（通信与信息系统专业论文）大容量atm交换机控制策略及其性能仿真研究.pdf

0i 、。， i - 一0 摘要 a t m 交换技术融合了电路交换与分组交换的优点，在带宽统计复用、高速分 组交换和保证不同业务的q o s 等方面具有突出优势。a t m 交换机是a t m 网络的 重要组成部分，是网络研究的热点之一。本文结合项目“星上1 0 g b p s 大容量交 换原型样机 ，重点研究共享缓存a t m 交换机的控制策略和仿真性能评估，并在 此基础上设计了一种适合该原型样机的高效缓存策略。 论文在简述了a t m 交换机的交换结构和功能的基础上，详细研究了共享缓存 a t m 交换机的控制策略，包括缓存管理策略、选路控制策略、组播实现机制和拥 塞控制策略等。利用o p n e t 仿真工具建立了共享缓存a t m 交换机的仿真模型， 完成仿真软件设计与实现，并对其进行了性能评估。仿真工作着重研究不同控制 策略对a t m 交换机性能的影响情况。通过对仿真结果的分析，得到适合该原型 样机的优化缓存策略。 论文工作为选择合适、简单和高效的控制策略，以及交换机的参数优化设置， 实现具有共享缓存a t m 交换机提供重要参考。 关键词：控制策略交换结构共享缓存a t m 交换机o p n e t 仿真 a b s t r a c t a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ( a t m ) s w i t c h i n gt e c h n o l o g y , w h i c hi n t e g r a t e st h e a d v a n t a g e so ft h ec i r c u i t s w i t c h e da n dp a c k e t - s w i t c h e d ，h a so u t s t a n d i n ga d v a n t a g e so f s t a t i s t i c a lm u l t i p l e x i n gi nb a n d w i d t h ，h i g h - s p e e dp a c k e ts w i t c h i n ga n dg u a r a n t e e i n g t h eq o so fd i f f e r e n ts e r v i c e s a t ms w i t c hi sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h ea t m n e t w o r k i ti sa l s oaf o c u so fn e t w o r kr e s e a r c h s p o n s o r e db yt h ep r o j e c tn a m e d p r o t o t y p eo fa10g b p sl a r g ec a p a c i t ya t m s w i t c ho n - b o a r d ”，ad e t a i l e ds t u d yi s m a d ei nt h i sd i s s e r t a t i o nf o rt h ec o n t r o ls t r a t e g i e so fs h a r e d m e m o r ya t m s w i t c ha n d t h e i rp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o nt h r o u g hs i m u l a t i o n s ，t h u sa l le f f i c i e n tb u f f e r i n gs t r a t e g y a d a p t e d t ot h ep r o t o t y p ei sd e s i g n e d o nt h eb a s i ci n t r o d u c t i o nt ot h es w i t c h i n gf a b r i c sa n df u n c t i o n so fa na t ms w i t c h ， t h i sd i s s e r t a t i o nd e t a i l e d l ys t u d i e st h ec o n t r o ls t r a t e g i e so fs h a r e d - m e m o r ya t ms w i t c h ， i n c l u d i n g t h eb u f f e r m a n a g es t r a t e g y , r o u t i n g c o n t r o l s t r a t e g y , m u l t i c a s t i m p l e m e n t a t i o nm e c h a n i s ma n dc o n g e s t i o nc o n t r o ls t r a t e g y , e t c w i t ht h eh e l po f t h e o p n e ts i m u l a t i o ns o f t w a r ed e v e l o p m e n tk i t ( s d k ) ，as i m u l a t i o n m o d e lo f s h a r e d m e m o r ya t m s w i t c hi sb u i l t , ad e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h es i m u l a t i o n s o f t w a r ei sa c c o m p l i s h e d a c c o r d i n g l y , t h ep e r f o r m a n c eo ft h es i m u l a t i o nm o d e li s e v a l u a t e d t h es i m u l a t i o nw o r kf o c u s e so nt h ei m p a c to fd i f f e r e n tc o n t r o ls t r a t e g i e so n t h ea t ms w i t c hp e r f o r m a n c e t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，a n o p t i m i z e db u f f e rs t r a t e g yo f t h ep r o t o t y p ei sg i v e n t h ew o r ki nt h ed i s s e r t a t i o np r o v i d e sa ni m p o r t a n tr e f e r e n c et os e l e c tas u i t a b l e ， s i m p l e a n de f f i c i e n tc o n t r o ls t r a t e g y ,s e to p t i m i z a t i o n a ls w i t c hp a r a m e t e r , a n d i m p l e m e n tas h a r e d - b u f f e ra t m s w i t c h k e yw o r d s ：c o n t r o ls t r a t e g i e s s w i t c hf a b r i c s s h a r e d m e m o r ya t ms w i t c h o p n e ts i m u l a t i o n 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景和意义1 1 2a t m 技术现状与发展2 1 2 1a t m 技术的概念2 1 2 2a t m 技术应用及其发展趋势2 1 3 本文研究内容。4 第二章a t m 交换结构。5 2 1 基本组成与功能5 2 1 1a t m 交换机基本组成5 2 i 2a t m 交换机基本功能。6 2 2 基本a t m 交换结构7 2 2 1 共享存储器交换结构8 2 2 2 共享媒质交换结构9 2 2 3c r o s s b a r 交换结构9 2 3a t m 多级交换网络1 1 2 3 1c l o s 网络1 2 2 3 1b a n y a n 网络12 2 4 小结1 4 第三章共享缓存a t m 交换机控制策略1 7 3 1 队列管理策略1 7 3 1 1 缓存管理策略1 7 3 1 2 共享缓存控制2 0 3 1 3 信元调度21 3 2 选路控制2 3 3 3 组播实现2 5 3 4 拥塞控制2 7 第四章共享缓存a t m 交换机仿真软件设计与实现2 9 4 1o p n e t 仿真软件2 9 4 2 共享缓存a t m 交换机仿真模型原理3 0 4 3 仿真中实现的模型和函数3 2 4 3 1 网络模型( n e t w o r km o d e l ) 3 2 4 3 2 节点模型( n o d em o d e l ) 3 3 4 3 3 进程模型( p r o c e s sm o d e l ) 3 5 4 3 4 分组模型( p a c k e tm o d e l ) 。4 5 4 3 5 链路模型( l i n km o d e l ) 4 5 4 3 6 函数原型4 6 4 4 仿真目标与场景4 7 4 4 1 仿真目标4 7 4 4 2 仿真场景与预期仿真结果4 7 第五章仿真结果与分析4 9 5 1 不同业务源的仿真结果与分析4 9 5 2 不同缓存队列大小的仿真结果与分析5 1 5 3 不同预处理缓存方式的仿真结果与分析5 2 5 4 不同共享缓存分配策略的仿真结果与分析5 3 5 5 结论5 5 结束语5 7 致 射。5 9 参考文献6 1 研究成果6 3 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 异步转移模式( a t m ，a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ) 作为宽带综合业务数字网 b i s d n 的核心技术，是b i s d n 信息复用转移和交换的基本模式。它具有能够动 态分配信道频带、充分利用信道带宽、可适应从低速率到高速率的宽带业务要求 等特点，能实现高速率、高吞吐率和高服务质量的信息交换。因此它越来越引起 人们极大的关注和重视。它是近年来通信研究的热点和未来通信网络的方向。 二十几年来，学术界与工业界对a t m 网络的q o s 保证体系进行了大量卓有成 效的研究与实践。目前，国际电联电信部( i t u t ) 和a t m 论坛( a t mf o r u m ) 两大机 构己制订出了一系列规范与建议，形成了a t m 网络q o s 体系的基本构架。为了保 证a t m 网络满足多种类型业务的q o s 要求，需要进一步研究a t m 网络的q o s 控制 与管理问题。a t m 交换机内的缓存器管理机制、信元调度和拥塞控制等控制策略 问题通常被认为是与实现相关的方面，所以没有相应的规范与建议。而由于这几 个问题均属于q o s 的重要内容，因此它们也是a t m 网络q o s 领域内的研究热点。 a t m 交换机主要负责a t m 信元的缓存与转发，是a t m 网络的重要组成部分， 直接影响着网络的性能与质量。缓存策略、调度机制和拥塞控制机制是a t m 交换 机的重要内容，影响到信元在转发过程中的延迟和丢失，至今仍受到广泛的关注 和研究。有研究指出，在综合考虑性能、复杂度和可靠性以及其它因素的情况下， 一般认为，对于交换总容量在2 0 g b i t s 以下的a t m 交换机来说，共享缓存器结构是 较好的选择，而对于更大容量的a t m 交换机来说，采用带有有限加速因子的缓存 结构、在空间上用多种交换结构( 总线型、时分、空分等) 相结合、采用级联方式应 是今后的发展方向。 为了用更简洁、有效的机制确保q o s ，本文结合项目“星上1 0 g b p s 大容量 交换原型样机”，开展了对共享缓存结构的a t m 交换机控制策略的研究，并利用 o p n e t 仿真软件建立整个共享缓存a t m 交换机系统，通过不同场景的仿真，得 到该交换机系统的仿真性能指标参数，为选择合适的控制策略实现具有共享缓存 a t m 交换机提供重要参考。 2 大容量a t m 交换机控制策略及其性能仿真研究 1 2 1a t m 技术的概念 1 2a t m 技术现状与发展 随着互联网的发展，人们通信的需要，要求在网络下传输的业务种类不断增 多。人们要求建立一个能够支持现有的和未来的各种业务、高效利用网络资源、 统一的信息传输与交换网络，于是综合业务数字网i s d n 和宽带综合业务数字网 b i s d n 的概念应运而生。 电路交换速率固定，接入不灵活；分组交换处理复杂，交换时延大，都不能 很好的应用于b i s d n 中。1 9 8 6 年美国贝尔实验室( b e l ll a b ) 和法国邮电科学院分别 同时提出a t m 技术的初框，a t m 的目标一开始即定位于在高速光纤网上传送各类 多媒体业务( 数据、声音、图像和视频等) 。 a t m 交换结合电路交换和分组交换的优点，是一种面向连接的统计复用技术， 能够灵活高效地保证b i s d n 业务的q o s 要求。a t m 将各种不同业务划分为固定长 度的信元进行交换，减小了时延抖动，降低了时延值。a t m 信元长度为5 3 字节， 其中信息域为4 8 字节，信头为5 字节。a t m 技术充分利用光纤技术，简化差错控制， 在中间节点不检查业务完整性，大大简化了协议，以虚通道v p 和虚信道v c 为基础 进行信元交换。 为了完成正常的信元交换和其他一些必要的功能，得到网络利用率的提高和 q o s 的保证，a t m 交换必须具备相应的控制机制，这些控制机制包括缓存策略、 信元调度、竞争消除、反压控制、选路方式和组播实现等。交换机对其缓存器的 管理以及信元丢弃策略的确定，将直接影响交换机的性能从而也直接影响各业务 流q o s 水平的高低。 a t m 流量控制和信令用精确的控制获得网络利用率的提高和服务质量的保 证。a t m 在连接建立之前，通过信令协商能否保证用户的服务质量要求，只有当 网络确认之后才接受入网，保证为每一个虚电路提供不同的服务质量，能实现真 正意义上的q o s 。 1 2 2a t m 技术应用及其发展趋势 ( 1 ) a t m 的应用及现状2 1 】【2 2 】【2 3 】 从a t m 问世以来，以信元交换为特征的a t m 网络有了长足的发展： 世界各国在发展下一代电信网技术方面取得共识，纷纷投资建设以a t m 网 络为标志的国家信息基础设施( n i i 计划) ，a t m 试验网逐步走向商用； 在核心网络方面，a t m 占据了统治地位，设备制造厂商已能提供满足大容 第一章绪论 3 量交换的a t m 交换设备； a t m 为实时地传送数据、图象、和语音综合的多媒体业务提供了支持。a t m 具有端到端q o s 保证、完善的流量控制和拥塞控制、灵活的动态带宽分配与管理、 支持多业务以及技术综合能力强等方面的优势。a t m 使用固定长度信元使打包、 拆包时延相当，减小时延抖动，且小信元长度降低了时延值，适于实时业务。在 过去十来年中，a t m 成为下一代网络的重要技术。 ( 2 ) a t m 的最新研究进展【2 l 】【捌【2 3 】 目前的信息体系，l a n 和w a n 都建立在网络层协议如i p 、i p x 等的基础上， a t m 的成功与发展的关键是现有的网络技术和a t m 的结合。a t m 论坛、国际电联 在不到几年的时间内在产业、学术研究、应用方面都有很大的投入并呈现加速趋 势，相继推出m p l s 、a a l 2 、l a n e 、m p o a 、g f r 等网络新技术。 多协议标记交换( m p l s ) 的应用是a t m 新的发展方向之一，m p l s 是基于标记 的口路由选择方法，这些标记可以被用来代表逐跳式或者显式路由，并指明服务 质量( q o s ) 、虚拟专网以及影响一种特定类型的流量( 或一个特殊用户的流量) 在网 络上的传输方式的其它各类信息。m p l s 协议实现将第三级的包交换转换成第二级 的交换。m p l s 可以使用各种第二层的协议，m p l s 工作组到目前为止已经把在帧 中继、a t m 和p p p 链路以及i e e e8 0 2 3 局域网上使用的标记实现了标准化。m p l s 在帧中继和a t m 上运行的一个好处是它为这些面向连接的技术带来了p 的任意连 通性。随着m p l s 标准的制定，i p 优化光网络宽带p 网将具有更优越的性能： 既有s d h 的快速自愈恢复能力，又有a t m 的q o s 选路、流量工程以及一体化的先 进网络管理系统。 a t m 技术的另一最新突破是新型a t m 适配类型a a l 2 的推出。a a l 2 是一种全 新的a a l 适配类型，它的设计思想是将用户信息进行分组，分成若干的长度可变 的微信元，再将其适配n 5 3 个字节的a t m 信元中。这样一个a t m 信元里可以同 时装入多个不同的业务流，一个a t m 信元不再仅是一种业务流分组，也就是说一 个a t m 连接可以支持到多个a a l 2 的用户信息流，即用户信息流在a a l 层上复用。 这种设计思想带来了两个好处：一是对压缩后的话音业务流降低了拆装时延，且 提高了效率，女1 g s m 和c d m a 语音；二是节约了a t m 中v p i 、v c i 的资源，这在 a t m 网络中支持p 业务中十分重要。基于这两个优势，用于语音中继i 拘a a l 2 和 用于数据的a a l 2 标准已经形成。 l a n e ( e m u l a t e dl a n ) 的功能是在a t m 网络上仿真l a n ，l a n e 协议定义了仿 真i e e e8 0 2 3 以太网或8 0 2 5 令牌环网的机制。l a n e 协议定义了与现有l a n 给网络 层提供的服务相同的接口，在a t m 网络中传输的数据以相应的l 悄m a c 分组格式 封装。在a t m 网上模拟传统局域网，通过a t m 网将多个传统局域网和终端设备互 联。在a t m 网上构造新的局域网，这些局域网接点间的通信行为与传统局域网完 4 大容量a t m 交换机控制策略及其性能仿真研究 全相同。局域网仿真对局域网隐藏了a t m 交换结构，局域网终端感觉不到a t m 网 络的存在，因此无需修改终端设备的软硬件，就可以利用a t m 网络的各种优点。 m p o a 的目的是在l a n e 环境中有效地传输子网间的u n i c a s t 数据。m p o a 从根 本上将数据传送和路由计算分开，将功能分布到不同的设备，从而减少了参与路 由计算的设备数目和端设备的复杂性。它可以以统一的方式支持二层和三层网络 互连，因此保证了a t m 环境中大规模的互连。它可以同时有效地处理突发数据和 长期的数据流，但是，m p o a 的复杂性有很大的争议。 a t m 与口的结合是大势所趋。最近新的电信产品表明，口正在向a t m 靠拢， a t m 的生产厂家也正在积极转向p ，a t m 交换和p 路由设备界限越来越模糊。应 该看到，网络技术将是d 向传统电信网络渗透和传统电信网络与p 融合的结果。目 前a t m 的优势在于提供统一的网络平台，口的优势在于提供统一的数据应用平台。 a t m 与i p 既有竞争的一面，又有互补的一面。为了支持i p 并帮助其构造骨干传送 网，解决其传送速率问题，同时借p 大发展的东风把a t m 更快地推向市场，i po v e r a t m 应运而生。它提高了网络性能，降低了设备成本，充分利用了现有设备，增 加了网络可管理性，提高了网络可扩充性，是一种市场前景十分广阔的应用技术。 1 3 本文研究内容 本文在消化现有研究成果的基础上，结合项目“星上1 0 g b p s 大容量交换原 型样机 ，对共享缓存交换结构的大容量a t m 交换机的控制策略进行了系统的研 究，并利用o p e n t 仿真软件对其进行了建模仿真，并在此基础上设计了一种适 合该原型样机的高效缓存策略。全文的主要内容安排如下： 本文共分为五章，第一章和第二章首先阐述了论文的研究背景和意义，简单 描述了a t m 技术的概念、应用现状和发展；接着在介绍a t m 交换基本组成和功 能的基础上，重点介绍了a t m 交换机的交换结构，并讨论了共享缓存、共享媒 质和c r o s s b a r 三种交换结构的特点和应用，同时指出几种交换结构组合使用和多 级交换网络实现大容量交换机的可行性。 本文第三章深入地研究了采用共享缓存交换结构的a t m 交换机的控制策略， 包括缓存管理策略、选路控制策略、组播实现机制和拥塞控制策略等。其中缓存 管理策略是影响共享缓存a t m 交换机性能的一个重要因素，作者对几种典型的缓 存管理机制进行了分析比较，为后面利用o p n e t 软件建模仿真打下基础。 第四章首先简单介绍了o p n e t 仿真软件，然后对仿真的共享缓存a t m 交换 机的原理进行概述，最后对仿真设计过程中所实现的网络模型、结点模型、进程 模型、分组模型、链路模型以及函数原型进行概要介绍。 第五章给出运行仿真程序所得的结果，并对仿真的结果进行了分析研究。 第二章a t m 交换结构 第二章a t m 交换结构 2 1 1a t m 交换机基本组成 2 1 基本组成与功能 a t m 交换机主要有三个功能单元，即输入、输出线路接口单元( v ol 1 u ：l i n e i n t e r f a c eu n i t ) 、交换单元( s u ：s w i t c h i n gu n i t ) 和控制单元( c u ：c o n t r o lu n i t ) ，如图2 1 所示。 交换单元 l 线路接口k - - x 叫线路接口l 线路接口卜叫线路接口l 匣 图2 1a t m 交换机组成 输入、输出线路接口单元主要实现网络侧物理层和a t m 层的功能。无论是采 取基于s d h ( 同步数字系y o ) 还是基于信元流的线路传输形式，经过线路接口单元运 送交换单元的都将是用于a t m 层的信元，这些信元在交换单元的各个输入端口是 统一定时的，并且各个信元信头中v p i v c i 是经过识别的。在信元送出交换单元 时线路接口单元将完成适合线路传输的必要转换。 控制单元具有呼叫连接控铝i j ( c a c ) 、资源管理( 蹦) 、操作维护( o a m ) 及优先 级控s u ( p c ) 等功能。该单元根据呼叫申请的业务特性及业务质量要求，结合无论资 源占用情况，决定是否接收该次呼叫。若该次呼叫被接收，则将有关路由信息 ( v p i v c i 值、带宽、优先级等) 填入路由表( r o u t i n g t a b l e ) ，该表主要有输入端口、 输入信元v p i v c i 以及相应的输出端口、输出信元v p i v c i 组成，另外，该表中 还有供交换单元使用的路由标签( r o u t i n g t a g ) 和优先级等。路由标签用于表示属于 该次呼叫的信元在交换单元内的路由或输出端口号，优先级表示该呼叫的时延及 丢失优先级，这个优先级在这个呼叫过程保持不变。 交换单元实现信元从输入到输出的转移，把输入端口到来的信元送往指定的 6 大容量a t m 交换机控制策略及其性能仿真研究 目的输出端口，信元的转移是根据路由表来完成的。交换单元是a t m 交换机的核 心之一，采取何种交换结构将决定着该a t m 交换机的性能。因此，在设计a t m 交换机时，首先应根据设计的指标和要求选定一种合适的a t m 交换结构。 2 1 2a t m 交换机基本功能 a t m 交换机的功能与其应用环境有关。关于a t m 交换机的分类，有的将其 分成骨干交换机、边缘交换机和用户驻地交换机三种，有的将其分成接入交换机 和骨干交换机两大类。虽然分类的方法及名称不同，但是a t m 交换机的分类的 主要依据都是a t m 交换机的应用环境及容量。一般而言，应用与接入网之中， 直接面对不同业务的交换机的容量比较小，我们可以将具有汇接能力的边缘交换 机也归于此类，统称为接入交换机；而将用于骨干网中的大容量交换机称为骨干 交换机。 接入a t m 交换机也称a t m 用户接入交换机，它集中了b n t l 、b - n t 2 和 b t a 的全部或部分功能，其主要功能如下： 1 ) 支持不同标准和速率的信元形式用户终端( s d h 的s t m 1 ，s t m - 4 ，e 1 ，e 3 及基于纯信元的4 b 5 b ，8 b 1 0 b 等) 接口。 2 ) 支持非信元形式的各种用户终端，具有用户业务的适配功能，可适配e 1 ， e 3 ，e t h e m e t ，帧中继等现有各类业务。 3 ) 具有信元复接分接，集中分散功能，可将多种低速率的信元流适配成标准速 率的信元流进行交换和传送，使用统计复用的方法，动态利用网络的资源， 提高交换单元和传输线路的利用率。 4 ) 支持b i s d nu n i 信令，并具有n n i 信令处理功能，以便和骨干交换机相连， 具有p v c 和s v c 交换能力。 5 ) 支持u n i 的业务流量控制，具有用法参数控带, j f u p c ) 、一般流量控带i j ( g f c ) 和优先级控制( p c ) 等功能，防止因用户业务量超过网络容量而产生拥塞和信 元丢失，保证业务的服务质量( q o s ) 。 骨干a t m 交换机的主要功能如下： 1 ) 支持标准速率( 1 5 5 m b i t s ，6 2 2 m b i t s 等) 的信元形式业务( 通常是基于s d h 的 s t m 1 和s t m 4 信元流) ，交换容量大，通常为几十到几百g b i t s 。 2 ) 支持b i s d n n n i 信令，具有p v c 和s v c 交换功能。 3 ) 支持网络的维护和管理功能，当某个节点出现问题时，可自动处理，保证连 接的正确性。 第二章a t m 交换结构 2 2 基本a t m 交换结构 a t m 交换结构( s w i t c h i n gf a b r i c s f ) 是实现a t m 交换的关键技术之一，是a t m 交换系统中必不可少的重要组成部分。 a t m 交换结构应能实现任意出线与入线之间的信元交换，因此，a t m 交换结 构应具有信头变换、选路和排队这3 项基本功能。 信头变换主要是指入v p i v c i 变换为出v p i v c i ，体现了时间交换的特征。选 路是指任一入线的信息被交换到任一出线，具有空间交换的特征。信头变换加上 选路功能，才能实现a t m 交换结构的交换功能。排队主要是防止发生竞争时，造 成信元丢失，需要一定数量的缓存器来实现。 目前，已经有许多a t m 交换网络结构，许多学者根据不同标准对已有的a t m 交换结构进行了分类、相应的结构描述以及简要的性能评述，这些标准主要包括： 1 ) 内部结构：时分和空分结构。时分结构中包括共享媒质( 如环、总线) 和共享存 储器等；空分结构有纵横交叉连接，分离通路和b a n y a n 类网络。 2 ) 缓存器位置：输入缓存、内部交叉接点缓存、输出缓存、共享存储器缓存以及 上几种缓存的组合，共享存储器缓存中又分为部分共享和全部共享等。 3 ) 是否存在内部阻塞。 4 ) 输入输出端口间是单通路还是多通路。 5 )内部结构是单级还是多级 图3 1 是从时分与空分的角度将a t m 交换结构分为了两大类。 a t m 交换结构 时分空分 厂l r - l 共享存储器共享媒体 单通路多通路 ii 厂 厂 厂r _ 专t 总线型 环型 c r o s s b a r b a n y a n 扩展复份 b e n e sc l o s 瑚岫雒 矩阵型全互连型缓存型无缓存型 图2 2a t m 交换结构的分类 时分结构的基本特征是所有的输入和输出共享单一的通信线路，而空分结构 的基本特征是可以在多对输入端口和输出端口间同时并行地传送信元。在实际的 a t m 交换机设计过程中，经常采用下面所述的某一种交换结构，或者采用这几种 交换结构的某种组合。 大容量a 1 、m 交换机控制策略及其性能仿真研究 2 2 1 共享存储器交换结构 共享存储器交换结构【3 】【1 2 】如图2 2 所示，存储器为所有的输入端口和输出端口 共用。从各个输入到达的信元通过复用器被复用成单一的输入信元流而写入共享 存储器。实际上，在存储器内部仍可划分为若干逻辑队列，每个队列对应于一个 输出端口。因此在写入时，应按照各个信元的目的端1 3 而控制写入对应的输出队 列。在写入的同时，又按顺序从各个输出队列读出队首的信元而形成输出信元流， 经过分路后传送到各个输出端口。 l 2 n 沁存储器 y l l 2 n 图2 3 共享存储器结构 共享存储器结构要有足够高的处理速度，使得处理时间很短，从而能与信元 流的输入速率相适配。处理时间主要是指判定输入信元流中各个信元应编入哪个 输出队列并控制写入的过程。因此，对存储器访问速度的要求比较高。当交换结 构的入线出线数为n ，每线速率为v ，则存储器写入或读出的速度都将取决于 n - v 。例如说，对于具有w 位宽的存储器，访问时间等于w 2 n v ，如采用双端 口存储器，访问时间的要求可降低为w n v 。可以看出，由于受到存储器访问速 度的限制，交换结构的容量( 端口数及链路速率) 不可能太大。 存储器容量的设计也是一个重要问题。共享存储器应具有一定的容量，是信 元丢失率保持在一定限度以下。存储器容量不但与交换结构容量、流入负荷和业 务流模型有关，而且与存储器的共享方式有关。例如说，可以有完全共享和完全 分离两种方式。完全共享是各个输出队列可以共享整个存储区，只有当整个存储 区占满时才会发生信元丢失。完全分离是将整个存储区划分为n 个区域，每个区 域对应一个输出队列。当某个输出队列已满，则再到达该输出端口的信元将被丢 弃。显然，完全共享方式的存储器的使用效率较高，在相同条件下，存储器的容 量可以减少。但是当出现非均匀业务流时，例如某个或几个输出端口的负荷很高， 会出现整个存储区被少数几个输出端口占有的不公正情况。完全分离方式保证了 对各个输出端口的公正性，但存储器效率不高。一种折衷方式是划出一部分存储 区作为所有输出端口的共享区。此外，还可以有基于每个端e l 的最小分配或最长 队列以及队列长度的动态控制等方式，详见下一章。 第二章a t m 交换结构 2 2 2 共享媒质交换结构 在共享媒质交换结构中，入线和出线使用共用的传输媒介，在媒介控制器的 控制下完成信元的交换。共享总线和令牌环就是两种常用的共享媒质交换结构。 下面以共享总线结构为例进行说明。共享总线的交换结构如图2 3 所示【1 2 】。 入 线 出 线 9 图2 4 共享总线交换 在共享总线交换结构中，为避免多条入线同时占用总线而引起的总线冲突， 需要有一个总线仲裁单元或者总线控制器，通过它来保证在任一时刻，只能有一 条入线上的一个信元出现在总线上。而各条出线则通过识别信头中的v p i v c i 来接 收输出到它的信元。 共享总线交换方式结构比较简单，但由于总线的工作速率应为入线速率的n 倍 烈为入线的数量) ，所以在小容量时比较容易实现，但对大容量交换来说，由于对 总线的工作速率要求非常高，实现起来则比较困难。 有许多为专用的局域网互联而开发的小容量a t m 交换机都采用共享总线的交 换结构。女1 ：i f o r es y s t e m s 的a x s 1 0 0 交换机、g t e 的s p a n e t 交换机、c a s c a d e 的 b s t d x9 0 0 0 和w e l l f l e e t 交换机，还有i b m 的早期实验产品p a r i s 系统以及后来的 p l a n e t 系统。 2 2 3c r o s s b a r 交换结构 c r o s s b a r 交换结构是一种空分的、无阻塞的交换结构，与其他交换结构相比， 具有很高的交换能力。一般e r o s s b a r l n 交换结构可以分为矩阵型和全互连型【3 1 。 l 、矩阵型 n x n 的矩阵具有2 个交叉点，图2 5 给出了两种实现方式，均以4 x 4 为例。 l o 大容量a t m 交换机控制策略及其性能仿真研究 234 ( a ) l i ll il广- l 卜l卜 【一 l卜 i 一ji _ j l i l 口 i卜n 1l 1 _ ji _ j i 一 iiii n 广 b n i卜 1 一 i _ j1 _ j iiii n 广n ，广、 1 一 。ui l 1r1rr 234 ( b ) 图2 5 矩阵型交换结构 图2 5 ( a ) 中的交叉点是一个2 x 2 的传送门，如图2 5 所示。传送门的2 个输入 可称为横向输入与纵向输入，2 个输出可称为横向输出与纵向输出。从图2 5 ( a ) 可以看出，整个矩阵的输入是位于最左一列的各个传送门的横向输入，矩阵的输 出是位于最下一行的各个传送门的纵向输出。 横向输入横向输出 纵向输出 ( a ) 图2 6 b a r 状态 ( b ) 2 x 2 传送门 厂n。 lu 7 c r o s s 状态 ( c ) 2 x 2 传送门有2 个状态：b a r 和c r o s s ，见图2 6 c o ) 、( c ) 。所谓b a r 状态，是指 横向输入连到纵向输出，纵向输入连到横向输出；所谓g r o s s 状态，是指横向输 入连接到横向输出，纵向输入连到纵向输出。 交叉矩阵在初始状态时，所有交叉点均处于g r o s s 状态，即任何入线与任何出 线间均不连通。对照图2 5 ( a ) ，如果要使入线i 与出线，连通，则应使处于交叉点 ，) 上的传送门处于b a r 状态，而在f 行和，列的所有其他的传送门仍处于c r o s s 状态。 当入线i 上到达的信元含有目的地址，时，就使信元沿i 行水平传送，到达第， 列时就将k ，) 处的传送门改为b a r 状态，从而信元就能沿着，列往下传送到出线 ，。按照信头中所含的目的地址，可以由硬件自动控制选路的性能称为自选路由 ( s e l f - r o u t i n g ) 。利用自选路由功能可以使处理速度大大加快，这正是a t m 交换结 l 2 3 4 第二章a t m 交换结构 构所要求的。 图2 5 ( b ) 为矩阵型的另一种实现方式，每个交叉点的部件可以看成是一个具有 通断功能的开关。在具体实现时比较复杂，要包含f i f o 缓存器和相应的控制逻 辑。交叉点部件中含有缓存器时实际上就是缓存器设置的一种方式，称为交叉点 缓存，也可用作多级交换结构中的交换单元。 2 、全互联型 所谓全互连( f u l l y i n t e r c o n n e c t e d ) ，就是在每个输入与每个输出之间都有一条分 离的通路，对于n xn 的交换结构，就有妒个通路，因此又称为人产分离通路妒 d i s j o i n tp a t h ) 型。图4 表示了两种全互连结构。 1 2 n 1 l2 2 12 ( a ) ( b ) 图2 7 全互连型交换结构 有时并不严格区分矩阵型和分离通路型，而通称为c r o s s b a r 型， 征都是复杂度n n 2 增长的单通路无阻塞结构。 2 3a t m 多级交换网络 因为其共同特 对于几种基本交换单元的结构，由于工艺、技术等方面的原因，容量不易做 得很大。人们在研究纵横制交换网络和计算机并行处理系统时发现，可以使用较 小的交换模块去构造大容量的交换机，这样不仅方便系统的设计和制造，而且采 用模块化的交换结构还便于系统的升级及系统容量的灵活配置。多级交换网络与 直接使用空分交换结构的交换机相比，减少了交换点的数量，降低了系统的内部 交换速率，但可能会引入内部阻塞问题，同时，完成一次交换要经过许多级交换 节点，这就涉及到交换网络内部的路由选择，使得交换过程变得更加复杂。内部 阻塞和路由选择这两个问题是多级交换理论的重点研究方向卜引。 1 2 大容量a t m 交换机控制策略及其性能仿真研究 2 3 1c l o s 网络 在早期的基于电路交换的电话系统中，空分交换机的成本很大程度上取决于 交换节点的数量，因此，在大容量的交换机设计中，如何尽量减少交换机节点数 就显得特别重要，就这样在电路交换网络中引入了多级交换网络的概念。其中使 用最广泛、而且结构也简单的是c l o s 网络。 一个c l o s 网络应满足下面两个条件： 1 ) 除最后输出级外，任何级的任何交换节点的输出线数和下一级的交换节 点数相等，而且本级节点与下一级任何节点相连； 2 ) 除最前输入级外，任何级的任何交换节点的输入线数和上一级的交换节 点数相等，而且本级节点与上一级任何节点相连。 c l o s 网按阻塞特性可分为严格无阻塞网络和重排无阻塞网络：严格无阻塞网络 是指在任何时刻，无论网络连接情况如何，只要相应的输入和输出交换节点为空 闲，就一定可以建立连接；而重排无阻塞网络是指当需要在空闲的输入和输出交 换节点之间建立连接时，也可能因内部资源冲突而无法实现，但若对己建立的路 由进行重新排列，必定可以在空闲的输入和输出交换节点之间建立连接。换句话 说，对于重排无阻塞网络，任何新的连接过程都和己建立的连接存在一定的联系， 所以在交换网络中，即使存在空闲的输入和输出节点，也有可能无法建立二者之 间的连接，必须改变己建立的连接才能满足新连接的建立。 一般来说，对于同样规模的交换容量，用严格无阻塞方法构成的网络所需的 内部节点数远远大于用重排无阻塞方法所构成的网络，而且严格无阻塞网络可以 通过重排无阻塞网络通过某种方式的连接而构成，并且重排无阻塞网络的构造也 较简单，所以a t m 交换网络理论的研究重点之一是重排无阻塞网络。但是，重排 无阻塞网络的路由选择较复杂，能否降低路由重排次数是决定重排无阻塞网络是 否适合于a t m 宽带交换的关键。 2 3 1b a n y a n 网络 c l o s 网络中的重排无阻塞网络在每次新连接都要对己建立的连接进行重新排 列，由此带来的复杂性使得在实际的a t m 交换机设计中较少采用这种网络。但由 可重排的概念产生出了另一种很重要的多级互联网络b a n y a n 网络。 以2 * 2 交换单元为基本交换单元，可以构造出大容量的多级互联网络，如4 个 2 * 2 交换单元相连可以得到一个4 * 4 的多级互联网络，1