CN116566932A - 一种支持缓存时延设定的包转发方法及控制装置 - Google Patents

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CN116566932A CN202310732957.4A CN202310732957A CN116566932A CN 116566932 A CN116566932 A CN 116566932A CN 202310732957 A CN202310732957 A CN 202310732957A CN 116566932 A CN116566932 A CN 116566932A
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邵丁
刘淑涛
魏璇
张宗森
邢翔宇
李�瑞
刘丙亚
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Abstract

本发明公开了一种支持缓存时延设定的包转发方法及控制装置，属于网络数据交换技术领域。本方法包括：配置允许通过数据交换系统的数据包的最大长度和每个端口允许进入缓存的数据长度；接收端口待发送数据；根据配置的参数及端口速率决定数据包的转发方式；根据确定的转发方式和目标端口对数据包进行转发。其中，转发方式包括存储转发、直通转发和存储‑直通转发。该方法能够根据用户设定决定交换系统端口的数据缓存长度，实现缓存时延的设定，从而更加灵活地满足现有数据交换中对时延、抖动和不同速率端口交换的需求，可用于各类网络交换装置和系统。

Description

一种支持缓存时延设定的包转发方法及控制装置
技术领域
本发明涉及网络数据交换技术领域，特别是指一种支持缓存时延设定的包转发方法及控制装置。
背景技术
随着网络技术的快速发展，网络规模与带宽持续增长，网络数据的高速交换日趋重要。在数据交换过程中，数据包的转发模式主要有两种，分别为存储转发和直通转发。存储转发模式将端口传入的数据包全部接收并缓存。经数据校验正确后，读取数据包中的目的MAC地址并查表转发至相应的端口。而直通转发的输入端口接收数据后不再进行缓存和校验。当检测到包头中的目的MAC地址后随即查表将数据包转发至相应的端口。
以上不难看出，存储转发技术由于需要对进入端口的数据包进行缓存和校验，往往产生较高的时延。同时由于网络中数据包的长度不固定，存储转发的时延也不固定，可能存在时延抖动。直通转发技术缓存时延小，且与数据包长度无关，因此时延抖动较小。但由于没有入口缓存，在直通转发模式下，不同速率的输入/输出端口无法直接接通。为了适应复杂的应用场景，现有的网络系统往往需要多种不同的数据交换系统以满足各种数据转发需求。一些应用场景，如自动驾驶、航空航天、数字孪生等，对网络系统数据交换可控时延、低抖动和高可靠性提出了严格的要求。
发明内容
本发明提供了一种支持缓存时延设定的包转发方法及控制装置。本发明能够根据用户设定决定数据交换端口的数据缓存长度，从而实现缓存时延的设定，能够更加灵活地满足现有数据交换中对时延、抖动和不同速率端口交换的需求，可用于各类数据交换装置和系统。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种支持缓存时延设定的包转发方法，包括以下步骤：
(1)配置端口参数，包括允许通过数据交换系统的数据包的最大长度Lmax和端口允许进入缓存的数据长度L；
(2)接收进入端口的数据包；若端口为输入端口，则根据数据包中的目的MAC地址和路由信息确定待转发的目标端口；
(3)若L＝0，则端口执行直通转发方式；若L≥Lmax，则端口执行存储转发方式；若Lmax>L>0，则端口执行存储-直通转发方式；
在直通转发方式下，对于输入端口，将数据包立即转发到相应的目标端口，返回步骤(2)；对于输出端口，立即将数据包转发至下一级端口，返回步骤(2)；
在存储转发方式下，对于输入端口，将数据包全部存储后进行校验，校验正确后转发到相应的目标端口，返回步骤(2)；对于输出端口，将数据包全部存储后进行检验，校验正确后传输至下一级端口，返回步骤(2)；
在存储-直通转发方式下，首先将数据包的前L长度的数据存储进缓存；其次，对于输入端口，在存储结束后将数据包立即转发到相应的目标端口，返回步骤(2)；对于输出端口，在存储结束后立即将数据包转发至下一级端口，返回步骤(2)。
一种支持缓存时延设定的包转发方法，包括以下步骤：
(1)配置端口参数，包括允许通过数据交换系统的数据包的最大长度Lmax和端口允许进入缓存的数据长度L；
(2)接收进入端口的数据包；若端口为输入端口，则根据数据包中的目的MAC地址和路由信息确定待转发的目标端口；
(3)若L＝0且端口为输入端口，则继续判断输入端口速率是否与目标端口速率相同，若是，则端口执行直通转发方式，若否，则端口执行存储转发方式；若L＝0且端口为输出端口，则端口执行直通转发方式；若L≥Lmax，则端口执行存储转发方式；若Lmax>L>0，则端口执行存储-直通转发方式；
在直通转发方式下，对于输入端口，将数据包立即转发到相应的目标端口，返回步骤(2)；对于输出端口，立即将数据包转发至下一级端口，返回步骤(2)；
在存储转发方式下，对于输入端口，将数据包全部存储后进行校验，校验正确后转发到相应的目标端口，返回步骤(2)；对于输出端口，将数据包全部存储后进行检验，校验正确后传输至下一级端口，返回步骤(2)；
在存储-直通转发方式下，首先将数据包的前L长度的数据存储进缓存；其次，对于输入端口，在存储结束后将数据包立即转发到相应的目标端口，返回步骤(2)；对于输出端口，在存储结束后立即将数据包转发至下一级端口，返回步骤(2)。
一种支持缓存时延设定的包转发方法，包括以下步骤：
(1)配置端口参数，包括允许通过数据交换系统的数据包的最大长度Lmax和端口允许进入缓存的数据长度L；
(2)接收进入端口的数据包；若端口为输入端口，则根据数据包中的目的MAC地址和路由信息确定待转发的目标端口；
(3)若L＝0，则端口执行直通转发方式；若L≥Lmax，则端口执行存储转发方式；若Lmax>L>0且端口为输入端口，则继续判断输入端口速率是否大于目标端口速率，若是，则执行存储转发方式，若否，则执行存储-直通转发方式；若Lmax>L>0且端口为输出端口，则端口执行存储-直通转发方式；
在直通转发方式下，对于输入端口，将数据包立即转发到相应的目标端口，返回步骤(2)；对于输出端口，立即将数据包转发至下一级端口，返回步骤(2)；
在存储转发方式下，对于输入端口，将数据包全部存储后进行校验，校验正确后转发到相应的目标端口，返回步骤(2)；对于输出端口，将数据包全部存储后进行检验，校验正确后传输至下一级端口，返回步骤(2)；
在存储-直通转发方式下，首先将数据包的前L长度的数据存储进缓存；其次，对于输入端口，在存储结束后将数据包立即转发到相应的目标端口，返回步骤(2)；对于输出端口，在存储结束后立即将数据包转发至下一级端口，返回步骤(2)。
一种支持缓存时延设定的包转发控制装置，包括：
参数配置单元：用于存储和配置端口参数Lmax和L，Lmax为允许通过数据交换系统的数据包的最大长度，L为端口允许进入缓存的数据长度；
速率监测单元：应用于输入端口，用于监测输入端口的速率，并与目标端口的速率进行比较；
转发方式控制单元：根据端口参数与端口速率，执行相应的转发方式；
其中，若L＝0，则端口执行直通转发方式；若L≥Lmax，则端口执行存储转发方式；若Lmax>L>0，则端口执行存储-直通转发方式；
在直通转发方式下，对于输入端口，将数据包立即转发到相应的目标端口；对于输出端口，立即将数据包转发至下一级端口；
在存储转发方式下，对于输入端口，将数据包全部存储后进行校验，校验正确后转发到相应的目标端口；对于输出端口，将数据包全部存储后进行检验，校验正确后传输至下一级端口；
在存储-直通转发方式下，首先将数据包的前L长度的数据存储进缓存；其次，对于输入端口，在存储结束后将数据包立即转发到相应的目标端口；对于输出端口，在存储结束后立即将数据包转发至下一级端口。
一种支持缓存时延设定的包转发控制装置，包括：
参数配置单元：用于存储和配置端口参数Lmax和L，Lmax为允许通过数据交换系统的数据包的最大长度，L为端口允许进入缓存的数据长度；
速率监测单元：应用于输入端口，用于监测输入端口的速率，并与目标端口的速率进行比较；
转发方式控制单元：根据端口参数与端口速率，执行相应的转发方式；
其中，若L＝0且端口为输入端口，则继续判断输入端口速率是否与目标端口速率相同，若是，则端口执行直通转发方式，若否，则端口执行存储转发方式；若L＝0且端口为输出端口，则端口执行直通转发方式；若L≥Lmax，则端口执行存储转发方式；若Lmax>L>0，则端口执行存储-直通转发方式；
在直通转发方式下，对于输入端口，将数据包立即转发到相应的目标端口；对于输出端口，立即将数据包转发至下一级端口；
在存储转发方式下，对于输入端口，将数据包全部存储后进行校验，校验正确后转发到相应的目标端口；对于输出端口，将数据包全部存储后进行检验，校验正确后传输至下一级端口；
在存储-直通转发方式下，首先将数据包的前L长度的数据存储进缓存；其次，对于输入端口，在存储结束后将数据包立即转发到相应的目标端口；对于输出端口，在存储结束后立即将数据包转发至下一级端口。
一种支持缓存时延设定的包转发控制装置，包括：
参数配置单元：用于存储和配置端口参数Lmax和L，Lmax为允许通过数据交换系统的数据包的最大长度，L为端口允许进入缓存的数据长度；
速率监测单元：应用于输入端口，用于监测输入端口的速率，并与目标端口的速率进行比较；
转发方式控制单元：根据端口参数与端口速率，执行相应的转发方式；
其中，若L＝0，则端口执行直通转发方式；若L≥Lmax，则端口执行存储转发方式；若Lmax>L>0且端口为输入端口，则继续判断输入端口速率是否大于目标端口速率，若是，则执行存储转发方式，若否，则执行存储-直通转发方式；若Lmax>L>0且端口为输出端口，则端口执行存储-直通转发方式；
在直通转发方式下，对于输入端口，将数据包立即转发到相应的目标端口；对于输出端口，立即将数据包转发至下一级端口；
在存储转发方式下，对于输入端口，将数据包全部存储后进行校验，校验正确后转发到相应的目标端口；对于输出端口，将数据包全部存储后进行检验，校验正确后传输至下一级端口；
在存储-直通转发方式下，首先将数据包的前L长度的数据存储进缓存；其次，对于输入端口，在存储结束后将数据包立即转发到相应的目标端口；对于输出端口，在存储结束后立即将数据包转发至下一级端口。
本发明与背景技术相比，有以下优点：
(1)本发明通过设置端口允许进入缓存的数据长度，为数据交换系统和装置提供可设定的缓存时延。该优点可用于包括但不限于大规模多跳级网络系统中，保证整个网络系统的时延稳定性，降低时延抖动。
(2)本发明提出的存储-直通转发方式可用于低速率端口向高速率端口转发数据，提供一种时延表现优于存储转发的转发方法，显著降低缓存时延。
(3)本发明具有较强的灵活性，参数可根据数据类型、数据包长度与业务需求自主配置，也可通过软件程序控制实时调整。
附图说明
图1是本发明实施例中数据包转发的实例性框图。
图2是本发明实施例中控制装置的实现框图。
图3是本发明实施例中针对输入端口的一种支持缓存时延设定的包转发方法的流程图。
图4是本发明实施例中针对输出端口的一种支持缓存时延设定的包转发方法的流程图。
具体实施方式
一种支持缓存时延设定的包转发方法，应用于数据交换装置和系统中，包括以下步骤：
(1)配置端口参数，包括允许通过数据交换系统的数据包的最大长度Lmax和端口允许进入缓存的数据长度L；
(2)接收进入端口的数据包；若端口为输入端口，则根据数据包中的目的MAC地址和路由信息确定待转发的目标端口；
(3)若L＝0，则端口执行直通转发方式；若L≥Lmax，则端口执行存储转发方式；若Lmax>L>0，则端口执行存储-直通转发方式；
在直通转发方式下，对于输入端口，将数据包立即转发到相应的目标端口，返回步骤(2)；对于输出端口，立即将数据包转发至下一级端口，返回步骤(2)；
在存储转发方式下，对于输入端口，将数据包全部存储后进行校验，校验正确后转发到相应的目标端口，返回步骤(2)；对于输出端口，将数据包全部存储后进行检验，校验正确后传输至下一级端口，返回步骤(2)；
在存储-直通转发方式下，首先将数据包的前L长度的数据存储进缓存；其次，对于输入端口，在存储结束后将数据包立即转发到相应的目标端口，返回步骤(2)；对于输出端口，在存储结束后立即将数据包转发至下一级端口，返回步骤(2)。
此外，步骤(3)中，L＝0时，若该端口为输入端口，继续判断输入端口速率是否与目标端口速率相同；若是，则执行直通转发方式；若否，则执行存储转发方式。
Lmax>L>0时，若该端口为输入端口，继续判断输入端口速率是否大于目标端口速率；若是，则执行存储转发方式；若否，则执行存储-直通转发方式。若输入端口速率小于目标端口速率，L的最小值需根据Lmax、输入端口速率以及目标端口速率共同确定。
一种支持缓存时延设定的包转发控制装置，应用于网络数据交换系统和装置的端口，包括：
参数配置单元：用于存储和配置应用于该端口的参数Lmax和L；
速率监测单元：若该端口为输入端口，则用于监测并比较当前输入端口速率与目标端口速率；若该端口为输出端口，则不启用此单元；
转发方式控制单元：根据当前参数与传输速率，执行转发方式的选择与切换。
以下为更具体的例子：
如图1所示，数据包进入输入端口后，提取待转发数据包包头中的目的MAC地址，根据路由信息确定目标端口。根据控制装置中配置的参数信息及监测的速率信息，确定待转发数据包的转发方式及进入入口缓存的数据长度。交换结构根据路由信息调度该数据包至输出端口。根据控制装置中配置的参数信息，确定输出端口转发方式及进入出口缓存的数据长度。输出端口将该数据包传输至下一级端口。
如图2所示为本实施例控制装置的实现框图。根据参数配置及速率监测信息，控制单元进行转发方式的选择与切换。参数L与Lmax均为非负整数，默认最小值为0。若配置参数L与Lmax为负数，则自动设置为0。若配置参数L与Lmax为分数，则自动向上取整。对于输入端口，当输入端口速率小于目标端口速率时，L的最小值Lmin需根据Lmax、输入端口速率以及目标端口速率共同确定，若L<Lmin则将L自动设置为Lmin。确定Lmin的方法依据实际需求的不同而存在差异。
本实施例中，Lmin按照公式(1)确定。
其中Lmin为端口允许进入缓存的最小数据长度，Vo为目标端口速率，Vi为输入端口速率。
如图3和图4所示为本实施例中支持缓存时延设定的包转发方法流程图，其过程如下：
(1)配置端口参数Lmax和L；
(2)检测是否有数据包进入端口；若有则执行步骤(3)，若没有则继续检测；
(3)接收进入端口的数据包；若该端口为输入端口，根据数据包中的目的MAC地址和路由信息确定待转发的目标端口；
(4)若L＝0，执行步骤(5)；若L不为0，执行步骤(6)；
(5)判断输入端口速率与目标端口速率是否相同；若相同，执行步骤(7)；若不同，执行步骤(8)；
(6)若L≥Lmax，执行步骤(8)；若Lmax>L>0，执行步骤(9)；
(7)若该端口为输入端口，将数据包根据目的地址立即转发到相应的目标端口，返回步骤(2)；若该端口为输出端口，将数据包立即转发至下一级端口，返回步骤(2)；
(8)若该端口为输入端口，将数据包全部存储后进行校验，校验正确后根据目的地址转发到相应目标端口，返回步骤(2)；若该端口为输出端口，将数据包全部存储后进行校验，校验正确后将数据包转发至下一级端口，返回步骤(2)；
(9)判断输入端口速率是否大于目标端口速率；若是，则执行步骤(8)；若否，则执行步骤(10)；
(10)将数据包的前L长度的数据存储进缓存；若该端口为输入端口，存储结束后根据目的地址将数据包立即转发到相应端口，返回步骤(2)；若该端口为输出端口，存储结束后立即将数据包转发至下一级端口，返回步骤(2)。
本实施例仅描述了单输入单输出端口的数据包转发过程，实际网络系统中可以根据需求增加端口数量。通过本方法，可以对网络交换系统中每个端口的缓存时延进行设定，增加了数据包转发的灵活性，可以有效控制网络交换系统的时延和抖动。
总之，本发明能够根据用户设定决定交换系统端口的数据缓存长度，实现缓存时延的设定，从而更加灵活地满足现有数据交换中对时延、抖动和不同速率端口交换的需求，可用于各类网络交换装置和系统。
以上结合实施例描述了一种支持缓存时延设定的包转发方法。实施例中的具体的说明不是对本发明的限制。在本发明精神和原理之内的各种更改、替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (6)

1.一种支持缓存时延设定的包转发方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)配置端口参数，包括允许通过数据交换系统的数据包的最大长度Lmax和端口允许进入缓存的数据长度L；
(2)接收进入端口的数据包；若端口为输入端口，则根据数据包中的目的MAC地址和路由信息确定待转发的目标端口；
(3)若L＝0，则端口执行直通转发方式；若L≥Lmax，则端口执行存储转发方式；若Lmax>L>0，则端口执行存储-直通转发方式；
在直通转发方式下，对于输入端口，将数据包立即转发到相应的目标端口，返回步骤(2)；对于输出端口，立即将数据包转发至下一级端口，返回步骤(2)；
在存储转发方式下，对于输入端口，将数据包全部存储后进行校验，校验正确后转发到相应的目标端口，返回步骤(2)；对于输出端口，将数据包全部存储后进行检验，校验正确后传输至下一级端口，返回步骤(2)；
在存储-直通转发方式下，首先将数据包的前L长度的数据存储进缓存；其次，对于输入端口，在存储结束后将数据包立即转发到相应的目标端口，返回步骤(2)；对于输出端口，在存储结束后立即将数据包转发至下一级端口，返回步骤(2)。
2.一种支持缓存时延设定的包转发方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)配置端口参数，包括允许通过数据交换系统的数据包的最大长度Lmax和端口允许进入缓存的数据长度L；
(2)接收进入端口的数据包；若端口为输入端口，则根据数据包中的目的MAC地址和路由信息确定待转发的目标端口；
(3)若L＝0且端口为输入端口，则继续判断输入端口速率是否与目标端口速率相同，若是，则端口执行直通转发方式，若否，则端口执行存储转发方式；若L＝0且端口为输出端口，则端口执行直通转发方式；若L≥Lmax，则端口执行存储转发方式；若Lmax>L>0，则端口执行存储-直通转发方式；
在直通转发方式下，对于输入端口，将数据包立即转发到相应的目标端口，返回步骤(2)；对于输出端口，立即将数据包转发至下一级端口，返回步骤(2)；
在存储转发方式下，对于输入端口，将数据包全部存储后进行校验，校验正确后转发到相应的目标端口，返回步骤(2)；对于输出端口，将数据包全部存储后进行检验，校验正确后传输至下一级端口，返回步骤(2)；
在存储-直通转发方式下，首先将数据包的前L长度的数据存储进缓存；其次，对于输入端口，在存储结束后将数据包立即转发到相应的目标端口，返回步骤(2)；对于输出端口，在存储结束后立即将数据包转发至下一级端口，返回步骤(2)。
3.一种支持缓存时延设定的包转发方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)配置端口参数，包括允许通过数据交换系统的数据包的最大长度Lmax和端口允许进入缓存的数据长度L；
(2)接收进入端口的数据包；若端口为输入端口，则根据数据包中的目的MAC地址和路由信息确定待转发的目标端口；
(3)若L＝0，则端口执行直通转发方式；若L≥Lmax，则端口执行存储转发方式；若Lmax>L>0且端口为输入端口，则继续判断输入端口速率是否大于目标端口速率，若是，则执行存储转发方式，若否，则执行存储-直通转发方式；若Lmax>L>0且端口为输出端口，则端口执行存储-直通转发方式；
在直通转发方式下，对于输入端口，将数据包立即转发到相应的目标端口，返回步骤(2)；对于输出端口，立即将数据包转发至下一级端口，返回步骤(2)；
在存储转发方式下，对于输入端口，将数据包全部存储后进行校验，校验正确后转发到相应的目标端口，返回步骤(2)；对于输出端口，将数据包全部存储后进行检验，校验正确后传输至下一级端口，返回步骤(2)；
在存储-直通转发方式下，首先将数据包的前L长度的数据存储进缓存；其次，对于输入端口，在存储结束后将数据包立即转发到相应的目标端口，返回步骤(2)；对于输出端口，在存储结束后立即将数据包转发至下一级端口，返回步骤(2)。
4.一种支持缓存时延设定的包转发控制装置，其特征在于，包括：
参数配置单元：用于存储和配置端口参数Lmax和L，Lmax为允许通过数据交换系统的数据包的最大长度，L为端口允许进入缓存的数据长度；
速率监测单元：应用于输入端口，用于监测输入端口的速率，并与目标端口的速率进行比较；
转发方式控制单元：根据端口参数与端口速率，执行相应的转发方式；
其中，若L＝0，则端口执行直通转发方式；若L≥Lmax，则端口执行存储转发方式；若Lmax>L>0，则端口执行存储-直通转发方式；
在直通转发方式下，对于输入端口，将数据包立即转发到相应的目标端口；对于输出端口，立即将数据包转发至下一级端口；
在存储转发方式下，对于输入端口，将数据包全部存储后进行校验，校验正确后转发到相应的目标端口；对于输出端口，将数据包全部存储后进行检验，校验正确后传输至下一级端口；
在存储-直通转发方式下，首先将数据包的前L长度的数据存储进缓存；其次，对于输入端口，在存储结束后将数据包立即转发到相应的目标端口；对于输出端口，在存储结束后立即将数据包转发至下一级端口。
5.一种支持缓存时延设定的包转发控制装置，其特征在于，包括：
参数配置单元：用于存储和配置端口参数Lmax和L，Lmax为允许通过数据交换系统的数据包的最大长度，L为端口允许进入缓存的数据长度；
速率监测单元：应用于输入端口，用于监测输入端口的速率，并与目标端口的速率进行比较；
转发方式控制单元：根据端口参数与端口速率，执行相应的转发方式；
其中，若L＝0且端口为输入端口，则继续判断输入端口速率是否与目标端口速率相同，若是，则端口执行直通转发方式，若否，则端口执行存储转发方式；若L＝0且端口为输出端口，则端口执行直通转发方式；若L≥Lmax，则端口执行存储转发方式；若Lmax>L>0，则端口执行存储-直通转发方式；
在直通转发方式下，对于输入端口，将数据包立即转发到相应的目标端口；对于输出端口，立即将数据包转发至下一级端口；
在存储转发方式下，对于输入端口，将数据包全部存储后进行校验，校验正确后转发到相应的目标端口；对于输出端口，将数据包全部存储后进行检验，校验正确后传输至下一级端口；
在存储-直通转发方式下，首先将数据包的前L长度的数据存储进缓存；其次，对于输入端口，在存储结束后将数据包立即转发到相应的目标端口；对于输出端口，在存储结束后立即将数据包转发至下一级端口。
6.一种支持缓存时延设定的包转发控制装置，其特征在于，包括：
参数配置单元：用于存储和配置端口参数Lmax和L，Lmax为允许通过数据交换系统的数据包的最大长度，L为端口允许进入缓存的数据长度；
速率监测单元：应用于输入端口，用于监测输入端口的速率，并与目标端口的速率进行比较；
转发方式控制单元：根据端口参数与端口速率，执行相应的转发方式；
其中，若L＝0，则端口执行直通转发方式；若L≥Lmax，则端口执行存储转发方式；若Lmax>L>0且端口为输入端口，则继续判断输入端口速率是否大于目标端口速率，若是，则执行存储转发方式，若否，则执行存储-直通转发方式；若Lmax>L>0且端口为输出端口，则端口执行存储-直通转发方式；
在直通转发方式下，对于输入端口，将数据包立即转发到相应的目标端口；对于输出端口，立即将数据包转发至下一级端口；
在存储转发方式下，对于输入端口，将数据包全部存储后进行校验，校验正确后转发到相应的目标端口；对于输出端口，将数据包全部存储后进行检验，校验正确后传输至下一级端口；
在存储-直通转发方式下，首先将数据包的前L长度的数据存储进缓存；其次，对于输入端口，在存储结束后将数据包立即转发到相应的目标端口；对于输出端口，在存储结束后立即将数据包转发至下一级端口。
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