TW463092B - Quasi-pushout method with upper layer packet discarding discipline and packet communication system implementing the method - Google Patents

Description

A7 B7 五、發明説明（） « 1. 發明領域 本發明係有關一種封包通訊系統(packet c〇_4-nication system)，特別是if於使用共享緩衝器（ shared buffer)封包通訊^隊(queueing)及選擇性迫出 (selective pushout)之方法及裝置者。 2. 發明背景 在封包通訊領域中，基於共享缓衝器記憶體之架構（ shar0Hkif fer-raemoryHbased architecture)被用來實現封 包處理(packet processing)，例如，非同步傳輸模式 (Asyndironous Transfer Mode;ATM)封包交換 (witching)。此一架構使用共用的記憶體作為緩衝器，提 供許多佇列(叫eue)讓不同的輸入/輸出埠(I/O p〇rt)儲存 封包。 基於臨限偯的封包丢棄法(threshold-based pa—cket discarding d切cipl ine)使用佇列長度臨限值來達到丟棄 控制，當佇列長度超過臨限值，便丟棄佇列中的封包。此 一方式於每""要棄事件((Jiscarding event)僅須進行一次 仔列長度比較’因此很容易施行(ijuplemen—切tiom)。不 過’其封包丟棄可能發生在共享記憶體仍餘有空間時，因 此’它是非空間保存的(noi)-spaee-c〇iiserving)，共享記 憶體並未被充分利用，封包損失性能(packet loss performance)不佳。尤其是交通出現暴量(btrst)時’其共 享記憶體利用率較差。 迫出(pushout)法可以獲得較佳的封包損失性能。其係 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） —........ I - -I ! -.....I 1— ------Λ^··— - - ! r、、 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -訂 )線 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 經濟部中央標率局員工消費合作社印製 463092 五、發明説明（） 在共旱緩衝記憶體被填滿後，從最長的佇列妄棄封包以騰 出空間’俾便存入新到達的封包。因此，它是空間保存的 ，能夠改善封包損失性能，同時、所有輸出例的記德體 用里亦獲得平衡。然两，排序(财乜呢)找出最長的符列須 耗費多次比較運算*極可能成為速度的瓶頸，若仵列數量、 多，則迫出法幾乎不可能施行。尤其現代的通訊走向高逮 及大量，迫出法因而無法達到實用的目的。 另外，在通訊系統中，上層封包(upper_layer掷_ cket)被切割為較小的封包進入較低的琢定層(prpt〇c〇1 layer)。對每π上層封包而言，若有一個或多個下層封包 被丟棄’則s亥上層封包即失去完整性而損失β因此，欲丢 棄下層封包時，若能優先選自存有受損上層封包又仵列， 對於丟棄同樣數量下層封年的情況而言，採用偕帶上層封 包1§：丟棄控制能狗使上層封包受損較少，因而提供較佳的 上層封包損失被能。 3.發明目的與概述 本發明之主要目的即泰提出“種利用共享緩衝記億體 之封包丟棄法6其係藉準最長(qUasi-l〇ngest)件列指標 (pointer)指向可能具有最大長度的狩列，並在封包進入或 離開佇列後，比較目的佇列或輸出佇列與準最長件歹,丨的長 度’據以保持準最長彳宁列指標儘可能地指向最長的符列； 同時，利用受損旗榡及受損佇列指標表明受損上層封包之 有無及指出儲存受損上層封包之仵列。於執行封包丢棄時 ’被丟棄的封包係優先選自存有受槓上層封包之彳宁列，真 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X2.97公釐）

4 63 2 A7 B7 經濟部中央椁準局員工消費合作社印製 五、發明説明（） 次才是準最長符列。 由於本發明僅在封皂進入或離開仔列時進行一走件列 長度比較’因此大幅減少佇列長度的比較次數，卻仍保有 迫出法的較佳封包損失性能0此方式稱為準迫出(Quasi_ Pu3h0ut;QP0)。又，同時偕帶上層封包級丢棄控制，因此 ，亦獲得較佳之上層封包損失性能。 本發明亦搗露一種為排隊及選擇性迫出的封包通訊系 統’其包括有封包通訊模組(module)連接單一或更多輸入 槔，從馬處接收導入封包;封包通訊模組亦連接單一或更 多輸出埠，以便傳送封包。輸入蜂及輸出^出 電路(I/O ciroiitiy)，後者竊合處理器及記憶體，記憶體 被當作共享緩衝器。處理器含有準最長仔列指標，指向記 憶體當中的某一符列，稱為準最長狩列，其具有準最大長 度的特蛛。處理器在封包進入或離開符列時執行一次狩列 長度比較’據以維護準最長仔列指標。處理器亦包含受損 旗受^貝彳宁列指標’藉以表明受損上層封包之有無及指 出儲存受損上層封包之仵列，俾供執行偕帶上層封包級丟 棄之準迫出封包通訊。 藉由底下的實施例配合所附的圖示，當更容易明瞭本 發明之内容及特點。 ” 4.圖式簡單說明 4-1圖式說明 第一圖係一封包通訊模組。 第二圖係一多輸入單輸出封包通訊模組之緩衝.器邏輯 (請先閲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（210x297公釐〉 e3 092 五、發明説明（ 圖 第三圖顯示偕帶上層封包級丟棄之準迫凼過程 4-2圖號說明 經濟部中央標準局員工消費合作杜印製 10封包通訊模組 14輸出埠 1S處理器 22準最長仵列指標 26受損佇列指標 5.較佳實施例之詳細說明 在封包處理系綠中，封包係資料單位(yjjit of知ta )之定義’其可能為任何一種長度，而同f系統中，封包可 能真有固定長度’或不大於某特定最大值的任意長度，並 且’在不同的協定層，封包可能具有各層自己規定的長度 ，例如，在AIM交換機(switch)中，，共享緩衝器記憶體中的 封&具有固定長度，被稱為胞元(cell)，而在較高協家層 中’封包可能具有較大長度，且被稱為訊息(message)，並 再經過分割產生許多胞元進行ATM交換(switching)。因此 ’本發明應該被瞭解為，可應用於各種長度封包，且使用 固定或變化長度封包之實施例。 在不同實施例中，本發明可能被應用於具有多輸入單 輸出封包系統，例如多工器(皿jltipiexer)，或單輸入多輸 出封包系統，例如解多工器(demultiplexer)，或多輸入多 輸出封包系統，例如交換機。 請參閱第一圖，封包通訊模組1〇被連接至單一或更多 12輸入埠 16輸入/輸歩電路 20記憶體 24受損旗標 28緩衝憶體 ------^---Λ}"裝丨~ (請先闆讀背面之注意事項再填寫本頁} 訂 ¥ 个、錢尺度適财關家標準（CNS ) A4· ( 2f〇x 297^¾ Γ 463 ^ A7 B7 經濟部中央標準局員工消費合作衽印製 五、發明説明（） 輸入埠12 ’從此處封包通賴組10摻收進入封包。封包通 訊模組1.0亦連接單一或更多輸出埠14，以便傳填交換封包 〇輸入埠12及輸出埠14連接輸入/輸出電路16，後考並耦合 處理器18及記體20 〇 輸入/輸出電路16係習知技藝，例如，當封包通訊模組 10被解釋為趣交換機之實施例時，輸入/輸出電路16可能 包含例如相位對準電路(phase-aUgnmerit circuitry)、串 列至平行(seria卜to-p^rallel)或平行至串列(para-1 leh to~seriel)位移暫存器(shift register)等機構。 從輸入埠12接收的封包，其標頭(header)被複製並經 輸入/輸出電路16送至處理器诏，其内容則被輪入/輸茁電 路16送至記憶體20儲存。記德體2〇被當作共享緩衝器使 用，其可以是被埋入的一個或多個隨機存取記憶體(_)。 處理器18含有準最長狩列指標22、受損旗標24及受損 佇列指標26。其中，準最長符列指標22指向記憶體2〇當中 ，某一彳宁列，稱為準最長宁列，其極可能(但未必真的)是 當時咚億體邰當中最長的符列，換言之，準最長狩列指標 22所指示的佇列具有準最大長度的特性，其至少是長 近最大長度的佇列。 1 梵損旗標24的内容表示目前記憶體20當中的佇列是否 含有已敎損的上雜包〃鐵σ，受損輯麟‘]，，時，表 不仔^曾經有讀封包的—部錄絲或毀損，並且仍 上層封細一部份在抒列中；反之，當受損旗 滴為0時，職示件列中儲存的讀餘包皆是完好的。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) •裝 、tTi — - I -/ 本紙張尺妓 4 63 092 A7 B7 五、發明説明（ 而存有受損上層封包餘留部份的佇列被受損佇夠指標26指 出。換言之，根據受損旗標24及受損佇列指耦26，可以知 道目前記憶體20當中那一佇列含有受損上層封包的部份下 層雖元。 首先說明準迫出的觀念。準最長仵列指標22於封包進 入或離開記憶體2Q後進行一次維護。第二圖顯示記憶體20 之邏輯圖，可以幫助瞭解共享記憶體之運作，但實體構造 可能與此圖不相同。緩衝記憶體2θ包含有Q1至QN共N個佇列 ，佇列中的資料單位為胞元，其堆疊成先進先出仍rst一 In-FirsH)ut;FIFO>的資料結構。每一胞元缉入緩衝記憶 體28當中的佇列後，該、目的佇列的長度發生改變，將其改 變後的長度與準最長彳宁列的長度加以比較，若該目的狩列 較長’便修改準最長佇列指標22指向該目的佇列。同樣地 ，每一胞元離開緩衝記憶體28當中的佇列後，亦進行一次 比較以維護準最長狩列指標22 0經由此種方式，準最長符 列指標22所指示的佇列即可保持具有準最大長度的特性。 本發明僅在胞元進入或離開狩列後，立即進行一次長度比 經濟部中央標準局員工消費合作杜印製 m·- i Kn -I n^— r'' (請先閲讀背面之注意事項.再填寫本頁) 較，即輸入比較(input~c〇fflparison)及輸出比較(output-comparison) ， 藉以維護準最長狩列指標 22 ， 而不找 出實際 上最長之狩列，因此免除大量的比較運算，系統的複雜隹 被大幅降低。 記憶體沈已經 被完全佔滿時，檢查受損旗標24，若其内容為，表示沒 有受損的上層封包，便根據準最長佇列指標22，從準最長 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2⑴X297公釐） 463 09 2 A7 B7 經濟部中央樣準局負工消費合作衽印製

五、發明説明（） 佇列中迫出一胞先，伴騰出空間儲存進入之封包。苦受損 旗標24為“Γ則根據受損佇列指標26，從含有受損上層封包 的仔列中填出一胞元，俾騰出空間儲存進入之封包。 第三圖說明丢棄胞元及暫存器改變的過程。在(a)_ 中’ Q1至Q3皆堆疊有5個胞元，因此其佇列長度亂[1]、 QL[2]犮QL[3]皆等於5。又’上層封包的尾端Of Upper-layer Packet;EOUP)胞元被標示為Ε〇ΰρ 〇假設此時 準最長4宁列指標22指向Q2，即Quasilfe=2 ;仵列中的上層 封包是完好的’因此受損旗標24及受損佇列指檁26皆等於 0 » ^pdamaged-0 * DainageQ=0 ° 當胞元B進入Q3時發現缓衝器已經被佔滿，必須執行迫 出胞元，根擄dafliaged及DamageQ之内容，尚無上層封包受 損，便從準最長狩列改丟棄胞元A，接著存入胞元B，並修 改QuasiMax、damaged及Dan^geQ之内容，成為(b)圖中的狀 態。 在(b)圖中，Q1長度不變(QL[1 ]=5)，Q2減少1個胞元 A(QL[2]=4) ’ Q3則增加1個胞元B(QL[3]=6)，因此Q3成為準 最長ί宁列(QuasiMax=3)。由於胞元A被丟棄，含有胞元^的 上層封包受損，只留下尾端胞元EOIf在Q2中，因此， dai胎ged=l，DamageQ=2，表示有上層封包受損，且存有$ 損上層封包的佇列為Q2。 當胞元C進入Q1時發現缓衝器已經被佔滿，必須執行迫 出胞元，根據damaged及DamageQ之内容知道存有受損上層 封包的狩列為Q2，便優先從Q2丟棄一胞元，即與胞元^同一 (請先聞讀背面之注意事碩再填寫本頁j γ裝丨 訂 :-銀----；---- 1·. 本紙張尺度適用中國國家標ajl ( CNS ) A4規格（210X297公釐） 4 63 092 A7 B7 經濟部中央標準局負工消費合作杜印製 五、發明説明（） 上層封包之尾端胞元EOUP ’接著將胞元C#入Q1，並修改 QuasiMax、damaged及DaoiageQ之内容，成為(c)圖中的狀態 〇 此_準最長狩列仍為Q3(QuasiMax=3)，但各传列中已 無受損之上層封包，故damaged及DamageQ皆等於〇。 前填過程可以表示為下列步驊： to i=l to N{ if(input ix)rt i active){ /^incoming*/ j=destination[i]; if(buffer full) if (damaged)! /discarding from damaged queued/ QL[DaraageQ]=QL[Dafflag€Q]-l; if (discarding EOUP) damaged-0; ) else{ /discarding from QijasiM^ queued/ QL[QuasiMax]=QL[QuasiMax]-l; if (not discarding E0UP){ DamageQ=QuasiMax; damaged=l; 11 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) — f ,Ύ裝. 訂 ¥ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 463092 A7 B7 五、發明説明（） QL[j]^QL[j]+l; /buffering input cell*/ i f (QL[QuasiMax] <^[ j ])

QuasiMax=j; /*input eoaiparison氺/ } QL[i]=^L[i]-l; /Slivering output cell*/ if(QL[QuasiMal].<QL[i])

QuasiMax^i; /Output cxaparisonV } 其中，destination[]表示目的仔列◊

上雄較佳實施例在每一琿被處理時包括二次件列長声 比較，即輸入比知及輸出比較，仍為臨限值法的兩倍，若 為進一步減少運算，輪入比較及輸出地較苛以省略其·中之 一’分別成為唯輸入準迫出（input~only QP0)及唯輪出專 迫出(outputonly QP0)，前者僅比較目的仵列與準最長仰 列，後者僅比較輸出佇列與準最長狩列。 T 顧然地，較少的比較導致準最長作列非真正最長传列 的次佳處境OsuboptiMl situation)期間較長。於唯輪出 準迫出時，每一佇列週期地被飼服，P此次佳期間乃是有 上界的(upper-bounded)。而在唯輸入準道出，常擊埠 (hot-spot port)很容易被追蹤(tracked)，因為他們經常 有胞元到達。 比較二種變化的準迫出，唯輸入準迫出擁有較低的追 蹤能力(tracking capability)，因為胞it目的地隨機分配 12 • ϋ«.»·1· m - in fm m ϋ I HI · .rv (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} -訂- 經濟部中央標準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（210X297公釐） 463092

經濟部中央榡準局員工消費合作社印製 不能保證完整地撿查到所有佇列；另一方面， 出週期雜查所有侧，其追蹤能力與準迫出 ^ 然而，當常擊埠的負载或數量增加時，這些常擊^ 常有胞元到達，因此儒入準迫出變得較唯輪出準 為有利。 田尺 一般而言，所有準迫出方式皆具有與迫出法 的胞元損失性能蟑常擊埠的負载成長至較大時，唯輸 法可能無法賊碱(ovedoad) ’触導雜顧法^ 迫出法猶高的胞元損失。反之，，唯輪入法較常檢查常擊璋 ，因而鸫夠達到與迫出法或準迫出法相同的胞元損失。 除不同的常擊狀況外’對於不同的暴漲長度(burst length)或鍰衝器大小，所有準迫出方式與迫出法之差里並 不明顯d ' 本發明以接近臨限值法的簡單方式，獲得與迫出法幾 乎相同的封包損失性能，並且利用上層封包級丟棄控制取 得較佳的上層封包損失性能。惟，以上所述係藉由實施例 說明本發明之特點，其目的在使熟習該技術者能瞭解本發 明之内容並據以實施，而非限定本發明之專利範圍，故， 凡其他未脫離本聲明所揭示之精神所完成之等敢修飾或修 改，仍應包含在以卞所述之申請專利範圍當中。 13 本^^適用中國國家操準(CNS) (諳先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

Claims (1)

1. 4 63 092 A8 B8 C8 D8 申請專利範圍

   用於封包級吾棄之唯輸入準迫出法，係應 __選聲_者，其包括 經濟部中央標隼局員工消費合作社印装 卜畴’絲.記髓已 有受損上層封包之仵列迫出一封包，若 包則從準輸宁列迫出一封包，並傪改該迫 士封⑶丁列之_，再讓該私之封包置入其㈣佇 改該目的件列之長度，其中該共享罐體提 ^者t卜且該準最餅列係被一準最長仔列指標指 tb較上述自_酿準最長你彳二者之聽，若悬 ^宁列之長度較小’便令該準最長符列指標指向該目的传 列，以及 出仵ίΪΐί記憶體德出仲列傳送一封包，並修改該輪 和2士ίΐ請專利麵第1顧私雜入準迫綠，其中 5 〒損上層封包之符列係被受損侍列指標所指示，且 利用受損旗標記錄是否有受損之上層封包者。 種偕帶上層封包級丟棄之唯輸出準迫出法，係應 用概包通訊之共享記憶體排隊及選擇性 下列步驟： =封包私該共享記憶體排料，若該共享記憶體已 經被佔滿’便從存有受損上層封包之仔列迫出一封包，若 無受損上層封包則從準最長符舰出一封包，並修改該迫 f'l裝— (諳先間讀背面之注意事項再填寫本頁) -訂 ί

   4 63 032 &、申請專利範園 f封包之仵列之長度，再讓 中排隊，並修改該目的仲列之長之宁列 供至少-件列，且獅㈤^長度其㈣共魏憶體提 示者； 4知糾观被-準縣例指標指 出^輪 輸出佇列解最細二者之長度，若特 γ之長度較小，便令該準最長佇列指標指向該輸‘ 頁 利用^p靜知顺被受損符列指標所指示，且 利用又知旗知s己錄是否有受損之上層封包者。 ”上層封包級丢棄之準迫出法，係應用於封 匕通訊之，、享記憶體排隊及選擇性迫出者，其包括下列步 驟· 於封&私該共享記憶體排隊時，若該共享記憶體巳 經被佔滿’便從存有受損上層封包之狩列迫出一封包，若 無受損上層封包則從準最長仵列迫出一封包，並修改該迫 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 出封包之仔列之長度’再讓該進入之封包置入其目的佇列 中排隊’並修改該目的制之長度，其巾該共享記憶體提 供至；一仵列，且該準最長狩列係被一準最長符列指標指 不者， 比較上述目的佇列與準最長仔列二者之長度，若準最 長佇列之長度較小，便令該準最長符列指標指向該目的佇 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) μ規格（210X297公釐） 463 0 A8 B8 C8 D8 、申請專利範圍 列； 出列傳送-封包’並修改該輪 比較上述輸出佇列與準最長侧二者之長度，若 =列之長度較小’便令該準最長俾列指標指向該輪出仲 申請專利細第5項所述之準迫出法’其中該存有 層封包之侧係被受損侧指標所指示，且利用受 才貝旗^己錄是否有受損之上層封包者。 楚置通訊系統’係為封娜及選擇性迫出之 逆峨組，從輸入埠接收進入封包，從輸出埠傳 ===括r随及處理器，以便處理 排隊^共享記麵提供至少一佇列’俾儲存減理之封包 -，二=，列指標’指向上酬其中之 ο ϊί Γ器具有受損旗標及受損侧指標，藉以辆受 有無及指出儲存受損上層封包之仵列；以及 蝴；存進入封包之選擇性迫出，其係娜 時极準最長件列丟棄封包;並且，比較該準最長佇列盥 16 本祕適用中國國家藏^7^7^ 97公嫠） 463092 六、申請專利範圍 異動佇列之長度，俾維護該準最長佇列指標指向該準最長 仔列與該異動j宁列二者當中元較長者。 8. 如申請專利範圍第7項所述之系統，其中該異動仔列 係''目的狩列者。 9. 如申請專利範圍第7項所述之系統，其中該異動佇列 係輸出佇列者。 (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 本紙張尺度逋用中國國家揉準（CNS ) A4规格（210X297公釐）