KR100419609B1 - 스위칭시스템의 셀/패킷 스케쥴링 장치 - Google Patents

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KR100419609B1 KR10-2001-0066715A KR20010066715A KR100419609B1 KR 100419609 B1 KR100419609 B1 KR 100419609B1 KR 20010066715 A KR20010066715 A KR 20010066715A KR 100419609 B1 KR100419609 B1 KR 100419609B1
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Abstract

본 발명은 비균일 트래픽을 균일 트래픽으로 변환하여 스케쥴링 함으로서, 균일트래픽뿐만 아니라 비균일 트래픽일 경우에도 출력 버퍼와 유사한 스케쥴링 성능을 제공할 수 있으며, 경제적으로 구현가능한 스위칭시스템의 셀/패킷 스케쥴링 장치에 관한 것으로, 그 구성은 스케쥴러의 전/후단에 각각 스위치의 전송요구 신호의 순서를 바꾸어 입력포트별로 균일하게 재정렬하는 전송요구 재정렬수단과, 스케쥴러로부터 출력되는 전송수락 신호의 순서를 바꾸어 포트별 트래픽을 원래대로 정렬하는 전송수락 재정렬수단을 구비하고, 스위칭 시스템의 각 포트별 스케쥴러 서비스 비율 상태에 따라 전송요구 재정렬부의 전송요구 및 전송수락 신호들의 재정렬 상태를 조정하도록 구현한다.

Description

스위칭시스템의 셀/패킷 스케쥴링 장치{APPARATUS FOR SCHEDULING CELL/PACKET IN SWITCHING SYSTEM}
본 발명은 입력 버퍼형 스위칭 시스템에서 입출력포트의 충돌이 생기지 않도록 입력버퍼에 저장된 셀/패킷의 스위칭 경로를 결정하는 셀/패킷 스케쥴링 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 비균일 트래픽을 균일 트래픽으로 변환하여 스케쥴러에 인가함으로서 균일 트래픽뿐만 아니라 비균일 트래픽에 대해서도 우수한 스케쥴링 성능을 제공하며, 경제적으로 구현가능한 스위칭시스템의 셀/패킷 스케쥴링 장치에 관한 것이다.
최근들어, 인터넷 사용자의 증가와 멀티미디어 서비스등의 수요로 인하여 보다 많은 인터넷 트래픽을 전송할 수 있는 대용량 통신 서비스에 대한 요구가 점점 증가되고 있다. 더구나, 인터넷을 이용한 전자상거래, 인터넷 방송등의 동영상 서비스, 원격 화상회의, 원격 교육, 홈 쇼핑, 온 라인 실시간 게임, 지능형 홈 네트워킹 등의 다양한 서비스 요구를 수용하기 위하여 광대역 종합정보통신망(B-IDSN)도 급속하게 발전하고 있는 추세이다.
이에 따라, 기가비트(Giga bit) 급의 용량을 사용자들에게 제공하기 위하여, 인터넷 스위칭 시스템의 용량을 테라 및 페트라 비트급으로 증대하기 위한 노력과 화이버 채널(Fiber Channel) 혹은 기가비트 이더넷(Gigabit Ethernet) 등의 인터넷 인터페이스 등에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
현재의 상용 기술로 경제적이고 안정적인 대용량 고속 스위치를 구현하는 데는 직렬 비트 스트림 링크 입출력 정합을 가진 크로스포인트/크로스바 스위치 구조가 가장 적절하다고 고려되고 있으며, 많은 상용 소자 제조 업체들은 화이버 채널 및 기가비트급 직렬 인터페이스 장치와 직렬 비트 스트림 링크로 연결된 크로스포인트/크로스바 스위치 제품을 주로 제작 및 공급하고 있다. 그리고, 입력 버퍼형 스위칭 시스템에서는 입력버퍼에 저장된 셀/패킷을 입출력 포트의 충돌이 생기기 않도록 적절히 스위칭 경로를 결정하는 셀/패킷 스케쥴링 장치가 필요하다.
상기 셀/패킷 스케쥴링은 공정성 등의 제약조건하에서 신호를 입력에서 출력으로 전달하려는 전송요구(request)중 입력 포트와 출력 포트가 겹치지 않도록 입력 포트와 출력 쌍의 집합을 찾는 과정이다.
스위칭 시스템에 입력되는 트래픽은 각 포트에 도착하는 셀/패킷의 분포에 따라 균일 트래픽과 비균일 트래픽으로 구분할 수 있다. 균일 트래픽에 좋은 성능을 보이고 있는 기존의 스케쥴링 알고리즘으로는 2차원 라운드로빈(2DRR : 2 dimensional round-robin) 알고리듬과 iSLIP 알고리듬 등을 들 수 있으며, N 입력 N 출력 스위치의 경우, 2DRR 방식은 O(N)의 지연시간과 O(N2)의 면적 복잡도를 가지고, iSLIP 방식은 O(반복회수 * N * log N)의 지연시간과 O(N4)의 면적 복잡도를 가지는 특징이 있다.
그리고, 상기와 같은 스케쥴링 장치에서 비균일 트래픽에 대한 성능을 개선하기 위한 방법으로서, 스위칭 패브릭의 속도를 증가시키는 방법(switching fabric speed-up), 다수개의 스위칭 플래인등을 사용하는 다중 경로 스위칭 방법(switching fabric expansion), LQF(Longest Queue First) 와 OCF(Oldest Cell First)를 함께 사용한 스케쥴링 방법, 스케쥴링의 우선순위를 적절히 변화시키는 스케쥴링 방법이 제안되고 있다.
그런데, 상기 방법중 스위칭 패브릭의 속도를 증가시키는 방법과 다수개의 스위칭 플래인을 사용하는 다중 경로 스위칭 방법은 성능 개선을 위해 추가적인 하드웨어가 많이 필요하다는 단점이 있고, LQF와 OCF를 함께 사용한 스케쥴링 방법은O(N3.5)의 지연시간 및 복잡도를 가지므로 구현이 어렵다는 단점이 있으며, 스케쥴링의 우선순위를 적절히 변화시키는 방법은 평균 스위칭 성능(throughput)이 감소한다는 단점이 있다.
종래에 제안된 스케쥴링 방법의 일예로서, 미국특허 5,299,190호(명칭:'Two-dimensional round-robin scheduling mechanism for switches with multiple inpt queues')에서는 N개의 출력포트중 하나에 각각 대응하는 N 개의 입력큐를 갖는 N 개의 입력포트를 구비한 NxN 스위칭시스템에 있어서, N2입력큐로부터 N 출력으로의 전송요구를 스케쥴링하는 방법으로서, 행과 열 각각이 입력과 출력을 나타내는 전송요구(request) 매트릭스를 사용하여 N개의 입력포트와 N개의 출력포트를 갖는 스위치의 N2개의 스케쥴링 요청 중 입력포트와 출력포트가 중복되지 않도록 최대 N개의 스케쥴링 요청을 수락(accept)하고, 입력포토와 출력포트가 겹치지 않는 N개의 스케쥴링 요청을 동시에 고려하여 N과정을 거쳐 전송요청들을 수락하며, 입출력포트의 공정성을 보장하기 위하여 우선순위에 따라 수행되는 N과정의 수행순서가 변화된다. 그러나, 이 방법은 비균일 트래픽의 경우에는 성능이 감소한다는 문제점이 있다.
또 다른 방법으로서, 미국의 스탠포드 대학의 Mckeown 교수에 의해 제안된 미국특허5,500,858호의 '입력 큐 스위치에 있어서 셀 스케쥴링 장치 및 방법'의 iSLIP 수단이 있으며, 이 스케쥴링 수단은 CISCO 사의 GSR12000 등의 구현에 사용이 되었다. 상기 iSLIP 알고리즘은 라운드로빈 매칭 알고리듬(RRM:Round-Robinmatching)의 한 변형으로서, 각 출력단 승인포인터간의 동기화 현상에 의한 성능 저하 문제를 개선한 것이다. iSLIP 알고리듬의 한 수행 과정은 입출력 쌍의 전송요청(request)을 입력받아 전송입력 결정 및 전송 출력 결정의 두 과정을 차례로 거쳐, 주어진 입출력 쌍의 집합으로부터 입력과 출력이 겹치지 않는 입출력 쌍의 부분 집합을 나타내는 전송 수락을 결정한다. 전송 입력결정 과정은 입출력 쌍의 전송요청 중 동일한 출력포트를 가지는 쌍들 중 입력이 겹치지 않도록 한쌍을 선택하는 과정이며, 전송 출력결정 과정은 위 전송입력결정 과정의 결과에서 동일한 입력포트를 가지는 쌍들 중 출력이 겹치지 않도록 한 쌍을 선택하는 과정이다. 이때 스케쥴링 과정에서 전송할 수 있는 전송수락의 수를 보다 많이 선택하기 위하여 위 전송입력결정 과정 및 전송출력결정 과정을 여러 번 반복한다. iSLIP 알고리즘은 한 스케쥴링을 마친 후 전송요청과 전송수락의 포인터를 수정하며, 승인신호를 받은 입력간의 수락신호를 보내지 않으면, 승인포인터를 변형시키지 않는다. 즉, 승인포인터는 가장 최근에 연결이 이루어진 입력단을 가르키게 된다. 이것은 부하(Load)가 높을 때, 각 출력단의 승인 포인터를 비동기화시킴으로써 처리율을 높이는 역할을 한다. SLIP 알고리즘은 단일 매칭 수행 시에도 높은 처리율을 보인다.
그리고, ESLIP 및 PSLIP 은 iSLIP을 개량하여 각 입력별 우선 순위등을 처리할 수 있도록 개량한 것이며, 이 알고리듬은 2차원 라운드로빈 알고리듬들에 비해 공정성과 성능(thruput)이 좋다는 장점이 있지만, 이에 반하여 구현시 지연시간 및 면적 복잡도(complexity)가 커서 대용량의 스위칭 시스템에 적용하기 어렵다는 단점이 있다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 그 목적은 비균일 트래픽을 균일 트래픽으로 변환하여 스케쥴러에 인가함으로서 균일트래픽뿐만 아니라 비균일 트래픽에서도 출력 버퍼와 유사한 스케쥴링 성능을 제공할 수 있는 스위칭시스템의 셀/패킷 스케쥴링 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 비균일 트래픽에 대한 성능개선뿐만아니라, 간단하고 저렴하게 구현이 가능하여 회로의 면적과 지연시간이 효율적이어서 경제성 있는 스위칭시스템의 셀/패킷 스케쥴링 장치를 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명에 의한 셀/패킷 스케쥴링 장치(이하, 스케쥴링장치라 한다)의 기본 구조도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예로서, 2개의 전송요구 우선순위를 가지는 셀/패킷 스케쥴링 장치의 구조도이다.
도 3a는 다수의 전송요구 우선순위를 가지는 셀/패킷 스케쥴링 장치의 기본 구조도이고, 도 3b는 도 3a에 보인 스케쥴링장치에 있어서 다수의 우선순위 전송요구에 대한 파이브라인동작 타이밍도이다.
도 4는 본 발명에 의하여 트래픽 관찰부가 추가된 셀/패킷 스케쥴러의 기본 구조도이다.
도 5a ~ 도 5d는 고정우선순위 스케쥴러를 사용하여 지연시간과 면적을 개선한 본 발명에 따른 셀/패킷 스케쥴링 장치의 일 실시예들을 도시한 구성도들이다.
도 6a ~ 도 6c는 다수의 우선순위 전송요구를 처리하는 도 3, 도 4의 스케쥴링 장치를 고정우선순위 스케쥴러로 구현한 경우의 구성도이다.
도 7a는 본 발명에 의한 스케쥴링 장치에 구비되는 트래픽 관찰부의 시스톨릭 어레이(systolic array) 전체 구조도이고, 도 7b는 트래픽 관찰부의 시스톨릭어레이의 동작 단위(processing element)를 보인 개념도이다.
도 8은 2차원 전송요구 행렬의 트래픽 모니터에 대한 기본 구조도이다.
도 9는 라운드로빈 스케쥴링 알고리듬 사용시, 본 발명에 따라서, 소수 3을 이용한 1차원 전송 요구 집중 트래픽의 비균일성 비교 및 전송요구 재정렬 작용에 대한 일실시예를 보인 상태도이다.
도 10은 출력측의 전송수락 재정렬부에서 도 9에 보인 바와 같이 변환된 상태1을 원래의 상태(상태 0)로 재정렬하는 과정을 설명하는 상태도이다.
도 11은 균일트래픽에 대한 본 발명과 기존 방식과의 성능(throughput)을 비교한 그래프이다.
도 12는 균일트래픽에 대한 본 발명과 기존 방법의 최대 셀 지연시간을 비교한 그래프이다.
도 13은 균일트래픽에 대한 본 발명과 기존 방법의 평균셀지연시간을 비교한 그래프이다.
도 14는 균일트래픽에 대한 본 발명과 기존 방법의 셀지연변이(CDV : Cell Delay Variation)를 비교한 그래프이다.
도 15는 비균일트래픽에 대한 본 발명과 기존 방법의 성능(throughout)을 비교한 그래프이다.
도 16은 비균일트래픽에 대한 본 발명과 기존 방법의 최대 셀 지연시간을 비교한 그래프이다.
도 17은 비균일트래픽에 대한 본 발명과 기존 방법의 평균셀지연시간을 비교한 그래프이다.
도 18는 비균일트래픽에 대한 본 발명과 기존 방법의 셀지연변이(CDV : Cell Delay Variation)를 비교한 그래프이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
110, 110a, 110b : 전송요구(request) 재정렬부
120, 210, 230, 320 : 셀/패킷 스케쥴러
130 : 전송수락(accept) 재정렬부 140 : 재정렬 상태 관리부
220 : 전송요구 매스킹부 410 : 트래픽 관찰부
510 : 전송요구 회전부 520 : 전송수락 회전부
530 : 고정우선순위 스케쥴러 540 : 포트 우선순위 관리부
710 : 시스톨릭 어레이(systolic array)
711 : 시스톨릭 어레이의 동작 단위
720 : 포트 재정렬 상태 관리자
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명은
스위칭시스템에서 셀/패킷의 스위칭경로를 결정하는 셀/패킷 스케쥴링장치에 있어서,
스위치의 전송요구 신호들을 재정렬하는 전송요구 재정렬부;
상기 전송요구 재정렬부로부터 정렬된 전송요구를 입력받아 입출력 충돌이 생기지 않도록 출력포트를 결정하여 전송 수락 신호를 출력하는 스케쥴러;
상기 스케쥴러로부터 출력되는 전송수락 신호들을 재정렬하는 전송수락 재정렬부; 및
스위칭 시스템의 각 포트별 스케쥴러 서비스 비율에 따라 전송요구 재정렬부의 전송요구 및 전송수락 신호들의 재정렬 상태를 결정하는 재정렬 상태 관리부를포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 의하면, 상기 전송요구 재정렬부는
(여기에서, new_request(i)는 재정렬된 전송요구이고, i는 포트 인덱스이며, N은 포트의 총수이고, D는 거리설정값으로 소수이며, B는 모든 포트들이 정렬과정후에 동일한 간격으로 이동하는 거리값이다)에 의하여 전송요구신호의 순서를 바꾸어 재정렬동작을 실행하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 의하면, 상기 전송수락 재정렬부는
(여기에서, final_accept(i)는 재정렬된 전송수락 신호이고, i는 포트 인덱스이며, N은 포트의 총수이고, D는 거리설정값으로 소수이고, B는 모든 모트들이 정렬과정후에 동일한 간격으로 이동하기 위한 거리값이다)에 의하여, 전송수락 신호들의 순서를 바꾸어 재정렬하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 전송요구 재정렬부 및 전송수락 재정렬부는 소수 또는 총포트수의 배수 또는 총 포트수의 배수+1 또는 총포트수의 배수+소수의 스케쥴링 슬롯시간 간격으로 재정렬과정을 수행하는 것을 특징으로 한다.
더하여, 본 발명에 의한 장치는 전송요구 신호와 전송수락 신호를 입력받아, 스위칭시스템의 포트별 스케쥴러 서비스 비율을 검출하여, 검출된 서비스 비율이 임계 서비스 비율보다 클 경우 재정렬이 실행되도록 상기 재정렬 상태관리부를 제어하는 트래픽관찰부를 더 구비할 수 있다.
그리고, 상기 트래픽관찰부는 다수의 스케쥴링 슬롯별로 전송요구수에 대한 전송수락수의 비율을 계산하고 슬롯별 계산된 비율을 상호 비교하여 최대서비스비율과 최소서비스비율을 산출하도록 병렬처리구조로 형성된 시스톨릭어레이부와, 상기 다수의 동작단위로 이루어진 시스톨릭어레이로부터 계산된 최대서비스비율과 최소서비스비율의 편차를 계산하는 편차계산부와; 상기 편차계산부에서 계산된 편차를 임계값과 비교하여 임계값보다 큰지를 판단하는 비교판단부와; 상기 비교판단부의 판단결과 편차가 임계값보다 크다면 포트별로 전송요구 및 전송수락이 재정렬되도록 제어값을 출력하는 포트재정렬상태관리자를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 트래픽관찰부는 스위칭시스템의 N 입력포트 및 N 출력포트에 대한 N2개의 전송요구수 및 전송수락수를 나타내는 NxN 행렬부와, 각각 입력포트와 출력포트별로 전송요구 및 전송수락을 각각 합산하는 다수의 가산기를 구비한 제1,2가산부와, 상기 제1,2가산부 각각과 연결되어 입력포트 또는 출력포트별 서비스비율을 계산하고, 계산된 서비스비율을 비교하여 최대서비스비율과 최소서비스비율을 산출하는 제1,2시스톨릭어레이부; 상기 제1,2시스톨릭어레이부로부터 출력된 출력포트 또는 입력포트의 최대최소서비스비율을 각각 입력받아 서비스비율의 편차를 계산하고 계산된 편차가 임계값보다 클때 각각 입력측의 재정렬 거리값 또는 출력측의 재정렬거리값을 출력하는 제1,2재정렬상태관리자로 구성될 수 있다.
더하여, 본 발명에 의한 장치는 상기 전송요구 재정렬부로부터 출력되는 전송요구와 스케쥴러로부터 출력되는 전송수락을 비교하여 높은 우선순위의 전송수락과 충돌하는 낮은 우선 순위의 전송요구를 삭제하는 전송요구 매스킹부를 더 구비할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 장치는 전송요구를 포트별 우선순위에 따라서 소정 비율로 회전시켜 스케쥴러에 인가하는 전송요구 회전부와, 전송수락 신호를 포트별 우선순위에 따라서 재회전시키는 전송수락 회전부와, 포트별 우선순위에 따라 상기 전송요구 회전부 및 전송수락 회전부의 회전율을 결정하는 포트별 우선순위 관리부를 더 구비하고, 상기 스케쥴러를 고정 우선순위 스케쥴러로 구성하여 다수의 우선순위를 갖는 전송요구에 대한 스케쥴링을 행하도록 할 수 있다.
상기에서, 전송요구 회전부는 전송요구재정렬부의 앞단 또는 전송요구재정렬부 및 고정우선순위 스케쥴러 사이에 위치하고, 상기 전송수락 회전부는 스케쥴러와 전송수락 재정렬부의 사이 또는 전송수락 재정렬부와 출력단 사이에 위치할 수 있다.
또한, 본 발명은 컴퓨터를 스위치의 전송요구 신호들을 입력포트별로 균일하게 재정렬하는 전송요구 재정렬수단과, 상기 전송요구 재정렬수단으로부터 정렬된 전송요구를 입력받아 입출력 충돌이 생기지 않도록 출력포트를 결정하여 전송 수락 신호를 출력하는 스케쥴링수단과, 상기 스케쥴링수단로부터 출력되는 전송수락 신호들을 출력포트별로 재정렬하는 전송수락 재정렬수단, 및, 스위칭시스템의 각 포트별 스케쥴러 서비스 비율 상태에 따라 전송요구 및 전송수락 신호들의 재정렬 상태를 결정하는 재정렬 상태 관리수단으로 기능시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독가능한 기록매체로 구현될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명한다.
첨부된 도 1 내지 도 6은 본 발명의 다양한 실시예를 보인 것으로서, 도 1 은 본 발명에 의한 셀/패킷 스케쥴러의 기본 구조도이고, 도 2는 2개의 전송요구 우선순위를 가지는 경우의 셀/패킷 스케쥴러의 구조이고, 도 3은 본 발명에 의한 다수의 전송요구 우선순위를 처리할 수 있는 셀/패킷 스케쥴러의 구조이고, 도 4는 상기 도 3의 스케쥴러 구조에 트래픽 관찰부(410)가 추가된 셀/패킷 스케쥴러의 구성도이고, 도 5는 우선순위를 가지지 않는 셀/패킷 스케쥴러의 구조, 도 6은 다수 우선 순위 전송요구를 처리하는 스케쥴링 장치의 구조를 도시한 것이다.
그 중에서, 도 1에 보인 셀/패킷 스케쥴링 장치는, 입력측에서 스위치의 전송요구 신호들을 포트별로 균일하게 재정렬하는 전송요구 재정렬부(110)와, 상기 전송요구 재정렬부(110)로부터 출력된 전송요구를 입력받아 공정성(fairness), 성능(throughput) 등의 다양한 제약조건하에서 입출력 충돌이 생기지 않도록 전송 수락을 결정하는 셀/패킷 스케쥴러(이하, 스케쥴러라 한다)(120)와, 상기 스케쥴러(120)로부터 출력되는 전송수락 신호들을 원상태로 정렬시키는 전송수락 재정렬부(130)와, 스위칭 시스템의 각 포트별 스케쥴링 서비스 비율 상태에 따라서 전송요구 재정렬부(110)와 전송수락 재정렬부(130)에서의 재정렬 상태를 결정하는 재정렬 상태관리부(140)를 구비한다.
상기 구성에서, 전송요구 재정렬부(110)는 소정의 변환함수에 의해 전송요구 신호를 균일한 트래픽을 갖도록 재정렬한 후 스케쥴러(120)로 전달하며,스케쥴러(120)는 재정렬된 전송요구 신호들을 입력받아 스케쥴링하고, 그 스케쥴링 결과를 전송수락 재정렬부(130)로 전달한다. 재정렬 상태관리부(140)는 각 포트별 스케쥴링 서비스 비율 상태를 참조하거나 혹은 자체적으로 판단하여 전송요구와 전송수락의 재정렬 상태를 전송요구 재정렬부(110)와 전송수락 재정렬부(130)로 전송한다. 상기에서, 스케쥴러(120)는 일반적으로 사용되는 균일 트래픽에 대해 이상적인 출력버퍼의 스위치 성능과 근사한 성능을 갖는 스케쥴러로서, 스케쥴링 동작의 상세한 설명은 생략한다.
상기와 같이, 본 발명은 기존의 균일 트래픽에 대하여 이상적인 성능을 가지는 단순한 기능의 스케쥴링 수단에 비균일 트래픽을 균일 트래픽으로 변환하는 수단또는 기능을 추가하여 비균일 트래픽에 대해서도 균일트래픽과 같은 스위칭성능을 얻을 수 있도록 한 것으로, 스케쥴러(120)가 입력받는 신호의 트래픽이 비균일하여 포트별 서비스 비율이 주어진 임계(threshold) 서비스 비율보다 클 경우, 입력받은 전송요구 신호를 재정렬한다. 상기 전송요구/전송수락 재정렬부(110, 130)는 간단하게 멀티플렉서들로 구현가능한 것으로서, 재정렬상태관리부(140)는 스위칭 시스템의 각 포트별 스케쥴러 서비스 비율에 따라서 상기 전송요구/전송수락 재정렬부(110, 130)의 정렬 상태를 결정한다. 상기 전송요구/전송수락 재정렬부(110, 130) 및 재정렬상태관리부(140)의 작용은 다음에 더 구체적으로 설명한다.
도 2는 2개의 전송요구 우선순위를 처리할 수 있는 본 발명의 셀/패킷 스케쥴링 장치를 도시한 것으로, 상기 스케쥴링 장치는 높은 우선순위 전송요구를 입력받아 스케쥴링을 먼저 수행한 후, 비어있는 입출력포트에 낮은 우선순위 전송요구를 스케쥴링하는 것이다. 2개의 우선순위를 처리할 수 있는 스케쥴링 장치는 도시된 바와 같이, 높은 우선순위 전송요구와 낮은 우선순위 전송요구를 각각 재정렬하는 제1,2전송요구 재정렬부(110a,b), 상기 제1전송요구 재정렬부(110a)로부터 출력된 높은 우선순위 전송요구 신호를 처리하는 제1스케쥴러(210)와, 상기 제1스케쥴러(210)의 스케쥴링 결과 및 제2전송요구재정렬부(110b)로부터 낮은 우선순위 전송요구를 입력받아 우선 순위가 높은 전송 수락과 충돌이 발생하는 낮은 우선순위 전송요구를 삭제하여 남은 전송요구 신호를 제2스케쥴러(230)로 인가하는 전송요구 매스킹부(220)와, 상기 전송요구 매스킹부(220)로부터 입력된 낮은 우선순위 전송요구를 처리하는 제2스케쥴러(230)와, 제1,2스케쥴러(210, 230)로부터 출력되는 높은 우선순위 전송수락과 낮은 우선순위 전송수락을 합치고 재정렬하는 전송수락 재정렬부(230)와, 각 포트별 스케쥴러의 서비스 비율을 참조하거나 혹은 자체적으로 판단하여 2개의 전송요구 재정렬부(110) 및 전송수락 재정렬부(140)의 재정렬 상태를 결정하는 재정렬 상태관리부(140)를 포함한다.
상기, 도 2의 구성에 의하면, 높은 우선순위의 전송요구 신호는 제1전송요구 재정렬부(110a)를 거쳐 균일하게 재 정렬된 후 제1스케쥴러(210)로 입력되어 스케쥴링된다. 그리고, 상기 제1스케쥴러(210)로부터 출력되는 높은 우선순위의 전송요구신호에 대한 전송수락 신호들은 전송요구 매스킹부(220) 및 전송수락 재정렬부(130)로 동시에 입력된다. 그리고, 낮은 우선순위의 전송요구는 제2전송요구 재정렬부(110b)에서 균일하게 정렬된 후, 전송요구 매스킹부(220)로 입력된다.
상기 전송요구 매스킹부(220)는 높은 우선순위의 전송수락 신호와 낮은 우선순위의 전송요구 신호를 비교하여, 낮은 우선순위의 전송요구중 높은 우선순위 전송수락과 충돌이 일어나는 입력 및 출력포트의 전송요구신호 들을 삭제한 후 나머지 전송요구를 제2스케쥴러(230)로 인가한다. 제2스케쥴러(230)는 입력받은 낮은 우선순위의 전송요구들을 처리하여 그 결과를 전송수락 재정렬부(130)로 전송한다.
상기 전송수락 재정렬부(130)는 높은 우선순위의 전송수락과 낮은 우선순위의 전송수락을 합쳐 재정렬한 후 스케쥴링 결과로서 출력한다. 이때, 재정렬 상태관리부(140)는 각 포트별 스케쥴러 서비스 비율 상태를 참조하거나 혹은 전송요구신호를 입력받아 자체적으로 판단하여 전송요구 재정렬부(110)와 전송수락 재정렬부(130)의 재정렬상태를 결정한다. 상기 제1,2스케쥴러(220, 230)는 일반적으로 사용되는 스케쥴러이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예를 보인 것으로, 도 3a는 다수의 우선순위를 갖는 전송요구 신호들을 스케쥴링하는 장치를 도시한 구성도이고, 도 3 (b)는 상기 스케쥴링장치의 동작타이밍도이다.
상기 스케쥴링장치는 도시된 바와 같이, 입력된 전송요구 시퀀스들을 우선순위에 따라서 높은 우선순위 전송요구부터 낮은 우선 순위 전송요구로 차례로 재정렬하여 출력하는 전송요구 재정렬부(110)와, 스케쥴러(320)의 전송수락신호와 상기 전송요구 재정렬부(110)의 전송요구를 입력받아 우선 순위가 높은 전송 수락과 충돌이 발생하는 낮은 순위의 전송요구를 삭제하는 전송요구 매스킹부(220)와, 상기 전송요구 매스킹부(220)로부터 전송요구를 입력받아 공정성(fairness), 성능(throughput) 등의 다양한 제약조건하에서 입출력 충돌이 생기지 않도록 높은우선 순위의 전송요구부터 차례로 전송 수락을 결정하는 스케쥴러(320)와, 상기 스케쥴러(320)로부터 출력되는 전송수락 신호를 재정렬하는 전송수락 재정렬부(130)와, 각 포트별 스케쥴러 서비스 비율 상태를 참조하거나 혹은 자체적으로 판단하여 전송요구와 전송수락의 재정렬 상태를 결정하는 재정렬 상태관리부(140)를 포함한다.
상기와 같이 구성된 장치의 동작은 다음과 같다.
우선, 전송요구 재정렬부(110)는 재정렬상태관리부(140)의 제어에 따라서, 다수의 전송요구들은 도 3b에 도시한 바와 같이 높은 우선순위 전송요구부터 낮은 우선 순위 전송요구 순서로 입력받아 재정렬 과정을 수행한 후 전송요구 매스킹부(220)로 전달한다. 상기 전송요구 매스킹부(220)에는 스케쥴러(320)로부터 출력되는 전송수락신호가 입력된다. 이에, 전송요구 매스킹부(220)는 입력받은 전송요구보다 우선순위가 높은 전송수락과 충돌이 일어나는 전송요구들을 삭제한 후 스케쥴러(320)에 전달한다. 스케쥴러(320)는 전송요구를 받아 스케쥴링을 수행한 후 그 결과를 전송수락 재정렬부(130) 및 전송요구 매스킹부(220)로 전달하며, 전송수락 재정렬부(130)는 여러 우선순위 전송수락들을 합치고 재정렬한 후 스케쥴링 결과로서 출력한다. 재정렬 상태관리부(140)는 각 포트별 스케쥴러 서비스 비율 상태를 참조하거나 혹은 자체적으로 판단하여 전송요구와 전송수락의 재정렬 상태를 전송요구 재정렬부(110)와 전송수락 재정렬부(130)로 전송한다.
즉, 도 3b에 도시된 바와 같이, 우선순위에 따라서 전송요구1, 2, 3이 순서대로 도 3a에 도시한 스케쥴링 장치에 입력된다고 할때, 첫번째로 전송요구1이 입력되어 전송요구 재정렬부(110), 전송요구 매스킹부(220), 스케쥴러(320), 전송수락 재정렬부(120) 순으로 전달되면서 처리된다. 그리고, 상기 전송요구1이 전송요구 매스킹부(220)로 입력될 때, 상기 전송요구 재정렬부(110)에는 다음 순위인 전송요구2가 입력되어 처리된다. 그리고, 상기 전송요구2가 처리되어 전송요구매스킹부(220)로 입력될 때, 전송요구 재정렬부(110)에는 다음 순위인 전송요구3이 입력되어 처리된다.
즉, 상기 구성의 스케쥴링 장치는 다수의 우선순위 전송요구를 우선순위가 높은 전송요구부터 차례로 전송요구를 받아 파이프라인 구조로 수행하는 것으로, 높은 우선순위부터 낮은 우선순위의 전송요구를 매 클럭 사이클(tn)마다 입력받아 "#우선순위+3" 클럭사이클에 그 전송수락 결과를 출력한다. 따라서, 상기 스케쥴링 장치는 다수의 전송요구를 반복하여 비교하면서 스케쥴링 처리를 수행함으로서 임의의 다수 우선순위 전송요구들을 처리할 때, 스케쥴링에 소용되는 지연시간(latency) 혹은 셀/패킷 전송지연시간(Transfer Delay)을 줄이기 위하여 매클럭마다 수행되는 부분을 공유하여 파이프라인 구조로 구현한다. 이 실시예는 도 2의 예와 비교할때 전송요구 재정렬부와, 스케쥴러가 각각 하나씩만 사용되고 전송요구 재정렬부와 스케쥴러사이의 연결이 간단해져, 면적과 지연시간이 개선된다.
더 구체적으로 설명하면, 도 2에 도시한 실시예의 스케쥴링 장치는 3개의 전송요구 재정렬 블록과, 1개의 고정 우선순위 스케쥴러와, 1개의 전송요구행렬 매스킹 블록이 요구되나, 도 3의 실시예에서는 2개의 전송요구 재정렬 블록과, 1개의고정 우선순위 스케쥴러와, 1개의 전송요구행렬 매스킹블록이 사용되므로, 면적이 많이 줄고, 입력되는 전송요구행렬은 N2의 신호버스가 연결되므로, 내부 회로 연결이 많이 감소하여 신호연결(routing)이 용이해진다. 실제, 16x16 입출력포트에 대한 셀/패킷 스케쥴링 장치의 경우, 도 2와 같이 구성하는 것에 비하여, 도 3과 같은 구조로 구성하면 면적이 50%로 감소되며, 2개의 우선순위를 처리할 수 있는 셀/패킷 스케쥴링 장치는 Xilinx Virtex-E FPGA 소자를 사용하여 62.5Mhz의 동작속도로 8클럭 지연시간(latency)내에 수행이 가능하다.
도 4는 상기 도 3의 스케쥴링 장치에 트래픽 관찰부(410)를 추가한 것으로서, 상기 트래픽 관찰부(410)는 전송요구신호와 전송수락신호를 입력받아 각 포트별 스케쥴링 서비스 비율을 산출하여 비균일 트래픽으로 판단될때 재정렬 상태관리부(140)로 소정의 제어신호를 전송한다.
즉, 상기 트래픽 관찰부(410)은 포트별 입력 트래픽 서비스 비율의 편차를 관찰하여, 스케쥴러의 성능이 떨어지는 비균일 트래픽의 상태를 개선할 수 있도록 포트별 서비스 비율상태를 재정렬 상태관리부(140)에 알려주는 것이다.
일반적으로 임의의 포트 i 의 서비스 비율은 일정한 기간 T 동안 포트 i에서 일어나는 "전송요구수 / 전송수락수" 로 나타낸다. 스케쥴러가 비균일 트래픽에 의해 성능이 떨어지는 경우 최대 서비스 비율과 최소 서비스 비율의 편차가 심해지는 현상이 나타난다. 이런 서비스 비율의 편차는 표준편차 등의 수단을 사용하여 계산이 가능하며, 본 발명의 트래픽관찰부(410)에서는 구현의 편의를 위해 1차원 비균일 트래픽에 대한 스케쥴러의 서비스 편차를 아래의 수학식 1과 같이 계산한다.
상기, 수학식 1에서 i는 포트 인덱스이다.
일반적인 입력버퍼형 스위칭 시스템에서 사용되는 스케쥴러는 2차원 N2개의 전송요구를 입력받아 N2개의 전송수락을 출력한다. 이 경우 2N개의 포트에 대한 서비스 편차를 계산하여 임계값 이상일때 전체 포트를 재정렬 하는 수단, 전체 입력포트 및 전체 출력포트별로 서비스 편차를 계산하여 전체 입력포트 별 혹은 전체 출력 포트별로 재정렬하는 수단, 각각의 입력 포트에 대한 출력포트별 서비스 편차를 계산하여 각 입력 포트별로 출력포트를 재정렬하는 수단, 각각의 출력 포트에 대한 입력포트별 서비스 편차를 계산하여 각 출력 포트별로 입력포트를 재정렬하는 수단 등의 구현이 가능하다.
본 발명의 2차원 전송요구에 대한 트래픽 관찰부(410)의 구조를 도 8에 도시하였으며, 상기 도 8은 전체 입력포트 및 전체 출력포트별로 서비스 편차를 계산하는 수단을 구현한 것이다. 도 8에서 810은 가상 입출력버퍼를 가지는 스위칭 시스템의 각 입력 및 출력 포트에 대한 N2개의 전송요구수 및 전송수락수를 나타내는 행렬이며, 820은 입력포트 혹은 출력포트별 전송요구과 전송수락을 더하여 총수를 계산하는 가산부이고, 830, 840은 각각 입력포트/출력포트별 전송요구와 전송수락의합으로부터 최대/최소 서비스 비율을 계산하여 출력하는 입력포트/출력포트 트래픽계산부로서, 시스톨릭 어레이구조(동기식 통신방식 병렬처리구조)로 구현된다.
도 8의 트래픽 관찰부는 일정 셀 슬롯동안의 입력 및 출력별 2차원 전송요구의 합 및 전송수락의 합을 입력받아, 각 입력별 및 출력별 합을 더하여 입력포트별 1차원 전송요구에 대한 트래픽 계산부(830)와 출력 포트별 1차원 트래픽 계산부(840)에서 각각 입력포트 및 출력포트별로 서비스 편차를 계산하고 최대 및 최소 서비스 비율값을 시스톨릭 어레이에서 차례로 계산을 하여 포트재정렬상태 관리자(720)로 전달한다.
상기 도 4에서, 트래픽 관찰부(410)는 입력 트래픽에 대하여 스케쥴러의 성능이 떨어지는 차이 값이 사용자로부터 입력받은 임계 차이 값보다 큰 경우 스케쥴러의 성능이 떨어지는 비균일 트래픽이 입력되는 상태라고 판단하고 전송 수단 및 전송수락의 재정렬 상태를 변경한다. 상기 수학식 1에 나타난 스케쥴러의 성능이 떨어지는 차이 정도를 계산하는 시스톨릭 어레이 구조는 도 7에 도시된다.
도 7a는 트래픽 계산부(830, 840)에 구비되는 시스톨릭 어레이부(710)의 세부 구성을 보인 구조도이고, 도 7b는 포트 i 의 기간 T 동안 서비스 비율을 게산하는 시스톨릭 어레이의 동작단위(processing element)를 보인 것이다.
상기, 시스톨릭 어레이 구조의 동작단위(711)로부터 각 포트의 최대 및 최소 서비스 비율이 계산되어, 포트 재정렬 상태관리자(720)로 전달하며, 포트 재정렬 상태관리자(720)는 스케쥴러의 성능개선에 효과적인 재정렬값을 결정하여 전송요구 재정렬부(110)와 전송수락 재정렬부(130)로 전송한다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 다른 실시예들을 보인 것으로서, 우선순위를 가지지 않는 셀/패킷 스케쥴링 장치들을 도시한 것이다.
도 5a 내지 도 5d의 셀/패킷 스케쥴러들은 도 1의 구조에서 스케쥴러를 각 포트별로 우선순위가 고정되어 있는 고정우선순위 스케쥴러(530)를 사용함으로써 구현된 회로의 지연시간과 면적을 감소시킨 것으로, 전송요구를 포트별 우선순위에 따라 회전하는 전송요구 회전부(510)와, 전송수락을 포트별 우선순위에 따라 회전하는 전송수락 회전부(520)와, 각 포트의 공정성을 높이기 위해 포트의 우선순위를 관리하는 포트별 우선순위 관리부(530)를 더 포함한다.
그리고, 도시된 바와 같이, 전송요구 재정렬부(110)와 전송요구 회전부(510), 전송수락 재정렬부(130)와 전송수락 회전부(520)는 각각 위치를 바꾸어 구성할 수 있다. 상기 전송요구 회전부(510)와 입력 전송요구 재정렬부(110)는 포트별 우선순위 관리부(530)로부터 전송받은 우선순위값에 따라서 입력받은 전송요구를 회전하고 재정렬하여 고정 우선순위 스케쥴러(530)로 전송한다. 고정 우선순위 스케쥴러(530)는 전송요구 회전부(510) 또는 전송요구 재정렬부(110)로부터 처리된 전송요구를 입력받아 스케쥴링처리하여 그 전송수락 결과를 전송수락회전부(520) 또는 전송수락 재정렬부(130)로 전송한다. 전송수락회전부(520) 및 전송수락 재정렬부(130)는 포트별 우선순위 관리부(530)로부터 전송받은 우선순위값에 따라 입력받은 전송수락 신호를 회전하고 재정렬하여 스케쥴링 결과를 출력한다.
상기 실시예들은 우선순위를 가지지 않는 전송요구를 처리하는 셀/패킷 스케쥴링 장치에 있어서, 도 1의 구조에 비하여 면적 및 지연시간을 개선한 것으로, 도 1의 장치에서 사용하는 일반적인 2차원 라운드로빈방식에 의한 스케쥴러는 각 입출력포트의 서비스 공정성을 유지하기 위하여 매 셀 슬롯마다 우선순위를 변경하므로, 이 대신에 고정우선순위 스케쥴러를 사용하고, 전송요구 및 전송수락신호들을 적절히 회전하는 전처리 및 후처리 과정을 추가시켜, 회로의 면적과 지연시간을 줄일 수 있다.
다음으로, 도 6a 내지 도 6c은 앞서 설명한 다수의 우선 순위 전송요구를 처리하는 스케쥴링 장치에 대한 다른 실시예를 보인 것으로서, 도 6a는 다수의 전송요구를 처리하기 위하여 도 5a 내지 도 5d에 도시한 구조에 낮은 우선순위 전송요구를 입력받아 우선 순위가 높은 전송 수락과 충돌이 발생하는 낮은 우선순위 전송요구를 삭제하는 전송요구 매스킹부(220)를 추가하여 구성한 것이다. 그리고, 도 6b는 전송요구/전송수락 신호들을 재정렬하는 경우, 다음에 설명하는 수학식 2에 나타낸 변환함수에서 변수 B를 적절히 조정하면, 자료를 회전시킬 수 있다는 점을 이용하여, 도 6a에 보인 스케쥴링 장치에서 전송요구 및 전송수락 회전부(510, 520)를 제거하고, 포트 우선순위 관리부(540)가 변환함수의 변수 B를 조정하도록 한다. 이에 대하여는 다음에 더 상세하게 설명한다.
그리고, 도 6c는 상기 도 6b의 구조에 트래픽 관찰부(410)가 추가된 다수의 우선순위를 처리할 수 있는 개선된 셀/패킷 스케쥴러의 기본 구조도를 도시한 것이다. 상기 트래픽 관찰부(410)는 전송요구 신호와 전송수락 신호를 입력받아 각 포트별 트래픽 상태를 관찰하여 재정렬 상태관리부(140)에 알려준다.
이러한, 본 발명에 의한 스케쥴링 장치에서 비균일 트래픽에 대한 성능을 개선하기 위하여 전송요구 및 전송수락 신호들을 재정렬하는 방법에 대해여 설명한다.
인접한 k개의 포트에 집중된 비균일 트래픽의 경우, 본 발명은 입력측에서의 전송요구 재정렬과정을 통하여 최적의 비균일 트래픽으로 변환한다. 상기 전송요구 재정렬과정은 인접한 모든 포트가 변수 D의 거리를 가지도록 변환한다. 따라서, 트래픽이 집중된 포트수 k가 변수 D보다 작으면(k ≤D 인) 집중된 트래픽들이 모두 인접하지 않도록 재정렬되는 특징이 있다. 반대로, 트래픽이 집중된 포트수 k가 변수 D보다 크면(k > D), 최소한 1쌍 이상의 포트가 인접하지만 하나의 집중된 트래픽이 최적으로 균일하게 분포되도록 변환된다.
만일, 임의 트래픽의 스케쥴링 서비스 편차가 '전송요구의 수/N' (여기서, N은 입력포트수) 보다 작은 경우에는 스케쥴러의 입력 트래픽이 균일하다고 가정하고, 모든 트래픽은 현재 트래픽 상태 혹은 소수를 이용하여 재정렬한 상태 중 한 상태에서는 균일한 특징이 있다. 따라서, 상기와 같이 트래픽관찰부를 통해, 비균일트래픽을 검출하고, 검출된 비균일 트래픽을 균일 트래픽으로 변환함에 의하여, 모든 트래픽을 균일 트래픽으로 변환할 수 있다. 이는, 실험을 통해 모든 집중 트래픽이 균일 트래픽으로 변환됨을 확인하였다. 또한, 트래픽을 변환하기 위한 변환 함수는 역함수와 동일한 전단사 함수이므로, 변환된 트래픽을 다시 변환할 경우 본래 트래픽 상태로 복귀하는 특징이 있다.
상기와 같은 1차원 비균일 전송요구를 균일 전송요구로 재정렬하는 방법은다음의 수학식 2 및 수학식 3과 같이 나타내어 진다. 다음의 수학식 2와 수학식 3은 각각 전송요구와 전송수락을 재정렬하는 함수를 나타내며, 수학식에서 a % b 는 a를 b 로 나눈 나머지 값을 나타낸다.
상기 수학식에서, i는 포트 인덱스이고, N은 포트의 총수이고, D는 2를 제외한 소수이고, B는 0 ~ N-1 의 정수이다.
상기 변환은 도 9에 보인바와 같이 상태0의 인접한 포트들이 거리 D 혹은 N-D 의 간격으로 배치되는 특징이 있다. 인접한 임의의 두 포트는 오른쪽 방향 및 왼쪽 방향의 거리가 있을 수 있으며, 임의의 두 포트의 변환 후 떨어질 수 있는 최대 거리는 N/2 이 된다. 만일 D가 소수가 아닌 경우 상기 수학식 2,3의 변환 함수는 1:1 전단사 함수 대응이 아니므로, 트래픽의 변환으로 사용하지 못하게 된다. 이런 이유로 상기 수학식 2와 수학식 3의 변수 D 는 2 제외한 소수 중 택일하여 사용하며, 도 9의 일 실시예는 2/N 에 가장 가까운 소수 3을 변수 D값으로 사용하여 인접한 두 포트를 최대의 거리로 변환한 예이다. 변수 B는 변환된 포트사이의 상대거리가 아니라 변환전 전송요구신호가 인가되는 포트간의 절대거리를 나타내며, 상기 변수 B를 조정함으로서, 전송 요구신호들을 회전하는(rotate) 것과 동일한 효과를 제공한다. 즉, 수학식 2와 수학식 3의 트래픽 변환 과정에서 적절한 B 값을 선택하여 사용할 경우 다수의 집중된 트래픽에 대하여 보다 균일한 트래픽으로 변환할 수 있는 장점이 있다. 따라서, 상술한 구성에 있어서, 전송요구 재정렬부는 상기 수학식 2에 의하여 입력 트래픽을 변환하고, 전송수락 재정렬부는 상기 수학식 3에 의하여 출력트래픽을 원래대로 복원한다. 또한, 재정렬상태관리부는 상기 전송요구 재정렬부 및 전송수락 재정렬부의 변환과정에 필요한 변위 D 및 변위 B를 서비스 비율 상태에 따라서 결정하게 된다. 그리고, 트래픽관찰부는 상기 재정렬상태관리부에서 변위 D 및 B를 결정할 수 있도록 입력되는 전송요구의 트래픽 상태를 관찰하여 알려준다. 그리고, 상기 도 6b에서와 같이, 고정 우선순위 스케쥴러를 사용하고, 순환기를 사용하지 않은 경우, 상기 포트 우선순위 관리부는 입력된 전송요구의 우선순위에 따라서 상기 변위 B를 조정하게 되는 것이다.
이하, 본 발명의 전송요구 재정렬 방법의 일실시 예를 도 9를 참조하여 더 구체적으로 설명한다. 본 발명의 스케쥴링 장치는 기존의 어떤 스케쥴러라도 사용가능하지만, 설명의 편의를 위해 고정 우선순위 스케쥴러를 라운드로빈 스케쥴러로 가정하였다. 도 9의 1차원 비균일 전송요구를 라운드로빈 스케쥴러를 이용하여 스케쥴링할 경우 각 포트별 서비스 비율의 편차가 심하여 입력버퍼에 셀이 쌓이고 성능이 떨어지는 현상이 발생한다. 라운드로빈 스케쥴러는 매 포트의 우선순위가 N 셀 슬롯마다 우선순위가 차례로 변경되는 특징이 있으며, 우선순위가 높은 포트에 전송할 셀이 없는 경우 다음 우선 순위가 높은 포트를 찾아서 전송하는 특징이 있다. 라운드로빈 알고리듬은 우선순위가 가장 높은 포트에 전송할 셀이 없는 경우 시계 혹은 반시계 방향으로 가장 가까운 포트를 찾아 전송수락을 결정하는 특징이있다. 일부 포트에 트래픽이 비대칭적으로 집중된 경우 전송할 셀이 없는 포트의 기회들를 가장 가까운 전송할 셀이 있는 포트가 독점하게 되어, 셀이 없는 빈 포트의 전송 기회를 전송할 셀이 있는 포트들이 공정하게 배분하지 못하는 문제가 발생한다. 스케쥴링을 수행 시 이러한 현상이 발생하면, 포트의 서비스 비율의 편차가 심해지고 스케쥴러가 비효율적으로 동작하여 성능이 저하되는 현상이 발생한다. 도 9는 본 발명의 소수 3을 이용한 1차원 전송 요구 집중 트래픽의 비균일성 비교 및 전송요구 재정렬 일실시예를 나타낸 것이다. 도 9의 중앙의 '상태 0'에서 입력 포트 0, 1, 2 에 트래픽이 집중된 경우이며, 라운드로빈 스케쥴링 알고리듬을 이용하여 스케쥴링을 수행할 경우 각 포트별 서비스 비율을 도 9의 상단에 나타내었다. 도 9의 예제 '상태 0' 트래픽에서 대부분의 전송할 셀이 없는 포트의 기회에 0 번째 포트가 3/4 의 셀/패킷을 전송 기회를 가지고, 나머지 포트는 1/8 의 기회만을 가지게 되므로, 도 9의 상단 '상태 0' 서비스 비율에 보인 바와 같이 각 포트의 셀/패킷 서비스 비율의 차이가 심해지는 현상이 발생한다.
도 10은 출력측에서 전송수락의 트래픽 상태를 원래대로 복원하는 상태를 보인 것이다.
본 발명과 같이, 상기 비균일 입력 트래픽을 재정렬하여 균일 트래픽으로 변환할 경우, 각 포트가 서비스될 확률이 균일하게 분포되어 스케쥴러의 성능이 개선된다. 도 9의 상단 '상태 0' 은 비 균일 트래픽을 하단의 '상태 1'은 균일 분포 트래픽으로 변환할 경우 각 포트의 전송기회가 균일하게 분포되어, 전송할 셀/패킷이 있는 모든 포트의 전송 기회가 공평하게 된다. 도 9에 보인 일실시예에서 '상태 0'에 보인 비균일 전송요구 트래픽은 각 포트별로 서비스를 받을 비율이 25~75% 로 편차가 심한 반면, 변환후의 '상태 1'에서 전송요구는 25~ 37.5 %로 라운드로빈 알고리듬의 각 포트별 서비스 비율이 최적으로 변환되어 스케쥴러의 성능이 감소하는 현상이 개선된다.
이하 본 발명에 의한 재정렬 수행 시간에 대해 설명한다. 매 셀 슬롯 혹은 임의의 셀 슬롯마다 입력 요구 행렬의 재정렬 상태를 변경하는 경우 각 입출력 포트에 대한 스케쥴링 서비스가 공정하지 않을 수 있다. 라운드로빈 알고리듬은 매 N 셀 슬롯 시간마다 입출력포트에 공정한 전송기회가 돌아가는 특징이 있으므로, 입력 요구 행렬을 재정렬 과정을 매 N 셀 슬롯의 배수마다 수행되도록 설계할 경우 입력요구 재정렬 상태를 바꾸는 경우에도 스케쥴링의 공정성을 최대한 유지할 수 있는 장점이 있다. 만일 전송요구와 전송수락의 재정렬 상태와 입력 트래픽 패턴의 비균일성 상태가 유사하게 동기화 되는 특수한 트래픽이 입력되는 경우 스케쥴러의 성능이 더욱 나빠질 수 있는 가능성이 있다. 이러한 현상을 개선하기 위하여 전송요구와 전송수락의 재정렬 상태를 바꾸는 기간을 소수 혹은 N(총포트수임)의 배수 혹은 (N의 배수+1) 혹은 (N의 배수+소수) 셀 슬롯 시간 등의 가변적인 시간마다 재정렬을 수행하거나, 재정렬 후 스케쥴러의 성능이 개선되지 않는 경우 재정렬 시간 간격을 입력 트래픽에 따라 변경하는 방법을 사용할 수 있다.
다음의 표 1은 기존의 스케쥴링 방법들과 본 발명에 의한 스케쥴링의 지연시간 및 면적 복잡도를 비교한 것으로서, 표에서 변수 N은 스케쥴할 입력 포트의 수를 나타낸다. 개선된 2차원 라운드로빈 알고리듬은 셀/패킷 스케쥴링을 고속으로수행할 수 있도록 지연시간과 면적을 개선한 방법이다.
기존의 스케쥴링 방법과 본 발명의 방법 비교
스케쥴링 수단 지연시간 복잡도 면적 복잡도
균일 트래픽에 효율적인 스케쥴링 알고리듬 ISLIP O(반복횟수 * N log N) O(N4)
2DRR O(N) O(N2)
개선된 2DRR O(log N) O(N3)
균일 및 비균일 트래픽에 효율적인 스케쥴링 알고리듬 LQF + OCF 방식 O(N2.5) -
개선된 WWFA O(N) O(N2)
Speed-up 방식 O(Uniform delay * S) O(Uniform area)
다중 플래인 방식 O(Uniform delay) O(Uniform area* K)(일반적으로 K ≥ 6)
개선된 2DRR을 사용한본 발명 O(log N) O(N 3 )
본 발명 O(log N) O(N)
상기 표 1에서, O(Uniform delay)는 균일 트래픽 스케쥴링 알고리듬의 지연시간 복잡도이고, O(Uniform area)는 균일 트래픽 스케쥴링 알고리듬의 면적 복잡도이고, S 는 입력 포트 동작속도에 대한 스위칭 플래인의 동작속도 비이며, K는 병렬 스위칭 플래인의 수이다.
이상 설명한 본 발명의 구성수단중, 재정렬부는 쉬프터(shifter)와 멀티플렉서 (multiplexer)회로를 이용하여 O(log N) 지연시간과, O(N * log N) 면적으로 간단하게 회로구현이 가능하다.그리고, 고정된 우선순위를 가지는 라운드로빈 셀/패킷 스케쥴러는 O(log N)의 지연시간 복잡도와 O(N3) 면적 복잡도로 구현이 가능하며, 16*16 셀 스케쥴러의 경우 Xilinx FPGA Virtex echo 에서 대략 600개의 4 입력일반 진리표(lookup table)로 구현이 가능하였다. 고정된 우선순위를 가지는 셀/패킷 스케쥴러는 회로의 최적화에 사용되는 회로의 공통 부분인 커널(kernel)이 존재하지 않아 회로의 최적화가 어려운 회로이며, 모든 입력, 출력 및 동일한 레벨의 내부 신호가 대칭성이 있고(symmetric), 감작경로상의 출력값 결정을 위해 모든 입력을 사용하므로 회로의 배치와 연결이 어렵다는 특징이 있다.
비균일 트래픽에 대하여 스케쥴링의 성능이 떨어지는 현상은 크게 두가지 원인으로 구분할 수 있다. 첫째로 모든 입출력 포트마다 공정하게 스케쥴링을 수행하는 알고리듬은 매 포트마다 동일한 수의 전송수락을 보내려고 시도하기 때문에, 입력포트에 불균일하게 들어오는 전송요구에 대해서는 입력버퍼에 셀이 쌓이는 현상이 발생할 수 있으며, 이 현상은 입력버퍼의 큐길이를 우선순위를 처리할 수 있는 스케쥴러를 사용하는 경우 개선이 가능하다. 둘째는 스케쥴러의 자체적인 문제로 인해 특력한 입력포트의 전송요구 경우에 공정하게 서비스하지 못하고 일부 포트에 전송기회를 더 주는 현상이 발생할 수 있으며, 이 경우도 입력 큐에 셀이 쌓이는 현상이 발생하며 출력버퍼 스위치를 제외한 입력버퍼형 스위치 스케쥴링 알고리듬은 이러한 문제를 어느 정도 가지고 있다. 본 발명의 비 균일 트래픽에 대한 성능 개선 수단은 상기 두 문제를 개선하기 위한 것이다.
다음의 표 2는 본 발명의 도 6에 도시한 실시예에서 고정 우선순위 스케쥴러(530)에 1차원 라운드로빈 알고리듬을 적용한 경우, 8*8, 16*16 스위칭 시스템의 모든 입력 전송요구 경우에 대하여 각 포트별 서비스 비율의 평균값과 최소 및 최대 값을 나타낸 것이다.
포트 사이즈 재정렬 전 각 포트별서비스 비율 편차 재정렬 후 각 포트별서비스 비율 편차
최대 분산 평균 분산 최대 분산 평균 분산
8 75 % 3.63 % 50 % 2.90 %
16 87.5 % 1.45% 50 % 0.99 %
이하, 본 발명의 균일 트래픽에 대하여 실험한 결과와 기존의 출력버퍼 스위칭 수단과 iSLIP과를 비교하여 기술한다.
상기와 같이, 본 발명에 의한 스케쥴링 장치는 하나의 집중된 트래픽의 경우 본 발명의 전송요구 및 전송수락 재정렬 수단에 의해 최적의 균일 트래픽으로 변환한다. 다수의 집중된 트래픽이 입력되는 경우 본 발명의 재정렬 수단에 의해 다른 집중 트래픽이 있는 트래픽으로 변환될 수 있다. 실험에서 대부분의 경우 도 11과 같은 전송요구는 대부분이 균일 트래픽으로 판단되어 전송요구신호를 재정렬하지 않는 특징이 있다.
도 11 내지 도 14 는 각각 균일 트래픽에 대한 성능(throughput), 최대 셀 지연시간(max. cell delay), 평균 셀 지연시간(average cell delay), 셀지연변이(cell delay variation)를 비교한 것이다. 8입력 포트와 8출력포트를 가지는 스위칭 시스템의 시뮬레이션 실험에서 본 발명은 우선순위를 가지고, 고정 우선순위 스케쥴러로 지연시간과 면적이 개선된 변형 2차원 라운드로빈 알고리듬을 사용하였다. 도 11 내지 도 14 의 TH4, TH8, TH16, TH32, TH160, TH320은 각각 매 4, 8, 16, 32, 160, 32 셀 슬롯마다 전송요구 및 전송수락을 재정렬한 본 발명에 따른 스케쥴러를 나타낸다. 균일 트래픽에 대한 실험 결과에서 본 발명의 스케쥴러는 성능(throughput)이 iSLIP 보다 근소하게 개선되어 출력버퍼와 거의 유사하며,최대 셀 지연시간, 평균 셀 지연시간, 셀지연변이는 기존의 iSLIP 알고리듬에 비해 많이 개선되었음을 확인할 수 있다.
다음으로, 비균일 트래픽에 대하여 본 발명의 실험 결과와 기존의 출력버퍼 스위칭 수단과 iSLIP 과를 비교한다.
도 15 내지 도 18 은 각각 비균일 트래픽에 대한 성능, 최대 셀 지연시간, 평균 셀 지연시간, 셀지연변이를 나타낸 것이다. 도시된 바와 같이, 비균일 트래픽에 대한 실험 결과에서 본 발명의 스케쥴러(TH4, 8, 16, 32, 60, 320)는 성능이 개선되었으며, 특히 평균 셀 지연시간, 셀지연변이가 현저하게 개선되었음을 확인할 수 있다. 도 16에서, 최대 셀 지연시간은 전송요구 및 전송 수락을 재정렬하는 셀 슬롯 간격에 따라 다양한 결과를 얻었으며, 적절한 전송요구 및 전송 수락을 재정렬하는 셀 슬롯 간격을 선택할 경우 iSLIP 보다 향상된 결과를 얻을 수 있다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 상술한 설명으로부터 본 발명의 기술 사상의 범위내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 보다 적은 하드웨어 지연시간 및 면적 추가 부담으로 비균일 트래픽에 대하여 성능이 떨어지는 단점을 보완하여 균일 및 비균일트래픽 모두에 대하여 출력 버퍼와 유사한 성능을 제공할 수 있으며, 기존의 단순기능의 스케쥴러에 간단한 전처리 및 후처리 과정을 추가함으로써 저가로 스위칭 시스템 및 스케쥴러의 성능을 개선할 수 있으며, 가격 경쟁력이 있는 저가의 고성능 스위칭 시스템 제작을 가능하게 하는 우수한 효과가 있다.

Claims (12)

  1. 스위칭시스템에서 셀/패킷의 스위칭경로를 결정하는 셀/패킷 스케쥴링장치에 있어서,
    스위치의 전송요구 신호들을 재정렬하는 전송요구 재정렬부;
    상기 전송요구 재정렬부로부터 정렬된 전송요구를 입력받아 입출력 충돌이 생기지 않도록 출력포트를 결정하여 전송 수락 신호를 출력하는 스케쥴러;
    상기 스케쥴러로부터 출력되는 전송수락 신호들을 재정렬하는 전송수락 재정렬부; 및
    스위칭 시스템의 각 포트별 스케쥴러 서비스 비율 상태에 따라 전송요구 재정렬부 및 전송수락 재정렬부의 재정렬 상태를 결정하는 재정렬 상태 관리부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 스위칭시스템의 셀/패킷 스케쥴링 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전송요구 재정렬부는
    (여기에서, new_request(i)는 재정렬된 전송요구이고, request(i)는 재정렬전의 전송요구신호로서, i는 포트 인덱스이며, N은 포트의 총수이고, D는 거리설정값으로 소수이고, B는 모든 포트들이 정렬과정후에 동일한 간격으로 이동하는 거리값이다)
    에 의하여 전송요구신호의 순서를 바꾸어 재정렬동작을 실행하는 것을 특징으로 하는 스위칭시스템의 셀/패킷 스케쥴링 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 전송수락 재정렬부는
    (여기에서, final_accept(i)는 재정렬된 전송수락 신호이고, accept(i)는 재정렬전의 전송수락 신호로서 i는 포트 인덱스이며, N은 포트의 총수이고, D는 거리설정값으로 소수이고, B는 모든 모트들이 정렬과정후에 동일한 간격으로 이동하기 위한 거리값이다)
    에 의하여, 전송수락 신호들의 순서를 바꾸어 재정렬하는 것을 특징으로 하는 스위칭시스템의 셀/패킷 스케쥴링 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전송요구 재정렬부 및 전송수락 재정렬부는 소수 또는 총포트수의 배수 또는 총 포트수의 배수+1 또는 총포트수의 배수+소수의 스케쥴링 슬롯시간 간격으로 재정렬과정을 수행하는 것을 특징으로 하는 스위칭시스템의 셀/패킷 스케쥴링 장치.
  5. 제 1 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치는
    전송요구 신호와 전송수락 신호를 입력받아, 스위칭시스템의 포트별 스케쥴러 서비스 비율 상태를 검출하여, 검출된 서비스 비율 상태가 임계 서비스 비율보다 클 경우 재정렬이 실행되도록 상기 재정렬 상태관리부를 제어하는 트래픽관찰부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭시스템의 셀/패킷 스케쥴링 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 트래픽 관찰부는
    다수의 스케쥴링 슬롯별로 전송요구수에 대한 전송수락수의 비율을 계산하고 슬롯별 계산된 비율을 상호 비교하여 최대서비스비율과 최소서비스비율을 산출하도록 병렬처리구조로 형성된 시스톨릭어레이부와,
    상기 시스톨릭어레이부로부터 출력된 최대서비스비율과 최소서비스비율의 편차를 계산하는 편차계산부와;
    상기 편차계산부에서 계산된 편차를 임계값과 비교하여 임계값보다 큰지를 판단하는 비교판단부와;
    상기 비교판단부의 판단결과 편차가 임계값보다 크다면 포트별로 전송요구 및 전송수락이 재정렬되도록 제어값을 출력하는 포트재정렬상태관리자를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 스위칭시스템의 셀/패킷 스케쥴링 장치.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 트래픽관찰부는
    스위칭시스템의 N 입력포트 및 N 출력포트에 대한 N2개의 전송요구수 및 전송수락수를 나타내는 NxN 행렬부와,
    각각 입력포트와 출력포트별로 전송요구 및 전송수락을 각각 합산하는 다수의 가산기를 구비한 제1,2가산부와,
    상기 제1,2가산부 각각과 연결되어 입력포트 또는 출력포트별 서비스비율을 계산하고, 계산된 서비스비율을 비교하여 최대서비스비율과 최소서비스비율의 차를 계산하는 제1,2시스톨릭어레이부;
    상기 제1,2시스톨릭어레이부로부터 출력된 출력포트 또는 입력포트의 최대최소서비스비율을 각각 입력받아 서비스비율의 편차를 계산하고 계산된 편차가 임계값보다 클때 각각 입력측의 재정렬 거리값 또는 출력측의 재정렬거리값을 출력하는 제1,2재정렬상태관리자로 구성되는 것을 특징으로 하는 스위칭시스템의 셀/패킷 스케쥴링 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치는
    상기 전송요구 재정렬부로부터 출력되는 전송요구와 스케쥴러로부터 출력되는 전송수락을 비교하여 높은 우선순위의 전송수락과 충돌하는 낮은 우선 순위의 전송요구를 삭제하는 전송요구 매스킹부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 스위칭시스템의 셀/패킷 스케쥴링 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치는
    전송요구를 포트별 우선순위에 따라서 소정 비율로 회전시켜 스케쥴러에 인가하는 전송요구 회전부;
    전송수락 신호를 포트별 우선순위에 따라서 재회전시키는 전송수락 회전부;및
    포트별 우선순위에 따라 상기 전송요구 회전부 및 전송수락 회전부의 회전율을 결정하는 포트별 우선순위 관리부를 더 구비하고,
    상기 스케쥴러를 고정 우선순위 스케쥴러로 구성하여 다수의 우선순위를 갖는 전송요구에 대한 스케쥴링을 행하도록 하는 것을 특징으로 하는 스위칭시스템의 셀/패킷 스케쥴링 장치.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 전송요구 회전부는 전송요구재정렬부의 앞단 또는 전송요구재정렬부 및 고정우선순위 스케쥴러 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 스위칭시스템의 셀/패킷 스케쥴링 장치.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 전송수락 회전부는 스케쥴러와 전송수락 재정렬부의 사이 또는 전송수락 재정렬부와 출력단 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 스위칭시스템의 셀/패킷 스케쥴링 장치.
  12. 입력된 셀/패킷의 스위칭경로를 결정하여 스위칭시키는 스위칭시스템에 있어서,
    스위치의 전송요구 신호들을 입력포트별로 균일하게 재정렬하는 전송요구 재정렬수단;
    상기 전송요구 재정렬수단으로부터 정렬된 전송요구를 입력받아 입출력 충돌이 생기지 않도록 출력포트를 결정하여 전송 수락 신호를 출력하는 스케쥴링수단;
    상기 스케쥴링수단로부터 출력되는 전송수락 신호들을 출력포트별로 재정렬하는 전송수락 재정렬수단; 및
    스위칭시스템의 각 포트별 스케쥴러 서비스 비율 상태에 따라 전송요구 및 전송수락 신호들의 재정렬 상태를 결정하는 재정렬 상태 관리수단을 컴퓨터로 기능시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독가능한 기록매체.
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