互联网超大容量多级多平面分组交换结构、缓存模式与调度机理研究

随着互联网朝着接入宽带化和传输高速化方向演进，亟需研制新一代路由交换设备超大容量分组交换结构。多级多平面分组交换结构(MPMS)能够弥补器件工艺水平的瓶颈限制以及单一交换结构可扩展性差的先天不足，利用多个交换平面和多个交换分级中并行工作小规模交换单元来构建超大容量交换结构，具有良好的冗余性和可靠性。同时，MPMS交换结构能够克服"多级分组交换结构"和"并行分组交换结构"仅具备空间扩展或时间扩展的固有缺陷。因此MPMS交换结构得到了学术界的广泛重视。但由于缺乏完善的理论基础，MPMS交换结构研究目前尚处于起步阶段。本课题目标是建立MPMS交换结构数学模型，并对MPMS交换拓扑结构与特征、缓存模式、调度机理以及可扩展性、结构阻塞性、模拟最优结构等一系列理论和技术难题开展研究，使超大容量MPMS交换结构从半经验半工程阶段过渡到基本理论阶段，为超大容量MPMS交换结构工程应用提供可靠的理论依据。

为了解决互联网超大容量多级多平面分组（MPMS）工程应用难题，本项目面向MPMS交换结构理论模型和关键技术，研究和探讨了超大容量MPMS结构的系统架构、拓扑模型、缓存模式、调度机理、系统设计等一系列理论和技术难题，初步建立了超大容量MPMS分组交换结构的可靠理论基础。本项目的主要研究工作主要包括：. 1.基于复杂网络理论的超大容量多级多平面分组交换架构与拓扑结构。提出了超大容量MPMS交换结构系统级和平面级拓扑架构图、逻辑映射图，构建了严格的DGM模型和概率模型，推导了系统稳定性和达到100%吞吐量的充分必要条件。. 2.基于有向图理论的超大容量多级多平面分组交换缓存模式与可扩展性。建立了超大容量MPMS系统的输入/输出级缓存结构和中间级缓存结构两种重要的缓存模式，给出了两种缓存模式的总体逻辑结构，研究了缓存拓扑结构的拓扑复杂性、相邻连通性、端口可达性、顶点聚集性等拓扑特征。. 3.超大容量多级多平面分组交换结构无阻塞与模拟输出排队交换结构。建立了MPMS结构无阻塞评价方法，推导了MSMC结构和CBC结构无阻塞条件和实现方式。建立了MPMS结构模拟最优OQ结构所依据的LBTP最小流量模式，推导了MSMC结构模拟CIOQ结构和OQ结构，CBC结构模拟OQ结构的充分必要条件。. 4.超大容量多级多平面分组交换结构服务保证调度机理。提出了MPMS结构实现服务保证调度的流体模型，建立了MPMS结构服务保证分布式调度结构和调度模型，设计了MPMS结构服务保证调度策略和算法，验证了上述调度技术在突发流量和非均匀Diagonal流量条件下基于交换平面和迭代次数的调度性能。. 5. 超大容量多级多平面交换结构流量模型、预测、路由与网络生存性。研究了MPMS结构IQ-Crossbar的到达流量、超载流量、突发流量等模型，建立了在线模糊LSSVM混沌网络流量预测模型、网络生存性策略选择模型，设计和验证了信息网络多拓扑路由子层优化选择算法。. 6. 超大容量多级多平面交换结构在T比特级路由器系统中的实现方案。根据T比特级高性能路由器基础平台的分级化、模块化和平滑升级能力总体要求，设计了基于多级多平面分组交换结构的T比特路由器总体实现方案和平面级子系统实现方案。