[发明专利]基于CLOS交换网络的数据包切分和重组的系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体来讲是一种基于CLOS交换网络的数据包切分和重组的系统及方法。

背景技术

基于信元的CLOS交换网络具有无阻塞，可扩展和大容量的特点，目前已成为交换芯片的主流。CLOS交换网络包含IM(Input Module，输入模块)，CM(Central Module，中间模块)和OM(Output Module，输出模块)，他们可组成3级的CLOS结构，并且可以很容易得扩展成5级CLOS结构。采用折叠方式，IM和OM的功能可在一块芯片内实现，而CM的功能则在另一块芯片中实现。

以太网数据包(Packet)是变长的，且最大包长可能达到16000字节，在交换芯片中基于数据包进行交换会带来较大的延时，并且需要很大的存储空间来缓存最大数据包。为了提高延时性能和减少缓存容量，目前主流的CLOS交换网络中都是以信元(CELL)为基本单位进行交换的，IM需完成把数据包切分成信元送往CM，CM完成信元的交换，OM则需要把信元重新组成原来的数据包并输出。在传统的CLOS交换网络中，为了提高网络的性能，IM需要把同一个数据包的所有信元负载均衡的送到不同的交换平面CM。但随之也会带来问题：经过不同CM到达同一个OM的延时可能会不一样。这样可能导致数据包乱序和信元乱序，如果不做信元保序，OM将消耗大量的资源来解决这个问题。目前信元保序的主要方法是在IM给信元打全局时戳，在CM和OM执行最老信元先出，这样就能在OM完成信元保序，进一步完成数据包重组。把数据包切分成信元时，不仅需要保留数据包的Source Id(源序列号)，即Input Module Id(输入模块号)和Input Port(输入端口号)的组合，Destination Id(目的序列号)，即Output Module Id(输出模块号)和Output Port(输出模块号)的组合，用于路由到达目的地；增加数据包切分必须的Packet Seq(数据包的序列号)，Fragment Id(分片的序列号)等，用于把信元还原成数据包；还需要信元保序所需的Timestamp(时戳)。

早期的信元交换芯片，一般吞吐量较低，采用的是固定信元长度。为了提高信元交换架构的吞吐量，交换芯片一般采用较大的总线宽度和总线工作频率。随着网络需求的不断膨胀，IM接入带宽需求越来越大，目前已由几十G到了上百G，甚至五六百G；单个CM的交换容量需求也达到了1T以上。核心工作频率受限于芯片工艺，不能无限制的提高。采用更高的总线宽度只能提高长数据包的吞吐量，而对于短数据包和特殊长度的数据包，是无能为力的。

具体的，参见图1所示，在传统的CLOS交换网络中，切分步骤如下：

步骤1.VOQ(Virtual Output Queue，虚输出队列)存储数据包。

步骤2.队列调度器采用合适的调度算法从不同的VOQ中读取数据包，调度算法可以采用WDRR(Weighted Deficit Round Robin，加权差额轮询)等算法。

步骤3.把取出的数据包切成固定长度数据信元分片。

由于，信元交换都是采用的定长信元的方式，即把数据包切分封装进定长的信元，即使只剩余一个字节，也会占用一个固定信元的长度，需要填充大量无效内容。这种方式效率及其低下，特别是对于一些特殊包长，因为填充了大量的无效内容，链路的利用率只能达到50％。

另外，无论是在IM，CM还是OM，数据总线的宽度是固定的，随着接入带宽和交换容量的提升，目前的大容量芯片总线带宽设计一般较大，一般会大于64字节(512比特)。此处以1024比特的总线宽度为例，128字节(1024比特)的数据包刚好匹配，芯片总线效率最高。而对于64字节，129字节等包长，总线效率只能达到50％。为了满足这些特定长度的数据包的吞吐量要求，芯片不得不提高总线工作频率，为整个芯片设计带来了不少复杂度。如果总线工作频率无法得到满足的情况下，这些特定长度的数据包的吞吐量将成为该芯片的瓶颈。其他宽度的总线存在相同的问题。

因此亟需采用其他技术手段来提高系统效率，在现有总线宽度和总线工作频率下提高系统吞吐量。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于CLOS交换网络的数据包切分和重组的系统及方法，本发明提高了总线效率，在相同总线宽度和总线工作频率的情况下，能够明显提升短包和特殊长度包的吞吐量，实现了系统性能显著提升。