《電子技術應用》
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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：電子技術應用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.北京大學深圳研究生院 深圳融合網(wǎng)絡集成播控技術工程實驗室 深圳市云計算關鍵技術和應用重點實驗室，廣東 深圳518055； 2.深圳市高級中學 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，構造適合組播的排序結構；結合已建立的多路徑自路由結構；最終構造出基于代數(shù)分配格的線速組播交換結構。同時，研究此結構應用于大規(guī)模組播交換的方法，并設計支持該結構的自路由組播線速扇出復制過程的帶內信令機制和控制機制。
中圖分類號： TP393
文獻標識碼： 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)已進入下一代網(wǎng)絡時期，2010年Arbor公司與美國密西根大學的一份聯(lián)合研究報告指出，視頻服務已成為當今互聯(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度和硬件電路線速扇出拷貝兩種方式。前者實時性差且無質量保證；而后者時延有保證，實現(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)模組播路由交換結構是實現(xiàn)高質量組播的關鍵。
1 系統(tǒng)的理論基礎
    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構；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構
    參考文獻[2]中構造了多路徑自路由結構，該結構完全自路由[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的交換結構。
1.2 支持線速組播的排序單元
    交換結構最小單元為2&times;2排序單元，如圖2所示。該2&times;2排序單元可以按帶內信令來實現(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一步定義?贅route={0-bound，1-bound，idle}，則原來10<00<11的線性排序關系等價于：0-bound<idle<1-bound。
    當2&times;2排序單元應用于組播時，必須增加組播狀態(tài)，如圖3所示。
    基于支持線速組播的2&times;2排序單元定義的新帶內信令和相應的交換控制方式如表2所示。

2 系統(tǒng)設計與分析
    使用Altera公司的StratixIV系列FPGA實現(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：進行路由查找表，生成lpm添加頭；
    (4)Splitter：負責將數(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：負責交換網(wǎng)絡，實現(xiàn)信元交換；
    (6)Reassemble：負責將到達信元重組為完整的數(shù)據(jù)包，并生成包起始標注頭；
    (7)Tx_queue：負責將數(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)中行進時，子模塊要從數(shù)據(jù)包中提取信息生成相應的包頭。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行功能配置以及讀取子模塊內部信號供調試。圖5為寄存器系統(tǒng)構造圖。

    寄存器系統(tǒng)采用流水線結構。寄存器間以特定接口串行連接。每個寄存器只響應自己的讀寫請求。相比于星形拓撲結構，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，實現(xiàn)了主機與各子模塊間的數(shù)據(jù)交互。
3 系統(tǒng)真實組播流量測試
    測試環(huán)節(jié)使用 IXIA 400T網(wǎng)絡測試儀。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，可實現(xiàn)組播、單播功能。下一步將進行更加復雜的測試以檢驗系統(tǒng)各方面性能。

 

 

    本文基于分配格理論構造了組播排序單元，并結合多路徑自路由結構構造出線速組播交換系統(tǒng)。同時，在FPGA芯片上實現(xiàn)，并通過網(wǎng)絡測試儀進行了真實流量測試。目前，系統(tǒng)整體規(guī)模還較小，距大規(guī)模實際應用還有一定距離。但通過本項目，加深了理論認識，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
[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.負載均衡自路由交換結構[J]. 通信學報，2009，30(5)：9-15.
[5] 李揮，林良敏，黃佳慶，等.具有最小緩存復雜度的負載均衡交換方法[J].電子學報，2009，37(11)：2367-2372.

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