（粒子物理与原子核物理专业论文）高速互连和高速交换技术的研究.pdf

中国科学技术大学博士学位论文 高速互连和高速交换技术的研究 摘要 信息技术和相对论，量子力学等先进的学科并列为2 0 世纪最重要的科技进展之一。互 联网的迅速发展是信息技术发展的一个集中体现。互联网的规模正在迅速扩大，互联网用户 的数目成指数增长，用户对网络服务的要求越来越高；这就促使网络业务种类的不断扩展， 越来越多的网络业务都在逐渐采用视频和音频相结合的多媒体技术，通过网络，将丰富多彩 的大干世界展现在每个互联网用户。这些发展带来的直接后果是互联网流量的快速增长，人 们对网络带宽的要求不断上升。 不断增长的带宽需求远远超出了互联网现有的连接和交换容量。网络带宽的快速增长， 使网络系统设计者必须紧跟看起来无休止的带宽需求。为了满足这些要求，网络设备商和服 务商已经开发和配置了越来越快的交换器和路由器。由于广域网中o c 1 2 ( 6 2 2 一m b i t s ) 的 土干设备已经接近了饱和，目前，人们正在着眼于刚刚推向市场的o c 4 8 ( 2 4 g b i t s ) 的设 备，4 0 g b i t s 交换速率的路由器逐渐被大量使用。目前最好的网络交换器目标是达到每秒 t e r a b i t ( 1 0 ”) 的数据交换速度。未来几年中，进一步的研究将把总数据率提高到每秒p e n t a b i t ( 1 0 ”) 的级别。 本篇论文就高速互连技术和高速交换技术分别进行了讨论，并根据我们所参与的项目 给出了一些系统的设计、仿真和测试结果。卜面对各个章节的内容做一简要的介绍。 本篇论文的前言部分对互联网的发展趋势作了一个综述，指出网络新产品的开发带动了 新技术的产生和快速地发展，其中高速互连技术和高速交换技术是随着网络发展而发展起来 的两个新的技术。 第一章首先从高速互连技术出发，对千兆位以太网的发展和规范作了一个简要的描述。 指出千兆位以太网虽然和快速以太网有相似的协议，但却是一个完全不同的技术。接下来分 别讨论了光纤高速互连技术和铜介质电缆的高速互连技术。 本文的第二章结合高速互连技术在屏蔽般绞线上传输应用，讨论了高速串行互连背板技 术。首先说明了高速背板技术研究的意义和最新的进展，然后重点讨论了高速串行背板设计 中所必须解决和注意的问题，这其中包括接插件的选择，千兆位背板p c b 的设计规范，千 兆伉收发器的选择和设计，测试系统的设计和测量仪器的选择几个部分。最后结合我们设计 的千兆位背板测试系统，给出了仪器测试方法，误码率测试结果和信号完整性的仿真和测试 结果。 在本文的第三章中，我们将首先从路由器的结构出发，讨论为什么提高路由器性能需要 交换背板技术，以及在设计中必须解决的技术问题。然后我们对高速交换系统的控制核心： 调度算法进行了初步的介绍，主要给出了输入排队交换器中算法的问题描述，以及以前的一 些调度算法和性能分析。 本文的第四章重点讨论了高速的输入排队交换器中使用的一个调度算法：e s l i p ，对 s l i p ，i s l i p 优先级i s l i p 和e l s i p 算法给出了详细的性能分析和仿真结果。然后讨论了 如何在硬件中实现快速的e s l i p 算法，对算法在f p g a 中的实现方法给出了详细的描述。 中国科学技术大学博士学位论史 高速互连和高速交换技术的研究 其中e s l i p 算法硬件实现的讨论主要包括两个部分：一是e s l i p 算法在系统中的实现，包 括系统交换卡和线路卡之间的流水线调度实现方法和e s l i p 算法本身多级仲裁的流水线实 现方法；二是如何快速实现e s l i p 算法，包括可编程优先级编码器的快速实现方法和简单 优先级编码器的快速实现方法。这些讨论可以直接应用在硬件设计中。本章的最后结合算法 的硬件实现，给出了一个1 0 g b p s 交换背板测试系统的设计考虑，重点介绍了交换卡和交换 背板的设计。 本篇论文最后的结束语部分对高速路由器，高速互连技术以及高速交换技术的研究和最 新进展做了一个简要的介绍。 中国科学技术大学博士学位论文 高速互连和高速交换技术的研究 a b s t r a c t i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ( i t ) i so n eo ft h e m o s t i m p o r t a n t a d v a n c e so fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g yi nt h e2 0 “c e n t u r ys a m ew i t hs o m ea d v a n c e ds u b j e c t s ，s u c ha st h e o r yo fr e l a t i v i t y , q u a n t u mm e c h a n i c s ，e t c t h er a p i dp r o g r e s so f i n t e m e ti so n es y m b o lo f t h ep r o g r e s so fi t t h e s c a l eo fi n t e r n e ti si n c r e a s i n gr a p i d l y , a n du s e r so fi n t e m e ti n c r e a s ee x p o n e n t i a l l y , t h ed e m a n df o r n e t w o r ks e r v i c e sa l s oi n c r e a s e l a r g e l y ；t h e s e m a k et h ea m o u n to fn e t w o r ks e r v i c e s e x p a n d c o n t i n u a l l y , m o r ea n dm o r em u l t i m e d i as e r v i c e sw i t hv i v i dv i d e oa n da u d i oh a v eb r o u g h tt h e p r e v i o u su n r e a c h a b l er e m o t ec o l o r f u lw o r l di nf r o n to fe v e r y o n e se y e s a l lo ft h e s ep r o g r e s s e s m a k et h ei n t e m e tt r a f f i ca n dd e m a n df o rn e t w o r kb a n d w i d t hi n c r e a s ed r a m a t i c a l l y d e m a n df o rb a n d w i d t hf a ro u t s t r i p st h ec u r r e n tl i n ka n ds w i t c h i n gc a p a c i t yo ft h ei n t e r a c t t h en e t w o r kb a n d w i d t he x p l o s i o nc h a l l e n g e sn e t w o r ks y s t e m d e s i g n e r st ok e e pp a c e w i t ha s e e m i n g l ye n d l e s st h i r s t f o rb a n d w i d t hi nr e s p o n s et ot h ed e m a n d ，n e t w o r ke q u i p m e n tv e n d o r s a n ds e r v i c e p r o v i d e r s h a v e d e v e l o p e da n dd e p l o y e d f a s t e ra n df a s t e rs w i t c h e sa n dr o u t e r s o p e r a t o r so fw i d e - a r e ab a c k b o n ei n f r a s t r u c t u r e sh a v en e a r l ys a t u r a t e dt h e i ro c - 1 2 ( 6 2 2 一m b i t s ) e q u i p m e n t ，a n da r eh u n g r i l ye y e i n gt h eo c 4 8 ( 2 4 - g b i t s ) e q u i p m e n tt h a ti sj u s tp u ti n t om a r k e t ， 4 0 一g b i t ss w i t c hr a t er o u t e r sa r ea d o p t e dm o r ea n dm o r e e v e nt h eb e s tn e t w o r ks w i t c h e s a v a i l a b l et o d a ya r e j u s ts t a r t i n gt oa d d r e s st e r a b i ts p e e d s o n g o i n gr e s e a r c hp r o m i s e st ob u m pu p t h ea g g r e g a t ed a t ar a t et op e n t a b i t sl e v e l so v e rt h en e x tf e w y e a r s i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，w ed i s c u s st h eh i g hs p e e di n t e r c o n n e c t i o na n dh i g hs p e e ds w i t c h t e c h n o l o g i e sr e s p e c t i v e l y , a l s op r e s e n t s o m er e s u l t so fs y s t e md e s i g n ，s i m u l a t i o na n dt e s t a c c o r d i n g t oo u rp r o j e c t s n e x tw em a k eab r i e fi n t r o d u c t i o nt oe v e r yc h a p t e r s i nt h ep r e f a c e ，w es u m m a r i z et h ed e v e l o p m e n tt r e n do fi n t e m e t ，a n de x p l a i nt h ed e v e l o p m e n t o fn e wn e t w o r kp r o d u c t sb o o s t st h ed e v e l o p m e n ta n df a s te v o l u t i o no fn e wt e c h n o l o g i e s h i g h s p e e di n t e r c o n n e c t i o na n dh i g hs p e e ds w i t c h a r et w on e wt e c h n o l o g i e sg r o w i n gu pw i t ht h e i n t e r n e t i nt h ec h a p t e ro n e ，w eb r i e f l yd e s c r i b et h ed e v e l o p m e n ta n ds p e c i f i c a t i o no fg i g a b i te t h e r n e t b a s e do nt h eh i g hs p e e di n t e r c o n n e c t i o nt e c h n o l o g y ，a n ds h o wg i g a b i te t h e m e ti sac o m p l e t e l y d i f f e r e n tt e c h n o l o g y , c l o t h e di naf a m i l i a rp r o t o c o lw i t hf a s te t h e m e t t h e nw ed i s c u s st h eh i g h s p e e di n t e r c o n n e c t i o nt e c h n o l o g y b a s e do nf i b e ro p t i ca n dc o p p e rc a b l er e s p e c t i v e l y i nc h a p t e rt w o ，w ed i s c u s st h eh i g hs p e e ds e r i a li n t e r c o n n e c t i o nb a c k p l a n et e c h n o l o g yo nt h e b a s i so ft h e h i g hs p e e dt r a n s p o r ta p p l i c a t i o n o ns h i e l dt w i s t e dp a i r f i r s t ，w ep r e s e n tt h e s i g n i f i c a n c eo fh i g hs p e e db a c k p l a n er e s e a r c ha n di t s u dt od a t ea d v a n c e s ，t h e nm a i n l ys t u d yt h e t e c h n i c a l p r o b l e m st h a t m u s tb es o l v e di nh i g hs p e e ds e r i a lb a c k p l a n ed e s i g n ，w h i c hi n c l u d e s e l e c t i o no fc o n n e c t o r s ，p c bd e s i g ns p e c i f i c a t i o no fg i g a b i tb a c k p l a n e ，d e s i g na n ds e l e c t i o no f g i g a b i tt r a n s c e i v e r , d e s i g no f t e s ts y s t e ma n ds e l e c t i o no f t e s ti n s t r u m e n t s f i n a l l y , w ep r e s e n t t h e i n s t r u m e n t st e s tm e t h o d ，r e s u l t so fb e r ta n dr e s u l t so fs i m u l a t i o na n dt e s to fs i g n a li n t e g r i t y a c c o r d i n g t oo u rd e s i g no f g i g a b i tb a c k p l a n et e s ts y s t e m - l u 皇里型兰垫查查堂堕主兰垡堡皇 壹垄兰垄塑壹婆銮堡茎查堕堡壅 i nc h a p t e rt h r e e ，w e 1 1s e ew h yt h ed e m a n df o rr o u t e rp e r f o r m a n c em e a n st h a t s w i t c h e d b a c k p l a n e sa r en e e d e dn o wo nt h eb a s i s o ft h ea r c h i t e c t u r eo fi n t e r n e tr o u t e r s ，a n ds t u d yt h e t e c h n i c a lp r o b l e m st h a tm u s tb es o l v e di nt h e i rd e s i g n s t h e nw em a k e a ne l e m e n t a r yi n t r o d u c t i o n t ot h e c o n t r o lc o r eo fh i 曲s p e e ds w i t c hs y s t e m ：s c h e d u l ea l g o r i t h m w ep r e s e n tt h ep r o b l e m s t a t e m e n to fa l g o r i t h mi nt h e i n p u tq u e u e ds w i t c h ，p r e v i o u s s c h e d u l e a l g o r i t h m s a n dt h e i r p e r f o r m a n c ea n a l y s e s i nt h ec h a p t e rf o u r , w em a i n l yd i s c u s se s l i p ：o n es c h e d u l ea l g o r i t h mu s e di nh i g hs p e e d i n p u tq u e u e ds w i t c h w es h o wt h ed e t a i l e dp e r f o r m a n c ea n a l y s e sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t so fs l i p , i s l i ep r i o r i t i z e di s l i pa n de s l i et h e nw es t u d yh o w t oi m p l e m e n tf a s te s l i pi nh a r d w a r e ，a n d d e s c r i b et h ei m p l e m e n t a t i o no f a l g o r i t h mi nf p g a i nd e t a i l h a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o no fe s l l p c o m p r i s e st w om a i np a r t s ：o n ei s h o wt o i m p l e m e n te s l i pi ns y s t e md e s i g n ，i n c l u d i n gt h e i m p l e m e n t a t i o no fp i p e l i n es c h e d u l eb e t w e e ns w i t c hc a r da n dl i n ec a r da n dt h ei m p l e m e n t a t i o no f p i p e l i n e o fm u l t is t a g e so fa r b i t r a t i o ni ne s l i p ；t h eo t h e ri sh o wt o i m p l e m e n tf a s te s l i e i n c l u d i n gf a s ti m p l e m e n t a t i o no fp p e ( p r o g r a m m a b l ep r i o r i t ye n c o d e r ) a n ds i m p l ep e ( p r i o r i t y e n c o d e r ) t h e s ed e s i g n sc o u l db eu s e di nh a r d w a r ed e s i g nd i r e c t l y f i n a l l yw ep r e s e n to n ed e s i g n o f1 0 g b p ss w i t c hb a c k p l a n et e s ts y s t e m ，o u rd i s c u s s i o nf o c u s e so nt h ed e s i g no fs w i t c hc a r da n d s w i t c hb a c k p l a n e i nt h ee n do ft h i sd i s s e r t a t i o n ，w es h o r t l yi n t r o d u c et h er e s e a r c ha n dt h el a t e s ta d v a n c e so f h i g hs p e e dr o u t e r , h i g hs p e e di n t e r c o n n e c t i o na n dh i g hs p e e d s w i t c ht e c h n o l o g i e s 孛濑科学技术大学博士学蕴谂文裹逮互遘彝赢速交换技术的研究 参考文献 【l 】l e eg o t d b e r g ，“f e e d i n gt h et e r a b i tm o n s t e r ：g i g a b i tn e t w o r k i n ga n db e y o n d ”，e l e c t r o n i c d e s i g n ，v 0 1 4 6 ，n o1 4 ，p p 1 ll 1 2 6 ，j u n e1 9 9 8 2 】d a v eb u r s k y ，“o fh o l o d e c k sa n dt r a n s p o r t e r s ：t h ep r o m i s eo fu n l i m i t e db a n d w i d t h ”， e l e c t r o n i cd e s i g n ，b l 。4 8 ，n o ，l ，弹。5 6 6 4 ，j a n ，2 0 0 0 + 【3 】w i l l i a ms t a l t i n g s ，“g i g a b i te t h e r n e t ”，t h ei n t e m e tp r o t o c o lj o u r n a l ，v o l ，2 ，n o 3 ，p p 。2 2 2 5 ， s e p t 1 9 9 9 4 】f r a z i e r ，h ；j o h n s o n ，h “g i g a b i te t h e m e t ：f r o m1 0 0t ol ，0 0 0m b p s ”i e e ei n t e r n e t c o m p u t i n g ，j a n u a r y 腰e b r u a r y1 9 9 9 【5 】r i c hs e l m a ，“g i g a b i te t h e m e t ：t e c h n o l o g ya n da p p l i c a t i o n sf o rh i g h - 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0 2 15 】r o l a n dm 6 d l i n g e r ；m i c h a e lm u n r o e ，“h g h p e r f o r m a n c ec o n n e c t o r s t h eo f t e n - u n d e r e s t i m a t e dw e a kl i n k ，e l e c t r o n i cd e s i g n ，1 4 5 ，弹，t o t l 豫f e b t 9 9 7 。 1 6 e d w a r d p l s a y r e ；m i c h a e la b a x t e r ；j a c q u e sl o n g u e v i l l e ，“s p e c i f i c a t i o n a n d c h a r a c t e r i z a t i o no fam u l t i g i g a h e r t zd i f f e r e n t i a ib a c k p l a n ec o n n e c t o r ”，19 9 7h i g h p e r f o r m a n c es y s t e md e s i g nc o n f e r e n c e n e s a f 1 7 】n i c km c k e o w n ；m a r t i nl z z a r d ；a d i s a km e k k i 牲i k u l ；w i l l i a me l l e r s i c k ；m a r kh o r o w i t z , “t h et i n vt e r a ：ap a c k e ts w i t c hc o r e ”s t a n f o r du n i v e r s i t y t e x a si n s t r u m e n t s 1 8 】e d w a r ds a y r e ；m i c h a e lb a x t e r ；j i n h u ac h e n ，“l i m i t so ff r 一4i nh i g h * s p e e dd e s i g n s ， s u c c e s s f u ld e s i g no f o c 4 8 2 5 g b p si n t e r c o n n e c t s ”n e s a 【1 9 】e d w a r drs a y r e ；j i n h u ac h e n ；m i c h a e la ，b a x t e r , “o c - 4 8 2 5g b p si n t e r c o n n e c t e n g i n e e r i n gd e s i g nr u l e s ”，1 9 9 9d i g i t a lc o m m u n i c a t i o n ss y s t e md e s i g nc o n f e r e n c e 【2 0 】c h a dm o r g a n ；d a v eh e l s t e r , “t h ei m p a c to fp w bc o n s t r u c t i o no nh i g h w s p e e ds i g n a l s ”， t e c h n i c a is e m i n a rh 4 1 2 ，d e s i g n c o n 9 9 a m ：p - 【2l 】b r e n tr r o t h e r m e l ，“p r o p a g a t i o nd e l a ya n ds i g n a ll o s sf o rt h ea m c c $ 2 0 6 4w i t ha m p i x 中国科学技术大学博士学位论文 高速互连和高速交换技术的研究 c o n n e c t o rs o l u t i o n s ”，a m p r e p o r t # 9 8 g c 0 4 8 ，d d 2 e m b e r 】8 ，1 9 9 8 【2 2 b r e n tr r o t h e r m e l ，“h s 31 0r o wc o n n e c t o r n o i s e a n a l y s i s ，u s i n g a m c c $ 2 0 6 4d r i v e r s ”， a m pr e p o r t # 9 8 g c 0 3 6 o c t o b e r2 0 1 9 9 8 2 3 “c r o s s s t r e a ma p p l i c a t i o nn o t e s ”，r e p o r t # 9 8 0 6 0 a - 5 ，r e v i s i o n0 4 ，a m p , j a n u a r y8 ，1 9 9 9 2 4 】见r a y a l d e r m a n ( v i t a 技术委员会主席) 1 9 9 8 年9 月2 9 日和1 9 9 8 年1 0 月8 日给王 砚方教授的e m a i l 。 2 5 “s p e e d p a c ，s i e m e n sr e p o r t ”，p r e p a r e db yn o r t he a s ts y s t e ma s s o c i a t e s ( n e s a ) ，2 4 f e b r u a r y , 1 9 9 7 2 6 j a c q u e sl o n g u e v i l l e ；o o s t k a m p ，“s i e m e n se l e c t r o m e c h a n i c a lc o m p o n e n t s ，s p e e d p a c ，a h i g h s p e e dh i g h - d e n s i t i cb a c k p l a n ec o n n e c t o r 2 7 】“t r a n s m i s s i o nl i n ee f f e c t si np c ba p p l i c a t i o n s ”，a p p l i c a t i o nn o t ea n l0 51 ，m o t o r o l al n c ， 1 9 9 0 2 8 w i l l i a mr b l o o d ，j r “m e c ls y s t e md e s i g nh a n d b o o k ”，f o u r t he d i t i o n ，m o t o r o l ai n c ， 】9 8 8 2 9 e d w a r dp s a y r e ；m i c h a e la b a x t e r ；j i n h u ac h e n ，“t h et e c h n o l o g ya n dd e s i g no fg i g a b i t i n t e r c o n n e c t sf o rn e t w o r ka n dc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ”，n o r t he a s ts y s t e m sa s s o c i a t e s ， i n c ( n e s a ) ，1 9 9 8 3 0 】“t r a n s m i s s i o nl i n er a p d e s i g n e ro p e r a t i o na n da p p l i c a t i o n sg u i d e ”，a p p l i c a t i o nn o t e a n - 9 0 5 ，n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r sc o r p 31 j a m e sm e a t s ， “ad i f f e r e n tl o o ka td i f f e r e n t i a l i m p e d a n c e ”， e d t n ， w w w e d t n c o m a n a l o 掣t n 0 2 5 h t m 【3 2 a l f r e ds c h w a r z m a r m ，“m i c r o s t r i pp l u se q u a t i o n sa d d su pt of a s td e s i g n ”，e l e c t r o n i c s ，p p 1 0 9 o c t o b e r2 1 9 6 7 3 3 】见s i ：l 血 s i l 出，如g 。跚n 。q m 3 4 k e np r e n t i s s ；r i c h a r ds p e h n ，“a d v a n c et r a n s c e i v e rd e s i g n st om e e t25 g b i t sd a t ar a t e s ” e l e c t r o n i cd e s i g n ，v 0 1 4 6 ，p p 5 8 6 4 ，d e c 1 9 9 8 f 3 5 h o w a r dwj o h n s o n ；m a r t i ng r a h a m ，“h i g h s p e e dd i g i t a ld e s i g n ，ah a n d b o o ko fb l a c k m a g i c ”，i s b n0 - 1 3 3 9 5 7 2 4 - l ，p r e n t i c eh a l l ，1 9 9 3 3 6 】n i c km c k e o w n ，“f a s ts w i t c h e db a c k p l a n ef o r ag i g a b i ts w i t c h e d r o u t e r ”， h t t p ：k l a m a t h s t a n f o r d e d u 3 7 “c i s c o1 2 0 0 0s e r i e s ：p e r f o r m i n gi n t e m e tr o u t i n ga n ds w i t c h i n ga tg i g a b i ts p e e d s ”， h t t p ；w w w c i s c o e o m 3 8 】as i n g h a le ta 1 ，“g i g a p l a n e ( t m ) ：ah i g hp e r f o r m a n c eb u sf o rl a r g es m p s ，”p r o c o f h o t i n t e r c o n n e c t s 9 6 ，s t a n f o r d ，c a 3 9 m k a r o l ；m h l u c h y j ；s m o r g a n ，“i n p u tv e r s u so u t p u tq u e u e i n go n as p a c e - d i v i s i o n s w i t c h ，”i e e et r a n s a c t i o n so nc o m m u n i c a t i o n s ，v 0 1 3 5 ，p p 1 3 4 7 - 1 3 5 6 ，d e c 1 9 8 7 ， 4 0 vt a m i r ；gf r a z i e r , “h i g hp e r f o r m a n c em u l t i q u e u eb u f f e r sf o rv l s ic o m m u n i c a t i o n s w i t c h e s ，“p r o co f1 5 。a n n u a ls y m p o nc o m p u t e r a r c h ，j u n e1 9 8 8 41 】n m c k e o w n ；v a n a n t h a r a m ；j w a l r a n d ，“a c h i e v i n g10 0 t h r o u g h p u ti na ni n p u t - q u e u e d s w i t c h ，p r o c e e d i n g so f i e e el n f o c o m 9 6 ， 4 2 l a m a i r e ，r o ；s e r p a n o s ，d n ；“t w o d i m e n s i o n a lr o u n d - r o b i ns c h e d u l e r sf o rp a c k e t s w i t c h e sw i t hm u l t i p l ei n p u tq u e u e s ，”i e e e a c mt r a n s a c t i o n so nn e t w o r k i n g ，v 0 1 2 ，n o 5 p p 4 7 1 4 8 2 ，o c t 1 9 9 4 4 3 l u n d ，