CN110430146A - 基于CrossBar交换的信元重组方法及交换结构 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于CrossBar交换的信元重组方法及交换结构，在信元重组过程中加入一种重组加速的机制，在占用缓存到达一定水位时，临时进入重组加速状态；这是一种缓存容量与调度均衡妥协折中的处理方式；本发明可以降低包重组对于缓存的容量需求，保证典型场景下的调度场景下的调度均衡性。

Description

基于CrossBar交换的信元重组方法及交换结构

技术领域

本发明属于网络交换技术领域，尤其涉及一种基于CrossBar交换的信元重组方法。

背景技术

交换结构是路由器、交换机等通信设备的核心部件，基本功用就是完成设备输入端 口与特定输出出端口的数据转发。

交叉节点带缓存的交叉矩阵(CrossPoint Buffered Crossbar)交换是20世80年代提出一种交换结构，它通过在交叉矩阵节点上放置少量缓存，实现了输入和输出调度 的隔离，降低了调度的复杂度，可实现高速的流水作业。当前在很多成熟的商业芯片中 即是采用这种交换结构。

当交叉节点带缓存的CrossBar交换结构应用于以太网、FC等数据帧长度变化较大的 交换设备时，通常将数据帧拆分为信元，以较短的信元作为传输管理的最小单位，较小的存储单位可降低对CrossBar各节点缓存的大小需求，并提高缓存的使用效率；另外， 信元传输还具有调度均衡等方面的优点。

基于信元的NxN CrossBar交换的基本内部结构如图1所示，通常采用三级缓存结构， 即N个Input Buffer、N²个CrossPoint Buffer和N个Output Buffer，在基于信元的 的交换结构中，将Output Buffer吸收进入Packet Assemble包重组模块中。每个InputBuffer对应一个CrossPoint Buffer行，行中Buffer的个数等于目的端口的数量；每个Packet Assemble模块对应一个CrossPoint Buffer列，列中Buffer的个数等于输入源 端口的个数。Input Arbiter输入仲裁器用于决定优先向CrossPoint Buffer行中的哪个Buffer发送数据；Output Arbiter输出仲裁器用于决定优先从CrossPoint Buffer列中 的哪个Buffer中读取数据。

通常的转发数据流如下：从交换结构外部进入的数据包首先会进入PacketSegment 模块切割成信元；信元进入Input Buffer后会根据转发目的端口信息创建虚拟输出队列 VOQ；然后每个Input Buffer在Input Arbiter输入仲裁器的控制下，转发到CrossPoint Buffer行中与转发目的端口对应的缓存中；同样，存入CrossPoint Buffer中的信元， 会在Output Arbiter输出仲裁器的控制下，转发到所在列对应的PacketAssemble模块 中；Packet Assemble模块监控从各个端口接收到的信元的情况，待完整数据包重组完毕 后，输出给下级模块，例如协议控制器。

从交换的转发流程可以看出，Packet Assemble包重组模块在完成包重组之前要对已 接收信元进行缓存，待一个包全部的信元接收完毕后，进行重组，才会向后级输出。所以，包重组模块需要设置较大的缓存，其大小的设置要保证各种转发场景下和仲裁算法下，重组模块能够收集完毕完整信元，不能发生堵塞卡死。通常，需要设置的缓存字节 大小为端口数量N乘以最长包的字节数，用于应对全端口汇聚的场景。

当CrossBar矩阵端口数N较大，或者所应用的协议场景最大协议包字节数较长时，信元重组所消耗的缓存数量将极大。而全端口汇聚且均为最长包的场景在实际应用中是极少的，也就是说所设置的信元重组缓存大多数的情况下是处于非饱和应用状态的，造 成了缓存面积的浪费。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种基于CrossBar交换的信元重组方法，在信元重组过程中 加入重组加速的机制；降低对于缓存的容量需求，保证典型场景下的调度场景下的调度均衡性。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于CrossBar交换的信元重组方法，包括：

S1、设置包重组缓存容量，小于端口数量N乘以最长包的字节数；

S2、Packet Assemble包重组模块监控包重组缓存的占用量，当剩余缓存容量为1个 最长包时，产生重组加速提升指示；

S3、Packet Assemble包重组模块统计从各端口接收的信元数量，通过从高到低排序 得到能够最快完成重组的端口排序信息，连同重组加速提升指示提供给OutputArbiter输 出仲裁器；

S4、Output Arbiter输出仲裁器在接收到重组加速提升指示时，暂存当前的仲裁现场， 进入重组加速状态，按照Packet Assemble包重组模块提供的端口排序进行基于包的调度； 所述输出仲裁器依据软件的配置选择不同的调度粒度，进行端口切换；

S5、Packet Assemble包重组模块完成包重组后进行发送，缓存释放，当剩余缓存大 于1个最长包时，重组加速指示恢复；

S6、Output Arbiter输出仲裁器在检测到重组加速指示恢复后，会恢复暂存的仲裁现 场，进入正常调度状态。

进一步的，在步骤S1中，根据交换应用场景的最多会出现的汇聚端口数量设置包重 组缓存容量，即NXN交换结构中，最多会出现M个端口汇聚，则设置包重组缓存容量 为M+1个最长包；或通过交换结构实现的资源限制设置缓存。

进一步的，步骤S4中，Output Arbiter输出仲裁器在重组加速状态中，每完成一个端 口的包重组，调整暂存的调度现场中该端口的排序，将其置到最后的位置。

进一步的，步骤S4中，所述暂存当前的仲裁现场指的是暂存上次调度仲裁后的端口 优先级排序。

本发明还提供了一种交换结构，所述交换结构应用了上述基于CrossBar交换的信元 重组方法。

本发明还提供了一种交换设备，所述交换设备应用了上述基于CrossBar交换的信元 重组方法。

本发明还提供了一种交换设备，所述交换设备应用了上述交换结构。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供的方法应用于缓存资源受限的场景，在占用缓存到达一定水位时，临时 进入重组加速状态，保证缓存不会因为没有完整包发送而堵塞；当水位下降后，会退出重组加速状态，并恢复加速前的调度现场；同时，在重组加速状态中，会对锁存的仲裁 现场进行调整，将重组完毕的端口放置到优先级最低的位置，保证调度的均衡性。本发 明在包重组缓存较小的情况下，达到较好的转发效率和性能。

附图说明

图1为现有技术CrossBar交换的基本内部结构示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组 合。

本发明在信元重组过程中加入一种重组加速的机制；这是一种缓存容量与调度均衡 妥协折中的处理方式；它可以降低包重组对于缓存的容量需求，保证典型场景下的调度场景下的调度均衡性。

这种处理方式的工作流程如下：

A、根据所设计的交换的应用场景，得到最可能遇到的汇聚端口数量，假设NxN交换结构中，最多会出现M个端口汇聚，则设置包重组缓存容量为M+1个最长包；也 可以通过交换结构实现的资源限制设置缓存，不过其缺点是当汇聚端口数量大于 设置缓存能存的最大包时，会出现调度不均匀的情况；

B、Packet Assemble包重组模块监控包重组缓存的占用量，当剩余缓存容量为1个最大包时，产生重组加速提升指示；

C、Packet Assemble包重组模块统计从各端口接收的信元数量，通过从高到低排序 得到能够最快完成重组的端口排序信息，连同重组加速提升指示提供给交叉结点 缓存到输出缓存的Output Arbiter输出仲裁器；

这里所述的从高到低排序，指的是已接收信元的数量多少的从高到低排序；原因是一个报文切分信元的最大数量是有限度的，所以认为已接收信元的数量越多， 它越有可能最快组包完成；

D、Output Arbiter输出仲裁器在接收到重组加速提升指示时，会暂存当前的仲裁现场，进入重组加速状态，按照重组模块提供的端口排序进行基于包的调度，目 的是尽快完成整包的重组，释放缓存，避免重组缓存发生死锁；

输出仲裁器在普通状态下，可以依据软件的配置选择不同的调度粒度，比如调度1个信元，进行端口切换，这样做的目的是为了保证调度的均衡性。

E、Output Arbiter输出仲裁器在重组加速状态中，每完成一个端口的包重组，就会调整暂存的仲裁现场中该端口的排序，将其置到最后的位置，目的是尽可能的 保证调度均衡性；

F、Packet Assemble包重组模块完成包重组后会进行发送，组包缓存释放，当剩余缓存大于个最大包时，重组加速指示恢复；

G、Output Arbiter输出仲裁器在检测到重组加速指示恢复后，会恢复锁存的仲裁现场，进入正常仲裁状态。

本发明的技术关键点在于：

1、通过重组加速机制，减少了包重组对缓存的需求；

2、在缓存的剩余缓存到达设定门限时，会进入重组加速模式，控制仲裁器进行整包 传输；

3、切换到重组加速模式时，输出仲裁器会锁存仲裁现场；重组模式退出后会进行恢 复；

4、在重组加速模式中，输出仲裁器会从已开始重组的端口中进行选择，目的是尽快 完成包的重组，释放缓存；

5、在重组加速模式下，完成重组的端口，会调整其在锁存的仲裁现场中的端口排序， 将其放置到优先级最低的位置，尽可能不影响原有的调度均衡性。

本发明还提出了应用本发明所述方法的交换结构，所述交换结构作为路由器、交换 机等通信设备的核心部件，在信元重组过程中加入重组加速的机制；降低对于缓存的容量需求。

以上描述了本发明的基本原理、主要特征和实施方案等信息，但是本发明不受上述 实施过程的限制，在不脱离发明精神和范围的前提下，本发明还可以有各种变化和改进。 因此，除非这种变化和改进脱离了本发明的范围，它们应该被看作包含在本发明中。

Claims (7)

1.一种基于CrossBar交换的信元重组方法，其特征在于，包括：

S1、设置包重组缓存容量，小于端口数量N乘以最长包的字节数；

S2、Packet Assemble包重组模块监控包重组缓存的占用量，当剩余缓存容量为1个最长包时，产生重组加速提升指示；

S3、Packet Assemble包重组模块统计从各端口接收的信元数量，通过从高到低排序得到能够最快完成重组的端口排序信息，连同重组加速提升指示提供给Output Arbiter输出仲裁器；

S4、Output Arbiter输出仲裁器在接收到重组加速提升指示时，暂存当前的仲裁现场，进入重组加速状态，按照Packet Assemble包重组模块提供的端口排序进行基于包的调度；所述输出仲裁器依据软件的配置选择不同的调度粒度，进行端口切换；

S5、Packet Assemble包重组模块将包内所有信元都接收完毕后进行包的重组发送，缓存释放，当剩余缓存大于1个最长包时，重组加速指示恢复；

S6、Output Arbiter输出仲裁器在检测到重组加速指示恢复后，会恢复暂存的仲裁现场，进入正常调度状态。

2.根据权利要求1所述的基于CrossBar交换的信元重组方法，其特征在于，在步骤S1中，根据交换应用场景的最多会出现的汇聚端口数量设置包重组缓存容量，即NXN交换结构中，最多会出现M个端口汇聚，则设置包重组缓存容量为M+1个最长包；或通过交换结构实现的资源限制设置缓存。

3.根据权利要求1所述的基于CrossBar交换的信元重组方法，其特征在于，步骤S4中，Output Arbiter输出仲裁器在重组加速状态中，每完成一个端口的包重组，调整暂存的调度现场中该端口的排序，将其置到最后的位置。

4.根据权利要求1所述的基于CrossBar交换的信元重组方法，其特征在于，步骤S4中，所述暂存当前的仲裁现场指的是暂存上次调度仲裁后的端口优先级排序。

5.一种交换结构，其特征在于，所述交换结构应用了权利要求1-4任一项基于CrossBar交换的信元重组方法。

6.一种交换设备，其特征在于，所述交换设备应用了权利要求1-4任一项基于CrossBar交换的信元重组方法。

7.一种交换设备，其特征在于，所述交换设备应用了权利要求5所述的交换结构。