基于SRAM的核心路由器交換矩陣輸入端口設(shè)計(jì)

摘要：交換矩陣是核心路由器的重要組成部分，為了避免來(lái)自不同輸入端口的信元同時(shí)發(fā)往同一個(gè)輸出端口，需要在輸入端口設(shè)置緩沖區(qū)，即輸入排隊(duì)交換結(jié)構(gòu)?；陟o態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器完成了交換矩陣輸入端口虛擬輸出隊(duì)列(VOQ)的設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)可以降低核心路由器交換芯片的面積，提高輸入端口緩沖區(qū)信元的響應(yīng)速率，并通過(guò)DE-115開(kāi)發(fā)板完成對(duì)設(shè)計(jì)的驗(yàn)證。
關(guān)鍵詞：交換矩陣；輸入端口；VOQ；SRAM

0 引言
隨著光纖通信技術(shù)的飛速發(fā)展，路由器的數(shù)據(jù)處理速度成為網(wǎng)絡(luò)通信的主要瓶頸，交換矩陣作為核心路由器的重要組成部分則嚴(yán)重制約了路由器的傳輸速率。目前核心路由器交換結(jié)構(gòu)使用較多的有共享內(nèi)存和Crossbar兩種。共享內(nèi)存結(jié)構(gòu)通過(guò)共享輸入和輸出端口存儲(chǔ)器件，減少了對(duì)總體存儲(chǔ)空間的需求。共享內(nèi)存結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，交換效率可根據(jù)需求不斷優(yōu)化。共享內(nèi)存交換結(jié)構(gòu)的交換性能取決于共享內(nèi)存的存取速率，可擴(kuò)展性較差，尤其當(dāng)板卡端口數(shù)量較多時(shí)，交換效率有所下降。
Crossbar是一種嚴(yán)格的非阻塞交換結(jié)構(gòu)，輸入／輸出之間可建立多條通路。Crossbar采用連接式，即N×N的交叉矩陣。Crossbar使用調(diào)度器，根據(jù)各輸入點(diǎn)相關(guān)的信息，運(yùn)算調(diào)度算法得到輸入和輸出之間的一個(gè)匹配，并配置相應(yīng)交叉點(diǎn)。調(diào)度器的效率非常關(guān)鍵，決定了Cross bar的交換速率，因此調(diào)度算法必須高度完善。但Crossbar同樣存在擴(kuò)展性的問(wèn)題，即交換矩陣的交叉點(diǎn)會(huì)隨著輸入／輸出數(shù)量的增多呈指數(shù)增長(zhǎng)。為維持無(wú)阻塞交換，需不斷完善和改進(jìn)調(diào)度算法，代價(jià)是開(kāi)發(fā)的技術(shù)成本越來(lái)越高，核心交換芯片的面積也越來(lái)越大。另外，Cross bar也同樣不能避免排隊(duì)仲裁，傳輸效率受到一定影響和限制。但相比共享內(nèi)存結(jié)構(gòu)，Crossbar效率和擴(kuò)展性都比較好，目前大部分高端路由器都使用Crossbar交換結(jié)構(gòu)。
基于靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(SRAM)的交換矩陣輸入端口虛擬輸出隊(duì)列(VOQ)的設(shè)計(jì)同時(shí)結(jié)合了共享內(nèi)存和Crossbar兩種交換方式的優(yōu)點(diǎn)，將輸入端口中的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)移至片外，用高效地調(diào)度算法對(duì)虛擬輸出隊(duì)列進(jìn)行調(diào)度，可以有效的減小核心交換芯片的面積，并提高數(shù)據(jù)報(bào)文的讀取速率。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
由于核心路由器交換矩陣硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，已經(jīng)在越來(lái)越多的ATM交換機(jī)和高性能路由器中使用。當(dāng)輸入端口使用單一的FIFO排隊(duì)機(jī)制時(shí)，HOL(Head of Line)阻塞使得開(kāi)關(guān)吞吐率最多只能利用58％，因此，在目前輸入緩沖的交換設(shè)備中，輸入端口一般采用VOQ虛擬輸出隊(duì)列技術(shù)，即每個(gè)輸入端口為到達(dá)不同輸出端口的信元設(shè)置不同的FIFO隊(duì)列。虛擬輸出隊(duì)列技術(shù)的采用消除了HOL阻塞。

核心路由器交換矩陣主要由三個(gè)模塊組成，即調(diào)度模塊，輸入模塊，輸出模塊。調(diào)度模塊主要用來(lái)分析輸入端口的緩存數(shù)據(jù)報(bào)文的目的地址，根據(jù)輸入端口各個(gè)虛擬輸出隊(duì)列的調(diào)度請(qǐng)求，使用iSLIP調(diào)度算法8控制輸入端口與輸出端口之間的連接，防止隊(duì)列的鏈頭阻塞。輸入模塊主要是用來(lái)將從線(xiàn)卡上接收的數(shù)據(jù)報(bào)文存入不同的基于SRAM的虛擬輸出隊(duì)列，同時(shí)向調(diào)度器發(fā)出調(diào)度請(qǐng)求，當(dāng)接收到調(diào)度指令后，將報(bào)文發(fā)往輸出端口。輸出模塊是用來(lái)接收輸入端口發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)報(bào)文，并將其重新組合成完整的數(shù)據(jù)包發(fā)送出去，同時(shí)給調(diào)度器一個(gè)反饋指令，交換矩陣的系統(tǒng)框圖如圖1所示。