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1、从使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在此不再说明。第3章 ATM交换控制机理1从使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在此不再说明。n n为使为使ATMATM交换结构能完成正常的信元交换和其它交换结构能完成正常的信元交换和其它一些必要的功能，以及能达到一定的服务性能指一些必要的功能，以及能达到一定的服务性能指标的要求，标的要求，ATMATM交换结构必须具备相应的控制机交换结构必须具备相应的控制机理。本节将介绍理。本节将介绍A
2、TMATM交换结构的控制机理，包括交换结构的控制机理，包括缓冲策略、竞争消除、反压控制、选路方式、多缓冲策略、竞争消除、反压控制、选路方式、多播实现和队列管理。播实现和队列管理。2从使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在此不再说明。4.1 缓冲策略 n n1 缓冲策略的分类n n缓冲策略缓冲策略(buffering strategies)(buffering strategies)或称为排队策略或称为排队策略(queueing strategies)(queueing strategies)，是，是ATMAT
3、M交换结构设计中的重交换结构设计中的重要内容，对要内容，对ATMATM交换结构的性能指标具有重要的交换结构的性能指标具有重要的影响。影响。n n从广义来说，缓冲策略包括缓冲器设置方式、缓从广义来说，缓冲策略包括缓冲器设置方式、缓冲器的数量、队列的存取控制、以及缓冲器的管冲器的数量、队列的存取控制、以及缓冲器的管理。缓冲器设置方式简称为缓冲方式，是缓冲策理。缓冲器设置方式简称为缓冲方式，是缓冲策略中首先要解决的基本问题。略中首先要解决的基本问题。3从使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在此不再说明。n n缓冲方
4、式可分为外部缓冲和内部缓冲两大类。缓冲方式可分为外部缓冲和内部缓冲两大类。外外部缓冲部缓冲(external buffering)(external buffering)是指缓冲器设置在交换是指缓冲器设置在交换结构的外部结构的外部内部缓冲内部缓冲(internal buffering)(internal buffering)则是指缓则是指缓冲器设置在交换结构的内部。由于外部缓冲方式冲器设置在交换结构的内部。由于外部缓冲方式中的缓冲器不是在交换结构的内部因而通常是中的缓冲器不是在交换结构的内部因而通常是没有内部竞争的无阻塞网络才采用外部缓冲方式。没有内部竞争的无阻塞网络才采用外部缓冲方式。对于具
5、有内部竞争的网络，则通常采用内部缓冲对于具有内部竞争的网络，则通常采用内部缓冲方式。方式。n n外部缓冲主要有外部缓冲主要有输入缓冲、输出缓冲、输入与输输入缓冲、输出缓冲、输入与输出缓冲、环回缓冲出缓冲、环回缓冲等等4 4种方式。种方式。n n内部缓冲可有内部缓冲可有交叉点缓冲、共享缓冲以及输入或交叉点缓冲、共享缓冲以及输入或和输出缓冲和输出缓冲等方式。等方式。4从使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在此不再说明。图1 外部缓冲方式5从使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式
6、盾构，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在此不再说明。图2 内部缓冲方式6从使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在此不再说明。n n2.排头阻塞现象n n输入缓冲存在排头阻塞输入缓冲存在排头阻塞(Head of line blocking(Head of line blocking一一HoL Blocking)HoL Blocking)现象。所谓现象。所谓HOLHOL阻塞阻塞，是指在发生，是指在发生出线竞争时，排在竞争中失败的信元出线竞争时，排在竞争中失败的信元(处于排头位处于排头位置置)之后的去向空
7、闲出线的信元也不能传送的现象。之后的去向空闲出线的信元也不能传送的现象。7从使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在此不再说明。n n由于由于HOLHOL阻塞，会使出线的传送效率降低。这里阻塞，会使出线的传送效率降低。这里用用吞吐率吞吐率(throughput)(throughput)来表征信元通过的效率，可来表征信元通过的效率，可理解为在理解为在1 1个时隙内平均每条出线传送的信元数。个时隙内平均每条出线传送的信元数。显然，吞吐率最大为显然，吞吐率最大为1 1。分析表明，在随机的均匀。分析表明，在随机的均匀业
8、务流模型下，当入线数业务流模型下，当入线数N N很大时，采用很大时，采用FIFOFIFO规规则的输入缓冲方式的吞吐率为则的输入缓冲方式的吞吐率为0.58600.5860。8从使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在此不再说明。n n3 3输入缓冲方式提高吞吐率的方法输入缓冲方式提高吞吐率的方法n n为了提高输入缓冲方式的吞吐率，可以对输入缓为了提高输入缓冲方式的吞吐率，可以对输入缓冲器的队列设置和排队规则加以改进，当然这会冲器的队列设置和排队规则加以改进，当然这会不同程度地带来硬件和控制的复杂性。以下介绍不同程
9、度地带来硬件和控制的复杂性。以下介绍几种改进方式。几种改进方式。n n(1)(1)窗口窗口(window)(window)方法方法n n每个输入缓冲器规定一定的窗口宽度每个输入缓冲器规定一定的窗口宽度WW，使得在，使得在一个时隙内每个输入队列可以有一个时隙内每个输入队列可以有WW个信元依次参个信元依次参与出线竞争。为了判别出线竞争与控制调度，一与出线竞争。为了判别出线竞争与控制调度，一个时隙应划分为竞争仲裁与信元传送时间，采用个时隙应划分为竞争仲裁与信元传送时间，采用窗口方法时，竞争仲裁时间应划分为窗口方法时，竞争仲裁时间应划分为WW个子区间。个子区间。在第在第1 1个子区间，对所有输入队列的
10、排头信元进行个子区间，对所有输入队列的排头信元进行出线竞争；在第出线竞争；在第2 2个子区间，由第个子区间，由第1 1次竞争失败的次竞争失败的信元所在的各个输入队列中排在第信元所在的各个输入队列中排在第2 2位的信元，对位的信元，对尚未占用的出线进行第尚未占用的出线进行第2 2次出线竞争；以此类推，次出线竞争；以此类推，直到所有出线均被占用或窗口已尽为止。直到所有出线均被占用或窗口已尽为止。9从使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在此不再说明。图3 时隙结构 10从使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾
11、构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在此不再说明。n n(2)(2)输入扩展输入扩展n n所谓输入扩展，就是将每条输入线在进入交换结所谓输入扩展，就是将每条输入线在进入交换结构之前扩展为构之前扩展为S S个端口，使得原为个端口，使得原为nnnn的交换网络的交换网络成为成为nsnnsn的交换网络。这样，每个输入队列可有的交换网络。这样，每个输入队列可有S S个信元参与出线竞争。当扩展度个信元参与出线竞争。当扩展度S S等于窗口方法中等于窗口方法中的窗口宽度的窗口宽度WW，可望具有更高的吞吐率，因为输，可望具有更高的吞吐率，因为输入扩展方法可使得输入队列在
12、同一时隙内传送多入扩展方法可使得输入队列在同一时隙内传送多于于1 1个的信元。个的信元。11从使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在此不再说明。n n(3)(3)加速方法加速方法n n如果使交换结构工作速度和输出端口传送速率均如果使交换结构工作速度和输出端口传送速率均为输入端口速度的为输入端口速度的V V倍，则在同一时隙内，输出倍，则在同一时隙内，输出端口可传送多于端口可传送多于1 1个的信元，从而提高了吞吐率。个的信元，从而提高了吞吐率。如输出端口速率等于输入端口速率而不提高，则如输出端口速率等于输入端口速
13、率而不提高，则还应在输出端口处加还应在输出端口处加FIFOFIFO缓冲器。缓冲器。12从使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在此不再说明。n n(4)(4)多重队列多重队列n n 每条输入线可以设置多个缓冲器队列，例如可每条输入线可以设置多个缓冲器队列，例如可有以下几种方式：有以下几种方式：n n 奇偶队列奇偶队列n n每条输入线设置每条输入线设置2 2个个FIFOFIFO队列；队列；1 1个称为奇队列，个称为奇队列，存放目的出线号码为奇数的信元；另存放目的出线号码为奇数的信元；另1 1个称为偶队个称为偶队列
14、，存放目的出线号码为偶数的信元。每个时隙列，存放目的出线号码为偶数的信元。每个时隙的竞争仲裁分为的竞争仲裁分为2 2个子区间，在第个子区间，在第1 1个子区间里，个子区间里，对各条入线的偶队列的队首信元作出线竞争仲裁，对各条入线的偶队列的队首信元作出线竞争仲裁，在第在第2 2个子区间里，对在偶队列出线竟争中失败的个子区间里，对在偶队列出线竟争中失败的入线的奇队列队首信元再作竞争仲裁。每条入线入线的奇队列队首信元再作竞争仲裁。每条入线有有2 2次竞争机会，增加了吞吐率。次竞争机会，增加了吞吐率。13从使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的城市
15、地下工程施工中已很少使用，在此不再说明。n nWW重队列重队列n n每条入线设置每条入线设置WW个个FIFOFIFO队列，队列，WW相当于窗口方法相当于窗口方法的窗口宽度，所以也可以看成是一种窗口方法。的窗口宽度，所以也可以看成是一种窗口方法。在子区间在子区间i i，1iW1iW，对各条入线的第，对各条入线的第i i个队列的队个队列的队首信元作出线竞争的解析。每个时隙可从首信元作出线竞争的解析。每个时隙可从NWNW个个HOLHOL信元中选择最多为信元中选择最多为NN个不同目的出线号码的个不同目的出线号码的信元，信元，NN为网络入为网络入(出出)线数。每个输入在每个时隙线数。每个输入在每个时隙最
16、多发送最多发送1 1个信元。个信元。14从使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在此不再说明。n nNN重队列重队列n nNN重队列输入缓冲方式是在每条入线设置重队列输入缓冲方式是在每条入线设置NN个个FIFO FIFO 队列，每个队列对应于队列，每个队列对应于1 1个输出端口。这样，个输出端口。这样，对于对于NNNN的交换结构，要有的交换结构，要有NN2 2个输入队列。在每个输入队列。在每个时隙，每个入端仍只能传送个时隙，每个入端仍只能传送1 1个信元，但可以按个信元，但可以按照最有利于提高吞吐率的方法来选择
17、哪一个队列照最有利于提高吞吐率的方法来选择哪一个队列的信元。显然，这种方式时处理速度要求更高，的信元。显然，这种方式时处理速度要求更高，可以借助于神经网络的控制。分析表明，在神经可以借助于神经网络的控制。分析表明，在神经网络控制下，当网络控制下，当NN较大时，吞吐率可接近于较大时，吞吐率可接近于1 1。15从使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在此不再说明。n n4.4.输出缓冲输出缓冲n n为了解决出线竞争，一个理想的采用输出缓冲的为了解决出线竞争，一个理想的采用输出缓冲的无阻塞交换结构最好使得每个出端能够
18、同时接收无阻塞交换结构最好使得每个出端能够同时接收所有入端发来的信元。这就是说，当入线数为所有入端发来的信元。这就是说，当入线数为N N，考虑到最不利情况，每个出端在一个时隙中最，考虑到最不利情况，每个出端在一个时隙中最多应可接收多应可接收N N个信元。要做到这一点，就要提高个信元。要做到这一点，就要提高处理速度和存储器的访问速度，于是引入了加速处理速度和存储器的访问速度，于是引入了加速因子因子(speed-factor)(speed-factor)的概念。应该注意的是、尽管在的概念。应该注意的是、尽管在同一时隙可能有多个信元进入同一出端的缓冲器同一时隙可能有多个信元进入同一出端的缓冲器中，但
19、出端的速率仍保持不变，每个时隙只向外中，但出端的速率仍保持不变，每个时隙只向外发送发送1 1个信元。个信元。16从使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在此不再说明。n n加速因子等于加速因子等于N N时，完全消除了出线竞争，吞吐率时，完全消除了出线竞争，吞吐率可为可为1 1，但对速率的要求较高。为此，可使加速因，但对速率的要求较高。为此，可使加速因子小于子小于N N，例如等于，例如等于k k：1 1k kN N。这样，每一出。这样，每一出端同时最多只能接收端同时最多只能接收k k个信元；如果有多于个信元；如果
20、有多于k k个信个信元去向同一端口，就要按一定准则选取其中的元去向同一端口，就要按一定准则选取其中的k k个个信元，其余的信元就将丢弃。应选择合适的信元，其余的信元就将丢弃。应选择合适的k k值，值，以保持较好的性能。以保持较好的性能。n n输出缓冲方式不存在输出缓冲方式不存在HOLHOL阻塞现象阻塞现象，在合适的加，在合适的加速因子取值下，可以得到高吞吐率和良好的性能。速因子取值下，可以得到高吞吐率和良好的性能。17从使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在此不再说明。n n5.5.输入与输出缓冲输入与输出缓
21、冲n n前已述及，采用单纯的输出缓冲时，如果加速因前已述及，采用单纯的输出缓冲时，如果加速因子小于子小于N N，会发生信元丢失。如果同时在入端也，会发生信元丢失。如果同时在入端也设置缓冲器，在发生出线竞争时，受加速因子限设置缓冲器，在发生出线竞争时，受加速因子限制而不能同时传送到出端缓冲器的信元可以暂时制而不能同时传送到出端缓冲器的信元可以暂时保存在入端缓冲器中，从而避免了信元的丢失，保存在入端缓冲器中，从而避免了信元的丢失，这就是输入与输出缓冲方式。入端缓冲器的容量这就是输入与输出缓冲方式。入端缓冲器的容量并不需要太大。并不需要太大。18从使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有
22、挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在此不再说明。n n6).6).环回缓冲环回缓冲n n 环回缓冲环回缓冲(recirculation buffering)(recirculation buffering)是使竞争中失败是使竞争中失败的信元能通过环回缓冲器回送到入端，再与新到的信元能通过环回缓冲器回送到入端，再与新到来的信元一起进行下一轮的竞争。来的信元一起进行下一轮的竞争。n n 环回缓冲的交换结构可以具有较高的吞吐率和环回缓冲的交换结构可以具有较高的吞吐率和较低的信元丢失率，但交换结构要增加用于环回较低的信元丢失率，但交换结构要增加用于环回的端口，环回还
23、会使得属于同一虚连接的信元失的端口，环回还会使得属于同一虚连接的信元失序，时延也较大。环回缓冲还可与输出缓冲结合序，时延也较大。环回缓冲还可与输出缓冲结合使用。使用。19从使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在此不再说明。n n7.7.交叉点缓冲交叉点缓冲n n交叉点缓冲交叉点缓冲(cross point buffering)(cross point buffering)是在交换结构中是在交换结构中的每个交叉点设置缓冲器。的每个交叉点设置缓冲器。n n交叉点缓冲的交叉点缓冲的SESE可以用作单级网络或多级网络
24、内可以用作单级网络或多级网络内部的交换单元部的交换单元(SE)(SE)。用作单级网络时，由于单级。用作单级网络时，由于单级网络不存在内部阻塞，因此交叉点缓冲实际上是网络不存在内部阻塞，因此交叉点缓冲实际上是解决出线竞争问题；用作多级网络中的解决出线竞争问题；用作多级网络中的SESE时，除时，除了最末一级了最末一级SESE以外，都是针对内部竞争问题。以外，都是针对内部竞争问题。20从使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在此不再说明。n n8.8.共享缓冲共享缓冲n n共享缓冲相当于共享存储器的时分结构，可作为共
25、享缓冲相当于共享存储器的时分结构，可作为单级结构，也可用作多级结构中的交换单元单级结构，也可用作多级结构中的交换单元(SE)(SE)。共享缓冲是一种内部缓冲方式，由所有输入和输共享缓冲是一种内部缓冲方式，由所有输入和输出端口共享缓冲区。为便于信元的调度和输出。出端口共享缓冲区。为便于信元的调度和输出。在共享缓冲区内是按各个输出端排队，也就是每在共享缓冲区内是按各个输出端排队，也就是每个输出端有一个队列，当信元输入时，按信元的个输出端有一个队列，当信元输入时，按信元的目的出端号码写入相应的输出队列，排队等待调目的出端号码写入相应的输出队列，排队等待调度。各个输出队列为逻辑队列，队列中各个信元度。
26、各个输出队列为逻辑队列，队列中各个信元的存储地址在物理位置上并不连续，而是用地址的存储地址在物理位置上并不连续，而是用地址链的方法。链的方法。21从使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在此不再说明。n n9.9.多级网络的内部缓冲多级网络的内部缓冲n n内部缓冲内部缓冲(internal buffering)(internal buffering)是将缓冲器设置在交换是将缓冲器设置在交换结构的内部。无阻塞多级结构不需要内部缓冲。结构的内部。无阻塞多级结构不需要内部缓冲。对于多级有阻塞网络而言采用内部缓冲就是构
27、对于多级有阻塞网络而言采用内部缓冲就是构成成MINMIN的各个的各个SESE中含有缓冲器。有阻塞多级网络中含有缓冲器。有阻塞多级网络内部的缓冲器主要用来暂存在内部竞争中失败的内部的缓冲器主要用来暂存在内部竞争中失败的信元，最后一级的内部缓冲则用于出线竞争中失信元，最后一级的内部缓冲则用于出线竞争中失败信元的暂存。败信元的暂存。22从使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在此不再说明。n n采用内部缓冲的多级有阻塞网络可以减少信元丢采用内部缓冲的多级有阻塞网络可以减少信元丢失，但是也有两个主要缺点：一个是增加信元
28、的失，但是也有两个主要缺点：一个是增加信元的时延和时延抖动，这是因为每级缓冲会引入不确时延和时延抖动，这是因为每级缓冲会引入不确定的排队时延，另一个是对于多通路网络，如果定的排队时延，另一个是对于多通路网络，如果属于同一虚连接的信元在交换结构中可以选用不属于同一虚连接的信元在交换结构中可以选用不同的通路同的通路(内部无连接选路内部无连接选路)，则会发生信元失序现，则会发生信元失序现象，这是因为不同通路的排队时延不同。象，这是因为不同通路的排队时延不同。23从使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在此不再说明。4
29、.2 竞争消除n n1.竞争消除的基本功能与分类n n ATMATM交换结构从是否存在内部竞争来划分可以交换结构从是否存在内部竞争来划分可以分为无阻塞结构和有阻塞结构，不论是否存在内分为无阻塞结构和有阻塞结构，不论是否存在内部竞争，总是存在出线竞争。因此，为了解决竞部竞争，总是存在出线竞争。因此，为了解决竞争问题以将信元丢失率降低到可以接受的范围，争问题以将信元丢失率降低到可以接受的范围，ATMATM交换结构必须具有竞争消除的控制机理。竞交换结构必须具有竞争消除的控制机理。竞争消除的方法对交换结构或交换单元硬件的复杂争消除的方法对交换结构或交换单元硬件的复杂性和服务质量均有重要的影响。性和服务
30、质量均有重要的影响。24从使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在此不再说明。n n竞争消除竞争消除(contention resolution)(contention resolution)机理的基本功能是机理的基本功能是检出多个信元在同一时刻对交换结构内部资源检出多个信元在同一时刻对交换结构内部资源(如如级间链路级间链路)或对出线的争抢，从而按一定策略挑选或对出线的争抢，从而按一定策略挑选竞争的优胜者，对竞争中失败的信元作出适当的竞争的优胜者，对竞争中失败的信元作出适当的处理，并尽可能采用减少竞争而提高吞吐
31、率的信处理，并尽可能采用减少竞争而提高吞吐率的信元调度算法元调度算法。竞争消除在信元传送阶段高速执行，。竞争消除在信元传送阶段高速执行，应由硬件实现。应由硬件实现。25从使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在此不再说明。n n不同的交换结构和缓冲方式可有不同的竞争消除不同的交换结构和缓冲方式可有不同的竞争消除机理，对同一交换结构也可能采用不同的竞争解机理，对同一交换结构也可能采用不同的竞争解决方法。事实上已出现了多种消除竞争的控制机决方法。事实上已出现了多种消除竞争的控制机理。这里从技术特征的角度，较全面地将
32、这些不理。这里从技术特征的角度，较全面地将这些不同的方法进行分类，如图所示。这些方法分成同的方法进行分类，如图所示。这些方法分成4 4大大类：类：ACK/NACKACK/NACK偏转环回，时隙预留和加速偏转环回，时隙预留和加速并行。并行。26从使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在此不再说明。图4 竞争消除分类27从使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在此不再说明。n n2.2.基于基于ACKACKNACKNACK的外部仲裁
33、的外部仲裁n n 基于基于ACKACKNACKNACK方法的特点是在竞争解决中方法的特点是在竞争解决中要向参与竞争的输入端口发送证实要向参与竞争的输入端口发送证实(ACK)(ACK)或负证或负证实实(NACK)(NACK)信号。这一类型又可分为两个子类：信号。这一类型又可分为两个子类：外外部仲裁和网络仲裁部仲裁和网络仲裁。n n1)1)外部仲裁外部仲裁n n主要用于具有输入缓冲的无阻塞空分交换结构。主要用于具有输入缓冲的无阻塞空分交换结构。顾名思义，外部仲裁就是专门设置外部仲裁器。顾名思义，外部仲裁就是专门设置外部仲裁器。ACKACKNACKNACK信号不通过交换网络而在外部传送。信号不通过交
34、换网络而在外部传送。n n基于基于ACKACKNACKNACK的外部仲裁又可分为的外部仲裁又可分为HOLHOL信元信元仲裁、多重队列仲裁和窗口仲裁仲裁、多重队列仲裁和窗口仲裁等方法。等方法。28从使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在此不再说明。n n(1)HOL(1)HOL信元仲裁信元仲裁n n在交换网络外部设置了仲裁器在交换网络外部设置了仲裁器(arbitrator)(arbitrator)。各个输。各个输入端口控制器在每个时隙开始要将排头入端口控制器在每个时隙开始要将排头(HOL)(HOL)信信元的目的
35、地址作为请求发送给仲裁器，由仲裁器元的目的地址作为请求发送给仲裁器，由仲裁器按预定策略选择优胜者，并向相应输入端口回送按预定策略选择优胜者，并向相应输入端口回送控制信号控制信号(ACK(ACK信号信号)。收到。收到ACKACK信号的输入端口信号的输入端口可将可将HOLHOL信元发送，而未收到信元发送，而未收到ACKACK信号信号(或收到或收到NACKNACK信号信号)而在竞争中失败的输入端口的而在竞争中失败的输入端口的HOLHOL信信元，将留在输入缓冲器以等待参与下一个时隙的元，将留在输入缓冲器以等待参与下一个时隙的选路和竞争。选路和竞争。从多个竞争的信元中挑选优胜者的策略可有多种，从多个竞争
36、的信元中挑选优胜者的策略可有多种，包括随机包括随机(random)(random)选择、循环选择、循环(cyclic(cyclic或或round robin)round robin)选择、最长队列选择、最长等待时间选择以及按选择、最长队列选择、最长等待时间选择以及按优先级优先级(priority)(priority)选择。选择。29从使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在此不再说明。n n(2)(2)多重队列仲裁多重队列仲裁n nN N重队列的竞争消除。此时，每条入线设置重队列的竞争消除。此时，每条入线设置N
37、 N个输个输入队列，对于入队列，对于NNNN交换结构，将有交换结构，将有N N2 2个队列。对个队列。对N N重队列的仲裁就要考察每条入线的重队列的仲裁就要考察每条入线的N N个队列的个队列的HOLHOL信元。由于每个队列对应于不同的出线地址，信元。由于每个队列对应于不同的出线地址，这就消除了这就消除了HOLHOL阻塞现象，提高了吞吐率。但是、阻塞现象，提高了吞吐率。但是、在竞争消除的控制逻辑上如果将时隙分为在竞争消除的控制逻辑上如果将时隙分为N N个子个子区间，对区间，对N N个队列进行顺序操作，对硬件速度的个队列进行顺序操作，对硬件速度的要求将大大提高。为此，可采用并行处理的流水要求将大大
38、提高。为此，可采用并行处理的流水线线(pipeline)(pipeline)操作方法。一种称为操作方法。一种称为RC-BBRC-BB的交换结的交换结构就采用构就采用N N重队列和流水线并行仲裁的方法。重队列和流水线并行仲裁的方法。30从使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在此不再说明。图5 RC-BB结构31从使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在此不再说明。n n(3)(3)窗口仲裁窗口仲裁n n窗口仲裁基本方法是顺序字仲
39、裁，就是在规定的窗口仲裁基本方法是顺序字仲裁，就是在规定的窗口宽度内，依次对各个输入队列中处于窗口中窗口宽度内，依次对各个输入队列中处于窗口中同一位置序列的信元进行竞争仲裁，直到每个输同一位置序列的信元进行竞争仲裁，直到每个输入队列可有入队列可有1 1个信元在竞争中获胜或窗口结束为止。个信元在竞争中获胜或窗口结束为止。显然，在窗口某个位置上的竞争仲裁只能针对当显然，在窗口某个位置上的竞争仲裁只能针对当前尚未被占用的出线进行。由于窗口每个位置上前尚未被占用的出线进行。由于窗口每个位置上的竞争仲裁是按照既定策略孤立地进行，顺序仲的竞争仲裁是按照既定策略孤立地进行，顺序仲裁不能获得最佳的信元调度方案
40、，而且由于每个裁不能获得最佳的信元调度方案，而且由于每个时隙要分成多个子区间，对速度要求较高。时隙要分成多个子区间，对速度要求较高。32从使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在此不再说明。n n窗口整体仲裁窗口整体仲裁n n 整体仲裁是对窗口范围内的所有信元作通盘考整体仲裁是对窗口范围内的所有信元作通盘考察，力求获得最佳的信元调度方案和最高的吞吐察，力求获得最佳的信元调度方案和最高的吞吐率。为进行高速的并行分布式处理，要借助于神率。为进行高速的并行分布式处理，要借助于神经网络经网络(Neural Networ
41、k-NN)(Neural Network-NN)的控制。的控制。33从使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在此不再说明。n n3.3.基于基于ACKACKNACKNACK的网络仲裁的网络仲裁n n所谓网络仲裁，是指竞争的消除与网络本身的结所谓网络仲裁，是指竞争的消除与网络本身的结构相关联，构相关联，ACKACKNACKNACK信号要通过交换网络来信号要通过交换网络来传送。如果交换结构用的是排序传送。如果交换结构用的是排序-选路网络，例如选路网络，例如B-BB-B网络，可以利用排序网络的特性来实现竞争仲网络，可
42、以利用排序网络的特性来实现竞争仲裁。由于通过排序网络后，信元已按目的地址的裁。由于通过排序网络后，信元已按目的地址的非降序列出现在排序网络的出线上，这就便于检非降序列出现在排序网络的出线上，这就便于检出出线竞争。出出线竞争。34从使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在此不再说明。n n具体实现可以用基于具体实现可以用基于ACKACK的三阶段算法或两阶段的三阶段算法或两阶段算法。算法。n n (1)(1)三阶段算法三阶段算法n n阶段阶段1 1为请求阶段，阶段为请求阶段，阶段2 2为证实阶段，阶段为证实阶段，阶
43、段3 3为发为发送阶段。送阶段。35从使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在此不再说明。图6 消除竞争的三阶段算法 36从使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在此不再说明。n n (2)(2)选路仲裁选路仲裁n n排序仲裁是用于无阻塞的排序仲裁是用于无阻塞的B-BB-B网络，对于有阻塞且网络，对于有阻塞且无内部缓冲的多级互连网终无内部缓冲的多级互连网终(MIN)(MIN)可采用选路仲裁。可采用选路仲裁。选路仲裁不发请求信号而
44、直接发送信元，任其在选路仲裁不发请求信号而直接发送信元，任其在选路网络中进行竞争。如在竞争中失败就会收不选路网络中进行竞争。如在竞争中失败就会收不到到ACKACK信号或收到信号或收到NACKNACK信号。选路仲裁可以是信号。选路仲裁可以是基于基于ACKACK或基于或基于NACKNACK的。的。37从使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在此不再说明。n n4.4.基于偏转和或环回的方法基于偏转和或环回的方法n nB-BB-B网络竞争消除的另网络竞争消除的另个方法是基于环回缓冲器，个方法是基于环回缓冲器，使竞争中
45、失败的信元通过环回使竞争中失败的信元通过环回(recirculation)(recirculation)而回而回送到网络入端，以便在下一时隙进行重试送到网络入端，以便在下一时隙进行重试(retry)(retry)。其特点是不像其特点是不像ACKACK方法那样要增加一个时隙内的方法那样要增加一个时隙内的处理速度，但要增设网络的重试输入端，并可能处理速度，但要增设网络的重试输入端，并可能产生属于同一虚连接的信元的失序。产生属于同一虚连接的信元的失序。sunshinesunshine交换交换结构采用排序加环回的方法。结构采用排序加环回的方法。n n偏转方法可适用于无内部缓冲的有阻塞偏转方法可适用于无
46、内部缓冲的有阻塞M1NM1N。信。信元均参与选路竞争，如竞争中失败则进行偏转选元均参与选路竞争，如竞争中失败则进行偏转选路路(deflection roughting)(deflection roughting)，试从其它的通路到达出，试从其它的通路到达出端，如仍然失败可予丢弃，这就是选路加偏转的端，如仍然失败可予丢弃，这就是选路加偏转的力法。如果还具有环回缓冲，则偏转选路失败后力法。如果还具有环回缓冲，则偏转选路失败后的信元可再通过环回缓冲回送到入瑞的信元可再通过环回缓冲回送到入瑞(或某一级或某一级)进进行重试，这就是选路加偏转再加环回的方法。行重试，这就是选路加偏转再加环回的方法。38从使
47、用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在此不再说明。图7排序加环回的竞争消除方法 39从使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在此不再说明。图8 嵌套型Banyan网络 40从使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在此不再说明。n n 5.5.基于时隙预留的方法基于时隙预留的方法n n 以上的竞争解决方法都是着眼于当前的时隙，以上的竞争解决方法都是
48、着眼于当前的时隙，也就是在每个时隙到来时实行仲裁。基于预留的也就是在每个时隙到来时实行仲裁。基于预留的方法则是预先对下一时隙或以后几个时隙作出消方法则是预先对下一时隙或以后几个时隙作出消除竞争的安排，或者说是预先作出信元调度的方除竞争的安排，或者说是预先作出信元调度的方法，基于预留的方法运用于无阻塞的法，基于预留的方法运用于无阻塞的MINMIN，也是，也是一种外部仲裁，但属于基于预留的外部仲裁。一种外部仲裁，但属于基于预留的外部仲裁。n n令牌环令牌环(Toking Ring)(Toking Ring)，预调度预调度(Prescheduling)(Prescheduling)41从使用情况来看
49、，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在此不再说明。n n 6.基于加速并行的方法n n基于加速并行的方法常用于单级无阻塞网络，基于加速并行的方法常用于单级无阻塞网络，但也可用于多级有阻塞网络。例如，具有输出缓但也可用于多级有阻塞网络。例如，具有输出缓冲的冲的NN crossbarNN crossbar结构，可以采用加速因子为结构，可以采用加速因子为N N，即内部速度为入线出线速率的即内部速度为入线出线速率的N N倍，使得在同倍，使得在同一时隙内最多可有一时隙内最多可有N N个输入信元，写入某出线的个输入信元，写入某出线的
50、缓冲器，从根本上消除了出线竞争。对于多级网缓冲器，从根本上消除了出线竞争。对于多级网络，也不排除在每个络，也不排除在每个SESE内部采用加速的方法。内部采用加速的方法。n n 空间并行的效果相当于时间加速，可以降低对速空间并行的效果相当于时间加速，可以降低对速度的要求，但硬件较复杂也增加了成本。典型度的要求，但硬件较复杂也增加了成本。典型的应用是的应用是KnockoutKnockout交换结构采用交换结构采用N2N2分离通路的交分离通路的交换结构，分离通路就意味着可以并行传送的通路。换结构，分离通路就意味着可以并行传送的通路。42从使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构