一种用于输入队列交换机的混合队列架构与混合调度方法技术

本发明专利技术公开了一种用于输入队列交换机的混合队列架构与混合调度方法。输入输出端口之间经交换结构进行数据分组的传输，中心调度器执行调度算法并完成交换结构的配置，输入端口中建立两类虚拟输出队列，增设流虚拟输出队列；新到达输入端口的数据分组经过滤器被分配至两类虚拟输出队列中，由中心调度器采用整合帧预留和基于时隙的混合调度方法对输入到输入端口的数据分组进行调度并对交换机的交换结构进行配置。本发明专利技术能够在兼容现有Internet输入队列交换机的虚拟输出队列技术的同时为确定性业务提供流粒度的QoS服务，减少分组进入队列和离开队列的时间，且能够将未使用的预留资源共享给所有的非确定性业务，实现资源利用率最大化。

A Hybrid Queue Architecture and Hybrid Scheduling Method for Input Queue Switches

【技术实现步骤摘要】
一种用于输入队列交换机的混合队列架构与混合调度方法
本专利技术涉及输入队列交换机领域的一种调度方法，尤其涉及一种用于输入队列交换机的混合队列架构与混合调度方法。
技术介绍
随着通信需求的快速增长，大量的具有严格的服务质量(QoS，QualityofService)的新应用(如工业自动化)，要求网络可以提供有保证的QoS。但目前大多数商用交换机/路由器旨在实现更高的吞吐量和更低的互联网尽力而为流量平均延迟，而无法提供有保证的QoS。充分利用交换机的同时，仍然给某些特定的流量提供确定性服务的问题一直尚未解决。作为交换网络中的核心设备，交换机/路由器是确定性网络的重要组成部分。传统的输出队列交换机可以通过在每个输出端口采用一些带宽预留算法(例如WFQ算法)来提供有保证的QoS。然而，输出队列交换机面临着糟糕的N-Speedup问题，这使得它们难以应用于实际的高速交换网络当中。输入队列交换机，无需进行N倍加速，更适合大规模交换网络。为了消除线头阻塞问题，输入队列交换机可以使用虚拟输出队列(VOQ)技术。输入队列交换机的调度方式主要分为两个方向：基于时隙和基于帧。基于时隙的迭代调度算法采用迭代调度的策略，它根据每个VOQ的实时队列状态确定每个时隙输入和输出之间的匹配规则。迭代调度算法(例如，优先级iSLIP)通常分为三个步骤，包括：请求，授权和接受。基于时隙的迭代调度算法着重于如何提高输入和输出之间的匹配效率，并且由于此类算法是基于实时队列状态而进行端口匹配，通常具有高资源利用率的特点。但这些算法的主要问题是它们无法实现资源预留或提供有保证的QoS。基于帧的保证QoS调度算法假设可以通过一些预留协议(例如RSVP和SDN)预先知道每个端口对之间的业务需求。使用一个N×N的矩阵T描述在一个调度帧中，每个输入和输出端口对之间的确定性业务的预留时隙之和。基于帧的调度算法需要将T分解为F置换子矩阵Mk。其中Mk表示该调度帧中第k个时隙的输入输出端口对的匹配规则。由于基于帧的调度是静态的，因此如果预留的VOQ为空，则基于帧的调度方法面临资源浪费的问题。目前仍然缺乏一种高效的调度解决方案，不仅可实现与基于时隙的调度解决方案类似的高资源利用率，而且还能够提供像基于帧的调度算法那样的有保证的QoS服务。
技术实现思路
为了解决
技术介绍
中存在的问题，本专利技术所提供一种用于输入队列交换机的混合队列架构与混合调度方法，用以在实现在为确定性业务提供有保证的QoS的同时，能够实现高资源利用率。本专利技术采用的技术方案是：本专利技术的输入队列交换机包括输入端口和输出端口，输入端口作为交换结构的输入，输出端口作为交换结构的输出，输入端口和输出端口之间经交换结构进行数据分组的传输，输入端口和交换结构均连接中心调度器，由中心调度器对输入到输入端口的数据分组进行调度并对交换机的交换结构进行配置；输入队列交换机中，缓存位于各个输入端口，每一个输入端口中建立两类虚拟输出队列，分别为端口虚拟输出队列(portQ，PortVOQ)和流虚拟输出队列(flowQ，FlowVOQ)，构成了混合队列架构；对于每一个输入端口，新到达输入端口的数据分组经过滤器被分配至端口虚拟输出队列portQ或流虚拟输出队列flowQ中，由中心调度器采用整合帧预留和基于时隙的混合调度方法进行调度。为了实现对确定性用户的资源预留并减少由于预留给确定性用户但未被使用而导致的资源浪费，本专利技术提出了整合帧预留和基于时隙的混合调度方法。每一个输入端口采用单级的队列结构，被划分为两个虚拟输出队列集合，分别包括：端口虚拟输出队列集合，分为N个独立的端口虚拟输出队列portQ，每个端口虚拟输出队列portQ存储当前输入端口到同一个输出端口的所有非确定性业务的数据分组；流虚拟输出队列集合，分为M个独立的流虚拟输出队列flowQ，每个流虚拟输出队列flowQ存储一条确定性业务流的数据分组，用以实现流粒度的确定性服务。本专利技术中，确定性业务指的是需要交换机预留带宽资源并提供有保证的QoS服务的一种网络业务，符合国际互联网工程任务组的确定性网络协议所定义的确定性业务类型。非确定性业务指的是不需要交换机预留带宽资源和提供有保证的QoS服务的其他网络业务。具体实施中，流虚拟输出队列flowQ中可能存在空的队列，也存在非空队列。端口虚拟输出队列portQ同样也是。所述的整合帧预留和基于时隙的混合调度方法，具体分为端口预匹配和端口重匹配两个阶段。在端口预匹配阶段，中心调度器通过网络控制协议(例如rsvp协议)实时传输获取到确定性业务的带宽资源预留信息，中心调度器根据确定性业务的带宽资源预留信息，依次采用基于帧的矩阵拆解算法和基于通用处理器共享理论的流调度算法，预先获得当前一时间帧内每个时隙预留带宽资源的流虚拟输出队列flowQ以及每个时隙下预留的流虚拟输出队列flowQ对应的输入端口和输出端口组成的端口对匹配方式，作为预匹配结果；在端口重匹配阶段，针对每一个时隙，中心调度器根据预匹配结果以及各个流虚拟输出队列flowQ和端口虚拟输出队列portQ的实时队列状态，保留当前时隙下预留带宽资源的且非空的流虚拟输出队列flowQ所对应的预匹配结果，并采用基于时隙迭代的调度方式将所有预留带宽资源但未被使用的带宽资源或者未预留的带宽资源共享至所有的非空的端口虚拟输出队列portQ。基于帧的矩阵拆解算法可以采用GLJD等矩阵拆解算法，基于通用处理器共享理论的流调度算法可采用通用处理器共享理论调度算法。所述的端口预匹配阶段中，只有当确定性业务的带宽资源预留信息或者交换机的总带宽资源发生变化时，才进入端口预匹配阶段；同时，中心调度器不根据端口预匹配阶段的预匹配结果进行交换机的交换结构配置，而是将预匹配结果用于作为端口重匹配阶段的输入信息。所述的端口重匹配阶段中，在每一个时隙均进入端口重匹配阶段，当前时隙开始时进行以下判断：若该时隙下，预留带宽资源的流虚拟输出队列flowQ非空，则将该流虚拟输出队列flowQ对应的预匹配结果保留；若该时隙下，预留带宽资源的流虚拟输出队列flowQ为空且对应的预留结果作为预留但未被使用的带宽资源，或者存在未预留的带宽资源，则采用基于时隙迭代的调度方式，将上述预留但未被使用或者未预留的带宽资源共享至所有的非空的端口虚拟输出队列portQ使用，即分配给所有的非空的端口虚拟输出队列portQ使用；本专利技术的预留但未被使用的带宽资源只会共享给非空的端口虚拟输出队列portQ，而不是未预留的流虚拟输出队列flowQ。具体如下：在端口重匹配阶段中，中心调度器为每个输入端口和每个输出端口分别维护一个轮询指针，采用多次迭代的方式进行输入端口和输出端口之间的匹配，每次的迭代包括：S1、请求阶段：如果当前为第一次迭代，则进行以下处理：如果当前时隙内，输入端口中预留的流虚拟输出队列flowQ为非空，则向该流虚拟输出队列flowQ对应的输出端口发送预留请求；如果当前时隙内，输入端口中预留的流虚拟输出队列flowQ为空或者输入端口没有预留的流虚拟输出队列flowQ，则向所有非空的端口虚拟输出队列portQ对应的输出端口发送非预留请求；如果当前不为第一次迭代，则进行以下处理：如果当前时隙内，输入端口已经在该时隙的前几次迭代的接受阶段接受本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于输入队列交换机的混合队列架构与混合调度方法，其特征在于：输入队列交换机包括输入端口(205)和输出端口，输入端口(205)作为交换结构的输入，输出端口作为交换结构的输出，输入端口(205)和输出端口之间经交换结构进行数据分组的传输，输入端口(205)和交换结构均连接中心调度器(206)，由中心调度器(206)对输入到输入端口的数据分组进行调度并对交换机的交换结构进行配置；输入队列交换机中，缓存位于各个输入端口，每一个输入端口中建立两类虚拟输出队列，分别为端口虚拟输出队列(portQ，PortVOQ)和流虚拟输出队列(flowQ，FlowVOQ)，构成了混合队列架构；对于每一个输入端口，新到达输入端口的数据分组经过滤器(201)被分配至端口虚拟输出队列portQ(202)或流虚拟输出队列flowQ(203)中，由中心调度器(206)采用整合帧预留和基于时隙的混合调度方法进行调度。

【技术特征摘要】
1.一种用于输入队列交换机的混合队列架构与混合调度方法，其特征在于：输入队列交换机包括输入端口(205)和输出端口，输入端口(205)作为交换结构的输入，输出端口作为交换结构的输出，输入端口(205)和输出端口之间经交换结构进行数据分组的传输，输入端口(205)和交换结构均连接中心调度器(206)，由中心调度器(206)对输入到输入端口的数据分组进行调度并对交换机的交换结构进行配置；输入队列交换机中，缓存位于各个输入端口，每一个输入端口中建立两类虚拟输出队列，分别为端口虚拟输出队列(portQ，PortVOQ)和流虚拟输出队列(flowQ，FlowVOQ)，构成了混合队列架构；对于每一个输入端口，新到达输入端口的数据分组经过滤器(201)被分配至端口虚拟输出队列portQ(202)或流虚拟输出队列flowQ(203)中，由中心调度器(206)采用整合帧预留和基于时隙的混合调度方法进行调度。2.根据权利要求1所述的一种用于输入队列交换机的混合队列架构与混合调度方法，其特征在于：每一个输入端口采用单级的队列结构，被划分为两个虚拟输出队列集合，分别包括：端口虚拟输出队列集合，分为N个独立的端口虚拟输出队列portQ(202)，每个端口虚拟输出队列portQ(202)存储当前输入端口到同一个输出端口的所有非确定性业务的数据分组；流虚拟输出队列集合，分为M个独立的流虚拟输出队列flowQ(203)，每个流虚拟输出队列flowQ(203)存储一条确定性业务流的数据分组。3.根据权利要求1所述的一种用于输入队列交换机的混合队列架构与混合调度方法，其特征在于：所述的整合帧预留和基于时隙的混合调度方法，具体分为端口预匹配和端口重匹配两个阶段：在端口预匹配阶段，中心调度器通过网络控制协议(例如rsvp协议)实时传输获取到确定性业务的带宽资源预留信息，中心调度器根据确定性业务的带宽资源预留信息，依次采用基于帧的矩阵拆解算法和基于通用处理器共享理论的流调度算法，预先获得当前一时间帧内每个时隙预留带宽资源的流虚拟输出队列flowQ(203)以及每个时隙下预留的流虚拟输出队列flowQ(203)对应的输入端口和输出端口组成的端口对匹配方式，作为预匹配结果；在端口重匹配阶段，针对每一个时隙，中心调度器根据预匹配结果以及各个流虚拟输出队列flowQ(203)和端口虚拟输出队列portQ(202)的实时队列状态，保留当前时隙下预留带宽资源的且非空的流虚拟输出队列flowQ(203)所对应的预匹配结果，并采用基于时隙迭代的调度方式将所有预留带宽资源但未被使用的带宽资源或者未预留的带宽资源共享至所有的非空的端口虚拟输出队列portQ(202)。4.根据权利要求1所述的一种用于输入队列交换机的混合队列架构与混合调度方法，其特征在于：所述的端口预匹配阶段中，只有当确定性业务的带宽资源预留信息或者交换机的总带宽资源发生变化时，才进入端口预匹配阶段；同时，中心调度器(206)不根据端口预匹配阶段的预匹配结果进行交换机的交换结构配置，而是将预匹配结果用于作为端口重匹配阶段的输入信息。5.根据权利要求1所述的一种用于输入队列交换机的混合队列架构与混合调度方法，其特征在于：所述的端口重匹配阶段中，在每一个时隙均进入端口重匹配阶段，当前时隙开始...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄炀，胡冰，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33