CN100342697C - 接入节点中使用的分层调度器体系结构 - Google Patents

接入节点中使用的分层调度器体系结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种接入网部分的接入节点终端使用的一种分层调度器结构。在多个聚合层聚合的入口流通过ATM交换设备交换,前述ATM交换设备基于业务优先级类别(称为业务平面)分离流信元。这样,二维调度器按照聚合层和业务优先级进行仲裁,其中各层负责从该层的成分流中选择最适当的流,并将其转发到下一层进行仲裁。基于业务的仲裁器从各个业务平面产生的优胜信元中选择总优胜信元,以通过交换设备进行传输。

Description

接入节点中使用的分层调度器体系结构
相关申请
本申请公开的主题涉及下列共有的共同未决的美国专利申请所公开的主题:(i)James W.Dove等人的“Stackplane Architecture”,于1999年12月22日申请,申请号为09/469,897;(ii)Eric Friedrichs等人的“Scalable Architecture For An Access Node”,于2002年6月27申请,申请号为10/280,604;(代理卷号为:1285-0090US);(iii)Thornton Collins等人的“Integrated Gateway Functionality In AnAccess Network Element”,于2001年11月2日申请,申请号为10/052,846;(iv)Mudhafar Hassan-Ali等人的“Multicasting System AndMethod For Use In An Access Node’s ATM Switch Fabric”,于同一天申请的,美国申请号为10/280,959;(代理卷号为:1285-0100US);(v)Mudhafar Hassan-Ali等人的“System And Method For ImplementingGFR Service In An Access Node’s ATM Switch Fabric,”,于同一天申请的,美国申请号为10/280,700;(代理卷号为:1285-0102US);;(vi)Mudhafar Hassan-Ali等人的“Calendar Heap System And Method ForEfficient Sorting,”,于同一天申请的,美国申请号为10/281,033;(代理卷号为:1285-0101US);(vii)Mudhafar Hassan-Ali等人的“Virtual Group Connection Scheme For ATM Architecture In AnAccess Node”,于同一天申请的,美国申请号为10/280,604;(代理卷号为:1285-0099US);这些专利申请通过引用并入本发明。
技术领域
本发明总的来说涉及电信领域。确切地说,本发明涉及接入网中电信节点使用的分层调度器体系结构,但本发明并不局限于此。
背景技术
远程接入市场正在经历一个大的转变。三个因素促成了这种转变。第一是用户数量的增长,例如需要高性能因特网的和多媒体远程接入的小型办公/居家办公(SOHO)用户数量的增长。在电信方面自由化的政府行为是另一因素,各地通过消除本地市场规范来培育更为广泛的竞争。第三因素,也是最后一个因素,是公共电话交换网(PSTN)的拥塞,PSTN的设计和开发原本只是为了语音业务量。
电信技术的若干重大进展使得电信网络的骨干连接能够具备高吞吐量。例如,通过在同步光网(SONET)/同步数字体系(SDH)物理层上实现异步传输模式(ATM)网络技术,电信网络能够达到几百兆比特每秒(Mbps)的数据速率。但是,为满足远程接入的带宽需求所做出的努力受限于电信局中心局(CO)和用户的远端站点之间已有的双绞铜线基础设施(也就是接入网),一般称作本地环路。在电信领域中,这些限制有时统一称作“最后一公里”问题。
为避免最后一公里问题所产生的瓶颈,当前接入网解决方案在本地环路中也采用光纤技术。与利用高速电信网一样,基于光纤的本地环路基础设施的体系结构一般采用SONET作为物理层技术。除了网络设计的改进,随着光部件和相关光电子的最近进展,使得宽带接入日趋普及。
此外,伴随着因特网用户数量的显著增长,产生了对用分组交换网(PSN)基础设施(例如,那些基于因特网协议(IP)进行寻址的基础设施)来替代当前电信网所采用的已有电路交换网络(CSN)基础设施的浓厚兴趣。从网络运营商角度来讲,分组交换基础设施中固有的业务总量使得每个最终用户的传输成本和基础设施成本得以降低。最终,这种成本的降低使得网络运营商能够将由此节省的成本转移到最终用户身上。
因此,正在开发一种新型的以业务为中心的网络(不同于已有的以话音为中心和数据为中心的网络),用以实现众所周知的下一代网络(NGN)基础设施,在下一代网络基础设施中综合的话音/数据/视频应用可以利用端到端传输路径中PSN上的分组传输机制来提供。前面间接提到,人们相信,在接入网中采用分组网络基础设施能够提供更高的传输效率,更低的操作和运营成本,以及统一的接入。
传统接入系统允许接入数字本地话音交换机,例如第5类交换机,这通过延伸多根金属环路,并将它们集中成一束,从而高效传送时分复用(TDM)话音业务量来实现。一般情况下,这种接入网络的体系结构使用多种配置下的一个或多个接入节点,前述配置可以是例如点对点链、环等,其中接入节点自身可以包括多个信道组,后者提供的线路接口服务于大量用户。
但是,为了提供更好的功能和业务提供,要求当前的接入网支持先进的传输技术,例如SONET,对于节点的内部结构也是如此。在这些节点中,ATM用于承载除传统的TDM业务,如T1和TDM-DS3业务之外的大部分用户业务量。因此,接入节点设计需要支持TDM和ATM交换设备。
ATM论坛提供了一组规范,用以管理ATM交换设备的不同方面,包括交换设备的调度器,其功能是调控入信元注入交换设备的过程。确切地说,ATMF-TM-121标准提供了调度器需求的一般描述。但是,该标准没有特别具体地提出实现细节,尤其是接入节点的内部结构针对SONET传输实现的情况。尽管已经存在若干ATM调度器实现,但它们非常复杂,并且需要昂贵的硬件。不仅建立一个接入节点具有这种调度设备的网络的前端成本惊人地高,而且增加的成本结构在最初只需要支持较少用户线的情况下,效率尤其低下,对没有完全配置(也就是部分提供)的接入节点而言,尤为如此。此外,已有的ATM调度器在需要交换的数据以层次方式组织时,效率并不出众。
发明内容
因此,本发明涉及接入网部分的接入节点终端使用的一种分层调度器结构,该调度器结构有效地克服了前述不足和相关的缺陷。在多个聚合层聚合的入口流通过ATM交换设备交换,前述ATM交换设备基于业务优先级类别(称为业务平面)分离流信元。这样,两维调度器按照聚合层和业务优先级进行仲裁,其中各层负责从该层的成分流中选择最适当的流,并将其转发到下一层进行仲裁。基于业务的仲裁器从各个业务平面产生的优胜信元中选择通过交换设备用于传输的总优胜信元。
附图说明
通过下面的详细描述,并结合附图,可以对本发明有更为全面的理解,在附图中:
图1给出了示例性的电信网络方案,该网络的接入网络部分中可以有利地实现本发明的教导;
图2结合中心局给出了涉及环路载波设备的接入网部分的高层概念;
图3给出的环路载波系统的示例性实施方式,该系统具有多个节点(或终端),其中按照本发明教导的本发明分层调度器的实施方式可以在终端中提供;
图4给出的示例性环拓扑涉及多个中心局终端(COT);
图5给出的高层框图说明了一种示例性接入节点终端,它包含本发明的分层调度器结构,该终端可以作为接入网中的COT或者远程终端(RT);
图6给出了图5所示接入节点终端部分的架级框图,其中给出了多个业务流源;
图7是示例性接入节点中采用的ATM交换设备的功能框图,前述交换设备采用本发明分层调度器的实施方式;
图8的功能框图给出了本发明ATM交换设备的其它细节;
图9的流程图给出了按照本发明的教导调度/交换流中涉及的各种操作;
图10给出了本发明调度器的示例性实施方式的一种高层功能框图;
图11是在准备入口流供本发明分层调度器调度的排队管理中涉及的操作的流程图;
图12给出了本发明多层多平面调度器的一种功能框图;
图13给出了图12所示的多层多平面调度器的另一视图;
图14给出了将特定流ID排序到优先级队列结构之一的示例性方法的结构性流程框图;以及
图15给出了一种示例性的基于管道指针结构,用于更新本发明调度器中使用的优先级队列。
具体实施方式
在附图中,相同或类似的元件在几张图中标以相同的标号,给出的各种元件不一定按实际尺寸绘出。现在参看图1,该图描述了一种示例性的网络方案100,它具有一个或多个接入网络部分,其中可以有利地实现本发明的教导,提供一种分层调度器供接入网元使用。示例性网络方案100包括核心传输网102和接入网部分104A和104B,最好用于支持电信、数据通信或者它们的任意组合,包括不同媒质,例如话音、音频、视频、图片、数据和混合多媒体。核心传输网102可以配置成电路交换网络(CSN),分组交换网(PSN)或者能够支持下一代网络(NGN)业务基础设备的综合混合网。在一种示例性实施方式中,公共电话交换网(PSTN)(用于有线通信)、公共陆地移动网(PLMN)(用于无线通信)或者它们的任意组合可以作为CSN提供。其中核心网102以分组网形式实现时,它最好包括以因特网协议(IP)、帧中继、ATM和/或其它可用技术运作的网络。
接入网部分104A和104B位于最终用户(也就是签约用户)和核心网102之间,前述最终用户由客户前端设备(CPE)106A、106B表示。应当理解,尽管该图绘出了分离的CPE单元,它们也可以位于专用网,例如归属区域网(HAN)、客户前端设备网(CPN)或者前端设备分布网(PDN)中。此外,CPE单元可以包括任何已知或者迄今未知的工作于不同媒质的综合接入设备(IAD)。接入网部分104A、104B通过不同的接口点(POI)节点和存在点(POP)节点为客户提供远程接入,这些节点通过任何适当的有线、无线、窄带或宽带局域网互连。例如,利用众所周知的技术实现的本地网,例如综合业务数字网(ISDN)、数字用户线(DSL)及其变种、光纤环路(FITL)及其变种、混合光纤/铜轴(HFC)电缆技术,或者无线环路(WLL)技术。此外,示例性接入网络部分104A和104B可以包括本发明其它实施方式中的汇聚本地网。
在一种示例性实施方式中,接入网部分(例如接入网络104A或104B)作为基于光纤的环路载波系统提供,根据成本、适当本地基础设施的可用性、支持的业务等,该系统可以通过不同方案实现。例如,例如光纤到户(FTTH)、光纤到路边(FTTC)、光纤到邻家(FTTN)以及其它FITL变种的实现可以作为数字环路载波(DLC)结构,用于向用户提供综合宽带接入业务。
基于光纤的环路载波系统最好至少工作于适当的物理层基础设施,例如同步光纤网(SONET)技术或其伴生网络,同步数字体系结构(SDH),它类似于SONET,但复用结构是SONET复用方案的一个子集。图2给出涉及与中心局(CO)202相关的环路载波设备204的示例性接入网部分(例如接入网104A)的高层概念。示例性IAD,例如CPE 106A,连接到环路载波204,后者将用户设备和CO之间的接入环路信号与其它环路信号复用。位于CO的POI设备则为核心传输网提供了接口连接性。
按照SONET需求,环路载波204最好工作于较宽范围的光载波(OC)信号,例如OC-3、OC-12、OC-48等,以及对应于它们的电子对等体,也就是同步传输信号(STS)-3、STS-12、STS-48等。SONET,就像名字所暗示的那样,采用同步传输方案,每125微秒传输一个SONET帧。每个帧逻辑组织成两维字节队列,其大小取决于信道速率。基本SONET信道是STS-1(对应于OC-1),它包括的帧具有810字节,组织成9行乘90列。在每秒8000帧时,给出的原始信道速率为51.84Mbps。因为管理SONET线路和区域设备的开销需要3个90列(剩下87列净荷,称为同步净荷包或SPE),路径开销一般包括一列,每个STS-1信道可用的净用户数据速率为49.536Mbps(86列×9行×8比特×8000帧/秒)。
高于STS-1的数据速率通过复用多个STS-1信号得到。例如,3个STS-1信号可以进行比特交织,生成一个工作于155.52Mbps的STS-3信号。另一种形式的复用是连接多个STS-1信号的开销和净荷字节,例如,STS-3c帧包含9个开销列和261个SPE列,将数据速率提升到了155.52Mbps。一般而言,STS-n帧是具有n元组STS-1帧的电信号,在光载波上调制之后,称为OC-n光信号。
低于STS-1的传输速率通过将净荷分割成所谓的虚分支(VT)来得到,虚分支可以支持的数据速率从数字信号(DS)-1(工作于1.544Mbps)到DS-2(6.312Mbps)。STS-1信号可以逻辑分割成具有不同标识的VT,其中每个VT通过光纤承载同样数量的净荷。因为每个VT内的数据保留它自身的ID,可以很容易地将它与STS-1信号的其余部分分开。因此,在本地环路载波系统经过多个节点或子节点(也就是节点内部的分分或架)时,可以在每个节点/子节点“扔下”适当的VT进行处理。在基于SONET的接入网与基于准同步数字体系结构(PDH)、在DS-0(64Kbps)信道上构造的另一网络相连时,VT也可相当有用。下面会描述到,利用类似于SONET的载波传输系统,有利地提供可调整节点体系结构,用于传输接入节点内所有的内部数据流,其中加/减功能也在本地(也就是内部)架间通信环境中有利地实现。
现在参看图3,给出了基于光纤的环路载波系统的示例性实施方式,该系统具有多个节点,其中在具有可调整架间体系结构的节点中提供了分层调度器。环路载波节点也称作接入网节点或终端(更一般地说,电信节点),在本发明中,可以组织成多种拓扑之一,根据它们在接入环路中的位置,它包括两种形式。当于CO在一起时,环路载波节点称作中心局终端(COT)。标号304说明了与作为CO202一部分的CO交换机302连接的COT。CO外部的其它环路载波节点称作远程终端(RT),例如RT 306A和306B。
光纤路径305最好承载OC-3信号或更高的速率,它用于使特定拓扑中的COT和RT互连。当只有一个RT连接到COT时,得到的两节点方案本称为点到点环路载波系统。另一方面,如果多个RT呈线性连接,则可以得到单馈线多RT(MRT)系统或双馈线MRT系统。在单馈线MRT系统中,RT仅位于COT的一侧,这在该图中示出。在双馈线MRT系统中,RT位于COT的两侧,这两侧通常被称作“东”和“西”侧。因此,光纤光缆从COT发出,相对于COT进入两个不同的方向,每个分支馈送一个或多个RT。
在另一示例性实施方式中,环路载波系统可以采用环结构。例如,将双馈线MRT的最西边的节点和最东边的节点连接起来,得到单向路径交换环(UPSR)拓扑。一般的做法是,从COT向东方向承载通信业务量,而从COT向西方向作为“保护”方向提供,用于防止东向电缆出现故障(例如被切断),或者它的性能降到了某个预定值。
不管用于实现DLC的特定拓扑配置是什么,COT或RT,或者这两者都能够将连接到它的所有接入线路集中起来。也就是说,一个终端所连接的总的线路数量可能会大于它所支持的活跃线路的最大数量。因此,每个终端可以有它自己的集中率(总的连接线路数与该终端所支持的活跃线路总数之比)。
除了COT和RT接入环路节点,示例性环路载波系统还也可以包括其它设备,例如光网单元(ONU),服务于彼此相距足够远的最终用户,将这些用户都连接到RT不经济。如果需要,ONU在电和光之间转换信号。ONU还将多个客户的模拟通信信号数字化,复用到连接着RT的一段光纤。在图3中,标号308代表了连接到RT 306A的ONU,在该例中,它为IAD/CPE 106A提供服务。此外,除了由RT直接服务的CPE之外,环路载波系统中的RT还可以连接到一个或多个ONU和RT。
图4给出的示例性SONET环拓扑400涉及多个终端。多个COT402-1到402-4都连接到环配置中,该环可以作为UPSR或者双向线路交换环(BLSR)实现。具体说明的COT 402-1中,多个架以可调整的体系结构组织,其中示出的主架具有通往PSN、CSN或者两者的组合的网络传输接口406。点到点SONET链路404也在COT 402-1的主架和RT 405之间示出。
现在参看图5,给出了一种示例性接入节点终端502的高层框图,它在接入网中充当COT或RT,该终端具有本发明的分层调度器结构。示例性终端502最好配置有多个架或信道组的可扩展“线性栈”,前述架和信道组包括主架504以及多个辅架,辅架逻辑上位于主架上侧和下侧。各种辅架通过冗余的双向本地通信链路连接到主架504,这些通信链路包括适当的架间数据信道和定时/控制信道。在图5中,标号510和512代表了两条冗余的本地通信链路,其中一条在提供时是活跃的,另一条充当备用链路,用以实现保护性切换。在纳入本发明的美国专利申请中提出,与邻接信道组接口的本地通信链路作为接入节点502的内部构件提供,用于承载SONET类型载波帧中所有的内部、全双工数据信道和定时信息,通过相应地映射这些帧,以传输束间通信。前述专利申请的申请号为10/280,604,(代理卷号为:1285-0090US),题为“Scalable Architecture For An AccessNode”,于2002年6月27日提交,这里予以交叉并入本发明。在本发明中,这些本地接口实现了逻辑通信平面,该平面可以调整,以便根据需要“压栈”足够数量的信道组,因此,在节点的内部结构中称为“栈面”。这样,各个辅架逻辑上位于主架504的一侧,它们包括称为“北”部的栈面。例如,辅架506-1到506-4形成了北栈面部分。类似地,辅架508-1到508-4包括南栈面部分。
接入节点终端502具有多个用户接口522,各种IAD/CPE可以连接到这些接口。用户接口522可以包括与主架504相关联的用户接口518,以及与辅架相关联的用户接口520,例如架508-1。在终端的网络侧,多个传输网络接口514和网管接口516作为主架接口功能的一部分提供。前面间接提过,各个传输网络,例如CSN、PSN或者综合网络可以通过接口514连接到主信道组504。
现在参看图6,给出了接入节点502的一部分的架级框图,其中给出了前面间接提到的多个接口和相应的业务流源。示例性辅架618B通过架间接口623连接到主架618A,架间接口623位于两者之间,用于实现前述的栈面方案。标号608代表了宽带资源卡,位于主架618A,提供综合网关功能,这在2001年11月2日提交的,题为“Integrated Gateway Functionality In An Access Network Element”的共同拥有共同未决美国专利,专利号10/052846中详细描述,该专利在此通过引用并入本发明。
在主架618A所提供的示例性网络接口中,DS3接口602用于接口TDM网络601和ATM网络603;OC3接口604用于接口TDM/ATM网络605;光线路单元(OLU)606A和606B分别工作于混合节点607A和607B。主架618A中的示例性用户接口包括POTS接口610,与传统电话设备611接口,DSL接口612,与适当的IAD/CPE 613接口,后者包括导出的POTS设备619和一个或多个计算机621。示出的辅架618B具有T1接口616,它与IAD/CPE 615接口,以及DSL接口612,它与IAD/CPE 613接口。为简单起见,该图中没有示出与架相关连的其它子系统,例如告警单元,电源等。
基于前面的描述,应当理解,本发明的接入节点终端用于支持多种业务,例如POTS、T1、xDSL、DS3、OC-n、支持IP的接入、全光接入、利用DSL传送话音(VoDSL)、利用IP传送话音(VoIP)、利用ATM传送话音(VoATM)等等。作为接入系统的一部分,节点终端可以位于SONET环,其中主架618A可以设计成具有中央交换功能(TDM或ATM流)。辅架,例如架618B,可以用于节点结构,复用主架所交换的流。
Eric Friedrichs等人的“Scalable Architecture For An AccessNode”,于2002年6月27申请,申请号为10/280,604;(代理卷号为:1285-0090US)的美国专利申请中提出,内部业务量在改进的SONET帧载波中传输,后者承载ATM和TDM净荷,前述专利在此通过引用并入。这样,接入节点部件502具有交换、转发、聚合以及修饰不同业务量类型的功能。为了确保按照业务量管理的已有规则正确处理业务量,采用了ATM交换,根据一组提供规则,被称为信元的定长分组的入口业务量交换到适当的出口接口。下面将会详细描述,ATM交换设备基于物理端口信息,以及信元头中的虚通路和虚电路标识符(也就是VPI和VCI),交换业务量,其中采用了分层调度器,调整入信元到交换设备的注入。因为本发明的教导最好针对前面提出的可调整接入节点结构中的ATM交换和调度,下面给出采用的ATM业务量管理原则的概要表述。
众所周知,ATM业务量可以基于业务类别(CoS)分类,CoS由类似于时间敏感性、峰值和持续带宽保证、突发性和传输交付保证之类的因子定义。在本发明范围内考虑的业务量类别在下表中给出:
                              表1
  业务类别   应用  参数
  实时恒定比特率(CBR),实时可变比特率(rt-VBR)   话音(单信道或中继线),VBR视频,游戏  峰值信元率(PCR),信元时延变化容限(CDVT)
  非实时可变比特率(nrt-VBR)   数据,多媒体,电邮,视频流  PCR,CDVT,可持续信元率(SCR),最大突发流量大小(MBS)
  保证帧频(GFR)   附加数据,浏览页面,因特网  PCR,CDVT,MBS,最大信元率(MCR),最大帧大小(MFS)
  尽力而为(未指定比特率或者UBR)   廉价数据,页面浏览和因特网  PCR,CDVT
尽管上面给出的业务类别参照了通用的应用级划分,采用了业务质量(QoS)参数,将一定量的要求与交换机内部的特定ATM连接相关联。这些参数作为标号,在根据用户和网络/业务提供商的业务合同建立连接时使用。一般而言,这些参数涉及时间敏感性(也就是延时和信元到达的规律性),以及交付保证(也就是给定的请求带宽上可接受的信元丢失),下表给出总结:
                            表2
  业务质量   使用
  信元传输延时(CTD)   业务量工程(TE)
  信元延时变化(CDV)   TE和调度(给信元定优先级)
  信元丢失率(CLR)   为了确定队列阈值;可以用于呼叫/连接许可控制(CAC)
  信元差错率(CER)   涉及连接质量
除了CoS和QoS之外,ATM连接一般要求所谓的业务量合同,类似于业务等级约定(SLA),用于说明业务提供时预期的业务类别和QoS参数。ATM交换软件(例如CAC机制)和硬件(例如监管器、队列管理器和调度器/整形器)针对多个业务量描述符协同工作,确保交换设备的资源被正确地分配,以满足连接合同。下表总结了可以按照本发明的教导使用的各种业务量描述符参数:
                           表3
  业务量描述符   业务类别   交换设备部件
  峰值信元率(PCR)   CBR,VBR,GFR和UBR   CAC和调度器
  信元时延变化容忍度(CDVT)   CBR,VBR,GFR和UBR   调度器和队列分配管理器
  可持续信元率(SCR)   VBR   CAC和调度器
  最大突发大小(MBS)   VBR和GFR   调度器和队列分配管理器
  最大帧大小(MFS)   GFR   帧尾丢弃机制的HW
前面提到,接入节点元网具有多个接口,因此可以管理不同的业务量类型。此外,基于节点结构的层次方案,内部业务量在交换之前,通过多个层(也就是套叠式数据管道结构)聚合。在本发明的一种实施方式中,至少实现了4个业务量聚合层:(i)子端口层;(ii)总线层;(iii)架层;以及(iv)管道层。对本领域技术人员而言,很明显这种业务量聚合方案至少是部分必要的,因为从连接层(也就是每个线路卡上的多个物理接口)到高速信元链路(HCL)总线层,以及到栈面和设备层的连续层次数据映射。在一种示例性实现中,子端口层包括多个段,每个段负责一种特定的接口类型。一个子端口类型可以表示成用户端口(例如xDSL接口),也可以表示成固定物理端口,例如STS-1分支,其中每个子端口被指派到多个连接。总线层子端口可以表示用户线路卡或服务器线路卡在主架中通过HCL总线发送ATM信元给交换设备的接口。栈面子端口表示了辅架中的子端口,它们利用栈面与交换设备通信。
图7是前面描述的接入节点部件502中的ATM交换设备702的高层功能框图。交换设备702的总体功能包括:监管;运行、管理和维护(OAM);信头转换;排队和许可控制;以及调度和业务量整形。可以很容易地看出,发往交换设备702的业务量通过多个接口提供。传输接口704用于将节点的设备连接到骨干网,例如ATM网络705。栈面接口706用于将业务量从辅架组链707(例如包括分层调度器体系结构申请的图5所示信道组506-1到506-4,以及信道组508-1到508-4)传送到交换设备702。通过线路单元(LU)707-1到707-N的多个用户接口举例说明了各种业务源,如xDSL,T1,ISDN,DS-3/OC-3等,这些业务源可以通过适当的总线级端口709-1到709-N,与交换设备702相连。线路单元接口中的一个接口可以连接到作为接入网一部分的RT 111。。
针对内部ATM业务量可以定义两种类型ATM连接:虚信道连接(VCC)和虚通道连接(VPC)。VCC一般是ATM连接能有的最小单元,可以由物理接口上的VCI/VPI对的唯一值来表示。VCC或VPC可以是以下两种类型之一:(i)点到点连接,其中建立双向连接,且每个方向中的信源可以不同,以及(ii)点到多点连接,它通常采用多个单向连接,在设备间实现组播传输。此外,也可以在本发明中实现另一层ATM连接层次,称为虚拟组连接或VGC。有关VGC实现的细节在Mudhafar Hassan-Ali等人同一天提交的题为“Virtual Group Connection Scheme For ATM Architecture In AnAccess Node”,美国专利申请号:10/280,604;(代理卷号为:1285-0099US)的共同拥有共同未决美国专利中给出,该专利通过引用并入。
进入交换设备(其功能可以以ATM交叉连接交换设备(XCF)卡形式实现)的流的入口业务量管理一般包括三个阶段:监管、VC队列/缓冲器分配和整形。在一种实施方式中,与这些级相关的硬件可以整合到XCF卡中。监管器的主要功能是确保接收的信元与所应用的连接描述符一致。如果不一致,就可以通过清除信元头中的信元丢弃优先级(CLP)来丢弃入信元或者打标记(也就是带标记)。一般来说,监管功能采用ITU-T 1.371和ATM论坛ATMF-TM-121标准中描述的众所周知的算法来实现。实际上,这些算法(一般称为通用信元速率算法或GCRA)采用所谓的信贷计数器,称为桶(bucket),以及信贷,称为令牌。在接收到信元时,如果计数器(也就是桶)有足够的信贷(也就是令牌),那么接纳该信元;否则,该信元标记成低优先级信元或者被丢弃。
本发明实现了三种监管算法。单漏桶(SLB)模块针对CBR、UBR使用,并且部分用于GFR业务类。双漏桶(DLB)模块针对rt-VBR和nrt-VBR业务类使用。帧漏桶(FLB)模块用于GFR类。典型的SLB实现使用两个参数:桶的大小(记为L),令牌增加或令牌删除的增量(也就是漏出),记为I或T。在CBR、UBR和GFR业务类中,采用的业务量描述符是PCR和CDVT,后者与SLB参数相关联。这种情况下,PCR与线路速率成正比,后者是连接的物理速率限制。CDVT指示了在该线路速率情况下,可以预处理多少信元传输,或者多少信元位于集束格式。在DLB实现中,使用了4个参数,每个桶采用两个。鉴于第一桶使用的PCR和CDVT类似于前述SLB情况,第二桶可以采用SCR和MBS描述符。在确定信元符合条件之前,这两个桶必须都得到满足。
针对GFR类实现的FLB模块具有两级监管。第一级是确定分组(或帧)是否符合条件。这通过测试以下条件完成:(i)信元到达与采用的具有PCR和CDVT描述符的GCRA功能一致;(ii)帧中所有信元具有相同的CLP值;以及(iii)帧大小不超过MFS值。第二级(漏桶实现)工作在帧层。有关GFR实现的其它细节在MudhafarHassan-Ali等人的“System And Method For Implementing GFR ServiceIn An Access Node’s ATM Switch Fabric”,于同一天申请的,美国申请号为10/280,700;(代理卷号为:1285-0102US);共同拥有共同未决美国专利中给出,该专利申请通过引用并入。
在对入信元进行了监管处理之后,或者成功或者打上标记,该信元被适当地压入该交换设备的缓存,进行调度。每个信元通过元组{PHY、VPI、VCI}识别,其中VPI和VCI通常在ATM信元头中传送。另一方面,通过确定信元来自或者信元去往的物理接口,确定PHY标识符。信元标识中包含以下比特域:物理端口标识符,PHY,是一个15比特域;VPI是一个12比特域;VCI是16比特域。因此,在一种实现中,每个连接点所需的最少比特数量是43,当需要维护大量连接时,这样做的成本可能会相当高昂。因此,下面还会更加详细地描述,本发明的交换设备将{PHY,VPI,VCI}三元组映射到一个唯一号码,称为流ID{FID},它使得存储和数据结构标识更为有效。
现在参看图8,给出的ATM交换设备702的功能框图示出了其它细节。包括总线级接口802-1到802-N,栈面接口804和传输网络接口806的多个入口接口连接到入口仲裁器808。在一种实施方式中,入口仲裁器808作为加权循环(WRR)仲裁器实现,在仲裁器尝试发送信元到设备时,它按照一个或多个应用的传输合同,确保每个接口与其带宽分配一致。其它类型仲裁器,例如非工作保留RR(NWCRR),也可以结合入口接口的业务量应用。然后,将选择的入口业务量提供给OAM/监管块810,后者也具有将{PHY,VPI,VCI}三元组转换成16比特的唯一FID的功能。因此,FID采用的值在[0;64K-1]范围内,其中二叉树用于有效地映射43比特{PHY,VPI,VCI}三元组。然后,将流转发到队列分配管理器812,后者基于信元的FID将信元压入特定队列。换句话说,每个流都在共享存储器信元缓存RAM 816中分配一个唯一的VC队列。缓存中的VC队列具有逻辑链表,后者有头和尾指针,形成了FIFO。交换设备中的共享存储器队列结构使得共享缓存空间池能够被采用的连接合同限制内的所有连接使用。一旦信元被删除(或者发送或者丢弃),其位置返回到保存所有“空闲信元”位置的表,称为空闲表。该表将所有的信元存储器位置以头尾循环的方式链接,其规则如下:(i)在缓存时,利用头指针指向可用于缓存的第一信元位置;以及(ii)在删除时,利用尾指针将新释放的位置追加到空闲表上。队列管理器812管理所有的连接VC队列,以及空闲表。
当信元可以压入队列时,队列管理器812首先检查是否已存在一个队列用于该信元所属的FID所标识的连接。如果是,将它加入VC队列表;否则,创建一个新的队列,也就是初始化新队列的头和尾指针。此外,在将信元加入队列之前,队列管理器812可以对信元、队列大小、交换设备的拥塞程度以及组的拥塞程度,还有分组状态指示进行一次或多次测试,用以确定该信元是否应当存储在队列中。这样,排队功能在交换设备中解决以下问题:(i)在交换设备资源(例如交换机连接)竞争期间,缓存信元;(ii)在拥塞期间(也就是供给的负载高于交换设备的容量时),实现信元丢弃策略,作为拥塞控制机制;以及(iii)在大多数时候发生的突发业务量情况下,缓存有助于得到明显的统计增益,定义为瞬间供给负荷和平均供给负荷之比。
队列管理器812将存储在连接存储器814中的FID提供给子端口调度器822,后者执行分层调度,下面还会详细描述,用以管理业务量整形和流路由寻址,选出最适当的连接来发送信元通过交换设备。调度器RAM 823基于一些参数,例如信元的理论到达时间(TAT),在子端口调度器的优先级队列中插入FID。仲裁器824将选出的FID(也就是那些对应于优胜信元的FID),提供给信元创建和总线接口块826。一旦调度器确定了优胜者,并且队列中所有更新已经完成,就会利用头转换块828将FID转换成新的信元头,后者包括与目的端口相关的PHY信息。与入口接口类似,多个出口接口连接到信元创建模块826,这些出口接口包括总线级接口830-1到830-N、栈面接口832和传输接口834。
基于前面的描述,很显然,接入节点部件的ATM交换机702的全部功能包括以下各项:地址转换、OAM功能、监管,确保接收的信元与其业务量合同一致;队列分配和管理;许可控制;调度;按照信元的业务量合同进行信元的业务量整形;CAC机制,在接受连接前确保有足够的可用资源。图9的流程图给出了前面提出的ATM调度/交换功能中涉及的各种操作。在新信元到达时,查表确定其FID、CoS和QoS参数(框902)。判定该信元是否与OAM/信令流相关(判断框904)。如果是,提供信元流给适当的处理块906,后者与OAM和信令信元处理相关。否则,将接收的信元提供给队列管理器进行信元缓存排队,并且在需要时,应用信元丢弃策略(框908)。然后,将该FID插入层次子端口调度器的优先级队列(PQ),进行调度(框910),下面还会详细描述。子端口在发送信元通过交换设备的时候到来时,设置一个标记(框912),在初始化与该交换设备关联的新的时隙时,就当前时隙中服务哪个子端口进行仲裁判定(框914)。在选出优胜信元时,查表进行头转换,确定目的总线/端口ID(框916)。然后,在框920生成出口信元来通过交换设备传输。此外,在信元缓存中,从适当的VC队列中去除所服务的信元。更新与其相关的流的漏桶参数(框918)。基于该队列是否积压的判定(判断框922),子端口优先级队列重新链接(框924),或者用新的TAT值更新VC队列(框926)。
现在参看图10,给出了本发明调度器的示例性实施方式的一种高层功能框图。处理新的入口信元的队列管理器1002具有适当的信元丢弃机制。前面解释过,子端口调度器1004利用分层调度处理,按照业务类别来选择优胜信元。优胜信元随后被转发给总线/端口仲裁器1004,后者选出业务的总优胜者。漏桶(LB)机制1006基于仲裁结果,更新流参数,根据队列的积压情况,将这些更新信息提供给队列管理器1002或者子端口调度器1004。
图11是在准备入口流供本发明分层调度器调度的排队管理中涉及的操作的流程图。当新信元到达时(在框1102中示出),确定适当的FID,这在前面解释过。判断信元缓冲存储器中是否存在该流的VC队列(判断框1104)。如果是,检索得到适当的队列参数,例如队列中信元数量,阈值参数等等。否则,通过适当的装置创建新的队列(框1105)。前面间接提过,信元丢弃策略块1108负责决定是将信元压入队列,还是丢弃信元。实现信元丢弃机制的一些策略原因是:(i)按照业务合同在不同连接中进行缓存资源分配的公正性;(ii)避免交换设备网络拥塞,这由队列占用(QO)参数来指示。根据实现的不同,QO可以按照VC队列来测量,或者针对整个可用的共享缓存来测量。下面马上会给出一些示例性的丢弃策略实现。
在单信元丢弃(SCD)策略中,为队列指定一个阈值,信元丢弃处理在该阈值处被触发。丢弃策略可以是CLP敏感的,或者不对CLP敏感,一般在CBR和VBR连接中实现。在一种部分分组丢弃(PPD)策略中,丢弃机制基于队列中通过ATM信元传送的分组的状态。同样,通过阈值将队列划分成两个空间。在QO到达该阈值之前,接受所有信元。一旦到达了该阈值,如果丢弃了属于部分缓存分组的一个信元,那么属于该分组的其余信元也被丢弃,除了分组中的最后一个信元,保留该信元是为了维持分组的可分离性。显然,这种机制避免了发送一个丢失了一个或多个信元的分组的尾部;其结果是更为有效地利用了交换设备传输资源。
在早期分组丢弃(EPD)策略的实现中,采用类似于PPD策略的阈值,除了在到达阈值之后,属于部分缓存分组的所有信元仍将被缓存。尽管超过了QO阈值,当新分组到达时,新分组的所有信元将被丢弃。这种机制比PPD策略更为有效,因为它避免了传输部分分组。PPD和EPD策略都适用于GFR,以及传送ATM适配层-5(AAL5)信元的UBR连接。
虽然类似PPD/EPD机制,早期丢弃(ED)策略实现的机制中,对需要发送给关联VC队列的尾的最后分组的第一信元的头进行丢弃处理。在这种情况下,该队列需要利用指针跟踪队列中的最后分组,前述指针指向的信元在具有特定净荷类型标识符(也就是PTI=1)的信元之后。功能更为强大的分组丢弃机制在随机早期检测(RED)处理中实现,它能更好地预测任何拥塞的开始。通过随时间进行的实际平均队列长度的递归计算,计算称为平均QO的参数,将该参数与预定最小阈值和预定最大阈值比较。概率参数用作触发丢弃决定的另一阈值。实际上,分组可以在以下情况丢弃:(i)如果平均QO位于最大阈值定义的范围之外,或者(ii)平均QO位于该范围之内,但是随机生成的数P小于概率参数,后者定义为平均QO的函数。
继续参看图11,判断框1110判断是否需要将新的信元压入队列。如果是,适当增大关联VC队列和子端口优先级队列长度(框1112)。因此,如果该信元被VC队列接受,并且是该队列的队头(HOL),队列管理器通知拥有对应流的子端口调度器,将其插入它的优先级队列。然后,将信元的FID、流的漏桶参数(也就是TAT值)通知该优先级队列,将这些参数转发给它,进行调度操作(框1114)。
因此,应当理解,ATM调度器的主要工作是调整与业务量描述符一致的入信元到交换设备的注入,得到交换设备连接的最优分离,公正分配交换设备的带宽,以及通过更好地利用可用带宽得到统计收益。实际上,总的目标是确定需要选择哪个信元源来通过交换设备。因为接入节点的内部ATM流基于其可调整栈面结构,也就是子端口、HCL总线、栈面、架等前面详细讨论的层,在多个结构层次上聚合,所以调度功能需要考虑这种伸缩式数据管道聚合。此外,前面指出过,调度功能还必须与入口流关联的各种业务优先级类别竞争。这样,本发明的调度器具有两维层次结构,其中调度功能在多个数据流聚合层,以及业务优先级类别(称为“平面”)上划分。图12给出了本发明多层多平面调度器实施方式1200的功能框图,其中结合6个业务类别平面给出了4个层1210、1212、1214和1216。标号1206-1指向“rt[CBR/VBR]-高”业务平面,它包括4个连续调度级,对应于4层(也就是L1到L4)。同样,还提供了以下业务平面:rt[CBR/VBR]-中平面1206-2,rt[CBR/VBR]-低平面1206-3,nrt-VBR和GFR平面1206-4,GFR平面1206-5,以及UBR(也就是,可用最佳)平面1206-6,每个平面都有L1-L4层结构。
调度器的每个子端口采用(或者构造)一个PQ,它是存储所有活跃FID的数据结构(也就是与该FID相关的VC队列至少有一个FID)。当队列管理器给出与入口信元关联的新的FID 1202进行调度时,基于CoS/QoS的分解(DEMUX)块1204根据它的CoS/QoS和业务量合同参数,将其分离到,或者指派到业务平面类别之一。之后,基于子端口的DEMUX块1208根据适当的到交换设备的子端口接口,进一步分离信元FID。这样,按照以下之一,将FID排序各种PQ数据结构:(I)CoS,将FID分组,形成不同的类别;(ii)信元时间戳(TS),它是信元合格,能够被选来进行调度的时刻;以及(iii)QoS,当两个或多个FID的TS具有相同值时,用它来确定优先级。有关如何将特定FID排序成PQ结构之一的其它细节,将在后面结合图14给出,前述每一个PQ接口都对应于一个业务平面。
通过装置为PQ模块(PQM)(该图中未示出)实现4层结构调度功能,其中各层对条目实现调度功能,根据流集合,该条目可以是以下之一:子端口、总线、端口和管道。实际上,当交换设备接收到新流的信元时,该数据流由调度器中的一个条目如下表示。从适当的漏桶模块(LBM)接收到FID,基于CoS/QoS,流数据(也就是FID和TS),存储在采用的L1数据结构中。在L1的所有的竞争子端口中(例如线路单元的不同流),L1层仲裁器只会选择一个具有最小TS的子端口,然后将它转发给下一层的仲裁机构,也就是L2仲裁。L2数据结构相应包含不同子端口的“优胜FID/TS”数据。同样,只有一个具有最小TS的条目被选出,转发给第三层。对层L3和L4连续重复这种处理,最终得到每种业务优先级类的优胜提名(也就是优胜信元的FID/TS数据)。标号1218-1到1218-6代表了6个优胜者提名,对应于图12所示的6个业务平面。
之后,采用两维仲裁机制1220,在6个提名中选择总的优胜者。在一种示例性实施方式中,提供仲裁块1220作为CoS,基于TS的优先级循环(PRR)机制用于基于业务类别以及时间戳数据来选择优胜者FID 1222。这样,仲裁器1220不仅确定具有较高业务优先级的信元能够在当前时间槽内提供服务,而且还尝试发送与全局时间变量相比,具有最低时间戳的信元。
应当认识到,各层(也就是L1-L4)的仲裁涉及管理与其相关的PQ结构,用于选择该层的优胜者。一般来说,PQ结构以树的形式实现,其中数据节点(代表例如接纳信元或从低层选择的信元的TS/FID)按照特定插入/删除准则安置。图13给出了多层多平面调度器1200的另一视图,其中每一个PQ实体都以树结构示出,得到每个业务平面的总嵌套树方案。标号1304是指对应于子端口仲裁器1305-i的PQ树,其中PQ树基于相应子端口所支持的VC连接生成。所有子端口仲裁器(例如,子端口仲裁器1305-i和1305-j)的优胜者都被转发,填充与总线级仲裁器1307-1相关联的下一级PQ树结构1306。同样,总线级仲裁器1307-1和1307-k转发各个选择给架级PQ结构1308。架级仲裁器1312、栈面接口1314、传输层接口1316转发它们的选择给管道级仲裁器1310,后者为特定业务平面选择一个优胜提名。
在一种示例性基于树的PQ实现中,在PQ中插入或删除一个元素的算法如下:(i)树或子树的根节点的值大于与树中所有其它节点相关联的值;(ii)当插入新的成员时,从上到下,从左到右执行填充。如果新的成员的值大于根节点的值,结构就下推一级。(iii)PQ树的根第一个出去。(iv)删除根节点,根的两个下一代中较大的那个继承为根节点。
多种数据结构可以用于实现本专利申请所提出的层次调度中使用的树基PQ。在本发明的一种示例性实施方式中,PQ实体可以以堆结构实现。虽然堆实现通常在存储器使用方面表现优异,它受限于其算法复杂性,后者在高速设计中会使吞吐量受限。因此,在另一实现方式中,每一层特定的PQ实体作为综合“日历堆”结构实现,综合“日历堆”结构的详细描述由Mudhafar Hassan-Ali等人同一天提交的题为的“Calendar Heap System And Method For EfficientSorting,”,美国申请号为10/281,033;(代理卷号为:1285-0101US),该专利通过引用并入。
现在参看图14,给出的结构性流框图描述了一种基于CoS、QoS和TS参数将特定FID排序到PQ结构之一的示例性方法。每个信元指派有一个标记1410,用于重新连接与其关联的调度器PQ。标记1410包括流ID 1402、CoS 1401、TS 1406和QoS 1408。对可用最佳业务类别(也就是UBR业务)而言,使用PCR和CDVT参数(框1412),其中PQ利用TS重新连接。如果出现任何冲突,该标记的QoS部分将被用作解决方案。然后,确定PQ的头,转发给优先级DEMUX(框1418)。与保证nrt连接相关的操作在框1414中提出,它被分离成GFR相关的操作块(框1415A)和nrt-VBR操作块(框1415B)。同样,与CBR连接相关的操作在框1416中提出。各个业务优先级的FID被转发给DEMUX(框1418),后者随后将FID转发给子端口仲裁器(框1420)。
前面提出过,在选出业务的优胜信元通过交换设备时,需要更新出现优胜信元的所有的PQ结构(跨聚合层),从中移去该信元的FID。如果流仍然被积压,则可以在PQ结构中重新连接。这些操作一般需要大量计算。因此,在一种示例性实现中,采用基于指针的管道结构,在图15中示出,用于在选择优胜者时更新PQ树。为了调节各层的信元发送,各层都关联一个SLB。每当有一个PQ的候选信元,其TS需要符合SLB的TS要求。例如,在子端口层1210中,连接的TS符合子端口的SLB所产生的TS。前面描述过,SLB由GCRA功能定义{PCR,CDVT}。当CDVT变为0时,SLB将试图模拟匹配子端口物理传输速率的虚拟CBR管道。合格性如下定义:子端口的TS=Max{max{TSVC-x for x=1,...,isubport-j},TSsubport-j}。相同的操作也在其它层上执行。在基于时间的CoS-PRR 1220选择优胜信元时,更新模块1502使用管道指针来跨业务平面修改所有层的PQ结构。
此外,前面结合图9所示流程图描述过,优胜信元FID的LB参数也要更新。漏桶计算器(LBC)在更新时用作状态机,其中按照业务量合同和该信元所属连接的历史决定信元是否合格。前面解释过,在用于监管时,该状态机决定入信元是否符合要求,而用于整形时,它决定信元符合业务要求的时刻。但是不管怎样,计算LB参数时都存在问题,这是因为参数表示所用的有限字长(也就是TS、TAT等)。因此,很明显,在ATM业务流上,其结果是,当将某个TS指派给某个特定流时,它在过期后,但在该流得到服务之前翻转,因为TS已过期,该流失效。解决这个问题的方案的一种示例性实现如下。对入流,确定了各个流的CoS值后,维护TAT和TS参数。本发明提供了一种算法处理,用于确定涉及TAT和TS值的时间过期条件。当检测到适当的过期条件时,用新的时间值取代TS值。有关“翻转”的其它细节,Mudhafar Hassan-Ali等人的“System AndMethod For Implementing GFR Service In An Access Node’s ATMSwitch Fabric”,于同一天申请的,美国申请号为10/280,700;(代理卷号为:1285-0102US),该专利申请通过引用并入本发明。
基于前面的详细描述,应当理解,本发明有利地提供了一种创新的用于接入节点部件的ATM调度器实现,旨在支持不同的业务和多种业务量类型,同时提供有效的可调整性。通过根据业务类别,并且跨多个层次数据管道聚合来划分调度功能,可以在本发明的ATM交换设备中有效地实现业务量合同遵从,以及必要的连接分离和公正带宽分配,而不需要复杂和非常昂贵的硬件实现,前述层次数据管道聚合对可调整硬件结构而言可能是必要的。此外,在调度核心中使用基于RAM的堆和日历堆数据结构提供了更为简单的数据库方案,从而实现高效交换。此外,按照本发明教导的分层ATM调度器体系结构所支持的硬件的可调整提供,在不同接入网基础设施上有利地提供了一种提供附加增值业务(包括实时视频(例如视频点播)、数据、图片和多媒体)的低成本的商业模式。
通过前面的详细描述,相信本发明的操作和构造已经很清楚。示出和描述的本发明实施方式是示例性的,应当理解在不偏离后附权利要求书所提出的本发明范围的前提下,可以作出各种变化和改进。

Claims (13)

1.一种用于接入网元的分层调度器,前述接入网元具有能够切换多个入口流的交换设备,其中每个所述入口流包括多个信元,在所述接入网元中通过多个聚合层聚合,包括:
确定入口信元的流标识的装置;
基于业务优先级类别,分离所述入口信元的装置;
针对每个业务优先级类别,为每个聚合层选择优胜信元,并且将所述优胜信元转发到下一聚合层的装置;以及
在每个业务优先级类别的优胜信元中进行仲裁,选择总优胜信元通过所述交换设备进行传输的装置。
2.根据权利要求1所述的用于接入网元的分层调度器,其中在所述优胜信元中仲裁的所述装置包括一个基于时间的优先级循环仲裁装置。
3.根据权利要求1所述的用于接入网元的分层调度器,其中所述业务优先级类别与特定业务类关联。
4.根据权利要求3所述的用于接入网元的分层调度器,其中所述特定业务类包括恒定比特率业务类。
5.根据权利要求3所述的用于接入网元的分层调度器,其中所述特定业务类包括实时可变比特率业务类。
6.根据权利要求3所述的用于接入网元的分层调度器,其中所述特定业务类包括非实时可变比特率业务类。
7.根据权利要求3所述的用于接入网元的分层调度器,其中所述特定业务类包括未指定比特率业务类。
8.根据权利要求3所述的用于接入网元的分层调度器,其中所述特定业务类包括保证帧频业务类。
9.根据权利要求1所述的用于接入网元的分层调度器,其中所述业务优先级类别与业务质量参数关联。
10.根据权利要求1所述的用于接入网元的分层调度器,其中为每个聚合层选择优胜信元的所述装置包括在子端口级层上从多个竞争信元中选择优胜信元的装置。
11.根据权利要求10所述的用于接入网元的分层调度器,其中为每个聚合层选择优胜信元的所述装置包括在总线级层上从多个竞争信元中选择优胜信元的装置,这些竞争信元由所述子端口级层转发而来。
12.根据权利要求11所述的用于接入网元的分层调度器,其中为每个聚合层选择优胜信元的所述装置包括在架级层上从多个竞争信元中选择优胜信元的装置,这些竞争信元由所述总线级层转发而来。
13.根据权利要求12所述的用于接入网元的分层调度器,其中为每个聚合层选择优胜信元的所述装置包括在管道级层上从多个竞争信元中选择优胜信元的装置,这些竞争信元由所述架级层转发而来。
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