[发明专利]软件定义交换结构及基于该结构的数据交换方法

说明书

本发明属于交换芯片技术领域，特别涉及一种软件定义交换结构及基于该结构的数据交换方法，用于适配信息系统中不同应用需求，该结构包含：通过共享缓存结构组成的第一级交换，与通过CrossBar矩阵组成的第二级交换，其中，第一级交换中的共享缓存结构设置有m*n个端口，该m*n个端口均分为n个端口组，每个端口组内共享输入缓存和输出缓存，端口组之间通过第二级交换中的CrossBar矩阵连接。本发明综合考虑共享缓存交换和CrossBar矩阵交换两种交换结构的优缺点，将二者优点结合起来，基于软件定义互连技术实现高吞吐低时延交换结构的可编程特性以及协议无关性，满足交换芯片在多种不同场景下的实际应用，具有较好的应用前景。

技术领域

本发明属于交换芯片技术领域，特别涉及一种软件定义交换结构及基于该结构的数据交换方法。

背景技术

当前，信息系统体系架构正在经历从冯诺依曼到软件定义的变革，伴随人工智能技术的飞速发展，对新一代软件定义体系架构的需求愈发紧迫。软件定义体系结构可以根据不同的应用需求动态改变结构形态，可以以最佳的效能适配应用需求，大幅度减少软件的虚拟化层次，从而在系统层面实现高性能、高效能和灵活性的兼备支持。作为软件定义体系架构的核心技术之一，高吞吐低时延的软件定义交换结构的设计与实现迫切需要研究。通过研究共享总线交换、环型总线交换、共享缓存交换、Crossbar矩阵交换和基于动态路由的CLOS多级交换等主流交换结构，并对比分析RapidIO、FC、PCIe和以太网等典型协议交换芯片的实现架构，发现应用最为广泛的两种交换结构为共享缓存交换和Crossbar矩阵交换，它们大量应用在单一协议交换场景中，由于它们各自的优缺点，它们在异构协议交换中尚未有成熟应用。

异构协议交换结构的设计要兼容考虑各协议的交换特性和技术指标要求。以实现一个支持以太网、RapidIO、FC、PCIe四种典型协议，交换容量为1.2T的交换为例，要支持的四种异构协议中除FC协议外，都需要支持端口的绑定和拆分特性，这就要求交换结构能够适应端口数量和端口吞吐量的变化。以单一RapidIO协议交换为例，交换结构可以配置为2n个1x端口或者n个2x端口或者n/2个4x端口，端口绑定状态的变化不会影响交换的总带宽需求，这种协议特性适合选用共享缓存交换结构，所有端口共用相同的数据缓存，缓存带宽满足交换各端口的吞吐量之和即可。但是1.2T的交换容量在频率上限确定的情况下，例如600Mhz，总线位宽将达到2048bit，为保证缓存和带宽的效率需要对数据总线进行拼包操作，提高了设计难度；同时，共享缓存交换结构全端口时分复用的特性和后端实现时存储摆放的问题，并不利于PCIe和RapidIO协议转发时延指标的实现，针对PCIe和RapidIO协议的包重传特性，需要设置额外的输出缓存，这也是PCIe和RapidIO协议交换通常采用Crossbar交换结构的原因。对于Crossbar交换结构，各个输出端口的转发总线是独立的，互不影响，这带来了良好的时延和抖动特性；另外，Crossbar中的输出缓存天然适合PCIe和RapidIO协议的包重传特性的实现；但是，这种交换结构的端口数量不具有弹性，并且其对称性导致各个端口的吞吐量缓存要设置一致，对应交换芯片技术指标中的最大端口数量和最大端口吞吐量。仍以RapidIO协议为例，RapidIO端口支持1x、2x、4x三种端口模式，当物理端口存在n个4x端口时，交换网络就要支持4n个交换端口；当端口全部为4x的时候，交换网络只有n个端口在工作，不工作的端口所对应的节点缓存将暂时闲置，造成浪费；当端口全部1x时，即使4n个交换端口都在工作，但实际交换端口所需吞吐容量只是4x配置的1/4。当端口既要支持4x又要支持1x时，每个端口的吞吐量要按照4x吞吐量进行设计，必然造成极大的带宽和缓存浪费。

发明内容

为此，本发明提供一种软件定义交换结构及基于该结构的数据交换方法，综合考虑共享缓存交换和CrossBar矩阵交换两种交换结构的优缺点，将二者优点结合起来，基于软件定义互连技术实现高吞吐低时延交换结构具备的可编程特性以及协议无关性，满足交换芯片在多种不同场景下的实际应用。