基于SRAM的核心路由器交换矩阵输入端口设计

摘要：交换矩阵是核心路由器的重要组成部分，为了避免来自不同输入端口的信元同时发往同一个输出端口，需要在输入端口设置缓冲区，即输入排队交换结构。基于静态随机存储器完成了交换矩阵输入端口虚拟输出队列(VOQ)的设计，该设计可以降低核心路由器交换芯片的面积，提高输入端口缓冲区信元的响应速率，并通过DE-115开发板完成对设计的验证。
关键词：交换矩阵；输入端口；VOQ；SRAM

0 引言
随着光纤通信技术的飞速发展，路由器的数据处理速度成为网络通信的主要瓶颈，交换矩阵作为核心路由器的重要组成部分则严重制约了路由器的传输速率。目前核心路由器交换结构使用较多的有共享内存和Crossbar两种。共享内存结构通过共享输入和输出端口存储器件，减少了对总体存储空间的需求。共享内存结构相对简单，交换效率可根据需求不断优化。共享内存交换结构的交换性能取决于共享内存的存取速率，可扩展性较差，尤其当板卡端口数量较多时，交换效率有所下降。
Crossbar是一种严格的非阻塞交换结构，输入／输出之间可建立多条通路。Crossbar采用连接式，即N×N的交叉矩阵。Crossbar使用调度器，根据各输入点相关的信息，运算调度算法得到输入和输出之间的一个匹配，并配置相应交叉点。调度器的效率非常关键，决定了Cross bar的交换速率，因此调度算法必须高度完善。但Crossbar同样存在扩展性的问题，即交换矩阵的交叉点会随着输入／输出数量的增多呈指数增长。为维持无阻塞交换，需不断完善和改进调度算法，代价是开发的技术成本越来越高，核心交换芯片的面积也越来越大。另外，Cross bar也同样不能避免排队仲裁，传输效率受到一定影响和限制。但相比共享内存结构，Crossbar效率和扩展性都比较好，目前大部分高端路由器都使用Crossbar交换结构。
基于静态随机存储器(SRAM)的交换矩阵输入端口虚拟输出队列(VOQ)的设计同时结合了共享内存和Crossbar两种交换方式的优点，将输入端口中的数据缓冲区移至片外，用高效地调度算法对虚拟输出队列进行调度，可以有效的减小核心交换芯片的面积，并提高数据报文的读取速率。

1 系统总体设计
由于核心路由器交换矩阵硬件实现简单，已经在越来越多的ATM交换机和高性能路由器中使用。当输入端口使用单一的FIFO排队机制时，HOL(Head of Line)阻塞使得开关吞吐率最多只能利用58％，因此，在目前输入缓冲的交换设备中，输入端口一般采用VOQ虚拟输出队列技术，即每个输入端口为到达不同输出端口的信元设置不同的FIFO队列。虚拟输出队列技术的采用消除了HOL阻塞。

核心路由器交换矩阵主要由三个模块组成，即调度模块，输入模块，输出模块。调度模块主要用来分析输入端口的缓存数据报文的目的地址，根据输入端口各个虚拟输出队列的调度请求，使用iSLIP调度算法8控制输入端口与输出端口之间的连接，防止队列的链头阻塞。输入模块主要是用来将从线卡上接收的数据报文存入不同的基于SRAM的虚拟输出队列，同时向调度器发出调度请求，当接收到调度指令后，将报文发往输出端口。输出模块是用来接收输入端口发来的数据报文，并将其重新组合成完整的数据包发送出去，同时给调度器一个反馈指令，交换矩阵的系统框图如图1所示。