CN104184642B - 多级星型交换网络结构及优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多级星型交换网络结构及优化方法，主要解决现有网络技术中交换模块端口速率相等和交换模块价格仅考虑端口数量的缺点。该多级星型交换网络由第1级至第N级具有一个高速端口和若干低速端口的基本交换模块依次互连而成；第N‑1级基本交换模块的高速端口从最左边开始依次连接第N级基本交换模块的低速端口；以此类推，第k级基本交换模块的高速端口从最左边开始依次连接第k+1级基本交换模块的低速端口，以使网络结构向外扩展，k＝N‑1,…,1。本发明减小了网络中流量的浪费及拥堵出现，更加符合实际应用场景，可用于设计和优化使用SDH或以太网交换设备的接入网和数据中心等交换系统。

Description

多级星型交换网络结构及优化方法

技术领域

本发明属于网络通信领域，特别涉及通信网中交换网络结构及其优化方法，可用于设计和优化使用SDH或以太网交换设备的接入网和数据中心等交换系统。

技术背景

同步数字体系SDH和以太网是目前最重要和应用最广泛的宽带传输技术，它们的一个重要特征是相邻速率等级的接口速率呈等比级数增加，且相邻的不同速率间存在同步或异步复用，如SDH和以太网速率分别为同步传输模块STM-N和异步x Gbps，二者的相邻级速率等比系数分别为4和10，其中N＝1,4,16,64,256和x＝0.1,1,10,100。接入网中的SDH和Ethernet单个复用/交换设备大多具有多个低速端口和一个高速端口，称该设备为基本交换模块BSM(Basic Switching Module)，如一个SDH分叉复用器ADM可具有4个STM-1和1个STM-4接口。具有前述SDH和Ethernet不同速率等级接口的交换设备在实际使用中大多构成网状、环形和星型等网络结构，其中多级星形交换网络结构是接入网中非常重要的网络互连技术之一。

目前国内外对多级互连网络的研究主要是关于基本交换模块的互连，特别是利用传统结构如Banyan和Clos的光互连。一些研究文献涉及了多级互连网络的分析与优化，互连网络的多播和优先处理服务。

Ohring S.R.等人在“On generalized fat trees”一文中提出了一种由许多交换单元互连而成的可扩展广义胖树XGFT。该胖树中所有交换单元的端口速率都相同，造成了网络流量的浪费和出现拥堵，这不符合实际的应用环境，不能解决实际的应用问题。

Javier Navaridas,Jose Miguel-Alonso等人在“Reducing complexity intree-like computer interconnection networks”一文中提出交换单元的花费只和其端口数有关。一个交换系统的全部花费由许多因子决定，通常包括节点、链路、安装甚至维护的花费。它主要由第一个因素决定，后两个花费因子主要依赖于实际应用场景而难以确定，因此这两个因子经常被忽略。在目前研究的很大一部分中，交换网络的花费只与一个因素有关，例如换单元的数量，忽视通过交换单元的流量或端口速率对花费的影响，这对有着不等端口速率的交换设备来说是不切实际的，例如，一个8端口1000M以太网交换机的花费通常是8端口100M交换机的3倍。

发明内容

本发明的目的在于针对上述技术的不足，提出一种适应于SDH和以太网中这种传输与复用体制的具有不等速率端口的多级星型交换网络结构及其优化方法，以减小网络流量的浪费及拥堵出现，并构建考虑流量和端口因素的花费模型，使其更加完善和符合实际应用场景。

为实现上述目的，本发明的多级星型交换网络结构，由第1级至第N级的基本交换模块依次互连而成，N≥2；其特征在于，第N级仅有1个基本交换模块，该基本交换模块仅有速率相同的Q_N个低速端口；第i级有个基本交换模块，每个基本模块设有速率相同的Q_i个低速端口和1个高速端口，i＝1,2,…,N-1。

上述多级星型交换网络结构，其特征在于，各级基本交换模块依次互连的关系为：第N-1级基本交换模块的高速端口从最左边开始依次连接第N级相应基本交换模块的低速端口；以此类推，第k级基本交换模块的高速端口从最左边开始依次连接第k+1级基本交换模块的低速端口，以使网络结构向外扩展，实现网络用户端口数的倍增和用户端口之间的互联互通，其中k＝N-1,…,1。

为实现上述目的，本发明的多级星型交换网络优化方法，包括如下步骤：

(1)根据实际需求确定网络总用户端口数X₀；

(2)通过分解总用户端口数X₀得到所有可行结构的级数N和低速端口数Q_i，i＝1,2,…,N；

(3)流量计算：

3a)分别计算可行网络结构第i级基本交换模块的高速端口流量和第N级基本交换模块的高速端口流量

3b)分别计算可行网络结构第1级基本交换模块的低速端口流量和第i级基本交换模块的低速端口流量

(4)计算可行交换网络结构的花费：

4a)根据基本交换模块的高速端口流量和低速端口流量计算可行网络结构各级基本交换模块流量对花费的影响因子δ(i)：

其中参数α是相对于的权重，其取值为1；

4b)根据基本交换模块的低速端口数Q_i、高速端口流量和低速端口流量计算可行网络结构各级基本交换模块的等效端口数q_i：

其中，β是转化率，其取值为0.32；

4c)根据基本交换模块的等效端口数q_i，计算可行网络结构各级基本交换模块的花费ψ_i：

4d)根据各级基本交换模块数X_i、基本交换模块的花费ψ_i和基本交换模块流量对花费的影响因子δ(i)，计算可行网络结构的总花费：

(5)比较所有可行网络结构的花费，找出花费最小的网络结构，该网络结构即为最优网络结构。

本发明与现有技术对比，具有如下优点：

第一，本发明提出的多级星型交换结构由具有不等端口速率的基本交换模块互连而成，克服了现有网络结构端口速率相等的缺点，减小了网络流量的浪费及拥堵出现；

第二，本发明提出的多级星型交换结构的优化方法，构建了考虑流量和端口因素的花费模型，克服了现有网络优化技术只考虑端口数量的缺点，更加完善和符合实际应用场景。

附图说明

图1是本发明的多级星型交换网络结构示意图；

图2是本发明多级星型交换网络结构的优化流程图。

具体实施方式

以下参照附图对本发明做进一步描述：

参照图1，本发明的多级星型交换网络，是从实际网络中广泛使用的分层树型交换网络结构衍生而出。该网络具有N级基本交换模块，N≥2，每级的基本交换模块设有不同的端口数。其中：

第i级的基本交换模块具有Q_i+1个端口，且下部为速率相同的Q_i个低速端口，从左至右依次编号为0,1,…,Q_i-1；上部为一个高速端口，i＝1,2,…,N-1。

第N级的基本交换模块仅有速率相同的Q_N个低速端口，依次编号为0,1,…,Q_N-1。

各级基本交换模块的互连关系为：

从第N级仅有的一个基本交换模块开始，在其低速端口依次连接第N-1级基本交换模块的高速端口，使网络向外扩展，形成第N-1级网络；

在已构成的第i级网络基本交换模块的低速端口依次连接第i-1级基本交换模块的高速端口，形成第i-1级网络；在已构成的第i-1级网络基本交换模块的低速端口依次连接第i-2级基本交换模块的高速端口，形成第i-2级网络，i＝N,N-1,…,2；以此类推，直到形成第1级网络；再在第1级基本交换模块的低速端口依次连接用户节点，构成多级星型交换网络。

所述多级星型交换网络中有两种类型的节点，叶节点和非叶节点，分别对应用户节点和基本交换模块。用X_i表示第i级基本交换模块总数，由各级基本交换模块低速端口数和其互连关系可得X_N＝1，X_i＝Q_i+1X_i+1，i＝1,2,…,N-1；用X₀＝Q₁X₁表示第1级所有基本交换模块的低速端口总数，也是交换网络的用户节点或用户端口数。对用户节点从左至右依次编号为0,1,…,Q₁X₁-1。为了便于描述，令BSM(k,p)表示k级从最左边开始第p个基本交换模块，k＝1,2,…,N；p＝0,1,…,X_k-1。

本发明的多级星型交换网络的工作原理与树型网络类似，即交换过程如下：

用户节点i发送分组至用户节点j，找出节点i和节点j的最小生成子树的根节点；根据最小生成子树中节点i到根节点的路径和根节点到节点j的路径，分组从节点i出发，通过用户端口向上传输至根节点；然后在根节点通过低速端口向下传输至节点j，其中i≠j,i,j＝0,1,…,Q₁X₁-1。例如图1中的用户节点0要发送分组至用户节点3Q₁-1，它们的最小生成子树的根节点为BSM(2,1),因此分组从节点0通过用户端口向上传输至BSM(1,1)，再通过BSM(1,1)的高速端口向上传输至BSM(2,1)，然后通过BSM(2,1)的低速端口Q₂-1向下传输至BSM(1,Q₂)，再通过BSM(1,Q₂)的低速端口Q₁-1向下传输至节点3Q₁-1，完成交换过程。

参照图2，针对实际应用，本发明多级星型交换网络结构的优化步骤如下：

步骤1，确定网络的用户端口数X₀。

多级星型交换网络一般应用于至少256的大量用户数的接入网或数据交换中心，且其用户数通常设定为2的整数倍，因此根据实际网络规模确定用户端口数X₀的具体取值，X₀＝2^j,j＝8,9,10,…。

步骤2，通过分解用户端口数X₀，得到所有可行结构的级数N和各级基本交换模块的低速端口数Q_i，i＝1,2,…,N。

由于多级星型交换网络结构各级基本交换模块低速端口数的取值多样性，因此满足用户端口数为X₀的网络结构也具有多样性，找出所有可行的网络结构，其步骤如下：

2a)实际网络中所使用的交换机的低速端口数通常为4,8,16,64,128，且随着网络级数的增加而不递增，因此设基本交换模块的低速端口数：Q_i＝4,8,16,64,128，i＝1,2,…,N，且Q_j≥Q_j+1，j＝1,…,N-1；

2b)在步骤2a)的限定条件下，通过对级数N和低速端口数Q_i的不同取值，i＝1,2,…,N，找到满足公式的所有可行网络结构及其级数N和低速端口数Q_i，i＝1,2,…,N。

步骤3，计算可行网络结构的流量。

由于通过每个基本交换模块的流量是影响其花费的重要因素之一，本步骤计算多级星型交换网络的流量，为计算基本交换模块的花费提供基础，其步骤如下：

3a)分别计算可行网络结构第i级基本交换模块的高速端口流量和第N级基本交换模块的高速端口流量

3b)分别计算可行网络结构第1级基本交换模块的低速端口流量和第i级基本交换模块的低速端口流量

步骤4，计算可行交换网络结构的花费。

4a)根据基本交换模块的高速端口流量和低速端口流量计算可行网络结构各级基本交换模块流量对其花费的影响因子δ(i)。

因为一个交换设备的花费与其流量的平方根成正比，因此得到公式如下：

其中参数α是相对于的权重，其取值为1；

4b)根据基本交换模块的低速端口数Q_i、高速端口流量和低速端口流量计算可行网络结构各级基本交换模块的等效端口数q_i，本发明通过收集具有一个高速端口和若干低速端口的交换设备价格，分析其高速端口花费与低速端口花费的关系，将高速端口等效为低速端口，得到基本交换模块的等效端口数计算公式如下：

其中，β是转化率，其取值为0.32；

4c)根据基本交换模块的等效端口数q_i，计算可行网络结构各级基本交换模块的花费ψ_i：

本发明收集了三家中国公司：Tp-link、H3C和神州数码的等速率端口交换设备的商业价格，利用数据拟合法分析基本交换模块花费与其端口数的关系，得到公式如下：

4d)根据各级基本交换模块数X_i、基本交换模块的花费ψ_i和基本交换模块流量对花费的影响因子δ(i)，计算可行网络结构的总花费。

交换网络的总花费C是在考虑流量影响的情况下各级基本交换模块的花费与之和，ψ_i·δ(i)表示考虑流量影响的基本交换模块花费，因此可得出可行网络结构的总花费为:

步骤5，根据可行网络结构的总花费，构建优化的多级星型交换网络。

比较所有可行网络结构的花费，找出花费最小的网络结构，该网络结构即为用户端口数为X₀的最优网络结构；

以最优网络结构的级数N和各级基本交换模块低速端口数Q_i构建出所需的多级星型交换网络，i＝1,2,…,N-1。

表1给出了用户端口数X₀＝256,512,1024,2048时使用本发明的优化方法得出的最优网络结构。

表1

从表1可见，用户端口数X₀＝256时，可行网络结构有6种，最优网络结构的级数N＝3；各级低速端口数Q₁＝8，Q₂＝8，Q₃＝4；各级基本交换模块数X₁＝32，X₂＝4，X₃＝1。当用户端口数为512,1024,2048时，其最优网络结构低速端口数为同样4或8，与实际接入网在此用户数下的情况相符。

以上描述仅是本发明的一个具体事例，并不构成对本发明的任何限制。显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明的内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围内。

Claims (2)

1.一种多级星型交换网络结构的优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)根据实际需求确定网络用户端口数X₀；

(2)通过分解用户端口数X₀得到所有可行结构的级数N和低速端口数Q_i，i＝1,2,…,N；

(3)流量计算：

3a)分别计算可行网络结构第i级基本交换模块的高速端口流量和第N级基本交换模块的高速端口流量

$f_i^{h,up}={\Π}_{j=1}^i\frac{(X_j-1)Q_j^2}{(X_j{Q}_j-1)},i=1,2,...,N-1$

$f_N^{h,up}=0$

3b)分别计算可行网络结构第1级基本交换模块的低速端口流量和第i级基本交换模块的低速端口流量

$f_1^{l,down}=Q_1$

$f_j^{l,down}=f_{j-1}^{h,up}{Q}_i,j=2,...,N;$

(4)计算可行交换网络结构的花费：

4a)根据基本交换模块的高速端口流量和低速端口流量计算可行网络结构各级基本交换模块流量对花费的影响因子δ(i)：

$\mathrm{\δ}\left(i\right)=\sqrt{f_i^{l,down}+{\mathrm{\αf}}_i^{h,up}},i=1,2,...,N$

其中参数α是相对于的权重，其取值为1；

4b)根据基本交换模块的低速端口数Q_i、高速端口流量和低速端口流量计算可行网络结构各级基本交换模块的等效端口数q_i：

$q_i=Q_i+\mathrm{\β}\·f_i^{h,up}/(f_l^{l,down}/Q_i),i=1,2,...,N$

其中，β是转化率，其取值为0.32；

4c)根据基本交换模块的等效端口数q_i，计算可行网络结构各级基本交换模块的花费ψ_i：

${\mathrm{\ψ}}_i=0.088q_i^2+12.24q_i+25.44,i=1,2,...,N;$

4d)根据各级基本交换模块数X_i、基本交换模块的花费ψ_i和基本交换模块流量对花费的影响因子δ(i)，计算可行网络结构的总花费：

$C={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N{X}_i\·{\mathrm{\ψ}}_i\·\mathrm{\δ}\left(i\right);$

(5)比较所有可行网络结构的花费，找出花费最小的网络结构，该网络结构即为最优网络结构。

2.根据权利要求1所述的多级星型交换网络结构的优化方法，其特征在于，所述步骤(2)中分解用户端口数X₀，包括以下步骤：

2a)设基本交换模块的低速端口数：Q_i＝4,8,16,64,128，i＝1,2,…,N，且Q_j≥Q_j+1，j＝1,…,N-1；

2b)找到满足公式的所有可行网络结构的级数N和低速端口数Q_i，i＝1,2,…,N。