CN1578263A - 用于将网络节点连接到交换结构的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了一种用于将网络节点连接到交换结构的方法和系统。所述系统包括：访问单元，用于提供对来自外部网络的通信的访问；分类元件，用于用标识相关联的流和队列的信息标记所接收的分组；映射元件，用于基于标记标识符将分组放到多个队列的一个中；调度器，用于调度队列中的分组以用于传输；以及封装元件，用于将所调度的分组封装成统一大小的帧。然后，所述统一大小的帧可以通过交换结构被传输到下一个目的地。

Description

用于将网络节点连接到交换结构的方法和系统
技术领域
本发明的实施例涉及联网技术领域，更具体地说，涉及用于连接到交换结构的网络节点。
背景技术
很多现代通信应用都有苛刻的资源要求，这些应用是难以扩展(scale)的。扩展这种应用的一个有效的方法是对不同的处理元件分配各自的算法，并使这些处理元件通过交换结构互连。这种布置可以支持在算法之间必然会存在的高带宽的数据流。
通过使用多种专有的多级交换技术可以得到高性能的交换结构布置，但是这种性能的获得是以价格和例如可扩展性(scalability)的特性上的高成本而达到的。目前，以合理的成本获得高性能的方法包括例如以太网、无限带宽(InfiniBand)、快速PCI/高级交换(PCI-Express/AdvancedSwitching)以及快速IO。但是，这些网络技术不成熟且仍在发展中，并且在对于网络性能来说很关键的一些特性上是受限制的，所述关键的一些特性例如为服务等级和拥塞控制。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种方法，包括：用标识相关联的流和分组将在其中等待传输的队列的信息来标记所接收的每个网络分组；基于分组的标记标识符，将每个分组映射到多个队列的一个中以等待传输；调度队列中的分组以用于传输；封装分组以形成统一大小的帧；以及通过交换结构将所述统一的帧传输到下一个目的地。
根据本发明的另一个方面，提供了一种装置，包括：分类元件，其用标识相关联的流和队列的信息标记从网络接收的分组；耦合到所述分类元件的映射元件，其基于分组的标记标识符将分组放到多个队列的一个中；耦合到所述映射元件的调度器，其调度队列中的分组以用于传输；以及耦合到调度器的封装元件，其在通过交换结构将分组传输到下一个目的地之前将所调度的分组封装成统一大小的帧。
根据本发明的另一个方面，提供了一种制品，包括机器可访问介质，其包含的内容在由机器访问时使得机器执行如下操作：用标识相关联的流和分组将在其中等待传输的队列的信息来标记所接收的每个网络分组；基于分组的标记标识符，将每个分组映射到多个队列的一个中以等待传输；调度队列中的分组以用于传输；封装分组以形成统一大小的帧；以及通过交换结构将所述统一的帧传输到下一个目的地。
根据本发明的另一个方面，提供了一种系统，包括：访问单元，用于提供对来自网络的通信的访问；耦合到所述访问单元的交换机，用于接收和传输分组；耦合到所述交换机的分类元件，用于使用标识相关联的流和队列的信息标记从所述网络接收的分组；耦合到所述分类元件的映射元件，用于基于分组的标记标识符将分组放到多个队列的一个中；耦合到所述映射元件的调度器，用于调度队列中的分组以用于传输到下一个目的地；耦合到所述调度器的封装元件，用于将所调度的分组封装成统一大小的帧；以及耦合到所述交换机的交换结构，通过所述交换结构将所调度的被封装的分组传输到下一个目的地。
附图说明
通过参照下面的描述以及说明本发明实施例的附图，将可以更好地理解本发明。在附图中：
图1是图示包含本发明的系统的一个通用实施例的框图。
图2是更详细地图示包含本发明的系统的一个通用实施例的框图。
图3图示了根据本发明一个实施例的网络节点的硬件体系结构。
图4a图示了根据本发明一个实施例使用外部交换机的、在多机架(multishelf)构造中节点的互连。
图4b图示了根据本发明一个实施例使用网格结构的、在多机架构造中节点的互连。
图5是图示了本发明实施例的方法的流程图。
具体实施方式
下面描述了用于将网络节点连接到交换结构的系统和方法的实施例。在下面的描述中，给出了大量具体的细节。但是，应该理解，可以不用这些具体的细节来实施本发明的实施例。在其他例子中，为了不混淆对描述的理解，没有详细示出公知的电路、结构和技术。
在整个说明书中所谈到的“一个实施例”或“实施例”表示结合该实施例描述的具体的特征、结构或特点至少包含在本发明的一个实施例中。因此，在本说明书的许多地方出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”不一定都指相同的实施例。而且，可以在一个或多个实施例中以任何合适的方式组合具体的特征、结构或特点。
参照图1，框图图示了根据本发明一个实施例的网络节点100。本领域的普通技术人员将了解网络节点100可以包括比图1中示出的部件更多的部件。但是，为了公开用于实施本发明的说明性实施例，没有必要将所有这些传统部件都图示出来。
网络节点100包括交换机104，其耦合到交换结构102和例如106、108和110的多个子系统。例如ATM虚拟电路、SONET和以太网的外部流量，在子系统106处进入和退出网络节点100。子系统108标记所接收的每个外部分组以标识相关联的流，并基于分组的目的地、优先级和通过交换结构102的路径将每个外部分组分类到多个队列中的一个中。子系统110接收已被标记和分类的分组，将这些分组映射到适当的队列中，从每个队列中调度分组用于传输，并以在通过交换机104将分组传输到交换结构102之前封装分组以形成统一大小的帧。
在一个实施例中，网络节点100还包括一个或多个附加子系统，其执行多种高度接触(high touch)处理功能，例如深度分组检测和信号处理。分组可以被路由到内部或外部附加子系统以进行处理。附加处理可以是网络处理器核心的线程、网络处理器微引擎的线程、或例如数字信号处理器(DSP)的附加处理器的线程。附加处理可以在本地节点或外部节点上。
虽然在图1和图2中将示例性的网络节点100示出为包括连接到子系统和交换结构的交换机104，但是，在一个实施例中，交换机104可以分为两个交换机。两个交换机中的一个将是连接网络节点多个子系统的本地交换机。两个交换机中的另一个将是将一个或多个子系统连接到交换结构的结构交换机。
图2更详细地图示了根据本发明一个实施例的网络节点100的子系统。如所示出的，子系统106包括输入介质访问控制(MAC)202和输出MAC 204，用于与例如ATM虚拟电路、SONET和以太网的外部网络接口。子系统106将进入数据转换为分组流，并格式化和成帧化输出(outbound)的分组流以用于网络接口。
子系统108包括输入MAC 212、输出MAC 206、分类功能块208和解封装功能块210。如果在子系统108接收到来自交换结构的被封装的帧，则所述被封装的帧被发送到解封装功能块210，在这里所述帧被解封装成原始分组。如果在子系统108接收到外部分组，则外部分组被发送到分类功能块208以被标记和分类。
分类功能块208检查每个外部分组，并收集关于分组的信息以进行分类。分类功能块208可以检查分组的源地址和目的地地址、与分组相关联的协议(例如UDP、TCP、RTP、HTML、HTTP)和/或与分组相关联的端口。根据此信息，分类功能块208确定与分组相关联的特定的流，并用标识相关联的流的流标识符(ID)标记分组。然后，分组可以被分类到例如语音、电子邮件或视频流量的多个流量类别中的一个中。确定分组通过交换结构所采取的路径。在确定分组通过交换结构所将采取的路径时要考虑负载平衡。负载平衡是指为不同的流选择不同的路径，以平衡路径上的负载，并最小化由局部网络故障引起的对吞吐量的损害。
基于分组的目的地、通过交换结构的路径以及优先级，将每个分组分类到多个队列中的一个中。在同一个队列中的分组具有共同的目的地、通过交换结构的路径以及优先级。可以用标识分组被分类到其中的那个队列的队列ID来标记每个分组。在一个实施例中，还可以通过去除在通过系统的传输期间不需要的头部和层封装来进一步编辑分组。分组被标记和分类后，被发送回交换机104，以在以后被路由到子系统110。
子系统110包括输出MAC 214、输入MAC 222、映射元件216、调度器218和封装元件220。映射元件216检查每个分组，并基于分组的标记标识符确定分组属于多个队列中的哪一个。然后，分组被排入合适的队列中，以等待通过交换结构被传输到下一个目的地。调度器218调度队列中的分组以用于传输。调度器218使用多种信息来从队列中调度分组。所述信息可以包括占用统计、通过管理接口构造的流规格信息、以及来自交换功能的反馈。可以使用多种算法用于调度，所述多种算法例如最长延迟优先、步进式服务质量调度器(SQS)、简单轮循(Round Robin)调度以及加权轮循调度。
在分组已经从队列中被取出并被调度以用于传输之后，调度器218将分组发送到封装元件220。封装元件220通过聚合小分组以及将大分组分段来将所调度的分组转变为统一大小的帧。帧的大小可以由系统中使用的交换结构技术的消息传输单元(MTU)确定。可以使用复用将小分组合并在一起，而使用分段和重组(SAR)将大分组分开。封装还包括运输头部(conveyance header)，所述头部包含将帧解码成原始分组所需的信息。头部还可以包括：分组在帧内的顺序号，用于帮助错误检验；以及指示流是否与其流规格相符的标志字段(color field)。
被封装的帧被发送到输入MAC 222，输入MAC 222将每个帧转变成符合交换结构技术的格式，然后将每个帧发送到与为帧所选择的路径相对应的交换结构端口。在系统中可以使用不同的交换结构技术和实现，包括以太网、快速PCI/高级交换以及无限带宽技术。
下面是由在子系统106接收的外部分组所采取的通过网络节点100的路径的例子。在子系统106的输入MAC 202从外部网络接收到外部分组。分组被发送到交换机104，交换机104将分组转发到子系统108以进行分类。分组到达子系统108中的MAC 206，MAC 206将分组转发到分类功能块208。分类功能块208检查分组，确定与分组相关联的流，用流ID标记分组，确定分组所将采取的通过交换结构的路径，并将分组分类到多个队列的一个中。然后，被标记和分类的分组被发送到MAC 212，MAC 212将分组转发回交换机104。交换机104将分组发送到子系统110。分组到达子系统110中的MAC 214，MAC 214将分组转发到映射元件216。映射元件216检查分组的标记标识符，并确定分组属于多个队列中的哪一个。然后，分组被排入到合适的队列中，以等待通过交换结构被传输到下一个目的地。调度器218调度队列中的分组以用于传输。当分组被调度以用于传输并从队列中被取出后，分组被封装功能块220封装成统一大小的帧，所述封装是通过在分组较小时聚合小分组并在分组较大时将大分组分段实现的。然后，帧被发送到MAC 222，MAC 222将帧转变成符合交换结构技术的格式，然后将帧发送到与为帧所选择的路径相对应的交换结构端口。然后，分组可以到达与分组从那里被传输的节点类似的另一个网络节点。
下面是由从交换结构102接收的帧所采取的通过网络节点100的路径的例子。在交换机104接收到帧。帧被发送到子系统108中的MAC 206，MAC 206将帧转发到解封装功能块210。解封装功能块210将帧解封装成原始的一个或多个分组。然后，分组被发送回交换机104以被在本地或向外部转发。例如，交换机可以将分组发送到附加子系统以进行高度接触处理，或者发送到子系统106以待被传输到外部网络。
图3图示了根据本发明一个实施例的网络节点300的硬件表示图。节点的中心是交换机302，其通过交换结构304将节点连接到网络的其他部分以及位于基板和中层板(mezzanine board)上的多种处理元件。在这个示例性实现中使用快速PCI/高级交换节点。但是，在其他实施例的网络节点中，可以使用其他网络技术，例如以太网以及无限带宽技术。在一个实施例中，子系统106以及外部附加子系统可以位于中层板上，而子系统108和110以及内部附加子系统位于基板上。
图4a图示了在根据本发明的一个实施例中，可扩展系统中的网络节点可以怎样与网络中的其他交换节点互连。图4b根据本发明的一个实施例，示出了网络节点是怎样在可扩展系统中与直接以网格连接的各个板进行互连的。各个板不一定要垂直地连接，在本发明的其他实施例中可以使用其他网格结构的设置来连接板。
图5图示了根据本发明一个实施例的方法。在步骤500，所接收的每个网络分组使用如下信息标记，该信息标识相关联的流和分组将在其中等待传输的队列。在一个实施例中，基于源地址、目的地地址、端口和/或与分组相关联的协议来确定与分组相关联的流。在一个实施例中，确定分组属于的流量类别。在一个实施例中，从分组中去除头部信息和/或层封装。在步骤502，基于分组的标记标识符，每个分组都被放到多个队列的一个中以等待传输。在步骤504，队列中的分组被调度以用于传输。在步骤506，通过聚合小分组和将大分组分段来封装所调度的分组以形成统一大小的帧。在一个实施例中，添加包含用于将每个帧解码成原始分组的信息的头部。在一个实施例中，使用复用合并小分组以形成一个帧。在一个实施例中，使用分段和重组将大分组分开并放到多个帧中。在步骤508，统一大小的帧通过交换结构被传输到下一个目的地。在一个实施例中，当在另一个网络节点接收到帧时，每个帧都被解封装成原始分组。
虽然已经通过几个实施例描述了本发明，但是本领域的技术人员将了解本发明不限于所描述的实施例，而是可以在所附权利要求的精神和范围之内进行修改和变化来实现。因此，以上描述将是说明性的，而不是限制性的。

Claims (26)

1.一种方法，包括：
用标识相关联的流和分组将在其中等待传输的队列的信息来标记所接收的每个网络分组；
基于分组的标记标识符，将每个分组映射到多个队列的一个中以等待传输；
调度所述队列中的分组以用于传输；
封装所述分组以形成统一大小的帧；以及
通过交换结构将所述统一的帧传输到下一个目的地。
2.如权利要求1所述的方法，还包括对所接收的、已被封装的分组的帧进行解封装。
3.如权利要求1所述的方法，其中，标记每个分组以标识相关联的流和分组将在其中等待传输的队列，包括基于所述分组的源地址和目的地地址来确定与所述分组相关联的流。
4.如权利要求3所述的方法，其中，标记每个分组以标识相关联的流和分组将在其中等待传输的队列，包括基于与所述分组相关联的协议来确定与所述分组相关联的流。
5.如权利要求1所述的方法，其中，标记每个分组以标识相关联的流和分组将在其中等待传输的队列，包括确定所述分组所属的流量类别。
6.如权利要求1所述的方法，其中，所述封装分组以形成统一大小的帧，包括封装分组以形成统一大小的帧以及添加头部，所述头部包含用于将每个帧解码回分组的信息。
7.如权利要求1所述的方法，其中，所述封装分组以形成统一大小的帧，包括通过使用复用将多个分组合并为一个帧来封装分组以形成统一大小的帧。
8.如权利要求1所述的方法，其中，所述封装分组以形成统一大小的帧，包括通过使用分段和重组来将分组分段并将分组片段放到多个帧中，来封装分组以形成统一大小的帧。
9.一种装置，包括：
分类元件，其用标识相关联的流和队列的信息标记从网络接收的分组；
耦合到所述分类元件的映射元件，其基于所述分组的标记标识符将所述分组放到多个队列的一个中；
耦合到所述映射元件的调度器，其调度所述队列中的分组以用于传输；和
耦合到所述调度器的封装元件，其在通过交换结构将所述所调度的分组传输到下一个目的地之前将所述所调度的分组封装成统一大小的帧。
10.如权利要求9所述的装置，还包括通过交换机耦合到所述分类元件的访问单元，用于提供对来自所述网络的通信的访问。
11.如权利要求9所述的装置，还包括用于执行信号处理功能的附加单元。
12.如权利要求9所述的装置，还包括耦合到所述封装元件的交换机，用于通过所述交换结构将所述所调度的分组传输到所述下一个目的地。
13.一种制品，包括：
机器可访问介质，其包含的内容在由机器访问时使得所述机器执行如下操作：
用标识相关联的流和分组将在其中等待传输的队列的信息来标记所接收的每个网络分组；
基于分组的标记标识符，将每个分组映射到多个队列的一个中以等待传输；
调度所述队列中的分组以用于传输；
封装所述分组以形成统一大小的帧；以及
通过交换结构将所述统一的帧传输到下一个目的地。
14.如权利要求13所述的制品，其中，所述机器可访问介质还包括使所述机器对所接收的被封装分组的帧进行解封装的内容。
15.如权利要求13所述的制品，其中，所述机器可访问介质还包括使所述机器从所接收的分组中去除一个或多个层封装的内容。
16.如权利要求13所述的制品，其中，包含当被机器访问将使所述机器标记所接收的每个网络分组以标识相关联的流和分组将在其中等待传输的队列的内容的所述机器可访问介质，包括包含如下内容的机器可访问介质，所述内容在被所述机器访问时将使所述机器基于所述分组的目的地地址和与所述分组相关联的协议确定与分组相关联的流。
17.如权利要求16所述的制品，其中，包含当被机器访问将使得所述机器标记所接收的每个网络分组以标识相关联的流和分组将在其中等待传输的队列的内容的所述机器可访问介质，包括包含如下内容的机器可访问介质，所述内容在被所述机器访问时将使所述机器基于与所述分组相关联的端口来确定与所述分组相关联的流。
18.如权利要求13所述的制品，其中，包含当被机器访问将使得机器标记所接收的每个网络分组以标识相关联的流和分组将在其中等待传输的队列的内容的所述机器可访问介质，包括包含如下内容的机器可访问介质，所述内容在被所述机器访问时将使所述机器确定所述分组所属的流量类别，并基于所述分组属于的流量类别将所述分组分类到一个队列中以等待传输。
19.如权利要求13所述的制品，其中，包含当被机器访问将使所述机器通过聚合小分组和将大分组分段来封装分组以形成统一大小的帧的内容的所述机器可访问介质，包括包含如下内容的机器可访问介质，所述如下内容在被所述机器访问时将使所述机器通过使用复用将多个分组合并为一个帧来封装分组以形成统一大小的帧。
20.如权利要求13所述的制品，其中，包含当被机器访问将使所述机器通过聚合小分组和将大分组分段来封装分组以形成统一大小的帧的内容的所述机器可访问介质，包括包含如下内容的机器可访问介质，所述内容在被所述机器访问时将使所述机器通过使用分段和重组来将分组分段并将分组片段放到多个帧中来封装分组以形成统一大小的帧。
21.一种系统，包括：
访问单元，用于提供对来自网络的通信的访问；
耦合到所述访问单元的交换机，用于接收和传输分组；
耦合到所述交换机的分类元件，用于使用标识相关联的流和队列的信息标记从所述网络接收的分组；
耦合到所述分类元件的映射元件，用于基于标记标识符将所述分组放到多个队列的一个中；
耦合到所述映射元件的调度器，用于调度所述队列中的所述分组以用于传输到下一个目的地；
耦合到所述调度器的封装元件，用于将所述所调度的分组封装成统一大小的帧；和
耦合到所述交换机的交换结构，通过所述交换结构将所述所调度的被封装的分组传输到所述下一个目的地。
22.如权利要求21所述的系统，还包括耦合到所述交换机的附加单元，用于执行数字信号处理功能。
23.如权利要求21所述的系统，其中，所述交换机是快速PCI/高级交换的交换机。
24.如权利要求21所述的系统，其中，所述交换结构是快速PCI/高级交换结构。
25.如权利要求21所述的系统，其中，所述交换结构是以太网结构。
26.如权利要求21所述的系统，其中，所述交换结构是无限带宽结构。
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