[科普中国]-输出队列

输出队列只有在达到一个特定输出队列输入部分的数据包可被该输出队列立即接受时，输出排队这一概念才有意义。从逻辑上讲，意味着每个输出队列都是输入队列的复用器。可采用一个具有更高速度的队列或者具有更高的并行性来实现输出队列。虽然输出排队的实现较为复杂，费用也较为昂贵，但输出队列具有良好的性能。

交换结构中的输出排队对于典型的输入排队,在交换结构的每个输入端口都提供了简单的队列功能.数据包必须在该队列中等待,直到其能传输到输出端口为止.从实现的角度来看,输入队列实现,简单并且开销较少.但是,它存在着队首阻塞(HOL)的问题.所谓队首阻塞是指当解决输出端口冲突时,输入队列队首的数据包可能会阻塞同队列的其它数据包,而这些数据包的目的输出端口是空闲的,即这时并不存在输出端口冲突.典型的输出队列是指在交换结构的每个输出端口都提供了缓冲队列.只有当到达一个特定输出队列输入部分的数据包可被该输出队列立即接受时,输出排队这一概念才有意义.从逻辑上讲,意味着每个输出队列都是输入队列的复用器.可采用一个具有更高速度的队列或者具有更高的并行性来实现输出队列.虽然输出排队的实现较为复杂,费用也较为昂贵,但输出队列具有良好的性能.

交换模型是传统输入和输出排队的组合[7].输出排队以其性能优势而得到广泛关注.但是,由于在实际应用中,输出缓冲区大小受限,必须提供一定的输入缓冲区才能满足性能要求.有限的输出缓冲区只能部分地解决输出端口冲突,增加一定的输入缓冲区可以减少输出队列的数据包丢失.没有输入队列,不可能得到满意的网络性能.1

输出队列性能为了研究自相似业务下的队列性能,将丢包率作为服务质量参数,通过仿真实验分析自相似输入和几何输入方式下交换结构的队列特性.基于上述的交换机交换结构模型,进行仿真实验的交换机采用4×4交换结构,服务速率为155 Mbps.采用混合FGN方法产生自相似业务,自相似业务的Hurst参数为0.8.作者研究了输出缓冲区长度固定为4时,丢包率和输入缓冲区长度的关系.到达率为70 Mbps时的关系,图3是到达率为100 Mbps时的关系图.与根据传统几何模型相比,当业务到达具有自相似特性时,对于一定要求的丢包率,所要求的缓冲区要大得多.自相似业务和几何模型下的这种性能差异说明:如果实际业务具有自相似特性,使用几何业务模型所测得的服务质量参数与实际情况相差甚远.自相似业务下缓慢衰减的丢包率暗示着其需要更多的缓冲区来降低丢失率.许多第一代交换机都具有较小维数的缓冲区,在实际的业务流中都出现了数据包丢失过多的问题;虽然有很多因素与之有关,没有考虑自相似业务对网络性能的影响是一个不可否认的原因.当业务源增加时,按照传统模型得到的结论是聚集业务越来越平滑,自相似业务其聚集业务的突发性将更突出而不是减少,从而导致丢包率下降缓慢.也就是说,在传统业务模型下所进行的服务质量分析和交换结构设计需要重新进行。通过仿真实验揭示在不同到达率的自相似业务下丢包率、输入缓冲区长度和输出缓冲区的长度的关系.所选择的到达率分别为30、50、70和100 Mbps.

增加缓冲区长度不能显著地提高交换结构的性能.直观上,这种情形可能是由于输入队列的队首阻塞与自相似到达业务的联合效应所致.为了对这一点进行验证,重点研究了输出端口的数据包丢失特性.输出丢包率定义为输出端口丢失的数据包数与所有切换至输出队列数据包数的比率.增加输出缓冲区长度可以大大地提高输出端口的数据包传输性能.随着输出缓冲区长度的增加,输出丢包率下降得很快.由于每一个输出队列中的数据包都具有相同的目的端口,不会象输入队列那样产生队首阻塞现基于以上实验,增加输出缓冲区长度极大地降低了输出队列中的丢包率,但是由于增加输入缓冲区对输入队列的性能没有显著地提高,还是不能得到满意的丢包率.也就是说,由于输入队列溢出所产生的数据包丢失,整个交换结构的丢包率不能降低到可忽略的程度.输入队列的队首阻塞和到达业务自相似性的联合效应导致了交换结构性能的下降.所以,为了在自相似业务下获得满意的网络性能,交换机输入队列的设计是非常重要的,应该考虑一些先进的排队策略,如共享输入缓冲区和输出端口扩展等.如何获得输入、输出缓冲区长度的最佳组合是高性能交换机交换结构设计中的重要问题.1

本词条内容贡献者为:

李雪梅 - 副教授 - 西南大学