專利名稱：直接互連交換網(wǎng)路由的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種在直接互連拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的交換網(wǎng)中進(jìn)行路由的方法。
背景技術(shù)：
隨著通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，要求交換網(wǎng)(Switching fabric)能夠?qū)崿F(xiàn)經(jīng)濟(jì)擴(kuò)展和提供服務(wù)質(zhì)量(QoS)保障。傳統(tǒng)的(動態(tài))間接互連結(jié)構(gòu)交換網(wǎng)，如Crossbar(交換矩陣)、三級Clos等，采用集中交換背板結(jié)構(gòu)，擴(kuò)容時(shí)代價(jià)過大。而直接互連拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，如三維Torus(圓環(huán))，可以提供線性擴(kuò)展結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)平滑擴(kuò)容，且這種多路徑網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提供了良好的容錯(cuò)性。近十多年來，直接互連網(wǎng)絡(luò)一直用于并行計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)中，有很高的可擴(kuò)展性、經(jīng)濟(jì)性、魯棒性，然而直接互連的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)未能提供路由器所需的QoS保障，其“樹飽和(tree-saturation)”的阻塞特性，不能保證包時(shí)延。
“樹飽和(tree saturation)”是因節(jié)點(diǎn)緩存競爭而產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)阻塞，網(wǎng)絡(luò)中通往“熱點(diǎn)端口”路徑上“中間節(jié)點(diǎn)”的緩存資源可能耗盡，從而阻止需要經(jīng)過這些“中間節(jié)點(diǎn)”到其他端口的業(yè)務(wù)流通過，進(jìn)而誘發(fā)更多的網(wǎng)絡(luò)緩存資源耗盡、直至全網(wǎng)癱瘓。目前解決樹飽和的辦法是交換節(jié)點(diǎn)配置虛擬輸出緩存隊(duì)列(VOQ)，網(wǎng)絡(luò)中各交換節(jié)點(diǎn)按照目的地址相同原則，組成不同的虛擬輸出緩存隊(duì)列(VOQ)交換平面(簡稱虛擬交換平面)，以避免不同輸出端口之間的緩存競爭，如圖1所示，交換節(jié)點(diǎn)1-9中分別配置虛擬輸出緩存隊(duì)列(VOQ)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)緩存中目的地址為4的VOQ和目的地址為6的VOQ分別組成2個(gè)虛擬交換平面，目的地址為4或6的信元分別在各自的虛擬交換平面進(jìn)行路由，虛擬交換平面的數(shù)目一般至少為總節(jié)點(diǎn)數(shù)，也可根據(jù)緩存資源適當(dāng)增加。采用虛擬交換平面技術(shù)解決了“樹飽和(tree saturation)”帶來的緩存競爭問題。
多路徑的直接互連網(wǎng)絡(luò)的通道利用率與路由算法、流量分擔(dān)算法和仲裁相關(guān)。路由算法常分為最短路徑和非最短路徑兩種，最短路徑算法的優(yōu)點(diǎn)是易于避免死鎖；非最短路徑算法的優(yōu)點(diǎn)是有較高的通道利用率且適應(yīng)流量突發(fā)。
常見的最短路由算法有以下三種1、最小路徑的源路由算法一一隨機(jī)等概率選擇源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)之間的任意一條最小路徑來轉(zhuǎn)發(fā)分組，如圖2所示；2、自適應(yīng)最小路徑路由算法，如圖3所示；3、維序路由算法(Dimension-Ordered)，如圖4所示。
流量分擔(dān)算法的主要目的是平衡整個(gè)交換網(wǎng)各路徑的流量負(fù)擔(dān)，可在網(wǎng)絡(luò)源節(jié)點(diǎn)預(yù)先分配確定路由，或由中間交換節(jié)點(diǎn)動態(tài)平衡。另外反饋檢測信號(反壓或節(jié)點(diǎn)故障)能夠幫助各交換節(jié)點(diǎn)調(diào)整流量。
仲裁算法解決直接互連交換網(wǎng)的交換節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的對外通道競爭問題，公平性是其主要指標(biāo)，可以采用輪循類或公平調(diào)度算法。
直接互連網(wǎng)絡(luò)的多路徑特性，保證了突發(fā)條件下的通過率，增加了系統(tǒng)容錯(cuò)性，而且采用虛擬交換平面技術(shù)解決了“樹飽和”帶來的緩存競爭，但在非最短路由條件下，未能消除同一虛擬交換平面中節(jié)點(diǎn)之間可能出現(xiàn)的緩存循環(huán)依賴關(guān)系，易產(chǎn)生死鎖。
如圖5所示為死鎖產(chǎn)生機(jī)理示意圖，圖中產(chǎn)生死鎖的4個(gè)交換節(jié)點(diǎn)各沿逆時(shí)針回環(huán)路徑申請緩存資源，但不放棄其已經(jīng)擁有的緩存資源。死鎖現(xiàn)象出現(xiàn)在非最短路由或者因交換節(jié)點(diǎn)異常而采用偏折路由策略的情況。
目前解決死鎖的主要方法有1)破壞資源循環(huán)依賴關(guān)系；2)提供充分的緩存資源；3)允許強(qiáng)占和丟棄。
上述第一種方法要限制一些路徑，需采用最短路由或其他特定路由選擇規(guī)則，這樣降低了通道利用率；第二種方案受到技術(shù)和成本制約；而由于處在鏈路層的交換網(wǎng)內(nèi)部不允許丟棄，從而限制了第三種方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有的直接互連拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)交換網(wǎng)在采用虛擬交換平面解決了樹飽和帶來的緩存競爭后，仍存在非最短路由條件下易產(chǎn)生死鎖的問題，提供一種消除死鎖的直接互連交換網(wǎng)路由方法，并提高交換網(wǎng)通道利用率，避免網(wǎng)絡(luò)丟包。
本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為這種直接互連交換網(wǎng)路由的方法，將交換節(jié)點(diǎn)中的緩存隊(duì)列分組，各交換節(jié)點(diǎn)中具有相同目的地址的緩存隊(duì)列組形成虛擬輸出緩存隊(duì)列(VOQ)交換平面，信元在各VOQ交換平面中進(jìn)行路由，其特征在于對所述VOQ交換平面中的死鎖進(jìn)行消除，包括以下步驟A、在交換節(jié)點(diǎn)配置用于解除死鎖的緩存隊(duì)列組；B、當(dāng)發(fā)生死鎖時(shí)，將隊(duì)列頭信元送到由各交換節(jié)點(diǎn)中的所述用于解除死鎖的緩存隊(duì)列組所形成的交換平面中進(jìn)行路由。
所述的步驟B中，用于解除死鎖的緩存隊(duì)列組形成至少兩個(gè)交換平面，其中一個(gè)交換平面對發(fā)生死鎖的信元進(jìn)行局部恢復(fù)，當(dāng)該信元到達(dá)后續(xù)交換節(jié)點(diǎn)時(shí)，重新回到VOQ交換平面進(jìn)行路由；另一個(gè)交換平面則對發(fā)生死鎖的信元進(jìn)行全局恢復(fù)，信元在此交換平面中一直路由到目的節(jié)點(diǎn)。
所述的步驟B中，采用隊(duì)列頭信元等待時(shí)間計(jì)算器進(jìn)行死鎖判斷，當(dāng)隊(duì)列頭信元等待時(shí)間超過預(yù)置時(shí)間門限，則認(rèn)為發(fā)生了死鎖。
所述的預(yù)置時(shí)間門限包括下限和上限，通過預(yù)置上、下時(shí)間門限，決定將死鎖信元送到那個(gè)交換平面進(jìn)行處理，當(dāng)超過下限時(shí)，送到進(jìn)行局部恢復(fù)的交換平面處理；當(dāng)超過上限時(shí)，送到進(jìn)行全局恢復(fù)的交換平面處理。
所述的解除死鎖的交換平面中，交換節(jié)點(diǎn)中的信元優(yōu)先級隨等待時(shí)間延長而增加。
所述的VOQ交換平面中的信元選擇高效路由，所述用于解除死鎖的緩存隊(duì)列組所形成的交換平面中的信元采用無死鎖路徑進(jìn)行路由。
本發(fā)明的有益效果為本發(fā)明通過劃分直接互連拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)交換網(wǎng)的緩存單元，分別組成“虛擬交換平面”和“死鎖恢復(fù)平面”，為利用不同的路由算法提高非均衡業(yè)務(wù)下的交換網(wǎng)通過率創(chuàng)造了條件；清晰的層次劃分解決了路徑多樣性與死鎖概率增大之間的矛盾；解決了直接互連拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的交換網(wǎng)路由算法的死鎖問題，提高了交換網(wǎng)通過率，避免了丟包。
本發(fā)明采用多“虛擬交換平面”共用“死鎖恢復(fù)平面”，減少了解除死鎖所需的緩存隊(duì)列數(shù)，并進(jìn)一步細(xì)分“死鎖恢復(fù)平面”為“局部”和“全局”兩類，分別解決了均勻業(yè)務(wù)下的死鎖和突發(fā)條件的死鎖對“死鎖恢復(fù)平面”的緩存需求，另外，死鎖檢測和交換節(jié)點(diǎn)通道仲裁機(jī)制，保證了交換網(wǎng)QoS指標(biāo)。


圖1為虛擬交換平面結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為源路由方案示意圖；
圖3為自適應(yīng)最短路由方案示意圖；圖4為維序路由方案示意圖；圖5為死鎖產(chǎn)生機(jī)理示意圖；圖6為本發(fā)明實(shí)現(xiàn)方案流程圖。
具體實(shí)施例方式
下面根據(jù)附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明直接互連拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的交換網(wǎng)的多路徑特性，可能引發(fā)死鎖，而目前常用的解決死鎖的方案都有其局限性，需要尋求新的路由策略。
本發(fā)明的基本思想是由于“樹飽和”與“死鎖”現(xiàn)象的原因都是要解決緩存利用問題，因此解決方案是將直接互連交換網(wǎng)按交換節(jié)點(diǎn)的緩存隊(duì)列分組，形成不同的交換平面，其交換平面劃分為多個(gè)“虛擬交換平面”和“死鎖恢復(fù)交換平面”，兩種交換平面可分別采用不同的路由算法，以避免“樹飽和”以及“死鎖”現(xiàn)象。
虛擬輸出緩存隊(duì)列(VOD)按照目的地址相同原則，組成不同的虛擬交換平面，虛擬交換平面的數(shù)目至少等于總節(jié)點(diǎn)數(shù)，可根據(jù)緩存資源適當(dāng)增加虛擬交換平面，以降低死鎖概率；在交換節(jié)點(diǎn)中利用一個(gè)額外的緩存隊(duì)列組用于解除死鎖，各節(jié)點(diǎn)中用于解除死鎖的緩存隊(duì)列組形成死鎖恢復(fù)交換平面，如果已發(fā)生死鎖，則由死鎖恢復(fù)平面解決，將隊(duì)列頭信元送到該交換平面中進(jìn)行路由。
本發(fā)明的“死鎖恢復(fù)平面”為所有的“虛擬交換平面”提供了死鎖恢復(fù)機(jī)制，“虛擬交換平面”可采用高通道利用率的非最短路由算法，采用虛擬交換平面的死鎖概率較低，整個(gè)交換網(wǎng)使用統(tǒng)一的死鎖恢復(fù)平面，每個(gè)死鎖恢復(fù)平面對應(yīng)于交換節(jié)點(diǎn)中的一個(gè)額外(用于解除死鎖的)緩存隊(duì)列組，該死鎖恢復(fù)平面使用無死鎖的路由算法。
解決死鎖的基本條件是能夠檢測到死鎖，由于直接互連網(wǎng)絡(luò)中各交換節(jié)點(diǎn)的分布控制特性，難以從邏輯上判定死鎖，較容易的方法是采用等待時(shí)間判斷方案。本發(fā)明采用隊(duì)列頭信元等待時(shí)間計(jì)算器，當(dāng)隊(duì)列頭信元等待時(shí)間超過預(yù)置門限，則將該隊(duì)列頭信元送到死鎖恢復(fù)平面。
“死鎖恢復(fù)平面”又可分為“局部死鎖恢復(fù)平面”和“全局死鎖恢復(fù)平面”。超過時(shí)間門限的信元首先送到“局部死鎖恢復(fù)平面”，而當(dāng)其到達(dá)下一跳交換節(jié)點(diǎn)時(shí)，回到“虛擬交換平面”。該平面將死鎖恢復(fù)功能在整個(gè)交換網(wǎng)中均勻分布，而對不平衡流量所產(chǎn)生的嚴(yán)重死鎖將提高“全局死鎖恢復(fù)平面”處理。因此，時(shí)間門限可分為下限和上限，通過預(yù)置上下時(shí)間門限，決定將死鎖信元送至“局部死鎖恢復(fù)平面”或“全局死鎖恢復(fù)平面”處理。超過上限(等待時(shí)間更長)的信元將在“全局死鎖恢復(fù)平面”中一直送達(dá)目的節(jié)點(diǎn)，中間節(jié)點(diǎn)不返回“虛擬交換平面”。
虛擬交換平面中，交換節(jié)點(diǎn)的仲裁采用輪循或其他公平調(diào)度算法；而“死鎖恢復(fù)平面”中，交換節(jié)點(diǎn)仲裁也可上述方案，但為了體現(xiàn)等待時(shí)間與信元轉(zhuǎn)發(fā)緊迫性關(guān)系，可采用動態(tài)優(yōu)先級方案，其信元優(yōu)先級隨等待時(shí)間增加而增加，解決了交換平面內(nèi)不同信元通道的競爭。
如圖6所示，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)方案流程如下1、首先進(jìn)行初始化，設(shè)置隊(duì)列頭信元等待時(shí)間上門限和下門限；2、如果信元在全局死鎖恢復(fù)平面，或隊(duì)列等待時(shí)間大于上門限，則根據(jù)信元優(yōu)先級在全局死鎖恢復(fù)平面分配無死鎖路由轉(zhuǎn)發(fā)信元，或等待下次時(shí)隙處理；3、如果信元等待的時(shí)間未超過上門限而大于下門限，則將信元送到局部死鎖恢復(fù)平面，根據(jù)信元優(yōu)先級分配無死鎖路由轉(zhuǎn)發(fā)信元，或等待下次時(shí)隙處理；4、如果信元等待的時(shí)間不大于下門限，則在虛擬交換平面中進(jìn)行仲裁，選擇成功信元分配路由轉(zhuǎn)發(fā)信元，或等待下次時(shí)隙處理。
本發(fā)明提供了“虛擬交換平面”和“死鎖恢復(fù)平面”組合的交換平面方案，分別解決了直接互連交換網(wǎng)的“樹飽和”和“死鎖”問題，并提高了通道利用率，避免了網(wǎng)絡(luò)丟包。
權(quán)利要求
1.一種直接互連交換網(wǎng)路由的方法，將交換節(jié)點(diǎn)中的緩存隊(duì)列分組，各交換節(jié)點(diǎn)中具有相同目的地址的緩存隊(duì)列組形成虛擬輸出緩存隊(duì)列(VOQ)交換平面，信元在各VOQ交換平面中進(jìn)行路由，其特征在于對所述VOQ交換平面中的死鎖進(jìn)行消除，包括以下步驟A、在交換節(jié)點(diǎn)配置用于解除死鎖的緩存隊(duì)列組；B、當(dāng)發(fā)生死鎖時(shí)，將隊(duì)列頭信元送到由各交換節(jié)點(diǎn)中的所述用于解除死鎖的緩存隊(duì)列組所形成的交換平面中進(jìn)行路由。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直接互連交換網(wǎng)路由的方法，其特征在于所述的步驟B中，用于解除死鎖的緩存隊(duì)列組形成至少兩個(gè)交換平面，其中一個(gè)交換平面對發(fā)生死鎖的信元進(jìn)行局部恢復(fù)，當(dāng)該信元到達(dá)后續(xù)交換節(jié)點(diǎn)時(shí)，重新回到VOQ交換平面進(jìn)行路由；另一個(gè)交換平面則對發(fā)生死鎖的信元進(jìn)行全局恢復(fù)，信元在此交換平面中一直路由到目的節(jié)點(diǎn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的直接互連交換網(wǎng)路由的方法，其特征在于所述的步驟B中，采用隊(duì)列頭信元等待時(shí)間計(jì)算器進(jìn)行死鎖判斷，當(dāng)隊(duì)列頭信元等待時(shí)間超過預(yù)置時(shí)間門限，則認(rèn)為發(fā)生了死鎖。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的直接互連交換網(wǎng)路由的方法，其特征在于所述的預(yù)置時(shí)間門限包括下限和上限，通過預(yù)置上、下時(shí)間門限，決定將死鎖信元送到那個(gè)交換平面進(jìn)行處理，當(dāng)超過下限時(shí)，送到進(jìn)行局部恢復(fù)的交換平面處理；當(dāng)超過上限時(shí)，送到進(jìn)行全局恢復(fù)的交換平面處理。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的直接互連交換網(wǎng)路由的方法，其特征在于所述的解除死鎖的交換平面中，交換節(jié)點(diǎn)中的信元優(yōu)先級隨等待時(shí)間延長而增加。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直接互連交換網(wǎng)路由的方法，其特征在于所述的VOQ交換平面中的信元選擇高效路由，所述用于解除死鎖的緩存隊(duì)列組所形成的交換平面中的信元采用無死鎖路徑進(jìn)行路由。
全文摘要
一種直接互連交換網(wǎng)路由的方法，將交換節(jié)點(diǎn)中的緩存隊(duì)列分組，各交換節(jié)點(diǎn)中具有相同目的地址的緩存隊(duì)列組形成虛擬輸出緩存隊(duì)列(VOQ)交換平面，信元在各VOQ交換平面中進(jìn)行路由，在交換節(jié)點(diǎn)還配置用于解除死鎖的緩存隊(duì)列組，當(dāng)發(fā)生死鎖時(shí)，將隊(duì)列頭信元送到由各交換節(jié)點(diǎn)中用于解除死鎖的緩存隊(duì)列組所形成的交換平面中進(jìn)行路由；用于解除死鎖的緩存隊(duì)列組形成至少兩個(gè)交換平面，其中一個(gè)交換平面對發(fā)生死鎖的信元進(jìn)行局部恢復(fù)，一個(gè)交換平面對發(fā)生死鎖的信元進(jìn)行全局恢復(fù)，本發(fā)明提供了一種消除死鎖的直接互連交換網(wǎng)路由方法，提高了交換網(wǎng)通道利用率，避免了交換網(wǎng)絡(luò)丟包。
文檔編號H04L12/56GK1764150SQ20041008538
公開日2006年4月26日 申請日期2004年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月22日
發(fā)明者胡致遠(yuǎn), 王少勇, 王凱, 鄒昕光, 李英新 申請人:華為技術(shù)有限公司