CN1221109C - 具有多级缓冲器的负载平衡式交换装置及方法 - Google Patents

具有多级缓冲器的负载平衡式交换装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种负载平衡式交换机，具有多级缓冲器，可解决传统交换机需要内部加速器与所产生的脱序问题。本发明的一种负载平衡式交换装置，包括一前端机构、一中央交换机构以及一后端机构。该前端机构，用以分散后并暂存输入至该装置的多个封包。该中央交换机构，连接于该前端机构，用于将多个输入封包交换至该中央交换机构的多个输出端口。该后端机构，连接于该中央交换机构，用以将多个封包再排序及等待输出。

Description

具有多级缓冲器的负载平衡式交换装置及方法
技术领域
本发明有关于一种应用于网络系统的封包交换装置及其方法，更特别有关于一种负载平衡式交换装置，其具有多级缓冲器，可解决传统交换机需要内部加速器与所产生的脱序问题。
背景技术
图1为公知4×4输出缓冲器纵横式(crossbar)交换机的结构图，其中纵横式交换机11的一端连接各具有一输出缓冲器12的多个输出端口，该输出缓冲器12用以储存进入各输出端口的封包，使该封包不致因该纵横式交换机11暂时无法输出而漏失。该纵横交换机11的前一端连接至多个输入端口。该纵横式交换机11在每个纵行和横列的交会点都有一个控制器(图未示出)，以控制数据的流向。以图1为例，连接点13代表控器导通，因此图1所示的例子表示第一个输入端口连接至第四个输出端口、第二个输入端口连接至第二个输出端口、第三个输入端口连接至第一个输出端口及第四个输出端口连第三个输出端口。若以逻辑1代表导通，而以逻辑0代表不导通，则可以用一排列矩阵(permutation matrix)代表前述的连接样式。若将时间切成最小单位的时槽(time slot)，并假设该纵横式交换机11的输入端口和输出端口仅在该时槽内进行一次数据转移，则输出和输入间就可以达到同步的功能。因此如何找出该纵横式交换机11在每一个时槽的连接样式将是决定该纵横式交换机11的效能好坏的关键点。
图2为公知合并输入输出队列式交换机的结构图。其中纵横式交换机21的前一端连接各具有一输入缓冲器22的多个输入端口，该输入缓冲器22用以储存进入各输入端口的封包，使该封包不致因该纵横式交换机11暂时无法连接而漏失。其中纵横式交换机21的另一端连接各具有一输出缓冲器23的多个输出端口，该输出缓冲器23用以储存进入各输出端口的封包，使该封包不致因该纵横式交换机11暂时无法输出而漏失。其操作方式大致如图1所述。因此如何找出该纵横式交换机21在每一个时槽的连接样式将是决定该纵横式交换机21的效能好坏的关键点。
该纵横式交换机11或该纵横式交换机21在每个时槽均会设定一种连结样式，但储存在不同输入缓冲器内的封包若有相同的输出端口则不能在同一个时槽时间内被传送。这样的限制会造成排列前端阻碍(Head of line blocking，又称为HOL blocking)所造成的低输出率。造成排列前端阻碍的原因是因为输入缓冲器为单一先进先出(singleFirst In First Out，又称FIFO)的结构，也就是说储存在输入缓冲器的封包必须依照其储存时间的先后顺序来传送，后到的封包即使与先储存的封包有不同的预定输出端口，只要先储存的封包还未被传送出去，后到的封包也不能被传送，必须继续在该输入缓冲器中等待，这种情会大幅降低该纵横式交换机11或该纵横式交换机21的使用效率。
公知技术采用虚拟输出队列(Virtual output queueing，又称为VOQ)的方法以解决上述问题，即每个输入缓冲器必须分成N个虚拟输出队列，该虚拟输出队列可以一存储器来实现。将两种服务等不同的流量依其输出端口的不同分开储存于不同的虚拟输出队列之中，而不再只是依照输出端口作为区分，其中第n个虚拟队列所储存的是预定输出至第n个输出端口的封包(1≤n≤N)。当一输入端口有封包进入时，便依照此封包预定的输出端口将它储存在其对应的虚队列之中，即记录每个队列储存封包的存储器地址。当输出封包时只要查询该存储器地址便可将封包读取，因此每个虚拟队列的封包并不会被其它虚拟队列的封包所阻碍。
另外解决排列前端阻碍的方法，公知技术利用图1中的该纵横式交换机11与图2中的该纵横式交换机21作内部加速，而达到100％的输出率(throughput)，也就是说该纵横式交换机11或该纵横式交换机21的进行封包交换的速度必须比传输封包的速度来的快，大约须两倍以上才行，另该纵横式交换机须在每个时槽均决定输入封包与输出端口的最大配对数(maximal matching)，以达到每时槽能输出最多的封包数目，如上所述，因每个时槽均要作一最大配对数的算法，造成该纵横式交换机11或该纵横式交换机21的速度无法应用于现今的高速网络的原因。
有些论文提出一种不需做内部加速的一纵横式交换机，以加权式回合轮流算法(weighted round robin)达到速率保证及100％的输出率，该项技术可见于T.Anderson，S.Owwicki，J.Saxes and C.Thacker，“High speed switch scheduling for local area networks，”ACM Trans.onComputer System，Vol.11，pp.319-352，1993。但前述装置必须选取一个讯框长度，预先以固定个数的封包当作是一个讯框。当讯框长度过大时，会造成封包延迟，而且需要较大的存储器将讯框时间内所有的交换机连结样式储存下来，当讯框长度过小时，会降低该频宽使用的效率。
另外也有些论文提出一种不需做内部加速的一纵横式交换机。图3为公知的具有一级缓冲器的负载平衡式交换机的结构图。该交换机31具有两级的纵横式交换构造与一级的缓冲器。该缓冲器32位在第二级纵横式交换构造34的输入端，且使用虚拟输出队列(VOQ)技术以解决排列前端阻碍(head of line blocking)的问题。同时时间也被槽化并同步，因此一个封包可以被正确的在一个时槽之内传送。在一个时槽内，两个的纵横式交换构造设定连结样式根据排列矩阵组，其中该矩阵组是由一循环的排列矩阵周期地产生。
使用该交换机架构的原因如下：因为联结样式是周期地，来自第一级纵横式交换构造33的相同输入端的封包，根据其到达时间，是以回合轮流方式分布到第二级纵横式交换构造34。因此第一级纵横式交换构造33对进入的流量内容运作了负载平衡。当流量内容进入至第二级纵横式交换构造34时是负载平衡的，因此第二级纵横式交换构造34可以使用简单的周期性联结样式去运作交换。该交换机具有低硬件复杂度、100％的传输率、在重负载时有低的平均延迟，以及有效的缓冲使用。该项技术详细可见于张正尚(C.S.Chang)等人于Computer Communication on“Current Issues in Terabit Switching，“2002.所发表之”Load Balanced Birkhoff-von Neumann Switched，PartI：One-stage Buffering，”。但前述装置的主要缺点是其封包可能会有脱序(out of sequence)问题。
由以上叙述可知，现行应用于高速网络传输的交换机无法完全满足市场要求。有鉴于此，便有需要提供一种应用封包交换装置及其方法，可解决传统交换机需要内部加速器或所产生的脱序问题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种具有多级缓冲器的负载平衡式交换装置及其方法，应用于高速的网络上，可解决传统式交换机需要加速器或产生的脱序问题。
根据本发明的目的，本发明的一种负载平衡式交换装置，应用于网络的封包交换，包括一前端机构、一中央交换机构以及一后端机构。该前端机构，用以分散后并暂存输入至该装置的多个封包。该中央交换机构，连接于该前端机构，用于将多个输入封包交换至该中央交换机构的多个输出端口。该后端机构，连接于该中央交换机构，用以将多个封包再排序及等待输出。其中该前端机构更包括一流量分离器与一负载平衡缓冲器。该后端机构更包括一再排序缓冲器与一输出缓冲器。
根据本发明的一特征，该中央机构更包括一第一级交换构造、一抖动的控制机构、一中间缓冲器、一第二级交换构造。
根据本发明的另一特征，该中央机构更包括一第一级交换构造、一中间缓冲器、一第二级交换构造。
根据本发明的目的，本发明的一种负载平衡式交换方法，应用于网络的封包交换，包括下列步骤；(a)利用一前端机构，其分散后并暂存输入至该前端机构的多个封包；(b)利用一中央交换机构，连接于该前端机构，将多个输入封包交换至该中央交换机构的多个输出端口，以及(c)利用一后端机构，连接于该中央交换机构，将多个封包再排序及等待输出。
其中该步骤(a)更包括下列步骤：利用一流量分离器，分散输入至该装置的多个封包；利用一负载平衡缓冲器，连接至一流量分离器，储存被分散的多个封包至该缓冲器的N个虚拟输出队列，并等待进入至该中央交换机构。
其中步骤(c)更包括：利用一再排序缓冲器，纪录该封包至该虚拟输出队列，以便相同流量的封包到达时，以相同顺序离开；以及利用一输出缓冲器，连接于该再排序缓冲器，储存封包至虚拟输出队列，以等待传送至该装置的输出连结。
根据本发明的一特征，其中该步骤(b)更包括下列步骤：利用一第一级交换构造，将多个输入封包交换至该第一级交换构造的多个输出端口；利用一抖动的控制机构，连接于该第一级交换构造，延迟每一个封包到该多个封包在第一级交换构造的最大延迟量；利用一中间缓冲器，连接于该抖动的控制机构，储存被分散的多个封包至该缓冲器的N个虚拟输出队列，且以先到先服务输出(FCFS)策略将该多个输入封包时程化，其中该策略使来自相同流量的多个封包均匀地分布出去；利用一第二级交换构造，连接于中间缓冲器，用于将将多个输入封包交换至该第二级交换构造的多个输出端口。
根据本发明的一特征，其中该步骤(b)更包括下列步骤：利用一第一级交换构造，将多个输入封包交换至该第一级交换构造的多个输出端口；利用一中间缓冲器，连接于该第一级交换构造，储存多个封包至该缓冲器的N个虚拟输出队列，并以最早期限优先算法(Earliest Deadline First，EDF)中对多个封包作时程安排，其中该策略是以第一级交换构造的出发时间作为最后期限；利用一第二级交换构造，连接于中间缓冲器，用于将将多个输入封包交换至该第二级交换构造的多个输出端口。
附图说明
图1为公知4×4输出缓冲器纵横式交换机的结构图；
图2为公知合并输入输出队列式交换机的结构图；
图3为公知具有一级缓冲器的负载平衡式交换机的结构图；
图4为根据本发明第一实施例，具有多级缓冲器的负载平衡式交换机的结构图；
图5为根据本发明第二实施例，具有多级缓冲器的负载平衡式交换机的结构图。
11：纵横式交换机  12：输出缓冲器
13：连接点
21：纵横式交换机  22：输入缓冲器
23：输出缓冲器
400：交换装置     410：前端机构   411：一流量分离器
412：一负载平衡缓冲器     413：虚拟输出队列
420：中央机构             421：第一级交换构造
422：第一级交换构造的输出端口
423：抖动的控制机构       424：一中间缓冲器
425：虚拟输出队列         426：第二级交换构造
427：第二级交换构造的输出端口
428：第一级交换构造的输入端
429：第二级交换构造的输入端
430：后端机构             431：再排序缓冲器
432：输出缓冲器
600：交换装置  610：前端机构   611：流量分离器
612：负载平衡缓冲器       613：虚拟输出队列
620：中央机构             621：第一级交换构造
622：第一级交换构造的输出端口
623：中间缓冲器
625：第二级交换构造
626：第二级交换构造的输出端口
627：第一级交换构造的输入端
628：第二级交换构造的输入端
630：后端机构  631：再排序缓冲器  632：输出缓冲器
具体实施方式
欲解决具有一级缓冲器的负载平衡式交换机所产生的脱序问题，有一快速做法是在第二级交换构造之后加入一个再排序与输出缓冲器。但是封包在第一级纵横式交换构造的分布根据该封包到达时间(arrival time)，因此无法保证在该再排序与输出缓冲器的容量足以防止封包的遗失。因此，封包在第一级纵横式交换构造的分布根据其流量(flow)而不是到达时间。因此，我们必须再加一流量分离器与一负载平衡缓冲器在第一级纵横式交换构造的前端。
本发明提供具有多级缓冲器的负载平衡式交换装置。通过在第一级纵横式交换构造之前加入一个负载缓冲器，以及在第二级纵横式交换构造之后加入一个再排序与输出缓冲器。封包在第一级纵横式交换构造的分布根据该封包的流量(flow)而不是其到达时间(arrival time)。其中该第一级纵横式交换构造与该第二级纵横式交换构造都先到先服务输出缓冲交换机。
在本发明中，我们考虑一种具有多投掷流量(multicasting flow)的流通量模型，该模型比起点对点流通量模型更具一般性，一个多投掷流量为一个封包的流动，该流动具有一个(one)共同的输入及一群(a set)共同的输出。该多重投掷流量具有两种时程化策略：先到先服务策略(First Come First Served，FCFS)及最早期限(EarliestDeadline First，EDF)策略。该先到先服务策略需要在第二级纵横式交换构造之前设置一种抖动(jitter)控制器，用以确立进入第二级纵横式交换构造的流量能有适当的顺序。对于最早期限优先算法，并不需要抖动控制器。该策略使用其相对应的先到先服务输出缓冲交换机的出发时间作为最后期限，并且根据该期限对封包作时程安排。
根据该两种策略，本发明提出两种交换装置的实施例。该两种策略使本发明的交换装置的端对端延迟(end-to-end delay)被限制在来自相对应的先到先服务输出缓冲交换机的延迟总和，及一定数中，其中该定数为依该交换机的大小及由该交换机所支持的多重投掷流量的数目而定。
图4为根据本发明第一实施例，具有多级缓冲器的负载平衡式交换装置的结构图。该实施例根据利用先到先服务策略的交换装置。
现请参照图4。该交换装置400包括一前端机构410、一中央交换机构420以及一后端机构430。该前端机构410更包括一流量分离器411，用以分散输入至该装置的多个封包；一负载平衡缓冲器412，连接至一流量分离器411，用以储存被分散的多个封包至该缓冲器的N个虚拟输出队列413，并等待进入至该中央交换机构。该流量分离器411以回合轮流方式，将来自相同流量的多个封包均匀地分布到该N个虚拟输出队列413。未失去普遍性的情况下，我们假设一流量的第一封包通常被指定为第一虚拟输出队列。
该中央机构420更包括一第一级交换构造421，用于将多个输入封包交换至该第一级交换构造421的多个输出端口422；一抖动的控制机构423，连接于该第一级交换构造421，用于延迟每一个封包到该多个封包在第一级交换构造421的最大延迟量；一中间缓冲器424，连接于该抖动的控制机构423，用以储存被分散的多个封包至该缓冲器的N个虚拟输出队列425，且以先到先服务输出(FCFS)策略将该多个输入封包时程化，其中该策略使来自相同流量的多个封包均匀地分布出去；一第二级交换构造426，连接于中间缓冲器424，用于将多个输入封包交换至该第二级交换构造的多个输出端口427。
对该N*N交换机，在第一级交换构造421的每一输入端428的该负载平衡缓冲器412包含了N个虚拟输出队列413，设定给该级的N个输出端428。来自相同流量的封包以回合轮流方式地分布到N个虚拟输出队列413，并以先到先服务的策略作时程安排。因此来自相同流量的封包便可以平等地分散至第二级交换构造426的输入端429，因此负载平衡即可达到。该负载平衡缓冲器412的延迟与缓冲器容量(size)被限制在一定数中，该定数依赖该交换装置400的容量大小及由该交换装置400所支持的多重投掷流量的数目而定。
该后端机构430更包括一再排序缓冲器431，用以纪录该封包，以便相同流量的封包到达时，以相同顺序离开；一输出缓冲器432，连接于该再排序缓冲器431，用以储存封包以等待传送至该装置的输出连结。
对于该多投掷流量，一种扇式输出分散方式(splitting)作用于中间级缓冲器424(该虚拟输出队列在第二级交换构造的前端)。该中间缓冲器424的容量是假设无限的，以致于没有任何封包会被遗失在该交换装置400中。
为简化起见，令d1，max＝(N-1)Lmax，其中Lmax表示该先到先服务输出缓冲交换机的输入端的流量最大数目。d1，max为在第一级交换构造421的最大延迟，一抖动(jitter)控制机构423被加入于第二级交换构造426之前，当经由该负载平衡缓冲器412的延迟被约束于上述的d1，max时，具有小于d1，max延迟的封包经过该抖动(jitter)控制机构423会被延迟到d1，max；因而，进入位于第二级交换构造426的输入端口之前的该中间缓冲器424的每一个封包都具有相同的延迟，并且都是原来流量经过时间位移后的。
在假设所有的缓冲层在时间为零时都是空的，则该交换装置400在经过先到先服务策略后会有以下的结果，
1、对每一个通过该多级缓冲器的交换装置的封包，其端对端的延迟被限制在延迟经过其相对应的先到先服务输出缓冲交换机的延迟总合及(N-1)Lmax+NMmax，其中Lmax与Mmax分别表示该先到先服务输出缓冲交换机的的输入与输出端的流量最大数目。
2、该在第一级交换构造421的输入端428的负载平衡式缓冲器412被限制在NLmax。
3、在第一级输入端421的负载平衡式缓冲器412的延迟被限制在(N-1)Lmax。
4、在第二级输出端426的再排序缓冲器431与输出缓冲器432被限制在NMmax。
图5为根据本发明第二实施例，具有多级缓冲器的负载平衡式交换机的结构图。该实施例根据利用最早期限优先算法(EDF)中，该策略使用其相对应的先到先服务输出(FCFS)输出缓冲交换机的出发时间作为最后期限。并且根据该期限，在中间缓冲器中对封包作时程安排。对于最早期限优先算法(EDF)，并不需要抖动控制器，但比起先到先服务输出(FCFS)策略，其需要一个更大的再排序缓冲器。由于其第一级交换构造与先到先服务输出(FCFS)策略的该第一级交换构造相同，其延迟与缓冲器的尺寸被限制在(N-1)Lmax与NLmax。
现请参照图5。该交换装置600包括一前端机构610、一中央交换机构620以及一后端机构630。该前端机构610更包括一流量分离器611，用以分散输入至该装置的多个封包；一负载平衡缓冲器612，连接至一流量分离器611，用以储存被分散的多个封包至该缓冲器的N个虚拟输出队列613，并等待进入至该中央交换机构。该流量分离器611是以回合轮流方式，将来自相同流量的多个封包均匀地分布到该N个虚拟输出队列613。未失去普遍性的情况下，我们假设一流量的第一封包通常被指定为第一虚拟输出队列。
该中央机构620更包括一第一级交换构造621，用于将多个输入封包交换至该第一级交换构造621的多个输出端口622；一中间缓冲器623，连接于第一级交换构造621，用以储存被分散的多个封包至该缓冲器的N个虚拟输出队列624，且以最后期限策略将该多个输入封包时程化，其中该策略使来自相同流量的多个封包均匀地分布出去；一第二级交换构造625，连接于中间缓冲器623，用于将多个输入封包交换至该第二级交换构造的多个输出端口626。
对该N*N交换机，在第一级交换构造621的每一输入端627的该负载平衡缓冲器612包含了N个虚拟输出队列613，设定给该级的N个输出端627。来自相同流量的封包是以回合轮流方式地分布到N个虚拟输出队列613。因此来自相同流量的封包便可以平等地分散至第二级交换构造625的输入端628，因此负载平衡即可达到。该负载平衡缓冲器612的延迟与缓冲器容量(size)被限制在一定数中，该定数依赖该交换装置600的容量大小及由该交换装置600所支持的多重投掷流量的数目而定。
在中间缓冲器623以最后期限的策略作时程安排。封包的最后期限为相对应的先到先服务输出缓冲交换机的出发时间。
该后端机构630更包括一再排序缓冲器631，用以纪录该封包，以便相同流量的封包到达时，以相同顺序离开；一输出缓冲器632，连接于该再排序缓冲器631，用以储存封包以等待传送至该装置的输出连结。
假设所有的缓冲器在时间为零时都是空的，则该交换装置600在经过最早期限优先算法策略后会有以下的结果，
1、对每一个通过该多级缓冲器的交换机的封包其端对端的延迟被限制在延迟经过相对应的先到先服务输出缓冲交换机的延迟总合及(N-1)(Lmax+Mmax)其中Lmax与Mmax分别表示输入与输出端的流量最大数目。
2、在第二级交换构造的输出端的该再排序缓冲器与该输出缓冲器被限制在(N-1)(Lmax+Mmax)。
在经过最早期限优先算法策略，计算经过相对应的先到先服务输出缓冲交换机的出发时间需要所有输入的局部信息。一个简单的方式使用封包的到达时间作为最后期限。因此基于到达时间的最早期限优先算法得到相同的出发顺序除非它们的封包再同一时间到达。
因为对一个对应的先到先服务输出缓冲交换机的输出端而言，在相同时间内最多只能有Mmax个封包到达，对每一个经过多级交换机且使用到达时间作为最后期限的封包而言，其端对端的延迟被限制在经过相对应的先到先服务输出缓冲交换机的延迟总合及(N-1)Lmax+NMmax其中Lmax与Mmax分别表示输入与输出端的流量最大数目。同时，在第二级输出端的再排序与输出缓冲器系被限制在(N-1)Lmax与NMmax。
比较本发明与该合并输入与输出队列(CIOQ)交换机可发现，在本发明中仅限制介于出发时间与该对应的先到先服务输出缓冲交换机的出发时间的差异。但是在该合并输入与输出队列(CIOQ)交换机，需要一个内部的加速器以及一个复杂的时程化演算方式来达到其应用。而在本发明中并不需要一个内部加速器，因此两个交换构造可以执行且时程化演算方式的复杂化程度相当低。

Claims (21)

1、一种负载平衡式交换装置，应用于网络的封包交换，其特征是，该装置包括：
一前端机构，其分散后并暂存输入至该装置的多个封包；该前端机构包括：一流量分离器，其分散输入至该装置的多个封包；一负载平衡缓冲器，连接至该流量分离器，其储存被分散的多个封包至该缓冲器的N个虚拟输出队列，并等待进入至该中央交换机构；
一中央交换机构，连接于该前端机构，其将多个输入封包交换至该中央交换机构的多个输出端口；以及
一后端机构，连接于该中央交换机构，其将多个封包再排序及等待输出；该后端机构包括：一再排序缓冲器，其记录该封包至该虚拟输出队列，以便相同流量的封包到达时，以相同顺序离开；一输出缓冲器，连接于该再排序缓冲器，其储存封包至该虚拟输出队列，以等待传送至该装置的输出连结。
2、如权利要求1所述的负载平衡式交换装置，其特征是，该流量分离器是以回合轮流方式，将来自相同流量的多个封包均匀地分布到该N个虚拟输出队列。
3、如权利要求1所述的负载平衡式交换装置，其特征是，该中央机构更包括：
一第一级交换构造，其将多个输入封包交换至该第一级交换构造的多个输出端口；
一抖动的控制机构，连接于该第一级交换构造，用于延迟每一个封包到该多个封包在该第一级交换构造的最大延迟量；
一中间缓冲器，连接于该抖动的控制机构，其储存被分散的多个封包至该缓冲器的N个虚拟输出队列，且以先到先服务输出FCFS策略将该多个输入封包时程化，其中该策略使来自相同流量的多个封包均匀地分布出去；
一第二级交换构造，连接于中间缓冲器，其将多个输入封包交换至该第二级交换构造的多个输出端口。
4、如权利要求1所述的负载平衡式交换装置，其特征是，该中央机构更包括：
一第一级交换构造，其将多个输入封包交换至该第一级交换构造的多个输出端口；
一中间缓冲器，连接于该第一级交换构造，其储存多个封包至该缓冲器的N个虚拟输出队列，并以最早期限优先算法对多个封包作时程安排，其中该算法以相对应的先到先服务输出缓冲交换机的出发时间作为最后期限；排程的时候则是将前述最后期限的封包先执行，使得来自相同流量的复数个封包均匀分布出去；
一第二级交换构造，连接于中间缓冲器，其将多个输入封包交换至该第二级交换构造的多个输出端口。
5、如权利要求3或4所述的负载平衡式交换装置，其特征是，该第一级交换构造与该第一级交换构造使用其相对应的先到先服务输出FCFS输出缓冲交换机。
6、如权利要求1所述的负载平衡式交换装置，其特征是，该负载平衡缓冲器的延迟与缓冲器容量被限制在一定数中，该定数依赖该交换机的容量大小及由该交换机所支持的多重投掷流量的数目而定。
7、如权利要求1、3、4所述的负载平衡式交换装置，其特征是，该虚拟输出队列可以一存储器来实现。
8、如权利要求1、3、4所述的负载平衡式交换装置，其特征是，该虚拟输出队列是将多种不同服务等级的流量依其输出端口的不同分开储存于不同的虚拟输出队列之中，而不再只是依照输出端口作为区分；一输入封包依其对应的输出端口的不同而储存在其对应的虚拟输出队列之一中；封包输入时可储存于对应该虚拟输出队列之一的存储器地址，输出封包时则查询该存储器地址便可将封包读取。
9、一种负载平衡式交换方法，应用于网络的封包交换，其特征是，该方法包括下列步骤：
(a)利用一前端机构，其分散后并暂存输入至该前端机构的多个封包，包括下列步骤：
利用一流量分离器，分散输入至该装置的多个封包；
利用一负载平衡缓冲器，连接至该流量分离器，储存被分散的多个封包至该缓冲器的N个虚拟输出队列，并等待进入至该中央交换机构；
(b)利用一中央交换机构，连接于该前端机构，将多个输入封包交换至该中央交换机构的多个输出端口，以及
(c)利用一后端机构，连接于该中央交换机构，将多个封包再排序及等待输出，包括下列步骤：
利用一再排序缓冲器，纪录该封包至该虚拟输出队列，以便相同流量的封包到达时，以相同顺序离开；以及
利用一输出缓冲器，连接于该再排序缓冲器，储存封包至虚拟输出队列，以等待传送至该装置的输出连结。
10、如权利要求9所述的方法，其特征是，该流量分离器是以回合轮流方式，将来自相同流量的多个封包均匀地分布到该N个虚拟输出队列。
11、如权利要求9所述的方法，其特征是，该步骤(b)更包括下列步骤：
利用一第一级交换构造，将多个输入封包交换至该第一级交换构造的多个输出端口；
利用一抖动的控制机构，连接于该第一级交换构造，延迟每一个封包到该多个封包在第一级交换构造的最大延迟量；
利用一中间缓冲器，连接于该抖动的控制机构，储存被分散的多个封包至该缓冲器的N个虚拟输出队列，且以先到先服务输出FCFS策略将该多个输入封包时程化，其中该策略是使来自相同流量的多个封包均匀地分布出去；
利用一第二级交换构造，连接于中间缓冲器，用于将多个输入封包交换至该第二级交换构造的多个输出端口。
12、如权利要求9所述的方法，其特征是，该步骤(b)更包括下列步骤；
利用一第一级交换构造，将多个输入封包交换至该第一级交换构造的多个输出端口；
利用一中间缓冲器，连接于该第一级交换构造，储存多个封包至该缓冲器的N个虚拟输出队列，并以最早期限优先算法对多个封包作时程安排，其中该算法是以第一级交换构造的出发时间作为最后期限；排程的时候则是将前述最后期限的封包先执行，使得来自相同流量的复数个封包均匀分布出去；
利用一第二级交换构造，连接于中间缓冲器，其将多个输入封包交换至该第二级交换构造的多个输出端口。
13、如权利要求11或12所述的方法，其特征是，该第一级交换构造与该第一级交换构造使用其相对应的先到先服务输出FCFS输出缓冲交换机。
14、如权利要求9所述的方法，其特征是，该负载平衡缓冲器的延迟与缓冲器容量被限制在一定数中，该定数依赖该交换机的容量大小及由该交换机所支持的多重投掷流量的数目而定。
15、如权利要求9、11、12所述的方法，其特征是，该虚拟输出队列更包含下列步骤：
将多种不同服务等级的流量依其输出端口的不同分开储存于不同的虚拟输出队列之中，而不再只是依照输出端口作为区分；
输入一封包，依其对应的输出端口的不同而储存在其对应的虚拟输出队列之一中；以及
输出一封包时可储存于对应该虚拟输出队列之一的存储器地址，输出封包时则查询该存储器地址便可将封包读取。
16、如权利要求9、11所述的方法，其特征是，在假设所有的缓冲器在时间为零时都是空的，则对每一个通过该多级缓冲器的交换装置的封包，其端对端的延迟被限制在延迟经过其相对应的先到先服务输出缓冲交换机的延迟总合及(N-1)Lmax+NMmax；
其中Lmax与Mmax分别表示该先到先服务输出缓冲交换机的输入与输出端的流量最大数目。
17、如权利要求9、11所述的方法，其特征是，在假设所有的缓冲器在时间为零时都是空的，则该在第一级交换构造421的输入端的负载平衡式缓冲器被限制在NLmax；
其中Lmax与Mmax分别表示该先到先服务输出缓冲交换机的输入与输出端的流量最大数目。
18、如权利要求9、11所述的方法，其特征是，在假设所有的缓冲器在时间为零时都是空的，则在第一级输入端的负载平衡式缓冲器的延迟被限制在(N-1)Lmax；其中Lmax表示该先到先服务输出缓冲交换机的输入端的流量最大数目。
19、如权利要求9、11所述的方法，其特征是，在假设所有的缓冲器在时间为零时都是空的，则在第二级输出端的再排序缓冲器与输出缓冲器被限制在NMmax；其中Mmax分别表示该先到先服务输出缓冲交换机的输出端的流量最大数目。
20、如权利要求9、11所述的方法，其特征是，在假设所有的缓冲器在时间为零时都是空的，则对每一个通过该多级缓冲器的交换机的封包，其端对端的延迟被限制在延迟经过相对应的先到先服务输出缓冲交换机的延迟总合及(N-1)(Lmax+Mmax)；其中Lmax与Mmax分别表示输入与输出端的流量最大数目。
21、如权利要求9、11所述的方法，其特征是，在假设所有的缓冲器在时间为零时都是空的，则在第二级交换构造的输出端的该再排序缓冲器与该输出缓冲器被限制在(N-1)(Lmax+Mmax)；其中Lmax与Mmax分别表示输入与输出端的流量最大数目。
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