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电路设计漫谈之 - 两个有趣的IP交换机电路
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作者:
admin
时间:
2019-9-27 15:10
标题:
电路设计漫谈之 - 两个有趣的IP交换机电路
(信息来源：EETOP BBS 作者：sun_ic)
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电路设计漫谈之17 - 两个有趣的IP交换机电路
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有些很复杂的技术其原理大多时是很简单。但往往人们看看到的是问题解决的办法或实现
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后的复杂样子，更糟糕的是对初学者或者初次从事该技术的工程师也从最后已经
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实现的技术和系统讲解起。这往往忽略了问题的本质和技术的本来面目。始终认
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为学数学物理前应该先读一本数学物理的发展史，了解当时科学家们遇到了什么
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问题，受什么启发才发展出了相应的理论。不要一开始就微积分，量子力学方程
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。电路技术也是一样。下边聊一下两个有意思的IP交换机原理和相应的电路。最
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后的实现很复杂，但其原理是可以可日常生活中大家最熟悉的交通系统来对应的。
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1）交换机的VOQ技术.
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交换机可以等效成为一个N口入，N口出的简单模型。再简化一下可以等效成一个口
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(称为接口A)入，N个口出的模型（图1）。一般从A口来的packet会在一个输入
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buffer里暂存一下，然后做header分析，lookup等操作来决定每个packet应该送到哪个目的口输出。
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假设有这种情况：某个目的口（B）大家都朝它送traffic造成了堵塞，但这时其它
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目的口还是畅通的。 这时口A的buffer中送到口B的数据就要暂存一下直到口B解
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除阻塞。而送到其它目的口的数据可以马上通过交换矩阵送出。可这时如果输入
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口A只有一个buffer，送到口B的packet先来的，这样后来的送到其它目的口的packet
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被阻塞住了，即使它们的目的口是畅通的也送不出去。这种现象叫HOL（head of line
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blocking)。解决的办法可以借鉴交通道口的设计方式。
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Fig1
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Fig2A
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Fig2B
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Fig3
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我们看一下在图2A中所示的一个交通路口，南来的车道原来只有一条。想直行的
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红色车由于是红灯等在了路口，虽然东西向的道路是畅通的，后边要右拐的车辆
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也只好等在那。在图2B中，把南来的车道重新设计了一下。在路口前分出了几个
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“缓冲车道”，每个方向一个或者若干个。这样即使出现上述情况，右转的车辆也
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可以走了。在这里，东西北三个方向相当于交换机的目的口。南来的车道是口A。
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南来车道的packet进入道口区域后根据去的目的口，分别放入相应的buffer（车道）。
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这样就解决了前边提的HOL问题。
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在交换机的设计中这种思想叫做VOQ（virtual output queue,虚拟的输出队列）
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。即在每个输入口，根据输出的目的地建立相应的缓存器（FIFO或Queue）。
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实际应用中还可以再根据packet的不同的优先级来进一步细分成更多的queue，
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来支持QoS及Diffserv等功能。如图3所示.
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电路设计时，一般是用一个大的DRAM来实现几千甚至几万以上的VOQ。DRAM一般
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分成一个个基本的小片，根据VOQ的大小和多少动态的分配若干片给每个VOQ。这
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就牵扯到存储片的分配，管理，回收，竞争等等。这时数据结构的一些思想可以
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应用到这里了。本人始终认为利用DRAM实现动态管理的FIFO是logic设计的最高
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境界之一。
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2）交换机流量控制的Leaky Bucket技术
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我们经常听到运营商说你付多少银子给你多少带宽。尤其是那种Ethernet to
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home/building, 虽然传输带宽是100Mb/s但你实际得到的服务可能只是5M或者
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10M之类。这种功能在交换机实现上成为rate limiting，flow control，等等。
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这可以用高速公路入口的车辆控制来解释。
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美国的高速公路入口是这么设计的。入口处有一个或者几个信号灯，根据拥堵的
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情况每隔若干秒亮一次绿灯。每亮一次允许一辆车进入高速，以此达到控制流量
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的目的。图4所示.
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Fig4
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Fig5
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这个原理可以用到交换机的流量控制上。图5所示的一个篮子，每隔一定时间T朝
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里边扔进去一定数量N的硬币￥。篮子下边有个固定大小的口，硬币以一定的流
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量漏出篮子。每流出一个硬币就可以放行一个packet。大家可以看出，通过控制
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篮子漏口的大小就可以控制每个口进入（或者流出）交换机的数据流量.
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packet是先在buffer中暂存的。如果某时间来了一串bursty的packet，也是先存
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在buffer里，再根据漏出的硬币一个个（或一次几个）把packet取出。这样也达
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到了平滑数据流的作用。如果口开大了，放进篮子的硬币少或者更新的周期长，数据可能
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从buffer中一次送一段后（bursty），停一段时间等篮子里有了新的硬币再继续送。调
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节参数T/N/￥可以调节允许的流量和bursty的大小。更复杂点的流量控制还有
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guaranteed bandwidth, best effort bandwidth等。这可以采用dual leaky
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bucket实现。一个篮子管保证的带宽控制，另一个篮子管best effort（不保证
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，只有在网路不阻塞时提供服务）。
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leaky bucket控制电路的设计其实就是一个计数器。这个计数器每隔一定时间T
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赋一个值。之后每次减一。每减一次就允许一定数量的packet通过。减到0了就
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要等下一次计数器赋值。实际应用中可能比这复杂，但基本原理如此。
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当年上学看书学了不少数据处理交换机原理等，始终云里雾里的。尤其老师们总
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是卖力的介绍协议中每个bit的意义。做了几轮项目后，才领悟出交换机的好多
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原理其实跟公路交通的设计类似。如果我去做教师教这门课，我会从交通系统讲
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起。用集装箱和或者车皮的原理类比IP/ATM的packet和cell。道路路口的设计类
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比VOQ等输入/出口的数据处理。邮寄的快慢件处理类比数据优先级的处理。高速
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路汇入车辆的控制类比flow/rate control等等。复杂的系统，原理一定都是很
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简单的。只有简化到最简单的原理才算了解掌握。一开始千万不要被数学公式复
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杂的协议灌晕了。
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以前的漫谈：
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电路设计漫谈之 1~9
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http://bbs.eetop.cn/thread-178347-1-1.html
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电路设计漫谈之10： 接地（1）
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http://bbs.eetop.cn/thread-197205-1-1.html
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电路设计漫谈之11：物联网大跃进
http://bbs.eetop.cn/thread-251965-1-1.html
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- E! i+ W' |3 d9 \6 q
" D) g# L7 L8 V& z1 Z1 s
电路设计漫谈之12：高频喜欢低感抗，低频喜欢低(电)阻抗 - 再谈接地。
http://bbs.eetop.cn/thread-253126-1-1.html
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电路设计漫谈之13 - Accuracy/Precision 和数模系统的参数选择
6 m. a2 H" N1 C: H" ]$ C$ @9 A
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电路设计漫谈之14 - 放大器漫谈
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http://bbs.eetop.cn/thread-260935-1-1.html
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电路设计漫谈之15 - 同步/异步设计及metastability
' H& P6 `5 x, N: g5 \+ m7 h* |
http://bbs.eetop.cn/viewthread.php?tid=262937&highlight=%B5%E7%C2%B7%C9%E8%BC%C6%C2%FE%CC%B8%D6%AE15
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电路设计漫谈之16 - （转贴）编程高手的故事和一些回忆http://bbs.eetop.cn/thread-287087-1-1.html
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