电路设计漫谈之 - 两个有趣的IP交换机电路

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(信息来源：EETOP BBS  作者：sun_ic)

1 d0 ?' P# t: P. O: b电路设计漫谈之17 - 两个有趣的IP交换机电路
+ G/ s, t  g2 g1 F3 R- t8 Q7 Y5 V
# }  i1 v. H1 R1 G4 ~; x. v# I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
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
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
9 s* E7 z1 s) i( j% ]; r9 e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
$ n7 u$ v' g( g. U6 @0 R# C: V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
8 G- u6 \" L( g0 `* [2 T。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
8 }( A: L: k  ?& ]8 U- ~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。

1）交换机的VOQ技术.
; d: [0 c+ |% a0 n  U. V* \) H
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
8 P1 k6 X, t5 }(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
# k' Z9 q+ M& E/ k1 V6 u* _. Abuffer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。
% Y. B6 X% z( j, P
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
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
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
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
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
, n( o+ N0 ~9 \2 i# I9 Z7 Hblocking)。解决的办法可以借鉴交通道口的设计方式。
      
. E: }* t: U2 m6 h: O& Z        Fig1                                             


: K7 E7 K4 i" t3 \     Fig2A  

: M5 ?7 m+ ~  H) w7 e& e; \3 a0 G
0 A5 |% ?* j/ Z6 e, o        Fig2B   
3 D) T% V% J8 Z* C
      
6 _0 S2 F1 m5 F% k& C; ?$ k4 K9 t
     Fig3
  T: l" a$ a$ R5 V5 {
- M0 t' ^$ O* j5 R; K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
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
- j- E: I) N8 p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
+ B  p/ @; Q3 j" F* f“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
, n" _/ t$ @; Q3 e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。
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）。
/ R3 v! P8 M, K9 l% ?这样就解决了前边提的HOL问题。
; c* b! f' R- q4 ]3 ~
/ G1 `9 ?9 V$ E, t: |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）
。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）。
8 y/ G/ z5 _" f4 j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，
来支持QoS及Diffserv等功能。如图3所示.
( U, i6 v' H+ V3 u' D% L9 x; x
, V0 O1 N3 B- o# s) ~, w* N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
+ E+ A- U& U( u4 L+ g1 r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
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
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
' v9 A: F; t- K境界之一。

" }, k6 c: x% q8 x2）交换机流量控制的Leaky Bucket技术
! Z. N3 s' s" k9 P
& O1 D& s6 r9 e( x3 J7 u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
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
10M之类。这种功能在交换机实现上成为rate limiting，flow control，等等。
$ ^- @+ F& Q7 H( s这可以用高速公路入口的车辆控制来解释。

; G; @  I/ o+ V* }/ ?$ E6 Q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
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
的目的。图4所示.
        


      Fig4         

% Y7 _+ ~. d! \3 h9 O& k                                

5 x0 Z: H* p4 y6 C. M+ N      Fig5

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
1 V, P) y, v) J/ F& W1 N3 m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
0 R3 e/ F" z( q3 m$ I2 ]( L" ?+ n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
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.
( l5 _$ L! k$ S
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
3 A7 O+ ]" ~  c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
) ~& i. i5 v0 m  O0 C; ?  P; Y. f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
. S9 p- v  E0 o5 M4 q9 ?9 B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
0 o5 X$ K& O. u& T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
% O! P7 M/ {% U' r; ^6 A4 hguaranteed   bandwidth, best effort bandwidth等。这可以采用dual leaky
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
，只有在网路不阻塞时提供服务）。

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
: F8 A- G& ]9 ~/ E* R+ o7 E& @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
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
% x7 p/ Y+ p0 S0 }, [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
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
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
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
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
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
杂的协议灌晕了。

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电路设计漫谈之10： 接地（1）
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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


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

电路设计漫谈之13 - Accuracy/Precision 和数模系统的参数选择
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