Memory-space-memory (MSM) arrangement is a popular architecture to implement three-stage Clos network switches with distributed arbitration. The scalability of this architecture, however, is limited by the round-trip communication delay between the first and the second stages. Virtual output queue (VOQ) cannot completely remove the blocking in the buffered modules under multi-class traffic conditions.
In this paper, we propose a competition-free memory-memory-memory $(CFM^3)$ switch which is a three-stage Clos network switch with buffered center stage. The $CFM^3$ deploys buffered modules in all stages to simplify communication between stages. To reduce the blocking, each module is equipped with a set of buffers fully separated according to the destinations, classes of packets and the input ports of the module. Despite the buffered center stage, $CFM^3$ is free from reordering problem due to simple control mechanism. Memory overhead to implement the $CFM^3$ switch is negligible. Simulation result shows that the delay of the proposed $CFM^3$ switch closely approaches that of the ideal Output Queued switch under multi-class traffic conditions when strict priority policy popularly used for class-based switch is deployed. $CFM^3$ achieves 100% throughput under uniformly distributed four-class traffic with strict priority policy while traditional MSM switch achieves only 77% throughput.
인터넷의 등장으로 인해 지난 10년간 데이터 통신량은 꾸준히 증가해 왔다. 데이터 통신에 필요한 스위치 장비의 밴드위드스와 포트수의 증가에 대한 필요성은 스위치 디자인의 주요한 원동력이 되어왔다. 하나의 칩 모듈에는 집적할 수 있는 포트의 수와 그 포트들 간의 스위칭을 중재하는 하드웨어의 복잡도에서 한계를 가지고 있기때문에 여러개의 칩 모듈을 이용하는 스위치의 연구가 활발히 이루어지고 있다. 그 중에서도 Three stage Clos network의 구조를 가지는 스위치가 확장성을 바탕으로 많이 이용되었다. Three stage Clos network switch는 세개의 단을 가지고 있고 각 단에 속해 있는 칩 모듈은 서로 인접한 단에 속한 모든 모듈과 연결되어 있는 특징을 가지고 있다. 각 단의 모듈이 그 안에 저장장치를 가지고 있는지 여부에 따라, memory-memory-memory ($M^3), memory-space-memory (MSM), space-space-space ($S^3$) 스위치로 나뉜다. 이중 스위칭 중재 회로의 분산이 용이하면서도 스위칭 중에 데이터의 순서가 바뀌지 않는 성질을 가지는 MSM 스위치가 많이 사용되어 왔다.
기존의 MSM 스위치에서는 첫번째 단에서 두번째 단으로 어떤 셀을 전달할지 결정하기 위해 왕복 경로로 통신을 하게 된다. 즉, 첫번째 단에서 두번째 단으로 패스(path) 할당을 위한 요청을 보내고, 이에 대한 답을 두번째 단에서 첫번째 단으로 보낸다. 그 답에 따라 셀을 보낼지 말지를 결정한다. 이러한 왕복 경로 통신은 스위치의 셀 크기의 최소값을 크게 만들어서 스위치 디자인의 유연성을 떨어뜨리고, 확장성을 낮게 만드는 요인으로 작용한다. MSM 스위치의 문제점 중에 다른 하나는 메모리를 사용하는 모듈의 메모리 관리 방식에 의해 나타난다. 모듈 내의 메모리를 효과적으로 사용하기 위해 모듈들은 공유 메모리 방식을 사용하는데, 메모리의 오버플로우를 막기위해 포트별로 선택적 억제 구조를 도입하고 있다. 트래픽이 복수의 클래스를 포함하고 있고, 스위치가 클래스별 스케쥴링을 할때 모듈 내부에서는 패스(path)가 존재함에도 불구하고 메모리 관리정책에 의해 스위칭이 불가능해지는 블록킹 현상이 발생할 수 있다. 이것은 결국 스위치의 성능에 직접적인 영향을 미치게 된다.
이 논문에서는 MSM 스위치에서 나타나는 왕복 경로 통신의 문제와 복수의 클래스를 포함하는 트래픽을 다룰 때 나타나는 블록킹 현상을 해결하기 위해 $CFM^3$ 스위치 구조를 제안한다. $CFM^3$ 스위치는 각 단에 사용되는 모듈로 CFVFS를 사용한다. CFVFS는 메모리를 모듈입력, 셀의 도착지, 셀의 클래스 별로 별도의 저장소를 관리한다. 이렇게 함으로써, 앞서 언급한 복수의 클래스를 포함하는 트래픽을 다룰 때 나타나는 블록킹 현상을 없앤다. 또한 둘째 단 역시 CFVFS를 사용하여 둘째 단은 지속적으로 첫째 단에 메모리 정보를 알려 주고 첫째 단은 이 정보를 이용하여 셀을 둘째 단에 전달한다. 첫째 단의 각 모듈은 둘째 단의 모듈내에 독립된 저장소를 가지는 특성을 가지고 있어, 앞서 언급한 왕복 경로를 통한 통신이 불필요하다. 기존의 M³ 스위치와 달리 $CFM^3$은 둘째 단이 메모리를 가짐에도 불구하고 스위칭 중의 셀의 순서가 바뀌지 않도록 간단하게 제어할 수 있다. 이것은 첫째 단의 모듈이 셀을 전송 할 때, 순서가 유지되어야 하는 셀들의 경로를 독점적으로 관리함으로써 이루어진다. 논문에서는 실험을 통하여 제안하는 $CFM^3$ 구조가 비교적 적은 메모리 오버헤드를 가지고 복수의 클래스를 가지는 트래픽에 대하여 매우 향상된 성능을 제공한다는 것을 보이고 있다.
