專利名稱：：大容量高性能疊層交換的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及通信領(lǐng)域中的一種大容量高性能疊層交換的方法。本發(fā)明適用于ATM網(wǎng)絡(luò)高速交換、IP網(wǎng)絡(luò)高速交換、光纖互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)高速交換和其它需要高速交換、高速復(fù)/分接等場(chǎng)合，特別適合新一代大容量高速寬帶網(wǎng)絡(luò)核心交換。
背景技術(shù)：
：隨著技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，各種高速交換網(wǎng)絡(luò)越來越多，例如ATM網(wǎng)絡(luò)、IP網(wǎng)絡(luò)、光纖互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和其它高速網(wǎng)絡(luò)，它們都需要一個(gè)大容量高速高性能的核心交換結(jié)構(gòu)交換處理數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的交換結(jié)構(gòu)一般分為時(shí)分結(jié)構(gòu)和空分結(jié)構(gòu)兩大類。時(shí)分結(jié)構(gòu)的基本特征是所有的輸入輸出端口共享一條高速的信息通道，這條高速的信息通道可以是共享存儲(chǔ)器或者共享媒介。空分結(jié)構(gòu)的基本特征是在多路輸入輸出端口可以同時(shí)平行地傳遞信元?？辗纸Y(jié)構(gòu)又可以分為單通道和多通道。單通道是指從一個(gè)輸入端口到任一輸出端口只有一條通道，主要有基于Crossbar的無內(nèi)部阻塞結(jié)構(gòu)和基于多層互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)(MIN)的有內(nèi)部阻塞的結(jié)構(gòu)。多通道是指一個(gè)輸入端口到任一個(gè)輸出端口之間存在著多條通道，主要有擴(kuò)展Banyan、Bense和多平面結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在廣泛采用的是共享存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)和輸入緩存+CROSSBAR交換結(jié)構(gòu)。共享存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)需要處理時(shí)鐘N倍于端口速率，輸入緩存+CROSSBAR交換結(jié)構(gòu)單端口傳輸存在阻塞和限制。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于避免上述
背景技術(shù)：
中的不足之處而提供一種將時(shí)分結(jié)構(gòu)和空分結(jié)構(gòu)緊密結(jié)合的交換結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)大容量高性能疊層交換的方法。本發(fā)明還具有交換容量大、無阻塞、不需加速、交換時(shí)延小、支持組播和通播、支持優(yōu)先級(jí)、可用硬件電路單芯片實(shí)現(xiàn)、方便級(jí)聯(lián)和擴(kuò)展、N路可靈活配置等特點(diǎn)。本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題由以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)，它包括下步驟①在一個(gè)包括數(shù)據(jù)輸入層和數(shù)據(jù)輸出層的交換網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)置N行xN列個(gè)交換因子，交換因子進(jìn)行緩存及交換信元數(shù)據(jù)，N行xN列個(gè)交換因子彼此相互獨(dú)立，N為大于1的自然數(shù)；②數(shù)據(jù)輸入層將輸入的N行數(shù)據(jù)流連接到對(duì)應(yīng)行的N個(gè)交換因子的輸入端口，由輸入控制器控制交換因子依據(jù)輸入信元的輸出信元類型、輸出端口信息和組播輸出信息接收該交換因子應(yīng)該接收的信元，由該交換因子將其接收的信元數(shù)據(jù)緩存，等候發(fā)送；③交換因子監(jiān)測(cè)其內(nèi)部緩存的信元數(shù)據(jù)，依據(jù)要發(fā)送的信元數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)和其緩存信元的深度，計(jì)算出交換因子的輸出權(quán)重，向數(shù)據(jù)輸出層的輸出仲裁器發(fā)出請(qǐng)求，請(qǐng)求發(fā)送信元；④數(shù)據(jù)輸出層中N列的輸出仲裁器并行工作，分別處理N列交換因子的輸出請(qǐng)求，每個(gè)輸出仲裁器接收該列中N個(gè)交換因子的輸出請(qǐng)求，依據(jù)請(qǐng)求輸出的N個(gè)交換因子的輸出權(quán)重，找到輸出權(quán)重最大的交換因子并通知該交換因子，該交換因子收到通知后控制輸出數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)輸出層將該輸出數(shù)據(jù)發(fā)送到輸出數(shù)據(jù)流中，完成大容量高性能疊層交換。本發(fā)明第③步中所述的交換因子內(nèi)部緩存采用雙端口RAM電路。本發(fā)明第④步中所述的輸出仲裁器采用最快二分法算法計(jì)算，在Log2N個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)找到輸出權(quán)重最大的交換因子。本發(fā)明與
背景技術(shù)：
相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)1)交換容量大本發(fā)明疊層交換每個(gè)端口的數(shù)據(jù)量傳輸限制取決于交換因子的輸入輸出速率。交換因子本身支持并行的8位、16位、32位、64位、128位數(shù)據(jù)帶寬輸入和輸出。按照64位并行數(shù)據(jù)寫入，頻率120MHz計(jì)算，一個(gè)16x16交換矩陣的容量為64xl20Mxl6=122.88G。同時(shí)隨著硬件工藝不斷提高，疊層交換的交換容量還可以進(jìn)一步增大。2)無輸入輸出阻塞本發(fā)明N路可并行的將輸入數(shù)據(jù)寫入相對(duì)應(yīng)的交換因子進(jìn)行緩存，所以不存在輸入組賽(外部阻塞)。同樣，N路中的每一路輸出數(shù)據(jù)都可以選擇一個(gè)交換因子進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出(除非這一列交換因子中全部沒有信元需要輸出)，并且N路可并行進(jìn)行，所以也不存在輸出阻塞，即不存在內(nèi)部阻塞。因此疊層交換結(jié)構(gòu)完全消除了外部阻塞和內(nèi)部阻塞。3)處理時(shí)鐘不需要加速本發(fā)明疊層交換的處理速率等同于端口的數(shù)據(jù)傳輸速率，所以不需要進(jìn)行加速。4)交換時(shí)延小本發(fā)明一個(gè)信元穿越交換結(jié)構(gòu)的時(shí)延t3=tl+t2，這就是交換結(jié)構(gòu)的交換時(shí)延。信元自帶的輸出端口信息位于信元的頭部，這樣tl僅為一個(gè)時(shí)鐘周期。權(quán)重算法可以使t2僅為bg2N個(gè)時(shí)鐘周期。所以疊層交換的交換時(shí)延非常小，只有l(wèi)og2N+l個(gè)時(shí)鐘周期。5)支持通播和組播本發(fā)明通播和組播的信元可以由輸入控制器控制送往多個(gè)要輸出的交換因子中，如果通播和組播數(shù)據(jù)量特別大，那么還可以通過增加專門的通播組播通道來實(shí)現(xiàn)通播和組播功能，然后由輸出仲裁器的算法進(jìn)行統(tǒng)一仲裁，這種交換結(jié)構(gòu)本身自帶支持組播和通播。6)擴(kuò)展和級(jí)聯(lián)能力強(qiáng)本發(fā)明M個(gè)疊層交換并聯(lián)起來可以將每個(gè)端口的交換同量提高M(jìn)倍，大大提高交換矩陣的交換容量。同時(shí)支持多層互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和多平面擴(kuò)展級(jí)聯(lián)。圖1是本發(fā)明當(dāng)N二3時(shí)的實(shí)施例原理示意圖。圖1中疊層交換包括數(shù)據(jù)輸入層、數(shù)據(jù)輸出層、輸入控制器、輸出仲裁器、交換因子。圖2是本發(fā)明當(dāng)N=8時(shí)的實(shí)施例原理結(jié)構(gòu)圖。圖2中疊層交換包括數(shù)據(jù)輸入層、數(shù)據(jù)輸出層、輸入控制器、輸出仲裁器、交換因子。具體實(shí)施例方式參照?qǐng)D1、圖2，圖1是本發(fā)明當(dāng)N=3時(shí)的實(shí)施例原理示意圖。圖1中疊層交換包括數(shù)據(jù)輸入層、數(shù)據(jù)輸出層、輸入控制器、輸出仲裁器、交換因子。圖2是本發(fā)明當(dāng)N=8時(shí)的實(shí)施例原理結(jié)構(gòu)圖。圖2中疊層交換包括數(shù)據(jù)輸入層、數(shù)據(jù)輸出層、輸入控制器、輸出仲裁器、交換因子。下面以一個(gè)8*8的疊層交換結(jié)構(gòu)(N=8)舉例進(jìn)行描述，如圖2所示，本發(fā)明包括步驟①在一個(gè)包括數(shù)據(jù)輸入層和數(shù)據(jù)輸出層的交換網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)置N行xN列個(gè)交換因子，交換因子進(jìn)行緩存及交換信元數(shù)據(jù)，N行xN列個(gè)交換因子彼此相互獨(dú)立，N為大于1的自然數(shù)。本發(fā)明實(shí)施例信元結(jié)構(gòu)如下表所示:<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>②數(shù)據(jù)輸入層將輸入的N行數(shù)據(jù)流連接到對(duì)應(yīng)行的N個(gè)交換因子的輸入端口，由輸入控制器控制交換因子依據(jù)輸入信元的輸出信元類型、輸出端口信息和組播輸出信息接收該交換因子應(yīng)該接收的信元，由該交換因子將其接收的信元數(shù)據(jù)緩存，等候發(fā)送。實(shí)施例輸入層設(shè)計(jì)輸入層為一對(duì)多，即每一路輸入數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)于8個(gè)交換因子的數(shù)據(jù)輸入，并且這8個(gè)交換因子在同一行。同時(shí)這一路的輸入控制器控制著輸入數(shù)據(jù)的流向，依據(jù)到來到的信元去往的方向(依據(jù)信元自帶的信元類型、輸出端口信息和組播輸出信息)，輸入控制器控制著輸入數(shù)據(jù)緩存到不同的交換因子OO，01，...07內(nèi)部。③交換因子監(jiān)測(cè)其內(nèi)部緩存的信元數(shù)據(jù)，依據(jù)要發(fā)送的信元數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)和其緩存信元的深度，計(jì)算出交換因子的輸出權(quán)重，向數(shù)據(jù)輸出層的輸出仲裁器發(fā)出請(qǐng)求，請(qǐng)求發(fā)送信元。本發(fā)明交換因子內(nèi)部緩存采用雙端口RAM電路。實(shí)施例雙端口RAM電路采用FPGA內(nèi)部的BLOCKRAM電路實(shí)現(xiàn)。實(shí)施例交換因子交換因子緩存輸入層送來的數(shù)據(jù)直到輸出層將其存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)取出并發(fā)送出。選擇合適的交換因子長度L，保證發(fā)送過來的信元不超出交換因子的緩存能力。輸入控制器可以產(chǎn)生反壓控制信號(hào)，如果交換因子緩沖區(qū)將要溢出時(shí)應(yīng)向發(fā)送端送回反壓控制信號(hào)，以使交換因子內(nèi)部緩存不至于溢出。同時(shí)，交換因子還可以根據(jù)信元優(yōu)先級(jí)進(jìn)行信元丟棄。④數(shù)據(jù)輸出層中N列的輸出仲裁器并行工作，分別處理N列交換因子的輸出請(qǐng)求，每個(gè)輸出仲裁器接收該列中N個(gè)交換因子的輸出請(qǐng)求，依據(jù)請(qǐng)求輸出的N個(gè)交換因子的輸出權(quán)重，找到輸出權(quán)重最大的交換因子并通知該交換因子，該交換因子收到通知后控制輸出數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)輸出層將該輸出數(shù)據(jù)發(fā)送到輸出數(shù)據(jù)流中，完成大容量高性能疊層交換。本發(fā)明輸出仲裁器采用最快二分法算法計(jì)算，在L0g2N個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)找到輸出權(quán)重最大的交換因子。實(shí)施例輸出層設(shè)計(jì)輸出層為多對(duì)一，即每一列的8個(gè)交換因子對(duì)應(yīng)于一路輸出數(shù)據(jù)的輸出，例如第一列交換因子OO，10，...70對(duì)應(yīng)于第0路數(shù)據(jù)的輸入。這8個(gè)交換因子向輸出仲裁器發(fā)出申請(qǐng)，輸出仲裁器得到這些申請(qǐng)后，依據(jù)一定的算法決定哪個(gè)交換因子能夠得到授權(quán)，然后由該交換因子占用輸出端口進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。實(shí)施例輸出仲裁:每個(gè)交換因子的最大存儲(chǔ)長度為L,某一時(shí)刻其中存儲(chǔ)的信元的個(gè)數(shù)為Q(0<=Q<=L)，那么這列8個(gè)交換因子的存儲(chǔ)的信元的個(gè)數(shù)依次為Q00,QOO,...,Q70,依據(jù)Q和信元的優(yōu)先級(jí)算出每一個(gè)交換因子的輸出的權(quán)重，然后按照權(quán)重進(jìn)行排隊(duì)比較，選擇權(quán)重最大的那一路交換因子進(jìn)行輸出，如此循環(huán)往復(fù)。實(shí)施例輸出仲裁器算法最快二分法是一種能夠快速找到一組數(shù)據(jù)中最大值的算法，將一組數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)先兩兩進(jìn)行比較，然后將比較出的最大值繼續(xù)兩兩進(jìn)行比較，直至找到最大值進(jìn)行輸出。最快二分法能夠快速找到最大權(quán)重的交換因子，對(duì)于N個(gè)交換因子，一共只需要Log2N個(gè)時(shí)鐘周期就能找到最大值。權(quán)利要求1.一種大容量高性能疊層交換的方法，其特征在于包括步驟①在一個(gè)包括數(shù)據(jù)輸入層和數(shù)據(jù)輸出層的交換網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)置N行×N列個(gè)交換因子，交換因子進(jìn)行緩存及交換信元數(shù)據(jù)，N行×N列個(gè)交換因子彼此相互獨(dú)立，N為大于1的自然數(shù)；②數(shù)據(jù)輸入層將輸入的N行數(shù)據(jù)流連接到對(duì)應(yīng)行的N個(gè)交換因子的輸入端口，由輸入控制器控制交換因子依據(jù)輸入信元的輸出信元類型、輸出端口信息和組播輸出信息接收該交換因子應(yīng)該接收的信元，由該交換因子將其接收的信元數(shù)據(jù)緩存，等候發(fā)送；③交換因子監(jiān)測(cè)其內(nèi)部緩存的信元數(shù)據(jù)，依據(jù)要發(fā)送的信元數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)和其緩存信元的深度，計(jì)算出交換因子的輸出權(quán)重，向數(shù)據(jù)輸出層的輸出仲裁器發(fā)出請(qǐng)求，請(qǐng)求發(fā)送信元；④數(shù)據(jù)輸出層中N列的輸出仲裁器并行工作，分別處理N列交換因子的輸出請(qǐng)求，每個(gè)輸出仲裁器接收該列中N個(gè)交換因子的輸出請(qǐng)求，依據(jù)請(qǐng)求輸出的N個(gè)交換因子的輸出權(quán)重，找到輸出權(quán)重最大的交換因子并通知該交換因子，該交換因子收到通知后控制輸出數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)輸出層將該輸出數(shù)據(jù)發(fā)送到輸出數(shù)據(jù)流中，完成大容量高性能疊層交換。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大容量高性能疊層交換的方法，其特征在于第③步中所述的交換因子內(nèi)部緩存采用雙端口RAM電路。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大容量高性能疊層交換的方法，其特征在于第④步中所述的輸出仲裁器采用最快二分法算法計(jì)算，在Log2N個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)找到輸出權(quán)重最大的交換因子。全文摘要本發(fā)明公開了一種大容量高性能疊層交換的方法。它涉及通信領(lǐng)域中的一種高速大容量的核心交換技術(shù)。本發(fā)明將N路輸入數(shù)據(jù)的處理作為一個(gè)交換層，交換后的N路數(shù)據(jù)輸出作為另外一個(gè)層，兩個(gè)層通過N×N個(gè)交換因子相聯(lián)系，通過對(duì)兩個(gè)層和交換因子的控制達(dá)到無阻塞大容量高速交換。本發(fā)明還具有交換容量大，能達(dá)到100G以上；無外部阻塞和內(nèi)部阻塞；交換時(shí)鐘等同于端口時(shí)鐘速率，不需加速；交換時(shí)延??；完全支持組播和通播；支持優(yōu)先級(jí)交換；可用硬件電路單芯片實(shí)現(xiàn)；可方便的進(jìn)行級(jí)聯(lián)和擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。它適用于ATM網(wǎng)絡(luò)高速交換、IP網(wǎng)絡(luò)高速交換、光纖互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)高速交換和其它需要高速交換、高速復(fù)/分接等場(chǎng)合，特別適合新一代大容量高速寬帶網(wǎng)絡(luò)核心交換。文檔編號(hào)H04L12/54GK101106732SQ200710062028公開日2008年1月16日申請(qǐng)日期2007年6月1日優(yōu)先權(quán)日2007年6月1日發(fā)明者崔生保,張惠崢,郭金鵬申請(qǐng)人:中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所