CN110336744B - 一种无线片上网络中区域故障感知的容错路由方法 - Google Patents

一种无线片上网络中区域故障感知的容错路由方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无线片上网络中区域故障感知的容错路由方法，其步骤包括；1，判断数据包是否通过有线链路传输还是无线链路传输，基于到目的节点的跳数大小进行判断；2，对数据包路由的方向进行选择，选择故障与拥塞程度较低的方向进行数据包传输。本发明能在无线片上网络中，将故障信息与拥塞信息巧妙地融合，为数据包路由选择最佳路径，从而很好地平衡故障网络中的网络负载。

Description

一种无线片上网络中区域故障感知的容错路由方法
技术领域
本发明属于集成电路芯片设计的应用技术领域，更具体地说是一种无线片上网络中低延时区域故障感知的容错路由方法(Fault-tolerant routing algorithm forRegional Fault Awareness, RFA)。
背景技术
随着硅技术的不断进步，大型芯片多处理器(CMP)和片上系统(SoC)逐渐成为设计主流。片上网络(NoC)技术可以将各种处理器和片上存储器集成到一片芯片上，并已经成为芯片上一种前沿的通信架构。尽管NoC有其优势，但随着处理器数量的增加，集成电路(IC)变得越来越复杂，传统NoC的一个重要性能限制来自于平面金属互连的多跳通信，其中两个相距很远节点之间的数据传输导致了高延迟和功耗。根据国际半导体技术路线图(ITRS)，金属导线将不能再满足芯片的性能要求，需要引进新的互连模式。无线互连可以减少长距离PE之间的跳数，从而减少延时和功耗。无线片上网络（WiNoC）不仅可以实现高效的长距离通信，还拥有与CMOS无线技术兼容的优势，被国内外研究学者认为是可以替代传统NoC的互连架构。无线信道并不能完全取代WiNoC中的有线通信；相反，它们被视为有线通信的补充。由于有线互连非常有效且适用于短距离通讯，因此混合WiNoC的方法在主要架构中目前占主导地位。链路作为NoC中路由器的桥梁，在数据包传递时起到非常重要的作用，WiNoC中数据通路不仅包括有线链路，还包括无线链路。随着技术向纳米领域的扩展，晶体管尺寸的缩小、功率电压的降低和工作频率的提高，严重影响了集成电路(CMOS VLSI)的可靠性。尽管混合WiNoC具有无线通信的优点，但由于高集成密度和系统电路的高复杂性，无线技术易于发生各种故障。因此针对WiNoC中的链路容错显得尤为重要。通过绕过故障路由器和故障链路的方法，是一种有效的容错方式，但是此方法可能导致数据包路由到故障严重的区域，绕路及回溯，带来极大的系统开销，降低系统性能。利用幂律模型在路由器之间建立无线链路，这种方法增强了系统性能，并且能够容忍无线链路故障，当无线链路出现故障时，性能下降较快。通过放置不同的无线路由器位置，提出了一种高效的容错通信协议，当无线路由器出现故障时，选择备用无线路由器进行无线传输，这种方法通过增加无线路由器数量，提供备用路径，但增加了系统的面积和功耗开销。这些方法都没有考虑到在故障的周围会产生热点，导致网络负载不均衡的问题。
发明内容
本发明针对上述问题的不足之处，提出一种无线片上网络中区域故障感知的容错路由方法，以期能在无线片上网络中，将故障信息与拥塞信息巧妙地融合，为数据包路由选择最佳路径，从而很好地平衡故障网络中的网络负载。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
本发明一种无线片上网络中区域故障感知的容错路由方法的特点是按如下步骤进行：
步骤一、判断数据包通过有线链路传输还是无线链路传输：
步骤1.1，判断数据包是否到达目的节点，若达到目的节点，则将数据包路由至本地端口，路由结束；否则，执行步骤2；
步骤1.2，判断当前节点是不是无线节点，若是，则执行步骤1.3；否则，执行步骤1.4；
步骤1.3、判断数据包是否需要被无线传输，若需要，则对数据包进行无线传输，路由结束；否则，执行步骤1.4；
步骤1.4、判断数据包的目的节点是否在数据包的同一子网内，若是，则数据包选择走有线链路到目的节点，否则，执行步骤1.5；
步骤1.5、若数据包通过无线节点到目的节点的跳数+δ>数据包通过有线节点到目的节点的跳数；则数据包选择走有线链路到目的节点，否则，执行步骤1.6；其中，δ为所设定的阈值；
步骤1.6、判断子网内的无线节点是否发生拥塞/故障，若是，则数据包选择走有线链路到目的节点；否则，数据包选择先路由到本地子网的无线节点，并将本地子网的无线节点作为目标节点。
步骤二、路由的方向选择：
步骤2.1、判断目标节点与当前节点是否在同一行/列，若是，则执行步骤2.2；否则，执行步骤2.3；
步骤2.2、判断离目标节点最近的输出方向是否无故障，若是，则选择离目标节点最近的无故障的输出方向，路由结束；否则，选择一个故障程度较小的正交链路输出方向，路由结束；
步骤2.3、若离目标节点最近输出方向的两条链路均有故障，则选择剩余的一个输出方向，路由结束；
若离目标节点最近输出方向的两条链路均无故障，或者，仅有一条链路故障，则选择一个故障程度较小的正交链路输出方向，路由结束。
本发明所述的容错路由方法的特点也在于，所述故障程度是按如下过程进行定义：
步骤a、故障的初步定义：
定义当前路由节点为A节点，连接在所述A节点的北方向上的节点为C节点，连接在所述A节点上的西方向上的节点为B节点；
若A节点在四个方向上的输出链路无故障时，则表示A节点相对于 其四个方向上的各个节点为无故障节点；
若A节点在一个方向上的输出链路故障时，则表示A节点相对于其他三条无故障方向上的各个节点为轻度故障节点，A节点相对于故障方向上的节点为无故障节点，而故障方向上的节点相对于A节点为重度故障节点；
若A节点在两个方向上的输出链路故障时，则表示A节点相对于其他两条无故障方向上的各个节点为中度故障节点，A节点相对于两条故障方向上的各个节点为轻度故障节点；
若A节点在三个方向上的输出链路故障时，则表示A节点相对于其他一条无故障方向上的节点为重度故障节点，A节点相对于三条故障方向上的各个节点为中度故障节点；
步骤b：当所述A节点在接收到四个方向上的各个节点反馈的故障信息后，按如下方式进行故障的重定义：
将无故障节点的权重设置为0，轻度故障节点的权重设置为1，中度故障节点的权重设置为2，重度故障节点的权重设置为5；
若所述A节点接收到三个方向上节点的权重之和小于等于4，则表示A节点相对于另一个方向上的节点为无故障节点；
若所述A节点接收到三个方向上节点的权重之和大于4且小于等于8，则表示A节点相对于另一个方向上的节点为轻度故障节点；
若所述A节点接收到三个方向上节点的权重之和大于8且小于等于12，则表示A节点相对于另一个方向上的节点为中度故障节点；
若所述A节点接收到三个方向上节点的权重之和大于12，则表示A节点相对于另一个方向上的节点为重度故障节点。
所述无线节点是将自身的拥塞/故障信息传递给周围两跳之内的节点，从而使得当前无线节点周围两跳之内的节点能感知当前无线节点的状态；
所述有线节点是将自身的拥塞/故障信息传递给相邻节点。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明提出了一种新颖的以信息聚合方式传递故障状态的方法，在相邻节点之间传递周围路由器的故障状态，使路由器可以对路由器周围的故障程度进行区域感知，从而使数据包不进入故障较重的区域路由，减少了路由延时，并且不会出现路由回溯的情况。
2、本发明结合了两跳感知的优势，采用了一个折中的办法，将有线节点的拥塞/故障信息相邻感知，将无线节点的拥塞/故障信息进行两跳感知，无线节点周围两跳之内的节点可以感知无线节点状态，然后选择合适的路径路由数据包，这样做可以取得很好的性能与开销权衡，减少了布线的开销。
3、本发明将无线节点的故障/拥塞信息进行两跳感知，扩大了故障与拥塞感知的范围，使需要无线传输的数据包不会拥堵在无线路由器及其周围路由器。
4、本发明提出的在相邻节点之间传递周围路由器的故障状态的故障区域传递方法，为数据包在选择路径提供了一个很好的视野，巧妙地融合故障信息与拥塞信息，选择数据包路由的最佳路径，相比于其他的方案，选择的方向更多，并且减少了数据包路由途中遇到故障链路的概率。
5、本发明方法在吞吐率、延迟以及功耗等方面较之相它方法有明显提升。
附图说明
图1为本发明中基于优先级的区域划分示意图；
图2a为本发明中一种节点状态定义示意图；
图2b为本发明中另一种节点状态定义示意图；
图2c为本发明中第三种节点状态定义示意图；
图3为本发明中节点故障状态信息及故障信息表的更新示意图；
图4为本发明中节点间更新故障状态信息示意图；
图5为本发明中WR两跳感知示意图；
图6为本发明中拥塞计数器示意图；
图7为本发明中路由算法流程示意图；
图8为本发明中RFA的路由器架构示意图；
图9为本发明中RFA结构示意图。
具体实施方式
本实施例中，一种无线片上网络中区域故障感知的容错路由方法是：相邻有线节点采用基于故障区域的信息交换，可以使节点感知周围的故障状态，很好地填补了一跳信息交换的不足；无线节点的信息以两跳感知的方式进行信息交换，避免了无线节点出现故障或拥塞时，导致周围的路由器阻塞；提出的方式不使用更多的布线和面积开销，通过巧妙结合路由算法，实现性能提升。
为了简化目的节点相对于目前节点的位置选择，首先将目的节点相对于目前节点的区域划分为四个方向（New,Ens,Sew,Wns）。为了优化对输出端口的选择，同时也为路由算法提供高度的自适应性，我们提出了如图1基于优先级的区域划分(ie.New方向里，优先级：N>E=W)。通过比较当前节点和目的节点的位置，选择曼哈顿距离最大的方向，并将该方向设置为第一优先级。例如相对于节点(2,2)，如果目的节点为(5,6)，处于NE区域， N方向优先级大于E方向；当目的节点在虚线上，两个相关方向可同时作为优选端口，即优先级相同，即如果目的节点为(5,5)，N与E方向均可作为优选端口。当前端口的具体选择可以与相邻节点链路的故障和拥塞信息相结合。
因为拥塞在网络中是动态的，所以只需要感知邻接节点的拥塞情况。针对容错故障链路，提出了一种新的故障感知方法传递网络故障信息，以确定当前节点周围的故障状态。通过选择故障程度较低的方向发送数据包，达到减少数据包在路由过程中遇到故障的概率。同时结合周围的拥塞情况进行端口的优化选择。具体的说，该容错路由方法是按如下步骤进行：
步骤一、判断数据包通过有线链路传输还是无线链路传输：
步骤1.1，判断数据包是否到达目的节点，若达到目的节点，则将数据包路由至本地端口，路由结束；否则，执行步骤2；
步骤1.2，判断当前节点是不是无线节点，若是，则执行步骤1.3；否则，执行步骤1.4；
步骤1.3、判断数据包是否需要被无线传输，若需要，则对数据包进行无线传输，路由结束；否则，执行步骤1.4；
步骤1.4、判断数据包的目的节点是否在数据包的同一子网内，若是，则数据包选择走有线链路到目的节点，否则，执行步骤1.5；
步骤1.5、若数据包通过无线节点到目的节点的跳数+δ>数据包通过有线节点到目的节点的跳数；则数据包选择走有线链路到目的节点，否则，执行步骤1.6；其中，δ为所设定的阈值；
步骤1.6、判断子网内的无线节点是否发生拥塞/故障，若是，则数据包选择走有线链路到目的节点；否则，数据包选择先路由到本地子网的无线节点，并将本地子网的无线节点作为目标节点。
步骤二、路由的方向选择：
步骤2.1、判断目标节点与当前节点是否在同一行/列，若是，则执行步骤2.2；否则，执行步骤2.3；
步骤2.2、判断离目标节点最近的输出方向是否无故障，若是，则选择离目标节点最近的无故障的输出方向，路由结束；否则，选择一个故障程度较小的正交链路输出方向，路由结束；
步骤2.3、若离目标节点最近输出方向的两条链路均有故障，则选择剩余的一个输出方向，路由结束；
若离目标节点最近输出方向的两条链路均无故障，或者，仅有一条链路故障，则选择一个故障程度较小的正交链路输出方向，路由结束。图7是RFA路由算法的流程图。
其中，故障程度是按如下过程进行定义：
步骤a、故障的初步定义：
定义当前路由节点为A节点，连接在A节点的北方向上的节点为C节点，连接在A节点上的西方向上的节点为B节点；
若A节点在四个方向上的输出链路无故障时，则表示A节点相对于 其四个方向上的各个节点为无故障节点；
若A节点在一个方向上的输出链路故障时，则表示A节点相对于其他三条无故障方向上的各个节点为轻度故障节点，A节点相对于故障方向上的节点为无故障节点，而故障方向上的节点相对于A节点为重度故障节点。如图2a，A节点的W,E,S方向无链路故障，N方向的输出链路出现故障。定义A节点相对于N方向的C节点为无故障节点，传递00信号量，更新表(Fault_out)。定义A节点相对于其他三个方向的节点为轻度故障节点，传递01信号量；
若A节点在两个方向上的输出链路故障时，则表示A节点相对于其他两条无故障方向上的各个节点为中度故障节点，A节点相对于两条故障方向上的各个节点为轻度故障节点。如图2b，A节点N与E方向的输出链路出现故障，定义A节点相对于W方向的B节点与S方向的节点为中度故障节点，传递10信号量，更新表(Fault_out)，定义A节点相对于N与E方向的节点为轻度故障节点，传递01信号量；
若A节点在三个方向上的输出链路故障时，则表示A节点相对于其他一条无故障方向上的节点为重度故障节点，A节点相对于三条故障方向上的各个节点为中度故障节点。如图2c，A节点N， E，S方向的输出链路出现故障，定义A节点相对于W方向的B节点为重度故障节点，传递11信号量，表示此方向不可路由，更新表(Fault_out)。定义A节点相对于其他三个方向的节点为中度故障节点，传递10信号量；
当链路的传输方向故障，此方向的输入/输出故障寄存器始终记录此方向为故障(11)(即不更新故障方向路由器传来的故障状态信息)。由于图2a中，N方向输出链路故障，不能向N方向传输数据，即直接更新Fault_in的信息为11，表示N方向不可用。
路由器间故障信息的传递：节点将此故障程度信息传递给相邻节点，使当前节点感知周围节点的故障状态，更新链路故障表(Link Fault register)的Fault_in。重新定义故障节点的状态：首先节点根据自身的故障状态，向周围的节点反馈故障信息，并且接受周围节点的故障信息。然后综合节点在根据周围节点加上自身的故障状态，再次反馈此节点的故障状态信息，以达到故障区域感知的效果。
步骤b：当A节点在接收到四个方向上的各个节点反馈的故障信息后，按如下方式进行故障的重定义：
将无故障节点的权重设置为0，轻度故障节点的权重设置为1，中度故障节点的权重设置为2，重度故障节点的权重设置为5；
若A节点接收到三个方向上节点的权重之和小于等于4，则表示A节点相对于另一个方向上的节点为无故障节点；
若A节点接收到三个方向上节点的权重之和大于4且小于等于8，则表示A节点相对于另一个方向上的节点为轻度故障节点；
若A节点接收到三个方向上节点的权重之和大于8且小于等于12，则表示A节点相对于另一个方向上的节点为中度故障节点；
若A节点接收到三个方向上节点的权重之和大于12，则表示A节点相对于另一个方向上的节点为重度故障节点。
节点接收收到周围故障信息后，当故障等级提升，会向周围节点重新发送故障状态信息。图3解释了更新故障信息后，重新发送故障状态信息的情况。例子1，A节点之前向W方向发送的是轻度故障信息(②)，在接收到周围节点传递的故障信息后，其周围的故障为N方向为重度故障(④)，E方向和S方向为中度故障(③)。此状态在重新定义中，相对于W方向的B节点为中度故障(③)。所以需要重新定义相对节点状态，从轻度故障升级为中度故障(②->③)，对于W方向更新Fault_out为10，然后向B节点发送中度故障信息(③)。例子2，A节点之前向N方向发送的是无故障信息(①)，在接收到周围节点传递的故障信息后，其周围的故障为W方向无故障(①)，E方向中度故障(③)，S方向中度故障(③) ，所以相对于N方向的C节点状态为无故障(①)，向C节点发送故障信息不变。例子3，A节点之前向E方向发送的是轻度故障信息(②)，在接收到周围节点传递的故障信息后，根据其周围的故障状态，不需要重新定义相对节点状态，向E方向仍发送轻度故障信息。
图4标出了节点间的故障状态信息更新。因为中度故障>轻度故障>无故障，各种故障状态的定义都有其阈值，所以当更新故障信息与传递的时候，只会覆盖住故障轻的，所以对整个网络并不会影响很多。例如，图4中BR(0,0)的S端口、BR(1,3)的N端口和WR(2,2)的N端口在接收到信息后，故障状态信息都有更新。
具体实施中，无线节点是将自身的拥塞/故障信息传递给周围两跳之内的节点，从而使得当前无线节点周围两跳之内的节点能感知当前无线节点的状态；如图5所示，本发明将无线节点故障与拥塞的状态扩大到两跳感知，使之周围两跳的节点可以在无线节点的无线接口出现故障或拥塞时，进行动态的路由选择，缓解周围的节点在无线接口故障时出现拥塞，平衡了无线节点及其周围的网络负载。当无线节点的无线接口出现故障时，无线节点无法承担无线传输的任务，本发明将此故障信息两跳感知到其周围的节点中，为路由决策提供选择路线的基础。无线节点两跳之外的其他节点，其记录无线节点故障与拥塞的寄存器分别设置为无线节点无故障与不拥塞。当其他节点的路由方案选择走无线时，自适应路由在无线周围两跳之内的节点范围时，可以改变其走无线的选择，选择有线。
具体实施中，有线节点是将自身的拥塞/故障信息传递给相邻节点。
拥塞是WiNoC需要解决的问题之一，因为有了无线链路的快捷方式，减少了数据包路由的跳数，但同时也增加了网络负载的不均匀程度，对于无线节点以及其周围的节点拥塞的压力是很大的，所以提出的路由算法具有拥塞感知功能是十分必要的。片上网络提供了丰富的连线资源，较高的位宽和工作频率，可以很好的满足带宽需求，其主要瓶颈不在于链路带宽，而是缓存容量，对于片上网络的拥塞度量，本发明采用了许多研究学者都在使用的对缓存容量进行度量方法，如图6，对存储在buffer中的flit通过拥塞计数器进行计数，将缓冲区的buffrer占用量划分为4个等级，0%空闲(00)，50%占用(01)，75%繁忙(10)，100%拥塞(11)。图6中CCM负责拥塞信号的管理与传递。在有多个可用输出端口选择的情况下，只能将拥塞度量用作路径选择的辅助标准。本发明规定：源节点无法向自身发送数据包，源节点与目的节点处于连通的区域内。对于网络中的死锁问题，一般采用增加VC或者规定转弯模型。本发明采用增加VC的方法避免网络中的死锁。
图8为本发明提出的一个采用典型的5级流水线的路由器结构，这五个阶段分别是：缓冲器写入(BW)、路由计算(RC)、虚拟信道分配(VA)、交换机分配(SA)和链路遍历(LT)。这些功能分为4个阶段：(BW/RC)、(VA/SA)、(ST)、(LT)。故障管理单元包含各个端口的链路故障寄存器，负责向邻居路由器(故障感知信息)传播(接收)故障状态信号。RC逻辑使用此信息在由于存在故障而失效后排除可能的输出端口候选。拥塞管理单元存储下游路由器的拥塞信息，用于计算相对于所通信业务的网络状态等级，本发明以buffer占用率度量。同样，使用此信息作为次要标准，对RC逻辑所选择的可能的输出端口候选进行排序。
图9中描述了RFA的结构，包括一个根据目前节点位置与目的节点位置选择出的预选端口模块，和预选端口的比较器组成。预选端口比较器从预选端口中比较网络中的故障/拥塞信息，提供最优路径的选择端口。

Claims (2)

1.一种无线片上网络中区域故障感知的容错路由方法，其特征是按如下步骤进行：
步骤一、判断数据包通过有线链路传输还是无线链路传输：
步骤1.1，判断数据包是否到达目的节点，若达到目的节点，则将数据包路由至本地端口，路由结束；否则，执行步骤2；
步骤1.2，判断当前节点是不是无线节点，若是，则执行步骤1.3；否则，执行步骤1.4；
步骤1.3、判断数据包是否需要被无线传输，若需要，则对数据包进行无线传输，路由结束；否则，执行步骤1.4；
步骤1.4、判断数据包的目的节点是否在数据包的同一子网内，若是，则数据包选择走有线链路到目的节点，否则，执行步骤1.5；
步骤1.5、若数据包通过无线节点到目的节点的跳数+δ>数据包通过有线节点到目的节点的跳数；则数据包选择走有线链路到目的节点，否则，执行步骤1.6；其中，δ为所设定的阈值；
步骤1.6、判断子网内的无线节点是否发生拥塞/故障，若是，则数据包选择走有线链路到目的节点；否则，数据包选择先路由到本地子网的无线节点，并将本地子网的无线节点作为目标节点；
步骤二、路由的方向选择：
步骤2.1、判断目标节点与当前节点是否在同一行/列，若是，则执行步骤2.2；否则，执行步骤2.3；
步骤2.2、判断离目标节点最近的输出方向是否无故障，若是，则选择离目标节点最近的无故障的输出方向，路由结束；否则，选择一个故障程度较小的正交链路输出方向，路由结束；
步骤2.3、若离目标节点最近输出方向的两条链路均有故障，则选择剩余的一个输出方向，路由结束；
若离目标节点最近输出方向的两条链路均无故障，或者，仅有一条链路故障，则选择一个故障程度较小的正交链路输出方向，路由结束；
所述故障程度是按如下过程进行定义：
步骤a、故障的初步定义：
定义当前路由节点为A节点，连接在所述A节点的北方向上的节点为C节点，连接在所述A节点上的西方向上的节点为B节点；
若A节点在四个方向上的输出链路无故障时，则表示A节点相对于其四个方向上的各个节点为无故障节点；
若A节点在一个方向上的输出链路故障时，则表示A节点相对于其他三条无故障方向上的各个节点为轻度故障节点，A节点相对于故障方向上的节点为无故障节点，而故障方向上的节点相对于A节点为重度故障节点；
若A节点在两个方向上的输出链路故障时，则表示A节点相对于其他两条无故障方向上的各个节点为中度故障节点，A节点相对于两条故障方向上的各个节点为轻度故障节点；
若A节点在三个方向上的输出链路故障时，则表示A节点相对于其他一条无故障方向上的节点为重度故障节点，A节点相对于三条故障方向上的各个节点为中度故障节点；
步骤b：当所述A节点在接收到四个方向上的各个节点反馈的故障信息后，按如下方式进行故障的重定义：
将无故障节点的权重设置为0，轻度故障节点的权重设置为1，中度故障节点的权重设置为2，重度故障节点的权重设置为5；
若所述A节点接收到三个方向上节点的权重之和小于等于4，则表示A节点相对于另一个方向上的节点为无故障节点；
若所述A节点接收到三个方向上节点的权重之和大于4且小于等于8，则表示A节点相对于另一个方向上的节点为轻度故障节点；
若所述A节点接收到三个方向上节点的权重之和大于8且小于等于12，则表示A节点相对于另一个方向上的节点为中度故障节点；
若所述A节点接收到三个方向上节点的权重之和大于12，则表示A节点相对于另一个方向上的节点为重度故障节点。
2.根据权利要求1所述的容错路由方法，其特征是所述无线节点是将自身的拥塞/故障信息传递给周围两跳之内的节点，从而使得当前无线节点周围两跳之内的节点能感知当前无线节点的状态；
所述有线节点是将自身的拥塞/故障信息传递给相邻节点。
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