专利名称：方形交换体系的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有包含输入和输出交换链路分别互相交叉的交叉网络的交换体系的分组交换机。
下面接着评述一些实际存在的或建议的体系-方形矩阵-环形或总线型公共媒体-单-通路-网络，例如，Batcher-Banyan，或Delta(三角形)-网络。
-多-通路-网络，例如Clos或Benes网络。因为大的交换机的有关体系不是国际上最早研究的那种方形体系，然而，具有方形矩阵的分组交换机具有许多希望的特性，即无拥塞，允许简单路由和控制点至多点的连接。另一方面，扩展困难，因为硬件的增长量正比例于其平方。在大的矩阵中，解决从矩阵的行到列的复用信息量的问题也有困难。为了解决这个问题的提案基本上意味着控制算法的一些形式朝着交叉点缓冲器传送，而且因此在交叉点之间分配列的带宽。
达到具有公共媒体的最大规模的交换机具有如像方形一样相同的特性。然而，它有一个有限的规模，因为公共媒体应当承载连接到交换机的带宽和。因此，它不适合于大的宽带分组交换机。
构成单-通路-网络的一个交换机具有这样的特性，即两个分组能希望同时地留作网内的内部链路，由于网内没有缓冲，因此，其中的一个分组不得不被删除(内部锁定的形式)。
为了避免这一点，必须执行对分组选择和存储的算法。至今还没有一种好的和简单的解决这个问题的办法。
在某些情况下，为了解决上述的问题，多-通路-网络是单-通路-网络的扩展。
这些网络能够被选定，以降低内部的拥塞，就所涉及的CLOS网络而言，也可选取无拥塞。正如名称表明，通过交换网络到一个和相同的输出端有一些替换路由。因此，该路由的算法比单-通路-网络的路由算法显著地变得更复杂。
由于US4876681的分组交换机已熟知了，该交换机的一个目的在于能使用网络扩展和配置变化的网络配置。
该交换机包括许多等级树型结构连接的“配置单元”，根据网络的规模能够选择许多等级步位或级。
在该树型结构的各个配置单元中安排先进先出(fifo)缓冲器。该分组进行转移到等级树型结构的下一个步位，取决于在上述的下一步位中先进先出缓冲器的检查。如果在下一步位中先进先出缓冲器不是空的，则该分组数据就保存在自己内部先进先出缓冲器中。
本发明的目的是提供一种交换体系，该体系以简单的方式和合理的费用允许设计大的及小的分组交换机。
该目的是通过引入一种规定类型的交换机来达到的，其特征在于，由许多树型结构组成输出交换链路，其每一个树型结构包括一个上缓冲级，该上缓冲级包括用于分组进入输入链路的许多中间存储缓冲器，和一个下缓冲级，该下缓冲级具有至少一个输出缓冲器，该下缓冲级被连接用于接收上缓冲级的至少两个中间存储缓冲器内的容量，并且它的输出端构成该输出链路的输出端。
根据一个实施例，上述输出缓冲器和上缓冲级的中间存储缓冲器之间的连接，通过具有另一个中间存储缓冲器的一个或多个中间级来连通。
根据另一个有利的实施例，上缓冲级的缓冲器每一个被连接，用于接收打算给至少两个输出链路的多个链路的每一个链路和作为这些输出链路在分用单元中安排的相应的多个输出缓冲器的分组。
根据另一个最好的和非常有利的实施例，交换机的功能被分布在许多功能单元中的两种类型之中，即，一方面，输入单元具有的功能是用于交换串行比特流为并行格式，用于重建来自输入链路比特流的相位位置，和恢复分组的界线和调整它们的相位位置，以便它们将被送到跟随的缓冲器内完全的字上，且另一方面，包括一个存储缓冲器的交叉点单元。
在分组交换机中可利用上述功能单元，以便使分组交换机由许多以串行排列的具有每个输入单元的输入链路和输出链路单元和许多跟随的交叉点单元构成，上述输入链路单元的存储缓冲器构成上缓冲器级的中间存储缓冲器且输出链路单元的上述存储缓冲器构成下缓冲器级输出缓冲器。
现在参照附图更详细地描述本发明。
图1和2原理性地说明两种常规方形交换矩阵的设计;
图3表示根据本发明设计的一个分组交换机的电路图;
图4表示根据图3的详细的交换机，说明该交换机的一个列的树型结构;
图5和6表示根据图3该树型结构进一步的改进;
图7表示根据本发明交换矩阵的实际执行实现中指定使用的一个基本块的实现;
图8和9表示根据图7借助于基本块的一个交换体系的两个实施例的设计。
现在首先参照图1和图2将更详细描述本发明的技术背景。
传统设计的用于分组交换机的交换矩阵可有图1所示的外部特性。该矩阵有N个输入行2和N个输出列4。因此得到N×N个交叉点，其中的一个表示为6。
该矩阵应当实现一种空分交换功能，即在任意行上进入矩阵的分组应当在一个或几个任意的列上引导出。在每个交叉点6有一些智能型式，典型地，有一个地址翻译器，该地址翻译器翻译分组的地址，根据该分组是否应当引导出去来判决。
此外，有一个中间存储缓冲器8，它存储等待未被占据输出的分组。这个目的是为了解决争用问题，即来自几个行的分组应当同时地被引导到该列，而且这样“完整的”列作为一个信源。使用商业上可用的半导体存储器，以RAM(随机存取存储器)的形式，组织成为fifo(先入先出)来实现这些缓冲器。
在目前情况下，必须解决预计类型的宽带应用，问题是RAM侵吞带宽的有限的能力。对于已知的技术来说，具有一个字的一比特宽度的RAM仅能控制有限的带宽。今天可用的技术也许允许达到100Mbit/s。因此能够指出，RAM具有每字的比特宽一定的带宽限制。
因此，这类矩阵的弱点是它们正比例于其平方(N×N)增长，对于一个大的交换机来说，需要大量的硬件。同时，对于大量列来说也很难解决从行输出到列的复用分组的问题(对于已知技术来说，能够被复用到列的行数受到限制)。
因此，增加RAM容量的第一步是增加并行比特数，以便列的缓冲器能被集合到根据图2所示的一个公共fifo缓冲器10。然后朝着这个公共缓冲器进行复用。
然而，甚至有这种实际限制的形式，因为当并行的比特数接近100-200时，该字开始变为如此之宽，直至它们是不可控制的。这就提出了用很宽总线的问题，而很宽的总线布置在电路板等上是困难的。对于ATM来说，还有一个限制，在所称的ATM中信元包括424比特，它意味着基本上不可能有比在交换矩阵包括的缓冲器内字的更大的宽度。用当今可用的技术，朝向一个缓冲器大约能复用16、32或达到64行。
根据本发明，上述的一些问题已经解决了一些，它在图3中原理性地表示出来。
图3中所示的矩阵包括许多矩阵模块，图2中表示了其原理性的设计。四个矩阵模块分别表示为20、22、24和26。该矩阵有一个总的2n个输入端，用一个公共线28表示。每一个矩阵有n个行，矩阵模块20和24共享相同的n个行，用一个公共线30表示，而且矩阵模块22和26共用相同的n个行，如用一个公共线32所示。
以图2相同的方法，每个矩阵模块20、22、24、26的n个各自的行被复用向着n个公共fifo缓冲器34，其各自的输出相应于每个矩阵模块的n个列的每一列(在图3中矩阵模块20和24的缓冲器是看不到的)。
在矩阵模块20和22中，具有相同列号的列缓冲器34(因为在这种情况下成对)向着随后节点的公共fifo缓冲器被复用。对于矩阵模块24和26同样是有效的，具有同样列号的列缓冲器34向着公共fifo缓冲器38被复用。2nfifo缓冲器36和38一起的输出构成了如图3所示构成矩阵的输出列40。
从图3与上述的描述一起看出，构成矩阵的每列形成了一种树型结构，2n个行30和32向着在树的叶片中的fifo缓冲器34被复用，而且所有的行被均匀地分布在列树的叶片之间。然后叶片fifo缓冲器34被空起来，以固定带宽降到下一个节点的fifo缓冲器36、38，在空起来的一些叶片朝向该缓冲器，以便该结构朝向树根变得更稀疏。
参照图4，该图表示在进一步原理性型式中矩阵的第一列，矩阵模块20和矩阵模块22二者的叶片缓冲器34是可见的，这里也表示出了空分交换。通过分配对每个进入交换矩阵的分组的标示类型进行空分交换，该标示类型表示列或分组应当被发送的列。因此该标示构成一个至列的直接地址。这些列这样地被配置，即，使它们得到的实际地址从零到矩阵的列号数。每个单元具有缓冲器属于哪一列的认识，如果每个缓冲器有一个地址，就被认为是它的位置，甚至在相同列的情况下，所有的缓冲器共用这个地址。
在每个缓冲器级中列树下降到根引起地址解码，并通过地址翻译器41把分组的地址与它的列的地址识别码进行比较来进行地址解码。如果分组的地址与列的地址是相同的，该分组就被复制到该缓冲器中，而且在相反的情况下就不进行复制。
这里表示交换矩阵类别的条件之一是列的带宽应当是与行的带宽一样宽。因此，缓冲器结构的带宽要求主要是由信息量到达第一缓冲级34的变化脉冲密度产生的。这就意味着，分组可同时到达一些列上，这些分组向相同的列引导，当没有分组到达该缓冲器时，可出现间隔。为了解决这个问题，该第一缓冲器级必须能够控制连接行数的带宽之和。在实际的情况下，该带宽可是每行200Mbit/s的数量级。
用一个叶片缓冲器实现的建议的树型结构，借助于最好技术的帮助，能够管理最大可能的带宽，而且因此允许n行的连接。当对于大的交换矩阵来说这一点不足够时，则行的数目分布超过树型结构的多个叶片存储器。(然而，它自身是通常地希望限制列内缓冲级的数目)。
如所周知，从列的根部缓冲器出来的带宽决不会大于行的带宽，从叶片缓冲器出来的带宽也决不会大于行的带宽。因此可以说，树的叶片缓冲器内的信息量通过滤波输出被集中，借助于寻址机制，信息量(分组)应当不被引导到这一列。因此，朝向根部缓冲器的带宽被集中了一个因数n，而且，如果根据与叶片缓冲器相同的原理来实现根部缓冲器，则在必须引入另外的缓冲器级之前，该树能被扩展到包括n个叶片缓冲器和由此而得的n×n行。
参见图5，该图说明根据图3的矩阵的进一步改进的树型结构之一，具有相同列数的fifo缓冲器34也被空起来，以固定的带宽分别降到下一个缓冲器(节点)36和38，而且降到树的根部，根部的fifo缓冲器被指定为42。树的根部相应于从矩阵输出列的输出。以这种方法，通过用一个合适数目节点扩展行的树，无限大的矩阵基本上能被建立。
从图5也明白，该列树是如何根据矩阵中包括的行数扩展的。两个最低行30、32与图3是相同的。
对于已知的分组交换机的应用来说，对矩阵中每行和列要求特定的带宽。容易理解，它的优点是在矩阵中比分别在行或列上有较大的带宽，进行空分交换。这样做与在输出端(根部)较大带宽的分用相结合。这取决于这样的一种事实，叶片数目增长正比例于矩阵的平方，而分用在树根部的fifo缓冲器数目为线性增长。该结果是根据图6的一种树型结构。
在图6中叶片缓冲器48和节点缓冲器50之间的带宽是两倍大于矩阵的行上的和列的输出的带宽，叶片缓冲器48相应于图4中的缓冲器42、44。换句话说，两个列的信息量被空起来转到每个缓冲器48。这就意味着，两列的叶片和节点能被协调在一个和相同的树内(在较高“级”通过空分交换来进行)。另一方面，树的根部必须分别用fifo缓冲器52和54来实现，对于每一个属于树的列，即该根部必须包括一种分用功能，以56标出。
根据该结构在方形交换矩阵的实现中，该结构在前面的部分已原理性地表示出来了，非常需要在物理级的连接。所有的行应当被分布到所有行的交叉点而且列应当收集列的所有交叉点。这一点与在宽带交换机中每行和列应该录载最高可能串行带宽的要求结合起来而非常需要建立好的传输特性。
矩阵功能的功能部分分为两个实现单元提供这些好的特性。参照图7，该功能在输入单元60和交叉点单元62之间共享。该输入单元60管理和终止进入到行64上的串行比特流和变换这些比特流为更简单的并行格式，这可从传输能力的观点看出。交叉点单元62执行空分交换并缓冲在交叉点内fifo缓冲器66内的分组。经并行接口它被连接到输入单元。这两个单元在一起构成根据图7的结构，这里称为“管子(pipe)”。
图7中画的管子的轮廓是一个基本的方块。它能被用于实现交换矩阵。进入到管子的串行比特流被连接到输入单元60。它可能连接多达n个比特流，把这些比特流变换为并行格式并进一步传送出去到一个并行接口，朝向第一交叉点单元62。两个交叉点单元之间的并行连接可是一种点至点的型式，这就意味着一个交叉点单元是一个连接的有源部分，即该并行连接进入到和通过该交叉点单元。每个交叉点单元可包括一种放大功能。以这种方法在两个单元62之间的连接上能得到非常好的传输特性。
管子的大小和长度可随提供的交叉点单元62的任意数目、输出端的数目、图中m的数目而变化，上述参数可任意地变化。
考虑到行和列带宽的极大需要(200Mbit/s或更高的数量级)，制造具有一个输入单元和一个交叉点单元的管子单元获得许多优点。在这个大小的带宽需要特殊的解决办法，需要设计同步系统。
问题是数据信号从发射机到接收机的传播时间，甚至对于短的传输通路，更确切地说很块超过了数据比特的脉冲宽度。因此，需要接收机能恢复数据信号相对于同步系统中参考时钟的相位位置。
进一步必须恢复分组(ATM-信元)的相位位置，该相位位置同样地依赖于缓冲的分组，作为RAM基本缓冲器中的整个字数。这两种功能实现起来是相对昂贵的，主要是关于功率消耗和硅面积。因此，如果它们能被断开，作为一些单元的公共部分是有优点的，制造成为图7所示的管子单元。
因此，输入单元60包括用于恢复的功能，一方面，恢复从n个连接来的数据流的相位位置，另一方面，恢复分组的界限并调整其相位位置，以便它们得到完全的字送到随后的缓冲器中。这就可以用熟知的方法由人造工艺制造，因此，在这里无需进一步详细描述。提供任何的优点是需要的，从传输的观点来看，成功的接口是“简单的”，而且它们不破坏恢复的相位关系。同样，这也由图7所示的单元而获得。因为该输入单元和交叉点单元被放置在相同电路板上，它们能被放置在一个行内，因此，电路至电路的距离变得很短，具有好的传输特性。
从图8中显现出了提供用于具有6个管子单元的2n×2n交换矩阵的树型结构的原理，在图中仅仅表示了这些单元中的4个单元。通过使用设计的方法主要地确定划分为管子单元，例如电路板的大小，电路板占据的空间，分别决定输入和交叉点单元60和62的数目。当管子单元的最大数目的输入端和输出端的最大数目限制其大小时，该图描述了一种理想的关系。
更具体地说，分配2n个行和2n个列，以便分配的行数分别在两个管子-单元80和82之中。这两个单元的每一个单元连接矩阵行的n和包括该矩阵叶片缓冲器的2n，因为在交换矩阵中总共有4n个叶片缓冲器。
因此，一个列树包括一个分别来自每个管子单元82和84的叶片缓冲器83和四列收集管子-单元的每一个的一个根部缓冲器，四列收集管子-单元仅表示出两个，即88和90。由于最大n个输入端至管子单元，这些列收集单元能最大提供n/2个根部缓冲器。
图9是替换图8的一个实施例，该实施例不同于图8，该实施例由短管子单元构成矩阵的每个列树。仅仅三个列树分别表示为92、94和96。这些短的单元包括每个输入单元98和具有根部缓冲器102的交叉点单元100。借助于每个短管子单元的帮助，在该树中如果有的话能提供一些节点。如果来自叶片缓冲器的比特流的带宽大于来自该根部缓冲器的带宽，则用该短的管子来实现前面已经描述的关于图6的分用功能。
总之，矩阵的行和交叉点可用许多长管子单元来实现，该单元包括叶片缓冲器。这种管子的长度与矩阵中行的数目相同，或者小于，这取决于叶片和列树根部之间的带宽是否大于行的带宽或列树根部输出的带宽。用短的管子实现树中的根和可能的节点，该短管子连接来自叶片fifo缓冲器的串行比特流。如果从叶片来的比特流的带宽大于从根部输出的带宽，也用短管子实现分用功能。因为也是在树的根部进行地址解码，用相同的管子单元来实现一些根部缓冲器是可能的。如果该单元仅利用一个根部缓冲器，在该级不需要进行分组地址解码，但仅仅对于分组是否出现进行检测，在这种情况下，该分组被复制到该缓冲器。
用这种任意的管子获得具有模块设计的交换矩阵，该矩阵能被扩展到任意的大小。此外，借助于两个实现单元能实现功能性，这两个实现的单元是与两种集成电路相同的。
根据本发明提供的一种交换机，适用于根据ATM-标准(异步传送模式)的分组。这种体系是不拥塞、可扩展、解决争用和控制多点连接的树型。还能利用它以灵活和有效的方法对该技术改进。
这些特性使这种体系非常适合实现用于宽带综合业务数字网(B-ISDN)的通用的ATM交换机。
权利要求
1.一种分组交换机，具有包括互相交叉的输入和输出交换链路的交叉网络的交换体系，其特征在于，上述输出交换链路由许多树型结构组成，其每一个树型结构包括一个上缓冲级，该缓冲级包括用于分组进入上述输入链路的许多中间存储缓冲器(34)，和一个下缓冲级，该下缓冲级具有至少一个输出缓冲器(42)，该下缓冲级被连接用于接收上缓冲级的至少两个中间存储缓冲器内的容量，并且它的输出端构成该输出链路的输出端。
2.根据权利要求1的分组交换机，其特征在于，上述输出缓冲器(42)和上述上缓冲级的上述中间存储缓冲器(34)之间的连接，通过具有另一个中间存储缓冲器(36，38)的一个或多个中间级来连通。
3.根据权利要求1或2的分组交换机，其特征在于，上述上缓冲级的上述缓冲器(48)的每一个被连接，用于接收打算给至少两个输出链路的多个链路的每一个链路和作为这些输出链路在分用单元(56)中安排的相应的多个输出缓冲器(52)的分组。
4.根据权利要求1至3的任一个权利要求，其特征在于，它的输入端是分布在以并行安排的至少两个矩阵模块(20，22)的输入端之中，它的每一个输出朝向一个输出链路，该输出链路包括在上述上缓冲级上的一个中间缓冲器(34)，每一个矩阵模块的所有输入链路被公共连接，不同矩阵模块的上述中间存储缓冲器(34)的输出，对每一个输出朝向上述矩阵模块的输出链路，该模块连接到一个公共的另一个缓冲器(36，38)。
5.根据权利要求4的分组交换机，其特征在于，连接到交换机的一个公共输出缓冲器(46)的上述另一个缓冲器(42)的输出端作为交换机的每个输出端。
6.根据权利要求1-5的任何一个权利要求，其特征在于交换机的交换功能分布在多个功能单元中的两种类型之中，即，一方面，一个交叉输入单元(62)包括一个存储缓冲器(66)，且另一方面，一个输入单元(60)终止串行的比特流和变换该格式为比较简单的内部格式，从传输特性的观点可看出，在上述输入单元和一个或多个交叉单元之间。
7.根据权利要求6的分组交换机，其特征在于，上述输入单元(60)具有交换串行比特流为并行格式的功能，重建来自输入链路比特流的相位位置，和恢复分组界限和这些相位位置的调整，以便它们落到随后缓冲器内的完全的字内。
8.根据权利要求6或7的分组交换机，其特征在于，设计包括许多输入和输出链路单元，每一个单元具有一个输入单元和其后跟随串接的许多交叉点单元，上述输入链路单元的上述存储缓冲器构成上述上缓冲级中间存储缓冲器，和上述输出链路单元的上述存储缓冲器构成下缓冲级输出缓冲器。
全文摘要
本发明涉及一种分组交换机，具有包括互相交叉的输入和输出交换链路的交叉网络的交换体系。输出交换链路由许多树型结构组成，每个树型结构包括一个上缓冲级，该缓冲级包括用于分组进入输入链路的许多中间存储缓冲器(34)，和一个下缓冲级，该下缓冲级具有至少一个输出缓冲器(42)，该下缓冲级被连接用于接收上缓冲级的至少两个中间存储缓冲器内的容量，并且它的输出端构成该输出链路的输出端。
文档编号H04L12/56GK1081054SQ9310679
公开日1994年1月19日 申请日期1993年6月1日 优先权日1992年6月1日
发明者R·S·桑丁, P·A·M·李尤堡 申请人:艾利森电话股份有限公司