[发明专利]基于隐式流分割器的负载均衡结构

说明书

所属技术领域

本发明属于互联网信息传输技术领域。

背景技术

互联网用户的迅猛增长和多媒体业务流的激增使Internet面临越来越大的数据传输压力，虽然密集波分复用技术使单个波长的数据传输率高达160Gbps，但中继系统的交换速率却远远低于光域内的数据传输率，这就使中继系统因交换速率过低而成为Internet的瓶颈。此外，长期的流量监测表明Internet数据流具有自相似性，其典型特征是数据具有突发性。因此，能够适应自相似业务流的高速交换结构就成为下一代Internet的核心技术之一。

在包长一定的情况下，提高转发速率势必要缩短时槽长度，这就必须尽可能降低调度算法的复杂度，而传统的交换结构因复杂度或加速比的原因均无法满足未来的高速交换需求。张正尚教授等人提出的负载均衡结构LB-BvN(Load Balanced Birkhoff-von Neumann switch architecture)采用确定的、周期性连接的crossbar连接模式，这种具有O(1)复杂度的crossbar连接模式可以有效缩短时槽长度从而使高速转发成为可能。但该结构会导致数据包失序，针对这一问题，国内外研究机构提出了很多方案，这些方案可分为两类：第一类通过特定机制避免数据包在转发过程中失序，如FFF(Full Frame First)和Mailbox；第二类允许数据包在转发过程中失序，但在数据包离开交换机之前要通过RB(Re-sequencing Buffer)来调整其顺序，使之按正确顺序离开，如FCFS(First Come First Served)，EDF(Earliest Deadline First)，EDF-3DQ，FOFF(Full OrderedFrames First)及Byte-Focal(参考文献：Shen Y，Panwar S S，ChaoH J.Design and performance analysis of a practical load-balancedswitch[J].IEEE.Trans.onCommunications，2009，57(8)：2420-2429.)等。

第一类方案中，FFF需要在线卡之间为寻找满帧而进行大量的通信。Mailbox的吞吐率只能达到75％，改进后的方案也只能达到95％。第二类方案中，FCFS的策略是无论数据包是否失序都延迟到最大时延值后转发，时延性能较差。EDF-3DQ是EDF的改进方案，它根据数据包的截止时间来判断是否转发，每个时槽都需要复杂度为O(N)的搜索操作来查找最紧迫的数据包。FOFF采用基于帧的转发模式，选择非满帧会造成N个时槽的带宽浪费，在低负载或N较大时，大部分都是非满帧，带宽浪费较大。

Byte-Focal结构因易于实现且性能较好而被认为是迄今为止较为理想的解决方案。其关键特性在于第一级转发所采用的DTS(Dynamic Threshold Scheme)算法确保了同一个流的相邻数据包通过相邻路径到达输出端(本文称之为相邻到达特性)，这使得在输出端可根据数据包的路径信息判断先后次序，简化了重排序过程。但DTS存在伪队头阻塞、复杂度和惯性服务的缺陷，这些不足严重影响了Byte-Focal的高速交换能力，增大了数据包的时延，降低了可扩展性，针对这些问题，我们提出基于隐式流分割器的负载均衡结构(以下称LB-IFS：Load Balanced switch architecture based on Implicit Flow Splitter)。

为便于表达，本文约定N表示交换结构的输入输出端口数。从输入端口i到达输出端口k的数据包的集合记为数据流F_i，k，记C_i，k泛指F_i，k的任意一个数据包，J_i，k表示F_i，k的一个转发请求。两级crossbar分别记为XB1，XB2，二者采用完全相同的连接模式，令i，j分别表示crossbar的输入和输出端口，XB1，XB2在t时槽的连接模式均满足(i+j)mod N＝(t+1)modN，i与j相连简记为(i--j)。若C_i，k通过XB2的输入端口j到达输出端，则称C_i，k的转发路径为j。

Byte-Focal的基本结构如图1所示。

Byte-Focal的主要问题如下：