專利名稱：用于帶寬分配的分布式分級調(diào)度與仲裁的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)，更具體地說，涉及用于這種系統(tǒng)的調(diào)度與仲裁裝置(arrangements)。
隨著網(wǎng)絡(luò)中對可處理帶寬之需求的不斷增長，要求在交換機(jī)設(shè)計(jì)中開發(fā)新的技術(shù)，以便將控制的復(fù)雜度與端口數(shù)量及系統(tǒng)總帶寬的大小相分離。本發(fā)明描述一種交換機(jī)結(jié)構(gòu)及一套方法，利用所提供的這些手段，可以構(gòu)建任意大小的交換機(jī)，同時(shí)，能夠?qū)νㄟ^該交換機(jī)的各個(gè)可能的連接分配保用帶寬。采用一種數(shù)字交換機(jī)為數(shù)據(jù)流從一組源部件傳輸?shù)揭唤M目的部件選定路由。基于信元的交換機(jī)對被分組為長度相等的信元流的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。在進(jìn)行大容量數(shù)據(jù)交換時(shí)，其路由選擇功能可分級實(shí)施，即可將多組低帶寬端口并合成數(shù)量較少的高帶寬端口，然后互聯(lián)在一中心交換機(jī)中。
本發(fā)明的目的在于提供一種可用于這種分級交換機(jī)的帶寬分配裝置(arrangements)。
在本發(fā)明中，提供一種用于數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)交換裝置的調(diào)度及仲裁方法，在這種裝置中，一個(gè)中心交換機(jī)在主控制器的控制下，為若干個(gè)高帶寬端口提供相互之間的交叉互連，高帶寬端口在該中心交換機(jī)的入口端連接若干個(gè)入口復(fù)接器，一個(gè)入口復(fù)接器相對于每一個(gè)高帶寬輸入端口，高帶寬端口在中心交換機(jī)出口端連接若干個(gè)出口復(fù)接器，一個(gè)出口復(fù)接器相對于每一個(gè)高帶寬輸出端口，每一個(gè)入口復(fù)接器包括一組為N個(gè)低帶寬數(shù)據(jù)源服務(wù)的N個(gè)輸入隊(duì)列、及一組為M個(gè)低帶寬輸出數(shù)據(jù)源服務(wù)的M個(gè)虛擬輸出隊(duì)列，其特征在于該調(diào)度和仲裁裝置包括三個(gè)帶寬分配表，一個(gè)與輸入隊(duì)列相關(guān)的入口端口表，該表有N×M個(gè)表目，每一個(gè)表目用于為一個(gè)特定的虛擬輸出隊(duì)列規(guī)定帶寬；一個(gè)與該虛擬輸出隊(duì)列相關(guān)的出口端口表，該表有M個(gè)表目，每一個(gè)表目用于對一個(gè)虛擬輸出隊(duì)列規(guī)定該中心交換機(jī)的高帶寬端口的帶寬分配；及位于該主控制器內(nèi)的中心分配表，該表有(N×M)2個(gè)表目，每一個(gè)表目規(guī)定分配給每一個(gè)通過該中心交換機(jī)之可能的連接的加權(quán)值。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)特征，提供一種調(diào)度和仲裁方法，其中，輸入隊(duì)列的調(diào)度是根據(jù)N路加權(quán)循環(huán)來實(shí)現(xiàn)的。
根據(jù)本發(fā)明的另一特征，提供一種N路加權(quán)循環(huán)的實(shí)現(xiàn)方式，即通過N.(2W-1)路未加權(quán)循環(huán)來實(shí)現(xiàn)，其中W是定義加權(quán)值的比特?cái)?shù)，該加權(quán)值使用的列表是通過交織N個(gè)字而建立的，每個(gè)字為(2W-1)比特，每個(gè)字中有Wn個(gè)1，其中Wn為隊(duì)列n的加權(quán)值。
通過以下描述的一個(gè)實(shí)施例，并結(jié)合附圖，使得本發(fā)明及其各種特征更易于被理解。附圖如下

圖1是一種數(shù)據(jù)交換機(jī)的簡圖；圖2表示一種出口復(fù)接器；圖3表示用于出口復(fù)接器中的加權(quán)循環(huán)仲裁器；圖4表示循環(huán)仲裁器的劃分；圖5表示循環(huán)仲裁器的運(yùn)行；圖6表示對于具有3比特加權(quán)的4端口互連的分配；圖7表示基于本發(fā)明之原理的小型交換機(jī)之框圖。
現(xiàn)參見圖1，該圖示出一種分級交換機(jī)之示意圖。其中，中心互連裝置1給多個(gè)高帶寬端口之間提供交叉連接。一組在入口端的復(fù)接器2和在出口端的分接器3提供在低帶寬和高帶寬端口之間的并合功能。在入口端，低帶寬端口提供從交換機(jī)到數(shù)據(jù)源4的連接；在出口端，低帶寬端口則提供從交換機(jī)到數(shù)據(jù)終點(diǎn)5的連接。實(shí)際上，要求交換機(jī)支持全雙工端口，因此，入口復(fù)接器及其相應(yīng)的分接器可被視作單獨(dú)的全雙工裝置，后面將稱其為“路由器”。典型的數(shù)據(jù)交換機(jī)可以采用尚未授權(quán)的專利申請?zhí)枮镻CT/GB9903748所公開的類型。
應(yīng)該注意到，中心互連裝置1可能本身便是一個(gè)分級交換機(jī)，因此，所描述的方法可運(yùn)用在具有任意數(shù)量的分級水平的交換機(jī)。
以上方法的目的是提供一種將數(shù)據(jù)流從交換機(jī)傳輸?shù)侥骋惶囟ńK點(diǎn)的機(jī)制，其中包括由各種數(shù)據(jù)源交織成的一系列信元，該機(jī)制是可控的，因此，保證其帶寬的預(yù)定部分給來自各數(shù)據(jù)源的信元。
圖2顯示一入口復(fù)接器的結(jié)構(gòu)。入口復(fù)接器從數(shù)據(jù)源接收流經(jīng)一組低帶寬輸入端口的一組數(shù)據(jù)流。每一數(shù)據(jù)流是一系列相同長度的信元(即，數(shù)據(jù)的位數(shù)相等)。一組N個(gè)低帶寬端口21的每一端口加入N個(gè)輸入隊(duì)列22中的一個(gè)。一個(gè)入口控制單元23從該輸入隊(duì)列的各信元中提取目的地址，并將它們轉(zhuǎn)換成一組M個(gè)虛擬輸出隊(duì)列24。在交換機(jī)中，為每個(gè)低帶寬輸出端口設(shè)有一個(gè)虛擬輸出隊(duì)列。入口復(fù)接器還包括一個(gè)互連鏈路控制單元25，該單元根據(jù)一個(gè)有M個(gè)表目的出口表28，調(diào)度信元從虛擬輸出隊(duì)列24經(jīng)過高帶寬鏈路26至中心互連裝置1，從而實(shí)現(xiàn)這一功能。
除圖1中箭頭指示的數(shù)據(jù)流之外，還有一個(gè)與各數(shù)據(jù)流相關(guān)的反壓(backpressure)或流控信息流。在圖2中，該控制流用虛線箭頭表示。該入口復(fù)接器包括N×M個(gè)表目的一個(gè)入口端口表27，它規(guī)定分給特定出口端口(經(jīng)過一特定虛擬輸出隊(duì)列)的帶寬是如何分布在輸入端口上的。入口控制單元23使用該表來確定何時(shí)(及至何程度)對分解為單個(gè)虛擬輸出隊(duì)列的數(shù)據(jù)源施加反壓。
圖1中，入口復(fù)接器2給中心互連裝置1傳送控制信息，指示虛擬輸出隊(duì)列呈“連接請求”狀態(tài)。該中心互連裝置的響應(yīng)是將在入口與出口路由器之間建立一系列的連接。這些就是“連接許可”。入口復(fù)接器2當(dāng)前必須分配帶寬給各出口分接器3，它由中心互連裝置1通過與各出口分接器相關(guān)的虛擬輸出隊(duì)列來提供。
互連鏈路控制單元25的確定性調(diào)度功能可定義成一個(gè)加權(quán)的循環(huán)(WRR)仲裁器。互連鏈路控制單元25從中心互連裝置1接收一連接許可信號，允許與某個(gè)特定出口分接器3連接，并必須選定與該出口分接器相關(guān)的N個(gè)虛擬輸出隊(duì)列中的一個(gè)。這一點(diǎn)也可以通過將N路WRR(如圖3a所示)擴(kuò)展成為(N.(2W-1))路未加權(quán)循環(huán)(如圖3b所示)的方式來實(shí)現(xiàn)，其中，W等于定義加權(quán)值所需的比特?cái)?shù)。因此，如果某一隊(duì)列有一個(gè)W加權(quán)，那么，它在未加權(quán)循環(huán)列表中便可表示為(W-1)個(gè)表目。例如，有4比特加權(quán)時(shí)，一個(gè)4路加權(quán)循環(huán)擴(kuò)展成一個(gè)60路未加權(quán)循環(huán)。
在所有加權(quán)情況下，為使相對于該隊(duì)列的業(yè)務(wù)間隔達(dá)到最佳，未加權(quán)循環(huán)列表中的表目是這樣分配的，即對各加權(quán)而言，其表目是一個(gè)等數(shù)步相差正一步或負(fù)一步。表1在以下給出這種3比特加權(quán)的排列示例Wnen11000000210001003100101041010101510110116111011171111111在上述系統(tǒng)中，仲裁器必須在9個(gè)具有4比特加權(quán)值的隊(duì)列中選定一個(gè)隊(duì)列，即如前所述的8個(gè)虛擬輸出隊(duì)列和一個(gè)多點(diǎn)廣播隊(duì)列。這便擴(kuò)展為一個(gè)有135表目的未加權(quán)循環(huán)。這種大型的未加權(quán)循環(huán)仲裁器的實(shí)現(xiàn)不依靠緩慢重復(fù)移位及檢測方法，而采用“分而治之”的技術(shù)，就是將這135個(gè)表目的循環(huán)分割成各有16個(gè)表目循環(huán)的9個(gè)部分，利用組合邏輯可以有效實(shí)現(xiàn)每一個(gè)部分(9×16給出多達(dá)144個(gè)表目，所以達(dá)到24個(gè)表目的多點(diǎn)廣播隊(duì)列實(shí)際可分配得到的帶寬要比達(dá)到15個(gè)表目的單個(gè)單點(diǎn)廣播隊(duì)列要多)。
圖4說明了循環(huán)仲裁器的劃分。分選器41將請求矢量V(144比特)分成9個(gè)16比特的矢量，v0至v8。它還為每一個(gè)16位循環(huán)塊42建立9個(gè)指針，即p0-p8。在相應(yīng)的位單元，對應(yīng)于當(dāng)前指針(已儲(chǔ)存于寄存器44)的循環(huán)塊被給予一個(gè)“1”，同時(shí)其他循環(huán)塊被給予預(yù)置在單元0的虛設(shè)指針。現(xiàn)在，每一個(gè)16比特循環(huán)塊在其輸入矢量中找出下一個(gè)“1”并輸出其位置(g)，而不管它必須周而復(fù)始地環(huán)繞(w)及在其矢量中已經(jīng)找出一個(gè)“1”(f)。此時(shí)，選擇器43能夠識別出找到對應(yīng)于最初的135比特矢量中下一個(gè)“1”的那個(gè)“1”的循環(huán)塊，由該分選器41給該向量一個(gè)信號(s)。這就確定了哪個(gè)循環(huán)塊處于原始指針位置。選擇器43本身就是一個(gè)循環(huán)函數(shù)，可被實(shí)現(xiàn)為一個(gè)組合邏輯函數(shù)。
“查找始于s的下個(gè)塊，具有w＝假及f＝真(如未找到，選擇s)”。
圖5給出以上過程的實(shí)例，為清楚起見，只給出一個(gè)較小的結(jié)構(gòu)。在該實(shí)例中，V＝12比特，p＝4比特，vo-2＝2比特，go-2＝2比特。圖5還描述圖4的執(zhí)行過程，且在“51”定義了擴(kuò)展的當(dāng)前指針(D)以及在“52”定義了請求矢量(V)。分選器41產(chǎn)生分段矢量(v)和分段指針(p)，其中標(biāo)記有*的塊是虛設(shè)的。在“55”所示為該循環(huán)的分段結(jié)果(g)，而在“56”給出選擇器43的處理結(jié)果，以定義擴(kuò)展的下一個(gè)指針(p)。
中心互連裝置1提供交換機(jī)中的交叉連接功能。該中心互連裝置中的帶寬分配是采用具有(M/N)2個(gè)表目的中心分配表來確定，該表詳細(xì)描述了通過中心互連裝置分配給各個(gè)可能連接的加權(quán)值(該中心互連裝置具有N/M個(gè)高帶寬端口)。該中心分配表包括P2個(gè)表目，其中P＝(N/M)。每個(gè)表目wie定義分配給從高帶寬端口i到高帶寬端口e之連接的加權(quán)值。但是，并非所有的表目組合都可組成一個(gè)自相容，即從輸出看到的分配也許與從輸入看到的分配相矛盾。如果在各輸出和輸入的加權(quán)值之和相等，分配才是自相容的。圖6給出對于一個(gè)具有3比特加權(quán)的4端口互連的自相容分配(a)和非自相容分配(b)。IP表示輸入，OP表示輸出，其總和用∑表示。假設(shè)中心分配表有一個(gè)自相容表目，對于輸入端口i和輸入端口e之間、具有加權(quán)值wie的一條鏈路，有可能將其帶寬分配定義為Pic，其中Pie=WieΣn=0(p-1)win]]>出口端口表定義了高帶寬端口到中心互連裝置1的帶寬如何經(jīng)過虛擬輸出隊(duì)列而被分配。由于所有可能的表目均為自相容的，不存在自相容問題，因此，對于一個(gè)加權(quán)值為Wv的虛擬輸出隊(duì)列v，其帶寬分配為Pf=WvΣn=0(N-1)Wn]]>同樣，入口端口表的表目給出一個(gè)加權(quán)值為Wf的虛擬輸出隊(duì)列對于該入口端口的帶寬分配，即Pf=WfΣn=0(N-1)Wn]]>所以，在分配給入口端口f的出口端口v的帶寬大小為Pfv＝Pf·Pv·Pie在需要端口之間保證精確帶寬分配的交換機(jī)中(如ATM交換機(jī))，由一連接許可及控制處理器經(jīng)一交換管理接口建立這些表。當(dāng)該連接許可及控制處理器已檢查出該交換機(jī)中具有可用資源滿足連接請求時(shí)，它才能修改入口端口表、出口端口表以及中心分配表，以反映整個(gè)交換機(jī)新的業(yè)務(wù)量分布。
與之相反，交換機(jī)可能會(huì)被要求提供“最佳工作”業(yè)務(wù)。在此情形下，該表的表目來源于許多局部參數(shù)。有兩個(gè)這種參數(shù)是虛擬輸出隊(duì)列v的長度lv和虛擬輸出隊(duì)列的緊急性uv。緊急性是一個(gè)來源于信元之信元頭的參數(shù)，該信元從入口端口進(jìn)入隊(duì)列。
通過定義加權(quán)函數(shù)，可實(shí)現(xiàn)的交換機(jī)能夠滿足一系列的需求(其中包括上述兩項(xiàng))，該加權(quán)函數(shù)“混合”多個(gè)調(diào)度參數(shù)，根據(jù)一系列對于長度、緊急性及偽靜態(tài)帶寬分配(Sl、Sw、Ss)的“敏感度參數(shù)”來實(shí)時(shí)產(chǎn)生該表表目。對該函數(shù)的要求是，它應(yīng)該快速有效的，因?yàn)樵诮粨Q機(jī)的關(guān)鍵通道上有多重事件發(fā)生。在所描述的系統(tǒng)中，加權(quán)函數(shù)具有的形式為Wv={Iv22(l/sl)+pv2(l/ss)+uv2(l/su)}·(1-bv)]]>其中bv表示自出口復(fù)接器施加的反壓，wv表示用于調(diào)度器的隊(duì)列加權(quán)值，及Pv表示一種偽靜態(tài)帶寬分配，如一個(gè)出口端口表。
盡管該函數(shù)看起來復(fù)雜，但可以使用加法器、復(fù)接器和小查找表就可以專用于實(shí)現(xiàn)它，因而滿足了速度和效率之要求。該加權(quán)函數(shù)的特征在于，對于Sl＝1.0，Ss＝0.0，且Su＝0.0，帶寬的局部分配完全是基于隊(duì)列長度，采用非線性函數(shù)，因而交換機(jī)總是試圖避免隊(duì)列溢出。當(dāng)sl＝0.0，ss＝1.0且su＝0.0時(shí)，帶寬的分配完全基于如上述的偽靜態(tài)分配。最后，當(dāng)sl＝0.0，ss＝1.0且su＝0.5時(shí)，帶寬的分配基于偽靜態(tài)分配，但當(dāng)需求發(fā)生時(shí)，通過在適當(dāng)?shù)男旁^中設(shè)置緊急性比特，允許一個(gè)數(shù)據(jù)源更強(qiáng)烈地“推壓”一些數(shù)據(jù)。
圖7是基于上述原理的一個(gè)小型交換機(jī)的框圖。由圖可見隊(duì)列、列表及表目內(nèi)容的準(zhǔn)確數(shù)量。在圖7中，有兩個(gè)入口路由器71和72、一個(gè)中心縱橫交換機(jī)73和兩個(gè)出口路由器74和75。每一個(gè)入口路由器有兩個(gè)低帶寬輸入端口，其中，路由器71的端口是A和B，路由器72的端口是C和D。如前所述，每一個(gè)入口路由器有一入口端口表和一出口端口表，如77是路由器72的入口端口表，78是一出口端口表，由此，中心交換機(jī)73具有一個(gè)中心分配表79。假設(shè)每一個(gè)低帶寬端口可傳輸1Gbps信息量，每一個(gè)高帶寬鏈路可能載有2Gbps數(shù)據(jù)，且要求該交換機(jī)保證下述帶寬分配流量帶寬 目的端口(Gbps) A B C DA 0.5 0.1 0.1 0.2B 0.2 0.2 0.2 0.2C -0.5-0.2D 0.1 0.1 0.6 0.2于是，由連接許可及控制處理器將用以下4比特值建立入口端口表(如77)、出口端口表(如78)以及中心分配表79(在此請注意，由于4比特加權(quán)值的分辨率有限，將存在舍入誤差)入口端口表 入口端口表(路由器71中) (路由器72中)信源 信源ABABA15 6 A03B36 B15 3C36 C015D66 D65
出口端口表出口端口表(路由器71中) (路由器72中)信源 信源AB CDA15 A2B6 B12C6 C12D8 D12中心分配表目的路由器ABCB信源 AB1510CD101權(quán)利要求
1.一種用于數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)交換裝置中調(diào)度與仲裁的方法，在這種裝置中，一中心交換機(jī)在主控制器的控制下為若干個(gè)高帶寬端口提供相互之間的交叉連接，入口復(fù)接器在中心交換機(jī)的入口端與高帶寬端口相連，每一高帶寬輸入端口相對于一個(gè)入口復(fù)接器；出口復(fù)接器在中心交換機(jī)的出口端與高帶寬端口相連，每一個(gè)高帶寬輸出端口相對于一個(gè)出口復(fù)接器，每一個(gè)入口復(fù)接器包括一組為N個(gè)低帶寬數(shù)據(jù)源服務(wù)的N個(gè)輸入隊(duì)列、以及一組M個(gè)虛擬輸出隊(duì)列，每一個(gè)低帶寬輸出數(shù)據(jù)源相對于一個(gè)虛擬輸出隊(duì)列，其特征在于，調(diào)度與仲裁裝置包括三個(gè)帶寬分配表一個(gè)與輸入隊(duì)列相關(guān)的入口端口表，具有N×M個(gè)表目，每一表目用于為一個(gè)特定的虛擬輸出隊(duì)列規(guī)定帶寬分配；一個(gè)與該虛擬輸出隊(duì)列相關(guān)的出口端口表，具有M個(gè)表目，每一表目用于對一個(gè)虛擬輸出隊(duì)列規(guī)定該中心交換機(jī)的高帶寬端口的帶寬分配；及一個(gè)位于該主控制器內(nèi)的中心分配表，該表具有(M/N)2個(gè)表目，每一表目分別規(guī)定分配給每一個(gè)通過該中心交換機(jī)之可能的連接的加權(quán)值。
2.如權(quán)利要求1所述的調(diào)度與仲裁裝置，其特征在于，輸入隊(duì)列的調(diào)度是根據(jù)N路加權(quán)循環(huán)來實(shí)現(xiàn)的，其中，N等于輸入隊(duì)列數(shù)。
3.如權(quán)利要求2所述的調(diào)度與仲裁裝置，其特征在于，N路加權(quán)循環(huán)是通過N.(2W-1)路未加權(quán)循環(huán)來實(shí)現(xiàn)的，其中W是定義加權(quán)值的比特?cái)?shù)，采用通過交織N個(gè)字而建立的請求矢量列表，每個(gè)字為(2W-1)比特，每個(gè)字中有Wn個(gè)1，其中Wn為隊(duì)列n的加權(quán)值。
4.如權(quán)利要求3所述的調(diào)度與仲裁裝置，其特征在于，該請求矢量列表被劃分成多個(gè)16比特循環(huán)塊，一個(gè)塊相對于復(fù)接器中的每一個(gè)隊(duì)列；為每一個(gè)循環(huán)塊建立一個(gè)指針，在相應(yīng)的位單元，對應(yīng)于當(dāng)前指針的循環(huán)塊具有一個(gè)“1”，而其他所有的指針則初始化為零，且每一循環(huán)塊被啟動(dòng)，以識別在請求矢量列表中發(fā)現(xiàn)下一個(gè)“1”的循環(huán)塊。
5.如權(quán)利要求1所述的調(diào)度與仲裁裝置，其特征在于，入口端口表、出口端口表以及中心分配表都是根據(jù)一個(gè)外部信源而被編程的。
6.如權(quán)利要求5所述的調(diào)度與仲裁裝置，其特征在于，該外部信源使用局部參數(shù)定義虛擬輸出隊(duì)列的長度和虛擬輸出隊(duì)列的緊急性。
7.如權(quán)利要求6所述的調(diào)度與仲裁裝置，其特征在于，該外部信源使用一組與長度、加急及偽靜態(tài)帶寬分配相關(guān)的敏感度參數(shù)。
8.一種數(shù)字交換裝置，其特征在于采用以上權(quán)利要求之任一項(xiàng)所述的調(diào)度與仲裁裝置。
全文摘要
一種用于數(shù)字交換系統(tǒng)中的調(diào)度與仲裁裝置,該系統(tǒng)包括由主控制器控制的一個(gè)中心交換機(jī),它為若干個(gè)高帶寬輸入及輸出端口提供相互之間的交叉連接。在該交換機(jī)的入口端設(shè)置若干個(gè)入口復(fù)接器,每一高帶寬輸入端口相對于一個(gè)入口復(fù)接器;而在該交換機(jī)的出口端有若干個(gè)出口復(fù)接器,每一個(gè)高帶寬輸出端口相對于一個(gè)出口復(fù)接器。每一個(gè)入口復(fù)接器包括一組為N個(gè)低帶寬數(shù)據(jù)源服務(wù)的N個(gè)輸入隊(duì)列、以及一組M個(gè)虛擬輸出隊(duì)列,每一個(gè)低帶寬輸出數(shù)據(jù)源相對于一個(gè)虛擬輸出隊(duì)列。該調(diào)度與仲裁裝置包括三個(gè)帶寬分配表,其中之一是入口端口表,它與輸入隊(duì)列相關(guān),具有N×M個(gè)表目,每一表目用于為一個(gè)特定的虛擬輸出隊(duì)列規(guī)定帶寬分配。第二表是出口端口表,它與該虛擬輸出隊(duì)列相關(guān),具有M個(gè)表目,每一表目用于對一個(gè)虛擬輸出隊(duì)列規(guī)定該中心交換機(jī)的高帶寬端口的帶寬分配。第三表是中心分配表,它處于該主控制器內(nèi)并具有(M/N)
文檔編號H04L12/56GK1338168SQ99814689
公開日2002年2月27日 申請日期1999年12月1日 優(yōu)先權(quán)日1998年12月22日
發(fā)明者馬雷克·斯蒂芬·皮耶卡爾斯基, 伊恩·戴維·約翰遜 申請人:鮑爾·?？怂褂邢薰?