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)
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电路设计漫谈之17 - 两个有趣的IP交换机电路

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
6 q  O" F( I; `/ v/ `1 l; r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
: {5 x( S, _: [& w: n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
1 c1 x, n% ^& @% \, y' u8 O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
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
, G1 c- `6 T! J0 c  R9 j' 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
1 u; X/ ~8 u1 \5 Z! V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。
$ Y' y6 A  A, }
1）交换机的VOQ技术.
, z& l" Y. ^0 v% Q  d4 W9 z
' w* X# ^* `: C2 p6 y8 c1 x4 i9 O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
5 c+ _1 O. s& [5 H6 {(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
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。

8 l3 w/ o6 z. [& D7 U5 k% u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
+ n1 ^% ^+ P8 I( {4 I+ ?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
blocking)。解决的办法可以借鉴交通道口的设计方式。
      
3 S5 I) p. |2 ^% ^: b' G        Fig1                                             
0 G7 b, x$ ]3 @2 X6 v4 v# b: ~' Y
$ g% b8 }! f1 M4 r. Z9 C
5 X  |  q1 z) L3 _( N7 ~% B) P     Fig2A  


( H' p! Y/ H( j- h1 c% z        Fig2B   

+ }5 A& [. U- b+ q      

     Fig3

- m2 T1 M" I% O0 G" |& }6 S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
0 w0 @- q; {7 U! S0 ^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
- B1 |# R: h; a" Z$ G) O; S3 F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
“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
! y# [3 M. Y/ m( I% f5 e& W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。
8 i" ]% A- x& V% L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）。
/ d" e  \7 r) f# [  G) d% z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）
。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）。
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，
. s& ~5 L) {& p0 H来支持QoS及Diffserv等功能。如图3所示.
' n: K: A$ S- h- s0 B
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
$ T( {, \' l( k( J6 O, X8 Z; A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
  C7 Q- d5 l- s/ K, ?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
8 c& V, b% e- n) G5 ]境界之一。

; B- W' Q0 n8 \8 V# h( K" J: y2）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
0 U8 C7 p( }5 [3 z. K5 a# Ihome/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
4 C# x5 z6 F' u% ^/ q10M之类。这种功能在交换机实现上成为rate limiting，flow control，等等。
3 z1 a# u, d* {4 ~; j这可以用高速公路入口的车辆控制来解释。

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
# \" T9 E/ g& k4 t* q* E5 [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         
( J  G/ w3 q2 k4 S
                                
/ c: F' G# b& w; y6 y! [. ]  G5 k5 {
8 v* B$ }) a8 L0 d2 Y* `5 L4 j      Fig5

$ ~# \+ W; {! k1 {( M9 |. n8 H  T3 g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
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
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
/ p8 Q# G6 p, C4 z* ~  h; J+ D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.

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
4 P8 D  u+ A% D1 s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
, D! V, o/ N9 U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
+ d0 D* x; V3 p+ L+ g4 U' f) y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
% E) V# ~) ?- Q! v. ~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
) ?4 F% R$ k3 j8 I  \; J3 N6 Tguaranteed   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）。
, \) ]0 v8 y( h; ^1 e/ z/ L$ n
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
4 q  H! F( `! z5 p% h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
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
5 [" x/ l7 W, B  |/ e. r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
. v  T. j) O/ H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
% b- i9 f+ k" i& T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
) @) R9 i' ^" r, J6 Y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
# r$ e2 q) [! G% s( G7 M' J- n; p杂的协议灌晕了。

以前的漫谈：

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电路设计漫谈之 1~9
http://bbs.eetop.cn/thread-178347-1-1.html

; r8 m, M" H3 m" e# O
电路设计漫谈之10： 接地（1）
http://bbs.eetop.cn/thread-197205-1-1.html
' N- @0 f5 K* |
8 F. W! C& e* k0 A  o1 k电路设计漫谈之11：物联网大跃进http://bbs.eetop.cn/thread-251965-1-1.html

, O- L& d, w) R8 F
& [; B" |+ u5 N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
# \9 |, Z: _( ]$ c& z  V
- ]& k  a1 O3 M电路设计漫谈之13 - Accuracy/Precision 和数模系统的参数选择
7 b, E: k; x# R* v  _( W& P! Jhttp://bbs.eetop.cn/thread-257967-1-1.html


电路设计漫谈之14 - 放大器漫谈
http://bbs.eetop.cn/thread-260935-1-1.html


电路设计漫谈之15 - 同步/异步设计及metastability
3 o! ]& {  n3 i2 Zhttp://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