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基于分配格理論的大規(guī)模線速組播交換系統(tǒng)

來源：電子技術(shù)應(yīng)用2012年第11期

崔凱1，李恪聃2，塵福興1，朱鷙璞1，朱躍生1

1.北京大學(xué)深圳研究生院深圳融合網(wǎng)絡(luò)集成播控技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室深圳市云計(jì)算關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東深圳518055； 2.深圳市高級中學(xué) 高二國際一班，廣東深圳518040

摘要： 采用Altera公司的StratixIV系列FPGA芯片為平臺，根據(jù)代數(shù)分配格理論，構(gòu)造適合組播的排序結(jié)構(gòu)；結(jié)合已建立的多路徑自路由結(jié)構(gòu)；最終構(gòu)造出基于代數(shù)分配格的線速組播交換結(jié)構(gòu)。同時，研究此結(jié)構(gòu)應(yīng)用于大規(guī)模組播交換的方法，并設(shè)計(jì)支持該結(jié)構(gòu)的自路由組播線速扇出復(fù)制過程的帶內(nèi)信令機(jī)制和控制機(jī)制。

關(guān)鍵詞： 組播交換結(jié)構(gòu) 分配格多路徑自路由結(jié)構(gòu) FPGA

中圖分類號： TP393
文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
文章編號： 0258-7998(2012)11-0019-03

Large-scale wire-speed multicast switching fabric based on distributive lattice

Cui Kai1，Li Kedan2，Chen Fuxing1，Zhu Zhipu1，Zhu Yuesheng1

1.Shenzhen Eng. Lab of Converged Networks Technology, Shenzhen Key Lab of Cloud Computing Tech. & App., Shenzhen Graduate School of Peking University, Shenzhen 518055，China； 2.Class 1，Grade 2, International Division, Shenzhen Senior High School，Shenzhen 518040，China

Abstract： Using distributive lattice theory， a wire-speed multicast switching fabric based on a multi-path self-routing fabric structure is constructed which is implemented on the platform of an Altera StratixIV FPGA chip. Also, it is investigated how the structure is used in large scale multicast switching fabric，and the signaling system and control mechanism are designed to support the process of self-routing and wire-speed fan-out copy of multicast packets.

Key words : multicast switching fabric；distributive lattice；multi-path self-routing fabric structure；FPGA

互聯(lián)網(wǎng)已進(jìn)入下一代網(wǎng)絡(luò)時期，2010年Arbor公司與美國密西根大學(xué)的一份聯(lián)合研究報告指出，視頻服務(wù)已成為當(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)主流[1]。

   視頻流有一個典型特性——組播。組播可分為多次單播軟件調(diào)度和硬件電路線速扇出拷貝兩種方式。前者實(shí)時性差且無質(zhì)量保證；而后者時延有保證，實(shí)現(xiàn)組播性能好。所以，能夠支持硬件電路線速扇出拷貝的大規(guī)模組播路由交換結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量組播的關(guān)鍵。
1 系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)
   系統(tǒng)核心分為兩部分：一是基于群論的多路徑自路由交換結(jié)構(gòu)；二是基于代數(shù)分配格的排序單元。
1.1 多路徑自路由交換結(jié)構(gòu)
   參考文獻(xiàn)[2]中構(gòu)造了多路徑自路由結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)完全自路由[3]，高度模塊化。G為群組，M為群組數(shù)[4]，通信的波動和突發(fā)性引起的分組丟失率會隨G值增大而成指數(shù)趨勢減小[5]。圖1所示為一個M=16、G=8的交換結(jié)構(gòu)。
1.2 支持線速組播的排序單元
   交換結(jié)構(gòu)最小單元為2×2排序單元，如圖2所示。該2×2排序單元可以按帶內(nèi)信令來實(shí)現(xiàn)自路由：10<00<11，具體控制方式如表1所示。
   基于分配格理論可以進(jìn)一步定義?贅route={0-bound，1-bound，idle}，則原來10<00<11的線性排序關(guān)系等價于：0-bound<idle<1-bound。
   當(dāng)2×2排序單元應(yīng)用于組播時，必須增加組播狀態(tài)，如圖3所示。
   基于支持線速組播的2×2排序單元定義的新帶內(nèi)信令和相應(yīng)的交換控制方式如表2所示。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析
   使用Altera公司的StratixIV系列FPGA實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)。系統(tǒng)規(guī)模為M=4、G=8，按照功能可分為數(shù)據(jù)路徑系統(tǒng)與寄存器系統(tǒng)兩大部分。
2.1 數(shù)據(jù)路徑系統(tǒng)
   圖4為數(shù)據(jù)路徑系統(tǒng)的模塊圖，主要包含有7個子模塊。分別是：
   (1)Sgmii_ethernet：系統(tǒng)與外部PHY芯片的接口模塊；
   (2)Rx_queue：用于提取數(shù)據(jù)包長度等信息，生成切割模塊頭；
   (3)Lpm_lookup：進(jìn)行路由查找表，生成lpm添加頭；
   (4)Splitter：負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)包切割為等長的信元，并生成路由控制頭和分組聚合頭；
   (5)Multi-path Self-routing Fabric：負(fù)責(zé)交換網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)信元交換；
   (6)Reassemble：負(fù)責(zé)將到達(dá)信元重組為完整的數(shù)據(jù)包，并生成包起始標(biāo)注頭；
   (7)Tx_queue：負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)包發(fā)送至sgmii_ethernet模塊，完成路由交換。

數(shù)據(jù)包在系統(tǒng)中行進(jìn)時，子模塊要從數(shù)據(jù)包中提取信息生成相應(yīng)的包頭。新生成的包頭將附在原數(shù)據(jù)包包頭位置向后傳遞。系統(tǒng)還添加了2 bit的CTRL信號與數(shù)據(jù)信號并行傳送，方便數(shù)據(jù)識別和處理。
2.2 寄存器系統(tǒng)
　寄存器系統(tǒng)主要功能為對各子模塊進(jìn)行功能配置以及讀取子模塊內(nèi)部信號供調(diào)試。圖5為寄存器系統(tǒng)構(gòu)造圖。

    寄存器系統(tǒng)采用流水線結(jié)構(gòu)。寄存器間以特定接口串行連接。每個寄存器只響應(yīng)自己的讀寫請求。相比于星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，簡化了模塊插入操作。
   寄存器系統(tǒng)基于Qsys平臺搭建。使用Jtag_Avalon_Master_Bridge，基于Avalon總線規(guī)范為各子模塊添加寄存器接口，實(shí)現(xiàn)了主機(jī)與各子模塊間的數(shù)據(jù)交互。
3 系統(tǒng)真實(shí)組播流量測試
   測試環(huán)節(jié)使用 IXIA 400T網(wǎng)絡(luò)測試儀。該測試儀支持10/100/1000 G以太網(wǎng)，具備多種流量發(fā)生和流量統(tǒng)計(jì)及捕獲功能。
   圖6為測試界面，此為0端口向4個端口發(fā)送組播包。目前系統(tǒng)已通過了功能測試，可實(shí)現(xiàn)組播、單播功能。下一步將進(jìn)行更加復(fù)雜的測試以檢驗(yàn)系統(tǒng)各方面性能。

本文基于分配格理論構(gòu)造了組播排序單元，并結(jié)合多路徑自路由結(jié)構(gòu)構(gòu)造出線速組播交換系統(tǒng)。同時，在FPGA芯片上實(shí)現(xiàn)，并通過網(wǎng)絡(luò)測試儀進(jìn)行了真實(shí)流量測試。目前，系統(tǒng)整體規(guī)模還較小，距大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用還有一定距離。但通過本項(xiàng)目，加深了理論認(rèn)識，熟悉了開發(fā)環(huán)境和流程，未來將向更大規(guī)模方向發(fā)展。
參考文獻(xiàn)
[1] LABOVITZ C，JOHNSON S I，MCPHERSON D，et al.Internet inter-domain traffic[C].ACM SIGCOMM 2010，2010.
[2] Li Hui，He Wei，Chen Xi，et al.Multi-path self-routing switching structure by interconnection of multistage sorting concentrators[C].IEEE ChinaCom2007，2007.
[3] He Wei，Li Hui，Wang Bingrui，et al.Load-balanced multipath self-routing switching structure by concentrators[C]. IEEE ICC 2008，2008.
[4] 李揮，王秉睿，黃佳慶，等.負(fù)載均衡自路由交換結(jié)構(gòu)[J]. 通信學(xué)報，2009，30(5)：9-15.
[5] 李揮，林良敏，黃佳慶，等.具有最小緩存復(fù)雜度的負(fù)載均衡交換方法[J].電子學(xué)報，2009，37(11)：2367-2372.

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