16日
【申請(qǐng)日】2015年6月3日