基于clos交换网络的数据包切分和重组的系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及通信技术领域，具体来讲是一种基于CLOS交换网络的数据包切分和重组的系统及方法。
【背景技术】
[0002]基于信元的CLOS交换网络具有无阻塞，可扩展和大容量的特点，目前已成为交换芯片的主流。CLOS交换网络包含IM (Input Module，输入模块)，CM (Central Module，中间模块)和OM(Output Module，输出模块)，他们可组成3级的CLOS结构，并且可以很容易得扩展成5级CLOS结构。采用折叠方式，IM和OM的功能可在一块芯片内实现，而CM的功能则在另一块芯片中实现。
[0003]以太网数据包(Packet)是变长的，且最大包长可能达到16000字节，在交换芯片中基于数据包进行交换会带来较大的延时，并且需要很大的存储空间来缓存最大数据包。为了提高延时性能和减少缓存容量，目前主流的CLOS交换网络中都是以信元(CELL)为基本单位进行交换的，IM需完成把数据包切分成信元送往CM，CM完成信元的交换，OM则需要把信元重新组成原来的数据包并输出。在传统的CLOS交换网络中，为了提高网络的性能，IM需要把同一个数据包的所有信元负载均衡的送到不同的交换平面CM。但随之也会带来问题:经过不同CM到达同一个OM的延时可能会不一样。这样可能导致数据包乱序和信元乱序，如果不做信元保序，OM将消耗大量的资源来解决这个问题。目前信元保序的主要方法是在IM给彳目兀打全局时戮，在CM和OM执行最老?目兀先出，这样就能在OM完成{目元保序，进一步完成数据包重组。把数据包切分成信元时，不仅需要保留数据包的SourceId (源序列号)，即Input Module Id (输入模块号)和Input Port (输入端口号)的组合，Destinat1n Id (目的序列号)，即 Output Module Id (输出模块号)和 Output Port (输出模块号)的组合，用于路由到达目的地；增加数据包切分必须的Packet Seq(数据包的序列号)，Fragment Id(分片的序列号)等，用于把信元还原成数据包；还需要信元保序所需的 Timestamp (时戮)。
[0004]早期的信元交换芯片，一般吞吐量较低，采用的是固定信元长度。为了提高信元交换架构的吞吐量，交换芯片一般采用较大的总线宽度和总线工作频率。随着网络需求的不断膨胀，頂接入带宽需求越来越大，目前已由几十G到了上百G，甚至五六百G ;单个CM的交换容量需求也达到了 IT以上。核心工作频率受限于芯片工艺，不能无限制的提高。采用更高的总线宽度只能提高长数据包的吞吐量，而对于短数据包和特殊长度的数据包，是无能为力的。
[0005]具体的，参见图1所示，在传统的CLOS交换网络中，切分步骤如下:
[0006]步骤1.VOQ(Virtual Output Queue，虚输出队列)存储数据包。
[0007]步骤2.队列调度器采用合适的调度算法从不同的VOQ中读取数据包，调度算法可以采用WDRR(Weighted Deficit Round Robin，加权差额轮询)等算法。
[0008]步骤3.把取出的数据包切成固定长度数据信元分片。
[0009]由于，信元交换都是采用的定长信元的方式，即把数据包切分封装进定长的信元，即使只剩余一个字节，也会占用一个固定信元的长度，需要填充大量无效内容。这种方式效率及其低下，特别是对于一些特殊包长，因为填充了大量的无效内容，链路的利用率只能达到 50%。
[0010]另外，无论是在頂，CM还是OM，数据总线的宽度是固定的，随着接入带宽和交换容量的提升，目前的大容量芯片总线带宽设计一般较大，一般会大于64字节(512比特)。此处以1024比特的总线宽度为例，128字节(1024比特)的数据包刚好匹配，芯片总线效率最高。而对于64字节，129字节等包长，总线效率只能达到50%。为了满足这些特定长度的数据包的吞吐量要求，芯片不得不提高总线工作频率，为整个芯片设计带来了不少复杂度。如果总线工作频率无法得到满足的情况下，这些特定长度的数据包的吞吐量将成为该芯片的瓶颈。其他宽度的总线存在相同的问题。
[0011]因此亟需采用其他技术手段来提高系统效率，在现有总线宽度和总线工作频率下提尚系统吞吐量。
【发明内容】
[0012]针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于CLOS交换网络的数据包切分和重组的系统及方法，本发明提高了总线效率，在相同总线宽度和总线工作频率的情况下，能够明显提升短包和特殊长度包的吞吐量，实现了系统性能显著提升。
[0013]为达到以上目的，本发明采取的技术方案是:一种基于CLOS交换网络的数据包切分和重组的系统，所述CLOS交换网络包括若干个输入模块IM、若干个中间模块CM和若干个输出模块OM ;每个CM分别与每个IM及每个OM相连，每个IM均包括组合包调度器、变长切片单元、路由单元；每个OM均包括重组单元；其中，所述组合包调度器包括队列调度器、组合包容器和原始包缓存；队列调度器，用于将来源于同一个虚输出队列V0Q，且包长小于预设值的数据包进行组合形成组合包，打上相应标识后，发送至组合包容器；还用于将包长不小于预设值的数据包作为原始包，打上原始包标识后，发送至原始包缓存；组合包容器，用于储存组合包；原始包缓存，用于储存原始包；变长切片单元，用于从组合包容器中读取组合包或者从原始包缓存中读取原始包；将组合包或者原始包切分成若干个变长信元，为每个变长信元添加信元头后，发送至路由单元；路由单元，用于将变长信元经相应的CM发送至目标OM的重组单元；重组单元，用于根据信元头将变长信元还原为组合包或者原始包。
[0014]在上述技术方案的基础上，所述队列调度器为组合包打上pack info标识和组合包标识，其中pack info标识用于表示该组合包中数据包的数量及各数据包的包长。
[0015]在上述技术方案的基础上，所述pack info标识包括包长指示packet length和组合包结尾指示end ind ;其中，packet length用于表示组合包中各数据包的包长；endind用于指示组合包是否结束，若end ind的值为“0”，表示表示组合包未结束，后续有数据包；若end ind的值为“ 1”，表示组合包结束，后续没有数据包。
[0016]在上述技术方案的基础上，所述信元头包括有效分片Fragment Valid、源序列号Source Id、目的序列号Destinat1n Id、数据包的序列号Packet Seq、信元时戳CellTimestamp、分片序列号Fragment Id和最后分片 Last fragment ;其中，Fragment Valid，用于分片有效指示；Source Id，表示输入模块号Input Module Id和输入端口号Input Port的组合；Destinat1n Id，表不输出模块号Output Module Id和输出端口号Output Port的组合；Packet Seq，表示包的序列号；Cell Timestamp，表示信元的时戳；Fragment Id，用于区分同一个包的不同分片；Last fragment，用于表示最后一个分片指示。
[0017]本发明还公开了一种用于上述系统的基于CLOS交换网络的数据包切分和重组的方法，包括以下步骤:步骤S1.所述队列调度器将来源于同一个虚输出队列VOQ且包长小于预设值的数据包进行组合形成组合包，打上相应标识后，发送至组合包容器；将包长不小于预设值的数据包作为原始包，打上原始包标识后，发送至原始包缓存；步骤S2.变长切片单元读取组合包或者从原始包缓存中读取原始包；将组合包或者原始包切分成若干个变长信元，为每个变长信元添加信元头后，发送至路由单元；步骤S3.路由单元将变长信元经相应的中间模块CM发送至目标输出模块OM的