RU2257678C2 - Module scaled commutator and method for distribution of frames in fast ethernet network - Google Patents
Module scaled commutator and method for distribution of frames in fast ethernet network Download PDFInfo
- Publication number
- RU2257678C2 RU2257678C2 RU2003126912/09A RU2003126912A RU2257678C2 RU 2257678 C2 RU2257678 C2 RU 2257678C2 RU 2003126912/09 A RU2003126912/09 A RU 2003126912/09A RU 2003126912 A RU2003126912 A RU 2003126912A RU 2257678 C2 RU2257678 C2 RU 2257678C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- data
- port
- port communication
- frame
- frames
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Small-Scale Networks (AREA)
- Data Exchanges In Wide-Area Networks (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к модульной, масштабируемой структуре для построения коммутаторов сетей быстрого Ethernet, обращающихся к общей шине распределения данных, и к методу распределения кадров в сети Ethernet в режиме “сохранить-и-переслать” (store-and-forward).The invention relates to a modular, scalable structure for building switches of fast Ethernet networks accessing a common data distribution bus, and to a method of distributing frames on an Ethernet network in a store-and-forward mode.
В настоящее время коммутаторы для сетей Ethernet, в особенности соответствующие стандарту IEEE 802.1D, основаны на двух различных подходах к реализации фильтрования и передачи кадров сети Ethernet, a именно:Currently, Ethernet switches, especially those that comply with the IEEE 802.1D standard, are based on two different approaches to the implementation of filtering and transmission of Ethernet network frames, namely:
a) на основе режима “сохранить-и-переслать” (store-and-forward)a) based on store-and-forward mode
b) на основе режима “отсечение-при-пересылке” (cut-through-forwarding).b) based on the cut-through-forwarding mode.
Коммутаторы, функционирующие в режиме “сохранить-и-переслать ”, как определено стандартом IEEE 802.3 (издание 1998 года), запоминают поступающие кадры данных полностью перед последующим их отправлением. Функции фильтрования выполняются в то время, когда кадры данных получены и/или содержатся в буфере. Такие функции фильтрования включают, например,Save-and-forward switches, as defined by the IEEE 802.3 standard (1998 edition), store incoming data frames completely before sending them again. The filtering functions are performed while the data frames are received and / or contained in the buffer. Such filtering functions include, for example,
- обнаружение адреса и определение порта получения (всегда);- Address discovery and determination of the receiving port (always);
- фильтрация кадров, содержащих ошибки, путем проверки CRC (Cycling Redundancy Check, контроль при помощи циклического избыточного кода) (всегда);- filtering frames containing errors by checking CRC (Cycling Redundancy Check, control using cyclic redundancy code) (always);
- обнаружение дефектных структур кадров (всегда), адресов, поля данных кадра, частоты передачи кадров (частично или никогда).- detection of defective frame structures (always), addresses, frame data fields, frame transmission frequencies (partially or never).
Поток данных в коммутаторах, функционирующих в режиме “сохранить-и-переслать” (а), схематично показан на Фиг.4.The data flow in the switches operating in the save-and-forward mode (a) is shown schematically in FIG. 4.
Входной буфер 40 требуется в этой структуре переключателя всегда. Такая буферизация данных серьезно влияет на работу соответствующего переключателя и может приводить состоянию блокировки. Кратковременные перегрузки, возникающие при соответствующей перегрузке принимающего порта, могут быть сбалансированы таким промежуточным звеном буферизации. Реализация распределения приемных портов зависит от соответствующей архитектуры. Одной из возможностей является обеспечение дополнительной буферизации кадров данных, связанных с приемным или передающим портом, как показано в виде дополнительного (необязательного) выходного буфера 41. Недостатком данной стратегии является то, что из-за промежуточного звена буферизации должно учитываться дополнительное время ожидания для всей системы.An input buffer 40 is always required in this switch structure. Such data buffering seriously affects the operation of the corresponding switch and can lead to a blocking state. Short-term congestion arising from the corresponding congestion of the receiving port can be balanced by such an intermediate buffer. The implementation of receive port allocation depends on the architecture concerned. One of the possibilities is to provide additional buffering of data frames associated with the receiving or transmitting port, as shown in the form of an additional (optional) output buffer 41. The disadvantage of this strategy is that, due to the intermediate buffer, additional latency should be taken into account for the entire system .
Выключатели типа “сохранить-и-переслать” обычно являются системами на основе процессора. Процессор или жесткая логика фильтрует данные множества портов, которые обрабатываются последовательно. Как правило, обработка выполняется копированием кадра данных в общую память коммутатора, к которому также имеет доступ процессор приемного порта.Save-and-forward switches are typically processor based systems. A processor or hard logic filters data from multiple ports that are processed sequentially. Typically, processing is performed by copying a data frame into the shared memory of the switch, which the receive port processor also has access to.
Согласно стратегии “отсечение-при-пересылке” (b) кадры данных отправляются немедленно после анализа адреса получателя, то есть без промежуточной буферизации. В сравнении с вышеупомянутой стратегией (a) время ожидания минимально, однако никакие сложные функции фильтрации не могут применяться, так как кадры данных передаются в реальном времени для распределения. Содержащие ошибки или искаженные кадры данных также передаются, и соответственно занимают дорогостоящую полосу пропускания в сети.According to the clipping-for-forwarding strategy (b), data frames are sent immediately after analysis of the recipient address, that is, without intermediate buffering. Compared to the aforementioned strategy (a), the latency is minimal, however, no complex filtering functions can be applied, since data frames are transmitted in real time for distribution. Erroneous or distorted data frames are also transmitted, and therefore occupy expensive network bandwidth.
Фиг.5 и Фиг.6 изображают две архитектуры, работающие согласно принципу разделяемой памяти, при котором все порты имеют доступ к общему полю памяти.5 and 6 depict two architectures operating according to the principle of shared memory, in which all ports have access to a common memory field.
Согласно структуре блока на Фиг.5, центральный компонент 50 ответствен за обработку и отправление всех поступающих кадров данных. Если число портов и/или темп обмена данных увеличивается, центральный компонент 50 может стать узким местом всей архитектуры. Кроме того, общая шина данных 51 обычно сильно загружена, так как все пересылки данных идут через упомянутую шину. Сначала поступающие кадры передаются через общую шину данных 51 в разделяемую память 52, а затем фильтруются и передаются центральным процессором в централизованном компоненте 50. Затем кадры данных распределяются из разделяемой памяти 52 через шину данных 51 к выходным портам 53. Соответственно, каждый кадр данных передается по шине 51 дважды. Это объясняет тот факт, что множитель "2" должен использоваться в следующем уравнении для оценки требуемой полосы пропускания:According to the block structure of FIG. 5, the
Ширина полосы пропускания=число портов ·частота входного потока· 2=3.2 Гбит/сек (для случая 16 портов по 100 Мбит/сек).Bandwidth = number of ports · frequency of the input stream · 2 = 3.2 Gbit / s (for the case of 16 ports of 100 Mbit / s).
Это уравнение справедливо, только если один кадр должен быть отправлен одному выходному порту (unicast). Для широковещательной передачи (multicast, один кадр к множеству выходов) требуемая ширина полосы соответственно увеличивается. Типичный пример прототипа коммутационной структуры Ethernet согласно методу “сохранить-и-переслать ” для 16 полных дуплексных, быстрых Ethernet каналов создан компанией LEVEL ONE, которая использует центральный сетевой процессор типа 1ХР1200.This equation is valid only if one frame should be sent to one output port (unicast). For broadcast transmission (multicast, one frame to multiple outputs), the required bandwidth increases accordingly. A typical example of a prototype Ethernet switching structure according to the save-and-forward method for 16 full duplex, fast Ethernet channels was created by LEVEL ONE, which uses a central network processor such as 1XP1200.
Фиг.6 показывает другой пример для упомянутого принципа разделяемой памяти, имеющий распределенную архитектуру. Все подмодули 60 работают независимо друг от друга, когда кадры данных должны быть отправлены только в пределах соответствующего узла. Соединение множества элементов блока предусмотрено через общую шину данных 61. Такая распределенная архитектура легче масштабируется, потому что увеличение числа портов 62 может быть осуществлено добавлением соответствующих подмодулей.6 shows another example for the aforementioned principle of shared memory having a distributed architecture. All
Типичный прототип этого типа архитектуры - это семейство GALNETII компании GALILEO TECHNOLOGIES, LTD. Предварительная обработка кадра и фильтрация на базе порт-за-портом (port-by-port-basis) обеспечивается жесткой логикой. Это, однако, ограничено всего лишь несколькими функциями, которые не могут быть изменены или расширены или запрограммированы пользователем. В частности, ограничивающим фактором этого типа архитектуры является ширина полосы высокоскоростного соединения (объединительная плата). Кроме того, из-за ограниченной полосы пропускания объединительной платы нужно учитывать значительное снижение скорости распределения кадров широковещательной передачи, если большее количество портов должно обслуживаться.A typical prototype of this type of architecture is the GALNETII family of GALILEO TECHNOLOGIES, LTD. Port preprocessing and port-by-port-based filtering is provided by tough logic. This, however, is limited to only a few functions that cannot be changed or expanded or programmed by the user. In particular, the limiting factor of this type of architecture is the bandwidth of the high-speed connection (backplane). In addition, due to the limited bandwidth of the backplane, a significant reduction in the distribution rate of broadcast frames should be considered if more ports are to be served.
Стратегия отсечения при пересылке была далее развита в так называемых переключателях ячеек канала. Входные кадры данных разделяются на блоки данных (ячейки равного размера), тем самым обеспечивая фиксированное время передачи в пределах распределительного узла переключателя. Это дает возможность обеспечить независимость пропускной способности от размера кадра данных, объема передаваемых данных и числа портов. В порте назначения осуществляется дефрагментация и реорганизация ячеек для того, чтобы восстановить первоначальный кадр данных, обычно осуществляемые перекопированием кадров данных в выходной буфер. Однако следует заметить, что распределение данных на основе ячеек не допустимо для приложений, критических с точки зрения безопасности, например в бортовой электронике.Forwarding clipping strategy was further developed in the so-called channel cell switches. Input data frames are divided into data blocks (cells of equal size), thereby providing a fixed transmission time within the distribution node of the switch. This makes it possible to ensure bandwidth independence on the size of the data frame, the amount of transmitted data and the number of ports. Cells are defragmented and reorganized at the destination port in order to restore the original data frame, usually done by copying the data frames to the output buffer. However, it should be noted that cell-based data distribution is not acceptable for safety critical applications, such as on-board electronics.
Наконец, что касается прототипов, полностью отличающийся метод распределения кадров данных реализуется в коммутаторах, построенных на базе заказных БИС, как показано на Фиг.7. После анализа целевого адреса или адреса получателя соединение точка-точка устанавливается через коммутационную матрицу. По сравнению с концепцией шины, кратко описанной выше, концепция коммутационной матрицы имеет преимущество, состоящее в том, что она допускает одновременное существование множества соединений, то есть полоса пропускания увеличивается по запросу. Однако это преимущество может быть реализовано только тогда, когда нет необходимости в передаче кадров нескольким портам одновременно (широковещание). В этом случае полное распределение данных блокировано, пока каждый из приемных портов не освободится для получения соответствующего кадра данных.Finally, with regard to prototypes, a completely different method for distributing data frames is implemented in switches built on the basis of custom LSIs, as shown in Fig. 7. After analyzing the destination address or the destination address, a point-to-point connection is established through the switching matrix. Compared to the bus concept briefly described above, the switching matrix concept has the advantage that it allows multiple connections to exist simultaneously, that is, the bandwidth is increased upon request. However, this advantage can only be realized when there is no need to transmit frames to several ports at the same time (broadcasting). In this case, the full distribution of the data is blocked until each of the receiving ports is freed to receive the corresponding data frame.
Типичный пример этого типа архитектуры - семейство LS100/LS101 компании l-Cube. Ltd.A typical example of this type of architecture is the l-Cube LS100 / LS101 family. Ltd.
Технология коммутирующей матрицы имеет следующие преимущества:The technology of the switching matrix has the following advantages:
- Высокая производительность данных, так как множество соединений может существовать одновременно;- High data performance, as many connections can exist simultaneously;
- Малые задержки;- Small delays;
- Допускается последовательная коммутация;- Serial switching is allowed;
- Простота аппаратной реализации, то есть высокая надежность.- Simplicity of hardware implementation, that is, high reliability.
Недостатками этой технологии, с другой стороны, являются:The disadvantages of this technology, on the other hand, are:
- Требуется большое число выводов (число портов *2* ширина шины интерфейса порта), что означает, что масштабируемость ограничена;- A large number of pins is required (number of ports * 2 * bus width of the port interface), which means that scalability is limited;
- Отсутствует концентрация полосы пропускания, если кадры должны быть отправлены нескольким портам получателям;- There is no concentration of bandwidth if frames should be sent to multiple ports to recipients;
- Отказ элемента коммутационной матрицы влечет полный выход из строя коммутатора;- Failure of the switching matrix element entails a complete failure of the switch;
- Не существует возможности программируемой обработки кадров на базе портов.- There is no programmable port-based frame processing capability.
Целью изобретения является усовершенствование коммутаторов быстрого Ethernet, а также известных методов распределения кадров данных Ethernet, таким образом, что большая гибкость управления распределением данных при минимальной задержке может быть достигнута на основе концепции “сохранить-и-переслать”.The aim of the invention is to improve fast Ethernet switches, as well as well-known methods for distributing Ethernet data frames, so that greater flexibility in managing data distribution with minimal delay can be achieved based on the concept of “save-and-forward”.
В соответствии с изобретением, модульная масштабируемая структура для разработки коммутаторов быстрого Ethernet достигается применением высокой гибкости индивидуальной передачи или широковещательной передачи с минимальным числом пакетов, желательно в одном пакете, то есть за один цикл передачи, выполняя, в соответствии с пунктом 1 формулы изобретения, каждый коммутатор Ethernet как индивидуально программируемый модуль с одним коммуникационным портом.In accordance with the invention, a modular scalable structure for developing fast Ethernet switches is achieved by the use of high flexibility of individual transmission or broadcasting with a minimum number of packets, preferably in one packet, that is, in one transmission cycle, performing, in accordance with
Выгодные варианты конструкции, модификации и усовершенствования являются предметом зависимых пунктов формулы изобретения и объясняются необходимыми ссылками на фигуры в описании.Advantageous design options, modifications and improvements are the subject of the dependent claims and are explained by the necessary references to the figures in the description.
Метод распределения кадров данных Ethernet, организованный в режиме “сохранить-и-переслать”, характеризуется, в соответствии с пунктом 8 формулы изобретения, построением модульной масштабируемой структуры, состоящей из индивидуально программируемых однопортовых модулей связи, которые организованы для внутренней передачи кадров данных таким образом, что каждый порт после приема, сохранения и проверки целостности кадра данных конкурирует за доступ к высокоскоростной шине обмена данными, для чего используется схема арбитража на основе номера и идентификатора порта. Затем соответствующий кадр данных передается одному или нескольким приемным (выходным) портам, предпочтительно в течение одного цикла кадра данных. Выходные порты независимо решают, согласно статусу связанного выходного буфера, следует принимать или отбрасывать соответствующий переданный кадр данных.The method of allocating Ethernet data frames organized in a save-and-forward mode is characterized, in accordance with
Желательно, чтобы кадры данных, полученные одним модулем связи, были отфильтрованы в реальном времени, по крайней мере, по полосе пропускания, размеру кадра и полям адреса кадра, в частности, управляющим процессором с уменьшенным набором команд (RISC). Это выгодно, если указанный управляющий процесс, в соответствии с изобретением, может быть оперативно изменен в отношении объема фильтрации с помощью перезагружаемых конфигурационных параметров.It is desirable that the data frames received by one communication module be filtered in real time, at least by bandwidth, frame size and field address fields, in particular, a control processor with a reduced instruction set (RISC). This is advantageous if the specified control process, in accordance with the invention, can be promptly changed in relation to the amount of filtering using resettable configuration parameters.
Особенно выгодное свойство изобретения состоит в том, что, по крайней мере один из данных однопортовых модулей связи может быть специально назначен, согласно специальным таблицам конфигурации, или до начала, или во время функционирования, для мониторинга потока информации, для того, чтобы осуществлять фильтрацию и захват некоторых кадров данных для анализа потока информации без затрат дополнительной полосы пропускания на соединительной плате.A particularly advantageous feature of the invention is that at least one of these single-port communication modules can be specially assigned, according to special configuration tables, either before, or during operation, to monitor the flow of information in order to filter and Capturing some data frames to analyze information flow without the cost of additional bandwidth on the backplane.
Еще одно преимущество изобретения состоит в том, что любая необходимая максимальная задержка коммутатора, имеющая значение меньшее, чем заранее заданное, определяется только размером выходной очереди однопортового модуля связи. Определенное преимущество может быть достигнуто при использовании данного изобретения в том случае, если все, или хотя бы один из данных однопортовых модулей связи сконфигурирован для выполнения одной или нескольких административных и/или управляющих функций, например, путем исполнения простого протокола управления сетью (SNMP), управляющей базы данных (МIВ), в особенности для организации структуры Ethernet коммутатора, обеспечивающей необходимые сетевые адреса и/или последовательности уровня приложения, то есть доступные для сетевого уровня через любой однопортовый модуль связи.Another advantage of the invention is that any required maximum switch delay having a value less than a predetermined one is determined only by the size of the output queue of the single-port communication module. A certain advantage can be achieved by using the present invention if all or at least one of these single-port communication modules is configured to perform one or more administrative and / or control functions, for example, by executing a simple network management protocol (SNMP), a management database (MIB), in particular for organizing the Ethernet switch structure, providing the necessary network addresses and / or sequences of the application level, that is, available for the network level I am through any single-port communication module.
Особое преимущество изобретения состоит в том, что структуры данных, полученные от определенного однопортового модуля связи, являются обработанными в реальном времени фильтрованием, по крайней мере относительно полосы пропускания, размера кадра и адресов кадра, путем обработки на сокращенном наборе команд, работающей на сетевом уровне два, то есть на уровне управления доступом к среде передачи (MAC).A particular advantage of the invention is that the data structures received from a particular single-port communication module are real-time filtered, at least with respect to bandwidth, frame size and frame addresses, by processing on a reduced set of instructions operating at the network layer two , that is, at the media access control (MAC) level.
В дальнейшем, чтобы избежать избыточных объяснений для хорошо осведомленного читателя, будут использоваться сокращения, которые, однако, объяснены в тексте.In the future, in order to avoid redundant explanations for the knowledgeable reader, abbreviations will be used, which, however, are explained in the text.
Изобретение, выгодные детали и варианты конструкции его будут описаны ниже со ссылками на сопроводительные фигуры, на которых:The invention, advantageous details and design options will be described below with reference to the accompanying figures, in which:
На Фиг.1 изображена функциональная схема однопортового модуля связи согласно изобретению;Figure 1 shows a functional diagram of a single-port communication module according to the invention;
На Фиг.2 показаны блоки взаимодействия функциональных элементов программного обеспечения, как пример для типичных однопортовых модулей связи согласно изобретению;Figure 2 shows the blocks of interaction of functional elements of the software, as an example for typical single-port communication modules according to the invention;
На Фиг.3 показана блок-схема распределения типа “сохранить-и-переслать”;Figure 3 shows a block diagram of a save-and-forward distribution;
На Фиг.4 отображен принцип стратегии “сохранить-и-переслать” согласно изобретению (уже объяснен);Figure 4 shows the principle of the strategy “save-and-forward" according to the invention (already explained);
На Фиг.5 показана централизованная архитектура для обработки и отправления поступающих кадров данных с использованием разделяемой памяти согласно прототипу (уже объяснено);Figure 5 shows a centralized architecture for processing and sending incoming data frames using shared memory according to the prototype (already explained);
На Фиг.6 показана распределенная архитектура построения Ethernet коммутаторов согласно прототипу, включающая независимые подузлы (уже объяснено);Figure 6 shows the distributed architecture for building Ethernet switches according to the prototype, including independent subnodes (already explained);
На Фиг.7 показано построение Ethernet коммутатора на базе заказной БИС для соединений типа “точка-точка” с коммутационной матрицей согласно прототипу (уже объяснено).Figure 7 shows the construction of an Ethernet switch based on a custom LSI for point-to-point connections with a switching matrix according to the prototype (already explained).
Структура оборудования типичного примера конструктивного исполнения в соответствии с изобретением и его взаимодействие с типовыми элементами программного обеспечения описаны далее со ссылками на Фиг.1, 2 и 3.The equipment structure of a typical embodiment in accordance with the invention and its interaction with typical software elements are described below with reference to Figs. 1, 2 and 3.
В функциональной схеме блока Фиг.1 сигналы Ethernet подаются, к примеру, через экранированную витую пару на каждое направление с гальваническим разделением посредством магнитной развязки в трансформаторе 12. Далее следует в качестве физического устройства приемопередатчик 13, то есть Ethernet передатчик/приемник, ответственный, среди прочего, за преобразование кода последовательного в параллельный и обратно и за управление кодированием в канале. Приемопередатчик 13 связан с Ethernet блоком управления доступом к передающей среде (MAC) 1, который содержит центральный процессорный элемент с сокращенным набором команд (RISC CPU). В этом блоке MAC+RISC CPU 1, отвечающем за структурирование и обработку поступающих кадров Ethernet, центральный процессорный элемент CPU осуществляет пошаговое исполнение в каждом цикле команды из сокращенного набора. Блок 14 является последовательным интерфейсом согласно протоколу RS-232, с асинхронными стартовым и стоповым битами и контролем четности, соответствующим СОМ интерфейсу персонального компьютера с максимальной скоростью 115 кбид. MAC+RISC CPU 1 связан через системную шину, состоящую, например, из 32 битов, с одной стороны, с двухпортовым оперативным запоминающим устройством (DPRAM) 4, а с другой стороны - с динамическим оперативным запоминающим устройством (DRAM) 3, который взаимодействует с функциональным модулем прямого доступа к памяти (DMA) 2, осуществляющим пересылки память - память независимо от CPU 1. Стираемое программное постоянное запоминающее устройство (EPROM) 6 связано через системную шину с CPU 1, DRAM 3 и DPRAM 4. DPRAM 4 и последующая логика распределения кадров 5, включая быстродействующий арбитр 9, обслуживают однопортовые модули связи, образующие коммутатор Ethernet согласно изобретению на Фиг.3, соединенные, с одной стороны, со скоростной шиной данных 10, а с другой стороны, через быстродействующий арбитр 9 - с шиной арбитража и управления 11.In the functional diagram of the unit of FIG. 1, Ethernet signals are fed, for example, through a shielded twisted pair cable to each direction with galvanic isolation by magnetic isolation in the transformer 12. Next, as a physical device, transceiver 13, that is, an Ethernet transmitter / receiver, responsible, among among other things, for converting serial code to parallel and vice versa, and for channel coding control. The transceiver 13 is connected to the Ethernet by the medium access control (MAC)
Типовые функциональные элементы программного обеспечения однопортовых модулей связи согласно изобретению показаны на Фиг.2. Эти функциональные элементы программного обеспечения включают:Typical software functional elements of single-port communication modules according to the invention are shown in FIG. 2. These functional elements of the software include:
- таблицы конфигурации 20, содержащиеся в стираемом постоянном запоминающем устройстве (EPROM), определяющие функции модулей;- configuration tables 20 contained in an erasable read-only memory (EPROM) defining the functions of the modules;
- операционная система реального времени 21;- real-
- загрузчик 22 для загрузки конфигурации и заданий, их проверки и связи с блоком обслуживания/пользователя;-
- функция управления и блоки приложений 23, которые являются модулем (модулями) программного обеспечения для управления, регистрации и т.д. эксплуатационных параметров;- control function and application blocks 23, which are the module (modules) of the software for management, registration, etc. operational parameters;
- Простой протокол управления сети (SNMP) в блоке 25, то есть протокол для передачи / обмена эксплуатационными параметрами;- Simple Network Management Protocol (SNMP) in
- База данных управления (MIВ) 24, включая систему для классификации и кодирования эксплуатационных параметров;- Management Database (MIB) 24, including a system for classifying and coding operational parameters;
- блок стека протоколов 26, необходимый для установления соединения и обмена данными, включая протокол управления передачей (TCP), протокол данных пользователя (UDP) и протокол Интернета (IP);- a
- множество модулей программного обеспечения 27 для контроля и тестирования сети, а также трафика данных;-
- программно-аппаратный модуль 28 для коммутации и мониторинга порта, т.е. для коммутации кадров Ethernet и для отображения обмена данными на порт/канал.- hardware-
В данном контексте фильтрация потока информации означает фильтрование данных согласно определенным критериям, например размеру кадра, адресам и т.д. Услуги управления стратегией (policing services) относятся к управлению/мониторингу потока данных по отношению к определенной скорости передачи данных и полосе пропускания.In this context, filtering information flow means filtering data according to certain criteria, for example, frame size, addresses, etc. Policing services relate to the management / monitoring of data flow in relation to a specific data rate and bandwidth.
Ниже описан принцип действия.The principle of operation is described below.
При использовании программируемых однопортовых модулей связи согласно изобретению для коммутаторов быстрого Ethernet процесс передачи является строго последовательным по своей природе, соответствует дисциплинам экономии нагрузки (work-conserving service disciplines) и организован в режиме “сохранить-и-переслать”, упомянутому выше. Контроль целостности кадра до начала процесса передачи предполагает механизм “сохранить-и-переслать ”. Чтобы обеспечивать максимум определенности, как требуется, например, в бортовом оборудовании, этот проект согласно изобретению предполагает выполнение по строго заданной схеме.When using the programmable single-port communication modules according to the invention for fast Ethernet switches, the transmission process is strictly sequential in nature, corresponds to the work-conserving service disciplines and is organized in the “save-and-forward” mode mentioned above. Monitoring the integrity of the frame before the start of the transmission process involves a save-and-forward mechanism. To ensure maximum certainty, as required, for example, in on-board equipment, this project according to the invention involves the implementation of a strictly defined scheme.
Механизм работает таким образом, что порт после получения и обработки корректного и полного кадра, т.е. после фильтрации потока данных, отработки стратегии, обновляет (внутренний) заголовок этого кадра вместе с соответствующей информацией об отправлении (САМ-вектор) в буфере кадра, то есть в DPRAM 4, так, чтобы эта структура была промаркирована для отправления. Это выполняется скоростной логикой распределения кадров коммутатора 5, которая, как показано на Фиг.1, имеет также доступ к DPRAM 4.The mechanism works in such a way that the port after receiving and processing the correct and full frame, i.e. after filtering the data stream, working out the strategy, it updates the (internal) header of this frame together with the corresponding sending information (CAM vector) in the frame buffer, that is, in
По завершении состязания за доступ к скоростной внутренней шине распределения данных коммутатора 10 логика распределения данных/кадра 5 теперь передает полный кадр одному (unicast) или нескольким (multicast) выходным портам назначения одним пакетом в соответствии с заданным вектором САМ. Любой выходной порт независимо решает, в соответствии со статусом его выходного буфера, который вновь является портом, связанным с DPRAM 4, принимать или отбросить отправляемый кадр в соответствии с требованиями внутренней задержки, объясненными ниже детально.Upon completion of the contest for access to the high-speed internal data distribution bus of
В качестве примера для коммутатора с 16 портами, скорость передачи по проводам определяет внутреннее время передачи кадра приблизительно в 420 нсек на кадр (то есть 16·148800 кадров минимального размера в секунду=2,4 миллионов кадров в секунду).As an example for a switch with 16 ports, the wire speed determines the internal frame transmission time of approximately 420 nsec per frame (i.e. 16 · 148800 frames of minimum size per second = 2.4 million frames per second).
Скорость передачи данных по шине распределения данных 10 достаточно высока, чтобы обслуживать все порты ("например, до 16 портов), постоянно передавая 64-байтовые кадры с проводной скоростью. Благодаря структуре однопортового модуля, услуги фильтрования потока данных порта могут легко быть осуществлены в реальном времени, в режиме кадр-за-кадром, что предполагает, что требуемая скорость передачи коммутатора зависит только от скорости передачи по шине 10 (соединительная панель).The data transfer speed on the
Процесс передачи через логику распределения кадров 5 работает следующим образом:The transmission process through the
Внутренний механизм распределения данных работает так, что порт, получив и проверив полный фрейм, хранящийся в DPRAM 4, конкурирует за доступ к скоростной шине распределения данных 10 модуля. Децентрализованные скоростные арбитры 9, установленные в узле логики распределения кадров 5 каждого порта модуля связи, согласно схеме справедливого арбитража (fair arbitration scheme) предоставляет доступ на шину 10 в соответствии с номером порта или его идентификатором. Затем порт передает кадр одному (unicast) или нескольким (multicast) выходным портам одним пакетом. Каждый выходной порт, в соответствии со статусом его буфера, независимо решает, принять или отбросить передаваемый кадр.The internal data distribution mechanism works so that the port, having received and verified the full frame stored in
В соответствии с изобретением максимальное время ожидания может быть конфигурироваться, как объяснено ниже:In accordance with the invention, the maximum latency can be configured, as explained below:
Время ожидания определено как разность между временем прибытия первого бита кадра и временем отправления первого бита последнего экземпляра того же самого кадра из переключателя, где термин “последний экземпляр” относится к широковещательной пересылке, когда копируемые кадры могут покидать коммутатор в разные моменты времени.Latency is defined as the difference between the arrival time of the first bit of a frame and the departure time of the first bit of the last instance of the same frame from the switch, where the term “last instance” refers to broadcast, when the copied frames can leave the switch at different points in time.
Как описано ниже, любая дополнительная задержка из-за внутренней обработки данных коммутатора и функций отправления равна нулю, и любое требуемое максимальное время ожидания меньше чем tbd <так в оригинале - прим. перев.> миллисекунд определяется размером выходной очереди коммутатора, размещенной только в DPRAM 4.As described below, any additional delay due to internal processing of the switch data and sending functions is zero, and any required maximum latency is less than tbd <so in the original - approx. > milliseconds is determined by the size of the output queue of the switch located only in
Пример:Example:
Требуемое максимальное время ожидания должно быть 1 мсек. Для кадров с 64 байтовыми MAC размерами данных размеры выходных очередей должны быть рассчитаны такими, чтобы они могли содержать 149 кадров, в точном соответствии со скоростью передачи в среде 100 Мбит/сек с межкадровым интервалом 96 битов. Для кадров, имеющих длину большую, чем 64 байта, число кадров, хранящихся в выходных очередях, соответственно уменьшается. Это происходит вследствие того, что число кадров, которые могут быть переданы при установленной скорости в среде 100 Мбит/сек, в пределах интервала TR=1 мсек уменьшается при увеличении длины кадров.The required maximum latency should be 1 ms. For frames with 64 byte MAC data sizes, the size of the output queues should be calculated so that they can contain 149 frames, in strict accordance with the transmission speed in the environment of 100 Mbit / s with an inter-frame interval of 96 bits. For frames having a length greater than 64 bytes, the number of frames stored in the output queues correspondingly decreases. This is due to the fact that the number of frames that can be transmitted at a set speed in the medium of 100 Mbit / s, within the interval T R = 1 ms decreases with increasing frame length.
В результате выходные очереди DPRAM 4 имеют емкостьAs a result,
149*(размер внутреннего блока сообщения для 64-байтовых кадров) [байтов].149 * (message block internal size for 64 byte frames) [bytes].
В зависимости от статуса/уровня выходной очереди (выходных очередей), любой порт независимо решает, принимать или отказаться от кадра, отправленного внутренней логикой распределения данных. Размер выходной очереди однопортового модуля связи конфигурируется программным обеспечением или загрузкой параметров конфигурации в процессе работы.Depending on the status / level of the output queue (output queues), any port independently decides whether to accept or refuse a frame sent by the internal data distribution logic. The size of the output queue of a single-port communication module is configured by software or by loading configuration parameters during operation.
Далее описаны программируемые функции:The following describes the programmable functions:
Возможность мониторинга потока данных: полагая, что число однопортовых модулей равно n, один или несколько из них могут выполнять эту задачу. Основная цель такого порта контроля состоит в том, чтобы фильтровать и захватывать некоторые кадры для анализа потока.Ability to monitor data flow: assuming that the number of single-port modules is n, one or more of them can perform this task. The main purpose of such a control port is to filter and capture some frames for flow analysis.
Порт контроля имеет особую таблицу конфигурации, которая позволяет выбирать, какой MAC адрес назначения среди группы входных портов, кроме самого порта контроля, должен быть перекопирован на выход порта контроля. Таблица конфигурации 20 разрешает выбирать один или более MAC адресов, которые достигают коммутатора, и отсылать их через порт контроля.The control port has a special configuration table that allows you to choose which destination MAC address among the group of input ports, except for the control port itself, should be copied to the control port output. Configuration table 20 allows you to select one or more MAC addresses that reach the switch and send them through the control port.
Все порты, не назначенные на мониторинг потока данных, постоянно посылают копию каждого полученного годного кадра в порт контроля, не занимая дополнительную полосу пропускания высокоскоростной шины передачи данных 10. Это обеспечивается благодаря встроенным широковещательным свойствам шины данных, описанным выше. Таблица конфигурации порта контроля определяет, какой из этих кадров должен быть отобран для передачи, например, по MAC адресу назначения. Все другие кадры игнорируются. Поэтому изменения в конфигурации мониторинга не влияют на таблицы передачи, связанные со всеми другими портами.All ports that are not assigned to monitor data flow constantly send a copy of each received valid frame to the control port, without occupying the additional bandwidth of the high-
Способности фильтрования/стратегии потока: Каждый полученный кадр может быть оценен относительно определенных прикладных параметров, записанных в таблице конфигурации в накопителе EPROM 6. Поскольку функции фильтрования/стратегии осуществляются программно из-за доступности одного MAC+RISC CPU 1 на каждый порт, то любой алгоритм может применяться в зависимости от специфических прикладных требований. В бортовом оборудовании важные услуги фильтрования расширяются на (но не ограничиваются этим):Filtering abilities / flow strategies: Each received frame can be evaluated with respect to certain application parameters recorded in the configuration table in the EPROM 6 drive. Since the filtering / strategy functions are implemented programmatically due to the availability of one MAC +
- полосу пропускания и контроль дрожания (jitter);- bandwidth and jitter control;
- контроль длины кадра;- control the frame length;
- контроль адреса кадра;- control of the frame address;
- контроль данных кадра, и другие.- control of frame data, and others.
Например, контроль полосы пропускания и контроль дрожания могут быть выполнены благодаря введению величины бюджета, ассоциированной с кадром, которая базируется на следующих параметрах:For example, bandwidth control and jitter control can be performed by introducing the budget amount associated with the frame, which is based on the following parameters:
- интервал полосы пропускания (выраженный в секундах), связанный с определенным MAC адресом,- bandwidth interval (expressed in seconds) associated with a specific MAC address,
- максимальное значение величины бюджета согласно значению дрожания, выраженному в секундах, ассоциированное с определенным MAC адресом.- the maximum value of the budget according to the jitter value, expressed in seconds, associated with a specific MAC address.
Основной концепцией и целью описанной архитектуры коммутатора согласно изобретению является обеспечение оптимальной полосы пропускания и производительности обработки данных по всем функциональным блокам между любой парой портов входа и выхода, так, чтобы могла быть достигнута установившаяся (sustained) проводная скорость. Это включает производительность функции фильтрования/стратегии потока данных порта, главным образом достигнутой (как пример) 32-битовыми MAC+RISC CPU 1, выделенными каждому порту.The main concept and purpose of the described architecture of the switch according to the invention is to provide optimal bandwidth and data processing performance for all functional blocks between any pair of input and output ports, so that a sustained wire speed can be achieved. This includes the performance of the filter function / port data flow strategy, mainly achieved (as an example) by the 32-bit MAC +
Можно привести пример для оценки работы:You can give an example to evaluate the work:
Максимальная нагрузка на входной порт коммутатора образуется при приеме кадров минимального размера, к примеру, 64 байтов поля данных MAC, соответствующих 18 байтам данных пользователя с применением протокола UDP/IP, с минимальным межкадровым промежутком в 12 байтов. При скорости передачи информации в среде, к примеру, 100 Мбит/сек, это дает 149 кадров/мсек. Согласно структуре кадра MAC no стандарту IEEE 802.3 и без признака заголовка по стандарту 802.1 p/1Q, имеющего размер 4 байта, полный размер MAC кадра составляет 84 байта.The maximum load on the input port of the switch is formed when receiving frames of the minimum size, for example, 64 bytes of the MAC data field corresponding to 18 bytes of user data using the UDP / IP protocol, with a minimum inter-frame gap of 12 bytes. At a speed of information transfer in the medium, for example, 100 Mbit / s, this gives 149 frames / ms. According to the MAC frame structure of the IEEE 802.3 standard and without the 802.1 p / 1Q header attribute of 4 bytes, the total MAC frame size is 84 bytes.
Устройства Ethernet MAC, установленные в каждом порту коммутатора, способны сохранять не только единицу данных MAC протокола, но также и так называемый внутренний блок сообщения, который также включает CRC поле, MAC адреса источника и назначения, поле типа/длины, также как и другую специальную информацию, например, метки времени, статус, указатели, вектор САМ и т.д., используемую для управления коммутаторами. В худшем случае минимальный размер внутреннего блока сообщений состоит из 128 байтов (=32·4 байта, то есть 32 битовое слово <так в оригинале, прим. перев.>), мощность обработки RISC процессора, необходимая для управления полосой пропускания, то есть стратегии расчета бюджета, так же как и для обновления блока сообщений, достигнет нижеследующего значения инструкций в секунду (IPS):Ethernet MAC devices installed in each port of the switch are capable of storing not only the MAC protocol data unit, but also the so-called internal message block, which also includes a CRC field, source and destination MAC addresses, type / length field, as well as other special information, such as time stamps, status, pointers, the CAM vector, etc., used to control the switches. In the worst case, the minimum size of the internal message block consists of 128 bytes (= 32 · 4 bytes, that is 32 bit word <so in the original, approx. Transl.>), The processing power of the RISC processor needed to control the bandwidth, that is, the strategy the budget calculation, as well as for updating the message block, will reach the following instructions per second (IPS) value:
Оставшаяся типовая функция фильтрации потока, то есть фильтрация кадров по MAC адресу назначения, может быть оценена в дополнительные ~2.25 MIPS, таким образом, полная нагрузка на процессор достигает ~10 MIPS для порта, работающего на полной проводной скорости и минимальным размером кадра. При использовании одного MAC+RISC процессора 1 на один порт при 10 MIPS, фильтрация кадров в реальном времени в режиме кадр-за-кадром, может быть обеспечена даже на полной проводной скорости.The remaining typical stream filtering function, that is, frame filtering by destination MAC address, can be estimated at an additional ~ 2.25 MIPS, so the total processor load reaches ~ 10 MIPS for a port operating at full wired speed and a minimum frame size. When using one MAC +
Время, необходимое для фильтрации потока данных одного кадра, будет составлятьThe time required to filter the data stream of one frame will be
10 MIPS/149·103 кадров ≈67 IPS/кадр, что дает на 1,34 мксек при времени цикла процессора 20 нсек, то есть для 50-мегагерцового RISC процессора 1; при 33 мегагерцах время вычисления достигнет 67·33 нсек=2.2 мксек.10 MIPS / 149 · 10 3 frames ≈67 IPS / frame, which gives 1.34 μs with a processor cycle time of 20 nsec, that is, for a 50
Полученные кадры передаются в DRAM 3 контроллером прямого доступа к памяти, входящего в состав MAC+RISC CPU 1. На полной проводной скорости кадры с 64 байтами данных MAC имеют продолжительность передачи кадра ~5.76 мксек, за которым следует интервал 0.96 мсек для 12 октетов межкадрового промежутка. Это дает полное минимальное время передачи 6.72 мксек на один кадр.The received frames are transmitted to DRAM 3 by the direct memory access controller, which is part of MAC +
Таким образом, используется только 1.34/6.72=20% (для 2.2/6.72=33%, соответственно) минимального времени передачи кадра, что фактически означает, что любая дополнительная задержка из-за внутренней обработки данных коммутатора и функции отправления равна нулю, и требуемое максимальное время ожидания меньше чем 1 мсек определяется только длиной выходной очереди коммутатора.Thus, only 1.34 / 6.72 = 20% (for 2.2 / 6.72 = 33%, respectively) of the minimum frame transmission time is used, which actually means that any additional delay due to the internal processing of the switch data and the sending function is zero, and the required the maximum latency of less than 1 ms is determined only by the length of the output queue of the switch.
Это утверждение справедливо только при времени t0=0 для кадра, полностью переданного и сохраненного в DPRAM 4. Затем немедленно начинается процесс фильтрования кадра и выполняется параллельно с процессом получения следующего кадра в MAC+RISC CPU 1 (действие трубопровода).This statement is valid only at time t 0 = 0 for a frame that is completely transmitted and stored in
Далее описаны возможности функции управления сетью:The following are the features of the network management function:
Модульная архитектура коммутатора согласно изобретению обеспечивает возможность доступа к внутренней открытой информации через простой протокол управления сети (SNMP), к базе информации управления (MIB) путем, например, использования протокола данных пользователя/протокола Интернет (UDP/IP) и простого протокола управления сетью на MAC+RISC CPU 1 любого порта, что обозначено ссылкой 8 на Фиг.2. Интерфейс организован так, что SNMP протокол используется для получения этой информации.The modular architecture of the switch according to the invention allows access to internal public information through a simple network management protocol (SNMP), to a management information database (MIB) by, for example, using a user data / Internet protocol (UDP / IP) and a simple network management protocol on MAC +
Для того, чтобы внутренней трафик SNMP не занимал слишком широкую часть полосы пропускания соединительной платы коммутатора, что может снизить быстродействие, т.е. увеличить время ожидания, вместо этого может использоваться шина разделяемой памяти прямого интерфейса памяти (DMI) 2. Блок DMI 2 обеспечивает разделение, к примеру, 16-битовой шины и обеспечивает обмен данными, хранящимися в локальной памяти каждого процессора, то есть DRAM 3, EPROM 6 и DPRAM 4.To ensure that the internal SNMP traffic does not occupy too much of the bandwidth of the switch connecting board, which can reduce the speed, i.e. increase the waiting time, instead, the shared memory bus of the direct memory interface (DMI) 2 can be used. The DMI 2 block provides separation of, for example, the 16-bit bus and allows the exchange of data stored in the local memory of each processor, that is, DRAM 3, EPROM 6 and
Далее, в случае отказа порта в рамках его коммутационных услуг, этот подход все еще позволяет контролировать MAC+RISC CPU 1, получая информацию о статусе/ошибках на соответствующем дефектном порту, который не будет обеспечивать, к примеру, смешанный поток данных с информацией о статусе на соединительной плате.Further, in the event of a port failure as part of its switching services, this approach still allows you to control the MAC +
Claims (14)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2003126912/09A RU2257678C2 (en) | 2001-01-31 | 2001-01-31 | Module scaled commutator and method for distribution of frames in fast ethernet network |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2003126912/09A RU2257678C2 (en) | 2001-01-31 | 2001-01-31 | Module scaled commutator and method for distribution of frames in fast ethernet network |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2003126912A RU2003126912A (en) | 2005-02-20 |
RU2257678C2 true RU2257678C2 (en) | 2005-07-27 |
Family
ID=35218592
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2003126912/09A RU2257678C2 (en) | 2001-01-31 | 2001-01-31 | Module scaled commutator and method for distribution of frames in fast ethernet network |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2257678C2 (en) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2497292C2 (en) * | 2007-09-03 | 2013-10-27 | Эрбюс Операсьон | Device of frame switching |
RU2620728C1 (en) * | 2015-12-16 | 2017-05-29 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Академия Федеральной службы охраны Российской Федерации" (Академия ФСО России) | Modular scale ethernet switch with package aggregation |
RU175722U1 (en) * | 2017-03-01 | 2017-12-15 | Общество с ограниченной ответственностью "КЬЮТЭК" | Ethernet switch |
RU187250U1 (en) * | 2018-11-28 | 2019-02-26 | Общество с ограниченной ответственностью "БУЛАТ" | Ethernet switch |
RU2806827C1 (en) * | 2023-05-11 | 2023-11-08 | Закрытое акционерное общество "НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ ФИРМА "ДОЛОМАНТ" ЗАО "НПФ "ДОЛОМАНТ" | Modular network switch (variants) |
-
2001
- 2001-01-31 RU RU2003126912/09A patent/RU2257678C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2497292C2 (en) * | 2007-09-03 | 2013-10-27 | Эрбюс Операсьон | Device of frame switching |
RU2620728C1 (en) * | 2015-12-16 | 2017-05-29 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Академия Федеральной службы охраны Российской Федерации" (Академия ФСО России) | Modular scale ethernet switch with package aggregation |
RU175722U1 (en) * | 2017-03-01 | 2017-12-15 | Общество с ограниченной ответственностью "КЬЮТЭК" | Ethernet switch |
RU187250U1 (en) * | 2018-11-28 | 2019-02-26 | Общество с ограниченной ответственностью "БУЛАТ" | Ethernet switch |
RU2806827C1 (en) * | 2023-05-11 | 2023-11-08 | Закрытое акционерное общество "НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ ФИРМА "ДОЛОМАНТ" ЗАО "НПФ "ДОЛОМАНТ" | Modular network switch (variants) |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2003126912A (en) | 2005-02-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP1356640B1 (en) | Modular and scalable switch and method for the distribution of fast ethernet data frames | |
US9313115B2 (en) | Traffic generator with priority flow control | |
Bux | Token-ring local-area networks and their performance | |
US5838904A (en) | Random number generating apparatus for an interface unit of a carrier sense with multiple access and collision detect (CSMA/CD) ethernet data network | |
US5446726A (en) | Error detection and correction apparatus for an asynchronous transfer mode (ATM) network device | |
US7042842B2 (en) | Fiber channel switch | |
US5668809A (en) | Single chip network hub with dynamic window filter | |
JP3817477B2 (en) | VLSI network processor and method | |
US8687483B2 (en) | Parallel traffic generator with priority flow control | |
JP2002533994A (en) | Data exchange method and device | |
JPH0213043A (en) | Mechanism for resolving simultaneous resource requests | |
JPH10505977A (en) | Asynchronous transfer mode adapter for desktop | |
US20110261705A1 (en) | Mapping Traffic Classes to Flow Control Groups | |
JP2000059366A (en) | Expandably scheduled cell switch and method for switching | |
US6621829B1 (en) | Method and apparatus for the prioritization of control plane traffic in a router | |
US7286565B1 (en) | Method and apparatus for packet reassembly in a communication switch | |
GB2401518A (en) | Efficient arbitration using credit based flow control | |
RU2257678C2 (en) | Module scaled commutator and method for distribution of frames in fast ethernet network | |
US20060013135A1 (en) | Flow control in a switch | |
US6483850B1 (en) | Method and apparatus for routing cells having different formats among service modules of a switch platform | |
EP1216529A1 (en) | System and method of scheduling data cells over a variable bandwidth channel | |
US7009973B2 (en) | Switch using a segmented ring | |
US7039057B1 (en) | Arrangement for converting ATM cells to infiniband packets | |
US6967961B1 (en) | Method and apparatus for providing programmable memory functions for bi-directional traffic in a switch platform | |
EP1347597B1 (en) | Embedded system having multiple data receiving channels |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20070201 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20130201 |