交换式路由技术

　　虽然计算机工业在近几年引入了越来越高速的共享式总线，从ISA到EISA直至现在的PCI。但是这仍然跟不上网络发展的步子。首先,共享总线不可避免内部冲突；第二，共享总线的负载效应使得高速总线的设计难度太大。

　　1．单级交换结构

　　交换结构的引入逐步克服了共享总线的以上缺点。从技术上,目前使用较多的交换结构有共享内存和Crossbar两种。而Crossbar的结构由于其简单性得到了更多的青睐和更广泛的采用。

　　共享内存结构是通过共享输入输出端口的缓冲器，从而减少了对总存储空间的需求。分组的交换是通过指针调用来实现的，这提高了交换容量。但它的速度受限于内存的访问速度。

　　Crossbar结构可以同时提供多个数据通路。一个Crossbar结构由N×N交叉矩阵构成。当交叉点（X，Y）闭合时，数据就从X输入端输出到Y输出端。交叉点的打开与闭合是由调度器来控制的。因此，Crossbar结构的速度要取决于调度器的速度。调度器是Crossbar交换结构的核心，它在每个调度时隙内收集各输入端口有关数据包队列的信息，经过一定的调度算法得到输入端口和输出端口之间的一个匹配，提供输入端口到输出端口的通路。

　　Crossbar结构可以支持高带宽的原因主要有两个:第一,线路卡到交换结构的物理连接现在简化为点到点连接,这使得该连接可以运行在非常高的速率。半导体厂商目前已经可以用传统CMOS技术制造出1Gbit/s速度的点对点串行收发芯片,并且可以在今后几年里把速度进一步提高到4～10Gbit/s的水平。第二个原因是它的结构可以支持多个连接同时以最大速度传输数据,这一点极大的提高了整个系统的吞吐量。只要同时闭合多个交叉节点，多个不同的端口就可以同时传输数据。从这个意义上，我们称所有的Crossbar在内部是无阻塞的,因为它可以支持所有端口同时以最大速率传输(或称为交换)数据。

　　数据包通过Crossbar的时候,可以是以定长单元的形式(通过数据包的定长分割),也可以不进行分割直接进行变长交换。一般高性能的Crossbar交换结构都采用了定长交换的方式,在数据包进入Crossbar以前把它分割为固定长度的cells,等这些cells通过交换结构以后再按照原样把它组织成原来的变长包(packet)。

　　交叉开关和共享内存都能够达到比较高的吞吐率。共享内存的特点是实现简单，能达到比较高的吞吐率,但是其可扩展性比较差,当线路接口卡数量较多时,性能将受到一定的影响。而交叉开关能够达到比较高的速率,扩展性好,但是需要设计完善的调度算法并用高速硬件实现调度器。随着人们对交叉开关调度算法研究的深入,已经设计并实现了许多性能良好、实现简单的调度算法。因此,目前高性能路由器都趋向于使用交叉开关作为交换结构。

　　但是交叉开关和共享内存结构仍属于单级交换结构范畴。当考虑大型系统时，单级交换结构有两个基本问题。第一、对于小规模系统，每端口成本还算合理，但随着规模的扩大，其成本涨得也特快。第二、所有的单级交换结构在技术上受限于其尺寸与速度。一旦达到这些极限，单级交换机无法再增加端口或提升线路速率。正因为如此，可扩展的交换系统必须采用多级结构。

　　2. 多级交换结构

　　多级交换结构是由多个交换单元互联起来的，每个交换单元具有一整套输入输出，与普通交换机类似，提供输入输出的连接。通过互联多个小的交换单元，就可以制造一个大型的、可扩展的交换结构。多级结构之间的不同取决于交换单元之间是如何互联的。典型的结构包括Benes网、Butterfly网、Clos网等形式。

　　Benes网使用方形交换单元（即：输入输出端口数相同）进行多级互联。一般来说，3级N部Benes网的每一级均可以用N个输入/输出端口和N个交换单元来构造（如图4所示）。这个格形结构在每个输入端和每个输出端之间形成N个可能的通路。Benes输出可以扩展至任意奇数级。

　　虽然对于小型系统单级结构的设计相对简单，成本也相对低，但是它不能满足下一代Internet扩展的需要。多级结构在操作上较复杂，但是可以扩展到成百上千个端口，这对于下一代Internet核心路由系统是绝对必要的。在多级拓扑结构中，Benes结构是最佳选择，因为它的系统复杂程度最低，性能好且满足可扩展的要求。

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    路由表的快速查找技术

　　随着Internet上计算机数量的急剧增长,同时用户对带宽的需求的不断增加,使得路由表的快速查找成为目前最需迫切解决的问题。传统的基于软件的路由查找策略，如树或哈希算法，其执行过程都是相当慢的，而且与路由表的大小相关联。所以，这些方法只能用于比较小的、性能较低的包转发应用。

　　使用路由表压缩技术，将路由表按特定的分布规律压缩后存放在处理器的高速缓存中，这样可以大大提高查询速度。但是数据结构的高度