輸出隊列

對於典型的輸入排隊,在交換結構的每個輸入端口都提供了簡單的隊列功能.數據包必須在該隊列中等待,直到其能傳輸到輸出端口為止.從實現的角度來看,輸入隊列實現,簡單並且開銷較少.但是,它存在着隊首阻塞(HOL)的問題.所謂隊首阻塞是指當解決輸出端口衝突時,輸入隊列隊首的數據包可能會阻塞同隊列的其它數據包,而這些數據包的目的輸出端口是空閒的,即這時並不存在輸出端口衝突.典型的輸出隊列是指在交換結構的每個輸出端口都提供了緩衝隊列.只有當到達一個特定輸出隊列輸入部分的數據包可被該輸出隊列立即接受時,輸出排隊這一概念才有意義.從邏輯上講,意味着每個輸出隊列都是輸入隊列的複用器.可採用一個具有更高速度的隊列或者具有更高的並行性來實現輸出隊列.雖然輸出排隊的實現較為複雜,費用也較為昂貴,但輸出隊列具有良好的性能.

交換模型是傳統輸入和輸出排隊的組合[7].輸出排隊以其性能優勢而得到廣泛關注.但是,由於在實際應用中,輸出緩衝區大小受限,必須提供一定的輸入緩衝區才能滿足性能要求.有限的輸出緩衝區只能部分地解決輸出端口衝突,增加一定的輸入緩衝區可以減少輸出隊列的數據包丟失.沒有輸入隊列,不可能得到滿意的網絡性能. ^[1] 

為了研究自相似業務下的隊列性能,將丟包率作為服務質量參數,通過仿真實驗分析自相似輸入和幾何輸入方式下交換結構的隊列特性.基於上述的交換機交換結構模型,進行仿真實驗的交換機採用4×4交換結構,服務速率為155 Mbps.採用混合FGN方法產生自相似業務,自相似業務的Hurst參數為0.8.作者研究了輸出緩衝區長度固定為4時,丟包率和輸入緩衝區長度的關係.到達率為70 Mbps時的關係,圖3是到達率為100 Mbps時的關係圖.與根據傳統幾何模型相比,當業務到達具有自相似特性時,對於一定要求的丟包率,所要求的緩衝區要大得多.自相似業務和幾何模型下的這種性能差異説明:如果實際業務具有自相似特性,使用幾何業務模型所測得的服務質量參數與實際情況相差甚遠.自相似業務下緩慢衰減的丟包率暗示着其需要更多的緩衝區來降低丟失率.許多第一代交換機都具有較小維數的緩衝區,在實際的業務流中都出現了數據包丟失過多的問題;雖然有很多因素與之有關,沒有考慮自相似業務對網絡性能的影響是一個不可否認的原因.當業務源增加時,按照傳統模型得到的結論是聚集業務越來越平滑,自相似業務其聚集業務的突發性將更突出而不是減少,從而導致丟包率下降緩慢.也就是説,在傳統業務模型下所進行的服務質量分析和交換結構設計需要重新進行。通過仿真實驗揭示在不同到達率的自相似業務下丟包率、輸入緩衝區長度和輸出緩衝區的長度的關係.所選擇的到達率分別為30、50、70和100 Mbps.

增加緩衝區長度不能顯著地提高交換結構的性能.直觀上,這種情形可能是由於輸入隊列的隊首阻塞與自相似到達業務的聯合效應所致.為了對這一點進行驗證,重點研究了輸出端口的數據包丟失特性.輸出丟包率定義為輸出端口丟失的數據包數與所有切換至輸出隊列數據包數的比率.增加輸出緩衝區長度可以大大地提高輸出端口的數據包傳輸性能.隨着輸出緩衝區長度的增加,輸出丟包率下降得很快.由於每一個輸出隊列中的數據包都具有相同的目的端口,不會象輸入隊列那樣產生隊首阻塞現基於以上實驗,增加輸出緩衝區長度極大地降低了輸出隊列中的丟包率,但是由於增加輸入緩衝區對輸入隊列的性能沒有顯著地提高,還是不能得到滿意的丟包率.也就是説,由於輸入隊列溢出所產生的數據包丟失,整個交換結構的丟包率不能降低到可忽略的程度.輸入隊列的隊首阻塞和到達業務自相似性的聯合效應導致了交換結構性能的下降.所以,為了在自相似業務下獲得滿意的網絡性能,交換機輸入隊列的設計是非常重要的,應該考慮一些先進的排隊策略,如共享輸入緩衝區和輸出端口擴展等.如何獲得輸入、輸出緩衝區長度的最佳組合是高性能交換機交換結構設計中的重要問題. ^[1]