文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2012)11-0019-03
互聯網已進入下一代網絡時期，2010年Arbor公司與美國密西根大學的一份聯合研究報告指出，視頻服務已成為當今互聯網主流[1]。
視頻流有一個典型特性——組播。組播可分為多次單播軟件調度和硬件電路線速扇出拷貝兩種方式。前者實時性差且無質量保證；而后者時延有保證，實現組播性能好。所以，能夠支持硬件電路線速扇出拷貝的大規模組播路由交換結構是實現高質量組播的關鍵。
1 系統的理論基礎
系統核心分為兩部分：一是基于群論的多路徑自路由交換結構；二是基于代數分配格的排序單元。
1.1 多路徑自路由交換結構
參考文獻[2]中構造了多路徑自路由結構，該結構完全自路由[3]，高度模塊化。G為群組，M為群組數[4]，通信的波動和突發性引起的分組丟失率會隨G值增大而成指數趨勢減小[5]。圖1所示為一個M=16、G=8的交換結構。
1.2 支持線速組播的排序單元
交換結構最小單元為2×2排序單元，如圖2所示。該2×2排序單元可以按帶內信令來實現自路由：10<00<11，具體控制方式如表1所示。
基于分配格理論可以進一步定義?贅route={0-bound，1-bound，idle}，則原來10<00<11的線性排序關系等價于：0-bound<idle<1-bound。
當2×2排序單元應用于組播時，必須增加組播狀態，如圖3所示。
基于支持線速組播的2×2排序單元定義的新帶內信令和相應的交換控制方式如表2所示。
2 系統設計與分析
使用Altera公司的StratixIV系列FPGA實現系統。系統規模為M=4、G=8，按照功能可分為數據路徑系統與寄存器系統兩大部分。
2.1 數據路徑系統
圖4為數據路徑系統的模塊圖，主要包含有7個子模塊。分別是：
(1)Sgmii_ethernet：系統與外部PHY芯片的接口模塊；
(2)Rx_queue：用于提取數據包長度等信息，生成切割模塊頭；
(3)Lpm_lookup：進行路由查找表，生成lpm添加頭；
(4)Splitter：負責將數據包切割為等長的信元，并生成路由控制頭和分組聚合頭；
(5)Multi-path Self-routing Fabric：負責交換網絡，實現信元交換；
(6)Reassemble：負責將到達信元重組為完整的數據包，并生成包起始標注頭；
(7)Tx_queue：負責將數據包發送至sgmii_ethernet模塊，完成路由交換。
數據包在系統中行進時，子模塊要從數據包中提取信息生成相應的包頭。新生成的包頭將附在原數據包包頭位置向后傳遞。系統還添加了2 bit的CTRL信號與數據信號并行傳送，方便數據識別和處理。
2.2 寄存器系統
寄存器系統主要功能為對各子模塊進行功能配置以及讀取子模塊內部信號供調試。圖5為寄存器系統構造圖。
寄存器系統采用流水線結構。寄存器間以特定接口串行連接。每個寄存器只響應自己的讀寫請求。相比于星形拓撲結構，簡化了模塊插入操作。
寄存器系統基于Qsys平臺搭建。使用Jtag_Avalon_Master_Bridge，基于Avalon總線規范為各子模塊添加寄存器接口，實現了主機與各子模塊間的數據交互。
3 系統真實組播流量測試
測試環節使用 IXIA 400T網絡測試儀。該測試儀支持10/100/1000 G以太網，具備多種流量發生和流量統計及捕獲功能。
圖6為測試界面，此為0端口向4個端口發送組播包。目前系統已通過了功能測試，可實現組播、單播功能。下一步將進行更加復雜的測試以檢驗系統各方面性能。
本文基于分配格理論構造了組播排序單元，并結合多路徑自路由結構構造出線速組播交換系統。同時，在FPGA芯片上實現，并通過網絡測試儀進行了真實流量測試。目前，系統整體規模還較小，距大規模實際應用還有一定距離。但通過本項目，加深了理論認識，熟悉了開發環境和流程，未來將向更大規模方向發展。
參考文獻
[1] LABOVITZ C，JOHNSON S I，MCPHERSON D，et al.Internet inter-domain traffic[C].ACM SIGCOMM 2010，2010.
[2] Li Hui，He Wei，Chen Xi，et al.Multi-path self-routing switching structure by interconnection of multistage sorting concentrators[C].IEEE ChinaCom2007，2007.
[3] He Wei，Li Hui，Wang Bingrui，et al.Load-balanced multipath self-routing switching structure by concentrators[C]. IEEE ICC 2008，2008.
[4] 李揮，王秉睿，黃佳慶，等.負載均衡自路由交換結構[J]. 通信學報，2009，30(5)：9-15.
[5] 李揮，林良敏，黃佳慶，等.具有最小緩存復雜度的負載均衡交換方法[J].電子學報，2009，37(11)：2367-2372.