一種基于復色的并行交換調度方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及交換網絡技術領域，特別是設及一種基于新型著色方式復色的并行交 換調度算法。
【背景技術】
[0002] 近年來，隨著大量新興寬帶應用的迅速發(fā)展，人們對于海量信息的傳輸、處理提出 了更高的要求。其中，交換系統(tǒng)扮演著重要的角色。無論是在傳統(tǒng)網絡，例如城市骨干網， 還是在W數據中屯、為代表的新型網絡中，交換網絡都起著至關重要的作用。
[0003] 交換網絡的性能主要取決于業(yè)務調度方法。網絡信息的爆炸式增長使得交換機端 口的數量越來越多，端口速率也越來越高，實時收集所有端口的數據信息變得越來越困難。 因此，業(yè)務調度方法的設計主要面臨W下挑戰(zhàn)和要求：
[0004] (1)可擴展性好。一個好的調度方法需要滿足交換網絡規(guī)模不斷擴大的發(fā)展趨勢。 陽0化](2)高吞吐量。一個好的調度方法必須使交換網絡中的帶寬資源得到最大程度的 利用，使得整個交換網絡獲得高吞吐量能力。
[0006] (3)分布式并行操作。一個好的調度方法需要盡量減少收集端口信息所帶來的代 價，降低計算復雜度。
[0007] 為了達到W上要求，目前關于交換網絡的調度方法主要可分為W下幾類：
[0008] 第一大類為最大匹配算法。最大匹配算法的基本思想是，使每個時隙的輸入輸出 端口連接數最大化，從而使即時帶寬最大化利用。目前，該類算法的計算復雜度為〇(Nlog 腳，因此，運類算法的可擴展性較差。此外，在非均勻的業(yè)務負載情況下，該類算法可能導致 系統(tǒng)不穩(wěn)定。而在實際系統(tǒng)中，大多數業(yè)務流量都是非均勻的。因此該類算法無法滿足當 前交換網絡發(fā)展的要求。
[0009] 第二大類為最大權匹配算法。針對最大匹配算法的不足，該類算法將系統(tǒng)的實時 數據信息，如緩存隊列長度或排隊等待時間等，納入考慮因素，賦予相應的權重。運樣，調度 算法將利用更多的有效信息，在均勻和非均勻負載情況下，都能得到性能較好的調度方案。 然而，目前大部分此類算法的計算復雜度較高，通常為〇(妒log腳。因此，該類算法可擴展 性較差，無法滿足交換網絡的發(fā)展需求。
[0010] 第=大類為批量調度算法。在該類調度算法中，規(guī)定一個連續(xù)時隙范圍，稱為帖。 不同于前兩類調度算法在每個時隙都對數據業(yè)務進行調度，批量調度算法W-帖為單位， 對一帖內的數據業(yè)務統(tǒng)一進行調度。運樣，既能降低每個時隙的均攤復雜度，也能充分利用 該帖內的業(yè)務的統(tǒng)計特性。但是，目前存在的該類算法還無法很好地兼顧分布式實現和低 計算復雜度。
[0011] 第四類是準靜態(tài)調度算法。為了避免在線計算，該類算法應運而生。準靜態(tài)調度算 法主要是基于Bir化offvon化Uman度vN)雙隨機矩陣分解的原理。它們首先將統(tǒng)計平均 的業(yè)務流量矩陣進行BvN分解，得到交換機的預設交換狀態(tài)；然后根據分解過程中每個預 設交換狀態(tài)的權重調度運些交換狀態(tài)，從而達到帶寬保證的目的；當業(yè)務矩陣發(fā)生重大變 化時，可根據新的矩陣進行調度。BvN調度算法具有在線計算復雜度低、在平穩(wěn)業(yè)務下可獲 得高吞吐量的特點。但是在每次業(yè)務矩陣發(fā)生重大變化時，BvN分解的復雜度高達O(N4'5)， 給系統(tǒng)帶來很大的計算負擔。

【發(fā)明內容】

[0012] 本發(fā)明的目的是針對高速交換網絡中業(yè)務調度問題，提出一種基于復色的并行交 換調度方法，具有快速、分布式、可并行等特點，在均勻和非均勻的負載下都能得到近100% 的吞吐能力，W適應大數據時代高速交換網絡的發(fā)展需求。
[0013] 本發(fā)明原理如下：將交換網絡中的業(yè)務調度問題轉換為二分圖的著色問題來解 決。引入復色的概念，在此基礎上提出一種快速可并行的調度方法。本調度方法的基本物 理場景為NXN交換結構，其中，每個輸入端口均具有緩存結構。受到交換結構的限制，在每 個時隙每個輸入端口最多只能發(fā)送一個數據信元，同時每個輸出端口最多只能接收一個數 據信元。本調度方法采用批量調度的方式，即規(guī)定一個時隙周期f為一帖，每次統(tǒng)一調度一 個帖內的數據信元。整個調度過程可W采用流水線的模式執(zhí)行。當我們計算第k個帖的調 度方案的同時，第k+1個帖的數據信元正在積累過程中，而第k-1個帖的數據信元則按照計 算出來的調度方案發(fā)送到對應的輸出端口。
[0014] 為實現上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下技術方案：
[0015] 一種基于復色的并行交換調度方法，包括如下步驟：
[0016] 步驟1，NXN交換網絡，N個輸入端口和N個輸出端口，每個輸入端口均存在輸入緩 存隊列，在每個時隙每個輸入端口最多只能發(fā)送一個數據信元，同時每個輸出端口最多只 能接收一個數據信元，一個時隙周期f為一帖，根據第k個帖的數據信元信息，將NXN的交 換網絡抽象對應為二分圖的數學模型Gk=(VUU，E)，其中，頂點ViGV表示輸入端口i， 頂點UjGU表示輸出端口j，邊em(Vi，Uj)GE表示從輸入端口i去往輸出端口j的第m個 數據信元，i，j= 1，2,…，N，將需要調度的發(fā)送時隙抽象對應為顏色集C= {ci，C2,…，Cj， 其中A為所有頂點的最大頂點度；
[0017] 步驟2,將二分圖中所有的邊6m(Vi，U,)GE均分裂成一對鏈結，再由各自相連的頂 點對其分別著色，保證每個頂點所相連鏈結都是不同顏色；通過在頂點上執(zhí)行鏈結顏色交 換操作，最終得到一個著色方案，使得滿足同一條邊上的兩條鏈結的顏色是相同的且連接 同一頂點的所有邊的顏色是不同的兩個要求；
[001引步驟3,數據信元的傳輸：根據步驟2得到著色方案，按照顏色所對應的時隙，依次 建立對應輸入輸出端口的通信信道，發(fā)送相應數據包。
[0019] 所述步驟2中鏈結著色和顏色交換規(guī)則是：
[0020] 若Gk1中有對應鏈結，則將Gk1最終著色中的對應顏色賦予該鏈結；若無對應鏈 結，則將當前顏色集中沒有使用的第一個顏色賦予該鏈結；
[0021] 依此操作，每條邊將被賦予一組顏色對，稱之為復色：若一條邊所對應的兩條鏈結 的顏色相同，稱之為常量，反之，則稱之為變量；每個頂點可W將相連的任意兩條鏈結的顏 色進行互換，如此，變量在相應的顏色對的路徑上進行游走，最終相互碰撞，達到被消除的 目的；若頂點沒有相應的鏈結與變量鏈結進行顏色交換，則直接為變量鏈結賦予所需顏色， 最終，當所有的變量均被消除，得到一個合適的二分圖著色方案；若在設置的最大運行時間 內，有極少數變量未被消除，則將運部分變量留級到下一帖重新著色。
[0022] 與現有技術相比，本發(fā)明的有益效果是：
[002引 （1)將批量調度的問題轉化為二分圖著色的問題，并且引入復色的概念，能夠用最 少顏色得到一個正確的著色方案，進而對應地得到一個最優(yōu)的調度方案。因此，可W最優(yōu)化 地利用系統(tǒng)帶寬，使交換系統(tǒng)得到接近100%的吞吐能力。
[0024] (2)利用復色的可并行性特點，使每個輸入輸出端口可W利用本地信息，并行化執(zhí) 行計算操作，大大降低了本調度算法的計算復雜度。本發(fā)明的計算復雜度為O(IogZN),其中 帖長選擇為Odog腳，均攤時間復雜度為Odog腳。因此本發(fā)明可W快速有效地得到最優(yōu) 化的調度方案。
[00巧](3)采用批量調度的方式，有效反映了業(yè)務數據的統(tǒng)計特性。因此，無論是在均勻 負載還是非均勻負載情況下，本發(fā)明都能保持系統(tǒng)穩(wěn)定。
【附圖說明】
[00%]圖1是交換系統(tǒng)與二分圖的對應關系的示意圖，其中（a)為NXN交換結構示意 圖，化）為對應的二分圖模型；
[0027]圖2是基于復色的二分圖著色過程的示意圖，其中（a)為第k-1帖對應的最終著 色，化）為第k帖對應的初始著色，（C)為第k帖對應的最終著色；
[0028] 圖3是基于復色的變量消除過程的示意圖；
[0029] 圖4是基于復色的3X3交換結構對應的變量消除過程的示意圖，其中（a)為3X3 交換結構示意圖，化）為第k帖對應的二分圖模型，（C)為第k-1帖對應的最終著色，（d)為 第k帖對應的初始著色；
[0030] 圖5是基于復色的3X3交