FI103312B - Kytkentämatriisi - Google Patents

Description

103312

Kytkentämatriisi

Keksinnön ala 5 Keksintö liittyy yleisesti pakettivälitteisessä tietoliikenneverkossa toteutettavaan kytkentään. Tarkemmin sanottuna keksintö koskee tällaisessa verkossa, erityisesti ATM-verkossa, käytettävää kytkentämatriisia (switching fabric).

10 Keksinnön tausta

Seuraavan selityksen ymmärtämisen helpottamiseksi määritellään aluksi joitakin jatkossa käytettyjä termejä. Selityksessä yritetään noudattaa alan englanninkielisessä kirjallisuudessa yleisesti käytettyjä termejä.

Kytkentämatriisi koostuu useista kytkentäelementeistä (switching 15 element), jotka ovat joko keskenään samanlaisia tai erilaisia ja jotka on kytketty keskenään tietyn topologian mukaisesti. Alan kirjallisuudessa kytkentä-matriisista käytetään myös nimitystä “switching network", koska kytkentäele-mentit muodostavat ko. topologian mukaisen verkon. Kytkentämatriisi on siis määritelty, kun on määritelty kytkentäelementit ja niiden väliset kytkennät.

20 Kytkentäelementit ovat niitä “perusrakennuspalikoita”, joista kytken tämatriisi kootaan kytkemällä useita kytkentäelementtejä verkoksi, jossa kyt-kentäelementtejä on sekä keskenään rinnakkain että peräkkäin. Keskenään rinnakkaiset kytkentäelementit muodostavat yhden kytkentäportaan. Peräkkäisissä kytkentäportaissa olevat kytkentäelementit on kytketty toisiinsa kytkentä-25 kentän sisäisillä yhteyksillä (linkeillä) em. topologian mukaisesti.

Kytkimellä (switch) tarkoitetaan sitä kokonaisuutta, joka rakentuu kytkentämatriisin ympärille. Kytkimellä tarkoitetaan siis mitä tahansa elimiä, joilla suoritetaan tietoliikenneverkossa välitettävien signaalien kytkentää. Tässä yhteydessä kytkin on pakettikytkin, koska keksintö koskee pakettivälit-30 teisessä tietoliikenneverkossa, erityisesti ATM-verkossa suoritettavaa kytkentää. Kytkimestä käytetään joskus myös nimitystä kytkentäjärjestelmä (switching system).

ATM (Asynchronous Transfer Mode) on yhteydellinen (connection-oriented) pakettikytkentätekniikka, jonka kansainvälinen telealan standardoin-35 tijärjestö ITU-T on valinnut laajakaistaisen monipalveluverkon (B-ISDN) toteu- 103312 2 tietekniikaksi ("target solution"). ATM*verkossa on perinteisten pakettiverkkojen (kuten X.25-verkot) ongelmia poistettu siirtymällä käyttämään lyhyitä, vakiomittaisia paketteja (53 tavua), joita kutsutaan soluiksi (cell). Jokainen solu koostuu 48 tavun mittaisesta hyötykuormaosasta ja 5 tavun mittaisesta otsi-5 kosta. ATM-verkkoa ei tässä yhteydessä kuvata tämän enempää, koska se ei ole tarpeellista keksinnön ymmärtämisen kannalta. Tarkemman kuvauksen löytää tarvittaessa kansainvälisistä standardeista tai alan oppikirjoista.

Perinteisen TDM-verkon (Time Division Multiplexing, jota kutsutaan myös nimellä STM, Synchronous Transfer Mode) kytkimiä ei voida suoraan 10 soveltaa ATM-verkossa suoritettavan kytkennän hoitamiseen. Myöskään perinteisiä pakettiverkkoja varten kehitetyt kytkinratkaisut eivät yleensä ole sopivia ATM-verkon kytkimiksi. Optimaalisen ATM-kytkinarkkitehtuurin valintaan vaikuttaa nimittäin paitsi kiinteä solukoko sekä solun otsikon rajallinen toiminnallisuus, myös soluvirran tilastollinen käyttäytyminen sekä se, että ATM-15 kytkimen on toimittava hyvin suurella nopeudella (tyypillisesti 150...600

Mbit/s).

Kuviossa 1 on esitetty ATM-kytkimen perusperiaate ulkoa päin tarkasteltuna. Kytkimessä on n kappaletta tulojohtoja ja m kappaletta läh-töjohtoja 0^..0^ Kutakin tulojohtoa pitkin tulee ATM-kytkimeen 11 soluvilta 20 CS. Soluvirran yksittäisen solun otsikkoa on merkitty viitemerkillä HD. Solut kytketään ATM-kytkimessä tulojohdolta I; lähtöjohdolle ls ja samalla muunnetaan solun otsikon arvo tulevasta arvosta lähtevään arvoon. Tätä varten on . kytkimessä muunnostaulukko 12, jonka avulla mainittu muunnos tapahtuu.

i Kuten taulukosta havaitaan, kytketään esim. kaikki ne solut, jotka tulevat | 25 johdolta I, ja joiden otsikon arvo on X, lähtöjohdolle (\ jolloin niiden otsikko saa samalla arvon K. Eri tulojohdoilla voi esiintyä samoja otsikkoarvoja; esim. tulojohdolta ln tulevat solut, joiden otsikon arvo on myös X kytketään myös ,f lähtöjohdolle Ου mutta niiden otsikko saa lähtevällä johdolla arvon J.

Kytkimen päätehtävät ovat siis solujen (pakettien) siirto tulojohdolta 30 halutulle lähtöjohdolle ja “otsikon kytkentä" eli otsikon muunnos. Kuten kuviostakin ilmenee, saattaa kaksi solua kuitenkin samanaikaisesti pyrkiä samalle lähtöjohdolle. Tätä varten täytyy kytkimessä olla puskurointikykyä, jotta tällaisissa tilanteissa ei tarvitsisi tuhota soluja. Kytkimen kolmas päätehtävä onkin puskuroinnin järjestäminen. Se tapa, jolla nämä kolme päätehtävää toteute-— 35 taan ja se, missä osassa kytkintä toteutus hoidetaan, erottaa erilaiset kytkin- 103312 3 ratkaisut toisistaan.

ATM-kytkinarkkitehtuurit voidaan luokitella monien eri kriteerien mukaan, joista tässä yhteydessä kuvataan vain niitä, jotka liittyvät läheisesti keksinnön mukaiseen kytkimeen ja auttavat jatkossa seuraavan selityksen 5 ymmärtämistä.

Eräs kytkinarkkitehtuuria koskevista päävalinnoista on se, millaista kytkentämatriisia käytetään. Eri vaihtoehdot voidaan luokitella kahteen pääluokkaan: yksiportaisisiin ja moniportaisisiin kytkentämatriiseihin. Yksiportaisi-sissa kytkimissä on tulo- ja lähtöportit kytketty toisiinsa vain yhden portaan 10 kautta. Pakettien kytkentä tapahtuu siis vain yhdessä vaiheessa. Koska kytkimissä voi olla käytännössä satoja tai jopa kymmeniä tuhansia tuloja ja lähtöjä, ovat ne käytännössä kuitenkin tyypillisesti moniportaisia. Moniportaisessa kytkimessä kytkennän suorittavat kytkentäelementit, joita on peräkkäin useissa portaissa.

15 Moniportaiset kytkimet voidaan edelleen jakaa yksipolkuisiin (single path) ja monipolkuisiin (multiple-path) sen mukaan, onko annetun tulon ja halutun kohteen (destination) välillä yksi vai useampi polku kytkimen läpi. Moniportaisia kytkentämatriiseja kutsutaan usein myös lyhenteellä MIN (Multistage Interconnection Network). Koska keksinnön mukainen kytkentä-20 matriisi on moniportainen, puhutaan jatkossa vain moniportaisisista kytkentä-matriiseista (MIN).

Eräs kytkintä koskevista päävalinnoista on se, onko MIN sisäisesti • yhteydellinen (connection oriented) vai yhteydetön (connectionless). Huomat-

• I

takoon siis, että vaikka ATM on yhteydellinen pakettikytkentätekniikka, voi 25 kytkin silti olla sisäisesti yhteydetön.

Toinen kytkintä koskeva ominaisuus on reititystietojen sijainti. Reititystiedot voivat sijaita paikallisesti kytkentäelementin muistin reititystauluissa, joiden perusteella jokainen kytkentäelementti suorittaa virtuaalikanavatunnis-temuunnoksen. Toisen vaihtoehdon mukaisesti reititystieto sijoitetaan soluun 30 liitettävään itsereititystunnisteeseen (self-routing tag) kytkimen sisäänmeno-reunalla.

Yhteydellisessä vaihtoehdossa määritetään reitti (path) etukäteen jo yhteyden muodostusvaiheessa (ns. preset path routing), jolloin kaikki saman virtuaaliyhteyden solut kulkevat tätä samaa reittiä pitkin. Jos reititystieto sijait-35 see kytkentäelementtien reititystauluissa, reititystaulut päivitetään yhteyttä 103312 4 muodostettaessa. Jos reititystieto sijaitsee soluun liitetyssä tunnisteessa, reitin yksikäsitteisesti määrittävä tunniste liitetään soluun kytkimen sisäänmenoreu-nalla.

Yhteydettömässä vaihtoehdossa reitityspäätös tehdään solukohtai-5 sesti. Tämä tarkoittaa siis sitä, että saman virtuaaliyhteyden solut voivat kulkea eri reittejä kytkimen läpi. Reititysinformaatio voi olla yksittäisten kytkentäele-menttien reititystauluissa tai reititysinformaatio voidaan kiinnittää soluun lisäämällä siihen em. tunniste. Tällöin tunnisteen tietyillä biteillä ei ole reitityksen kannalta merkitystä, vaan ko. bittejä vastaava kytkentäelementti reitittää solun 10 satunnaisesti tai tietyn algoritmin mukaan. Kun kytkimessä on tarjolla monta kytkentäpolkua voidaan solujen virta jakaa tilastollisesti kaikkien käytettävissä olevien polkujen yli, jolloin voidaan vähentää sisäisen eston todennäköisyyttä.

ATM-kytkinten suunnittelussa on nykyisin käytössä kaksi lähestymistapaa sisäisen eston välttämiseksi.

15 Ensimmäisen lähestymistavan mukaisesti käytetään kytkimessä suurta määrää sisäisiä linkkejä tai paljon kytkentäelementtejä sisäportaassa. Sisäisten linkkien tai kytkentäelementtien määrän kasvaessa tulee kytkimestä kuitenkin monimutkainen, mikä tekee suurten kytkimien toteuttamisen hyvin hankalaksi. Esimerkkinä tällaisesta periaatteesta voidaan mainita esim. US- i j 20 patentissa 4,955,016 esitetty kytkin, joka on laajennettavissa oleva Knockout- kytkin (growable Knockout switch).

Toisen lähestymistavan mukaisesti käytetään kytkentämatriisissa -h · kytkentäelementtejä, jotka on varustettu ulostulopuskureilla tai jaetuilla pusku- * reillä. Tällainen periaate edellyttää monimutkaista puskurien hallintaa. Lisäksi 25 tarvitaan suuri puskurikoko riittävän palvelutason takaamiseksi, mikä puolestaan lisää soluviivettä sekä tekee kytkentäelementistä entistä monimutkai-h semman. Esimerkkinä tästä toisesta perusperiaatteesta voidaan mainita julkaisussa Weng, Hwang: “Distributed double-phase switch", IEE Procee-. dings-l, Voi. 138, No. 5, October 1991, ss. 417-425 esitetty kytkin.

30 Kuten on tunnettua piirikytkentäisten kytkimien yhteydestä, Clos- tyyppinen arkkitehtuuri tarjoaa hyvät ominaisuudet eston ja modulaarisen j - laajennettavuuden suhteen. ATM-tekniikan yhteydessä tekee kuitenkin pusku- ; - rien tarve tai suuren sisäisen linkkimäärän tarve kytkimen toteutuksen moni mutkaiseksi. Koska tämän tyyppisessä kytkimessä on lisäksi useita vaihtoeh-35 toisia reittejä minkä tahansa tulon ja minkä tahansa lähdön välillä, optimaalisen 103312 5 reittijoukon hakeminen eri yhteyksille jokaisessa aikavälissä on työläs operaatio, joka vie aikaa, koska se vaatii globaalia (koko kytkimen kattavaa) informaatiota kunkin aikavälin yhteyspyynnöistä. Sisäinen reititys muodostuu näin ollen pullonkaulaksi kytkimen suorituskyvyn suhteen. ATM-kytkimessä pysty-5 tään tuskin löytämään tällaista optimaalista reittijoukkoa yhden aikavälin kuluessa (joka vastaa yhden solun aikaa).

Clos-tyyppisen kytkimen reititysalgoritmeja onkin tutkittu jo varsin kauan, erityisesti ns. random routing -algoritmit ovat olleet tutkimuksen kohteena, koska ne ovat yksinkertaisia ja luonteeltaan hajautettuja (reititys hajau-10 tetaan eri kytkentäelementeille) ja tarjoavat siten edullisen ratkaisuvaihtoehdon kytkimen suorituskyvyn kannalta. Vaikkakin tällaisen random routing -algoritmin avulla pystytään vähentämään kytkimen sisäportaassa syntyvää estoa, ei sitä kuitenkaan pystytä vähentämään täysin, koska algoritmilla ei pystytä välttämään sisäisiä riitatilanteita (contention) kytkimessä. 15 (Riitatilanteella tarkoitetaan sitä, että kaksi solua pyrkii samanaikaisesti kyt-kentäelementin samaan lähtöön.)

Keksinnön yhteenveto

Keksinnön tarkoituksena on päästä eroon edellä kuvatuista epäkoh-20 dista ja saada aikaan ratkaisu, jonka avulla kytkimen sisäistä estoa pystytään vähentämään ja silti pitämään kytkin laitteistototeutukseltaan yksinkertaisena siten, että suurtenkin kytkinkokojen toteuttaminen on entistä helpompaa.

Tämä päämäärä saavutetaan keksinnön mukaisella kytkentämatriisil- \ · la, joka on määritelty itsenäisessä patenttivaatimuksessa.

25 Keksinnön ajatuksena on luoda kytkimeen sellainen tuloporras, jonka avulla voidaan paitsi jakaa tulevat paketit tasaisesti kytkimen sisäportaille, myös jakaa sellaiset paketit, jotka muuten kilpailisivat samasta lähdöstä sisäportaassa, eri kytkentäelementeille sisäportaassa.

Koska keksinnön mukaisella kytkentämatriisilla saavutetaan pienempi 30 sisäinen esto kuin tunnettua random routing -menetelmää käyttävällä kytkimellä, on siitä seurauksena se, että kytkentäelementeissä vaadittavat puskuri-koot ovat keksinnön mukaista menetelmää käyttäen entistä pienemmät. Vastaavasta syystä voidaan kytkimen sisäistä kytkentäkapasiteettia (switch interconnection capacity) pienentää. Kytkimen sisäinen kytkentäkapasiteetti ilmoi-35 tetaan kokonaislukuna ja se tarkoittaa niiden samanaikaisten ja samaan lähtö- 103312 6 porttiin menevien datapakettien lukumäärää, jotka kytkin pystyy hyväksymään. Käytettäessä keksinnön mukaista ratkaisua pystytään kytkentämatriisi siis toteuttamaan entistä yksinkertaisempana, sen lisäksi, että kytkimen sisäinen esto saadaan entistä pienemmäksi.

5 Keksinnön eräässä toteutustavassa keksinnön mukainen kytkentäpor- ras antaa tietylle lähtöportille selvästi paremman suorituskyvyn kuin muille lähtöporteille. Keksinnön edullisessa suoritusmuodossa tätä ominaisuutta käytetään hyväksi muuttamalla takaisinkytkennän avulla keksinnön mukaisen kytkentäportaan toimintaa siten, että parhaan suorituskyvyn omaavaksi lähtö-10 portiksi tulee se portti, jossa on suurin kuormitus.

Kuvioluettelo

Seuraavassa keksintöä ja sen edullisia suoritusmuotoja kuvataan tarkemmin viitaten kuvioiden 2-16 mukaisiin esimerkkeihin oheisissa piirustuk-15 sissa, joissa kuvio 1 esittää ATM-kytkennän perusperiaatetta, kuvio 2a esittää tavanomaista Clos-tyyppistä kytkintä, kuvio 3a esittää esimerkkiä polkujärjestelyistä tunnetussa Clos-j tyyppisessä kytkimessä, 20 kuvio 3b esittää kuvion 3a mukaisessa kytkimessä käytettävää si- säistä itsereititystunnistetta, kuvio 4 havainnollistaa keksinnön mukaista kytkintä, - kuvio 5 havainnollistaa keksinnön mukaisen kytkimen reititysverkon yhden elementin ensimmäisen edullisen suoritusmuodon mukaista toimintaa, 25 kuvio 6 havainnollistaa keksinnön mukaisen kytkimen reititysverkon p yhden elementin toisen edullisen suoritusmuodon mukaista toimintaa, kuviot 7a...7d havainnollistavat keksinnön mukaisen kytkimen siirtoverkon toimintaa neljässä peräkkäisessä aikavälissä, kuvio 8 esittää kuviota 3a vastaavaa esimerkkiä polkujärjestelyistä • 30 keksinnön mukaisessa kytkimessä, kuvio 9 esittää kytkentämatriisia, jonka toiminta on optimoitu hot-spot-; _ liikennettä varten, kuvio 10 havainnollistaa reititystunnistimen käyttöä kuvion 9 mukai-ϊ sessa kytkentämatriisissa, 35 kuvio 11 esittää vaihtoehtoista toteutustapaa kytkentämatriisin opti- !« 103312 7 moimiseksi hot-spot-liikennettä varten, kuvio 12 esittää keksinnön mukaista kolmiportaista kytkentämatriisia yleisessä muodossaan, kuvio 13 esittää erästä erikoistapausta kuvion 12 mukaisesta kytken-5 tämatriisista, kuvio 14a esittää keksinnön mukaista kytkentämatriisia, jossa on viisi kytkentäporrasta, kuvio 14b esittää kuvion 9a kytkimessä käytettävää sisäistä itsereiti-tystunnistetta, 10 kuvio 15 havainnollistaa kolmiportaisen kytkimen laajentamista use- ampiportaiseksi kytkimeksi, ja kuvio 16 esittää kuvion 14a kytkentämatriisia, kun siihen on lisätty kuvion 11 mukainen takaisinkytkentä.

15 Keksinnön yksityiskohtainen kuvaus

Kuviossa 2 on havainnollistettu kolmiportaista Clos-tyyppistä kytkintä, jossa sekä ensimmäisessä portaassa että kolmannessa portaassa on k kappaletta kytkentäelementtejä SE (jotka on numeroitu nollasta (k-1):een). Ensimmäisen portaan kytkentäelementtejä on merkitty viitemerkillä SE1, toisen 20 portaan kytkentäelementtejä viitemerkillä SE2 ja kolmannen portaan kytkentäelementtejä viitemerkillä SE3. Kussakin ensimmäisen portaan kytkentäelementissä on n kappaletta tuloja ja m kappaletta lähtöjä. Kussakin kolmannen portaan kytkentäelementissä on puolestaan m kappaletta tuloja ja n kappaletta lähtöjä. Keskimmäisessä portaassa on yhteensä m kappaletta kytkentäele-25 menttejä, joissa kussakin on k kappaletta tuloja ja k kappaletta lähtöjä. Ensimmäisen portaan kytkentäelementit on kytketty toiselle portaalle siten, että kukin kytkentäelementin lähdöistä on kytketty eri kytkentäelementille toisessa portaassa. Lisäksi ensimmäisen kytkentäportaan kytkentäelementit kytketään järjestyksessä eri tuloihin toisen kytkentäportaan kytkentäelementissä. Tar-30 kemmin sanottuna, ensimmäisen portaan i:nnen kytkentäelementin j.nnes lähtö on kytketty toisen portaan j:nnen kytkentäelementin imnenteen tuloon. Toinen ja kolmas porras on kytketty toisiinsa vastaavalla tavalla, toisin sanoen toisen portaan i:nnen kytkentäelementin j:nnes lähtö on kytketty kolmannen portaan j:nnen kytkentäelementin i:nteen tuloon. Jatkossa käytetään edellä 35 kuvatun kaltaisen kolmiportaisen kytkimen ensimmäisestä portaasta nimitystä 103312 8 tuloporras (input stage), toisesta portaasta nimitystä sisäporras (internal stage) ja kolmannesta portaasta nimitystä lähtöporras (output stage). Tuloportaan kytkentäelementistä käytetään myös lyhyempää nimitystä tuloelementti, sisä-portaan kytkentäelementistä nimitystä sisäelementti ja lähtöportaan kytkentä-5 elementistä nimitystä lähtöelementti.

Clos-tyyppisen kytkimen yleisiä ominaisuuksia ovat: (1) yksi sisäelementti on kytketty kunkin tuloelementin toisiaan vastaaviin lähtöihin ja kunkin lähtöelementin toisiaan vastaaviin tuloihin, (2) kytkimen tulo i ja lähtö j voidaan yhdistää toisiinsa minkä tahansa sisäelementin kautta, ja (3) vaihtoehtoisten 10 polkujen lukumäärä tulon i ja lähdön j välillä vastaa sisäportaan kytkentäele-menttien lukumäärää.

Clos-tyyppisessä kytkimessä voidaan tuloliikenne esittää tuloliiken-nematriisin T avulla ja polkujen kytkennät puolestaan kytkentämatriisin C avulla. Matriisissa T kuvaa alkio (i,j) sisääntulevaa solua tuloportaan j:nnen 15 kytkentäelementin i:nnessä tuloportissa, kun taas alkion arvo T(i,j) indikoi sitä kytkentäelementtiä, joka on paketin (solun) lähtöelementti lähtöportaassa. Matriisissa C merkitsee alkio C(i,j) kytkentää tuloportaan j.nnen kytkentäelementin i:nnen lähdön ja sisäportaan i:nnen kytkentäelementin j:nnen tulon j välillä, ja k:nnen sarakkeen i:nnes alkio indikoi lähtöportaan kytkentäelementin 4 20 osoitteen tuloportaan k.nnen kytkentäelementin i:nnessä lähdössä. Toisaalta c h:nnen rivin j:nnes alkio indikoi lähtöportaan kytkentäelementin osoitteen sisäportaan h:nnen kytkentäelementin irnnessä tulossa. Edellä esitetty tar-I- . koittaa mm. sitä, että jos useammalla kuin yhdellä alkiolla on sama arvo matrii- sin C samalla rivillä, kyseiset paketit kilpailevat samasta ulostuloportista sisä-25 portaan samassa kytkentäelementissä.

: Seuraavassa on esitetty eräs esimerkkitilanne 16x16 kokoisessa (16 tuloa ja 16 lähtöä) kolmiportaisessa kytkimessä, jossa n=m=k=4 ja joka on esitetty kuviossa 3a. Kytkentäelementit ja niiden portit on numeroitu nollasta alkaen. Tällaisessa kolmiportaisessa kytkimessä käytetään tyypillisesti kuvios-30 sa 3b esitetyn kaltaista itse re itity stu n n istetta SRT, joka käsittää neljä peräkkäistä bittiä, joita on merkitty viitemerkeillä d0...d3. Ensimmäisessä ja toisessa portaassa tulkitaan kaksi vasemmanpuoleisinta bittiä, d3 ja d2, jotka indikoivat !^_ halutun lähtöelementin. Viimeisessä portaassa eli lähtöelementissä tulkitaan iT-, kaksi oikeanpuoleisinta bittiä dO ja d1, jotka indikoivat halutun lähdön kyseisen ; 35 lähtöelementin sisällä. Kuvion 3a portaisiin on merkitty niissä tulkittavat bitit.

103312 9 (Huomattakoon, että jos ensimmäinen porras on satunnaisreitittävä, biteillä d3 ja d2 ei välttämättä ole merkitystä ensimmäisessä portaassa tai ainakin ne voidaan tulkita eri tavalla eri tuloelementeissä satunnaisen kaltaisen reitityksen aikaansaamiseksi.) 5 Kuvion 3a kaltaisessa kytkimessä tuloliikennematriisi ja kytkentämatriisi voivat tietyssä soluaikavälissä olla esim. seuraavanlaiset: '1 2 1 Π Γ3 2 1 f 3 0 3 0 1 0 1 2 T= C = 10 12 13 3 2 1 3 3 2J [_2 0 3 0_ Tällaista tilannetta vastaavaa polkujärjestelyä on havainnollistettu kuviossa 3a lisäämällä kuvioon matriisien alkioiden arvot ja merkitsemällä niitä 10 vastaavat, kytkentäelementtien läpi kulkevat reitit katkoviivoilla. Kuten matriisista T havaitaan, siinä on viisi kappaletta ykkösiä, mikä tarkoittaa sitä, että yhteensä viisi pakettia on menossa lähtöportaan kytkentäelementille no. 1. Tämä tarkoittaa sitä, että vaikka neljä solua kulkisikin sisäportaan eri kytkentäelementtien kautta, on ainakin yksi soluista sellainen, että sitä ei voida toimit-15 taa lähtöportaan halutulle kytkentäelementille. Lisäksi matriisissa C on kaksi ykköstä sekä ensimmäisellä että toisella rivillä, mikä tarkoittaa sitä, että kaksi solua kilpailee sisäportaan ensimmäisen ja toisen kytkentäelementin toisesta lähdöstä (toinen lähtö vastaa lähtöportaan kytkentäelementtiä no. 1). Tästä johtuen kahta solua ei voida välittää heti lähtöelementille numero 1. Vastaa-20 vasti syntyy kilpailutilanne sisäportaan kolmannen kytkentäelementin neljän- » teen lähtöön (matriisin kolmannella rivillä kaksi kolmosta) ja sisäportaan neljännen kytkentäelementin ensimmäiseen lähtöön (matriisin neljännellä rivillä kaksi nollaa). Lähtöjä, joissa kilpailutilanne syntyy on kuviossa 3a merkitty ympyröillä.

25 Edellä esitetystä esimerkistä voidaan havaita, että jos solut kytkettäi siin jokaisessa tuloportaan kytkentäelementissä niitä vastaaviin lähtöihin (eli lähtöelementtiin 0 menevä solu lähtöön 0, lähtöelementtiin 1 menevä solu lähtöön 1, jne), syntyisi sisäportaan kytkentäelementteihin kilpailutilanteita, koska tällöin tuloportaan eri kytkentäelementtien tuloissa saman lähtöelement-30 tiosoitteen omaavat solut kytkeytyisivät samalle kytkentäelementille sisäpor-taassa (esim. kaikki osoitteen nolla omaavat solut kytkeytyisivät sisäportaan ensimmäiselle kytkentäelementille). Tämä tilanne saadaan kuitenkin eliminoi- 103312 10 tua, jos jokainen näistä saman lähtöelementtiosoitteen omaavista soluista saadaan jaettua eri kytkentäelementille sisäportaassa. Keksinnön mukainen ratkaisu perustuu näihin havaintoihin.

Kuten edellä esitetystä ilmeni, voi osa kytkimen sisäisestä polusta olla 5 sellainen, että siinä hajautetaan solut mahdollisimman tasaisesti, esim. käyttäen satunnaista hajautusta, kaikille mahdollisille reiteille. Keksinnön mukaisesti korvataan tällaisessa ratkaisussa tuloportaana oleva satunnaishajautusporras sellaisella tuloportaalla, jossa on kytketty reititysverkko (routing network) ja siirtoverkko (shift network) keskenään peräkkäin. Kuviossa 4 on havainnollis-10 tettu keksinnön mukaisen kytkimen periaatteellista rakennetta. Kytkimen tuloporras jakautuu kahteen peräkkäiseen osaan, joista ensimmäisen muodostaa reititysverkko RNW ja toisen siirtoverkko SNW. Reititysverkko käsittää k kappaletta keskenään samanlaisia reititysverkkoelementtejä REj (i=0, 1,..(k-1)), joista jokaisessa on n kappaletta tuloja ja n kappaletta lähtöjä. Siirtoverkko 15 käsittää puolestaan k kappaletta keskenään samanlaisia siirtoverkkoelement-tejä SHEj (i=0,1,...(k-1)), joista jokaisessa on myöskin n kappaletta tuloja ja n kappaletta lähtöjä. Elementin RE; lähtö j on kytketty elementin SHE, tuloon j. Tällaisen yhdistetyn reititys/siirtoverkon avulla suoritetaan solujen jakelu siten, että lähtöportaan samaan kytkentäelementtiin menossa olevat solut jaetaan eri ) 20 kytkentäelementeille sisäportaassa. Reititysverkko reitittää solut käyttämänsä kiinteän reititysalgoritmin mukaisesti ja sen jälkeen siirtoverkko jakaa soluja siten, että samalle lähtöelementille menevät solut kytkeytyvät eri kytkentäele-- menteille sisäportaassa. Siirtoverkon toimintaa ohjaa ohjausyksikkö CU.

j- Keksinnön mukaisesti reititysverkon elementeissä suoritetaan reititys 25 tietyn ennalta määrätyn kiinteän reititysalgoritmin mukaisesti. Kussakin reititys-verkkoelementissä REj on siis samanlaiset kiinteät ennalta määrätyt säännöt, jotka määräävät sen, mikä on reititysverkkoelementin lähtöportti kullakin lähtö-, ä elementin osoitteella. Reitityksen toteuttamiseen on olemassa kaksi edullista vaihtoehtoa, joita kuvataan seuraavassa.

30 Kuviossa 5 on havainnollistettu ensimmäisen edullisen vaihtoehdon ; - mukaisesti toimivaa reititysverkkoelementtiä. Tämän reititysmenetelmän mu kaisesti reititysverkkoelementti reitittää solun siihen lähtöönsä, joka vastaa solussa olevaa lähtöportaan kytkentäelementin osoitetta. Kuviossa 5 on esitetty reititysverkkoelementti RE(, jossa on kahdeksan tuloa ja kahdeksan 35 lähtöä, joita on merkitty numeroilla nollasta seitsemään. Sisääntulevat solut on 103312 11 esitetty ympyröinä, joiden sisällä oleva luku on lähtöelementin osoite. Menetelmän mukaisesti solut reititetään yksittäisessä reititysverkkoelementissä siihen lähtöön, joka vastaa lähtöelementin osoitetta; osoitteella 0 varustettu solu reititetään lähtöön numero 0, osoitteella 1 varustettu solu reititetään 5 lähtöön numero 1, jne. Tämän jälkeen jo varattuihin lähtöihin menevät solut reititetään satunnaisesti vapaisiin lähtöihin. Myös ne solut, jotka eivät kuljeta hyötykuormaa (idle cells) reititetään satunnaisesti vielä vapaina oleviin lähtöihin.

Tässä esimerkkitapauksessa siis tuloissa 0,1,2,4 ja 7 olevat solut 10 reititetään ensin lähtöihin 2,5,0,6 ja 3. Kilpaileva solu (jonka osoite on 2) tulossa 5 reititetään vielä vapaina olevista lähdöistä lähtöön 4, ja ilman hyötykuormaa olevat solut tuloissa 3 ja 6 reititetään satunnaisesti vapaina oleviin lähtöihin 1 ja 7.

Ensimmäisen edullisen suoritusmuodon mukaisesti reititysverkko 15 voidaan toteuttaa esim. samalla tavalla kuin tunnetun Tandem-banyan kytkimen yksi porras. Tällaista tunnettua ratkaisua on kuvattu esim. viitteessä Tobagi et ai. : “Architecture, Performance and Implementation of the Tandem Banyan Fast Packet Switch, "IEEE J. on SAC, Vol. 9, No. 8, October 1991, ss. 1173-1199.

20 Kuviossa 6 on havainnollistettu toisen edullisen vaihtoehdon mukai sesti toimivaa reititysverkkoelementtiä REt. Tässä tapauksessa reititysverk-koelementti lajittelee solut ulostuloihinsa niiden lähtöelementtiosoitteen mukaisesti joko nousevaan tai laskevaan järjestykseen. Kuviossa 6 on esitetty nouseva järjestys, jonka mukaan pienimmän lähtöelementtiosoitteen omaava solu 25 reititetään lähtöön no. 0, toiseksi pienimmän lähtöelementtiosoitteen omaava solu reititetään lähtöön no. 1, jne. Ne solut, jotka eivät kuljeta hyötykuormaa lajitellaan viimeisiin lähtöihin. Koska tässä esimerkkitapauksessa tällaisia soluja on kaksi kappaletta, kytketään ne kahteen viimeiseen lähtöön (lähdöt 6 ' : ja n 30 Toisen edullisen vaihtoehdon mukaisesti toimiva reititysverkko voi daan toteuttaa ns. Batcher-verkolla, joka suorittaa juuri samanlaisen lajittelun. Batcher-verkko edeltää tunnetussa Batcher-Banyan MIN:ssä Banyan-kytkentämatriisia ja sen tarkoitus on lajitella soluja tasaisesti Banyan-kytkentämatriisin kaikkiin tuloihin. Tällaista verkkoa on kuvattu tarkemmin » 35 esim. viitteessä Joseph Y. Hui: “Switching and Traffic theory for Integrated 103312 12

Broadband Networks”, Chapter 6, Kluwer Academic Publishers, ISBN 0-7923-9061-X. Koska reititysverkko voidaan toteuttaa kaikissa tapauksissa sinänsä tunnettuja ratkaisuja käyttäen, ei reititysverkkoa kuvata tässä yhteydessä yksityiskohtaisemmin.

5 Yleisesti ottaen kaikki reititysverkkoelementit toimivat samojen kiintei den sääntöjen mukaisesti. Nämä säännöt määräävät sen, mihin lähtöön tietyllä osoitteella varustettu solu reititetään. Reititysverkkoelementti toimii siis kiinteän algoritmin mukaisesti, päinvastoin kuin esim. random routing -menetelmää käyttävä kytkentäelementti.

10 Reititysverkkoa seuraava siirtoverkko SNW toimii yleisesti ottaen siten, että se siirtää reititysverkon i:nnen lähdön siirtoverkon j:nteen lähtöön. Siirtoverkko voi olla tietyllä ajanhetkellä esim. tilassa, jossa siirtoverkko-elementti no.O kytkee ensimmäisen tulon ensimmäiseen lähtöön, toisen tulon toiseen lähtöön, jne, siirtoverkkoelementti no.1 kytkee ensimmäisen tulon 15 toiseen lähtöön, toisen tulon kolmanteen lähtöön, jne., ja viimeisen tulon ensimmäiseen lähtöön, siirtoverkkoelementti no.2 ensimmäisen tulon kolmanteen lähtöön, toisen tulon neljänteen lähtöön, jne.

Jotta lisäksi pienennettäisiin niitä vaatimuksia, joita purskeinen liikenne aiheuttaa puskureiden koolle, vaihdetaan keksinnön edullisessa suoritus-20 muodossa siirtoverkon kytkentätilaa aikavälistä toiseen. Tällä tavalla siirtoverkko takaa, yhdessä reititysverkon kanssa sen, että purskeen solut jaetaan ] tasaisesti eri kytkentäelementeille sisäportaassa ja että samalle lähtöelemen- | tille menevät solut kytkeytyvät eri kytkentäelementeille sisäportaassa.

Siirtoverkon eräs edullinen kytkentämalli voidaan esittää seuraavalla 25 yhtälöllä: tulok (/) = lähtö* (/ + k +1 + c) mod(«), 0 < /, k < n -1 missä tulok(i) on k:nnen siirtoverkkoelementin i:nnes tulo ja Iähtök(j) on k:nnen siirtoverkkoelementin j:nnes lähtö, t on aikavälin numero, joka voidaan määritellä seuraavasti: t = (aikavälinumero) mod(n), c on jokin (positiivinen) 30 kokonaisluku ja n on siirtoverkkoelementin lähtöjen lukumäärä. (Mod(n) tarkoittaa sitä, että saavutettaessa arvo n laskenta aloitetaan uudelleen alusta.)

Kuvioissa 7a...7d on esitetty 16x16-kokoisen kytkimen siirtoverkon kytkentätiloja aikaväleissä nolla (kuvio 7a), yksi (kuvio 7b), kaksi (kuvio 7c) ja kolme (kuvio 7d). Yhden aikavälin pituus vastaa tässä tapauksessa yhden 35 solun pituutta.

103312 13

Aikavälissä nolla ensimmäinen siirtoverkkoelementti SHE0 kytkee i:nnen tulonsa i:nnenteen lähtöönsä, siirtoverkkoelementti SHE, kytkee i:nnen tulonsa lähtöön, jonka järjestysnumero on (i+1)mod(n), jolloin neljäs tulo kytkeytyy ensimmäiseen lähtöön (lähtö nro 0), siirtoverkkoelementti SHE2 kytkee 5 kytkee i:nnen tulonsa lähtöön, jonka järjestysnumero on (i+2)mod(n), jolloin kolmas tulo kytkeytyy ensimmäiseen lähtöön ja neljäs tulo toiseen lähtöön, ja siirtoverkkoelementti SHE3kytkee i:nnen tulonsa lähtöön, jonka järjestysnumero on (i+3)mod(n), jolloin toinen tulo kytkeytyy ensimmäiseen lähtöön, kolmas tulo toiseen lähtöön ja neljäs tulo kolmanteen lähtöön.

10 Aikavälissä yksi on tilanne sellainen, että jokaisen siirtoverkko- elementin kytkentätila on muuttunut yhdellä askeleella edelliseen aikaväliin nähden. Toisin sanoen, ensimmäinen siirtoverkkoelementti SHE0 kytkee i:nnen tulonsa lähtöön, jonka järjestysnumero on (i+1)mod(n), siirtoverkkoelementti SHE, kytkee i:nnen tulonsa lähtöön, jonka järjestysnumero on (i+2)mod(n), 15 jne. Aikaväleissä kaksi (kuvio 7c) ja kolme (kuvio 7d) jokaisen siirtoverkkoelementin kytkentätila on jälleen muuttunut yhdellä askeleella edelliseen aikaväliin nähden.

Reititysverkon elementtejä on kuvioissa 7a...7d merkitty nuolella samaan tapaan kuin tehdään yleensä lajittelevien verkkojen yhteydessä. 20 Nuolen suunta kuvaa lajittelun suuntaa siten, että nuoli osoittaa sitä lähtöä, johon kytketään suurimman osoitteen omaava solu.

Kuten siirtoverkon kytkentämallia kuvaavasta kaavasta ilmenee, voisi siirtymä aikavälistä toiseen tapahtua myös siten, että siirtoverkkoelementti askeltaa kerralla 2 tai 3 askelta eteenpäin (eli vakio c ei ole nolla, vaan saa 25 arvon 1 tai 2).

Edellä esitetyn kaavan mukaisesti samassa aikavälissä on kahden peräkkäisen siirtoverkkoelementin kytkentätilojen ero aina yhden askeleen suuruinen. Tämä ei kuitenkaan ole välttämätöntä, vaan riittää, että kaikilla : siirtoverkkoelementeillä on samalla ajanhetkeltä erilainen kytkentätila. Toteutus 30 on kuitenkin yksinkertaisempi, jos kahden peräkkäisen siirtoverkkoelementin kytkentätilojen ero aina yhden askeleen suuruinen ja jos siirtoverkkoelementti lisäksi askeltaa yhden askeleen kerralla.

Kuviossa 8 on esitetty kuviota 3a vastaava esimerkkitilanne, kun kytkin on keksinnön mukainen. Tässä esimerkissä on oletettu, että reititysverk-35 ko RNW toimii edellä esitetyn toisen edullisen suoritusmuodon mukaan, jossa 103312 14 reititysverkkoelementti lajittelee solut nousevaan järjestykseen niiden lähtö-elementtiosoitteen mukaisesti. Kuten kuviosta voidaan havaita, syntyy keksinnön mukaista ratkaisua käytettäessä enää yksi kilpailutilanne sisäportaassa (mikä johtuu siitä, että osoitteella yksi varustettuja soluja on yksi enemmän 5 kuin sisäportaassa on kytkentäelementtejä).

Mikäli reititysverkkoelementteinä käytetään nousevaan järjestykseen lajittelevia reitityselementtejä, on kytkentämatriisilla sellainen ominaisuus, että sisäelementtien ensimmäisellä lähtöportilla on paras suorituskyky solujen menettämistodennäköisyyden suhteen. Tämä johtuu siitä, että jos reititysverk-10 koelementtiin tulee vain yksi lähtöelementtiosoitteella nolla varustettu solu, se menee aina samaan (ensimmäiseen) lähtöön. Sen sijaan, jos reititysverk-koeiementtiin tulee yksi osoitteella yksi varustettu solu, sen lähtöportti riippuu siitä, kuinka monta osoitteella nolla varustettua solua tulee samanaikaisesti. Toisin sanoen, osoitteella j varustetun solun lähtöportin määrää se, kuinka 15 monta osoitteella i (i<j) varustettua solua saapuu samanaikaisesti. Koska muilla osoitteilla varustetut solut eivät vaikuta osoitteella nolla varustetun solun lähtöporttiin, on portilla nolla pienin solujen menettämistodennäköisyys kes-j kimmäisessä portaassa. Tämä ilmiö voidaan havaita tilastollisissa simulaati- ; oissa. Vastaava ominaisuus on reititysverkolla, jonka elementit lajittelevat solut 20 laskevaan järjestykseen. Tällöin on paras suorituskyky sillä portilla, jonka järjestysnumero on suurin.

Keksinnön edullisessa suoritusmuodossa käytetään hyväksi tätä ominaisuutta kytkentämatriisin optimoimiseksi hot-spot-liikenteelle. Hot-spot-liikenne viittaa sellaiseen liikennetilanteeseen, jossa useat liikennelähteet 25 yrittävät kommunikoida yhtaikaa saman kohteen (ns. hot spot) kanssa. Hot-spot-liikennettä voi esiintyä monilla sovellusalueilla esim. puhelin- tai tietoko- neverkoissa, esim. television puhelinäänestysten yhteydessä. On osoitettu, ;= että vaikka hot-spot-liikenteen osuus on hyvin pieni liikenteen kokonaismää- j · rästä, se voi silti merkittävästi heikentää järjestelmän tai verkon toimintaa. Jotta 30 kytkimen toiminta taattaisiin myös hot-spot-liikenteen yhteydessä, täytyy sekä . kytkimen sisäisen kytkentäkapasiteetin että puskureiden olla riittävän suuria hot-spot-liikennettä varten. Tämä puolestaan tekee kytkimestä monimutkaisemman ja siten myös entistä kalliimman.

Jotta pystyttäisiin varautumaan myös hot-spot-liikenteeseen ilman 35 edellä mainittua epäkohtaa, keksinnön edullisessa toteutustavassa lisätään 103312 15 kytkentämatriisiin vuonohjauksen takaisinkytkentä ja takaisinkytketyn informaation perusteella toimivat reititystunnistemuuntimet, jotka muuntavat hot-spot-liikenteen reittiä. Näin pystytään hot-spot-liikenne reitittämään parhaan suorituskyvyn omaavan lähtöportin kautta. Toisin sanoen, reititystunniste-5 muunnoksella järjestetään juuri hot-spot-liikenteen omaavalle portille paras suorituskyky.

Tätä edullista toteutustapaa on havainnollistettu kuviossa 9 käyttäen esimerkkinä kuviossa 4 esitettyä perusrakennetta, jossa n=k=m=4 ja kytkentä-elementit sekä niiden tulot ja lähdöt on numeroitu nollasta alkaen.

10 Kytkentämatriisiin on muodostettu sisäportaan ja tuloportaan välille takaisinkytkentä, jonka avulla annetaan hot-spot-tieto reititystunnistemuunti-mille TC, (i=0...(n2-1)). Kytkentämatriisin jokaista tulojohtoa kohti on oma reiti-tystunnistemuuntimensa.

Takaisinkytkentä käsittää liikennemonitorin TM, (i=0...(n2-1)) jokaises-15 sa sisäportaan lähdössä ja tunnistinpiirin LD. Jokainen liikennemonitori monitoroi sinänsä tunnetulla tavalla liikennettä omassa lähdössään. Tämä voidaan tehdä esim. siten, että monitori laskee samanaikaisesti esiintyviä paketteja aikaväli aikaväliltä tai laskee esim. tietyn ennalta määrätyn pituisen ajanjakson aikana saapuneiden pakettien lukumäärän. Tunnistinpiirissä LD on n kappa-20 letta summaimia AD, (i=0...(n-1)) ja vertailija CP. Liikennemonitoreiden lähdöt on kytketty summaimille siten, että ensimmäisen summaimen tuloiksi on kytketty lähtöjen numero nolla liikennemonitorien lähdöt jokaiselta sisäportaan kytkentäelementiltä, toisen summaimen tuloiksi on kytketty lähtöjen numero yksi liikennemonitorien lähdöt jokaiselta sisäportaan kytkentäelementiltä, 25 kolmannen summaimen tuloiksi on kytketty lähtöjen numero kaksi liikenne-monitorien lähdöt jokaiselta sisäportaan kytkentäelementiltä ja neljännen summaimen tuloiksi on kytketty lähtöjen numero kolme liikennemonitorien lähdöt jokaiselta sisäportaan kytkentäelementiltä. Jokaisessa summaimessa i ' on siis yhteensä n kappaletta tuloja ja ko. tulot ovat jokaisen sisäelementin 30 lähdöstä i. Kukin summain laskee summan vastaanottamistaan luvuista ja välittää summan edelleen vertailijalle CP, joka valitsee kyseisistä summista suurimman ja lähettää vastaavan lähdön numeron H (H=0...3) ja ko. summan arvon tunnistemuuntimille TCj. Lähtö H edustaa hot-spot lähtöä eli lähtöä, jossa on suurin kuorma.

35 Jokainen tunnistemuunnin TQ muuntaa kytkentämatriisiin saapuvan 103312 16 paketin reititystunnisteen reititysverkkoa koskevan tunnisteosan Ajn uudeksi tunnisteosaksi A^, jota reititysverkko käyttää reitittäessään paketin. Tunniste-muuntimien suorittama muunnos voidaan kuvata seuraavasti:

Jos Aj,, - H > 0, 5 = Ain - H, muuten

AoUt = Ajn - H + n.

Kuvion 9 esimerkissä on oletettu, että H=2 ja että reitityselementti lajittelee solut niiden lähtöelementtiosoitteen mukaisesti nousevaan järjestyk-10 seen. A,n-an/ot on esitetty ennen tunnistemuuntimia ja Aln-arvoista lasketut Aout-arvot tunnistemuuntimien jälkeen. Edellä kuvatun muunnoksen avulla saadaan hot-spot-liikenne kulkemaan reititysverkkoelementeissä ensimmäisen lähdön kautta, jolloin vastaavasti sillä sisäelementtien lähdöllä, jonka kautta hot-spot-liikenne kulkee on paras suorituskyky.

15 Kuviossa 10 on havainnollistettu pakettien kulkua kuvion 9 mukaisen kytkentämatriisin läpi. Kytkentämatriisiin tulevassa paketissa on datakenttä ja reititystunniste, joka koostuu osasta AO ja osasta A1, joista A1 tulkitaan normaalitapauksessa kahdessa ensimmäisessä portaassa ja AO lähtöportaassa (vrt. kuvio 3b). Tunnisteosa A1 ilmoittaa lähtöelementin osoitteen ja tunniste-20 osa AO lähtöportin osoitteen lähtöelementissä. Jokainen tunnistemuunnin muuntaa tunnisteosan A1 (joka vastaa tunnisteosaa Ain) uudeksi tunnisteosaksi A1’ Goka vastaa tunnisteosaa AoJ ja lisää uuden tunnisteosan pakettiin. Reititysverkko reitittää paketin uuden tunnisteosan AV avulla ja poistaa uuden tunnisteosan paketista. Tämän jälkeen sisäportaan elementit käyttävät tun-25 nisteosan A1 reitittäessään paketin lähtöportaalle ja lähtöportaan elementit käyttävät tunnisteosan AO reitittäessään paketin lähtöönsä. Paketti kytketään kummastakin portaasta eteenpäin ilman ko. portaan käyttämää tunnisteosaa. h Kuviossa 9 esitetylle rakenteelle vaihtoehtoinen ja yksinkertaisempi j - : toteutustapa on ottaa liikennetiedot vain yhdeltä sisäelementiltä, jolloin myös : 30 tunnistinpiiri LD yksinkertaistuu niin, että se sisältää vain vertailijan, joka ver taa, millä lähdöllä on suurin kuorma (summaimia ei tarvita). Tällainen ratkaisu on esitetty kuviossa 11.

Edellä kuvatulla tavalla voidaan kytkentämatriisin parhaan suorituskyvyn omaavaa porttia hyödyntää hot-spot-liikenteen välittämiseen. Hot-spot-35 liikenteelle mitoitettu kytkentämatriisi voidaan näin ollen toteuttaa entistä talou- 103312 17 dellisemmin.

Edellä kuvatut esimerkit perustuivat yksinkertaisiin esimerkkeihin, joissa käytettiin nxn reititysverkkoelementtejä ja nxn siirtoverkkoelementtejä. Keksintöä voidaan kuitenkin käyttää kolmiportaisissa kytkentämatriiseissa, 5 joiden yleinen konfiguraatio on esitetty kuviossa 12, jossa tuloelementtien ja sisäelementtien välisenä kytkentäkuviona on ns. shuffle-exchange-kuvio (pattern). Tuloelementtejä (nxn) on yhteensä k kappaletta, sisäelementtejä (Ixk) yhteensä m kappaletta ja lähtöelementtejä (mxn) yhteensä k kappaletta. Tuloelementit ovat keksinnön mukaisia elementtejä.

10 Kuviossa 13 on esitetty kuvion 12 kytkentämatriisista sellainen esi merkki, jossa n=4, \-2, k=4 ja m=8. Selvyyden vuoksi kuviossa on esitetty kaikki yhteen lähtöelementtiin tulevat johtimet vain ensimmäisen lähtöelemen-tin osalta ja kaikki sisäelementiltä lähtevät johtimet vain kahden ensimmäisen sisäelementin osalta.

15 Edellä on kuvattu keksintöä viitaten kytkimiin, jotka koostuvat kol mesta portaasta. Näistä toinen ja kolmas porras ovat tunnettuja itsereitittäviä portaita, jotka pystyvät ratkaisemaan lähtöportin kilpailutilanteet. Toisen ja kolmannen portaan kytkentäelementit voivat olla esim. knockout-elementtejä. Koska kytkentäelementit voidaan toteuttaa tunnetulla tavalla, ei niitä kuvata 20 tässä yhteydessä tarkemmin.

Keksinnön mukaista ratkaisua voidaan kuitenkin hyödyntää myös kytkimissä, joissa on useampia kuin kolme porrasta, esim. viisi tai seitsemän porrasta.

Kuviossa 14a on esitetty esimerkki keksinnön mukaisesta 64x64-25 kytkentämatriisista, jossa on viisi porrasta. Kytkentämatriisi käsittää tässä tapauksessa neljä kuviossa 4 esitetyn kaltaista matriisiryhmää SG1...SG4, jotka muodostavat kytkimen toisen, kolmannen ja neljännen portaan ja jotka ovat siinä mielessä rinnakkaisia, että eri ryhmien välillä ei ole sisäisiä linkkejä. Ensimmäinen kytkinporras (tuioporras) käsittää tässä tapauksessa 16 kappa-30 letta kytkentäelementtejä SE1, joissa kussakin on 4 tuloa. Tuloportaan i:nnen (i=0...15) kytkentäelementin k:nnet lähdöt on kytketty k.nnessa matriisiryh-mässä (k=0...3) i:nnenteen tuloon. Kuviossa 14b on havainnollistettu kytkimessä käytettävää itsereititystunnistetta, joka käsittää tässä tapauksessa kuusi peräkkäistä bittiä d0...d5 (26=64, joka on tulojen ja lähtöjen lukumäärä), 35 joista bitit d5 ja d4 tulkitaan ensimmäisessä ja kolmannessa portaassa, bitit d3 103312 18 ja d2 toisessa ja neljännessä portaassa sekä bitit d1 ja dO viimeisessä portaassa. Kytkimen ensimmäisen ja toisen portaan kytkentäelementit ovat keksinnön mukaisia elementtejä, joista kukin koostuu reititysverkkoelementistä ja siirtoverkkoelementistä, jotka on kytketty keskenään peräkkäin. Kolmen viimei-5 sen portaan kytkentäelementit ovat tavanomaisia itsereitittäviä kytkentäele-menttejä ja niissä tulkitaan kaikki reititystunnisteen bitit, kaksi bittiä kussakin portaassa (lisätyissä kahdessa ensimmäisessä portaassa tulkitaan bitit d5d4 ja vastaavasti d3d2).

Seuraavassa kuvataan lyhyesti kuvioon 15 viitaten, kuinka kolmipor-10 täisestä kytkimestä muodostetaan useampiportainen kytkin, jonka portaiden lukumäärä on NS. Oletetaan aluksi, että 01j(i) on j:nnen kytkentäelementin SE1(s) i:nnes lähtö, I2j(i) on j:nnen kytkentäelementin SE2(s) i:nnes tulo, 02j(i) on j:nnen kytkentäelementin SE2(s) i:nnes lähtö ja I3’(i) on j:nnen kytkentäelementin SE3(s) i:nnes tulo, missä NS=2s+1 (s=1,2,3...) ja s ilmoittaa laajen-15 nuskertojen lukumäärän kolmiportaisesta NS-portaiseen kytkimeen. Kuten aiemmin esitettiin, kolmiportaisessa kytkimessä on kytkentäsääntö 01’(i) = I2'ö) ja 02j(i) = I3'ö) eli lähtö 01'(i) kytketään tuloon I2‘(j) ja lähtö 02’(i) kytketään tuloon I3'(j). Kytkin, jonka portaiden lukumäärä on NS muodostetaan suoritta-ί maila järjestyksessä seuraavat askeleet 1 ...3.

20 1. Muodostetaan kolmiportainen kytkin kytkemällä kytkentäelementit SE1(s), SE2(s) ja SE3(s) edellä mainitun säännön mukaisesti (esim. ylimmäinen rivi kuviossa 10, kun s=1). Tämän jälkeen määritellään näin saatu "kolmiportainen” kytkin uudeksi keskimmäiseksi kytkentäeiementiksi SE2(s+1) (vrt. alaspäin osoittavat nuolet kuviossa 10).

25 2. Muodostetaan uusi “kolmiportainen kytkin” kytkemällä toisiinsa kytkentäelementit SE1(s+1), SE2(s+1) ja SE3(s+1) em. kytkentäsäännön mukaisesti.

; - 3. Määritellään, että kytkentäelementit SE1 (s) ovat keksinnön mukai- Π ' siä reititys/siirtoverkkoja ja kytkentäelementit SE2(s) ja SE3(s) ovat tunnettuja f 30 itsereitittäviä estottomia (non-blocking) kytkentäelementtejä (s=1,2..... (NS- 1)/2), eli jokainen kytkentäelementti ensimmäisissä (NS-1)/2 portaassa on keksinnön mukainen elementti, ja loput ovat tunnettuja itsereitittäviä kytkentäelementtejä.

i v Jotta saataisiin NS+2 porrasta toistetaan edellä kuvatut askeleet (ja 35 kasvatetaan samalla s:n arvoa yhdellä). Kuviossa 15 on kolmannella rivillä 19 103312 viisiportainen kytkin, viidennellä rivillä seitsenportainen kytkin, jne. Alleviivauksella on merkitty aina sitä kokonaisuutta, josta uuden “kolmiportaisen” kytkimen keskimmäiset kytkentäelementit muodostuvat. Alimmaisella rivillä on esitetty NS-portainen kytkin.

5 Mikäli kytkentämatriisia laajennetaan siis esim. seitsemänportaiseksi, muodostuvat kolme (=(7-1)/2)) ensimmäistä porrasta keksinnön mukaisista kytkentäelementeistä, ja neljä viimeistä porrasta tavanomaisista itsereitittävistä kytkentäelementeistä.

Kuvioissa 9...11 esitettyä ratkaisua, jossa kytkentämatriisi on opti-10 moitu hot-spot-liikennettä varten, voidaan käyttää myös silloin, kun kytkentä-portaita on enemmän kuin kolme. Kuviossa 16 on esitetty, kuinka kuvion 14a mukaiseen viisiportaiseen kytkentämatriisiin voidaan lisätä takaisinkytkentä. Tunnistinpiiri LD1, jonka tuloiksi on kytketty tiedot matriisiryhmän (SG1) kaikilta 16 lähdöltä, ilmaisee neljännen portaan hot-spot-lähdön kytkentämatriisin 15 jokaisessa tuloportissa olevalle tunnistemuuntimelle (64 kappaletta), jotka muuttavat bitit d5 ja d4 biteiksi d5’ ja d4’, jotka tulkitaan ensimmäisessä kyt-kentäportaassa. Jokaisessa matriisiryhmässä SG1...SG4 on tunnistinpiiri LD2 (joita matriisissa on siis yhteensä 4 kappaletta). Jokainen tunnistinpiiri LD2 ilmaisee matriisiryhmän sisäportaan hot-spot-lähdön kyseisen matriisiryhmän 20 jokaisessa tuloportissa olevalle tunnistemuuntimelle (16 kappaletta), jotka muuttavat bitit d3 ja d2 biteiksi d3’ ja d2’, jotka tulkitaan toisessa kytkentäpor-taassa. Edellä kuvatulla tavalla saadaan keksinnön mukaisissa kytkentäpor-taissa annettua paras suorituskyky niille lähdöille, joiden kautta hot-spot-liikenne kulkee.

25 Vaikka keksintöä on edellä selostettu viitaten oheisten piirustusten mukaisiin esimerkkeihin, on selvää, ettei keksintö ole rajoittunut siihen, vaan sitä voidaan muunnella edellä ja oheisissa patenttivaatimuksissa esitetyn keksinnöllisen ajatuksen puitteissa.

* s ' <

Claims (12)

103312 20

1. Kytkentämatriisi tietoliikenneverkon pakettikytkintä varten, joka kytkentämatriisi käsittää 5. useita tuloportteja ja useita lähtöportteja, ja - useita kytkentäelementtejä (SE1...SE5), jotka on järjestetty peräkkäin muodostamaan useita peräkkäisiä kytkentäportaita ja jotka on kytketty keskenään kytkentäportaasta toiseen johtavien sisäisten yhteyksien avulla, jolloin kytkentäelementtien ja sisäisten yhteyksien kautta muodostuu yhteys 10 tuloportista haluttuun lähtöporttiin, ja jolloin jokaisella kytkentäelementillä on tuloja ja lähtöjä ja jokainen kytkentä-elementti reitittää tuloonsa tulevan datapaketin yhteen tai useampaan lähtöönsä datapaketin sisältämän reititysinformaation (SRT) perusteella, ensimmäisen kytkentäportaan kytkentäelementtien tulot muodostavat j 15 mainitut tuloportit ja viimeisen kytkentäportaan lähdöt muodostavat mainitut lähtöportit, tunnettu siitä, että - ainakin ensimmäisen portaan kukin kytkentäelementti (SE1) muodostuu reititysverkkoelementistä (REf) ja siirtoverkkoelementistä (SHEj), jotka 20 on kytketty keskenään peräkkäin siten, että reititysverkkoelementin i:nnes lähtö on kytketty siirtoverkkoelementin i:nnenteen tuloon, jolloin - - kukin reititysverkkoelementti reitittää datapaketit ennalta määrättyjen kiinteiden sääntöjen mukaan datapaketin sisältämän reititysinformaation pe- - " rusteella, ja 71 25 - kukin siirtoverkkoelementti siirtää i:nnessä tulossaan olevan datapa- ΤΞ ketin j:nnenteen lähtöönsä, jolloin i ja j muodostavat pareja siten, että (a) a _ saman siirtoverkkoelementin sisällä samassa aikavälissä kaikki j:n arvot ovat eri suuria, ja (b) saman aikavälin sisällä eri siirtoverkkoelementeissä vastaa : samaa i:n arvoa eri j:n arvo. : 30

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kytkentämatriisi, tunnettu sii tä, että reititysverkkoelementti reitittää sisääntulevan datapaketin siihen läh-; _ töönsä, joka vastaa reititysinformaation ilmoittamaa lähtöporttiosoitetta. i

=-· 3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kytkentämatriisi, tunnettu sii tä, että reititysverkkoelementti reitittää sisääntulevat datapaketit siten, että i t 35 datapaketit esiintyvät reititysverkkoelementin lähdöissä reititysinformaation 103312 21 mukaisessa suuruusjärjestyksessä.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kytkentämatriisi, tunnettu siitä, että kinnella siirtoverkkoelementillä i:tä vastaa j mod(n) ja (k+1):nnella siirtoverkkoelementillä i:tä vastaa 0+1) mod(n), missä n on siirtoverkkoelemen- 5 tin lähtöjen lukumäärä.

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kytkentämatriisi, tunnettu siitä, että yksittäisessä siirtoverkkoelementissä samaa i:n arvoa vastaava j:n arvo vaihtuu aikavälistä toiseen siten, että j:n arvo käy jatkuvasti läpi ennalta määrättyä sekvenssiä.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen kytkentämatriisi, tunnettu sii tä, että ennalta määrätyssä sekvenssissä on järjestyksessä kaikki siirtoverkko-elementin lähdöt.

7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kytkentämatriisi, tunnettu siitä, että se käsittää kolmiportaisen lohkon, jossa ensimmäisen portaan kytken- 15 täelementeissä on n kappaletta tuloja ja n kappaletta lähtöjä, toisen portaan kytkentäelementeissä I kappaletta tuloja ja k kappaletta lähtöjä ja kolmannen portaan kytkentäelementeissä m kappaletta tuloja ja n kappaletta lähtöjä, ja että ensimmäisen portaan kytkentäelementit muodostuvat reititysverkkoele-mentistä ja siirtoverkkoelementistä, jotka on kytketty keskenään peräkkäin.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen kytkentämatriisi, tunnettu sii tä, että ensimmäisen portaan 'ennen siirtoverkkoelementin j:nnes lähtö on kytketty toisen portaan j:nnen kytkentäelementin imnenteen tuloon ja toisen portaan i:nnen kytkentäelementin j:nnes lähtö on kytketty kolmannen portaan j:nnen kytkentäelementin enteen tuloon.

9. Patenttivaatimuksen 3 mukainen kytkentämatriisi, tunnettu sii tä, että se käsittää - ainakin yhdessä kytkentäelementissä mittauselimet (TM,), jotka mittaavat kyseisen kytkentäelementin lähtöjen kuormitukseen verrannollista ,· suuretta, 30. mittauselimille vasteelliset vertailuelimet (LD) suurimman kuormituk sen omaavan lähdön valitsemiseksi, ja - vertailuelimille vasteelliset muunnoselimet (TCj) reititysinformaation muuntamiseksi valitun lähdön perusteella.

10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen kytkentämatriisi, tunnettu 35 siitä, että mittauselimet ovat ainoastaan yhdessä kytkentäelementissä. 103312 22

11. Patenttivaatimuksen 8 tai 9 mukainen kytkentämatriisi, tunnettu siitä, että se käsittää - N1 kappaletta kolmiportaisia lohkoja, jolloin jokaisen lohkon jokaisessa portaassa on N2 kappaletta kytkentäelementtejä, 5. tuloportaan, jossa on N1xN2 kappaletta kytkentäelementtejä ja jonka kytkentäelementissä on N1 kappaletta lähtöjä, jolloin tuloportaan i:nnen kytkentäelementin k:nnes lähtö on kytketty seuraavan portaan k:nnessa lohkossa i.nnenteen tuloon, ja - lähtöportaan, jossa on N1xN2 kappaletta kytkentäelementtejä ja 10 jonka kytkentäelementissä on N1 kappaletta tuloja, jolloin lähtöportaan i:nnen kytkentäelementin k:nnes tulo on kytketty edellisen portaan k:nnessa lohkossa i:nnenteen lähtöön, jolloin muodostuu viisiportainen kytkentämatriisi, jossa mainitut lohkot muodostavat toisen, kolmannen ja neljännen portaan.

12. Patenttivaatimuksen 8 tai 9 mukainen kytkentämatriisi, tunnettu siitä, että se käsittää yhteensä NS kappaletta portaita, joissa (NS-1)/2 ensimmäisen portaan kytkentäelementit muodostuvat reititysverkko-elementeistä ja siirtoverkkoelementeistä. "Τ'β 23 103312