CN1159881C - 先锋寻径式计算机网络 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种先锋寻径式计算机网络，可使计算机之间通过基于交叉开关的先锋寻径式交换机直接连通进行“端—端”通信，其特征在于：用先锋寻径信令申请信道，建立信道后，消息可直接传送到目的机。交换机只须自动检测申请和撤消信道的信令，其余的信令和数据可在接通的信道中自由通过，无需缓存，从而简化了交换机的结构。提供了全套的先锋寻径网络通信协议。本发明可将多台交换机联成高速群机网，具有信道灵活，通信延迟小，效率高，可靠性好，成本低等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种先锋寻径式计算机网络，用于将一群计算机连成高速群机网，计算机之间通过基于交叉开关的交换机直接连通进行“端—端”的通信，也可以广播通信。本发明主要采用以“先锋寻径技术”和“信令隐蔽技术”为核心的通信方法来实现通信。
现有技术
现有的局域网大多采用以太网，其冲突检测通信协议效率较低，当一条总线上的计算机较多时，冲突机会剧增。为了扩大网络规模，可采用交换机，但结构复杂，价格昂贵，而通信效率仍然较低。为加快通信速度可采用“虫洞技术”(Worm--hole)，但由于其成本高，通常仅用于紧偶合的并行计算机中。国内只有在曙光-1000，银河-III等并行机的内部采用虫洞通信技术，尚无采用虫洞技术的网络产品。国外类似的网路产品有英国Inmos公司的STC104[The STC104Datasheet.SGS THOMSON DocumentNo.42 1470 04.1994]和美国的Myrient[Mario Gerla，PrasasthPalnati，Simon Walton.Multicasting Protocols for High-Speed Wormhole-Routing Local AreaNetworks.引自因特网浏览所得资料]。在虫洞通信技术中，发送一个消息包时，其消息头用于寻径。由于消息头与消息体不能分离，因而在交换机的每条信道中都要有缓存(buffer)来暂存消息体。例如，C104是虫洞式基于交叉开关的交换机，其每条信道中有8B缓存(buffer)。Myrient的虫洞式基于交叉开关的交换机也采用了缓存。两者都结构复杂、价格昂贵、使用不便。
发明内容
为了避免现有技术的不足之处，本发明在改进“虫洞技术”的基础上，提出了“先锋寻径”和“信令隐蔽”的通信技术，并设计了独创的先锋寻径式交换机、先锋网卡、相关通信协议和软件，形成了结构简单、使用方便的先锋寻径计算机网络。
本发明的先锋寻径式计算机网络，包括交换机、网卡和计算机，通过交换机和网卡将各台计算机互连成为群机网络，其特征在于：
先锋网卡根据先锋寻径式网络通信协议来传送和接收数据和信令；
先锋寻径交换机具有先锋寻径信令识别电路和消息结束信令识别电路，所述先锋寻径信令识别电路用于识别接收的先锋寻径信令，根据目的端口号进行寻径，接通相应的交叉开关从而建立信道；信道建立后，消息经过交换机直接传送到目的机，交换机的信道中无需缓存来暂存消息体；所述消息结束信令识别电路用于识别接收的消息结束信令，断开相应的交叉开关，从而撤销所建立的信道。
本发明的技术思想是：由交换机(3)、网卡(2)将各台计算机(1)互连成为群机网络，本发明的“先锋寻径计算机网络”是将各计算机通过先锋寻径式交换机(或多个级联的先锋寻径交换机)直接连通，进行“端—端”通信。采用了独创的“先锋寻径技术”、“信令隐蔽技术”，设计了相应的“先锋寻径式网络通信协议”。
“先锋寻径技术”的思想是：将原有的消息头和消息体一起发送的“虫洞技术”，进行改革，其特征在于：将消息头与消息体分离。为此，设计了申请建立信道用的先锋寻径信令(HDR)，和撤消信道用的消息结束信令(END)。实际上，消息头与消息体分离后，消息头就不宜再称为消息头了，而应该称为先锋寻径信令(HDR)。先锋寻径信令(HDR)中，应含有目的机地址的信息，以便寻址。根据先锋交换机的特点，本发明没有采用目的机地址来寻址，而是采用先锋交换机的目的端口号来寻径。例如，要与5号端口接通，以便与和5号端口相连的目的机通信，先锋寻径信令(HDR)中就带个5号。当需要通信时，先向交换机(3)发送带有5号的先锋寻径信令，用于申请信道。一旦申请成功，接通相应的交叉开关，建立信道。多个交换机级联时，可以发送多个独立的先锋寻径依次将信道接通。建立信道后，消息可以直接传送到目的机。交换机的信道中无需缓存来暂存消息体。
“信令隐蔽技术”的思想是：利用D、S信号同时跳变来识别信令。本发明的交换机，物理信道选用英国Inmos公司的D-S Link体制，即有两条导线：一条传送数据，称为D(Data)；另一条为选通线，用于补充时钟信号，称为S(Strobe)。D线为高电平时为1，低电平时为0，跳变时生成时钟信号。当相邻代码相同为00或11时，由S线电平的跳变来补充所需的时钟信号。通常D跳变时，S不会跳变；S跳变时，D不会跳变。这样，D和S不会同时跳变。本发明利用D和S同时跳变的特征来识别信令。这样，用代码是无法识别信令的，故可实现信令的隐蔽。申请建立信道采用先锋寻径信令(HDR)，撤消信道采用消息结束信令(END)，交换机只需检测HDR和END两种信令。检测D和S同时跳变的电路比较简单，使交换机的结构进一步的简化，便于扩大交换机的规模，可扩大为8，16，32个端口。
先锋寻径式网络通信协议的内容是：
a.物理级协议：每条链路由数据线(D)和选通线(S)组成。D线为高电平时表示1，低电
平是表示0，跳变时生成时钟信号。当相邻代码相同为00或11时，由S线电平的跳变来
补充所需的时钟信号。
b.信元(Token)级协议：信元有数据信元和信令信元两种，数据信元包含1个字节和1位奇偶位。
信令信元由6位组成。各种信令的格式如下表所示：
名称 符号 信令码 T1 T2 T3 T4 T5 T6
先锋寻径 HDR 0X？c -- -- -- -- 1 1
消息结束 END 0X04 0 0 0 0 0 1
清除FIFO结束 CLS 0X08 0 0 0 0 1 0
清除FIFO CLR 0X18 0 0 0 1 1 0
信包尾 EOP 0X28 0 0 1 0 1 0
消息尾 EOM 0X38 0 0 1 1 1 0
确认 ACK 0X48 0 1 0 0 1 0
重发 RET 0X58 0 1 0 1 1 0
广播 BRD 0X68 0 1 1 0 1 0
信令的T5T6两位为11时表示先锋寻径；T1T2T3T4四位表示目的端口号。例如，输入端口号为0000，输出端口号为0101时，表示0000号申请建立与0101号之间的信道。如输出端口号也为0000时，表示0000号要向所有其他端口广播。其他端口也可以有类似的广播功能。
信令的T5T6两位为01时表示消息结束，发给交换机，用于撤消所建立的信道。
信令的T5T6两位为10时表示网卡其他的各种信令。
c.消息(Message)包协议：一条长度不超过512(含512)字节(如网卡采用更大容量的FIFO，消息包的长度即可相应扩大。)的消息由一串数据信元和一个消息尾(EOM)组成。
DATA DATA DATA DATA。。。。。。 DATA EOM
d.信包(Packet)协议：长度超过512字节的消息要分包发送。一个信包由512字节(可扩)的数据信元和一个信包尾(EOP)组成。
DATA DATA DATA DATA。。。。。。 DATA EOP
超过512字节的消息由若干信包和1个消息包组成，如下：
DATA DATA DATA DATA。。。。。。 DATA EOP
DATA DATA DATA DATA。。。。。。 DATA EOP
。。。。。。
DATA DATA DATA DATA。。。。。。 DATA EOP
DATA DATA DATA DATA。。。。。。 DATA EOP
为实现上述本发明的独创技术，设计了先锋网卡和先锋寻径式交换机。
先锋寻径式交换机的特征在于：交换机主要含有D交叉开关(6)和S交叉开关(7)。每条信道中备有HDR识别电路(4)和END识别电路(5)，实现交叉开关的控制。HDR识别电路(4)的作用是：在收到先锋寻径信令后，根据目的端口号，接通相应的D交叉开关(6)和S交叉开关(7)，从而建立相应的信道。END识别电路(5)的作用是，在收到消息结束信令后，断开相应的D交叉开关(6)和S交叉开关(7)，从而撤消所建立的信道。图4表示一个4端口先锋寻径式交换机的结构原理。
先锋网卡的特征在于：网卡由32位→8位的转化电路(8)、8位→1位的发送电路(9)、控制器(10)、8位→32位的转换电路(11)、先进先出堆栈(FIFO)(12)、1位→8位的接收电路(13)和状态寄存器(14)等电路组成。为便于说明问题，这里仅用两台计算机通过网卡互连，如图5所示。网卡A连左机，网卡B连右机，上部实现左机发送、右机接收；下部则相反，右机发送、左机接收。从PCI总线上传来的32位数据由(8)转换成4个8位组，再由(9)转换成1位1位的串行数据发送到D-S Link上；从D-S Link上接收到的1位1位的串行数据由(13)转换成8位的数据组，然后进行判断；若是数据，则将逐个字节存入先进先出堆栈(FIFO)(12)，然后经8位→32位的转换电路(11)，将4个字节拼成1个32位的字发送到PCI总线上；若是信令，只有一个字节，则存入状态寄存器(14)，再经(11)发送到PCI总线上。本网卡能够全面支持先锋寻径网络通信协议，具有“发送信令”，“发送数据”，“开中断”，“关中断”，“网卡复位”，“状态复位”，“自检”，“退出自检”，“取数据”，“取状态”等各种网卡命令。
附图说明：
图1：8机先锋寻径网络
图2：D-S链路协议
图3：数据信元
图4：先锋寻径式交换机原理图
图5：先锋网卡组成框图
图6：发送程序流程图
图7：接收程序流程图
1-微机或工作站 2-先锋网卡 3-先锋寻径交换机 4-HDR识别
5-END识别 6-D交叉开关 7-S交叉开关 8-32位→8位的转换电路
9-8位→1位的发送电路 10-控制器 11-8位→32位的转换电路
12-先进先出堆栈(FIFO) 13-1位→8位的接收电路 14-状态寄存器
具体实施例
本发明将结合实例作进一步的描述：
如图1所示，本发明实施例实现了一个8台奔腾PC机互连的先锋寻径网络。
本实施例的网络组成为：先锋寻径交换机(3)；奔腾PC机(1)；先锋网卡(2)，插在奔腾机的PCI总线插槽中。该交换机有8个端口，每个端口由一个输入口和一个输出口组成。各个端口依次与各个奔腾机的先锋网卡相连，端口的输出口连到网卡的输入口，反之，端口的输入口连到网卡的输出口。连接采用5类通信电缆。目前通信频率为每秒33兆位，采用高速器件可进一步提高。
该交换机主要由一片AMD公司的CPLD器件MACH系列MACH466-15组成。也可采用“系统芯片”技术，制成专用芯片，以提高频率、降低成本。先锋网卡主要由2片MACH436组成。每片MACH436含有128个宏单元，最多可编程成128个触发器。图5中的10由1片MACH436组成；其余8，9，11，13，14由另1片MACH436组成。
先锋网卡的口地址可选为IO空间的AD15，AD14，AD13三位均为1。各种网卡命令可用C语言表示如下：
CT 发送信令outport(0xe008，0x？？)其中，0xe008为网卡命令码，不同的码表示不同的命令；0x？？为信令码，见信元级协议
DT 发送数据 outport(0xe004，0x？？？？？？？？)其中，0x？？？？？？？？为发送的32位数据
INTE 开中断 outport(0xe00c，0)
INTD 关中断 outport(0xe010，0)
RRAR 网卡复位 outport(0xe014，0)
FRST 状态复位 outport(0xe018，0)
ZJ 自检 outport(0xe01c，0)
ZJD 退出自检 outport(0xe020，0)
RD 取数据 inport(0xe004，0)
RF 取状态 inport(0xe008，0)
通信过程如下：
(1)源机向交换机申请建立接通目的机的信道。
(2)交换机建立信道后向源机发回ACK。
(3)源机收到ACK后即可向目的机发信包，发完信包接着还要发信令EOP。
(4)目的机收到EOP后知道FIFO中已收到一个信包，于是发一串取数命令，直到从FIFO
中把信包取完。取完后，向源机发ACK。
(5)源机收到ACK后即可向目的机发信包，发完信包接着还要发信令EOP。
(6)目的机收到EOP后知道FIFO中已收到一个信包，于是发一串取数命令，直到从FIFO
中把信包取完。取完后，向源机发ACK。
(7)源机发消息包，发完消息包接着还要发信令EOM。
(8)目的机收到EOM后知道FIFO中已收到一个消息包，发一串取数命令，直到从FIFO中
把信包取完。取完后，向源机发ACK。
(9)源机收到ACK后知道目的机已收完全部信息，于是发END，撤消信道。
(10)如果目的机在接收数据的过程中发现有奇偶错，就向源机发RET要求重发。
(11)源机连发CLR，CLS两个信令，将目的机网卡中的FIFO清除。
(12)源机接着重发信包或消息包。
通信过程由程序实现。发送程序流程图见图6，接收程序流程图见图7。
本发明相比现有技术的优点在于：
● 独创的先锋寻径技术。在先锋寻径建立信道后，消息可经过交换机中的交叉开关直通目
的机，无需在交换机中暂存。
● 独创的信令隐蔽技术。交换机制只需识别HDR和END两条信令，使交换机的设计进一
步简化，成本显著降低。
● 具有一般虫洞技术所没有的广播功能。
● 信道灵活：信道可随时建立，任意选定目的机。通信结束，信道随之撤消。
● 信道时延小：数据通过交换机时只有一级门的延时。几个交换机串联时，也只有几级门
的延时。交换机规模越大，信道通过交换机的级数越少，通信时延可进一步减少。
● 各条信道可以并行工作。
● 通信开销小，效率高。
● 信包长度决定于网卡中FIFO的容量。如采用4KB的FIFO，1个信包的长度便可扩大为
4KB，便于支持多媒体通信。
● 可靠性高：由于信令信元有特殊的通信机制，即使信道传送数据有错，也能正确接收信
令。每个数据信元有奇偶校验位，发现有错时，有重发功能。
● 价格较低。
Claims (6)
1.一种先锋寻径式计算机网络，包括交换机、网卡和计算机，通过交换机和网卡将各台计算机互连成为群机网络，其特征在于：
先锋网卡根据先锋寻径式网络通信协议来传送和接收数据和信令；
先锋寻径交换机具有先锋寻径信令识别电路和消息结束信令识别电路，所述先锋寻径信令识别电路用于识别接收的先锋寻径信令，根据目的端口号进行寻径，接通相应的交叉开关从而建立信道；信道建立后，消息经过交换机直接传送到目的机，交换机的信道中无需缓存来暂存消息体；所述消息结束信令识别电路用于识别接收的消息结束信令，断开相应的交叉开关，从而撤销所建立的信道。
2.如权利要求1所述的先锋寻径式计算机网络，其中所述先锋寻径交换机的物理信道选用两条导线：一条传送数据的数据线D，另一条为补充时钟信号的选通线S，利用D和S同时跳变来识别信令，从而实现信令的隐蔽。
3.如权利要求1所述的先锋寻径式计算机网络，其中先锋寻径式交换机含有D交叉开关，S交叉开关，所述锋寻径信令识别电路用于识别接收的先锋寻径信令，根据目的端口号进行寻径，接通相应的D和S交叉开关，从而建立信道，所述消息结束信令识别电路用于识别接收的消息结束信令，断开相应的D和S交叉开关，从而撤销所建立的信道。
4.如权利要求1所述的先锋寻径式计算机网络，其中所述先锋网卡是由转换电路，发送电路，控制器，先进先出堆栈，接收电路和状态寄存器组成。
5.如权利要求4所述的先锋寻径式计算机网络，其中所述先锋网卡是由“先锋网卡”由32位→8位的转换电路(8)、8位→1位的发送电路(9)、控制器(10)、8位→32位的转换电路(11)、先进先出堆栈(FIFO)(12)、1位→8位的接收电路(13)和状态寄存器(14)等电路组成；从PCI总线上传来的32位数据由转换电路(8)转换4个8位组，再由发送电路(9)转换1位1位的串行数据发送到D-S Link上；从D-S Link上接收到的1位1位的串行数据由接收电路(13)转换成8位的数据组，然后进行判断；若是数据，则将逐个字节存入先进先出堆栈(FIFO)(12)，然后经8位→32位的转换电路(11)，将4个字节拼成1个32位的字节发送到PCI总线上；若是信令，只有一个字节，则存入状态寄存器(14)，再经转换电路(11)发送到PCI总线上。
6.如权利要求1所述的先锋寻径式计算机网络，其中先锋寻径式网络通信协议包括：物理级，信元级，消息包，信包四级；其中，信元分为数据和信令两种，而信令包括：“先锋寻径”，“消息结束”，“确认”，“信包尾”，“消息尾”，“重发”，“清除FIFO”，“清除FIFO结束”，“广播”。
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