一种新型的严格无阻塞交换网络的制作方法

本申请属于数据交换网络技术领域，具体地说，涉及一种新型的严格无阻塞交换网络。

背景技术：

随着通信技术的迅速发展，数据交换被广泛应用。传统交换技术，如crossbar和clos网络，在某些场景下，因其交换结构庞大，级联走线复杂，硬件成本过高等，制约着人们的选择。

例如：传统的三级clos网络是一个三层交换网络，如图10所示，第一层由r个nxm组成，称为输入层；第二层由m个rxr组成，称为中间层；第三层由r个mxn组成，称为输出层。每个输入层交换单元和每个中间层交换单元之间有且仅有一个链接相连，每个中间层交换单元和每个输出层交换单元之间有且仅有一个链接相连，但是输入层交换单元和输出层交换单元没有链接。当m≥2n-1时，该三层clos网络为严格无阻塞网络。

严格的无阻塞网络是指不管网络处于何种状态，任何时刻都可以在交换网络中建立一个连接，只要这个连接的起点、终点是空闲的，而不会影响网络中已建立起来的连接。

技术实现要素：

有鉴于此，本申请所要解决的技术问题是提供了一种新型的严格无阻塞交换网络，结构精巧，级联走线巧妙，能够满足严格无阻塞网络的要求。

为了解决上述技术问题，本申请公开了一种新型的严格无阻塞交换网络，并采用以下技术方案来实现。

一种新型的严格无阻塞交换网络，包括主交换模块和端交换模块；所述主交换模块包括8个nxn中心交换模块；所述端交换模块包括2个2nx2n交换模块；所述n为4的倍数；在连接关系上，所述主交换模块位于中间，所述2个交换模块分列所述主交换模块的两侧，且所述2个交换模块分别与所述主交换模块连接；所述中心交换模块之间相互连接。

所述8个中心交换模块在连接关系上呈两列四行排列；

每个所述中心交换模块分别设有：

n/2个外入通道：与所述交换网络外部连接的入通道；

n/2个内入通道：与所述交换网络内部连接的入通道；

以及n个内出通道：与所述交换网络内部连接的出通道；

每个所述交换模块设有与所述交换网络内部连接的2n个内入通道以及与所述交换网络外部连接的2n个外出通道。

每个所述中心交换模块的内入通道分别与其相对列的所述中心交换模块的内出通道连接；每个所述中心交换模块n/2个内出通道分别与其相对列的所述中心交换模块的内入通道连接，另外n/2个内出通道与其所在列的所述交换芯片的内入通道连接。

所述8个nxn中心交换模块分别为中心交换模块(1a)、中心交换模块(2a)、中心交换模块(3a)、中心交换模块(4a)、中心交换模块(1b)、中心交换模块(2b)、中心交换模块(3b)和中心交换模块(4b)；连接关系上，左列从上向下依次为所述中心交换模块(1a)、所述中心交换模块(2a)、所述中心交换模块(1b)和所述中心交换模块(2b)，右列从上向下依次为所述中心交换模块(3a)、所述中心交换模块(4a)、所述中心交换模块(3b)和所述中心交换模块(4b)；所述2个2nx2n交换模块分别为交换模块(5)和交换模块(6)；在连接关系上，所述交换模块(5)位于所述主交换模块的左侧，所述交换模块(6)位于所述主交换模块的右侧；所述中心交换模块(1a)和所述中心交换模块(2a)的n/4个内入通道和n/4个内出通道分别与所述中心交换模块(3a)和所述中心交换模块(4a)的n/4个内出通道及n/4个内入通道相连；所述中心交换模块(1b)和所述中心交换模块(2b)的n/4个内入通道和n/4个内出通道分别与所述中心交换模块(3b)和所述中心交换模块(4b)的n/4个内出通道及n/4个内入通道相连；所述中心交换模块(1a)和所述中心交换模块(2a)的n/2个内出通道分别与所述交换模块(5)的n/2个内入通道相连；所述中心交换模块(3a)和所述中心交换模块(4a)的n/2个内出通道分别与所述交换模块(6)的n/2个内入通道相连；所述中心交换模块(1b)和所述中心交换模块(2b)的n/2个内出通道分别与所述交换模块(5)的n/2个内入通道相连；所述中心交换模块(3b)和所述中心交换模块(4b)的n/2个内出通道分别与所述交换模块(6)的n/2个内入通道相连。。

与现有技术相比，本申请可以获得包括以下技术效果：精简了交换架构，降低了级联走线的数量和难度，降低了硬件成本，提高了交换时选择路由的灵活性。

当然，实施本申请的任一产品必不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是本申请一个实施例的4nx4n交换网络示意图。

图2是本申请一个实施例的16x16交换网络示意图。

图3是本申请图2实施例的16x16交换网络详细结构图。

图4是本申请第一种8x8交换网络示意图。

图5是本申请第二种8x8交换网络示意图。

图6是本申请第一种4x4交换网络示意图。

图7是本申请第二种4x4交换网络示意图。

图8是本申请第一种4x4交换网络详细结构图。

图9是本申请16x16交换网络的光通信设备通信示意图。

图10是传统三级clos交换网络(即16x16交换网络)示意图。

具体实施方式

以下将配合附图及实施例来详细说明本申请的实施方式，藉此对本申请如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。

一种新型的严格无阻塞交换网络，如图1所示，为4nx4n交换网络，包括主交换模块和端交换模块。主交换模块包括8个nxn中心交换模块，且n必须为4的倍数；端交换模块包括2个2nx2n交换模块，且n必须为4的倍数。8个nxn中心交换模块在交换网络的连接关系上呈两列四行排列。nxn中心交换模块表示该中心交换模块设有n个入通道和n个出通道，2nx2n交换模块表示该交换模块设有2n个入通道和2n个出通道。其中8个nxn中心交换模块分别设有与交换网络外部连接的n/2个外入通道和与交换网络内部连接的n/2个内入通道以及与交换网络内部连接的n个内出通道。两个2nx2n交换模块，即2nx2n交换模块(5)和2nx2n交换模块(6)，分列交换网络的两侧(即8个中心交换模块阵列的两侧)，且分别设有与交换网络内部连接的2n个内入通道以及与交换网络外部连接的2n个外出通道。

在中国专利文献cn201410661871(一种实现严格无阻塞的交换网络)-中，公开一种具有6个nxn交换芯片的严格无阻塞交换网络，此交换网络再32x32交换网络时具有比其他传统交换网络更好的优势，比如精简交换架构，降低级联走线的数量和难度。但是这种交换网络应用范围窄，在仅有nxn交换模块的情况下，想要搭建4nx4n的交换网络时，需要6个2nx2n的中心交换芯片；而每个2nx2n的中心交换芯片又需要6个nxn中心交换芯片来搭建；因此，共需要6x6＝36个nxn交换芯片，非常冗长。

而本申请8个nxn中心交换模块和2个2nx2n交换模块的设计，则能有效精简交换架构。只需要8个nxn中心交换模块和2个2nx2n交换模块，而每个2nx2n交换模块又需要6个nxn交换模块来搭建，这样共需要8+6x2＝20个nxn交换模块。

因此，本申请相对于专利文献cn201410661871中的方案，在使用nxn交换模块搭建4nx4n的交换网络时，能够大幅度降低所使用交换模块的数量，进一步精简交换架构、降低级联走线的数量。

每个中心交换模块与交换网络内部连接的n/2个内入通道均与相对列的中心交换模块的内出通道连接。每个中心交换模块n个内出通道中有n/2个与相对列的中心交换模块的内入通道连接，另外n/2个内出通道与其所在列的2nx2n交换芯片的内入通道连接。

具体为：8个nxn中心交换模块分别为1a、2a、3a、4a、1b、2b、3b、4b。左列从上向下依次为1a、2a、1b和2b，右列从上向下依次为3a、4a、3b和4b。nxn中心交换模块(1a)和nxn中心交换模块(2a)的n/4个入通道和n/4个出通道分别与nxn中心交换模块(3a)和nxn中心交换模块(4a)的n/4个出通道及n/4个入通道相连；nxn中心交换模块(1b)和nxn中心交换模块(2b)的n/4个入通道和n/4个出通道分别与nxn中心交换模块(3b)和nxn中心交换模块(4b)的n/4个出通道及n/4个入通道相连；nxn中心交换模块(1a)和nxn中心交换模块(2a)的n/2个出通道分别与2nx2n交换模块(5)的两组n/2个入通道相连；nxn中心交换模块(3a)和nxn中心交换模块(4a)的n/2个出通道分别与2nx2n交换模块(6)的两组n/2个入通道相连；nxn中心交换模块(1b)和nxn中心交换模块(2b)的n/2个出通道分别与2nx2n交换模块(5)的两组n/2个入通道相连；nxn中心交换模块(3b)和nxn中心交换模块(4b)的n/2个出通道分别与2nx2n交换模块(6)的两组n/2个入通道相连。

中心交换模块和交换模块均可是符合要求的交换芯片。

下面以n＝4为例，进行详细说明：

参照图2，采用8个4x4交换芯片，和2个8x8芯片，实现一个交叉规模为16x16的严格无阻塞交换网络。其中4x4交换芯片为4通道入和4通道出，能够实现4x4的交换结构。8x8交换芯片为8通道入和8通道出，能够实现8x8的交换结构。

16x16交换网络总体说明如下：

16x16交换网络由8个4x4交换芯片和2个8x8交换芯片互联而成。其中，16个入通道分别分布在编号为1a、2a、3a、4a、1b、2b、3b、4b的八个4x4交换芯片上，16个出通道分别分布在编号为5、6的两个8x8交换芯片上。为描述清晰，以下将16个与交换网络外部相连的入通道标记为in1～in16，16个与交换网络外部相连的出通道标记为out1～out16，标记后的交换网络如图3所示。

每个4x4交换芯片都设有4个入通道和4个出通道，每个8x8交换芯片都设有8个入通道和8个出通道，其中的交换芯片1a、交换芯片2a、交换芯片3a、交换芯片4a、交换芯片1b、交换芯片2b、交换芯片3b、交换芯片4b分别设有与交换网络外部连接的2个入通道，标记分别为in1～in2、in3～in4、in5～in6、in7～in8、in9～in10、in11～in12、in13～in14、in15～in16；还分别设有与交换网络内部连接的2个入通道以及与交换网络内部连接的4个出通道；交换芯片5和交换芯片6分别设有与交换网络外部连接的8个出通道，标记分别为out1～out8和out9～out16，还设有与交换网络内部连接的8个入通道；其中交换芯片1a和交换芯片2a的2个入通道和2个出通道分别与交换芯片3a和交换芯片4a的2个出通道及2个入通道相连；交换芯片1a和交换芯片2a的2个出通道分别与交换芯片5的两组2个入通道相连；交换芯片3a和交换芯片4a的2个出通道分别与交换芯片6的两组2个入通道相连；其中交换芯片1b和交换芯片2b的2个入通道和2个出通道分别与交换芯片3b和交换芯片4b的2个出通道及2个入通道相连；交换芯片1b和交换芯片2b的2个出通道分别与交换芯片5的两组2个入通道相连；交换芯片3b和交换芯片4b的2个出通道分别与交换芯片6的两组2个入通道相连。

以上16x16交换网络严格无阻塞证明：对于一种交换网络，严格无阻塞是指不管采用何种选路策略，都不存在任何阻塞状态。并且本发明所提到的严格无阻塞，只限单播。单播是指，在一种交换网络中，任何一路输入最多只交换到一路输出。

要证明图3所示的16x16交换网络是严格无阻塞的，证明思路如下：

1.剖析该网络的结构特点，并对该网络模型进行拆解，将16x16交换网络拆分为两个8x8交换网络结构，8x8的交换网络结构图见图4和图5。如果证明了该8x8交换网络是严格无阻塞的，那么两个8x8交换网络构成的16x16交换网络也是严格无阻塞的，因为两个8x8交换网络各自在做交换，互不影响。

2.要证明图4和图5所示的8x8交换网络是严格无阻塞的，可以先对8x8交换网络进行拆解，拆解成如图6和图7所示的两个4x4交换网络。如果证明了两个4x4交换网络是严格无阻塞的，那么两个4x4交换网络构成的8x8也是严格无阻塞的，因为两个4x4各自在做交换，互不影响。

3.因此，要证明16x16交换交换网络是严格无阻塞的，只要证明图6和图7所示的两个4x4交换网络是严格无阻塞的即可。

分析图6和图7所示的两个4x4交换网络，可以看出图6的4x4交换网络水平翻转180度，即可得到图7所示的4x4交换网络。因此只要证明出图6所示的4x4交换网络是严格无阻塞的，那么图7所示的4x4交换网络同样是严格无阻塞的。

为证明图6所示网络，对图6所示的交换网络进行详细标注，详细结构图如图8所示。

参照图8，标记in1、in2、in3、in4分别为编号1、2、3、4的4x4交换芯片的入端口；标记out1、out2、out3、out4分别为编号5、6的4x4交换芯片的出端口。

依次列出以上四个入端口到两个出端口，所有可能的链路如下：

全交叉时，四个入端口到两个出端口的可能组合如下：

以第一种组合in1-->5，in2-->6，in3-->5，in4-->6为例，列出如下可选的链路：

in1-->5可选的链路为：1-5或1-4-2-5；

in2-->6可选的链路为：2-3-6或2-3-1-4-6；

in3-->5可选的链路为：3-1-5或3-1-4-2-5；

in4-->6可选的链路为：4-6或4-2-3-6。

选路时，注意以下几点：

a.遵循最短路径优先的原则。

b.因4x4交换网络自身结构限制，相连两个4x4交换芯片间的链路只有一条。

c.无论四个入端口中哪一个先选路，哪一个后选路，只有四个入端口都选路成功，才算成功。

假设四个入端口的选路顺序为in1-->5，in2-->6，in3-->5，in4-->6，依据以上a、b、c中所述的三点，最终链路为：

in1-->5选择的链路为：1-5；

in2-->6选择的链路为：2-3-6；

in3-->5选择的链路为：3-1-4-2-5；

in4-->6选择的链路为：4-6。

同理，四个入端口的其它选路顺序，也都能选路成功。因此该组合(in1-->5，in2-->6，in3-->5，in4-->6)能选路成功。同理，其它的几种组合也都能选路成功，因此，图8和图6所示的4x4交换网络是严格无阻塞的。

由于图7所示的4x4交换网络是图6所示的4x4交换网络水平翻转180度的结果，并且图6所示的4x4交换网络是严格无阻塞的，所以图7所示的4x4交换网络也是严格无阻塞的。图6和图7所示的两个4x4交换网络组合起来，即可得到图5所示的8x8交换网络，由于两个4x4交换网络严格无阻塞，因此图5所示的8x8交换网络也是严格无阻塞的。图4所示的交换网络，与图5本质一样，只是名称不同，因此图4所示的8x8交换网络也是严格无阻塞的。图4和图5所示的两个8x8交换网络组合起来，即可得到图3所示的16x16交换网络，由于两个8x8严格无阻塞，因此，图3所示的16x16交换网络也是严格无阻塞的。图3中交换芯片5为8x8，可视作2个4x4在各自做交换，交换芯片6同理。

16x16交换网络应用案例：

按照该16x16交换网络，本发明定制了一套光通信设备，如图9所示，具体设计如下：机箱，内部由四块板卡组成：一块主控卡7，一块电源卡8、一块业务卡9、一块业务卡10。主控卡上的关键处理部件为一个arm9芯片和一个fpga芯片，每块业务卡上的关键处理部件各为一个arm7芯片。每块业务卡上存在四个4x4交换芯片和1块8x8交换芯片，两块业务卡构成如图2所示16x16的交换网络，其中编号为1a、2a、1b、2b、5的五个交换芯片在一块业务卡上，编号为3a、4a、3b、4b、6的五个交换芯片在另一块业务卡上。设备的对外接口为主控卡上的网口，电脑通过网口来控制该设备。

电脑通过网口与主控卡上的arm9芯片进行通信控制，主控卡上的arm9芯片与fpga芯片通过spi进行通信控制，主控卡上的fpga芯片与两块业务卡上的arm7芯片通过串口进行通信控制，每块业务卡上的arm7芯片都是通过iic控制各自的三个交换芯片进行交换。

当要进行交换时，流程如下：首先由电脑端生成交换数据，通过网口发送给主控卡上的arm9芯片，然后arm9芯片进行路由运算，计算出要切换的具体链路数据，通过spi发送给主控卡上的fpga芯片，接着fpga芯片通过串口将要切换的具体链路数据发送给两块业务卡上的arm7芯片，最后每块业务卡上的arm7芯片通过iic控制相应的交换芯片进行交换，以实现最终的交换。

16x16交换网络应用效果：

传统的三级clos网络是一个三层交换网络，第一层由r个nxm组成，称为输入层；第二层由m个rxr组成，称为中间层；第三层由r个mxn组成，称为输出层。每个输入层交换单元和每个中间层交换单元之间有且仅有一个链接相连，每个中间层交换单元和每个输出层交换单元之间有且仅有一个链接相连，但是输入层交换单元和输出层交换单元没有链接。当m≥2n-1时，该三层clos网络为严格无阻塞网络。

用传统的clos网络搭建而成的16x16严格无阻塞交换网络详细结构，如图10所示。

使用本申请中16x16交换网络的光通信设备和使用传统clos16x16交换网络的光通信设备，两种设备指标对比情况如下表：

从以上对比发现，采用本发明的16x16交换网络定制的设备，只需要8个4x4交换芯片和2个8x8交换芯片，硬件成本降低了；级联走线只需32条，降低了走线的数量和难度；而且交换时选择路由的灵活性提高了。

本申请的有益效果是：精简了交换架构，降低了级联走线的数量和难度，降低了硬件成本，提高了交换时选择路由的灵活性。

以上对本申请实施例所提供的一种新型的严格无阻塞交换网络，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求的保护范围内。