通信專業(yè)高性能路由器內(nèi)部交換網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)

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7.5.6 高性能路由器內(nèi)部交換網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)
髙性能大型路由器內(nèi)部通常都包含許多交換單元，這些交換單元可以是較小規(guī)模的獨(dú)立路由器，也可以是基本的交換模塊。它們通過內(nèi)部互連網(wǎng)絡(luò)（Interconnection Network)連接在一起。內(nèi)部互連網(wǎng)絡(luò)的性能直接影響路由器的整體交換能力。
路由器的內(nèi)部互連網(wǎng)絡(luò)除了將多個(gè)路由器或交換模塊連接在一起之外，還需要提供髙速的交換能力。內(nèi)部互連網(wǎng)絡(luò)有兩個(gè)重要的性能指標(biāo)，一個(gè)是可擴(kuò)展能力，另一個(gè)是交換性能。目前，內(nèi)部互連網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有多種，如單級多維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、多級交換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和并行交換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等。下面分別簡單介紹這幾種比較常見的內(nèi)部互連網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
　　1.單級多維直接互連網(wǎng)絡(luò)
本節(jié)介紹兩種實(shí)際應(yīng)用的單級多維直接互連網(wǎng)絡(luò)，它們是：多維環(huán)型網(wǎng)絡(luò)（Torus)和超立方體網(wǎng)絡(luò)（Hypercube)。
環(huán)型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖7-53所示。圖中分別在不同維度上給出環(huán)型網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，最后一個(gè)是4x3x2的三維環(huán)型結(jié)構(gòu)（3D-TomS)。圖中的小圓圈代表單獨(dú)的路由器節(jié)點(diǎn)。從圖中可以看出，每個(gè)路由器節(jié)點(diǎn)最多與6個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)相連。

超立方體網(wǎng)絡(luò)的典型結(jié)構(gòu)是2元；l(n-3)維立方體網(wǎng)絡(luò)，它有n個(gè)維度，每一維上均含有2個(gè)節(jié)點(diǎn)，每維距離最長的節(jié)點(diǎn)之間不環(huán)接。圖7-54表示的是一個(gè)2元4維超立方體網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)圖。

這兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有良好的規(guī)則性和可擴(kuò)展性。系統(tǒng)的復(fù)雜度隨著系統(tǒng)規(guī)模的增大而線性增加。采用這種結(jié)構(gòu)的路由器集群，各個(gè)節(jié)點(diǎn)相互獨(dú)立，它們之間不需要另加交換板。在機(jī)柜之間只通過簡單線路來連接，大大簡化了系統(tǒng)的復(fù)雜度，同時(shí)可以達(dá)到理論上的無限擴(kuò)展。而在傳統(tǒng)的Gbit/s級路由器中，通常都有專用的交換板負(fù)責(zé)板間的數(shù)據(jù)交換，這能夠提高系統(tǒng)的性能，但同時(shí)限制了系統(tǒng)的可擴(kuò)展能力。
2.多級交換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
多級交換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的主要代表是Banyan網(wǎng)絡(luò)和Clos網(wǎng)絡(luò)，這些網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在第6章中已經(jīng)介紹過，這里就不再重復(fù)。這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是各個(gè)交換單元不是獨(dú)立的路由器，級間連線和各交換單元的控制十分復(fù)雜，級間連線的容*限制了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。
3.并行交換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
目前線卡輸人輸出速率的增長速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于緩沖存儲(chǔ)器存取速率的增長速度。即使對輸人排隊(duì)的交換結(jié)構(gòu)來說，10Gbit/s和40Gbit/s的線卡速率都超出緩存器的存取速率。同時(shí)，輸人調(diào)度還面臨容許的調(diào)度時(shí)間隨線速增長而越來越短的問題。為了解決存儲(chǔ)器的存取速率限制交換網(wǎng)絡(luò)容童擴(kuò)展的問題，并行分組交換（ParallelPacket Switching,PPS)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)就應(yīng)運(yùn)而生了。
該結(jié)構(gòu)基于反向復(fù)用（Inverse-multiplexing)和負(fù)載均衡（Load-balancing)技術(shù)，很好地解決了高性能分組交換機(jī)或路由器的交換容量受限于存儲(chǔ)器存取速率的問題，具有很好的擴(kuò)展性，逐漸受到業(yè)界的重視。

一種典型的PPS結(jié)構(gòu)如圖7-55所示，每個(gè)端口的速率為每個(gè)輸人端口包含一個(gè)分接器（Demultiplexer），每個(gè)輸出端口包含一個(gè)復(fù)接器（Multiplexer),中間部分由一個(gè)相同的、速率較低的、獨(dú)立并行工作的分組交換模塊（或稱為“交換層面”）組成。每個(gè)低速交換模塊被所有的輸人端口共享，各自獨(dú)立地處理從輸人端口到達(dá)的一部分?jǐn)?shù)據(jù)流量。分接器按照一定的規(guī)則選擇輸人分組所要通過的交換層面。因?yàn)閺木€速為《的外部鏈路輸人的分組通過分接器被分配到K條鏈路上，所以分接器每條輸出鏈路的速率至少應(yīng)該為R/K。分組流通過交換層面后，在輸出端口被復(fù)接器重新組合輸出。當(dāng)發(fā)生擁塞時(shí)，分組在各交換層面中排隊(duì)，等待復(fù)接器的輸出鏈路空閑時(shí)再輸出。每個(gè)輸人分接器的負(fù)載平衡判決都是獨(dú)立執(zhí)行的，各個(gè)輸人分接器之間無需相互通信，各層之間也沒有共享分復(fù)接器為了提高PPS交換網(wǎng)絡(luò)的吞吐率和減隊(duì)時(shí)延，PPS交換網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部鏈路必須加速，也就是使r=s（r/k）其中S被稱為內(nèi)部鏈路的加速比。S的取值范圍為1＜s＜k通常取S-l~2。

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