CN1200543C - 控制数据分组交换机的多点传送传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明允许评估针对定长数据分组的数据交换机中的多点传送传输等级，这些定长数据分组从输入端口向输出端口行进，并将其的单一副本暂时保存在共享存储器的缓存器内。每个输出端口配备输出端口队列，它含有保存准备通过输出端口离开数据交换机的数据分组的缓存器的指针，其中对当前保存数据分组的共享存储器中缓存器的总数，以及输出队列中的缓存器指针的总数进行计数，由此得到多点传送传输等级的测量，从而计算出多点传送指数。数据交换机还与包含多点传送输入队列的交换核心适配层一起使用。本发明帮助防止在使用定长数据分组交换机的通信网络中，当在网络节点处不得不支持高等级的多点传送和广播传输时出现的传输拥塞。

Description

控制数据分组交换机的多点传送传输方法

技术领域

本发明广泛地涉及通信网络。本发明尤其涉及控制在数据网交换节点处使用的分组交换机的多点传送和广播传输的系统和方法。本发明的目的是在批准过高等级的多点传送和广播传输时，防止各种类型的传输发生混乱。

背景技术

在过去的几年里，对通信网络带宽的连续增长的需求加速了光纤通信线路的发展。同时，为了更好地发掘光纤通信线路所固有的巨大的带宽容量，可以观察到已经广泛使用了WDM(波分复用)技术。因此，在大型通信网络中传输越来越多的数据已不再是瓶颈，而过去在链路上而不是在交换节点处常常存在着瓶颈问题。尽管确实使用了不同的数据传输协议，例如ATM(异步传输模式)、帧中继和IP(网际协议)，然而能够处理每秒成百兆字节或千兆字节的巨大数据业务量的网络节点当今主要依靠交换技术，尤其是利用高性能分组交换设备的交换技术。在网络节点处进行数据交换理论上可能有许多不同的方法，但普遍的方法是使用定长分组(也称为信元)交换设备，不管实际用于连接终端用户的高层通信协议如何，例如上面所提到的那些协议。这些设备在性能上往往比其它的设备更易调整，尤其是与那些经常建立在环形或总线结构上、处理变长分组的设备相比。于是，可以被看作具有N个输入和N个输出的黑箱的N×N交换机被允许从任何一个输入链路向任何一个输出链路传送定长分组。然而输入链路间接通过输入端口连接到交换结构上。事实上，为了适应通常比较复杂的物理协议，例如，SONET(同步光网络标准)，及某些用于交换节点之间的高层通信协议，以便使交换机被定制成处理定长分组并且不能直接传送许多协议的变长分组，始终在例如光纤连接的物理输入链路和实际交换结构输入端口之间提供端口-线路适配器。交换节点间太经常使用某些高级通信协议以致这些交换设备必须对分组进行截尾处理成固定大小的分组而不能直接地搬移许多协议中的可变长度的分组。与此相反，交换结构与输出链路之间的接口被称作输出端口，同样存在一个输出适配器。

因此，即使交换设备确实能适应光纤技术的实施所增加的大量带宽，仍会具有面向点到点通信的固有特点，因而当连接一个输入链路到一个输出链路时，它们的这种结构能最好地适应这一点。与例如环或总线、自然支持多点传送或广播(因为每个连接到共享介质的适配器均能“看见”共享介质上的所有传输)的共享介质结构相反，在交换设备中进行那些网络强制功能不是直接方式的。需要设法在某些输出端口(多点传送)或全部输出端口(广播)上复制通过输入端口进入的分组。由于为了节省内部存储器，分组实际上是不复制的，那么多点传送和广播的管理就变得复杂。更重要的是，它会以单点传送传输为代价消耗其它交换机资源，尤其是宝贵的交换机内部带宽，因此会明显促使恶化或产生传输堵塞。作为增加复杂性的例子，对于每个多点传送流，均必须维护一个输出端口列表，其中必须将同样的分组送往该列表中的每个端口，因此这个待复制的分组的单一副本不能释放，直到已经送往列表中的最后一个端口。因此，虽然使用交换机，特别是定长分组交换机实现千兆字节交换功能的方案已经证明是可行的，并且基于环或总线的共享介质解决方案不能应付伴随光纤实施而来的巨大带宽需求，但是其代价是必须使用其结构不能很好适应这些强制操作并且往往在得不到合理控制的情况下迅速导致传输阻塞(这是非常严重的问题)的设备，在交换机中实现复杂的、能够有效支持广播和多点传送的机制。

发明内容

因此，本发明的基本目的是帮助防止网络节点中支持的多点传送和广播传输在通信网络中产生的传输阻塞。

本发明的另一个目的是提供一种控制定长分组交换机中处理的多点传送和广播传输的等级的方法和系统。

本发明的另一个目的是定义一种简单的测量来估计定长分组交换机中在任何给定时刻所处理的多点传送和广播传输的总体等级。

本发明的另一个目的是允许更好地利用交换机的内部资源。

本领域技术人员通过下面结合附图进行的描述可以理解本发明的其它目的、特征和优点。本文期望涉及到任何其它的优点。

这里公开了评估数据交换机中多点传送传输等级的方法和系统。本发明适用于数据交换机，数据交换机用于从输入端口到输出端口传递的定长数据分组，并且包括用于暂时保存定长数据分组的单个副本的共享存储器。共享存储器由存储定长数据分组的缓存器组成。输出端口均配备输出端口队列，这个队列包含指向那些保存数据分组的缓存器的指针，这些数据分组将通过输出端口离开数据交换机。本发明假定对当前保存即将离开数据交换机的数据分组的共享存储器缓存器的总数进行计数，还在所有输出端口队列上对指向缓存器的指针的总数进行计数，并由此得到多点传送传输等级的测量。本发明还进一步假定通过比较这两个总数，得到多点传送传输等级的测量，从而计算出多点传送指数(MCI)。本发明还进一步假定数据交换机与交换核心适配层(SCAL)一起使用，交换核心适配层包含多点传送输入队列，多点传送输入队列保存针对多于一个的输出端口的输入传输。数据交换机和SCAL根据一组传输优先权等级控制传输。于是，对每个优先权，设置或更新与多点传送输入队列有关的多点传送阈值MCT(P)。当接收时，不断计算输入数据传输MCI，并且对每个优先权等级(P)，在每个SCAL[150]中比较MCI与MCT(P)以确定MCI是否大于MCT(P)。如果MCI大于MCT(P)，指示SCAL在多点传送输入队列中保存该优先权和所有低优先权的输入传输。然而，如果不大于，指示SCAL释放该优先权的输入传输，如果当前没有保存任何一个更高等级的优先权的传输。

本发明帮助防止在使用定长数据分组交换机的通信网络中出现传输拥塞，否则当在网络节点处不得不支持高等级的多点传送和广播传输时，会出现传输拥塞。

附图说明

图1示出了可以更好地利用本发明的交换机。

图2说明了本发明如何生成用于评估多点传送传输等级的多点传送指数(MCI)。

图3讨论了本发明解决的问题，以及针对每个优先权如何将MCI与多点传送阈值，即MCT(P)相比较以实现本发明。

图4示出了本发明的方法的步骤。

具体实施方式

图1举例说明一种能更好地利用本发明的交换单元[100]的概念。交换单元是具有输入端口[120]和输出端口[130]的共享存储器[110]的交换机。这里具体是具有8个端口的交换单元。

这里值得一提的是，通常可能必须使用多个这样的交换单元[100，101]。实际上，它们可能必须以各式各样的扩展模式组合在一起以增加端口的数量、端口速度和/或总体交换机性能，使得交换结构能够满足具体应用的需求。因为本发明也能用单个或多个例如[100]的交换单元实现，于是为简化起见，在下列描述中假定使用单独一个交换单元。如果实际上它们几个必须组合在一起，则假定它们是与单一交换单元等价的单独实体，但是具有数量更多、速度更高的端口。

与这些端口相连的是输入路由器[125]和输出路由器[135]。在输入端，数据分组从输入端口被路由[126]到共享存储器内的缓存器，并由输出路由器将数据分组从缓存器读取[136]到输出端口。因此，当接收一个分组时，通过交换单元控制部件[140]分配空闲缓存器[115]。指定交换单元列表和每个交换单元中的对应端口标识的路由向量被附加到分组中。在这种交换结构中，这样做的方式被称作源路由，因为路由向量由交换结构中的初始交换单元使用交换机上的路由表确定。在数据分组被接收之后，控制逻辑[140]分析当前的路由向量并将暂时保存这个分组的缓存器[115]的地址写进象[132]这样的输出队列中。因此，在知道分组缓存器地址的情况下，象[132]的输出队列就能够以控制部件所排队的顺序从共享存储器中读出相应的分组，因此它们通过相应的输出端口[130]最终退出交换单元[100]。

使用不对应于任何端口标识的特别路由标记进行多点传送和广播操作。为了进行多点传送，数据分组的路由标记与一列输出端口相对应。这个分组的单一副本被保存到共享存储器的分组缓存器[115]中，缓存器的地址被拷贝到例如两个输出队列[134]的所有相应输出队列中。因此，这个数据分组仅需要被存储一次，而指向共享存储器中存储数据的指针却被复制。这个被称作“发送时复制”(RAS)的方案提供具有最小存储资源的最佳性能，允许分组的唯一副本被读取两次[136，137]，使得在这个具体例子中它通过两个相应的输出端口退出。

并且如在背景部分已经作过简短讨论的，交换结构必须通过端口将通信线路连接到线路适配层，后面将线路适配层命名为SCAL，即交换核心适配层。每对IN和OUT交换端口均有这样一个SCAL[150]。它的主要目的是，使在例如光纤线路的通信线路的IN[161]和OUT[162]路径上用于传输数据的通常较复杂的协议，与交换机的IN[121]和OUT[131]端口适配。并且，SCAL另一关键的作用是帮助交换单元[100，101]确实实现无损交换功能。于是，为了帮助防止传输拥塞和避免任何丢失分组现象，为SCAL[150]的输入段在交换机中共享存储器的顶部配有更多的缓存器。不管实际实施的方法，这种额外的缓存被组织成一系列的队列：每个输出端口[171]一个队列，再加上多点传送传输的一个队列[172]。这些队列的目的是在必要时在其进入交换机之前暂时保存输入传输。因此，对所有必须通过多于一个输出端口退出交换机的传输，即多点传送传输，有一个公共队列[172]。对于针对单个输出端口的传输，即单点传送传输，每个端口[171]存在一个专用队列。

而且，图1所示的交换功能必须根据优先权管理传输的等级，以向终端用户提供不同的服务类型。例如，在本发明的描述中假定4级优先权(0-3)(也可以考虑更多或少的等级)。在这个描述中，等级0具有最高等级的优先权，并且相应的传输在拥塞情况下必须比低等级的优先权，即等级1、等级2和等级3的传输更迅速地处理。并且，作为防止拥塞的最后手段，如果必须丢失某些分组，则从优先权3的传输中开始丢弃分组。因此，与用于例如[132]的交换单元或SCAL中的各种队列相关的是水位标[180]，每个优先权等级均有一个。当一个队列被填充并穿过某些水位标，例如[181]时，这充当所有适当的动作的触发器，下面的描述将进一步讨论。水位标也与交换机共享存储器[110]的填充量相关。在后面这种情形下，如果共享存储器的对应优先权水位标被越过，采取的动作是全局性的，即涉及必须全部保存例如优先权3的交换机输入传输的所有SCAL。反之，如果输出队列[132]的优先权3的水位标被越过，则动作具有更多的选择性。尽管它们仍然涉及所有SCAL，然而仅在相应SCAL输入队列中保存该端口[132]的传输。

最终，使各个方面了解各种队列的状态和共享存储器的占用情况的机制在很大程度上依赖于对组成交换结构的交换单元的具体设计。尽管这超出了本发明的范围，但当具体实施本发明时，可以使用许多其它的方法，一个优选的操作方式是使用分别通过例如[131]的输出端口或例如[121]的输入端口离开或进入交换机的分组[190]的头部(系统开销)[191]传递这种信息。特别是，交换单元[100]内部所发生情况可以通过退出例如[131]的端口的传输来报告，并且被回送[192]到SCAL的输入段。这样，后一种信息在交换机的内部状态上保持更新，从而始终了解所有诸如[132]的端口输出队列的填充状态。因此，每个SCAL能够采取适当的动作，比如对针对繁忙输出端口的传输进行暂时的保存。类似地，可以利用通过输入端口[121]进入交换机的数据分组传递控制信息，使得这个信息能够通过退出所有交换机端口[130]的传输广播到所有其它SCAL。

这种方案被称作带内控制，它不仅利用交换机带宽传送终端用户数据，而且传送交换机控制信息，并且允许容易地将控制信息传播给所有需要接收它的部分。当必须加入交换单元[100，101]以扩充交换机性能和特性时，这个方案非常适用。尤其是，因传输方式和所携带的数据，这个方案即不需要在各种部件之间提供专用于控制信息交换的特定信号I/O，也不假定存在一个中央控制部件负责监视各个交换单元。

图2描述了用于评估在交换机内给定时刻出现的多点传送的强度的测量。因为在图1所述的交换机的结构，能够使用简单的测量，该测量将共享存储器[220]的实际填充量与控制部件以例如[231]的缓存器指针的形式在端口输出队列[230]中的排队量的总和相比较(并且尚未被传递)。于是，当前在共享存储器中分配的、用于暂时保存交换传输的缓存器的数目与仍然在端口输出队列中的缓存器指针的总数相比较。显然，如果这两个数字相同，则意味着在这一时刻不需要进行多点传送，因为每个暂时被保存的分组和它的单独目的端口之间存在一一对应关系。然而，只要某些分组必须通过多个输出端口离开交换机，由于已经确定在某些进入的传输上需要多点传送，这就立即导致多于一个输出队列中的缓冲器指针的复制。因此，缓存器指针的总数会变得高于共享存储器中分配的缓存器的数目，由此就可以测量多点传送的强度。必须产生[240]基于这样的测量的多点传送指数(MCI)[250]，使得可以根据传输优先权采取适当的动作。可以考虑几种产生这种测量的方式。作为一个例子，可以计算输出队列中出现的缓存器指针的总数与共享存储器中分配的缓存器的数目之比，使得结果是等于或大于1的MCI指数。指数越高，多点传送等级也越高，该等级具有取决于实现的可能上限值(它取决于共享存储器规模的大小与输出队列的总和的比)。这种实践本发明的方式假定必须进行除法运算，这需要复杂的硬件来高速完成运算。较简单的方法是计算差值。这需要简单的加法器。因此，当没有多点传送进行时，就返回指数0，并且象前面的情形那样，指数值越高，实施多点传送等级也越高，该等级同样具有取决于实现的上限。因此，在本发明的一个优选实施例中，用于评估多点传送强度的简单测量是：

MCI＝∑^NOQPP-SMAPB，其中

MCI＝多点传送指数

OQPP＝输出队列分组指针(N个端口上)

SMAPB＝共享存储器中分配的分组缓存器

然而必须理解，在本发明的优选实施例中，这种简单多点传送指数的选择并不排除可选的、更加复杂的方法以产生代表多点传送强度的指数。

如上述简短讨论的，在不偏离本发明宗旨的前提下，共享存储器的相对填充量与输出端口队列中排队量的比值，或任何其它测量方法在具体实现中均可以是优选的。

图3简短讨论了现有技术的两种典型情况，其中不受限制的多点传送等级会产生问题。这可以帮助更好地理解图3-c中进一步讨论的本发明的优点。

图3-a是当共享存储器在某一时刻保存许多去往同一输出端口[310]的优先权3的多点传送分组[300]时，产生的问题的例子。因为对应输出队列被填满，优先权3的水位标[320]被迅速地越过。因此，通过前面所讨论的允许散播交换控制信息给所有的交换单元[325]机制，所有的SCAL输出段[330]很快知道指定的输出端口队列[310]正在阻塞。因此，在这个例子中，在针对该端口的每个SCAL单点传送队列中保存诸如[331]的相应单点输入队列中例如优先权3的接收传输。然而，因为例如[332]的SCAL输入多点传送队列并不对专门针对特定端口，因此它们没有收到指示保存该优先权的传输，同时优先权3的共享存储器水位标[340]没有被越过。这导致多点传送传输和单点传送传输之间很不公平，因为只有后者被保存，虽然具体输出队列正在阻塞的原因主要(如果不是全部)在于前者。因此，在这些情形下，停止单点传送传输对解决这个问题是没有什么重要帮助的。

图3-b描述了在多点传送等级不受控制时所遭遇的困难的另一个例子。当共享存储器接收多点传送分组时，如果它们大部分去往一个或多个输出端口[350]，使得多点传送传输暂时地偏向到某些输出端口(虽然在理想情况下应当对所有的输出端口进行相等地传播)，于是共享存储器会迅速堵塞，并且相应优先权，例如优先权3的水位标被越过[390]。因此，只要共享存储器的优先权3的水位标确实被越过[375]，则在每个SCAL[380]的所有单点传送和多点传送队列，例如[381，382]中保存该优先权的所有传输。这种情况即使其它输出端口队列[360]不忙也会出现，并且能够较好地处理该优先权的传输。这也产生不公平，因为不管输出端口目的地如何，某些优先权(在这个例子中是等级3，或者如果优先权2的水位标被越过，则是等级2和等级3)的所有传输被无条件保存，例如[382]，而输出目的端口中某些端口对于该优先权可能正好空闲或负载较轻，因此导致交换机资源的未充分利用。

图3-c描述了本发明如何实现。如图2所述计算的多点传送指数MCI[395]与每个优先权的可编程多点传送阈值MCT(P)相比较[396]。这样，交换机用户具有为其自己的特殊应用而定制行为特性的自由。因此，本发明能够以优先于所有其它通常用于控制IN和OUT端口之间的数据流的机制的方式，对SCAL的多点传送队列[330，380]进行控制。更具体地，就多点传送传输来说，如果多点传送的等级低于或等于用户设置的阈值，不用采取任何具体措施。然而，如果越过设置的阈值，即MCI变得大于MCT(P)[398]，则为了保存多点传送队列[332，382]的传输，将这种情况告知所有的SCAL输入段[330，380]。这样做而不管共享存储器的实际填充量如何，以便防止图-2a所讨论的问题的发生(多点传送传输仍然允许流入，即使它在一个端口或多个端口输出队列[310]中是拥塞的主要因素)。换句话说，SCAL多点传送队列有它自己独立的、基于交换机中在给定时刻观察的多点传送总体实际等级的控制，使得在使用图3-a的结构时，多点传送的传输确实停下来了。因此，这种机制也允许摆脱图3-b中所讨论的问题，因为不再根据共享存储器的填充量来决定是否保存多点传送队列。于是，只要多点传送指数保持低于相应的阈值，SCAL多点传送队列仍然可以被批准以一定的优先权等级发送传输，使得非忙端口[360]有机会处理它。

图4描述的是本发明方法的步骤。在交换机中不断地计算多点传送指数即，MCI[400]。在此之前，根据具体应用只此一次或定期更新地设置每个优先权的多点传送阈值MCT(P)[410]。MCT(P)与MCI相比较。如果MCI低于或等于MCT(P)[431](P)，即对步骤[430]的答案为否定，则在当前已经没有保存更高等级的优先权的传输的情况下，命令SCAL释放[440]对应于该优先权的可能以前保持的状态。如果步骤[430]的答案为肯定，即MCI更大[432]，则命令SCAL保存当前优先权的传输(或确认以前的保存)加上所有低优先权的传输(如果有的话)。此后方法继续不断进行循环[460]，于是，当交换机启动并且运行时，在步骤[400]处恢复执行。可以串行或并行进行这样的操作以覆盖所有优先权等级的传输。为了首先对低优先权等级的传输进行保存，设置多点传送阈值[400]，使得优先权越高，阈值也就越大。

尽管已阐述图1所示的这种类型的交换单元[100，101]的内容，但是本领域技术人员应当理解，本发明中的那些技术也能在不同的环境中实施。尤其是，本发明也能应用在具有存储器的SCAL功能[150]的输出段上，以便在从单个SCAL处理多于一个通信线路[162]的情况下保存输出传输，从而实现子端口。在这种情形下，因为对每个子端口必须进行多点传送，前面的图中所详细描述的同样类型的问题会单独地发生在SCAL输出段上，因此需要实施本发明来解决这些问题。

Claims (6)

1.评估数据交换机[100，101]中的多点传送传输等级的方法，所述的数据交换机从输入端口[120]向输出端口[130]传送定长数据分组[190]，所述交换机包括暂时保存所述定长数据分组的单一副本的共享存储器[110]，所述共享存储器包括用于存储所述定长数据分组的缓存器[115]，所述输出端口均配置输出端口队列[132]，每个所述端口输出队列均含有指针[134]，所述指针指向保存将通过所述输出端口离开所述数据交换机的所述数据分组的那些所述缓存器；所述方法包括步骤：

对所述共享存储器[110]中当前保存将离开所述数据交换机的所述数据分组的所述缓存器[115]的总数进行计数[200]；

在所有所述输出端口队列[230]上，对指向所述缓存器的所述指针[231]的总数进行计数[210]；

根据所述计数的两个总数导出所述多点传送传输的等级的测量[240]。

2.根据权利要求1的方法，其中所述多点传送传输等级的所述测量包括计算多点传送指数MCI[250]，所述多点传送指数是所有所述输出端口队列中存在的指向所述缓存器的所述指针的总数与共享存储器中当前保存所述数据分组的所述缓存器的总数之间的差。

3.根据权利要求1的方法，其中所述多点传送传输等级的所述测量包括计算多点传送指数MCI[250]，所述多点传送指数是所有所述输出端口队列中存在的指向所述缓存器的所述指针的总数与共享存储器中当前保存所述数据分组的所述缓存器的总数之比。

4.根据权利要求1的方法，其中所述数据交换机与交换核心适配层SCAL[150]一起使用，所述SCAL包含用于保存通过所述数据交换机传送并且去往多于一个所述输出端口[130]的输入数据传输的多点传送输入队列[172]，所述数据交换机和所述SCAL根据一组优先权等级(P)[180]一起处理所述输入数据传输，对每个所述优先权等级，所述方法还包括步骤：

在开始接收所述输入数据传输之前，设置[400]与所述多点传送输入队列[172]相关的针对每个所述优先权等级(P)的多点传送阈值MCT(P)；

在接收所述输入数据传输的同时，可选地更新所述多点传送阈值MCT(P)。

5.根据权利要求2或3的方法，其中所述数据交换机与交换核心适配层SCAL[150]一起使用，所述SCAL包含用于保存通过所述数据交换机传送并且去往多于一个所述输出端口[130]的输入数据传输的多点传送输入队列[172]，所述数据交换机和所述SCAL根据一组优先权等级(P)[180]一起处理所述输入数据传输，对每个所述优先权等级，所述方法还包括步骤：

在开始接收所述输入数据传输之前，设置[400]与所述多点传送输入队列[172]相关的针对每个所述优先权等级(P)的多点传送阈值MCT(P)；

在接收所述输入数据传输的同时，可选地更新所述多点传送阈值MCT(P)。

6.根据权利要求5的方法，还包含步骤：

a)计算[410]所述MCI；

b)在每个所述的SCAL[150]中，针对每个所述优先权等级(P)[180]，将所述MCI与所述MCT(P)相比较，以确定[430]当前计算的所述MCI是否大于所述MCT(P)；

c)如果大于[432]：

指示[450]所述SCAL在所述的多点传送输入队列[172]中保存该优先权加上所有更低优先权的所述输入传输；

d)如果不大于[431]：

在当前没有保存任何更高优先权的传输的情况下，指示[440]所述SCAL释放该优先权的所述输入传输；

当接收输入传输时，不断循环[460]上述步骤a)、b)、c)和d)。

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