專利名稱：電信和數(shù)據(jù)通信交換裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電信和數(shù)據(jù)通信交換器，具體地說涉及可以執(zhí)行完全無阻塞交叉連接的交換器。本發(fā)明還涉及一種交換方法。
在SDH(同步數(shù)字序列)多路復(fù)用器的設(shè)備場景中，為了執(zhí)行完全無阻塞的交叉連接，有必要提供一個具有足夠容量以對所有接口進行交叉連接的單交換矩陣。此交換器可以用簡單的ASIC、電路板、設(shè)備架或采用無阻塞結(jié)構(gòu)的任意組合來實現(xiàn)。


圖1顯示了一種典型的交換子系統(tǒng)10，它具有兩個40千兆比特/秒接口12、14和兩個10千兆比特/秒接口16、18。這些接口需要最少100千兆比特/秒的總交換容量。
如果圖1的所有接口加倍，則必需的交換容量將是200千兆比特/秒。實際上，為了維持完全無阻塞的交換器，實現(xiàn)這種交換器所需的資源將是四倍而非兩倍。這極其不利，且目前技術(shù)上不一定可行。此外，如果它是可行的，也可能實現(xiàn)起來并不經(jīng)濟。
本發(fā)明旨在解決以上概括的各種缺點。
本發(fā)明的最一般的形式是可將同步數(shù)據(jù)流中的位組分離成若干一位或多位的子集并對各子集分別進行交換。
更具體地說，本發(fā)明提供一種用于在第一接口和第二接口之間交換同步數(shù)據(jù)流(同步數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)位劃分成位組)的裝置，此裝置包括位分離器，用于將數(shù)據(jù)組分離成兩個或兩個以上的子集；多個交換器，其中每個交換器用于對所述兩個或兩個以上的數(shù)據(jù)子集之一進行交換；以及位重組器，用于重組位組的經(jīng)過交換的子集以重新組成位組。
本發(fā)明還提供一種用于將同步數(shù)據(jù)流從第一接口交換到第二接口的方法，其中數(shù)據(jù)流包括成組編排的數(shù)據(jù)位。所述方法包括下列步驟將位組分離成兩個或兩個以上的子集，分別對各數(shù)據(jù)子集進行交換以及重組經(jīng)過交換的子集。
本發(fā)明的實施例具有如下優(yōu)點利用若干較低速率的交換器可以構(gòu)造高數(shù)據(jù)率的無阻塞交叉連接交換器，其中，各較低速率的交換器對一位或多位的數(shù)據(jù)子集進行交換。這允許提供容量超過目前可能的容量且高達目前最大容量的n倍(n是子集數(shù)量)的完全無阻塞交換器。而且，可以構(gòu)造經(jīng)濟可行的高容量交換器。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，位分離器和位重組器設(shè)置在具有多個交換器的交換卡上。
在本發(fā)明的另一實施例中，位分離器設(shè)置在第一接口上，而位重組器設(shè)置在第二接口上。這具有如下優(yōu)點所需的連接總數(shù)分布在多個交換器上，其中各交換器可以設(shè)置在獨立的交換卡上。這避免了缺乏可用連接的問題，降低了連接交換卡和接口的背板上的布線要求，并且還允許支持更多交換器接口。此外，它還具有如下優(yōu)點由于將連接分布到若干交換卡上，對交換卡面積和功耗的要求都降低了。
最好提供保護交換器，以便在交換器之一失效時為數(shù)據(jù)子集提供備用的交換通路。通過將位分離器和重組器設(shè)置在接口卡上，一個保護交換器可以提供1:N的保護，其中N是交換器數(shù)量。
最好分別在位分離器和位重組器上設(shè)置“異或”功能XOR，位分離器上的XOR功能接收作為數(shù)據(jù)輸入的數(shù)據(jù)子集的位并將輸入位“異或”后的結(jié)果輸出到保護交換器，位重組器上的XOR功能接收作為第一輸入的經(jīng)保護交換器交換的數(shù)據(jù)位以及接收作為其他輸入的經(jīng)多個交換器中除已失效的一個交換器以外的所有交換器交換的數(shù)據(jù)位，其中，所述XOR功能的輸出包括傳送到失效交換器的數(shù)據(jù)位的位。
這具有如下優(yōu)點丟失的數(shù)據(jù)子集可以通過保護交換器重建而又不必從第二接口向第一接口發(fā)信號通知數(shù)據(jù)丟失。
位分離器和位重組器最好分別包括位重組器和位分離器，從而數(shù)據(jù)可以從第一接口交換到第二接口，也可從第二接口交換到第一接口。
現(xiàn)在將通過示例，參照附圖來說明本發(fā)明的實施例，附圖中前面提到的圖1是100千兆比特/秒交換子系統(tǒng)的示意圖；圖2說明可以如何組織由接口到交換器的串行數(shù)據(jù)流；圖3是體現(xiàn)本發(fā)明的位分離交換器的示意圖；圖4說明交換卡上的位分離；圖5說明接口卡上的位分離；圖6說明利用圖5所示的實施例來引入交換卡保護；圖7說明1:N的交換卡保護；以及圖8說明增強的1:N交換卡保護。
在將要描述的實施例中，交換器并行分布在許多子系統(tǒng)上。這種技術(shù)適用于任何數(shù)據(jù)成組的同步數(shù)據(jù)系統(tǒng)。將要描述的實施例具體指SDH，在SDH中數(shù)據(jù)位串行傳送并以字節(jié)或八位組成組。此情況在圖2中說明，圖2中顯示了三個接口1、2和M上的串行比特流。各信道1、2、...、n由順序傳送的、為進行交換而組織在一起的8位組成。
為了執(zhí)行完全無阻塞交叉連接，在此示例中，交換子系統(tǒng)必須能夠?qū)⒁粋€信道的所有8位連接到接口中任何其他信道的8位。例如，可能需要將接口1的信道2交換到接口2的信道3。這需要將接口1的信道2的位1-8連接到接口2的信道3的位1-8。在執(zhí)行連接時，必須始終保持位序列的完整性。
本創(chuàng)新概念基于這種思想雖然必須在保持序列完整性的情況下將整個8位的數(shù)據(jù)組或任意大小的數(shù)據(jù)組從相同源端交換到相同目的端，但是數(shù)據(jù)組的各位不必一起通過同一物理交換器進行交換。
圖3說明怎樣對每個信道的各數(shù)據(jù)位分別進行交換然后在輸出接口上組合，以形成所需的信道。應(yīng)理解，位及其序列必須在其輸入和輸出接口上保持，但不必作為一個完整的單元(在SDH的示例中為8位)進行交換。
因此，在圖3中，從各個接口和信道分配各信道的位，從而允許在不影響交換器的無阻塞特性的情況下分別對各位進行交換。
在圖3所示的示例中，采用了8個12.5千兆比特/秒的交換器20，其中，各交換器將40千兆比特/秒接口12的信道的位1-8之一交換到另一40千兆比特/秒接口14的信道上。因此可以利用若干較小的交換器來實現(xiàn)100千兆比特/秒交換器，在本例中為8個12.5千兆比特/秒的交換器。
應(yīng)理解，在圖3中，兩個10千兆比特/秒接口為清晰起見已被省略。
在圖3的示例中，可以看到，使總的交換容量從100千兆比特/秒加倍到200千兆比特/秒需要各個交換子系統(tǒng)從12.5千兆比特/秒加倍到25千兆比特/秒。這表示一個可以遠比一個200千兆比特/秒交換器更為容易經(jīng)濟地實現(xiàn)的小技術(shù)步驟。
如果如本示例所提示的那樣，可以經(jīng)濟地實現(xiàn)的最大交換規(guī)模為100千兆比特/秒，則可以看到，通過將8位數(shù)據(jù)組的位分布到8個交換子系統(tǒng)上，則可以構(gòu)造一個800千兆比特/秒的完全無阻塞交換器；這是主要技術(shù)限制所建議的容量的8倍。應(yīng)注意，ASIC技術(shù)發(fā)展如此迅速，使得容量每年增加2到4倍。在1996年，可以在一塊芯片上實現(xiàn)1.25千兆比特/秒的交換器。到2002年，將會在1塊芯片上實現(xiàn)20千兆比特/秒的交換器。
如前所述，本發(fā)明的原理可用于任何其中數(shù)據(jù)按兩位或兩位以的字成組的同步數(shù)據(jù)流。但是，不必分別對組成字的各位進行交換，而是可以按照成對、4位半字節(jié)組或數(shù)據(jù)字大小的另一因數(shù)來進行交換。
圖4和圖5說明上述位分離技術(shù)的兩種可能的實現(xiàn)方式。大多數(shù)應(yīng)用由與一系列業(yè)務(wù)卡或接口卡接口的中央交換器組成。位分離技術(shù)因此可以在交換卡或業(yè)務(wù)接口卡上實現(xiàn)。
圖4說明本發(fā)明的在交換卡上實現(xiàn)位分離的實施例。在圖4中，為了清楚起見，只顯示了兩個接口并且只顯示數(shù)據(jù)從左到右流動。實際上，可以設(shè)置許多接口，且數(shù)據(jù)在任何給定接口和任何其他接口之間流動。
如圖4所示，假定將所有卡裝在提供卡間連接的主背板PCB(印制電路板)上，這是數(shù)據(jù)通信/電信業(yè)內(nèi)的標準做法。
因此，在圖4中，兩個接口卡202、204與交換卡200相連。如圖所示，數(shù)據(jù)沿箭頭方向從左至右流動。安裝在交換卡200上的是位分離重組器206、208。對于給定的數(shù)據(jù)流方向，位分離器206從接口卡202接收8位數(shù)據(jù)組并將它們分成8個獨立的1位數(shù)據(jù)流，分別送到8個交換子系統(tǒng)210a-210h。在100千兆比特/秒示例中，各交換子系統(tǒng)210a-210h是12.5千兆比特/秒的交換器。位分離重組器208對經(jīng)交換子系統(tǒng)210交換的位進行重組以重新組成8位組并將重建的位組傳送到接口卡204。位分離重組器206、208各自均可以分離或重組數(shù)據(jù)組，具體取決于數(shù)據(jù)流的方向。因此，它們每個都包括位分離器和位重組器。
圖4所示的配置具有如下優(yōu)點如果數(shù)據(jù)在一個裝置內(nèi)進行交換，則交換裝置比所需的更小。位分離技術(shù)對接口卡是透明的，接口卡看到的是n位標準寬度的交換接口。
但是，圖4所示的實施例具有下列缺點它沒有解決與大型交換器有關(guān)的其他問題。具體地說，存在三個具體困難a)交換卡電連接容量。隨著數(shù)據(jù)率和所支持的接口卡增加，需要將數(shù)量日益增加的接口連接到交換卡中。這就要求越來越多的卡連接。
b)從卡的面積和散熱角度上講，實現(xiàn)交換卡所需的大量裝置可能不容易安裝在一塊卡上。
c)數(shù)據(jù)保護只能這樣實現(xiàn)用1+1保護為所有交換卡硬件提供全面的保護，從而需要完整的第二交換卡組件來預(yù)防交換卡的任何部件失效。
d)e)圖5所示的實施例在接口卡上實現(xiàn)位分離，正如將要參照圖6至8所述的那樣，可以避免圖4實施例的缺點。
f)與圖4一樣，為了簡單起見，圖5只顯示了兩個接口以及只顯示了從左到右的數(shù)據(jù)流。還假定，這些卡都通過背板來互連。位分離重組器306、308設(shè)置在各接口卡302和304上，位分離器306將數(shù)據(jù)組的位分離到與以前一樣的各交換卡310a-310h。目的卡304上的位重組器308對經(jīng)過交換的數(shù)據(jù)加以重組。
g)在接口卡上進行位分離具有三個主要優(yōu)點。由于各交換卡只需要來自每個接口卡的一小部分數(shù)據(jù)，所以連接數(shù)也分布到各交換卡上。這就減輕了單個交換卡連接數(shù)量的問題并減少了對互連各卡的PCB背板上的布線要求。而且，由于可用的總連接數(shù)量增加，所以可以支持的交換接口的總數(shù)量也增加h)圖5所示的實施例具有如下更多的優(yōu)點因為分布到一定數(shù)量的卡(本例中為8塊卡)上，所以對卡面積和功耗的要求大大減少；并且，可以采用1:N的交換卡保護，而不是如以下將要說明的那樣保護整個交換平面。
i)圖6說明1+1交換平面保護方式，這種保護方式可以利用圖4所示實施例來實現(xiàn)，傳統(tǒng)上由數(shù)據(jù)/電信業(yè)用于保護交換平面。其本質(zhì)是提供了第二交換平面，目標接口從它所用的交換卡選擇接收到的數(shù)據(jù)。在圖6中，兩個交換卡400a、400b連接在兩個接口卡402和404之間。接口卡402將其流量同時發(fā)送到交換卡400a、400b，接口卡404同時從卡400a和400b接收流量并根據(jù)適當?shù)氖藴蕪倪@兩塊交換卡之一選擇流量。
j)圖7說明接口卡上流量的位分離如何提供一種不同的利用1:N技術(shù)的保護解決方案。
k)在圖7中，配置與圖5中的一樣，同樣的部件用同樣的標號加上200來表示。此外，添加了額外的保護交換卡520。就所示數(shù)據(jù)流方向而言，位分離器506可以根據(jù)需要哪一塊卡克服故障而發(fā)送表示某塊主卡510的數(shù)據(jù)。
l) 例如，假定交換卡510c失效。接口卡504將檢測到該故障并向接口卡502回送信號以通知從交換卡510c來的數(shù)據(jù)已丟失。接口卡502然后將預(yù)定發(fā)往卡510c的數(shù)據(jù)(即每個信道的每第三位)發(fā)送到保護交換卡520。接口卡504可以將從保護交換卡520接收的數(shù)據(jù)作為從失效卡510c接收的數(shù)據(jù)來加以處理，從而解決所述問題。
m)失效情況可以由接口卡504通過保護卡本身的數(shù)據(jù)通路或通過連接所有卡的公共控制總線530來發(fā)信號通知。
n)因此，可以為任一交換卡510的失效設(shè)置與各交換卡510a-510h的容量相同的一個附加交換卡。
o)圖7所示的配置優(yōu)點突出，但缺點是接口卡504必須向接口卡502回發(fā)信號通知存在故障。因此，從數(shù)據(jù)丟失到通過保護卡520重新對失效卡的數(shù)據(jù)進行路由之間需要一段時間。
p)圖8所示的實施例允許恢復(fù)數(shù)據(jù)，無需在接口卡之間發(fā)信號通知故障原因就可啟動保護。
q)這是以如下方式實現(xiàn)的經(jīng)保護卡發(fā)送包含允許接收接口卡重建原數(shù)據(jù)而又無需向源卡回送信號的信息的數(shù)據(jù)。
r)這是利用邏輯“異或”功能(“XOR”)來實現(xiàn)的。表1說明2位“異或”的邏輯表s)
表1為了清楚起見，圖8是具有2個數(shù)據(jù)位的簡化系統(tǒng)。這兩位經(jīng)設(shè)置在接口卡602、604上的位分離器606、608分離后通過兩個交換器610a、610b，并由第三位來提供保護。
從圖8可以看出，位分離器現(xiàn)在具有XOR功能，其中，源接口卡具有接收由兩個數(shù)據(jù)位構(gòu)成的數(shù)據(jù)輸入A、B的XOR 612。此XOR功能的輸出提供給保護接口卡614并經(jīng)交換作為到目的接口卡的位分離器608的XOR功能616的輸入。XOR功能616的另一輸入是目的接口卡上第一選擇器618的輸出，第一選擇器618可以選擇兩個經(jīng)過交換的位中的任一位作為輸入。
目的接口卡604通常從所述的兩塊交換卡接收數(shù)據(jù)。但是，如果這兩塊卡之一失效，則剩余卡的數(shù)據(jù)與來自保護卡的數(shù)據(jù)相“異或”。由于邏輯XOR功能的特性，XOR功能的輸出是從失效卡輸入的數(shù)據(jù)。可以這樣來理解考慮兩個XOR功能612和616的輸出，當交換卡610a失效時，將來自卡610b的數(shù)據(jù)B位與保護交換卡數(shù)據(jù)位相“異或”。結(jié)果示于表2中。
表2因此，可以看到，XOR的輸出B xor P與A相同。
表3說明這種情況卡610b失效，而來自卡610a的數(shù)據(jù)A位與保護交換卡數(shù)據(jù)位相“異或”。
表3這里可以看出，XOR的輸出A xor P與數(shù)據(jù)B位相同。
因此，可以看出，XOR功能使得可以正確地重建丟失的數(shù)據(jù)流。重建的數(shù)據(jù)流傳送到第二選擇器620，以便傳遞來自工作交換卡610a/b的數(shù)據(jù)和XOR輸出，用以形成所需的數(shù)據(jù)輸出。
盡管為簡單起見參照2位來進行說明，但圖8所示的實施例對任意數(shù)量(例如8)的位有效，并允許替換這些分離比特流中相應(yīng)交換卡已失效的任何一個比特流。無需從目的交換卡向源交換卡發(fā)信號而使任意數(shù)據(jù)損失最小。
總而言之，已描述的本發(fā)明的各種實施例允許在同步數(shù)據(jù)系統(tǒng)中實現(xiàn)速率很高的全接入交換，方法是通過將傳輸協(xié)議中構(gòu)成重復(fù)序列的位分布到若干交換通路上，從而允許利用現(xiàn)有技術(shù)來實現(xiàn)很高的交換速率。
在不背離本發(fā)明的前提下對所述實施例進行各種修改是可能的，本專業(yè)的技術(shù)人員會想到這些修改方案。例如，可以提供不同于SDH的同步數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，其中，數(shù)據(jù)按長度相同的規(guī)則位組傳輸。
權(quán)利要求
1.一種用于在第一接口和第二接口之間對同步數(shù)據(jù)流進行交換的裝置，所述同步數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)位分成若干位組，所述裝置包括位分離器，用于將所述數(shù)據(jù)組分離成兩個或兩個以上子集；多個交換器，每個所述交換器用于對所述兩個或兩個以上數(shù)據(jù)子集進行交換；以及位重組器，用于將所述經(jīng)過交換的位組的子集重組成所述位組。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述數(shù)據(jù)組劃分成若干子集，每個所述子集具有一位，以及所述多個交換器的交換器數(shù)量等于每組中的位數(shù)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于，所述多個交換器、所述位分離器和所述位重組器設(shè)置在交換卡上。
4.如權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于，所述位分離器設(shè)置在所述第一接口上，而所述位重組器設(shè)置在所述第二接口上。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，所述多個交換器各自包括獨立的交換卡。
6.如權(quán)利要求4或5所述的裝置，其特征在于包括保護交換器，用于在所述多個交換器之一失效時在所述第一接口和所述第二接口之間為數(shù)據(jù)子集提供備選交換通路。
7.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于包括用于從所述第二接口向所述第一接口發(fā)信號通知所述多個交換器之一已失效的裝置。
8.如權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，所述信號裝置包括所述第一接口和所述第二接口公用的總線。
9.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于在每個所述位分離器和所述位重組器上分別包含“異或”功能XOR，所述位分離器上的所述XOR功能接收作為數(shù)據(jù)輸入的所述數(shù)據(jù)子集的位并將所述輸入位的“異或”結(jié)果輸出到所述保護交換器，所述位重組器上的所述XOR功能接收作為第一輸入的經(jīng)所述保護交換器交換的數(shù)據(jù)位以及接收作為其他輸入的經(jīng)所述多個交換器中除已失效的一個交換器以外的所有交換器交換的數(shù)據(jù)位，其中，所述XOR功能的輸出包括傳送到所述失效交換器的數(shù)據(jù)位的交換位。
10.如任一前述權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，所述同步數(shù)據(jù)流包括同步數(shù)字序列(SDH)比特流。
11.如任一前述權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，所述裝置包括至少一個其他接口，其中所述多個交換器可以在所述第一接口、所述第二接口和所述至少一個其他接口中的任何接口之間交換數(shù)據(jù)子集。
12.如權(quán)利要求1至11中任意一項所述的裝置，其特征在于，所述位分離器包括位重組器，用于重組從另一接口接收的數(shù)據(jù)子集，而所述重組器包括位分離器，用于對從所述第二接口經(jīng)所述多個交換器到另一接口的數(shù)據(jù)組進行分離。
13.一種將同步數(shù)據(jù)流從第一接口交換到第二接口的方法，所述數(shù)據(jù)流包括成組編排的數(shù)據(jù)位，所述方法包括將所述數(shù)據(jù)組分離成兩個或兩個以上的子集；分別對每個所述數(shù)據(jù)子集進行交換；以及對所述經(jīng)過交換的子集進行重組。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述數(shù)據(jù)子集各包括至少一個數(shù)據(jù)位。
15.如權(quán)利要求13或14所述的方法，其特征在于包括在所述第二接口上一檢測到所述數(shù)據(jù)子集之一的數(shù)據(jù)丟失，就向所述第一接口發(fā)信號通知所述數(shù)據(jù)丟失，并通過保護交換器對所述丟失的數(shù)據(jù)子集進行交換。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于包括在所述第一接口對所述數(shù)據(jù)子集的位執(zhí)行“異或”功能(XOR)以提供XOR輸出，并通過所述保護交換器對所述XOR輸出進行交換；以及在所述第二接口上，一檢測到所述數(shù)據(jù)子集之一丟失，就利用所述XOR輸出和所述剩余的經(jīng)過交換的數(shù)據(jù)子集執(zhí)行XOR功能以重建丟失的數(shù)據(jù)子集。
全文摘要
為了在對數(shù)據(jù)成組編排的同步數(shù)據(jù)流進行交換的高數(shù)據(jù)率交換器中執(zhí)行無阻塞交叉連接，將數(shù)據(jù)組的位分離成若干一位或多位的子集，然后在比特率較低的交換器上分別對這些子集進行交換。在目的端再將這些子集重組起來。位分離器和重組器可分別設(shè)置在交換卡或源接口和目的接口上。保護交換器可以提供1:N保護，并且“異或”功能可以與保護交換器相結(jié)合以提供1:N保護而同時無需從目的接口向源接口發(fā)信令。
文檔編號H04Q3/68GK1557109SQ02818493
公開日2004年12月22日 申請日期2002年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2001年7月25日
發(fā)明者A·J·巴克, J·芒斯, L·阿登, A J 巴克 申請人:馬科尼英國知識產(chǎn)權(quán)有限公司