基于矩阵分解的可重配置voq结构交换机分组调度算法
【专利摘要】本发明公布了一种基于矩阵分解的可重配置虚拟输出排队VOQ结构交换机分组调度算法。可重配置分组交换机由于重配置时延相对较大，从而引起了交换机中分组累积的现象。本发明首先将业务到达的双随机矩阵分解为有限数量的置换矩阵，提出了分解的充分且必要条件是不存在任意两个输入端口只有去往同一输出端口的分组，由此提出一种新的矩阵分解方法及置换矩阵元素提取方法。然后提出了选择占用最大的置换矩阵作为匹配矩阵的调度方法p-LQF。与典型的方法比较，本发明具有更好的时延特性及更小的复杂度。同时理论证明本发明算法对于符合强大数定理的可接入分组到达可得到100%的通过率。
【专利说明】基于矩阵分解的可重配置VOQ结构交换机分组调度算法
【技术领域】
[0001]本发明属于输入排队结构分组交换机分组调度【技术领域】。
【背景技术】
[0002]本发明中的可重配置VOQ交换机是指每一次交换时交换机的输入输出端口进行重新配置，而重配置过程带来了较大的时延。例如采用电存储光交换混合结构的微电子机械系统(MEMS, micro-electro-mechanical systems)实现的光电混合虚拟输出排队(V0Q,VirtualOutputQueuing)结构交换机,在VOQ缓存器与交换介质(switchingfabric)之间进行电/光转换，在交换介质与输出端口之间进行光/电转换。MEMS光交换机端口重配置(reconfiguration)时间比电交换长得多。出于传输效率的考虑，输入输出端口的匹配不可能像电交换机每个时隙更新一次，而要在多个时隙中重复使用，因此光交换机中的分组调度的基本特点是基于帧的。在帧开始的边界上确定端口匹配，进行光路配置，再传输分组。交换机的内部传输需要F/T的加速比(speedup)，其中帧长F=C+T，C和T分别为重配置及传输时间。
[0003]目前已有的调度算法可分为固定帧长和可变帧长两类。在固定帧长的算法研究中，有研究根据一帧开始时各VOQ队列的长度，直接采用电交换机中的最长队列优先(LongestQueueFirst, LQF)算法。该算法可以获得较低的平均分组时延，但复杂度高达0(N3)，不易实际实现。也有研究讨论了基于帧开始前m个时隙的最大、极大以及多重迭代等加权匹配算法。上述方法是一次确定一个帧中的匹配关系。还有研究讨论了一次确定多个帧的批量调度(batch-scheduling)极大匹配法。这种方法虽然可以提高通过率，但这些帧中到达的分组需要在调度前进行累积，导致较大的分组时延。
[0004]在可变帧长调度算法研究中，有研究讨论了改进的尽力服务双轮询匹配EDRRM(ExhaustiveService DualRoundRobinMatching)算法。当在巾贞边界更新匹配关系时，原来匹配的输入输出端口若没有找到新的匹配端口，则依然保持连接。也有研究提出了一种确保分组时延的可变帧长的批量调度算法DOUBLE。该算法首先对到达的分组进行累积，得到各端口的传输需求矩阵，将所得需求矩阵分解得到非完全匹配的疏、密矩阵及相应的权重。所得疏、密矩阵作为一帧中的匹配矩阵，且帧长正比于其权重。为确保时延，分组累积的时间必须足够长，因此该算法的平均分组时延很大。
[0005]由于干线交换机通常采用MPLS (multipleprotocollabelswitch)或者EF(expeditedforwarding)机制进行流量控制，能够预先获得传输需求。因此采用基于矩阵分解的调度方法是现实可行的。本发明提出了一种新的基于矩阵分解的p-LQF(permutationbasedlargestqueuefirst)算法,通过对业务矩阵的分解得到完全匹配的置换矩阵(permutationmatrix);根据置换矩阵对应的各VOQ队长之和,在线调度置换矩阵。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供可重配置VOQ结构交换机中平均分组时延更低且复杂度较小的分组调度算法。
[0007]为实现上述目的，本发明采用的技术路线为:
[0008]第一步矩阵分解
[0009]本发明提供固定帧长的调度算法，每个输入端口一个时隙最多只有一个分组到达，输入输出端口之间在重配置期间不能传输分组，而在传输期间以F/T的加速比传输分组。到达的分组长度固定，且为可接入到达。即令Aij为输入端口 i往输出端口 j的分组
的平均到达速率，则
【权利要求】
1.一种双随机矩阵置换分解方法，其特征是: 对于一个NXN的双随机矩阵M，其中每一行和每一列之和均等于一个常数；Hi和Lj分别表示矩阵中第i行和第j列中不为零的元素的个数； 第I步计算矩阵M的Hi和Lj, I ^ i, j ^ N ； 第2步找到最小的H或最小的L，提取该行或该列中的其所在列或行的L或H值最小的元素Emin，删除其所在行和列；若有多个可选元素，任意选取一个； 第3步若矩阵中存在未被删除的行和列，转入第2步； 第4步令M=M-抑历，其中nk为分解得到的置换矩阵Ψ丨力分解nk时选取的N个元素中的最小值； 第5步若M中有不为零的元素，转入第I步；否则结束。
2.根据权利要求1所述的置换矩阵元素提取方法，其特征是: 第I步首先交换M中的行，依Hi (i=l,…，N)从大到小排列各行，即H1最大，且任意排列具有相同H的行；然后依照同样的方法排列各列，即L1最大，得到矩阵M ;同时对于矩阵M，不失一般性，假设在第N行选取Emin，删除第N行及相应的第k列(I < k < N)，得到一个(N-1) X (N-1)剩余矩阵 M '; 第2步 1)若Hn=Ln=N,N为当前矩阵的维数，则任意选取不同行和列上的元素，例如直接选取对角线上的元素，分解结束； 2)若Inin(Hi)=I和/或min{L」} `=1,其中i, j=l,…，N，直接选取H和/或L=I的元素； 3)若I)和2)中的情况均不出现，由min{HN，Ls}的值，第M行或第N列最右边或最下面第一个不为零的元素即为Emin ;实际上，由上面的证明可知，可以直接选取第M行或第M列，而无须比较Hn和Ls的大小； 第3步删除Emin所在行和列得到;由于L值的变化只取O或1，则: 1)所有L=N的行的位置保持不动,且L减I; 2)Emin所在列元素为零的行位置不动，且L值不变； 3)Emin所在列不为零的元素所在行的L值减1，与其上面的相邻行的值比较排序；排序过程从上往下进行；采用具有N个寄存单元的寄存器记录具有相同L值的行的数目，则最多只需^2-1^欠比较即可确定1,中各行的位置关系，L表示寄存器中不为零的单元的数目；同样的方法确定各列的位置关系。
3.另一种双随机矩阵置换分解方法，其特征是: 第I步针对矩阵M构造相应的观察矩阵&，方法为若M中的m(i，j)>0，则令M中的m(i, j)为I,否则为O。 第2步在w _寻找一个不为O的元素,该元素所在的行和列中不为O的元素个数最少，然后将&中该元素所在的行与列的所有元素置O。重复上面过程，直到寻找出所有N个元素为止。该N个元素构成一个NXN置换矩阵。 用M减去所得置换矩阵，得到的矩阵再次构造观察矩阵，循环执行第一步和第二步的操作，直到最后得到的M所有元素都为O，跳出循环。第3步所得置换矩阵中若有相同者，保留其中一个，其余的删除。
4.结合权利要求1、权利要求2和权利要求3的最大占用优先的置换矩阵调度方法P-LQF算法，其特征是: 第I步釆用算法I得到所有置换矩阵nk ； 第2步计算各私=Σβ.,<，I≤k≤K ;其中Qi,」表示VOQ^的队长，i，j=1，…，N成表示置换矩阵nk的队长，I≤k≤K，K为置换矩阵的数目；表示nk中的元素，丄表示输入端口 i与输出端口 j匹配，O表示未匹配； 第3步选择nm[nm|Bm=rnax(Bk, I≤k≤K)]作为当前帧的匹配矩阵。
【文档编号】H04L12/937GK103825845SQ201410098050
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2014年3月17日 优先权日:2014年3月17日
【发明者】熊庆旭, 冯金鑫 申请人:北京航空航天大学