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研究生： 吳政家
Wu, Cheng-Chia
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(2)線卡
Route-blind Load-balanced Switching Network: A Network-processor free Fat-tree Topology -Part(2)Linecard
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： 61
中文關鍵詞： 交換機 、負載平衡
外文關鍵詞： switch, fat-tree
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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線卡進行設計。我們提出了折疊式架構，將原本在交換機核心的虛擬輸出佇列(VOQ)分配到線卡上，VOQ根據封包的destination來en-queue，利用旋轉器(rotator)來de-queue，並透過同步協定得以對到交換核心的連結配對。我們利用AdvancedTCA機櫃開發出的交換元件，可以支援多張且任意位置的線卡(linecard)，亦即能實現任意大小的旋轉器。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。我們可以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，並把網路視為一個交換機的想法實現。

    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 9 1.1.3 網路處理器(Network Processor, NP)設計的挑戰 10 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 13 1.2.3 利用位元逆轉連結方式降低核心網路所需頻寬 14 1.3 創意和系統特色 16 第2章 網路上的FAT-TREE拓撲 18 2.1 CISCO建議的網路架構 18 2.2 FAT-TREE拓撲的特性 19 第3章 FAT-TREE拓撲上的盲路由負載平衡交換網路(A ROUTE-BLIND LOAD-BALANCED SWITCHING NETWORK ON FAT-TREE TOPOLOGY, RL NETWORK) 21 3.1 盲路由網路的特性 21 3.2 負載平衡布可夫馮紐曼交換機(LOAD BALANCED BIRKHOFF-VON NEUMANN SWITCHES) 22 3.3 速率整合(RATE AGGREGATION)的設計 23 3.3.1 速率整合(rate aggregation)的設計 23 3.3.2 從Banyan網路遞迴展開成fat-tree 24 3.4 FAT-TREE路由範例說明 25 3.5 應用時槽佇列(TIME-SLOT QUEUE, TSQ)解決大型網路的同步問題 26 第4章 FAT-TREE拓撲上的合併型盲路由負載平衡交換網路(A MERGED ROUTE-BLIND LOAD-BALANCED SWITCHING NETWORK ON FAT-TREE TOPOLOGY, MRL NETWORK) 28 4.1 從RL網路到MRL網路 28 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(A BIT-REVERSAL ROUTE-BLIND LOAD-BALANCED SWITCHING NETWORK ON FAT-TREE TOPOLOGY, BRL NETWORK) 30 5.1 拉丁方陣（LATIN SQUARE） 31 5.2 位元反轉排列（BIT REVERSAL PERMUTATION） 31 5.3 位元反轉拉丁方陣（BIT REVERSAL LATIN SQUARE） 32 第6章 系統設計 35 6.1 網路系統分析 35 6.1.1 RL Network 36 6.1.1.1 外部交換元件(Outer Switching Component) 37 6.1.1.2 內部交換元件(Inner Switching Component) 38 6.1.2 MRL Network 38 6.1.2.1 外部交換元件(Outer Switching Component) 39 6.1.2.2 內部交換元件(Inner Switching Component) 39 6.1.3 BRL Network 40 6.2 通用型交換元件 41 6.2.1 線卡(Line Card) 43 6.2.1.1 同步化通訊協定模組(Synchronous Protocol) 43 6.2.1.2 SerDes Interface 46 6.2.1.3 CSIX interface 47 6.2.1.4 虛擬輸出佇列以及時槽佇列(Virtual Output Queue and Time Slot Queue) 47 6.2.1.4.1 佇列管理員(Queue Manager, QM) 48 6.2.1.4.2 緩衝管理員(Buffer Manager, BM) 50 6.3 系統整合測試 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 58 第7章 結論 60 第8章 參考資料 61

    [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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