多级星型交换网络结构及优化方法
【专利摘要】本发明公开了一种多级星型交换网络结构及优化方法，主要解决现有网络技术中交换模块端口速率相等和交换模块价格仅考虑端口数量的缺点。该多级星型交换网络由第1级至第N级具有一个高速端口和若干低速端口的基本交换模块依次互连而成；第N-1级基本交换模块的高速端口从最左边开始依次连接第N级基本交换模块的低速端口；以此类推，第k级基本交换模块的高速端口从最左边开始依次连接第k+1级基本交换模块的低速端口，以使网络结构向外扩展，k＝N-1,…,1。本发明减小了网络中流量的浪费及拥堵出现，更加符合实际应用场景，可用于设计和优化使用SDH或以太网交换设备的接入网和数据中心等交换系统。
【专利说明】多级星型交换网络结构及优化方法
【技术领域】
[0001]本发明属于网络通信领域，特别涉及通信网中交换网络结构及其优化方法，可用于设计和优化使用SDH或以太网交换设备的接入网和数据中心等交换系统。
技术背景
[0002]同步数字体系SDH和以太网是目前最重要和应用最广泛的宽带传输技术，它们的一个重要特征是相邻速率等级的接口速率呈等比级数增加，且相邻的不同速率间存在同步或异步复用，如SDH和以太网速率分别为同步传输模块STM-N和异步X Gbps，二者的相邻级速率等比系数分别为4和10，其中N= 1,4, 16，64，256和x = 0.1, I, 10，100。接入网中的SDH和Ethernet单个复用/交换设备大多具有多个低速端口和一个高速端口，称该设备为基本交换模块BSM (Basic Switching Module)，如一个SDH分叉复用器ADM可具有4个STM-1和I个STM-4接口。具有前述SDH和Ethernet不同速率等级接口的交换设备在实际使用中大多构成网状、环形和星型等网络结构，其中多级星形交换网络结构是接入网中非常重要的网络互连技术之一。
[0003]目前国内外对多级互连网络的研究主要是关于基本交换模块的互连，特别是利用传统结构如Banyan和Clos的光互连。一些研究文献涉及了多级互连网络的分析与优化，互连网络的多播和优先处理服务。
[0004]Ohring S.R.等人在“On generalized fat trees”一文中提出了一种由许多交换单元互连而成的可扩展广义胖树XGFT。该胖树中所有交换单元的端口速率都相同，造成了网络流量的浪费和出现拥堵，这不符合实际的应用环境，不能解决实际的应用问题。
[0005]Javier Navaridas, Jose Miguel-Alonso 等人在 “Reducing complexity intree-like computer interconnect1n networks”一文中提出交换单兀的花费只和其端口数有关。一个交换系统的全部花费由许多因子决定，通常包括节点、链路、安装甚至维护的花费。它主要由第一个因素决定，后两个花费因子主要依赖于实际应用场景而难以确定，因此这两个因子经常被忽略。在目前研究的很大一部分中，交换网络的花费只与一个因素有关，例如换单元的数量，忽视通过交换单元的流量或端口速率对花费的影响，这对有着不等端口速率的交换设备来说是不切实际的，例如，一个8端口 1000M以太网交换机的花费通常是8端口 10M交换机的3倍。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于针对上述技术的不足，提出一种适应于SDH和以太网中这种传输与复用体制的具有不等速率端口的多级星型交换网络结构及其优化方法，以减小网络流量的浪费及拥堵出现，并构建考虑流量和端口因素的花费模型，使其更加完善和符合实际应用场景。
[0007]为实现上述目的，本发明的多级星型交换网络结构，由第I级至第N级的基本交换模块依次互连而成，N ^ 2 ;其特征在于，第N级仅有I个基本交换模块，该基本交换模块仅有速率相同的Qn个低速端口；第i级有；=Π?=?+1 <2/个基本交换模块，每个基本模块设有速率相同的Qi个低速端口和I个高速端口，i = 1,2, -,N-10
[0008]上述多级星型交换网络结构，其特征在于，各级基本交换模块依次互连的关系为:第N-1级基本交换模块的高速端口从最左边开始依次连接第N级相应基本交换模块的低速端口 ；以此类推,第k级基本交换模块的高速端口从最左边开始依次连接第k+Ι级基本交换模块的低速端口，以使网络结构向外扩展，实现网络用户端口数的倍增和用户端口之间的互联互通，其中k = N-1,…，I。
[0009]为实现上述目的，本发明的多级星型交换网络优化方法，包括如下步骤:
[0010](I)根据实际需求确定网络总用户端口数X。；
[0011](2)通过分解总用户端口数Xtl得到所有可行结构的级数N和低速端口数Qi, i =1，2，…，N;
[0012](3)流量计算:
[0013]3a)分别计算可行网络结构第i级基本交换模块的高速端口流量和第N级基本交换模块的高速端口流量Jfuv:
【权利要求】
1.一种多级星型交换网络结构，由第I级至第N级的基本交换模块依次互连而成，N ^ 2 ;其特征在于，第N级仅有I个基本交换模块，该基本交换模块仅有速率相同的Qn个低速端口；第i级有^ = nf=i+1 个基本交换模块，每个基本模块设有速率相同的Qi个低速端口和I个高速端口，i = 1,2, -,N-1o
2.根据权利要求1所述的多级星型交换网络结构，其特征在于，各级基本交换模块依次互连的关系为:第N-1级基本交换模块的高速端口从最左边开始依次连接第N级基本交换模块的低速端口 ；以此类推，第k级基本交换模块的高速端口从最左边开始依次连接第k+Ι级基本交换模块的低速端口，以使网络结构向外扩展，实现网络用户端口数的倍增和用户端口之间的互联互通，其中k = N-1,…，I。
3.一种多级星型交换网络结构的优化方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)根据实际需求确定网络用户端口数Xtl; (2)通过分解用户端口数Xtl得到所有可行结构的级数N和低速端口数Qi,i =.1，2，…，N; (3)流量计算: .3a)分别计算可行网络结构第i级基本交换模块的高速端口流量p和第N级基本交换模块的高速端口流量
3b)分别计算可行网络结构第I级基本交换模块的低速端口流量/id°wn和第i级基本交换模块的低速端口流量< W°wn:
(4)计算可行交换网络结构的花费: 4a)根据基本交换模块的高速端口流量:/^#和低速端口流量/f'd°wn，计算可行网络结构各级基本交换模块流量对花费的影响因子δ (i):
其中参数α是/f’UP相对于f/'d_的权重，其取值为I ; 4b)根据基本交换模块的低速端口数Qp高速端口流量:/^￥和低速端口流量//4°wn，计算可行网络结构各级基本交换模块的等效端口数Qi:
其中，β是转化率，其取值为0.32 ；4c)根据基本交换模块的等效端口数qi，计算可行网络结构各级基本交换模块的花费
4d)根据各级基本交换模块数Xp基本交换模块的花费Vi和基本交换模块流量对花费的影响因子δ (i)，计算可行网络结构的总花费:
(5)比较所有可行网络结构的花费，找出花费最小的网络结构，该网络结构即为最优网络结构。
4.根据权利要求3所述的多级星型交换网络结构的优化方法，其特征在于，所述步骤(2)中分解用户端口数Xtl，包括以下步骤: 2a)设基本交换模块的低速端口数=Qi = 4，8，16，64，128, i = I, 2，…，N，且Qj≥Qj+1,j = I,…，N-1 ； 2b)找到满足公式\ =nf=1&的所有可行网络结构的级数N和低速端口数Qi, i =I, 2，...，N。
【文档编号】H04L12/44GK104184642SQ201410437766
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年8月31日 优先权日:2014年8月31日
【发明者】徐展琦, 丁喆, 张晓磊, 刘杨, 李爽 申请人:西安电子科技大学