交換式路由技術
雖然計算機工業(yè)在近幾年引入了越來越高速的共享式總線，從ISA到EISA直至現(xiàn)在的PCI。但是這仍然跟不上網(wǎng)絡發(fā)展的步子。首先,共享總線不可避免內(nèi)部沖突；第二，共享總線的負載效應使得高速總線的設計難度太大。
1．單級交換結構
交換結構的引入逐步克服了共享總線的以上缺點。從技術上,目前使用較多的交換結構有共享內(nèi)存和Crossbar兩種。而Crossbar的結構由于其簡單性得到了更多的青睞和更廣泛的采用。
共享內(nèi)存結構是通過共享輸入輸出端口的緩沖器，從而減少了對總存儲空間的需求。分組的交換是通過指針調(diào)用來實現(xiàn)的，這提高了交換容量。但它的速度受限于內(nèi)存的訪問速度。
Crossbar結構可以同時提供多個數(shù)據(jù)通路。一個Crossbar結構由N×N交叉矩陣構成。當交叉點（X，Y）閉合時，數(shù)據(jù)就從X輸入端輸出到Y輸出端。交叉點的打開與閉合是由調(diào)度器來控制的。因此，Crossbar結構的速度要取決于調(diào)度器的速度。調(diào)度器是Crossbar交換結構的核心，它在每個調(diào)度時隙內(nèi)收集各輸入端口有關數(shù)據(jù)包隊列的信息，經(jīng)過一定的調(diào)度算法得到輸入端口和輸出端口之間的一個匹配，提供輸入端口到輸出端口的通路。
Crossbar結構可以支持高帶寬的原因主要有兩個:第一,線路卡到交換結構的物理連接現(xiàn)在簡化為點到點連接,這使得該連接可以運行在非常高的速率。半導體廠商目前已經(jīng)可以用傳統(tǒng)CMOS技術制造出1Gbit/s速度的點對點串行收發(fā)芯片,并且可以在今后幾年里把速度進一步提高到4～10Gbit/s的水平。第二個原因是它的結構可以支持多個連接同時以最大速度傳輸數(shù)據(jù),這一點極大的提高了整個系統(tǒng)的吞吐量。只要同時閉合多個交叉節(jié)點，多個不同的端口就可以同時傳輸數(shù)據(jù)。從這個意義上，我們稱所有的Crossbar在內(nèi)部是無阻塞的,因為它可以支持所有端口同時以最大速率傳輸(或稱為交換)數(shù)據(jù)。
數(shù)據(jù)包通過Crossbar的時候,可以是以定長單元的形式(通過數(shù)據(jù)包的定長分割),也可以不進行分割直接進行變長交換。一般高性能的Crossbar交換結構都采用了定長交換的方式,在數(shù)據(jù)包進入Crossbar以前把它分割為固定長度的cells,等這些cells通過交換結構以后再按照原樣把它組織成原來的變長包(packet)。
交叉開關和共享內(nèi)存都能夠達到比較高的吞吐率。共享內(nèi)存的特點是實現(xiàn)簡單，能達到比較高的吞吐率,但是其可擴展性比較差,當線路接口卡數(shù)量較多時,性能將受到一定的影響。而交叉開關能夠達到比較高的速率,擴展性好,但是需要設計完善的調(diào)度算法并用高速硬件實現(xiàn)調(diào)度器。隨著人們對交叉開關調(diào)度算法研究的深入,已經(jīng)設計并實現(xiàn)了許多性能良好、實現(xiàn)簡單的調(diào)度算法。因此,目前高性能路由器都趨向于使用交叉開關作為交換結構。
但是交叉開關和共享內(nèi)存結構仍屬于單級交換結構范疇。當考慮大型系統(tǒng)時，單級交換結構有兩個基本問題。第一、對于小規(guī)模系統(tǒng)，每端口成本還算合理，但隨著規(guī)模的擴大，其成本漲得也特快。第二、所有的單級交換結構在技術上受限于其尺寸與速度。一旦達到這些極限，單級交換機無法再增加端口或提升線路速率。正因為如此，可擴展的交換系統(tǒng)必須采用多級結構。
2. 多級交換結構
多級交換結構是由多個交換單元互聯(lián)起來的，每個交換單元具有一整套輸入輸出，與普通交換機類似，提供輸入輸出的連接。通過互聯(lián)多個小的交換單元，就可以制造一個大型的、可擴展的交換結構。多級結構之間的不同取決于交換單元之間是如何互聯(lián)的。典型的結構包括Benes網(wǎng)、Butterfly網(wǎng)、Clos網(wǎng)等形式。
Benes網(wǎng)使用方形交換單元（即：輸入輸出端口數(shù)相同）進行多級互聯(lián)。一般來說，3級N部Benes網(wǎng)的每一級均可以用N個輸入/輸出端口和N個交換單元來構造（如圖4所示）。這個格形結構在每個輸入端和每個輸出端之間形成N個可能的通路。Benes輸出可以擴展至任意奇數(shù)級。 |
