數據產品中各類交換結構的實現

 2004年6月B版

摘  要：本文論述了在高低端路由器、交換機等數據產品中各類交換結構的實現，分析了相應的特點與其應用場合，為數據產品中交換結構的設計提供了借鑒。

關鍵詞：數據產品；交換結構

　　交換結構是路由器、交換機等數據產品中的核心部件，直接決定了整個系統的主要性能。多年來，各相關廠商、科研院所提出了許多交換方案，以解決數據交換過程中的碰撞沖突與阻塞等問題。從實現機制上分，大體上可分為兩類：時分交換結構、空分交換結構。

時分交換結構

　　在時分交換結構中，交換單元不能同時交換一個以上的輸入端口數據。從交換結構的角度看，每個輸入端口數據的處理是串行的。

共享總線交換結構

　　共享總線交換結構采用時分背板總線進行數據交換，總線容量為單個端口容量的N倍以提供足夠帶寬。每個輸入端口以一定的優先級，如仲裁或菊花鏈結構，向總線發送數據。交換結構如圖1所示。

　　共享總線交換結構非常簡單，并且各結點之間具有相對的獨立性，但其可擴展性受背板總線速率所限，而當背板總線可靠性不佳或一個端口進入超長傳輸時，可能導致整個交換體系的崩潰。

　　分層總線交換結構在一定程度上改善了共享總線交換結構的性能。在分層總線下，局部交換通過局部總線，只有全局交換需要經過多條總線，如圖2所示。

共享內存交換結構

　　共享內存結構被廣泛應用于中小型甚至某些特定的大型交換結構實現當中，如圖3所示。復用器(MUX)對各輸入端口數據進行調度，解復用器(DEMUX)對共享內存中各隊列進行調度，共享內存存儲轉發數據，控制器協調讀寫操作并提供各隊列狀態信息。

　　共享內存交換結構簡單有效，交換可根據不同的設置被相應的優化。但其交換性能取決于共享內存的存取速率，共享內存的讀寫帶寬與調度算法需要有2N倍端口速率，可擴展性較差，并且共享內存的可靠性也直接影響了整個交換體系。

空分交換結構

　　與時分交換結構相比，空分交換結構適用范圍更廣，可分為單級交換結構、多級交換結構、群集交換結構。

單級交換結構

　　Crossbar是一種典型的單級交換結構，其實現方式有：集中方式(輸入比輸出多)、擴展方式(輸入比輸出少)、連接方式(輸入和輸出一樣多)，一般采用連接方式，由N