專利名稱：局域網交換器結構的制作方法
技術領域：
本發明涉及一個局域網(LAN)交換器結構，尤其涉及一個結合不同的總線結構以在用于交換1 Mbps-155Mbps LAN業務量的吞吐量和等待時間中提供優越性能的高速LAN交換器。
現有技術的LAN交換器或者是基于一個縱橫結構或者是基于一個時分多路復用總線結構。
在美國專利No.5,264,842中P.A.Franaszek描述了具有等待鏈路的交換器連接。在一個多端口通訊系統中用于占線端口的查詢器在等待鏈路中排隊。縱橫交換器的連接被使用以存儲等待鏈路。等待鏈路的單元被修改以提供正確的連接；也就是一組端口被以鏈接列表的形式連接，但指針由交換器本身的連接組成。這些連接用于存儲列表結構以及通過信息。這個概念需要被從交換器構造矩陣的一個端口傳輸到下一個端口的控制信息。
在美國專利No.5,179,552中H.-H.J.Chao描述了一個分離交換器設計。用于一個大的包交換器或一個基于無緩沖的統計復用器的交叉點矩陣交換單元使用一個縱橫矩陣網絡，其中各個交換單元的輸出端口被劃分為不同的組以便在任何這樣的組的單元中共享選擇路徑。每個這樣的組的輸出被它們自己遞歸地劃分為一系列串連連接的組，每個組提供一個遞減的輸出數直到一個這樣的輸出被提供用于交換器的每個相應的輸出端口。交換單元包括一個比較在特定的時間窗口中的兩個輸入比特流的相應位以產生控制信號的控制電路和一個響應控制信號用于選擇兩個輸入比特流的路徑交替地到達兩個數據輸出端的選擇電路。采用這種方法，如果有比交換器能夠處理的更多的分組出現在“集線器”，“集線器”簡單地將它們“分離”出去并且依靠“高層軟件”的誤差檢測和信息重發功能來重發放棄的數據。依靠高層協議來檢測丟失的分組并重發它們會產生過多的分組等待時間和由于停工時間的對話信號失落。此外， “分離”分組的重發還會促使網絡阻塞并且會引起另外的包被分離。這種方法也使用多個單元緩沖器，每個這樣的緩沖器增加一個單元延遲。在高度要求最少的包等待時間的LAN交換器環境中這是不希望有的。
在美國專利No.5,197,064中H.-H.J.Chao描述了一個使用遞歸劃分的分布的模塊分組交換器。這樣一種交換器利用用于改進整個性能的信道分組和可以在內部分配爭用裁決的縱橫交換構造以及在各個交換單元它們自己之間的濾波功能。輸出端口分組被遞歸地應用直到提供一個輸出路徑用于每個輸出端口。
在美國專利No.5,189,665中J.A.Niehaus等人公開了一個設計便于多到8個數據端口互聯的數字縱橫交換器。該設備包括8個雙向端口，每個8位寬。端口的互聯由與每個端口相關聯的32個存儲的控制存儲器位置控制。在LAN環境中，端口密度在數百個是通常的并且是需要的，最大為8個端口的限制使得這種交換器沒有吸引力。
在美國專利No.5,404,461中H.T.Olnowich等人描述了一個用于在非緩沖的異步交換網絡上進行廣播/多播傳送的廣播/交換設備。該專利描述了使用一種異步的方法以解決在輸入端口之間或者廣播或者多播的爭用的單播、多播或廣播分組中一種傳輸數據的方法。廣播/交換設備進行從輸入端口的任何一個到輸出端口的任何一個，同時從輸入端口的任何一個到多個輸出端口的子集的一個固定數或者同時從輸入端口的任何一個到所有輸出端口的連接。
在美國專利No.5,179,669中D.V.Peters描述了一個多處理器互聯和進入判優的裝置。在多處理器系統中的處理器被如縱橫交換器的無阻塞通訊介質互聯。通過一個光鏈路每個處理器被連接到縱橫交換器的一個專用端口電路。通過一個電子鏈路每個端口電路連接到縱橫交換器。端口電路被一個爭用介質互聯。在每個端口電路的電路系統接收用于進入連接的處理器的請求，按優先次序排列沖突請求并順序地準許它們。這種裝置在交換器構造的每個端口和每個連接的處理器節點之間使用一個鏈路。
在美國專利No.4,845,722中A.R.Kent等人公開了一個使用縱橫交換的計算機互聯耦合器。該耦合器具有一組連接器分配給信道發射機和信道接收機用于來自尋址到信道發射機的信道接收機的信息的路徑選擇。當信息被信道接收機接收時，信道接收機存儲在先進先出緩沖器中的信息的開始部分并發送路由信息請求到中心交換器邏輯電路。如果目的發射機或接收機占線，中心邏輯電路將信息請求放到一個目的隊列并返回一個信號到請求源發射機以接通一個流量控制信號，該控制信號被發射返回到具有初始信息的數據處理設備。然而，任何尋址到這個數據處理設備的信息被插入到在信息前和后具有暫停的流量控制載波，并且也做好準備以允許數據處理設備響應輸入的信息返回一個確認碼。請求被分組為不同的優先級別以及分開的但重復的判優邏輯電路被用于在同一個優先級組內解決同時的請求。該專利描述了在縱橫交換器的每個端口和每個連接的處理器節點之間一個雙向鏈路或兩個單向鏈路的使用。
在美國專利No.5,261,059中W.F.Hedberg等人描述了一個用于數據通訊網絡的縱橫接口。在一個主計算機和一個縱橫交換器之間的縱橫接口采用使用多端口RAM裝置的數據緩沖。接收和發送數據被記錄進入RAM的分開的串行端口的時間或從RAM的分開的串行端口出來的時間，并且同時一個本地處理器能夠通過一個隨機進入端口進入RAM，異步地到達串行端口，執行協議。在多端口RAM中數據的存儲短脈沖串的順序由空閑緩沖管理器定義，該管理器保持計算的那個位置是空閑的。這些位置的地址被用于輸入包之后移到一個接收的列表。在協議處理器完成它的任務后，被稱為短脈沖串數據描述符的這些地址被移到發送列表以等待短脈沖串加載回到用于記錄出來的時間的串行寄存器，然后當發送時描述符再次進入到空閑緩沖管理器。這個專利描述了一個雙端口RAM的使用用于改進兩個連接的處理器之間的通訊效率。
因此本發明的一個目的是提供一個LAN交換器結構，該結構在吞吐量和等待時間中展示了優越性能而不使用等待鏈路或分離技術的概念。
本發明的另一個目的是提供一種方法用于在一個LAN交換器結構中選定路徑和發送數據分組而不丟失分組并且不要求控制信息的發送。
本發明提供一種混合交換器構造，該構造結合了縱橫和時分多路復用總線結構以及下一個可利用的發送信道的選擇路徑和相聯輸出端口選擇路徑的方法。
LAN交換器結構具有多個端口組，一個交換構造用于在不同的端口組中裝置端口之間便于通訊和一個控制器用于控制交換構造。多個端口組的每個包含一個通訊信道用于端口組到交換構造的互聯。
在一個LAN交換器結構中具有多個端口組，一個交換構造用于在不同的端口組中裝置端口之間便于通訊，一個控制器用于控制交換構造并且每個端口組包括一個通訊總線用于端口組的裝置端口的互聯，一個控制器用于控制在通訊總線上的傳輸，以及多個通訊信道用于端口組到交換構造的互聯，一個具有目的地址的路由頭標被分配給要被發送的每一幀，幀被選定路徑并從一個源地址發送到目的地址，并且如果要被發送的幀的目的地址和源地址是在多個端口組的一個或多個中的同一個端口組內幀被同時選定路徑并在同一個端口組的端口之間傳送而不使用交換構造。
圖1A一般地說明了具有4個時分多路復用子組的本發明的優選實施例。
圖1B更詳細地說明了在這個實施例中一個子組包含4個端口芯片和4個信道芯片。
圖1A所示的優選實施例是一個具有交換構造的LAN交換器結構，最好為一個異步分組交換器1，以及在這個例子中四個端口線路卡或時分多路復用端口組G1到G4。取代只有四個的情況，多個端口組G1到Gi(i＝1…n)可以被連接到分組交換器1。
參照圖1B，每個端口組被定義為包含多個端口芯片P1到Pk和多個信道芯片C1到Ck(k＝1…n)。在這個特別的實施例中每個端口組包含四個端口芯片P1，P2，P3，P4和四個信道芯片C1，C2，C3，C4。信道芯片C1，C2，C3，C4連接端口組G1到交換構造1。
端口芯片P1，P2，P3，P4提供合適的LAN物理層，介質進入控制，緩沖和總線接口功能。每個端口芯片能夠進行半雙工或可選擇地全雙工操作。在圖1b端口芯片被作為離散的實物展示，但它們也可以作為一個雙端口芯片或四端口芯片實現。LAN物理層/介質進入控制一般地包括自動協商功能以確定LAN操作速度，介質類型半或全雙工傳輸等等。個人計算機(PC)或工作站連接到端口芯片P1，P2，P3，P4。
如端口組G1，每個端口組還包括一個微處理器3或其他狀態機器邏輯電路，以及一個選擇的緩沖器RAM4。一個端口組的單元被一個公用的數據路徑5，例如一個并行總線，最好為一個32位總線互聯。數據由微處理器3經過PIO和/或塊移動指令，由DMA邏輯電路或其他相似的裝置在多路復用端口組的端口芯片和/或信道芯片之間移動。每個端口芯片P1，P2，P3，P4和每個信道芯片C1，C2，C3，C4被準許進入總線5使得數據等待時間被減至最小并且總線利用率被優化。
除了交換構造1便于在不同的端口組的裝置端口之間通訊以外LAN交換器結構還包括一個控制器2用于控制交換構造。
盡管在現有的設計中所有的交換器端口連接到一個單個的總線構造，但在這個LAN交換器結構中多個分開的端口組Gi提供了允許同時進行幀的選定路徑和傳送的子構造。具有在如源地址/端口的同一個端口組內的目的地址/端口的幀被直接地，端口對端口地傳送，而不使用交換構造1。例如，同時的傳送可能在同一個端口組G1的端口P1和P4之間和另一個端口組Gi的端口之間進行。這提供了在等待時間和吞吐量中改進的性能以及每一端口的更好的成本。
微處理器3或其他與每個端口組Gi相關的類似的裝置通過查詢每個端口或檢驗接收幀的源地址字段找出連接到每個端口芯片P1，P2，P3，P4的PC機或工作站的源地址。當一個端口芯片具有一個要被發送的幀時，它在幀的目的地址字段的接收后中斷微處理器3。微處理器3或其他狀態機器計算對于交換器端口數的目的地址的映射，例如經過一個在本地RAM中查閱的表，并且預先不定要被發送的幀的路由頭標。
另一種情況是一個內容可尋址的存儲器(CAM)或一個內容定址存儲器能被用于映射功能。如果幀的目的地址不在本地處理器的表中，一個信息被送到請求相對交換器端口映射信息的目的地址的控制器2。另一種辦法是本地處理器會預先不定選擇幀到控制器2的路徑用于本地路由表的提前和延遲更新的頭標。
在公知的LAN交換器結構中每個端口具有一個單個的，專用的路徑用于進入交換構造。如果一個幀被阻塞，例如由于它的目的端口被占用，那么在阻塞的幀后面的排對中的幀也被阻塞，即使它們的端口可能是空閑的和可利用的。在這個應用的新的LAN結構中每個端口芯片能夠利用多個信道到交換構造。在圖1b的優選實施例中每個端口芯片P1，P2，P3，P4利用四個信道C1，C2，C3，C4。如果一個阻塞的幀阻塞信道C1，一個排隊的幀能夠經過信道C2，C3或C4發送。
這經過多個可利用信道中的一個從一個輸入排隊到交換構造傳送數據的下一個可利用的輸入信道選擇路徑的方法不同于一個輸入緩沖的設計。一個輸入緩沖的交換器每一端口具有幾個發送排隊，但每一端口只有一個單個路徑或信道進入交換構造。這里描述的方法提供了多個與每一端口的多個傳輸信道或路徑相關的發送排隊。
借助于某些LAN協議，傳輸層保證幀以正確的次序到達。其他協議要求數據鏈路層保證幀按順序到達它們的目的地。在其他協議的情況下，下一個可利用的發送信道選擇路徑算法被修改使得它不會移動比具有同一個目的地址的兩個幀更多的到任何發送信道。如果一個第三個幀排隊并具有一個與前面兩個幀相同的目的地址，那么第三個幀或者選擇路徑到本地SRAM和提前后面的，但優先于對于同一個目的地址的端口排隊邊界的頂端的任何新的幀，或者排隊能被允許阻塞直到第一個幀的傳送完成。
當分組被限制用于一個已經在使用中的交換器端口時，輸出端口爭用導致分組傳送變得阻塞。一些現有的設計采用輸出端口緩沖以致力于使輸出端口爭用減至最小。例如，經過在每個輸出端口的緩沖存儲器，實現多個接收分組排隊。一旦一個幀完全在一個接收排隊中，端口能從交換構造接收另一個幀同時第一個幀被傳送到目的工作站。所有幀必須流過一個單個輸出端口。
這個應用的相聯輸出端口選擇路徑的方法將多個輸出端口與多個輸出排隊相結合。這種技術增加了對于一個輸出端口的幀限制將找到一個非占用信道的可能性并且允許同時地接收多個幀。隨著瞬時業務量負荷請求，相聯輸出端口選擇路徑動態地分配信道芯片到輸出端口。例如，如果到P1的一個傳送已經在進行中，借助于輸出端口緩沖，限制用于端口P1的幀F將會暫時阻塞。一旦第一個幀完全在輸出緩沖器排隊中幀F的傳送將進行。
這種相聯輸出端口選擇路徑的方法避免了饋給幾個輸出端口緩沖器排隊的一個單個信道的瓶頸問題。交換構造識別信道C1被占用，所以它透明地選擇第二幀的路徑到信道C2或C3或C4，這些信道的每一個具有一個獨立的接收緩沖器排隊。當端口P1變為可利用時，從C2或C3或C4到P1的數據傳送發生。為確定分組的目的端口芯片的頭標處理能夠與其他數據傳送并行完成。
盡管輸出端口緩沖相關于一個單個接收端口，多個接收排隊和一個單個接收信道，相聯輸出端口選擇路徑相關于一個單個接收端口，一個或多個接收排隊和多個接收信道。
除了完成控制功能和網絡路由發現，控制器2處理廣播和多播傳輸。當一個端口芯片接收一個廣播幀時，它預先不定選擇幀的路徑到控制器或集線器引擎2的路由頭標。集線器引擎在它的本地RAM中存儲廣播幀并且使用盡可能多的可利用的集線器信道，以一種并行/順序的方式重發廣播/多播幀到目的端口。
因此傳輸以并行方式產生，使用盡可能多的可利用的信道，并且不要求等待所有的目的端口信道空閑。當每個信道/端口變得可利用時傳輸順序地產生。這種方法不要求在廣播/多播進行以前所有的幀傳輸是靜止狀態。
雖然本發明根據一個單個優選實施例進行描述，在本領域的那些熟練的技術人員將認識到本發明能夠在附加的權利要求書的精神和范圍內進行修改。
權利要求
1.一個LAN交換器，包括具有多個設備端口的多個端口組，為了便于在不同端口組的設備端口之間通訊的交換裝置；以及用于控制交換裝置的控制裝置，其中所述多個端口組的每個端口組包含用于互聯所述端口組到所述交換裝置的通訊裝置。
2.如權利要求1所述的LAN交換器，其特征在于所述多個端口組的每一個還包含用于互聯；所述端口組的多個設備端口的通訊裝置；以及用于控制在所述通訊裝置上的傳輸的控制裝置。
3.如權利要求1所述的LAN交換器，其特征在于所述交換裝置包含一個交換構造。
4.如權利要求2所述的LAN交換器，其特征在于所述通訊裝置包含一個時分多路復用總線。
5.如權利要求4所述的LAN交換器，其特征在于所述多個端口組的每一個還包含緩沖設備。
6.如權利要求1所述的LAN交換器，其特征在于所述多個端口組的每一個包含用于互聯所述端口組到所述交換裝置的多個通訊信道。
7.如權利要求6所述的LAN交換器，其特征在于所述多個通訊信道的每一個有一個獨立的接收緩沖器排隊。
8.一個LAN交換器包括具有多個設備端口的多個端口組；為了便于在不同端口組的設備端口之間通訊的異步分組交換器；一個用于控制異步分組交換器的控制器；其中所述多個端口組的每一個還包含，一個用于互聯所述端口組的設備端口的時分多路復用通訊總線，一個用于控制在所述通訊總線上的傳輸的控制器，以及用于互聯所述端口組到所述異步分組交換器的多個通訊信道。
9.在一個LAN交換器結構中，其中所述LAN交換器結構包括具有多個設備端口的多個端口組，一個便于在不同的端口組的設備端口之間通訊的交換構造，一個用于控制交換構造和包含一個用于互聯一個端口組的設備端口的通訊總線的端口組的每一個的控制器，一個用于控制在所述通訊總線上的傳輸的控制器，以及用于互聯所述端口組到所述交換構造的多個通訊信道，一種方法包含步驟分配一個具有目的地址的路由頭標到要被發送的每一幀，將所述幀從一個源地址選擇路徑并發送到所述目的地址，以及如果要被發送的幀的目的地址和源地址同時在所述多個端口組的一個或多個相同的端口組內，則在所述相同的端口組的端口之間選擇路徑和傳輸幀，而不需要使用交換構造。
10.如權利要求9所述的方法，其特征在于還包含步驟如果要被發送幀的目的地址和源地址是在不同端口組內，選擇所述幀的每一個的路徑到源地址端口組的所述多個通訊信道中的選擇的一個用于發送所述幀到所述交換構造，如果所述源地址端口組的所述多個通訊信道的所述選擇的一個是占線的，則選擇所述幀的路徑到所述源地址端口組的所述多個通訊信道中任一可利用的信道，采用所述目的地址端口組的所述多個通訊信道中選擇的一個從所述交換構造發送所述幀到目的地址端口組，以及如果所述目的地址端口組的所述多個通訊信道中所述選擇的一個是占線的，則選擇所述幀的路徑到所述目的地址端口組的所述多個通訊信道的任一可利用的信道。
11.如權利要求10所述的方法，其特征在于所述幀是一個廣播幀或一個多播幀以及其中從所述交換構造發送所述廣播幀或多播幀到目的地址端口組的所述步驟還包含步驟選擇所述廣播幀或多播幀的路徑到控制器；存儲所述廣播幀或多播幀在所述控制器；以及并行地從所述控制器經由所述交換構造采用盡可能多的可利用的所述目的地址端口組的所述多個通訊信道重發所述廣播幀或多播幀到所述目的地址端口組而不用等待所有目的地址端口變成空閑。
12.如權利要求3所述的LAN交換器，其特征在于交換構造包括一個異步分組交換器。
13.一個通訊設備包含具有多個設備端口的多個端口組；一個互聯多個端口組的交換構造；一個連接到交換構造的第一控制器；一個在一個端口組內耦連多個設備端口的總線；以及一個連接到耦連多個設備端口的每個總線的第二控制器。
全文摘要
一個LAN交換器結構具有一個組合縱橫制和時分多路復用總線結構的混合交換器構造并允許下一個可利用的發送信道選擇路徑和相聯輸出端口選擇路徑。LAN交換器結構具有具備多個設備端口的多個端口組,一個為了便于在不同端口組的設備端口之間通訊的交換構造和一個用于控制交換構造的控制器。多個端口組的每一個包含一個用于互聯端口組到交換構造的通訊信道。
文檔編號H04L12/44GK1187077SQ9712318
公開日1998年7月8日 申請日期1997年11月21日 優先權日1996年12月24日
發明者艾伯特·理查德·巴茲利克 申請人:國際商業機器公司