现代交换第七章3

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1、7.4.3基于Crossbar的交换结构一、开关矩阵型 下图给出了开关矩阵两种实现方式，图（a）中的交叉接点是一个22的开关，开关有2个状态：bar和cross。这些开关的状态是根据每个信元的路由标签（即输出端口号）设置的，其保持时间是一个信元时隙。图（b）所示的是开关矩阵型的另一种实现方式，每个交叉点是一个11开关加上可能的缓存器及控制逻辑。开关矩阵型结构可用作多级交换网络中的交换单元。(a)42131234(b)11234432纵向输入横向输入横向输出纵向输出cross状态bar状态二、全互连型 全互连就是在每个输入与每个输出之间都有一条分离的路径，对于NN的交换结构，就有N2个路径，因此

2、又称为N2分离路径型。下图给出了两种全互连型结构。需要指出的是，有时并不严格区分开关矩阵型和分离路径型，而通称为Crossbar型，其共同特征都是复杂度随N2增长的单路径内部无阻塞结构。(a)12NN2112N12N(b)7.4.4ATM多级交换网络一、Banyan网络 Banyan网可以分为一些子类，L级Banyan是其中的一类，其特征是只有相邻级之间才有链路相连，这意味着任何输入到任何输出之间的路径都经过L级。 L级Banyan网又可分为规则Banyan和不规则Banyan，前者表示构成Banyan网络的各个交换单元（SE）都是等同的，后者则不然。 如果Banyan网中各个SE不但是等同的

3、，而且每个SE的入线数等于出现数，则称此规则Banyan为矩形Banyan网。 在实际中，有时就将有22 SE构成的单路径网络称为Banyan网。88的3级Banyan网举例 下图给出了N=8的由22 SE构成的3级Banyan网。从图可以看出，与基于开关矩阵型结构或全互连结构的Crossbar不同，Banyan网是基于树型拓扑结构的。但每个SE却是基于Crossbar的结构，22 的SE也是具有bar和cross两种状态，每个输入通过3级SE可以到达任何输出。如果每个SE内部具有缓冲器，称为缓冲型Banyan网，否则就称为无缓冲型Banyan网。0132765432104765Banyan网

4、的特性（1） 树型结构特性：从Banyan网的任一输入端口（或输出端口）引出的一组路径形成了2分支树。级数越多，分支越多，级数k=log2N。（2） 单路径特征：Banyan的任一输入端到任一输出端之间，具有1条且仅有1条路径。（3） 自选路由特征：Banyan网可以使用对应于路由标签的输出端口号的的2进制码来自动选路，使信元到达所需的输出端。（4） 内部竞争性：Banyan是具有内部竞争的有阻塞网络。（5） 可扩展性：Banyan网的结构有一定规律，可以采用规则的扩展方法将较小容量和规模的Banyan网扩展成较大规模。这种有规则的连接有利于VLSI的实现。自选路由和内部竞争示例自选路由 每级

5、SE依次按照路由标签中的某一位来自动选路。下图给出了输入端3到达的信元要送到输出端5（101），于是第一级至第三级SE依次按1、0、1来选路。内部竞争内部竞争 图中给出了在同一时隙，输入端6至输出端4要传送信元时，会在级间链路上产生冲突。二、Clos网络 NNClos网络的基本结构如下图所示，这种3级Clos网络可记为（N,n,m）。显然，在Clos网络任何一对输入端与输出端之间有m条可供选择的路径，每一条路径通过不同的中间级交换单元，因而Clos网属于多路径网络。用于ATM交换的Clos网，每个SE的开关状态是根据ATM信元的路由标签而改变的。N/nN/nmN/nmN/nmmmmmnnnn1

6、11N/nmN/nNN7.4.5ATM交换网络的信元缓存策略 ATM交换网络的结构与信元缓存器的设置是不可分割的。设置缓存器的目的是解决输出冲突问题。这里将专门讨论ATM交换网络的缓存器设置问题。一、 输入缓存 输入缓存（输入排队）是在交换网络的每个输入端设置信元缓存器，如图所示。输入缓存一般采用简单的先进先出（FIFO）的排队规则。4232241112341234排头（HOL）阻塞现象 输入缓存方式中，队首信元将竞争输出端口。若两个或两个以上的队首信元的输出端口号相同，就发生了竞争。竞争的结果，在一个时隙只能有一个队首队首信元输出到目的端口，其余队首信元暂时停留在输入缓存器的队首位置，等待下

7、一轮（下一时隙）的竞争和输出。 输入缓存方式存在排头（HOL）阻塞现象。所谓HOL阻塞，是指自发生出线竞争时，由于竞争失败的信元排在队列的头部，而使排在后面的去往空闲出线的信元也不能被传送这样一种现象。HOL阻塞效应会使交换网络的吞吐率降低。为了提高输入缓存方式的吞吐率，可以在输入缓存的队列设置和排队规则加以改进，当然这会增加硬件和控制的复杂性。二、 输出缓存 输出缓冲是在每条出线上设置缓冲器，其典型例子是共享总线交换结构。当入线数为N时，要做到无冲突，就要提高缓存器的输入速率，所以共享总线的速率确定为入线速率的N倍，于是引入了加速因子。 当加速因子等于N时，完全消除了输出冲突，吞吐率可达到1

8、，但对内部速率的要求较高。为此可使加速因子小于N，例如等于K，1KN。这样，每一输出缓存器同时最多只能接收K个信元；如果有多于K个信元去往同一端口，就要按一定准则选取其中的K个信元，其余的信元就将被丢弃。应选择合适的K值，以保持较好的性能。三、 输入输出缓存 采用单纯的输出缓冲时，如果加速因子小于N，会发生信元丢失。如果同时在输入端也设置缓存器，在发生出线竞争时，受加速因子限制而不能同时传送到输出缓存器的信元可以暂存在输入缓存中，从而可避免信元的丢失，这就是输入与输出缓存相结合的方式。下图示出采用输入输出缓存的多平面Banyan网。Banyan1Banyanr1122NN四、 交叉点缓存交叉点

9、缓冲是在Crossbar结构中的每个交叉点设置缓存器，下图表示具有交叉点缓存的NN crossbar结构。交叉点缓存Crossbar可以用作单级网络或多级网络内部的交换单元（SE）。交叉点缓冲不存在HOL阻塞现象，可以达到类似于输出缓存的性能，而且不要内部加速，缺点是所有存储器的数量较多。N2112N五、 共享缓存共享缓存是共享存储器交换结构中采用的缓存方式。这种交换结构可作为单级交换网络，也可用作多级交换网络中的交换单元(SE)。在共享缓冲区内对应每个输出端设一个逻辑队列。当信元输入时，是按信元的目的端口号写入相应的输出队列，排队等待调度。 共享存储器应具有一定的容量，使信元丢失率保持在一定

10、限度一下。存储器容量不但与要求的交换容量、流入负荷和业务流模型有关，而且与队列管理方式有关。存储器可以有完全共享和完全分离两种方式，两种方式各有优缺点，折衷方式能更有效地提高存储区的利用率。分组交换 信令系统 ATM交换技术习题1. 什么是数据通信？数据通信系统由哪些部分构成？2. 试比较数据报方式和虚电路方式的优缺点。3分组头格式由哪几部分组成及各部分的意义？4说明虚电路和逻辑信道的区别。5为什么说帧中继是分组交换的改进？6什么是信令？信令有哪些分类？7比较说明端到端方式和逐段转发方式的工作原理及特点8公共信道信令主要优点有哪些？9试说明七号信令系统的应用。10七号信令的基本信令单元有哪几种？请画图说明他们的格式。11画出ATM信元的格式，并说明UNI和NNI信元格式有何不同？12一个信元中，VPI/VCI的作用是什么？13ATM分层模型由哪些部分组成？ATM信元传送时是如何完成信元定界功能的？14 简述ATM的特点。