CN101631070A - 三级交换系统及其调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了三级交换系统包括：输入缓存级，用于按照目的段口号分类缓存、管理输入数据分组；输入交换级，用于将所述输入缓存级输入的数据分组进行输入交换，输出至中间交换级；中间交换级，用于将所述输入交换级的输入交换后的数据分组进行中间交换，输出至输出交换级；输出交换级，用于将所述中间交换级的中间交换后的数据分组进行输出交换，输出至输出缓存级；输出缓存级，用于将所述输出交换级的输出的数据分组，进行输出。本发明提供一种三级交换系统及调度方法，用于适应路由器对于端口扩展的需求。

Description

三级交换系统及其调度方法

技术领域

本发明涉及计算机通信领域，尤其是计算机通信领域中路由器的交换系统及调度方法。

背景技术

交换技术是当前通信网的重要基础，长期受到国际学术界和产业界的广泛关注。不同的通信网络由于所支持业务的特性不同，因此采用的交换方式也各不相同。

目前在通信网中所采用的交换方式主要有电路交换、分组交换两种方式。

分组交换技术的主要研究内容为路由交换设备的交换结构及其对应的调度机制。由于交叉开关具有无阻塞特性，实现简单，并且有成熟的商用芯片可直接应用，因此无论在学术研究方面还是在设备研制方面都被广泛的应用于交换结构的构建。

根据排队机制的不同，将交换结构分为输出排队(output queued，OQ)交换结构、输入排队(input queued，IQ)交换结构和联合输入输出排队(combined input-output queued，CIOQ)交换结构。

在输出排队交换结构中，分组到达其输入端口立即经过交换单元转移到相应的输出端口进行缓存排队，由调度算法进行调度输出。由于输出排队交换结构的分组仅仅在输出端口缓存队列排队等待发送，避免了由交换单元内部冲突引发的额外延迟，因此调度算法可以方便的用于提供服务质量控制。

目前基于输出排队交换结构已经提出许多经典算法，不仅复杂度适中，而且可以为业务流提供吞吐量、速率以及时延等多方面的服务质量保障。但输出排队交换单元必须工作于线路速率的n倍，存储单元在完成n个分组写入同时还必须支持一个分组的读取输出，因此存储带宽需要达到线路速率的N+1倍。这使得输出排队交换结构的实现代价较高，当交换端口速率较高或者数量较多时甚至无法实现。

对于输入排队交换结构，分组到达其输入端口进行缓存排队，由调度算法进行调度，经过交换单元转移到相应的输出端口输出。比较输出排队交换结构而言，输入排队交换结构的交换单元和存储单元均只需工作于线路速率，因而对于构建大容量交换结构是一种十分经济的解决方案。为了提高交换单元的带宽利用效率，输入排队交换结构通常基于定长分组进行交换调度。变长分组到达交换结构时需要先被切片为定长分组，完成交换后再重组为原始分组。以线路速率传输一个定长分组所需的时间被称为一个时隙。由于交换单元和存储单元仅工作于线路速率，基于输入排队交换结构的调度算法在每个时隙从一个输入缓存单元中最多只能读取一个定长分组送往输出端口输出，并且在每个时隙从所有输入端缓存单元调度送往一个输出端口的定长分组数量最大为1。

目前在商用设备上应用较多的输入排队调度算法多数属于最大尺度匹配算法，已知的渐进复杂性最好的最大尺度匹配算法复杂度为O(N 2.5)，这类算法在均匀的独立到达业务条件下可以实现100％吞吐量，但在非均匀的业务下，可能导致不稳定和不公平，算法实现依然过于复杂且运行时间长。

联合输入输出排队交换结构中分组到达其输入端口进行输入缓存排队，由输入调度算法进行调度，经过交换单元转移到相应的输出端口进行输出缓存排队，再由交叉节点调度算法进行调度输出。联合输入输出排队交换结构对输入排队机制和输出排队机制进行了折中，通过适当的加速将交换结构中拥塞的分组分别缓存于输入端缓存队列和输出端缓存队列，既不需要很大的加速比，便于扩展，又可以在一定程度上避免交换单元拥塞而引发的额外延迟，提高交换的性能。

带缓存交叉开关通过在传统交叉开关的每一个交叉节点设置一定容量的缓存单元，使得交换单元的每个输入端口和输出端口可以相对独立的使用内部连接带宽资源，避免了集中式的控制机制，因此可以期望获取更好的交换性能。其缺点是交叉节点缓存容量有限，影响了交叉开关的可扩展性。

通过上述分析可以看出，以交叉开关为核心的单级交换系统实现数据分组从输入端到输出端的交换功能，其通用模型如图1所示。输入端口子系统2a包括n个输入端口单元1a。输入端口子系统2a通过交叉开关子系统3a经过输出端口子系统4a输出。中央调度子系统6a负责输入端口子系统2a、交叉开关子系统3a和输出端口子系统4a的协调调度。输出端口子系统4a包括n个输出端口单元5a。

随着互联网中宽带接入和无线接入技术的迅速发展，以及密波分复用(DWDM)光纤传输技术的广泛应用，路由器需要更多数量的端口以适应互联网的扩展要求。传统单级交叉开关交换系统在较多端口情况下需要大量交换矩阵芯片，存在实现成本高、硬件复杂度大、稳定性差和调度方法运算时间长等缺点，难以适应路由器对于端口扩展的需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种三级交换系统及其调度方法，用于适应路由器对于端口扩展的需求。

为解决上述问题，本发明提供了一种三级交换系统，所述系统包括：

输入缓存级，用于按照目的段口号分类缓存、管理输入数据分组；

输入交换级，用于将所述输入缓存级输入的数据分组进行输入交换，输出至中间交换级；

中间交换级，用于将所述输入交换级的输入交换后的数据分组进行中间交换，输出至输出交换级；

输出交换级，用于将所述中间交换级的中间交换后的数据分组进行输出交换，输出至输出缓存级；

输出缓存级，用于将所述输出交换级的输出的数据分组，进行输出。

优选地，所述输入缓存级包括k个输入端口单元，每个所述输入端口单元包括n个输入端口子单元，k≥1，n≥1。

优选地，所述输入端口子单元包括输入分路器、合路器、虚拟输出队列存储单元，以及帧长和状态信息存储单元；

所述输入分路器，完成数据分组到各个虚拟输出队列存储单元的分路输入功能；

所述虚拟输出队列存储单元，按照所述目的端口号对数据分组进行分类缓存，按照先到先服务的方式存储虚拟输出队列数据分组；

所述帧长和状态信息存储单元，用于存储虚拟输出队列的帧长信息，以及入线服务状态；

所述合路器，用于实现所述虚拟输出队列存储单元数据分组的合路输出。

优选地，所述入线服务状态包括受服务状态和未服务状态信息。

优选地，所述输入交换级包括k个输入交换单元和k个输入调度单元，k≥1；

输入交换单元，为n个输入端口子单元到m个中间输入级的中间输入级的中间交换单元互连提供可选交换路径，m≥1；

输入调度单元，实现所述输入交换单元中数据分组的调度算法，完成由n个输入端口子单元到m个中间交换单元的数据分组的路径选择。

优选地，所述中间交换级包括中间交换单元和中间调度单元；

中间交换单元，为全部k个输入交换单元和k个输出交换级的输出交换单元互连提供交换路径；k≥1；

中间调度单元，实现对应中间交换单元中的调度算法，完成由k个输入交换单元向k个输出交换级的输出交换单元的数据分组的路径选择。

优选地，所述输出交换级包括输出交换单元和输出调度单元；

输出交换单元，为m个中间交换单元到n个输出缓存级的输出端口子单元互连提供交换路径；

输出调度单元，实现输入交换单元中数据分组的调度算法，完成由m个中间交换单元向n个输出缓存级的输出端口子单元的数据分组的路径选择。

优选地，所述输出缓存级包括输出端口单元。

输入端口单元，包括n个输入端口子单元，分别与输入输出排队CLOS型三级交换系统的n个线路接口卡相连。

优选地，所述输入交换单元、中间交换单元和输出交换单元采用小规模的交叉开关。

优选地，所述的输入调度单元、中间调度单元和输出调度单元分别由两组基于轮询方式的优先级指针实现。

优选地，所述输出端口子单元包括输出分路器、调度器、优先级队列存储单元；

输出分路器，用于完成数据分组到各个优先级队列的分路输入；

优先级队列存储单元，用于按照优先级分类存储所述分路器传送的数据分组；

调度器，用于优先级队列存储单元存储的各个优先级队列数据分组实现输出合路。

优选地，所述数据分组为定长数据分组或者变长数据分组的定长切片。

本发明还提供一种三级交换系统的调度方法，包括以下步骤：

输入缓存级的各虚拟缓存队列保存输入交换单元的m个输出线的优先级列表；

输入交换单元的各输出线保存有输入端口子单元的虚拟输出队列优先级列表；

输入调度单元采用基于帧信息的轮询调度方法实现输入交换单元的输出竞争和匹配调度；

中间交换单元各输入线保存有中间交换单元的k个输出线的优先级列表；

中间交换单元各输出线保存有中间交换单元的k个输入线的优先级列表；

中间调度单元采用基于帧信息的轮询调度方法实现中间交换单元的输出竞争和匹配调度；

输出交换单元各输入线保存有输出交换单元的n个输出线的优先级列表；

输出交换单元各输出线保存有输出交换单元的m个输入线的优先级列表；

输出调度单元采用基于帧信息的轮询调度方法实现输出交换单元的输出竞争和匹配调度。

优选地，输入调度单元采用基于帧信息的轮询调度方法，具体包括：

输入缓存级的各虚拟缓存队列向输入交换单元的各输出线发送请求，该请求包含对应虚拟输出队列的服务状态；

如果输入交换单元的各输出线收到请求，指针从位置y1开始按照轮询方式选择一个受服务状态的请求；如果不存在受服务状态的请求，指针则从位置y1开始按照轮询方式选择一个未服务状态的请求，然后指针向选中请求输入缓存级的各虚拟缓存队列返回响应；

如果输入缓存级的各虚拟缓存队列收到响应，指针从位置x1开始按照轮询方式选择一个受服务状态的响应；如果不存在受服务状态的响应，指针则从位置x1开始按照轮询方式选择一个未服务状态的响应，然后指针向选中响应输入交换单元的各输出线返回确认。

优选地，中间调度单元采用基于帧信息的轮询调度方法，具体包括以下步骤：

所有中间交换单元各输入线向中间交换单元各输出线发送请求，该请求包含对应中间交换单元入线的服务状态；

如果中间交换单元各输出线收到请求，指针从位置y2开始按照轮询方式选择一个受服务状态的请求；如果不存在受服务状态的请求，指针向选中请求中间交换单元各输入线返回响应；

如果中间交换单元各输入线收到响应，指针从位置x2开始按照轮询方式选择一个受服务状态的响应；如果不存在受服务状态的响应，指针则从位置x2开始按照轮询方式选择一个未服务状态的响应，然后指针向选中响应中间交换单元各输出线返回确认。

优选地，输出调度单元采用基于帧信息的轮询调度方法，具体包括以下步骤：

输出交换单元各输入线向输出交换单元各输出线发送请求，该请求包含对应输出交换单元入线的服务状态；

如果输出交换单元各输出线收到请求，指针从位置y3开始按照轮询方式选择一个受服务状态的请求；如果不存在受服务状态的请求，指针则从位置y3开始按照轮询方式选择一个未服务状态的请求，然后指针向选中请求对应的输出交换单元各输入线返回响应；

如果输出交换单元各输入线收到响应，指针从位置x3开始按照轮询方式选择一个受服务状态的响应；如果不存在受服务状态的响应，指针则从位置x3开始按照轮询方式选择一个未服务状态的响应，然后指针向选中响应对应的输出交换单元各输出线返回确认。

与现有技术相比，本发明提供三级交换系统的端口被分割成多个输入/输出端口单元，并分别采用单独的输入/输出交换单元完成交换选路功能，因此它适用于规模较大的交换场合。

本发明提供三级交换系统利用输入交换单元、中间交换单元和输出交换单元构建三级交换系统，每个交换单元即是一个小的交换模块，并仅负责交换系统的局部交换功能，实现较为简单；同时某个交换单元的失效不会导致整个交换系统的瘫痪，仅会影响部分端口的正常交换，甚至失效交换单元的数据分组可以分流到其它交换单元，从而提高了系统的稳定性。

本发明提供三级交换系统的输入端口单元采用虚拟输出队列的排队方式，输出端口单元采用优先级队列的排队方式，不需要内部加速即可实现较好的交换性能。

与现有技术相比，本发明提供的三级交换系统的调度方法具有以下有益效果：

本发明提供的三级交换系统的调度方法的调度过程分别在输入调度单元、中间调度单元和输出调度单元中实现，并且每个调度过程采用指针轮询方式，易于实现。

本发明提供的三级交换系统的调度方法利用帧信息进行调度决策，帧信息能够较好的反应各输入端口流量到达情况，因此该基于帧信息的调度方法在均匀流量、非均匀流量甚至突发流量条件下均获得较高的吞吐量和较低的平均排队时延。

附图说明

图1是现有技术单级交叉开关交换系统；

图2是本发明实施例所述三级交换系统结构图；

图3是本发明实施例所述输入端口子单元结构图；

图4是本发明实施例所述输出端口子单元结构图；

图5是本发明实施例所述输入调度单元结构图；

图6是本发明实施例所述中间调度单元结构图；

图7是本发明实施例所述输出调度单元结构图；

图8是本发明实施例所述三级交换系统的调度方法流程图；

图9是本发明实施例所述输入交换单元采用的基于帧信息的轮询调度方法；

图10是本发明实施例所述中间交换单元采用的基于帧信息的轮询调度方法；

图11是本发明实施例所述输出调度单元采用的基于帧信息的轮询调度方法流程图。

具体实施方式

本发明提供一种三级交换系统及调度方法，用于适应路由器对于端口扩展的需求。

为了更清楚地说明本发明实施例所述三级交换系统的原理，下面结合附图具体说明。

输入输出排队CLOS型三级交换系统，根据数据分组在交换系统中的流向和交换路径，所述交换系统的组成可以依次分为5级：输入缓存级，对应于图2中的输入端口单元2；输入交换级，对应于图2中的输入调度单元3和输入交换单元4；中间交换级，对应于图2中的中间调度单元5和中间交换单元6；输出交换级，对应于图2中的输出调度单元7和输出交换单元8；输出缓存级，对应于图2中的输出端口单元9。

参见图2，该图为本发明实施例所述三级交换系统结构图。

本发明实施例所述三级交换系统，所述系统包括：

输入缓存级100，用于按照目的段口号分类缓存、管理输入数据分组。

输入缓存级1001包括输入端口单元2，用于输入数据分组。

输入缓存级100可以包括k个输入端口单元2，每个所述输入端口单元2包括n个输入端口子单元1，k≥1，n≥1。

输入交换级200，用于将所述输入缓存级输入的数据分组进行输入交换，输出至中间交换级。

输入交换级200可以包括k个输入交换单元(IM)和k个输入调度单元(IS)，k≥1。

输入交换单元4，为n个输入端口子单元到m个中间输入级300的中间交换单元6互连提供可选交换路径，m≥1。

输入调度单元3，实现所述输入交换单元4中数据分组的调度算法，完成由n个输入端口子单元1到m个中间输入级300的中间交换单元6的数据分组的路径选择。

输入调度单元3为输入交换单元4提供调度算法，协调数据分组的交换竞争问题。输入交换单元4最终完成数据分组从输入缓存级100到中间交换级300的交换功能。

中间交换级300，用于将所述输入交换级200的输入交换后的数据分组进行中间交换，输出至输出交换级400。

中间交换级300包括中间交换单元6和中间调度单元5。

中间交换单元6，为全部k个输入交换单元4和k个输出交换级400的输出交换单元8互连提供交换路径；k≥1。

中间调度单元5，实现对应中间交换单元6中的调度算法，完成由k个输入交换单元4向k个输出交换级400的输出交换单元8的数据分组的路径选择。

输出交换级400，用于将所述中间交换级300的中间交换后的数据分组进行输出交换，输出至输出缓存级500。

输出交换级400包括输出交换单元8和输出调度单元7。

输出交换单元8，为m个中间交换单元6到n个输出缓存级500的输出端口子单元10互连提供交换路径。

输出调度单元7，实现输入交换单元4中数据分组的调度算法，完成由m个中间交换单元6向n个输出缓存级500的输出端口子单元10的数据分组的路径选择。

输出缓存级500，用于将所述输出交换级400的输出的数据分组，进行输出。

输出缓存级500包括输出端口单元9。

输入端口单元9，包括n个输入端口子单元10，分别与输入输出排队CLOS型三级交换系统的n个线路接口卡相连。

输入交换单元4为n个输入端口子单元1到m个中间交换单元6互连提供可选交换路径，通常可以选用单个Crossbar实现，交换维数为n×m。

由于每个输入交换单元4仅负责n个输入端口模块的数据分组的交换功能，实现复杂度大为降低，并且可以在m条交换路径上实现数据分组流量负荷的均衡，可以在输入交换级上提高交换系统的吞吐量和降低数据分组的平均排队时延。

输入调度单元3，实现对应输入交换单元4中数据分组的调度算法，完成由n个输入端口子单元1流向m个中间交换单元6的数据分组的路径选择。由于输入调度单元3仅完成n×m输入交换单元4数据分组的调度功能，因此具有易于实现的优点。

中间交换单元(CM)6，为全部k个输入交换单元4和k个输出交换单元8互连提供交换路径，通常选用单个Crossbar实现，交换维数为k×k。

由于每个中间交换单元6仅负责k个输入线的数据分组的交换功能，实现复杂度大为降低，并且可以在k条交换路径上实现数据分组流量负荷的均衡，可以在中间级上提高交换系统的吞吐量和降低数据分组的平均排队时延。

中间调度单元(CS)5，实现对应中间交换单元6中的调度算法，完成由k个输入交换单元4流向k个输出交换单元8的数据分组的路径选择。由于中间调度单元5仅完成k×k中间交换单元6数据分组的调度功能，因此具有易于实现的优点。

输出交换单元(OM)8，为m个中间交换单元6到n个输出端口子单元10互连提供交换路径，通常选用单个Crossbar实现，交换维数为m×n。

由于每个输出交换单元8仅负责m个输入线的数据分组的交换功能，实现复杂度大为降低，并且可以在n条交换路径上实现数据分组流量负荷的均衡，可以在输出级上提高交换系统的吞吐量和降低数据分组的平均排队时延。

输出调度单元(OS)7，实现对应输入交换单元4中数据分组的调度算法，完成由m个中间交换单元6流向n个输出端口子单元10的数据分组的路径选择。由于输出调度单元7仅完成m×n输出交换单元8数据分组的调动功能，因此具有易于实现的优点。

如图2所示，每个输入端口单元2均包括n个输入端口子单元1，每个输入端口单元2的n个输入端口子单元1分别与输入输出排队CLOS型三级交换系统的n个线路接口卡相连。

输出端口单元9，包括n个输出端口子单元也称为输出端口模块。输出端口单元9的n个输出端口子单元分别与输入输出排队CLOS型三级交换系统的n个线路接口卡相连。

线路接口卡是路由器的重要组成部件，主要完成外部线路接口数据分组的分类、查表、标记和转发等功能。

参见图3，该图为本发明实施例所述输入端口子单元结构图。

输入端口子单元1包括输入分路器11、合路器14、虚拟输出队列存储单元12、帧长与状态信息存储单元13。

所述输入分路器11，完成数据分组到各个虚拟输出队列存储单元12的分路输入功能。

所述虚拟输出队列存储单元12，按照所述目的端口号对数据分组进行分类缓存，按照先到先服务的方式存储虚拟输出队列数据分组。

所述帧长和状态信息存储单元13，用于存储虚拟输出队列的帧长信息，以及入线服务状态。

所述合路器14，用于实现所述虚拟输出队列存储单元12数据分组的合路输出。

相对于现有基于轮询调度方法的输入端口子单元，增加了虚拟输出队列的帧长计数器和帧状态信息，这在硬件实现中较为容易。这些信息对于本发明所述调度方法非常有用，可以在很大程度上改善调度方法的性能，对各种可能的输入流量模式具有更优的适应性。

输入分路器11根据到达该输入端口数据分组的目的端口号分别缓存到对应的虚拟输出队列存储单元12；并且对于同一个虚拟输出队列存储单元12，数据分组采用先入先出的缓存方式。合路器14根据输入调度单元3的匹配结果选择输出对应的虚拟输出队列第一个数据分组，并送至输入交换级200。

本发明中帧是指虚拟输出队列存储单元12中可以调度输出的一组数据分组。帧长是指帧中数据分组的数量。

在本发明中可采用帧长计数器来实现，记为CF。根据数据分组接受服务的情况，虚拟输出队列存储单元12具有两种服务状态：

(1)受服务状态，即虚拟输出队列存储单元12的帧长不小于2且帧中第一个数据分组已经接受服务。

(2)未服务状态，即虚拟输出队列3的帧中没有数据分组接受服务或者最后一个数据分组已经接受服务的状态。

帧长和状态信息存储单元13包括两部分内容：

(1)帧长信息，即在当前时隙各虚拟输出队列存储单元12对应的帧中包含的数据分组数量。

(2)帧状态信息，即在当前时隙各虚拟输出队列存储单元12的状态。

帧长和状态信息存储单元13在每个时隙将相关信息送给输入交换级的输入调度单元6。输入调度单元6依据该信息作出调度决策，由于帧长和状态信息存储单元13能够很好的反应各输入端口流量到达情况，因此该交换系统能够很好的适应各种流量模式。

参见图4，该图为本发明实施例所述输出端口子单元结构图。

输出端口子单元10包括输出分路器101、调度器103、优先级队列存储单元102。

输出分路器101，用于完成数据分组到各个优先级队列的分路输入。

优先级队列存储单元102，用于按照优先级分类存储所述分路器传送的数据分组。

调度器103，用于优先级队列存储单元存储的各个优先级队列数据分组实现输出合路。

调度器103按照服务优先级分类存储输出分路器101送来的数据分组。根据成熟的优先级调度策略实现各个优先级队列数据分组的输出合路。

输出分路器101根据到达数据分组的优先级号分别缓存到对应的优先级队列存储单元102；并且对于同一个优先级队列存储单元102，数据分组采用先入先出的缓存方式。调度器103根据调度策略的匹配结果选择输出相应的优先级队列第一个数据分组，并送出交换系统。

与现有数据分组优先级服务方式不同，本发明所述系统将数量较少的n个输出端口子单元组合为一个输出端口单元，这种方式便于硬件实现，降低了复杂度。

图5是本发明实施例所述输入调度单元结构图。

输入调度单元3包括n×m个虚拟输出队列仲裁器31和m个输入交换单元输出仲裁器32。其中，n≥1。m≥1。

虚拟输出队列仲裁器31对应于输入端口子单元1中的虚拟输出队列存储单元12。虚拟输出队列仲裁器31包括1个指针，所述指针可以指向对应于输入交换单元4的m个输出线位置。

输入交换单元输出仲裁器32对应于输入交换单元4的输出线，输入交换单元输出仲裁器32包括1个指针，用于指向对应于输入端口模块的n×m个虚拟输出队列位置。输入调度单元3采用简单的指针轮询方式的调度方法，非常便于硬件实现。

虚拟输出队列仲裁器31保存有输入交换单元m个输出线的优先级列表，指针指向的输出线x1具有最高的优先级，输出线(x1+1)modm具有次优先级，优先级顺序依次类推。

IM输出仲裁器32保存有输入端口模块的虚拟输出队列优先级列表，指针指向的虚拟输出队列y1具有最高的优先级，虚拟输出队列(y1+1)mod(m×n)具有次优先级，优先级顺序依次类推。

参见图6，该图为本发明实施例所述中间调度单元结构图。

中间调度单元5包括k个中间交换单元输入仲裁器51和k个中间交换单元输出仲裁器52。

中间交换单元输入仲裁器51对应于中间交换单元6中的输入线。中间交换单元输入仲裁器51包括1个指针，用于指向对应于输入交换单元4的m个输出线位置。

中间交换单元输出仲裁器52对应于中间交换单元6的输出线。中间交换单元输出仲裁器52包括1个指针，用于指向对应于中间交换单元的k个输入线位置。

中间调度单元5采用简单的指针轮询方式的调度方法，非常便于硬件实现。

CM输入仲裁器51保存有中间交换单元6的k个输出线的优先级列表，指针指向的输出线x2具有最高的优先级，输出线(x2+1)mod k具有次优先级，优先级顺序依次类推。

CM输出仲裁器52保存有中间交换单元k个输入线的优先级列表，指针指向的输入线y2具有最高的优先级，输入线(y2+1)mod k具有次优先级，优先级顺序依次类推。

参见图7，该图为本发明实施例所述输出调度单元结构图。

输出调度单元7包括m个输出交换单元输入仲裁器71和n个输出交换单元输出仲裁器72。

输出交换单元输入仲裁器71对应于输出交换单元8中的输入线。中间交换单元输入仲裁器71包括1个指针，用于指向对应于输出交换单元的n个输出线位置。

输出交换单元输出仲裁器72对应于输出交换单元8的输出线。中间交换单元输出仲裁器72包括1个指针，用于指向对应于输出交换单元的m个输入线位置。

输出调度单元7采用简单的指针轮询方式的调度方法，非常便于硬件实现。

OM输入仲裁器71保存有输出交换单元n个输出线的优先级列表，指针指向的输出线x3具有最高的优先级，输出线(x3+1)mod n具有次优先级，优先级顺序依次类推。

OM输出仲裁器72保存有输出交换单元m个输入线的优先级列表，指针指向的输入线y3具有最高的优先级，输入线(y3+1)mod m具有次优先级，优先级顺序依次类推。

在输入输出排队CLOS型三级交换系统中，两个或者多个数据分组可能同时请求离开同一个输入端口子单元从而发生输入竞争问题。同时，当两个或者多个数据分组同时请求同一个输出端口子单元时会发生输出竞争问题。为了解决输入竞争和调节输出竞争，本发明同时提供了一种调度方法，该方法应用于包括输入输出排队CLOS型三级交换系统的输入调度单元3、中间调度单元5和输出调度单元7中。

利用输入端口子单元1提供的帧信息和轮询指针技术。根据输入端口子单元1中的虚拟输出队列的受服务和未服务状态。优先服务处于受服务状态的虚拟输出队列中的数据分组，并对受服务状态的虚拟输出队列进行持续服务直至其状态更新为未服务状态。次优先服务处于未服务状态的虚拟输出队列中的数据分组，并对未服务状态的虚拟输出队列进行指针轮询的公平服务方式。

利用三个阶段匹配调度分别应用于交换系统的调度单元，并且三个调度过程依次进行。

第一阶段调度方法应用于输入调度单元3，负责输入交换单元4的调度过程；第二阶段调度方法应用于中间调度单元5，负责中间交换单元6的调度过程；第三阶段调度方法应用于输出调度单元7，负责输出交换单元8的调度过程。

输入输出排队CLOS型三级交换系统适用于定长数据分组，因此对于变长数据包在进入交换系统前首先进行定长切片，例如每个切片长度为64字节。除非特别指出，在本发明中，数据分组特指定长数据分组，或者变长数据分组的定长切片。这也是当前高性能路由器的通用做法，在交换系统中完成交换后再组合成完整的数据分组。

参见图8，该图为本发明实施例所述三级交换系统的调度方法流程图。

本发明实施例所述三级交换系统的调度方法，包括以下步骤：

S100、输入缓存级的各虚拟缓存队列保存输入交换单元的m个输出线的优先级列表。

S200、输入交换单元的各输出线保存有输入端口子单元的虚拟输出队列优先级列表。

S300、输入调度单元采用基于帧信息的轮询调度方法实现输入交换单元的输出竞争和匹配调度。

S400、中间交换单元各输入线保存有中间交换单元的k个输出线的优先级列表。

S500、中间交换单元各输出线保存有中间交换单元的k个输入线的优先级列表。

S600、中间调度单元采用基于帧信息的轮询调度方法实现中间交换单元的输出竞争和匹配调度。

S700、输出交换单元各输入线保存有输出交换单元的n个输出线的优先级列表。

S800、输出交换单元各输出线保存有输出交换单元的m个输入线的优先级列表。

S900、输出调度单元采用基于帧信息的轮询调度方法实现输出交换单元的输出竞争和匹配调度。

本发明所述三级交换系统的调度方法是基于帧信息的轮询调度方法，用于解决输入输出排队CLOS型三级交换系统中数据分组的输出竞争和匹配调度问题。

根据三级交换系统的分级结构，调度方法相应地分为三个阶段：

输入交换调度算法，对应于交换系统输入级的输入调度单元。

中间交换调度算法，对应于交换系统中间级的中间调度单元。

输出交换调度算法，对应于交换系统输出级的输出调度单元。

下面结合图9至11具体说明三个阶段的调度算法。

参见图9，该图为本发明实施例所述输入交换单元采用的基于帧信息的轮询调度方法。

1、第1次迭代

步骤1：所有非空虚拟输出队列仲裁器1向所有IM输出仲裁器32发送请求，该请求包含对应虚拟输出队列的服务状态(受服务状态或未服务状态)。

步骤2：如果IM输出仲裁器32收到请求，它从指针位置y1开始按照轮询方式选择一个受服务状态的请求；如果不存在受服务状态的请求，它则从指针位置y1开始按照轮询方式选择一个未服务状态的请求，然后它向选中请求对应的虚拟输出队列仲裁器1返回响应。

步骤3：如果虚拟输出队列仲裁器1收到响应，它从指针位置x1开始按照轮询方式选择一个受服务状态的响应；如果不存在受服务状态的响应，它则从指针位置x1开始按照轮询方式选择一个未服务状态的响应，然后它向选中响应对应的IM输出仲裁器32返回确认。

2、第i次迭代

步骤1：所有未匹配非空虚拟输出队列仲裁器1向所有未匹配IM输出仲裁器32发送请求，该请求包含对应虚拟输出队列的服务状态(受服务状态或未服务状态)。

步骤2：如果IM输出仲裁器32收到请求，它从指针位置y1开始按照轮询方式选择一个受服务状态的请求；如果不存在受服务状态的请求，它则从指针位置y1开始按照轮询方式选择一个未服务状态的请求，然后它向选中请求对应的虚拟输出队列仲裁器1返回响应。

步骤3：如果虚拟输出队列仲裁器1收到响应，它从指针位置x1开始按照轮询方式选择一个受服务状态的响应；如果不存在受服务状态的响应，它则从指针位置x1开始按照轮询方式选择一个未服务状态的响应，然后它向选中响应对应的IM输出仲裁器32返回确认。

指针更新：在第1次迭代步骤3中收到响应的虚拟输出队列仲裁器31的指针更新方式为：x1＝(x1+1)mod(m×n)。

收到确认的IM输出仲裁器32的指针更新方式为：

y1＝(y1+1)mod(m)。

参见图10，该图为本发明实施例所述中间交换单元采用的基于帧信息的轮询调度方法。

1、第1次迭代

步骤1：所有非空CM输入仲裁器51向相应CM输出仲裁器52发送请求，该请求包含对应中间交换单元入线的服务状态(受服务状态或未服务状态)；

步骤2：如果CM输出仲裁器52收到请求，指针从位置y2开始按照轮询方式选择一个受服务状态的请求；如果不存在受服务状态的请求，指针则从位置y2开始按照轮询方式选择一个未服务状态的请求，然后它向选中请求对应的CM输入仲裁器51返回响应；

步骤3：如果CM输入仲裁器51收到响应，指针从位置x2开始按照轮询方式选择一个受服务状态的响应；如果不存在受服务状态的响应，指针则从位置x2开始按照轮询方式选择一个未服务状态的响应，然后它向选中响应对应的CM输出仲裁器52返回确认。

2、第i次迭代

步骤1：所有未匹配非空CM输入仲裁器51向所有未匹配CM输出仲裁器52发送请求，该请求包含对应中间交换单元入线的服务状态(受服务状态或未服务状态)。

步骤2：如果CM输出仲裁器52收到请求，指针从位置y2开始按照轮询方式选择一个受服务状态的请求；如果不存在受服务状态的请求，指针则从位置y2开始按照轮询方式选择一个未服务状态的请求，然后它向选中请求对应的CM输入仲裁器51返回响应。

步骤3：如果CM输入仲裁器1收到响应，指针从位置x2开始按照轮询方式选择一个受服务状态的响应；如果不存在受服务状态的响应，指针则从位置x2开始按照轮询方式选择一个未服务状态的响应，然后它向选中响应对应的CM输出仲裁器52返回确认。

指针更新：在第1次迭代步骤3中收到响应的CM输入仲裁器51的指针更新方式为：x2＝(x2+1)mod k。

收到确认的CM输出仲裁器52的指针更新方式为：

y2＝(y2+1)mod k。

参见图11，该图为本发明实施例所述输出调度单元采用的基于帧信息的轮询调度方法流程图。

1、第1次迭代

步骤1：所有非空OM输入仲裁器71向相应OM输出仲裁器72发送请求，该请求包含对应输出交换单元入线的服务状态(受服务状态或未服务状态)。

步骤2：如果OM输出仲裁器72收到请求，指针从位置y3开始按照轮询方式选择一个受服务状态的请求；如果不存在受服务状态的请求，指针则从位置y3开始按照轮询方式选择一个未服务状态的请求，然后它向选中请求对应的OM输入仲裁器71返回响应。

步骤3：如果OM输入仲裁器71收到响应，指针从位置x3开始按照轮询方式选择一个受服务状态的响应；如果不存在受服务状态的响应，它则从指针位置x3开始按照轮询方式选择一个未服务状态的响应，然后它向选中响应对应的OM输出仲裁器72返回确认。

2、第i次迭代

步骤1：所有未匹配非空OM输入仲裁器71向所有未匹配OM输出仲裁器72发送请求，该请求包含对应输出交换单元入线的服务状态(受服务状态或未服务状态)。

步骤2：如果OM输出仲裁器72收到请求，指针从位置y3开始按照轮询方式选择一个受服务状态的请求；如果不存在受服务状态的请求，指针则从位置y3开始按照轮询方式选择一个未服务状态的请求，然后它向选中请求对应的OM输入仲裁器71返回响应。

步骤3：如果OM输入仲裁器71收到响应，指针从位置x3开始按照轮询方式选择一个受服务状态的响应；如果不存在受服务状态的响应，指针则从位置x3开始按照轮询方式选择一个未服务状态的响应，然后它向选中响应对应的OM输出仲裁器72返回确认。

指针更新：在第1次迭代步骤3中收到响应的OM输入仲裁器71的指针更新方式为：x3＝(x3+1)mod m。

收到确认的OM输出仲裁器72的指针更新方式为：

y3＝(y3+1)mod n。

本发明提供的三级交换系统的调度方法利用帧信息进行调度决策，帧信息能够较好的反应各输入端口流量到达情况，因此该基于帧信息的调度方法在均匀流量、非均匀流量甚至突发流量条件下均获得较高的吞吐量和较低的平均排队时延。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (16)

1、一种三级交换系统，其特征在于，所述系统包括：

输入缓存级，用于按照目的段口号分类缓存、管理输入数据分组；

输入交换级，用于将所述输入缓存级输入的数据分组进行输入交换，输出至中间交换级；

中间交换级，用于将所述输入交换级的输入交换后的数据分组进行中间交换，输出至输出交换级；

输出交换级，用于将所述中间交换级的中间交换后的数据分组进行输出交换，输出至输出缓存级；

输出缓存级，用于将所述输出交换级的输出的数据分组，进行输出。

2、根据权利要求1所述的三级交换系统，其特征在于，所述输入缓存级包括k个输入端口单元，每个所述输入端口单元包括n个输入端口子单元，k≥1，n≥1。

3、根据权利要求2所述的三级交换系统，其特征在于，所述输入端口子单元包括输入分路器、合路器、虚拟输出队列存储单元，以及帧长和状态信息存储单元；

所述输入分路器，完成数据分组到各个虚拟输出队列存储单元的分路输入功能；

所述虚拟输出队列存储单元，按照所述目的端口号对数据分组进行分类缓存，按照先到先服务的方式存储虚拟输出队列数据分组；

所述帧长和状态信息存储单元，用于存储虚拟输出队列的帧长信息，以及入线服务状态；

所述合路器，用于实现所述虚拟输出队列存储单元数据分组的合路输出。

4、根据权利要求3所述的三级交换系统，其特征在于，所述入线服务状态包括受服务状态和未服务状态信息。

5、根据权利要求2所述的三级交换系统，其特征在于，所述输入交换级包括k个输入交换单元和k个输入调度单元，k≥1；

输入交换单元，为n个输入端口子单元到m个中间输入级的中间输入级的中间交换单元互连提供可选交换路径，m≥1；

输入调度单元，实现所述输入交换单元中数据分组的调度算法，完成由n个输入端口子单元到m个中间交换单元的数据分组的路径选择。

6、根据权利要求5所述的三级交换系统，其特征在于，所述中间交换级包括中间交换单元和中间调度单元；

中间交换单元，为全部k个输入交换单元和k个输出交换级的输出交换单元互连提供交换路径；k≥1；

中间调度单元，实现对应中间交换单元中的调度算法，完成由k个输入交换单元向k个输出交换级的输出交换单元的数据分组的路径选择。

7、根据权利要求6所述的三级交换系统，其特征在于，所述输出交换级包括输出交换单元和输出调度单元；

输出交换单元，为m个中间交换单元到n个输出缓存级的输出端口子单元互连提供交换路径；

输出调度单元，实现输入交换单元中数据分组的调度算法，完成由m个中间交换单元向n个输出缓存级的输出端口子单元的数据分组的路径选择。

8、根据权利要求7所述的三级交换系统，其特征在于，所述输出缓存级包括输出端口单元；

输入端口单元，包括n个输入端口子单元，分别与输入输出排队CLOS型三级交换系统的n个线路接口卡相连。

9、根据权利要求8所述的三级交换系统，其特征在于，所述输入交换单元、中间交换单元和输出交换单元采用小规模的交叉开关。

10、根据权利要求8所述的三级交换系统，其特征在于，所述的输入调度单元、中间调度单元和输出调度单元分别由两组基于轮询方式的优先级指针实现。

11、根据权利要求8所述的三级交换系统，其特征在于，所述输出端口子单元包括输出分路器、调度器、优先级队列存储单元；

输出分路器，用于完成数据分组到各个优先级队列的分路输入；

优先级队列存储单元，用于按照优先级分类存储所述分路器传送的数据分组；

调度器，用于优先级队列存储单元存储的各个优先级队列数据分组实现输出合路。

12、根据权利要求1至11任一所述的三级交换系统，其特征在于，所述数据分组为定长数据分组或者变长数据分组的定长切片。

13、一种三级交换系统的调度方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

输入缓存级的各虚拟缓存队列保存输入交换单元的m个输出线的优先级列表；

输入交换单元的各输出线保存有输入端口子单元的虚拟输出队列优先级列表；

输入调度单元采用基于帧信息的轮询调度方法实现输入交换单元的输出竞争和匹配调度；

中间交换单元各输入线保存有中间交换单元的k个输出线的优先级列表；

中间交换单元各输出线保存有中间交换单元的k个输入线的优先级列表；

中间调度单元采用基于帧信息的轮询调度方法实现中间交换单元的输出竞争和匹配调度；

输出交换单元各输入线保存有输出交换单元的n个输出线的优先级列表；

输出交换单元各输出线保存有输出交换单元的m个输入线的优先级列表；

输出调度单元采用基于帧信息的轮询调度方法实现输出交换单元的输出竞争和匹配调度。

14.根据权利要求13所述的三级交换系统的调度方法，其特征在于，输入调度单元采用基于帧信息的轮询调度方法，具体包括：

输入缓存级的各虚拟缓存队列向输入交换单元的各输出线发送请求，该请求包含对应虚拟输出队列的服务状态；

如果输入交换单元的各输出线收到请求，指针从位置y1开始按照轮询方式选择一个受服务状态的请求；如果不存在受服务状态的请求，指针则从位置y1开始按照轮询方式选择一个未服务状态的请求，然后指针向选中请求输入缓存级的各虚拟缓存队列返回响应；

如果输入缓存级的各虚拟缓存队列收到响应，指针从位置x1开始按照轮询方式选择一个受服务状态的响应；如果不存在受服务状态的响应，指针则从位置x1开始按照轮询方式选择一个未服务状态的响应，然后指针向选中响应输入交换单元的各输出线返回确认。

15.根据权利要求13所述的三级交换系统的调度方法，其特征在于，中间调度单元采用基于帧信息的轮询调度方法，具体包括以下步骤：

所有中间交换单元各输入线向中间交换单元各输出线发送请求，该请求包含对应中间交换单元入线的服务状态；

如果中间交换单元各输出线收到请求，指针从位置y2开始按照轮询方式选择一个受服务状态的请求；如果不存在受服务状态的请求，指针则从位置y2开始按照轮询方式选择一个未服务状态的请求，然后指针向选中请求中间交换单元各输入线返回响应；

如果中间交换单元各输入线收到响应，指针从位置x2开始按照轮询方式选择一个受服务状态的响应；如果不存在受服务状态的响应，指针则从位置x2开始按照轮询方式选择一个未服务状态的响应，然后指针向选中响应中间交换单元各输出线返回确认。

16.根据权利要求13所述的三级交换系统的调度方法，其特征在于，输出调度单元采用基于帧信息的轮询调度方法，具体包括以下步骤：

输出交换单元各输入线向输出交换单元各输出线发送请求，该请求包含对应输出交换单元入线的服务状态；

如果输出交换单元各输出线收到请求，指针从位置y3开始按照轮询方式选择一个受服务状态的请求；如果不存在受服务状态的请求，指针则从位置y3开始按照轮询方式选择一个未服务状态的请求，然后指针向选中请求对应的输出交换单元各输入线返回响应；

如果输出交换单元各输入线收到响应，指针从位置x3开始按照轮询方式选择一个受服务状态的响应；如果不存在受服务状态的响应，指针则从位置x3开始按照轮询方式选择一个未服务状态的响应，然后指针向选中响应对应的输出交换单元各输出线返回确认。

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