專利名稱：一種基于多crossbar交換結(jié)構(gòu)的調(diào)度方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于計算機通信技術(shù),涉及交換機設(shè)計中一種多crossbar交換結(jié)構(gòu)的調(diào)度方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代交換式通信網(wǎng)絡(luò)，由節(jié)點機和交換機組成，所有節(jié)點機均通過鏈路與交換機相連，實現(xiàn)分布式通信。在航空電子系統(tǒng)設(shè)計中，要求交換機支持單播和多播的線速無阻交換，并且為了能夠排查和定位網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品研發(fā)過程中出現(xiàn)的問題，要求交換機支持基于消息的數(shù)據(jù)監(jiān)控功能。在傳統(tǒng)交換機設(shè)計中，采用一條crossbar實現(xiàn)交換機的單播、多播和消息監(jiān)控功能，由于單播、多播和消息監(jiān)控共享帶寬的限制，導(dǎo)致它們之間互相影響，影響交換機的交換性能，導(dǎo)致吞吐量下降，延遲增大，并且會導(dǎo)致數(shù)據(jù)消息監(jiān)控丟包，不能滿足航空電子系統(tǒng)實時性和安全性的設(shè)計要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種基于多crossbar交換結(jié)構(gòu)的調(diào)度方法,消除單crossbar交換結(jié)構(gòu)的負面影響，實現(xiàn)交換機單播和多播的線速無阻交換。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下。本發(fā)明對單播、多播和消息監(jiān)控米用三條完全獨立的crossbar,三條crossbar分別采用獨立的硬件邏輯電路，分別采用獨立的調(diào)度算法，三條crossbar之間互不影響，實現(xiàn)高性能網(wǎng)絡(luò)交換功能。具體方案是:—種基于多crossbar交換結(jié)構(gòu)的調(diào)度方法,其采用的多crossbar交換結(jié)構(gòu)由MAC、輸入單元，輸出單元和三條獨立的crossbar構(gòu)成，其中，輸入單元包括m個通信端口輸入單元和m個監(jiān)控端口輸入單元，輸出單元包括m個通信端口輸出單元和n個監(jiān)控端口輸出單元；(I)MAC負責(zé)接收來自于與之相連的節(jié)點機的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)相應(yīng)標準媒體訪問層協(xié)議，并對數(shù)據(jù)進行封裝/解析，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送；(2)輸入單元接收來自于MAC的數(shù)據(jù)幀，對數(shù)據(jù)幀進行有效性檢測，根據(jù)目的ID查找路由表，將數(shù)據(jù)幀放到相應(yīng)的虛擬輸出隊列(VOQ)排隊等待調(diào)度；同時檢測消息ID查找表，判斷該條數(shù)據(jù)幀是否需要被監(jiān)控，如果需要被監(jiān)控，將數(shù)據(jù)幀復(fù)制到監(jiān)控端口輸入單元的緩沖區(qū)中，等待調(diào)度；(3)三條crossbar獨立調(diào)度，分別實現(xiàn)單播、多播和消息監(jiān)控的轉(zhuǎn)發(fā)調(diào)度；三條crossbar均采用“請求一準許一接受”的分布式調(diào)度策略，將數(shù)據(jù)幀從輸入單元的緩沖區(qū)中調(diào)度到輸出單元的緩沖區(qū)中；(4)輸出單元負責(zé)從輸出緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)幀，將數(shù)據(jù)幀發(fā)送到MAC，輸出到與之相連的節(jié)點機；監(jiān)控端口輸出單元和數(shù)據(jù)通信端口輸出單元的差別在于監(jiān)控端口輸出單元需要增加監(jiān)控時標，并且需要重新進行循環(huán)冗余校驗碼(CRC)計算；基于所述多crossbar交換結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)單播crossbar調(diào)度的過程如下:單播實現(xiàn)采用m X m的crossbar,其中，m即通信端口的數(shù)量，n即監(jiān)控端口的數(shù)量；單播crossbar采用分布式調(diào)度算法，每次調(diào)度按照“請求_準許_接受”的步驟進行:a.當輸入單元的緩沖區(qū)中有單播幀時，輸出單元發(fā)出請求信號；b.對于每個通信端口輸出單元，當接收到不同通信端口輸入單元的請求信號后，采用Round-Robin算法產(chǎn)生準許信號；c.對于每個通信端口輸入單元，當接收到不同通信端口輸出單元的準許信號后，采用Round-Robin算法產(chǎn)生接受信號并且開始調(diào)度；d.各個通信端口輸出單元持續(xù)檢測自己發(fā)出的準許信號是否被接受，如果被接受，則執(zhí)行調(diào)度；基于所述多crossbar交換結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)多播crossbar調(diào)度的過程如下:多播實現(xiàn)采用m X m的交叉開關(guān),多播crossbar采用多址調(diào)度算法實現(xiàn)分布式調(diào)度，多址調(diào)度算法由以下四個步驟組成:a.當某個輸入單元有一個多播幀需要發(fā)送時，根據(jù)該幀的多播組ID查詢到該多播組的成員，即多個目的端口，向所有目的端口發(fā)送請求信號，轉(zhuǎn)到步驟h ;b.輸入單元在一個固定的時間窗口內(nèi)等待目的端口的發(fā)送準許信號:如果所有的目的端口都回復(fù)了發(fā)送準許，立即轉(zhuǎn)到步驟c ;如果該時間窗口已過，則只要有任何一個目的端口回復(fù)發(fā)送準許，轉(zhuǎn)到步驟c ;如果在整個時間窗口內(nèi)沒有任何一個目的端口回復(fù)發(fā)送準許，重新發(fā)送請求；c.輸入單元向發(fā)送了準許信號的目的端口發(fā)送數(shù)據(jù)幀，直至該數(shù)據(jù)幀結(jié)束，轉(zhuǎn)到步驟d ；d.輸入單元將這些已發(fā)送了準許信號的目的端口從請求列表中刪除，向剩余的目的端口發(fā)送請求信號，重復(fù)步驟b_d，直到把該多播數(shù)據(jù)幀發(fā)送至所有目的端口，完成調(diào)度；基于所述多crossbar交換結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)消息監(jiān)控crossbar調(diào)度的過程如下:采用m X n的crossbar,按照以下步驟進行(與多播類似的調(diào)度過程,不同點僅是啟動條件不同:通過檢測消息ID查找表，判斷該數(shù)據(jù)幀是否被監(jiān)控，以及被哪個監(jiān)控端口監(jiān)控；如果被監(jiān)控，則向?qū)?yīng)的監(jiān)控端口發(fā)送請求信號；監(jiān)控crossbar調(diào)度過程的其余步驟與多播完全相同):a.檢測消息ID查找表，判斷該數(shù)據(jù)幀是否被監(jiān)控，以及被哪個監(jiān)控端口監(jiān)控；如果被監(jiān)控，則向?qū)?yīng)的監(jiān)控端口發(fā)送請求信號；b.輸入單元在一個固定的時間窗口內(nèi)等待監(jiān)控端口的發(fā)送準許信號:如果所有的監(jiān)控端口都回復(fù)了發(fā)送準許，立即轉(zhuǎn)到步驟c ;如果該時間窗口已過，則只要有任何一個監(jiān)控端口回復(fù)發(fā)送準許，轉(zhuǎn)到步驟c ;如果在整個時間窗口內(nèi)沒有任何一個監(jiān)控端口回復(fù)發(fā)送準許，重新發(fā)送請求；c.輸入單元向發(fā)送了準許信號的監(jiān)控端口發(fā)送數(shù)據(jù)幀，直至該數(shù)據(jù)幀結(jié)束，轉(zhuǎn)到步驟d ；
d.輸入單元將這些已發(fā)送了準許信號的監(jiān)控端口從請求列表中刪除，向剩余的監(jiān)控端口發(fā)送請求信號，重復(fù)步驟b_d，直到把該數(shù)據(jù)幀發(fā)送至所有監(jiān)控端口，完成調(diào)度。本發(fā)明具有的優(yōu)點是:I)吞吐率高，延遲小，可以確保單播、多播通信互不影響，實現(xiàn)線速無阻交換；2)交換機在線速通信時，可以實現(xiàn)線速監(jiān)控，保證不丟包；3)可擴展性強，只需要對內(nèi)部資源進行擴充，即可支持更多通信端口和監(jiān)控端口的更大規(guī)模的交換機的設(shè)計和實現(xiàn)。


圖1是本發(fā)明的多crossbar交換結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的單播crossbar調(diào)度示意圖；圖3是本發(fā)明的多播crossbar調(diào)度示意圖。
具體實施方式
:以m個通信端口和n個監(jiān)控端口的交換機為例，以下詳述本發(fā)明的實現(xiàn)，涉及多crossbar交換結(jié)構(gòu)、單播crossbar調(diào)度、多播crossbar調(diào)度以及監(jiān)控crossbar調(diào)度。1.多 crossbar 交換結(jié)構(gòu):交換結(jié)構(gòu)由MAC、輸入單元，輸出單元(包括通信端口輸出單元和監(jiān)控端口輸出單元)和3條獨立的crossbar構(gòu)成,如圖1所示。下面對各部分的功能進行介紹。a.MAC負責(zé)接收來自于與之相連的節(jié)點機的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)相應(yīng)標準媒體訪問層協(xié)議，并對數(shù)據(jù)進行封裝/解析，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。b.輸入單元接收來自于MAC的數(shù)據(jù)幀，對數(shù)據(jù)幀進行有效性檢測,根據(jù)目的ID查找路由表，將數(shù)據(jù)幀放到相應(yīng)的虛擬輸出隊列(VOQ)排隊等待調(diào)度。同時檢測消息I D查找表，判斷該條數(shù)據(jù)幀是否需要被監(jiān)控，如果需要被監(jiān)控，將數(shù)據(jù)幀復(fù)制到監(jiān)控緩沖區(qū)中，等待調(diào)度。c.三條crossbar獨立調(diào)度，分別實現(xiàn)單播、多播和消息監(jiān)控的轉(zhuǎn)發(fā)調(diào)度。三條crossbar均采用“請求一準許一接受”的分布式調(diào)度策略，將數(shù)據(jù)幀從輸入單元的緩沖區(qū)中調(diào)度到輸出緩沖區(qū)中。d.輸出單元負責(zé)從輸出緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)幀，將數(shù)據(jù)幀發(fā)送到MAC，輸出到與之相連的節(jié)點機。監(jiān)控端口輸出單元和數(shù)據(jù)通信端口輸出單元的差別在與監(jiān)控端口輸出單元需要增加監(jiān)控時標，并且需要重新進行CRC計算。2.單播 crossbar 調(diào)度:單播實現(xiàn)采用m X m的crossbar,單播crossbar采用分布式調(diào)度算法,每次調(diào)度由“請求-準許-接受”三個步驟組成，如圖2所示。a.當輸入單元緩沖區(qū)中有單播幀時，發(fā)出請求信號；b.當輸出單元接收到不同輸入單元的請求信號后,采用Round-Robin算法產(chǎn)生準
許信號；c.輸入單元接收到不同輸出單元的準許信號后,采用Round-Robin算法產(chǎn)生接受信號并且開始調(diào)度；
d.輸出單元持續(xù)檢測自己發(fā)出的準許信號是否被接受，如果被接受，則開始調(diào)度；否則，重新接受請求信號。3.多播 crossbar 調(diào)度:多播實現(xiàn)采用m X m的交叉開關(guān)，多播crossbar采用多址調(diào)度算法實現(xiàn)分布式調(diào)度，多址調(diào)度算法由以下4個步驟組成，如圖3所示。a.當某個輸入單元有一個多播幀需要發(fā)送時，根據(jù)該幀的多播組ID查詢到該多播組的成員(即目的端口)，向所有目的端口發(fā)送請求信號，轉(zhuǎn)到步驟b ；b.輸入單元在一個固定的時間窗口內(nèi)等待目的端口的發(fā)送準許信號:如果所有的目的端口都回復(fù)了發(fā)送準許，立即轉(zhuǎn)到步驟c ;如果該時間窗口已過，則只要有任何一個目的端口回復(fù)發(fā)送準許，轉(zhuǎn)到步驟c ;如果在整個時間窗口內(nèi)沒有任何一個目的端口回復(fù)發(fā)送準許，重新發(fā)送請求。c.輸入單元向發(fā)送了準許信號的目的端口發(fā)送數(shù)據(jù)幀，直至該數(shù)據(jù)幀結(jié)束，轉(zhuǎn)到步驟d ；d.輸入單元將這些已發(fā)送了準許信號的目的端口從請求列表中刪除，向剩余的目的端口發(fā)送請求信號，重復(fù)步驟b_d，直到把該多播數(shù)據(jù)幀發(fā)送至所有目的端口，然后轉(zhuǎn)向步驟a。4.監(jiān)控 crossbar 調(diào)度:監(jiān)控采用m X n的crossbar,采用與多播類似的調(diào)度過程,不同點僅是啟動條件不同:通過檢測消息ID查找表，判斷該數(shù)據(jù)幀是否被監(jiān)控，以及被哪個監(jiān)控端口監(jiān)控。如果被監(jiān)控，則向?qū)?yīng)的監(jiān)控端口發(fā)送請求信號。監(jiān)控crossbar調(diào)度過程的其余步驟與多播完全相同。
權(quán)利要求
1.一種基于多crossbar交換結(jié)構(gòu)的調(diào)度方法,其采用的多crossbar交換結(jié)構(gòu)由MAC、輸入單元，輸出單元和三條獨立的crossbar構(gòu)成,其中，輸入單元包括m個通信端口輸入單元和m個監(jiān)控端口輸入單元，輸出單元包括m個通信端口輸出單元和n個監(jiān)控端口輸出單元; (1)MAC負責(zé)接收來自于與之相連的節(jié)點機的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)相應(yīng)標準媒體訪問層協(xié)議，并對數(shù)據(jù)進行封裝/解析，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送； (2)輸入單元接收來自于MAC的數(shù)據(jù)幀，對數(shù)據(jù)幀進行有效性檢測，根據(jù)目的ID查找路由表，將數(shù)據(jù)幀放到相應(yīng)的虛擬輸出隊列(VOQ)排隊等待調(diào)度；同時檢測消息ID查找表，判斷該條數(shù)據(jù)幀是否需要被監(jiān)控，如果需要被監(jiān)控，將數(shù)據(jù)幀復(fù)制到監(jiān)控端口輸入單元的緩沖區(qū)中，等待調(diào)度； (3)三條crossbar獨立調(diào)度，分別實現(xiàn)單播、多播和消息監(jiān)控的轉(zhuǎn)發(fā)調(diào)度；三條crossbar均采用“請求一準許一接受”的分布式調(diào)度策略，將數(shù)據(jù)幀從輸入單元的緩沖區(qū)中調(diào)度到輸出單元的緩沖區(qū) 中； (4)輸出單元負責(zé)從輸出緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)幀，將數(shù)據(jù)幀發(fā)送到MAC，輸出到與之相連的節(jié)點機；監(jiān)控端口輸出單元和數(shù)據(jù)通信端口輸出單元的差別在于監(jiān)控端口輸出單元需要增加監(jiān)控時標，并且需要重新進行循環(huán)冗余校驗碼(CRC)計算； 基于所述多crossbar交換結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)單播crossbar調(diào)度的過程如下: 單播實現(xiàn)采用m X m的crossbar,其中,m即通信端口的數(shù)量，n即監(jiān)控端口的數(shù)量；單播crossbar采用分布式調(diào)度算法，每次調(diào)度按照“請求_準許_接受”的步驟進行: a.當輸入單元的緩沖區(qū)中有單播幀時，輸出單元發(fā)出請求信號； b.對于每個通信端口輸出單元，當接收到不同通信端口輸入單元的請求信號后，采用Round-Robin算法產(chǎn)生準許信號； c.對于每個通信端口輸入單元，當接收到不同通信端口輸出單元的準許信號后，采用Round-Robin算法產(chǎn)生接受信號并且開始調(diào)度； d.各個通信端口輸出單元持續(xù)檢測自己發(fā)出的準許信號是否被接受，如果被接受，則執(zhí)行調(diào)度； 基于所述多crossbar交換結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)多播crossbar調(diào)度的過程如下: 多播實現(xiàn)采用m X m的交叉開關(guān),多播crossbar采用多址調(diào)度算法實現(xiàn)分布式調(diào)度，多址調(diào)度算法由以下四個步驟組成: a.當某個輸入單元有一個多播幀需要發(fā)送時，根據(jù)該幀的多播組ID查詢到該多播組的成員，即多個目的端口，向所有目的端口發(fā)送請求信號，轉(zhuǎn)到步驟b ； b.輸入單元在一個固定的時間窗口內(nèi)等待目的端口的發(fā)送準許信號:如果所有的目的端口都回復(fù)了發(fā)送準許，立即轉(zhuǎn)到步驟c ;如果該時間窗口已過，則只要有任何一個目的端口回復(fù)發(fā)送準許，轉(zhuǎn)到步驟c ;如果在整個時間窗口內(nèi)沒有任何一個目的端口回復(fù)發(fā)送準許，重新發(fā)送請求； c.輸入單元向發(fā)送了準許信號的目的端口發(fā)送數(shù)據(jù)幀，直至該數(shù)據(jù)幀結(jié)束，轉(zhuǎn)到步驟d ； d.輸入單元將這些已發(fā)送了準許信號的目的端口從請求列表中刪除，向剩余的目的端口發(fā)送請求信號，重復(fù)步驟b-d，直 到把該多播數(shù)據(jù)幀發(fā)送至所有目的端口，完成調(diào)度；基于所述多crossbar交換結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)消息監(jiān)控crossba r調(diào)度的過程如下: 采用m X n的crossbar，按照以下步驟進行(與多播類似的調(diào)度過程，不同點僅是啟動條件不同:通過檢測消息ID查找表，判斷該數(shù)據(jù)幀是否被監(jiān)控，以及被哪個監(jiān)控端口監(jiān)控；如果被監(jiān)控，則向?qū)?yīng)的監(jiān)控端口發(fā)送請求信號；監(jiān)控crossbar調(diào)度過程的其余步驟與多播完全相同): a.檢測消息ID查找表，判斷該數(shù)據(jù)幀是否被監(jiān)控，以及被哪個監(jiān)控端口監(jiān)控；如果被監(jiān)控，則向?qū)?yīng)的監(jiān)控端口發(fā)送請求信號； b.輸入單元在一個固定的時間窗口內(nèi)等待監(jiān)控端口的發(fā)送準許信號:如果所有的監(jiān)控端口都回復(fù)了發(fā)送準許，立即轉(zhuǎn)到步驟c ;如果該時間窗口已過，則只要有任何一個監(jiān)控端口回復(fù)發(fā)送準許，轉(zhuǎn)到步驟c ;如果在整個時間窗口內(nèi)沒有任何一個監(jiān)控端口回復(fù)發(fā)送準許，重新發(fā)送請求； c.輸入單元向發(fā)送了準許信號的監(jiān)控端口發(fā)送數(shù)據(jù)幀，直至該數(shù)據(jù)幀結(jié)束，轉(zhuǎn)到步驟d ； d.輸入單元將這些已發(fā)送了準許信號的監(jiān)控端口從請求列表中刪除，向剩余的監(jiān)控端口發(fā)送請求信號，重復(fù) 步驟b-d，直到把該數(shù)據(jù)幀發(fā)送至所有監(jiān)控端口，完成調(diào)度。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于多crossbar交換結(jié)構(gòu)的調(diào)度方法，消除單crossbar交換結(jié)構(gòu)的負面影響，實現(xiàn)交換機單播和多播的線速無阻交換。本發(fā)明對單播、多播和消息監(jiān)控采用三條完全獨立的crossbar，三條crossbar分別采用獨立的硬件邏輯電路，分別采用獨立的調(diào)度算法，三條crossbar之間互不影響，實現(xiàn)高性能網(wǎng)絡(luò)交換功能。本發(fā)明吞吐率高，延遲小，可以確保單播、多播通信互不影響，實現(xiàn)線速無阻交換；交換機在線速通信時，可以實現(xiàn)線速監(jiān)控，保證不丟包。
文檔編號H04L12/761GK103078809SQ201210591140
公開日2013年5月1日 申請日期2012年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月28日
發(fā)明者李大鵬, 黃韜, 王紅春, 李玉發(fā) 申請人:中國航空工業(yè)集團公司第六三一研究所