CN104717160A - 交换机及调度算法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种交换机及调度算法。该交换机包括：N个输入端口、N个输出端口和调度装置，N个输入端口中，每个输入端口都设置M个数据缓存队列和N个信息缓存队列，M个数据缓存队列用于缓存输入端口输入的任一发送数据帧，N个信息缓存队列用于缓存任一发送数据帧的帧信息，M小于等于N，M和N为整数，每一输入端口的M个数据缓存队列和N个输出端口之间通过调度装置连接，调度装置用于执行调度算法，根据每一输入端口的N个信息缓存队列的状态调度出发送数据帧。本发明实施例提供的交换机及调度算法，可以节省输入端口缓存的资源。

Description

交换机及调度算法

技术领域

本发明实施例涉及通信技术领域，尤其涉及一种交换机及调度算法。

背景技术

交换机是网络中的重要设备，交换机的交换结构和调度算法决定了交换机的性能和成本。其中，调度算法主要实现网络输入端口和输出端口之间的匹配，从而解决资源竞争，尽量提高网络性能，调度算法的好坏直接影响整个交换网络的性能。Crossbar交换结构是输入排队的典型实现方式，在Crossbar交换结构中，为了消除输入队列队头阻塞（HOL）现象，提高系统吞吐率，一种有效的办法是采用虚拟输出队列（VOQ），即在每个输入端口，对应每个输出端口都设一个输入输出（FIFO）队列，每一输入端口对应的FIFO队列缓存相应的发送数据帧，如VOQ12指输入端口1到输出端口2的发送数据帧。图1为N个输入端口N个输出端口的交换结构示意图，如图1所示，输入端口输入的发送数据帧分别被缓存至VOQ队列中等待发送，调度器（N,N）用于管理队列信息，执行调度算法，调度算法首先根据输入队列的状态做出匹配结果,然后控制交换结构中交叉点的开合。由于crossbar调度器（N,N）无内部存储、无阻塞，在调度过程中通常会出现竞争冲突问题，为了解决端口处的冲突，硬件中最常见的ISLIP调度算法为：在N×N个输入队列与N个输出端口中寻找1组匹配，使得1个输出最多匹配1个输入，1个输入最多匹配1个输出。所有的输入端口和输出端口在新的时隙到来时开始匹配，每次匹配之后，只有尚未匹配的端口有资格参加下一轮的匹配，算法一直到迭代收敛为止。迭代收敛是指下一轮迭代不会增加新的连接，每一轮迭代分为3步：输入请求，输出授权，输入认可。

而在FC交换机中，通常采用缓冲区到缓冲区的流量控制方式，这种流量控制机制建立在信用值管理的基础上，主要由两个相连设备的数据发送端来控制。具体地，在每个端口的发送端会有一个缓冲区到缓冲区的信用值，该信用值表示与之连接的对端设备的接收缓冲区容量（即最多能够缓存多少帧数据），同时发送端还有一个信用值计数器(初始值为0)，每当源端口向目的端口发送出去一帧数据，信用值计数器会进行加1操作，用来指示对端设备已经占用了一个缓冲区容量来存储这一帧数据，如果对端设备把这帧数据从接收缓存区间中读出来或者并没有缓存这个数据而是进行丢弃操作，那么对端设备就会给发送端回复一个RDY信号，发送端接收到这个信号后便对信用值计数器进行减1操作，只有信用值计数器的值小于信用值时才发送端可以发送数据。

结合上述流量控制方式可以看出，为了避免发送和接收冲突，上述调度算法必须保证在一个时隙内每个输入端口至多发送一个信元，每个输出端口至多接收一个信元，而且需要多次迭代，在交换机中每一信元在等待端口匹配的过程中会导致延时大，从而导致输入端口缓存消耗的资源较大，因此会造成资源浪费。

发明内容

本发明实施例提供一种交换机及调度算法，可节省输入端口缓存的资源。

第一方面，本发明实施例提供一种交换机，包括：

N个输入端口、N个输出端口和调度装置；

所述N个输入端口中，每个输入端口都设置M个数据缓存队列和N个信息缓存队列，所述M个数据缓存队列用于缓存输入端口输入的任一发送数据帧，所述N个信息缓存队列用于缓存任一所述发送数据帧的帧信息，M小于等于N，M和N为整数；

每一输入端口的所述M个数据缓存队列和N个输出端口之间通过调度装置连接，所述调度装置用于执行调度算法，根据每一输入端口的N个信息缓存队列的状态调度出发送数据帧。

在第一方面的第一种可能的实施方式中，所述调度装置包括：

发送器，用于根据输入端口的N个信息缓存队列中的任一信息缓存队列非空的指示信息，向非空的信息缓存队列指示的输出端口发出请求直到所述请求得到授权；

轮询仲裁器，用于根据信息缓存队列的优先级进行轮询仲裁，选择授权的第一输入端口，其中，每一输出端口都有一个对应的轮询仲裁器；

处理器，用于读取所述第一输入端口的数据缓存队列缓存的发送数据帧。

结合第一方面的第一种可能的实施方式中，在第一方面的第二种可能的实施方式中，所述发送数据帧的帧信息包含：发送数据帧的优先级、缓存所述发送数据帧的数据缓存队列号和输出端口号，所述轮询仲裁器用于：

根据接收到的请求所对应的信息缓存队列缓存的发送数据帧的优先级进行轮询仲裁，选择授权的所述第一输入端口；

所述处理器用于：

根据所述第一输入端口的信息缓存队列缓存的信息缓存队列号读取所述信息缓存队列号对应的数据缓存队列中的发送数据帧。

结合第一方面的第一种可能的实施方式或第一方面的第二种可能的实施方式，在第一方面的第三种可能的实施方式中，所述M为发送端的信用值。

第二方面，本发明实施例提供一种调度算法，用于交换机的调度装置中，所述交换机包括：N个输入端口、N个输出端口和所述调度装置，所述N个输入端口中，每个输入端口都设置M个数据缓存队列和N个信息缓存队列，所述M个数据缓存队列用于缓存输入端口输入的任一发送数据帧，所述N个信息缓存队列用于缓存任一所述发送数据帧的帧信息，M小于等于N，M和N为整数；

每一输入端口的所述M个数据缓存队列和N个输出端口之间通过调度装置连接，所述调度装置用于执行所述调度算法，根据每一输入端口的N个信息缓存队列的状态调度出发送数据帧；

所述调度算法包括：

根据输入端口的N个信息缓存队列中的任一信息缓存队列非空的指示信息，向非空的信息缓存队列指示的输出端口发出请求直到所述请求得到授权；

所述非空的信息缓存队列指示的输出端口的轮询仲裁器根据接收到的信息缓存队列的优先级进行轮询仲裁，选择授权的第一输入端口；

所述非空的信息缓存队列指示的输出端口读取所述第一输入端口的数据缓存队列缓存的发送数据帧。

在第二方面的第一种可能的实施方式中，所述发送数据帧的帧信息包含：所述发送数据帧的优先级、缓存所述发送数据帧的数据缓存队列号和输出端口号，所述非空的信息缓存队列指示的输出端口的轮询仲裁器根据接收到的信息缓存队列的优先级进行轮询仲裁，选择授权的第一输入端口，包括：

所述非空的信息缓存队列指示的输出端口的轮询仲裁器根据接收到的请求所对应的信息缓存队列缓存的发送数据帧的优先级进行轮询仲裁，选择授权的所述第一输入端口；

所述非空的信息缓存队列指示的输出端口读取所述第一输入端口的数据缓存队列缓存的发送数据帧，包括：

所述非空的信息缓存队列指示的输出端口根据所述第一输入端口的信息缓存队列缓存的信息缓存队列号读取所述信息缓存队列号对应的数据缓存队列中的发送数据帧。

结合第二方面或第二方面的第一种可能的实施方式，在第二方面的第二种可能的实施方式中，所述M为发送端的信用值。

本发明实施例提供交换机及调度算法，由于每一输入端口设置的M个数据缓存队列针对不同的输出端口可以混用，可以随机选择空的数据缓存队列存储发送至任一输出端口的发送数据帧，而且M小于N，因此，可以节省输入端口缓存的资源。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为N个输入端口N个输出端口的交换机示意图；

图2为本发明交换机实施例一的结构示意图；

图3为本发明交换机实施例一中的调度装置的结构示意图；

图4为本发明交换机实施例一中调度装置的调度过程示意图；

图5为本发明交换机实施例二的结构示意图；

图6为本发明调度算法实施例一的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图2为本发明交换机实施例一的结构示意图，如图2所示，本实施例的交换机可以包括：N个输入端口、N个输出端口和调度装置，其中，N个输入端口中，每个输入端口都设置M个数据缓存队列（图示例如输入端口1设置有数据缓存队列1_1至数据缓存队列1_M）和N个信息缓存队列（图示例如输入端口1设置有信息缓存队列1_1至信息缓存队列1_N），M个数据缓存队列用于缓存输入端口输入的任一发送数据帧，N个信息缓存队列用于缓存任一发送数据帧的帧信息，M小于等于N，M和N为整数，例如当有发送数据帧进入输入端口1时，先对该发送数据帧进行帧解析得到发送数据帧的帧信息缓存在一个信息缓存队列中，同时从M个数据缓存队列中选择一个空的数据缓存队列缓存该发送数据帧。例如，数据缓存队列1_1表示输入端口1的第一个数据缓存队列存进发送数据帧，数据缓存队列1_M表示输入端口1的第M个数据缓存队列存进发送数据帧；输入端口1的信息缓存队列1_1表示输入端口1转发到输出端口1的发送数据帧的帧信息，输入端口1的信息缓存队列1_N表示输入端口1转发到输出端口N的发送数据帧的帧信息。

每一输入端口的M个数据缓存队列和N个输出端口之间通过调度装置连接，调度装置用于执行调度算法，根据每一输入端口的N个信息缓存队列的状态调度出发送数据帧。

本实施例提供的交换机，由于每一输入端口设置的M个数据缓存队列针对不同的输出端口可以混用，可以随机选择空的数据缓存队列存储发送至任一输出端口的发送数据帧，而且M小于N，因此，可以节省输入端口缓存的资源。

进一步地，图3为本发明交换机实施例一中的调度装置的结构示意图，如图3所示，本实施的调度装置可以包括：发送器11、轮询仲裁器12和处理器13，其中，发送器11用于根据输入端口的N个信息缓存队列中的任一信息缓存队列非空的指示信息，向非空的信息缓存队列指示的输出端口发出请求直到请求得到授权。轮询仲裁器12用于根据信息缓存队列的优先级进行轮询仲裁，选择授权的第一输入端口，其中，每一输出端口都有一个对应的轮询仲裁器。处理器13用于读取第一输入端口的数据缓存队列缓存的发送数据帧。

其中，进一步地具体地，发送数据帧的帧信息包含：发送数据帧的优先级、缓存发送数据帧的数据缓存队列号和输出端口号，轮询仲裁器12用于根据接收到的请求所对应的信息缓存队列缓存的发送数据帧的优先级进行轮询仲裁，选择授权的第一输入端口。处理器13用于根据第一输入端口的信息缓存队列缓存的信息缓存队列号读取信息缓存队列号对应的数据缓存队列中的发送数据帧。

下面以输入端口和输出端口为4为例说明调度装置的调度过程，图4为本发明交换机实施例一中调度装置的调度过程示意图，如图4所示，此图中Info_fifo表示输入端口的信息缓存队列，Info_fifo中包含发送数据帧的优先级、缓存发送数据帧的data_fifo号和输出端口号，data_fifo表示输入端口的数据缓存队列（每一输入端口都有M个），Info_fifo1_1、Info_fifo1_2、Info_fifo3_2、Info_fifo3_4和Info_fifo4_4都为非空，发送器根据Info_fifo1_1、Info_fifo1_2、Info_fifo3_2、Info_fifo3_4和Info_fifo4_4非空的指示信息，分别向Info_fifo1_1指示的输出端口1发出请求直到请求得到授权，向Info_fifo1_2指示的输出端口2发出请求直到请求得到授权，向Info_fifo3_2指示的输出端口2发出请求直到请求得到授权，向Info_fifo3_4指示的输出端口4和Info_fifo4_4指示的输出端口4发出请求直到请求得到授权，即就是若请求没有得到授权则一直保持输入请求信号。

接着轮询仲裁器根据接收到的请求所对应的信息缓存队列的优先级进行轮询仲裁，选择授权的第一输入端口，其中，每一输出端口都有一个对应的轮询仲裁器。对于输出端口1，输出端口1的轮询仲裁器1根据接收到的来自输入端口1的请求对应的Info_fifo1_1中的优先级高低进行轮询仲裁，选择出授权的输入端口为1端口，然后根据1端口缓存的data_fifo号读取data_fifo号（图示为1）对应的data_fifo（这里为第一个data_fifo）中的发送数据帧。对于输出端口2，输出端口2的轮询仲裁器2根据接收到的来自输入端口1的请求对应的Info_fifo1_2的优先级（1）和来自输入端口3的请求对应的Info_fifo3_2中的优先级（2）高低进行轮询仲裁，授权给输入端口1，然后根据1端口缓存的data_fifo号（图示为2）读取data_fifo号对应的data_fifo（这里为第二个data_fifo）中的发送数据帧。对于输出端口4，输出端口4的轮询仲裁器4根据接收到的来自输入端口3的请求对应的Info_fifo3_4的优先级（3）和来自输入端口4的请求对应的Info_fifo4_4中的优先级（4）高低进行轮询仲裁，授权给输入端口3，然后根据3端口缓存的data_fifo号（图示为2）读取data_fifo号对应的data_fifo（这里为第二个data_fifo）中的发送数据帧。整个调度过程完毕。

可以看出，本实施例的调度装置采用请求、授权两步流水式调度方式，避免多次迭代，减少延时，提高了调度效率，而且还可实现一个输入端口同时调度出多个发送数据帧，减少了交换机中每一信元在等待端口匹配的过程中的延时，提高了吞吐率。

优选地，M为发送端的信用值。图5为本发明交换机实施例二的结构示意图，如图5所示，本实施例在上述实施例的基础上，使用发送端的信用值作为M的值，这样就可将FC流控机制与交换机相结合，在输入端采用与发送端的信用值数目相同的队列进行缓存，可实现节省资源的同时方便流控机制的管理。

图6为本发明调度算法实施例一的流程图，调度算法用于交换机的调度装置中，交换机包括：N个输入端口、N个输出端口和调度装置，N个输入端口中，每个输入端口都设置M个数据缓存队列和N个信息缓存队列，M个数据缓存队列用于缓存输入端口输入的任一发送数据帧，N个信息缓存队列用于缓存任一发送数据帧的帧信息，M小于等于N，M和N为整数，每一输入端口的M个数据缓存队列和N个输出端口之间通过调度装置连接，调度装置用于执行调度算法，根据每一输入端口的N个信息缓存队列的状态调度出发送数据帧。如图6所示，本实施例的调度算法可以包括：

S101、根据输入端口的N个信息缓存队列中的任一信息缓存队列非空的指示信息，向非空的信息缓存队列指示的输出端口发出请求直到请求得到授权。

S102、非空的信息缓存队列指示的输出端口的轮询仲裁器根据接收到的信息缓存队列的优先级进行轮询仲裁，选择授权的第一输入端口。

S103、非空的信息缓存队列指示的输出端口读取第一输入端口的数据缓存队列缓存的发送数据帧。

进一步地，发送数据帧的帧信息包含：发送数据帧的优先级、缓存发送数据帧的数据缓存队列号和输出端口号，S102具体为：

非空的信息缓存队列指示的输出端口的轮询仲裁器根据接收到的请求所对应的信息缓存队列缓存的发送数据帧的优先级进行轮询仲裁，选择授权的第一输入端口。

S103具体为：

非空的信息缓存队列指示的输出端口根据第一输入端口的信息缓存队列缓存的信息缓存队列号读取信息缓存队列号对应的数据缓存队列中的发送数据帧。

本实施例提供的调度算法，采用请求、授权两步流水式调度方式，避免多次迭代，减少延时，提高了调度效率，而且还可实现一个输入端口同时调度出多个发送数据帧，减少了交换机中每一信元在等待端口匹配的过程中的延时，提高了吞吐率。

优选地，M为发送端的信用值。使用发送端的信用值作为M的值，这样就可将FC流控机制与交换机相结合，在输入端采用与发送端的信用值数目相同的队列进行缓存，可实现节省资源的同时方便流控机制的管理。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种交换机，其特征在于，包括：N个输入端口、N个输出端口和调度装置；

所述N个输入端口中，每个输入端口都设置M个数据缓存队列和N个信息缓存队列，所述M个数据缓存队列用于缓存输入端口输入的任一发送数据帧，所述N个信息缓存队列用于缓存任一所述发送数据帧的帧信息，M小于等于N，M和N为整数；

每一输入端口的所述M个数据缓存队列和N个输出端口之间通过调度装置连接，所述调度装置用于执行调度算法，根据每一输入端口的N个信息缓存队列的状态调度出发送数据帧。

2.根据权利要求1所述的交换机，其特征在于，所述调度装置包括：

发送器，用于根据输入端口的N个信息缓存队列中的任一信息缓存队列非空的指示信息，向非空的信息缓存队列指示的输出端口发出请求直到所述请求得到授权；

轮询仲裁器，用于根据信息缓存队列的优先级进行轮询仲裁，选择授权的第一输入端口，其中，每一输出端口都有一个对应的轮询仲裁器；

处理器，用于读取所述第一输入端口的数据缓存队列缓存的发送数据帧。

3.根据权利要求2所述的交换机，其特征在于，所述发送数据帧的帧信息包含：发送数据帧的优先级、缓存所述发送数据帧的数据缓存队列号和输出端口号，所述轮询仲裁器用于：

根据接收到的请求所对应的信息缓存队列缓存的发送数据帧的优先级进行轮询仲裁，选择授权的所述第一输入端口；

所述处理器用于：

根据所述第一输入端口的信息缓存队列缓存的信息缓存队列号读取所述信息缓存队列号对应的数据缓存队列中的发送数据帧。

4.根据权利要求2或3所述的交换机，其特征在于，所述M为发送端的信用值。

5.一种调度算法，其特征在于，用于交换机的调度装置中，所述交换机包括：N个输入端口、N个输出端口和所述调度装置，所述N个输入端口中，每个输入端口都设置M个数据缓存队列和N个信息缓存队列，所述M个数据缓存队列用于缓存输入端口输入的任一发送数据帧，所述N个信息缓存队列用于缓存任一所述发送数据帧的帧信息，M小于等于N，M和N为整数；

每一输入端口的所述M个数据缓存队列和N个输出端口之间通过调度装置连接，所述调度装置用于执行所述调度算法，根据每一输入端口的N个信息缓存队列的状态调度出发送数据帧；

所述调度算法包括：

根据输入端口的N个信息缓存队列中的任一信息缓存队列非空的指示信息，向非空的信息缓存队列指示的输出端口发出请求直到所述请求得到授权；

所述非空的信息缓存队列指示的输出端口的轮询仲裁器根据接收到的信息缓存队列的优先级进行轮询仲裁，选择授权的第一输入端口；

所述非空的信息缓存队列指示的输出端口读取所述第一输入端口的数据缓存队列缓存的发送数据帧。

6.根据权利要求5所述的调度算法，其特征在于，所述发送数据帧的帧信息包含：所述发送数据帧的优先级、缓存所述发送数据帧的数据缓存队列号和输出端口号，所述非空的信息缓存队列指示的输出端口的轮询仲裁器根据接收到的信息缓存队列的优先级进行轮询仲裁，选择授权的第一输入端口，包括：

所述非空的信息缓存队列指示的输出端口的轮询仲裁器根据接收到的请求所对应的信息缓存队列缓存的发送数据帧的优先级进行轮询仲裁，选择授权的所述第一输入端口；

所述非空的信息缓存队列指示的输出端口读取所述第一输入端口的数据缓存队列缓存的发送数据帧，包括：

所述非空的信息缓存队列指示的输出端口根据所述第一输入端口的信息缓存队列缓存的信息缓存队列号读取所述信息缓存队列号对应的数据缓存队列中的发送数据帧。

7.根据权利要求5或6所述的调度算法，其特征在于，所述M为发送端的信用值。