CN111654454A - 基于Crossbar的双模混合交换结构和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Crossbar的双模混合交换结构和调度数据的方法。所述双模混合交换结构，包括支持双模行列调度的Crossbar交换结构、可编程通道化数据处理模块以及去通道化处理模块，Crossbar交换结构包括缓存模块和调度管理模块；可编程通道化数据处理模块，用于将输入的非通道化数据通过切片和分组处理转换为通道化的分组数据；调度管理模块，用于对于通道化数据采用通道调度模式进行调度，对于分组数据采用分组调度模式进行调度；去通道化处理模块，用于对输出缓存中的数据进行去通道化处理和数据重组。本发明的双模混合交换结构，同时支持分组交换和电路交换两种工作模式，并支持异构网络数据转换与传输。

Description

基于Crossbar的双模混合交换结构和方法

技术领域

本发明涉及数据交换技术领域，具体涉及一种基于Crossbar的模式可配置的双模混合交换结构和调度数据的方法。

背景技术

在数据交换方面，已有成熟的一些典型交换结构，如Crossbar、Central buffer结构等。这些交换结构通常是单一工作模式的，比如单一面向分组交换的工作模式、或者单一面向电路交换工作模式。在应用层面看，分组交换模式下可以支持逻辑虚通道的交换，但就交换结构的工作模式来说仍旧是单一的。另外，现有的典型交换结构存在不利于异构网络数据传输，数据传输时延抖动不易控制的缺点，这是因为异构网络中存在变长传输，传输控制是以吞吐量、流量优先，并没有兼顾到时延控制等。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于Crossbar的模式可配置的双模混合交换结构，使之同时支持分组交换和电路交换两种工作模式。本发明的目的还在于提供一种用于上述双模混合交换结构的数据调度的方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下。

第一方面，提供一种基于Crossbar的模式可配置的双模混合交换结构，包括支持双模行列调度的Crossbar交换结构、可编程通道化数据处理模块以及去通道化处理模块，所述Crossbar交换结构包括缓存模块和调度管理模块，所述缓存模块包括输入缓存、输出缓存和交叉节点缓存；所述可编程通道化数据处理模块，用于对输入数据进行预处理，所述预处理包括：当输入数据为非通道化数据时，将非通道化数据通过切片和分组处理转换为通道化的分组数据，按分组送入相应的输入缓存；当输入数据为通道化数据时，按通道送入相应的输入缓存；所述调度管理模块，用于调度进入所述Crossbar交换结构的数据，使所述输入缓存中的数据送入相应的交叉节点缓存，使所述交叉节点缓存中的数据送入相应的输出缓存；所述调度管理模块支持双模行列调度，对于通道化数据采用通道调度模式进行调度，对于分组数据采用分组调度模式进行调度，其中，通道调度模式是指：对于通道化数据，以时间片为调度管理单元，将转发通道与时间片进行映射，对应通道按照分配的时间片进行数据转发；对于分组数据，以数据片为调度管理单元，将转发通道与数据片进行映射，对应通道按照分配的数据片进行数据转发；所述去通道化处理模块，用于对输出缓存中的分组数据进行去通道化处理和数据重组。

进一步的，对于既有通道流量又有分组流量的转发场景，所述调度管理模块采用时间片与数据片二合一的转发控制模式进行调度，且优先保证通道化数据的调度转发。

进一步的，所述调度管理模块包括：双模行调度管理单元，用于调度输入数据，使所述输入缓存中的数据送入相应的交叉节点缓存；双模列调度管理单元，用于调度输出数据，使所述交叉节点缓存中的数据送入相应的输出缓存。

进一步的，所述输入缓存，用于对所述可编程通道化数据处理模块送入的数据按照通道或切片进行缓存，响应于所述调度管理模块的调度请求，向相应的交叉节点缓存传输数据；所述交叉节点缓存，用于对所述输入缓存送入的数据按照通道或切片进行缓存，响应于所述调度管理模块的调度请求，向相应的输出缓存传输数据；所述输出缓存，用于对所述交叉节点缓存送入的数据按照通道或切片进行缓存。

进一步的，所述双模混合交换结构还包括：通道管理模块，用于对所述可编程通道化数据处理模块、所述去通道化处理模块和所述调度管理模块进行管理和配置。

进一步的，数据重组后得到的输出数据，与原输入数据的格式相同或不同。

第二方面，提供一种调度数据的方法，用于如上所述的基于Crossbar的模式可配置的双模混合交换结构，该方法包括：可编程通道化数据处理模块对输入数据进行预处理，所述预处理包括：当输入数据为非通道化数据时，将非通道化数据通过切片和分组处理转换为通道化的分组数据，按分组送入相应的输入缓存；当输入数据为通道化数据时，按通道送入相应的输入缓存；调度管理模块调度进入Crossbar交换结构的数据，使输入缓存中的数据送入相应的交叉节点缓存，使交叉节点缓存中的数据送入相应的输出缓存，其中，对于通道化数据采用通道调度模式进行调度，对于分组数据采用分组调度模式进行调度，通道调度模式是指：对于通道化数据，以时间片为调度管理单元，将转发通道与时间片进行映射，对应通道按照分配的时间片进行数据转发；对于分组数据，以数据片为调度管理单元，将转发通道与数据片进行映射，对应通道按照分配的数据片进行数据转发；去通道化处理模块对输出缓存中的分组数据进行去通道化处和数据重组。

进一步的，方法还包括：对于既有通道流量又有分组流量的转发场景，所述调度管理模块采用时间片与数据片二合一的转发控制模式进行调度，且优先保证通道化数据的调度转发。

进一步的，数据重组后得到的输出数据，与原输入数据的格式相同或不同。

第三方面，提供一种包括如第一方面所述的基于Crossbar的模式可配置的双模混合交换结构的交换机。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：本发明提出的一种基于Crossbar的模式可配置的双模混合交换结构，是一种能够同时支持分组交换和电路交换两种工作模式的新型交换结构，并且，可支持异构网络数据转换与传输，实现数据通道带宽可配置、低抖动、传输可靠的数据交换。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1是一种4×4的Crossbar的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种基于Crossbar的模式可配置的双模混合交换结构的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种调度数据的方法的流程示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面通过具体实施例，分别进行详细的说明。

Crossbar是一种交换结构，其中文名称是交叉开关矩阵或纵横式交换矩阵。Crossbar由连接N个输入端口(Input)和N个输出端口(Output)的2N条总线纵横交叉连接构成。

如图1所示，一种4×4的Crossbar结构中，连接Input 1-4的4条总线与连接Output1-4的4条总线纵横交叉连接，Input所处水平线与Output所处垂直线的交叉节点(crosspoint)处有一个控制开关，用于控制crosspoint接通Input与Output之间的连接。在利用Crossbar传输信元时，由调度器控制crosspoint的通断，保证在一个时隙内从一个输入端口输入的数据包能够通过crosspoint从一个输出端口输出。

但是，现有的Crossbar是单一工作模式的，不能同时支持电路交换工作模式和分组交换工作模式。

电路交换是在通信的过程中维持实际的电子电路(物理通道)，通道建立后用户始终占用从发送端到接收端的固定传输带宽。电路交换又分为时分交换和空分交换两种方式。时分交换是把时间划分为若干互不重叠的时隙，由不同的时隙建立不同的子信道，数据传送的最小单位是时隙。空分交换是指在交换过程中的入线通过空间位置来选择出线，并建立接续，通信结束后，随即拆除。

分组交换是在通信过程中，通信双方以分组为单位、使用存储-转发机制实现数据交互的通信方式。分组交换也称为包交换，它将用户通信的数据划分成多个更小的数据段，在每个数据段的前面加上必要的控制信息作为数据段的首部，每个带有首部的数据段就构成了一个分组。首部指明了该分组发送的地址，当交换机收到分组之后，将根据首部中的地址信息将分组转发到目的地，这个过程就是分组交换。分组交换的本质就是存储转发。分组交换工作模式中，数据传送的最小单位是分组。

为解决现有Crossbar存在的问题，本发明实施例提供一种基于Crossbar的模式可配置的双模混合交换结构(下文简称双模混合交换结构)，它能够同时支持分组交换和电路交换两种工作模式；并且，可支持异构网络数据转换与传输，实现数据通道带宽可配置、低抖动、传输可靠的数据交换，以解决现有的数据交换结构不利于异构网络数据传输，数据传输时延抖动不易控制的缺点。

请参考图2，本发明实施例提供的双模混合交换结构，包括Crossbar交换结构10，还包括可编程通道化数据处理模块20和去通道化处理模块30，以及，还可以包括通道管理模块40。

所述Crossbar交换结构10，包括分别连接N个输入端口(Port)的N条行总线和分别连接N个输出端口的N条列总线，N条行总线和N条列总线纵横交叉连接，N为正整数。每条行总线和每条列总线具有一个交叉节点，交叉节点设有控制开关，控制该行总线和列总线的连接。所述CrossBar交换结构10用于完成不同输入端口和输出端口之间的数据交换。

所述Crossbar交换结构10，还包括缓存模块和调度管理模块。所述缓存模块包括分别设于N个输入端口的N个输入缓存、分别设于N个输出端口的N个输出缓存，和分别设于每个交叉节点的交叉节点缓存。所述调度管理模块(或称为调度器)包括双模行调度管理单元和双模列调度管理单元。

所述可编程通道化数据处理模块20，可以有N个，分别设于N个输入端口处。

所述去通道化处理模块30，可以有N个，分别设于N个输出端口处。

所述通道管理模块40，分别与所述可编程通道化数据处理模块20、所述调度管理模块以及所述去通道化处理模块30通信连接。

本实施例中，所述可编程通道化数据处理单元20用于对输入数据进行预处理，预处理后的数据才进入Crossbar交换结构10进行数据交换。本文中，将输入数据分为两种类型，即通道化数据和非通道化数据。其中，通道是指以时隙单元分配的时分通道，通道化是指在数据传输前进行时隙通道的分配，通道化数据就是通过分配的时隙通道以通道化方式传输的数据。通道化数据以外的、不以通道化方式传输的数据，本文中称为非通道化数据。

本实施例中，对于通道化数据，上述的预处理操作可包括：对数据带宽进行分配，对通道化数据进行通道管理及通道号分配，将通道化数据按通道送入Crossbar交换结构10相应的输入缓存。

本实施例中，对于非通道化数据，上述的预处理操作可包括：将非通道化数据通过切片处理转换为通道化的切片数据，对切片数据进行分组得到分组数据，然后采用分组数据处理模式，按分组送入Crossbar交换结构10相应的输入缓存。其中，对切片数据进行分组是指：将若干个切片合成一个数据分组，一个数据分组等同于一个数据包，切片是数据包的部分内容。其中，切片大小管理支持带宽定义。

本实施例中，所述可编程通道化数据处理单元20进行的预处理操作，一个主要目的就在于：完成端口输入数据在非通道化数据和通道化数据之间的转换，将非通道化数据转换为通道化数据。转换过程可包括：1)通多对非通道化数据进行切片处理，将非通道化数据转换为通道化的分组数据，以及进行通道管理(分配通道)，具体包括通道号与通道标签处理，通道带宽分配及管理等；2)数据通道化以后，其转发将根据通道来进行管理，并基于此特性带来一个增强型功能，即支持异构网络之间的数据格式转换，比如用以太网承载其他协议(如RapidIO、Fiber Channel等)的数据转换，IPV4与IPV6数据之间转换，以及基于应用的数据转换等，从而可以以通道管理技术进行异构网络之间的数据交换。

本实施例中，所述缓存模块包括的输入缓存、输出缓存、交叉节点缓存(即转发中间级缓存)，可采用双端口RAM(Random Access Memory，随机存取存储器)，RAM支持数据的并行写入及读出。所述输入缓存用于对所述可编程通道化数据处理模块送入的全部数据按照通道或切片进行缓存，响应于所述调度管理模块的调度请求，向相应的交叉节点缓存传输数据。其中，输入缓存对于可编程通道化数据处理模块处理后的切片数据，在进入CrossBar交换结构之前按照切片进行缓存；对于可编程通道化数据处理模块送入的通道化数据，按照通道进行缓存。所述交叉节点缓存，用于对所述输入缓存送入的数据按照通道或切片进行缓存，响应于所述调度管理模块的调度请求，向相应的输出缓存传输数据。所述输出缓存，用于对所述交叉节点缓存送入的数据按照通道或切片进行缓存。

本实施例中，负责调度转发数据的所述调度管理模块，是一种双模调度机，支持两种模式，即分组调度模式和通道调度模式混合兼容，同时存在。所述调度管理模块用于调度进入所述Crossbar交换结构的数据，使所述输入缓存中的数据送入相应的交叉节点缓存，使所述交叉节点缓存中的数据送入相应的输出缓存，特别的，对于通道化数据采用通道调度模式进行调度，对于分组数据采用分组调度模式进行调度。

本实施例中，CrossBar交换结构中的所述调度管理模块存在两级调度单元，即，双模行调度管理单元和双模列调度管理单元。双模行调度管理单元，用于调度输入数据，使所述输入缓存中的数据送入相应的交叉节点缓存；双模列调度管理单元，用于调度输出数据，使所述交叉节点缓存中的数据送入相应的输出缓存。

下面对两种调度模块进行进一步说明。

通道调度模式，是指以时间片{T0,T1,T2…Tn-1}作为调度管理单元，将转发通道与时间片进行映射；对应通道进行数据转发时要遵守分配好的时间片进行转发控制。

分组调度模式，是指以数据片{C0,C1,C2…Cn-1}作为调度管理单元，转发通道与数据片进行映射；对应通道进行数据转发时要遵守分配好的数据片进行转发控制。

特别的，对既有通道流量又有分组流量的转发场景，遵守时间片与数据片二合一的转发控制模式，形成如{Tx,Cx+1,Cy,Ty+1}的控制模式；在设计时可优先保证通道流量在其对应的时间片、流量片内获得调度权，数据得以在确定的时间，确定的流量被调度转发。

本实施例中，所述去通道化处理模块30用于对输出缓存中的分组数据进行去通道化处理和进行数据重组，即：是指去除本级交换结构的时隙通道信息，重组成下级网络设备或用户可以直接使用的、标准的网络数据格式。重组后得到的输出数据，可以与原输入数据格式相同，也可以与原输入数据格式不同，由于输出数据和输出数据可以是不同格式的数据，使得本发明双模混合交换可用于异构网络，进行异构网络之间的数据交换。

本实施例中，为了与现有的数据交换结构交换管理协议兼容，所述通道管理模块，可用于对上层协议进行转换处理(泛指上层的应用协议，并不指定某种协议类型)，对可编程通道化数据处理模块、去通道化处理模块和调度管理模块进行管理和配置，包括，对所述Crossbar交换结构的通道资源进行管理和配置，以及可编程通道化数据处理配置、双模调度配置、去通道化处理配置等。同时，所述通道管理模块，还可以支持多级交换***的通道化管理，即，多级Crossbar交换结构的通道化管理，可采用多级分层本地化机制实现整个交换转发通路的通道化管理。

综上所述，本发明提出的一种基于Crossbar的模式可配置的双模混合交换结构，是一种能够同时支持分组交换和电路交换两种工作模式的新型交换结构。并且，对于异构交换网络，比如不同协议之间的网络交换应用，IPV4-IPV6,Ethernet-非Ethernet(RapidIO、Fiber channel等)，本发明的交换结构可支持异构网络数据转换与传输，通过可编程数据处理技术，实现不同协议类型的网络数据之间的转换，转换规则可自定义，可支持异构网络数据承载技术及数据转换技术；支持数据通道带宽可配置、低抖动、传输可靠。

请参考图3，本发明实施例还提供一种调度数据的方法，该方法用于如上文所述的基于Crossbar的模式可配置的双模混合交换结构。该方法可包括：

步骤S1：可编程通道化数据处理模块对输入数据进行预处理，所述预处理包括：当输入数据为非通道化数据时，将非通道化数据通过切片和分组处理转换为通道化的分组数据，按分组送入相应的输入缓存；当输入数据为通道化数据时，按通道送入相应的输入缓存；

步骤S2：调度管理模块调度进入Crossbar交换结构的数据，使输入缓存中的数据送入相应的交叉节点缓存，使交叉节点缓存中的数据送入相应的输出缓存，其中，对于通道化数据采用通道调度模式进行调度，对于分组数据采用分组调度模式进行调度；

步骤S3：去通道化处理模块对输出缓存中的分组数据进行去通道化处和数据重组。

可选的，步骤S2中所述调度管理模块调度进入Crossbar交换结构的数据，具体包括：对于通道化数据，以时间片为调度管理单元，将转发通道与时间片进行映射，对应通道按照分配的时间片进行数据转发；对于分组数据，以数据片为调度管理单元，将转发通道与数据片进行映射，对应通道按照分配的数据片进行数据转发。

可选的，步骤S2还包括：对于既有通道流量又有分组流量的转发场景，所述调度管理模块采用时间片与数据片二合一的转发控制模式进行调度，且优先保证通道化数据的调度转发。

可选的，步骤S3中，数据重组后得到的输出数据，与原输入数据的格式相同或不同。

本发明实施例还提供一种包括如上文所述的基于Crossbar的模式可配置的双模混合交换结构的交换机。该交换机可以以太网交换机或光纤交换机。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

上述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对上述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于Crossbar的模式可配置的双模混合交换结构，其特征在于，

包括支持双模行列调度的Crossbar交换结构、可编程通道化数据处理模块以及去通道化处理模块，所述Crossbar交换结构包括缓存模块和调度管理模块，所述缓存模块包括输入缓存、输出缓存和交叉节点缓存；

所述可编程通道化数据处理模块，用于对输入数据进行预处理，所述预处理包括：当输入数据为非通道化数据时，将非通道化数据通过切片和分组处理转换为通道化的分组数据，按分组送入相应的输入缓存；当输入数据为通道化数据时，按通道送入相应的输入缓存；

所述调度管理模块，用于调度进入所述Crossbar交换结构的数据，使所述输入缓存中的数据送入相应的交叉节点缓存，使所述交叉节点缓存中的数据送入相应的输出缓存；

所述调度管理模块支持双模行列调度，对于通道化数据采用通道调度模式进行调度，对于分组数据采用分组调度模式进行调度，其中，通道调度模式是指：对于通道化数据，以时间片为调度管理单元，将转发通道与时间片进行映射，对应通道按照分配的时间片进行数据转发；对于分组数据，以数据片为调度管理单元，将转发通道与数据片进行映射，对应通道按照分配的数据片进行数据转发；

所述去通道化处理模块，用于对输出缓存中的分组数据进行去通道化处理和数据重组。

2.根据权利要求1所述的基于Crossbar的模式可配置的双模混合交换结构，其特征在于，

对于既有通道流量又有分组流量的转发场景，所述调度管理模块采用时间片与数据片二合一的转发控制模式进行调度，且优先保证通道化数据的调度转发。

3.根据权利要求1所述的基于Crossbar的模式可配置的双模混合交换结构，其特征在于，所述调度管理模块包括：

双模行调度管理单元，用于调度输入数据，使所述输入缓存中的数据送入相应的交叉节点缓存；

双模列调度管理单元，用于调度输出数据，使所述交叉节点缓存中的数据送入相应的输出缓存。

4.根据权利要求1所述的基于Crossbar的模式可配置的双模混合交换结构，其特征在于，

所述输入缓存，用于对所述可编程通道化数据处理模块送入的数据按照通道或切片进行缓存，响应于所述调度管理模块的调度请求，向相应的交叉节点缓存传输数据；

所述交叉节点缓存，用于对所述输入缓存送入的数据按照通道或切片进行缓存，响应于所述调度管理模块的调度请求，向相应的输出缓存传输数据；

所述输出缓存，用于对所述交叉节点缓存送入的数据按照通道或切片进行缓存。

5.根据权利要求1所述的基于Crossbar的模式可配置的双模混合交换结构，其特征在于，还包括：

通道管理模块，用于对所述可编程通道化数据处理模块、所述去通道化处理模块和所述调度管理模块进行管理和配置。

6.根据权利要求1所述的基于Crossbar的模式可配置的双模混合交换结构，其特征在于，

数据重组后得到的输出数据，与原输入数据的格式相同或不同。

7.一种调度数据的方法，用于如权利要求1所述的基于Crossbar的模式可配置的双模混合交换结构，该方法包括：

可编程通道化数据处理模块对输入数据进行预处理，所述预处理包括：当输入数据为非通道化数据时，将非通道化数据通过切片和分组处理转换为通道化的分组数据，按分组送入相应的输入缓存；当输入数据为通道化数据时，按通道送入相应的输入缓存；

调度管理模块调度进入Crossbar交换结构的数据，使输入缓存中的数据送入相应的交叉节点缓存，使交叉节点缓存中的数据送入相应的输出缓存，其中，对于通道化数据采用通道调度模式进行调度，对于分组数据采用分组调度模式进行调度，通道调度模式是指：对于通道化数据，以时间片为调度管理单元，将转发通道与时间片进行映射，对应通道按照分配的时间片进行数据转发；对于分组数据，以数据片为调度管理单元，将转发通道与数据片进行映射，对应通道按照分配的数据片进行数据转发；

去通道化处理模块对输出缓存中的分组数据进行去通道化处和数据重组。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括：

对于既有通道流量又有分组流量的转发场景，所述调度管理模块采用时间片与数据片二合一的转发控制模式进行调度，且优先保证通道化数据的调度转发。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，

数据重组后得到的输出数据，与原输入数据的格式相同或不同。

10.一种包括如权利要求1所述的基于Crossbar的模式可配置的双模混合交换结构的交换机。

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