??? 摘? 要: 一種基于反饋的信元交換控制系統的設計與FPGA電路的實現,該系統采用反饋機制,通過引入較小的硬件開銷和時間開銷,使系統丟失率達到10-9量級,從而與通信鏈路(光纖)中的丟失率相匹配。高度并行的尋徑方式有效降低了對硬件電路的速率要求。?
??? 關鍵詞: 交換結構? 尋徑? 反饋? 丟失率
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??? 大容量、低阻塞的交換機(路由器)一直是通信領域中所期望的。文獻[1]、[2]基于廣義Knockout原理和“滾動”(rolling)技術提出了一種可擴展的分組Crossbar交換網絡,其信元丟失率可達10-7左右。但在IP網絡中,數字終端的誤碼率低于10-12量級,傳輸鏈路(光纖)的誤碼率達到10-9,為了使交換機不成為帶寬瓶頸,要求其丟失率與傳輸鏈路匹配。本文給出了一種基于反饋的分組Crossbar交換結構,其丟失率可達10-9[3],并給出了其控制系統的具體電路設計。?
1? 信元交換結構?
??? 本文采用一種帶反饋的可擴展分組Crossbar交換網絡,如圖1所示(以128端口為例)。分組Crossbar交換網絡采用若干小Crossbar交換矩陣構成大規模的交換網絡,具有良好的可擴展性。本交換結構由輸入擴展單元、交換矩陣、輸出集中單元及交換控制系統組成。輸入擴展單元接收封裝好的信元并對其進行1:4的擴展;輸出集中單元再進行4:1的集中,并提供信元的輸出排隊緩存;交換矩陣由4個分組組成,每個分組里有8個16×16小Crossbar。將一個分組中的小Crossbar的一部分端口(4～15端口)作為交換機提供給用戶的實際端口,另一部分(0～3端口)則用以構成輸出到輸入的反饋通道。由于只需要提供4個反饋線,因而只將每個分組中第一個小Crossbar的4個輸出口反饋至輸入端。4個反饋輸出端口與反饋輸入端通過輸入緩沖相聯系。同時,每個小Crossbar的輸入端仍為16個。這樣,每一個小Crossbar實現了16×12的交換功能。?
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2 交換控制系統及其實現?
??? 交換控制系統根據輸入擴展單元傳來的尋徑請求信號進行并行尋徑處理,將所得到的控制信號輸出到交換矩陣。交換控制系統硬件組成如圖2所示。其基本原理是:存儲一張記錄鏈路占用情況的忙/閑狀態表,初始時所有鏈路均為空閑。在一個信元周期內,每輸入一個尋徑請求,就檢查所需鏈路的忙/閑狀態,若空閑則將該鏈路分配給尋徑控制器,并且將鏈路標識為忙狀態;在每個信元周期結束前將鏈路全部設為空閑狀態,以便在下個信元周期重新尋徑。若在某一個信元周期內有輸入請求向量無法得到滿足時,則將該請求向量保存下來,并產生未分配標識向量輸出至交換核,然后將未分配請求向量置于尋徑控制器輸入接口的FIFO隊首。?
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2.1 尋徑控制器?
??? 尋徑控制器是交換控制系統的核心,它負責接收輸入請求分配單元傳遞過來的請求向量,對鏈路忙/閑狀態進行查詢后,產生連接控制信號,送給交換系統以控制信元交換。尋徑控制器的結構如圖3所示。交換控制系統由4個分組控制器級聯而成(分別對應于4個分組),每個子單元由小空分開關(SW)、16×16開關列陣控制器(SAC)、輸入串并和輸出并串模塊構成。其中,完成尋徑操作的主要部分是16×16開關列陣控制器(如圖4所示),每個控制器產生對應的交換模塊中的一個16×16開關的控制信號。它負責查詢交叉連接矩陣的忙閑狀態,根據請求滿足與否修改忙閑狀態,并產生連接控制信號和下一個分組的輸入請求向量。?
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2.2 反饋請求向量處理單元?
??? 反饋請求向量處理單元結構如圖5所示。每個信元周期內輸入的所有請求向量均輪流通過4個級聯的分組控制器之后,由反饋請求向量處理單元根據未分配標識向量(16位)將4次請求都沒有得到滿足的那些請求向量保存下來,并將其置于輸入接口的FIFO隊首,使其在下個信元周期內能首先得到滿足。同時,反饋請求向量處理單元會查找出這些請求向量的源端口。由于每個分組中最多只能反饋4個信元,所以,只有16位未分配標識向量中前4個為“1”的比特所對應的請求向量能夠得以反饋。例如,設未分配標識向量為“0010 1010 0101 0100”,那么先出現的4個“1”比特位的位置分別是“2”、“4”、“6”、“9”,得到的反饋端口標識即為“0010 0100 0110 1001”。同時,相應這4個端口的尋徑請求向量也被保存下來。?
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2.3 交換控制系統的工作流程?
??? 尋徑控制器按照流水線方式并行工作,尋徑結束后由反饋請求向量處理單元進行處理。在128端口地交換機中,來自輸入接口的128個尋徑請求向量(包括反饋回來的請求向量)被分為4個分組,分別對應于交換矩陣的4個分組,這4個分組之間可以并行地進行尋徑。在圖3中可以清楚地看到,4個分組首尾相聯構成環形的管道,保證每個請求向量均可先后查詢4個分組中的鏈路忙閑狀態,即獲得4次尋徑的機會。而在每個分組中,請求向量又可以分為8個組(每組4個請求向量),分別對應于圖3中每個分組中的8個開關矩陣控制器SAC#0～#7。這8組請求向量也是完全獨立地并行尋徑,這種高度并行的尋徑方式可以在很少的時隙(16個時隙)內完成128路請求向量的尋徑工作(且每個請求向量均有4次尋徑機會),從而有效降低了電路的速率要求。為方便起見,我們討論一個管道(不妨設為每組中的SAC#0所構成的管道)內16路尋徑請求向量的尋徑過程,把它們標識為:ABCD(第一組);EFGH(第二組);IJKL(第三組);MNOP(第四組)。其16個時隙(每個時隙對4路向量并行尋徑)內的尋徑流程即為:AEIM—BFJN-CGKO-DHLP-MAEI-NBFJ-OCGK-PDHL-IMAE-JNBF-KOCG-LPDH-EIMA-FJNB-GKOC-HLPD。在尋徑過程中,鏈路控制器根據鏈路的忙閑狀態對輸入尋徑請求進行響應:如果鏈路空閑,控制器則將其置為“忙”,并向交換矩陣輸出連接控制信號,同時將向下一單元輸出無效請求信號(全“0”);如果鏈路狀態為“忙”,則將尋徑請求繼續送往下一單元。?
??? 最后4個時隙所產生的輸出向量已經通過所有4組開關控制器,將這16路輸出向量用寄存器保存下來送入反饋請求向量處理單元,由反饋請求向量處理單元選出前4路沒有尋徑成功的請求向量,在下一個信元周期內繼續尋徑(反饋請求向量處理單元工作原理見2.2節)。?
3 FPGA電路的實現結果?
??? 本控制模塊采用Altera公司的Quartus Ⅱ1.0軟件完成設計過程,并得到了整個控制模塊的實時模擬波形,如圖6所示。波形圖證實該模塊能成功完成交換控制功能。在此基礎上,使用Altera公司的APEXTM? EP20K100EQC240-2X芯片完成了電路的實現,經過調試,達到了所需完成的功能。?
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參考文獻?
1 Y. Yeh, M. G, Hluchyj and A. S. Acampora. The?Knockout Switch: A Simple?Modulor Architecture for Highperformance Packet Switching.IEEE JSAC, 1987；5(8):1274～1283?
2 K. Y. Eng, M. J. Karol and?Y. S. Yeh. A Growable Packet(ATM) Switch Architecture:Design Principles and Applications. IEEE Trans. on?Commun.,1992；40(2):423～430?
3 吳江東.大容量MPLS交換路由器系統結構及交換結構的研究:[碩士學位論文].武漢:華中科技大學激光技術國家重點實驗室,2000