專利名稱：多級信元并行交換方法
技術領域：
本發(fā)明屬于一種數據分組交換方法，尤其是一種分級別并行交換的信元交換方法。
在定義ATM(異步傳輸模式)概念時的一場重要辯論就是關于“分組長度究竟是固定還是可變的抉擇(《異步傳遞方式·寬帶ISDN技術》修訂本，馬丁·德·普瑞克著，程時端、劉斌譯，人民郵電出版社出版，ISBN 7-115-08198-0/TP·1539,1999年11月第2版，第43-45頁)”。在ATD(異步時分復用)的原始定義中，采用長度為16字節(jié)的定長分組；在最初FPS(快速分組交換)中，采用可變長度的分組。辯論的結論是，對于寬帶網來說，由于主要可預見的應用是語音、圖像和批量數據，使用變長分組對傳輸效率改善有限，使用定長分組卻可以大大降低交換復雜度，提高交換速度。此外為了滿足話音的要求，分組長度的變化范圍是有限的。因此1988年CCITT(國際電信聯(lián)盟)的專家認為定長方案較好，并且決定采用信元這個詞來代替分組，以表示固定長度的分組。1989年又根據網絡總時延、傳輸效率和實現(xiàn)復雜度的影響，確定了此固定信息分組長度為48字節(jié)。
然而實踐中發(fā)現(xiàn)，使用單一固定長度的信元存在著局限性?？紤]高速光纖網絡中的情況。目前ATM標準最高支持622兆線路傳輸速率。在這種傳輸速率下，每隔0.68微秒就有一個ATM信元到達交換機。交換機在0.68微秒以內分析出一個信元中信頭的內容，并根據分析結果將信元轉發(fā)到相應的端口是可行的。但是如果將線路速率提高，那么轉發(fā)時間就會縮短。隨著光纖工藝的進步和激光調制技術的發(fā)展，目前已經在單個光波長上實現(xiàn)了40千兆的線路傳輸速率。如果將ATM網絡的線路傳輸速率提高到40千兆，就意味著ATM交換機的信元轉發(fā)時間必須小于11納秒。這樣高的信元交換速度要求是難以實現(xiàn)的。解決此問題的一個可行辦法就是加長ATM信元的長度。例如將ATM信元長度增加到4000字節(jié)，一個信元的傳輸持續(xù)時間就延長到0.8微秒，用目前的技術就可以實現(xiàn)信頭的分析和信元轉發(fā)。
再考慮支持低速業(yè)務的情況。目前被廣泛采用的語音編碼方案速率已經降到了每秒8千比特(例如G.729)甚至8千比特以下(例如G.723.1)。對于每秒8千比特的話音編碼數據，填滿48字節(jié)的信元凈荷空間需要48毫秒時間，超過了25毫秒單向傳輸時延的要求，不僅必須使用“回音抵消器”，而且話音質量也受到了影響。如果將信元凈荷長度減小到10字節(jié)，那么只需10毫秒就可以完成語音編碼數據的信元適配，為不用回音抵消器提供條件，同時改善了傳輸的話音質量。
即使是中等速率業(yè)務的情況，目前ATM信元凈荷為48字節(jié)，考慮到每個信元有5字節(jié)的信頭，ATM信元適配的最大理論效率只有48/53≈90％。如果考慮適配層的開銷，效率將更低。這使得ATM網絡的鏈路利用率不能令人滿意。為了提高鏈路利用率，必須增加信元長度。
可見用單一固定長度的信元來傳輸一切信息并不合適。
本發(fā)明的目的就是提供一種交換速度快、傳輸效率高、易于實施的多級信元并行交換方法。
本發(fā)明的多級信元并行交換方法是將信元分類為2至4個信元級別分別進行交換，每個信元級別的信元交換只針對一種信元長度進行，在不同信元級別上分別交換后輸出到同一條線路輸出端口的不同級別信元在一個輸出合路器中合流以后再輸出。
本發(fā)明改進的方法是將信元長度構成一個分級的體系，并且根據信元長度來進行信元級別分類。同一信元級別的信元具有相同且固定的信元長度，較高級別(信元長度較長)信元的長度至少是相鄰較低級別(信元長度較短)信元長度的2倍，至多不超過64千字節(jié)(指65536字節(jié))。在通常情況下，使用標準尺寸(指信元長度)的信元傳遞信息。在特別高速的光纖骨干網中，先將標準尺寸信元組合成更長的巨信元(高級別信元)，以巨信元為傳輸單位進行傳輸。當傳輸低速實時業(yè)務時，使用比標準尺寸信元更小的微信元(低級別信元)來傳輸數據。信元交換則在每個信元級別上分別進行。
在上述信元分級體系中，一種較好的信元分級策略是適當選取各級信元長度，使得較高級別信元恰好能夠在它的凈荷中包含16個相鄰較低級別信元。
本發(fā)明的優(yōu)點在于1．傳輸效率高本發(fā)明將標準尺寸信元的最佳長度增大到264字節(jié)，其中信頭8字節(jié)，凈荷256字節(jié)。由于大大加長了凈荷長度，使用標準尺寸信元進行傳輸時的效率可達96％以上，遠超過目前ATM和TCP/IP的理論傳輸效率。
2．交換速度快本發(fā)明將信元分類以后按信元級別分開分別進行交換，每一個級別的信元交換都只需針對相同尺寸的信元進行，交換單元不存在管理不同尺寸信元混合緩存的問題，信元交換仍然可以用硬件實現(xiàn)，從而獲得硬件級別的較高交換速度。
3．支持速率范圍寬本發(fā)明為交換機提供了高速交換多種不同尺寸級別信元的能力，使得改進的ATM網絡在傳輸信息時可以根據需要來選擇合適的信元尺寸。需要通過特別高速線路傳輸的信息，可以封裝在較大尺寸的信元中傳輸；低速業(yè)務的信息可以使用較小尺寸的信元在較低速的鏈路中傳輸。無論網絡使用了一種信元還是幾種不同級別的信元，各個交換節(jié)點的交換機都可以將它們高速交換到各自的目的地。這樣與現(xiàn)有ATM單一的信元尺寸相比，由于可以用較大尺寸的信元支持更高的傳輸速率，用較小尺寸的信元支持更低的業(yè)務速率，采用多級信元并行交換的網絡可以支持更寬的速率范圍。
4．易于實施采用本發(fā)明的方法時，只要將信元進行自動分類、交換、合流，就完成了全部的交換過程，無需增加大量的硬件設備，對現(xiàn)有的交換設備具有兼容性，因此實施本技術是較容易的。


圖1是本發(fā)明的兩級信元并行交換結構示意圖。其中包括信元分類器1、標準尺寸信元交換器21、微信元交換器22和輸出合路器3。
圖2是本發(fā)明的三級信元并行交換結構示意圖。與圖1相比，其中增加了巨信元交換器23。
圖3是本發(fā)明的四級信元并行交換結構示意圖。與圖2相比，其中增加了現(xiàn)行標準ATM交換機24。
本發(fā)明的實施方案如下ATM技術的本質在于，通過采用單一的信元尺寸(指信元長度)和簡化信頭結構，以便在鏈路層用硬件方式實現(xiàn)信元的快速轉發(fā)，從而緩解網絡節(jié)點的處理壓力?？紤]到單一信元尺寸對于降低交換復雜性具有重要意義，本發(fā)明提出采用多個信元級別并行交換，在各個信元級別上實現(xiàn)單一信元尺寸的硬件交換。
與現(xiàn)行ATM標準定義的信元一樣，本發(fā)明所采用的信元也由信頭和信元凈荷兩部分組成，信頭部分包含了識別信元所需的信息域，這些信息域包括現(xiàn)行ATM標準信頭中所有的域，凈荷部分攜帶信元的有效信息。此外，本發(fā)明還在每個信元信頭開始位置設置一個信元類型標志域，并在該域為每一個不同級別的信元指定不同的非零識別標志號，這樣僅僅根據識別標志號就可以確定出信元的級別類型。一個4比特的類型標志域可以設定15個不同的非0標志，區(qū)分出15種不同的信元類型，通常足以滿足信元分類的要求。
本發(fā)明根據信元長度來劃分信元級別。本發(fā)明提出如下的信元長度選取原則，以便能夠在精簡信元級別的同時滿足較大的信元長度變化范圍要求。首先，以各個信元級別的信元長度(即信元尺寸)排序，本發(fā)明稱信元長度較短的信元為較低級別信元，信元長度較長的信元為較高級別信元，較高級別信元的長度至少是相鄰較低級別信元長度的2倍。其次，由于在分組交換中，一般默認的最大分組長度為64千字節(jié)，因此最高級別信元凈荷尺寸不應超過64千字節(jié)。
本發(fā)明最佳采用三個尺寸級別的信元巨信元、標準尺寸信元和微信元。它們組成一個分級的傳輸單位系統(tǒng)，共同完成網絡信息的交換和傳輸。
微信元的最佳長度為16字節(jié)，其中信頭4字節(jié)，凈荷12字節(jié)。微信元的凈荷部分遠小于48字節(jié)，可以更好地支持低速實時業(yè)務?？紤]目前廣泛采用的低速話音編碼標準G.729，每幀包括10字節(jié)的編碼數據。一個微信元封裝了一幀話音編碼數據以后，還有2字節(jié)可以用于糾錯編碼。這類業(yè)務對少量數據差錯不敏感，對于不能糾正的差錯數據無需進行重傳。
標準尺寸信元的最佳長度為264字節(jié)，其中信頭8字節(jié)，凈荷256字節(jié)。這時每個標準尺寸信元的凈荷部分可以容納16個微信元。
巨信元的最佳信元長度為4232字節(jié)，其中信頭8字節(jié)，凈荷4224字節(jié)。這時每個巨信元的凈荷部分可以容納16個標準尺寸的信元。采用較大的信元尺寸延長了每一個巨信元的傳輸持續(xù)時間，這是在超高速鏈路中完成信頭處理所要求的。
信元交換可以在上述3個信元尺寸級別上進行，它們是巨信元交換、標準尺寸信元交換和微信元交換。由于每個信元級別都只存在唯一的一種信元長度和信頭格式，信元交換只需針對單一信元尺寸進行，這與現(xiàn)行ATM標準交換機的工作原理是完全一致的，因此交換機的設計制造方法也完全相同，只需將交換機中的信元尺寸從目前的53字節(jié)修改成各個信元級別上相應的信元長度即可，而這種修改方法早在80年代就被ATM交換機生產廠商普遍掌握。此外還可以直接使用MPLS(多協(xié)議標簽交換)交換機，只是MPLS交換機為了能夠交換可變的分組長度，復雜性大大提高，交換速度會有下降。
如果鏈路速度不是特別高，可以不使用巨信元，因此可以采用圖1所示的兩級信元交換結構。它包括信元分類器1、標準尺寸信元交換器21、微信元交換器22和輸出合路器3。當一個信元到達多級信元交換裝置時，它首先進入信元分類器1。信元分類器根據信元信頭開始位置信元類型標志域中的識別標志號，可以判定出到達信元類型和信元長度，然后將其送到各自所屬的交換器模塊標準尺寸信元被送入標準尺寸信元交換器21進行交換，微信元被送入微信元交換器22進行交換。這些被分別交換以后又需要在同一個輸出端口輸出的信元，首先在輸出合路器3中合流以后再輸出。通常輸出合路器是一個先進先出的隊列緩存器。
對于一般網絡交換節(jié)點，它需要對所有三種尺寸的信元進行交換。這時多級信元交換裝置的結構可以如圖2所示，它包括信元分類器1，標準尺寸信元交換器21，微信元交換器22，巨信元交換器23和輸出合路器3。一個信元到達多級信元交換裝置以后，它首先進入信元分類器1。信元分類器根據信元信頭開始位置信元類型標志域中的識別標志號，可以判定出信元類型和信元長度，然后將其送到各自所屬的交換模塊巨信元被送到巨信元交換器23進行交換，標準尺寸信元被送到標準尺寸信元交換器21進行交換，微信元被送到微信元交換器22進行交換。最后被分別交換以后又需要在同一個輸出端口輸出的信元，在輸出合路器3中合流以后再輸出。
本發(fā)明可以很好地與現(xiàn)行ATM交換網絡兼容?？梢杂脠D3所示的交換結構來說明實現(xiàn)這種兼容的方法。這時交換機包括信元分類器1，標準尺寸信元交換器21，微信元交換器22，巨信元交換器23，現(xiàn)行標準ATM交換機24和輸出合路器3。
在現(xiàn)行ATM標準中，在用戶和邊緣交換機之間傳輸的ATM信元信頭的開始4比特都是0，相當于信元類型標志域中的識別標志號總是0。因此只要本發(fā)明所定義的巨信元、標準尺寸信元和微信元的識別標志號不為0，信元分類器就能夠將現(xiàn)行ATM標準信元從到達信元中識別出來，送到現(xiàn)行標準ATM交換機24中進行交換。最后在各個信元級別上分別交換輸出的信元，需要在同一個輸出端口輸出時，在輸出合路器中合流以后再輸出。
從上述三種典型交換場景的工作流程可以看出，采用多級信元交換，實現(xiàn)了多種信元長度的應用要求，同時仍然可以用硬件實現(xiàn)高速信元轉發(fā)?？偣仓挥?種信元尺寸(加上原有的ATM信元為4種)和3個信元交換級別(加上現(xiàn)行ATM交換機為4個級別)，系統(tǒng)復雜度的增加十分有限。
權利要求
1．一種多級信元并行交換方法，其特征在于將信元分類為2至4個信元級別分別進行交換，每個信元級別的信元交換只針對一種信元長度進行，在不同信元級別上分別交換后輸出到同一條線路輸出端口的不同級別信元在一個輸出合路器中合流以后再輸出。
2．根據權利要求1所述的多級信元并行交換方法，其特征在于所述的信元級別分類按信元的長度劃分，較高級信元的長度至少是相鄰較低級信元長度的2倍，至多不超過64千字節(jié)。
3．根據權利要求1或2所述的多級信元并行交換方法，其特征在于所述的信元級別分類按信元的長度劃分，較高級信元的最佳信元長度使得該級信元恰好能夠在凈荷中包含16個相鄰較低級信元。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多級信元并行交換方法,它是一種分級的信元交換方法,該方法將信元分類為2至4個信元級別分別進行交換,每個信元級別的信元交換只針對相同的信元長度進行,信元分別交換以后在一個輸出合路器中合流以后再輸出。所述的信元級別按信元長度劃分,較高信元級別的信元長度至少是相鄰較低信元級別信元長度的2倍,至多不超過64千字節(jié)。采用該方法能提高數據的交換速度和傳輸效率,擴大網絡支持的業(yè)務速率范圍。
文檔編號H04L12/56GK1305292SQ01108240
公開日2001年7月25日 申請日期2001年2月27日 優(yōu)先權日2001年2月27日
發(fā)明者陳相寧 申請人:陳相寧