一種基于復(fù)色的并行交換調(diào)度方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及交換網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，特別是設(shè)及一種基于新型著色方式復(fù)色的并行交 換調(diào)度算法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來(lái)，隨著大量新興寬帶應(yīng)用的迅速發(fā)展，人們對(duì)于海量信息的傳輸、處理提出 了更高的要求。其中，交換系統(tǒng)扮演著重要的角色。無(wú)論是在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，例如城市骨干網(wǎng)， 還是在W數(shù)據(jù)中屯、為代表的新型網(wǎng)絡(luò)中，交換網(wǎng)絡(luò)都起著至關(guān)重要的作用。
[0003] 交換網(wǎng)絡(luò)的性能主要取決于業(yè)務(wù)調(diào)度方法。網(wǎng)絡(luò)信息的爆炸式增長(zhǎng)使得交換機(jī)端 口的數(shù)量越來(lái)越多，端口速率也越來(lái)越高，實(shí)時(shí)收集所有端口的數(shù)據(jù)信息變得越來(lái)越困難。 因此，業(yè)務(wù)調(diào)度方法的設(shè)計(jì)主要面臨W下挑戰(zhàn)和要求：
[0004] (1)可擴(kuò)展性好。一個(gè)好的調(diào)度方法需要滿足交換網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不斷擴(kuò)大的發(fā)展趨勢(shì)。 陽(yáng)0化](2)高吞吐量。一個(gè)好的調(diào)度方法必須使交換網(wǎng)絡(luò)中的帶寬資源得到最大程度的 利用，使得整個(gè)交換網(wǎng)絡(luò)獲得高吞吐量能力。
[0006] (3)分布式并行操作。一個(gè)好的調(diào)度方法需要盡量減少收集端口信息所帶來(lái)的代 價(jià)，降低計(jì)算復(fù)雜度。
[0007] 為了達(dá)到W上要求，目前關(guān)于交換網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度方法主要可分為W下幾類：
[0008] 第一大類為最大匹配算法。最大匹配算法的基本思想是，使每個(gè)時(shí)隙的輸入輸出 端口連接數(shù)最大化，從而使即時(shí)帶寬最大化利用。目前，該類算法的計(jì)算復(fù)雜度為〇(Nlog 腳，因此，運(yùn)類算法的可擴(kuò)展性較差。此外，在非均勻的業(yè)務(wù)負(fù)載情況下，該類算法可能導(dǎo)致 系統(tǒng)不穩(wěn)定。而在實(shí)際系統(tǒng)中，大多數(shù)業(yè)務(wù)流量都是非均勻的。因此該類算法無(wú)法滿足當(dāng) 前交換網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的要求。
[0009] 第二大類為最大權(quán)匹配算法。針對(duì)最大匹配算法的不足，該類算法將系統(tǒng)的實(shí)時(shí) 數(shù)據(jù)信息，如緩存隊(duì)列長(zhǎng)度或排隊(duì)等待時(shí)間等，納入考慮因素，賦予相應(yīng)的權(quán)重。運(yùn)樣，調(diào)度 算法將利用更多的有效信息，在均勻和非均勻負(fù)載情況下，都能得到性能較好的調(diào)度方案。 然而，目前大部分此類算法的計(jì)算復(fù)雜度較高，通常為〇(妒log腳。因此，該類算法可擴(kuò)展 性較差，無(wú)法滿足交換網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展需求。
[0010] 第=大類為批量調(diào)度算法。在該類調(diào)度算法中，規(guī)定一個(gè)連續(xù)時(shí)隙范圍，稱為帖。 不同于前兩類調(diào)度算法在每個(gè)時(shí)隙都對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)進(jìn)行調(diào)度，批量調(diào)度算法W-帖為單位， 對(duì)一帖內(nèi)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)統(tǒng)一進(jìn)行調(diào)度。運(yùn)樣，既能降低每個(gè)時(shí)隙的均攤復(fù)雜度，也能充分利用 該帖內(nèi)的業(yè)務(wù)的統(tǒng)計(jì)特性。但是，目前存在的該類算法還無(wú)法很好地兼顧分布式實(shí)現(xiàn)和低 計(jì)算復(fù)雜度。
[0011] 第四類是準(zhǔn)靜態(tài)調(diào)度算法。為了避免在線計(jì)算，該類算法應(yīng)運(yùn)而生。準(zhǔn)靜態(tài)調(diào)度算 法主要是基于Bir化offvon化Uman度vN)雙隨機(jī)矩陣分解的原理。它們首先將統(tǒng)計(jì)平均 的業(yè)務(wù)流量矩陣進(jìn)行BvN分解，得到交換機(jī)的預(yù)設(shè)交換狀態(tài)；然后根據(jù)分解過程中每個(gè)預(yù) 設(shè)交換狀態(tài)的權(quán)重調(diào)度運(yùn)些交換狀態(tài)，從而達(dá)到帶寬保證的目的；當(dāng)業(yè)務(wù)矩陣發(fā)生重大變 化時(shí)，可根據(jù)新的矩陣進(jìn)行調(diào)度。BvN調(diào)度算法具有在線計(jì)算復(fù)雜度低、在平穩(wěn)業(yè)務(wù)下可獲 得高吞吐量的特點(diǎn)。但是在每次業(yè)務(wù)矩陣發(fā)生重大變化時(shí)，BvN分解的復(fù)雜度高達(dá)O(N4'5)， 給系統(tǒng)帶來(lái)很大的計(jì)算負(fù)擔(dān)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 本發(fā)明的目的是針對(duì)高速交換網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)調(diào)度問題，提出一種基于復(fù)色的并行交 換調(diào)度方法，具有快速、分布式、可并行等特點(diǎn)，在均勻和非均勻的負(fù)載下都能得到近100% 的吞吐能力，W適應(yīng)大數(shù)據(jù)時(shí)代高速交換網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展需求。
[0013] 本發(fā)明原理如下：將交換網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)調(diào)度問題轉(zhuǎn)換為二分圖的著色問題來(lái)解 決。引入復(fù)色的概念，在此基礎(chǔ)上提出一種快速可并行的調(diào)度方法。本調(diào)度方法的基本物 理場(chǎng)景為NXN交換結(jié)構(gòu)，其中，每個(gè)輸入端口均具有緩存結(jié)構(gòu)。受到交換結(jié)構(gòu)的限制，在每 個(gè)時(shí)隙每個(gè)輸入端口最多只能發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)信元，同時(shí)每個(gè)輸出端口最多只能接收一個(gè)數(shù) 據(jù)信元。本調(diào)度方法采用批量調(diào)度的方式，即規(guī)定一個(gè)時(shí)隙周期f為一帖，每次統(tǒng)一調(diào)度一 個(gè)帖內(nèi)的數(shù)據(jù)信元。整個(gè)調(diào)度過程可W采用流水線的模式執(zhí)行。當(dāng)我們計(jì)算第k個(gè)帖的調(diào) 度方案的同時(shí)，第k+1個(gè)帖的數(shù)據(jù)信元正在積累過程中，而第k-1個(gè)帖的數(shù)據(jù)信元?jiǎng)t按照計(jì) 算出來(lái)的調(diào)度方案發(fā)送到對(duì)應(yīng)的輸出端口。
[0014] 為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0015] 一種基于復(fù)色的并行交換調(diào)度方法，包括如下步驟：
[0016] 步驟1，NXN交換網(wǎng)絡(luò)，N個(gè)輸入端口和N個(gè)輸出端口，每個(gè)輸入端口均存在輸入緩 存隊(duì)列，在每個(gè)時(shí)隙每個(gè)輸入端口最多只能發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)信元，同時(shí)每個(gè)輸出端口最多只 能接收一個(gè)數(shù)據(jù)信元，一個(gè)時(shí)隙周期f為一帖，根據(jù)第k個(gè)帖的數(shù)據(jù)信元信息，將NXN的交 換網(wǎng)絡(luò)抽象對(duì)應(yīng)為二分圖的數(shù)學(xué)模型Gk=(VUU，E)，其中，頂點(diǎn)ViGV表示輸入端口i， 頂點(diǎn)UjGU表示輸出端口j，邊em(Vi，Uj)GE表示從輸入端口i去往輸出端口j的第m個(gè) 數(shù)據(jù)信元，i，j= 1，2,…，N，將需要調(diào)度的發(fā)送時(shí)隙抽象對(duì)應(yīng)為顏色集C= {ci，C2,…，Cj， 其中A為所有頂點(diǎn)的最大頂點(diǎn)度；
[0017] 步驟2,將二分圖中所有的邊6m(Vi，U,)GE均分裂成一對(duì)鏈結(jié)，再由各自相連的頂 點(diǎn)對(duì)其分別著色，保證每個(gè)頂點(diǎn)所相連鏈結(jié)都是不同顏色；通過在頂點(diǎn)上執(zhí)行鏈結(jié)顏色交 換操作，最終得到一個(gè)著色方案，使得滿足同一條邊上的兩條鏈結(jié)的顏色是相同的且連接 同一頂點(diǎn)的所有邊的顏色是不同的兩個(gè)要求；
[001引步驟3,數(shù)據(jù)信元的傳輸：根據(jù)步驟2得到著色方案，按照顏色所對(duì)應(yīng)的時(shí)隙，依次 建立對(duì)應(yīng)輸入輸出端口的通信信道，發(fā)送相應(yīng)數(shù)據(jù)包。
[0019] 所述步驟2中鏈結(jié)著色和顏色交換規(guī)則是：
[0020] 若Gk1中有對(duì)應(yīng)鏈結(jié)，則將Gk1最終著色中的對(duì)應(yīng)顏色賦予該鏈結(jié)；若無(wú)對(duì)應(yīng)鏈 結(jié)，則將當(dāng)前顏色集中沒有使用的第一個(gè)顏色賦予該鏈結(jié)；
[0021] 依此操作，每條邊將被賦予一組顏色對(duì)，稱之為復(fù)色：若一條邊所對(duì)應(yīng)的兩條鏈結(jié) 的顏色相同，稱之為常量，反之，則稱之為變量；每個(gè)頂點(diǎn)可W將相連的任意兩條鏈結(jié)的顏 色進(jìn)行互換，如此，變量在相應(yīng)的顏色對(duì)的路徑上進(jìn)行游走，最終相互碰撞，達(dá)到被消除的 目的；若頂點(diǎn)沒有相應(yīng)的鏈結(jié)與變量鏈結(jié)進(jìn)行顏色交換，則直接為變量鏈結(jié)賦予所需顏色， 最終，當(dāng)所有的變量均被消除，得到一個(gè)合適的二分圖著色方案；若在設(shè)置的最大運(yùn)行時(shí)間 內(nèi)，有極少數(shù)變量未被消除，則將運(yùn)部分變量留級(jí)到下一帖重新著色。
[0022] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：
[002引 （1)將批量調(diào)度的問題轉(zhuǎn)化為二分圖著色的問題，并且引入復(fù)色的概念，能夠用最 少顏色得到一個(gè)正確的著色方案，進(jìn)而對(duì)應(yīng)地得到一個(gè)最優(yōu)的調(diào)度方案。因此，可W最優(yōu)化 地利用系統(tǒng)帶寬，使交換系統(tǒng)得到接近100%的吞吐能力。
[0024] (2)利用復(fù)色的可并行性特點(diǎn)，使每個(gè)輸入輸出端口可W利用本地信息，并行化執(zhí) 行計(jì)算操作，大大降低了本調(diào)度算法的計(jì)算復(fù)雜度。本發(fā)明的計(jì)算復(fù)雜度為O(IogZN),其中 帖長(zhǎng)選擇為Odog腳，均攤時(shí)間復(fù)雜度為Odog腳。因此本發(fā)明可W快速有效地得到最優(yōu) 化的調(diào)度方案。
[00巧](3)采用批量調(diào)度的方式，有效反映了業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特性。因此，無(wú)論是在均勻 負(fù)載還是非均勻負(fù)載情況下，本發(fā)明都能保持系統(tǒng)穩(wěn)定。
【附圖說明】
[00%]圖1是交換系統(tǒng)與二分圖的對(duì)應(yīng)關(guān)系的示意圖，其中（a)為NXN交換結(jié)構(gòu)示意 圖，化）為對(duì)應(yīng)的二分圖模型；
[0027]圖2是基于復(fù)色的二分圖著色過程的示意圖，其中（a)為第k-1帖對(duì)應(yīng)的最終著 色，化）為第k帖對(duì)應(yīng)的初始著色，（C)為第k帖對(duì)應(yīng)的最終著色；
[0028] 圖3是基于復(fù)色的變量消除過程的示意圖；
[0029] 圖4是基于復(fù)色的3X3交換結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的變量消除過程的示意圖，其中（a)為3X3 交換結(jié)構(gòu)示意圖，化）為第k帖對(duì)應(yīng)的二分圖模型，（C)為第k-1帖對(duì)應(yīng)的最終著色，（d)為 第k帖對(duì)應(yīng)的初始著色；
[0030] 圖5是基于復(fù)色的3X3交