415151 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 五、發明說明(1 ) 相關專利申諳銮銳$ 本專利申請案依申請曰1997年2月14曰,申請號 60/038,025之臨時專利申請案而請求優先權,該專利申請 案在此併供參考。 技術範圍 本發明係關於網路交換,尤其有關於資料網路交換邏 輯晶片上的共用多琿媒體存取控制。 發明背景 資料網路交換器允許於區域網路的多數媒體站台中作 資料通訊。藉由資料網路交換器媒體存取控制(MAC)可於 各交換埠達成網路介面卡或電路之功能,而可在站台之間 傳輸資料框或封包。MAC監視從埠至網路的通訊量的傳 送,在埠接收來自網路的通訊量,以及在埠協調資料量以 避免碰撞》網路交換器根據收到資料框中的檔頭資訊而將 接收自傳送站台的資料框傳送到目的站台。各埠的傳送與 接收緩衝器接到mac。依操作模式,進入封包暫時維持在 埠接收緩衝器,而可移到交換器外的記憶體供稍後傳送’ 或者置於適當埠的傳送緩衝器中供立刻從網路傳送出去。 一般追礙封包傳輸事件以提供各資料網路交換埠於網 路操作時的統計分析基礎。例如可以週期性的計算與輪詢 傳送的封包、收到的封包、傳送碰撞等的數目。透過使用 統計計數器即可決定不正確的裝置操作如遺失的封包。通 常各MAC單元可包括接收狀態機器與傳送狀態機器,此 傳送狀態機器具有限制容量的内部計數器以計數各框的少 ^紙張尺度適財關家標準(CNS)A4規格㈣x 297公复) --- 91468R〇--- -------------^--------訂---------声 f請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
五、發明說明(2 ) 數傳送事件參數,該框經過個別之交換器埠β每當識別出 該框中的項目時’即分別增加屬於特別參數的正反器。至 於各進入框’暫時儲存在接收FIFO緩衝器中,讀取接收 狀態機中的個別正反器,並將最後結果資料加到框後面。 至於離開框’會發生類似的處理,因此暫時儲存於傳送 FIFO緩衝器中的離開框,包括與接收操作及傳送操作相關 的附加資料。當框從傳送FIFO緩衝器傳出去時,即加入 傳送操作資料。 當資料網路變成更有效而說明量增加時,額外的操作 參數即變的更顯著。追蹤較多參數需要增加MAC的複雜 性,例如要提供較多的暫存器與支援邏輯元件以及較大的 緩衝器容量。在交換器邏輯晶片上將各MAC的這些額外 兀件整合會成為晶片架構上的負擔D隨著交換器發屐需要 較大的流量功能與交換器埠數目增加,晶片架構的有效使 用即變的更重要-發明之概述 本發明克服上述的需求與缺點,部分方法是體認出各 埠的某些MAC功能可由電路執行,而電路不必依習知方 式在各蜂中個別的設置。本發明的優點是設置組合邏輯與 暫存器配置以執行多數交換器琿的類似功能。此優點部分 是根據體認到若於任何已知時間共用電路的功能可以與各 痒正破的相關,則各埠中類似電路的不同設置即變的多餘 而不必要。 本發明的另一優點是在單一狀態儲存位置維持多數交 <請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) i ! I I I 訂--------- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公餐) 2 91468R01 415^51 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明(3 ) 換器埠中每一者的目前存取狀態’藉以簡化其儲存埠MAC 狀態與更新之存取。本發明的又一優點是存取狀態儲存並 配合單一共用組合邏輯與暫存器配置,可使多數埠中每一 者之MAC功能以分時方式執行。因此與習用傳統裝置相 比’本發明提供晶片資源與架構空間的更有效使用。 由以下的詳細說明,熟於此技術者將更了解本發明的 額外優點’其中僅顯示與敘述本發明的較佳實施例,且僅 以視為可實施本發明的最佳模式來作說明。將可了解的是 本發明能具有其他與不同的實施例,而且在不偏離本發明 之下其多項細節可以作多方面的修正。因此要將附圚與敘 述視為說明性質而非'一種限制》 附圖之簡輩銳.明 現在參考附圖’其中所有相同參考數字的元件都表示 相同元件,其中: 第1圖是本發明的封包交換系統環境的方塊圖。 第2圖是本發明相關的多埠交換器的方塊圖,其可用 於第1囷的封包交換系統。 第3圖的方塊囷說明根據本發明之媒體存取控制。 第4圖是本發明的媒體存取控制邏輯單元8〇與狀態記 憶體控制單元82的較佳配置詳細方塊圖。 第5圖的波形圖說明根據本發明的層級式管線操作。 實施本發明之最佳掇式 本文中的本發明可由封包交換網路環境如乙太網路 (IEEE802.3)作最佳的表示。由以下詳細說明應該可明瞭本 n I ϋ n ϋ I (請先間讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公爱) 3 91468R01 415151 經濟部智慧財產局g工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明(4) 發明也適用於其他封包交換系統。第1圖是封包交換系統 10的方塊圖,該系統提供本發明的環境,封包交換網路包 括積鱧多埠交換器(IMS) 12以便於網路站台之間作資料封 包通訊。網路站台具有不同的配置。在此例中,24個每秒 1 〇百萬位元(Mb/s)的網路站台14以1 〇Mb/s的網路資料率 傳送及接收資料’ 2個l〇〇Mb/s網路站台16以l〇OMb/s 的網路速度傳送及接收資料封包。多埠交換地 將網路站台14或16收到的資料封包依據乙太網路協定而 傳送到適當的目的地。 l〇Mb/S網路站台14經由媒體is並根據半雙工乙太網 路協定而傳送資料封包至多埠交換器12,以及從多埠交換 器12接收資料封包。乙太網路協定is〇/IEC88〇2_ 3(ANSI/IEEE Std,802.3,1993 Ed.)定義半雙工媒體存取機 構’此機構允許所有的站台14平均的存取網路通道。半雙 工環境中的通訊量於媒體18上並不可區分或者優先化。反 之’各站台14包括乙太網路介面卡,此介面卡使用具偵測 碰撞之載波感測多重存取(CSMA/CD)來監視媒體上的通 訊量。網路通訊量之消失藉由在媒體上感測接收载波的未 被指定而债測出。有資料要傳送的任何站台14會設法於媒 體上的接收載波未被指定後以等待一預設時間的方式來存 取通道,這預設時間稱為封包間隔間距(IpG) β若多數站台 14有資料在網路上傳送,各站台會反應媒體上接收載波的 感測出之未被指定而設法傳送,而且於IpG間距後導致碰 撞。因此’傳送站台會監視媒體以判定是否因另一站台同 — I— —111— *^!— 訂 - ----111^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) 4 91468R01 A7 --------B7__ 五、發明說明(5) 時傳送資料而已產生碰撞。若偵測到碰撞則2個站台都會 停止’等待一不定時間後再設法傳送。 l〇〇Mb/s網路站台16最好根據提議中的乙太網路標準 ΙΕΕΕ802·3χ全雙工且具流通量控制_工作草案(〇 3)而於全 雙工模式中操作。全雙工環境於每一個100N1b/s網路站台 Ιό與多埠交換器12之間提供一種雙向點對點的通訊鏈 路,所以IMS與各站台能在不碰撞下同時傳送與接收 資料封包。l〇〇Mb/s網路站台16各經由1〇〇基Tx,100基 Τ4或1〇〇基Fx類型的1〇〇Mb/s實體(ρΗγ)裝置%而接到 網路媒體18。多埠交換器12包括媒體獨立介面(ΜΠ)28以 提供與實體裝置26的連接。i〇〇Mb/s網路站台16的實施 例為伺服器或路由器以接到其他網路。若需要也可在半雙 工模式下操作100Mb/s網路站台16。類似地,可修正 l〇Mb/S網路站台14以根據具流通量控制的全雙工協定來 操作。 如第1圖所示’網路丨〇包括串交換收發器2〇稱為 Quest,以執行多埠交換器12與10Mb/s站台14之間的傳 送的資料封包的分時方式解多工。磁轉換器模組19維持媒 體18上的信號波形。多埠交換器12包括收發器介面22, 此收發器介面22使用分時方式多工協定在單一串列非返 回至零(NRZ)介面24之中從各交換收發器2〇接收資料封 包以及將資料封包送至各交換收發器2〇。交換收發器2〇 從串列NRZ介面24接收封包,將收到的封包解多工,以 及經由網路媒體18輸出封包至適當的終端站台14。在本 本紙張尺度適用t國固豕標準(CNS)A4規格(210 X 297公楚) 一 ------
5 91468R0I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝----- - --訂---------祷 經 濟 部 智 慧 財 產 局 員 工 消 費 合 A 社 印 製 415151 A7 五、發明說明(6) 文的典型實施例中,各交换此路哭 Τ谷父換收發器20有4個獨立的10Mb/s 扭曲對槔’並在串列NRZ介面中使用4.!^T ^ . Y便用41多工以使多埠交 換器12要求的接腳(ΡΙΝ)數目減少即僅有四分之一。 多蜂交換器12包含:決策引擎、交㈣擎、緩衝記憶 體介面、配置/控制/狀態暫存器、管理特器與MM(媒 體存取控制)協定介面以支援乙太網路缚之中資料封包的 傳送以服務網路站台14, 16。多痒交換器12也包括強化 的功能以作出智慧的交換決定,並以管理資訊庫目 標的形式提供統計網路資訊給外部管理實體如以下所 述。提供額夕卜纟面以達成肖包資料肖交換邏輯的外部儲存 以使多埠交換器12的晶片尺寸極小。例如多埠交換器12 包括同步動態RAM(SDRAM)介面32以提供外部記憶體34 的存取以儲存收到的框資料、記憶體結構、與MIB計數器 資訊。記憶體34是80、1〇〇或120MHz的同步DRAM,其 具有2或4Mb的記憶體大小。 管理埠36使外部管理實體能經由管理Mac介面38 而控制多埠交換器12的全部操作,pCI介面39經由PCi 主機與橋40而使管理實體存取。或者pcI主機與橋4〇當 成擴充匯流排供多數IMS裝置使用。 交換器12中的内部決策引擎選擇地/將接收自一來源 的資料封包傳送到至少一個目的站台。邏輯杳不使用内部 決策引擎則可用外部規格檢測器代替,外部規格檢測器介 面(ERCI)42允許使用外部規格檢測器44作傳送框決定以 替代内部決策引擎。因此傳送框決定可以由内部交換引擎 本ϋ尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公爱) 6 91468R01 f請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} 裝——訂---------·" 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 415151 A7
五、發明說明(7) 或外部規格檢測器44來執行。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 LED介面46將每一埠的條件狀態於時脈結束時送出 並驅動LED外部邏輯48。LED外部邏輯48依次驅動 顯示元件50以供人類閱讀。振盪器30提供40MHz的時脈 輸入供多埠交換器12的系統功能用。 第2圖是與本發明相關的多埠交換器的詳細方塊圖, 其可用於第1圖的封包交換系統。多埠交換器12包括24 個l〇Mb/s媒體存取控制(MAC)埠60,以便於每一 1〇Mb/s 網路站台14(埠1-24)之間以半雙工方式傳送與接收資料封 包’以及2個100Mb/sMAC埠62以便於每一 lOOMb/s網 路站台16(埠25,26)之間以全雙工方式傳送與接收資料封 包。如上所述管理介面36也根據MAC層協定(蜂〇)來操 作。 每一 MAC埠60、62和36包含習知邏輯與暫存器存 取控制電路以便於埠之中控制資料傳送、資料接收、與碰 撞協調。在各埠也設置接收先入先出(FIFO)緩衝器64與傳 送FIFO緩衝器66。由共用匯流排將外部記憶體介面32 接到每一 MAC接收FIFO緩衝器,以及由另—共用匯流排 將外部記憶體介面32接到每一 MAC傳送FIFO緩衝器。 由對應的MAC埠接收來自網路站台的資料封包並儲 存在對應的接收FIFO緩衝器64 »收到的資料封包從對應 的接收FIFO緩衝器64輸出到外部記憶體介面32以儲存 在外部記憶體34之中。 收到的封包標頭也送到決策引擎,包含内部規格檢測 (諝先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝--------訂---------^ 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) 7 91468R01 415151 五、發明說明(8 ) 器68與外部規格檢測器介面42,以決定那些MAC埠會輸 出資料封包。封包檔頭傳送到内部規格檢測器68或外部規 格檢測器介面42是依多埠交換器12的操作配置而定。外 部規格檢測器44的使用提供以下優點如增加容量、決策佇 列中的隨機式排列以便於框完全在外部記憶體緩衝前作出 傳送框的決定,並且其作決定的次序與多埠交換器12收到 框的次序無關。 内部規格檢測器68與外部規格檢測器44提供決策邏
I 輯以決定已知資料封包的目的MAC埠。決策引擎指示已 知資料封包要輸出到單一埠、多埠或所有的埠(即廣播)。 各資料封包包括具有來源與目的位址的檔頭’決策引擎據 此能識別適當的輪出MAC埠。目的位址對應一虛擬位址, 在此情況下決策引擎識別出多數網路站台的輸㈣。或 者’收到的資料封包包括根據IEEE8〇2 ^ d協定的凡倾(虛 擬LAN)標記框以指定另一網路(經由其令一個位於 l〇〇Mb/S站台16的路由器)或一群指定的站卜因此内部 規格檢測器68或外部規格檢測器44經由介面^可決定暫 時儲存在緩衝記憶體34的框應該輸出到單―政埠 個MAC埠。 決策引擎以痒向量形式輸出一傳送決定至交換器子系 統70以識別各MAC璋,此埠應該接收資料封包。來自適 當規格檢測器料向量包括外部記憶體34中儲存資 包的位址位置’與mac埠的識別饭、,& ㈣別瑪以接收資料封包以傳 送(如MAC埠0-26)。交換器子系 得 ,____承統7()經由外部記憶體介 ΐ紙張尺度適财國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公f 8 91468R01 41515! A7 _ B7 五、發明說明(9) 面32從外部記憶體34擷取埠向量中識別的資料封包,並 提供該操取資料封包至識別淳的適當傳送FIF〇66。 (請先間讀背面之注意事項再填寫本頁) 額外的介面提供管理與控制資訊如以下元件所示。管 理資料介面72使多埠交換器12根據MII管理規格(IEEE 802.3u)而與交換器收發器20及l〇〇Mb/s實體裝置26交換 控制與狀態資訊。管理資料介面72也在雙向管理資料 IO(MDIO)信號路徑上輸出提供時序參考的管理資料時脈 (MDC)〇PCI介面39是32位元PCI版本2.1 —致伺服介面 供PCI主處理器40存取内部IMS狀態與配置暫存器74, 與存取外部記憶想SDRAM3 4。PCI介面39也能當成擴充 匯流排供多個IMS裝置使用。管理埠36透過標準的七線 反置串列GPSI介面而與外部MAC引擎作介面,以使主控 制器經由標準MAC層協定存取多埠交換器12。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 第3圖是根據本發明說明媒體存取控制第1圖系統的 方塊圖。與第2圖的配置對比下,設置單一媒體存取控制 邏輯單元80供24個10Mb/s交換埠60及MII管理控制埠 共同使用。單元80藉由傳送連接與接收連接而接到收發器 介面22。單元80也在各琿60接到傳送FIF064與接收 FIF066 〇要了解的是雖然為了說明方便而僅顯示單一埠 FIFO對,但可表示所有埠60的對應FIFO。FIF064和 FIF066接到匯流排84。雖然僅單線,匯流排84表示所有 埠60接收FIFO與外部記憶體介面32中的共用接收匯流 排連接’以及所有埠60傳送FIFO與外部記憶體介面32 中的共用傳送匯流排連接。 本紙張尺度適用中國國家標準(CNSXA4規格(210 X 297公釐〉 9 91468R01 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 Α7 Β7 五、發明說明(10) 狀態記憶體控制單元82儲存每一埠80的媒體存取狀 態。單元82連接到單元媒體存取控制邏輯單元80以便於 狀態資料之間傳輸。資料通訊也存在於狀態記憶體控制單 元82與傳收器介面22之間》狀態記憶體控制單元82有時 脈輪入以接收80MHz信號。詳如以下所述,此時脈信號提 供同步時序供分時方式媒體存取控制功能之用,該功能由 邏輯單元80替24個交換器埠60的每一者執行。 第4圖是第3圖媒體存取控制邏輯單元80與狀態記憶 體控制單元82的較佳配置的詳細方塊圖。狀態記憶體控制 單元82包含狀態記憶體90、輪出暫存器92、輸入暫存器 94、計數器96與延遲電路98。狀態記憶體90,其在各埠 60儲存存取狀態’可以是如隨機存取記憶體(RAM)或各埠 6〇所屬的一或多個暫存器。輸出暫存器92與輪入暫存器 94接到狀態記億體90以分別接收來自狀態記憶體的資料 或輸入資料至狀態記憶體。計數器96,其有來自8〇MHz 時脈源的輸入’輸出具有足夠位元的資料信號以唯一地識 別出每一埠60。對於第1圖的25個埠實施例,計數器輸 出信號最好是5位元的長度。此信號於收到每一時脈信號 脈衝時,其值即加一 β 將計數器輸出信號送入輸出暫存器92藉以識別出 埠,而狀態記憶體資料則要從狀態記憶體9〇存取。計數器 輸出信號也送入延遲電路98,其保持且延遲信號供多數時 脈級使用。延遲電路98的輸出送入輸入暫存器料,藉以 識別出該埠,以儲存資料在狀態記憶體9〇令。因此已知 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 i ί I I I 訂·!-^ 本紙張尺度適用中國國家標準<CNS)A4規格(210 X 297公釐) 10 91468R01 415151 A7 B7 五、發明說明(11) (請先閲讀背面之注^^項再填寫本頁> 的儲存資料擷取與寫入該埠的新資料之間的時段是依延遲 電路98延遲的時脈級數目而定。此數目的決定是依媒體存 取控制邏輯單元80要求的時脈管線級數目而定。暫存器、 計數器與延遲電路都是習知的元件。 媒體存取控制功能的處理與存取狀態指示發生於組合 邏輯單元100’此組合邏輯1〇〇包含多數邏輯閘。暫存器 102將輪入資料接到邏輯單元,如狀態輸出暫存器92與收 發器介面22取得的。處理完接收從暫存器1〇2的資料後, 邏輯單元即輸出處理好的資料至暫存器1〇4。此處理好的 資料包括在相關埠要傳送至FIFO的指令、要傳輸的任何 通訊資料、與埠存取狀態的改變(若有),後者傳送到狀態 輸入暫存器94 »暫存器1〇2的輸入資料、從暫存器1〇2傳 輸資料至邏輯單元1〇〇以便處理、從暫存器1〇4傳輸處理 好的資料至狀態輸入暫存器94、與狀態記憶體9〇的更新, 都發生在循序時脈管線級之中。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 第5圖的波形說明層級式管線操作。在較佳實施例 中’延遲電路104包含2個延遲級。波形(a)表示8〇Mhz 時脈信號’波形(b)表示波形(a)的時脈信號的各週期令的計 數器96輸出。此信號識別MAC:埠並隨著各時脈信號而遞 增’藉此建立循序分時方式操作。各時脈週期因此定義一 MAC槽以對應計數器所指的埠。為了說明方便,第一時脈 週期中計數器輪出所指的MAC槽是槽16。波形 表不各時腺信號週期中2個延遲級的mac槽識別。因此 MAC槽16由第二時脈週期中的波形(c)以及第三時脈週期 木紙張纽 11 91468R01 A7 B7 4iSxsi 五、發明說明(12) 中的波形(d)表示。 波形(b)至(c)令的每一者都與3級媒體存取控制動作 (如黑體字發射,捕獲與更新所示)之一有關,因此能識別 出該動作與那一MAC埠有關d個動作分別於各時脈週期 替不同MAC埠同時操作。圖中說明MAC埠丨6的3個操 作級。此埠的發射級發生於第一時脈遇期中^在此週期令, 計數器識別出埠16以便從狀態記憶體90存取資料並保存 在暫存器92。在次一時脈週期中,發生mac埠16的捕獲 級°來自暫存器92與收發器介面的資料然後輸入暫存器 80’並由组合邏輯單元丨00處理,最後的資料則保存在暫 存器104。也在此週期中,計數器會於發射級操作時識別 出次一 MAC埠。在次一時脈週期中,發生MAC埠16的 更新級。暫存器104的狀態更新資料則傳輪到輸入暫存器 94並儲存在狀態記憶體90。將操作資料傳輸到適當的 FIFO,依此循序地繼績各MAC埠的媒體存取控制。 本發明因此有利的提供有效的媒體存取控制,同時保 有晶片架構。本文僅顯示並說明本發明的較佳實施例及其 變化的少數例子。要了解的是本發明與環境能在本文所述 之本發明概念之範園下作許多修正及變化。 -1 — — — — — ‘ · 111111 — 訂-11------^ {請先閱讀背面之注帝¥項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公爱) 12 91468R01