KR100634463B1 - 다차원의 절단된 그물 스위칭 네트워크 - Google Patents

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Abstract

다차원의 절단된 그물 스위칭 네트워크의 가장자리에 입출력 프로토콜 프로세서를 통해서 외부 트래픽 링크들이 연결된 새로운 스위칭 네트워크이다. 스위칭 소자 사이에 기본대각선 연결, 점핑 연결 또는 댕글링 연결을 포함하여 보다 효율적인 스위칭 시스템을 제공한다.
스위칭 소자, 스위칭 네트워크, 네트워크, 다차원 네트워크, 메쉬 네트워크

Description

다차원의 절단된 그물 스위칭 네트워크{Multi-dimensional disconnected mesh switching network}
도 1은 통상적인 이차원 그물 네트워크를 도시한다.
도 2는 통상적인 클로스 네트워크를 도시한다.
도 3은 통상적인 오메가 네트워크를 도시한다.
도 4는 종래 다차원 격자 네트워크에서 가장자리 모듈의 하부 네트워크를 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 이차원 절단된 그물 네트워크를 도시한다.
도 6은 본 발명에 따른 삼차원 절단된 그물 네트워크를 도시한다.
도 7은 본 발명에 따른 대각선 방향의 점핑 경로를 구비하는 이차원 절단된 그물 네트워크를 도시한다.
도 8은 본 발명에 따른 대각선 방향의 점핑 경로 및 제어 프로세서를 구비하는 이차원 절단된 그물 네트워크를 도시한다.
도 9는 본 발명에 따른 이차원 절단된 그물 네트워크에서 상대적인 위치 전달 단계를 도시한다.
도 10a는 본 발명에 따른 점핑 루트를 가지지 않고 스위칭 소자 개수가 감소된 이차원 절단된 그물 네트워크를 도시한다.
도 10b는 본 발명에 따른 점핑 루트를 가지는 스위칭 소자 개수가 감소된 이차원 절단된 그물 네트워크를 도시한다.
도 11은 본 발명에 따른 기본 스위칭 소자가 사용된 멀티플렉서 및 디멀티플렉서를 도시한다.
도 12는 본 발명에 따른 내부연결선에서 트래픽 부하를 줄이기 위해 스위칭 블록의 표면에 멀티플렉서 및 디멀티플렉서를 가지는 스위칭 시스템을 도시한다.
도 13은 본 발명에 따른 도 5의 그물 네트워크에서 가능한 라우팅 경로를 도시한다.
도 14는 본 발명에 따른 고장난 스위칭 소자를 우회하는 일 방법을 도시한다.
도 15는 본 발명에 따른 과부하 경로를 피하는 라우팅 방법을 도시한다.
도 16a 및 도 16b는 본 발명에 따른 스위칭 시스템을 통과하는 패킷 포맷의 일 예를 도시한다.
도 17은 본 발명에 따른 도 13의 라우팅 경로 ?를 따른 데이터 패킷이 자기-라우팅시 어떻게 변하는지를 설명한다.
도 18a 는 본 발명에 따른 스위칭 시스템에서 중심부의 스위칭 소자가 제거되고 점핑 루트를 가지는 스위칭 시스템의 일 예를 도시한다.
도 18b는 본 발명에 따른 스위칭 시스템에서 스위칭 소자가 일부 제거되고 약한 결합을 가지는 스위칭 시스템의 일 예를 도시한다.
도 18c는 본 발명에 따른 스위칭 시스템에서 스위칭 소자 일부가 제거되고 부정규의 연결을 가지는 스위칭 시스템의 일 예를 도시한다. 도 19a 및 도 19b는 본 발명에 따른 점핑 루트를 사용함으로써 배선의 개수를 줄인 시스템의 일 예를 도시한다.
도 20은 본 발명에 따른 절단된 국소 링크를 이용한 이차원의 스위칭 시스템을 서로 연결한 일 예를 도시한다.
도 21은 본 발명에 따른 입출력 버퍼를 가진 4 x 4 스위칭 소자의 아키텍처를 도시한다.
도 22는 본 발명에 따른 트래픽 제어 프로세서에 의한 트래픽 부하 조절을 설명하는 모식도이다.
도 23은 본 발명에 따른 2차원 그물네트워크에서 4x4 스위칭소자를 할 경우 과부하 출력 버퍼를 지나는 통신의 원천지 링크의 정보 환수를 설명하는 모식도이다.
도 24는 본 발명에 따른 트래픽 부하 균형을 위한 합리적인 경로를 선택하는 알고리즘을 설명한다.
도 25는 본 발명에 따른 선반 형태 시스템 장착을 위한 구성 모듈 보드 디자인을 도시한다.
도 26은 본 발명에 따른 3차원 하우징을 가지는 시스템의 일 예를 도시한다.
도 27은 본 발명에 따른 삼차원 하우징에서 고장 모듈 대체 및 냉각 시스템을 위한 공기 흐름을 설명하기 위한 도면이다.
도 28은 본 발명의 체적 스위칭 시스템에서 단위 셀들의 교체를 용이하게 하기 위해서 프레임들의 표면 혹은 모서리에 교체를 위한 장비가 장착되는 안내 수단을 둔 실시예를 도시한다
본 발명은 스위칭 네트워크에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 높은 고장 허용도를 갖는 다차원의 절단된 스위칭 네트워크 혹은 다차원의 체적 스위칭네트워크(volume switching network)에 관한 것이다.
고속 패킷 스위치는 도래하고 있는 광대역 종합 정보 통신 네트워크(Broad-band Integrated Services Digital Network; B-ISDN)을 위한 핵심 기술이다. 최근에 비동기 전송 모드(asynchronous transfer mode; ATM)가 차세대 통신 기술로서 주목을 받고 있다. ATM은 미래의 원거리 통신 표준(future telecommunication standards)을 제시하는 미국의 CCITT(현재는 ITU-T)에 의해 규정되었다. ATM의 기본 프로토콜 데이터 단위(protocol data unit; PDU)(통상 '셀'이라 불림)는 53 바이트의 고정된 길이를 갖는다. ATM 스위칭은 큰 카테고리에서 패킷 스위칭으로 분류된다. 고속 패킷 스위치가 가져야 할 요건으로서는, 용이한 실시 및 양질의 서비스를 위한 모듈러 구조 및 높은 고장 허용도(high fault tolerance) 등을 들 수 있다(Peter Newman. ATM technology for corporate networks IEEE Communications Magazine, pages 90-101, April, 1992.)
패킷 스위치는 전송 링크들(transmission links)에 연결되는 시스템으로서 스위치들과 전송 링크들 및 터미널(terminal)들로 이루어지는 패킷 스위칭 네트워크의 활동을 위한 중앙 처리를 수행한다. 전송 링크들은 멀티플렉서(multiplexer) 또는 디멀티플렉서(demultiplexer)와 같은 네트워크 장비(network equipment)에 연결된다. 터미널은 멀티플렉서/디멀티플렉스에 연결되거나 패킷 스위칭 시스템에 연결될 수 있다. 일반적으로, 패킷 스위치는 입/출력 링크 컨트롤러들 및 스위칭 네크워크로 구성된다. 입력 및 출력 링크 컨트롤러들은 프로토콜 종료(protocol termination), 트래픽 관리(traffic management), 작업(jobs)과 관련된 시스템 운영(system administration) 등을 수행한다. 이 컨트롤러들은 패킷들에 대한 몇몇 처리를 수행해서 스위칭 네트워크에서의 내부 스위칭을 돕는다. 상기 스위칭 네트워크는 각 패킷을 그것의 원천지 링크(source link)로부터 그것의 목적지 링크(destination link)로 전환하는 공간 분할 스위칭(space-division switching)을 수행한다.
많은 패킷 스위칭 네트워크 구조들이 알려져 있다. 이들 스위칭 네트워크의 중요한 특징은 고속 스위칭, 작은 지연, 낮은 지연 변화를 위한 자기-라우팅(self-routing), 고품질의 서비스를 위한 양호한 고장 허용도 및 유지 보수(maintenance)의 용이성을 위한 높은 정규성(regularity)일 것이다. 일반적으로, 패킷 스위칭 네트워크들은 다수의 스위칭 단들로 구성되며, 인접한 스위칭 단들은 상호 연결된다. 그래서, 이들 네트워크들을 '다단 상호 연결 네트워크'이라 부른다. 각 단은 다수 개의 기본 스위칭 소자들로 구성된다. 이들 소자들은 자기-라우팅을 위한 스위칭 동작을 수행한다. 상기 자기-라우팅은 중앙 제어 스킴(central control scheme)이 없어도 각 패킷이 배치된 스위칭 소자들에 의해 처리될 수 있도록 한다. 이로써, 고속 스위칭이 가능해진다.
도 1은 컴퓨터 시스템에서 많이 알려진 9개의 노드들을 가지는 전형적인 이차원 그물 네트워크 시스템(mesh network system)(100)을 도시한다. 수평 방향으로 배열된 각 노드들은 서로 연결되어 평행한 수평 루프(150)를 이루고, 수직 방향으로 배열된 노드들 역시 서로 연결되어 평행한 수직 루프(160)를 이룬다. 수평 루프들(150)과 수직 루프들(160)은 서로 직교한다. 노드들 각각은 스위칭 소자와 그에 에 연결된 연산처리 소자(processing element)이다. 스위칭 소자들 각각은 5개의 입력단과 5개의 출력단을 가진다. 4개의 입출력단은 컴퓨터 전역을 통한 정보 전달(global message transfer)에 사용되고 나머지 하나는 국소 처리 연산 소자(local processing element)와의 정보 전달을 위해 사용된다. 병렬 처리를 위한 노드들 사이의 정보 또는 데이터 교환은 연결된 배선(connected wire)을 통해서 이루어진다.
이 같은 그물 네트워크는 작은 네트워크에서는 유용하게 사용될 수 있으나, 네트워크의 크기가 증가하면 할수록 비효휼성이 증가하게 된다. 왜냐하면, 이 같은 전형적인 이차원 그물 네트워크에 있어서, 원천지(source)와 목적지(sink) 사이의 평균 홉(hop)의 수는 각 루프에서의 노드의 수에 비례하기 때문이다.
컴퓨터 네트워크 시스템과 달리, 원거리 통신(telecommunication) 스위칭 시스템은 국소 처리연산 소자 없이 단지 스위칭 소자만을 이용한다. 잘 알려진 스 위칭 시스템은 도 2에 도시된 클로스 네트워크(Clos network)(200)이다. 클로스 네트워크(200)은 제 1 단(first stage) 스위칭 소자 (입력 스위칭 단)(210), 제 2 단(second stage) 스위칭 소자 (중간 단계 스위칭 단) (220) 및 제 3 단 (third stage) 스위칭 소자 (출력 스위칭 단) (230)으로 구성된다. N개의 입력을 (N/n)개의 입력 그룹으로 분할하여 g개의 입력 스위칭 단(210)에 연결시키고(N=ng), p 개의 중간 단계 스위칭 단(220)은 각각 g개의 입력 스위칭 단 각각으로부터 하나씩의 입력을 받아(총 g개의 입력) 이를 g개의 출력 스위칭 단(230)에 각각 연결한다.
클로스 네트워크(200)은 하나의 스위칭 소자에 그 스위칭 소자 내에서 국소처리를연산을 위한 어떠한 입출력 포트(port)도 없다. 모든 외부 통신연결 단자는 입력 스위칭 단(210) 앞에 또는 출력 스위칭 단(230) 뒤에 위치한다. 따라서, 외부 입력 링크 및 외부 출력 링크는 (n*g) 개이다.
하지만, 이 같은 클로스 네트워크(200)에서 네트워크의 차단(blocking)을 방지하기 위해서는 중간 단계 스위칭 단(220)을 구성하는 스위칭 소자는 적어도 2*n 개 이상이 필요하게 되며, 스위칭 네트워크의 크기가 증가할수록(시스템이 비대해질수록) 비효율성이 증가한다.
한편 오메가(Omega) 네트워크는 n(=log2N) 개의 단들(stage)로 구성되며(여기서 N은 입력 포트의 수) 각 단은 (N/2)개의 기본 스위칭 소자들로 구성되고, 각 스위칭 소자는 2 x 2 스위칭 동작을 수행한다. 오메가 네트워크는 각 입력 포트로부터 각 출력 포트로의 유일한 하나의 경로를 갖는다. 따라서, 네트워크 내부에서 임의의 스위칭 소자에 고장이 발생하면 특정단자간의 경로가 끊어지고, 또한 스위칭 네트워크의 크기가 증가할수록 정보 또는 데이터 전달을 위한 스위칭 시간이 길어지게 되는 문제점이 있다.
도 3은 한 방향 링크(341, 342)를 가지는 8 x 8 오메가 스위칭 네트워크(300)을 도시한다. 입출력 링크(341, 342)는 내부 링크(343)와는 다른 프로토콜을 가진다. 일반적으로 입력 패킷은 스위칭 소자들을 따라 수행되는 자기 라우팅(self-routing)에 대한 내부 헤더 정보를 가지도록 입력/출력 프로토콜 프로세서(310/320)에서 재구성된다. 이른바 직물 네트워크(fabric)라고 불리는 내부 스위칭 네트워크(350)은 모두 동일한 프로토콜 연결(343)을 가진다. 도 3에서 도시된 오메가 스위칭 네트워크(300)에는 두 번의 프로토콜 전환이 일어난다: 하나는 입력 링크(341)에서 내부 링크(343)로의 전환이고, 다른 하나는 내부 링크(343)에서 출력 링크(342)로의 전환이다. 이러한 프로토콜 전환은 입력 프로토콜 프로세서 및 출력 프로토콜 프로세서에서 일어난다. 이들 프로토콜 프로세서는 한 쪽의 프로토콜과 다른 쪽의 프로토콜을 서로 분리시킨다. 도 3에서 만약 연결에 장애가 발생하면 몇몇 트래픽(traffic)은 길 연결을 잃게 된다. 왜냐하면, 원천지와 목적지 사이에 유일한 하나의 경로(path)만이 존재하기 때문이다. 따라서, 고장 허용도가 낮다. 고장 허용도는 많은 사람이 사용하거나, 중요한 기간 시스템에서 매우 중요해진다.
베샬(Beshal) 등에 의한 유럽 특허 등록 EP1176770A2 는 도 4에 도시된 바와 같이, 여러 개의 하부네트워크(401)을 갖는 격자네트워크(lattice network)(400)을 개시하고 있다. 다차원 격자 네트워크(400)은 다수의 하부네트워크(401)으로 구성되며, 각 하부네트워크(401)에서 입출력 링크(402)는 데이터 원천지(source) 및 목적지(sink)를 가장자리 스위치(가장자리 모듈(408)를 통해서 연결한다. 가장자리 모듈(408)은 이어서 N 코아 단(414)에 코아 링크(412)를 통해서 연결된다. 이와 같이 다차원 격자 네트워크는 코아 단(core stage; core switch)(414)을 첨가하여 같은 차원에서 모든 스위칭은 코아 단이 수행함으로써 격자네트워크에서 여러 단을 거치는 긴 스위칭 지연시간 문제를 해결하고 있다. 가장자리 모듈을 통해서 데이터 소오스(source) 및 싱크(sink)가 연결되기 때문에, 총 트래픽 량(traffic amount)은 다차원 시스템 체적(volume)에 선형적으로 비례하지만, 수많은 코아 단(코아 스위치)를 필요로 하는 문제점이 있다.
따라서, 더 나은 고속도, 고효율, 높은 고장 허용도 및 높은 신뢰성을 가지는 스위칭 시스템이 필요하다.
이에 본 발명은 높은 고장 허용도, 보다 적은 스위칭 소자 수, 제어 및 유지보수가 용이한 다차원의 절단된 그물 스위칭 네트워크 혹은 체적스위칭 네트워크를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기 본 발명의 목적을 달성하기 위한 일 실시 예인 다차원의 절단된 그물 네트워크에 따르면, 입출력 프로토콜 프로세서를 통해서 그물 네트워크의 절단된 링크에 국소 원천지(source) 및 목적지(sink) 링크가 연결되는 것을 일 특징으로 한다. 절단된 그물 네트워크는 하나의 다른 격자 체적 스위칭 네크워크로 불리어 질 수 있으며, 소정의 다차원 체적을 가지는 스위칭 소자들의 네트워크 표면에 외부 연결들을 가진다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 다차원의 절단된 그물 네트워크에 따르면, 기본 스위칭 소자가 보다 많은 연결을 가져 네트워크를 통과하는 트래픽에 지름길 경로(shortcut path) 또는 점핑 경로(jumping path)를 제공한다. 지름길 경로는 인접한 스위칭 소자에 대한 대각선 연결 또는 멀리 떨어진 스위칭 소장에 대한 임의적인(arbitrary) 연결일 수 있다.
경계 스위칭 소자 또는 경계 근방의 스위칭 소자의 개방 지름길(점핑) 연결은 더 많은 입출력 포트를 제공하며, 그들 중 몇몇은 여분(redundant)의 연결을 제공함으로써 고장 허용도를 높이는데 사용될 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명을 한다.
이제껏 모든 스위칭 시스템들은 성능 면에서의 문제점 또는 구현하기에 너무 많은 비용이 요구되는 문제점이 있다. 특히 스위칭 소자의 개수는 가능하면 감소되는 것이 필요하다. 그리고 총 연결 링크 수에 대한 유효한 외부 입출력 포트의 개수의 비율은 향상되어야 한다.
이에, 본 발명은 다차원의 절단된 그물 네트워크에서 표면 연결(surface connection)을 사용한다. 이와 같은 절단된 그물 네트워크를 체적격자 네트워크(volumelattice network)이라 칭할 수 있으며, 네트워크 시스템 체적(volume)의 표면에 외부 입출력 포트들을 가진다.
통상적인 그물 네트워크는 n-짝의 좌표(n-tuple coordinate)(d1, d2, d3, ..., dn-1, dn)를 가지는 N 개의 노드로 표현될 수 있다. 이 노드들 사이의 연결은 두 가지 종류가 있다. 첫 번째 연결은 인접한 노드들 사이의 연결로서, 인접한 노드들은 n-짝의 좌표 중 (n-1)개의 동일한 좌표를 가지며 다른 하나의 좌표는 서로 + 1 또는 -1의 차이를 가진다. 나머지 하나는 각 차원(dimension)에서 종말 노드(ending node)와 출발 노드(starting node) 사이의 연결이다. 예를 들어, 도 1의 통상적인 이차원 그물 네트워크는 9 개의 노드를 가지고 있으며, 각 노드는 4개의 연결을 가진다. 각 노드는 2-짝의 좌표, 즉, (x, y)로 표시될 수 있다. 오른 쪽 위쪽의 y-차원 및 x-차원의 종말 노드(120)는 각각 y-차원의 출발 노드(130) 및 x-차원의 출발 노드(140)에 연결된다. 이들 연결선을 회귀연결링크(wrap-around link)라 부른다. 도 1의 그물 네트워크는 각 연결선은 단 방향 또는 양 방향일 수 있다.
먼저 도 5 및 도 6을 참조하여 본 발명의 절단된 그물 네트워크의 개념에 대해서 설명을 하기로 한다.
도 5는 본 발명에 따른 이차원의 절단된 그물 네트워크(500)을 도시한다. 입출력 프로토콜 프로세서(510)가 입출력 링크 프로토콜을 내부 링크 프로토콜(540)로 전환시킨다. 이차원의 절단된 그물 네트워크(500)은 도 1의 그물 네트워크과 달리 기본 스위칭 소자들(520)이 국소 트래픽 원천지 및 목적지(traffic source and sink)에 연결되지 않는다. 모든 트래픽의 원천지 및 목적지(530)는 절단된 그물 네트워크(500)의 경계(boundary)에 연결된다. 입출력 프로토콜 프로세서(510)가 기본 스위칭 소자들(520)과 모든 트래픽 원천지 및 목적지(530)를 연결시킨다.
도 5에서, 이차원의 절단된 그물 네트워크(500)은 9 개의 기본 스위칭 소자(520)와 12 개의 양방향 외부 트래픽 링크(530)를 포함한다. 라우팅 방법이 가장 짧은 경로를 선택한다고 할 경우, 각 트래픽 링크에서 가능한 가장 긴 라우팅 경로는 5 개의 스위칭 소자를 포함한다.
도 5가 도 1의 그물 네트워크과의 차이점은 출발 노드 및 종말 노드 사이의 회귀연결(150,160)이 절단되어 있으며, 6 개의 (150,160)절단된 링크들의 종단들 12개(이차원의 경우 네트워크의 가장자리에 있는 노드들)가 입출력 프로토콜 프로세서(510)에 연결되는 것이다.
도 5에서 예시한 이차원의 그물 네트워크를 다차원(n 차원)으로 확장하면 다음과 같을 것이다.
절단된 그물 네트워크이 다차원(n 차원)에 적용될 경우, 절단된 그물 네트워크는 각각 (d1, d2, d3,..., dn-1, dn)(여기서 d1은 1에서부터 D1으로, d2 는 1에서부터 D2 로 dn은 1,2,.., Dn 으로 순차적으로 변할 수 있다)와 같이, n-짝의 좌표로 표시되는 N개의 스위칭 소자로 구성된다. 이 때 스위칭 노드의 총 개수(N)은 D1 x D2 x D3 x ...x Dn 으로부터 구해진다. 각 스위칭 노드는 인접한 스위칭 노드와 2 x n 개의 연결을 가진다. 인접한 노드들은 (n-1)개의 동일한 좌표를 가지며 나머지 다른 하나의 좌표는 서로 + 1 또는 - 1의 차이를 가진다. 또, 2 x n 개의 절단된 표면(disconnected surface)을 가지며 각 표면은 다수 개의 절단된 링크들을 가진다. 트래픽 트렁크(trunk) 또는 링크(link)는 절단된 링크들에 연결된다. 하나의 차원 축(dimensional axis)마다 두 개의 절단된 표면이 있다. 예컨대, k-번째 차원 표면 스위칭 노드들은 좌표축 (d1, d2, d3,..., dk=1,..., d n) 또는 (d1, d2, d3,...,dk=Dk,..., dn) (여기서 d1은 1,2,..,D 1으로, d2 는 1,2,...,D2 로, 그리고 dn은 1,2,...,Dn 으로 변할 수 있다)를 가진다. 그리고 k-번째 차원의 표면에 대한 절단된 링크의 수는 2 x (D1 x D2 x D3 ,...,Dk-1 x Dk+1 x...xDn) 이다.
도 6은 다차원 그물 네트워크의 일 예로서 3차원의 절단된 그물 네트워크(600)을 도시한다.
도 6의 절단된 그물 네트워크(600)은 54개의 외부 링크(630)를 가진다. 본 예의 네트워크(600)은 6 x 6 스위칭을 수행하는 27개의 스위칭 소자(620)로 구성되며 각 스위칭 소자(620)는 6 개의 양방향 연결을 가지며 따라서 총 27 x 6 개의 양방향 연결을 가진다. 이 중에서 9 x 6 개의 연결은 외부 트래픽 트렁크를 위해 사용되고 나머지 108 개의 연결은 각 스위칭 소자들 사이의 내부 연결을 위해 사용된다. 따라서, 총 스위칭 연결 중에서 외부 연결의 비율은 약 33 퍼센트이다.
도 5에서 설명한 것 같이 도 6에서는 27 개의 절단된 회귀링크의 종단들이 입출력 프로토콜 프로세서(610)를 통해서 54개(2 x 27)의 외부 링크(630)에 연결된 다.
도 7은 도 5의 이차원의 절단된 그물 네트워크(500)의 변형으로서, 라우팅 지연을 줄이기 위해 대각선 방향으로의 지름길(shortcut) 라우팅(이른바 "점핑 라우팅")(770)을 더 채택한 이차원의 절단된 그물 네트워크(700)을 도시한다. 각 스위칭 소자(720)는 8 개의 연결(720)를 가진다(도 5의 경우 4개의 연결(520)을 가짐). 각 스위칭 소자(720)들 사이의 대각선 방향으로의 점핑 루트(jumping routes)(770)로 인해서 스위칭 시스템에서 가장 긴 라우팅 경로(routing path)가 짧아진다. 이로 인해 도 7에서 각 외부 입력링크로부터 가장 짧은 경로로 트래픽이 움직일 때, 가장 긴 라우팅 경로는 3개의 스위칭 소자를 경유하는 것이다(도 5의 경우 5개). 입출력 프로토콜 프로세서(710a)에 연결된 외부 트래픽 링크(730)는 3개의 내부 연결(740)을 가진다(도 5의 경우 1개를 가짐). 즉 도 5의 1개에 대각선 방향으로의 2개가 더 추가되었다. 이 같은 추가적인 연결로 인해 고장 허용도가 한층 더 높아진다. 3개의 내부 링크들(740) 중 어느 하나가 고장이 난다고 하더라도, 본 시스템은 아무런 문제없이 동작을 할 수 있다. 또한 이와 같은 추가적인 연결은 입출력 프로토콜 프로세서(710a)에 가장 근접한 스위칭 소자(720e)가 고장이 난다고 하더라도 거기에 인접한 스위칭 소자(720' 또는720e'')에 연결을 함으로써 통신이 가능하게 된다. 대각선 방향으로의 점핑 경로 도입으로 가장 자리에 있는 일부 스위칭 소자는 댕글링 대각선 링크(dangling diagonal link)(750)를 가지게 된다. 이 같은 댕글링 대각선 링크(750)는 시스템 제어 목적 또는 여분의 입출력 외부 트래픽 링크를 위해서 사용될 수 있다.
점핑 루트(route)는 여러 가지 방법으로 정의될 수 있다. 도 7에 보여진 일 예에서는 점핑 루트가 (n-2) 개의 좌표는 서로 동일하고 차이 나는 두 좌표간의 차이가 +1 또는 -1이 되는 두 노드들 사이에 성립한다. 스위칭 네트워크의 효율을 높이기 위해서 다양한 임의적인 점핑 루트가 추가될 수 있다.
도 8은 도 7의 댕글링 대각선 링크(750)(850)에 연결된 4개의 트래픽 제어 프로세서(880)를 보여준다. 이 같은 프로세서들(880)은 또한 제어 시스템 버스(890)에 의해서 서로 연결된다. 이에 따라 시스템 정보는 제어 프로세서들(880) 사이에서 동기화된다. 모든 스위칭 소자(820)들은 각 스위칭 소자에 할당된 과부하 상황을 가장 근접한 제어 프로세서에 보고한다. 보다 높은 고장 허용도를 위해서, 제어 시스템 버스는 또한 한 쌍일 수 있다.
도 9는 시스템 부팅시 각 스위칭 소자(920)의 좌표가 어떻게 정의되지를 설명하기 위한 도면이다. 복잡한 모듈러 스위칭 시스템에서, 각 스위칭 소자에 물리적으로 위치 좌표를 정의하는 것은 시스템을 매우 복잡하게 한다. 이에 대한 해결책은 어떤 고정된 위치로부터 상대적인 좌표를 정의하는 동적 위치 전파 접근 방법(dynamic location propagating approach) 또는 스위칭 네트워크의 어떤 장소에 부착된 시스템 제어 프로세서(도 8의 참조번호 820880)로부터 위치 정보를 할당하는 방법이 있다. 도 9를 참조하면, 두 개의 출발점프로토콜 프로세서 (910s1, 910s2)들이 있다. 이들로부터 위치정보는 동심원을 그리면서 전파된다. 웨이브 앞단 노드들의 좌표 값은 위치할당 메시지를 전파함으로써 정해진다. 하나의 메시지 전파 기간 후에, 전파 라인에 있는 첫 번째 노드들의 좌표 번호가 정해지고, 다음 번 위치 메시지 전파 기간에서 위치 정보는 두 번째 전파 라인 상의 노드들에 전달된다. 즉, 먼저 출발점 프로세서 910s1에 연결된 스위칭 소자(920a)에 좌표 값 (1,1)이 할당된다(웨이브 ①). 웨이브 ① 상의 노드(스위칭 소자 920a)의 좌표 값이 결정된 후, 여기에 기초하여 위치 할당 메시지들이 웨이브 ① 의 앞단 노드들(920b, 920c, 910d), 즉 스위칭 소자(920a)에 연결된 스위칭 소자(920b, 920c) 및 프로토콜 프로세서(910d)에 전달되어 각각 그 좌표 값이 정해진다. 이 같은 방법을 통해서 스위칭 소자들의 상대적인 좌표 값이 결정된다.
이상에서 설명한 본 발명에 기초하여 여러 다양한 실시예들에 대하여 설명을 한다. 도 10a 및 도 10b는 도 5의 본 발명의 기본적인 절단된 그물 네크워크로부터 어떻게 스위칭 소자 개수를 줄일 수 있는지를 보여준다. 도 10a는 도 5에 도시된 2차원의 절단된 그물 네트워크에서 몇몇 꼭지점 노드들(4 개의 꼭지점 노드들)이 제거된 것을 보여준다. 모서리에 있는 스위칭 소자(1020)는 각각 꼭지점 노드의 제거로 인해 생기는 미연결 선 2 개를 포함한 3개의 연결(1040)을 통해서 3개의 입출력 프로토콜 프로세서(1010)에 연결된다.
도 10b는 도 7에서 꼭지점 노드를 제거하고, 도 10a에서 외부 트래픽 링크로서 12개의 댕글링 링크들(1050) 및 4 개의 점핑 링크들(1070)을 추가한 예를 보여준다. 생기는 모든 미연결선 에 하나씩 입출력 프로토콜 프로세서를 부착하고 여분의 연결선에도 각각 입출력 프로토콜 프로세서를 부착하여 얻어졌다. 도 10b에는 8 x 8 스위칭을 수행하는 5 개의 스위칭 소자(1020) 및 24 개의 외부 링크(1030)가 있다. 총 연결 링크 중 외부 링크는 약 60 퍼센트이다.
본 발명의 기본적인 절단된 그물 네트워크는 더욱 다양한 방식으로 사용될 수 있다. 도 11은 본발명에서 사용되는 기본 스위칭 소자를 이용하여 스위칭 네트워크에서 멀티플렉서 및 디멀티플렉서를 만드는 예를 도시한다. 4 x 4 스위칭을 수행하는 스위칭 소자(1120)는 양 방향 링크에 연결될 수 있다. 데이터 또는 패킷은 오른 쪽으로 이동하며, 시스템(1100)은 디멀티플렉서 또는 분배기(distributor)로서 역할을 한다. 데이터가 왼쪽 방향으로 이동할 때, 시스템(1100)은 멀티플렉서 또는 집속기(concentrator)로서 역할을 한다.
도 12는 본 발명의 스위칭 시스템(1200)이 도 11을 참조하여 설명된 멀티플렉서 또는 디멀티플렉서와 연계되어서 어떻게 고속 트래픽 트렁크를 처리하는 지를 보여준다. 입력 출력 프로토콜 변환기(1210)는 고속도 트래픽(1230)을 전달 받고, 멀티플렉서/디멀티플렉서(1220)는 상대적으로 낮은 속도의 트래픽 트렁크로/트렁크로부터 분배/집속 한다. 이 같은 멀티플렉서/디멀티플렉서(1220)는 스위칭 시스템(1200)의 각 내부링크에서 트래픽 부하를 감소시킨다. 따라서, 시스템은 보다 많은 스위칭 자원을 사용함으로써, 병목 현상 없이 높은 속도로 트래픽 링크를 처리할 수 있다. 양 측에서 각 링크는 양 방향이기 때문에, 스위칭 네트워크의 능력은 4N x 4N 이다. 스위칭 네트워크의 능력이 고속도 트래픽 링크에서 발현될 때, 4 x 4 의 고속도 트렁크 능력이 된다.
본 발명의 높은 고장 허용도는 도 7에 예시된 점핑 루트(740)를 사용하지 않고서도 다양한 라우팅을 통해서 구현될 수 있다. 도 13은 스위칭 소자 (k, l)로부터 스위칭 소자(k+2, l+2)로의 6 개의 라우팅 경로를 보여준다. 메시지 전달 경 로 ② 는 스위칭 소자들 (k+1,l), (k+1, l+1), (k+2, l+2)을 통과한다. 이때, 고장난 스위칭 소자가 존재할 경우, 다른 가능한 경로를 선택함으로써 고장난 소자를 우회(bypass) 한다. 도 14는 고장난 소자를 건너뛰는 우회 경로를 보여준다.
본 발명의 근본적인 특징인 다중 라우팅경로는 트래픽 부하를 조절하는 데에도 유용하게 사용될 수 있다. 새로운 트래픽이 허용될 때, 더 효율적 시스템 성능을 위해서 가능한 라우팅 경로들이 조사된다. 도 15는 보다 나은 단위시간 처리량(throughput)을 위해서 고장나거나 트래픽 부하가 높은 소자 또는 경로(hot spot;과부하 경로)들을 피하는 예를 보여준다. 충분한 트래픽 수용능력을 가지는 라우팅경로가 없을 때, 과부하경로를 지나는 트래픽을 줄임으로써 몇몇 과부하경로들은 제어될 수 있다.
또, 각 스위칭 소자에서의 스위칭은 자기-라우팅(self-routing) 특성을 가진다. 본 발명에 따르면 두 가지 자기-라우팅, 즉, 동적 자기-라우팅과 정적 자기-라우팅이다. 동적 자기-라우팅은 단지 목적지 주소만을 운반하며 트래픽 경로는 각 스위칭 소자에서 동적으로 결정된다. 목적지 주소로부터 현재 주소를 감산(subtraction)하여 현재스위칭 소자에서 목적지까지의 차이좌표가 계산된다. 계산된 차이좌표에 0이 아닌 여러 좌표 축이 있을 경우, 목적지로부터의 차이를 줄이는 쪽으로 하나의 적당한 출력 방향이 선택된다. 따라서, 동적 라우팅의 라우팅 경로는 각 패킷에 따라 변할 수 있다.
이에 반해 정적 자기-라우팅은 입력 프로토콜 프로세서에서 정하여준 모든 라우팅 정보를 운반한다. 각 스위칭 소자는 첫 번째 또는 고정된 위치의 비트정보 를 읽어서 각 스위칭 소자 내부에서 라우팅 방향을 얻는다. 데이터 패킷이 다음 스위칭 소자로 전달될 때, 현재 스위칭 소자는 전달되는 패킷을 변경시키며, 그 결과 다음 스위칭 소자 또한 뒤따르는 스위칭 소자들에서 라우팅 경로를 얻기 위해서 동일한 동작을 수행하도록 한다. 이 같은 정규성(regularity) 또는 규칙성을 만드는 동작은 정적 라우팅 정보의 쉬프팅 또는 다음 라우팅 비트로의 위치지적 카운터 증가에 의해 달성될 수 있다.
도 16a 및 도 16b는 스위칭 시스템 내부를 돌아다니는 몇몇 데이터 패킷 포맷에 대한 일 예를 도시한다. 데이터 패킷인지 제어 패킷인지는 선행 비트 즉 비트 1610, 1660에 의해서 구별되며 이는 우선순위 정보로 대체 될 수도 있다. 스위칭 시스템이 동적 자기-라우팅을 처리한다면, 패킷은 목적지 주소 또는 n-짝의 목적지 좌표(1650)를 포함한다. 반면, 스위칭 시스템이 정적 자기-라우팅을 처리한다면, 패킷은 라우팅 방향(1620)의 순서를 가진다.
도 17은 정적 자기-라우팅을 위해서 도 13의 경로 ? 상의 각각의 스위칭 소자에서 전달되는 데이터 패킷이 어떻게 변하는지를 보여준다.
인접한 출력 프로토콜 프로세서들 사이에 몇몇 연결이 있을 수 있다. 만약 출력 프로토콜 프로세서들 사이에 연결이 없다면, 어떤 출력 프로토콜 프로세서가 부착되어 있는 스위칭 노드의 표면에 도달한 패킷은 가장 가까운 프로토콜 프로세서가 그 패킷의 목적지가 아닌 경우 데이터를 그 프로토콜 프로세서로 전달해서는 안된다. 예컨대, 목적지가 출력 프로토콜 프로세서(710b)인 패킷이 노드 (720e)에 도달한 후 출력 프로토콜 프로세서(710a)에 전달되어서는 안된다. 두 개의 출력 프 로토콜 프로세서들(710a, 710b) 사이에 연결이 설정되어 있지 않기 때문에 데이터 패킷은 출력 프로토콜 프로세서(710a)에서 출력 프로토콜 프로세서(710b)으로 전달될 수 없다. 따라서, 동적 자기-라우팅은 또한 마지막 스위칭 소자에서 출구 방향을 운반할 수 있으며, 목적 좌표(1650)가 최종의 스위칭 소자를 가르치고 여기에 출구 방향이 추가 되어서 전달 될 수 있다. 그렇지 않으면, 운반하는 목적지 좌표는 목표 출력 프로토콜 프로세서의 좌표가 될 것이며, 표면 스위칭 소자들은 자기가 표면 스위칭 소자라는 것을 인식하여, 자기에게 도착한 패킷이 부적절한 프로토콜 프로세서로 전달되는 것을 제한해야 한다.
내부 스위칭 소자들 상에 비정규성을 적용함으로써 스위칭 소자의 수와 스위칭 네트워크에서 패킷의 경유시간을 더욱 줄일 수 있다. 도 18a는 가운데의 일부 스위칭 소자가 제거된 절단된 그물 네트워크를 도시한다. 빗금친 스위칭 소자는 먼 점핑 연결(1810)을 가진다. 이와 같은 비정규성은 시스템 성능 또는 단위시간 작업량에서 심각한 문제를 야기하지는 않는다. 도 18b는 스위칭 소자 하나(1820)가 제거되고 두 개의 비틀어진 트래픽 연결(1840)을 가지는 절단된 그물 네트워크를 도시한다. 정상적인 연결에서는 항상 연접하는 스위칭 소자들과 연결을 가졌으나, 내부의 스위칭소자를 제거하는 경우는 근접하는 스위칭소자와 있을 수 없게 되고 점핑경로만 존재하게 된다. 이것을 응용하면, 연접하는 스위칭소자와의 근접 연결을 임의의 점핑 연결(1840)로 대체할 수 있다. 예시적인 라우팅 경로 1830은 5 개의 스위칭 홉(hop)에 의해 이루어진다. 만약 스위칭 소자(1820)이 제거되지 않고 연결(1840)이 없다면 라우팅 경로 1830은 7개의 홉에 의해 이루어질 것이다. 도 18c는 비정규 연결을 갖는 예를 보인다. 스위칭소자 1850은 4개의 대각선연들을 가지며 이들과 연결되는 스위칭소자는 5x5스위칭소자이다. 이와 같이 본 발명의 새로운 네트워크에서는 정규적인 연결과 정규적 연결을 제거한 도시된 것을 포함하여 다양한 비정규적 연결이 있을 수 있다.
이와 같이 내부의 점핑연결과 비정규 연결은 자기-라우팅에 조금의 변형이 필요하다. 동적 자기-라우팅을 위해서는 각 스위칭 소자가 각 출력 단에 연결된 스위칭소자의 좌표 값과 현재의 소자의 좌표 값의 차이 좌표 값을 가지고 있어야 하며, 정적 자기-라우팅을 위해서는 시스템 내부 각 프로토콜 프로세서나, 트래픽제어 프로세서에 시스템의 비정형 연결들의 정보를 가지고 라우팅 경로를 정해야 한다. 이 각 출력단별 거리 값 혹은 차이 값(delta value)은 점핑루트가 없는 경우는 1 혹은 ± 1 이지만, 여러 축으로 한꺼번에 점핑 하는 점핑루트의 경우 여러 축에서 각축에서의 차이 값을 갖는다. 예를 들어서 도 7에서 스위칭소자 720e에서 입출력 프로토콜 프로세서 710b로의 대각선 점핑경로는 스위칭 소자 720e의 하나의 출력 단에 연결되어 있다. 이 출력 단은 거리 값 (-1, +1)을 가진다. 즉 임의의 출력 단을 지나서 통과는 패킷은 거리 값만큼의 위치가 변화하게 된다. 각 출력 단은 거리 값을 여러 형태로 가질 수 있다.
도 19a에 도시된 바와 같이 여러 개의 긴 점핑 경로들(1940)을 집속할 수 있다. 예컨대, 도 19b에 도시된 바와 같이, 4:1 멀티플렉서(1910) 및 1:4 디멀티플렉서(1920)를 사용함으로써, 4 개의 1Mbps 긴 점핑 경로(1940)가 4 Mbps 시분할 다중화(Time Division Multiplex) 트렁크(1930)에 의해 대체될 수 있다.
다차원 절단된 그물 네트워크 시스템의 표면에 댕글링 노드 수가 늘어 나도록 시스템을 구성함으로써 입출력 외부 링크 수를 증가시킬 수 있다. 한 방법은 몇몇 얇은 다차원 그물 네트워크를 몇몇 비정규적 연결로 연결시키는 것에 의해 달성된다. 도 20은 몇몇 비정규적인 내부 연결(2030, 2040)에 의해 연결된 스위칭 면을 도시한다. 각 스위칭 노드는 두개의 외부 트래픽 연결을 가지며, 경계 스위칭 노드들은 3개의 외부 연결을 가지며, 정점(vertex) 스위칭 노드는 4개의 외부 연결을 가진다.
본 발명의 다차원 절단된 그물 네트워크는 하나 또는 여러 개의 모듈 스위칭 소자를 이용할 수 있다. 도 21은 4 x 4 스위칭을 수행하는 스위칭 소자의 일 예를 도시한다. 도 21에서 -x, +x, -y, +y 방향으로의 4개의 입력 포트를 가지는 2 차원의 절단된 그물 네트워크에 적용된 스위칭 소자를 도시한다. 입력 방향과 동일하게 4 개의 출력 방향이 있다. 4 개의 입력 버퍼들(2190, 2191, 2192, 2193)이 있으며 이들은 이전 출력 버퍼들(2150,2151,2152,2153)에 대하여 후방 압력(back pressure)을 가한다. 각 출력 버퍼는 출력 버퍼 수준(level)이 과부하수위(2182; watermark)를 넘는지를 확인하는 메커니즘(mechanism)을 가지고 있다. 어느 출력 버퍼에서 과부하가 감지되면 그 출력 버퍼에 과부하 보고 제어 메시지를 삽입시켜 트래픽제어 프로세서로 보고 할 수 있다. 과부하 메시지의 삽입은 과부하 출력 버퍼 또는 트래픽이 보다 작은 다른 버퍼에 발생할 수 있다. 입력 버퍼는 이중 포트 램(RAM) 또는 입력으로부터 쓰고 출력으로 읽어내는 동작이 각 다른 주기(cycle)에 발생하는 단일 포트 메모리일 수 있다. 또는 둘 이상의 분할된 단일 포트 메모리가 사용되어 동시에 각각 독립적으로 접근될(access) 수 있다. 더 나아가서 다양한 변경이 가능하다.
본 발명의 일 실시 예는 입출력 버퍼 사이에 후방 압력 메커니즘을 수행하지 않을 수 도 있다. 출력 버퍼는 동시(하나의 패킷 전파시간 동안)에 서로 다른 입력 버퍼들로부터 여러 패킷을 받는다. 이때, 하나 또는 그 이상의 출력 버퍼가 차면(full), 출력 버퍼에 연결된 입력 버퍼로부터 온 패킷은 무시(폐기처분)된다. 왜냐하면 넘치는 상태의(overflow) 출력 버퍼에 새로운 패킷이 저장될 수 없기 때문이다. 만약 출력 버퍼로부터 입력 버퍼로의 후방 압력이 가능한 시스템이라면, 시스템 수준에서 트래픽 부하 제어는 더욱 중요하다. 이에 대해서는 후술할 것이다.
본 발명의 기본 스위칭 소자에서 특유의 특징이 있다. 어느 한 방향으로부터의 트래픽은 동일한 방향으로 가지 않는 다는 것이다(도 21에서 출력 버퍼(2150)에 연결된 점선의 원 참조). -x(2120), +y(2130), 그리고 -y(2140)으로부터 온 트래픽만이 +x 방향(2150)으로 갈 수 있다. 이와 같은 특징은 알려져 있으나, 본 발명의 다차원 절단된 그물 네트워크과 결합할 때 새로운 특징이 된다.
기본 스위칭 소자는 또한 특별한 제어 메시지가 입력 버퍼에 들어왔는지를 확인할 필요가 있다. 예컨대, 시스템은 위치 할당 메시지를 전파하는 것에 의해서 시작될 수 있다. 하나의 스위칭소자내의 어느 한 입력 버퍼의 국소 제어기가 제어 메시지가 입력되었음을 보고하면 그 스위칭 소자의 주(main) 제어기는 제어 메시지를 읽어낸 후 그것을 처리한다. 제어 메시지를 처리한 후, 주 제어기가 다른 반응 을 전파할 것이 요구되면, 보고 메시지(또는 전파 메시지)가 적당한 출력 버퍼에 삽입될 것이다.
모든 통신 트래픽은 여러 이유(인증, 서비스 사용 차지, 더 좋은 성능을 위한 트래픽 부하 균형 등)에서 부한 제어(load control)를 받을 필요가 있다. 본 발명의 절단된 다차원 그물 네트워크는 근본적으로 양호한 제어성을 가진다. 도 22는 임의의 트래픽 경로에서 트래픽 제어를 설명하기 위한 도면이다. 임의의 라우팅경로에는 서로 다른 수위의 정보 또는 패킷들을 저장한 여러 출력버퍼들이 있을 수 있다. 한 패킷 전달 기간 동안 도착한 입력 패킷이 하나 이상일 때, 출력 버퍼는 쌓인다. 출력 버퍼에 동시에 전달 가능한 패킷 수가 (총 입력 수 - 1) 보다 작고 한 입력 버퍼가 패킷전달을 위한 출력 버퍼점유 경쟁에서 질 경우, 출력 버퍼로 패킷을 전달하지 못하고 입력 버퍼 또한 쌓인다. 입력 버퍼 및 이전의 출력 버퍼 사이에 후방 압력 메커니즘이 있을 경우, 단지 출력 버퍼만을 모니터링 하는 것으로서 시스템 과부하를 제어하는 데 충분할 것이다. 도 22에서 출력 버퍼(2210)가 과부하 수위를 지나쳤음을 인지하는 것에 의해서 과부하경로가 인지된다. 이때, 과부하 정보는 트래픽 제어기(2220)에게 보고된다. 트래픽 제어기(2220)는 입력부하 감소 요청을 과부하 출력 버퍼를 지나가는 트래픽을 가진 모든 입력 링크 프로토콜 프로세서들에게 한다.
입력 프로토콜 프로세서는 몇몇 트래픽의 시스템으로의 입력률을 조정 할 수 있으며, 이로 인해 이른바 입력 링크 프로세서로 불리기도 한다.
도 23은 본 발명의 트래픽 부하 제어를 위한 기본적인 데이터 구조의 일 예 를 보여준다. 각 스위칭 소자 데이터 구조(2310)는 각각의 출력 버퍼 데이터 구조를 위한 포인터들을 가지고 있다. 각 출력 버퍼 데이터 구조(2320)는 모든 트래픽 정보(Traffic id 1 ~ Traffic id n), 트래픽 정보가 어디에 소오스(source) 링크로부터 오는지(Srclink), 입력 링크 프로세서에서 트래픽 식별 번호, 허락된 트래픽의 수용 용량을 가진다. 각각의 입력 링크 프로세서에 또는 트래픽 제어기 내부에, 스위칭 소자에서의 트래픽 식별(Traffic id), 출력 링크 프로세서의 목적지 좌표(Destlink), 트래픽을 나르도록 할당된 모든 라우팅 경로(Routing path), 및 각 라우팅 경로의 할당된 용량(Cap)을 포함하는 모든 트래픽 정보(2230)가 있다. 도 23은 데이터 구조의 단지 하나의 예일 뿐이다.
도 24는 본 발명의 시스템 부하 제어를 설명하기 위한 흐름도이다. 현재 각 가정으로부터의 인터넷 연결은 아직은 트래픽에 의해 부담이 되지 않는다. 하지만 앞으로 모든 데이터 트래픽이 측정될 것이고 사용에 근거한 부담이 발생할 것이다. 트래픽을 측정하기 위해서, 통신의 출발 시점에서 요구되는 대역폭은 인터넷의 후미(backend)에 위치한 본 발명의 스위칭 시스템에 요청된다(단계 2410). 이어서 입력 링크 프로세서는 모든 가능한 라우팅 경로의 리스트 또는 몇몇 라우팅 경로의 충분한 개수를 만든다(단계 2420). 요청된 대역폭이 리스트의 임의의 라우팅 경로에 의해서 수용될 수 있는지 알기 위해서 주어진 경로들의 최소 수용가능 대역폭을 구한다.(단계 2430). 단계 2440에서 만약 요청된 트래픽이 수용된다면 선택된 경로는 요청된 트래픽(단계 2490)에 할당되고 정보는 도 23에서 설명한 것 같은 데이터구조로 저장된다. 단계 2440에서 요청된 트래픽이 수행되지 않는다면, 검사된 라우 팅 경로가 수용 가능한 대역폭으로 내림차 혹은 내림차로 정리된 된 리스트 AA에 저장되고 유효한 대역폭, BWSUM, 에 이 현재 경로로부터 수용 가능한 대역폭이 추가된다(단계2450). 리스트가 모두 검색되면, 유효한 대역폭 BWSUM 이 현재 주어진 경로들이 수용 가능한 대역폭이 된다. 단계 2460에서, 만약 충분한 대역폭의 라우팅 경로가 발견되지 않고 다른 경로가 검색을 위해 유효하다면, 프로세싱 루프 즉, 단계 2430, 단계 24440, 단계 2450, 단계 2490 은 다시 평가된다. 그렇지 않다면 단계 2470에서 유효한 대역폭 BWSUM은 요청된 대역폭, BW, 과 비교된다(2470). 만약 요청된 대역폭, BW,이 유효한 대역폭 BWSUM 보다 작거나 또는 동일하다면 트래픽은 여러 라우팅 경로로 분포된다(단계 2490). 요청된 대역폭 BW이 유효하지 않다면 즉 BW가 BWSUM보다 크면, 요청된 대역폭은 무시되고 부인(NAK) 응답을 받는다(단계 2480). 도 24의 흐름도는 만약 충분한 대역폭을 가진 단일의 라우팅 경로가 없다면, 트래픽을 보다 작은 대역폭의 여러 라우팅 경로에 할당하기 위해서 시도한다.
일반적으로 복잡한 스위칭 시스템은 캐비닛(cabinet) 형태의 큰 선반(랙; rack) 상에 구현된다. 만약 시스템이 매우 복잡하다면, 여러 개의 랙으로 구현될 수 있다. 랙은 여러 개의 셀프(shelf)로 구성되고 셀프 상에 여러 개의 라인 카드가 탑재 된다. 본 발명의 시스템은 꽉 결합된 기본 스위칭 소자들로 구성되어 단순한 모듈 라인 카드로 분할하기 구현하기 어렵다. 도 25는 재구성 가능한 라인 카드를 도시한다. 6개의 기본적인 스위칭 소자와 2개의 입출력 링크 프로세서가 있다. 하나의 라인 카드 보드로부터 Config(0), Config(1),..., Config(k) 등의 다양한 구성이 나올 수 있다. 구성 Config(0)은 두 개의 입출력 링크 프로세서(2510, 2520)를 구비(장착)하며, 구성 Config(k)는 단지 하나의 라인 프로세서(2530)을 구비한다. 구성 Config(0)에서 6개의 스위칭 소자들은 평행한 연결을 가지며, 구성 Config(k)는 직렬 연결을 가진다. 몇몇 제한된 라인 카드 인쇄 기판 보드를 사용하여 다양한 형상의 스위칭 소자를 연결을 구성하는 여러 종류의 라인 카드를 만들 수 있다.
본 발명의 스위칭 네트워크는 특히 그 표면에 트래픽 링크가 연결되는 셀 구조의 3차원 체적(volume)으로 구현될 때 매우 유용하다. 3차원 체적 내부에서 많은 일정한 점핑 연결이 있을 수 있고 각 입출력 링크는 여러 내부 링크에 연결되어 스위칭 소자 체적(체적 스위칭 시스템) 내부에서 트래픽 부하를 줄이고 고장 허용도를 증가시킨다. 도 26은 구(sphere) 형상의 스위칭 시스템(2610) 및 구 형상을 담는 케이지(cage)(2620)를 도시한다. 3차원 사각형 케이지는 3차원으로 적층된 입방체(cube) 스페이스(space) 셀들 또는 xyz 선반 혹은 지지대(프레임)(2640)로 구성된다. 3차원으로 놓여진 프레임 또는 바(bar) (2640)를 따라, 라우팅 신호 라인이 인접한 스위칭 소자로 연결된다. 구의 표면에서 모든 외부 트래픽 링크가 연결된다. 규칙성을 갖는 점핑선 중 표면가까이에서 절단된 점핑 선에도 외부 트래픽 선이 연결될 수도 있다. 트래픽 데이터는 정규의 절단된 그물 네트워크 또는 점핑 루트를 통해서 라우팅된다. 도 26에 곡선(2610)을 따라 진행되는 라우팅의 일 예가 도시되어 있다. 각 스위칭 소자 또는 여러 스위칭 소자들로 구성된 모듈 블록, 즉 스위칭 소자가 탑재된 스위칭 보드(2650)는 하우징 케이지(housing cage)의 하나의 입방체 셀(2630)에 위치하며, 이들 입방체 셀(2630)이 모여서 사각형 체적(2620)의 형태를 이룬다. 스위칭 보드(2650)는 하나 또는 그 이상의 스위칭 소자를 탑재한다. 각 스위칭 보드는 소켓을 통해서 각 셀에 장착되며 소켓에는 프레임(2640)을 따라서 소정의 배선이 형성되어 있다. 또, 프레임 내부에 방열을 위한 냉매가 흐를 수 도 있다.
이 같은 하우징 케이지에 적용된 본 발명의 시스템은 뛰어난 고장 유지 보수 및 효율적 시스템 냉각을 달성할 수 있다.
도 27은 3차원의 하우징(2720)에 대한 여러 면에서의 단면을 도시한다. 공기 흐름을 왼쪽에서 오른쪽으로 하여 발생된 열을 스위칭 소자로부터 제거하기 위한 시스템 냉각 팬(2710)이 있다. 시스템은 도 27에 도시된 바와 같이 동일한 구조를 가지는 여러 가지 서브-시스템들로 구현될 수 있다. 스위칭 소자는 셀프(shelf) 또는 바(2780)에 부착된다. 셀프 또는 바는 신호 라우팅 배선을 위한 안내 구조로서 사용된다. 이 같은 프레임은 냉각제를 그 내부로 통과하게 함으로써 또는 더 낮은 온도의 물체 연결됨으로써 냉각 시스템에 사용되기도 한다. 이에 따라, 프레임 그 자신은 3차원 체적 케이지 내부에서 발생된 열을 운반한다.
정면도 (2750)는 스위칭 소자 또는 모듈이 탑재되는 공간(space)을 만드는 수직 및 수평 프레임을 보여준다. 각 하나의 셀(2740)의 공간은 합리적인 크기를 가진다. 통상적인 시스템의 경우, 콤팩트(compact)하게 구성되지만, 본 발명의 경우, 스위칭 소자를 탑재한 보드는 유지 보수 및 방열 등을 위해서 인접한 보드와의 사이에 여유 공간을 가지도록 구성된다. 이 공간은 사용자의 손, 마이크로-머신, 또는 다른 장치를 사용하여 고장난 스위칭 소자를 교체하는데 사용된다. 측면도(2730) 및 평면도(2760)은 각각 또한 셀 구조 당 몇몇 공간을 도시하며, 냉각 공기는 시스템에 의해 발생된 열과 함께 용이하게 제거된다.
본 발명의 모든 트렁크 라인은 스위칭 시스템 체적(체적 스위칭 시스템)의 표면에 혹은 표면 가까이 연결된다. 균등하게 분포된 표면 점들을 물리적으로 연결한다면, 공간적으로 시스템 유지보수에 장애가 될 수 있다. 이를 해결하기 위한 한 방편은 입출력 트렁크들을 물리적으로 한쪽으로 모으기 위해 다른 짧은 배선을 사용함으로써, 균일하게 분포된 연결점들로부터 연결하는 것이다. 예컨대, 만약 100 개의 입출력 연결이 정면(2720)에 존재한다면, 그 100개의 링크는 오른쪽 아래의 정면(2720)에 물리적으로 연결되어 외부로 한꺼번에 배선될 수 있다.
도 28은 본 발명의 체적 스위칭 시스템에서 단위 셀들의 교체를 용이하게 하기 위해서 프레임들의 표면 혹은 모서리에 교체를 위한 장비(2890)가 장착되는 안내 수단(2880)을 둔 실시예를 도시한다. 도 28을 참조하면, 입방체 셀(2830)에 하나 또는 그 이상의 스위칭 소자를 탑재한 스위칭 보드(2850)가 소켓(2860)을 통해서 각 셀에 장착되며 소켓(2860)에는 프레임(2840)을 따라서 소정의 배선(2870)이 형성되어 있다. 각 셀(2830)의 소정 영역, 예컨대, 상단부에 안내 수단(2880)이 위치한다. 안내 수단(2880)은 일종의 레일(rail)로서 셀(2830)의 양측벽에 위치하며, 스위칭 보드(2850)를 교체하기 위한 교체 장비(2890)를 수용하여 셀 상부를 따라 교체 장비(2890)가 이동하도록 한다. 교체 장비(2890)는 안내 수단(2880)에 삽입되는 삽입부(2891), 스위칭 보드를 잡기 위한 홀딩부(2893) 및 홀딩부(2893)가 스위칭 보드(2850)를 잡도록 홀딩부(2893)를 움직이기 위한 이동 수단(2895, 2897)을 포함한다. 교체 장비(2890)를 안내 수단(2880)에 삽입하여 수평 방향으로 움직여 교체 하고자 하는 스위칭 보드로 접근한다. 이어서 이동 수단(2895, 2897)을 조작하여 홀딩부(2893)의 앞부분이 열어 스위칭 보드가 열린 부분에 위치하도록 한 후 다시 이동 수단(2895, 2897)을 조작하여 앞부분을 닫아 스위칭 보드를 잡도록 한다.
이동 수단(2895, 2897)은 예컨대, 나사로 형성될 수 있으며, 회전 방향을 조절하여 홀딩부(2893)가 상하 전후로 움직이게 하여 스위칭 보드를 잡도록한다.
본 발명의 다양한 실시예들에 있어서, 신규한 구조 및 방법은 효과적인 패킷 스위칭에 대하여 기술되었으며, 이들은 단지 본 발명의 원리를 설명하기 위한 예시적인 것에 불과하고 위에서 설명한 특정한 실시예들에 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 본 발명의 기술적 사상으로부터 당업자는 표면, 점핑 루트, 시스템 부하 제어 방법, 스위칭 소자 감소 방법. 연결 방법, 시스템 소자 공동 패키지, 스위칭 소자 분할, 시스템 소자 하우징 방법, 시스템 냉각 방법 등에 대하여 다양한 정의를 내릴 수 있으며, 이 같은 특징들을 다양하게 변형하여 본 발명의 원리에 대응하는 방법 또는 시스템을 만들 수 있다. 따라서, 본 발명은 이하의 특허청구범위에 의해서만 한정되어야 한다.
본 발명의 다차원의 절단된 그물 네트워크에 따르면, 입출력 프로토콜 프로세서를 통해서 그물 네트워크의 절단된 링크에 국소 원천지(source) 및 목적지(sink) 링크가 연결되기 때문에, 스위칭 소자의 개수를 줄일 수 있다.
또한 스위칭 소자가 보다 많은 연결을 가져 목적지 포트에 대한 지름길 경로(shortcut path)를 제공하여 목적지까지의 홉 개수를 줄일 수 있다.
더 나아가서, 경계 스위칭 소자 또는 경계 근방의 스위칭 소자의 개방 지름길(점핑) 연결은 더 많은 입출력 포트를 제공하며, 그들 중 몇몇은 여분의 연결을 제공할 수 있어 고장 허용도를 향상시킨다.

Claims (24)

  1. 복수 개의 스위칭 소자들로 구성된 n-차원(n=2 인 정수)의 스위칭 네트워크에서, 각 차원의 종말 스위칭 소자와 출발 스위칭 소자 사이의 연결이 절단되고,
    절단된 링크들에 적어도 하나 이상에 입출력 프로토콜 프로세싱 블록이 연결되며,
    외부 트래픽 링크들이 상기 입출력 프로세싱 블록에 연결되며,
    각 스위칭 소자는 n-짝(n=2 인 정수)의 좌표에 의해 구별되고, (n-1) 개의 좌표는 동일하고 나머지 하나의 좌표는 +1 또는 -1 차이가 나는 두 스위칭 소자들은 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 n-차원(n=2 인 정수) 스위칭 네트워크.
  2. 제 1 항에 있어서,
    절단된 링크들중에 적어도 하나 이상에 연결된 시스템 제어 프로세서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 n-차원(n=2 인 정수)의 스위칭 네트워크.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 시스템 제어 프로세서들은 제어 버스에 의해서 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 n-차원(n=2 인 정수)의 스위칭 네트워크.
  4. 제 1 항, 내지 제 3항 중 어느 한 항에서,
    임의의 스위칭 소자를 그것의 좌표에 대해서 (n-1) 개의 좌표는 동일하고 나머지 하나는 +1 또는 -1 차이가 나는 인접한 스위칭 소자 이외의 다른 임의의 소자(다른 스위칭소자, 입출력 프로토콜프로세서, 시스템 제어프로세서 혹은 다른 소자)(들)에 연결시키는 점핑 루트(들)를(을) 더 포함하며, 이때 부가적으로 연결되는 점핑루트의 수에 따라 스위칭 소자의 입출력 단의 수가 증가하는 것을 특징으로 하는 n-차원(n=2 인 정수)의 스위칭 네트워크.
  5. 제 4항에서,
    네트워크 내부의 임의의 스위칭 소자를 제거하고 그 주의의 스위칭 소자들을 서로 연결하거나, 혹은 표면의 임의 스위칭 소자를 제거하고 그 소자에 연결되었던 연결선에 입출력 프로토콜프로세서나 시스템제어 프로세서를 연결한 것을 특징으로 하는 n-차원(n=2 인 정수)의 스위칭 네트워크.
  6. 제 5 항에서
    (n-1) 개의 좌표는 동일하고 나머지 하나의 좌표는 +1 또는 -1 차이가 나는 두 스위칭 소자들의 연결을 제거한 것을 특징으로 하는 n-차원(n=2 인 정수)의 스위칭 네트워크
  7. 제 5 항에서,
    상기 입출력 프로토콜 프로세싱 블록이 절단 링크 혹은 점핑 루트를 통해서 적어도 하나 이상의 상기 스위칭 소자에 연결되는 것을 특징으로 하는 n-차원(n=2 인 정수)의 스위칭 네크워크.
  8. 제 5 항에서,
    상기 시스템 제어 프로세서(들)이 절단 링크 혹은 점핑 루트를 통해서 적어도 하나 이상의 상기 스위칭 소자에 연결되는 것을 특징으로 하는 n-차원(n=2 인 정수)의 스위칭 네트워크.
  9. 제 6 항에서,
    임의의 상기 입출력 프로토콜프로세서가 절단 링크 혹은 점핑 루트를 통해서 적어도 하나 이상의 상기 스위칭 소자에 연결되는 것을 특징으로 하는 n-차원(n=2 인 정수)의 스위칭 네트워크.
  10. 제 6 항에서,
    임의의 상기 시스템 제어 프로세서가 절단 링크 혹은 점핑 루트를 통해서 적어도 하나 이상의 상기 스위칭 소자에 연결되는 것을 특징으로 하는 n-차원(n=2 인 정수)의 스위칭 네트워크.
  11. 제 5항에서,
    상기 각 스위칭 소자는 스위칭 제어기, 입력 버퍼, 출력 버퍼 및 각 입력 단자 당 하나의 입력 버퍼 모니터를 가지며, 각 입력버퍼에 제어 패킷이 도착했을 때 스위칭 제어기가 그 처리를 하는 것을 특징으로 하는 n-차원(n=2 인 정수)의 스위칭 네트워크.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 각 스위칭 소자는 출력 단자당 하나의 출력 버퍼 모니터를 가지며, 각 출력버퍼가 일정한 수준을 초과하였을 때 스위칭 제어기에게 알려 시스템 제어 프로세서로 가는 보고 데이터를 그 출력버퍼 혹은 다른 출력버퍼에 삽입 하는 것을 특징으로 하는 n-차원(n=2 인 정수)의 스위칭 네트워크.
  13. 제 11 항에 있어서,
    스위칭 제어기에 의한 제어 패킷 처리 결과가 임의의 출력 버퍼에 저장되는 것을 특징으로 하는 n-차원(n=2 인 정수)의 스위칭 네트워크.
  14. 제 11 항에 있어서,
    각 스위칭 소자는 다음 목적지가 완전히 찬 출력 버퍼가 되는 것을 피하며,
    완전히 찬 출력 버퍼 이외에는 다른 출력 버퍼를 찾을 수 없을 때 패킷을 버리는 동적 라우팅을 수행하는 것을 특징으로 하는 n-차원(n=2 인 정수)의 스위칭 네트워크.
  15. 제 14 항에 있어서,
    완전히 찬 출력 버퍼를 다음 목적지로 하는 패킷이 있는 경우, 그 패킷이 들어오거나 또는 라우팅을 위해 입력 버퍼의 맨 앞에 있으면, 그 패킷을 버리는 것을 특징으로 하는 n-차원(n=2 인 정수)의 스위칭 네트워크.
  16. 제 11 항에 있어서,
    소위칭 소자내부에 인접하지 않는 스위칭소자간의 연결을 출력단자마다 n-짝의 차이값 혹은 틀린 좌표축과 차이값의 짝들의 리스트 혹은 시스템 전체적으로 정해진 좌표축들의 차이값의 리스트로 저장하는 것을 특징으로 하는 n-차원(n=2 인 정수)의 스위칭 네트워크.
  17. 제 11 항에 있어서,
    인접하지 않는 스위칭 소자간의 연결정보를 각 스위칭 소자의 출력단자마다 n-짝의 차이값 혹은 틀린 좌표축과 차이값의 짝들의 리스트 혹은 시스템 전체적으로 정해진 좌표축들의 차이값의 리스트로 시스템제어 프로세서나 입출력 프로토콜프로세서블록에 저장하는 것을 특징으로 하는 n-차원(n=2 인 정수)의 스위칭 네트워크.
  18. 제 6 항에 있어서,
    각 스위칭 소자 또는 다수의 스위칭 소자가 장착된 스위칭 보드들이 임의의 세 개의 차원에 대응하여 3-차원으로 배열된 프레임들에 의해 한정되는 단위 셀들 내부에 소켓을 통해서 장착되며,
    프레임을 따라서 배선이 소켓에 형성되는 것을 특징으로 하는 n-차원(n=2 인 정수)의 스위칭 네트워크.
  19. 제 18 항에 있어서,
    프레임들 내부로 스위칭 소자에서 발생하는 열을 방열하기 위한 저온의 냉매가 흐르거나 프레임이 저온의 물체에 접촉되어서 열을 제거하는 경로로 사용되는 것을 특징으로 하는 n-차원(n=2 인 정수)의 스위칭 네트워크.
  20. 제 7 항에 있어서,
    각 스위칭 소자 또는 다수의 스위칭 소자가 장착된 스위칭 보드들이 임의의 세 개의 차원에 대응하여 3-차원으로 배열된 프레임들에 의해 한정되는 단위 셀들 내부에 소켓을 통해서 장착되며,
    프레임을 따라서 배선이 소켓에 형성되는 것을 특징으로 하는 n-차원(n=2 인 정수)의 스위칭 네트워크.
  21. 제 8 항에 있어서,
    각 스위칭 소자 또는 다수의 스위칭 소자가 장착된 스위칭 보드들이 임의의 세 개의 차원에 대응하여 3-차원으로 배열된 프레임들에 의해 한정되는 단위 셀들 내부에 소켓을 통해서 장착되며,
    프레임을 따라서 배선이 소켓에 형성되는 것을 특징으로 하는 n-차원(n=2 인 정수)의 스위칭 네트워크.
  22. 3-차원으로 배열된 프레임들;
    상기 각 차원의 프레임들에 의해서 한정되는 3-차원(n=2 인 정수)의 단위 셀들;
    상기 단위 셀들 내부에 장착된 스위칭 소자들을 포함하되,
    상기 단위 셀들 중 외부 표면에 존재하는 셀들 혹은 표면과 표면에서 일정 깊이에 존재 하는 셀들에 장착된 스위칭 소자에는 프로토콜 프로세싱 블록이 연결되고, 외부 트래픽 링크들이 상기 입출력 프로세싱 블록에 연결되는 것을 특징으로 하는 n-차원(n=3 인 정수)의 스위칭 시스템.
  23. 제 22항에서,
    상기 단위 셀들 중 일부에는 스위칭 소자가 장착되지 않는 것을 특징으로 하는 n-차원(n=3 인 정수)의 스위칭 시스템.
  24. 제 22 항에서,
    상기 단위 셀들의 교체를 용이하게 하기 위해서 프레임들의 표면 혹은 모서리에 교체를 위한 장비가 장착되는 안내 수단 더 포함하는 것을 특징으로 하는 n-차원(n=3 인 정수)의 스위칭 시스템.
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