一種星載CICQ交換機單組播分組調度算法

梁佳誠，熊慶旭，蕭翰

(北京航空航天大學 電子信息工程學院,北京 100083)

10.3969/j.issn.1003-3114.2018.01.10

梁佳誠，熊慶旭，蕭翰.一種星載CICQ交換機單組播分組調度算法[J].無線電通信技術,2018,44(1):48-54.

[LIANG Jiacheng，XIONG Qingxu，XIAO Han.A Packet Scheduling Algorithm for Unicast and Multicast Traffic in CICQ Switch under GEO Channel Environment [J].Radio Communications Technology,2018,44(1):48-54.]

一種星載CICQ交換機單組播分組調度算法

梁佳誠，熊慶旭，蕭 翰

(北京航空航天大學 電子信息工程學院,北京 100083)

以緩解聯合輸入交叉隊列(CICQ)交換機分組調度中的組播HOL Blocking問題為目標，同時對因GEO信道問題傳輸失敗而需要重傳的分組進行補償，提出一種新的單組播混合調度算法，即緩解組播頭分組阻塞算法RMHB。該算法在交換機盡量工作于Work-Conserving的前提下，盡量緩解組播隊列頭分組對次分組的阻塞，在單組播分組裁決中，將分組在信道中重傳的次數作為考慮的首要因素。目前尚未見到CICQ結構中在考慮GEO衛星信道狀態的情況下，進行單組播混合業務分組調度的方法。

星載交換；調度算法；單組播；CICQ；頭分組阻塞

TN911.5

A

1003-3114(2018)01-48-7

2017-09-12

國家自然科學基金項目(61271196)

APacketSchedulingAlgorithmforUnicastandMulticastTrafficinCICQSwitchunderGEOChannelEnvironment

LIANG Jiacheng,XIONG Qingxu,XIAO Han

(School of Electronic and Information Engineering,Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing 100083,China)

Aiming at relieving the problem of multicast HOL blocking in CICQ switches，and simultaneously compensating the packets that need to be retransmitted due to the failure of GEO channel transmission,a new relief multicast traffic HOL blocking scheduling algorithm called RMHB is proposed,which accommodates mixed unicast and multicast traffic.This algorithm relieves the blocking of sub-packets by header packets under the premise that the switch operates as far as possible in Work-Conserving state.In the choice of unicast and multicast packet,the times of retransmissions of the packets in the channel is taken as the primary factor.Up to now,there is no research about scheduling algorithm considering GEO satellite channel environment in CICQ switches that accommodates mixed unicast and multicast traffic.

on-board switching; scheduling algorithm; unicast and multicast; CICQ; HOL blocking

0 引言

隨著衛星通信技術發展及應用需求的增長，基于分組交換的衛星通信網絡得到了越來越多的關注。為提高衛星網絡性能，星上交換技術是研究的重點內容之一。不同于地面網絡，GEO衛星網絡業務中組播占有較高的比例，單組播混合業務分組調度的星上交換技術是衛星網絡的關鍵技術之一。

傳統的交換機采用輸出排隊(Output Queuing,OQ)的交換結構，其N(輸入/輸出端口數目)倍加速比的需求使其不適用于高速大容量交換環境[1]。輸入排隊(Input Queuing,IQ)交換結構無需加速比，可擴展性強，是未來高速交換機研究的主要方向。IQ結構中虛擬輸出排隊(Virtual Output Queuing,VOQ)結構的輸入輸出競爭緊密耦合的集中式調度特性使得控制過程較為復雜[2]。而CICQ (Combined Input and Crossbar Queued)結構通過在交換矩陣的每個交叉節點配置一定容量的緩存，很大程度解耦了輸入輸出競爭的裁決，使得調度算法復雜度降低，故而更適用于星載環境。

對于輸入端口設置多個組播緩存隊列的CICQ結構，其調度步驟分：CA(Cell Assignment) -IS(Input Schedule)-OS (Output Schedule)三步。

CA策略已有一些研究，如文獻[3]中提到的Vector算法及文獻[4]中提到的Modulo算法，這些CA算法各有利弊。目前已有CA研究中，幾乎都未將CA與IS綜合考慮，使之更加滿足后續IS調度的需求，在整體上提升性能。

對于IS-OS調度，多數都是基于簡單的輪詢(Round-Robin,RR)算法[4-6]，如文獻[4]中提出的MURS(Multicast and Unicast Round Robin Scheduling)算法。也有一部分研究提出在IS-OS調度中采用基于權重的調度與競爭裁決策略[7-9]，如文獻[9]中提出的LCMS(Low-Cost Multicast Scheduling )算法。文獻[10]中首次以使得CICQ交換機盡量工作于Work-Conserving狀態為目標，提出了MUCB (Multicast and Unicast Crossbuffer Balance)算法，與最新的主流算法相比，該算法的性能具有明顯的優勢。

以上調度算法研究均是以地面有線環境為條件。CICQ結構中，只有部分單播調度研究是以星載環境為條件，但也主要是考慮對到達星載交換機輸入端口的業務分析建模[11-12]，而具體調度算法仍然與地面有線環境相似。

然而，GEO衛星網絡中組播業務比例較高，且網絡環境復雜。在CICQ交換機調度中，交換機輸出端口對應的輸出信道的狀態是隨機變化的。因此，有必要研究CICQ結構中考慮衛星網絡信道特點的單組播混合業務分組調度算法。

本文通過分析組播HOL Blocking問題，結合CICQ結構特點，在盡量保證CICQ交換機運行于Work-Conserving狀態的前提下，以緩解組播隊列頭分組對次分組阻塞為目標，同時在調度算法的單組播分組權重比較中，將分組由于在GEO衛星信道中傳輸出錯而導致需要重傳的次數作為比較中需要考慮的首要因素，以達到盡量對因受信道影響較為嚴重的分組進行補償的目的。就此提出了一種GEO衛星信道環境下的單組播混合調度算法，即緩解組播HOL Blocking(Relief Multicast HOL Blocking，RMHB)算法。

1 單組播調度問題分析

圖1為本文采用的星載CICQ結構示意圖。對于每個輸入端口，單播分組到達后按照其去向進入對應VOQ隊列，組播分組到達后，按照CA算法選擇MVOQ(Multicast Virtual Output Queuing)隊列入隊。同時，每個輸入端口為單播分組配置N個重傳隊列RTVOQ(ReTransmission Virtual Output Queue)及為組播分組配置k個重傳隊列RTMVOQ (ReTransmission Multicast Virtual Output Queue)，重傳隊列的標號與原理想信道下CICQ結構中的VOQ隊列標號及MVOQ隊列標號一致。RTVOQ隊列與RTMVOQ隊列分別用來暫存由輸出端口調度離開的單播和組播分組。

圖1 星載CICQ結構示意圖

對于4×4交換機，不妨設每個輸入端口有4個組播隊列。圖2中矩陣DHi表示輸入端口i的4個組播隊列的頭分組去向，如DHi(1,2)=1表示輸入端口i的組播隊列1的頭分組去向包含輸出端口2；矩陣DSi表示輸入端口i的4個組播隊列的次分組去向，如Dsi(1,2)=1表示輸入端口i的組播隊列1的次分組去向包含輸出端口2；矩陣X表示交叉緩存狀態，如X(2,1)=1表示交叉緩存(2,1)不為空。以下分析將均以圖2為例，這里假設DHi與DSi均對應輸入端口1的狀態為：

1.1 CA算法

當到達組播分組的去向包含輸出端口2時，應使該分組進入輸入端口1的最短虛擬組播隊列。因為第2列交叉緩存只有一個分組，當前時隙輸出調度后，第2列交叉緩存可能為空。若下一時隙輸入調度時交換機所有輸入端口中均無頭分組去往輸出端口2，而該到達分組去向包含輸出端口2，但由于其不是頭分組而無法被調度，即由于HOL Blocking使得交換機無法運行于Work-Conserving狀態。所以，為避免這種情形，應使得該到達組播分組進入最短隊列，從而盡快成為頭分組。

若當前時隙輸入調度后，交叉緩存可能無法接納輸入端口1的頭分組，而到達分組的去向包含輸出端口3時，也應使該分組進入輸入端口1的最短虛擬組播隊列。因為輸入端口1的頭分組去向中不包含輸出端口3，該到達分組去向包含輸出端口3，而輸入端口1在本時隙輸入調度后可能無法在下一時隙繼續傳輸分組，若不盡快使得該到達分組成為頭分組，可能造成輸入端口1的傳輸機會浪費。

1.2 輸入調度

由CICQ結構中Work-Conserving含義可知，只要輸入調度后每列交叉緩存中分組數目至少為1，交換機本時隙便工作于Work-Conserving狀態。故輸入調度中，先考慮在盡量保證每列交叉緩存至少有一個分組后，之后對未傳輸過分組的輸入端口以緩解HOL Blocking為目標進行調度。

在輸入端口1選擇組播隊列傳輸時，應優先選擇組播隊列1。因為由矩陣X的狀態可知，輸出端口1和輸出端口2對應列交叉緩存的非空數目均小于2。這意味該時隙輸出調度后，第1列和第2列交叉緩存可能為空，進而使得后續時隙交換機可能無法運行于Work-Conserving狀態。而組播隊列1的次分組去向包含輸出端口1和輸出端口2，而對于其他組播隊列，其次分組去向與輸出端口1和輸出端口2最多的交集中至多有一個元素。這意味組播隊列1的次分組更有利于交換機后續時隙工作于Work-Conserving狀態，所以應優先傳輸組播隊列1的頭分組，從而使得組播隊列1的次分組可盡快成為頭分組。

1.3 輸出調度

由輸入調度分析可知，輸入端口1需要傳輸其組播隊列1的頭分組到交叉緩存。但是，由于該頭分組去向包含輸出端口4，而X(1,4)=1,使得其頭分組不能盡快被完全調度到交叉緩存。因此，輸出端口4在進行輸出調度時，應優先選擇X(1,4)對應的交叉緩存分組。

1.4 重傳策略

不同于地面有線或者無線網絡中的信道，GEO網絡中的信道傳輸時延巨大，對于GEO星載交換機而言，其在每個時隙調度時是無法準確獲知本時隙經調度離開交換機的分組是否會在信道中傳輸出錯，而交換機中不允許丟失分組。故而，星載交換機中，針對可能因信道狀態惡化導致分組傳輸失敗的情形，需要有一定的重傳策略對其進行處理。

不同于單播調度中的重傳策略，單組播混合業務調度中的重傳策略面臨更復雜的問題。單播分組的去向只有一個，在CICQ交換機中，每個VOQ隊列中的單播分組去向也都一致，因此在調度過程中，隊列前面的分組一定比隊列后面的分組早獲得其是否在信道中傳輸成功的信息。因此，單播調度的重傳策略可以借鑒滑動窗口的方案來實現。組播則不同，一個組播分組的去向有多個，各個去向對應的輸出端口信道狀態可能不一致，扇出拆分后，各個去向在信道中傳輸的起始時間點也不一致，從而使得該組播分組重傳時間點也比較難確定。而且，同一個組播隊列中，隊列前后分組去向經常不一致，而CICQ結構中的分布式調度使得調度中組播隊列前面的分組未必會比后面分組提前調度離開交換機。因此，窗口機制對于組播重傳策略的借鑒意義不是很大。

基于此，本文采用配置重傳隊列的方式解決單組播分組的重傳問題。

輸入調度時，先從每個重傳隊列隊頭開始，根據當前時隙與重傳隊列中分組離開時間的時間差是否大于等于星地往返時延及地面反饋的是否傳輸成功的信息，找出需要重傳的分組，然后將其送往該重傳隊列對應的單播或組播虛擬輸出隊列的隊頭之前，使其參與輸入競爭。

輸出調度時，則根據其所有去向是否都已從各自對應的輸出端口離開來決定其是否需要復制一份送往對應輸入端口的重傳隊列隊尾，并 v標記離開交換機時間，這樣，可保證重傳隊列中后面的分組一定不會早于前面分組獲得地面反饋的是否傳輸成功的信息，從而不需要遍歷整個重傳隊列來找出需要重傳的分組。

1.5 補償方案

GEO衛星信道狀態的變化會使得已從輸出端口調度離開的單播或組播分組需要重傳，部分分組甚至可能需要多次重傳，這些需要重傳的分組會造成交換機中分組累積，進而使得調度的性能惡化，應當采用必要的補償方案使得重傳盡快離開交換機，本文提出的補償思路是：

① 輸入調度中，在輸入端口按照權重選擇單組播分組進入交叉緩存，權重比較時，優先比較分組重傳次數，即重傳次數多的分組一定權重更高。對于重傳次數相同的分組，在按照其他方式比較權重。

② 對于因信道狀態變化導致傳輸失敗的分組，其在交換機中的滯留的時間將至少增加星地往返的傳輸時間。因此，在計算單組播分組權重中，將分組在交換機中等待時間作為乘法因子之一，可對傳輸失敗需要重傳分組進行一定程度的補償。

2 RMHB算法

根據第2節中示例的分析，本節將詳細介紹RMHB算法。

為敘述的方便，下面給出相關符號含義：

O：輸出端口的集合，且按端口號升序排列；

I：輸入端口的集合，且按端口號升序排列；

Ad：到達分組的去向向量，若到達分組的去向包含輸出端口j，則Ad[j]=1，否則，Ad[j]=0；

Pi：輸入端口i的頭分組(包括單播)去向向量，Pi[j]=1，表示頭分組去向包含輸出端口j,Pi[j]=0,表示不包含；

Vij：輸入端口i中去往輸出端口j的隊列；

Mik：輸入端口i的第k個組播隊列；

Xij：輸入端口i和輸出端口j對應交叉節點緩存；

Bj：輸出端口j的列方向交叉緩存中分組數目；

Mi：輸入端口i的所有虛擬組播隊列；

Uj：對于輸出端口j滿足以下條件的所有輸入端口的集合：Xij為空，同時Vij不為空或Mi中所有非空頭分組中有去往輸出端口j；

Tj：Uj與I的交集，且按端口號升序排列；

Di：輸入端口i所有非空頭分組目的端口種類數；

w：組播權重因子；

Aik：Mik頭分組到達時扇出；

Cik：Mik頭分組當前扇出；

Xj：輸出端口j對應的列方向交叉緩存的集合;

F：若F=0，表示組播按照Vector算法入隊，若F=1,表示組播不按照Vector算法入隊；

Sik：次分組對Work-Conserving匹配數，即Sik等于該次分組一類去向端口的總數，這類去向端口連接的交叉緩存中不為空的數目小于等于1。

RMHB算法包含3個運行階段，具體運行過程為：

第一階段：入隊

對于每個輸入端口i，單播分組去向為j則去往Vij，組播分組按照以下步驟入隊：

③ 若存在j，使得：Ad[j]=1,同時Bj≤1，則F=1，跳到第⑥步；

④ 若輸入調度后該輸入端口仍可有分組傳輸到交叉緩存，則跳到第⑥步；

⑤ 若存在j，使得：Ad[j]=1,同時Pi[j]=0，Xij為空，則F=1；

以上步驟中提到的Vector算法是一種已有的組播入隊方案，其算法過程為：從N維向量空間定義k個特征向量v1,v2,…,vk分別對應k個組播隊列，每個特征向量的每個元素的值為0或1，且每兩個特征向量相互正交；對于到達的組播分組，按照其去向定義去向向量Da；若到該分組去向包含輸出端口j，則Da[j]=1,否則Da[j]=0。在v1,v2,…,vk中找出與Da距離最短的特征向量，則到達分組進入該特征向量對應的組播隊列。

第二階段：輸入調度

① 設當前時隙為n2，每個輸入端口分別從隊列頭開始檢查該輸入端口中的N個單播重傳隊列及k個組播重傳隊列中的分組，直到找到符合n2-n1

② 對重傳隊列中的頭分組和第①步中找到的分組之間的所有分組(包含隊列頭分組但不包含找到的分組)進行相應處理。對于單播分組，若傳輸成功，則將其剔除；若傳輸失敗，則保留，且將該分組的重傳次數加1。對于組播分組，若所有去向均傳輸成功，則將其剔除；否則，剔除傳輸成功的去向，保留傳輸失敗的去向，保留該組播分組，其重傳次數加1；

③ 將剔除后所有剩余的分組分別送往該重傳隊列對應的單播或組播虛擬輸出隊列的隊頭之前；

④ 令O包含全部輸出端口，I包含全部輸入端口；

⑤ 若O為空，該時隙結束輸入調度；

⑥ 從O集合的第一個元素開始，選擇Bj最小的輸出端口j，若Bj>0,則跳到第步；

⑦ 若Tj為空，從O中剔除端口j，回到第⑤步；

⑧ 從Tj集合的第一個元素開始，選擇Di最小的輸入端口i；

⑩ 從I中剔除端口i，更新U、T、Bj狀態，回到第6步；

第三階段：輸出調度

① 對于每個輸出端口j，找出所有滿足如下條件的組播隊列：該組播隊列頭分組去向包含輸出端口j，同時Xij非空，其中i為該組播隊列所在的輸入端口編號；

② 在第①步選出的組播隊列中找出max{Sik}；

③ 若max{Sik}>0，該輸出端口j傳輸Xij中的分組，

同時，若該分組為單播分組，則將該單播分組復制一份送往對應的輸入端口的單播重傳隊列隊尾，并將其從輸出端口離開的時隙記為n1。若該分組為組播分組，判斷其所有去向是否都已從各自對應的輸出端口離開：若是，則將該組播分組復制一份到組播重傳隊列的隊尾，入隊重傳隊列的標號與該組播分組原來所在虛擬組播隊列標號一致，并將其從輸出端口離開的時隙記為n1；否則，則標記該組播分組對應的去向已從對應的輸出端口被調度離開。若max{Sik}=0，則執行第④步；

3 仿真結果

單組播混合調度中，輸入輸出負載間關系為：

μ=λ(fu+|φ|fm)，

(1)

式中，μ為輸出負載，λ為輸入負載，fu為單播業務比例，|φ|為組播平均扇出，fm為組播業務比例。這里給出的仿真結果中，fm=0.8，負載均為輸出負載。

仿真中的非均勻業務為弱對角業務，對于輸入端口i，其到達分組去向分布為：

(2)

式中，uij為輸入端口i的分組到達時，去往輸出端口j的概率，ui為輸入負載，ω為非均勻因子，仿真中將ω設為0.5。

仿真中，GEO衛星信道模型采用常用的雨衰(Additive White Gaussian Noise,AWGN)信道，該信道適用于GEO衛星與地面靜止基站通信，AWGN信道模型具體建模方式參見文獻[13]。這里以雷雨天氣為條件對選取相應的參數。假設信噪比為30 dB。仿真得到雷雨天氣下AWGN信道的信道容量為0.6。對于交換機而言，其輸出負載為0.6時即達到滿載，因此，仿真中輸出負載最大設為0.6。

仿真時間為100萬個時隙。交換機端口數為16×16，ON-OFF業務的平均突發長度為16個時隙，每個輸入端口設有8個虛擬組播隊列。

由于尚未見到在CICQ結構單組播混合調度中考慮GEO信道環境的研究。為對比分析，這里選取在OQ結構FIFO算法中只加入對應的重傳機制，即OQ結構調度中，對于每個輸出端口，直接將FIFO隊列中的分組在信道中傳輸，對于反饋到需要重傳的分組，將其直接置于原FIFO隊頭進行重傳。本節將給出RMHB算法與OQ中FIFO算法的性能對比。

表1給出了4種業務到達時，不同負載條件下RMHB算法與OQ中FIFO算法的通過率仿真結果，圖2～圖5分別給出了4種業務到達時，不同負載下RMHB算法與OQ中FIFO算法的時延性能對比。

可以看出，總體來說，在AWGN信道條件下，對于4種到達業務，與OQ結構中FIFO算法相比，RMHB算法性能較弱。但是，在非均勻ON-OFF業務下，RMHB算法與OQ中FIFO算法極為接近。

表1 通過率仿真結果

業務類型負載傳播類型單播組播單組播混合RMHB算法OQ中FIFO算法RMHB算法OQ中FIFO算法RMHB算法OQ中FIFO算法均勻Bernoulli0．30．999410．999660．990980．997790．992660．998170．60．997750．990000．806490．959390．844920．96554均勻ON?OFF0．30．999380．999990．994250．998110．995270．998480．60．998160．991010．811830．955770．849160．96283非均勻Bernoulli0．30．999110．998390．998040．997110．998260．997360．60．997920．938490．773050．912300．818090．91754非均勻ON?OFF0．30．999040．998380．998770．997480．998830．997660．60．997630．941010．851250．914340．880620．91969

圖2 均勻Bernoulli業務總體平均時延

圖3 均勻ON-OFF業務總體平均時延

圖4 非均勻Bernoulli業務總體平均時延

圖5 非均勻ON-OFF業務總體平均時延

相較于OQ中FIFO算法，RMHB算法性能較弱的主要原因在于其組播通過率較差，雖然單播通過率較OQ中FIFO算法稍好，但仍不足以彌補其相較于OQ中FIFO算法組播性能落后的缺陷。而RMHB算法組播性能較差的原因在于：對于組播分組而言，當部分扇出對應的信道狀態變差，而交換機又調度該組播分組的這些扇出在信道中傳輸時，分組傳輸過程中出現錯誤，此時需要對該組播分組傳錯的扇出進行重傳。重傳時，由于該組播分組的其他扇出對應信道狀態可能良好，從而這些在信道中傳輸成功，使得重傳時該重傳分組的去向減少。而該重傳分組進入組播隊列頭分組時，由于其去向較少，對其后續去向較多的組播分組又造成了阻塞，最終加重了組播的HOL Blocking問題。

4 結束語

首先分析了在CICQ結構中單組播混合調度時，如何在盡量保證Work-Conserving的前提下，通過在組播入隊、輸入調度以及輸出調度算法中，盡量緩解組播的HOL Blocking問題。同時，在調度算法中，考慮針對GEO衛星信道環境的重傳策略及補償機制，提出一種適用于GEO星載環境環境的CICQ結構中單組播混合調度算法，即RMHB算法。之后，以GEO衛星信道中的常見的AWGN信道模型為條件，給出了RMHB算法與OQ中FIFO算法的仿真對比，并對仿真進行了分析。

本文是對單組播混合調度算法中考慮GEO信道進行了初步探索，為今后進一步探索適用于星載環境的單組播混合調度算法提供基礎和借鑒。

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梁佳誠(1991—)，男，碩士研究生，主要研究方向：星載交換；

熊慶旭(1965—)，男，博士，教授，主要研究方向：通信網絡、高性能交換技術、語義通信、無線傳感器網絡；

蕭翰(1990—)，男，博士研究生，主要研究方向：星載交換。