专利名称：：大容量高性能叠层交换的方法
技术领域：
：本发明涉及通信领域中的一种大容量高性能叠层交换的方法。本发明适用于ATM网络高速交换、IP网络高速交换、光纤互联网络高速交换和其它需要高速交换、高速复/分接等场合，特别适合新一代大容量高速宽带网络核心交换。
背景技术：
：随着技术的发展和进步，各种高速交换网络越来越多，例如ATM网络、IP网络、光纤互联网络和其它高速网络，它们都需要一个大容量高速高性能的核心交换结构交换处理数据。传统的交换结构一般分为时分结构和空分结构两大类。时分结构的基本特征是所有的输入输出端口共享一条高速的信息通道，这条高速的信息通道可以是共享存储器或者共享媒介。空分结构的基本特征是在多路输入输出端口可以同时平行地传递信元。空分结构又可以分为单通道和多通道。单通道是指从一个输入端口到任一输出端口只有一条通道，主要有基于Crossbar的无内部阻塞结构和基于多层互联网络(MIN)的有内部阻塞的结构。多通道是指一个输入端口到任一个输出端口之间存在着多条通道，主要有扩展Banyan、Bense和多平面结构。现在广泛采用的是共享存储器结构和输入缓存+CROSSBAR交换结构。共享存储器结构需要处理时钟N倍于端口速率，输入缓存+CROSSBAR交换结构单端口传输存在阻塞和限制。
发明内容本发明所要解决的技术问题在于避免上述
背景技术：
中的不足之处而提供一种将时分结构和空分结构紧密结合的交换结构实现大容量高性能叠层交换的方法。本发明还具有交换容量大、无阻塞、不需加速、交换时延小、支持组播和通播、支持优先级、可用硬件电路单芯片实现、方便级联和扩展、N路可灵活配置等特点。本发明所要解决的技术问题由以下技术方案实现，它包括下步骤①在一个包括数据输入层和数据输出层的交换网络中，设置N行xN列个交换因子，交换因子进行缓存及交换信元数据，N行xN列个交换因子彼此相互独立，N为大于1的自然数；②数据输入层将输入的N行数据流连接到对应行的N个交换因子的输入端口，由输入控制器控制交换因子依据输入信元的输出信元类型、输出端口信息和组播输出信息接收该交换因子应该接收的信元，由该交换因子将其接收的信元数据缓存，等候发送；③交换因子监测其内部缓存的信元数据，依据要发送的信元数据的优先级和其缓存信元的深度，计算出交换因子的输出权重，向数据输出层的输出仲裁器发出请求，请求发送信元；④数据输出层中N列的输出仲裁器并行工作，分别处理N列交换因子的输出请求，每个输出仲裁器接收该列中N个交换因子的输出请求，依据请求输出的N个交换因子的输出权重，找到输出权重最大的交换因子并通知该交换因子，该交换因子收到通知后控制输出数据，数据输出层将该输出数据发送到输出数据流中，完成大容量高性能叠层交换。本发明第③步中所述的交换因子内部缓存采用双端口RAM电路。本发明第④步中所述的输出仲裁器采用最快二分法算法计算，在Log2N个时钟周期内找到输出权重最大的交换因子。本发明与
背景技术：
相比，具有以下优点1)交换容量大本发明叠层交换每个端口的数据量传输限制取决于交换因子的输入输出速率。交换因子本身支持并行的8位、16位、32位、64位、128位数据带宽输入和输出。按照64位并行数据写入，频率120MHz计算，一个16x16交换矩阵的容量为64xl20Mxl6=122.88G。同时随着硬件工艺不断提高，叠层交换的交换容量还可以进一步增大。2)无输入输出阻塞本发明N路可并行的将输入数据写入相对应的交换因子进行缓存，所以不存在输入组赛(外部阻塞)。同样，N路中的每一路输出数据都可以选择一个交换因子进行数据输出(除非这一列交换因子中全部没有信元需要输出)，并且N路可并行进行，所以也不存在输出阻塞，即不存在内部阻塞。因此叠层交换结构完全消除了外部阻塞和内部阻塞。3)处理时钟不需要加速本发明叠层交换的处理速率等同于端口的数据传输速率，所以不需要进行加速。4)交换时延小本发明一个信元穿越交换结构的时延t3=tl+t2，这就是交换结构的交换时延。信元自带的输出端口信息位于信元的头部，这样tl仅为一个时钟周期。权重算法可以使t2仅为bg2N个时钟周期。所以叠层交换的交换时延非常小，只有log2N+l个时钟周期。5)支持通播和组播本发明通播和组播的信元可以由输入控制器控制送往多个要输出的交换因子中，如果通播和组播数据量特别大，那么还可以通过增加专门的通播组播通道来实现通播和组播功能，然后由输出仲裁器的算法进行统一仲裁，这种交换结构本身自带支持组播和通播。6)扩展和级联能力强本发明M个叠层交换并联起来可以将每个端口的交换同量提高M倍，大大提高交换矩阵的交换容量。同时支持多层互联网络和多平面扩展级联。图1是本发明当N二3时的实施例原理示意图。图1中叠层交换包括数据输入层、数据输出层、输入控制器、输出仲裁器、交换因子。图2是本发明当N=8时的实施例原理结构图。图2中叠层交换包括数据输入层、数据输出层、输入控制器、输出仲裁器、交换因子。具体实施例方式参照图1、图2，图1是本发明当N=3时的实施例原理示意图。图1中叠层交换包括数据输入层、数据输出层、输入控制器、输出仲裁器、交换因子。图2是本发明当N=8时的实施例原理结构图。图2中叠层交换包括数据输入层、数据输出层、输入控制器、输出仲裁器、交换因子。下面以一个8*8的叠层交换结构(N=8)举例进行描述，如图2所示，本发明包括步骤①在一个包括数据输入层和数据输出层的交换网络中，设置N行xN列个交换因子，交换因子进行缓存及交换信元数据，N行xN列个交换因子彼此相互独立，N为大于1的自然数。本发明实施例信元结构如下表所示:<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>②数据输入层将输入的N行数据流连接到对应行的N个交换因子的输入端口，由输入控制器控制交换因子依据输入信元的输出信元类型、输出端口信息和组播输出信息接收该交换因子应该接收的信元，由该交换因子将其接收的信元数据缓存，等候发送。实施例输入层设计输入层为一对多，即每一路输入数据对应于8个交换因子的数据输入，并且这8个交换因子在同一行。同时这一路的输入控制器控制着输入数据的流向，依据到来到的信元去往的方向(依据信元自带的信元类型、输出端口信息和组播输出信息)，输入控制器控制着输入数据缓存到不同的交换因子OO，01，...07内部。③交换因子监测其内部缓存的信元数据，依据要发送的信元数据的优先级和其缓存信元的深度，计算出交换因子的输出权重，向数据输出层的输出仲裁器发出请求，请求发送信元。本发明交换因子内部缓存采用双端口RAM电路。实施例双端口RAM电路采用FPGA内部的BLOCKRAM电路实现。实施例交换因子交换因子缓存输入层送来的数据直到输出层将其存储的数据取出并发送出。选择合适的交换因子长度L，保证发送过来的信元不超出交换因子的缓存能力。输入控制器可以产生反压控制信号，如果交换因子缓冲区将要溢出时应向发送端送回反压控制信号，以使交换因子内部缓存不至于溢出。同时，交换因子还可以根据信元优先级进行信元丢弃。④数据输出层中N列的输出仲裁器并行工作，分别处理N列交换因子的输出请求，每个输出仲裁器接收该列中N个交换因子的输出请求，依据请求输出的N个交换因子的输出权重，找到输出权重最大的交换因子并通知该交换因子，该交换因子收到通知后控制输出数据，数据输出层将该输出数据发送到输出数据流中，完成大容量高性能叠层交换。本发明输出仲裁器采用最快二分法算法计算，在L0g2N个时钟周期内找到输出权重最大的交换因子。实施例输出层设计输出层为多对一，即每一列的8个交换因子对应于一路输出数据的输出，例如第一列交换因子OO，10，...70对应于第0路数据的输入。这8个交换因子向输出仲裁器发出申请，输出仲裁器得到这些申请后，依据一定的算法决定哪个交换因子能够得到授权，然后由该交换因子占用输出端口进行数据发送。实施例输出仲裁:每个交换因子的最大存储长度为L,某一时刻其中存储的信元的个数为Q(0<=Q<=L)，那么这列8个交换因子的存储的信元的个数依次为Q00,QOO,...,Q70,依据Q和信元的优先级算出每一个交换因子的输出的权重，然后按照权重进行排队比较，选择权重最大的那一路交换因子进行输出，如此循环往复。实施例输出仲裁器算法最快二分法是一种能够快速找到一组数据中最大值的算法，将一组数据中的数据先两两进行比较，然后将比较出的最大值继续两两进行比较，直至找到最大值进行输出。最快二分法能够快速找到最大权重的交换因子，对于N个交换因子，一共只需要Log2N个时钟周期就能找到最大值。权利要求1.一种大容量高性能叠层交换的方法，其特征在于包括步骤①在一个包括数据输入层和数据输出层的交换网络中，设置N行×N列个交换因子，交换因子进行缓存及交换信元数据，N行×N列个交换因子彼此相互独立，N为大于1的自然数；②数据输入层将输入的N行数据流连接到对应行的N个交换因子的输入端口，由输入控制器控制交换因子依据输入信元的输出信元类型、输出端口信息和组播输出信息接收该交换因子应该接收的信元，由该交换因子将其接收的信元数据缓存，等候发送；③交换因子监测其内部缓存的信元数据，依据要发送的信元数据的优先级和其缓存信元的深度，计算出交换因子的输出权重，向数据输出层的输出仲裁器发出请求，请求发送信元；④数据输出层中N列的输出仲裁器并行工作，分别处理N列交换因子的输出请求，每个输出仲裁器接收该列中N个交换因子的输出请求，依据请求输出的N个交换因子的输出权重，找到输出权重最大的交换因子并通知该交换因子，该交换因子收到通知后控制输出数据，数据输出层将该输出数据发送到输出数据流中，完成大容量高性能叠层交换。2.根据权利要求1所述的大容量高性能叠层交换的方法，其特征在于第③步中所述的交换因子内部缓存采用双端口RAM电路。3.根据权利要求1所述的大容量高性能叠层交换的方法，其特征在于第④步中所述的输出仲裁器采用最快二分法算法计算，在Log2N个时钟周期内找到输出权重最大的交换因子。全文摘要本发明公开了一种大容量高性能叠层交换的方法。它涉及通信领域中的一种高速大容量的核心交换技术。本发明将N路输入数据的处理作为一个交换层，交换后的N路数据输出作为另外一个层，两个层通过N×N个交换因子相联系，通过对两个层和交换因子的控制达到无阻塞大容量高速交换。本发明还具有交换容量大，能达到100G以上；无外部阻塞和内部阻塞；交换时钟等同于端口时钟速率，不需加速；交换时延小；完全支持组播和通播；支持优先级交换；可用硬件电路单芯片实现；可方便的进行级联和扩展等优点。它适用于ATM网络高速交换、IP网络高速交换、光纤互联网络高速交换和其它需要高速交换、高速复/分接等场合，特别适合新一代大容量高速宽带网络核心交换。文档编号H04L12/54GK101106732SQ200710062028公开日2008年1月16日申请日期2007年6月1日优先权日2007年6月1日发明者崔生保,张惠峥,郭金鹏申请人:中国电子科技集团公司第五十四研究所