CN101212408A - 一种负荷分担模式的交换系统及端口级保护倒换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于共享内存以及负荷分担模式的交换系统及端口级保护倒换方法。本发明系统包括两个交换平面与若干个交换终端，通过背板总线以及高速链路线、信号线相连，每个交换终端都具有过滤器，所述若干个交换终端的过滤器的设置使得任何一个交换终端只从一个固定的交换平面接收报文。发明方法公开了所述系统中端口级保护倒换方法。采用本发明所述的系统和方法，在保证通信系统的稳定性和可靠性方面有了很大的进步，端口级的保护倒换使倒换时间尽量的短，丢失的报文尽量的少，更加快捷、稳定，满足电信级设备的倒换要求。

Description

一种负荷分担模式的交换系统及端口级保护倒换方法

技术领域

本发明涉及一种交换技术，尤其是涉及一种基于共享内存以及负荷分担模式的交换系统中的端口级保护倒换系统及端口级保护倒换。

背景技术

随着Internet突飞猛进的发展以及宽带技术的不断涌现，对Internet的互联设备——路由器的性能要求越来越高，组建骨干网的路由器一般都需要有千兆以上的转发能力，传统的交换网一般有四种形式，分别是总线交换、环形交换、Crossbar交换以及共享内存交换结构。

总线交换是最古老的一种数据交换方式，它没有专门的交换网芯片，通过共享背板总线进行各线卡之间的数据传递，各线卡分时占用背板总线。总线交换虽然结构和技术都比较简单，但是其突出缺点是交换容量受背板总线带宽限制，无法构建大容量的交换系统，并且随着背板总线带宽的增加，码流的同步控制也成为一大瓶颈。

环形交换实质上仍然是一种总线交换方式，改进点就是将总线从背板移到了芯片上。它虽然能够比总线交换提高一定的带宽，但是并没有从根本上解决总线交换的弊端。因此随着网络的不断发展，以上两种技术越发显得力不从心，逐渐将退出历史舞台。

Crossbar交换是目前应用很广泛的一种交换结构，这种交换方式最大的优点就是扩展性比较好，但是它的调度机制非常复杂，同时需要两倍以上的冗余交换能力才能满足无阻塞交换，成本高，而且复杂的调度机制使得时延增加，特别是对于组播和多播传输方式，系统开销和时延都比较大。

共享内存是目前业界非常看好的一种交换方式，它采用并行操作，先将串行数据流在输入口进行串并转换，并将并行数据按照端口顺序写入R100M，输出端口处理单元从存储器中读取并行数据，并经并串转换后发送出去。共享内存的交换技术是所知的有潜力提供最好性能的结构，它充分利用了输出带宽，并且在充分利用缓冲内存的情况下，达到很低的时延。输出队列不需要Crossbar所需要的中央调度器，每个端口可以自主的允许数据进入本端口所对应的共享缓存。另外，共享内存的交换方式对于多播或者组播也有良好的支持，对于多播和组播，它能够避免了数据的多次拷贝，提高了交换效率。

众所周知，电信网络需要为其用户提供稳定可靠不间断的服务，基于共享内存的交换结构由于其内部有一个很大的存储单元，传输过程中会有大量报文缓存在里面，如果该交换平面发生故障，会造成大量的数据丢失。对于通信设备稳定性所需要的性能要求，出错倒换的时间只有控制在毫秒级才能够满足电信级设备的要求，因此如何提高共享内存交换结构的稳定性、可靠性，以及在出错时能够在尽可能短的时间恢复是需要解决的一个难题。

现有的采用共享内存的交换系统多采用1+1主备方式，这种方式的缺点是：

(1)所有工作都集中在一个交换平面上，其工作负荷过重；

(2)一个交换端口的故障会导致整个系统内所有交换平面的倒换，代价过高。

而现有的负荷分担和保护倒换系统及方法都有以下不足：

将交换端口的故障处理等同于交换模块故障，一个端口的故障就会影响整个交换系统。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于共享内存以及负荷分担模式的交换系统及其端口级保护倒换方法。采用本发明系统及方法能使系统进行端口级的保护倒换，满足电信级设备的倒换要求。

为解决上述技术问题，本发明基于共享内存以及负荷分担模式的交换系统包括两个交换平面与若干个交换终端，通过背板总线以及高速链路线、信号线相连，每个交换终端都具有过滤器，所述若干个交换终端的过滤器的设置使得任何一个交换终端只从一个固定的交换平面接收报文。

进一步，所述每个交换终端包括：第一过滤器与第二过滤器，分别对应于所述两个交换平面，所述第一与第二过滤器的设置使得每两个终端之间收发的报文经过的交换平面是固定的，并且每个交换终端的过滤器设置都相同。

进一步，所述每个过滤器都具有N个比特，其中每个比特对应一个终端，通过该比特的值来表示发向该比特对应终端的报文是否将从该过滤器对应的交换平面流经。

根据本发明所述基于共享内存以及负荷分担模式的交换系统，本发明端口级保护倒换方法包括如下步骤：

(1)初始工作时，将交换平面设置成负荷分担的工作模式；

(2)所有交换终端和交换平面定时检测链路状况；

(3)当某个交换终端的主用链路检测出错时，修改所述交换终端的过滤器设置，改用备用链路进行包传输，

其中，所述某个交换终端的主用链路为该终端从某个固定交换平面接收报文时与该交换平面之间的链路；所述备用链路为该终端与另一个交换平面之间的链路。

进一步，步骤(1)更具体包括：

每个交换终端设置第一过滤器和第二过滤器，每个过滤器都设置有N个比特，其中每个比特对应一个终端，通过该比特的值来表示发向该比特对应终端的报文是否将从该过滤器对应的交换平面流经。

再进一步，将所有终端上的第一过滤器比特设置成相同并与第二过滤器的比特设置为互补。

再进一步，将交换终端与交换平面之间传输的包分为数据包和链路检测包两种格式，所述数据包承载系统中传输的用户数据，所述链路检测包通过检测链路时其发出后是否正确收回判断链路状况。

再进一步，将所述数据包分成正常数据包和反向数据包两种格式，所述正常数据包根据过滤器的设置选择通过的交换平面，所述反向数据包根据过滤器的设置选择相反的方向。

再进一步，在所述步骤(2)中包括：

在所有交换终端上都设置主用链路计数器和备用链路计数器，用于记录相应链路检测包的出错率；

在每个交换平面上设置链路检测计数器，用于检测相应交换终端对应链路检测包的出错率；

每个交换终端启动定时器，定时向两个交换两面分别发送链路检测包，交换平面检测在单位时间内是否收到相应交换终端发送过来的包；每个交换平面也在定时往所有交换终端发送链路检测包，交换终端检测在单位时间内是否收到交换平面发送过来的包。

再进一步，当步骤(2)任何一个交换终端检测到至少有一条链路出错时，在步骤(3)中执行以下步骤：

如果主用和备用计数器都达到门限，则将所有交换终端对应该终端的过滤器位置改为使该交换终端交换系统的设置；

如果只有备用链路计数器达到门限，则该交换终端给出告警信息，并启动对应该链路的备用计数器和定时器，监测该链路，链路恢复正常时清空备用链路计数器并关闭定时器；

如果只有主用链路计数器达到门限，则将所有交换终端的过滤器对应该终端的过滤器位置改为屏蔽该出错主用链路对应的交换平面而选择另一交换平面为通信链路的设置。

再进一步，当步骤(2)任何一个交换平面检测到对应终端的链路出错时，在步骤(3)中执行以下步骤：

通知达到门限的链路检测计数器对应的交换终端只发送反向数据包，并启动定时器，定时向出错链路所连接的交换平面发送链路检测包，如果链路恢复正常，则通知交换终端将原先发送的临时反向数据包改为正常数据包。

再进一步，当步骤(2)任何一个交换终端检测到只有主用链路出错时，在步骤(3)中还执行以下步骤：

启动定时器，计数器超标的交换终端定时向主用链路发送链路检测包，如果能够通过主用链路回收到该检测包，则清空主用链路计数器并关闭定时器，并进行无损倒换恢复原来的设置。

再进一步，所述无损倒换步骤为：

所有交换终端开始往交换平面发送反向数据包；

当交换平面内储存的主用链路数据包都发送完毕后只剩下反向数据包时，通知所有交换终端修改过滤器并发送正常数据包。

采用本发明所述的系统和方法，与现有技术相比，在保证通信系统的稳定性和可靠性方面有了很大的进步，端口级的保护倒换更加快捷、稳定，满足电信级设备的倒换要求。

附图说明

图1是正常情况下采用负荷分担的系统示意图。

图2是系统初始化流程图。

图3是某个交换终端检测链路出错的流程图。

图4是某个交换平面检测到链路出错的流程图。

图5是某个交换平面检测到链路恢复的流程图。

图6是某个交换终端检测到链路恢复后的流程图。

具体实施方式

下面结合附图具体说明本发明系统和方法的实施方式。

如图1所示，作为一个实施例，以三个交换终端为例，系统包括两个交换平面X和Y，交换终端A、B、C，交换终端上有过滤器。所有的交换终端和交换平面都通过背板的总线相连，而交换平面与交换终端之间还通过高速链路线以及信号线相连。

作为本发明的另一种实施方式，每个终端的过滤器包括第一过滤器FilterX和第二过滤器FliterY，分别对应于交换平面X和交换平面Y。

假设有N个终端，则每个终端上的两个过滤器各有N个bit，每个bit对应一个终端，它代表一个开关。如果该bit为1，则表示发向这个bit对应终端的报文将从该过滤器所对应的平面流通；如果该bit为0，则表示发往这个bit对应终端的报文不从这个平面经过。

过滤器的设置必须遵循以下的规则：

(1)两个过滤器的bit设置应该互补，假设一个报文在FilterX中设置成从X平面通过，则必须在FilterY中进行屏蔽，不能再从Y中经过。

(2)所有终端的过滤器(即FilterX和FilterY)设置必须相同。

以图1的例子来说，因为图中有三个终端，因此对于每个过滤器设置三个bit。如果终端A的[FilterX]＝[101]，由规则(1)所得，终端A的[FilterY]＝[010]。含义是终端A发往终端A的报文将从平面X经过，发往终端B的报文将从平面Y经过，发往终端C的报文将从平面X经过。由规则(2)所得，其它所有的终端设置都应该和终端A相同，即它们的[FilterX]＝[101]以及[FilterY]＝[010]。

规则(2)还衍生出来一个潜规则，因为所有终端过滤器的设置都是相同的，因此任何终端接收到的报文，无论其是从哪一个终端发出来的，都只会经过一个固定的平面。例如，若终端过滤器设置成[FilterX]＝[101]以及[FilterY]＝[010]，那么发往终端A、C的报文只会经过平面X，而发往终端B的报文只会经过平面Y。由此，对于每一个终端，我们定义出主用链路和备用链路的概念。

若某个终端只从某个固定平面接收报文，则将该终端与该平面之间的链路称作主用链路；相反，该终端与另一个平面之间的链路称作备用链路。

此外，我们还将交换终端与交换平面之间传输的包分为两种格式：

(1)数据包，这种包承载的是系统中所传输的用户数据。数据包还分为两种格式：一个是正常数据包，这种包会根据过滤器的设置来选择通过的交换平面。例如，假设终端A过滤器设置成[FilterX]＝[101]和[FilterY]＝[010]，则终端A发给终端C的正常数据包将从FilterX(也就是最后从平面X)通过。

数据包的另一个格式是反向数据包，这种包会根据过滤器的设置选择相反的方向。例如，假设终端A过滤器设置成[FilterX]＝[101]和[FilterY]＝[010]，则终端A发给终端C的反向数据包将不从FilterX走，而是改从FilterY(也就是从平面Y)通过，这就是所谓的反向功能。

(2)链路检测包，这种包的功能就是通过检测发送出去的包有没有正确回收回来，从而判断链路的状况。

将端口的保护分为两种情况，一种是交换终端监控的接收方向端口保护；另一种是交换平面监控的发送方向端口保护。所述的保护倒换有以下步骤：

(1)初始工作时，将交换平面设置成负荷分担的工作模式。

(2)所有交换终端和交换平面各自启动定时器T，定时检测链路状况。

(3)当某个交换终端的主用和备用链路检测出错，修改所有交换终端的过滤器，将出错终端暂时屏蔽出交换系统。

(4)当某个交换终端的备用链路检测出错，告警，启动定时期T，对其定时监控。

(5)当某个交换终端的主用链路检测出错，修改所有交换终端过滤器，改用备用链路进行包传输；同时启动定时器T进行监测，如果该链路恢复则进行无损倒换，恢复原来的设置。

(6)当某个交换平面的链路检测出错，通知其对应的交换终端改为发送反向数据包(即该终端发送的包只从另外一个平面经过)；同时启动定时器T进行监测，如果链路恢复则改为发送正常数据包。

下面结合附图来说明根据本发明的系统中端口级保护倒换方法。

(A)初始工作时，设置两个交换平面都工作在负荷分担模式下，每个交换终端都设有两个过滤器分别对应于两个交换平面，过滤器是根据包的目的地址所设置的。为了减少交换平面的工作负荷，以及避免重包的产生，两个过滤器的滤值应该配置成互补，从而保证对于每个包的流向，只会走唯一的交换平面。

如图1所示，所有交换终端的两个过滤器都设置成[FilterX]＝[101]以及[FilterY]＝[010]，即所有终端发往终端A、C的报文都从平面X通过，而发往终端B的报文都从平面Y通过。

(B)每个交换终端启动定时器T，定时向两个交换平面分别发送链路检测包，交换平面检测在定时器的单位时间内是否收到相应交换终端送过来的包；同时每个交换平面也在定时往所有交换终端发送链路检测包，交换终端在单位时间内对于包是否收到进行检测。

在所有交换终端上分别设置两个计数器，分别为主用链路计数器和备用链路计数器，用以记录相应链路检测包的出错率。

在每个交换平面上都设有一个链路检测计数器，用于检测相应交换终端对应链路的检测包的出错率。

如图2所示，所有终端和所有平面互相发送链路检测包用来检测链路的状况。

(C)在步骤B中，如果交换终端上的两个计数器的数值有一个达到门限时，则执行下面的步骤。

(C1)如果主用和备用计数器都达到门限：

(C11)说明该终端的主用链路和备用链路同时出错，此交换终端已经不可用，需要将所有交换终端的对应该终端的过滤器位置改成‘0’，即让此交换终端暂时退出交换系统。

如图3所示，如果交换终端A连接交换平面X和Y的链路同时损坏，则需要将所有交换终端的过滤器都设置成[FilterX]＝[001]，而[FilterY]＝[010]，即任何终端都无法往终端A发送报文，也就是让终端A暂时退出交换系统，等待后续处理。

(C2)如果是只有备用链路计数器达到门限：

(C21)由于备用链路不影响主用链路的包传输，因此交换终端给出告警。

(C22)启动定时器T，备用链路定时器超标的这个交换终端定时向备用链路发送链路检测包，如果能够通过备用链路回收到该检测包，则说明链路恢复正常，清空备用链路计数器，并关闭定时器T。

(C3)如果是只有主用链路计数器达到门限：

(C31)修改所有交换终端的过滤器，将过滤器中主用链路对应的那一位设置为‘0’，而另一个平面的对应位设置成‘1’。

如图3所示，如果终端A检测到主用链路出错，则通知所有交换终端修改其过滤器中对应终端A的bit位。例如，过滤器初始设置是[FilterX]＝[101]和[FilterY]＝[010]，由于终端A的主用链路损坏，即平面X无法将报文转发给终端A，因此需要用备用链路来转发报文，则将过滤器修改成[FilterX]＝[001]和[FilterY]＝[110]，也就是说通过平面Y向终端A发送报文。在这种情况下，原来终端A的主用链路变成了备用链路，而备用链路则变为了主用链路。

(C32)启动定时器T，定时器超标的这个交换终端定时向主用链路发送链路检测包，如果能够通过主用链路回收到该检测包，则说明链路恢复正常，清空主用链路计数器，关闭定时器T，并进行无损倒换恢复原来的设置，该步骤参见步骤E。

(D)在步骤B中，如果交换平面对应交换终端的链路检测计数器达到门限，则执行下面的步骤。

(D1)识别出溢出的那个链路检测计数器所对应的交换终端，通知该交换终端只发送反向数据包，反向数据包只从另一个平面通过，而不会受到该出错平面的影响。

如图4所示，当交换平面X检测到连接终端A的链路出错，系统通知终端A对于发送到平面X的报文改变其格式为反向包，也就是说，对于原本要发向平面X的报文，不从第一过滤器FilterX走，而是改从第二过滤器FilterY通过，即发往Y平面。在这种情况下，其余交换终端的设置不需要进行变动。

(D2)该交换终端启动定时器T，定时向出故障的链路所连接的交换平面发送链路检测包，如果能正确回收该包，则说明链路回复正常，将原先发送的临时数据包改为正常的数据包。其步骤如图5所示。

(E)如果检测到某条链路恢复正常，则需要进行无损倒换，恢复原有的设置，这一过程不会出现包的丢失，该步骤如下。

(E1)所有交换终端开始往交换平面发送反向数据包。

如图6所示，终端A当检测到原来的主用链路恢复后，通知所有交换终端和交换平面开始倒换。

(E2)当交换平面内储存的主用链路数据包都发送完毕后(即平面内的内存中只剩下反向数据包)，则通知所有交换终端修改过滤器，并发送正常数据包。

如图6所示，因此步骤C中将所有终端的过滤器改成了[FilterX]＝[001]和[FilterY]＝[110]，交换平面判断现在可以倒换后，通知所有交换终端将过滤器改成[FilterX]＝[101]和[FilterY]＝[010]，即恢复初始设置。

本发明提供了将发送方向和接收方向端口分开考虑的端口级的保护倒换方法，从健壮性来说，端口级的错误不会影响到整个系统的倒换，使得对于系统的影响降到最低；从时间上来说，通过对于过滤器的修改或者对于发送报文格式的控制就能达到倒换的要求，时间很短；从稳定性来说，出错倒换完毕后还提供了无损倒换回初始配置的功能，提高系统的稳定性；从效果上来说，ms级的倒换能够满足基于共享内存交换系统的时间要求。

Claims (13)

1.一种基于共享内存以及负荷分担模式的交换系统，包括两个交换平面与若干个交换终端，通过背板总线以及高速链路线、信号线相连，其特征在于，每个交换终端都具有过滤器，所述若干个交换终端的过滤器的设置使得任何一个交换终端只从一个固定的交换平面接收报文。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述每个交换终端包括：第一过滤器与第二过滤器，分别对应于所述两个交换平面，所述第一与第二过滤器的设置使得每两个终端之间收发的报文经过的交换平面是固定的，并且每个交换终端的过滤器设置都相同。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述每个过滤器都具有N个比特，其中每个比特对应一个终端，通过该比特的值来表示发向该比特对应终端的报文是否将从该过滤器对应的交换平面流经。

4.一种如权利要求1所述的交换系统中的端口级保护倒换方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)初始工作时，将交换平面设置成负荷分担的工作模式；

(2)所有交换终端和交换平面定时检测链路状况；

(3)当某个交换终端的主用链路检测出错时，修改所述交换终端的过滤器设置，改用备用链路进行包传输，

其中，所述某个交换终端的主用链路为该终端从某个固定交换平面接收报文时与该交换平面之间的链路；所述备用链路为该终端与另一个交换平面之间的链路。

5.如权利要求4所述的端口级保护倒换方法，其特征在于，步骤(1)更具体包括：

每个交换终端设置第一过滤器和第二过滤器，每个过滤器都设置有N个比特，其中每个比特对应一个终端，通过该比特的值来表示发向该比特对应终端的报文是否将从该过滤器对应的交换平面流经。

6.如权利要求5所述的端口级保护倒换方法，其特征在于：

将所有终端上的第一过滤器比特设置成相同并与第二过滤器的比特设置为互补。

7.如权利要求6所述的端口级保护倒换方法，其特征在于：将交换终端与交换平面之间传输的包分为数据包和链路检测包两种格式，所述数据包承载系统中传输的用户数据，所述链路检测包通过检测链路时其发出后是否正确收回判断链路状况。

8.如权利要求7所述的端口级保护倒换方法，其特征在于：将所述数据包分成正常数据包和反向数据包两种格式，所述正常数据包根据过滤器的设置选择通过的交换平面，所述反向数据包根据过滤器的设置选择相反的方向。

9.如权利要求8所述的端口级保护倒换方法，其特征在于，在所述步骤(2)中包括：

在所有交换终端上都设置主用链路计数器和备用链路计数器，用于记录相应链路检测包的出错率；

在每个交换平面上设置链路检测计数器，用于检测相应交换终端对应链路检测包的出错率；

每个交换终端启动定时器，定时向两个交换两面分别发送链路检测包，交换平面检测在单位时间内是否收到相应交换终端发送过来的包；每个交换平面也在定时往所有交换终端发送链路检测包，交换终端检测在单位时间内是否收到交换平面发送过来的包。

10.如权利要求9所述的端口级保护倒换方法，其特征在于，当步骤(2)任何一个交换终端检测到至少有一条链路出错时，在步骤(3)中执行以下步骤：

如果主用和备用计数器都达到门限，则将所有交换终端对应该终端的过滤器位置改为使该交换终端交换系统的设置；

如果只有备用链路计数器达到门限，则该交换终端给出告警信息，并启动对应该链路的备用计数器和定时器，监测该链路，链路恢复正常时清空备用链路计数器并关闭定时器；

如果只有主用链路计数器达到门限，则将所有交换终端的过滤器对应该终端的过滤器位置改为屏蔽该出错主用链路对应的交换平面而选择另一交换平面为通信链路的设置。

11.如权利要求10所述的端口级保护倒换方法，其特征在于，当步骤(2)任何一个交换平面检测到对应终端的链路出错时，在步骤(3)中执行以下步骤：

通知达到门限的链路检测计数器对应的交换终端只发送反向数据包，并启动定时器，定时向出错链路所连接的交换平面发送链路检测包，如果链路恢复正常，则通知交换终端将原先发送的临时反向数据包改为正常数据包。

12.如权利要求11所述的端口级保护倒换方法，其特征在于，当步骤(2)任何一个交换终端检测到只有主用链路出错时，在步骤(3)中还执行以下步骤：

启动定时器，计数器超标的交换终端定时向主用链路发送链路检测包，如果能够通过主用链路回收到该检测包，则清空主用链路计数器并关闭定时器，并进行无损倒换恢复原来的设置。

13.如权利要求12所述的端口级保护倒换方法，其特征在于，所述无损倒换步骤为：

所有交换终端开始往交换平面发送反向数据包；

当交换平面内储存的主用链路数据包都发送完毕后只剩下反向数据包时，通知所有交换终端修改过滤器并发送正常数据包。

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