CN108781191A - 针对以太网交换机中的调度的帧的复用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在分组交换型网络中对数据帧进行复用的方法。所述网络包括一个或多个交换机，所述一个或几个交换器包括：‑接收数据帧的第一多个接收端口，以及‑至少发送数据帧的块的第二多个发送端口。各个帧包括数据字段，该数据字段包括与所述帧的发送优先级索引有关的信息。更具体地，向交换机提供时钟以向在各个接收端口中接收到的各个帧施加时间戳，并且还提供存储介质以将接收到的各个帧暂时与其时间戳一起存储。接着，所述方法包括以下步骤：a)提供与相应优先级索引关联的多个存储器缓冲区，各个缓冲区包括具有相同优先级索引的帧的一个队列，b)将接收到的帧根据它们的优先级索引分类到选定缓冲区中，c)在各个缓冲区中，根据所述帧的相应时间戳对所述帧进行排序，以按照队列顶部为最早接收到的帧且队列底部为最晚接收到的帧的方式将每个缓冲区中帧队列进行排列，以及d)向发送端口馈送各个帧或帧块，以按照根据所述帧的优先级索引确定的次序以及所述帧或所述帧块在与所述帧的所述优先级索引关联的所述队列中的次序来发送。

Description

针对以太网交换机中的调度的帧的复用方法

技术领域

本发明涉及诸如以太网的分组交换网络。

背景技术

直到最近，以太网交换一直都基于简单的复用技术，而没有业务整形特征，诸如FIFO队列和转发优先级。

利用IEEE 802.1Qav标准(用于“Forwarding and Queuing for Time-SensitiveStreams”的FQTSS)，这是“以太网AVB”标准套件的一部分，已经引入了每类业务整形(perclass traffic shaping)来处理速率受限的业务。

利用以太网TSN(时间敏感组网)，为了支持调度的业务，增加了另一业务整形方案：802.1Qbv(调度业务增强)。该复用机制在为不同业务类保留的时间窗口中组织交换机输出端口的发送复用。这使得可以准确定义用于发送能够仅遭受严格约束的发送延迟的帧而在时间上的特定位置保留的时间间隔(该间隔的绝对开始和结束时间)。

标准802.1Qbv旨在用于桥接器或交换机，以支持从相对于已知时标(timescale)调度的队列来进行发送。该时标由属于支持调度的业务的域的所有节点(交换机)共享。定时和同步信息利用特定协议分发，诸如PTP(精确时间协议，IEEEP1558)或gPTP(普遍PTP，IEEE 802.1AS)。

如图1所示，发送门(transmission gate)与每个队列相关联：所述门的状态(C；o)表示排队的帧是否可以被选择用于发送。

对于给定队列，所述门可以处于两种状态中的一种：

·开启(o)：根据与队列相关联的发送选择机制，可以发送排队的帧，并且

·关闭(C)：不选择发送排队的帧。

队列位于给定端口中，所述给定端口与门控制列表相关联。门控制列表包含门操作的排序列表。每个门操作都改变发送门状态。

状态机对门控制列表的执行进行控制。

如果关联的发送门处于关闭状态或者如果在下一个门关闭事件之前没有足够的时间来发送整个帧，则无法对发送类队列的帧进行发送。

IEEE 802.1Qbv提供了用于在交换机发送端口的发送链路上准确地保留时间间隔的装置。这些时间间隔专用于给定业务类的调度的帧。

发明内容

[技术问题]

然而，如果属于同一业务类的调度的帧从不同的接收端口进入交换机，并且要在目标发送端口的同一时间窗口内进行复用，则没有提供可以在发送端口时间窗口中定义复用规则的机制。

[问题的解决方案]

本发明旨在改进上述情况。

为此，本发明旨在用于在分组交换型网络中复用数据帧的方法。所述网络的至少一部分(通常为子网络)包括一个或几个交换器，所述一个或几个交换器具有：

-第一多个接收端口，所述第一多个接收端口接收所述数据帧，以及

-第二多个发送端口，所述第二多个发送端口用于至少发送所述数据帧的多个块。

每个帧都包括包含与用于发送所述帧的优先级的索引有关的信息的数据字段。

更具体地，向所述交换机提供时钟，以向每个接收端口中接收的每个帧施加时间戳，并且还提供存储介质以暂时将接收到的每个帧连同其时间戳一起存储。

接着，所述方法包括以下步骤：

a)提供与相应的优先级索引相关联的多个存储器缓冲区，每个缓冲区都包括具有相同优先级索引的一个帧队列，

b)根据所接收的帧的优先级索引将所接收的帧分类到所选择的缓冲区中，

c)在每个缓冲区中，根据所述帧的相应时间戳对所述帧进行排序，以按照队列顶部为最早接收到的帧且该队列底部为最晚接收到的帧的方式对各个缓冲区中的所述帧队列进行排列，以及

d)向所述发送端口馈送每个帧或帧块，以按照根据所述帧的所述优先级索引确定的次序并且按照所述帧或所述帧的块在与所述帧的所述优先级索引相关联的所述队列中的次序来发送。

本发明的方法可以便于(但不是必须限于)根据IEEE 802.1Qbv类型的标准的以太网网络。

有利的是，在这种情况下：

-每个队列都可以与交换机发送端口的复用中的关联业务类有关，

-然后，为相应业务类的帧或块的发送保留分配的时间窗口，

并且更具体地，在相同发送时间窗口内，使在接收端口中最先接收到的帧或块优先发送。

为此，所提供的时钟还可以在所述发送端口中使用，以控制前述时间窗口内的发送操作的定时。

此外，措辞“帧块”是指可能的实施方式，其中，那些块由给定帧的预定分割生成，以分离地发送各个块，如标准IEEE 802.3br(Interspersing Express Traffic)中所提供的。在本申请人名下的文献EP 15305221.2中给出了这种分割的特别有利的实施方式的更多细节。

在实施方式中，步骤a)至c)可以针对每个发送端口执行，并且在步骤d)中，向给定发送端口馈送连续帧或帧块，以按照针对所述给定发送端口按根据所述帧的所述优先级索引确定的次序而且还根据所述帧或所述帧块在与所述帧的所述优先级索引相关联的所述队列中的次序来发送。

在实施方式中，当完成与高于给定优先级索引的优先级索引相关联的所有所述缓冲区的发送时，发送与所述给定索引相关联的给定缓冲区的帧或块。

在该实施方式中，例如在各个缓冲区包含的所述帧或块的发送之后，可以清空各个缓冲区，并且每个缓冲区可以具有用于存储预定最大数量的帧的最大长度。

该实施方式使得可以向最高优先级缓冲区的预定数量的帧(该数量对应于缓冲区长度)赋予优先级。

而且，在该实施方式中，优选地，在步骤(d)中：

d1)一次性连续发送同一给定缓冲区的所有帧和/或帧块，

d2)然后，连续发送与较低优先级索引相关联的缓冲区的所有帧和/或帧块，

d3)接着，用新接收到的帧或帧块替换各个缓冲区的内容。

在该实施方式中，可以使用临时存储器来存储在先前的帧或块的发送步骤d1)和d2)期间新接收到的帧。该存储器可以是前述提供的存储介质的一部分。

然而，在另选实施方式中，可以简单地在所述存储介质中提供存储器缓冲区，以检查从所述接收端口接收到的帧(用于读取所述帧、检查它们的CRC、读取所述优先级索引)。然后，在变型例实施方式中，当确认帧的有效性时，帧可以直接发送给所述发送端口的缓冲区而无需任何进一步处理。因此，在该情况下，没有针对发送缓冲区长度(视为足够长以避免任何过载)的管理。

此外，并且更一般地说，前述存储介质和用于发送端口的所述缓冲区可以采用两个分离的存储器块的形式，或者另选地可以是同一硬件存储器单元的一部分(如在下面描述的“直通转发(cut-through)模式”中)。

本发明还旨在提供一种包括多个接收端口和多个发送端口的网络系统(或子网络系统)，该网络系统包括：时钟计数器、存储介质以及用于执行根据本发明的方法的网络处理装置。图3中示出了这种系统的示例。

本发明还旨在提供一种用于执行根据本发明的方法的网络处理装置(举例来说，如图8上所示)，并且所述网络处理装置包括：

-输入接口，该输入接口用于接收通过多个接收端口接收到的帧，

-处理电路，该处理电路接收时钟输入，以向每个接收帧施加时间戳，

-与存储器的链路，所述存储器与所述处理电路协作，以将各个帧暂时存储在与该帧的发送优先级索引相对应的缓冲区中，并且按照与该帧的所述时间戳相对应的次序存储在所述缓冲区中，以及

-输出接口，该输出接口用于向发送端口馈送帧或帧块，以在根据所述帧或帧块所属的所述缓冲区以及所述帧或帧块在所述缓冲区的位置的时刻发送。

本发明还旨在提供一种计算机程序产品(或在旨在提供存储这种计算机程序产品的非暂时性介质)，其包括用于在由处理器运行时执行本发明的方法的指令。这种计算机程序的可能算法可以由作为图9上的实施方式的示例示出的流程图表示。

本发明在附图的图中通过示例而非限制的方式进行了例示，其中，相同标号指相似部件。

附图说明

图1示出了在标准802.1Qbv中提出的利用门进行的发送选择；

图2示出了根据本发明的装置的发送端口中的帧发送排序的示例；

图3示出了作为本发明实施方式的解释性示例的具有通用四端口交换机架构的网络系统；

图4示出了用于执行本发明的特定实施方式的调度的帧标识；

图5示出了作为实施方式的解释性示例的存储并转发模式中的调度的帧数据路径；

图6示出了图5的另选实施方式，即，“直通帧(cut-through frame)转发”；

图7示出了用于执行本发明实施方式的类别队列数据结构；

图8示出了包括用于执行根据本发明实施方式的方法的部件的网络处理装置；

图9示出了用于执行根据本发明实施方式的方法的算法的示例。

具体实施方式

本发明提出了利用所考虑的网络或子网络中的所有节点共同的基准时钟的机制。该时钟可在交换机的接收端口和发送端口中得到。在接收端口中，该时钟被用于对传入帧加时间戳，即，将每个接收帧与接收到该帧的第一比特时的时间相关联。在发送端口中，所述时钟被用于控制802.1Qbv发送门操作的定时。

属于关联时间窗口内的相同业务类(traffic Class)的调度的帧的发送次序由它们由所述时钟给出的相应时间戳的次序来规定。帧时间戳按递增次序排序。因此，属于同一类的帧按照它们在不同的接收端口上的到达时间的递增次序发送，如图2所示。

连续帧f11、f12、f13在第一接收端口“Rx端口1”中接收到，而其它连续帧f21、f22、f23以及f31、f32、f33分别由“Rx端口2”和“Rx端口3”的其它接收端口接收。

在图2的解释性示例中，每个帧旨在由相同发送端口“Tx端口”发送。

此外，每个帧都被标记为属于特定的业务类：每个帧都包括含有发送优先级索引(即，业务类的索引)的数据域。在接收到每个帧时，向每个帧分配收时间戳并读取所述帧以确定：

-所述帧的业务类；以及

-旨在发送该帧的发送端口。

接着，根据每个帧的业务类将帧存储在特定缓冲区SFC1、SFC2、SFC3中，然后将每个缓冲区与对应的调度的帧类相关。然而，在每个缓冲区中，根据时间戳对帧进行排序。因此，例如，对于第一类帧SFC1，首先接收到帧f21：然后帧f21成为该缓冲区的将被发送的第一帧，接着第二个是f32，然后是f13。接着，发送端口“Tx端口”将发送缓冲区SFC1的所有帧，然后是缓冲区SFC2的所有帧等。

该机制保证了在同一业务类内，帧因为复用而经历最小延迟，然后加强了所调度的业务的低延迟性质。

图3示出了在所示示例中具有四个端口的交换机架构的示例。更具体地，所提出的机制可以基于如图3所示的通用数据路径在交换机中实现。帧识别和转发模块10与时钟11协作或包括时钟11，以向Rx端口1到4上的每个接收帧赋予时间戳。模块10与存储介质12协作或包括存储介质12，存储介质12包括：

-用于存储根据本发明的方面的计算机程序的非暂时性指令的非暂时性存储器部分，以及

-用于暂时存储接收帧及其相应时间戳的暂时性存储部分。

存储介质12可以与每个发送端口Tx端口1到4的存储器缓冲区SFC1、SFC2、SFC3协作或包括每个发送端口Tx端口1到4的存储器缓冲区SFC1、SFC2、SFC3，以在每个缓冲区中临时存储帧队列，每个缓冲区中的帧根据它们的时间戳进行排序(队列的顶部是最早接收到的帧，队列底部是最晚接收到的帧)。

存储器12的暂时性存储器部分可以与缓冲区不同(以在将帧发送至缓冲区之前将帧的记录与它们的时间戳组织起来)，或者可以简单地对应于缓冲区本身(针对每个发送端口)。

参照图8，帧识别和转发模块10可以被实现为用于执行本发明方法的处理网络装置，并且包括：

-输入接口110，该输入接口用于接收在多个接收端口RxPi上接收到的帧，

-处理电路111，该处理电路接收时钟输入CLK，以向每个接收帧应用时间戳，

-与存储器12的链路，存储器12与处理电路协作以将每个帧暂时存储在与发送该帧的优先级索引(例如，前述帧类)相对应的缓冲区中，并且在该缓冲区中按与该帧的时间戳相对应的次序存储(如图2的示例中所示)，以及

-输出接口112，该输出接口用于向发送端口TxPn馈送帧或帧块，以在根据所述帧或帧块所属的缓冲区并且根据所述帧或帧块在该缓冲区的位置的时刻发送。

下面，对特定实施方式进行公开。

下面，参照图4，通常可以通过VLAN标识符和优先级域(两者都位于帧头部中)的组合来识别调度的帧。然后，可以使用这两个参数的组合来确定所调度的帧所属的业务类，并因此确定它们被存储以供发送选择的队列。因此，除了帧通常所包括的电信数据以及FCS字段(用于帧完整性检查)，每个帧还具有信息字段，所述信息字段使得可以确定用于发送该帧的优先级索引。

因此，图5示出了所调度的帧的更完整数据路径。在该实施方式的示例中，在接收端口中接收到所调度的帧的第一个字节时，对它们加时间戳。这使得可以在与帧类相对应的缓冲区中对该帧进行排序。然后，将时间戳与帧数据相关联，并将两者传送至合适的发送端口(Tx端口)。可以在读取帧时确定合适的发送端口。例如，识别转发模块可以读取帧的头部字段，以便确定该帧是否要由所有发送端口进行广播，还是应当由几个指定端口发送以进行多播发送或者通过特定发送端口(用于单播发送)发送等。

时间戳的施加可以由帧识别和转发模块10执行，或者，作为变型例，由接收端口Rx执行。接收端口Rx还可以负责将提取自传入帧的输入信息提供给帧识别和转发模块10。

此外，Rx端口中可以实现两种接收操作模式：

·存储并转发模式(图5)：将接收到的帧数据存储在(例如，存储器12的)接收缓冲区中，以在询问帧识别和转发模块10并将帧转发至发送端口之前检查帧FCS(帧完整性检查)，

·直通转发模式(图6)：只要在Rx端口中存在识别接收帧所需的数据，就根据帧识别和转发模块10的决定，将帧数据传递至发送端口(在对应缓冲区中)中的指定类队列。如图5和图6所示，帧识别和转发模块10使用由Rx端口所提供的帧数据来确定每个帧要前往的Tx端口以及该帧的业务类。该信息用于控制帧在所选的发送类队列中的存储。

类队列被设置为帧缓冲区，其可以被写入来自Rx端口的帧数据写入并被读取，以提供要通过类队列所属的Tx端口发送的帧数据。

每个类队列都是被组织为帧块的双端口存储器。每个帧块都可以包含整个帧或帧的一段。在本发明的背景内的帧分割方法可以如本申请人名下的文献EP 15305221.2中所公开的那样。图7示出了该实施方式。每个框与框描述符相关联。框描述符包含长度字段和指针字段。长度字段指示帧块中所存储的帧数据的实际长度。指针字段包含指向包含同一帧的一段的下一帧块的指针，或者在帧块包含整个帧或帧的最后一段的情况下包含“帧结束”标记。

类队列还嵌入了时间戳队列，时间戳队列存储与存储在帧缓冲区中的每个帧相关联的时间戳，所述时间戳按其值的递增次序排序。每次在帧缓冲区中存储新的帧时，对时间戳队列的元素进行排序。

发送端口根据802.1Qbv中描述的发送选择机制来读取类队列。

当对应802.1Qbv门打开时，选择类队列以进行发送(即，读取)，如从这里未再次公开的802.1Qbv标准所知的那样。

根据本发明的主要原理，所选的类队列中的帧的读取次序由其关联的时间戳的次序给出。

图9是表示根据本发明方面的计算机程序的可能算法的流程图。在步骤S1中，在各个接收端口RxPi中连续接收到帧TRij、TRij+1等(步骤S3)，并在步骤S2中将它们与各自的时间戳TSj一起存储。在步骤S4中，根据帧的类别进行分类(在读取发送优先级索引之后)。因此，针对每个发送端口，构建K个缓冲区(步骤S5)并且在每个缓冲区k(其中，k＝1到K)中，在步骤S6中根据相应帧时间戳对帧(或帧块)进行排序。在可能的解释性实施方式中，如果在步骤S7中填充缓冲区，则发送优先级被授予对应于类1的缓冲区(步骤S8中的k＝1)。更具体地，在实施方式中，如果在步骤S9中缓冲区不为空，则在步骤S10中发送其包含的帧。否则，检查下一个类缓冲区内容(k＝2，步骤S11)，以发送其包含的帧，直到k＝K(步骤S12)。在可能的实施方式中，当所有缓冲区被帧完全填充时，可以执行特定的优先级策略。例如，缓冲区的长度可以不同：较高类缓冲区可以更长，以挤压在发送较低类帧之前发送较高类别的帧的优先级。

当然，所分配的用于根据所调度的帧类的发送时刻的时间窗还可以规定根据如上所述的标准IEEE 802.3br标准发送每个缓冲区中的帧。

更具体地，在循环时间窗口内，为在较高类的缓冲区中的快速帧的发送赋予优先级。较低类的帧或帧片段(上面称作“块”)的缓冲区可以在两个时间窗之间的剩余时间内发送。然而，在图9的可能实施方式中，可以在使用具有预定长度的缓冲区时利用如上说明的优点，以允许在较高类的缓冲区暂时为空时还发送较低类的帧。更具体地，在可能实施方式中，较高类的缓冲区的长度至少可以调整为循环时间窗口的持续时间。

因此，本发明可以嵌入计算机程序产品中(上面参照图9对其算法进行了描述)，其包括能够实现本文所述方法的所有特征，并且其在被加载到信息处理系统(例如，用户设备或网络部件)中时使信息处理系统实现本发明。在当前背景下，计算机程序手段或计算机程序是指旨在使具有信息处理能力的系统直接或者在转换成另一语言之后执行特定功能的一组指令的、采用任何语言、代码或记法的任何表达。此类计算机程序可以被存储在计算机或机器可读介质(允许从该介质读取数据、指令、消息或消息分组以及其它机器可读信息)。计算机或机器可读介质可以包括非易失性存储器，诸如ROM、闪速存储器、磁盘驱动器存储器、CD-ROM，以及其它永久性存储器。另外，计算机或机器可读介质例如可以包括易失性存储器，诸如RAM、缓冲区、高速缓冲存储器以及网络电路。而且，计算机或机器可读介质可以包括暂态介质中的计算机或机器可读信息，诸如允许装置读取此类计算机或机器可读信息的网络链路和/或网络接口，包括有线网络或无线网络。

虽然已经例示并描述了目前被认为是本发明的优选实施方式的内容，但本领域技术人员应当明白，在不脱离本发明的真实精神的情况下，可以进行各种其它修改，并且可以替换等同物。另外，在不脱离本文所述中心发明概念的情况下，可以进行许多修改以使适应针对本发明的教导的特定情况。而且，本发明实施方式可以不包括上述所有特征。因此，本发明不是旨在限制于所公开的特定实施方式，而是本发明包括落入如上面广义定义的本发明范围内的所有实施方式。

Claims (13)

1.一种在分组交换型网络中对数据帧进行复用的方法，

所述网络的至少一部分包括一个或多个交换机，所述一个或多个交换器包括：

-第一多个接收端口，所述第一多个接收端口接收所述数据帧，以及

-第二多个发送端口，所述第二多个发送端口用于至少发送所述数据帧的块，

每个帧包括包含与发送该帧的优先级索引有关的信息的数据字段，

其中，向所述交换机提供时钟以向在各个接收端口中接收到的各个帧施加时间戳，并且还提供存储介质以将接收到的各个帧与其时间戳一起暂时存储，

并且其中，所述方法包括以下步骤：

a)提供与相应的优先级索引相关联的多个存储器缓冲区，每个缓冲区包括具有相同优先级索引的帧的一个队列，

b)根据接收到的帧的优先级索引将接收到的帧分类在选定的缓冲区中，

c)在每个缓冲区中，根据所述帧的相应时间戳对所述帧进行排序，将每个缓冲区中的帧队列按照所述队列的顶部为最早接收到的帧并且所述队列的底部为最晚接收到的帧的顺序进行排列，以及

d)向所述发送端口馈送各个帧或帧块，以按照根据所述帧的所述优先级索引确定的次序以及所述帧或所述帧块在与所述帧的所述优先级索引相关联的所述队列中的次序来发送。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，针对各个发送端口执行步骤a)至步骤c)，并且在步骤d)中，向给定发送端口馈送连续的帧或帧块，以按照所述给定发送端口的根据所述帧的所述优先级索引确定的次序以及所述帧或所述帧块在与所述帧的所述优先级索引相关联的所述队列中的次序来发送。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，当完成了与高于给定优先级索引的优先级索引相关联的所有所述缓冲区的发送时，发送与所述给定优先级索引相关联的给定缓冲区的帧或块。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，在发送各个缓冲区所包含的所述帧或块之后清空该缓冲区，并且其中，各个缓冲区具有用于存储预定最大数量的帧的最大长度。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，在步骤(d)中：

d1)一次性连续地发送同一给定缓冲区的所有帧和/或帧块，

d2)然后，连续地发送与较低优先级索引相关联的缓冲区的所有帧和/或帧块，

d3)接着，用新接收到的帧或帧块替换各个缓冲区的内容。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，使用临时存储器来存储在先前的帧或块的发送步骤d1)和d2)期间新接收到的帧。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述块是通过对给定帧进行预定的分割而生成的，以单独地发送各个块。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述网络是依据IEEE802.1Qbv标准的以太网网络。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，

每个队列与交换机发送端口的复用中的关联业务类有关，

为相应业务类的帧或块的发送保留分配的时间窗口，

并且其中，在同一发送时间窗口内，使最先在接收端口中接收到的帧或块优先发送。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，在所述发送端口中使用所述时钟，以控制所述时间窗口内的发送操作的定时。

11.一种包括多个接收端口和多个发送端口的网络系统，所述网络系统包括时钟计数器、存储介质以及用于执行根据前述权利要求中任一项所述的方法的网络处理装置。

12.一种用于执行根据权利要求1至10中任一项所述的方法的网络处理装置，所述网络处理装置包括：

-输入接口，所述输入接口用于接收通过多个接收端口接收到的帧，

-处理电路，所述处理电路接收时钟输入，以向接收到的各个帧施加时间戳，

-与存储器的链路，所述存储器与所述处理电路协作，以将各个帧暂时存储在与发送该帧的优先级索引相对应的缓冲区中，并且按照与该帧的所述时间戳相对应的次序存储在所述缓冲区中，以及

-输出接口，所述输出接口用于向发送端口馈送帧或帧块，以在取决于所述帧或帧块所属的所述缓冲区以及所述帧或帧块在所述缓冲区中的位置的时刻发送。

13.一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括用于在由处理器运行时执行根据权利要求1至10中任一项所述的方法的计算机可执行指令。