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      一種保證鏈路盡職工作的并行分組保序交換調(diào)度策略的制作方法

      文檔序號(hào):7589724閱讀:256來(lái)源:國(guó)知局
      專(zhuān)利名稱(chēng):一種保證鏈路盡職工作的并行分組保序交換調(diào)度策略的制作方法
      技術(shù)領(lǐng)域
      本發(fā)明涉及一種多個(gè)交換單元的并行分組交換調(diào)度策略,它不僅保證輸出鏈路的盡職工作(work-conserving),同時(shí)可以保證分組的按序交換,主要適用于高速、多端口、大容量的IP路由器/交換機(jī)。
      背景技術(shù)
      隨著傳輸技術(shù)和基于IP多業(yè)務(wù)綜合技術(shù)的發(fā)展,對(duì)干線高速路由器的分組處理能力提出了越來(lái)越高的要求,分組處理能力的限制已明顯成為制約高速路由器性能的主要因素。高速路由器由于其極高的性能和系統(tǒng)擴(kuò)充能力的要求,傳統(tǒng)的集中式報(bào)文處理與轉(zhuǎn)發(fā)的體系結(jié)構(gòu)已無(wú)法滿足報(bào)文高速處理的要求。目前國(guó)際上已有的線速路由器大都采用報(bào)文分布式處理的體系結(jié)構(gòu),由各接口電路獨(dú)立完成報(bào)文的處理與查表,通過(guò)交換網(wǎng)絡(luò)送往相應(yīng)的端口,而系統(tǒng)處理機(jī)只負(fù)責(zé)系統(tǒng)維護(hù)、路由協(xié)議的處理及路由表的維護(hù)。這種分布式處理體系結(jié)構(gòu)減輕了系統(tǒng)處理機(jī)的處理負(fù)荷,而各接口電路也只需處理到達(dá)本端口的分組,因而系統(tǒng)可以達(dá)到較高的處理能力。但是,當(dāng)接口速率達(dá)到10Gbps(STM-192)以上時(shí),按目前的技術(shù)和工藝水平,接口電路要實(shí)時(shí)可靠地完成與接口速率相適應(yīng)的分組處理仍有一定困難[1][2],高速交換網(wǎng)絡(luò)要實(shí)現(xiàn)10Gbps以上的交換傳輸速率對(duì)實(shí)現(xiàn)工藝也是一種挑戰(zhàn)[3]。要進(jìn)一步提高路由器的容量和處理能力,一方面采用新技術(shù)、新工藝提高處理模塊的處理能力,另一方面通過(guò)改進(jìn)體系結(jié)構(gòu),采用多個(gè)處理模塊的并行處理提高系統(tǒng)的處理能力。
      分布式結(jié)構(gòu)提高了高速路由器的系統(tǒng)吞吐量和可擴(kuò)展性,系統(tǒng)的處理能力主要取決于端口數(shù)量、端口處理能力和交換網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率。然而,當(dāng)鏈路速率達(dá)到10Gbps以上時(shí),交換網(wǎng)絡(luò)與接口電路難以滿足高速鏈路的傳輸速率和分組處理能力的要求。一種直觀的解決方法就是接口電路采用多個(gè)低速處理模塊并行處理的體系結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)報(bào)文的高速處理和轉(zhuǎn)發(fā)。同時(shí),交換網(wǎng)絡(luò)也采用多個(gè)低速交換網(wǎng)絡(luò)并行交換的結(jié)構(gòu)提高系統(tǒng)的分組交換能力。
      路由器線路接口接收的IP報(bào)文根據(jù)特定的調(diào)度算法分別送往各個(gè)處理模塊,各個(gè)處理模塊獨(dú)立地完成報(bào)文的處理和轉(zhuǎn)發(fā)。這樣,每個(gè)處理模塊只需處理一部分從線路接口接收的分組,對(duì)模塊的處理能力的要求不需很高,便于可靠地實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的處理功能;而通過(guò)模塊的組合即可實(shí)現(xiàn)接口IP報(bào)文的高速處理,并且系統(tǒng)具有較好的可擴(kuò)充性。圖1所示的是N個(gè)端口k個(gè)模塊組合的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)示意圖。
      這種多模塊并行處理結(jié)構(gòu)使得各模塊的報(bào)文處理負(fù)荷大大減小,可以根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)和工藝水平開(kāi)發(fā)大容量、高性能的線速路由器產(chǎn)品。由于各個(gè)處理模塊和交換網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立完成報(bào)文的處理和轉(zhuǎn)發(fā),降低了單個(gè)模塊的分組處理負(fù)荷和交換網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率,有利于系統(tǒng)數(shù)據(jù)可靠地傳輸和處理,提高系統(tǒng)的可靠性。
      為了提高并行處理系統(tǒng)的處理效率,所設(shè)計(jì)調(diào)度控制策略應(yīng)該保證系統(tǒng)為盡職工作(work-conserving)[4][5]。所謂盡職工作,就是只要系統(tǒng)中有足夠多的分組,就應(yīng)該保證輸出鏈路滿負(fù)荷輸出。而調(diào)度算法設(shè)計(jì)的不當(dāng),就會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)的“窩工”。一方面,系統(tǒng)中有分組等待,而另一方面,卻出現(xiàn)交換平面的空閑。因此,保證系統(tǒng)盡職工作的調(diào)度算法是提高并行處理系統(tǒng)效率的關(guān)鍵。但是,并行處理系統(tǒng)的引入又不可避免地帶來(lái)了分組的失序[6],而失序又會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的性能帶來(lái)嚴(yán)重影響。根據(jù)文獻(xiàn)[6],并行交換系統(tǒng)的盡職工作與分組保序交換是一對(duì)不可調(diào)和的矛盾。因此,如何在保證分組不失序的條件下盡可能提高并行交換系統(tǒng)的效率就是高速并行分組交換技術(shù)必須解決的問(wèn)題。
      為了交換控制上的需要,目前的高速路由器都采用定長(zhǎng)信元交換機(jī)制。將到達(dá)的IP報(bào)文拆分成多個(gè)固定長(zhǎng)度的分組,稱(chēng)這種固定長(zhǎng)度的分組為一個(gè)信元(不一定是ATM的信元)。在高速路由器中的存儲(chǔ)器管理、隊(duì)列調(diào)度和交換都是以信元為處理單位。因此,本發(fā)明也是處理并行交換系統(tǒng)中的信元調(diào)度問(wèn)題。
      根據(jù)高速路由器并行交換的特點(diǎn),我們認(rèn)為沒(méi)有必要真正做到并行交換系統(tǒng)各個(gè)交換單元的盡職工作,只要保證輸出鏈路的盡職工作就可以完全達(dá)到輸出排隊(duì)交換結(jié)構(gòu)相同的性能。同時(shí),還可以減少對(duì)輸出緩沖區(qū)容量的要求。與分組交換不同,定長(zhǎng)信元交換在一定的系統(tǒng)加速因子下可以實(shí)現(xiàn)保序與盡職工作。

      發(fā)明內(nèi)容
      本發(fā)明提供一種新的保證輸出鏈路盡職工作的并行分組保序交換調(diào)度策略——受限最短可能時(shí)間離去調(diào)度算法RPED(Restricted Practical Earliest Departure)。
      我們?cè)O(shè)內(nèi)部交換單元的速率為r、外部鏈路的速率為R,內(nèi)部交換單元的數(shù)量為k,定義加速因子為s=kr/R。我們可以定義外部鏈路傳輸一個(gè)信元的時(shí)間為一個(gè)時(shí)隙。對(duì)于從速率為R的外部鏈路接收到的一個(gè)信元,其內(nèi)部傳輸需要占用 個(gè)時(shí)隙。因此,任意時(shí)刻,從分路器到內(nèi)部交換單元的鏈路最多占用 個(gè),至少有 個(gè)鏈路空閑。而任意時(shí)刻,對(duì)于某一個(gè)輸出端口而言,只要有 個(gè)交換單元輸出信元,就可保證輸出鏈路滿負(fù)荷運(yùn)行。如果少于 個(gè)交換單元輸出信元,則空閑的內(nèi)部輸出鏈路數(shù)大于等于 因此,只要 就可以保證到達(dá)的信元一定能夠選擇一個(gè)交換單元,其到達(dá)時(shí)刻的內(nèi)部輸入鏈路和需要輸出時(shí)的輸出鏈路都為空閑,保證信元在特定的時(shí)隙輸出。當(dāng) 即,加速因子 即可保證輸出鏈路的盡職工作。
      本調(diào)度算法根據(jù)以上原理,并且限制任意時(shí)刻內(nèi)部輸出的鏈路數(shù)最多為 (僅當(dāng)所有交換單元中到達(dá)某個(gè)輸出端口的信元總數(shù)少于 時(shí),內(nèi)部輸出的鏈路數(shù)小于 保證信元的保序交換。由于每次到達(dá)的分組都是選擇在內(nèi)部輸出的鏈路數(shù)不超過(guò) 的條件下隊(duì)列最短的交換單元(加速因子 保證一定可以選到這種交換單元),因此,既可以保證輸出鏈路的盡職工作,又可以保證信元的先來(lái)先服務(wù)。


      下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。
      圖1分組并行交換體系結(jié)構(gòu)模型;圖2同一輸出端口緩沖區(qū)管理示意圖;圖3是本發(fā)明方法一實(shí)施例的執(zhí)行過(guò)程(三個(gè)內(nèi)部交換單元)。
      具體實(shí)施例方式
      為了內(nèi)存管理方便,我們采用定長(zhǎng)數(shù)掘塊管理存儲(chǔ)隊(duì)列,每個(gè)數(shù)據(jù)塊存儲(chǔ)一個(gè)信元,在內(nèi)部交換單元中為每個(gè)輸出端口設(shè)置一個(gè)信元存儲(chǔ)隊(duì)列。假設(shè)每個(gè)交換單元中各個(gè)輸出端口的限定最大隊(duì)列長(zhǎng)度不超過(guò)n個(gè)信元,因此可用n個(gè)數(shù)據(jù)塊(編號(hào)0~n-1)來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。
      如圖2所示,對(duì)每個(gè)輸出端口j分別設(shè)置讀、寫(xiě)指針pjr和pjw。其中,讀指針pjr用于從交換單元的緩沖區(qū)讀出數(shù)據(jù)發(fā)往輸出復(fù)用器,寫(xiě)指針pjw用來(lái)指向?qū)懭氲膬?nèi)存數(shù)據(jù)塊。任意一個(gè)輸出端口j,所有的交換單元都用同一個(gè)讀指針和寫(xiě)指針。顯然,k個(gè)交換單元,山pjr和pjw所指向的數(shù)據(jù)塊共有k個(gè)(每個(gè)單元一個(gè))。
      初始時(shí)可設(shè)pjr=0,pjw=1。由讀指針?biāo)傅膋個(gè)交換單元中如果有信元,則這些信元同時(shí)輸出(最多有 個(gè)同時(shí)輸出)。輸出完畢(需要 個(gè)時(shí)隙),修改讀指針pjr&DoubleLeftArrow;pjr+1modn.]]>若pjr=pjw,則修改寫(xiě)指針pjw&DoubleLeftArrow;pjw+1modn.]]>對(duì)于每個(gè)到達(dá)輸入端口i,目的端口為j的信元,寫(xiě)指針pjw所指向的k個(gè)數(shù)據(jù)塊中至少有 個(gè)為空閑。在這些空閑數(shù)據(jù)塊所在的交換單元中找一個(gè)與輸入端口i相連內(nèi)部輸入鏈路空閑的交換單元(當(dāng) 時(shí)必然存在),將數(shù)據(jù)送往這個(gè)空閑的交換單元。若pjw所指向的k個(gè)數(shù)據(jù)塊中已占用的數(shù)據(jù)塊個(gè)數(shù)為 時(shí),修改寫(xiě)指針pjw&DoubleLeftArrow;pjw+1modn.]]>若pjr=pjw,表示緩沖區(qū)已滿,則根據(jù)相應(yīng)的擁塞控制策略丟棄分組。
      由于限定了任意時(shí)隙最多只能有 個(gè)內(nèi)部交換單元輸出信元,因此,對(duì)每個(gè)存儲(chǔ)信元的內(nèi)存單元需要分別標(biāo)記占用和空閑兩種狀態(tài)。我們用“●”標(biāo)記內(nèi)存單元已占用。輸出時(shí),僅當(dāng)當(dāng)前內(nèi)存單元輸出標(biāo)記為“●”的交換單元才通過(guò)內(nèi)部輸出鏈路輸出信元。
      圖3是三個(gè)內(nèi)部交換單元的一個(gè)特定輸出端口緩沖區(qū)管理實(shí)施實(shí)例。對(duì)于三個(gè)交換單元(k=3),其加速因子為 由此可得內(nèi)部交換單元的速率r=0.5R。無(wú)論是從輸入端的解復(fù)用器到內(nèi)部交換單元,還是從內(nèi)部交換單元到輸出復(fù)用器的內(nèi)部鏈路,其傳輸一個(gè)信元的時(shí)間為兩個(gè)時(shí)隙。在任意時(shí)刻只要有兩個(gè)內(nèi)部交換單元輸出信元,即可保證輸出鏈路滿負(fù)荷運(yùn)行。因此,寫(xiě)指針pjw所指向的緩沖區(qū)單元中至少有兩個(gè)為空,也就是說(shuō)輸入端解復(fù)用器至少有兩個(gè)內(nèi)部交換單元可選擇。而同時(shí),任意輸入端到三個(gè)內(nèi)部交換單元的三條內(nèi)部傳輸鏈路至少有兩條為空。因此,必然可以選擇一個(gè)交換單元,其寫(xiě)指針pjw所指向的緩沖區(qū)單元為空,而同時(shí)輸入端內(nèi)部傳輸鏈路也為空。這樣,只要有足夠的信元,任意時(shí)刻輸出的信元數(shù)為2,保證輸出鏈路為盡職工作。同時(shí),信元的傳輸是絕對(duì)先來(lái)先服務(wù),保證信元交換的不失序。
      本領(lǐng)域人員在本發(fā)明方案基礎(chǔ)上,以選取不同參數(shù)(交換平面數(shù)k、加速因子s等)或用于其它并行處理系統(tǒng)(如信元并行緩存、分組并行查表等)而做出的其它方案,亦在本發(fā)明保護(hù)的范圍之內(nèi)。
      參考文獻(xiàn)[1]Kumar V.,Lakshman T.,Stiliadis D.,“Beyond Best EffortRouter Architectures for the Differentiated Servicesof Tomorrow’s Internet”,IEEE Communications Magazine,May1998,pp.152-163。
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      權(quán)利要求
      1.一種保證鏈路盡職工作的并行分組保序交換調(diào)度策略,主要包括輸入端分路器調(diào)度和多個(gè)交換單元輸出調(diào)度策略,其特征在于(1)、基于定長(zhǎng)信元的并行交換。不同長(zhǎng)度的IP分組在到達(dá)輸入端前劃分成固定長(zhǎng)度的“信元”,在輸出端重組后再發(fā)送到鏈路上去;對(duì)于到達(dá)輸入端的信元,分路器調(diào)度算法為其選擇一個(gè)交換單元,交換單元為每個(gè)輸出端口設(shè)置一個(gè)輸出隊(duì)列,根據(jù)到達(dá)信元的輸出端口號(hào)放入交換單元相應(yīng)的輸出隊(duì)列。(2)、分路器的調(diào)度算法稱(chēng)為“受限最短可能時(shí)間離去調(diào)度算法”RPED(RestrictedPractical Earliest Departure)。其基本思想就是在滿足內(nèi)部交換單元數(shù)量k≥2 -1每個(gè)時(shí)隙輸出信元數(shù)不超過(guò) 的條件下,分路器為每個(gè)到達(dá)的信元在各個(gè)交換單元中選擇對(duì)應(yīng)輸出端口隊(duì)列為最短的交換單元。這里R是外部鏈路速率,r為內(nèi)部交換單元的鏈路速率。(3)、為了保證每個(gè)時(shí)隙輸出信元數(shù)不超過(guò) ,每個(gè)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)塊要分別標(biāo)記為“有信元”或“空閑”。輸出時(shí),只有那些當(dāng)前數(shù)據(jù)塊“有信元”的交換單元輸出數(shù)據(jù)。(4)、所有內(nèi)部交換單元的輸出和讀寫(xiě)指針的調(diào)整同步進(jìn)行。
      2.如權(quán)利要求1所述的并行分組交換調(diào)度策略,其特征在于在滿足內(nèi)部交換單元數(shù)量k≥2 -1條件下,調(diào)度算法保證每個(gè)時(shí)隙輸出信元數(shù)不超過(guò) ,從而實(shí)現(xiàn)保序交換。
      3.如權(quán)利要求1所述的并行分組交換調(diào)度策略,其特征在于在保證每個(gè)時(shí)隙輸出信元數(shù)不超過(guò) 的條件下,將信元輸入到隊(duì)列為最短的交換單元,從而保證輸出鏈路的盡職工作。
      4.如權(quán)利要求1所述的并行分組交換調(diào)度策略,其特征在于為了保證每個(gè)時(shí)隙輸出信元數(shù)不超過(guò) ,每個(gè)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)塊要分別標(biāo)記為“有信元”或“空閑”。輸出時(shí),只有那些當(dāng)前數(shù)據(jù)塊“有信元”的交換單元輸出數(shù)據(jù)。
      全文摘要
      本發(fā)明公開(kāi)了一種保證鏈路盡職工作的并行保序交換調(diào)度策略,主要包括輸入端分路器調(diào)度算法、內(nèi)部交換單元的存儲(chǔ)器管理和內(nèi)部交換單元輸出控制。其方法是,不定長(zhǎng)度IP分組在到達(dá)分路器之前劃分成固定長(zhǎng)度的信元;在一定的系統(tǒng)加速因子條件下,分路器在內(nèi)部輸入鏈路空閑的交換單元中,在保證同一時(shí)刻輸出信元個(gè)數(shù)不超過(guò)限定的交換單元數(shù)條件下,選擇內(nèi)部隊(duì)列為最短的交換單元,將信元送往所選的交換單元;為了限定輸出的交換單元個(gè)數(shù),交換單元內(nèi)各個(gè)端口的隊(duì)列數(shù)據(jù)塊分別標(biāo)記為“有信元”和“空閑”,在任意時(shí)隙,只是那些標(biāo)記為“有信元”的交換單元輸出信元。該調(diào)度策略保證輸出鏈路的盡職工作和分組的按序交換,適用于高速路由器/交換機(jī)。
      文檔編號(hào)H04L12/56GK1694428SQ20041001426
      公開(kāi)日2005年11月9日 申請(qǐng)日期2004年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月10日
      發(fā)明者田暢, 許波, 彭來(lái)獻(xiàn) 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍理工大學(xué)
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