通信专业高性能路由器内部交换网络的结构

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7.5.6 高性能路由器内部交换网络的结构
髙性能大型路由器内部通常都包含许多交换单元，这些交换单元可以是较小规模的独立路由器，也可以是基本的交换模块。它们通过内部互连网络（Interconnection Network)连接在一起。内部互连网络的性能直接影响路由器的整体交换能力。
路由器的内部互连网络除了将多个路由器或交换模块连接在一起之外，还需要提供髙速的交换能力。内部互连网络有两个重要的性能指标，一个是可扩展能力，另一个是交换性能。目前，内部互连网络的拓扑结构有多种，如单级多维网络结构、多级交换网络结构和并行交换网络结构等。下面分别简单介绍这几种比较常见的内部互连网络结构。
　　1.单级多维直接互连网络
本节介绍两种实际应用的单级多维直接互连网络，它们是：多维环型网络（Torus)和超立方体网络（Hypercube)。
环型网络结构如图7-53所示。图中分别在不同维度上给出环型网络的结构，最后一个是4x3x2的三维环型结构（3D-TomS)。图中的小圆圈代表单独的路由器节点。从图中可以看出，每个路由器节点最多与6个邻居节点相连。

超立方体网络的典型结构是2元；l(n-3)维立方体网络，它有n个维度，每一维上均含有2个节点，每维距离最长的节点之间不环接。图7-54表示的是一个2元4维超立方体网络的结构图。

这两种拓扑结构具有良好的规则性和可扩展性。系统的复杂度随着系统规模的增大而线性增加。采用这种结构的路由器集群，各个节点相互独立，它们之间不需要另加交换板。在机柜之间只通过简单线路来连接，大大简化了系统的复杂度，同时可以达到理论上的无限扩展。而在传统的Gbit/s级路由器中，通常都有专用的交换板负责板间的数据交换，这能够提高系统的性能，但同时限制了系统的可扩展能力。
2.多级交换网络结构
多级交换网络结构的主要代表是Banyan网络和Clos网络，这些网络结构在第6章中已经介绍过，这里就不再重复。这种结构的缺点是各个交换单元不是独立的路由器，级间连线和各交换单元的控制十分复杂，级间连线的容*限制了系统的可扩展性。
3.并行交换网络结构
目前线卡输人输出速率的增长速度远远高于缓冲存储器存取速率的增长速度。即使对输人排队的交换结构来说，10Gbit/s和40Gbit/s的线卡速率都超出缓存器的存取速率。同时，输人调度还面临容许的调度时间随线速增长而越来越短的问题。为了解决存储器的存取速率限制交换网络容童扩展的问题，并行分组交换（ParallelPacket Switching,PPS)的网络结构就应运而生了。
该结构基于反向复用（Inverse-multiplexing)和负载均衡（Load-balancing)技术，很好地解决了高性能分组交换机或路由器的交换容量受限于存储器存取速率的问题，具有很好的扩展性，逐渐受到业界的重视。

一种典型的PPS结构如图7-55所示，每个端口的速率为每个输人端口包含一个分接器（Demultiplexer），每个输出端口包含一个复接器（Multiplexer),中间部分由一个相同的、速率较低的、独立并行工作的分组交换模块（或称为“交换层面”）组成。每个低速交换模块被所有的输人端口共享，各自独立地处理从输人端口到达的一部分数据流量。分接器按照一定的规则选择输人分组所要通过的交换层面。因为从线速为《的外部链路输人的分组通过分接器被分配到K条链路上，所以分接器每条输出链路的速率至少应该为R/K。分组流通过交换层面后，在输出端口被复接器重新组合输出。当发生拥塞时，分组在各交换层面中排队，等待复接器的输出链路空闲时再输出。每个输人分接器的负载平衡判决都是独立执行的，各个输人分接器之间无需相互通信，各层之间也没有共享分复接器为了提高PPS交换网络的吞吐率和减队时延，PPS交换网络内部链路必须加速，也就是使r=s（r/k）其中S被称为内部链路的加速比。S的取值范围为1＜s＜k通常取S-l~2。

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