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研究生： 謝承宏
Hsieh, Cheng-Hung
論文名稱： 盲路由負載平衡交換網路：一個無網路處理器的fat-tree拓撲Part(1)交換核心
Route-blind Load-balanced Switching Network: A Network-processor free Fat-tree Topology -Part(1)Switch Core
指導教授： 李端興
Lee, Duan-Shin
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 電機資訊學院 - 資訊工程學系
Computer Science
論文出版年： 2010
畢業學年度： 98
語文別： 中文
論文頁數： 64
中文關鍵詞： 交換機
外文關鍵詞： fat-tree, load-balanced
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    • 隨著雲端運算的盛行，如何建構大型網路資料中心成為一個很重要的課題。根據網路製造商的建議，如Cisco 或是Juniper，目前網際網路的建構為連接路由器的樹枝狀拓撲(tree topology)。資料流量透過樹枝狀節點的路由器查表被逐層匯流並轉送。然而，隨著科技的進步，頻寬的增加已快速超越網路處理器可以負荷的速度。目前以網路處理器查表為基礎的樹枝狀拓撲，終將無法跟上網路服務的要求及頻寬的增加。
    在這篇論文中我們提出了一個前所未有的想法，我們把整個網路視為一個虛擬的交換機。在虛擬的交換機中，網路的拓撲成為交換核心。我們利用負載平衡布可夫馮紐曼交換機當作虛擬交換機的核心，因為負載平衡布可夫馮紐曼交換機有高度的擴展性且可以保證有百分之百的效能。又因為負載平衡布可夫馮紐曼交換機具有靠事先決定好的連結方式就能將封包正確交換的性質(盲路由特性)，我們提出的盲路由負載平衡交換網路即具有封包在進入網路時，只需查一次路由表即能交換至正確輸出埠的好處。如此，整個網路規模將不被網路處理器的硬體設計複雜度所受限。
    在實作上這篇論文針對盲路由負載平衡布交換網路中一個交換元件的交換核心進行設計。交換核心應用旋轉器(rotator)實現負載平衡的概念。我們利用AdvancedTCA 的機櫃開發出的交換核心可以支援多張且任意位置線卡(linecard)，亦即能實現任意大小的旋轉器。交換核心並利用管線化的設計使封包在交換的同時滿足百分之百的效能需求。按照原負載平衡布可夫馮紐曼交換機的概念，交換元件中含有兩級的交換核心。我們將可利用這樣子的交換元件去組成一個盲路由負載平衡交換網路，使把網路視為一個交換機的想法得以實現。

    第1章 簡介 7 1.1 背景 8 1.1.1 網路節點封包轉送行為 8 1.1.2 高頻寬需求的趨勢 10 1.1.3 網路處理器(Network Processor, NP)設計的挑戰 11 1.2 動機 11 1.2.1 利用負載平衡交換網路的盲路由特性實現NP-free核心網路 12 1.2.2 利用高速虛擬輸出佇列(high speed virtual output queue, HSVOQ)減少傳輸延遲 14 1.2.3 利用位元逆轉連結方式降低核心網路所需頻寬 15 1.3 創意和系統特色 17 第2章 網路上的FAT-TREE拓撲 19 2.1 CISCO建議的網路架構 19 2.2 FAT-TREE拓撲的特性 20 第3章 FAT-TREE拓撲上的盲路由負載平衡交換網路 22 (A ROUTE-BLIND LOAD-BALANCED SWITCHING NETWORK ON FAT-TREE TOPOLOGY, RL NETWORK) 22 3.1 盲路由網路的特性 22 3.2 負載平衡布可夫馮紐曼交換機(LOAD BALANCED BIRKHOFF-VON NEUMANN SWITCHES) 23 3.3 速率整合(RATE AGGREGATION)的設計 24 3.3.1 從Benes網路到banyan網路 24 3.3.2 從Banyan網路遞迴展開成fat-tree 25 3.4 FAT-TREE路由範例說明 27 3.5 應用時槽佇列(TIME-SLOT QUEUE, TSQ)解決大型網路的同步問題 28 第4章 FAT-TREE拓撲上的合併型盲路由負載平衡交換網路 30 (A MERGED ROUTE-BLIND LOAD-BALANCED SWITCHING NETWORK ON FAT-TREE TOPOLOGY, MRL NETWORK) 30 4.1 從RL網路到MRL網路 30 第5章 FAT-TREE拓撲上的位元逆轉型盲路由負載平衡交換網路 32 (A BIT-REVERSAL ROUTE-BLIND LOAD-BALANCED SWITCHING NETWORK ON FAT-TREE TOPOLOGY, BRL NETWORK) 32 5.1 拉丁方陣（LATIN SQUARE） 33 5.2 位元反轉排列（BIT REVERSAL PERMUTATION） 33 5.3 位元反轉拉丁方陣（BIT REVERSAL LATIN SQUARE） 35 第6章 系統設計 38 6.1 網路系統分析 38 6.1.1 RL Network 38 6.1.1.1 外部交換元件(Outer Switching Component) 40 6.1.1.2 內部交換元件(Inner Switching Component) 41 6.1.2 MRL Network 41 6.1.2.1 外部交換元件(Outer Switching Component) 42 6.1.2.2 內部交換元件(Inner Switching Component) 42 6.1.3 BRL Network 43 6.2 通用型交換元件 44 6.2.1 交換核心(switch core) 45 6.2.1.1 主架構(Main Architecture) 46 6.2.1.2 交換架構模組(switch fabric) 47 6.2.1.3 同步化通訊協定模組(Synchronous Protocol) 50 6.2.1.4 串列/解串介面(SerDes Interface) 52 6.3 系統測試 54 6.3.1 測試環境 55 6.3.2 測試結果 56 6.4 系統實作討論 59 第7章 結論 63 第8章 參考資料 64

    [1] IPv4 address exhaustion,
    http://en.wikipedia.org/wiki/IPv4_address_exhaustion
    [2] V. E. Benes, “Mathematical Theory of Connecting Networks and Telephone Traffic”, Academic Press, 1965.
    [3] IEEE P802.3ba 40Gb/s and 100Gb/s Ethernet Task Force.
    http://www.ieee802.org/3/ba/
    [4] Computer Industry Almanac Inc
    http://www.c-ia.com/pr0207.htm
    [5] Masanori Bando, N. Sertac Artan, and H. Jonathan Chao, “FlashLook:100-Gbps Hash-Tuned Route Lookup Architecture“
    [6] Active BGP entries (FIB)http://bgp.potaroo.net/as2.0/bgp-active.html
    [7] Cisco Data Center Infrastructure 2.5 Design Guide
    [8] Charles E. Leiserson, "Fat-trees: universal networks for
    hardware-efficient supercomputing, " IEEE Transactions on
    Computers, Vol. 34 , no. 10, Oct. 1985, pp. 892-901.
    [9] Cyriel Minkenberg and Mitch Gusat, IBM Research, Zurich Research Laboratory, "Bidirectional Fat Tree Construction and Routing for IEEE 802.1au, "
    http://www.ieee802.org/1/files/public/docs2007/au-sim-ZRL-fat-tree-build-and-route-r1.0.pdf
    [10] CSIX, CSIX-L1: Common switch interface specification-L1, http://www.oiforum.com/public/documents/csixL1.pdf

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