專利名稱：可伸縮蠕蟲洞路由選擇集中器的制作方法
背景技術：
通信或計算網絡由幾個或許多物理上通過例如金屬或光纖電纜這樣的通信媒介相互連接的裝置組成。一類可以包括在網絡的裝置是集中器。例如，一個大規模時分開關網絡可以包括一個中央開關網絡和一系列在該開關網絡中與其它裝置的輸入和輸出端連接的集中器。
集中器典型地用于支持網絡的多端口連接性。集中器是一個連接到多個將信息集中到較少的幾條線的共享通信線的裝置。集中器內在地通過增加阻塞和數據丟失的發生或者通過調用緩存器中的信息存儲而使互連路徑的容量降低。
當將數據移動到處理器和用戶時，會出現在大型并行計算和通信中發生的持續問題。由于集中器固有的容量的降低，這一問題使在包括集中器的系統中的問題變得更糟。
所需要的是一種集中器結構，該結構通過避免阻塞快速地為數據選擇路由并改善信息流，該結構是不受限制地可伸縮虛擬的，并支持低延遲和高流量。

發明內容
一種互連結構通過在使用控制信號的控制單元之間的單比特(single-bit)路由選擇大大改進了信息集中器的操作。術語“單元”或“控制單元”指簡單的開關元件。術語“節點”指作為一個單位操作的一個單元或一組單元。該互連結構和操作技術支持蠕蟲洞路由選擇和消息流。進入該結構的消息分組永遠不會被丟棄，從而保證了任何進入該結構的分組被送出。
按照本發明的一個方面，互連結構包括一連接不相交路徑中多個節點的互連帶狀線。該互連帶狀線從源級到目的級繞過多級。纏繞的轉數從源級到目的級在減少。該互連結構還包括由耦合與經過纏繞的各級的帶狀線上的節點的互連線而形成的多個列。一種在互連結構上交換數據的方法結合了一種用于為數據分組向下多層級選擇路由的高速最小邏輯方法。


所描述實施方式的被認為新穎的特征由所附權利要求進一步說明。但是，本發明的關于結構和操作方法的實施方式，可以通過參考下面的描述并結合附圖理解。
圖1示出了一個以多級32∶8集中器形式的數據互連結構例子的方框圖。
圖2示出了以數據分組的形式在互連結構中傳送的數據格式的數據結構圖。
圖3A和圖3B示出了可以用于圖1所示的包括不同輸入和輸出端口配置的互連結構中的單元的例子。
圖4A、圖4B和圖4C示出了適用于如圖1所示結構的互連結構中單元間互連的多個例子的示意框圖。
圖5是說明互連結構中相對于各級不同的單元的優先權的示意圖。
圖6A和圖6B示出了將互連的單元分組成節點的兩個例子的示意圖。
圖7是說明使用多個集中器的系統的示意框圖。
具體實施例方式
參照圖1，一個表示以多級32∶8集中器100形式的數據互連結構例子的框圖，該互連結構包括三個級和K個列。各級是分層的、并從底部向上編號為0、1和2，而列則從左至右編號為0到K-1。集中器100從32條輕負載數據傳送線接收輸入數據，并將數據傳送到8條負載較重的線。在所示例子中，數據分組在八路寬“條帶”行中從32個端口輸入端120被傳送到8端口輸出端122。條帶112包括一個位于每一列的控制陣列110的一組八路寬的控制單元102，和位于列K右邊的移位寄存器(FIFO)118。底部輸出級不包括FIFO。條帶112的拓撲結構可以描述成如圖1所示理發店招牌柱子樣式中的螺旋。數據格式如圖2中的分組200所示。條帶112繞級2盤繞四次，繞級1兩次，而經過級0一次。因此，級2有32行單元和32個FIFO，級1有16行單元和16個FIFIO，而級0有8行單元沒有FIFO。條帶的寬度典型地等于輸出端口的數目，盡管其它配置也是實用的。
圖1所示的互連結構具有一八路寬的數據傳輸線條帶。每條線被劃分成7段，每段的長度足夠包含一條消息。在該八路寬的條帶中，每條數據傳輸線與一系列節點相連接。該八路寬條帶被繞成典型的螺旋形狀并在不同的繞匝上有一些節點之間的相互連接。數據可以沿數據傳輸線在節點之間按先入先出操作的方式前進。數據從系統輸入端口通過該互連結構移動到系統輸出端口。除了互連結構上部的8條線在級2列0上的節點以外，數據傳輸線L上的每個節點B都有一個在數據傳輸線L上的直接前任節點A。數據傳輸線L上的每個節點B都有一個在數據傳輸線L上的直接后續節點C或一個輸出端口。節點A總是可以向節點B發送數據。節點B總是可以向節點C發送數據。將數據從節點A送至節點B以及從節點B送至節點C總是不會阻塞的。
一些節點位于條帶的FIFO區域。在FIFO區域的節點僅有一個輸入端口和一個輸出端口。
一些節點具有允許數據從傳輸線條帶的外部進入的附加輸入端口。
一些節點具有能夠使數據從一個傳輸線條帶的上游節點進入到該節點的次級輸入端口。該上游節點典型地位于相對于當前節點的前一個條帶繞匝上。
一些節點具有一個或多個能夠使數據傳輸進一步沿條帶向下接近條帶的系統輸出端口的次級輸出端口。具有多個輸出端口的節點具有關聯的邏輯，該邏輯總是試圖將消息盡可能地向前朝系統輸出端口傳輸，而不是沿傳輸線條帶將消息傳輸到直接的后繼節點。
具有多個輸入端口的節點具有分配給輸入端口的優先權。來自直接后繼者的消息總是具有比來自非直接后繼者的節點更高的優先權。與非直接前任節點連接的具有多個輸入端口的節點對接收數據也具有相應的優先權關系。
總之，節點除了與每個節點B相關外，總是試圖將數據盡可能地沿條帶向下傳送，其中，定義了優先權，以從不同的、可以向節點B發送數據的節點接收消息。最高優先權被賦予直接的前任節點。一個集合S包括可以向節點B發送消息的節點。在集合S中的節點之間定義了一種向節點B發送消息的優先權關系。管理信息行進的規則如下1.如果節點N是集合S的成員且消息M抵達節點N，則節點N向節點B傳送消息M不會因集合S中其它優先權低于節點N的節點向節點B發送消息而被阻塞。
2.對應于集合S中的每個節點N存在一個節點集合TN，節點N可以向該集合中的節點傳送消息。每個節點N的相關邏輯將TN的成員從最希望接收消息M的節點NM到最不希望接收消息M的節點NL進行分級。與節點N相關的邏輯將消息M發送給集合TN中最希望的未阻塞的成員。
3.節點B的直接前任者A具有向節點B發送數據的最高優先權。
在圖1中，具有向/從傳輸線條帶的前一繞匝發送和接收消息能力的節點、即跳過互連結構段的節點，位于第K控制單元列。只有一個輸入端口的節點位于互連結構的FIFO區域。
一消息包括一以單比特標頭開始的有效負載，該標頭是一個總是設為1的一定時比特。每個段對應于一級上的一行。一行包括跨越該行的K個控制單元。由于該消息必須適合于K個控制單元和一行上的FIFO，因此，消息的長度不能超過長度FIFO+CK，其中C是一個控制單元的比特數。因此，FIFO的長度必須至少是最大消息長度減CK。如果一個系統將大量消息集中成R個信號，則條帶寬度是R。如果互連結構包括L+1級而每級有K列，則該系統包括R·(2L+1-1)行，每行有K個控制單元和一個長度至少為最大消息長度減CK的FIFO。
在一個實施方式中，消息被送入到列0上的條帶段中之一。當該消息移動至列1時，該消息可以進一步沿條帶段繼續前行，或者該消息的第一比特可以向前移動到更接近系統輸出端口的另一段。當消息的第一比特向傳輸線條帶的一個新的段移動時，該消息可以移動到條帶的一條不同的傳輸線或者留在條帶的同一傳輸線上。當消息頭到達一新的列時，該消息可以再次向前跳到一個新的段上。以這種方式，一條消息可以跨越若干段，并且因為底部級沒有FIFO，因此消息的第一比特可以在整條消息進入集中器之前退出集中器。
在下面的描述中，術語分組指數據單位，典型的是以串行的方式。數據分組的例子包括互連網協議(IP)分組、以太網幀、ATM單元、例如較大的幀的部分或數據分組的交換結構(switch-fabric)段、并行計算機處理器間的消息，或者其它具有長度上限的數據消息。傳過一個級的分組經過K列控制單元102。該傳過一級的分組可以直接從一個單元傳到在同級中下一列的單元。在一個例子中，對于在同級單元之間傳輸的分組，一個分組的兩個比特被定位在每個單元中。盡管在本發明中單元的設計被簡化，在這里所公開的系統中仍可使用相同的時序。FIFO包含分組的適當的比特數，使得當分組在列0進入一個陣列時，消息頭比特202與傳過同一級的分組的其它消息頭比特對齊。在該例中，一個分組被設置成單行，使得分組進入列0的時序與從位于上層單元到達的分組同步。
定時和控制通過保證最長分組的比特長度不超過FIFO中的比特數加上列中的比特數之和得以實現。例如，對于具有上限長度400比特的分組，在具有12列控制單元且每個控制單元保持2比特、FIFO的長度為376比特的結構中，需400個時鐘周期到達。分組的第一比特在兩次時鐘滴答或節拍中，從一特定級上的單元移動到同一級上的下一列的單元。分組的第一比特在一次時鐘滴答中，從一特定級上的單元移動到低一級的下一列的單元。因此，連接級之間的FIFO的長度比考慮級之間的時序差別要少一比特。連接級之間的FIFO的長度比考慮級之間的時序差別要少一比特。級時序將在下面詳細討論。
分組被從頂級的32個數據輸入端口之一插入到輸入陣列120。一個輸入端口服務于頂級32條線的每一個。一個分組以串行的方式插入到每條線中。從陣列120中的條帶112進入到一個單元中的分組其優先權高于試圖從互連結構外部進入到該單元的分組的優先權。沒有內部分組可以阻塞一個分組進入到結構的頂端8行，但是，在一定的阻塞條件下，穿過頂級頂行的分組可以繞行“理發店柱”并重新進入陣列120中頂級的較低的8行。進入結構的分組決不會被丟棄，使得任何進入結構的分組都保證能退出，由此，對常規的集中器作出了實質的改善。
該分組傳輸到開關陣列的下一列的優先權高于試圖從結構外部進入到互連結構的分組的優先權。在這種情況下，試圖進入結構的分組被禁止進入。盡管操作的多方面影響穿越互連結構，但較早的分組在概率上有較高在的優先權在更新的分組之前退出。
在另一實施方式中，分組可以在頂級以多個角度進入條帶。對于頂級的一特定單元，從結構內部進入到該單元的分組的第一比特與從結構外進入到同一列中的單元的分組的第一比特相符合。
換言之，在頂級的32條輸入線從結構外接收分組。在這32條輸入線中，頂端8個輸入端口連接在條帶的開始處，并不會被已在結構內的分組所阻塞。而其余24個輸入端口可以被阻塞。在對附圖4A、4B和4C的描述中將詳細討論阻塞。
作為另一種繞行螺旋攜載數據條帶的傳輸，分組可以從分層結構中一個較高級的單元跳躍到較低級的單元。這種跳躍處理使分組在條帶中集中，使得在底級上的條帶段具有優點地、平均比在頂級上條帶段攜帶更多的分組。
分組在一個給定級上進入控制單元陣列110中的控制單元102。參照附圖4A，當分組PA410進入控制單元B，與控制單元B相關的邏輯可以將分組通過單元B路由到同一級上的另一個單元C。作為另一種選擇，與控制單元B相關的邏輯還可以將分組PA路由到較低級上的單元X，這是使用集中器結構和操作方法所希望的結果。
當分組從上部線106或404、例如從單元B或E進入單元W時，則該分組在線104上沒有延時地被送至下一列上的單元X。因此，當分組PA從單元B被路由到單元X時，分組PA先被傳送到單元W，然后直接進入單元X。結合附圖4A參照附圖4C，當單元B將分組PA向下路由到線406時，分組PA也類似地直接進入單元X。附圖4A和4B中所示的是在單元之間路由分組的功能上等效的例子。實現的考慮可能會對影響到路由技術的選擇。
分組向較低級的直接“移下”或“跳躍”提高了集中器互連結構的有效操作。基本上，如果在一給定的較低級的單元沒有被分組占據，即可以接收數據，而且該單元與更高級上的另一個單元連接，則在該更高級上單元的分組將移下以填充該更低級單元的空位。有幾種移下或跳躍處理是適用的。由控制單元結構確定移下或跳躍技術。下面將詳細討論控制單元結構和整個數據流以及定時。
附圖1示出了一個32∶8集中器的實施方式，該集中器具有8路寬條帶和三個級，級之間的比率是2∶1，由此得到整體集中比率為4∶1的集中器。當希望提供多種輸入和輸出端口數時，采用其它條帶寬度，則其它的集中器比率也是實用的。集中器比率可以通過增加附加級、通過增加級之間的集中器比率或者通過兩者來增加。一種具有較高的4∶1整體比率的實施方式有多于三個級。其它實施方式可以使用不是2∶1的級之間的比率。在圖1所示的控制單元中，僅示出了部分數據攜載線和控制信號攜載線。下面將參照圖3A和3B所示結構對附加線進行討論。
圖2示出了一個分組的布局。分組200的頭202包括一個總是設為1并表示存在一個分組的單一比特。該分組的其余部分被稱為有效負載204。圖2中舉例示出了不同的有效負載。分組可以從任何輸出端口退出互連結構100，因此不需包含路由消息的附加頭。
如果分組在離開集中器100之后進入一個網絡路由設備，供該路由設備使用的路由信息可能會在有效負載前加上數據比特。集中器100不使用這些路由比特。集中器100總是忽略有效負載的內容204。
另一集中器的實施方式(沒有示出)可能使用表示服務質量的附加的標頭比特。
圖3A和3B示出了一個單元的輸出和輸入端口的例子。在所示出的端口配置中，單元102在兩條數據輸入線106上從較高級的單元接收數據，并在數據輸出線106上將數據發送到一個較低級的單元。垂直連接的2比1的比率支持集中器的這種數據集中操作。單元102還包括一條來自一同級單元的數據輸入線104和一條至一同級單元的數據輸出線104。除了單元之間的數據輸入和輸出線，附加的互連線108用于傳送單元間的控制信息。接收單元邏輯用該控制信息進行判斷，如何從接收單元為數據分組進行路由選擇。這些控制線用于增強在互連結構中管理數據流的基于位置的優先權規則。
如這里所述，兩個試圖向第三節點發送數據的節點使用控制信號進行通信以解決上游爭端問題。在其它網絡中，進入節點N的分組爭奪輸出端口。在這里所描述的系統中，分組爭奪節點輸入端口，而這種爭端使用控制信號在上游解決。在本發明的網絡中，唯一的拓撲結構允許上游數據流，即允許兩個分組競爭一個特定的下游節點的輸入端口。這種爭端的解決至少部分基于節點在網絡中的位置。如果節點E具有比節點B高的、向第三節點V發送數據的優先權，則直接或間接向B發送一個控制信號以執行該優先權。圖3A描述了一個接收一控制信號并發送一控制信號的節點。圖3B描述了一個接收一控制信號并發送兩個控制信號的節點。
在圖4A所示的對互連結構的討論中，對這兩種節點的使用進行了更詳細地描述。
圖3B示出了一個其優先權高于一個較高級單元和一個同級單元的優先權的單元的例子。
圖4A是圖1所示集中器100的一部分的放大描述，其中，未示出所有數據和控制線。單元E和B在同一級上。單元E和B中的每個都可以被分別視為單獨的節點，或者可以將兩個單元E和B一起視為一個單一節點。
集中器100按以下方式工作。對于在同一級上的單元V、W和X，如果分組PV由單元V送至單元W，單元W將分組PV的第一比特送至單元X，然后單元W向較高級的單元E發送一個控制信號。單元W經線104將分組PV送至單元X。單元W經線108向單元E發送控制信號，通知單元E不要沿線106向下發送數據。單元E又通過線402發送控制信號，通知單元B不要沿線404向下發送數據。在單元W向單元X發送分組PV的情況下，任何從單元D進入單元E的分組PD412將由單元E的邏輯路由到下一列上的單元F。此外，任何從單元A進入單元B的分組PA將被從單元B送至單元C。
如果在給定的分組到達時刻，單元W不向單元X發送分組，則單元W將單元W沒有在向X發送分組M的情況通知單元E。
再次參考圖4A，控制線108攜載的控制信號中包含了控制信息，該控制信號由單元W送至單元E，以通知單元E沒有分組從單元W送至單元X。從單元W至單元X的線104沒有被分組占用并可以接收數據。如果在這種條件下單元D向E發送分組PD，則單元E將通過讀分組PD的一比特頭202來檢測分組PD的存在。與單元E關聯的邏輯使用來自單元W的控制信號和分組PD的消息頭比特，來確定是否將分組PD通過單元W路由到單元X。因為單元W當前沒有使用數據線104向單元X發送其它分組，因此數據線104對分組PD是空閑的，其可經數據線104從單元W至單元X。
任何從上面的級進入到單元W的分組總是被直接送至單元X。在示出的集中器中，與單元W關聯的邏輯能夠將分組從與單元W同級上的其它單元路由到單元W，但是對從更高級進入到單元W的分組沒有任何控制。來自更高級的分組通過單元W到達單元W至單元X的數據互連線104。在單元E將分組PD向下通過單元W路由到單元X的情況下，單元E通過控制線402向單元B發送一個控制信號。該控制信號攜帶有規定阻塞單元B此時通過線404發送分組的信息。在存在來自單元E的阻塞控制信號時，如果單元B從單元A接收一個分組PA，則與單元B關聯的邏輯將使分組PA通過線104被從單元B路由到單元C。
在一種情況下，在一特定分組到達時刻，與控制單元W相關的邏輯不是將分組路由到單元X，而單元E沒有沿線106向下發送分組，則單元B空閑，可沿線404向下發送分組。單元W通過控制線108發送例如單比特形式的控制信號，通知單元E單元W未被阻塞從單元E或單元B接收分組。單元E響應來自單元W的該控制信號，并在沒有來自單元D的消息時，通過線402發送控制信號，通知單元B單元W未被阻塞從單元B接收分組。如果分組PA此時到達單元B，則單元B經線404將分組PA通過單元W送至單元X。該分組PA首先通過線404然后通過線104傳輸。因為線104此時未被用來攜帶從單元W或單元E路由到單元X的分組，所以線104可以攜帶分組PA。
繼續參照圖4A，節點W被連接成通過單個控制信號攜載線108向節點E發送控制信號。除了所示互連線，在級J上的節點也具有能夠攜載來自級J-1節點的控制信號的控制信號攜載線(沒有示出)，和能夠從級J節點向級J-1節點攜帶分組的數據攜載線(沒有示出)。例如，節點W具有圖3A所示的端口結構，其包括三個數據輸入端口、兩個數據輸出端口、一個控制信號輸入端口和一個控制信號輸出端口。再次參照圖4A，節點E通過線108從節點W接收控制信號。節點E將控制信號發送給同級節點B，并且如果節點E不是在頂級上，則節點E也向級J+2上的節點發送控制信號。除了所示互連線，如果不是在最高級，則在級J+1上的節點還具有連接到級J+2上節點的附加數據和控制互連線。例如，節點E具有如圖3B所示的包括兩條來自級J+2節點的數據攜載線的端口結構。
在單元B不在頂級的情況下，單元B與用來向更高級單元發送控制信號的一條控制線(沒有示出)連接。該控制線的功能與從單元W至單元E的控制線的功能相同。如果單元B向單元C發送分組PA，則單元B向上一級的單元發送一個阻塞信號。
如果單元B在列K-1并在頂級的上24行中，則單元B位于通過FIFO向從集中器以外的設備接收輸入數據的單元發送消息的位置。如單元B這樣可以向其它也能接收來自結構外的消息的單元發送信息的單元，具有特殊的控制信號線，用于控制從結構外設備進入互連結構的消息流。該特殊控制線上的控制信號通知結構外設備關于數據輸入列120的可能的忙碌狀態。
如果單元B是在頂級列K-1上但不在頂級的上24行中，則單元B不向結構外發送控制信號。
如果單元E不在頂級上，則單元E發送兩種控制信號。當單元E向單元W發送分組時，單元E用控制信號線402向單元B發送一個阻塞信號。當單元E向單元F發送分組時，單元E用控制信號線403向更高一級發送一阻塞信號。
如果單元E在列K-1并在頂級的上24行中，則單元E發送一個控制從結構外設備進入互連結構的消息流的特殊控制信號。
總之，在分層結構中具有向下發送分組優先權的節點具有兩條控制信號發送線，如圖4B所示。沒有向下發送分組優先權的節點只有一條控制信號發送線。
圖4A和4B描述了邏輯上相同的另一種互連結構實施方式。其在物理上的差別在于，圖4B所示結構先通過單元E再通過單元W將分組從單元B發送至單元X。當單元E沒有另外使用線106發送數據且單元E和單元W都沒有使用線104向單元X發送數據時，消息可以從單元B跳躍至單元X。圖4A和4B所示的控制結構相同的并包括控制線。
圖4C描述了在邏輯上和圖4A和4B所示互連結構相同的互連結構的第三實施方式。在圖4C中，單元E和B不經中間節點直接將分組發送至單元X。圖4A、4B和4C所示互連結構中的控制線結構相同。圖4A、4B和4C所示的結構物理上不同但邏輯上等效。
集中器的成功運行至少部分地取決于定時。分組PV的第一比特在預定分組到達時刻到達節點W。與節點W關聯的邏輯根據分組PV的單比特頭202和級J-1節點的控制信號的到來，作出路由選擇判斷。如果分組PV出現在節點W且未被較低級的節點阻塞，則節點W將分組PV發送至較低級并將控制信號發送至更高級上的節點E。來自節點W的控制信號與分組PV到達節點E的同時或接近同時到達節點E。邏輯控制這種定時，使得分組在到達節點E先到達節點W。
參照圖4C，例如一種光學實施方式，邏輯為分組到達節點X預先確定一個分組到達時刻。從節點E送至節點X的分組必須在與從節點W送至節點X的分組同時到達節點X。如上所述，分組在到達節點E之前先到達節點W。因此，分組從節點E傳送到節點X的時間必須少于分組從節點W傳送到節點X的時間。在一個光學實施方式中，定時是通過選擇從節點W到節點X的互連線的光纖長度短于從節點E到節點X互連線的光纖長度來調節的。按這種方式，來自更高級的分組可以趕上較低級的分組以同步到達時刻。
在電子實施方式中，在同級上的兩個節點之間傳送的分組經過兩個一比特移位寄存器單元。向下一級移動的節點旁路(bypass)掉一個寄存器單元，因此在圖4A、4B和4C所示結構中，一個分組比特從單元E至單元F在兩個時鐘周期中傳輸，而從單元E至單元X用一個時鐘周期傳輸。
圖1、3A、3B、4A、4B和4C所示的結構具有相同的通過互連結構發送消息的優先權。節點X的直接前任節點W具有向節點X發送數據的第一優先權。節點E具有向節點X發送數據的第二優先權。節點B具有向節點X發送數據的第三優先權，其中，節點X比節點B更靠近條帶的輸出端口。在另一實施方式中，最遠離條帶輸出端的節點具有優先權。參照圖5，優先權相對于列是可變的，因此如果節點B是節點A的直接后續者而節點A是一個沒有優先權的單元，則節點B是一個有優先權的單元。
圖5示出了互連結構的三列和三級。在每個級和每個列上有一個控制單元102的陣列110。圖5所示結構中的單元至單元的互連與在圖4B中所示的互連相同。一對單元形成一個節點502，因此節點對的兩個單元均被定位于向較低一級的一個單一節點發送數據。在集中器高度適合的實施方式中，控制陣列110內在行104上的單元102被隨機放置。對多個隨機放置的軟件模擬可以按需要選擇最佳性能的安排。實框504表示節點中具有較高優先權的單元。空框表示具有低優先權的單元。每個所示節點包括一個較高優先權單元和一個較低優先權單元。沿行104，在列上有低優先權的分組優選地總是在同級的下一列上有高優先權。
如果一個節點被考慮僅包含一個單一的控制單元，則每個節點具有一條來自同級的數據輸入線。不是位于頂級上的節點具有兩條來自更高級的數據輸入線。每個節點具有一條至同級節點的數據輸出線。不是位于底部級上的節點具有另外一條至較低級的附加數據輸出線。每個不是位于底部級上的節點具有一條控制輸入線。不是位于頂級上的節點具有一個或者兩個控制信號輸出端口。只有在輸入列上的節點具有至外部輸入源的控制信號輸出線。只有在由全局時鐘信號指示的時刻且只有在頂級節點沒有收到阻塞信號時，輸入源才被允許將分組送至集中器。輸入源使用相同的時序和將分組向下發送到集中器中的路由規則，內部單元遵循這些規則來將分組向下傳送至較低級單元。
本領域的普通技術人員容易實現對在這里所描述的基本集中器的許多變形、改動、增加和改進。
可選拓撲實施方式在上面披露的集中器中，一條離開行J的FIFO的線與在行J-8上進入列0的線相連。在第一可選的例子中，該離開行J中FIFO的線與在同一行J上進入列0的線相連。拓撲結構被這樣改變，以使頂級有32個環，在層次結構中的下一級有16個環，而在底級有8個環。
在第二可選的例子中，在列K-1和FIFO列之間作了改變。一條離開行J中FIFO的線與在同一行J上進入列0的線相連。對于某些變化，產生的拓撲結構在每級上有一個環。在一些情況下，數據總是被允許從在級0列k-1的輸出端口離開集中器。在這種情況下，圖1所示新穎的“理發師柱”結構優選地運行，使得進入結構頂部的消息總是被保證在由一個固定常數設定的時間量之內退出該結構。
在其它情況下，在一些條件下，數據可能被阻塞離開集中器輸出端口，每級有一個環的結構可能更適合。
服務質量(QoS)實施方式在網絡和集中器中實現服務質量(QOS)優先權的一種簡單技術是包括一個或多個消息頭比特來指明服務級的質量。參照圖4A，實現了一種QOS優先權技術。如果分組PD比分組PA具有相同或更高的QOS優先權，且單元W未向單元X發送分組PV，則將分組PD發送至單元X。然而，如果分組PD具有比分組PA較低的QOS優先權且單元W未向單元X發送分組PV，則將分組PA送至單元X。為了實現QOS優先權，單元E和B能夠讀取QOS消息頭比特，而一條從單元B至單元E的控制線攜載QOS信息。單元B能夠通過現有的線108或通過一條附加的控制線將QOS信息發送至單元E。
附加級實施方式所示例子排除了節點的緩存器。但是，集中器確實按緩存器的方式工作，因此可以處理突發業務。例如，如果進入集中器的消息的平均數小于8，但偶爾多于8條消息進入集中器，則可能沒有要進入集中器的消息被阻塞。這種處理突發業務的能力可以通過為集中器增加一個附加級，在例子中為級3而增強。級3可以有64行，數據進入上部32行。加入的附加級增加了整個集中器的有效緩沖規模。在其它實施方式中，可以向結構中增加若干附加級，以進一步增強處理突發業務的能力。
多輸入列實施方式實現64∶8集中器的一種技術包括增加一個具有使用8繞條帶64行的附加級3。在另一技術中，為級2增加一個輸入端口端列，可能使在級2上32線上接收的數據量加倍。可以為級2增加一個附加移位寄存器FIFO列，來處理該32條線上增加的業務。附加移位寄存器FIFO列是否得到保證取決于從輸入設備加到集中器消息的時序。與消息從集中器內部節點進入到輸入列一樣，消息從集中器外進入一個輸入列。該可選技術在每個輸入通道的平均數據率較低且突發業務少的應用中是有用的。
級之間不同互連的實施方式在分層結構中，每個節點包括一個單一控制單元，而每個在較低級上的節點與唯一一個在更高級上的節點連接。可以這樣改變集中器，使得在底部級上一個特定級只有一半的線在一個特定的時間節拍將消息向下發送至下一較低級。
在一個實施方式中，四個控制單元被組合成一個可以向四個單元發送數據的單一節點。本領域的普通技術人員可以改變該結構，使得在特定級上的四個單元形成一個可以向較低級上的兩個單元發送數據的節點。
再次參照圖5，在分層結構中，在一級上安排兩個控制單元將數據發送至下一較低級上一個單一控制單元。節點502示出一個2∶1節點集中器的結構，在該集中器中，節點中的兩個單元能夠將數據發送至較低級上的一個節點。在一個運行的例子中，消息M1從級1的行2列0的控制單元被發送至級1的行2列1上的單元。在同一運行時間周期中，一消息M2到達級2的行8列0的控制單元。消息M1被用于阻塞消息M2，而消息M2會保留在同一級。因此，在圖5所示的拓撲結構中，一級上的單一消息可以阻塞一更高一級的消息。
參照圖6A和6B，單元被分組成例如節點602，使得一個級上的四個單元被設置為用互連線604向較低級上的兩個單元發送數據。每級上的節點包含四個控制單元。級2上最左邊節點的四個控制單元中的每個都能夠發送數據至級1上兩個單元中的一個。在圖6A所示的例子中，節點N中的四個單元能夠發送數據至節點P的單元Q和R。類似地，節點M中的四個單元能夠發送數據至節點P的單元S和T。在一個級上沒有消息可以阻塞更高級上的消息，因此可以增加從一級向下一較低級的流量。圖6A示出了一個4∶2節點集中器的結構，在該集中器中節點中的四個單元能夠將數據發送至較低級上的兩個節點之一。在其它實施方式中，例如如圖6B所示，可以添加邏輯以增加節點610中單元的數目。例如，在節點T和U中的所有8個單元可以聯合被控制，來將數據發送至節點V和W之一或兩者中所有四個單元，而形成一個8∶4節點集中器。更復雜的節點用于以每個節點更多邏輯的成本增加流量的設計。
參照圖7，示意框圖示出了一個使用多個集中器和多個開關構成有數個芯片的大網絡的系統。在另一實施方式中，將較小的網絡安排成雙扭立方體。圖7所示系統改進了雙扭立方體結構。
在實踐中，超大網絡可以使用所示多個芯片模塊構成。例如，可以結合128個開關芯片和128個集中器芯片。例如，128個芯片中的每個可以包含64個單線輸入端口和64個三線輸出端口。這種組合形成了一個具有642輸入線和642輸出線的單一芯片。圖7所示例子是一個為了說明的目的、有用的很小的系統。在實際中可以構造大得多的系統。
圖7所示網絡702和704具有三個級和多個列。每級有四行。在級0上的三列包含輸出端口。在所示系統中，每個芯片702具有三條送至地址0的輸出線、三條送至地址1的輸出線、三條送至地址2的輸出線和三條送至地址3的輸出線。底部集中器與地址0連接的所有12條輸出線。其它三個集中器每個接收與地址1、2和3適當連接的12條輸入線。
其它網絡在不同的時間從不同的列發送數據。在圖7所示系統中，來自不同列的消息傳過適當的延時線FIFO(沒有示出)，使得來自所有列的消息同時到達集中器700。
集中器700有在三個級上4路寬條帶的行，使得級0有4行、級1有8行，而級2有16行。在級2上，16行的低12行設置成在集中器700的輸入端口(沒有示出)從開關702接收數據。
對于數據預期特別突發的應用，可以為集中器700增加附加的層。集中器700將數據從在第一列每個芯片的12條通道輸出線集中到在第二列的四條輸入線。該集中器還將數據在時間上分散或散布以減小可能的熱點。來自集中器700的數據加到開關芯片704的第二列。
消息同步地退出集中器700，使得在集中器模塊700和開關芯片704之間不需要FIFO。消息從開關704出現并傳過FIFO(沒有示出)以便在時間上與進入到集中器模塊706第二列的消息對準。每個集中器芯片706包含四個集中器。在集中器芯片706的這四個集中器中的每個具有一寬度為一行的條帶。
第二列集中器可以被設計成三個級，級0有1行、級1有2行而級2有4行。頂級4行中的3行能夠接收輸入數據。同樣，對于突發業務可以在集中器芯片706中為集中器增加附加的行。
控制線(沒有示出)從下游芯片向上游芯片提供控制信號，以通知上游芯片下游芯片中的的數據阻塞情況。例如，如果開關704不能從集中器700接收數據，則該數據被重新導向集中器700的一頂端行。由于只有集中器700較低的12行從上游開關702接收消息，頂端4行總是可以接收數據。
返回到頂端開關的控制線可以來自若干地方。在一個實施方式中，可以在集中器800和開關804之間設置緩存器。當緩存器充至容量水平之上時，可以有選擇地將控制信號送至饋給充滿的緩存器的開關802的輸出端口。可供選擇的是，控制信號起源于集中器內位于較高級中在通道擁擠時接收消息而在通道清閑時不接收消息的列的左邊列的節點。該控制信號根據集中器中的業務阻塞開關800的特定輸出端口。
對于所有規模的集中器，將阻塞的消息反饋到集中器的頂行總是成功的，因為反饋消息的最大數目等于條帶的寬度，而條帶寬度在集中器的頂端行總是開放的。
在本發明參照各種實施方式被描述的同時，可以理解，這些實施方式是示意性的，本發明的范圍并不局限于此。所述實施方式的許多變形、修改、增加和改進是可能的。例如，本領域的普通技術人員容易實現必要的步驟來提供這里披露的結構和方法，并理解處理參數、材料和尺寸只是舉例地給出且可以被改變以實現希望的結構以及在本發明范圍內的改動。這里披露的實施方式的變形和改動，可以在這里展開的描述的基礎上作出，而沒有超出所附權利要求設定的本發明的范圍和精神。例如，本領域的普通技術人員可以對這里描述的其它互連結構使用第一和第二服務質量技術。
在權利要求中，除非另外指明，冠詞“一個”是指“一個或多個”。
權利要求
1.一種互連結構，包括多條數據傳輸線(104)；和設置在該多條數據傳輸線上的多個節點(102)；該數據傳輸線具有多個節點，用于互連結構外的數據進入；該數據傳輸線具有一個數據退出端，允許數據退出系統；和多個節點，包括節點A、B和X，以及多條數據傳輸線，包括線L1和L2，在線L1上的節點A能夠將數據傳輸到線L1上節點A的直接后繼者節點B，節點A能夠將數據傳輸到線L2上的節點X，從節點X至傳輸線L2的數據退出端的距離小于從節點B至傳輸線L1的數據退出端的距離。
2.按照權利要求1所述的互連結構，其中，節點X具有一個直接前任節點W，該節點W具有比節點A高的向節點X發送數據的優先權。
3.按照權利要求1所述的互連結構，其中，進入到該結構的消息不會被丟棄。
4.一種互連結構，包括多個傳輸環；設置在多個數據傳輸環中的多個節點(102)；所述數據傳輸環設置在從最高級L至最低級O的多個級上；在級L上的環具有一個或多個能夠從該互連結構外接收數據的節點；多個節點，包括節點A、B、C、X和Y；所述節點B位于級0和級L之間的級J上；所述節點A是與節點B在同一數據傳輸環上的、節點B的直接前任節點；所述節點C是與節點B在同一數據傳輸環上的、節點B的直接后繼節點；所述節點X位于高于級J的級K上；所述節點Y位于低于級K的級P上；所述節點B能夠從節點A和節點X接收數據；所述節點B能夠向節點C和節點Y發送數據，所述數據是通過使用無消息頭信息識別數據消息的目標而自己選擇路由的；
5.按照權利要求4所述的互連結構，其中，所述數據至少部分地根據包括在消息頭中的服務質量信息而自己選擇路由。
6.一種互連結構，包括多條數據傳輸線(104)；設置在該多條數據傳輸線上的多個節點(102)；多個節點，包括一個節點B和一個節點子集S，所述節點子集S包括一個或多個能夠將數據發送至節點B的節點，在所述節點子集S中的節點具有用于將數據發送至節點B的優先權關系，使得對于所述節點子集S中的一個節點N和一條到達節點N的消息M，節點N將消息M發送至節點B決不會被一條來自在所述子集S中具有比節點N將消息M發送至節點B較低的優先權的節點的消息而阻塞，所述消息M不具有指示該消息M目標的消息頭。
7.按照權利要求6所述的互連結構，還包括一個節點子集TN，該節點子集TN是節點N能夠將消息路由到其的節點的子集；一種與節點N關聯的邏輯，該邏輯將節點子集TN的成員分級成最希望接收消息M的節點至最不希望接收消息M的節點，所述與節點N關聯的邏輯將消息M發送至節點子集TN中最有希望的未被阻塞的成員。
8.按照權利要求7所述的互連結構，還包括一節點A，其是節點B的直接前任節點，該節點A具有向節點B發送消息的最高優先權。
9.一種互連結構，包括設置在一個結構中的多個節點(102)，該結構包括從源級至目標級的級分層；沿級展開的不相交路徑中的多個節點；和在級的不相交路徑的交叉區中的多個節點，源級交叉區中的節點數大于目標級交叉區中的節點數，使得所述互連結構是一個集中器，節點的級完全由該節點在所述結構中的位置確定；和多個將節點耦合在所述結構中的互連線(104)，包括用于一個級L的路徑P上節點N的互連線，包括一消息輸入互連線，與級L的路徑P上的第一相臨節點相耦合；一消息輸出互連線，與級L的路徑P上的第二相臨節點相耦合；至少一條消息互連線，與一個或多個節點N的朝向源的節點耦合，用于從在分層中朝向源的節點接收數據，和/或與一個或多個節點N的朝向目標的節點相耦合，用于從在分層中朝向目標的節點發送數據；和至少一條控制互連線，與一個節點N的朝向源的節點相耦合，用于向朝向源的節點發送控制信號，和/或與一個節點N的朝向目標的節點相耦合，用于從在分層中朝向目標的節點接收控制信號。
10.按照權利要求9所述的互連結構，還包括一種與節點N關聯的邏輯，該邏輯能夠判斷節點N是否被級L的路徑P上的消息所占據，并在該判斷的基礎上將控制信號發送至朝向源的節點、加速消息在朝向源的節點的前進。
11.按照權利要求9所述的互連結構，還包括多個列，每個列將一個級中不相交路徑交叉區中的多個節點互連，所述列包括節點之間的互連，該互連包括在至少一條消息互連線和至少一條控制互連線上的朝向源和朝向目標的耦合。
12.按照權利要求9所述的互連結構，還包括多個FIFO緩存器(118)，分別與沿級展開的不相交路徑相耦合。
13.按照權利要求9所述的互連結構，其中所述多條耦合所述結構中節點的互連線，包括用于級L的路徑P上的節點N的互連線，還包括一第一控制輸出互連線，與路徑P朝向源的一個節點相耦合并在所述級L上；和一第二控制輸出互連線，與所述級L的一朝向源的級的節點相耦合。
14.按照權利要求9所述的互連結構，其中，所述多條耦合所述結構中節點的互連線，包括用于級L的路徑P上節點N的互連線，還包括一第一消息輸入互連線，與路徑P朝向源的一個節點相耦合并在所述級L上；一第二消息輸入互連線，與所述級L的一朝向源的級的節點耦合；和一控制輸出互連線，與路徑P的一個朝向源的節點相耦合并在所述級L上。
15.按照權利要求9所述的互連結構，其中，所述多條耦合所述結構中節點的互連線，包括用于一個級L的路徑P上節點N的互連線，還包括一第一控制輸出互連線，與路徑P朝向源的一個節點相耦合并在所述級L上；一第二控制輸出互連線，與所述級L的朝向源的級的節點耦合；和一消息輸入互連線，與路徑P的一個朝向源的節點耦合。
16.按照權利要求9所述的互連結構，還包括在所述多個節點中有優先權節點，而其它節點是非優先權節點，所述優先權節點和非優先權節點有選擇地互連。
17.按照權利要求9所述的互連結構，還包括一種邏輯，將節點互連成組以將在朝向源路徑上的n個節點集中到朝向目標路徑上的m個節點，其中，n大于m而n∶m是集中率。
18.按照權利要求9所述的互連結構，還包括一個在不相交路徑中連接多個節點的互連線條帶(112)，該互連線條帶從源級至目標級纏繞過各級，其中，繞匝數從源級至目標級減少；和多個列，耦合通過級的所有纏匝的所述條帶的交叉區中的節點。
19.按照權利要求18所述的互連結構，其中，所述互連條帶的纏匝數從源級至目標級在每級減少一半。
20.一種系統，包括多個開關(702)；和多個集中器(700)，分別與所述多個開關相耦合，所述集中器是按照權利要求9所述的。
21.一種互連結構，包括一連接不相交路徑中多個節點的互連線條帶(112)，該互連線條帶從源級至目標級繞過多個級，繞匝數從源級至目標級減少；和多個列，其由耦合通過各級繞匝交叉區橫跨條帶節點的互連線形成。
22.按照權利要求21所述的互連結構，還包括多個輸入端口，與源級第一列中的節點相耦合。
23.按照權利要求21所述的互連結構，還包括多個輸出端口，與目標級最后一列中的節點相耦合。
24.按照權利要求21所述的互連結構，還包括多個FIFO緩存器，分別與沿級展開的不相交路徑相耦合。
25.按照權利要求21所述的互連結構，還包括所述互連線條帶的繞匝數從源級至目標級在每級減少一半。
26.按照權利要求21所述的互連結構，還包括從所述互連結構內節點至一個或多個該互連結構外設備的控制線，用于控制消息進入該互連結構。
27.按照權利要求21所述的互連結構，還包括一種邏輯，將節點互連成組以將朝向源路徑上的n個節點集中到朝向目標路徑上的m個節點，其中，n大于m而n∶m是集中率。
28.按照權利要求21所述的互連結構，還包括一種邏輯，該邏輯能夠判斷一個節點是否被一級的路徑上的消息所占據，并在該判斷的基礎上將控制信號發送至一朝向源的節點，加速消息在該朝向源節點的前進。
29.按照權利要求21所述的互連結構，還包括在所述多個節點中有優先權節點，而其它節點是非優先權節點，所述優先權節點和非優先權節點有選擇地互連。
30.一種系統，包括多個開關(702)；和多個集中器(700)，分別與所述多個開關耦合，所述集中器是按照權利要求21所述的。
全文摘要
一種互連結構(100)通過在控制單元之間利用控制信號進行單比特路由選擇，實質性地改進了信息集中器(700)的運行。該互連結構和運行技術支持蠕蟲洞路由選擇和消息的流動。消息分組總是緩存在結構內，且不會被丟棄，從而保證了所有進入該結構的分組可以退出。在一個例子中，該互連結構包括一個連接在不相交路徑上的多個節點的互連線條帶(112)。互連線條帶(112)從源級至目標級的纏繞過多級。繞匝的數目從源級至目標級減少。該互連結構還包括多個列，這些列由耦合通過各級的纏繞交叉區橫跨條帶的節點的互連線構成。
文檔編號H04Q11/04GK1561651SQ01820868
公開日2005年1月5日 申請日期2001年10月19日 優先權日2000年10月19日
發明者科克·S·里德, 約翰·赫斯 申請人:英特拉克蒂克控股公司