专利名称：用于输入排队交换机的基于差分帧的调度的制作方法
用于输入排队交换机的基于差分帧的调度相关申请的交叉引用本申请要求于2009年11月4日提交的美国临时专利申请No. 61/258，097的权益。为了所有的目的，将该临时专利申请的公开内容以引用的方式并入本文中。
背景技术：
除非本文中另行指出，否则在本节中描述的材料并非本申请的权利要求的现有技术，且不因为其被本节包括而被承认为现有技术。可以将网络建模为由对业务进行路由的交换机构成。如果交换机构成的内部加速是一，并将时间分为时隙，则单元传输(cell transfer)就受到唯一的配对约束即，在时隙中，一个单元可以从输入离开，且一个单元也可以到达一个输出。因此，在单元传输之前需要调度，以计算输入与输出之间的匹配。随着实时应用(比如视频和语音)的快速增长，对调度算法加以更严格的要求，要求这些调度算法具有低计算复杂度，并在吞吐量、延迟、延迟抖动和公平方面实现良好的性能。之前，提出了逐时隙匹配算法(比如，最大尺寸匹配(MSM))来最大化每个时隙中的吞吐量性能。这些方案一般基于收集到的输入队列的信息来计算在每个时隙中的匹配，并对匹配算法的计算复杂度加以严格的要求，计算复杂度是在设计具有大交换机尺寸的高速路由器中的主要可扩缩性问题之一。在用于逐帧计算输入/输出匹配的基于帧的匹配方案中，每个帧由一定数目的连续时隙构成。这些方案将计算匹配的频率从每个时隙降低到每个帧。
发明内容
本公开描述一种用于在网络环境中调度输入排队交换机的方法。根据一些不例，所述方法可以包括将可用时隙的预定部分专门用于每个交换机端口对，其中，交换机端口对在其专用时隙内不受调度约束，且根据预定顺序来移除对专用时隙的分配。所述方法还可以包括根据所述预定顺序来补充对专用时隙的分配，并使交换机端口对能够借用其他交换机端口对的专用时隙。本公开还提供一种用于在网络环境中调度输入排队交换机的装置。根据一些示例，所述装置可以包括存储器，被配置为存储指令，且还存储与交换机端口对相关联的对网络业务进行定向的网络信息数据；以及处理器，耦合到所述存储器，其中，所述处理器适于执行所述指令，当所述指令被执行时，所述指令将所述处理器配置为将可用时隙的预定部分专门用于每个交换机端口对，其中，交换机端口对在其专用时隙内不受调度约束，且根据预定顺序来移除对专用时隙的分配。所述处理器还可以根据所述预定顺序来补充对专用时隙的分配，并使交换机端口对能够借用其他交换机端口对的专用时隙。本公开还描述一种计算机可读存储介质，其具有存储于其上的用于以基于差分帧(differential frame)的方式在网络环境中调度输入排队交换机的指令。根据其它示例，所述指令可以包括将可用时隙的预定部分专门用于每个交换机端口对，其中，交换机端口、对在其专用时隙内不受调度约束，且根据预定顺序来移除对专用时隙的分配。所述指令还可以包括根据所述预定顺序来补充对专用时隙的分配，并使交换机端口对能够借用其他交换机端口对的专用时隙。以上发明内容仅仅是说明性的，而绝不是限制性的。除了上述示例性的各方案、各实施例和各特征之外，参照附图和以下详细说明，将清楚其他方案、其他实施例和其他特征。
根据以下说明和所附权利要求，结合附图，本公开的前述和其他特征将更加清楚。在认识到这些附图仅仅示出了根据本公开的一些示例且因此不应被认为是限制本公开范围的前提下，通过使用附图以额外的特征和细节来详细描述本公开，在附图中图I示出了示例2入/2出交换机对以及该交换机对的各种置换矩阵；图2示出了用于产生针对长度为6的圆形阵列的二分顺序(dichotomy order)O的示例；图3示出了在具有不同帧长度的静态均匀业务下的在根据至少一些实施例的系统中的“吞吐量性能”对“业务负载”的比较；图4示出了在具有不同帧长度的静态均匀业务下的在根据至少一些实施例的系统中的“抖动性能”对“业务负载”的比较；图5示出了在均匀业务下的在根据至少一些实施例的系统中的“平均计算复杂度”对“帧长度”对“输入负载”的比较；图6示出了通用计算设备，该通用计算设备可以用于实现针对输入排队交换机的基于差分帧的网络业务调度；图7是示出了针对输入排队交换机的基于差分帧的调度的示例方法的流程图，该示例方法可以由诸如图6中的设备600之类的计算设备来执行；图8示出了示例计算机程序产品的框图，其全部根据本文所述的至少一些实施例来布置。
具体实施例方式在以下详细说明中，参考了作为详细说明的一部分的附图。在附图中，类似符号通常表示类似部件，除非上下文另行指明。
具体实施方式
部分、附图和权利要求书中记载的示例性实施例并不是限制性的。在不脱离在此所呈现主题的精神或范围的情况下，可以利用其他实施例，且可以进行其他改变。应当理解，在此一般性记载以及附图中图示的本公开的各方案可以按照在此明确公开的多种不同配置来设置、替换、组合、分割和设计。本公开总体涉及与针对输入排队交换机的基于差分帧的调度相关的方法、装置、系统、设备和/或计算机程序产品等。简而言之，针对具有虚拟输出队列(VOQ)的输入排队(IQ)交换机，可以采用基于差分帧的调度方案。差分调度可以基于2个连续帧中的业务差异来调整先前的调度。为了 以低复杂度来保证服务质量(QoS)，该调整可以首先在每个帧中为每个端口对保留一些时隙，然后根据二分顺序来释放过剩的分配并补充不足的分配，其被设计为用于高吞吐量、低抖动、公平和低计算复杂度。图I示出了根据本文所述的至少一些实施例所布置的示例2入/2出交换机对和针对该交换机对的各种置换矩阵。具有虚拟输出队列(VOQ)的输入排队(IQ)纵横制(crossbar)交换机构成是在高速路由器和交换机的设计中新近的方案。在这种交换机构成中，根据分组的目的地端口，在输入之前将到达的分组进行排队，这称为虚拟输出队列。与传统IQ或输出排队(OQ)方案相比,利用VOQ的IQ方案克服了输出排队方案的糟糕的可扩缩性。另一方面，利用VOQ的IQ避免了由于在现有输入排队方案中的众所周知的队头(headof line, H0L)阻塞问题所产生的性能劣化。
对于交换机操作，可以使用逐时隙匹配算法(比如最大尺寸匹配(MSM))来最大化每个时隙中的吞吐量性能。这些方案基于收集到的输入队列的信息来计算每个时隙中的匹配。它们对匹配算法的计算复杂度加以严格的要求，计算复杂度是在设计具有大交换机尺寸的高速路由器中的主要可扩缩性问题之一。基于帧的匹配方案逐帧计算输入/输出匹配，其中，每个帧由一定数目的连续时隙构成。它们将计算匹配的频率从每个时隙降低到每个帧。为了进一步减少计算时间，可以使用基于差分帧的调度。网络中的数据业务遵循长期依赖性，且具有自相似的属性。在2个连续帧之间的这种业务相关性构成了基于差分帧的调度的基础。不在每个帧中从头开始计算匹配，而是基于差分帧的调度将先前帧中的调度缺省作为当前帧的调度。然后，调整该调度，以满足当前帧中的业务需求。由于在2个连续帧中的业务差异一般小于I个帧中的绝对业务，因此减轻了计算负担。针对IQ交换机的网络业务分配的设计目标包括更低的计算时间、更高的吞吐量、更低的延迟抖动、以及公平。可以通过将业务需求矩阵分解为具有理论最小总权重的置换矩阵的加权组合，来实现优化的吞吐量。每个置换矩阵可以对应于时隙中的匹配。在考虑延迟抖动和公平性能时，可以采用贪婪低抖动分解(GLJD)算法。此外，将业务矩阵分解为置换矩阵的组合，GLJD算法添加了对分解后的置换矩阵中非零项的非重叠位置的附加约束。在分解之后，可以采用加权轮循(Weighted Round Robin,WRR)方案来调度这些分解后的矩阵。备选地，也可以使用具有平滑轮循(Smoothed Round Robin, SRR)的二值矩阵分解(BMD)算法来调度这些分解后的矩阵。然而，有时候向端口对授予了比GLJD和BMD中要求的更多的分配。也被称为过度分配(over-allocation)，即使对分解后的置换矩阵进行了理想调度，该现象也可以导致未预期的高抖动和不公平。如示图100所示，可以将具有2个输入INl和IN2以及2个输出OUTl和0UT2的交换机对102的连接表示为包含可能的输入-输出连接在内的置换矩阵104。例如，在具有
8个时隙1、2.....8的帧周期中，可以由T来描述2x2交换机的业务需求，其中，Ti，j是从
输入i向输出j发送业务所需的时隙。假定示例场景[I] T2x2 = \ \端口对(1，1)、(1,2)和(2，I)具有要发送的4个分组，而端口对(2，2)仅具有要发送的2个分组。BV和GLJD分解产生了以下置换矩阵的加权和I4a <4\l +4^ il，其中，〈意味着右侧的每一项不小于左侧的对-4· 2」 LfJ I」 Li U-
应项。然后，可以用具有2个时隙的相等间隔来调度2个分解后的置换矩阵_9]置换矩阵:[;K K K K K ；] G K ；]时隙12 3 4 5 6 7 8向仅需要2个时隙的端口对授予了 4个时隙，即1、3、5、7。用于调度的通常方案是选择最早的2个时隙，时隙I和3。在该情况下，在这2个分配之间的间隔(时间差)是2个时隙，而在第2分配和下一帧中的分配之间的间隔不小于6个时隙，从而导致了高抖动。取而代之地，选择时隙I和5可以产生低延迟抖动。此外，过度分配还造成了在端口对之间的短期不公平，因为在头4个时隙期间发送端口对的100%的业务，而在相同时间中仅发送其他端口对的50 %的业务。为了避免由于过度分配带来的未预期的高抖动和不公平，根据一些实施例，可以采用差分二分时隙分配(DDSA)，以刚好分配用于容纳每个端口对的业务需求的时隙量。具体地，DDSA执行以下操作来实现良好的性能。第一，DDSA通过将一些时隙专用于每个端口对，将紧密耦合的端口对加以去耦合。在其专用时隙内，端口对不再受调度约束。该操作可以降低调整过程中的计算复杂度。第二，DDSA可以根据具体设计的顺序对专用时隙的分配进行移除和补充，这有助于DDSA实现良好的性能。第三，为了实现高吞吐量，DDSA可以允许端口对借用其他端口对的专用时隙。不从头构造调度，而是DDSA将上一帧中的调度缺省地视为针对当前帧的调度。然后，根据2个帧中的业务差异，DDSA可以调整调度，以满足当前帧的实际业务需求。一般而言，该调度可以包括2个步骤。如果帧中的请求小于在先帧中的请求，则可以从调度S°中移除冗余分配，否则可以将不足的分配补充到S°中。根据一些实施例的调度算法可以用低复杂度来移除和补充分配，且同时维护高吞吐量、抖动和公平性能。由于不能用相同时隙来分配具有相同输入或输出端口的2个端口对，端口对彼此紧密地耦合给移除和补充过程增加了复杂度。根据实施例的算法可以将一些时隙专门用于每个端口对。在专用时隙中，端口对不再受到约束。换言之，任何专用时隙可以用于在每个帧中调度，因此减少了在搜索合适时隙时所用的时间。此外，可以根据具体设计的顺序来移除和补充专用时隙的分配，这有助于DDSA实现良好的性能。此外，DDSA可以使得端口对能够在需要时借用其他端口对的专用时隙，以优化吞吐量。如上所述，根据实施例的DDSA算法可以将时隙集合专门用于每个端口对，以节约搜索分配时隙的时间。在它们对应的专用时隙中，将端口对去耦合，且端口对不再受以下约束端口不能同时向多于一个端口发送或从多于一个端口接收。在每巾贞中，端口对可以任意地选择任何专用时隙，这暗示了在选择方面的低复杂度。一般而言，端口对的专用时隙可以满足以下准则。首先，具有相同输入或输出的端口对的专用时隙可能不重叠。其次，端口对的专用时隙的数目能够容纳其业务需求。为了满足第一准则，DDSA可以将端口对分组，以使得相同组中的端口对不具有相同的输入或输出。然后，DDSA可以逐组分配专用时隙。对于第二标准，DDSA可以尝试将更多的时隙专门用于具有更大业务需求的端口对。具体地，DDSA可以将具有相似业务需求的端口对分在相同组中，然后基于该组内的端口对的业务需求来分配专用时隙。 令Gk描述组k中的端口对，如果(i，j)属于组k，则三维布尔变量Gkiij等于1，否则等于O。通过分组，可以将约束归纳为
权利要求
1.一种用于在网络环境中调度输入排队交换机的方法，所述方法包括 将可用时隙的预定部分专门用于每个交换机端口对，其中，交换机端口对在其专用时隙内不受调度约束； 根据预定顺序来移除对专用时隙的分配； 根据所述预定顺序来补充对专用时隙的分配；以及 使交换机端口对能够借用其他交换机端口对的专用时隙。
2.根据权利要求I所述的方法，还包括对所述交换机端口对进行分组，以使得相同组中的交换机端口对不具有相同的输入或输出。
3.根据权利要求I所述的方法，还包括逐组分配专用时隙，其中，将具有相似业务需求的交换机端口对分在相同组中，然后基于每个组内的交换机端口对的业务需求来分配专用时隙。
4.根据权利要求I所述的方法，将专用时隙用于每个帧中的调度，从而减少在搜索合适时隙时所用的时间。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，基于长期统计业务到达率信息来对时隙进行专用。
6.根据权利要求I所述的方法，还包括对所述交换机端口对进行分组，从而使交换机端口对的业务到达率的总方差最小。
7.根据权利要求I所述的方法，还包括基于二分顺序来选择专用时隙，其中，确定可用时隙之间的间隔，并选择最大间隔的中间位置上的时隙。
8.根据权利要求I所述的方法，还包括允许业务请求超过其专用时隙的容量的交换机端口对从其他交换机端口对借用专用时隙。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括使交换机端口对能够首先取回借给其它交换机端口对的专用时隙，从而使交换机端口对能够以最高优先级来使用他们的专用时隙。
10.一种用于在网络环境中调度输入排队交换机的装置，所述装置包括 存储器，被配置为存储指令，且还存储与交换机端口对相关联的对网络业务进行定向的网络信息数据； 处理器，耦合到所述存储器，其中，所述处理器适于执行所述指令，当所述指令被执行时，所述指令将所述处理器配置为 将可用时隙的预定部分专门用于每个交换机端口对，其中， 交换机端口对在其专用时隙内不受调度约束； 根据预定顺序来移除对专用时隙的分配； 根据所述预定顺序来补充对专用时隙的分配；以及 使交换机端口对能够借用其他交换机端口对的专用时隙。
11.根据权利要求10所述的装置，其中，所述处理器还被配置为对所述交换机端口对进行分组，以使得相同组中的交换机端口对不具有相同的输入或输出。
12.根据权利要求10所述的装置，其中，所述处理器还被配置为逐组分配专用时隙，以使得将具有相似业务需求的交换机端口对分在相同组中，然后基于每个组内的交换机端口对的业务需求来分配专用时隙。
13.根据权利要求10所述的装置，其中，所述处理器还被配置为将专用时隙用于每个帧中的调度，从而减少在搜索合适时隙时所用的时间。
14.根据权利要求13所述的装置，其中，基于长期统计业务到达率信息来对时隙进行专用。
15.根据权利要求10所述的装置，其中，所述处理器还被配置为对所述交换机端口对进行分组，从而使交换机端口对的业务到达率的总方差最小。
16.根据权利要求10所述的装置，所述处理器还被配置为基于二分顺序来选择专用时隙，以确定可用时隙之间的间隔，并选择最大间隔的中间位置上的时隙。
17.根据权利要求10所述的装置，所述处理器还被配置为允许业务请求超过其专用时隙的容量的交换机端口对从其他交换机端口对借用专用时隙。
18.根据权利要求17所述的装置，所述处理器还被配置为使交换机端口对能够首先取回借给其它交换机端口对的专用时隙，从而使交换机端口对能够以最高优先级来使用他们的专用时隙。
19.一种计算机可读存储介质，其具有存储于其上的用于以基于差分帧的方式在网络环境中调度输入排队交换机的指令，所述指令包括 将可用时隙的预定部分专门用于每个交换机端口对，其中，交换机端口对在其专用时隙内不受调度约束； 根据预定顺序来移除对专用时隙的分配； 根据所述预定顺序来补充对专用时隙的分配；以及 使交换机端口对能够借用其他交换机端口对的专用时隙。
20.根据权利要求19所述的计算机可读存储介质，其中，所述指令还包括 使更早借用的交换机端口对优先于较晚借用的另一交换机端口对； 使交换机端口对能够首先取回借给其它交换机端口对的专用时隙，从而使交换机端口对能够以最高优先级来使用他们的专用时隙；以及针对交换机端口对的总数，对吞吐量进行归一化。
全文摘要
针对具有虚拟输出队列(VOQ)的输入排队(IQ)交换机，采用基于差分帧的调度方案。差分调度基于2个连续帧中的业务差异来调整先前的调度。为了以低复杂度来保证服务质量(QoS)，该调整首先在每个帧中为每个端口对保留一些时隙，然后根据二分顺序来释放过剩的分配并补充不足的分配，其被设计为用于高吞吐量、低抖动、公平和低计算复杂度。
文档编号H04L12/28GK102640457SQ201080048846
公开日2012年8月15日 申请日期2010年11月3日 优先权日2009年11月4日
发明者尼尔万·安萨里, 张晶晶 申请人:新泽西理工学院