CN101227394B - 一种大容量无阻塞路由矩阵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大容量无阻塞路由矩阵，通过多个CLOS交换平面将具有分组功能的终端模块连接在一起，每个终端都与每个CLOS交换平面有且仅有一条连接，所述CLOS交换平面的输入/出级都采用对称交换单元，且中间级交换单元数量等于输入级对称交换单元出线数或输出级对称交换单元入线数。这种路由矩阵选择输入/出级为对称交换单元，减少交叉点的数量，降低成本；构建堆叠式路由矩阵，可最大限度地连接更多终端，同时各个终端连线之间处于均等地位，互为备份，提高了系统的容量和可靠性；通过配置中间级入/出线数量，可实现不同大小的交换容量，而升级时也只需要通过更改中间级的容量就能增加系统的容量，保护了前期投资。

Description

一种大容量无阻塞路由矩阵

技术领域

本发明涉及数据通讯，具体涉及一种高端路由器中的大容量无阻塞路由矩阵。

背景技术

随着因特网技术的迅猛发展，IP承载网面临着数据、语音、视频等多种业务的融合。在新技术和新业务的推动下，IP网络的流量和规模的膨胀发展，未来高端路由器中系统容量、端口速率等方面性能成为急需解决的问题。

目前高端路由器主要采用大容量矩阵式交换结构实现大的系统容量，这种交换结构以纵横Crossbar为核心，具有灵活的拓扑配置方式，理论上，其容量可以随着端口数的增加无限增长。然而随着规模增大，这种单级交换结构不可避免因交叉点数增加，带来的成本增加。另一方面，受设备尺寸限制，其规模也不可能无限增大。随着IP网络对高端路由器在系统容量等性能上的需求，单级交换结构不能满足未来高端路由器应用的需要。

实现大容量无阻塞交换平面可以通过Benes网、CLOS网或3D Torus(三维Torus)网等实现。图1是通过典型的CLOS网实现大容量交换矩阵的示意图，它通过把多个小的交换单元互联起来，构造成一个超大型、可扩展的多级交换平面。CLOS网任一入线与出线之间存在多个通路，当其满足m≥2n-1时(式中m是中间级的单元数量，n是输入级单元的入线数和输出级单元的出线数)，该网络随时可以建立任意入线与出线的连接，网络严格无阻塞。

专利“CN03153582一种三级克洛斯矩阵无阻塞扩展方法”提出选择输入/输出端口速率高于交叉连接数据粒度的交叉模块作为克洛斯矩阵的输入级模块、中间级模块和输出级模块来构建一种严格无阻塞三级CLOS网。发明中所要求的交叉模块的输入/输出端口速率高于交叉连接数据粒度，这种方法不能适应于高速率的应用需求。随着GE(千兆以太网)、10GE(万兆以太网)、40G POS等高速率端口逐渐推行，业务流的粒度越来越大，对于较大粒度的流会导致端口不能达到线速。

专利“US6754208Traffic spreading to reduce blocking in a groomed CLOScommunication switch”提出在三级CLOS网的中间层来实现流量均衡。这种方法要求CLOS网的阻塞率较低时才能实现为了实现大容量无阻塞交换平面，只能通过增加中间级模块的数量来实现，从而增加了系统的成本。

综上所述，这种通过严格无阻塞CLOS网构建交换矩阵的方式只能通过增加中间级模块的数量来实现大容量无阻塞交换，随着系统容量的增大而避免不了交叉节点的增加和成本提高。此外，由于交换矩阵对每个终端都只有唯一通道与其连接，不适合高端路由器对可靠性的要求。。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是如何提供一种大容量无阻塞路由矩阵，能够解决因CLOS网规模扩大带来的成本问题，进一步，解决CLOS网面临高速率端口应用问题，此外，针对高端路由器的应用，提出CLOS网可扩展性办法。

本发明的上述技术问题这样解决，提供一种大容量无阻塞路由矩阵，通过多个CLOS交换平面将具有分组功能的终端模块连接在一起，每个终端都与每个CLOS交换平面有且仅有一条连接，所述CLOS交换平面的输入级和输出级都采用对称交换单元，所述CLOS交换平面的中间级交换单元数量等于输入级对称交换单元出线数或输出级对称交换单元入线数。

按照本发明提供的路由矩阵，所述交换单元都是自选路由交换模块。

按照本发明提供的路由矩阵，所述多个CLOS交换平面结构都相同。

按照本发明提供的路由矩阵，所述中间级交换单元是负荷分担的中间级交换单元。

按照本发明提供的路由矩阵，所述一条连接是双向连接。

按照本发明提供的路由矩阵，所述输入级对称交换单元与中间级交换单元有且仅有一条单向连接。

按照本发明提供的路由矩阵，所述中间级交换单元与输出级对称交换单元有且仅有一条单向连接。

按照本发明提供的路由矩阵，所述中间级交换单元与传统方案一致，还是对称交换单元。

按照本发明提供的路由矩阵，该路由矩阵通过扩展所述中间级交换单元的入/出线数量能增加容量。

本发明提供的一种大容量无阻塞路由矩阵，通过选择输入级和输出级为对称交换单元，减少交叉点的数量，降低成本；通过构建堆叠式路由矩阵，可以最大限度的连接更多的终端，同时各个终端连线之间处于均等地位，互为备份，提高了系统的容量和可靠性；通过配置中间级入线和出线数量，可以实现不同大小的交换容量，而升级时只需要通过更改中间级的容量就能够变换系统的容量，保护了系统前期投资。

附图说明

下面结合附图和具体实施例进一步对本发明进行详细说明。

图1是典型的n×n三级CLOS交换矩阵示意图；

图2-1和2-2是本发明的一种n×n三级CLOS交换平面示意图；

图3是本发明的一种交换矩阵的拓扑结构示意图。

具体实施方式

首先，说明本发明的核心思想：

通过多个具有自选路由功能的可重排无阻塞CLOS交换平面，构建一种可折叠式的大容量无阻塞路由矩阵。

第二步，说明本发明关键：

(一)本发明涉及对典型的三级CLOS网进行了改进，图2为本发明中改进的可重排无阻塞三级CLOS交换平面。三级CLOS平面又包括三个部分：

1)输入级：该模块为三级CLOS网络的第一级，用于从源终端接收流，同时根据分发表将流传送至中间级，实现中间级的负载均衡。

2)中间级：该模块为三级CLOS网络的第二级，用于从输入级接收流，同时根据路由表将流传送至输出级，实现流的可到达性。

3)输出级：该模块为三级CLOS网络的第三级，用于从中间级接收流，同时根据路由表将流送到目的终端，完成流的交换。

在三级CLOS交换平面的构建中，输入级和输出级均选用对称交换单元，该单元的入线和出线数量相等。对于数量确定的终端，减少了该CLOS交换平面需要的中间级的使用，从而减少了交换交叉节点数量，最终降低了因系统容量的增加带来的成本增加。

(二)本发明涉及由多个CLOS交换平面构建成的交换矩阵，图3为该交换矩阵的拓扑结构。本发明通过多个交换平面将具有分组功能的终端模块连接在一起，终端模块的入线和出线数量决定了交换平面的数量，各个交换平面互相独立，独立完成业务流的输入、输出及路径查找功能。该拓扑结构在实现高速率应用的同时，提高了系统的可靠性。

(三)本发明涉及一种三级CLOS矩阵无阻塞扩展方法。由于高端路由器设备一般具有多个业务板槽位，通过改变交换平面中间级出线和入线的数量，可以方便的扩展交换矩阵的容量，从而保护了终端设备的投资。

最后，结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述：

本发明具体实施可分为以下两个步骤：

1)交换平面的构建

2)折叠式路由矩阵的实现

图2-1和2-2为本发明采用的交换平面，其中，图2-2是图2-1的简化，将输入/出级合并，输入/出级与中间级的连线是双向的。本发明中对典型的三级CLOS网进行了改进，在CLOS网的输入级和输出级采用对称的交换单元。如图1所示，根据无阻塞交换的条件：当m≥n时，CLOS交换平面为可重排无阻塞。式中m是中间级的单元数量，n是输入级单元的入线数和输出级单元的出线数。

本发明中交换平面的各个模块具有自选路由功能，使所有入线和出线都能连接。由于在终端和输入级中，任意一个流可能有多个路径。输入级维护分发表，通过轮询方式处理从源终端接收到的流，实现中间级的负载均衡；中间级维护路由表，通过路由表的查找决定从输入级接收的流传送至输出级的路径；输出级维护路由表，通过路由表的查找决定从中间级接收的流传送至终端模块的路径，最终完成流的转发。

本发明中选择中间级的单元数量等于输入级单元的入线数和输出级单元的出线数，即满足公式m＝n。这种结构中，两边各有r个对称的n×n对称交换单元，中间是n个r×r对称交换单元。每个交换单元都与下一级的各个交换单元有连接且仅有一条连接，因此任意一条入线与出线之间均存在条通过中间级交换单元的路径。使得交换平面可以有最少的交叉点，从而降低因系统容量的增加带来的成本增加。

每个交换单元都是具有完整的的输入端口和输出端口，这些端口提供了交行单元间的输入输出连接，每一个交换单元的输入输出端口数目可以很少，在技术上简单易实现，而且可以控制住单个交换单元的成本，由此可以控制住多级交换结构的成本。采用多个交换单元组建交换矩阵，提高系统的交换容量，同时提高系统的可靠性。

图3为本发明涉及的可折叠式三级CLOS路由矩阵。图中k个CLOS交换平面组合成的交换矩阵。交换平面上A-B-C标识中，A表示该交换单元处于第几个交换平面，B表示该交换平面实现的功能，13对应与图1中交换平面的输入级和输出级，2对应于图1中交换平面的中间级，C表示该交换单元在该交换平面中的序号。图中每个终端的序号从1到r n分别标注。图中每个终端各有k个连线，每个CLOS交换平面各有r n个连线，每个终端都与每个CLOS交换平面有连接且仅有一条连接，整个交换矩阵最多可以连接r n个终端。通过多个交换平面构成的堆叠式路由矩阵，实现了高速率端口的线速要求，同时终端与交换矩阵之间的各个链路互相独立，当某个链路被占用或损坏时，可以通过其他链路完成交换功能，提高了系统的可靠性。

由于高端路由器设备一般具有多个业务板槽位，且一般端口数量固定，通过改变交换平面中间级，构建不同大小的交换平面，可以方便的扩展交换矩阵的容量，从而保护了终端设备的投资，在不同容量的系统需求中平滑过渡。结合图3，通过改变中间级出线和入线的数量r的大小，从而改变交换平面输入级和输出级模块数量n，最终改变了终端数量。

Claims (7)

1.一种可折叠式的大容量无阻塞路由矩阵，其特征在于，通过多个CLOS交换平面将具有分组功能的终端模块连接在一起，所述多个CLOS交换平面结构都相同；每个终端都与每个CLOS交换平面有且仅有一条连接，所述CLOS交换平面的输入级和输出级都采用对称交换单元，所述CLOS交换平面的中间级交换单元数量等于输入级对称交换单元出线数或输出级对称交换单元入线数。

2.根据权利要求1所述路由矩阵，其特征在于，所述交换单元都是自选路由交换模块。

3.根据权利要求1所述路由矩阵，其特征在于，所述中间级交换单元是负荷分担的中间级交换单元。

4.根据权利要求1所述路由矩阵，其特征在于，所述一条连接是双向连接。

5.根据权利要求1所述路由矩阵，其特征在于，所述输入级对称交换单元与中间级交换单元有且仅有一条单向连接。

6.根据权利要求1所述路由矩阵，其特征在于，所述中间级交换单元与输出级对称交换单元有且仅有一条单向连接。

7.根据权利要求1所述路由矩阵，其特征在于，所述中间级交换单元是对称交换单元。

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