星載交換機(jī)是以衛(wèi)星為核心的天基信息系統(tǒng)的關(guān)鍵子系統(tǒng)，是制約天基信息系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，而星載交換機(jī)的核心是高性能的交換芯片。由于太空劇烈變化的環(huán)境溫度和各種離子的影響，使得宇航級(jí)電子器件的性能指標(biāo)遠(yuǎn)高于地面設(shè)備電子器件，而可選用作為宇航級(jí)電子器件的范圍又遠(yuǎn)低于地面設(shè)備器件的選用范圍，同時(shí)星載設(shè)備對(duì)可靠性的要求遠(yuǎn)高于地面設(shè)備。這就要求星載交換機(jī)在技術(shù)體制、電路結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)包隊(duì)列管理方式、調(diào)度算法等都與地面的交換機(jī)有很大不同，這些問題均有待于進(jìn)行深入研究。
　　對(duì)于以衛(wèi)星為核心的天基信息系統(tǒng)，利用地面高性能IP交換機(jī)仍然存在較大問題，使其在天基信息系統(tǒng)中的使用受到了限制。
　　（1）功耗：星上設(shè)備對(duì)功耗有嚴(yán)格的控制，地面高性能骨干IP交換機(jī)的功耗通常在數(shù)百瓦到幾千瓦，這對(duì)于星載設(shè)備來說是難以承受的。
　　（2）系統(tǒng)可靠性：星上設(shè)備對(duì)系統(tǒng)可靠性要求極高，需要在不同層面上考慮冗余備份問題。
　　（3）系統(tǒng)重量與體積：星上載荷的重量是衛(wèi)星系統(tǒng)的重要指標(biāo)，星載高性能交換機(jī)在體積和重量上與地面設(shè)備相比必須大幅度減輕。
　　（4）系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)優(yōu)化：IP交換機(jī)系統(tǒng)的硬件復(fù)雜度和集成度非常高，但由于空間溫度環(huán)境、空間粒子流等的影響，元器件選擇上存在很大制約，地面設(shè)備中廣泛使用的SDRAM、DDR、高性能CPU等器件都無法直接使用，這要求系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和算法的復(fù)雜度必須降低，使之在可用宇航級(jí)元器件（如低速SRAM、處理器和存儲(chǔ)器）的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)較高的交換能力。
　　（5）系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)優(yōu)化：IP路由器系統(tǒng)的軟件復(fù)雜度非常高，由于在天基信息系統(tǒng)中高性能網(wǎng)絡(luò)處理器無法直接使用，所以部分傳統(tǒng)上采用軟件實(shí)現(xiàn)的功能和算法要采用硬件固化的方法來實(shí)現(xiàn)。這就需要簡(jiǎn)化復(fù)雜的IP協(xié)議棧。
　　基于以上分析，地面高性能IP交換機(jī)在天基信息系統(tǒng)中的使用受到了很大限制。由于星上存儲(chǔ)器容量不能像地面那樣寬裕，隊(duì)列長(zhǎng)度受限，而衛(wèi)星空中接口的往返傳播時(shí)延又大于地面，為了更好地設(shè)計(jì)流量控制，需要在星載交換機(jī)結(jié)構(gòu)中使用一個(gè)復(fù)雜度低且有效的隊(duì)列管理器，減少對(duì)緩存區(qū)容量的要求，保證低時(shí)延，降低掉包率，達(dá)到用戶的QoS要求，提高吞吐量。
　　1 基本概念
　　在星載交換機(jī)中，為了實(shí)現(xiàn)IP數(shù)據(jù)包快速轉(zhuǎn)發(fā)，一般采用基于定長(zhǎng)信元的體制，IP數(shù)據(jù)包在進(jìn)入交換結(jié)構(gòu)前，被分割成許多固定長(zhǎng)度的分組（下文統(tǒng)稱為信元）。交換結(jié)構(gòu)的緩存方式主要有輸入緩存、輸出緩存和共享緩存。對(duì)于一個(gè)N×N交換結(jié)構(gòu)，輸出緩存中存儲(chǔ)器的訪問速度是線路速率的（N+1）倍；采用共享緩存方式是線路速率的2×N倍；而對(duì)于輸入緩存方式，存儲(chǔ)器的訪問速度是線路速率的兩倍，與交換機(jī)的端口數(shù)目無關(guān)。為了增大交換機(jī)的容量，支持更高的線路速率，在星載交換機(jī)中有必要研究輸入緩存的方式。
　　對(duì)于輸入緩存中存在的隊(duì)頭阻塞HOL（Head of Line blocking）問題，采用虛擬輸出排隊(duì)（VOQ）技術(shù)可改善該問題，使吞吐量達(dá)到100％。VOQ要獲得高的性能，關(guān)鍵問題是要設(shè)計(jì)一個(gè)匹配輸入和空閑輸出端口的高效、公平的調(diào)度算法，也就是二部圖的匹配問題。
　　采用虛擬輸出排隊(duì)機(jī)制的輸入排隊(duì)交換結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。在每個(gè)輸入端口的緩存區(qū)中，設(shè)置N個(gè)（N為交換機(jī)端口數(shù)目）FIFO隊(duì)列，每個(gè)FIFO隊(duì)列對(duì)應(yīng)一個(gè)輸出端口。也就是說，將輸入端口為i，輸出端口為j的分組緩存到虛擬輸出隊(duì)列VOQi，j中，在調(diào)度器的控制下，將匹配的VOQi，j中的分組調(diào)度出去。