CN106603420B - 一种具有实时和容错特性的片上网络路由器 - Google Patents

Abstract

一种具有实时和容错特性的片上网络路由器，包括多个结构功能相同的网络接口、路由决策模块、数据交换模块，网络接口校验外部网络数据包后进行缓存，发送接收缓存非空信号至路由决策模块，将写入的地址微片、数据微片或者地址微片运算结果至外部；路由决策模块接收到接收缓存非空信号后，判断网络数据包类型，产生端口使用请求信号或者组播端口使用请求信号送至数据交换模块，将地址微片、数据微片写入网络接口；数据交换模块进行基于轮转调度的并行仲裁，控制路由决策模块读取地址微片、数据微片写入网络接口。

Description

一种具有实时和容错特性的片上网络路由器

技术领域

本发明涉及适用于通信速率及可靠性要求高的片上网络芯片等大规模集成电路，特别是一种具有实时和容错特性的片上网络路由器。

背景技术

随着片上系统设计复杂度及工艺集成度的提高，传统的片上共享总线体系结构由于全局同步、线延时、信号完整性、可扩展性等原因成为系统性能提升的瓶颈，而基于包交换技术的片上网络被认为是解决上述问题的可行方案。片上网络主要由多个计算资源节点、多个网络适配单元和多个路由器组成。在系统中，路由器的主要功能是按照路由规则对网络数据包进行正确转发，其结构决定着片上网络的整体性能，是系统的核心组件，对片上网络的实时性和可靠性有重要影响。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种具有实时和容错特性的片上网络路由器，通过采用路径寻址、虫孔交换策略、转发申请并行仲裁机制、基于信用的流量控制策略并支持单播组播通信模式提高了片上网络路由器实时性和可靠性，克服了现有的片上网络路由器不能兼顾实时性和可靠性的问题。

本发明的技术解决方案是：一种具有实时和容错特性的片上网络路由器，包括多个结构功能相同的网络接口、路由决策模块、数据交换模块，其中

网络接口，接收外部发送网络数据包并进行校验，如果校验通过，则将网络数据包进行缓存，同时产生并发送接收缓存非空信号至路由决策模块；发送路由决策模块写入的地址微片、数据微片或者地址微片运算结果至外部；所述的网络接口均对应唯一的编号；

路由决策模块，接收到接收缓冲非空信号后判断网络数据包类型，若为单播数据包，则读取单播数据包中转发端口路径信息，并将该转发端口路径信息中第1个路径端口从单播数据包的地址微片中删除，同时将删除第1个路径端口后的路径端口序列依次左移，并在地址微片末尾填充无效编码，更新地址微片，根据删除的第1个路径端口编号产生端口使用请求信号，并送至数据交换模块；当接收到读信号后，读取网络接口模块中存储的网络数据包的地址微片、数据微片并依次写入转发网络接口；

若为组播网络数据包，则读取网络数据包第一个地址微片的转发端口路径信息并将第一个地址微片删除，然后向数据交换模块发送组播端口使用请求信号，根据第一个地址微片中的转发端口路径信息生成组播地址掩码，使得不需要在转发端口路径信息中某端口进行转发的路径地址置为无效，将组播地址掩码送至数据交换模块；当接收到读信号后，读取网络接口模块中存储的网络数据包的地址微片、数据微片并依次写入转发网络接口；所述的单播数据包包括地址微片、数据微片、数据校验码、数据包结束标识，其中，地址微片包括单播数据包类型、转发端口路径信息，转发端口路径信息包括依次排列的多个路径端口组成的路径端口序列，各个路径端口均对应唯一的路径端口编号，数据微片包括多组数据；所述的端口使用请求信号包括端口连接请求、单播标识有效信号、删除的第1个路径端口编号，端口连接请求为根据当前端口使用请求信号中删除的第1个路径端口编号调度网络接口模块中对应编号的网络接口进行数据发送；所述的组播数据包包括多个地址微片、多个数据微片、数据校验码、数据包结束标识，地址微片包括组播数据包类型、转发端口路径信息，转发端口路径信息包括多个路径端口组成的路径端口序列，其中，路径端口指向不同的目标节点；所述的组播端口使用请求信号包括多组组播端口使用请求，组播端口使用请求包括端口连接请求、组播标识有效信号、删除的第1个地址微片，端口连接请求为根据当组播端口使用请求信号中删除的第1个地址微片调度网络接口模块中对应编号的网络接口进行数据发送；

数据交换模块，接收到端口使用请求信号后进行基于轮转调度的并行仲裁，如果端口使用请求信号调度的网络接口不非法且未被占用，则将当前网络接口作为转发网络接口，并产生读信号至路由决策模块，如果端口使用请求信号调度的网络接口非法或被占用，则等待下一轮基于轮转调度的并行仲裁；接收到组播端口使用请求信号后进行基于轮转调度的并行仲裁，如果组播端口使用请求信号调度的多个网络接口均不非法且未被占用，则将当前所有网络接口作为转发网络接口，并产生读信号至路由决策模块，然后将删除的第一个地址微片之后的地址微片与组播地址掩码进行或运算，得到地址微片运算结果并放置在转发网络接口，如果组播端口使用请求信号调度的某个网络接口非法或被占用，则等待下一轮基于轮转调度的并行仲裁；所述的基于轮转调度的并行仲裁为并行判断所有的端口使用请求信号，当端口使用请求信号调度的网络接口不冲突时，被调度的所有网络接口同时进行数据发送，当某一网络接口被多个端口使用请求信号调度时，依次执行端口使用请求信号。

所述的网络接口包括接收单元、发送单元、接口控制状态机单元、接收先入先出队列、发送先入先出队列，其中

接收单元，接收外部发送网络数据包后进行校验，如果校验通过且接收到接收先入先出队列不满信号，则将网络数据包写入接收先入先出队列；

发送单元，从发送先入先出队列单元中读取数据后按照网络数据包格式进行封装，并将网络数据包发送至其他网络接口；

接口控制状态机单元，如果接收先入先出队列存储未满，则控制接收单元接收外部发送的网络数据包，否则控制接收单元不进行操作；如果发送先入先出队列不空，则控制发送单元从发送先入先出队列单元中读取数据并发送至其他网络接口，否则不进行操作；

接收先入先出队列、发送先入先出队列为双端口RAM，接收先入先出队列，当数据存储未满时，产生接收先入先出队列不满信号至接收单元，当写入网络数据包时，产生接收缓存非空信号至路由决策模块；发送先入先出队列，写入地址微片、数据微片或者地址微片运算结果。

所述的路由决策模块当接收到读信号后，读取网络接口模块中存储的网络数据包的地址微片、数据微片并依次写入转发网络接口使用并行转发模式，并行转发模式为路由决策模块将所有接收发送网络接口对的数据进行拼接，得到拼接数据帧，然后将拼接数据帧送至所有的网络接口，其中，所有接收发送网络接口对所对应数据在拼接数据帧中具有固定位置。

所述的校验包括格式校验、奇偶校验。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明片上网络路由器可以避免网络拥塞，降低网络传输时延，提高链路资源利用率，与采用最短路径路由的路由器相比，各链路的通信流量均衡性大约提高49％；

(2)当片上网络发生某路由器整体故障、路由器间通信链路双向故障和通信链路单向故障等三种故障模式时，本发明片上网络路由器能够有效保证数据包的正常转发，具有较高的容错性；

(3)本发明片上网络路由器与采用基于单播路由模型和基于路径模型的组播路由相比，通过采用基于树模型的组播路由，降低了网络负载，减小网络数据包的最长转发路径，具有较好的使用价值。

附图说明

图1为本发明一种具有实时和容错特性的片上网络路由器的整体结构图；

图2为本发明一种具有实时和容错特性的片上网络路由器转发网络数据包处理流程；

图3为本发明一种具有实时和容错特性的片上网络路由器中网络接口结构示意图；

图4为本发明一种具有实时和容错特性的片上网络路由器中网络接口通信链路信号示意图；

图5为本发明一种具有实时和容错特性的片上网络路由器中网络接口模块控制状态机；

图6为本发明一种具有实时和容错特性的片上网络路由器中路由决策模块结构示意图；

图7为本发明一种具有实时和容错特性的片上网络路由器单播网络数据包格式；

图8为本发明一种具有实时和容错特性的片上网络路由器组播网络数据包格式；

图9为本发明一种具有实时和容错特性的片上网络路由器组播地址掩码格式。

具体实施方式

片上网络主要由多个计算资源节点、多个网络适配单元和多个路由器组成，路由器对片上网络数据转发效率具有重要影响，因此本发明针对现有技术的不足，提出一种片上网络路由器，包括网络接口模块、路由决策模块、数据交换模块。路由器转发网络数据包的处理流程主要包括申请转发端口、端口轮转调度、转发地址微片、转发数据微片、判别数据包结束标识等处理过程，下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明片上网络路由器包括：多个网络接口、路由决策模块和数据交换模块；网络接口模块自主进行网络数据包的接收和发送，当有数据包到达时，将数据包接收至接收缓冲区，产生并向路由决策模块发送非空信号，然后由路由决策模块提出转发申请，等待发送；当发送数据包时，网络接口模块从发送缓冲区读取数据发送给下一网络接口；路由决策模块根据网络接口模块接收到的网络数据包，判定单播或组播路由方式，计算转发端口，然后向数据交换模块提出转发申请；数据交换模块则根据并行仲裁机制，对接收到的转发申请进行仲裁，并以虫孔交换的方式完成不同网络数据包的并行转发。

本发明片上网络路由器转发网络数据包的处理流程如图2所示。当路由器的网络接口模块接收到网络数据包时，首先会对接收的网络数据包进行类型、格式等校验，校验正确则放入接收缓冲区，并通知路由决策模块缓冲区非空，否则丢弃；路由决策模块接收到缓冲区非空信号后，会读取数据包并判断网络数据包类型。若为单播数据包，则读取转发端口路径信息，并将该转发端口编码从地址微片中删除，更新数据包地址微片，同时向数据交换模块申请该转发端口的使用权。经过数据交换模块转发端口轮转调度仲裁，若获得端口使用权，则经过数据交换模块将地址微片从输入端口转发到输出端口，由输出网络接口进行发送，后续数据微片同样进行上述转发直至转发完数据包结束标识，路由决策模块释放端口使用权。若未获得使用权，则数据交换模块继续进行转发端口的轮转调度仲裁。若为组播网络数据包，路由决策模块则首先根据第一个地址微片中的转发端口信息生成组播地址掩码，组播地址掩码的作用是为了将不需要在该端口进行转发的路径地址置为无效，以免造成数据包在错误路径上的传播；然后删除接收到的第一个地址微片，向数据交换模块申请组播转发端口使用权。经过数据交换模块转发端口轮转调度仲裁，若获得组播所需的所有转发端口的使用权，则路由决策模块判断下一微片是否为地址微片，若是则将该地址微片与组播掩码进行或操作后经过数据交换模块将地址微片从输入端口转发到输出端口，然后路由决策模块继续判断下一微片是否为地址微片；若是数据微片则经过数据交换模块直接进行从输入端口到输出端口的转发，直至数据包结束标识，最后路由决策模块释放端口使用权。若未获得组播所需所有转发端口的使用权，则数据交换模块继续进行转发端口的轮转调度仲裁。

下面通过一个具体的实施例对本发明片上网络路由器进行进一步说明，本实施例的网络接口模块整体结构如图3所示，包括接收单元、发送单元、接口控制状态机单元、接收先入先出队列单元、发送先入先出队列单元，其通信协议设计借鉴了SpaceWire协议的部分思想。接收单元在接收到数据时，会将数据写入接收先入先出队列中，并将接收到的字符的奇偶校验结果、类型等信息报送至接口控制状态机单元；发送单元会从发送先入先出队列中读取数据并完成发送；接口控制状态机单元会根据接收到的状态信息控制整个网络接口模块的运行状态，以实现错误复位、链路重连等控制。

本发明在继承SpaceWire协议错误检测、异常处理、故障保护和恢复等容错特性的基础上，在物理层将原协议的串行通信改为由32bits数据位、1bit奇校验位、1bit控制字符标志位、1bit链路有效位组成的并行通信，采用全双工传输模式，极大提高了数据传输速率，网络接口通信链路如图4所示；另外，在数据链路层参考原协议定义了一种数据字符和FCT、EOP、EEP、ESC、NULL五种控制字符，如表1所示。

表1字符类型定义

FCT是流量控制字符，用于流量控制以避免网络拥塞、缓冲区溢出导致数据丢失；EOP、EEP是网络数据包的两种包尾，主要用于标识网络数据包传输是否正确结束，EOP表示网络数据包正确传输，EEP表示网络数据包传输过程发生异常；ESC是转义字符，以备通信协议的扩展；NULL控制字符主要用于链路控制，保持链路空闲时的通信状态，以便系统对链路状态进行自主监测。

网络接口中，NoC_en和NoC_dis信号用来控制接口与路由的连通性。接收模块会判断流量控制是否错误，对接收到的网络数据进行类型和正确性的校验，然后将结果报送至接口控制状态机模块，具体错误类型包括数据奇校验错误、链路连接状态错误、流量控制错误、非法字符错误、数据包异常终止错误。网络通信采用了基于信用(Credit-based)的流控算法，网络接口每发送一个FCT字符就表示可接受8个字符，同样，网络接口每接收到一个FCT字符就表示可以向对方发送8个字符。

网络接口与通信网络的链路连接过程如图5所示。在系统复位时，通信链路首先进入连接准备状态Ready；当使能片上网络通信时，链路进入连接启动状态Start，开始发送NULL控制字符，进行链路通信检测；当正确接收到NULL字符后，表示链路通信正常，开始进入链路连接状态Connecting。在Connecting状态，网络接口会根据先入先出队列可用空间大小控制流控字符FCT的发送，当接收到FCT字符时，表示对方先入先出队列不满，可以进入运行态Run进行有效数据的正常通信。在链路通信建立过程中，如果发生错误或接收到非法控制字符，通信链路都会重新回到Ready状态进行错误恢复。

路由决策模块整体结构如图6所示。路由决策模块接收到缓冲区非空信号后，路由决策模块将根据地址微片进行转发端口的申请：如果是单播网络数据包(数据包格式见图7)，则读取地址微片中的第一个路径端口编码，然后向数据交换模块发送“connect”端口连接请求和单播标识“Isunicast”有效信号，并用“want_port”信号表示具体请求哪个转发端口。同时，路由决策模块会将后续路径端口序列依次左移，在地址微片末尾填充全‘1’无效编码，形成新的地址微片；如果是组播网络数据包(数据包格式见图8)，则读取网络数据包第一个地址微片的所有路径端口编码并将该地址微片丢弃，然后向数据交换模块发送“connect”端口连接请求和单播标识“Isunicast”无效信号，并用“want_port”信号表示具体请求哪些转发端口。同时，由于从某转发端口进行数据转发时，其他转发路径上的后续路径端口序列就不再有效，因此路由决策模块会生成组播地址掩码，通过“addr_mask”信号发送给数据交换模块，形成如图9所示的组播地址掩码阵列，每一个转发端口与每一个输入端口间都会对应一个地址掩码。路由决策模块提出申请后，数据交换模块会进行转发端口仲裁，如果申请的转发端口有效(转发端口编码全‘1’则无效)或未被占用，则数据交换模块会通过“nrd”读信号将新的地址微片和其他有效数据微片依次读取到数据交换模块。当路由决策模块接收到EOP或EPP数据结束标识符时，会启动新一轮的数据转发处理过程，重新对数据包头中的地址微片进行检验，按照新的目的地址进行数据转发。

数据交换模块主要由Cell单元组成，以虫孔交换的方式完成数据从输入端口向输出端口的并行转发，数据交换模块中的每一个Cell单元均代表一对儿输入输出端口间的连接通道，当数据交换模块收到端口“request_port”以及“connect”连接请求后，Cell单元会根据当前连接状态通过信号“en_connect”反馈是否使能连接(‘1’表示使能，‘0’表示不使能)。数据交换模块会将所有输入端口数据合并成一个数据向量，进行转发端口并行仲裁，实现了在一个时钟周期内完成不同端口间的数据并行转发，在数据转发过程中，数据交换模块支持端口间一对一的数据转发模式，当多个输入端口同时申请同一个输出端口进行数据转发时，数据交换模块采用了基于轮转(Round Robin)的通道调度算法，支持不同输入端口的顺序转发。

综上所述，本发明路由器主要包括实时性设计和可靠性设计两部分，其中，片上网络路由器的实时性设计为：

(1)基于路径寻址的方式进行转发，使数据包具有确定的转发路径，提高了网络资源利用率，缩短了通信传输时间；

(2)采用虫孔交换策略和转发申请并行仲裁机制，转发数据包只需两个时钟周期的地址微片处理时间和一个时钟周期的仲裁时间，实现了不同输入端口间数据包的并行转发，大大减少了数据包在路由器中的处理时延，并具有较小的存储资源开销；

(3)采用基于信用的流量控制策略，通过避免网络拥塞减少了数据包在网络中的等待时延；

(4)支持单播和基于树模型的组播两种通信模式，避免了多次单播导致的时间和带宽浪费，提高了系统通信效率，有利于减轻网络通信负载。

片上网络路由器的可靠性设计为：

(1)采用基于信用的流量控制方法，避免系统发生网络拥塞，防止网络接口由于缓冲区溢出导致数据丢失；

(2)对网络接口进行数据错误、非法字符、数据包异常终止、链路状态异常等故障的检测与恢复设计，使系统具有较短的故障恢复时间(最短故障恢复时间为4个时钟周期)。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种具有实时和容错特性的片上网络路由器，其特征在于包括多个结构功能相同的网络接口、路由决策模块、数据交换模块，其中

网络接口，接收外部发送网络数据包并进行校验，如果校验通过，则将网络数据包进行缓存，同时产生并发送接收缓存非空信号至路由决策模块；发送路由决策模块写入的地址微片、数据微片或者地址微片运算结果至外部；所述的网络接口均对应唯一的编号；

路由决策模块，接收到接收缓冲非空信号后判断网络数据包类型，若为单播数据包，则读取单播数据包中转发端口路径信息，并将该转发端口路径信息中第1个路径端口从单播数据包的地址微片中删除，同时将删除第1个路径端口后的路径端口序列依次左移，并在地址微片末尾填充无效编码，更新地址微片，根据删除的第1个路径端口编号产生端口使用请求信号，并送至数据交换模块；当接收到读信号后，读取网络接口中存储的网络数据包的地址微片、数据微片并依次写入转发网络接口；

若为组播网络数据包，则读取网络数据包第一个地址微片的转发端口路径信息并将第一个地址微片删除，然后向数据交换模块发送组播端口使用请求信号，根据第一个地址微片中的转发端口路径信息生成组播地址掩码，使得不需要在转发端口路径信息中某端口进行转发的路径地址置为无效，将组播地址掩码送至数据交换模块；当接收到读信号后，读取网络接口中存储的网络数据包的地址微片、数据微片并依次写入转发网络接口；所述的单播数据包包括地址微片、数据微片、数据校验码、数据包结束标识，其中，地址微片包括单播数据包类型、转发端口路径信息，转发端口路径信息包括依次排列的多个路径端口组成的路径端口序列，各个路径端口均对应唯一的路径端口编号，数据微片包括多组数据；所述的端口使用请求信号包括端口连接请求、单播标识有效信号、删除的第1个路径端口编号，端口连接请求为根据当前端口使用请求信号中删除的第1个路径端口编号调度网络接口中对应编号的网络接口进行数据发送；所述的组播数据包包括多个地址微片、多个数据微片、数据校验码、数据包结束标识，地址微片包括组播数据包类型、转发端口路径信息，转发端口路径信息包括多个路径端口组成的路径端口序列，其中，路径端口指向不同的目标节点；所述的组播端口使用请求信号包括多组组播端口使用请求，组播端口使用请求包括端口连接请求、组播标识有效信号、删除的第1个地址微片，端口连接请求为根据当组播端口使用请求信号中删除的第1个地址微片调度网络接口中对应编号的网络接口进行数据发送；

数据交换模块，接收到端口使用请求信号后进行基于轮转调度的并行仲裁，如果端口使用请求信号调度的网络接口不非法且未被占用，则将当前网络接口作为转发网络接口，并产生读信号至路由决策模块，如果端口使用请求信号调度的网络接口非法或被占用，则等待下一轮基于轮转调度的并行仲裁；接收到组播端口使用请求信号后进行基于轮转调度的并行仲裁，如果组播端口使用请求信号调度的多个网络接口均不非法且未被占用，则将当前所有网络接口作为转发网络接口，并产生读信号至路由决策模块，然后将删除的第一个地址微片之后的地址微片与组播地址掩码进行或运算，得到地址微片运算结果并放置在转发网络接口，如果组播端口使用请求信号调度的某个网络接口非法或被占用，则等待下一轮基于轮转调度的并行仲裁；所述的基于轮转调度的并行仲裁为并行判断所有的端口使用请求信号，当端口使用请求信号调度的网络接口不冲突时，被调度的所有网络接口同时进行数据发送，当某一网络接口被多个端口使用请求信号调度时，依次执行端口使用请求信号。

2.根据权利要求1所述的一种具有实时和容错特性的片上网络路由器，其特征在于：所述的网络接口包括接收单元、发送单元、接口控制状态机单元、接收先入先出队列、发送先入先出队列，其中

接收单元，接收外部发送网络数据包后进行校验，如果校验通过且接收到接收先入先出队列不满信号，则将网络数据包写入接收先入先出队列；

发送单元，从发送先入先出队列单元中读取数据后按照网络数据包格式进行封装，并将网络数据包发送至其他网络接口；

接口控制状态机单元，如果接收先入先出队列存储未满，则控制接收单元接收外部发送的网络数据包，否则控制接收单元不进行操作；如果发送先入先出队列不空，则控制发送单元从发送先入先出队列单元中读取数据并发送至其他网络接口，否则不进行操作；

接收先入先出队列、发送先入先出队列为双端口RAM，接收先入先出队列，当数据存储未满时，产生接收先入先出队列不满信号至接收单元，当写入网络数据包时，产生接收缓存非空信号至路由决策模块；发送先入先出队列，写入地址微片、数据微片或者地址微片运算结果。

3.根据权利要求1或2所述的一种具有实时和容错特性的片上网络路由器，其特征在于：所述的路由决策模块当接收到读信号后，读取网络接口中存储的网络数据包的地址微片、数据微片并依次写入转发网络接口使用并行转发模式，并行转发模式为路由决策模块将所有接收发送网络接口对的数据进行拼接，得到拼接数据帧，然后将拼接数据帧送至所有的网络接口，其中，所有接收发送网络接口对所对应数据在拼接数据帧中具有固定位置。

4.根据权利要求1或2所述的一种具有实时和容错特性的片上网络路由器，其特征在于：所述的校验包括格式校验、奇偶校验。