一種負載均衡電路式分組交換結構及其構建方法

文檔序號：7925926閱讀：230來源：國知局

專利名稱：一種負載均衡電路式分組交換結構及其構建方法
技術領域：
本發明涉及通信技術領域，尤其涉及一種負載均衡電路式分組交換結構及其構建方法。
背景技術：
電信應用中，所謂的交換結構是一種網絡設備，該設備實現數據單元的路徑選擇，并將數據單元發送到下一個目標地址。
為保證經過交換結構數據流的服務質量，許多交換結構采用接入控制，為數據流分配一定的帶寬，當交換結構提供的帶寬不足以滿足一個數據流的需求時，便拒絕一個數據流的建立。
以電路交換結構為例，基于自路由集線器的多路徑自路由交換結構在進行接入控制時，需要首先計算這個數據流在交換結構中的傳輸路徑，然后根據路徑上各點的剩余可用帶寬來判斷是否可以建立一個數據流。
但是，由于電路交換結構內部容量有限，因此，當到達交換結構的數據流量不均衡時，可能有的端口或者內部線路已經處于飽和狀態，而有的端口或者內部線路處于空閑狀態。這就可能由于內部阻塞問題導致一個數據流不能夠被建立。降低了電路式交換結構的吞吐量。

發明內容
為此，本發明所要解決的技術問題是提供一種負載均衡電路式分組交換結構及其構造方法，使得該電路式交換結構能夠解決接入數據流量分布不均的問題，進而提高電路式交換結構的吞吐量。
于是，本發明提供了一種負載均衡電路式分組交換結構的構造方法，該方法包括
將基于自路由集線器的負載均衡分組交換結構分成具有完成負載均衡功能的第一級交換模塊和具有完成分組數據自路由轉發功能的第二級交換模塊；
在所述第一級交換^t塊輸入端前設置虛擬輸出群組隊列，在所述第二級交換模塊輸出端后設置重排序緩存，所述虛擬輸出群組隊列，用于存儲帶有自路由地址信息的分組數據塊，所述重排序緩存，用于將屬于同一個輸入群組的分
組數據塊按自路由地址信息排列，以便后續處理；
所述虛擬輸出群組隊列存儲的分組數據發送到第一級交換前，組合成預置長度的數據塊，然后被分割成等長的數據片，同時在數據片上添加用于實現自路由的自^各由才示簽；
擁有自路由地址信息的數據片經第一級交換模塊和第二級交換模塊傳輸后到達目的輸出端口的重排序緩存，根據數據片攜帶的自路由標簽，把數據片重新組合成所述虛擬輸出群組隊列組合成的數據塊。
其中，在所述第一級交換模塊和第二級交換模塊之間設置中間線群組。
在任意接入控制時隙內，輸入群組IGi去往輸出群組OGj的分組個數記為入
y，那么，當一個連接請求到達輸入群組IGi時，根據banyan網絡i 各徑唯一性，
計算出數據分組要發送到的輸出群組OGj ，把帶寬請求轉換成相應的值加到入
ij上，如果入i,j滿足接入控制條件
1 且1]/,盧,i,j = l...M
那么所述連接請求被允許建立，否則拒絕建立，其中，G代表群組的大小。
本發明還提供了一種負載均衡電路式分組交換結構，包括基于自路由集線器用于完成負載均衡功能的第一級交換模塊和用于完成分組數據自路由轉發功能的第二級交換模塊，其中，在所述第一級交換模塊輸入端前設置虛擬輸出
群組隊列，在所述第二級交換模塊輸出端后設置重排序緩存，所述虛擬輸出群組隊列，用于存儲帶有自路由地址信息的分組數據塊，所述重排序緩存，用于將屬于同一個輸入群組的分組數據塊按自路由地址信息排列，以便后續處理，所述第一級交換和第二級交換之間為中間線群組連接。
可見，通過將基于自路由集線器的負載均衡分組交換結構分成第一級交換模塊和第二級交換模塊，在第一級交換模塊輸入端前設置虛擬輸出群組隊列，
在第二級交換模塊輸出端后設置重排序緩存，并在所述虛擬輸出群組隊列存儲的分組發送到第一級交換前，將分組組合成預置長度的數據塊，然后被分割成等長的數據片，同時在數據片上添加用于實現自路由的自路由地址信息，在重排序緩存中，根據數據片攜帶的自路由地址信息，再把數據片重新組合成所述虛擬輸出群組隊列組合成的數據塊。通過上述結構的變化，可見，本發明提供的負載均衡分組交換結構取消了背景技術中所述的第一級交換和第二級交換
之間的虛擬輸出隊列VOQ這一中間級，使得本發明所述的負載均衡電路式分組交換結構，只要接入控制滿足^^''盧(？且1/''盧""=1."，那么連接請求被允許被建立，解決接入數據流量分布不均的問題，進而提高電路式交換結構的呑吐量。

圖la為本發明實施例所述多路徑自路由交換結構一般構造方法流程示意
圖lb為圖la所述多路徑N二128G-8]VN16的多路徑自路由交換結構構造方法流程示意圖2為本發明實施例所述負載均衡分組交換結構模型示意圖3為本發明實施例所述算法一示例圖4為本發明實施例所述算法二示例圖。
具體實施例方式
下面，結合附圖對本發明進行詳細描述。
本發明實施例采用基于自路由集線器的分組交換結構，而該交換結構主要是利用集線器和線組技術，在可路由多級互連網絡的基礎上來構造。
如圖la所示，一個MxM可路由的多級互連網絡構成一個基于自路由集線器的分組交換結構，一般的，設N=2n ， N = MxQM=2m,G=2g,先構造一個 MxM的可路由網絡(通常選擇版圖復雜性最優的分治網絡)。然后將網絡中各級2x2路由單元替換為2G-to-G自路由群組集線器，把網絡中各級間的連線替
換成G條平行的線束，這樣就建立了一個擁有M個輸出(輸入)群組，每群組包含G個輸出(輸入)端口的NxN網絡。2G-to-G集線器具有兩組輸入端口和兩組輸出端口的，兩個輸出組中地址d、的稱為0-輸出組和地址大的稱為1 -輸出組；同理，兩個輸入組稱為O-輸入組和l-輸入組。同一個輸出組中的端口是不用區分的，這是因為對于一個信號而言，交換到同一組中任何一個端口的效果都是等價的。
如圖lb所示，當線束大小G為8時，將線組和16-to-8集線器應用于圖la所示的16 x 16網絡，就得到了一個128x 128網絡。
邏輯上，2G-to-G集線器等同于2x2基本路由單元，因為它每個輸入(輸出) 組中的G個端口的地址是相同的。一個2G-to-G集線器是指一個2Gx2G的排序交換模塊，它將2G個輸入信號中地址最大的G個信號交換到具有最大輸出地址的G個輸出端口，并將其余的G個信號路由到具有最小輸出地址的G個輸出端 o 。
如圖2所示，基于上述構造的自路由集線器的分組交換結構，通過疊加2 個基于自路由集線器的分組交換結構以及在第一級交換模塊前添置虛擬輸出群組隊列(VOGQ:Virtual Output Group Queuing),在第二級交換才莫塊后面設置重排序緩存(RB:Re-sequencing Buffer)便可構造負載均衡的分組交換結構。
實際上，第一級交換模塊起到了負載均衡的作用，它負責將輸入的網絡流量均勻化后轉送到第二級交換模塊輸入端。之后，通過數據攜帶的自路由標簽，第二級交換模塊就可利用自路由特性將數據送到最終目的端口。每G個輸入 (輸出)端口組成一個輸入(輸出)群組，這樣在交換結構的輸入輸出端各形成了M個群組。交換結構內部共同連接不同集線器的G根內部鏈路也相應組成一個線群組。為了便于表達，設IGi (OGi)代表一個特定的輸入(輸出)群組, MGi代表前后兩級交換模塊之間的線群組(i=0，l,…M-l )。
輛
VOGQ隊列負責存儲來自G個輸入端口的數據，實質上VOGQ由M個虛擬輸出隊列組成。假定VOGQ (i，j)代表存儲來自輸入群組IGi,目的地為輸出群組OGj
數據的隊列，(i， j=0,l,...M-l)，同時設當前VOGQ (i,j)隊列長度為Lg,即有
Lg個分組在緩存中等待傳送。
一般而言，負載均衡的分組交換結構按時隙為單位進行調度，每時隙對分組的處理可大致分為以下幾個連續階段，并且應盡可能以流水線方式運行來加快處理速度
1) 到達階段新的分組在此階段到達輸入端IGs.其中到達輸入群組IGi去往輸出群組OGj的分組被存儲于VOGQ (i,j)隊列中
2) 封裝階段存儲于VOGQ中的分組首先被組合成最大長度一定的數據塊
(datablock)。然后根據算法l,這些數據塊將在分割和打標簽后成為小的數據片(data slice),并等待進一步傳輸。參見圖2中的數據片格式(a )。
3) 均衡階段通過使用MG自路由標簽，所有輸入群組IG同時將封裝后的數據片送到兩級間的線群組。當數據片到達中間線群組后，MG地址將作為 MG簽重新插入到IG標簽與數據負載之間。參見圖2中的數據片格式(卩)。
4) 轉發階段數據片將進一步使用OG標簽自路由地穿越第2級轉發模塊，并最終到達其預期的輸出群組。當數據片到達輸出端OGs的重排序緩存RB時， OG標簽將被丟棄。參見圖2中的數據片格式(Y)。
5) 離開階段在重排序緩存RB中，根據算法1被分割的數據塊將使用算法2進行重組，并離開交換結構的輸出端。
下面，針對所述算法1和算法2進行詳細說明。算法l:
對于每一個輸入群組IQ在封裝階段，存儲于VOGQ (i,j)的數據塊首先被均勻地切割成M個等長的數據片，即為圖2中標記出的負載。之后，自路由標簽MG、 IG和OG被插入到相應數據片之前，以供穿越兩級結構路由時使用。其中MG將按從小到大的順序依次插入到特定VOGQ所對應的M份數據片前。
為了便于理解，下面列出了算法1對應的C語言偽代碼，圖3則給出了當 M=8, IGs上的VOGQ滿足L5，(T4,L5,產2，L5，^L5,1時的具體例子。
/*算法1偽代碼，M為總的群組數"
DataBlock[M][M]; 嚴DataBlock(i，j)為VOGQ(i,j)內存儲的數據塊V
SlicePayload[M] [M] [M]; /* SlicePayload(i,j ,k)代表DataBlock(i,j)分割后的數據片負載*/
DataSlice[M][M][M]; 嚴DataSlice(i，j，k)代表加標記后的數據片*/
IG[M]={0, 1,2,3,…，M-1}; OG[M]={0, 1,2,3，…，M-1}; MG[M]={0， 1,2,3,…，M-1}; /* IQOQMG數組存儲了自路由標簽*/
for (i=0;i<M;i++) /*對每個輸入群組進行處理，實現時輸入群組間并行運
行*/
for(j=0;j<M;j++){
Segment(DataBlock[i][j]);嚴將數據塊均勻分割為M份負載,生成未加自路由標簽的數據片SlicePayload */
for (k=0;k<M;k++)
AddTag(SlicePayload[i][j][k],IG[i]，OG[j],MG[k]); /*為切割后的負載依次加標簽，生成數據片DataSlice(i,j,k)*/
圖3中，對于輸入群組IG5，在封裝階段，存儲于VOGQ(5j)的數據塊首先被均勻地切割成M-8個等長數據片。之后，自路由標簽MQIG和OG被插入
到數據片之前。對于VOGQ (5j) ，8個數據片的IG二5，OG,，而MG則按0到7 依次編號。這樣便將輸入端去往某輸出群組的流量均勻地導出到所有輸出群組。
算法2:
具有相同IG標簽的數據片被重組在一起,MG標簽將用于按順序將數據塊復原。然后將數據塊按分組大小重新切割為分組。處理后的分組就可被送離輸出端口。
如圖4所示，算法2的C語言偽代碼如下 /*算法2偽代碼，M為總的群組數"
DataBlock[M][M]; /承DataBlock(i，j)為VOGQ(i,j)內存儲的數據塊*/
SlicePayload[M] [M] [M]; /* SlicePayload(i,j，k)代表DataBlock(i j)分割后的數據片負載*/
DataSlice[M][M][M]; 嚴DataSlice(i,j,k)代表加標簽后的數據片*/ IG[M]={0， 1,2,3，…，M-1}; OG[M]={0, 1,2,3，…，M-1};
MG[M]={0， 1 ， 2 , 3 ,…，M-1}; /* IQOQMG數組存儲了自路由標簽*/
for(j=0;j<M;j++)/*對每個輸出群組進行處理，實現時輸出群組間并行運
行*/
<formula>formula see original document page 10</formula>
嚴去除DataSlice的自路由標簽IQMG，還原成未加標簽的SlicePayload; OG 標志已在自路由過程中去除,見圖2格式f/
Recover(DataBlock(i，j), SlicePayload(i，j,k));
/*將數據片負載SlicePayload(i,j，k)按k從小到大依次組合,最終恢復 DataBlock(ij)*/
/*數據塊恢復完成，按分組大小重新分割后可離開交換結構輸出端V
圖4中，根據算法2，在每個輸出群組OG上，我們首先搜集同屬輸入群組 IGs的數據片，然后根據數據片的MG標簽，從小到大依次將這些數據片組合起來。去除多余的自路由標簽后，我們就復原了數據塊。再將這些數據塊按分組大小切割后，就可將它們送出輸出端口了。
我們在負載均衡的分組交換結構輸入端前置的VOGQ中對去往每個輸出端口的分組進行封裝切割，在輸出的后置的重排序緩存中對這些經過切割的數據片進行重排序。由于交換結構的輸出端口為M,即需要把分組組合成數據塊然后平均切割成M個數據片，而一個2G-to-G自路由集線器的組大小為G,于是 M和G的大小關系影響著分組組合封裝和輸出的方法。本實施例給出M和G的三種關系的封裝和傳輸方法。
1)M=G:這種情況最簡單。交換結構的兩個輸入群組連接到一個2G-to-G自路由群組集線器，而2G-to-G自路由集線器的規模是2Gx2G。在封裝的時候，把 VOGQ的某一個虛擬輸出隊列的一個數據塊切割成了M個數據片，于是一個 2G-to-G自路由群組集線器的每個輸入端有M個數據片。由于M-G，所以對每個VOGQ的某一個虛擬輸出隊列進行封裝切割而成的M個數據片可以在一個時隙全部送到輸入端。由于交換結構中間沒有緩存，于是這M個數據片在交換結構中經過相同的傳輸延遲，同一個時隙到達輸出端口后置的重排序緩存，從
而根據自路由標簽重新組合成沒有切割的數據塊，然后送到輸出端的線卡上。
由于G個輸入的數據分組根據輸出端口地址分別存放到VOGQ相應的隊列中，而輸出端口有M個，于是一個輸入群組的前置VOGQ實際上有M個虛擬輸出隊列組成。這樣每經過M個時隙，VOGQ的每一個虛擬輸出隊列就可以發送一次數據分組。
2) M〈G:由于M-2,G:2g，于是G是M的2M咅(x為正整數)。由于VOGQ的每個虛擬輸出隊列的一個數據塊被封裝切割成了M個數據片，而一個2G-to-G的規模是2Gx2G，如果每次只傳輸VOGQ的某一個虛擬輸出隊列，則只使用了自路由集線器的2M個輸入(或者輸出)端口，而自路由集線器共有2G個輸入(或者輸出)端口。為了充分利用自路由集線器的路由交換能力，我們對每個VOGQ 的2X個虛擬輸出隊列進行封裝切割，這樣一個自路由集線器的兩個輸入端共輸入2x2XxM-2G個數據片。這樣每經過M/2X個時隙，VOGQ的每一個虛擬輸出隊列就可以發送一次數據分組。
3) M〉G:由于M-2,G-2g,于是M是G的2X倍(x為正整數)。由于VOGQ的每個虛擬輸出隊列的一個數據塊被封裝切割成了 M個數據片，如果每次封裝傳輸 VOGQ的一個虛擬輸出隊列，則一個自路由集線器的兩個輸入端共產生2M個數據片，而一個2G-to-G的規模是2Gx2G，這樣便超過了自路由集線器的路由交換能力。為了解決這個問題，我們把M個數據片分成2X個部分，這樣每個部分有G個數據片。同時為了防止負載均衡模塊內部的阻塞，我們把負載均衡交換結構的輸入組也分成2X個部分，這樣每部分有G個輸入組。在一個時隙中，一個輸入組部分的G個輸入組分別向O至(G-l )， G至(2G-1),…，(M-l-G) 至(M-l)輸出組發送數據，這樣2X個時隙便完成了一個輪轉，即VOGQ的一個虛擬輸出隊列完成了一次數據發送。于是每經過2XxM個時隙，VOGQ中的每一個虛擬輸出隊列完成一次數據的傳輸。
假設任意時隙內輸入群組IGi去往輸出群組OGj的分組個數記為入ij，那么，當一個連接請求到達輸入群組lambda i的時候，可以根據banyan (榕樹)網絡路徑唯一性，計算出分組要發送到的輸出群組OGj 。把帶寬請求轉換成相應的值加
到入y上，如果入u滿足接入控制條件
E義,盧G且^/,盧G， i,j:l…M
那么這個請求可以被允許，否則拒絕這個連接的建立。因為交換結構沒有足夠的處理能力。
下面我們證明這個條件確實可以保證交換結構不會出現阻塞。
我們首先證明第一級交換模塊的負載均衡部分不會出現內部阻塞，可以把流量均衡到第二級自路由交換模塊的各個輸入組。
如圖2所示，每個IG前置的VOQG中的分組都要平均發送到所有的MG。根據前面的封裝和傳輸的介紹，第一級交換模塊的連接方式是周期性和確定的，一個時隙有G個數據片從一個VOGQ被傳送到2G-to-G自路由集線器的一個輸入組，而該集線器的規模是2Gx2G，于是第一級交換模塊的第一級不會出現內部阻塞。又因為自路由集線器根據地址大小進行排序，于是最多有G個數據片從上一級的一個輸出端口發送到下一級的輸入端口，而第一級交換模塊的輸入端口沒有超載，于是所有級的輸入端口都不會超載。根據前面的封裝和傳輸的介紹，在一個時隙中去往各個中間輸出端口MG的數據片個數相同，也就是說負載均衡模塊內的各個中間線組的利用率是相同的。根據負載均衡模塊內的各級的輸入端都沒有超載，各個中間線組的利用率相同，并且一個時隙中到達中間輸出端口 MG的數據片相同這三個結論，我們得出第一級交換;f莫塊沒有內部阻塞，并且所有的lt據片可以到達正確的MG端口。
上面我們已經得出負載均衡模塊不會出現內部阻塞的結論，為了證明這個條件可以保證這個負載均衡交換結構不會出現內部阻塞，還需要證明第二級交換模塊不會出現內部阻塞。
假設到達過程用M x M的流量矩陣A (t)描述，其元素入g代表從輸入群組IGi去往輸出分組OGj的分組個數；到達第二級交換;f莫塊輸入端的流量分布情況則用矩陣B (t)表示，其元素ia y代表到達中間線群組MGj去往輸出群組OGj 的分組數目，即 <formula>formula see original document page 14</formula>經負載均衡處理，這里用變換矩陣7l《t)來表示此過程
<formula>formula see original document page 14</formula>于是<formula>formula see original document page 14</formula>顯然B(t)的流量分布是均勻的。根據接入控制條件，對任意i，j, G/M。考慮最壞的情況，即對所有的中間線群組，到達流量滿足^,j二G/M。考慮一個一般的多徑自路由結構，由于網絡流量是均勻的，所以對結構中的任意集線器而言，其上、下輸出群組的流量恰為兩輸入群組流量的一半。先考慮第l內部級的集線器，,li殳兩輸入端總流量分別為Ia，Ib ，由于Mi廣G/M，因此
<formula>formula see original document page 14</formula>其中LG (k)為第二級交換模塊第一內部級集線器某輸出群組k上的分組數。同理，第二內部級的集線器的輸入來自第一內部級的2個輸出群組；由于上一
級輸出分組數都為G，未超負荷，而流量又是均勻的，因此第二內部級上的集線器輸出線群組分組數也都為G,不會超荷。
依此類推，第二級交換模塊中任意線群組上的分組數都是G，都不會超負荷。于是對于一般情況，即k^G/M，第二級交換模塊的所有內部級的輸出群組分組數都小于等于G,因此接入控制條件可以滿足交換結構內部無阻塞，可以提供100%的吞吐率。
上面已經表明了接入控制過程非常的簡單，基于自路由集線器的多路徑自路由交換結構的接入控制問題，它不可以滿足第二個數據流的請求。但是基于自路由集線器的負載均衡電路式分組交換結構完全可以滿足第二個數據流的請求，因為符合我們的接入控制條件。既然可以滿足這個請求，那么便提高了本發明實施例所述負載均衡電路式分組交換結構的吞吐量，這也是負載均衡交換結構的優勢之一。
本發明實施例中的交換結構采用基于自路由集線器的分組交換結構，而這種結構可以遞歸構造，于是這個負載均衡交換結構的^l^莫不受限制。同時該交換結構是完全分布式的自路由，也為該負載均衡交換結構的大規模實現提供了技術和物理上的勤出。
以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1、一種負載均衡電路式分組交換結構的構造方法，其特征在于，包括將基于自路由集線器的負載均衡分組交換結構分成具有完成負載均衡功能的第一級交換模塊和具有完成分組數據自路由轉發功能的第二級交換模塊；在所述第一級交換模塊輸入端前設置虛擬輸出群組隊列，在所述第二級交換模塊輸出端后設置重排序緩存，所述虛擬輸出群組隊列，用于存儲帶有自路由地址信息的分組數據塊，所述重排序緩存，用于將屬于同一個輸入群組的分組數據塊按自路由地址信息排列，以便后續處理；所述虛擬輸出群組隊列存儲的分組數據發送到第一級交換前，組合成預置長度的數據塊，然后被分割成等長的數據片，同時在數據片上添加用于實現自路由的自路由標簽；擁有自路由地址信息的數據片經第一級交換模塊和第二級交換模塊傳輸后到達目的輸出端口的重排序緩存，根據數據片攜帶的自路由標簽，把數據片重新組合成所述虛擬輸出群組隊列組合成的數據塊。
2、根據權利要求l所述的方法，其特征在于，在所述第一級交換;漠塊和第二級交換模塊之間設置中間線群組。
3、根據權利要求l所述的方法，其特征在于，任意接入控制時隙內，輸入群組IGi去往輸出群組OGj的分組個數記為入ij，那么，當一個連接請求到達輸入群組IGi時，根據banyan網絡路徑唯一性，計算出數據分組要發送到的輸出群組OGj ,把帶寬請求轉換成相應的值加到入y上，如果人g滿足接入控制條件XA盧G且S/,盧，i，j"…M那么所述連接請求被允許建立，否則拒絕建立，其中，G代表群組的大小。
4、一種負載均衡電路式分組交換結構，包括基于自路由集線器用于完成負載均衡功能的第一級交換模塊和用于完成分組數據自路由轉發功能的第二級交換模塊，其特征在于，在所述第一級交換模塊輸入端前設置虛擬輸出群組隊列，在所述第二級交換模塊輸出端后設置重排序緩存，所述虛擬輸出群組隊列，用于存儲帶有自路由地址信息的分組數據塊，所述重排序緩存，用于將屬 :同一個輸入群組的分組數據塊按自路由地址信息排列，以便后續處理，所述第一級交換和第二級交換之間為中間線群組連接。
全文摘要
本發明提供了一種負載均衡電路式分組交換結構及其構建方法，其中所述方法包括將基于自路由集線器的負載均衡分組交換結構分成第一級交換模塊和第二級交換模塊；在第一級交換模塊輸入端前設置虛擬輸出群組隊列，在第二級交換模塊輸出端后設置重排序緩存，在分組數據發送到第一級交換前，將分組數據組合成預置長度的數據塊，再分割成等長的數據片，添加自路由標簽，到達重排序緩存后，把數據片重新組合成所述數據塊。本發明所述的一種負載均衡電路式分組交換結構及其構造方法，解決了電路式交換結構能夠接入數據流量分布不均的問題，提高了電路式交換結構的吞吐量。
文檔編號H04L12/56GK101388847SQ20081021686
公開日2009年3月18日申請日期2008年10月17日優先權日2008年10月17日
發明者鵬伊, 安輝耀, 揮李, 汪斌強, 王秉睿, 凱雷申請人:北京大學深圳研究生院;上海北京大學微電子研究院;李揮

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