DE60120290T2 - Vermittlungsanlage mit externer Adressenauflösungsschnittstelle - Google Patents

Vermittlungsanlage mit externer Adressenauflösungsschnittstelle Download PDF

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Description

  • Querverweis auf Bezugspatentanmeldungen
  • Diese Patentanmeldung beansprucht Priorität aufgrund der vorläufigen US-Patentanmeldung No. 60/213 478, eingereicht am 23. Juni 2000, und aus der vorläufigen US-Patentanmeldung No. 60/213 482, welche ebenfalls am 23. Juni 2000 eingereicht wurde.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Netzwerk-Vermittlungsanlage und auf ein Verfahren zum Verarbeiten eines Datenpakets in einer Netzwerk-Vermittlungsanlage. Im Besonderen betrifft die vorliegende Erfindung eine neuartige Vermittlungsarchitektur in einer integrierten Einzelchip-Modullösung, die auf einem Halbleitersubstrat implementiert werden kann, wie zum Beispiel auf einem Siliziumhalbleiterplättchen.
  • Beschreibung des Stands der Technik
  • Da die Leistungsanforderungen in Computern in jüngster Zeit erheblich gestiegen sind, haben sich auch die Ansprüche an die Computernetzwerke beträchtlich erhöht. Folglich benötigen schnellere Computerprozessoren mit größeren Speichermöglichkeiten Netzwerke mit einem hohen Bandbreitenpotenzial, damit große Datenmengen bei hoher Geschwindigkeit transferiert werden können. Die allseits bekannte Ethernet-Technologie, die auf den zahlreichen IEEE-Ethernet-Standards basiert, ist ein Beispiel für eine Computernetzwerk-Technologie, die man ständig modifizieren und verbessern kann, um stets eine effiziente Computertechnologie zu erhalten.
  • Eine umfassendere Beschreibung über den Stand der Technik bei den Netzwerksystemen kann man beispielsweise entnehmen aus „SWITCHED AND FAST ETHERNET" von Breyer und Riley (Ziff-Davis 1996) und aus zahlreichen IEEE-Veröffentlichungen in Bezug auf die IEEE 802-Standards. Basierend auf dem OSI-7-Schicht-Referenzmodell [OSI = Open Systems Interconnect] haben sich die Netzwerkmöglichkeiten durch die Entwicklung von Repeatern, Brücken, Routern und seit neuestem von „Switches" [= Vermittlungsanlagen] erhöht, die mit den verschiedensten Arten der Kommunikationsmedien operieren. Dickdrahtleiter, Dünndrahtleiter, verdrillte Leiterpaare und Lichtwellenleiter sind einige Beispiele, die für Computernetzwerke zum Einsatz kommen.
  • Die „Switches" sind, soweit sie sich auf Computernetzwerk- und Ethernet-Vermittlungsanlagen beziehen, Einrichtungen auf Hardwarebasis, welche den Fluss der Datenpakete oder Paketzellen auf Basis der Zieladressinformationen steuern, die in jedem Paket verfügbar sind. Eine korrekt aufgebaute und ausgeführte Schaltung der Vermittlungsanlage sollte in der Lage sein, ein Paket zu empfangen und das Paket an einen zuständigen Ausgangsanschluss weiter zu vermitteln, wobei dieser Vorgang als Draht- oder Leitungsübertragungsgeschwindigkeit bezeichnet wird, welche in dem bestimmten Netzwerk die maximale Geschwindigkeitsleistung ist. Die zugrunde liegende Leitungsübertragungsgeschwindigkeit des Basis-Ethernets beträgt bis zu 10 Megabits pro Sekunde, wobei beim Fast-Ethernet bis zu 100 Megabits pro Sekunde zu erzielen ist. Das allerneueste Ethernet wird als Gigabit-Ethernet bezeichnet und kann Daten über ein Netzwerk bei einer Geschwindigkeitsrate von bis zu 1.000 Megabits pro Sekunde übertragen.
  • Da sich die Übertragungsgeschwindigkeit erhöht hat, werden die Designeinschränkungen und Designanforderungen im Hinblick auf die nachfolgenden und geeigneten Design- und Protokollregeln immer komplexer, wobei aber eine kommerziell durchführbare Lösung bei geringen Kosten zur Verfügung stehen soll. Ein Vermittlungsschalten bei hoher Übertragungsgeschwindigkeit erfordert beispielsweise einen Hochgeschwindigkeitsspeicher zum Bereitstellen eines geeigneten Zwischenspeicherns [Pufferung] für die Paketdaten; der herkömmliche, dynamische Direktzugriffsspeicher [DRAM = Dynamic Random Access Memory] ist aber relativ langsam und benötigt ein mit Hardware auszuführendes Auffrischen bzw. Aktualisieren. Die Geschwindigkeit der als Pufferspeicher fungierenden DRAMs während der Netzwerk-Vermittlungsschaltungen führt daher zu wertvollem Zeitverlust, wobei es fast unmöglich wird, die Vermittlungsanlage bzw. das Netzwerk in Verbindung mit der Leitungsübertragungsgeschwindigkeit auszuführen. Darüber hinaus sollte die Einbeziehung einer externen, zentralen Prozessoreinheit = CPU vermieden werden, da es auch die zusätzliche CPU-Mitwirkung nicht zulassen würde, die Vermittlungsschaltung in Verbindung mit der Übertragungsgeschwindigkeit auszuführen.
  • Da die Netzwerk-Vermittlungsanlagen außerdem in Bezug auf die benötigten Regeltabellenverzeichnisse und Speicheransteuerungen immer komplizierter geworden sind, wird eine komplexe Multichiplösung erforderlich, welche einen Logiksteuerschaltkreis benötigt, der mitunter als Verknüpfungslogik bezeichnet wird, um somit zu ermöglichen, dass die verschiedenen Chips miteinander kommunizieren können. Hinzu kommt, dass in Bezug auf die teueren, jedoch schnellen, statischen Direktzugriffsspeicher = SRAMs gegenüber den nicht teueren, aber langsamen, dynamischen DRAMs einige Kosten-/Nutzenkompromisse erforderlich sind. Aufgrund von deren dynamischen Beschaffenheit benötigen die DRAMs außerdem das Auffrischen/Aktualisieren der Speicherinhalte, um diesbezüglich Verluste vermeiden zu können. SRAMs leiden nicht an den Folgen von Aktualisierungsnotwendigkeiten und weisen im Vergleich zu den DRAMs einen geringeren Betriebsaufwand auf, wenn beispielsweise das Eliminieren von Seitenverlusten etc. auszuführen ist. Obgleich die DRAMs eine adäquate Geschwindigkeit aufweisen, wenn sie auf die Speicherplätze der gleichen Seite zugreifen, wird die Geschwindigkeit jedoch reduziert, sobald auf weitere Seiten zugegriffen werden muss.
  • Bezüglich des OSI-7-Schicht-Referenzmodells, das bereits vorstehend erwähnt wurde und in 7 veranschaulicht ist, besitzen die höheren Schichten in der Regel mehr Informationen. Die verschiedensten Produkttypen stehen für das Ausführen von schaltbezogenen Funktionen auf den unterschiedlichen Schichtebenen des OSI-Referenzmodells zur Verfügung. Die Hubs oder Repeater operieren schichtbezogen, kopieren im Wesentlichen und „senden verteilend" die eingehenden Daten an eine Vielzahl von Hub-Speichen. Zweischichtbezogene Vermittlungseinrichtungen werden für gewöhnlich als Multiport-Brücken bezeichnet und sind in der Lage, zwei separate Netzwerke zu überbrücken. Brücken können eine Tabelle zum Wei terleiten von Regeln auf der Basis aufbauen, aus denen die MAC-Adressen (MAC = Media Access Controller = Medienzugangssteuereinheit) bestehen, welche die Brücken anschließen, und die Datenpakete weiterleiten, die für eine Adresse bestimmt sind, welche auf dem gegenüberliegenden Ende der Brücke angesiedelt ist.
  • Brücken benutzen in der Regel einen Spannbaum-Algorithmus, einen auch als „Spanning-Tree" bekannten Algorithmus, um potentielle Datenschleifen zu eliminieren. Eine Datenschleife ist ein Zustand, in dem ein Datenpaket sich in endlosen Schleifen im Netzwerk befindet und nach einer bestimmten Adresse sucht. Der Spanning-Tree-Algorithmus definiert ein Protokoll zum Verhindern von Datenschleifen. Dreischichtige Vermittlungsanlagen, die meistens als Router bezeichnet werden, können Datenpakete auf Basis der Ziel-Netzwerkadresse weiterleiten. Dreischichtige Vermittlungsanlagen sind außerdem in der Lage, Adressen zu entnehmen „zu lernen" und deren Tabellenverzeichnisse aufrechtzuerhalten, die den Port-Abbildungen entsprechen [Port Mapping]. Die verarbeitende Übertragungsgeschwindigkeit bezüglich der dreischichtigen Vermittlungsanlagen kann durch das Benutzen spezieller Hochleistungshardware und durch das Ausladen des CPU-Hostprozessors verbessert werden, so dass instruierende Entscheidungen die Paketweiterbeförderung nicht verzögern.
  • Die europäische Patenanmeldung EP 0 680 178 A1 beschreibt einen Zellenvermittlungskreuzschienenchip [Koppelfeldchip], der für die Anwendung in den verschiedenen Ausgestaltungen einer Kreuzschienenschaltung vorgesehen ist, die Schnittstellenverbindungen für einen Zellenkörperspeicher zu N-Eingangsanschlüssen und N-Ausgangsanschlüssen bereitstellt. Jeder Anschluss weist eine Vielzahl von Leitungen auf, über welche die am Aufbau beteiligten Bits eines Zellkörpers durch eine Folge von Bitverschiebungen transferiert werden können. Der Chip umfasst M-extern zugängliche, separate Speicher-Busse, wobei jeder mit einer Vielzahl von S-Schieberegisterblöcken verbunden ist. Jeder Schieberegisterblock besitzt ein Eingangsschieberegister mit L-Elementen, in welche die Bits von einer Eingangsanschlussleitung hinein geschoben werden können, wobei die Eingangsschieberegister mit dem erwähnten Eingangskontakt verbunden sind, damit die Bits in die Register geschoben werden können, und ein Ausgangsschieberegister mit L-Elementen, aus denen die Bits durch eine Ausgangsanschlussleitung hinausgeschoben werden können.
  • Die Patentanmeldung WO 99/00820A betrifft eine mehrschichtige Architektur eines Vermittlungsanlagen-Suchsystems. Eine Kreuzschienenschaltstruktur für eine Vermittlungsanlage umfasst ein Suchsystem und eine Paket-Header verarbeitende Einrichtung. Das Suchsystem kann mit einem weiterleitenden Datenbankspeicher und einen oder mehreren Eingangsanschlüssen gekoppelt sein. Das Suchsystem ist so konfiguriert, um Zugriffe auf den weiterleitenden Datenbankspeicher zu klassifizieren und auszuführen, und um die weiterleitende Entscheidung an den einen oder an mehrere Eingangsanschlüsse zu transferieren. Die Header verarbeitende Einrichtung ist mit dem Suchsystem verbunden und umfasst eine Entscheidungsschnittstelle [Arbitrierschnittstelle] zum Verbinden von dem einen oder mehreren der Eingangsanschlüsse. Die Header verarbeitende Einrichtung ist zum Empfangen eines Paket-Headers von einem oder von mehreren Eingangsanschlüssen konfiguriert und ferner zum Aufbauen eines Suchschlüssels für den Zugriff auf den weiterleitenden Datenbankspeicher aufgrund eines vorgegebenen Teilabschnitts des Paket-Headers ausgelegt.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine zuverlässige und schnelle Gigabit-Verarbeitung bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch eine Vermittlungsanlage, welche die kennzeichnenden Merkmale gemäß Anspruch 1 aufweist, und ein Verfahren, welches die Merkmale gemäß Anspruch 5 umfasst, gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.
  • Kurze Zusammenfassung der Erfindung
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Netzwerk-Vermittlungsanlage zur Verfügung gestellt, welche eine Vielzahl von Eingangsanschlüssen aufweist, die Datenpakete empfangen. Eine externe Adressenauflösungsschnittstelle ist mit der Vielzahl von Eingangsanschlüssen verbunden. Die externe Adressenauflösungsschnittstelle überträgt extern die Datenpakete zum Weiterverarbeiten und empfängt die Datenpakete nach dem Verarbeiten. Eine Speicherverwaltungseinheit ist mit der externen Schnittstelle gekoppelt, und eine Vielzahl von Ausgangsanschlüssen ist wiederum mit der Speicherverwaltungseinheit verbunden.
  • Die vorliegende Erfindung ist außerdem auf ein Verfahren zum Verarbeiten eines Datenpaketes in einer Netzwerk-Vermittlungsanlage ausgerichtet, die eine Vielzahl von Gigabit-Ports aufweist, welche mit einem CPS-Kanal verbunden sind. Das Verfahren umfasst die Schritte des Empfangens eines Datenpakets in einem Eingangsanschluss und des Übermittelns des Datenpakets von dem Eingangsanschluss über eine Schnittstelle zu einem externen Modul für eine Adressenauflösung. Das Paket wird dann in dem externen Modul verarbeitet und von dem externen Modul zur Schnittstelle gesendet. Daraufhin wird das Paket aus dem externen Modul in der Schnittstelle empfangen und von der Schnittstelle zu einer Speicherverwaltungseinheit übermittelt. Das Paket wird schließlich von der Speicherverwaltungseinheit zu einem Ausgangsanschluss gesendet. Die Daten im CPS-Kanal werden über den CPS-Kanal übertragen, während gleichzeitig eine korrespondierende P-Kanal-Nachricht übermittelt werden kann.
  • Eine weitere Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Netzwerk-Vermittlungsanlage mit einem Eingangsanschluss-Empfangsmittel zum Empfangen eines Datenpakets in einem Eingangsanschluss; einem Eingangsanschluss-Übertragungsmittel zum Übermitteln des Datenpaketes von dem Eingangsanschluss über eine Schnittstelle zu einem externen Modul für eine Adressenauflösung; einem Verarbeitungsmittel zum Verarbeiten des Paketes in dem externen Modul; einem externen Modulübertragungsmittel zum Übertragen des Paketes von dem externen Modul an die Schnittstelle; einem Schnittstellenempfangsmittel zum Empfangen des Datenpaketes in der Schnittstelle aus dem externen Modul; einem Schnittstellenübertragungsmittel zum Übertragen des Datenpaketes von der Schnittstelle zu einer Speicherverwaltungseinheit und einem Speichereinheitsübertragungsmittel zum Senden des Datenpaketes von der Speicherverwaltungseinheit zu einem Ausgangsanschluss.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • Die Aufgaben und kennzeichnenden Merkmale der vorliegenden Erfindung können mit Bezug auf die nachfolgende Beschreibung und den zugehörigen Zeichnungen einfacher verstanden und veranschaulicht werden, in denen:
  • 1 eine Darstellung von einer Port-Gigabit-Switch-Vermittlungsanlage (PGS) gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
  • 2 eine Darstellung von zwei PGS-Vermittlungsanlagen ist, die über 10-Gigabit-Ethernet-Schnittstellen (10-GE) verbunden sind;
  • 3 eine Darstellung von einer Gigabit-Kreuzschienenschaltung (FGS = Fabric Gigabit Switch) ist;
  • 4 eine Darstellung von acht PGS-Vermittlungsanlagen ist, die über eine FGS miteinander in Verbindung stehen; und
  • 5 ein Programmablaufdiagramm darüber ist, wie ein Paket über eine PGS-Vermittlungsanlage gemäß der vorliegenden Erfindung transferiert werden kann.
  • Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • 1 ist eine Darstellung von einer Port-Gigabit-Switch-Vermittlungsanlage (PGS) 100. Die PGS 100 umfasst acht Gigabit-Ports 102, eine 10-GE-Schnittstelle 104 (GE = Gigabit Ethernet) und eine Gigabitschaltschnittstelle für die Adressenauflösung 106 (AGS = Address Resolution Gigabit Switch).
  • Die PGS 100 ist eine Schicht-2-Einrichtung mit chipintegrierten MAC-Adressentabellen (MAC = Media Access Control) und einem Schnellfilterungsprozessor (FFP = Fast Filtering Processor). Die Einrichtung kann in einem allein operierenden Modus betrieben werden, oder mit anderen Einrichtungen verbunden sein, welche weitere PGS-Anlagen oder eine externe Adressenauflösungsgigabitschaltung (AGS) einbeziehen, um eine Schicht-2-, Schicht-3- und FFP-Verarbeitung auszuführen. Die PGS 100 ist eine blockierungsfrei vermittelnde Einzelchiplösung für acht Gigabit- Ethernet-Anschlüsse und einer 10-GE-Schaltverknüpfung. Der FFP stellt eine beschleunigende Paketbeförderung und einen verbesserten Paketfluss durch das Anwenden von Funktionen bereit, wie zum Beispiel Klassifizierungsfunktion, Zählfunktion, Formungsfunktion und Neuausführungsfunktion.
  • Jeder Gigabit-Port 102 der PGS-Vermittlungsanlage 100 ist einer entsprechenden Medienzugangssteuereinheit MAC mit einem Eingang zum Empfangen von Datenpaketen und einem Ausgang zum Übertragen der Datenpakete zugeordnet. Die Gigabit-Ports 102 unterstützen die 10/100/1000-Auto-Funktionsverhandlung [automatische Regelungsverbindungsmethode], wobei die MACs bei einer 10/100-Mbps-Unterstützung sowohl im Halb- als auch im Vollduplex-Betrieb und bei einer 1000 Mbps-Unterstützung nur im Vollduplex-Betrieb operieren können.
  • Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann jeder der Gigabit-Ports 102 mit einem CPS-Kanal verbunden sein. Die Arbitrierung bezüglich des CPS-Kanals erfolgt außerhalb des Bandbereichs. Der CPS-Kanal wird von jedem der Gigabit-Ports 102 überwacht, wobei die entsprechend abgestimmten Ziel-Ports auf die zutreffenden Transaktionen reagieren. Die C-Kanal-Arbitrierung ist ein Robin-Runden-Bedarfsprioritätsentscheidungsmechanismus [Round-Robin-Bedarfsprioritäts-Arbitrierungsverfahren]. Wenn es aber keine aktiven Dienstaufrufe gibt, kann das Standard-Modul, das während der Konfiguration der PGS 100 ausgewählt wird, auf dem Kanal parken und einen Vollzugriff auf diesen erhalten. Wenn alle Dienstaufrufe aktiv sind, befindet sich die Konfiguration der PGS 100 in einem solchen Zustand, dass einer Pipeline-Speicherverwaltungseinheit [PMMU = Pipeline Memory Management Unit] in jedem zweiten Zellzyklus Zugriff gewährt wird, wobei die Gigabit-Ports 102 auf Robin-Runden-Basis den gleichen Zugang zum C-Kanal gemeinsam erhalten. Die PMMU und die Gigabit-Ports 102 alternieren mit ihrem Zugriff, wobei die PMMU in jedem zweiten Zyklus einen Zugriff erhält.
  • Mithilfe des Protokolls bzw. P-Kanals können viele Nachrichten in dem P-Kanal platziert werden, um aufgrund dessen den in dem C-Kanal durchfließenden Datenfluss in der richtigen Art und Weise weiterzuleiten. Da der P-Kanal in der Regel nur 32 Bits breit sein kann und eine Nachricht normalerweise 128 Bits benötigt, werden vier verkleinerte 32-Bit-Nachrichten zusammengefasst, um damit eine voll ständige P-Kanal-Nachricht zu formen. Die nachfolgende Auflistung beschreibt die Felder und Funktionen sowie die verschiedenen Bit-Werte der 128-Bit-Nachricht in dem P-Kanal:
    Opcode – 2 Bits lang – stellt den Nachrichtentyp fest, der in dem C-Kanal 81 momentan vorhanden ist;
    IP Bit – 1 Bit lang – Dieses Bit wird ausgegeben, um anzuzeigen, dass das Paket ein IP-Vermittlungspaket ist;
    IPX Bit – 1 Bit lang – Dieses Bit wird gesetzt, um anzuzeigen, dass das Paket ein IPX-Vermittlungspaket ist;
    Next Cell [Nächste Zelle] – 2 Bits lang – ist eine Reihe von Werten, um die gültigen Bytes in der korrespondierenden Zelle des C-Kanals 81 festzustellen;
    SRC DEST Port – 6 Bits lang – definiert den Portnummernanschluss, der die Nachricht mit der Auswertung der Quelle oder des Zieles sendet oder empfängt, was von dem vorausgehenden Opcode abhängig ist;
    Cos – 3 Bits lang – definiert die Dienstkategorieklasse für das aktuell zu verarbeitende Paket;
    J – 1 Bit lang – beschreibt, ob das aktuelle Paket ein Jumbo-Paket ist;
    S – 1 Bit lang – zeigt an, ob die aktuelle Zelle die erste Speicherzelle des Paketes ist;
    E – 1 Bit lang – zeigt an, ob die aktuelle Zelle die letzte Speicherzelle des Paketes ist;
    CRC – 2 Bits lang – zeigt an, ob ein zyklischer Redundanzprüfwert (CRC) dem Paket hinzuzufügen ist, und ob ein CRC-Wert erneut generiert werden soll;
    P Bit – 1 Bit lang – entscheidet, ob die Speicherverwaltungseinheit [MMU = Memory Management Unit] das ganze Paket freigeben soll;
    Len – 7 Bytes – stellt die gültige Byte-Anzahl in dem aktuellen Transfer fest;
    – 2 Bits – definieren eine Optimierung bezüglich der Weiterverarbeitung durch die CPU 52; und
    Bc/Mc Bitmap – 28 Bits – definiert den Broadcast-Sammelruf [allgemeine Adressierung] oder die Multicast-Bitmap [Gruppenruf-Pixelbild]. Es werden zudem die Ausgangsanschlüsse festgestellt, an die das Paket weitergegeben werden soll – unter Berücksichtigung der Multicast- und Broadcast-Mitteilungen.
    Untag Bits/Source Port – 28/5 Bits lang – Abhängend vom Opcode wird das Paket vom Port zur Speicherverwaltungseinheit [MMU] transferiert, und dieses Feld wird als entmarkierte Tag-Bitmap interpretiert. Eine andere Opcode – Auswahlentscheidung zeigt an, dass das Paket von der MMU zum Ausgangsport zu transferieren ist, wobei die letzten sechs Bits dieses Feldes als Quell-Portfeld dargestellt werden. Die vom Tag entmarkierten Bits identifizieren die Ausgangsports, welche den Tag-Header freisetzen, wobei die Quell-Portbits die Portnummer darlegen, auf welcher das Paket in der Vermittlungsanlage eingegangen ist;
    U Bit – 1 Bit lang – Für eine bestimmte Opcode – Auswahlentscheidung (0x01) zeigt dieses eingegebene Bit an, dass das Paket den Port als entmarkiert – ohne Tag – verlassen soll. Hierbei wird die Tag-Freisetzung von der zuständigen MAC-Einheit durchgeführt;
    CPU Opcode – 18 Bits lang – Diese Bits werden eingegeben, wenn das Paket aus irgendwelchen Gründen an die CPU zu senden ist. Die Opcodes werden aufgrund der abgestimmten Filteranpassung definiert, wobei Entnahme-Bits/Lern-Bits, Routing-Bits, Zielsuchfehler [DLF = Destination Lookup Failure], Bestimmungsstationslauf etc. eingegeben werden.
    Zeitstempel – 14 Bits – Das System gibt einen Zeiteintrag in dieses Feld ein, wenn das Paket ankommt [Zeitstempel], und zwar mit einer Granularität [kleinster schaltbarer Kanalbereich] von 1 μsec.
  • Das Feld Opcode der P-Kanal-Nachricht definiert den aktuell sendenden Nachrichten-Typ. Auch wenn das Feld Opcode momentan so angezeigt wird, als hätte es eine Breite von nur 2 Bits, kann diese Feld, wie gewünscht, erweitert werden, um damit neue Nachrichten-Typen zu berücksichtigen, wie diese künftig neu definiert werden könnten.
  • Eine rechtzeitige Abschlussmeldung kommt zur Anwendung, um anzuzeigen, dass das aktuelle Paket abzuschließen ist. Während des Betriebsvorgangs wird, wie noch nachstehend in den Einzelheiten näher beschrieben ist, in die Nachricht das Status-Bit-Feld (S) zur Anzeige des Wunsches eingegeben, dass das aktuelle Paket aus dem Speicher freigegeben werden soll. Zudem geben vor einer Übertragung als Antwort auf das Status-Bit alle anwendenden Ausgangsports das aktuelle Paket frei.
  • Das Feld Src-Dest-Port in der P-Kanal-Nachricht definiert, wie vorstehend erwähnt, die Adressen der Ziel- bzw. Quellports. Jedes Feld ist 6 Bits breit, wobei demzufolge das Adressieren von vierundsechzig Anschluss-Ports ermöglicht wird.
  • Das CRC-Feld der Nachricht ist zwei Bits breit und definiert die CRC-Betriebsvorgänge. Das Bit 0 des Feldes stellt einen Hinweis dahingehend bereit, ob der zugeordnete Ausgangsport an das aktuelle Paket einen CRC hinzufügen soll. Ein Ausgangsport würde einen CRC an das aktuelle Paket anhängen, wenn Bit 0 des CRC-Feldes auf ein logisches Wahr-Bit gesetzt ist. Das Bit 1 des CRC-Feldes stellt einen Hinweis dahingehend bereit, ob der zugeordnete Ausgangsport für das aktuelle Paket einen CRC erneut generieren soll. Ein Ausgangsport würde einen CRC regenerieren, wenn Bit 1 des CRC-Feldes auf ein logisches Wahr-Bit gesetzt ist. Das CRC-Feld ist nur für die letzte Zelle zulässig, die von dem E-Bit-Feld der P-Kanal-Nachricht als definiert übertragen wurde, welches auf logisch wahr gesetzt ist.
  • Genau wie beim CRC-Feld sind das Status-Bit-Feld (S), das Len-Feld und das Cell-Count-Feld der Nachricht nur zulässig für die letzte Zelle eines Paketes, das von dem E-Bit-Feld der Nachricht als definiert übertragen wird.
  • Als letztes weist das Zeitstempel-Feld der Nachricht eine Auflösung von 1 μs auf und ist nur zulässig für die erste Zelle des Paketes, die durch das S-Bit-Feld der Nachricht definiert worden ist. Eine Speicherzelle wird als erste Zelle des empfangenen Paketes definiert, wenn das S-Bit-Feld der Nachricht auf einen logischen Wert gesetzt ist.
  • Wie nachstehend in den Einzelheiten näher beschrieben ist, sind der C-Kanal und der P-Kanal synchron miteinander verknüpft, so dass die Daten auf dem C-Kanal über den CPS-Kanal übertragen werden, während gleichzeitig eine korrespondierende P-Kanal-Nachricht gesendet werden kann.
  • Der S-Kanal ist ein 32-bitbreiter Kanal, der einen separaten Kommunikationsweg innerhalb der Port-Gigabit-Switch-Vermittlungsanlage (PGS) 100 zur Verfügung stellt. Der S-Kanal wird zum Verwalten einer zentralen Prozessoreinheit (CPU), einer internen Durchflusssteuerung der PGS 100 sowie von interaktiven Modul-Meldungen der PGS 100 verwendet. Der S-Kanal ist ein Seitenbandkanal des CPS-Kanals und zu dem C-Kanal und dem P-Kanal elektrisch und physikalisch isoliert angeordnet. Wichtig ist hierzu die Hervorhebung, dass – da der S-Kanal zum C-Kanal und zum P-Kanal getrennt und unterschiedlich ist – der Betrieb des S-Kanals ohne einen Leistungsqualitätsverlust – in Zusammenhang mit dem Betrieb des C-Kanals und des P-Kanals – fortgesetzt werden kann. Da umgekehrt der C-Kanal nicht für die Übertragung von Systemmeldungen verwendet wird, sondern nur für Daten, tritt in Zusammenhang mit dem C-Kanal kein betriebsbedingter Programmmehraufwand auf, und folglich ist der C-Kanal in der Lage, betrieblich unabhängig zu laufen, wie dies erforderlich ist, um eingehende und ausgehende Paketinformationen effektiv abwickeln zu können.
  • Der S-Kanal des CPS-Kanals stellt einen systemumfassenden Kommunikationsweg für das Senden von Systemmeldungen in der ganzen PGS 100 zur Verfügung.
  • Das Nachrichtenformat für die S-Kanal-Nachricht auf einem S-Kanal kann aus vier 32-Bit-Worten gebildet werden. Die Bits für die Felder der Worte werden wie folgt definiert:
    Opcode – 6 Bits lang – stellt den Nachrichten-Typ fest, der in dem S-Kanal momentan vorhanden ist;
    Dest Port – 6 Bits lang – definiert die Portanschlussnummer, an welche die aktuelle S-Kanal-Nachricht adressiert ist;
    Src Port – 6 Bits lang – definiert die Portanschlussnummer, von dem die aktuelle S-Kanal-Nachricht abstammt;
    COS – 3 Bits lang – definiert die Dienstkategorieklasse in Zusammenhang mit der aktuellen S-Kanal-Nachricht; und
    C-Bit – 1 Bit lang – definiert in logischer Hinsicht, ob die aktuelle S-Kanal-Nachricht für den CPU 52 bestimmt ist.
    Error Code/Fehlercode – 2 Bits lang – definiert einen gültigen Fehler, wenn das E-Bit eingegeben ist;
    DataLen – 7 Bits lang – definiert die Gesamtzahl der Datenbytes in dem Daten-Feld;
    E-Bit – 1 Bit lang – zeigt logisch an, ob ein Fehler während der Ausführung des aktuellen Befehls, wie er durch den Opcode definiert wurde, aufgetreten ist;
    Adresse – 32 Bits lang – definiert die Speicheradresse in Verbindung mit dem aktuellen Befehl, wie er im Opcode definiert worden ist;
    Daten – 0–127 Bits lang – enthalten die Daten, die dem aktuellen Opcode zugeordnet wurden.
  • Aufgrund der Konfiguration des CPS-Kanals existiert, wie vorstehend beschrieben, eine Entkoppelung des S-Kanals von dem C-Kanal und von dem P-Kanal, so dass die Bandbreite des C-Kanals für den Zellen-Transfer erhalten bleiben kann, und so dass ein Überladen des C-Kanals die Kommunikation im Seitenbandkanal nicht beeinträchtigen kann. Mit einem CPS-Kanal kann zudem eine AGS-Schnittstelle 106 (AGS = Address Resolution Gigabit Switch = Adressenauflösungsgigabitschaltung) verbunden werden.
  • Die AGS-Schnittstelle 106 kann eine serielle Schnittstelle oder eine parallele Schnittstelle jeweils mit Hochgeschwindigkeitsleistung sein, um die Daten so schnell wie möglich zu transferieren. Die AGS-Schnittstelle 106 kann an einem Ende mit einem CPS-Kanal verbunden sein und am anderen Ende mit einer externen AGS, welche die Funktionen der Adressenauflösungslogik (ARL) in der externen AGS durchführt. Die Bandbreite der AGS-Schnittstelle kann so ausgestaltet sein, dass sie Pakete von allen Ports der PGS-Vermittlungsanlage 100 senden und empfangen kann. Wenn außerdem die PGS 100 eine externe AGS einsetzt, welche die AGS-Schnittstelle 102 verwendet, kommt der in der PGS 100 bereitgestellte Schnellfilterungsprozessor (FFP) nicht zum Einsatz, sondern dann wird der in der externen AGS verfügbare FFP angewendet. Die externe AGS kann – zusätzlich zu der externen Durchführung der ARL-Funktionen – auch mit einem Mittel für ein sehr geringfügiges Zwischenspeichern bereitgestellt werden, um damit den Verarbeitungsvorgang zu beschleunigen. In einigen Ausführungsbeispielen ist ein First-In-First-Out (FIFO)-Speicher vorgesehen, der aber nur zu einer zusätzlichen FIFO-Wartezeit beiträgt.
  • Der in der PGS-Vermittlungsanlage 100 bereitgestellte Schnellfilterungsprozessor (FFP) gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist 16 Filtermasken (einschließend und ausschließend) und ein Regeltabellenverzeichnis mit einer Tiefe von 128K auf. Der FFP in der externen AGS-Schnittstelle kann 32 Filtermasken und ein Regeltabellenverzeichnis mit einer Tiefe von 256K umfassen. Aus diesem Beispiel geht klar hervor, dass ein Vorteil im Hinblick auf eine externe AGS-Schnittstelle darin besteht, dass diese mehr Flexibilität und Modularität ermöglichen kann, indem die ARL-Funktionen auf Basis des benötigten Bedarfs ausgeführt werden. Wenn die chipintegrierten Filtermasken für eine vorgegebene Aufgabe nicht adäquat sind, können andere Filtermasken für die Ausführung einer externen Adressenauflösungsgigabitschaltung unter Verwendung der AGS-Schnittstelle 106 eingesetzt werden.
  • 2 veranschaulicht eine erste Port-Gigabit-Switch-Vermittlungsanlage (PGS) 210 mit acht Gigabit-Ports 212, einer AGS-Schnittstelle 214 und einer 10-GE-Schnittstelle 216 (GE = Gigabit Ethernet) und eine zweite PGS-Vermittlungsanlage 220 mit acht Gigabit-Ports 222, einer AGS-Schnittstelle 224 und einer 10-GE-Schnittstelle 226. Die erste PGS 210 ist mit der zweiten PGS 220 zwischen der 10-GE-Schnittstelle 210 und der 10-GE-Schnittstelle 224 verbunden. Aufgrund dieser Konfiguration führt die Zusammenschaltung von zwei PGS-Vermittlungsanlagen zu einer blockierungsfreien 16-Port-Lösung.
  • 3 veranschaulicht eine Gigabit-Kreuzschienenschaltung (FGS = Fabric Gigabit Switch) 300 mit acht 10-GE-Schnittstellen 310. Eine FGS kann eingesetzt werden, um viele Geräteanlagen untereinander zusammenzuschalten. Die in 3 veranschaulichte FGS kann zum Zusammenschalten von acht PGS-Vermittlungsanlagen verwendet werden, indem die acht 10-GE-Schnittstellen 310 zum Einsatz kommen.
  • 4 veranschaulicht eine Gigabit-Kreuzschienenschaltung (FGS) 400, die acht 10-GE-Schnittstellen 410 aufweist. Jede der acht PGS-Vermittlungsanlagen 420 umfasst jeweils acht Gigabit-Ports 430, eine AGS-Schnittstelle 440 und eine 10-GE-Schnittstelle 450. Alle acht PGS-Vermittlungsanlagen 420 sind über die FGS 400 miteinander verbunden. Alle 10-GE-Schnittstellen 450 von jeder PGS-Vermittlungs anlage 420 sind mit einer zugeordneten 10-GE-Schnittstelle 410 der FGS 400 verbunden. Auf diese Weise werden die acht PGS-Vermittlungsanlagen 420 über die FGS 400 mit den 10-GE-Schnittstellen verbunden, die jeweils an den PGS-Vermittlungsanlagen 420 und an der FGS 400 vorgesehen sind.
  • Die AGS-Schnittstellen 440 werden eingesetzt, um jede PGS-Vermittlungsanlage 420 an eine externe Adressenauflösungsgigabitschaltung AGS für eine Adressenauflösung zusammenzuschalten. Jedoch kann in einigen Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung jede der PGS-Vermittlungsanlagen 420 die Funktionen für die Adressenauflösung auch ohne den Einsatz einer externen AGS ausführen. Eine PGS-Vermittlungsanlage 420 kann zum Beispiel auch eine interne AGS aufweisen. Wenn die PGS 420 keine externe AGS ermitteln kann, die an eine AGS-Schnittstelle 440 angeschlossen ist, wird für die Adressenauflösung die interne AGS angewendet. Wenn die PGS-Vermittlungsanlage 420 eine externe AGS erkennt, die mit der AGS-Schnittstelle 440 verbunden ist, wird die externe AGS eingesetzt. Ein Vorteil von dieser Funktionsweise besteht darin, dass sie in Bezug auf die Art der durchzuführenden Funktionen für die Adressenauflösung mehr Flexibilität zulässt. Wenn eine interne AGS nicht gewünscht ist, kann eine externe AGS ausgeführt werden, die zusätzliche Flexibilität und Modularität bietet.
  • In einem Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung besitzt ein Schnellfilterungsprozessor (FFP), der in der PGS-Vermittlungsanlage 420 bereitgestellt wird, die Klassifizierungsfunktion, Zählfunktion, Formungsfunktion und Neuausführungsfunktion. In diesem Beispiel ist die PGS-Vermittlungsanlage 420 mit 16 Filtermasken und einem 128K-Tiefenregeltabellenverzeichnis ausgestattet. Wenn eine externe AGS an eine AGS-Schnittstelle 440 angeschlossen ist, wird der interne FFP nicht benutzt und auf die externe AGS zugegriffen. In diesem Beispiel stellt die externe Adressenauflösungsgigabitschaltung AGS, die mit der AGS-Schnittstelle 440 verbunden ist, 32 Filtermasken und ein 256K-Tiefenregeltabellenverzeichnis der PGS-Vermittlungsanlage 420 zur Verfügung. Folglich könnte in diesem Beispiel die gleiche PGS-Vermittlungsanlage 420 für 16 Filtermasken und ein 128K-Regeltabellenverzeichnis konfiguriert werden, der interne FFP bzw. 32 Filtermasken und ein 256K-Regeltabellenverzeichnis eingesetzt werden, und eine externe AGS über die AGS-Schnittstelle 106 angewendet werden, was der PGS-Vermittlungsanlage 420 mehr Flexibilität und Modularität verleiht.
  • 5 ist ein Programmablaufdiagramm, welches den Durchfluss eines Paketes veranschaulicht, das von einer PGS-Vermittlungsanlage empfangen worden ist. 5 wird mit Bezug auf 1 beschrieben.
  • In Schritt 510 wird ein Paket von der PGS 100 über einen der Gigabit-Ports 102 empfangen. In einem Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung weist der Gigabit-Port 102 einen MAC-Eingang zum Paket-Empfangen auf.
  • In Schritt 520 wird das Paket von dem MAC-Eingang verarbeitet und festgestellt, ob eine Adressenauflösungsgigabitschaltung AGS mit einer AGS-Schnittstelle 106 verbunden ist.
  • Wenn eine externe AGS ermittelt worden ist, wird in Schritt 530 das Paket zur AGS-Schnittstelle 106 gesendet. Wenn keine externe AGS ermittelt werden kann, wird das Paket unter Verwendung einer intern bereitgestellten AGS bezüglich der Adressenauflösung verarbeitet. In manchen Ausführungsbeispielen jedoch ist in der PGS-Vermittlungsanlage 100 keine interne AGS für die Adressenauflösung vorgesehen. In diesen Fällen wird Schritt 520 übersprungen und das Paket direkt zur AGS-Schnittstelle 106 gesendet, wie dies in Schritt 530 dargestellt ist. Wenn das Paket von der AGS-Schnittstelle 106 empfangen worden ist, wird das Paket zur externen AGS übermittelt, wobei eine serielle Schnittstelle oder eine parallele Schnittstelle jeweils mit Hochleistungsgeschwindigkeit verwendet wird, um das Paket extern so schnell wie möglich so übertragen zu können, dass eine minimale oder gar keine Verzögerung auftritt.
  • In Schritt 540 wird das Paket von der zuständigen AGS empfangen und die Adressenauflösung für das Paket durchgeführt. In manchen Ausführungsbeispielen wird die Adresse entnommen und verarbeitet, um das Paket an den zuständigen Port für eine schnelle und effiziente Ausgabe übermitteln zu können. In anderen Fällen wurde die Adresse bereits entnommen, und das Paket kann folglich direkt zu dem zuständigen Ausgabeport gesendet werden. Von der AGS kann eine Vielfalt von weiteren Funktionen für die Adressenauflösung durchgeführt werden, um den Verarbeitungsvorgang und die Übertragung des Paketes noch effizienter und schneller zu unterstützen. Nachdem das Paket von der AGS verarbeitet wurde, wird das Paket zur weiteren Verarbeitung über die PGS-Vermittlungsanlage 100 weitergeleitet.
  • In Schritt 550 kann das Paket zum Beispiel an eine Speicherverwaltungseinheit MMU zur weiteren Verarbeitung gesendet und schließlich an die zuständige Gigabit-Portausgabe 102 übermittelt werden, wie dies in Schritt 560 dargestellt ist. Wenn das Paket von einer externen Adressenauflösungsgigabitschaltung über die AGS-Schnittstelle 106 gesendet wird, wird das Paket zur MMU über eine serielle Schnittstelle oder eine parallele Schnittstelle jeweils mit Hochleistungsgeschwindigkeit gesendet, um das Paket extern so schnell wie möglich zu übertragen, so dass eine minimale oder gar keine Verzögerung auftritt. Wenn das Paket intern übermittelt werden soll, kann für die Übertragung ein CPS-Bus eingesetzt werden.
  • Die vorstehend beschriebene Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird in einer bevorzugten Ausführungsform auf einem Halbleitersubstrat, wie es beispielsweise Silizium sein kann, mit den zugehörigen Halbleiterherstelltechniken und auf Basis einer Schaltungskonfiguration dargestellt, wobei die Grundlagen der vorstehend erläuterten Ausführungsformen den Fachleuten auf dem Gebiet bekannt sind. Jemand, der auf dem Gebiet des Halbleiter-Designs und der diesbezüglichen Herstellung spezialisiert ist, könnte auf Basis der vorstehend veranschaulichten, architektonischen Beschreibung die verschiedenartigen Module, Schnittstellen, Tabellenverzeichnisse, Zwischenspeicher etc. entsprechend der vorliegenden Erfindung auf einem einzigen Halbleitersubstrat implementieren. Auch die Implementierung der offenbarten, erfindungsgemäßen Komponenten in diskreten, elektronischen Bauelementen unterliegt dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung, wobei mit dem Maximieren der Vorteile aus der Anwendung eines einzigen Halbleitersubstrates die funktionalen Aspekte der vorliegenden Erfindung zu Nutze gemacht werden.
  • Auch wenn die Erfindung mithilfe von bevorzugten Ausführungsformen offenbart worden ist, ist den Fachleuten auf diesem Gebiet klar, dass bestimmte Modifikationen, Varianten und alternative Ausgestaltungen möglich sind. Um daher die gewissen Grenzbestimmungen für die vorliegende Erfindung beurteilen zu können, ist auf die anhängenden Patentansprüche Bezug zu nehmen.

Claims (4)

  1. Netzwerk-Vermittlungsanlage (100) mit: – einer Vielzahl von Eingangsanschlüssen (102), die zum Empfangen von Datenpaketen ausgelegt sind; – einer Gigabitschaltschnittstelle für die Adressenauflösung (106), die zum Verbinden mit mindestens einem von der Vielzahl der Eingangsanschlüsse (102) ausgelegt ist, wobei die Gigabitschaltschnittstelle für die Adressenauflösung (106) außerdem zum externen Übertragen von Datenpaketen bezüglich einer Verarbeitung ausgelegt ist, sowie zum Empfangen der Datenpakete nach der Verarbeitung; – einer Speicherverwaltungseinheit, die zum Verbinden mit der Gigabitschaltschnittstelle für die Adressenauflösung (106) ausgelegt ist; und – vielen Ausgangsanschlüssen (102), die zum Verbinden mit der Speicherverwaltungseinheit ausgelegt sind; dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse Gigabit-Ports (102) sind, die zum Verbinden mit einem CPS-Kanal ausgelegt sind, wobei die C-Kanal-Arbitrierung ein Round-Robin-Bedarfsprioritäts-Arbitrierungsverfahren ist, wobei eine Vielzahl von Nachrichten in einem P-Kanal platziert werden können, um den Datenfluss, der in dem C-Kanal durchfließt, in der ordnungsgemäßen Art und Weise weiterzuleiten, und wobei der C-Kanal und der P-Kanal derart ausgerichtet sind, um sie synchron miteinander zu verknüpfen, so dass die Daten in dem C-Kanal über den CPS-Kanal übertragen werden, während gleichzeitig eine korrespondierende P-Kanal-Nachricht gesendet werden kann, und wobei ein S-Kanal ein 32-Bit breiter Kanal ist, der ausgelegt ist, um einen separaten Kommunikationsweg innerhalb der Netzwerk-Vermittlungsanlage (100) bereitzustellen, wobei der S-Kanal ein Seitenbandkanal des CPS-Kanals ist, und zu dem C-Kanal und dem P-Kanal elektrisch und physikalisch isoliert angeordnet ist.
  2. Netzwerk-Vermittlungsanlage (100) nach Anspruch 1, welche des Weiteren umfasst: – eine externe Adressenauflösungslogik [ARL = Address Resolution Logic], die zum Verbinden mit der externen Schnittstelle ausgelegt ist.
  3. Netzwerk-Vermittlungsanlage (100) nach Anspruch 1, welche ferner umfasst: – einen externen Adressenauflösungschip, der zum Verbinden mit der Gigabitschaltschnittstelle für die Adressenauflösung (106) ausgelegt ist.
  4. Verfahren zum Verarbeiten eines Datenpakets in einer Netzwerk-Vermittlungsanlage (100) mit einer Vielzahl von Gigabit-Ports (102), die mit einem CPS-Kanal verbunden sind, welches die folgenden Schritte umfasst: – Empfangen eines Datenpakets in einem Eingangsanschluss (102); – Übermitteln des Datenpaketes für die Adressenauflösung von dem Eingangsanschluss (102) über eine Gigabit-Schnittstelle (106) zu einem Modul, das zu der Vermittlungsanlage extern angeordnet ist; – Verarbeiten des Paketes in dem externen Modul; – Senden des Paketes von dem externen Modul zu der Gigabit-Schnittstelle (106); – Empfangen des Paketes in der Gigabit-Schnittstelle (106) aus dem externen Modul; – Senden des Datenpaketes von der Gigagbit-Schnittstelle (106) zu einer Speicherverwaltungseinheit; und – Senden des Datenpaketes von der Speicherverwaltungseinheit zu einem Ausgangsanschluss (102); dadurch gekennzeichnet, dass die C-Kanal-Arbitrierung ein Round-Robin-Bedarfsprioritäts-Arbitrierungsverfahren ist, wobei viele Nachrichten in einem P-Kanal platziert werden können, um den Datenfluss, der in dem C-Kanal durchfließt, in der ordnungsgemäßen Art und Weise weiterzuleiten, und wobei der C-Kanal sowie der P-Kanal derart ausgerichtet sind, um miteinander synchron verknüpft zu sein, so dass die Daten über den CPS-Kanal auf den C-Kanal übertragen werden, während gleichzeitig eine korrespondierende P-Kanal-Nachricht gesendet werden kann, wobei die Daten in dem C-Kanal über den CPS-Kanal gesendet werden, während gleichzeitig eine korrespondierende P-Kanal-Nachricht übermittelt wird, und wobei ein S-Kanal einen separaten Kommunikationsweg innerhalb der Netzwerk-Vermittlungsanlage (100) zur Verfügung stellt, wobei der S-Kanal ein Seitenbandkanal des CPS-Kanals ist, und zu dem C-Kanal und dem P-Kanal elektrisch und physikalisch isoliert angeordnet ist.
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