基于SRAM的核心路由器交換矩陣輸入端口設(shè)計(jì)

　　0引言

　　隨著光纖通信技術(shù)的飛速發(fā)展，路由器的數(shù)據(jù)處理速度成為網(wǎng)絡(luò)通信的主要瓶頸，交換矩陣作為核心路由器的重要組成部分則嚴(yán)重制約了路由器的傳輸速率。

　　目前核心路由器交換結(jié)構(gòu)使用較多的有共享內(nèi)存和Crossbar兩種。共享內(nèi)存結(jié)構(gòu)通過共享輸入和輸出端口存儲器件，減少了對總體存儲空間的需求。共享內(nèi)存結(jié)構(gòu)相對簡單，交換效率可根據(jù)需求不斷優(yōu)化。共享內(nèi)存交換結(jié)構(gòu)的交換性能取決于共享內(nèi)存的存取速率，可擴(kuò)展性較差，尤其當(dāng)板卡端口數(shù)量較多時(shí)，交換效率有所下降。

　　Crossbar是一種嚴(yán)格的非阻塞交換結(jié)構(gòu)，輸入/輸出之間可建立多條通路。Crossbar采用連接式，即N×N的交叉矩陣。Crossbar使用調(diào)度器，根據(jù)各輸入點(diǎn)相關(guān)的信息，運(yùn)算調(diào)度算法得到輸入和輸出之間的一個(gè)匹配，并配置相應(yīng)交叉點(diǎn)。調(diào)度器的效率非常關(guān)鍵，決定了Crossbar的交換速率[1-3]，因此調(diào)度算法必須高度完善。但Crossbar同樣存在擴(kuò)展性的問題，即交換矩陣的交叉點(diǎn)會隨著輸入/輸出數(shù)量的增多呈指數(shù)增長。為維持無阻塞交換，需不斷完善和改進(jìn)調(diào)度算法，代價(jià)是開發(fā)的技術(shù)成本越來越高，核心交換芯片的面積也越來越大。另外，Crossbar也同樣不能避免排隊(duì)仲裁，傳輸效率受到一定影響和限制。但相比共享內(nèi)存結(jié)構(gòu)，Crossbar效率和擴(kuò)展性都比較好[4]，目前大部分高端路由器都使用Crossbar交換結(jié)構(gòu)。

　　基于靜態(tài)隨機(jī)存儲器(SRAM)的交換矩陣輸入端口虛擬輸出隊(duì)列(VOQ)的設(shè)計(jì)同時(shí)結(jié)合了共享內(nèi)存和Crossbar兩種交換方式的優(yōu)點(diǎn)，將輸入端口中的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)移至片外，用高效地調(diào)度算法對虛擬輸出隊(duì)列進(jìn)行調(diào)度，可以有效的減小核心交換芯片的面積，并提高數(shù)據(jù)報(bào)文的讀取速率。

　　1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　由于核心路由器交換矩陣硬件實(shí)現(xiàn)簡單，已經(jīng)在越來越多的ATM交換機(jī)和高性能路由器中使用。當(dāng)輸入端口使用單一的FIFO排隊(duì)機(jī)制時(shí)，HOL(Headof Line)阻塞使得開關(guān)吞吐率最多只能利用58%[5]，因此，在目前輸入緩沖的交換設(shè)備中，輸入端口一般采用VOQ虛擬輸出隊(duì)列技術(shù)，即每個(gè)輸入端口為到達(dá)不同輸出端口的信元設(shè)置不同的FIFO隊(duì)列。虛擬輸出隊(duì)列技術(shù)的采用消除了HOL阻塞。

　　核心路由器交換矩陣主要由三個(gè)模塊組成，即調(diào)度模塊，輸入模塊，輸出模塊。調(diào)度模塊主要用來分析輸入端口的緩存數(shù)據(jù)報(bào)文的目的地址，根據(jù)輸入端口各個(gè)虛擬輸出隊(duì)列的調(diào)度請求，使用iSLIP調(diào)度算法8控制輸入端口與輸出端口之間的連接，防止隊(duì)列的鏈頭阻塞[6]。

　　輸入模塊主要是用來將從線卡上接收的數(shù)據(jù)報(bào)文存入不同的基于SRAM的虛擬輸出隊(duì)列，同時(shí)向調(diào)度器發(fā)出調(diào)度請求，當(dāng)接收到調(diào)度指令后，將報(bào)文發(fā)往輸出端口。輸出模塊是用來接收輸入端口發(fā)來的數(shù)據(jù)報(bào)文，并將其重新組合成完整的數(shù)據(jù)包發(fā)送出去，同時(shí)給調(diào)度器一個(gè)反饋指令，交換矩陣的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

　　圖1交換矩陣整體結(jié)構(gòu)

　　2VOQ虛擬輸出隊(duì)列設(shè)計(jì)

　　影響Crossbar交換效率的因素主要是輸入排除鏈頭阻塞問題和調(diào)度算法的選擇。輸入排隊(duì)鏈頭阻塞問題的解決方案就是采用給每個(gè)輸入到輸出建立一個(gè)虛擬緩沖隊(duì)列的輸入排隊(duì)交換內(nèi)核的體系結(jié)構(gòu)，基本思想是每一個(gè)輸入端口在其輸入緩沖器中為每一個(gè)輸出端口保存一個(gè)先進(jìn)先出(FIFO)隊(duì)列。對于8×8的交換結(jié)構(gòu)，共有8×8個(gè)VOQ.到達(dá)輸入端口的信元按照它的輸出端口，置入相應(yīng)的VOQ隊(duì)列中。在每個(gè)交換時(shí)隙，調(diào)度器調(diào)度所有VOQ，使得每一個(gè)輸出端口只有一個(gè)VOQ接受服務(wù)，然后發(fā)送其最前端的分組，不僅消除了由FIFO隊(duì)列造成的鏈頭阻塞，更不用考慮設(shè)置加速比問題，VOQ的具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　圖2VOQ虛擬輸出隊(duì)列設(shè)計(jì)