基于CICQ結構的交換機建模與仿真

趙曉輝，徐 川，王曉婷，彭 春，王憶文

（1.成都華微電子科技有限公司，成都610041；2.電子科技大學微電子與固體電子學院，成都610054）

基于CICQ結構的交換機建模與仿真

趙曉輝1，徐 川2，王曉婷2，彭 春2，王憶文2

（1.成都華微電子科技有限公司，成都610041；2.電子科技大學微電子與固體電子學院，成都610054）

利用OPNET軟件完成了基于CICQ交換結構和LQD＿RR調度算法的交換機模型構建，并且在交換機工作的真實環境基礎上，使用OPNET模擬了交換機外圍的節點和進程模型，最后在不同流量模型下完成了交換機的仿真。通過分析仿真結果對交換結構以及算法進行評估，方便后期的硬件設計，避免在硬件設計過程中因算法可行性分析不充分而影響整個設計流程。

交換機模型；光纖通道；OPNET軟件；CICQ結構；調度；仿真

1 引 言

近來，互聯網的發展歷經了一個飛速增長的過程，基于互聯網的各種技術也隨之應運而生，這些技術對帶寬、服務質量等要求不斷提升，現有的交換機技術在這些方面都面臨嚴峻挑戰，設計出新一代的高速交換機勢在必行。

在交換機設計中，要針對各種各樣的應用環境進行分析，根據應用環境來調整交換機的核心算法，這里需要一個平臺評估核心算法在各種環境下的實現效果。對于交換機性能研究的方法主要有三種［1］：現場實驗、數學理論分析、仿真模擬。與其他二種研究方式比較，仿真模擬在交換機性能的分析中操作簡便而且結果可靠同時可以節省資金，因此，在交換算法的研究中仿真模擬的方法使用得越來越廣泛。

目前的仿真模擬主要是利用OPNET、NS、SIM等軟件或者自己編寫仿真系統進行仿真［2－3］，其中NS、SIM為開源軟件，OPNET為商用軟件。相比開源軟件而言，OPNET的功能更為強大，界面友好，且能完成全面的仿真建模以及對各種協議的支持，在數據網絡、通信領域都已經得到了廣泛的使用與認可。因而本研究采用OPNET軟件針對交換機的結構算法進行仿真模擬。在建模完成后針對伯努利均勻分布、突發均勻分布、伯努利對角分布、伯努利弱對角分布、伯努利熱點分布等五種流量模型對交換機進行了驗證，最終為實現一種低延遲、高吞吐率、高帶寬利用率的交換機提供了理論依據。

2 交換機結構介紹

如圖1所示，研究的對象為一種FC（Fiber Cha－nnel）交換機，FC交換機由線卡、切片重組單元、交換單元、Power PC單元四個功能單元組成。

圖1 交換機整體架構

線卡單元包括FC交換機的物理層數據傳輸，以及完成傳輸協議和數據幀的接收發送。切片重組單元是為了方便交換單元的調度，將變長的FC幀切分為定長的內部幀并發送到交換單元，接收到交換單元發送的內部幀后將內部幀重組為FC幀并發送到線卡。交換單元負責將輸入端口的內部幀通過交換結構，按照調度策略轉發到輸出端口。Power PC單元是FC交換機的微處理器部分，負責線卡的登錄、注銷、路由表更新等功能。

交換單元采用CICQ（輸入及交叉點聯合排隊）的交換結構，其整體結構如圖2所示，一個N×N的CICQ交換結構由N個輸入/輸出端和帶交叉點緩存的Crossbar組成［4］。在CICQ結構下交換機的輸入端和輸出端都使用調度器完成數據包的調度。輸入端調度主要完成根據調度規則將虛擬緩存隊列隊頭的數據包發送到對應的交叉結點緩存隊列中；輸出端調度主要完成根據調度規則將交叉節點緩存中的數據包發送到輸出端口。本文中輸入調度器采用LQD＿RR的調度算法，輸出調度器采用RR調度算法，實現了性能和硬件實現難易的平衡。

圖2 CICQ交換結構

在交換機建模仿真過程中，因為主要針對交換機的性能進行仿真，即針對交換機的核心單元，交換結構與調度算法進行仿真，所以在后文的建模過程中，將用來實現交換機功能而對其性能影響較小的切片重組、線卡、PowerPC等模塊簡化掉，這樣可以在得到良好結果的同時，大大簡化建模難度。

3 交換機OPNET建模

交換機為16*16的交換規模，在建立交換機模型時，OPNET仿真在節點、進程和網絡三個層次完成模型建立［5］。在網絡層，實現整個網絡的配置，完成交換機與流量產生以及接收的節點相連接；在節點層，利用進程、隊列、發送接收模塊完成交換結構以及流量產生模塊的設計；在進程層，利用狀態機的描述方式，完成包的產生、發送、接收等功能，以及調度算法的實現［6］。下面依次從這三個層次對模型的建立進行介紹。

3.1 網絡模型建立

交換機需要在不同的網絡模型下進行仿真，文中針對五種流量模型進行仿真，這里采用不同的流量節點對應不同的網絡模型，每個節點通過鏈路與交換機相連然后完成數據包在節點之間的交換傳送。將這五種節點與交換節點進行組合通過已定義的鏈路模型可得出五個網絡模型，網絡模型如圖3（左）所示。

3.2 節點模型建立

交換機的節點主要由接收機、隊列和發送機連接而成。其中隊列分為用作VOQ的隊列和用作交叉結點緩存的隊列。首先，接收機接收到來自外部節點發來的數據包，通過對數據包目的地址的讀取完成數據包的入隊操作，然后輸入端通過LQD＿RR算法完成對虛擬隊列的調度。數據包從被調度隊列發向對應的交叉節點緩存隊列中，然后輸出端通過RR算法完成對數據包的輸出調度，最后數據包通過發信機傳送到外部節點中完成一個數據包的交換。整個過程中各端口是同時工作的，交換節點結構如圖3（右）所示。

流量節點模型分為五種，這里以伯努利均勻分布的節點建立為例，節點包括包產生模塊、伯努利分布處理模塊、流量分布處理模塊、發送模塊、接收模塊。首先，周邊通過包產生模塊生成一個數據包，這個數據包通過包流線傳遞給流量到達處理模塊，這個模塊主要完成流量的突發或伯努利到達過程的仿真；然后數據包通過包流線傳送到流量分布處理模塊，該模塊主要完成數據包目的端口分布的處理，最后數據包從發信機發出到交換節點。與此同時，如果節點接收到一個數據包時，它必須完成對該數據包從發出到收到的時間延遲統計。因此周邊節點必須包括一個業務生成模塊、一個流量到達處理模塊、一個流量分布處理模塊和一對點對點收發信機來完成這些任務，流量節點結構如圖4所示。

圖3 交換機網絡模型（左）交換機節點模型（右）

圖4 流量節點模型

3.3 核心進程模型建立

實現輸入調度的LQD＿RR算法進程主要依據LQD＿RR算法流程來進行設計，LQD＿RR算法首先求取局部最長隊列，然后判斷局部最長隊列是否具有EVOQ，如果有則進行數據包發送，如果沒有則通過輪詢的方式找到第一個具有EVOQ的隊列進行調度。整體流程圖如圖5所示。

OPNET中采用狀態轉移圖對算法進行描述，如圖6所示。LQD＿RR算法的進程狀態圖由init、idle、queuing和scheduling四個狀態組成通過狀態轉移線連接而成。其中init為初始狀態，完成dp指針和rp指針的初始化，并定義了一個寫文件，完成數據收集。idle狀態主要通過中斷信號完成狀態間的切換。ARRVL中斷信號用于激活處理數據包到達輸入端口時的入隊操作，INTRPT＿SCH中斷信號用于激活對虛擬緩存隊列的調度處理。Queuing狀態主要根據不同端口收到的數據包目的地址完成虛擬隊列的入隊處理。Scheduling狀態則實現LQD＿RR調度算法，完成數據包從虛擬隊列到交叉結點緩存隊列的調度。輸出調度與輸入調度流程相似，只是在scheduling狀態采用的算法不同，由LQD＿RR算法替換為RR算法。

圖5 LQD＿RR算法流程圖

4 仿真與結果分析

在建立OPNET網絡模型后，對不同的流量模型以及負載率從10%～100%的不同情況對交換機進行仿真，分析各個情況下交換機時間數據包延遲的影響情況，流量模型為流量到達模型與流量分布模型相結合，本文采用以下五種流量模型進行仿真。

圖6 LQD＿RR進程狀態圖

（1）伯努利均勻流量模型：流量到達模型服從參數為p的伯努利分布模型，流量分布模型為均勻分布，平均分配到各個輸出端，這種模型模擬在交換機現實環境的正常工作情況。

（2）突發均勻分布流量模型：信元到達服從ON/OFF突發模型，ON狀態持續時間即突發傳輸時間，流量分布模型為均勻分布，這種模型模擬交換機在應對數據包激增時的情況。

（3）伯努利對角流量模型：流量到達模型為伯努利分布模型，流量分布模型為對角分布模型，λi，j為在對角分布的情況下，數據包通過端口i發送到端口j的概率，即這種流量模型的輸出只針對相鄰兩個輸出端口。

（4）伯努利弱對角流量模型：流量到達模型為伯努利分布模型，流量分布模型為弱對角分布模型，λi，j為在對角分布的情況下，數據包通過端口i發送到端口j的概率，即這種流量模型的輸出主要針對對應的一個輸出端口進行輸出。

（5）伯努利熱點分布流量模型：流量到達模型為伯努利分布模型，流量分布模型為熱點分布模型，λi，j為從輸入端i發送到端j的速率，N為交換結構的端口數，ρ為輸入端口的負載率，ω被稱為非平衡因子，流量滿足下面公式。這種流量反映出網絡中的一些特殊情況如：網絡擁塞、模擬拒絕服務攻擊等［7－8］。

針對上面介紹的五種流量模型，設定crossbar中的緩存長度為1個信元，信元長度為1024，數據傳輸速率為1GHz，可以得到仿真結果如圖7所示。

圖7 五種流量仿真結果

這五種流量模型模擬的是該交換算法在現實的五種工作環境中性能的表現情況。交換機的負載率在10%到90%增加過程中，在這五種流量模型下其性能都很穩定。但當負載率增加到90%以上時不同流量模型下交換機性能的優劣便產生了差異，又有當負載率為100%時這種差異最為顯著。負載率在100%時，交換機在伯努利均勻流量、伯努利對角流量和伯努利熱點流量的情況下性能很穩定，數據包時間延遲較小。在流量到達模型服從突發均勻流量情況下交換機性能相對穩定，此時數據包的時間延遲相較于前三種情況下有所增加。在流量到達模型服從伯努利弱對角流量情況下交換機性能不太穩定，此時數據包的時間延遲最大。

5 結束語

研究了交換機的CICQ模型以及LQD＿RR調度算法，在此基礎上利用OPNET對交換機進行了建模，并通過將數據包生成節點與交換節點組合搭建了交換機網絡模型，完成了在不同網絡環境和不同負載率情況下的仿真，并對仿真結果進行了分析研究，表明了本交換機模型的的適用性，為下一步的硬件設計進行了技術上的鋪墊。

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Modeling and Simulation of Sw itch Based on CICQ Architecture

Zhao Xiaohui1，Xu Chuan2，Wang Xiaoting2，Peng Chun2，Wang Yiwen2
（1.Chengdu Sino Microelectronics Technology Co.，Ltd.，Chengdu 610041 China；2.School of Microelectronics and Solid－State Electronics，University of Electronic Science and Technology，Chengdu 610054，China）

Software OPNET is used to complete a switch system with CICQ architecture and LQD＿RR scheduling.For the purpose of simulating the real working environment of the switch，the peripheral nodes are created based on traffic distribution.Finally switch simulation is completed under different trafficmodels.The results of simulation are analyzed to evaluate the performance of switching architecture and algorithm which make hardware design easily and prevent the unsufficient feasibility analysis on the entire design flow during the hardware design process.

Switch model；Fiber Channel；OPNET software；CICQ structure；Scheduling；Simulation

10.3969/j.issn.1002－2279.2015.05.007

TN919.6

A

1002－2279（2015）05－0023－04

趙曉輝（1975－），男，遼寧省昌圖縣人，高級工程師，主研方向：大規模集成電路設計及應用，數據傳輸與處理。

2015－06－03