KR100208948B1 - 비동기 전송모드 스위치 장치 - Google Patents

Abstract

비동기 전송 모드 스위치 장치가, k개의 입력포트 및 출력포트를 구비하는 가입자 인터페이스부와, 인접한 제1-제4인접 스위치엘리먼트들에 각각 연결되는 4m개의 제1-제4입출력포트들과 가입자 인터페이스부와 입출력큐 사이에 연결되는 k개의 가입자 입출력포트와 입력되는 셀들의 스위칭을 제어하는 셀스케듈러와, 상기 4m+k 개의 입력포트 및 출력포트들을 구비하며 입력포트로 입력되는 셀을 상기 셀 스케듈러의 제어에 의해 대응되는 출력포트로 스위칭 출력하는 스위치로 구성되는 스위치 엘리먼트를 구비하여, 동일한 스위치엘리먼트에서 스위칭되는 셀은 상기 가입자 인터페이스부로 출력되고 다른 스위치 엘리먼트로 스위칭되는 셀은 인접 스위치 엘리먼트로 출력한다.

Description

비동기 전송모드 스위치 장치{APPARATUS OF A SCALABLE ATM SWITCH USING MULTCOMPUTER NETWORKS}

본 발명은 비동기 전송 모드 스위치 장치에 관한 것으로, 특히 확장성이 용이한 구조를 갖는 비동기 전송 모드 스위치 장치에 관한 것이다.

현재 B-ISDN(Broadband Integrated Services Digital Network)은 멀티미디어 서비스를 비동기 전송 모드(Asynchronous Transfer Mode: 이하 ATM이라 칭한다) 기술에 의해 단일 네트워크에서 모두 수용할 수 있을 것으로 기대되며, 이로 인해 대표적인 차세대 정보 통신망의 대안으로 자리를 잡아가고 있다. 따라서 상기 B-ISDN 서비스가 본격적으로 제공되면, 많은 가입자들을 수용하기 위한 대규모의 네트워크를 효율적으로 구현하기 위하여 대용량의 ATM 스위치가 필수적으로 요구될 것이다. 상기 ATM 스위치의 비용은 주로 포트 당 비용에 의해 결정되므로, 적은 입출력 포트를 갖는 다수의 소용량 ATM 스위치보다는 많은 입출력 포트를 갖는 소수의 대용량 ATM 스위치를 사용하여 대규모 네트워크를 구성하는 것이 유리하다.

또한 수백 Gbps(Giga bit per sec)에서 Tbps(Tera bit per sec)급의 대용량 처리 능력을 갖는 대용량 ATM 스위치를 구축하는 방법에는 다양한 방법이 있다. 그러나 대용량 ATM 스위치 패브릭(fabric) 전체를 하나의 VLSI로 구현하는 것이 불가능하므로, VLSI로 제작된 소규모의 ATM 스위치를 기본소자로 하여 대규모의 스위치를 구성하는 일반적인 방법이 될 수 있다.

현재까지 제안된 ATM 스위치의 종류는 먼저 채널 분할 방식에 따라 시분할 방식으로 구분할 수 있으며, 토폴로지(topology) 상으로 링형, 버스형, 격자형으로 구분할 수 있고, 버퍼의 사용에 따라 입력버퍼형, 공통 버퍼형, 분산 버퍼형 및 출력 버퍼형으로 구분하거나 이들을 혼합하여 사용할 수 있다.

상기와 같이 공간 분할형 ATM 스위치 망 구조에서 대표적인 것은 반얀망(Banyan Network)으로 격자 형태를 가지며 스위칭 망 내부에서 셀 들이 하드웨어 동작에 따라 목적지(ATM 스위치의 출력포트)를 스스로 찾아가는 셀프 라우팅(self routing) 기능을 갖는다. 도 1은 반얀 구조를 사용하여 8*8 규모의 ATM 스위치 패브릭 구성 예를 도시하고 있다. 상기 반얀 구조는 하나의 입력포트에 임의 출력단자로의 경로가 오직 1개만 존재하는 특성을 가진다. 즉, 입력포트I1에 입력되는 셀은 1단(stage1)의 스위치엘리먼트SE11→2단의 스위치엘리먼트SE21→3단의 스위치엘리먼트SE31을 통해 출력포트O1으로 출력되며, 입력포트I2에 입력되는 셀은 1단(stage1)의 스위치엘리먼트SE11→2단의 스위치엘리먼트SE23→3단의 스위치엘리먼트SE33을 통해 출력포트O3으로 출력된다. 상기한 바와 같이 입력포트I1-I8로 입력되는 셀 들은 1단 스위치엘리먼트SE11-SE14, 2단 스위치엘리먼트SE21-24 및 3단 스위치엘리먼트SE31-SE34에서 스위칭되어 각각 출력포트 O1, O5, O3, O7, O2,O6, O4, O8로 출력된다.

따라서 상기 반얀 구조의 ATM 스위치는 a*a 크기의 스위치엘리먼트SE를 사용하면 구성할 수 있는 스위치 패브릭의 크기는 a^x*a^x(여기서 x는 stage 수)이 된다. 그러므로 상기 도 1과 같이 2*2 스위치엘리먼트SE를 사용하여 구성한 스위치 패브릭의 크기는 2³*2³이 되어 8*8 크기의 ATM 스위치가 된다. 도 3은 상기 도 1과 같은 8*8 크기의 스위치를 스위치엘리먼트SE로 하여 구성한 32*32 크기의 ATM 스위치를 도시하고 있다. 상기 도 1 및 도 2를 참조하면, 제1단 스위치엘리먼트 SE11-SE14의 출력단과 제2단 스위치엘리먼트SE21-SE24의 입력단 사이는 특정 패턴의 셔플링(shuffling) 방법을 사용하여하며, 또한 제2단 스위치엘리먼트SE21-SE24의 출력단과 제3단 스위치엘리먼트SE31-SE34의 입력단 사이에도 특정 패턴의 셔플링 방법을 사용하여야 한다. 이는 상기한 바와 같이 내부에서 스위치엘리먼트 들의 입출력 단들을 셔플링하는 이유는 입력포트I1-I32로 각각 입력되는 셀 들을 상기 셔플링 특성에 의해 설정된 해당 출력포트O1-O32로 출력시키기 위함이다.

상기와 같은 반얀망 구조를 사용하는 ATM 스위치 패브릭은 상기한 바와 같이 스위치의 크기가 내부의 스위치엘리먼트 단(stage) 수로 결정된다. 따라서 2*2의 스위치엘리먼트들을 사용하더라도, 스위치의 크기가 4*4, 8*8, 16*16, 32*32, ---, 512*512, 1024*1024, --- 등으로 증가한다. 그러므로 상기 반얀망 구조를 사용하는 ATM 스위치는 어떤 특정 크기의 ATM 스위치를 구성하고자 하는 경우에 큰 제한을 갖게 된다. 예를 들면, 800*800 크기의 ATM 스위치를 반얀망 구조를 구현하는 경우, 1024*1024 ATM 스위치를 구성하여야한다. 이런 경우, ATM 스위치의 입출력 포트 수가 필요 이상으로 존재하게 되어 ATM 스위치의 효율을 저하시키게 된다.

또한 상기와 같이 반얀 구조로 ATM 스위치를 구현하는 경우, 설정된 입력포트와 출력포트를 매칭시키기 위하여 각 단의 스위치엘리먼트들 간에 복잡한 셔플링 방식을 사용하여야 하며, 이를 위하여 실제 셀을 입출력하지 않고 스위칭 만을 위한 스위치엘리먼트 들을 필요로 한다. 상기 도 3에 도시된 바와 같이 제2단의 스위치엘리먼트SE21-SE24는 실제 셀들을 입출력하기 위한 포트들이 아니고 제1단 스위치엘리먼트SE11-SE14에서 출력되는 셀들을 스위칭하여 제3단 스위치엘리먼트SE31-SE34로 출력하는 기능을 수행한다. 따라서 상기 제2단 스위치엘리먼트SE21-SE24의 포트들은 실제 가입자와 인터페이스하기 위한 입출력 포트들이 아님을 알 수 있다. 상기한 바와 같이 상기 반얀 구조의 ATM 스위치는 첫단과 마지막 단의 스위치엘리먼트들이 가입자와 인터페이스하기 위한 입출력 포트를 구비하고 중간단 스위치엘리먼트들의 포트들은 설정된 포트로 셀을 출력하기 위한 포트들로 사용됨을 알 수 있다. 따라서 규모가 커지면, 반얀 구조는 많은 스위치단을 요구하게 되며 이로인해 셔플링도 더욱 복잡해져 하드웨적인 구성이 복잡하다. 그리고 셀 스위칭시 스위치를 구성하는 모든 스위치단을 통과하면서 스위칭 출력되므로, 셀 스위칭 속도가 저하되는 문제점이 있었다.

그러나 상기 ATM 응용 분야 및 시장 규모의 예측이 불가능하므로, 필요에 따라 스위치 용량을 점진적으로 늘릴 수 있는 확장성을 갖는 구조가 무엇보다도 중요하다. 상기 ATM 스위치의 용량을 확장하는 방법에는 입출력 포트의 수를 확장하는 방법과 입출력 포트의 링크 속도를 높이는 방법이 있다. 상기 전자의 경우, ATM 스위치의 입출력 포트 수를 확장하기 위하여, VSLI로 구현되는 단위스위치 소자의 구조와 이들을 연결하는 상호 연결망의 구조가 신중하게 설계되어야 하고, 스위치 링크가 초고속이 되기 위해서는 입출력 포트의 수에 비례하여 속도가 향상(speed-up)되어하는 구성 요소의 제약이 있으면 안된다.

따라서 본 발명의 목적은 비동기 전송 모드 스위치에서 특정 크기의 스위치 패브릭의 구현이 가능하고 스위치 패브릭을 확장할 수 있는 스위치엘리먼트 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 매시 형태로 스위치 패브릭을 구현하여 스위치단을 배제하면서 각각의 스위치엘리먼트와 입출력 엘리먼트를 하나의 모듈로 만들 수 있는 비동기 전송 모드 스위치 장치를 제공함에 있다.

상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 비동기 전송 모드 스위치 장치가; k개의 입력포트 및 출력포트를 구비하는 가입자 인터페이스부와; 인접한 제1-제4인접 스위치엘리먼트들에 각각 연결되는 4m개의 제1-제4입출력포트들과, 상기 가입자 인터페이스부와 입출력큐 사이에 연결되는 k개의 가입자 입출력포트와, 입력되는 셀들의 스위칭을 제어하는 셀스케듈러와, 상기 4m+k 개의 입력포트 및 출력포트들을 구비하며 입력포트로 입력되는 셀을 상기 셀 스케듈러의 제어에 의해 대응되는 출력포트로 스위칭 출력하는 스위치로 구성되는 스위치 엘리먼트를 구비하여; 동일한 스위치엘리먼트에서 스위칭되는 셀은 상기 가입자 인터페이스부로 출력되고 다른 스위치 엘리먼트로 스위칭되는 셀은 인접 스위치 엘리먼트로 출력되는 것을 특징으로 한다.

도 1은 반얀망 구조로 구성한 8*8 규모의 비동기 전송 모드 스위치 구조를 도시하는 도면

도 2는 반얀망 구조로 구성한 32*32 규모의 비동기 전송 모드 스위치 구조를 도시하는 도면

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 비동기 전송 모드 스위치의 스위치엘리먼트 구조를 설명하기 위한 도면

도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 2k*2k 비동기 전송 모드 스위치 구조를 도시하고, 도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 3k*3k 비동기 전송 모드 스위치 구조를 도시하며, 도 4c는 본 발명의 실시예에 따른 4K*4k 비동기 전송모드 스위치 구조를 도시하고, 도 4d는 본 발명의 실시예에 따른 6k*6k 비동기 전송 모드 스위치 구조를 도시하는 도면

도 5는 본 발명의 실시예에 따라 32*32 크기로 구성된 비동기 전송 모드 스위치 구조를 도시하는 도면

도 6은 본 발명의 실시예에 따라 24*24 크기로 구성된 비동기 전송 모드 스위치 구조를 도시하는 도면

본 발명의 실시예에서는 스위치 링크의 고속화에 제한이 없는 입력버퍼형 스위치를 단위 스위치 소자로 하고, 네트워크 연결 구조로 다중 채널 매시(Multi-Channel Mesh Switch)를 제안한다.

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 스위치엘리먼트SE의 구조를 도시하고 있다. 상기 도 3a를 참조하면, m은 인접한 한 개의 스위치엘리먼트SE와 연결되는 포트의 수를 의미하며, k는 가입자와 인터페이스하기 위해 연결되는 포트의 수를 의미한다. 여기서 상기 m개의 포트는 m개의 입력포트와 m개의 출력포트가 되며, k는 k개의 입력포트와 k개의 출력포트가 된다. 이하의 설명에서 입력포트 또는 출력포트라고 기재하지 않고 m포트 및 k포트라고 기재된 용어는 각각 m개 및 k개의 입력포트 및 출력포트임을 나타낸다. 상기 도 3a에 도시된 바와 같이 각각의 스위치엘리먼트SE와 입출력 엘리먼트를 하나의 모듈로 만든다. 상기와 같은 구성을 갖는 스위치엘리먼트SE 들을 매시 형태로 구성하여 본 발명의 실시예에 따른 ATM 스위치 패브릭을 구현한다.

상기 도 3b를 참조하면, 상기 스위치엘리먼트SE은 각각 (4m+k)개의 입력포트들과 (4m+k) 개의 출력포트들을 구비한다. 상기 4m개의 제1입력포트-제4입력포트는 스위치엘리먼트SE를 중심으로 인접한 대응되는 4개의 제1인접 스위치엘리먼트-제4인접 스위치엘리먼트들에서 각각 스위칭 출력되는 셀들을 입력할 수 있는 입력포트들을 나타내며, k개의 입력포트는 입력큐 및 가입자 인터페이스부 사이에 연결되어 가입자 인터페이스부에서 발생되는 셀들을 입력하기 위한 포트들이다. 또한 상기 4m개의 제1출력포트-제4출력포트는 스위칭 출력하고자하는 셀들을 해당 스위치엘리먼트SE를 중심으로 인접한 4개의 제1인접 스위치엘리먼트-제4인접 스위치엘리먼트들에 스위칭 출력하기 위한 포트들을 나타내며, k개의 출력포트는 출력큐와 가입자 인터페이스부 사이에 연결되어 해당 스위치엘리먼트SE에서 스위칭된 셀들을 상기 가입자 인터페이스부로 출력하기 위한 포트들이다. 따라서 상기 스위치엘리먼트는 (4m+k)*(4m+k) 크기로 구현하면 된다. 여기서 상기 (4m+k)를 n이라 하면, n은 스위치엘리먼트SE의 전체 입력포트 또는 출력포트수가 된다.

도 4a에서 도 4d는 상기 도 3a 및 도 3b와 같은 스위치엘리먼트SE 들을 매시 형태로 연결하여 ATM 스위치를 구성한 예들을 도시하고 있다. 상기 도 4a는 가입자와 인터페이스하기 위한 입출력포트가 2k*2k 크기를 갖는 매시형태의 ATM 스위치를 도시하고 있으며, 상기 도 4b는 가입자와 인터페이스하기 위한 입출력포트가 3k*3k 크기를 갖는 매시형태의 ATM 스위치를 도시하고 있고, 상기 도 4c는 가입자와 인터페이스하기 위한 입출력포트가 4k*4k 크기를 갖는 매시형태의 ATM 스위치를 도시하고 있으며, 상기 도 4d는 가입자와 인터페이스하기 위한 입출력포트가 6k*6k 크기를 갖는 매시형태의 ATM 스위치를 도시하고 있다. 여기서는 상기 도 4d를 중심으로 본 발명의 실시예에 따른 매시 형태의 ATM 스위치 동작을 살펴보기로 한다.

상기 도 4d를 참조하면, 각각의 스위치엘리먼트SE61-SE66 들은 각각 입출력인터페이스부IO61-IO66을 가지며, 매시 형태로 구성되어 6k의 입력포트들과 6k의 출력포트들을 구비하는 ATM 스위치 구조로 이루어져있다. 상기와 같은 구성을 갖는 ATM 스위치에서 동일한 스위치엘리먼트SE에서 스위칭이 이루어지는 경우에는 입력되는 셀은 동일 스위치엘리먼트의 출력포트를 통해 스위칭 출력되며, 다른 스위치엘리먼트로 출력되어야 하는 셀은 다른 스위치엘리먼트와 연결된 출력포트를 통해 스위칭 출력되며, 이런 방식으로 라우팅되어 원하는 출력포트를 갖는 스위치엘리먼트SE를 통해 출력된다.

상기 도 4d에서 스위치엘리먼트61,63,64 및 66은 인접한 2개의 스위치엘리먼트 들과 연결된다. 따라서 4m 연결포트 중에서 실제 다른 스위치엘리먼트 들과 연결되는 포트는 2m개가 된다. 따라서 나머지 2m개의 입출력포트는 가입자와 연결하는 입출력 포트로 사용할 수 있다. 또한 스위치엘리먼트62 및 65는 인접한 3개의 스위치엘리먼트 들과 연결된다. 따라서 4m 연결포트 중에서 실제 다른 스위치엘리먼트들과 연결되는 포트는 3m개가 되며, 나머지 m개의 입출력포트는 가입자와 연결하는 입출력 포트로 사용할 수 있다.

상기 도 4a에서 상기 도 4d를 참조하면, ATM 스위치 패브릭의 크기가 SE의 크기에 제약을 받지 않고 확장이 가능하며, 스위치 단의 형태를 배제하여 특정 크기의 ATM스위치 패블릭도 가능함을 알 수 있다. 즉, 상기 도 3a와 같은 구조를 갖는 스위치앨리먼트SE를 조합하여 매시형태의 구조로 ATM 스위치 패브릭을 구성하면, 원하는 크기로 ATM 스위치를 구성할 수 있다. 따라서 사용자가 원하는 특정한 크기의 ATM 스위치 패브릭의 구현이 가능하고 ATM 스위치 패브릭의 확장성도 보장할 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따라 매시 형태로 구성한 32*32 ATM 스위치 패브릭의 구조를 도시하고 있다. 상기 도 5에서 각 스위치앨리먼트들은 모두 8*8 크기로 하였으며, 또한 각각의 스위치엘리먼트들은 모두 인접스위치 들과 연결되는 동시에 각각 가입자인터페이스부 들을 통해 가입자 들과도 연결되는 구성을 가짐을 알 수 있다. 상기 도 5에서 인접하는 3개의 스위치앨리먼트들과 연결되는 스위치엘리먼트들은 6개의 포트들을 인접하는 스위치엘리먼트들과 연결하기 위한 입출력포트로 사용하고, 2개의 포트들을 가입자들과 인터페이스하기 위한 입출력포트로 사용할 수 있도록 구성한다. 또한 인접하는 2개의 스위치앨리먼트들과 연결되는 스위치엘리먼트들은 4개의 포트들을 인접하는 스위치엘리먼트들과 연결하기 위한 입출력포트로 사용하고, 4개의 포트들을 가입자들과 인터페이스하기 위한 입출력포트로 사용할 수 있도록 구성한다. 상기 도 5에 도시된 메시 형태의 ATM 스위치 패브릭은 상기 도 2에 도시된 반얀 구조의 ATM 스위치 패브릭과 동일한 크기의 스위치가 됨을 알 수있다.

도 6은 사용자의 요구에 따라 원하는 크기로 ATM 스위치 패브릭을 구성할 수 있음을 도시하는 도면이다. 즉, 상기 도 2와 같이 반얀 구조로 구현되는 ATM 스위치 패브릭은 스위치의 단 수에 따라 결정되는 개수의 스위치엘리먼트 들을 조합하여 스위치를 구성하여야 한다. 따라서 상기한 바와 같이 반얀 구조를 갖는 ATM 스위치 패브릭은 스위치의 단 수에 따라 사용해야 할 스위치의 수가 결정된다. 그러나 본 발명의 실시예에 따른 ATM 스위치 패브릭은 원하는 크기로 자유롭게 확장이 가능하다. 상기 도 6은 24*24 크기의 ATM 스위치 패브릭 구조를 도시하고 있다.

상기와 같은 매시 구조의 ATM 스위치 패브릭을 구성하는 스위치엘리먼트를 도3a 및 도 3b와 같이 구성하며, 가입자와 인터페이스하기 위한 입력포트는 입력큐(queue)와 연결하고 출력포트는 출력큐와 연결시킨다. 그리고 상기 스위치엘리먼트SE의 입력단에는 한 개의 셀 이상을 저장할 수 있는 크기의 버퍼를 구비하여 셀 충돌시 셀의 손실을 방지하도록 한다. 이때 상기 n 개의 입출력 포트 중 k개는 스위치 패브릭 밖에 위치되는 입력 및 출력큐에 각각 연결되고, (n-k)개의 입출력 포트들은 인접하는 스위치엘리먼트와 연결된다. 여기서 k/(n-k)를 집선비(concentration ratio)라고하며, 이런 집선비는 ATM 스위치의 성능을 좌우하는 중요한 요소가 된다.

상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 ATM 스위치는 입출력 인터페이스를 가진 스위치엘리먼트SE 들을 매시 형태로 구성하며, 이로인해 ATM 스위치 패브릭을 원하는 크기로 구현할 수 있으며, 대용량 스위치로 용이하게 확장할 수 있다. 또한 ATM 스위치를 구성하는 모든 스위치엘리먼트들이 가입자와 입출력 인터페이스를 수행할 수 있어 입력된 셀을 동일한 스위치엘리먼트로 스위칭 출력하는 경우, 빠른 속도로 스위칭 출력할 수 있다. 또한 스위치 경로를 설정하기 위하여 복잡한 셔플링을 하지 않아도 되므로, 하드웨어 구성이 용이한 이점이 있다.

Claims (3)

1. 비동기 전송 모드 스위치 장치에 있어서,

   k개의 입력포트 및 출력포트를 구비하는 가입자 인터페이스부와,

   인접한 제1-제4인접 스위치엘리먼트들에 각각 연결되는 4m개의 제1-제4입출력포트들과, 상기 가입자 인터페이스부와 입출력큐 사이에 연결되는 k개의 가입자 입출력포트와, 입력되는 셀들의 스위칭을 제어하는 셀스케듈러와, 상기 4m+k 개의 입력포트 및 출력포트들을 구비하며 입력포트로 입력되는 셀을 상기 셀 스케듈러의 제어에 의해 대응되는 출력포트로 스위칭 출력하는 스위치로 구성되는 스위치 엘리먼트를 구비하여,

   동일한 스위치엘리먼트에서 스위칭되는 셀은 상기 가입자 인터페이스부로 출력되고 다른 스위치 엘리먼트로 스위칭되는 셀은 인접 스위치 엘리먼트로 출력되는 것을 특징으로 하는 비동기 전송 모드 스위치 장치.
2. 제2항에 있어서,

   상기 스위치엘리먼트가 3개의 인접 스위치엘리먼트들과 연결될 시 k+m개의 입력포트 및 출력포트를 가입자 인터페이스부와 연결할 수 있는 것을 특징으로 하는 비동기 전송 모드 스위치 장치.
3. 제2항에 있어서,

   상기 스위치엘리먼트가 2개의 인접 스위치엘리먼트 들과 연결될 시 k+2m개의 입력포트 및 출력포트를 가입자 인터페이스부와 연결할 수 있는 것을 특징으로 하는 비동기 전송 모드 스위치 장치.