(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
夫々がデータストリームを受信するＭ個の受信インターフェースを具え、Ｍは１以上の整数であり、Ｍ個の受信インターフェースの少なくとも第１の受信インターフェースは、データストリームのＮ個のストライプを生成し、Ｎは２以上の整数であり；
Ｎ個のスイッチ構造を具え、Ｎ個のスイッチ構造の少なくとも第１及び第２構造は、夫々Ｍ個の受信インターフェースの第１インターフェースからデータストリームのＮ個のストライプの１つを受信し、各スイッチ構造は、少なくともＭ個の受信インターフェースの１つへ接続され、
Ｍ個の伝送インターフェースであって、Ｍ個の伝送インターフェースの少なくとも第１のインターフェースは、Ｎ個のスイッチ構造の第１及び第２構造により受信されたデータストリームのストライプからデータストリームを再構築し、各伝送インターフェースは、Ｎ個のスイッチ構造の少なくとも２つへ接続されており、
第１の受信インターフェースは、パリティストライプを生成し、パリティストライプを受信する付加的なスイッチ構造（Ｎ＋１）を具え、
前記の付加的なスイッチ構造は第１の受信インターフェースへ接続され、Ｎ＋１スイッチ構造の１つが故障の場合、データストリームは依然として第１の伝送インターフェース上のパリティストライプで再構築されるスイッチングシステム。
【請求項２】
Ｍ個の受信インターフェースは、Ｎ個のスイッチ構造へ接続されており、Ｎ個のスイッチ構造へ供給されるＮ個のストライプを生成し、Ｍ個の受信インターフェースの夫々は、Ｎ個のスイッチ構造の夫々へ接続されている請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
Ｍ個の伝送インターフェースの夫々は、Ｎ個のスイッチ構造の夫々と接続されており、Ｎ個のスイッチ構造からＮ個のストライプを受信して、データストリームを再構築する請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
各受信インターフェースとスイッチ構造の間、及び各スイッチ構造と伝送インターフェースの間に、Ｎ×Ｍ個のストライプが設けられた請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
各スイッチ構造は、各受信インターフェース及び伝送フェースに連繋したＭ個の読取り・書込みキューを有する請求項４に規定されたシステム。
【請求項６】
夫々がデータストリームを受信するＭ個の受信インターフェースを具え、Ｍは１以上の整数であり、Ｎ個のデータストライプを生成し、Ｎは２以上の整数であり；Ｎ個のスイッチ構造を具え、夫々はＭ個の受信インターフェースからＮ個のデータストライプを受信し；Ｍ個の伝送インターフェースを具え、夫々はＮ個のデータストライプを受信し、それらを夫々のデータストリームに再構築し、
インターフェースの夫々は、各データストリームからＮ個のストライプを生成することによって、Ｎ個のストライプのどのＸ個のストライプであっても、Ｘ個のストライプが生成したところからデータストリームを再構築し、ＸはＮ以下の整数であるスイッチングシステム。
【請求項７】
Ｎ個のストライプは、Ｘ個のストライプに１つのストライプを加えた請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
１つのストライプはパリティストライプである請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
受信インターフェースでデータストリームを受信する工程；データストリームを受信インターフェースに対してＮ個のデータストリームに分散化する工程；Ｎ個のストライプをＮ個のスイッチ構造へ供給する工程；及びＮ個のストライプを伝送インターフェースへ伝送する工程であって、該伝送インターフェースは、データストリームをＮ個のストライプから再構築し、集約化されたデータをその出力ポートへ伝送する工程；を具え、
分散化する工程は、パリティストライプを分散化する工程、パリティストライプをスイッチ構造へ供給する工程、及びパリティストライプを伝送インターフェースへ伝送する工程を有し、Ｎ個のスイッチ構造のどれか１つが故障の場合、データストリームは依然としてパリティストライプで再構築されるスイッチング方法。
【請求項１０】
分散化する工程は、各データストリームからＮ個のストライプを生成する工程を有し、Ｎ個のストライプのどのＸ個のストライプであっても、Ｘ個のストライプが生じたところからデータストリームを再構築することができ、ＸはＮ以下の整数である請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する分野】
本発明は、スイッチングシステムに関し、これはデータストリームからのデータのストライプを使用して、データストリームを切り換える(switch)ことができるスイッチングシステムに関する。特に、本発明は、データストリームからのデータストライプを用いるスイッチングシステムに関し、該スイッチングシステムは、データストリームを切り換えることができる。パリティストライプが使用されるので、１のストライプが欠落した場合に、データストリームを再構築するのに、全てのストライプは要求されない。
【０００２】
【発明の背景】
時分割多重（ＴＤＭ）は、スイッチングシステムを遂行するために使われる１つの技術である。ＴＤＭスイッチには、中央リソース(システムの動作環境)があり、これは入出力ポートの帯域幅の和に等しい帯域幅で作動する。中央リソースは入出力ポートに割り当てられるタイムスロットによって分割される。一般に、中央リソースはメモリバスであって、入力ポートで受信されるパケットに書き込み、出力ポートにて伝送されるべきパケットを読み出す。ＴＤＭスイッチは、小型から中規模のスイッチングシステムには実用的であるが、集中メモリバスの帯域幅によって処理能力(throughput)の点で制限されている。単一メモリバスの帯域幅の限度を越えて大規模化(scale)するのに、多重メモリが使われて夫々のキュー(待ち行列)が用いられる。分散化したキューを具えたシステムについても大規模化は可能であるけれども、一般に性能は低下する。大域的(globally)に分割されたキューが優れた性能をもたらすのは、全てのスイッチキュー資源(リソース)が、データの過渡変動(data transients)の途中で(dynamically)、割り当てができるからである。そうでなければ個別の資源をオーバーロードするであろう。
【０００３】
図１に示すように、夫々がＲの割合でパケットを受信するＮ個の入力ポート、及び夫々がＲの割合でパケットを送り出すＮ個の出力ポートを持ったスイッチ構造を考える。分割されたメモリを有するＴＤＭスイッチングシステムにあっては、２×Ｎ×Ｒの総帯域幅を有する１つのメモリバスが必要である。到達するパケットは、集められてメモリに書き込まれる。一旦メモリに書き込まれた後、そのパケットはメモリから読み出され、出力ポートに送られる。
【０００４】
このシステムは、分割されたメモリが、入力ポートと出力ポート全てに提供するだけの十分な帯域幅を持っておれば、正しく支障なく(non-blocking fashion)作動する。メモリの帯域幅は、メモリバスのスピード及び幅を増大させることによって増すことができる。
【０００５】
データ分散化は、ＲＡＩＤ(redundant array of inexpensive disks)ビデオサーバに於いて効果的に使用され、ＢＷ（帯域幅）が広く容量が大きいビデオストリームを生成するときに、ディスクドライブのＢＷ及び容量の必要条件を減らす。ＲＡＩＤ−０（ＲＡＩＤ，レベル０）では、データストリームは、いくつかのディスクドライブに分散化される。図２に於いて、ビデオストリームは、３つのディスクドライブに「分散」される。ビデオサーバは、３つのディスクのすべてから分散化された情報を読み出し、ビデオストリームを再構築して、ＢＷ（帯域幅）が広い１つのビデオストリームを出力する。実施例のシステムに於いて、ドライブＢＷ容量は、ビデオストリームのＢＷ容量の３分の１であることが要求される。
【０００６】
ＲＡＩＤ−３（ＲＡＩＤ，レベル３）では、１つのディスクドライブが故障の場合、ビット状の(bit-wise)パリティデータのストライプが追加され、データを再構築する。図３の例に於いて、ビデオストリームは、３つのディスクドライブに分散化され、パリティストライプは４番目のディスクへ格納される。ドライブ２の故障を考えてみる（任意の１つのドライブが故障したときも同様である）。サーバは、パリティストライプとともに残りのデータストライプを読み出し、失われているデータを再構築する。
【０００７】
本発明に於いて、集約化ＴＤＭスイッチングシステムは、いくつかのメモリバンクと共に実施され、このメモリバンクは全て一斉に作動する。スイッチ処理能力の総計は、１つのメモリバンクの帯域幅によって制限されないが、スイッチ内で相互接続され得るメモリバンクの総数によって制限される。多重識別メモリバンク(multiple distinct memory bank)が使われているとしても、データは、集約化され大域的に分割されたモデル内で並べられる(queued)。データ分散化は、いくつかのバンクにより１つの広域メモリモデルを実施するために使われる。データ分散化は、ＲＡＩＤ(redudant array of inexpensive disk)サーバに於いて効果的に使用されており、サーバ内の任意の１つのディスクドライブにおける帯域幅の必要条件を減らす。本発明は、データ分散化の概念を、ネットワークスイッチングシステムに応用するものである。
【０００８】
【発明の要旨】
本発明は、スイッチングシステムに関する。システムは、Ｍ個の受信インターフェースを具えており、これらの夫々はデータストリームを受信する。Ｍは１以上の整数である。Ｍ個の受信インターフェースの少なくとも第１受信インターフェースは、データストリームのＳ個のストライプを生成し、Ｓは２以上の整数である。システムは、Ｎ個のスイッチ構造を含み、Ｎは２以上の整数である。Ｎ個のスイッチ構造の少なくとも第１及び第２構造は、夫々Ｍ個の受信インターフェースの第１番目から、データストリームのＮ個のストライプの１つを受信する。各スイッチ構造は、Ｍ個の受信インターフェースの少なくとも１つへ接続されている。システムは、Ｏ個の伝送インターフェースを含み、Ｏは１以上の整数である。Ｏ個の伝送インターフェースの少なくとも第１番目は、Ｎ個のスイッチ構造の第１及び第２スイッチ構造によって受信されたデータストリームのストライプからデータストリームを再構築する。各伝送インターフェースは、Ｎ個のスイッチ構造の少なくとも２つへ接続されている。
【０００９】
本発明は、スイッチングシステムに関する。該システムは、Ｍ個の受信インターフェースを具えており、これらの夫々はデータストリームを受信し、Ｎ個のデータストライプを生成する。Ｍは２以上の整数であり、Ｎは２以上の整数である。システムは、Ｎ個のスイッチ構造を含んでおり、夫々はＭ個の受信インターフェースからＮ個のデータストライプを受信する。スイッチングシステムは、Ｍ個の伝送インターフェースを具えており、夫々はＮ個のデータストライプを受信し、それらを夫々のデータストリームに再構築する。
【００１０】
本発明は、スイッチング方法に関する。該方法には、受信インターフェースでデータストリームを受信する工程を有する。次に、受信インターフェースに対して、データストリームをＮ個のストライプに分散化する工程がある。ここでＮは２以上の整数である。
次に、Ｎ個のストライプをＮ個のスイッチ構造へ供給する工程がある。次に、Ｎ個のストライプを伝送インターフェースへ伝送する工程があり、該伝送インターフェースは、データストリームをストライプから再構築し、集約化されたデータ(non-stripe data)をその出力ポートへ伝送する。
【００１１】
【実施例の詳細な説明】
図面を通じて、類似又は同一の要素については同じ符号を付している。特に、図４及び図５は、スイッチングシステム(10)を示している。
スイッチングシステム(10)は、Ｍ個の受信インターフェース(12)を有し、夫々はデータストリーム(14)を受信する。Ｍは１以上の整数である。Ｍ個の受信インターフェース(12)の少なくとも第１の受信インターフェース(16)は、データストリーム(14)のＳ個のストライプ(18)を生成する。Ｓは２以上の整数である。
スイッチングシステム(10)は、Ｎ個のスイッチ構造(20)を含む。Ｎは２以上の整数である。Ｎ個のスイッチ構造(20)の少なくとも第１及び第２構造は、夫々Ｍ個の受信インターフェース(12)の第１番目から、データストリーム(14)のＮ個のストライプ(18)の１つを受信する。
各スイッチ構造は、Ｍ個の受信インターフェース(12)の少なくとも１つへ接続されている。スイッチングシステム(10)は、Ｏ個の伝送インターフェース(22)を有する。Ｏは１以上の整数である。Ｏ個の伝送インターフェース(22)の少なくとも第１番目は、データストリーム(14)のストライプ(18)からデータストリーム(14)を再構築し、該ストライプ(18)はＮ個のスイッチ構造(20)の第１及び第２構造によって受信される。各伝送インターフェースは、Ｎ個のスイッチ構造(20)の少なくとも２つへ接続されている。
【００１２】
Ｏ＝Ｍであり、ＳはＮに等しいことが望ましい。Ｍ個の受信インターフェース(12)は、Ｎ個のスイッチ構造(20)へ接続されて、Ｎ個のスイッチ構造(20)へ別々に供給されるＮ個のストライプ(18)を生成することが望ましい。Ｍ個の受信インターフェース(12)の夫々は、Ｎ個のスイッチ構造(20)の夫々へ接続されている。Ｏ個の伝送インターフェース(22)の夫々は、Ｎ個のスイッチ構造(22)の夫々と接続されており、Ｎ個のスイッチ構造(20)からＮ個のストライプ(18)を受信して、夫々のデータストリーム(14)を再構築することが望ましい。
【００１３】
各受信インターフェース(12)とスイッチ構造(20)、及び各スイッチ構造(20)と伝送インターフェース(22)の間にＮ×Ｍストライプ(18)が配備されることが望ましい。各構造は、各受信インターフェース及び伝送インターフェースと連繋した、Ｍ個の読取り・書込みキュー(24)を有することが望ましい。
第１の受信インターフェース(16)は、パリティストライプ(26)を生成し、パリティストライプ(26)を受信する第３のスイッチ構造(28)を含んでいることが望ましい。前記の第３のスイッチ構造(28)は第１受信インターフェース(16)へ接続されているから、Ｎ個のスイッチ構造(20)の１つが故障の場合でも、データストリーム(14)はなおも第１受信インターフェース(30)上のパリティストライプ(26)を用いて再構築される。
【００１４】
本発明は、スイッチングシステム(10)に関する。システム(10)は、Ｍ個の受信インターフェース(12)を含んでおり、Ｍは２以上の整数である。これらの夫々はデータストリーム(14)を受信し、Ｎ個のデータストライプ(18)を生成する。Ｎは２以上の整数である。
システム(10)は、Ｎ個のスイッチ構造(20)を有し、夫々Ｍ個の受信インターフェース(12)からＮ個のストライプ(18)を受信する。システム(10)は、Ｍ個の伝送インターフェース(22)を有し、夫々Ｎ個のデータストライプ(18)を受信し、それらを夫々のデータストリーム(14)に再構築する。
【００１５】
各インターフェースは、各データストリーム(14)からＮ個のストライプ(18)を生成することによって、Ｎ個のストライプ(18)中の任意のＸ個のストライプ(18)であっても、Ｘ個のストライプ(18)が生じたデータストリームからデータストリーム(14)を再構築することが望ましい。Ｘは、Ｎ以下の整数である。Ｎ個のストライプ(18)＝Ｘ個のストライプ(18)＋１つのストライプであることが望ましい。この１つのストライプは、パリティストライプ(26)であることが望ましい。
【００１６】
本発明は、スイッチング方法に関する。該方法は、受信インターフェースにてデータストリーム(14)を受信する工程を含む。次に、受信インターフェースに対して、データストリーム(14)をＮ個のストライプ(18)に分散化する工程があり、Ｎは２以上の整数である。次に、Ｎ個のストライプ(18)をＮ個のスイッチ構造(20)へ供給する工程がある。次に、Ｎ個のストライプ(18)を伝送インターフェースへ伝送する工程があり、該伝送インターフェースは、ストライプ(18)からデータストリーム(14)を再構築し、集約化されたデータをその出力ポートへ伝送する。
【００１７】
分散化工程は、パリティストライプ(26)を分散化する工程、パリティストライプ(26)をスイッチ構造へ供給する工程及び、パリティストライプ(26)を伝送インターフェースへ伝送する工程を含むことが望ましく、これにより、Ｎ個のスイッチ構造のどれか１つが故障の場合に、データストリームは依然としてパリティストライプ(26)を用いて再構築される。
【００１８】
分散化工程は、各データストリーム(14)からＮ個のストライプ(18)を生成する工程を有することが望ましく、Ｎ個のストライプ(18)内の何れのＸ個のストライプも、Ｘ個のストライプが生じたところからデータストリーム(14)を再構築することができる。ＸはＮ以下の整数である。
【００１９】
本発明を遂行する際に、データ分散化は、スイッチ内の多重構造に入ってくるデータを分散化することによって、ネットワーク切換えアーキテクチャまで拡大される。スイッチ構造は中央ＴＤＭリソースから構築される。これによって、任意の単一構造で必要とされるメモリ帯域幅を効果的に減少し、該帯域幅はスイッチの総帯域幅の一部(fraction)になる。
ＲＡＩＤ−３は、スイッチ構造によりＮ＋１冗長化(redundancy)を遂行するのに使用される。入力されるデータは、受信インターフェース(12)によって利用可能な構造に分散化され、これはデータストライプ(18)のビット状パリティを有するパリティストライプ(26)を含んでいる。図４で示すように、スイッチ構造の何れか１つが故障の場合、データは伝送インターフェース上で再構築されることができる。冗長化したスイッチ構造は故障しない(hit-less)。１つのスイッチ構造が故障の場合、その故障が起きた時にスイッチ構造中に格納されたすべてのデータは、パリティストライプ(26)を使用して再構築される。
【００２０】
データ分散化を利用してスイッチングシステム(10)を正確に動作するには、ＲＡＩＤサーバモデルは不十分である。ＲＡＩＤサーバは、総てのデータレートで作動しなくてはならない集約化リソース（サーバ）を依然として含んでいる。サーバは、ディスクドライブに書き込まれるべきデータの全てを分散化(18)し、ディスクから読み出されるデータを再構築する。
ＲＡＩＤサーバは、１：Ｎ冗長化モデルを遂行する。これは１つのサーバが、Ｎ個のディスクドライブに対するすべてのデータを分散化する(18)。サーバに関連した隘路を除くのに、本発明ではＭ：Ｎ冗長化モデルが使用されている。Ｍ個のネットワークインターフェースの夫々は、数個の入力ポートから、集約化されたデータ(non-striped data)を受信する。Ｍ個のネットワークインターフェースは、受信データをＮ個のスイッチ構造(20)に分散化する。スイッチ構造(20)は、分散化されたデータを受信し、該データを並べて、分散化されたデータをＭ個の伝送インターフェース(22)へ伝送する。伝送インターフェース(22)は、該データを再構築して、その出力ポート上にて集約化されたデータを伝送する。
【００２１】
Ｍ：Ｎ冗長化スキームを遂行することにより、各スイッチ構造が操作しなければならないキュー(待ち行列)の数が犠牲となる(減る)。ＲＡＩＤサーバに於いて、各ディスクドライブは１つのサーバを使用して、サーバへの１回の読出し・書込みキュー(24)を効果的に操作する。各スイッチ構造はＭ：Ｎ冗長化モデルを使って、Ｍ個の読出し・書込みキュー(24)を効果的に操作し、それは各ネットワークインターフェースにつき１回である。スイッチ構造上にて多重キューを操作することによる犠牲は、(集約化されたソリューションのための)高速ＴＤＭバスを操作することに比べると小さい。キューは、分割されたメモリ空間内に読出し・書込みポインタを必要とすることが一般的である。
【００２２】
図５に於いて、Ｍ＝４のネットワークインターフェース及びＮ＝２である分散化された構造を有するスイッチングシステム(10)の例が示されている。各受信インターフェースは、１Gbpsで作動する１つの入力ポートへ接続されていると仮定する。総計４Gbpsがスイッチングシステムへ到着する。受信インターフェースは、受信したストリームの１/２Gbpsを各スイッチ構造へ送る。各スイッチ構造は、１/２Gbpsで作動する４つの入力キューを処理し、これによって、入力データの総計２Gbpsを受信する。各スイッチ構造はまた、伝送インターフェース(22)に対して１/２Gbpsでデータの４つのキューを出力する。各伝送インターフェースは、２つの１/２Gbpsデータストリーム(14)を受信し、該データを再構築して、１Gbpsで出力ポート上へ伝送する。スイッチ全体は、中央に並んだ４GbpsＴＤＭスイッチングシステム(10)を動かすけれども、本例に於いて作動するスイッチ構造の１つで最も速いのは、２Gbpsである。一般的に、スイッチの容量がＣであり、Ｎ個のスイッチ構造が使用されるならば、各スイッチ構造はＣ／Ｎ帯域幅で作動する。
【００２３】
データ分散化及びＭ：Ｎ冗長化モデルは、グローバル時分割多重スイッチングシステム(10)にて遂行される。データはいくつかのポートの１つで送受信されるので、受信及び伝送インターフェース(22)は空間分割を遂行する。分散されたスイッチ構造は、ハイブリッド空間／時分割システム(10)を遂行する。データストリーム(14)の種々の部分が種々のスイッチ構造上で並ぶ際に、データ分散化は空間分割を生じる。データが一旦１つのスイッチ構造へ到着すると、スイッチ構造は多重時分割を遂行する。スイッチングシステム(10)を遂行するのに、可能な限り高い帯域幅時分割バスでスイッチ構造を構築することが提案される。より大きな帯域幅がスイッチングシステム(10)内で必要とされるならば、本発明で示したように、いくつかのスイッチ構造へデータを分散化して、ハイブリッド空間／時分割切換えシステム(10)を遂行する。
【００２４】
本発明は、例示の目的で前述の実施例に於いて詳細に記載されてきたが、そのような詳細な記載は単にその目的のためであり、当該分野の専門家であれば、特許請求の範囲に記載されるものの他にも、発明の精神と範囲から逸脱することなく変更を成し得るものと理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
添付の図面では、本発明の望ましい実施例及び、本発明を遂行する望ましい方法が示されている。
【図１】従来のＴＤＭスイッチングシステムの概略図である。
【図２】従来のＲＡＩＤビデオの概略図である。
【図３】故障したドライブを有する従来のＲＡＩＤサーバの概略図である。
【図４】本発明のスイッチングシステムの概略図である。
【図５】Ｍ＝４及びＮ＝２である場合の本発明のスイッチングシステムの概略図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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