CN1366400A - 网络数据包的输出队列方法与装置 - Google Patents

Abstract

一种网络数据包的输出队列方法与装置,利用一额外的广播输出队列来处理广播数据包,与各端口对应的输出队列内的节点仅用作处理单播型数据包。当一广播数据包送进后,仅由存储器配置一链路节点给广播输出队列。同时在每一端口对应的输出队列内的最后一节点记录要送出广播数据包的个数。当一端口送完其输出队列内的节点所对应的单播数据包后,若读到广播数据包的计数值,便指向广播输出队列,读取并送出对应的广播数据包。

Description

网络数据包的输出队列 方法与装置

本发明涉及一种网络技术，特别是涉及一种交换式网络的数据传输方法，以及应用此方法的装置。

一个网络系统是由许多架构块(building block)所组成的。这些块包括集线器(hub)、桥接器(bridge)、路由器(router)、网络卡、用户电脑、伺服主机、传输媒体连接装置与网络管理软件等等。其中集线器就是一群使用者连上网络的集中处，其包括独立式中继集线器(standalone repeating hub)、可堆叠式集线器(stackable hub)与交换式集线器(switching hub)。交换式集线器，一般而言，会将其中一端口(port)暂时储存所接收到的数据包(packet)或称为帧(frame)，之后再由另一端口送出数据包，此种方式称为储存后输送(store-and-forward)。一个数据包的大小可为64字节(byte，B)到1518字节。对一以太网络(ethernet)而言，有三种不同的数据包(或分组)型态：广播型数据包(broadcast packet)、多播型数据包(multicast packet)与单播型数据包(unicastpacket)。当一数据包从交换式集线器的其中一端口送进后从其余的端口送出此数据包，此种类型的数据包称之为广播型数据包。由交换式集线器的其中一端口送进后，再从其余端口的其中几个送出数据包，此种称为多播型数据包。单播型数据包则从一端口传送到另一个指定的端口。

下面以具有16个端口的交换式集线器为例说明，而每一个端口的传出速率为100Mbps(mega byte per second)。请参考图1，交换式集线器的核心部分由一交换控制芯片(switching IC)100所组成，用以控制数据包的传送。交换控制芯片再耦接到一静态随机存取存储器(static ranom access memory，SRAM)110与一同步动态随机存取存储器(synchrotron dynamic random accessmemory，SDRAM)120。请参考图2，在SRAM110中，主要储存转送表(forwardtable)部分112、未使用列表的链路节点(link node of free lists)部分114，其包括数个未使用列表的链路节点114a，以及属性项(attribute entry)部分116，其由数个属性项116a构成。转送表112记录每一个数据包的来源地址与要转送到的端口的埠号。每一个端口具有一输出队列(ouput queue)。当有一个数据包要从该端口送出时，会从未使用列表的链路节点部分114配置一未使用列表的链路节点114a给输出队列130，如图3A所示，做为链路节点114a′。配置于输出队列130的未使用列表的链路节点114a用来暂存将从该端口送出一数据包的相关数据。图3A绘出于某一端口具有三个链路节点114a′。每一输出队列均有两个指针：队列首H(head)与队列尾T(tail)，其分别用来指出对应到第一个要被传送的数据包信息与对应最后一个要被传送的数据包信息。

参考图3B，其绘示输出队列130的链路节点114a′的格式，其大小为64位。如图所示，第0位是释放标记(drop flag)，用来标示此一链路节点是属于使用中或未使用。第1到第16位是一指针(pointer)，用来指出下一个链路节点的地址。第17位则用来标示此链路节点114a′所对应的数据包类型。第18到第33位为另一指针，用来指出数据包缓存器(packet buffer)的地址。

SDRAM存储器120(参考图1)以15KB为一单位将存储器120分割成数个区块122，每一区块用来做为一数据包皙存区122。同时，在SRAM存储器110(图1)中的属性项部分116的每一属性项116a均对应到一数据包缓存器122，用以记录此一数据包缓存器122所储存的数据包是否已经从一端口传送出去。图3C绘示出此一属性项116a的格式。属性项116a的第0到15位为一指针，用来指出下一个未使用列表的链路节点的地址。第16到32位为端口掩模(port mask)。其余位(33～63)则保留。

一般而言，网络的数据传送需要满足先进先出的规则；亦即，先送到的数据包要先被传送出去。然而，在上述现有的架构下，当一广播数据包从一端口(例如端口0)送进后，又有另一数据包，如一单播型数据包，从一端口(例如端口12)要传送到另一端口(例如端口1)。在此情况下，为了要确保数据传送先进先出的规则，现有的做法非常复杂且无效率。请参考图4，图中绘出端口1的输出队列已经串有6个单播型数据包的链路节点U11～U16，端口2有2个单播型数据包链路节点U21～U22，端口3有9个链路节点U31～U39，为了说明简洁省去端口4到端口15。请配合图1，当一广播数据包从端口0送进时，SRAM存储器110会配置15个未使用列表的链路节点114a给每一个端口1～15之后，成为一广播型数据包链路节点B。每一广播链路节点B均会指向SDRAM存储器120中的一数据包缓存器122，做为广播型数据包的缓存器。此一数据包缓存器122又与SRAM存储器110中的一属性项116a对应。利用属性项116a中的端口掩模便可以得知各个端口对此广播数据包的传送情形。之后，在时间t2如果另一单播型数据包从端口12要传送到端口1时，SRAM存储器110会配置1个未使用列表的链路节点114a给端口1的输出队列。当时间t6时，因为广播型数据包链路节点B，端口1会从SDRAM存储器120中读出对应此链路节点B的数据包缓存器122所储存的数据包传送出去。之后，端口1便可以把后进的单播型数据包在广播型数据包之后送出，以确保数据数据包先进先出的规则。等到此一广播型数据包从各个端口送出后，SRAM存储器便释放配置给此广播数据包的15个链路节点以及属性项。

由上述所述，当一广播型数据包从一端口送进后到由其余各端口完全送出，其存取SRAM的次数非常频繁。首先就必须配置15个未使用列表的链路节点给输出队列，此举便需存取SRAM存储器15次。接着，再把这15个链路节点串排(enqueue)在每一个端口的输出队列后，以必须存取SRAM存储器15次。当广播数据包完全送出后，并需将输出队列上链路节点解除(dequeue)且释放此15个链路节点，其分别要存取15次SRAM存储器。故总共就必须存取SRAM存储器高达60次。

其次，每有一次广播数据包的传送便必须配置15个未使用列表的链路节点给每一个端口的输出队列。因此，如果有多个广播数据包要传送时，便需要有大容量的SRAM存储器。此外，SRAM还要配置数据包缓存器的属性项来记录每一端口数据包的传送状态，这又会占用SRAM存储器的容量。同时，SRAM存储器也必须维护许多额外的未使用列表的链路节点以符合实际需要，例如上述的多个广播数据包要传送的情形。这对数据传送而言是很没有效率的。

因此本发明提出一种交换式网络输出队列方法，其存取存储器的次数远较现有少。

本发明提出一种网络数据包的输出队列方法，其不必在存储器中配置数据包缓存器的属性项部分，存储器的利用更具弹性。

本发明提出一种网络数据包的输出队列方法，其不必大容量存储器也能处理多个广播数据包送进交换集线器的状况。

本发明提出一种网络数据包的输出队列方法与装置，其简述如下：

一种网络数据包的输出队列方法，应用于具有多数个端口的交换式数据包传输装置，其包括：接收一数据包，并且判断数据包的形式为单播型数据包或广播型数据包。当数据包为单播型数据包时，从SRAM存储器配置一第一链路节点给一输出队列，前述的输出队列对应到要送出此单播型数据包的其中的一端口。当数据包是一广播型数据包时，从SRAM存储器配置一第二链路节点给一广播输出队列(broadcast output queue)，同时将对应各个端口的各输出队列中的最后一个第一链路节点中的一广播数据包计数值(broadcastcount)加一。读取对应单播数据包的第一链路节点中的广播数据包计数值。当链路节点中的广播数据包计数值等于零时，表示此端口并无广播数据包需要送出，故直接将单播数据包传送出去。当链路节点中的广播数据包计数值不等于零时，表示再送完此单播型数据包后，必须依据广播数据包计数值，由SDRAM存储器读取对应此广播数据包计数值的数据包缓存器读取广播数据包，并且将广播数据包传送出，之后再送出对应目前的链路节点的下一链路节点的数据包。

一种网络数据包交换装置，其具有多个端口，用以从其中一端口接收数据包后转送至另一端口端，网络数据包交换装置至少包括交换控制芯片、SRAM存储器、SDRAM存储器、数个输出队列与一广播输出队列。SRAM存储器耦接于交换控制芯片，且更区分成一转送表区与一链路节点区块。链路节点区块则具有数个链路节点。SDRAM存储器亦耦接于交换控制芯片，并且分割成数个数据包缓存器，并藉由交换控制芯片的控制，得以配置其中的一数据包缓存器来储存数据包。各数个输出队列与各个端口一一对应，并且由交换控制芯片所控制，当送进的数据包为单播型数据包时，便从SRAM存储器中的链路节点区块配置其中的一链路节点做为单播型数据包的单播数据包链路节点给输出队列之一，其对应送出此单播型数据包的其中一端口。广播输出队列由交换控制芯片所控制，当送进的数据包为一广播型数据包时，从SRAM存储器的链路节点区块配置其中的一链路节点做为广播型数据包的广播数据包链路节点给广播输出队列，同时在对应各输出队列中的一最后单播链路节点中的一广播数据包计数栏位的数值加一。

运用上述的装置便可以有效地执行本发明的方法。同时，以更少存取存储器的次数来达到数据包先进先出的要求。当一广播数据包送进来时，因为不必配置链路节点给每一端口所对应的输出队列与配置一属性节点来记录数据包的传送情形，所以可以不必使用大量的存储器。

为使本发明的上述目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合附图作详细说明。附图中：

图1绘示交换式集线器核心部分的交换控制芯片与周围存储器的连接关系图；

图2绘示图1中的SRAM存储器与SDRAM存储器的配置图；

图3A绘示现有的输出队列的结构；

图3B绘示现有的输出队列中各链路节点的数据格式；

图3C绘示现有与数据包缓存器对应的属性项的数据格式；

图4绘示现有技术在传送广播型数据包时，每一端口的输出队列的结构图；

图5绘示依据本发明的网络数据包的输出队列方法，与交换控制芯片耦接的存储器的配置图；

图6绘示依据本发明的网络数据包的输出队列方法，输出队列的队列方法的流程示意图；

图7绘示依据本发明的网络数据包的输出队列方法的流程示意图；

图8绘示依据本发明的网络数据包的输出队列方法，端口的输出队列中的每一链路节点的数据格式；

图9绘示本发明在传送广播型数据包时，每一端口的输出队列的结构示意图；以及

图10绘示依据本发明的网络数据包交换装置的结构示意图。

标号说明：

100交换式控制芯片              110SRAM存储器

120SDRAM存储器                 112转送表

114未使用列表的链路节点部分    114a未使用列表的链路节点

116属性项部分                  116a属性项

122数据包缓存器                130输出队列

114a′已使用链路节点           114b未使用列表的链路节点

140广播输出队列                10交换式集线器

200～218输出队列的队列方法的各流程

300～320网络数据包的输出队列方法的各流程

本发明的方法的网络交换式集线器也是由如图1所示的交换式控制芯片100所控制，而此控制芯片100还耦接到第一存储器110与第二存储器120，第一存储器可为SRAM存储器而第二存储器可为SDRAM存储器。请参考图5，在SRAM存储器110中，主要也是区分为储存转送表部分112′与未使用列表的链路节点部分114′，其包括数个未使用列表的链路节点114b。与现有的SRAM存储器配置不同处在于不包含用来记录数据包状态的属性项。本发明对于SDRAM存储器内的配置并未加以修改。本发明对于广播型数据包的处理方式增加一广播输出队列(broadcst output queue)，其队列的记录仅与广播数据包相关的讯息。对应每一个端口的输出队列中的每一链路节点则仅仅做为记录与单播型数据包相关的讯息。

请参照图6并配合图5，用以简略说明本发明的方法，其绘示依据本发明的网络数据包的输出队列方法，输出队列的队列方法的流程示意图，其应用于具有多个端口的交换式数据包传输装置，其如在以太网络上所使用的交换式集线器。以下的说明是以一具有16个端口(端口0到端口15)的交换集线器。首先执行流程204，由交换式数据包传输装置的其中一端口，例如从端口0接收一数据包，并且在流程208判断数据包的形式为单播型数据包或广播型数据包。当数据包为单播型数据包时，便进行流程212，从SRAM存储器110配置一链路节点114b与一输出队列，前述的输出队列对应到要送出此单播型数据包的其中的端口，例如端口1到15之一。当数据包为一广播型数据包时，进行流程216，从SRAM存储器110配置另一链路节点114b给广播输出队列，同时进行218，将对应各个端口的各输出队列中的最后一个第一链路节点中的广播数据包计数值(broadcast count)加一。

请参考图7，其绘示当一广播数据包由一端口送进后，如何由其他端口送出的方法流程式意图。

首先，进行流程304读取对应单播数据包的链路节点中的广播数据包计数值。当链路节点中的广播数据包计数值等于零时，表示此端口并无广播数据包需要送出，便执行流程308直接将单播数据包传送出去。当链路节点中的广播数据包计数值不等于零时，表示再送完此单播型数据包后，进行流程312，依据广播数据包计数值，由SDRAM存储器120读取对应此广播数据包计数值的数据包缓存器122读取广播数据包，并且将广播数据包传送出，之后再送出对应目前的链路节点的下一链路节点的数据包。

图8绘示依据本发明的网络数据包的输出队列方法，端口的输出队列中的每一链路节点的数据格式的范例。第0到第15位做为一指针，用以将此一连结点指向下一个连结点。第16位则用以标示其对应的数据包为单播型数据包或广播型数据包。第17到第33位元则做为端口掩模(port mask)或做为广播数据包计数值。当此节点对应一单播型数据包时，做为广播数据包计数值，用以指出当此节点所对应的单播型数据包送出后，接着要送出的广播数据包个数。当此节点对应一广播型数据包时，用以记录各端口已送出此广播数据包或否的状态。

接着请参考图9，其绘示本发明在传送广播型数据包时，每一端口的输出队列的结构示意图。藉有此图，用以更详细地说明本发明的方法如何有效地确保各端口在传送广播型数据包与单播型数据包时可以维持数据包传送所要求的先进先出的规则。为了说明简单起见，仅绘示出3个端口的输出队列。说明例亦以从端口0送进一广播数据包，并且转送到其他端口1～15。

在时间t2时，在端口1的输出队列已经串有U11～U15五个链路节点，端口2的输出队列则串有U21～U23三个节点，而端口2的输出队列则串有U31～U37七个节点，其中每一个节点均由SRAM存储器110中的链路节点114b。每一端口1～15的输出队列中的链路节点均对应一单播型数据包的数据包缓存器，数据包缓存器配置于SDRAM存储器120中的区块122。

在此同时，假如有三个广播数据包从一端口(例如端口0)送入交换集线器，交换控制芯片100必须控制此广播数据包从端口1～15送出。当一广播数据包送进集线器后，藉由交换控制芯片100的控制，从SRAM存储器110配置一链路节点114b给广播输出队列，此广播输出队列与各端口的输出队列完全独立，仅处理广播数据包的用途。在此实施例以三个广播数据包为例子。在广播输出队列中便串有三个链路节点B1～B3。

当每个广播数据包放入广播输出队列的同时，控制芯片100便将每一端口所对应的输出队列内的最后一个链路节点，如U15、U23与U37内的广播计数b栏位的值加一。在此实施例，其值b＝3，这表示在送出链路节点U15、U23与U37所对应的单播数据包后，依据广播计数值b＝3，向所对应的数据包缓存器读取广播数据包，而依次从各端口送出广播数据包。

每一端口还具有一广播队列首(broadcast output queue head)，用以指出第一个要送出的广播数据包。如图9的H1～H15指向节点B1。例如当端口1将第一广播数据包送出后，便将队列首H1指向第二个节点B2。其余的端口同理可以推知。广播输出队列则具有一共用的广播队列尾(broadcast outputqueue tail)T，用以指出广播输出队列的最后一个节点。当队列首与队列尾指到同节点时，便表示已经将广播数据包完全送出。此时，即使有一单播数据包送进，例如由端口12转送给端口1，其由SRAM存储器110配置一链路节点114b给输出队列成为单播节点U16。藉由广播计数值b，端口1会将对应b值的广播数据包个数完全送出后，才会在继续送出对应节点U16的单播数据包。

为了完成上述的数据包输出的方法，配合此方法的交换装置也一并提出说明。

请参考图10，其绘示依据本发明的一种网络数据包交换装置10，其具有多个端口(端口0～15)，用以从其中一端口(例如端口0)接收数据包后转送至另一端口端(例如端口1)。网络数据包交换装置10至少包括交换控制芯片100、第一存储器110，如SRAM、第二存储器120，如SDRAM、数个输出队列130与一广播输出队列140。配合图5，SRAM存储器110耦接于交换控制芯片100，且更区分成一转送表区112′与一链路节点区块114′。链路节点区块114′则具有数个链路节点114b。SDRAM存储器120亦耦接于交换控制芯片100，并且分割成数个数据包缓存器122，并藉由交换控制芯片100的控制，得以配置其中的一数据包缓存器122来储存数据包。各数个输出队列130与各个端口(例如端口0～15)一一对应，并且由交换控制芯片100所控制。例如，当从端口0送进的数据包为单播型数据包时，便从SRAM存储器110中的链路节点区114′块配置其中的一链路节点114b做为单播型数据包的单播数据包链路节点给输出队列130之一，其对应送出此单播型数据包的其中一端口，例如端口1。广播输出队列140由交换控制芯片100所控制。例如，当从端口0送进的数据包为一广播型数据包时，从SRAM存储器110的链路节点区块114′配置其中的一链路节点114b做为广播型数据包的广播数据包链路节点给广播输出队列140，同时在每一个输出队列130中的一最后单播链路节点中的一广播数据包计数栏位的数值加一。详细的运作方式如上文所叙述，在此便不在冗述。

上述的单播数据包链路节点还包括一广播队列首指针，用以指向该广播输出队列中的一节点。广播输出队列还包括一广播队列尾指针。其中该单播数据包链路节点还包括指针，用以指向该单播数据包所对应的该些数据包缓存器之一。其中该广播数据包链路节点还包括指针，用以指向该广播数据包所对应的该些数据包缓存器之一。

运用上述的装置便可以有效地执行本发明的方法。同时，以更少存取存储器的次数来达到数据包先进先出的要求。当一广播数据包送进来时，因为不必配置链路节点给每一端口所对应的输出队列与配置一属性节点来记录数据包的传送情形，所以可以不必使用大量的存储器。

因此，本发明的特征是对应各端口的输出队列仅处理单播数据包，而增加一广播输出队列来处理广播数据包。

本发明的另一特征是各端口的输出队列内的节点具有记录是否要送出且送出多少个广播数据包的计数栏位。

本发明的再一特征是一个广播数据包的接收再转送，其存取存储器的次数大为减少。

综上所述，虽然本发明已结合优选实施例揭露如上，然而其并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，可作处出各种更动与润饰，因此本发明的保护范围应当由后附的权利要求所界定。

Claims (15)

1.一种网络数据包的输出队列方法，应用于具有多个端口的一交换式数据包传输装置，该网络数据包的输出队列方法包括：

接收一数据包，并且判断该数据包的形式；

当该数据包是一单播型数据包时，从一第一存储器配置一第一链路节点给一输出队列，其中该输出队列对应到要送出该单播型数据包的该些端口之一；

当该数据包是一广播型数据包时，从该第一存储器配置一第二链路节点给一广播输出队列，同时将各端口的各该些输出队列中的最后一该第一链路节点中的一广播数据包计数值加一；

读取对应该单播数据包的该第一链路节点中的该广播数据包计数值；

当该链路节点中的该广播数据包计数值等于零时，直接将该单播数据包传送出去；以及

当该链路节点中的该广播数据包计数值不等于零时，依据该广播数据包计数值，由一第二存储器读取对应该广播数据包计数值的一数据包缓存器读取一广播数据包，并且将该广播数据包传送出去，之后再送出对应该链路节点的下一链路节点。

2.如权利要求1所述的网络数据包的输出队列方法，其中该广播输出队列包括一队列尾。

3.如权利要求1所述的网络数据包的输出队列方法，其中该第一链路节点包括一广播队列首指针，用以指向该广播输出队列中的一节点。

4.如权利要求1所述的网络数据包的输出队列方法，其中该广播输出队列包括一广播队列尾指针。

5.如权利要求1所述的网络数据包的输出队列方法，其中该第一链路节点包括指针，用以指向该单播数据包所对应的该数据包缓存器。

6.如权利要求1所述的网络数据包的输出队列方法，其中该第二链路节点还包括指针，用以指向该广播数据包所对应的该数据包缓存器。

7.如权利要求1所述的网络数据包的输出队列方法，其中该第一存储器是静态随机存取存储器(SRAM)。

8.如权利要求1所述的网络数据包的输出队列方法，其中该第二存储器是同步动态随机存取存储器(SDRAM)。

9.一种网络数据包交换装置，具有多个端口，用以从该些端口之一接收一数据包后转送至该些端口中的另一端口，该网络数据包交换装置包括：

一交换控制芯片；

一第一存储器，耦接于该交换控制芯片，该第一存储器区分为一转送表区与一链路节点区块，该链路节点区块具有多个链路节点；

一第二存储器，耦接于该交换控制芯片，该第二存储器区分成多个数据包缓存器，并藉由该交换控制芯片的控制，得以配置该些数据包缓存器之一来储存该数据包；

多个输出队列，与各该些端口一一对应，并且由该交换控制芯片所控制，当该数据包为一单播型数据包时，从该第一存储器中的该链路节点区块配置该些链路节点其中之一做为该单播型数据包的一单播数据包链路节点给该些输出队列之一，其对应送出该单播型数据包的该些端口之一；以及

一广播输出队列，由该交换控制芯片所控制，当该数据包为一广播型数据包时，从该第一存储器的该链路节点区块配置该些链路节点其中之一做为该广播型数据包的一广播数据包链路节点给该广播输出队列，同时在输出队列中的一最后单播链路节点中的一广播数据包计数栏位的数值加一。

10.如权利要求9所述的网络数据包交换装置，其中该第一存储器是静态随机存取存储器(SRAM)。

11.如权利要求9所述的网络数据包交换装置，其中该第二存储器是同步动态随机存取存储器(SDRAM)。

12.如权利要求9所述的网络数据包交换装置，其中该单播数据包链路节点包括一广播队列首指针，用以指向该广播输出队列中的一节点。

13.如权利要求9所述的网络数据包交换装置，其中该广播输出队列包括一广播队列尾指针。

14.如权利要求9所述的网络数据包交换装置，其中该单播数据包链路节点包括指针，用以指向该单播数据包所对应的该些数据包缓存器之一。

15.如权利要求9所述的网络数据包交换装置，其中该广播数据包链路节点包括指针，用以指向该广播数据包所对应的该些数据包缓存器之一。

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