数据产品中各类交换结构的实现

 2004年6月B版

摘  要：本文论述了在高低端路由器、交换机等数据产品中各类交换结构的实现，分析了相应的特点与其应用场合，为数据产品中交换结构的设计提供了借鉴。

关键词：数据产品；交换结构

　　交换结构是路由器、交换机等数据产品中的核心部件，直接决定了整个系统的主要性能。多年来，各相关厂商、科研院所提出了许多交换方案，以解决数据交换过程中的碰撞冲突与阻塞等问题。从实现机制上分，大体上可分为两类：时分交换结构、空分交换结构。

时分交换结构

　　在时分交换结构中，交换单元不能同时交换一个以上的输入端口数据。从交换结构的角度看，每个输入端口数据的处理是串行的。

共享总线交换结构

　　共享总线交换结构采用时分背板总线进行数据交换，总线容量为单个端口容量的N倍以提供足够带宽。每个输入端口以一定的优先级，如仲裁或菊花链结构，向总线发送数据。交换结构如图1所示。

　　共享总线交换结构非常简单，并且各结点之间具有相对的独立性，但其可扩展性受背板总线速率所限，而当背板总线可靠性不佳或一个端口进入超长传输时，可能导致整个交换体系的崩溃。

　　分层总线交换结构在一定程度上改善了共享总线交换结构的性能。在分层总线下，局部交换通过局部总线，只有全局交换需要经过多条总线，如图2所示。

共享内存交换结构

　　共享内存结构被广泛应用于中小型甚至某些特定的大型交换结构实现当中，如图3所示。复用器(MUX)对各输入端口数据进行调度，解复用器(DEMUX)对共享内存中各队列进行调度，共享内存存储转发数据，控制器协调读写操作并提供各队列状态信息。

　　共享内存交换结构简单有效，交换可根据不同的设置被相应的优化。但其交换性能取决于共享内存的存取速率，共享内存的读写带宽与调度算法需要有2N倍端口速率，可扩展性较差，并且共享内存的可靠性也直接影响了整个交换体系。

空分交换结构

　　与时分交换结构相比，空分交换结构适用范围更广，可分为单级交换结构、多级交换结构、群集交换结构。

单级交换结构

　　Crossbar是一种典型的单级交换结构，其实现方式有：集中方式(输入比输出多)、扩展方式(输入比输出少)、连接方式(输入和输出一样多)，一般采用连接方式，由N