CN1292568C - 一种多队列数据分组连续转发的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于整包模式多队列数据分组的连续转发装置和方法，装置包括：译码器(200)、译码锁存器(220)、状态寄存器(230)、多路复用器(240)、调度机(250)、包长寄存器(260)、比较器(280)、阈值寄存器(290)；其特征在于，还包括一组队列模块(210-21N)；使用本发明的装置及方法，输入操作可连续进行，不仅提高了输入侧数据总线的效率，还提高了缓存的利用率；本发明所述方法提出的提前请求机制，节省了发送请求和响应等待的时间，使得两个分组可以连续调度转发，有效地提高了转发效率。

Description

一种多队列数据分组连续转发的装置和方法

技术领域

本发明是一种用于多个整包模式的数据分组的连续调度与转发的装置和方法，适用于各种数据分组交换系统中。如工作在各层的路由交换机等。它能够快速地将待转发的多队列数据分组通过交换发送到相应的输出端口，并可消除线头阻塞所造成的性能影响。

背景技术

目前对于完整数据分组的调度与转发，在路由器等包交换系统中多采用单包多数据分组队列方式，即在输入侧将发往不同输出端口的数据存放在不同队列的缓存单元中(称为输出虚拟队列)，每个缓存单元每次存放单一的数据分组，当此数据分组发送出去后再写入后续的数据分组。下面来解释现有技术中数据分组调度转发装置的结构和工作方式。

参见附图1，其中包括：

----译码器100：根据输入接口信号指示，存储并对锁存器输出信号进行译码，生成多个与目的端口对应的存储器的数据写使能控制指示。

----多个缓存器110……11N：每个缓存器分别与一个交换输出端口相对应，没个缓存器中每次只存放一个完整的分组数据。

----多路复用器140：多路复用器140作为多选一的总线转换器件，选择数据缓存器的数据作为发送到数据总线出口的有效数据。

----译码锁存器120：从输出接口接收到的应答指示信号，经锁存器锁存后译码作为读取缓存器数据的控制信号，输出相应缓存器中的数据作为发送到交换端口的数据。

----状态寄存器130：根据缓存器110……11N的信息及调度状态机150的信息组成状态寄存器，输出状态字。

----调度机150：用多个状态位来实现的有限状态机。

上述数据分组调度转发装置的工作方式如下：

译码器100根据外部接口输入信号译码选择对应的缓存器FIFO，并使相应FIFO的写使能控制信号有效，接着向该FIFO中写入分组数据。

当数据分组写入过程结束后，由状态寄存器130向调度机150发出有效状态信息。调度机向外部交换结构160发送队列模块数据分组的转发请求，并等待应答信号。

当交换结构单元160对转发请求作出响应，并给出相应端口信息后，由译码器锁存器120确定要转发的队列模块，同时产生读相应FIFO的使能控制信号。

从分组FIFO110……FIFO11N中读出的数据经过多路复用器140输出到出口数据总线上。数据发送是否结束，依赖FIFO的空、满标记确定。当整个分组结束后，填写包结束标志，返回到初始状态，作下一次转发的准备。

从上述目前采用的整包数据分组转发过程中，可以看出它的不足之处在于转发的效率不高。

1)当某个缓冲器(FIFO)中存在一个数据分组时，输入接口不能继续向此缓冲器(FIFO)发送后续到达该队列的其它数据分组。同样，在输入侧正在向某个缓冲器(FIFO)传送数据分组时，该缓冲器(FIFO)也不能输出数据。很明显，这种情况导致了输入侧与输出侧接口的总线利用率不高，从而降低了转发效率。

2)只有在某次转发操作完成后，才能发出下一个转发请求；由于对转发请求的应答需要一定的时间，即使这时队列中已经有准备好的完整的数据分组，也不能马上发送出去，必须等待应答信号，这就造成数据总线的空闲，进一步降低了数据转发的效率。

发明内容

针对上述两个缺陷，一方面，本发明提供了一种多队列数据分组连续转发的装置，使得分组与分组的输入没有时间间隔，可以连续写入。它克服了传统方法中由于缓存FIFO不能有效利用，输入侧接口总线利用率不高而引起的数据分组转发效率低的缺陷，有效地提高了数据分组的转发效率。

另一方面，本发明还提供了一种改进的具有提前调度机制的数据分组转发方法，通过对下一次将要发送的数据分组提前发出转发请求，节约了应答响应时间，使得两个数据分组的发送之间无需等待时间，即提前发出下个分组的请求信号，当当前数据分组发送完毕时，已收到对下一个数据分组的应答信号，因而可紧接着发送下一个数据分组，从而提高了输出侧总线的带宽。

为了实现上述目标，本发明提供的一种用于整包模式多队列数据分组的连续调度转发装置中，包括：

译码器：根据输入接口信号指示，存储并对译码锁存器输出信号进行译码，生成与目的端口对应的队列模块选择信号，送入队列模块，作为写使能控制指示；

若干个相同的队列模块：每个队列模块分别与一交换输出端口相对应，用于处理相应的数据与信息，以完成数据的接收和转发并产生相应的控制信号；

译码锁存器：接收来自于交换接口的应答指示信号，经锁存、译码后作为读取队列模块数据的控制信号，从而选择出相应队列模块中的输出数据作为发送到交换端口的数据；

状态寄存器：接收队列模块的信息及调度机的信息，输出状态信息给调度机，还输出控制信号至多路复用器；

多路复用器：当有效的队列被选择时，其总线上的数据才能通过总线转换器传送到交换端口上去，实现多选一：

调度机：用多个状态位来实现的有限状态机；状态机的输入来自交换结构，比较器和状态寄存器等，在一定的状态下，根据不同的输入信号，状态机跳变到不同的状态，并根据不同的状态，输出各种控制信号，去驱动相应的装置；

包长寄存器：存放来自于多路复用器输出的数据分组的包长，输出至计数器：

计数器：带复位的减法计数器，以寄存器输出作为初值，每读出一个周期的数，所述计数器自动减1，其结果输出作为目前从缓存器中读出数据多少的依据，当复位条件满足时，计数器复位到初值，即当前时刻包长寄存器的值，其输出至比较器；

比较器：将计数器输出值与阈值寄存器的值相比较，当两者相等时，输出一个有效电平信号，否则，输出无效电平信号；

阈值寄存器：用于预置周期数并送入比较器，当前一个数据分组转发快要结束时，如果有后续数据分组，就提前发出转发请求，由调度机作出下一步转发决定，一旦本次转发结束，便开始下一步的转发。

本发明装置中作为缓存数据分组的队列模块，包括：

----寄存器：用来存放数据缓存器的状态信息；

----输入计数器：无进位累加器，用于对进入某队列模块的完整数据包个数计数，每进入一个数据分组计数据器加1：

----输出计数器：无进位累加器；对输出某队列模块的完整数据包个数计数，每输出一个数据分组计数器加1；

----比较器：对输入计数器与输出计数器的结果进行比较，得出当前队列模块中的有效数据分组的个数，作为是否提前申请的依据；

----数据缓存器：存储数据分组内容数据，按先入先出(FIFO)方式输出；

----标志缓存器：存储数据分组内容数据所对应的标志数据，按先入先出(FIFO)方式输出；

本发明还提出了一种多队列数据分组转发方法，包括以下步骤：

S500：接受来自状态寄存器的状态信息；

S510：判断是否有有效发送数据包，如有，则转S520，否则，保持该状态不变；

S520：组成相应的请求状态字，并向交换结构单元发送；

S530：判断交换机构是否有应答，若有则转S550，发送数据。否则转S540，判是否应答超时；

S540：若等待超时，则转S520重新发送请求字；否则转S530继续等待；

S550：发送读数据命令；

S560：判断是否满足提前发送请求的条件，若满足，则转S570，否则转S580；

S570：发送请求字，并转S580；

S580：判断分组是否传送完毕，若是，则转S590，否则保持该状态不变；

S590：填写结束字，再准备下一次的调度。

附图说明

图1是现有技术的数据分组调度转发装置的结构示意图；

图2是本发明提出的多队列数据分组的连续调度转发装置的结构示意图；

图3是本发明装置中作为缓存数据分组的队列模块结构示意图；

图4是本发明装置中队列模块缓存数据分组的示意图；

图5是本发明提出的改进的数据分组调度转发方法流程图。

具体实施方式

关于图1，已在本发明的背景技术部分做了较详细的说明，此处不再赘述。

图2给出了本发明提供的用于整包模式多队列数据分组的连续调度转发装置，具体包括：

----译码器200：根据输入接口信号指示，存储并对锁存器输出信号进行译码，生成与目的端口对应的队列模块选择信号，作为队列模块中数据存储器340，标志存储器350(图3)的写使能控制指示。

----(N+1)个队列模块210……21N：每个队列与一交换输出端口相对应，在队列模块中处理相应的数据与信息以完成数据的接收和转发并产生相应的控制信号。队列模块的具体结构如图3所示。

----译码锁存器220：从与交换的接口接收到的应答指示信号，经锁存器锁存后译码作为读取缓存器数据的控制信号，从而选择出相应队列模块中的输出数据作为发送到交换端口的数据。

----状态寄存器230；根据队列模块210……21N的信息及调度机250的信息组成状态寄存器，输出状态字。

----多路复用器240：作为多选一的总线转换器件，每个队列模块中的数据缓存都有数据总线出口，只有当有效的队列被选择时，其总线上的数据才能通过总线转换器传送到交换端口上去。

----调度机250：用多个状态位来实现的有限状态机，其工作过程具体见图5所示。

----包长寄存器260：存放数据分组的包长，包长值的大小按由字节数转换成相应的字长给出。字长对应于FIFO数据总线宽度。如总线宽度为32位，则一字长为32比特或4个字节。寄存器的输出作为计数器270的初值。

----计数器270：带复位的减法计数器。以包长寄存器260输出作为初值。每读出一个周期的数，计数器270自动减1。其结果输出作为目前从缓存器中读出数据多少的依据。当复位条件满足时，计数器复位到初值，即当前时刻包长寄存器的值。

----比较器280：将计数器270输出值与阈值寄存器290的值相比较，当两者相等时，发出一个有效电平信号，否则，给出无效电平信号。

----阈值寄存器290：周期数预置寄存器，为提前发送下个分组的转发请求而设计。可以根据系统的情况，分析请求准备、请求发送以及应答的接收与处理可能需要的周期数，调整该寄存器的值。当前一个数据分组转发快要结束时，如果有后续数据分组，可以提前发出转发请求，由调度器作出下一步转发决定，一旦本次转发结束，下一步的转发也可以开始了。如此，则可有效利用总线带宽，尽量提高转发效率，也缩短了数据分组转发的延迟时间。

在本发明装置中作为缓存数据分组的队列模块如图3所示，包括：

----寄存器300：用来存放数据缓存器的状态信息；

----输入计数器310：无进位累加器。对进入某队列模块的完整数据包个数计数。每进入一个数据分组计数据器加1。计数器的宽度可以参照系统的容量确定，一般选4位以上。

----输出计数器320：无进位累加器。对出某队列模块的完整数据包个数计数，每输出一个数据分组计数器加1。计数器320的位宽应与计数器310位宽相同。

----比较器330：它对计数器310与计数器320的结果进行比较，得出当前队列模块中的有效数据分组的个数，作为调度器决定是否提前申请的依据。

----数据缓存器340：存储数据分组内容数据，按先入先出(FIFO)方式输出。

----标志缓存器350：存储数据分组内容数据所对应的标志数据，按先入先出(FIFO)方式输出。

队列模块中数据与标志缓存器的存储方式如图4所示。可以将存放数据的FIFO和存放标志的FIFO分开，如图4中上半部分所示，也可以合二为一，如图4下半部分所示。

在图4的上半部分，数据缓存器400按照数据分组的头、中间、尾部的顺序存放数据分组的数据，对应的标志缓存器410通过不同的数据位表示相应数据缓存器400中对应数据表示的含义，如分组头用01表示，中间部分用10表示，尾部用11表示。

在图4下半部分，由于数据FIFO400与标志FIFO410的读写控制是完全一致的，因此也可用一个形式的缓存器420来实现，只是对应于不同的数据线，含义有所不同。若缓存器420的位宽为32位，则其高30位用来存放数据分组的数据，相当于数据缓存器340，最低两位用来存放对应数据分组的标志，相当于标志缓存器350。

图5给出了本发明提出的改进的数据分组调度转发方法流程图。本发明所述的用于整包模式多队列数据分组连续调度转发方法在输出侧主要是通过调度机250的工作过程来体现的，它是本发明的核心部件，直接负责输出侧的各项操作。

510：判断是否有有效发送数据包，如有，则转520，否则，保持该状态不变。

520：组成相应的请求状态字，并向交换结构单元发送，然后转530。

530：判交换机构是否有应答，若有则转550，发送数据。否则转540，判是否应答超时。

540：若等待超时，则转520重新发送请求字；否则转530继续等待。

550：发送读数据命令。

560：判断是否满足提前发送请求的条件。若满足，则转570提前发送请求，否则转580。

570：发送请求字，并转580。

580：判断分组是否传送完毕，若是，则转590，否则保持该状态不变。

590：填写结束字，再准备下一次的调度。

下面结合图2和图5描述本发明提供的用于整包模式多队列数据分组连续调度转发的整个原理。

在接受侧，每当有一新的数据分组进入队列模块时，译码器200根据外部接口输入信号译码选择队列模块，使相应的队列模块FIFO写使能控制信号有效，同时本模块中的输入计数器310加1。

接下来不断地向相应的数据缓存器340中写入分组数据以及向标志缓存器350写入标志数据。数据存储缓存器340存储数据分组信息，标志缓存器存储其对应的数据缓存器中的数据特征，不同的数据代表分组数据的开始、中间值、结尾以及其它有关信息等。当收到结尾标记时，重新接收新的数据分组进入队列模块。

在发送侧，当调度机处在初始状态时，它首先判断状态寄存器230是否有待转发的分组，若有，则根据调度准则，向外部的交换结构发出转发请求，等待应答信号。否则，保持该状态不变。

一旦收到应答信号，由译码器220确定要转发的队列模块，产生相应的读FIFO的使能控制信号5。同时，输出计数器320减1。另外，包头寄存器260提取本分组的包长信息，并将其作为计数器270的初值。若在预定的时间内，没有收到正确的应答信号，则重新发送请求。

不断地从相应的数据缓存器340和标志缓存器350中读出分组数据和标记，分组数据经过多路复用器240输出到出口数据总线上。与此同时，计数器270从初值开始进行减法计数，每当读出一个周期的数据，270减1。另外，比较器330不断地将输入包的计数器310和输出包的计数器320的结果进行比较，比较结果连同标记数据一起存入状态寄存器230中，以备调度机250之用。当计数器270的值等于阈值寄存器290的设定值时，向调度机250发送有效信号，调度机接收此信号后，判断来自状态寄存器230的值(代表队列模块中存储器中数据分组的存储情况)，以决定是否进行状态转移。若状态寄存器230的值表示有待转发的数据分组，则调度机250转到提前请求状态，向外部交换291发出转发请求。否则，调度机保持当前状态直到当前分组转发完毕，然后转到初始状态。分组数据是否发送完毕，由标记FIFO的结尾标记确定。

当调度机250转到提起请求状态时，它向交换机构291发送一个带请求信息的命令字，以后的发送照常进行，直到当前分组发送完毕，转回到等待下一次的应答信号。

综上所述，在输入侧，只要相应FIFO的允许写标志有效，输入操作可连续进行，不仅提高了输入侧数据总线的效率，还提高了缓存的利用率。

在输出侧，原来是当一个分组转发完之后，才能进行下个分组的请求，再经过一定的应答时间，才能转发下个分组。提前请求机制的提出，节省了发送请求和响应等待的时间，使得两个分组可以连续调度转发，有效地提高了转发效率。

Claims (7)

1、一种多队列数据分组的连续转发装置，其特征在于，包括：

译码器(200)：根据输入接口信号指示，存储并对译码锁存器输出信号进行译码，生成与目的端口对应的队列模块选择信号，送入队列模块，作为写使能控制指示；

若干个相同的队列模块(210-21N)：每个队列模块分别与一交换输出端口相对应，用于处理相应的数据与信息，以完成数据的接收和转发，并产生相应的控制信号；

译码锁存器(220)：接收来自于交换接口的应答指示信号，经锁存、译码后作为读取队列模块数据的控制信号，从而选择出相应队列模块中的输出数据作为发送到交换端口的数据；

状态寄存器(230)：接收各个队列模块的信息及调度机的信息，输出状态信息给调度机，还输出控制信号至多路复用器；

多路复用器(240)：接收来自各个队列模块的输出，在状态寄存器(230)的控制下，实现多选一：

调度机(250)：用多个状态位来实现的有限状态机；其输入来自交换结构单元(291)、比较器(280)和状态寄存器(230)，在一定的状态下，根据不同的输入信号，跳变到不同的状态，并根据不同的状态，输出各种控制信号，去驱动相应的装置；

包长寄存器(260)：存放来自于多路复用器(240)输出的数据分组的包长，输出至计数器(270)；

计数器(270)：带复位的减法计数器，以包长寄存器(260)的输出作为初值，每读出一个周期的数，所述计数器自动减1，其结果输出至比较器(280)；

比较器(280)：将计数器(270)的输出值与阈值寄存器(290)的值相比较，当两者相等时，输出一个有效电平信号，否则，输出无效电平信号；

阈值寄存器(290)：用于预置周期数并送入比较器(280)，当前一个数据分组转发快要结束时，如果有后续数据分组，就提前发出转发请求，由调度机(250)作出下一步转发决定，一旦本次转发结束，便开始下一步的转发。

2、如权利要求1所述的多队列数据分组的连续转发装置，其特征在于，所述队列模块包括：

寄存器(300)：用来存放数据缓存器的状态信息；

输入计数器(310)：无进位累加器，用于对进入某队列模块的完整数据包个数计数，每进入一个数据分组计数器加1；

输出计数器(320)：无进位累加器；对输出某队列模块的完整数据包个数计数，每输出一个数据分组计数器加1；

比较器(330)：对输入计数器(310)与输出计数器(320)的结果进行比较，得出当前队列模块中的有效数据分组的个数，作为是否决定提前申请的依据；

数据缓存器(340)：存储数据分组内容数据，按先入先出方式输出；

标志缓存器(350)：存储数据分组内容数据所对应的标志数据，按先入先出(FIFO)方式输出。

3、如权利要求2所述的多队列数据分组的连续转发装置，其特征在于，所述输入计数器(310)的宽度参照系统的容量确定，选4位以上；所述输出计数器(320)的位宽应与输入计数器(310)位宽相同。

4、如权利要求1所述的多队列数据分组的连续转发装置，其特征在于，所述包长寄存器(260)的包长值的大小按由字节数转换成相应的字长，字长对应于FIFO数据总线宽度。

5、如权利要求1所述的多队列数据分组的连续转发装置，其特征在于，所述计数器(270)的输出结果作为目前从队列模块的缓存器中读出数据多少的依据，当复位条件满足时，计数器复位到初值，即当前时刻包长寄存器的值。

6、如权利要求1所述的多队列数据分组的连续转发装置，其特征在于，所述多路复用器(240)的多选一是选择有效的队列后，其总线上的数据才能通过总线转换器传送到交换端口上去。

7、一种多队列数据分组转发方法，其特征在于，包括以下步骤：

S500：接受来自状态寄存器的状态信息；

S510：判断是否有有效发送数据包，如有，则转S520，否则，保持该状态不变；

S520：组成相应的请求状态字，并向交换结构单元发送；

S530：判断交换结构单元是否有应答，若有则转S550，发送数据；否则转S540，判是否应答超时；

S540：若等待超时，则转S520重新发送请求字；否则转S530继续等待；

S550：发送读数据命令；

S560：判断当前数据分组转发快要结束时，如果有后续数据分组，则转S570，否则转S580；

S570：发送请求字，并转S580；

S580：判断分组是否传送完毕，若是，则转S590，否则保持该状态不变；

S590：填写结束字，再准备下一次的调度。

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