交换结构的制作方法

专利名称：交换结构的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及分组交换通信网络中进行的交换。本发明尤其涉及这样一种通信网络，具体而言，ATM网络中采用的交换结构。
为了便于理解后续描述，下面定义下文中将要用到的一些术语。本发明的描述尽可能采用本领域存在的英语术语给出。
交换矩阵由多个相同或彼此不同的交换元件组成，这些元件按照给定的拓扑结构互连。在本领域语言中，这种交换矩阵也称作“交换网络”，因为交换元件构成了一个给定拓扑结构的网络。因此，在知道交换矩阵的交换元件及其互连方式时，就认为交换矩阵具有确定的形式。
交换元件可以看成是基本的“构造块”，将多个交换元件连接成一个交换网络即可构造交换矩阵，前述交换网络包括并联和串联的所述多个交换元件。一组相互并行的交换元件组成了一个交换级。连续交换机的交换元件按照前述拓扑结构通过交换矩阵的内部连接(链路)彼此相连。
在综合意义上，术语交换机用于表示根据交换矩阵配置的实体。因此，交换机可以表示通信网络中用于信号交换的任何装置。就本发明范围而言，此处提到的交换机是分组交换机，因为本发明与分组交换通信网络，尤其是ATM网络中的交换相关。在具体情况下，交换机也可以称为交换系统。
ATM(异步传递模式)是一种面向连接的分组交换技术，国际电信标准组织ITU-T选择它作为实现宽带多媒体网络(B-ISDN)的目标传递模式方案。在ATM网络中，通过发送被称作信元的恒定长度(53字节)短分组来解决传统分组交换网络(例如X.25网络)的问题。每个信元包括一个48字节净荷部分和一个5字节消息头。有关ATM网络的进一步讨论对理解本发明并不重要，此处不再赘述。如果需要，这方面的详细描述可以参看本领域的国际标准和教科书。
为传统TDM(时分复用)网络，一种STM(同步传递模式)网络需要开发的交换机无法直接用于ATM网络中的交换任务。为传统分组交换网络开发的交换机设计也不适合ATM网络中的交换目的。除了固定信元长度和信元消息头域功能受限之外，ATM网络的优化交换结构的选择也受信元流的统计行为和ATM交换机所需的高速(一般在150-600 Mbit/s量级)的影响。


图1示出了一种从外部观察的ATM交换机。该交换机具有n个输入端口I1-In和m个输出端口O1-Om。该ATM交换机11的每个端口上都有信元流CS。数据流中单个信元的消息头标记成符号HD。在ATM交换机中，信元从输入端口Ii交换到输出端口Ii，同时将信元消息头的值从入值转换到出信元。为此，交换机包括转换表12，利用该表进行所述消息头转换。从该表中可以看出，例如输入端口I1所接收的，其消息头的值为X的所有信元被交换到输出端口O1，而出信元的消息头同时赋值K。不同输入端口上的信元的消息头可以具有相同值；例如输入端口In接收的，具有相同消息头值X的信元也被交换到输出端口O1，但输出端口上其消息头赋值为J。
因此，交换机的主要任务是将信元(分组)从输入端口交换到所需输出端口和所需“消息头交换”，即消息头转换。从该图中也可以明显看出，有时候两个信元可能会同时竞争接入同一个输出端口。为此，交换机必须具有缓冲器容量，以保证在这种情况下不需要丢弃信元。相应地，交换机的第三个主要任务是提供所需的缓冲器容量。事实上，根据这三个主要任务的实现方法和包含所述实现的交换机级，能够分类不同的交换机设计。
虽然可以根据许多不同的标准分类ATM交换机体系结构，但本申请中仅描述与按照本发明的交换机配置密切相关的那些分类，以便读者理解后面给出的描述。
在交换机体系结构设计中需要作出的一个主要决定是需要使用的交换结构类型。不同的方案可以分类成两大类单级和多级交换结构。在单级交换机中，输入和输出端口仅通过单级彼此相连。并且，单级中仅进行分组交换。因为实际上交换机涉及可以具有数百个，甚至上千个输入和输出端口，其实际实现一般都采用多级类型。在多级交换机中，通过多级交换元件实现交换。
根据给定输入端口和给定目的端口之间提供的是单个路径还是多个路径，多级交换可以进一步划分成单路径和多路径类型，多级交换结构通常也标记成缩写MIN(多级互连网络)。因为按照本发明的交换结构是多级类型，所以下面的描述仅涉及多级交换结构(MIN)。
需要作出的另一选择涉及MIN的内部结构，该MIN内部是可以面向连接或无连接的。这里必须注意到，虽然ATM网络本身采用面向连接的分组交换技术实现，其中使用的交换机内部却可以是无连接的。
交换机的另一特性是路由寻址信息的位置。一种可能性是在交换机元件存储器中以路由寻址表的形式本地存储路由寻址信息，根据该路由寻址信息，每个交换元件可以单独进行虚信道标识符(VCI)的转换。按照另一方案，路由寻址信息包含在自寻路标记中，该标记在交换机的输入边界处加入信元。
在面向连接的交换机中，路径的路由寻址以连接建立阶段已设定的预定方式(从而称为预定路径寻址)进行，从而属于同一虚连接的所有信元将通过该预定路径。如果路由寻址方案将路由寻址信息保持在交换机元件的路由寻址表中，则在连接建立期间更新这些路由寻址表。相应地，如果路由寻址信息包括在信元的自寻路标记中，则在交换机的输入边界处将用于以唯一方式确定信元路由寻址的这个标识符附在信元上。
在无连接的交换机中，单独为每个信元决定路由寻址。这意味着属于同一虚连接的信元可以以不同路由经过交换机。路由寻址信息也可以放置在单个交换机元件的路由寻址表中，或者将前述标识符标记附在信元上，使得信元可以标记有路由寻址信息。这样，该标记的有效比特在路由寻址操作中没有固定作用，而由识别这些比特的交换机元件以随机方式，或者按照给定算法为该信元进行路由寻址。如果交换机可以提供若干连接路径，那么甚至可以在所有可用路径上统计共享信元流，从而减小内部阻塞的概率。
目前，在ATM交换机的设置中采用了两种不同方案以避免因内部阻塞的拥塞。
按照第一方案，交换机在其内部级中采用多个内部链路或交换元件。但是，随着内部链路或交换机元件数量的增加，交换机结构变得复杂，使得大型交换机的实现非常笨拙。这种原理的一个例子体现在美国专利第4955016号所公开的交换机中，该交换机被称为可生长的敲击交换机(Knockout switch)。
按照第二种方案，交换机矩阵由辅以单独的输出缓冲器或共享缓冲器的交换机元件组成。这种原理要求复杂的方案或缓冲器控制。并且，需要大容量缓冲器来保证足够的业务质量，从而增加了信元传播时延，交换机元件变得非常复杂。后一种交换机的一个例子在1991年10月出版的Weng，Hwang“Distributed double-phase switch”，IEE Proceedings-I，Vol.138，No.5的417-425页中讨论。
电路交换交换机领域中众所周知，Clos体系结构的特征最好由低拥塞和高模块可生长性来表征。但是在ATM通信中，需要缓冲器和大量内部链路，使得交换机的实现变得复杂。此外，因为这类交换机在给定输入和给定输出之间提供多个可选路由，在每个时隙中为不同连接计算优化路由集变成一种困难且耗时的操作，因为它需要与每个时隙相关的连接请求的全局信息(整个交换机覆盖)。因此，内部路由寻址成为限制交换机性能的一个瓶颈。在ATM交换机中，实际上不可能在时隙周期(等于信元周期)中计算这种优化路由集。
Clos体系结构交换机的路由寻址算法的研究已进行了相当长的一段时间，尤其是所谓的随机化路由寻址算法已成为研究热点，该算法因其简单结构和分布式寻路特性(在交换元件集上分担路由寻址负载)，从而能够在优化交换性能方面提供有利的解决方案。尽管这种随机化路由寻址算法能够减少交换机内部级中的拥塞，却无法完全消除拥塞，因为该算法无法消除交换机中的内部争用。(术语争用此处是指两个或多个信元同时竞争接入同一交换元件输出端口的情况)。
本发明的目的是消除前述缺陷，并提供一种能够减少交换机内部拥塞的方案，同时交换机的实现并不复杂，使得即使是大容量交换机也比现有技术要简单。
本发明的目的通过按照本发明的交换结构实现，该交换结构的特征在后附权利要求书中陈述。
本发明基于以下思想为交换机配备一个输入级，该输入级能够在交换机的内部级之间平均分配到来的分组，并调整可能竞争内部级中同一输出的分组，将其分配到所述内部级的不同交换元件。
因为按照本发明的交换结构能够使内部阻塞比基于常规随机化路由寻址算法的交换机低，所以按照本发明的交换元件所需的缓冲器可以比现有技术所需的小。交换机互连容量标识成一个整数，该整数表明交换机能接受的同时发往相同输出的数据分组的最大数量。因此，利用按照本发明的方案，可以以一种较为简单的结构并结合减少的内部阻塞级实现交换结构。
在本发明的一种实施例中，按照本发明的交换机可以提供给定的输出端口，该输出端口的性能明显高于其它输出端口。在本发明的一种优选实施例中，通过反馈电路改变按照本发明的交换级功能来利用这个特性，使得性能提高的输出端口是具有最大负载的端口。
下面结合附图所示的图2-16的例子详细描述本发明及其优选实施例，在附图中图1示出了ATM交换机的基本配置；图2示出了常规Clos交换级；图3a示出了常规Clos交换网络中路径寻址的例子；图3b示出了图3a的交换网络中使用的自路由寻址标记的格式；图4示出了按照本发明的交换结构的结构；图5说明了按照本发明的交换结构的路由寻址网络的单个交换元件的第一优选实施例的功能；图6说明了按照本发明的交换结构的路由寻址网络的单个交换元件的第二优选实施例的功能；图7a-7d说明了按照本发明的交换结构的路由寻址网络在四个连续时隙上的功能；图8示出了按照本发明交换结构中路由寻址链路网络的一个例示性实施例，与图3a的实施例相当；图9示出了一种交换结构，其功能已针对热点业务量进行了优化；图10说明了图9的交换结构中路由寻址标识符的使用；图11示出了针对热点业务量优化交换结构功能的一种可选方案；图12以一般形式示出了按照本发明的三级交换结构；图13示出了图12的交换结构的特殊例子；图14a示出了按照本发明的五交换级交换结构；图14b示出了适用于图14a交换结构的自路由寻址标记的格式；图15说明了三级交换结构增长成更多级交换结构的可生长性；以及图16示出了图14a的交换结构，该交换结构配备了图11的反馈电路。
参看图2，说明了三级Clos网络的结构，第一和第三级都包括k个交换元件SE(编号从0到(k-1))。第一级的交换元件标记成符号SE1，第二级标记成符号SE2，第三级标记成符号SE3。第一级交换元件中的每一个都具有n个输入和m个输出。相应地，第三级交换元件中的每一个都具有m个输入和n个输出。输入和输出级之间的内部级总共具有m个交换元件，每一个具有k个输入和k个输出。第一级的交换元件连接到第二级的交换元件，使得给定交换元件的每个输出连接到第二级中不同交换元件的输入。此外，第一交换机的交换元件连接到第二交换机的每个交换元件的不同输入。更精确地说，第一交换级中的交换元件i的输出j连接到第二级中交换元件j的输入i。第二和第三级以相同方式互连，即第二级中的交换元件i的输出j连接到第三级中交换元件j的输入i。在后续讨论中，以下面的方式表示前述三级交换机的不同级第一级称为输入级，第二极为内部级，第三极为输出级。输入级的交换元件也可以简洁地称作输入元件，内部级的交换元件称作内部元件，输出级的交换元件称作输出元件。
所有Clos网络的共有特性是(1)每个内部元件连接到每个输入元件的对应输出，并连接到每个输出元件的对应输入，(2)交换机输入i和输出j可以通过任何内部级元件彼此相连，以及(3)交换机输入i和输出j之间的可选路径等于内部级交换元件的数量。
在Clos网络中，到达交换机的业务量可以描述成入业务量矩阵T，相应地，路径连接表示成交换矩阵C。在矩阵T中，元素(i，j)表示输入级交换元件j的第i个输入端口上的入信元，而元素T(i，j)的值表示输出级中指定为该分组(信元)输出元件的交换元件。在矩阵C中，元素C(i，j)表示输入级交换元件j的第i个输出和内部级交换元件i的第j个输入之间的连接，而第k列第i个元素给出了输入级交换元件k的第i个输出的输出级交换元件地址。相应地，第h行第j个元素给出了内部级交换元件h的第i个输入的输出级交换元件地址。基于以上标记，可以看出，其中如果矩阵C的同一行中有多于一个元素具有相同值，则这些元素所代表的分组将竞争同一内部级交换元件的同一输出端口。
下面讨论规模为16’16(16个输入和16个输出)的3级交换机的例示性情况，其中n＝m＝k＝4，其配置如图3a所示。交换元件及其端口的编号从零开始。如图3b所示，这种3级交换级一般采用自路由寻址标记SRT，它包括4个连续比特，由参考符号d0-d3表示。在第一和第二级中解释最左边的比特d3和d2，它们指明了所需的输出交换元件。在包含输出交换元件的最后一级中，解释两个最右边的比特d0和d1，它们指明了所述输出交换元件中所需输出端口。图3a示出了在交换机不同级中需要解释的比特。(此处必须注意，如果第一级是一个随机化路由寻址级，比特d3和d2在第一级中不需要具有任何含义，或者至少在不同输入元件中以不同方式对它们进行解释，以实现为随机化路由寻址)。在图3a所示的交换级中，给定时隙段中有效的入业务量矩阵和交换矩阵可以具有例如如下内容T=1211303010122332]]>C=3211101213322030]]>对应这种情况的路径方案在图3a中说明，该图标记了矩阵元件的值，并以虚线表示了通过交换元件寻路的对应路由。从矩阵T中可以看出，它包含5个1，这意味着共有5个分组发往输出级的同一个1号交换元件。这意味着即使4个分组或信元能够借助内部级的不同交换元件通过，这些信元中的至少一个将无法寻路到输出级的所需交换元件。此外，矩阵C的第一行和第二行具有2个1，这还意味着内部级中两个信元将分别竞争第一和第二交换元件的第二输出(在元件编号中，第二输出对应于(链接)到1号输出级交换元件)。此处，竞争还阻止了这两个信元获得1号输出级元件的同时接入。第三内部级交换元件的第4输出中发生同样的竞争情况(因为矩阵第三行上出现两个3)，第四内部级交换元件的第一输出中也是如此(因为矩阵第四行上出现两个0)。图3a中出现竞争情况的输出以圆形标出。
从上例中可以明显看出，如果信元按照该矩阵进行路由寻址，则每个信元分别在其输入级交换元件的目的输出上进行连接(即，发往输出级交换元件0的信元在输入元件交换输出0上连接，发往输出级交换元件1的信元在输入元件交换输出1上连接，等等)，竞争情况将发生在内部级交换元件上，因为在这种情况下，输入级交换元件不同输入上发往相同输出交换元件的信元将连接到内部级中相同的交换元件(例如，地址为0的所有信元将竞争内部级的第一交换元件)。但是，如果其地址是同一输出级交换元件的这些信元的每一个都可以传送到内部级的不同交换元件中，则可以消除这种情况。按照本发明的方案基于这种思想。
从以上讨论中可以明显看出，可以适当安排交换级内部路径的一部分，利用例如随机化分布，使得其中信元最大程度地均匀分布在所有可用路径上。按照本发明，在这种新颖的方案中，采用随机化分布的输入级被替换成其中串联了路由寻址网络和移位网络的输入级。在图4中，说明了新颖的交换级配置的操作原理。交换机的输入级被划分成两个连续部分，第一部分由路由寻址网络RNW组成，第二部分由移位网络SNW组成。路由寻址网络包括k个彼此相同的路由寻址网元REi(i＝0，1，…，(k-1))，每一个具有n个输入和n个输出。移位网络则包括k个彼此相同的传送网元SHEi(i＝0，1…，(k-1))，每一个也具有n个输入和n个输出。网元REi的输出j连接到网元SHEi的输入j。这样，这种组合的路由寻址/移位网络可以将发往输出级的同一交换元件的信元分配到内部交换机的不同交换元件上。路由寻址网络采用固定路由寻址算法对信元进行路由寻址，之后移位网络疏导发往同一输出元件的信元，使得这些信元连接到内部级的不同交换元件。移位网络的功能由控制单元CU控制。
按照本发明，路由寻址网络的交换元件中的路由寻址采用预定的固定路由寻址算法实现。这样，每个路由寻址网元REi使用相同的固定预定规则，这些规则为给定输出元件地址确定了路由寻址网元的输出端口。路由寻址算法的实现可以有前面给出的两种优选方案。
图5说明了按照第一优选方案工作的路由寻址网元。在这种路由寻址方法中，路由寻址网元将信元寻路到对应于信元头所指定的输出级交换元件地址的元件的输出。图5的图说明了又从0到7的数字表示的8个输入和8个输出的路由寻址网元REi。入信元由包含数字的圆表示，该数字代表输出交换元件的地址。按照该方法，信元在每个路由寻址网元中寻路到对应于输出交换元件地址的输出；即，标记有地址0的信元寻路到输出0，标记有地址1的信元寻路到输出1，等等。此后，最初发往已占用的输出的信元以随机化方式寻路到仍然空闲的输出。未传送用户数据的信元(空闲信元)也以随机化方式寻路到仍然空闲的输出。
在例示性例子中，输入0，1，2，4和7中的信元首先寻路到输出2，5，0，6和3。竞争输入5的信元(地址为2)被寻路到仍然空闲的多个输出中的输出4，输入3和6中的无用户数据的信元以随机化方式寻路到空闲输出1和7。
按照本发明的第一优选实施例，例如可以以与常规汇接榕树交换机的一级相同的方式实现路由寻址网络。这种现有技术实施例例如在1991年10月出版的Tobagi等人所著“Architecture，Performanceand Implementation of the Tandem Banyan Fast Packet Switch”，IEEE J.On SAC，Vol.9，No.8第1173-1199页中讨论。
图6说明了按照本发明第二优选实施例的路由寻址网元REi的结构。在这种情况下，路由寻址网元将信元按其输出元件地址以升序或降序形式排序(sort)到它的输出。图6示出了升序形式，其中具有最小输出元件地址的信元被寻路到输出0，具有次小输出元件地址的信元被寻路到输出1，等等。未包含用户数据的信元被寻路到最后几个输出。因为例示性例子中具有两个后一种类型的信元，所以它们被寻路到最后的两个输出(输出6和7)。
按照本发明的第二优选实施例，采用所谓的配料器网络实现功能性路由寻址网络，由配料器网络进行前述类型的排序。在常规配料器榕树类型MIN中，配料器网络放置于榕树结构之前，其功能是在榕树结构的所有输入上对信元进行均匀排序。这种类型的网络例如在Joseph Y.Hui所著“Switching and Traffic theory for IntegratedBroadband Networks”，Kluwer Academic Publishers，ISBN 0-7923-9061-X的第六章中有详细描述。因为任何情况下路由寻址网络都可以采用常规技术实现，所以此处不再进行路由寻址网络的详细讨论。
广义上讲，所有路由寻址网元都在相同的固定规则下工作。这些规则确定了标记有给定地址的信元应被路由寻址到哪个输出。因此，与采用随机化路由寻址算法的交换元件所不同的是，路由寻址网元可以调整成按照固定算法工作。
广义上讲，路由寻址网络之后的移位网络SNW完成将路由寻址网络输出i连接到移位网络输出j的任务。在给定时刻，移位网络的状态可以是，例如移位网元0将第一输入连接到第一输出，将第二输入连接到第二输出，等等；移位网元1将第一输入连接到第二输出，将第二输入连接到第三输出，等等，最终将最后一个输入连接到第一输出；移位网元2将第一输入连接到第三输出，将第二输入连接到第四输出，等等。
为进一步减小脉冲串业务量对缓冲器大小的要求，在本发明的一种有利的实施例中，移位网络的交换状态连续从一个时隙变换到下一时隙。在这种方法中，移位网络和路由寻址网络一同确保脉冲串输入数据流的信元均匀分布在内部级中的不同交换元件上，发往相同输出元件的信元连接到内部级中的不同交换元件。
移位网络的一种有利的交换模型可以由下式表示inputk(i)＝outputk(i+k+t+c)mod(n)，0≤i，k≤n-1其中inputk(i)是第k个移位网元的第i个输入，outputk(j)是第k个移位网元的第j个输出，t是时隙编号，其值可以如下确定t＝(时隙编号)mod(n)，c是(正)整数，n是移位网元输出数。(标记mod(n)意味着在到达值n时重新开始计数。)图7a-7d说明了16’16交换机的移位网络在时隙编号0(图7a)，1(图7b)，2(图7c)和3(图7d)时的交换状态。此处，一个时隙的长度等于一个信元的传输时长。
在时隙0中，第一移位网元SHE0将其第i个输入连接到其第i个输出，移位网元SHE1将其第i个输入连接到编号为(i+1)mod(n)的输出，从而第四输入连接到第一输出(输出0)，移位网元SHE2将其第i个输入连接到编号为(i+2)mod(n)的输出，从而第三输入连接到第一输出，第四输入连接到第二输出，移位网元SHE3将其第i个输入连接到编号为(i+3)mod(n)的输出，从而第二输入连接到第一输出，第三输入连接到第二输出，第四输入连接到第三输出。
在时隙1中，情况有所变化，每个移位网元的交换状态相对于前一时隙前进了一步。换句话说，第一移位网元SHE0将其第i个输入连接到编号为(i+1)mod(n)，第二移位网元SHE1将其第i个输入连接到编号为(i+2)mod(n)的输出，等等。在时隙2(图7c)和3(图7d)中，每个移位网元的交换状态相对于前一时隙又前进了一步。
在图7a-7d中，路由寻址网络的元件标记有一个通常针对排序网络的箭头。箭头的方向表明排序的方向，箭头点朝向接收具有最大值地址的信元的输出。
从描述移位网络连接模型的公式中可以明显看出，发生的一个时隙到另一时隙的排列变化也可以使移位网络将其状态每次前进2或3步(从而常量c不是0，而是值1或2)。
按照前述公式，两个连续移位网元的连接状态之间的不同总等于特定时隙中的一步。但是，这种情况并不是实现中的必要要求，只要给定时刻所有移位网元处于不同连接状态即可。但是，如果两个连续移位网元的连接状态之间的不同总等于一步，如果移位网元还以逐步方式变化其状态，则实际实现将更为简单。
图8中示出了对应于图3a的例示性情况，其中交换机的构造按照本发明实现。在该例中，假定路由寻址网络RNW按照前述本发明的第二优选实施例工作，从而路由寻址网元按照信元的输出元件地址以升序排序这些信元。从该图中可以看出，按照本发明的方案仅具有一种内部级的竞争情况(因具有地址1的信元数量比内部级的交换元件数量多1)。
如果升序排序的路由寻址元件用作路由寻址网元，则交换矩阵具有一些特性内部级交换元件的第一输入端口在信元丢失概率方面具有最佳性能。这是因为，如果仅有一个标记有输出元件地址0的信元连接到路由寻址网元，则它总是连接到相同(即第一)输出。另一方面，如果标记有地址1的一个信元连接到路由寻址网元，则其输出端口将取决于有多少具有地址0的信元同时到达。换句话说，根据同时存在的具有地址i(i＜i)的信元数量来决定为标记成地址j的信元分配的输出端口。因为标记成非0地址的信元将不会影响标记成地址0的信元的输出端口，所以该端口具有内部级中最小的信元丢失概率。这种现象可以在统计模拟中检测出来。路由寻址网络具有对应特性，其中元件以降序排序。这样，编号方案中最高的端口具有最佳性能。
在本发明的一种优选实施例中，这种概念用于优化热点业务量的交换矩阵。在本申请中，术语热点业务量是指这样一种业务量情况，其中多个产生业务量的源点尝试与同一目标(即热点)通信。热点业务量可以发生在多种场合，例如为针对电视辩论的观点投票电话号码提供服务的电话或计算机网络。经验表明，即使热点业务量在总业务量中的百分比非常小，它仍会严重损伤系统或网络的功能。为了确保交换机在热点业务量情况下也能可靠运行，交换机的内部交换容量和缓冲器必须足够大，以容纳热点业务量的负载。这则使得交换机结构更加复杂，因而也更加昂贵。
为了在不受前述缺陷影响的前提下也能处理热点业务量情况，本发明的一种有利的实施例在交换矩阵上增补了业务流量控制的反馈方案，并增补了基于反馈信息工作的寻路标记转换器，用以修改热点业务量的路由寻址。通过这种方式，热点业务量的路由寻址可以通过具有最佳性能的输出端口进行。实际上，寻路标记转换专用于使通过热点业务量的端口具有最佳性能。
图9的优选实施例示出了图4的基本配置，其中n＝k＝m＝4，并且交换元件的输入和输出编号都是从0开始。
交换矩阵在其内部级和输入级之间增补了一个反馈电路，用于将热点信息传送到寻路标记转换器TCi(i＝0，…，(n2-1))。交换矩阵的每个输入端口都具有专用的寻路标记转换器。
反馈电路包括内部级的每个输出上的业务量监控器TMi(i＝0，…，(n2-1))和业务量负载检测器LD。每个业务量监控器以常规方式对其自身的输出进行业务量负载监控。这可以通过例如监视器逐个时隙统计同时出现的分组的数量，或者统计在例如预定时间段上接收的分组的数量来实现。业务量负载检测器电路LD具有n个加法器ADi(i＝0，…，(n-1))和比较器CP。业务监控器的输出连接到加法器，使得第一加法器的输入连接到每个内部级交换元件的输出0的业务量监视器的输出，第二加法器的输入连接到每个内部级交换元件的输出1的业务量监视器的输出，第三加法器的输入连接到每个内部级交换元件的输出2的业务量监视器的输出，第四加法器的输入连接到每个内部级交换元件的输出3的业务量监视器的输出。这样，每个加法器i具有n个输入，这些输入的每一个分别来自每个内部级交换元件的输出i。每个加法器计算它接收的数字之和，将和值进一步传送到比较器CP，后者选择最大的和值并进一步发送对应于该和值的输出地址号码H(H＝0-3)以及和值到标记转换器TCi。这里，输出H表示热点输出，即承受最大分组负载的输出。
每个标记转换器TCi转换依附于到达该交换机的分组的标记的一部分，即涉及路由寻址网络的那部分。所述部分，Ain被转换成新的路由寻址标识符Aout，路由寻址网络利用Aout生成该分组的寻路路径。标记转换器所进行的转换可以按照以下过程进行如果 Ain-H30，那么 Aout＝Ain-H否则 Aout＝Ain-H+n在图9的例子中假定H＝2，路由元件按照信元的输出元件地址以升序排序这些信元。该图指示了在标记转换器之前有效的值Ain，以及根据值Ain计算得到的标记转换器的输出上可用的值Aout。利用前述转换，可以在路由寻址网元中强制热点业务量从第一输出通过，从而使得最大性能将给与通过所述热点业务量的内部元件输出。
图10中说明了分组经图9的交换矩阵通过。交换矩阵输入上的入分组包括数据域和由部分A0和A1组成的路由寻址标记，其中正常情况下在交换机的头两级中解释部分A1，在输出级中解释部分A0(参看图3b)。标记域A1给出了输出元件地址，另一标记域A0定义了输出元件中的输出端口地址。每个标记转换器将标记地址部分A1(对应于标记域Ain)转换成新的标记地址部分A1’(对应于标记域Aout)，并在分组中加入新的标记部分。路由寻址网络利用该新标记部分A1’进行该分组的路由寻址，之后从该分组中消除新的标记部分。之后，内部级元件利用标记部分A1将该分组寻路到输出级，输出级元件利用标记部分A0将该分组寻路到其输出。在任一级中，都不利用标记部分前向交换该分组。
图9实施例的一种可选且更为简单的实施例是，仅从单个内部级元件收集业务量信息，从而也简化了负载检测器电路LD，使它仅包含一个比较器，用于发现具有最大业务量负载的输出(进而安置加法器)。这种实施例在图11中示出。
上述方法能够利用具有最大性能的端口交换热点业务量。这样，可以以更经济的方式实现热点业务的交换矩阵。
上述例示性实施例基于简单的例子，这些例子采用的结构具有n’n路由寻址网元和n’n移位网元。此外，本发明还可以应用于三级交换结构，其生成的配置如图12所示，其中输入元件和内部元件之间的连接模式是所谓的混洗交换模式。输入元件(n’n)的总数是k，内部级元件(l’k)的总数是m，输出元件(m’n)的总数是k。输入元件的类型是本发明所公开的类型。
图13中给出了一种基于图12的交换结构的实施例，其中结构的大小设置为n＝4，i＝2，k＝4和m＝8。为简洁起见，仅示出了第一输入元件的到输出元件的入线路，仅示出了头两个内部交换元件的从内部元件发出的所有线路。
前面结合级数为3的交换级说明了本发明。其中第二和第三级是能够解决输出端口争用情况的常规自路由寻址级。第二和第三级的交换元件可以使用，例如敲击(Knockout)元件。因为这类交换元件可以以常规方式实现，这里不再进行详细描述。
此外，按照本发明的方案可以用于级数大于3，例如5级或7级交换机中。
图14a示出了按照本发明基于64’64结构的5级交换结构的一个例子。在所示例子中，交换结构包括图4所示的4类结构组SG1-SG4，所述组组成了交换机的第二，第三和第四级，并且不同组间没有内部链路，从这个意义上说是并行的。在所示例子中，第一交换机(输入级)包括16个交换元件SE1，每个具有4个输入。输入级的第i(i＝0-15)个交换元件的第k个输出连接到第k个交换矩阵组(k＝0-3)中的第i个输入。图14b示出了这类交换机中使用的自路由寻址标记，该实施例中的所述标记包括6个连续比特d0-d5(26＝64，等于输入和输出的总数量)，其中比特d5和d4在第一和第三级中解释，比特d3和d2在第二和第四级中解释，比特d1和d0在最后一级中解释。在交换机中，第一和第二级的交换元件按照本发明配置，每一个交换元件包括串联的一个路由寻址网元和一个移位网元。最后三级的交换元件是常规类型的自路由寻址交换元件，其中解释路由寻址标记的所有比特，从而每级解释两个比特(比特d5d4和比特d3d2分别在头两级中解释)。
参看图15，下面简要描述将3级交换机增长成级数为NS的多级交换机的方法。首先，假定O1j(i)是第j个交换元件SE1(s)的第i个输出，I2j(i)是第j个交换元件SE2(s)的第i个输入，O2j(i)是第j个交换元件SE2(s)的第i个输出，I3j(i)是第j个交换元件SE3(s)的第i个输入，其中NS＝2s+1(s＝1，2，3)，s表示从3级交换增长成NS级交换机所需的扩展步骤数。如上所述，3级交换机的交换规则可以表示成O1j(i)＝I2i(j)和O2j(i)＝I3i(j)，其中输出O1j(i)连接到输入I2i(j)，输出O2j(i)连接到输入I3i(j)。实际上，具有NS步的交换机的配置需要进行以下步骤1-3。
1.按照上述规则连接交换元件SE1(s)，SE2(s)和SE3(s)，配置3级交换机(例如当s＝1时按照图15最上一行)。接着，将如此得到的“3级”交换机定义成新的内部交换元件SE2(s+1)(参见图15中下向箭头)。
2.将交换元件SE1(s+1)，SE2(s+1)和SE3(s+1)按照前面给出的连接规则彼此链接，生成新的“3级”交换机。
3.按照本发明，将交换元件SE1(s)配制成路由寻址/移位网络，交换元SE2(s)和SE3(s)是常规的自路由寻址，非阻塞交换元件(s＝1，2，1/4，(NS-1)/2)，这意味着前面的(NS-1)/2级中每一个交换元件是按照本发明的一个元件，其余元件是常规自路由寻址交换元件。
为了将交换机扩展到NS+2级，重复前述步骤(同时将s的值增1)。在图15中，第三行表示5级交换机，第5行是7级交换机，等等。下划线表示构成新“3级”交换机的内部交换元件的实体。最下面的行表示了一个NS级交换机。
如果交换结构增长成例如7级交换机，则头3级(＝(7-1)/2)由按照本发明的交换元件构成，后4级由常规自路由寻址交换元件构成。
图9-11所示实施例的交换结构已为热点业务量进行了优化，它们也可以用于交换级的级数大于3的情况。图16中示出了图14a的5级交换矩阵如何增补反馈电路。负载检测器电路LD1的输入接收来自矩阵组(SG1)的所有16个输出的信息，向位于交换矩阵每个输入端口的所有标记转换器(64 pcs.)指示第四级的热点输出，因而这些标记转换器将比特d5和d4转换成比特d5’和d4’，它们在第一交换级中被解释。交换结构的每个交换组SG1-SG4包括一个负载检测器电路LD2(因此该结构中共有4个检测器)。每个负载检测器电路LD2向位于该交换结构组每个输入端口的标记转换器(16 pcs.)指示每个交换矩阵组中内部级的热点输出，因而这些标记转换器将比特d3和d2转换成比特d3’和d2’，它们在第二交换级中被解释。其结果是，上述方法将按照本发明的交换级中的最佳性能给了通过热点业务量的那些输出。
对本领域的技术人员而言，显然本发明并不局限于以上结合附图描述的例示性例子，而是可以在后附权利要求书的范围和创新思想内以及前述例子中有所变化。
权利要求
1.一种分组交换通信网络中的交换结构，所述交换结构包括多个输入端口和多个输出端口，以及多个串联的交换元件(SE1-SE5)，用以生成多个连续交换级，通过从一个交换级通往另一交换级的内部链路彼此相连，从而所述交换元件和所述内部链路形成了从给定输入端口到所需输出端口的连接，从而每个交换元件具有输入和输出，每个交换元件根据所述数据分组所携带的路由寻址信息(SRT)，将其给定输入上的数据分组寻路到其输出中的至少一个，以及第一交换级的交换元件输入形成了所述输入端口，该结构的最后一个交换级的输出形成了所述输出端口，其特征在于，至少第一交换级中的每个交换元件(SE1)由路由寻址网元(REi)和移位网元(SHEi)组成，它们彼此串联，使得路由寻址网元的第i个输出连接到移位网元的第i个输入，从而每个路由寻址网元根据其输入上同时出现的数据分组所携带的路由寻址信息，按照预定的固定规则进行所述数据分组的路由寻址，因而该路由寻址信息无法包括与具体路由寻址网元相关的比特以指示路由寻址网元的任何一个或多个输出，以及每个移位网元将其第i个输入上出现的数据分组转移到它的第j个输出，因而索引i和j是成对的，使得(a)在给定时隙中，给定移位网元中的所有j值彼此不同，(b)在给定时隙中，为不同移位网元中使用的每一个相同的i值分配一个不同的j值。
2.根据权利要求1的交换结构，其特征在于，所述路由寻址网元将入数据分组寻路到它的某个输出，该输出对应于从所述寻路信息解释得到的输出端口地址。
3.根据权利要求1的交换结构，其特征在于，在所述路由寻址网元中，对入数据分组进行路由寻址，以将这些数据分组按照路由寻址信息的升序/降序排序到路由寻址网元输出。
4.根据权利要求1的交换结构，其特征在于，在第k个移位网元中，i的值与j mod(n)配对，在第(k+1)个移位网元中，i的值与(j+1)mod(n)配对，其中n是移位网元输出的数量。
5.根据权利要求1的交换结构，其特征在于，在每个单独的移位网元中，与同一i值配对的j值随时隙而变化，使得j值按照预定次序连续排列。
6.根据权利要求5的交换结构，其特征在于，所述预定次序依次经过所述移位网元的所有输出。
7.根据权利要求1的交换结构，其特征在于，所述结构包括一个3级部件，其中第一级交换元件具有n个输入和n个输出，第二级交换元件具有l个输入和k个输出，第三级交换元件具有m个输入和n个输出，第一级的交换元件由彼此串联的路由寻址网元和移位网元组成。
8.根据权利要求7的交换结构，其特征在于，在第一级第i个移位网元中，第j个输出连接到第二级第j个交换元件的第i个输入，在第二级的第i个交换元件中，第j个输出连接到第三级第j个交换元件的第i个输入。
9.根据权利要求3的交换结构，其特征在于，所述结构包括-至少一个交换元件中的业务量监控装置(Tmi)，所述装置用于监控指示施加在所述交换元件输出上的业务量负载的变量，-负载检测装置(LD)，响应于所述监控装置，选择承受最大业务量负载的输出，以及-转换装置(TCi)，响应于所述负载检测装置，根据选择的输出转换路由寻址信息。
10.根据权利要求9的交换结构，其特征在于，所述业务量监控装置仅位于一个交换元件中。
11.根据权利要求8或9的交换结构，其特征在于，所述结构包括N1个三级交换元件部件，该部件的每一级具有N2个交换元件，-每个交换元件具有N1个输出的N1’N2交换元件的输入级，从而第i个输入级交换元件的第k个输出连接到下一级的第k个部件的第i个输入，-每个交换元件具有N1个输出的N1’N2交换元件的输出级，从而第i个输出级交换元件的第k个输入连接到前一级的第k个部件的第i个输出，这样形成了一个5级交换结构，其中所述部件形成第二，三和四级。
12.根据权利要求8或9的交换结构，其特征在于，所述结构包括总数为NS的级，其中前面的(NS-1)/2级的交换元件由路由寻址网元和移位网元形成。
全文摘要
本发明涉及一种分组交换通信网络中的交换结构。所述交换结构包括多个输入端口和多个输出端口,以及以多级形式安置,彼此连接到交换结构的多个交换元件(SE1－SE5)。每个交换元件具有多个输入和输出,每个交换元件根据所述数据分组所携带的路由寻址信息(SRT),将其给定输入上的数据分组寻路到其输出中的至少一个。为了减少交换级中的内部阻塞,至少第一交换级中的每个交换元件(SE1)由路由寻址网元(RE
文档编号H04L12/56GK1240564SQ97180603
公开日2000年1月5日 申请日期1997年11月4日 优先权日1997年11月4日
发明者马建 申请人:诺基亚电信公司