https://scholars.lib.ntu.edu.tw/handle/123456789/121507
標題: | 5Gbps線速率八埠全雙工交換機之硬體實作與效能分析 Implementation and Performance Evaluation of 8 Ports Gigabit NTU-III Switch with 5Gbps Line Rate |
作者: | 呂宏宇 Lu, Hong-Yu |
關鍵字: | 交換機;Switch | 公開日期: | 2004 | 摘要: | 中文摘要 隨著隨選視訊、視訊會議、即時通訊等應用的日漸普及,對於網路的頻寬要求顯得與日俱增。正因為網路內流量不斷的增加,網路節點的封包交換變得越來越重要,唯有提昇節點交換機的頻寬容量,才能使得網路系統的節點不再成為網路系統的流量瓶頸所在。 超高速乙太網路(Gigabit Ethernet)的價格已經開始降到非常合理的價位,因此,很快的乙太網路就要從每秒億位元進入到每秒十億位元的時代了。此時,除了要有每秒十億位元的網路界面卡之外,網路節點上的交換機(Switch)與路由器(router)的速度同樣也要從每秒億位元進步到每秒十億位元等級,因此,交換機和路由器的研發顯得更加的重要。 常見的交換機種類有:輸入佇列、輸出佇列、虛擬輸出佇列以及結合輸入輸出佇列。輸入佇列交換機很容易遇到排頭阻塞(Head of Line Blocking)效應,理論計算顯示流通率只能夠達到0.586;輸出佇列交換機如共享記憶體交換機,利用複雜的演算法來進行交換,交換頻寬遠低於記憶體頻寬;而結合輸入輸出佇列交換機可以在對記憶體頻寬要求較低的前提下,得到相同的流通量。 本篇論文主旨是在於我們用電路實現了一個用於高速網路的高效能交換機,並將其命名為NTU-III交換機。在這個交換機中,我們利用多層閂式交換平面的架構,擁有能直接交換可變長度封包的能力,同時硬體複雜度低,並且採用模組化設計方便系統擴充。此交換機裡面不需要中央控制器,其運作機制是靠著其自選路由(self-routing)來完成,並且可以執行多點傳輸(multicast)的弁遄C經由模擬的結果顯示,此架構可以達到與輸出佇列相當的流通量,並且有效降低排頭阻塞效應。整個NTU-III交換機的架構包含了:預先處理器,時序器,多層閂式交換平面,以及輸出佇列控制器,本篇論文將由硬體的觀點詳細描述此交換機的運作原理。此外在硬體實作方面,我們選用Xilinx公司Virtex-II XC2V6000 -4 ff1152晶片來實作我們的NTU-III交換機,並且利用設計的虛擬封包產生器與NTU-III交換機結合,再利用邏輯分析儀來驗證系統運作的效能與正確性。 NTU-III交換機有下列幾個主要的特點。第一個是採用了通道分組(channel grouping)的觀念,此觀念就是將整個交換機分成數個較小的交換機結構。如此一來,電路分割變得容易,想要擴充到更高的埠數就比較簡單了。再者,在每一級之間的內部電路協定採用了先向前一級請求電路是否有封包要傳,然後當前級收到了後級的請求訊號,就表示後級有能力接收。這樣後級電路就不用再送一個確認信號回前級,如此,整個的內部延遲會縮小,內部頻寬使用率也會增大。最後就是NTU-III交換機可以執行多點傳輸的弁遄A為了能使其更加的有效率,我們提出了一個和特殊的架構來增加其資源使用率。 經由模擬與實測的結果顯示,NTU-III交換機具有高流通量、低延遲等優點,再加上此架構擁有較低的硬體複雜度與高度的可擴充性,可以預見NTU-III交換機將會有釵h值得研究與發展的地方。 Many applications such as video on demand (VOD), video conference, and real-time communication become more and more popular, so the demand of bandwidth is very urgent. Because traffic in network increased tremendously, the switching capacity at network nodes must be enhanced accordingly. Only by increasing the switch capacity can make network nodes no longer be bottlenecks of networks. To upgrade the whole network to the speed of Gbps, not only gigabit network interface card but also switches and routers with higher line rate are necessary. The importance of developing high speed switches and routers is very obvious. In this thesis, we propose and implement a novel high speed switch named NTU-III switch which is based on multi-plane cross-bar switch fabric. This switch has low complexity and has the ability to handle variable length packets asynchronously. Be owing to various applications of multimedia, our switch will also support the multicast. The concept of modular design is embedded into the architecture of NTU-III Switch. Therefore NTU-III Switch has great scalability in port count and line-rate. Simulation results show that this switching architecture can eliminate head-of-line blocking (HOL blocking) effect. This switch design can emulate the performance of output queue (OQ) switch without complicated contention resolution algorithm and arbiter. The NTU-III Switch is composed of preprocessors, sequencers, switch planes, and output queue management units. Each component has the ability of self-routing. We introduce the architecture from the point of hardware design. Moreover, we use field programmable gated array (FPGA) to implement an 8x8 NTU-III Switch prototype with line rate at 5Gbps. The performance of NTU-III switch is simulated and experimentally measured. It is shown that the switch has low delay and almost 100% throughput under uniform traffic condition. |
URI: | http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/58607 | 其他識別: | en-US |
顯示於: | 電信工程學研究所 |
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