CN117614905B - 一种交叉开关调度方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种交叉开关调度方法和装置，该方法包括：在虚拟通道的每个输出端口中对当前调度时隙内所有发起路径资源请求的输入端口均发起授予，并在每个输出端口维护对应的轮转指针；当多个输入端口同时接受所述输出端口时，根据所述输出端口对应的轮转指针确定最终接受的输入端口，将所确定的输入端口匹配到所述输出端口，同时更新所述轮转指针；根据路径资源请求的输出端口信息，按照时间顺序将所有请求重映射到相应的输出端口队列中。本发明的技术方案缩短了调度延时，提高了调度的稳定性。

Description

一种交叉开关调度方法和装置

技术领域

本发明属于网络交换机领域，特别涉及一种交叉开关调度方法和装置。

背景技术

交换机是网络中重要的互联设备。交换机的交换结构和调度算法决定了交换机的性能和成本。交叉开关型(Crossbar)交换结构因其良好的扩展性以及较高的速率被广泛应用于交换机中。在Crossbar交换结构中，为了缓解输入队列队首阻塞(HOL)问题，提高系统吞吐率，一种有效的方案是采用虚拟队列，即一条物理路径可以被多个虚拟通道共享。具体实现方法是，在每一个输入端口按照虚拟通道数量设置多组队列(FIFO)，该多组队列缓存调度需要的控制信息。如图1所示为M个输入端口和N个输出端口的交换结构示意图，每一个输入输出端口内分别有n个虚拟通道，输入端口所输入的控制信息缓存至各输入端口中虚拟通道队列中。图1中，入口单元管理M*n个入口请求队列的信息，集中式调度单元执行M*n×N*n的调度，完成M×N的最大匹配，获得匹配结果，实现对Crossbar开关闭合的控制，以建立输入端与输出端的连接。

为了达到较低的交换延时，Crossbar交换机调度算法直接影响网络交换的性能。常用的调度算法是ISLIP算法，该算法采用迭代的策略，每次执行过程包括多次迭代，每次迭代包括请求request、授予grant和接受accept三个阶段。所有输入端口和输出端口在新的时隙到达时开始匹配，每次匹配之后，只有尚未匹配的端口参加下一轮的匹配，算法直到迭代收敛为止。如图1所示，入口与出口都设置缓冲区，缓冲区之间采用信用机制来实现流量控制。针对不同的虚拟通道，流量控制相互独立。

如前所述，ISLIP调度算法需要经过多轮迭代才能实现最大匹配，调度延时大，会导致输入端口消耗的资源较大，造成资源浪费。如果port数量增多，迭代的次数也随之增多。如果port数量为N，那么迭代的次数需要log₂N。图2以7×7的Crossbar调度器为例，示出了一次匹配第一次迭代的过程，在请求阶段，路径资源请求分布为Req(0，0)，Req(0，6)，Req(6，6)，分别表示In0请求OUT0以及OUT6，IN6请求OUT6。按照传统的ISLIP调度算法，需要迭代2轮才能获得最终的匹配结果。第一次迭代中，在Grant阶段，各出口port按照轮转指针，OUT0与OUT6均授予IN0。ACCEPT阶段，各入口port按照轮转指针，IN0接受了OUT0。第一次迭代结果是IN0匹配到OUT0。如图3所示的第二次迭代中，出现新的请求，但是没有被接收到迭代过程中。在Grant阶段，同样各出口port按照轮转指针，OUT6授予IN6。Accept阶段，各入口port按照轮转指针，IN6接受了OUT6。第二次迭代结果是IN6匹配到OUT6。图4为最终的匹配结果。从图2到图3的迭代可以看到，达到最大匹配(匹配数量最多)的调度延迟非常大，严重影响了调度的性能。

此外，ISLIP调度算法通常基于定长分组的信元调度。这就要求在出口端需要一定的资源来进行信元重组，导致出口端的实现逻辑较为复杂。而对于基于信用机制的交换机，往往需要大量传输变长分组的信元，如果采用传统的ISLIP调度算法，就需要在入口端执行一次定长信元的处理，再在出口端执行一次信元重组，导致硬件实现更加复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种交叉开关调度方法和装置，旨在解决减小交叉开关调度匹配的延迟问题。

根据本发明的第一方面，提供了一种交叉开关调度方法，包括：

在虚拟通道的每个输出端口中对当前调度时隙内所有发起路径资源请求的输入端口均发起授予，并在每个输出端口维护对应的轮转指针；

当多个输入端口同时接受所述输出端口时，根据所述输出端口对应的轮转指针确定最终接受的输入端口，将所确定的输入端口匹配到所述输出端口，同时更新所述轮转指针；

根据路径资源请求的输出端口信息，按照时间顺序将所有请求重映射到相应的输出端口队列中。

优选地，在发起授予之前，该方法还包括：

过滤掉信用低于阈值的路径资源，完成虚拟通道级别的调度，将调度结果存储在入口队列以及出口队列。

优选地，当只有一个输入端口接受所述输出端口时，在当前调度时隙内将该输入端口与所述输出端口直接匹配。

优选地，所述将所确定的输入端口匹配到所述输出端口之后，进一步包括：

在输出端口维护信用信息，并将该信用信息反馈给集中式调度单元，集中式调度单元根据包长信息与所述信用信息进行比较，屏蔽下游信用小于当前最大包长的请求，仅将信用高于阈值的请求发送到后续调度单元。

优选地，在下一调度时隙继续监视下游信用，当所述下游信用大于请求的当前最大包长时，取消屏蔽所述请求。

根据本发明的第二方面，提供了一种交叉开关调度装置，包括：

授予单元，用于在虚拟通道的每个输出端口中对当前调度时隙内所有发起路径资源请求的输入端口均发起授予，并在每个输出端口维护对应的轮转指针；

接受单元，用于当多个输入端口同时接受所述输出端口时，根据所述输出端口对应的轮转指针确定最终接受的输入端口，将所确定的输入端口匹配到所述输出端口，同时更新所述轮转指针；

重映射单元，用于根据路径资源请求的输出端口信息，按照时间顺序将所有请求重映射到相应的输出端口队列中。

相比于现有技术，本发明的技术方案具备以下优点：

本发明提出的方案在一个调度时隙内完成了尽可能多的匹配，显著缩短了调度延时，减少了硬件资源占用，提高了调度的性能，基于不定包长的调度方式，在进行信用过滤的过程中利用防大包饿死机制提高了调度的稳定性，不需要在入口端与出口端对信元进行拆分和重组，大大简化了硬件实现。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可以通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构和流程来实现和获取。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见的是，下面描述中的附图是本发明的某些实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取其他的附图。

图1是根据现有技术的交叉开关型M×N交换结构示意图。

图2是根据现有技术的交叉开关调度算法一次匹配第一次迭代的过程及结果示意图。

图3是根据现有技术的交叉开关调度算法一次匹配第二次迭代的过程及结果示意图。

图4是根据现有技术的交叉开关调度算法一次匹配两次迭代后的匹配结果。

图5是根据本发明的交叉开关调度方法的总体流程图。

图6根据本发明的不设置迭代次数的交叉开关调度算法匹配过程示意图。

图7是根据本发明的VA队列到SA队列的重映射机制示意图。

图8是根据本发明具体实施例的VA队列到SA队列的重映射过程示意图。

图9是根据本发明的多个输入port同时接受同一输出port的处理方式示例图。

图10是根据本发明具体实施例的大包饿死状态示意图。

图11是根据本发明的防大包饿死机制流程图。

具体实施方式

为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获取的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

基于以上分析，本发明提出了一种交叉开关调度算法，旨在减小匹配的延迟并在一个调度时隙内完成尽可能多的匹配结果。在匹配的过程中不设置迭代次数，在不失公平性的前提下，接收新的请求，完成一次匹配。为了在一个调度时隙内完成尽可能多的匹配，在Grant阶段，各出口port向所有发起请求的入口port均发起授予。且在各出口维护轮转指针，该指针记录的是上一个调度时隙的匹配结果。在Accept阶段，在各入口port监测各出口port的授予情况。如果该出口没有被其它入口接受，则认为该出口port是空闲的，在当前调度时隙内，可以将该入口与该出口直接匹配。如果该出口被多个入口接受，则此时根据该出口port的轮转指针，来决定被哪个入口接受。在进一步的方案中，为了简化硬件实现的复杂性，匹配的粒度不是按照定长信元进行匹配，而是按照不定包长进行匹配，同时引入了防大包饿死的机制，以提高不定包长调度的可靠性。

参见图5的流程图，本发明提供的所述交叉开关调度方法包括：

步骤101：在授予阶段，在虚拟通道的每个输出端口中对当前调度时隙内所有发起路径资源请求的输入端口均发起授予，并在每个输出端口维护对应的轮转指针。

本发明的集中式调度处理单元，主要分为两个阶段执行，分别包括VA阶段(virtual channel allocator虚拟通道分配阶段)和SA阶段(switch allocator开关分配阶段)。其中，VA阶段主要完成信用管理，过滤掉信用不足的路径资源请求，以及完成虚拟通道级别的调度。VA阶段调度完成之后，将调度结果分别存储在VA的入口队列以及出口队列中。在SA阶段，采用本发明改进的调度算法，完成SA阶段的调度。为了减小匹配延迟，在匹配的过程中不设置迭代次数，在新一轮的匹配中发起新的请求。为保证匹配的公平性，在匹配开始时对VA队列中的请求基于路由信息重新执行一次映射。为了进一步减小匹配延迟，在一个调度时隙内完成尽可能多的匹配结果，在Grant阶段，各出口port会向所有发起请求的入口port均发起授予，且在各出口维护轮转指针，该指针记录的是上一个调度时隙的匹配结果。

步骤102：在接受阶段，当多个输入端口同时接受所述输出端口时，根据所述输出端口对应的轮转指针确定最终接受的输入端口，将所确定的输入端口匹配到所述输出端口，同时更新所述轮转指针。

在Accept阶段，在各入口port监测各出口port的授予情况。如果该出口没有被其它入口接受，认为该出口port是空闲的，在当前调度时隙内，可以将该入口与该出口直接匹配。如果该出口被多个入口接受，则此时需要根据该出口port的轮转指针，来决定最终被哪个入口接受。

如图6的示例所示，在匹配过程中，不设置迭代次数。请求阶段，路径资源请求分布为Req(0，0)，Req(0，6)，Req(6，6)和Req(1，1)和Req(1，6)。其中Req(1，1)和Req(1，6)为匹配过程中新接收的请求。对于没有出口冲突的请求Req(1，1)会进入到匹配过程中，完成Grant阶段和Accept阶段，最终完成匹配。可以看到，与图2与图3的匹配迭代过程相比，Req(1，1)可以快速完成匹配。对于Req(1，6)，可以看到该新到达的请求与Req(6，6)在出口有冲突，为了保证调度的公平性，Req(1，6)必须在Req(0，6)之后进行排队，在下一次调度时隙进行新一轮的匹配。具体实现如图7所示，在VA队列的出口需要按照路由信息对路径资源请求重新进行一次映射。

步骤103：根据路径资源请求的输出端口信息，按照时间顺序将所有请求重映射到相应的输出端口队列中。

VA阶段经过虚拟通道级别的调度之后，会按照虚拟通道将调度结果存入到VA队列中，对于M×N，虚拟通道数为n的Crossbar调度器，其队列分布如图7所示。VA队列分布有M×n个入口VA队列，该队列存储每一个入口VC(虚拟通道)请求的出口路由信息。VA队列同时还分布有N×n个出口VA队列，该队列存储每一个出口VC(虚拟通道)请求的入口路由信息。重映射单元根据路由信息，按照输出端口(OPORT)进行重新排队，将去往相同port的路径资源请求按照请求到达的先后顺序排队发起请求，以保证公平性。图8为VA队列重映射到SA队列的示例图，举例说明了这种映射方式。R(0，0)表示入口port0请求出口port0，R(1，0)表示入口port1请求出口port0，以此类推。R(1，1)与R(6，0)表示新的路径资源请求，分别是入口port1请求出口portl，入口port6请求出口port0。经过重映射单元之后，按照出口port重新进行队列排队。图8中，可以看到，有冲突的R(6，0)重新入队后排在R(0，0)与R(1，0)之后。在出口队列中，即O(0，6)排在O(0，0/1)之后。同时，没有出口冲突的O(1，1)排在OPORT1队列的队首。

如图8所示，在不设置迭代次数的匹配过程中，在Grant阶段，出口port 6对所有发起请求的入口port提出授予，即G(6，0)和G(6，6)，分别表示输出port6对输入port0发起了授予，同时对输入port6发起了授予。在Accept阶段，输出port6没有被输入port0接受，此时认为输出port6是空闲的，在当前调度时隙，可以直接将输入port6与输出port6进行匹配。同时，轮转指针更新到0。如图9所示为多个输入port同时接受同一个输出port示例图，输入port0与输入port6都接受了输出port6，此时，需要判断输出port6的轮转指针，如果指针是0，则将输入port0匹配到输出port6，同时，输出port6的轮转指针更新为1。

在本发明进一步实施例中，为简化硬件实现的复杂性，匹配的粒度不是按照定长信元进行匹配，而是按照不定包长进行匹配。本发明中流控的方式是基于信用机制进行控制的，每一个虚拟通道其流量是分开的。调度单元与出口port的数据缓存区之间的流量控制方式基于信用机制。具体包括在出口port处会维护信用信息，并将该信用信息反馈给集中式调度单元。集中式调度单元根据包长信息与出口port的信用信息进行比较，只有信用充足的请求，才能进入到后续调度单元。在具体的实施例中，只有信用大于阈值的请求才能进入到后续调度单元。如图11所示，该阈值为当前最大包长信息。

如图10所示，在该场景下会引入大包饿死的问题。图10中R(0，0，1)表示输入port0向输出port0发起请求，且申请的空间是1flits(上下游接口之间数据的位宽)。R(x，0，9)表示输入portx向输出port0发起请求，且申请的空间是9flits。在如图所示的示例中，下游缓冲区可用的空间是7flits。由于信用不足(下游buffer的可用空间不足)，将iport1，iport2，iport3，iport4，iport5，iport6对输出port0的请求，全部过滤掉。如果iport1始终包含小包，则调度器一直会将输出port0匹配给输入iport0，导致其他端口的大包被饿死。为了解决该问题，本发明提出了一种防大包饿死机制，如图11所示。在屏蔽去往该出口的请求之后，在下一调度时隙继续监视下游信用，并且当下游信用大于请求的当前最大包长时，取消屏蔽所述请求，并对该请求进行信用过滤。

基于图1所示的M×N Crossbar调度示意图，当M×n个输入队列发起请求之后，在集中式调度单元，监测出口port各VC的信用信息，进行信用过滤，只有信用充足的请求才可进入到后续的匹配调度。

可见，本发明提出的交叉开关调度方法，相比于现有技术，由于不设置迭代次数，在匹配的过程中接收新的请求，对于出口没有冲突的新请求，在当前调度时隙内即可匹配成功。对于出口有冲突的新请求，为保证公平性，会在出口port队列中排队，在下一次调度时隙中进行匹配。如图7所示，在grant阶段，出口会对所有入口iport提出授予。在accept阶段，在每一个输入端口，会对提出grant授予的出口port进行检测，如果该出口port没有被其它入口Port接受，则发出一个标志信号，表示出口port空闲，在当前调度时隙内会将该入口与出口进行匹配。如果该出口port被其它入口port接受，即在同一个调度时隙内，同一个出口授予给多个入口，且该多个入口均接受了该出口。此时，需要根据该出口port的轮询指针，来决定当前出口port应该被哪个入口port接受。在一个调度时隙内完成了尽可能多的匹配。本发明提出的方案，显著缩短了调度延时，减少了硬件资源占用，提高了调度的性能。此外，本发明提出了基于不定包长的调度方式，在进行信用过滤的过程中，利用防大包饿死机制提高了调度的稳定性，不需要在入口端与出口端对信元进行拆分和重组，大大简化了硬件实现。

相应地，本发明在第二方面提供了一种交叉开关调度装置，包括：

授予单元，用于在虚拟通道的每个输出端口中对当前调度时隙内所有发起路径资源请求的输入端口均发起授予，并在每个输出端口维护对应的轮转指针；

接受单元，用于当多个输入端口同时接受所述输出端口时，根据所述输出端口对应的轮转指针确定最终接受的输入端口，将所确定的输入端口匹配到所述输出端口，同时更新所述轮转指针；

重映射单元，用于根据路径资源请求的输出端口信息，按照时间顺序将所有请求重映射到相应的输出端口队列中。

上述装置可通过上述第一方面的实施例提供的交叉开关调度方法实现，具体的实现方式可以参见第一方面的实施例中的描述，在此不再赘述。

可以理解，上述实施例中描述的电路结构、名称和参数仅为举例。本领域技术人员还可以根据使用需要，对以上多个实施例的结构特征进行容易想到的组合和调整，而不应将本发明的构思限制于上述示例的具体细节。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种交叉开关调度方法，其特征在于，包括：

在虚拟通道的每个输出端口中对当前调度时隙内所有发起路径资源请求的输入端口均发起授予，并在每个输出端口维护对应的轮转指针；所述轮转指针记录上一个调度时隙的匹配结果；

当多个输入端口同时接受所述输出端口时，根据所述输出端口对应的轮转指针确定最终接受的输入端口，将所确定的输入端口匹配到所述输出端口，同时更新所述轮转指针；

根据所述路径资源请求的输出端口信息对所述路径资源请求进行重新排队，按照请求到达的先后顺序将去往相同输出端口的路径资源请求重映射到相应的输出端口队列中；

所述将所确定的输入端口匹配到所述输出端口之后，进一步包括：

基于信用机制实现调度单元与输出端口的数据缓存区之间的流量控制方式，在输出端口维护信用信息，并将该信用信息反馈给集中式调度单元，所述集中式调度单元根据包长信息与所述信用信息进行比较，如果下游信用小于当前最大包长，则屏蔽所有去往该输出端口的请求，等待下游信用大于去往该输出端口的最大包长，否则对去往该输出端口的请求进行信用过滤，仅将信用大于阈值的请求发送到后续调度单元；

在下一调度时隙继续监视下游信用，当所述下游信用大于请求的当前最大包长时，取消屏蔽所述请求。

2.根据权利要求1所述的交叉开关调度方法，其特征在于，在发起授予之前，该方法还包括：

过滤掉信用低于阈值的路径资源，完成虚拟通道级别的调度，将调度结果存储在入口队列以及出口队列。

3.根据权利要求1所述的交叉开关调度方法，其特征在于，还包括：

当只有一个输入端口接受所述输出端口时，在当前调度时隙内将该输入端口与所述输出端口直接匹配。

4.一种交叉开关调度装置，其特征在于，包括：

授予单元，用于在虚拟通道的每个输出端口中对当前调度时隙内所有发起路径资源请求的输入端口均发起授予，并在每个输出端口维护对应的轮转指针；所述轮转指针记录上一个调度时隙的匹配结果；

接受单元，用于当多个输入端口同时接受所述输出端口时，根据所述输出端口对应的轮转指针确定最终接受的输入端口，将所确定的输入端口匹配到所述输出端口，同时更新所述轮转指针；

重映射单元，用于根据所述路径资源请求的输出端口信息对所述路径资源请求进行重新排队，按照请求到达的先后顺序将去往相同输出端口的路径资源请求重映射到相应的输出端口队列中；

所述重映射单元，进一步用于：

基于信用机制实现调度单元与输出端口的数据缓存区之间的流量控制方式，在输出端口维护信用信息，并将该信用信息反馈给集中式调度单元，集中式调度单元根据包长信息与所述信用信息进行比较，如果下游信用小于当前最大包长，则屏蔽所有去往该输出端口的请求，等待下游信用大于去往该输出端口的最大包长，否则对去往该输出端口的请求进行信用过滤，仅将信用大于阈值的请求发送到后续调度单元；

在下一调度时隙继续监视下游信用，当所述下游信用大于请求的当前最大包长时，取消屏蔽所述请求。

5.根据权利要求4所述的交叉开关调度装置，其特征在于，所述授予单元，进一步用于：

过滤掉信用低于阈值的路径资源，完成虚拟通道级别的调度，将调度结果存储在入口队列以及出口队列。

6.根据权利要求5所述的交叉开关调度装置，其特征在于，所述接受单元，进一步用于：

当只有一个输入端口接受所述输出端口时，在当前调度时隙内将该输入端口与所述输出端口直接匹配。