CN1558624A - 基于环的大容量可扩展分组交换网络结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大容量可扩展分组交换网络结构，该网络采用三级结构，第一级为流量分配级，第二级为多个独立的环形网络组成的转发级，第三级为业务流量汇聚级。第一级各交换单元与第二级每个环上的交换单元采用交错连接，以减小业务分组经过的转发交换单元数，并使输入输出单元之间呈现多条传输距离不同的路径；第二级环网络上的交换单元分别与第三级相对应的交换单元相连接。工作时先将输入业务通过第一级交换单元分配到第二级的多个环网络上，环网络再将该业务转发到相应的目的交换单元，最后由第三级汇聚输出。该结构可充分利用中间级的环型网络实现组播，具有良好的网络性能和扩展能力，很适合作分组互联网核心路由器的交换网络。

Description

基于环的大容量可扩展分组交换网络结构

所属技术领域：

本发明涉及通信技术领域，具体地说是一种基于环的大容量可扩展分组交换网络结构，用于构造互联网T比特核心路由器。

背景技术：

目前随着全球Internet用户数量和站点数量的快速增长，对网络带宽的需求急剧增加，用户对Internet的服务质量和服务内容也提出了更高的要求，为此，对Internet核心路由器的设计提出了新的挑战。由于光通信技术的发展使得传输带宽资源成倍增加，因而能够满足网络对带宽增长的要求。但由于网络交换能力的增长速度远远低于带宽的增长速度，所以T比特路由器(TSR)作为架构高性能信息网络的解决方案，日益成为学术和工程实现的研究热点。然而，由于T比特路由器(TSR)的交换能力取决于交换网络，因此，交换网络拓扑结构是设计高性能交换路由器时必须首先考虑的重要问题之一。

目前TSR交换网络拓扑结构的选择方案主要有两类，一类是直接连接网络，另一类是间接连接网络。其中，直接连接网络最常用的有三维环绕连接网格(3Dtorus)和超立方体网络(Hypercube)，它们被广泛用于超级计算机的架构中；间接连接网络最常用的是以Clos网络为典型代表的多级连接网络结构。虽然这些网络结构已被网络设备制造商用来实现TSR路由器，但均存在如下不足：

1.Clos网络连线复杂，是一种固定拓扑，可扩展性差；

2.直接连接网络(3D torus)和超立方体网络(Hypercube)只能应用在低负载的并行计算环境，不能应付高负荷的通信业务流量。

因此寻找新的具有良好性能和扩展性的网络结构是目前T级交换网络设计的重点和难点。

发明的内容：

本发明的目的是克服上述已有技术的不足，提出了一种基于环的分组交换网络拓扑结构(MR)，它具有高性能、大容量、可扩展等特征。

实现本发明目的技术方案是将交换网络设计为三级交换网络结构，其中：

第一级为流量分配级，用于将输入业务流分摊到第二级的多个环网络上；

第二级为转发级，由多个独立并行的环网络组成分组转发网络，用于将第一级输入的业务流转发到第三级的交换单元上；

第三级为业务汇聚级，用于将第二级转发的业务流汇聚输出；

第一级各交换单元与第二级每个环上的交换单元交错连接，以减小业务分组经过的转发交换单元数，并使输入输出单元之间呈现多条传输距离不同的路径；

第二级环网络上的交换单元分别与第三级相对应的交换单元相连接。

在上述的分组交换网络结构中，第一级各交换单元与第二级每个环上的交换单元交错连接，也就是将第一级的第一个交换单元分别和第二级第一个环的第1个交换单元，第二个环的第

单元，…，第p个环的第

modk单元相连，…，第n个环的第

单元相连；第一级的第二个、第三个及其它交换单元同样按第一个交换单元的连接规律依次连接，式中：

k为环上的交换单元数；n为第二级环的个数；p为具体的第p个环；Nmodk为取N除以k的余数，如5mod3＝2，即5除以3余2；

表示取k/n的整数部分，见图3所示。

在上述分组交换网络结构中，第一级到第三级的输出设有多条传输距离不等的连接链路，且各条链路相互独立。

在上述分组交换网络结构中，交换网络中的三级均采用相同结构的交换单元，并在满足k≤n²且输入分组到达各输出端口的概率分布均匀条件下，该网络是一个内部无阻塞的交换网络，式中k表示每个环上的交换单元数，n表示第二级环网络的个数。

在上述分组交换网络结构中，第二级交换单元可以通过背板总线进行连接，构成环网络，便于交换网络的容量扩展。

在上述分组交换网络结构中，第二级的各交换单元之间均为短线连接，且第一级与第二级和第二级与第三级之间的连接均可采用标准的电缆或光纤高速通信链路，以便交换网络扩展容量时的调整。

本发明由于输入输出端口具有多条路经，所以交换结构具有良好的容错能力；同时由于每条路径的距离不同，不仅便于为不同的业务提供不同的转发路径和区分服务，而且可防止同一业务流经过交换结构而产生乱序现象。此外由于中间级环交换单元之间均为相邻单元连接，便于采用较短的电总线实现连接，便于背板总线的设计，能够极大地降低系统实现的复杂度。

本发明与现有的直接连接网络(3D torus)和超立方体网络(HypercuBe)结构及间接连接网络(Clos网络)结构相比，具有如下优点：

(1)采用三级网络结构，具有更小的网络直径、平均距离和传输时延，网络吞吐率高，具备良好的路径多样性、网络负载均衡能力及容错能力；

(2)中间级环网络交换单元连线是以短线为主，便于采用电连接，降低系统的实现成本，同时便于系统容量的扩展；

(3)中间级采用多个环网络结构，每个环网络相互错开，不仅使得网络的平均距离成倍减小，缩短了分组的转发时延，而且便于组播功能的实现；

(4)由于输入输出端口之间存在多条距离不同的信息转发路径，可分别用于传输服务等级不同的通信业务流，便于支持区分服务。

分析表明，本发明的交换网络结构不仅具有直接连接网络和间接连接网络的特征，同时具有良好的网络性能和可扩展能力，交换容量能够从G比特级线性扩展到T比特级，非常适合作为大容量交换路由器内部的交换网络。

附图说明：

图1是本发明的基本连接图

图2是本发明的双环交错连接示意图

图3是本发明的多环交错连接示意图

具体实施方式

如图1所示，本发明的基本结构主要由三级交换单元组成，图中方块代表交换单元，箭头代表交换单元之间的物理连接链路。第一级由交换单元S11～S18构成，第二级由两个环网络组成，即M11～M18构成的环1和M21～M28构成的环2，第三级交换单元由S31～S38构成。第一级各输入单元S11～S18分别通过连接链路L1、L2与第二级环1的交换单元M11～M18和环2的交换单元M21～M28连接。第二级各环只有相邻的交换单元通过连接链路实现连接，构成环网络，如交换单元M11仅与交换单元M12和M18相连，交换单元M12仅与交换单元M11和M13相连接等。第二级各环上的交换单元均与第三级相应的交换单元连接，如交换单元M11与输入单元S31连接，交换单元M21与输入单元S31连接。该基本连接结构的缺点是输入输出端口之间的两条传输路径距离相等。

参照图2，本发明在图1的基础上对第一级和第二级的连接关系进行了调整，主要体现在第一级与第二级两个环网络的连接采用错位连接方式。第一级通过连接链路L1与L2分别连接到第二级的两个环网络，其中第一级的第一个输入单元S11的连接链路L1与第二级第一个环网络相对应的交换单元M11相连，而连接链路L2采用交错方式与第二级第二个环上的交换单元相连，即第一级第一个输入单元S11的连接链路L2与第二级第二个环网络的第五个交换单元M25相连接；同理，第一级的第二个输入单元S12的连接链路L1与第二级第一个环网络相对应的交换单元M12相连，输入单元S12的连接链路L2与第二级第二个环网络的第六个交换单元M26相连；第一级的第三个输入单元S13的连接链路L1与第二级第一个环网络相对应的交换单元M13相连，输入单元S13的连接链路L2与第二级第二个环网络的第七个交换单元M27相连；第一级的第四个输入单元S14的连接链路L1与第二级第一个环网络相对应的交换单元M14相连，输入单元S14的连接链路L2与第二级第二个环网络的第八个交换单元M28相连；第一级的第五个输入单元S15的连接链路L1与第二级第一个环网络相对应的交换单元M15相连，输入单元S15的连接链路L2与第二级第二个环网络的第一个交换单元M21相连；第一级的第六个输入单元S16的连接链路L1与第二级第一个环网络相对应的交换单元M16相连，输入单元S16的连接链路L2与第二级第二个环网络的第二个交换单元M22相连；第一级的第七个输入单元S17的连接链路L1与第二级第一个环网络相对应的交换单元M17相连，输入单元S17的连接链路L2与第二级第二个环网络的第三个交换单元M23相连；第一级的第八个输入单元S18的连接链路L1与第二级第一个环网络相对应的交换单元M18相连，输入单元S18的连接链路L2与第二级第二个环网络的第四个交换单元M24相连。第二级各环只有相邻的交换单元通过连接链路实现连接，构成环网络，如交换单元M11仅与交换单元M12和M18相连，交换单元M12仅与交换单元M11和M13相连等。第二级各环上的交换单元均与第三级相应的输出单元连接，如交换单元M11与输出单元S31连接，交换单元M21与输出单元S31连接。通过第二级两个环的不同连接链路可使网络的平均距离降低一半，降低了通信时延。

如图3所示，本发明采用将第二级设为多个网络环的通用结构。其中，第一级由多个交换单元组成，每一个交换单元可以是现成的交换单元，如8×8的交换单元；第二级即中间级为由多个独立并行环组成(用n代表中间级环网络的个数)的分组转发网络，每一个环由多个交换单元组成(用k代表环网络交换单元的个数)；这些单元是具有交换功能的交换单元，如8×8；第三级为业务汇聚级，与第一级结构类似，也是由多个交换单元组成，完成业务流量的汇聚功能，图3中 $q=\left[\frac{k}{n}\right].$

各交换单元的连接关系如下：

第一级的第一个输入单元分别通过不同链路与第二级各环的交换单元连接，即第一级的第一个输入单元通过连接链路L1与第二级第一个环的第一个交换单元连接，…，通过连接链路Lp与第二级的第p个环的第(1+(p-1)[k/n])modk个单元连接，…，通过连接链路Ln与第二级的第n个环的第(1+(n-1)[k/n])modk个单元连接；同理，第一级的第i个单元通过连接链路L1与第二级第一个环的第i个单元连接，…，通过连接链路Lp与第二级的第p个环的第(i+(p-1)[k/n])modk个单元连接，…，通过连接链路Ln与第二级的第n个环的第(i+(n-1)[k/n])modk个单元连接；

第一级的第k个单元分别通过连接链路L1与第二级第一个环的第k个单元连接，…，通过连接链路Lp与第二级的第p个环的第((p-1)[k/n])modk个单元连接，…，通过连接链路Ln与第二级的第n个环的第((n-1)[k/n])modk个单元连接。

第二级各环只有相邻的交换单元通过通信链路实现连接，构成环网络，第二级各环上的交换单元均与第三级相应的输出单元连接。

工作时，首先将输入业务通过第一级的交换单元分配到第二级的多个环网络上，由环网络将该业务转发到第三级相应的目的交换单元，最后由第三级汇聚输出。由于第一级和中间级的这些环采用交错连接，使得输入输出单元之间呈现多条传输距离不同的路径，所以便于为服务等级不同的通信业务提供区分服务。各级之间的连接关系可以表示为：

如果用编号i(1≤i≤k)来表示第一级和第三级多个交换单元中的第i个交换单元，在第二级用二维坐标(p，j，1≤p≤n，1≤q≤k)来表示第p个环上的第j个交换单元，则第一级和第二级的连接关系为：

$i\→(p,(i+(p-1)[\frac{k}{n}])$ modk，1≤p≤n)，式中：

k为环上的交换单元数；n为第二级环的个数；p为具体的第p个环。

即第一级的第i个交换单元与第p个环的第 $(i+(p-1)[\frac{k}{n}\left]\right)\mathrm{mod}k$ 个交换单元相连，如第一级的第一个交换单元(i＝1)分别和第二级第一个环(p＝1)的第1个交换单元，第二个环的第 $(1+[\frac{k}{n}\left]\right)\mathrm{mod}k$ 交换单元相连，…，第p个环的第 $(1+(p-1)[\frac{k}{n}\left]\right)\mathrm{mod}k$ 交换单元相连，以实现第一级各交换单元与中间环交换单元的交错连接。

第二级和第三级交换单元的连接关系表示为：(p，i，1≤p≤n，1≤i≤k)→i，即第二级每一个环上的第i个交换单元都和第三级的第i个输出单元相连，以实现中间级环网络上的交换单元分别与相应的第三级交换单元相连接。

实现本发明的网络结构可采用分离交换机架和线卡机架的方式。这种方式可以有效的保护用户投资，并具有更好的可扩展性。线卡机架主要实现交换结构第一级和第三级的功能，完成IP分组的接收、发送及流量管理，并为数据分组进入交换网络做好相应的预处理工作，如路由表的查找、内部标签的添加和删除、业务整形。交换机架通过电背板组成交换环，主要实现中间级环网络的分组转发功能，每个交换机架内可放置多个交换机框。不同的交换机框配置成不同的交换环网络。线卡机架通过较长的专用高速连接链路与交换机架相连，即可以采用电连接也可以采用光连接，使线卡机架与交换机架之间的连接关系灵活、可调，便于系统容量的扩展。交换机架内的中间级环网络可采用折叠方式实现，环交换单元之间的连线短并且规则，能够通过机框高速背板以短线方式实现交换单元间的连接，简化设备的复杂度。

Claims (6)

1.一种基于环的大容量可扩展分组交换网络结构，主要由三级交换单元构成，其中：

第一级为流量分配级，用于将输入业务流分摊到第二级的多个环网络上；

第二级为多个独立并行环组成的分组转发网络，用于将第一级输入的业务流转发到第三级的交换单元上；

第三级为业务汇聚级，用于将第二级转发的业务流汇聚输出；

第一级各输入单元与第二级每个环上的交换单元交错连接，以减小业务分组经过的转发交换单元数，并使输入输出单元之间呈现多条传输距离不同的路径；第二级环网络上的交换单元分别与第三级相对应的输出单元相连接。

2.根据权利要求1所述的分组交换网络结构，其特征在于第一级各输入单元与第二级每个环上的交换单元交错连接，是将第一级的第i个输入单元与第二级第p个环的第

个交换单元相连，式中：

k为环上的交换单元数；n为第二级环的个数；p为具体的第p个环，Nmodk为取N(N为正整数)除以k的余数。

3.根据权利要求1所述的分组交换网络结构，其特征在于第一级到第三级的输出设有多条传输距离不等的连接链路，且各条链路相互独立。

4.根据权利要求1所述的分组交换网络结构，其特征在于交换网络中的三个级均采用相同结构的交换单元，并在满足k≤n²且输入分组到达各输出端口的概率分布均匀条件下，该网络是一个无内部阻塞的交换网络，式中k表示每个环上的交换单元数，n表示第二级环网络的个数。

5.根据权利要求1所述的分组交换网络结构，其特征在于第二级的交换单元可以通过背板总线进行连接，构成环网络，便于交换网络的容量扩展。

6.根据权利要求1或2所述的分组交换网络结构，其特征在于第二级的各交换单元之间均为短线连接，且第一级与第二级和第二级与第三级之间的连接可采用标准的电缆或光纤高速通信链路，以便交换网络扩展容量时的调整。