CN1165145C - 一种大容量可扩展分组交换网络结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大容量可扩展分组交换网络结构，主要解决现有网络拓扑结构实现大容量交换网络成本高、可扩展性差的缺点。该网络结构由多个直接连接的交换节点构成，每个交换节点具有输入、输出和转发端口，以实现业务流的输入、输出及转发功能。每一个交换节点采用多条链路与相邻的节点相连接，通过三相环路将交换节点连接成平面网络结构。该结构不仅有利于背板及PCB的设计，简化交换系统的结构设计和具体工程实现，而且具有良好的网络性能、容错能力和扩展性，交换容量能够从G比特级线性扩展到T比特级，可用于大容量可扩展互联网核心路由器采用的交换网络结构。

Description

一种大容量可扩展分组交换网络结构

所属技术领域：

本发明涉及通信技术领域，具体地说是一种新的大容量可扩展分组交换网络结构，该交换网络结构适用于构造分组互联网T比特核心路由器。

背景技术：

以Internet为代表的信息网络日益成为国家信息基础设施的基础和重要组成部分，它已经渗透到社会的各个领域，成为国家进步和社会发展的基本需求，是未来知识经济的基础载体和支撑环境。目前随着全球Internet用户数量和站点数量的急剧增长，带宽的需求也急剧增长。光通信技术的发展使得传输带宽资源成倍增加，且能够满足网络对带宽增长的要求。而网络交换能力的增长速度远远低于带宽的增长速度。T比特路由器(Terabit Switch Router，TSR)作为架构高性能信息网络的解决方案，日益成为学术和工程实现的研究热点。但由于T比特路由器(TSR)的交换能力取决于交换网络。因而可扩展性问题又是设计交换网络拓扑结构时所必须考虑的重要因素之一。例如，根据交换网络业务流量的增长速度，要考虑在保护原有投资的基础上快速地完成交换容量的升级。目前TSR的交换网络结构多采用直接连接网络(Direct network)和间接连接网络(Indirect network)。直接连接网络以往广泛应用于超级计算机架构，与间接连接网络相比，直接连接网络具有更好的扩展性。最常用的直接连接网络有3D torus和超立方体网络(Hypercube)。这些网络结构虽然已被网络设备制造商用来实现TSR路由器。但是由于这几种直接连接网络都是非平面结构，用此网络拓扑结构实现的大容量交换网络均具有实现的成本高，可扩展性差等自身无法克服的缺点，而使用具有平面结构的2D torus网络又远远不及3D torus或超立方体网络的性能。所以，寻找新的具有良好性能和扩展性的网络结构是目前T级交换网络设计的重点和难点。

发明的内容：

本发明的目的在于克服上述已有技术的缺点，提出了一种成本低、可扩展性好的大容量可扩展XD(Cross-Direct)平面三相环网络拓扑结构。该网络拓扑结构不仅有利于硬件PCB和背板的设计，简化交换系统的结构，而且具有交换容量线性扩展、良好的路径多样性、网络负载均衡和容错能力。

实现本发明目的的技术方案是采用将多个交换节点直接连接组网，每个交换节点设有输入、输出和转发端口，完成业务流的输入、输出及转发功能。其技术关键是将多个交换节点排列成一个平面矩阵；每一个交换节点采用多条链路与相邻的节点相连，并通过三相环路与其它交换节点连接成平面网络结构。

上述的大容量可扩展分组交换网络结构中，其三相环路由角度为0度或90度的一个直连环，和角度分别为45度、135度的两个斜连环构成。

上述的大容量可扩展分组交换网络结构中，如果用坐标(x，y)来表示一个交换节点在一个k_x×k_yXD网络中的位置，那么与该节点相连的交换节点便是(x±1modk_x，y±1modk_y)和(x，y±1modk_y)六个节点。即每个交换节点通过6个端口与相邻的节点相连，其中有2个端口通过上下端口与纵向的节点相连构成一个纵向直连环路，另外4个端口通过45度和135度斜线与该方向的节点相连接构成两个斜连环路。

上述的大容量可扩展分组交换网络结构中，连接各个交换节点的短线采用电连接，长线采用光或电连接。

本发明与现有的3D Torus和Hypercube结构相比，具有如下优点：

(1)XD交换网络由三相环路直接连接的多个交换节点构成，具有更小的网络直径、平均距离，时延低，网络吞吐率高，内部链路不易拥塞，便于网络进行横向和纵向扩展等优点。

(2)由于交换节点之间的连线短且规则，所以便于采用以电为主、光电混合的连接方式，降低了实现成本。

(3)由于采用平面网络拓扑结构，所以便于背板及PCB的设计，简化了交换系统的结构和具体工程实现，使其具有良好的路径多样性、网络负载均衡及容错能力。

分析表明，本发明具有良好的可扩展性，横向、纵向可分别或同时进行扩展；交换容量能够从G比特级线性扩展到T比特级，非常适合作为大容量交换机内部的交换网络。

附图说明：

图1是本发明采用的基本交换节点结构图

图2是本发明XD网络规则示意图

图3是本发明XD网络不规则示意图

具体实施方式

参照图1，本发明的每个节点都是一个独立的8×8单节点交换结构，具有业务流的输入、输出及转发功能。每个交换节点通过6条边与相邻的6个节点直接相连，每条边都是双向的内部通信链路。每个交换节点都具有8个端口，其中1个或2个端口用于用户业务流的输入输出，另外6个端口用于转发相邻节点的业务流。

参照图2，该XD网络结构采用一个直连环和两个斜连环将多个交换节点连接成5×5的规则平面三相环网络结构。图中的圆圈代表交换节点，连线代表交换节点与相邻节点的连接关系。图中右边的1、2～8标号的连线与左边的1、2～8标号的连线一一对应连接。图中上方a、b、c、d、e、f、g、h、m、n的连线与下方的a、b、c、d、e、f、g、h、m、n的连线一一对应连接。每个交换节点通过6个端口与相邻的节点相连，每个交换节点通过3个连接环与相邻的交换节点相连。该连接环为一个0度或90度的直连环和两个45度与135度的斜连环。如交换节点(4，2)通过上下端口与纵向的节点相连构成一个纵向(90度)直连环，剩下的4个端口，通过45度和135度斜线连接构成两个斜连环。例如，将右边的斜线编号3与左边的斜线编号3相连，同时上端的斜线编号d和下端的斜线编号d相连，就可构成一个45度斜连环，如图2中虚线所示；而将右边的斜线编号6与左边的斜线编号6相连，同时上端的斜线编号c和下端的斜线编号c相连，就构成一个135度斜连环，如图2中点划线所示。该直连环和斜连环均由5个交换节点组成。

图3为5×6不规则的网络结构，即纵向和横向的交换节点数不等。该XD网络的结构关系与图2相同，即上下、左右标号连线一一对应连接，每个交换节点通过3个连接环与相邻的交换节点相连。如交换节点(4，2)可通过上下端口与纵向的节点相连构成一个纵向直连环，另外4个端口，通过45度和1 35度斜线连接构成两个斜连环。例如，将右边的斜线编号5与左边的斜线编号5相连，同时将上端的斜线编号g和下端的斜线编号g相连，就构成了一个45度的斜连环，如图3中虚线所示。再将右边的斜线编号8与左边的斜线编号8相连，同时将上端的斜线编号d和下端的斜线编号d相连，就构成了一个135度的斜连环，如图3中点划线所示。该直连环和斜连环均由6个交换节点组成。由于该网络是非规则网络，所以斜连环需要经过直连环上的若干个交换节点(k_y-k_x)才能构成一个完整的环路。

实施例

本发明的XD网络结构可以通过由交换子板、交换背板构成的交换矩阵来实现。即先在一个交换机框内由交换背板和交换子板构成一个可横向扩展的交换矩阵。机框内可以插接多个交换子板，每个交换子板具有一个或多个交换节点，单个机框的交换容量一般在几十Gbps到几百Gbps。机框内交换节点之间通过交换背板采用高速电方式连接。然后，通过将多个机框可放入一个机柜内，实现网络结构的纵向扩展。由于机框之间的连线比较短，所以交换机框之间仍可采用电连接或光纤连接。每个基本交换节点都具有I/O接口、交换开关和控制器等功能。I/O接口的主要功能是完成IP分组的接收、发送及流量管理，并为数据分组进入交换网络做好相应的预处理工作，如路由表的查找、内部标签的分发、整形。交换开关的功能是对各个端口到达的业务进行相应的转发，控制器主要完成节点的初始化、参数的配置、路由表的形成与查找、分组转发控制及差错控制等功能。同一机框内各个交换节点之间通过背板直接相连，背板上的连线对应了图2、图3中的各交换节点之间的连线。该连线可采用以电为主、光电混合的连接方式，其中短线采用电连接，长线采用光连接。

Claims (4)

1.一种大容量可扩展分组交换网络结构，由多个交换节点连接组网构成，每个交换节点设有输入、输出和转发端口，完成业务流的输入、输出及转发功能，其特征在于：

(1)多个交换节点排列成一个平面矩阵；

(2)每一个交换节点采用多条链路与相邻的节点相连，并通过三相环路与其它交换节点连接成平面网络结构。

2.根据权利要求1所述的大容量可扩展分组交换网络结构，其特征在于三相环路由角度为0度或90度的一个直连环，和角度分别为45度、135度的两个斜连环构成。

3.根据权利要求1所述的大容量可扩展分组交换网络结构，其特征在于每个交换节点通过6个端口与相邻的节点相连，其中2个端口通过上下端口与纵向的节点相连构成一个纵向直连环路，另外4个端口通过45度和135度斜线与该方向的节点相连接构成两个斜连环路。

4.根据权利要求1所述的大容量可扩展分组交换网络结构，其特征在于连接各个交换节点的连线设有长线和短线，且短线采用电连接，长线采用光或电连接。

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