二部分二代網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)二部分二代網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)1主要內(nèi)容用于協(xié)議處理的硬件體系結(jié)構(gòu)分類和轉(zhuǎn)發(fā)交換結(jié)構(gòu)主要內(nèi)容用于協(xié)議處理的硬件體系結(jié)構(gòu)2最新二部分二代網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)課件3最新二部分二代網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)課件4最新二部分二代網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)課件5最新二部分二代網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)課件6最新二部分二代網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)課件7最新二部分二代網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)課件8軟件路由器的能力考慮兩個10Base-T的以太網(wǎng)。每個網(wǎng)絡(luò)的最大包速是19500pps，每個包的處理時間不超過25.6微秒，處理每個包的指令數(shù)一般在5000~10000條之內(nèi)。因此，CPU的執(zhí)行速度必須在195Mips~390Mips之間。許多商用的CPU可以有超過400Mips的執(zhí)行速度，因此軟件路由器可以連接大約兩個10Mbps以太網(wǎng)?？紤]一個10Gbps的網(wǎng)絡(luò)，每微秒產(chǎn)生大約20個數(shù)據(jù)包，CPU每秒鐘必須執(zhí)行2×1011條指令。結(jié)論：運行在通用處理器上的軟件無法應(yīng)對高速網(wǎng)絡(luò)。軟件路由器的能力考慮兩個10Base-T的以太網(wǎng)。每個網(wǎng)絡(luò)的93.克服單CPU瓶頸細(xì)粒度并行（指令級并行）對稱粗粒度并行（對稱多處理器）非對稱粗粒度并行（非對稱多處理器）專用協(xié)處理器智能NIC數(shù)據(jù)流水線3.克服單CPU瓶頸細(xì)粒度并行（指令級并行）103.1細(xì)粒度并行（指令級并行）目前幾乎所有的處理器均采用了指令流水線來重疊指令的執(zhí)行，但數(shù)據(jù)包處理程序中可以利用的指令重疊很少。利用程序中的循環(huán)級并行，如采用向量指令。向量指令可以同時操作在一組數(shù)據(jù)單元上，比如進行檢查和計算時，對內(nèi)存中連續(xù)8個位置的數(shù)值同時相加。但數(shù)據(jù)包處理程序中可以利用的循環(huán)級并行很少。細(xì)粒度并行對包處理來說優(yōu)勢不明顯包處理功能很少能被細(xì)粒度優(yōu)化的程序必須花時間建立并行指令細(xì)粒度并行僅能改善CPU性能，而多數(shù)情況下訪存或I/O是瓶頸3.1細(xì)粒度并行（指令級并行）目前幾乎所有的處理器均采用了113.2對稱粗粒度并行（SMP）在一個計算機上匯集一組相同的CPU，系統(tǒng)資源被所有CPU共享，工作負(fù)載被均勻分配到所有可用的CPU上。典型的設(shè)計：每個CPU處理一個包，或者每個CPU執(zhí)行一個協(xié)議。使用N個處理器的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)獲得的性能增益不是單處理器系統(tǒng)的N倍：大多數(shù)多處理器系統(tǒng)使用一個共享內(nèi)存包處理軟件必須協(xié)調(diào)對共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（如隊列）的訪問只能增加處理能力，不能自動增加I/O帶寬。3.2對稱粗粒度并行（SMP）在一個計算機上匯集一組相同的123.3非對稱粗粒度并行使用多個可并行執(zhí)行的異構(gòu)處理器，每個處理器針對一種任務(wù)而優(yōu)化，使用特殊的指令集。非對稱多處理器的缺點：每一個處理器都要有自己的指令比對稱系統(tǒng)難以編程需要協(xié)調(diào)對共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的訪問通用性差，不適用于其它任務(wù)或協(xié)議成本很高3.3非對稱粗粒度并行使用多個可并行執(zhí)行的異構(gòu)處理器，每個133.4專用協(xié)處理器使用一個通用CPU加上一個或多個專用協(xié)處理器構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。協(xié)處理器是在CPU控制下運行的一個硬件：靈活的設(shè)計自由度：協(xié)處理器可以設(shè)計得很復(fù)雜，也可以設(shè)計得很簡單不要求獨立運行，沒有通用指令，也沒有取指令-執(zhí)行周期可以像軟件例程一樣被調(diào)用可以被異步調(diào)用，從而允許系統(tǒng)同時處理多個包或?qū)ν粋€包執(zhí)行多個獨立的操作一般將消耗CPU時間最多或最頻繁執(zhí)行的操作（如檢查和計算，加/解密等）用專用協(xié)處理器實現(xiàn)。協(xié)處理器通常采用ASIC技術(shù)實現(xiàn)，ASIC（ApplicationSpecificIntegratedCircuit）是指為某種特殊需要而定制的集成電路。3.4專用協(xié)處理器使用一個通用CPU加上一個或多個專用協(xié)處143.5智能NIC可以將一部分處理轉(zhuǎn)移到網(wǎng)卡上：地址識別和過濾，包緩存，DMA，操作鏈驗證IP頭校驗，從IP頭中抽取某些域，執(zhí)行加密或壓縮等在網(wǎng)卡上增加處理的優(yōu)點：減輕CPU的負(fù)擔(dān)不要求NIC有很高的處理速度 使用ASIC硬件實現(xiàn)智能NIC：設(shè)計專用芯片，集成到網(wǎng)卡上，如鏈路層芯片組、第3層ASIC芯片等速度快使用嵌入式RISC硬件實現(xiàn)智能NIC：使用標(biāo)準(zhǔn)的RISC處理器代替定制硬件代價低，易于修改，允許將更多的處理功能轉(zhuǎn)移到NIC上3.5智能NIC可以將一部分處理轉(zhuǎn)移到網(wǎng)卡上：15TCPOffloadEngine（TOE）TOE將處理TCP/IP的許多開銷從主機轉(zhuǎn)移到網(wǎng)卡，只將TCP/IP控制保留在主機上。TCPOffloadEngine（TOE）TOE將處理163.6數(shù)據(jù)流水線由一系列硬件stage組成的硬件體系結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)包經(jīng)過每一級時被執(zhí)行一種操作。優(yōu)點：適合于多種協(xié)議處理任務(wù)每一級可以做得很簡單，運行得很快所有級可以同時運行3.6數(shù)據(jù)流水線由一系列硬件stage組成的硬件體系結(jié)構(gòu)，174.總結(jié)傳統(tǒng)的基于軟件的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)已經(jīng)不能適應(yīng)高速網(wǎng)絡(luò)的需要高速網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)需要特殊的硬件支持可能的硬件體系結(jié)構(gòu)包括：多處理器系統(tǒng)ASIC協(xié)處理器智能NIC數(shù)據(jù)流水線4.總結(jié)傳統(tǒng)的基于軟件的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)已經(jīng)不能適應(yīng)高速網(wǎng)絡(luò)的需要18主要內(nèi)容用于協(xié)議處理的硬件體系結(jié)構(gòu)分類和轉(zhuǎn)發(fā)交換結(jié)構(gòu)主要內(nèi)容用于協(xié)議處理的硬件體系結(jié)構(gòu)191.解多路復(fù)用的局限性解多路復(fù)用：與分層協(xié)議一起使用，數(shù)據(jù)包穿過協(xié)議棧時每次前進一層。在輸出端，包頭中的類型域指明封裝的格式。在輸入端，每一層上的軟件選擇高一層上的一個協(xié)議模塊。特點：使用全局類型系統(tǒng)，發(fā)送方參與，逐層執(zhí)行。優(yōu)點：傳輸效率高：每一種協(xié)議的包頭只需要包含本協(xié)議需要的域靈活定義新的協(xié)議類型：每個協(xié)議獨立地定義它的協(xié)議頭，不同協(xié)議頭中的域不共享缺點：逐層順序執(zhí)行使得實現(xiàn)上很低效1.解多路復(fù)用的局限性解多路復(fù)用：202.包分類基本思想：一次性檢查所有層次上的相關(guān)域，將包劃分到相應(yīng)的類（也稱流）中。舉例：從輸入的以太幀流中分離出去往Web服務(wù)器的流量描述該流量的規(guī)則集：以太幀的type域為0x0800（IP）IP頭中的protocol域為6（TCP）TCP段中的destinationport域為80（HTTP）從概念上說，分類器需要計算以上三個條件的邏輯“與”2.包分類基本思想：一次性檢查所有層次上的相關(guān)域，將包劃分213.用軟件實現(xiàn)分類比較各級包頭中的相關(guān)域，進行邏輯“與”運算比如：If((type==0x0800)&&(protocol==6)&&(destinationport=80)) Declarethepacketmatchestheclassification;Else Declarethepacketdoesnotmatch;

3.用軟件實現(xiàn)分類比較各級包頭中的相關(guān)域，進行邏輯“與”運22優(yōu)化軟件實現(xiàn)方法重新排列條件測試的順序，將能夠過濾掉較多流量的測試排在前面；比如，若已知95%的幀攜帶了IP包，92%的IP包攜帶了TCP段，85%的TCP段的目的端口號為80，則：If((destinationport=80)&&(protocol==6)&&(type==0x0800)) Declarethepacketmatchestheclassification;Else Declarethepacketdoesnotmatchtheclassification;

優(yōu)化軟件實現(xiàn)方法重新排列條件測試的順序，將能夠過濾掉較多流量234.用硬件實現(xiàn)分類建立專用的并行硬件，避免頭域的順序測試。步驟抽取多層報頭中的相關(guān)域?qū)⑦@些域連接成一個多字節(jié)的值與分類規(guī)則中給出的常數(shù)進行比較在前面的例子中，分類器將type、protocol和destinationport三個域中的值連接成一個5字節(jié)的值，然后與0800060050進行比較。4.用硬件實現(xiàn)分類建立專用的并行硬件，避免頭域的順序測試。24一個硬件分類器的例子一個硬件分類器的例子25包頭長度不固定的解決方法方法一：在并行測試中增加對長度域的檢查，針對每一種可能的包頭長度設(shè)計一組分類規(guī)則。如在前面的例子中，假設(shè)IP頭長度有20字節(jié)和24字節(jié)兩種，則設(shè)計兩組規(guī)則：Set1 Set2以太幀的type域為0x0800 以太幀的type域為0x0800IP頭中的頭兩個字節(jié)為0x45 IP頭中的頭兩個字節(jié)為0x46IP頭中的protocol域為6 IP頭中的protocol域為6距IP頭22個字節(jié)處的域為80距IP頭24個字節(jié)處的域為80方法二：建立一個能夠順序計算報頭偏移量的硬件，抽取當(dāng)前協(xié)議頭長度，并移動相應(yīng)的距離到下一個協(xié)議頭。包頭長度不固定的解決方法方法一：在并行測試中增加對長度域的檢265.混合硬件/軟件實現(xiàn)方法硬件分類方法：代價高昂，靈活性差軟件分類方法：靈活性好，速度不高混合硬件/軟件方法：結(jié)合硬件分類的高速度與軟件分類的靈活性包含硬件分類與軟件分類兩個階段，硬件分類處理標(biāo)準(zhǔn)格式的包，軟件分類處理異常的包5.混合硬件/軟件實現(xiàn)方法硬件分類方法：代價高昂，靈活性差27一個混合分類器系統(tǒng)注意：軟件分類器可以運行在較低的速率一個混合分類器系統(tǒng)注意：軟件分類器可以運行在較低286.多規(guī)則集分類與查找引擎系統(tǒng)中通常定義了很多個流，分類器要將每個包分配到一個對應(yīng)的流，為此需要查找所有的規(guī)則集。一般做法：分類器從包中抽取出相關(guān)域的值通過一個查找引擎去查找分類規(guī)則表查找引擎的實現(xiàn)：算法：已經(jīng)提出了很多種優(yōu)化的包分類算法，可以并行地檢查所有的規(guī)則集。內(nèi)容可尋址存儲器CAM：目前絕大多數(shù)的查找引擎是基于CAM實現(xiàn)的。6.多規(guī)則集分類與查找引擎系統(tǒng)中通常定義了很多個流，分類器29ContentAddressableMemory一種支持快速查找的特殊存儲器，與普通存儲器的實現(xiàn)機制完全不同。查找操作：在CAM中輸入查找關(guān)鍵字CAM將查找關(guān)鍵字與其存儲的所有表項匹配返回匹配表項的地址有兩種類型的CAM：BCAM（BinaryCAM）：存儲位有0、1兩種狀態(tài)，精確匹配查找，一般用于低層應(yīng)用。TCAM（TernaryCAM）：存儲位有0、1和不確定三種狀態(tài)，支持通配符查找，常用于協(xié)議棧的高層，使用最為廣泛。ContentAddressableMemory一種支持30CAM（續(xù)）優(yōu)點：查找速度快，最快在一個時鐘周期內(nèi)完成查找關(guān)鍵字的匹配可以通過級聯(lián)多個CAM增加容量具有自動更新能力，能夠更新查找表缺點：價格昂貴，封裝面積大，功耗太大，容量有限一般來說，以下應(yīng)用適合采用CAM：識別大比特模式處理小規(guī)模的查找表對查找延時有嚴(yán)格要求CAM（續(xù)）優(yōu)點：317.靜態(tài)分類與動態(tài)分類靜態(tài)分類流的集合及每個流的分類規(guī)則事先已知主要用于根據(jù)服務(wù)類型或應(yīng)用來隔離不同的流動態(tài)分類流的集合隨時間而變，允許創(chuàng)建和改變流動態(tài)分類通常使用地址和包類型來區(qū)分流靈活性好，允許細(xì)粒度的流控制開銷大，需要保存狀態(tài)信息動態(tài)分類器應(yīng)能自動建立和維護流描述表，并進行分類查找。通常用軟件實現(xiàn)，狀態(tài)信息保存在內(nèi)存中。7.靜態(tài)分類與動態(tài)分類靜態(tài)分類328.分類與轉(zhuǎn)發(fā)轉(zhuǎn)發(fā)的任務(wù)是根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)包確定包的處理方法，比如根據(jù)數(shù)據(jù)包的目的地址將包轉(zhuǎn)發(fā)到合適的下一跳節(jié)點。可以將以上任務(wù)分成兩步來做：分類：將輸入數(shù)據(jù)包映射到一個流（包-->流）轉(zhuǎn)發(fā)：根據(jù)流確定包的處理方法（流-->包的處理）8.分類與轉(zhuǎn)發(fā)轉(zhuǎn)發(fā)的任務(wù)是根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)包確定包的處理方33用分類優(yōu)化無連接網(wǎng)絡(luò)中的轉(zhuǎn)發(fā)將無連接轉(zhuǎn)發(fā)劃分成兩個過程：分類：destinationaddress-->flowID轉(zhuǎn)發(fā)：flowID-->(next_hop,interface)引入分類的好處：可以將轉(zhuǎn)發(fā)信息放在一個路由cache中，用流標(biāo)識進行查找?？捎肹0,N]中的整數(shù)作為流標(biāo)識F，并用F作為路由cache的索引。路由cache比路由表小很多，而且采用索引查找，查找速度快。高速轉(zhuǎn)發(fā)的過程：分類器將數(shù)據(jù)包映射為一個流標(biāo)識F轉(zhuǎn)發(fā)器使用F作為索引查找路由cache。分類和索引的全過程比傳統(tǒng)的解多路復(fù)用和查表快得多。用分類優(yōu)化無連接網(wǎng)絡(luò)中的轉(zhuǎn)發(fā)將無連接轉(zhuǎn)發(fā)劃分成兩個過程：349.第二代網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)使用專門的協(xié)議處理硬件，為更高速度的網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。第二代網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有以下三個顯著的特點：使用分類代替解多路復(fù)用處理大部分的包將包處理功能分散到各個網(wǎng)絡(luò)接口，每個NIC都有分類和轉(zhuǎn)發(fā)的能力提供高速內(nèi)部互連機制，在各個網(wǎng)絡(luò)接口間提供快速數(shù)據(jù)通道以上三個特點都允許系統(tǒng)擴展，即允許提高每個端口的數(shù)據(jù)速率，允許系統(tǒng)支持更多的網(wǎng)絡(luò)連接。9.第二代網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)使用專門的協(xié)議處理硬件，為更高速度的網(wǎng)絡(luò)35第二代網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的概念組織使用一個常規(guī)CPU，用于管理和控制系統(tǒng)、向系統(tǒng)管理員提供管理接口、運行路由協(xié)議和更新路由表、處理異常和錯誤。網(wǎng)絡(luò)接口使用路由表轉(zhuǎn)發(fā)包快速數(shù)據(jù)通道連接各個網(wǎng)絡(luò)接口第二代網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的概念組織使用一個常規(guī)CPU，用于管理和控制系36一個典型的NIC的組成物理芯片組：組幀嵌入式RISC處理器：實現(xiàn)分類和轉(zhuǎn)發(fā)ROM：存放軟件、分類規(guī)則集等RAM：卡上包緩存總線接口一個典型的NIC的組成物理芯片組：組幀37主要內(nèi)容用于協(xié)議處理的硬件體系結(jié)構(gòu)分類和轉(zhuǎn)發(fā)交換結(jié)構(gòu)主要內(nèi)容用于協(xié)議處理的硬件體系結(jié)構(gòu)381.內(nèi)部數(shù)據(jù)通路常規(guī)計算機中的總線不能提供足夠的帶寬處理高速網(wǎng)絡(luò)之間的包轉(zhuǎn)發(fā)。數(shù)據(jù)通路的速度通常用集合數(shù)據(jù)速率和集合包速來衡量。系統(tǒng)的集合數(shù)據(jù)速率及集合包速對內(nèi)部互連機制（也稱背板）的要求：必須有足夠的帶寬傳輸進入系統(tǒng)的所有包。1.內(nèi)部數(shù)據(jù)通路常規(guī)計算機中的總線不能提供足夠的帶寬處理高392.交換結(jié)構(gòu)的概念從概念上說，交換結(jié)構(gòu)是一種承擔(dān)背板任務(wù)的硬件機制，它在一組輸入端口、輸出端口和CPU之間提供數(shù)據(jù)通路。

2.交換結(jié)構(gòu)的概念從概念上說，交換結(jié)構(gòu)是一種承擔(dān)背板任務(wù)的40交換結(jié)構(gòu)的概念（續(xù)）用于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的交換結(jié)構(gòu)需要優(yōu)化以下特性：可提供在CPU和智能I/O端口之間的連接支持單播、多播和廣播包的傳輸可擴展支持任意的數(shù)據(jù)速率可擴展支持任意的包速率可擴展支持任意數(shù)目的輸入或輸出端口低開銷低代價實際的交換結(jié)構(gòu)是對以上各種特性的權(quán)衡交換結(jié)構(gòu)的概念（續(xù)）用于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的交換結(jié)構(gòu)需要優(yōu)化以下特性：413.交換結(jié)構(gòu)的分類同步結(jié)構(gòu)與異步結(jié)構(gòu)同步結(jié)構(gòu)：交換結(jié)構(gòu)按固定的時間間隔傳輸固定長度的數(shù)據(jù)塊，最早用于電話交換機中。異步結(jié)構(gòu)：交換結(jié)構(gòu)可以在任何時刻傳輸數(shù)據(jù)，最早用于通用多處理器系統(tǒng)中。大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)交換結(jié)構(gòu)是同步的，每個包被劃分成固定大小的塊，按固定的時間間隔傳輸。

空分結(jié)構(gòu)與時分結(jié)構(gòu)空分結(jié)構(gòu)：交換結(jié)構(gòu)中使用許多通路以減小延遲，集合吞吐量高，代價高。時分結(jié)構(gòu)：許多端口共享一條或者很少幾條內(nèi)部通路，集合吞吐量低，代價低。3.交換結(jié)構(gòu)的分類同步結(jié)構(gòu)與異步結(jié)構(gòu)42空分交換結(jié)構(gòu)—專用內(nèi)部通路每一對輸入、輸出端口之間有一條專用硬件通路每個輸出接口都包含了附加的電路用于處理端口競爭空分交換結(jié)構(gòu)—專用內(nèi)部通路每一對輸入、輸出端口之間有一條專用43空分交換結(jié)構(gòu)--Crossbar結(jié)構(gòu)使用N×M個交叉開關(guān)連接輸入與輸出端口控制器硬件處理端口競爭控制器允許多個端口之間并行傳輸優(yōu)點：允許同時建立多條路徑，集合吞吐率高路徑上的硬件只需要容納一條數(shù)據(jù)傳輸，易于支持更高的端口速度。比全連接結(jié)構(gòu)經(jīng)濟

缺點：要求N×M個部件，代價要比其它的一些設(shè)計高。空分交換結(jié)構(gòu)--Crossbar結(jié)構(gòu)使用N×M個交叉開關(guān)44空分交換結(jié)構(gòu)—基本隊列輸入隊列設(shè)置在輸入端口與交換結(jié)構(gòu)之間隊頭阻塞問題將輸入隊列改為隨機訪問列表，或者為每個輸出端口設(shè)置一個隊列通常在每個輸入端口上設(shè)置兩個隊列，分別存放單播包和多播包輸出隊列設(shè)置在交換結(jié)構(gòu)與輸出端口之間只使用輸入隊列隊頭阻塞只使用輸出隊列輸出隊列及交換結(jié)構(gòu)必須運行在集合速率上，或者針對每個輸入端口設(shè)置一個隊列空分交換結(jié)構(gòu)—基本隊列輸入隊列45有輸入輸出隊列的Crossbar結(jié)構(gòu)有輸入輸出隊列的Crossbar結(jié)構(gòu)46時分交換結(jié)構(gòu)—共享總線結(jié)構(gòu)交換結(jié)構(gòu)總線包括地址線、數(shù)據(jù)線和控制線每個輸入和輸出端口都有一個接口硬件，每個端口被分配一個唯一的地址。端口使用總線硬件將數(shù)據(jù)包傳輸?shù)搅硪粋€端口總線協(xié)議防止多個端口同時傳輸時分交換結(jié)構(gòu)—共享總線結(jié)構(gòu)交換結(jié)構(gòu)總線包括地址線、數(shù)據(jù)線和控47總線操作的粒度包粒度：端口一次發(fā)送一個完整的包操作和硬件均簡單，但增加了包的延遲數(shù)據(jù)塊粒度：包被劃分成較小的數(shù)據(jù)塊，每個發(fā)送端每次發(fā)送一個數(shù)據(jù)塊；避免了長延遲，多個傳輸可以并行進行；但增加了從一個發(fā)送者切換到另一個發(fā)送者的開銷信元粒度：傳輸長度等于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)單元的長度；類似于數(shù)據(jù)塊粒度，但特別針對特殊協(xié)議而優(yōu)化了總線操作的粒度包粒度：48總線協(xié)議一般采用時分多路復(fù)用的方法，將使用總線的時間片分配給各個輸入端口。各個輸入端口在總線上輪流廣播收到的包；每個輸出端口的地址過濾器檢查包中攜帶的內(nèi)部路由標(biāo)簽，將發(fā)往本端口的包存放到相應(yīng)的緩沖區(qū)中。總線協(xié)議一般采用時分多路復(fù)用的方法，將使用總線的時間片分配給49共享總線結(jié)構(gòu)的可擴展性 總線及接口硬件必須操作在集合速率上。受底層硬件技術(shù)的制約，該結(jié)構(gòu)一般不能簡單地擴展以適應(yīng)任意數(shù)目的端口。共享總線結(jié)構(gòu)的可擴展性 總線及接口硬件必須操作在集合速率上。50時分交換結(jié)構(gòu)—共享存儲結(jié)構(gòu)使用內(nèi)存作為共享媒體連接輸入和輸出端口。每個端口需要一個內(nèi)存接口硬件，將端口連接到存儲系統(tǒng)。使用一個控制器硬件在端口之間傳輸控制信息。時分交換結(jié)構(gòu)—共享存儲結(jié)構(gòu)使用內(nèi)存作為共享媒體連接輸入和輸出51傳輸控制一個控制器提供一條單獨的高速總線，各個端口使用總線來協(xié)調(diào)各自的行為。輸入端口將一個包放入內(nèi)存后，接口硬件通過控制器發(fā)送一個消息，通知輸出端口數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好，消息中給出包在內(nèi)存中的存放地址。輸出端口從控制器收到消息后，從內(nèi)存的指定位置讀取包，然后發(fā)回響應(yīng)消息?？刂破髦皇怯脕韨鬏敹痰目刂葡?，不用于傳輸大量的數(shù)據(jù)包。傳輸控制一個控制器提供一條單獨的高速總線，各個端口使用總線來52共享存儲結(jié)構(gòu)的可擴展性由于內(nèi)存接口硬件非常昂貴，通常讓許多端口共享一個內(nèi)存接口。共享存儲接口在降低代價的同時也降低了吞吐量。共享存儲結(jié)構(gòu)的性能和代價取決于存儲接口的數(shù)目。該結(jié)構(gòu)僅適合小容量的系統(tǒng)。共享存儲結(jié)構(gòu)的可擴展性由于內(nèi)存接口硬件非常昂貴，通常讓許多端53多級交換結(jié)構(gòu)單級結(jié)構(gòu)：數(shù)據(jù)包從輸入端口到輸出端口只經(jīng)過一個交換單元。多級結(jié)構(gòu)：交換單元按照層次組織（一層稱為一級），數(shù)據(jù)包從輸入端口到輸出端口要經(jīng)過多個層次的交換單元。多級交換結(jié)構(gòu)單級結(jié)構(gòu)：數(shù)據(jù)包從輸入端口到輸出端口只經(jīng)過一個交54多級交換結(jié)構(gòu)的兩種設(shè)計選擇交換結(jié)構(gòu)在每一級上都設(shè)置隊列，數(shù)據(jù)包一次一級地轉(zhuǎn)發(fā)。允許更多的傳輸同時進行，吞吐量大，但代價高。交換結(jié)構(gòu)首先建立一條穿過所有層次的路徑，然后數(shù)據(jù)包直接從輸入端口發(fā)送到輸出端口。吞吐量較低，代價較低。多級結(jié)構(gòu)中的隊列數(shù)目由對性能和代價的權(quán)衡來確定。多級交換結(jié)構(gòu)的兩種設(shè)計選擇交換結(jié)構(gòu)在每一級上都設(shè)置隊列，數(shù)據(jù)55Banyan結(jié)構(gòu)2-輸入Banyan交換單元每個交換單元有兩個輸入端口。兩個輸出端口分別標(biāo)記為“0”和“1”。交換單元根據(jù)包中目的端口標(biāo)號的某一位選擇輸出端口。Banyan結(jié)構(gòu)2-輸入Banyan交換單元每個交換單元有兩56Banyan結(jié)構(gòu)（續(xù)）4-輸入Banyan交換機Banyan結(jié)構(gòu)（續(xù)）4-輸入Banyan交換機57Banyan結(jié)構(gòu)（續(xù)）8-輸入Banyan交換機Banyan交換機的輸入/輸出端口數(shù)為2的冪次。Banyan結(jié)構(gòu)（續(xù)）8-輸入Banyan交換機Banyan58Banyan結(jié)構(gòu)的特點擴展性好：可以很容易地擴展到任意的端口數(shù)目。模塊化設(shè)計：大的Banyan交換機可以通過互連較小的Banyan交換機構(gòu)成。自路由：不需要集中控制器，交換單元通過查看輸出端口標(biāo)號就知道如何轉(zhuǎn)發(fā)。Banyan交換機的最壞情況是所有的包都發(fā)往同一個輸出端口。Banyan結(jié)構(gòu)的特點擴展性好：可以很容易地擴展到任意的端口59第二代網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對第一代網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)所做的擴展：把更多的協(xié)議處理功能（特別是包的分類和轉(zhuǎn)發(fā)）轉(zhuǎn)移到了智能NIC上，大大減輕了CPU的負(fù)擔(dān)。引入了交換結(jié)構(gòu)，允許數(shù)據(jù)包直接從一個端口轉(zhuǎn)發(fā)到另一個端口而不需要CPU的參與。與第一代網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)相比，可以支持更多的網(wǎng)絡(luò)接口和更高的端口速率。不足：仍然依賴通用CPU處理例外的包（如帶有選項的包、需要分片的包、出錯的包等），當(dāng)集合包速很高時，CPU依然是瓶頸。第二代網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對第一代網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)所做的擴展：60

結(jié)束語謝謝大家聆聽?。?！61

結(jié)束語謝謝大家聆聽?。?！61二部分二代網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)二部分二代網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)62主要內(nèi)容用于協(xié)議處理的硬件體系結(jié)構(gòu)分類和轉(zhuǎn)發(fā)交換結(jié)構(gòu)主要內(nèi)容用于協(xié)議處理的硬件體系結(jié)構(gòu)63最新二部分二代網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)課件64最新二部分二代網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)課件65最新二部分二代網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)課件66最新二部分二代網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)課件67最新二部分二代網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)課件68最新二部分二代網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)課件69軟件路由器的能力考慮兩個10Base-T的以太網(wǎng)。每個網(wǎng)絡(luò)的最大包速是19500pps，每個包的處理時間不超過25.6微秒，處理每個包的指令數(shù)一般在5000~10000條之內(nèi)。因此，CPU的執(zhí)行速度必須在195Mips~390Mips之間。許多商用的CPU可以有超過400Mips的執(zhí)行速度，因此軟件路由器可以連接大約兩個10Mbps以太網(wǎng)?？紤]一個10Gbps的網(wǎng)絡(luò)，每微秒產(chǎn)生大約20個數(shù)據(jù)包，CPU每秒鐘必須執(zhí)行2×1011條指令。結(jié)論：運行在通用處理器上的軟件無法應(yīng)對高速網(wǎng)絡(luò)。軟件路由器的能力考慮兩個10Base-T的以太網(wǎng)。每個網(wǎng)絡(luò)的703.克服單CPU瓶頸細(xì)粒度并行（指令級并行）對稱粗粒度并行（對稱多處理器）非對稱粗粒度并行（非對稱多處理器）專用協(xié)處理器智能NIC數(shù)據(jù)流水線3.克服單CPU瓶頸細(xì)粒度并行（指令級并行）713.1細(xì)粒度并行（指令級并行）目前幾乎所有的處理器均采用了指令流水線來重疊指令的執(zhí)行，但數(shù)據(jù)包處理程序中可以利用的指令重疊很少。利用程序中的循環(huán)級并行，如采用向量指令。向量指令可以同時操作在一組數(shù)據(jù)單元上，比如進行檢查和計算時，對內(nèi)存中連續(xù)8個位置的數(shù)值同時相加。但數(shù)據(jù)包處理程序中可以利用的循環(huán)級并行很少。細(xì)粒度并行對包處理來說優(yōu)勢不明顯包處理功能很少能被細(xì)粒度優(yōu)化的程序必須花時間建立并行指令細(xì)粒度并行僅能改善CPU性能，而多數(shù)情況下訪存或I/O是瓶頸3.1細(xì)粒度并行（指令級并行）目前幾乎所有的處理器均采用了723.2對稱粗粒度并行（SMP）在一個計算機上匯集一組相同的CPU，系統(tǒng)資源被所有CPU共享，工作負(fù)載被均勻分配到所有可用的CPU上。典型的設(shè)計：每個CPU處理一個包，或者每個CPU執(zhí)行一個協(xié)議。使用N個處理器的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)獲得的性能增益不是單處理器系統(tǒng)的N倍：大多數(shù)多處理器系統(tǒng)使用一個共享內(nèi)存包處理軟件必須協(xié)調(diào)對共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（如隊列）的訪問只能增加處理能力，不能自動增加I/O帶寬。3.2對稱粗粒度并行（SMP）在一個計算機上匯集一組相同的733.3非對稱粗粒度并行使用多個可并行執(zhí)行的異構(gòu)處理器，每個處理器針對一種任務(wù)而優(yōu)化，使用特殊的指令集。非對稱多處理器的缺點：每一個處理器都要有自己的指令比對稱系統(tǒng)難以編程需要協(xié)調(diào)對共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的訪問通用性差，不適用于其它任務(wù)或協(xié)議成本很高3.3非對稱粗粒度并行使用多個可并行執(zhí)行的異構(gòu)處理器，每個743.4專用協(xié)處理器使用一個通用CPU加上一個或多個專用協(xié)處理器構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。協(xié)處理器是在CPU控制下運行的一個硬件：靈活的設(shè)計自由度：協(xié)處理器可以設(shè)計得很復(fù)雜，也可以設(shè)計得很簡單不要求獨立運行，沒有通用指令，也沒有取指令-執(zhí)行周期可以像軟件例程一樣被調(diào)用可以被異步調(diào)用，從而允許系統(tǒng)同時處理多個包或?qū)ν粋€包執(zhí)行多個獨立的操作一般將消耗CPU時間最多或最頻繁執(zhí)行的操作（如檢查和計算，加/解密等）用專用協(xié)處理器實現(xiàn)。協(xié)處理器通常采用ASIC技術(shù)實現(xiàn)，ASIC（ApplicationSpecificIntegratedCircuit）是指為某種特殊需要而定制的集成電路。3.4專用協(xié)處理器使用一個通用CPU加上一個或多個專用協(xié)處753.5智能NIC可以將一部分處理轉(zhuǎn)移到網(wǎng)卡上：地址識別和過濾，包緩存，DMA，操作鏈驗證IP頭校驗，從IP頭中抽取某些域，執(zhí)行加密或壓縮等在網(wǎng)卡上增加處理的優(yōu)點：減輕CPU的負(fù)擔(dān)不要求NIC有很高的處理速度 使用ASIC硬件實現(xiàn)智能NIC：設(shè)計專用芯片，集成到網(wǎng)卡上，如鏈路層芯片組、第3層ASIC芯片等速度快使用嵌入式RISC硬件實現(xiàn)智能NIC：使用標(biāo)準(zhǔn)的RISC處理器代替定制硬件代價低，易于修改，允許將更多的處理功能轉(zhuǎn)移到NIC上3.5智能NIC可以將一部分處理轉(zhuǎn)移到網(wǎng)卡上：76TCPOffloadEngine（TOE）TOE將處理TCP/IP的許多開銷從主機轉(zhuǎn)移到網(wǎng)卡，只將TCP/IP控制保留在主機上。TCPOffloadEngine（TOE）TOE將處理773.6數(shù)據(jù)流水線由一系列硬件stage組成的硬件體系結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)包經(jīng)過每一級時被執(zhí)行一種操作。優(yōu)點：適合于多種協(xié)議處理任務(wù)每一級可以做得很簡單，運行得很快所有級可以同時運行3.6數(shù)據(jù)流水線由一系列硬件stage組成的硬件體系結(jié)構(gòu)，784.總結(jié)傳統(tǒng)的基于軟件的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)已經(jīng)不能適應(yīng)高速網(wǎng)絡(luò)的需要高速網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)需要特殊的硬件支持可能的硬件體系結(jié)構(gòu)包括：多處理器系統(tǒng)ASIC協(xié)處理器智能NIC數(shù)據(jù)流水線4.總結(jié)傳統(tǒng)的基于軟件的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)已經(jīng)不能適應(yīng)高速網(wǎng)絡(luò)的需要79主要內(nèi)容用于協(xié)議處理的硬件體系結(jié)構(gòu)分類和轉(zhuǎn)發(fā)交換結(jié)構(gòu)主要內(nèi)容用于協(xié)議處理的硬件體系結(jié)構(gòu)801.解多路復(fù)用的局限性解多路復(fù)用：與分層協(xié)議一起使用，數(shù)據(jù)包穿過協(xié)議棧時每次前進一層。在輸出端，包頭中的類型域指明封裝的格式。在輸入端，每一層上的軟件選擇高一層上的一個協(xié)議模塊。特點：使用全局類型系統(tǒng)，發(fā)送方參與，逐層執(zhí)行。優(yōu)點：傳輸效率高：每一種協(xié)議的包頭只需要包含本協(xié)議需要的域靈活定義新的協(xié)議類型：每個協(xié)議獨立地定義它的協(xié)議頭，不同協(xié)議頭中的域不共享缺點：逐層順序執(zhí)行使得實現(xiàn)上很低效1.解多路復(fù)用的局限性解多路復(fù)用：812.包分類基本思想：一次性檢查所有層次上的相關(guān)域，將包劃分到相應(yīng)的類（也稱流）中。舉例：從輸入的以太幀流中分離出去往Web服務(wù)器的流量描述該流量的規(guī)則集：以太幀的type域為0x0800（IP）IP頭中的protocol域為6（TCP）TCP段中的destinationport域為80（HTTP）從概念上說，分類器需要計算以上三個條件的邏輯“與”2.包分類基本思想：一次性檢查所有層次上的相關(guān)域，將包劃分823.用軟件實現(xiàn)分類比較各級包頭中的相關(guān)域，進行邏輯“與”運算比如：If((type==0x0800)&&(protocol==6)&&(destinationport=80)) Declarethepacketmatchestheclassification;Else Declarethepacketdoesnotmatch;

3.用軟件實現(xiàn)分類比較各級包頭中的相關(guān)域，進行邏輯“與”運83優(yōu)化軟件實現(xiàn)方法重新排列條件測試的順序，將能夠過濾掉較多流量的測試排在前面；比如，若已知95%的幀攜帶了IP包，92%的IP包攜帶了TCP段，85%的TCP段的目的端口號為80，則：If((destinationport=80)&&(protocol==6)&&(type==0x0800)) Declarethepacketmatchestheclassification;Else Declarethepacketdoesnotmatchtheclassification;

優(yōu)化軟件實現(xiàn)方法重新排列條件測試的順序，將能夠過濾掉較多流量844.用硬件實現(xiàn)分類建立專用的并行硬件，避免頭域的順序測試。步驟抽取多層報頭中的相關(guān)域?qū)⑦@些域連接成一個多字節(jié)的值與分類規(guī)則中給出的常數(shù)進行比較在前面的例子中，分類器將type、protocol和destinationport三個域中的值連接成一個5字節(jié)的值，然后與0800060050進行比較。4.用硬件實現(xiàn)分類建立專用的并行硬件，避免頭域的順序測試。85一個硬件分類器的例子一個硬件分類器的例子86包頭長度不固定的解決方法方法一：在并行測試中增加對長度域的檢查，針對每一種可能的包頭長度設(shè)計一組分類規(guī)則。如在前面的例子中，假設(shè)IP頭長度有20字節(jié)和24字節(jié)兩種，則設(shè)計兩組規(guī)則：Set1 Set2以太幀的type域為0x0800 以太幀的type域為0x0800IP頭中的頭兩個字節(jié)為0x45 IP頭中的頭兩個字節(jié)為0x46IP頭中的protocol域為6 IP頭中的protocol域為6距IP頭22個字節(jié)處的域為80距IP頭24個字節(jié)處的域為80方法二：建立一個能夠順序計算報頭偏移量的硬件，抽取當(dāng)前協(xié)議頭長度，并移動相應(yīng)的距離到下一個協(xié)議頭。包頭長度不固定的解決方法方法一：在并行測試中增加對長度域的檢875.混合硬件/軟件實現(xiàn)方法硬件分類方法：代價高昂，靈活性差軟件分類方法：靈活性好，速度不高混合硬件/軟件方法：結(jié)合硬件分類的高速度與軟件分類的靈活性包含硬件分類與軟件分類兩個階段，硬件分類處理標(biāo)準(zhǔn)格式的包，軟件分類處理異常的包5.混合硬件/軟件實現(xiàn)方法硬件分類方法：代價高昂，靈活性差88一個混合分類器系統(tǒng)注意：軟件分類器可以運行在較低的速率一個混合分類器系統(tǒng)注意：軟件分類器可以運行在較低896.多規(guī)則集分類與查找引擎系統(tǒng)中通常定義了很多個流，分類器要將每個包分配到一個對應(yīng)的流，為此需要查找所有的規(guī)則集。一般做法：分類器從包中抽取出相關(guān)域的值通過一個查找引擎去查找分類規(guī)則表查找引擎的實現(xiàn)：算法：已經(jīng)提出了很多種優(yōu)化的包分類算法，可以并行地檢查所有的規(guī)則集。內(nèi)容可尋址存儲器CAM：目前絕大多數(shù)的查找引擎是基于CAM實現(xiàn)的。6.多規(guī)則集分類與查找引擎系統(tǒng)中通常定義了很多個流，分類器90ContentAddressableMemory一種支持快速查找的特殊存儲器，與普通存儲器的實現(xiàn)機制完全不同。查找操作：在CAM中輸入查找關(guān)鍵字CAM將查找關(guān)鍵字與其存儲的所有表項匹配返回匹配表項的地址有兩種類型的CAM：BCAM（BinaryCAM）：存儲位有0、1兩種狀態(tài)，精確匹配查找，一般用于低層應(yīng)用。TCAM（TernaryCAM）：存儲位有0、1和不確定三種狀態(tài)，支持通配符查找，常用于協(xié)議棧的高層，使用最為廣泛。ContentAddressableMemory一種支持91CAM（續(xù)）優(yōu)點：查找速度快，最快在一個時鐘周期內(nèi)完成查找關(guān)鍵字的匹配可以通過級聯(lián)多個CAM增加容量具有自動更新能力，能夠更新查找表缺點：價格昂貴，封裝面積大，功耗太大，容量有限一般來說，以下應(yīng)用適合采用CAM：識別大比特模式處理小規(guī)模的查找表對查找延時有嚴(yán)格要求CAM（續(xù)）優(yōu)點：927.靜態(tài)分類與動態(tài)分類靜態(tài)分類流的集合及每個流的分類規(guī)則事先已知主要用于根據(jù)服務(wù)類型或應(yīng)用來隔離不同的流動態(tài)分類流的集合隨時間而變，允許創(chuàng)建和改變流動態(tài)分類通常使用地址和包類型來區(qū)分流靈活性好，允許細(xì)粒度的流控制開銷大，需要保存狀態(tài)信息動態(tài)分類器應(yīng)能自動建立和維護流描述表，并進行分類查找。通常用軟件實現(xiàn)，狀態(tài)信息保存在內(nèi)存中。7.靜態(tài)分類與動態(tài)分類靜態(tài)分類938.分類與轉(zhuǎn)發(fā)轉(zhuǎn)發(fā)的任務(wù)是根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)包確定包的處理方法，比如根據(jù)數(shù)據(jù)包的目的地址將包轉(zhuǎn)發(fā)到合適的下一跳節(jié)點?？梢詫⒁陨先蝿?wù)分成兩步來做：分類：將輸入數(shù)據(jù)包映射到一個流（包-->流）轉(zhuǎn)發(fā)：根據(jù)流確定包的處理方法（流-->包的處理）8.分類與轉(zhuǎn)發(fā)轉(zhuǎn)發(fā)的任務(wù)是根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)包確定包的處理方94用分類優(yōu)化無連接網(wǎng)絡(luò)中的轉(zhuǎn)發(fā)將無連接轉(zhuǎn)發(fā)劃分成兩個過程：分類：destinationaddress-->flowID轉(zhuǎn)發(fā)：flowID-->(next_hop,interface)引入分類的好處：可以將轉(zhuǎn)發(fā)信息放在一個路由cache中，用流標(biāo)識進行查找?？捎肹0,N]中的整數(shù)作為流標(biāo)識F，并用F作為路由cache的索引。路由cache比路由表小很多，而且采用索引查找，查找速度快。高速轉(zhuǎn)發(fā)的過程：分類器將數(shù)據(jù)包映射為一個流標(biāo)識F轉(zhuǎn)發(fā)器使用F作為索引查找路由cache。分類和索引的全過程比傳統(tǒng)的解多路復(fù)用和查表快得多。用分類優(yōu)化無連接網(wǎng)絡(luò)中的轉(zhuǎn)發(fā)將無連接轉(zhuǎn)發(fā)劃分成兩個過程：959.第二代網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)使用專門的協(xié)議處理硬件，為更高速度的網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。第二代網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有以下三個顯著的特點：使用分類代替解多路復(fù)用處理大部分的包將包處理功能分散到各個網(wǎng)絡(luò)接口，每個NIC都有分類和轉(zhuǎn)發(fā)的能力提供高速內(nèi)部互連機制，在各個網(wǎng)絡(luò)接口間提供快速數(shù)據(jù)通道以上三個特點都允許系統(tǒng)擴展，即允許提高每個端口的數(shù)據(jù)速率，允許系統(tǒng)支持更多的網(wǎng)絡(luò)連接。9.第二代網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)使用專門的協(xié)議處理硬件，為更高速度的網(wǎng)絡(luò)96第二代網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的概念組織使用一個常規(guī)CPU，用于管理和控制系統(tǒng)、向系統(tǒng)管理員提供管理接口、運行路由協(xié)議和更新路由表、處理異常和錯誤。網(wǎng)絡(luò)接口使用路由表轉(zhuǎn)發(fā)包快速數(shù)據(jù)通道連接各個網(wǎng)絡(luò)接口第二代網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的概念組織使用一個常規(guī)CPU，用于管理和控制系97一個典型的NIC的組成物理芯片組：組幀嵌入式RISC處理器：實現(xiàn)分類和轉(zhuǎn)發(fā)ROM：存放軟件、分類規(guī)則集等RAM：卡上包緩存總線接口一個典型的NIC的組成物理芯片組：組幀98主要內(nèi)容用于協(xié)議處理的硬件體系結(jié)構(gòu)分類和轉(zhuǎn)發(fā)交換結(jié)構(gòu)主要內(nèi)容用于協(xié)議處理的硬件體系結(jié)構(gòu)991.內(nèi)部數(shù)據(jù)通路常規(guī)計算機中的總線不能提供足夠的帶寬處理高速網(wǎng)絡(luò)之間的包轉(zhuǎn)發(fā)。數(shù)據(jù)通路的速度通常用集合數(shù)據(jù)速率和集合包速來衡量。系統(tǒng)的集合數(shù)據(jù)速率及集合包速對內(nèi)部互連機制（也稱背板）的要求：必須有足夠的帶寬傳輸進入系統(tǒng)的所有包。1.內(nèi)部數(shù)據(jù)通路常規(guī)計算機中的總線不能提供足夠的帶寬處理高1002.交換結(jié)構(gòu)的概念從概念上說，交換結(jié)構(gòu)是一種承擔(dān)背板任務(wù)的硬件機制，它在一組輸入端口、輸出端口和CPU之間提供數(shù)據(jù)通路。

2.交換結(jié)構(gòu)的概念從概念上說，交換結(jié)構(gòu)是一種承擔(dān)背板任務(wù)的101交換結(jié)構(gòu)的概念（續(xù)）用于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的交換結(jié)構(gòu)需要優(yōu)化以下特性：可提供在CPU和智能I/O端口之間的連接支持單播、多播和廣播包的傳輸可擴展支持任意的數(shù)據(jù)速率可擴展支持任意的包速率可擴展支持任意數(shù)目的輸入或輸出端口低開銷低代價實際的交換結(jié)構(gòu)是對以上各種特性的權(quán)衡交換結(jié)構(gòu)的概念（續(xù)）用于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的交換結(jié)構(gòu)需要優(yōu)化以下特性：1023.交換結(jié)構(gòu)的分類同步結(jié)構(gòu)與異步結(jié)構(gòu)同步結(jié)構(gòu)：交換結(jié)構(gòu)按固定的時間間隔傳輸固定長度的數(shù)據(jù)塊，最早用于電話交換機中。異步結(jié)構(gòu)：交換結(jié)構(gòu)可以在任何時刻傳輸數(shù)據(jù)，最早用于通用多處理器系統(tǒng)中。大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)交換結(jié)構(gòu)是同步的，每個包被劃分成固定大小的塊，按固定的時間間隔傳輸。

空分結(jié)構(gòu)與時分結(jié)構(gòu)空分結(jié)構(gòu)：交換結(jié)構(gòu)中使用許多通路以減小延遲，集合吞吐量高，代價高。時分結(jié)構(gòu)：許多端口共享一條或者很少幾條內(nèi)部通路，集合吞吐量低，代價低。3.交換結(jié)構(gòu)的分類同步結(jié)構(gòu)與異步結(jié)構(gòu)103空分交換結(jié)構(gòu)—專用內(nèi)部通路每一對輸入、輸出端口之間有一條專用硬件通路每個輸出接口都包含了附加的電路用于處理端口競爭空分交換結(jié)構(gòu)—專用內(nèi)部通路每一對輸入、輸出端口之間有一條專用104空分交換結(jié)構(gòu)--Crossbar結(jié)構(gòu)使用N×M個交叉開關(guān)連接輸入與輸出端口控制器硬件處理端口競爭控制器允許多個端口之間并行傳輸優(yōu)點：允許同時建立多條路徑，集合吞吐率高路徑上的硬件只需要容納一條數(shù)據(jù)傳輸，易于支持更高的端口速度。比全連接結(jié)構(gòu)經(jīng)濟

缺點：要求N×M個部件，代價要比其它的一些設(shè)計高?？辗纸粨Q結(jié)構(gòu)--Crossbar結(jié)構(gòu)使用N×M個交叉開關(guān)105空分交換結(jié)構(gòu)—基本隊列輸入隊列設(shè)置在輸入端口與交換結(jié)構(gòu)之間隊頭阻塞問題將輸入隊列改為隨機訪問列表，或者為每個輸出端口設(shè)置一個隊列通常在每個輸入端口上設(shè)置兩個隊列，分別存放單播包和多播包輸出隊列設(shè)置在交換結(jié)構(gòu)與輸出端口之間只使用輸入隊列隊頭阻塞只使用輸出隊列輸出隊列及交換結(jié)構(gòu)必須運行在集合速率上，或者針對每個輸入端口設(shè)置一個隊列空分交換結(jié)構(gòu)—基本隊列輸入隊列106有輸入輸出隊列的Crossbar結(jié)構(gòu)有輸入輸出隊列的Crossbar結(jié)構(gòu)107時分交換結(jié)構(gòu)—共享總線結(jié)構(gòu)交換結(jié)構(gòu)總線包括地址線、數(shù)據(jù)線和控制線每個輸入和輸出端口都有一個接口硬件，每個端口被分配一個唯一的地址。端口使用總線硬件將數(shù)據(jù)包傳輸?shù)搅硪粋€端口總線協(xié)議防止多個端口同時傳輸時分交換結(jié)構(gòu)—共享總線結(jié)構(gòu)交換結(jié)構(gòu)總線包括地址線、數(shù)據(jù)線和控108總線操作的粒度包粒度：端口一次發(fā)送一個完整的包操作和硬件均簡單，但增加了包的延遲數(shù)據(jù)塊粒度：包被劃分成較小的數(shù)據(jù)塊，