CN1437815A - 宽带网络中高可用性、直接、灵活及可缩放数据分组交换的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种系统和方法，用于在宽带数据处理系统和网络的节点之间直接和灵活地交换数据分组流的连接。系统作为单个IP交换机。

Description

宽带网络中高可用性、直接、灵活及可缩放 数据分组交换的系统和方法

发明背景

本发明涉及通过数据处理系统的宽带网络进行的通信，所述宽带网络例如有采用SONET主干网络和混合光纤同轴电缆(“HFC”)接入网络的网络进行的通信，其中HFC把用户连接到主干的网络。HFC环境的分组通信标准为CableLabs的DOCSIS(通过电缆业务接口规范的数据，文献号为No.SP-RFI-I05-991105)。

图1示出向HFC系统(其中的每个HFC系统与200-2000个通过住户(HHP：households passed)相连接)进行数据广域传送的典型配置。前端终接系统2经环6上的复用器分出与SONET环4连接。前端2通过光纤下行连接7和光纤上行连接8与光纤节点9连接。光纤节点9包含同轴连接器10，与电缆调制解调器用户(即家庭11)相连接。除前端终接系统的费用之外，这些复用器目前的费用约为$50000，并且对某个社区进行的业务扩充可能还需要新的复用器和服务器。

前端终接系统中某个组件的失效会使整个“下游”(从前端至终端用户)子网(图7)无法与所连接的网络进行通信。

已经进行了对系统进行集成的尝试，以便降低费用及便于系统管理。目前的一种“集成”数据传送系统20在图2中示为功能块。图2示出一种系统20，它包含反向路径监视系统22、IP交换机24、路由器26、调制器和上变频器28、供应系统30、电话部分32以及多个CMTS 34(电缆连接调制解调器终接系统)。这种系统通常采用多个厂家的多种系统来构成，具有不同的管理系统、大占地面积、高功率要求以及高运营成本。

图3中示出目前的一种用于语音和数据传送的典型网络宽带电缆网。两个OC-12分组经SONET(POS)链路40、42分别与两个主干路由器44、46连接，而这两个主干路由器44、46又与两个交换机48、50连网。交换机48、50与CMTS前端路由器52、54连网。CMTS前端路由器52、54通过CMTS 61连接到多个光纤节点56。交换机48、50还连接到多个电话中继网关58，而电话中继网关58又连接到公共交换电话网(PSTN)60。当采用图2所示的“集成”系统时，这种网络通常也包含多个厂家的多种系统，具有不同的管理系统、大的占地面积、高的功率要求以及高的运营成本。仍然需要一种真正的集成解决方案来降低系统的尺寸、功率需求、成本，以及保证数据传送中较高的一致性和增强的可靠性。

本发明的一个目的是提供一种集成系统和方法，用于高质量的语音、数据及视频业务的宽带传送。

本发明的另一个目的是提供一种系统和方法，用于电缆接入平台，具有高网络可靠性，同时具有可靠地支持重要的电话业务的能力以及提供分层语音、数据业务的能力。

本发明的另一个目的是提供一种系统和方法，用于安全及可缩放的网络交换机。

发明概述

本发明具有用于传送高质量语音、数据及视频业务的高度集成载波类宽带接入系统，本发明解决了为宽带网络环境中的数据处理提供集成网络解决方案的问题。

在本发明中提供了一种方法和系统，其中，利用由群集管理器所控制的完全网状公用机架(fully meshed common chassis)中广域网(WAN)接口卡、HFC接口(电缆调制解调器终接)卡以及机架间链路(ICL)卡的组合，在IP(Internet协议)或网络层(OSI层3)进行与HFC管道的交换。ICL可以延伸数英里，而由群集管理器所控制的机架群集器则作为单个IP交换机。机架还可以连接其它宽带接入媒体，例如数字用户线(DSL)、固定无线本地多点分布业务(LMDS)、多信道多点分布业务(MMDS)以及“光纤到路边”(FTTC)。

本发明提供了布置本地及广域配置的灵活性，使其适合于小型运营商要求已备路径(ready path)用于扩容。不同的媒体卡可以用于不同模式的宽带通信，诸如具有电话调制解调器回路的单路电缆。本发明还允许不同网络部件的多级冗余，使运营商能够通过具有特定重要部件(stressed elements)的冗余来提供较高的可用性。本发明支持分层语音和数据系统。本发明提供一种小占地面积和较低功率要求的可靠的可缩放系统。

通过以下对附图所示本发明实施例的详细说明，可以更好地理解本发明和其上述优点及其它优点。

附图简述

图1示出一种先有技术网络，它具有HFC前端服务器，通过复用器分出与SONET环连接；

图2示出一种通过电缆传送系统的先有技术HFC数据；

图3示出一种先有技术数据传送网络；

图4是根据本发明原理的机架的方框图；

图5示出包含图4的机架的集成电缆基础结构；

图6示出一种网络，它在环型拓扑结构中采用多个诸如图4所示的机架；

图7示出第一分级网络，它包含按照本发明原理进行工作的主控机架和辅助机架；

图8示出一种星型网络，它包含多个诸如图4所示的机架；

图9示出第二分级网络，它包含多个诸如图4所示的机架；

图10示出一种网状网络，它包含多个诸如图4所示的机架；

图11是图4所示机架的应用卡和底板部分；

图12是底板互连的示意图，其中包括交换网格；

图13是根据本发明原理的BAS标题的方框图；

图14是千兆以太网机架间链路或出口应用模块的方框图；

图15是ARP表的方框图；

图16是机架中两个出口模块的方框图；

图17是路由服务器的方框图；

图18是机架控制器模块的方框图；

图19是网络管理体系结构的方框图；

图20是CMTS应用模块的方框图；

图21是底板网格接口的方框图；以及

图22是MCC标记的方框图。

详细说明

图4示出根据本发明原理进行工作的机架200。机架200将多个网络接口和应用集成在单个交换机系统中。本发明的机架是完全网状IP交换机，具有高性能的分组转发、过滤以及QoS/CoS(业务质量/业务类)能力，采用由机架控制器中的群集管理器所控制的低级嵌入式软件。分组转发、过滤以及QoS/Cos分布到机架中的应用模块(又称作“卡”)。通过快速IP处理器在各模块中执行这些操作。机架控制器和群集管理器控制操作，并配置各模块。高层软件驻留在群集管理器中，包括路由服务器功能(RIPv1、RIPv2、OSPF等)、网络管理(SNMPV1/V2)、安全、DHCP、LDAP以及远程接入软件(VPN、PPTP、L2TP以及PPP)，并且能够容易地被修改或升级。

在本发明的该实施例中，机架200包含用于模块的十四(14)个槽位。其中十二个槽位安装应用模块205，另外两个槽位安装机架控制器模块210。各应用模块均包含板载DC-DC转换器202，并且对于机架是可热插拔的。机架控制器模块210用于冗余系统时钟/总线仲裁。机架还包含冗余电源模块。电源模块和DC-DC转换器构成机架中的完全分布式电源。可集成在机架中的应用的示例是CMTS模块215、以太网模块220、SONET模块225以及电话应用230。另一个应用可以是机架间链路(ICL)端口235，机架可以通过这个端口键接到另一个机架。ICL端口是唯一的出口端口。可以采用任何出口模块，例如10/100以太网、IG以太网以及SONET上的分组(PoS：Packet-over-SONET)等，来实现ICL端口。

图5示出包含图4所示机架200的集成电缆基础结构260。机架200是用于语音和数据传送的区域集线器(HUB)262的一部分。集线器262包括视频控制器应用264、视频服务器266、Web/高速缓存服务器268以及操作支持系统(OSS)270，它们连网到作为IP地址交换机的机架200。机架200连接到集线器262外部的SONET环272，所述SONET环272包含Internet连接274和公共交换电话网(PSTN)连接276。机架200还通过HFC链路278连接到电缆用户，并提供基于IP的业务，包括语音、视频数据以及传真业务。每个HFC应用模块能够处理多达2000个电缆调制解调器业务用户。用户数量的逻辑限制为8192。机架可以支持多个HFC链路，多个机架也可以连网在一起(如以下所述)以支持一百万以上的电缆调制解调器用户。

根据当前惯例，有一条宽带信道(27-40Mbps)用于对用户(可以是台式计算机、传真机或电话机)进行传送(下载)，以及多条较窄信道(320Kbps-10Mbps)用于上装。这由O/E节点中具有双工的HFC卡来处理。本地HFC电缆系统或环路是具有对电缆调制解调器的引出的同轴电缆分布网络。

图6示出一种环型网络300，其中采用了多个图4所示的机架。多个机架302、304、306以及308经过全双工机架间链路310、312、314以及316连接为环。如果机架304或其中的ICL310、312出现故障，则该环路配置允许机架302及其有关电缆网络通过机架308与机架306及其有关电缆网络进行通信。

图7示出第一分层网络328，它包含按照本发明原理进行工作的主控机架330和辅助机架332。主控机架连接到光纤通信线路(OC-n)334、336。图中给出了OC-12线路，但同样也支持OC-3和OC-48。主控机架330还可以连接到PSTN 338。主控机架330和辅助机架332通过全双工链路340进行键接，其中，全双工链路340可以是快速以太网(FE)、千兆以太网或SONET上的分组(PoS)类型连接。辅助机架332连接到多个光节点342。在包含一个主控机架以及一个或多个辅助机架的网络中，主控机架采用其群集管理器来管理群集。

其它配置也是可行的，包括：如图8所示的“星型”配置350，其中包含主控机架352以及辅助机架354、356、358、360、362，或如图9所示的分层布置380，其中包含主控机架382，第二层的辅助机架384、386以及第三层的辅助机架388、390、392、394。图10中示出网格配置400，包含机架402、404、406、408以及410，其中，每个机架均包含键接其它机架的机架间链路。主控和辅助机架由系统配置所确定。每个机架基本上与其它机架相同。

上述配置通过采用长距离光纤链路可以延伸数十英里，或者可以布置在相同主前端站点的单个机柜中。

图11示出与图4所示机架200的底板420连接的应用模块。每个应用模块422通过网格通信芯片(MCC)424与底板420连接，将在下面对MCC424进行详细说明。各MCC424包含十二(12)个串行链路接口426，其中的十一个通向底板420。各应用模块中的十一个通向底板的串行链路用于将应用模块连接到该机架中的其它每个应用模块。一条链路用于模块其自身的连接，即环回。应用模块422通过机架管理总线432与机架控制器428、430连接。辅助机架控制器430可选地用于冗余，以便使系统更为可靠。在一个最佳实施例中提供了第二机架管理总线(未示出)，同样用于冗余/可靠性。

底板是完全网状的，这就是说，通过串行链路，各应用模块均具有与机架中其它应用模块的直接点对点链接。网状底板中的各网格线均以1.5Gbps或更高的速率为数据通信提供连续的直接信道。作为示例，图11中仅示出连接200的一部分。图12示出底板网格。

具有MCC串行链路的12条信道编号为0至11。该编号称作信道ID或CID。下面将对信道进行详细说明。底板中的槽位同样编号为0至11(槽位ID或SID)。但是，机架系统并不要求信道0连接底板的槽位0。串行链路可以连接到任意的槽位。槽位ID根据系统拓扑结构动态地进行配置。这允许底板接线自由，减少路由复杂度。

再来看图11，各应用模块还连接到机架管理总线432，其中，机架管理总线432为模块提供与机架控制器的连接。

为了通过机架间链路(ICL)进行机架间的分组交换，以及为了通过MCC链路进行机架内的分组交换，该机架包含一个机架间交换层。机架间交换层位于IP层3(L3，网络层)的下面。机架中的分组处理分为两种类型的业务：单播和广播/多播。通过机架间交换层进行的交换是利用图13所示的机架间标题500(又称作机架间标记)来实现的。

Bas_Type字段502具有x位，并表示机架间标题类型。该字段可以用来表示光纤接口地址(FIA)具有逻辑端口，表示分组是广播还是单播分组，并表示BAS标题中的相关字段。Bas Type字段502用于对BAS标题进行解码，并协助分组转发。

“Keep(保持)”字段504具有x位，并确定是否由于拥塞而失掉分组。

优先级字段具有x位(图13中未示出)，并确定分组优先级以及由于拥塞而对分组进行排队的位置。

分段字段506具有x位，并表示分组分段以及该分组是否由两帧组成。

next Hop字段508具有多位，并被用于机架内分组传送的下一跳信息。该字段是无效的，除非Bas Type字段另有表示。

Encap_Type字段510是一位字段，表示分组是否还需要层2(数据层，在机架间交换层的下面)处理，或者指示该分组是否可以不进行其它处理而被转发。

Mcast_Type字段512是一位字段，表示分组是广播的还是多播。

Dest_FIA_Type字段514是一位字段，表示目的地FIA是以短形式(<机架/槽位/端口>)还是以长形式(<机架/槽位/端口/逻辑端口>)来提供的。

Src_FIA_Type字段516是一位字段，表示源FIA字段是以短形式还是以长形式来提供的。

Data_Type字段518具有多位，并被用来表示净负荷中所携带的业务类型。

TTL字段(未示出)具有多位，并且是一种故障安全机制，以便防止分组不确定地停留在系统中。每次在ICL端口接收到TTL时，TTL递减。如果该字段在递减之后为零，则丢弃所述分组。

“Forwarding Info(转发信息)”字段520具有多位，并包含转发表修正、forward_table_entry密钥/标识以及下一跳信息。

“Destination FIA(目的地FIA)”字段522具有多位，并表示分组的最终目的地。该字段包含机架/槽位/端口以及逻辑端口信息。零机架值具有特定含义，用“主代理”(下面将进行说明)来表示机架。零端口值也具有特定含义，它表示所述分组的接收方是应用模块。逻辑端口可以用来表示模块中接收该分组的栈/实体。因此，所有边缘端口和ICL都是基于1的，即端口号大于零。

“Src FIA”字段524具有多位，并表示分组的源。该字段由路由服务器用来标识输入分组的源。

根据系统体系结构，插入机架中的所有应用卡共享公共特性。这些应用卡也称作数据处理器、数据应用模块以及数据通信模块。图14是机架中以太网应用模块550的方框图。该应用模块连接到网格底板552以及管理总线A 554、B 556。在以太网应用模块550中，快速IP处理器(FIPP)558连接到PCI总线560以及F总线562。FIPP 558具有高级RISC机(ARM)处理器核564和六个微引擎566。FIPP 558与储存分组的DRAM 568和储存路由表的SRAM 570连接。包含8个端口的以太网装置572连接到F总线562。MCC 574提供与网格底板552的连接。以太网装置572提供与机架外部的连接。两个MAC装置连接在PCI总线560和管理总线A554之间。MACA576连接在PCI总线560和管理总线之间。MAC B 578连接在PCI总线560和管理总线B556之间。

当数据分组进入以太网装置572时，它经过FIPP558并储存在DRAM568中。微引擎566并行检测数据分组。微引擎566在分组中查找IP然后在储存于SRAM 570的转发表中查找目的地地址。转发表提供分组离开的机架、槽位以及端口。当分组通过以太网装置进入时，该分组具有以太网标题。如果分组离开其进入的端口，则不会加入机架间标题。FIPP确定发送端口，并经该端口发出分组。如果分组由不同的槽位发出，则消除以太网标题，并将BAS标题加入到该数据分组。BAS标题中包含的最少限度的信息为目的地数据、机架、槽位以及端口信息。分组还包括IP标题和净荷。FIPP具有发送队列，发送前对分组进行排队。分组经F总线562发送到MCC574，后者以64字节块发出数据。

当分组通过以太网模块550的MCC574进入时，应用模块550将该分组或该分组的指针加入DRAM570的队列中。如果分组离开一个串行端口，则FIPP558在SRAM570的ARP表中查找目的地。ARP表如图15所示。FIPP查找机架、槽位以及端口。机架地址不会改变，除非目的地地址为ICL。在相同机架的情况下，应用模块查找IP分组的MCC地址，并将其发出。如果分组将发送到其它机架中，则应用模块询问是否有任何端口为ICL。如果是，则该应用模块将分组经该端口发出。

图20示出CMTS应用卡，它又称作HFC DOCSIS接口卡。由于当前可利用的Broadcom(宽带通信)技术的限制，所以目前采用基于PCI的HFC技术(HFC-on-PCI technology)，但将来可采用其它类型的接口技术。

图16示出机架中的两个应用模块600、602。应用模块600、602。通过管理总线604、606以及网格底板608相连接。第二应用模块602包含连接到PCI总线612的路由服务器610。机架的路由服务器可以布置在任何应用模块中，在本发明的该实施例中，路由服务器为Pentium_处理器。机架的网络中的各机架包含路由服务器。但是在网络中，一次只能有一个路由服务器是活动的。路由服务器通过管理总线以及通过作为路由器的ICL来进行广播。

在多个机架的网络中，指定一个路由服务器为主控路由服务器。其它路由服务器为辅助的。网络中的路由服务器每30秒发出路由信息。主控路由服务器将其机架、槽位以及端口向其它所有路由服务器广播。

图17从概念上示出由“控制”或主控路由服务器进行的路由服务器的更新。

所有转发表都知道其机架中路由服务器的位置。主控路由服务器包含等效于以太网端口的逻辑端口。

当分组被发送到连网在一起的机架的其中之一中的路由服务器时，主控路由器接收分组信息，就像主控路由器正在接收分组本身。主控路由器建立路由表和转发表，并将它们向所有应用模块及网络中所有其它机架广播。转发表是从路由表的信息中建立的。转发表包含诸如分组机架、槽位、端口、以及QoS数据、CMTS信息、多播域信息和下一跳ICL信息的信息。

图18示出连接到机架中管理总线的机架控制器。为了冗余，各机架具有两个机架控制器。机架控制器没有连接到网格底板。机架控制器承担网络管理任务和供应任务。机架控制器使整个机架群集器能够看起来像一个被管理部件。机架控制包含处理器、存储器以及CI(Craft Interface)。在本发明的该实施例中，处理器为Pentium_处理器。CI是采用基于10/100以太网的网络管理接口。

逻辑上，图8-10所示的群集共同起作单个路由器的作用，即IP层3交换机，具有多个外部端口。物理上，这些外部端口分布在多个机架上，可以分布在远程位置。ICL“虚拟化”外部点的物理分布。

逻辑上，将群集器作为单个实体进行管理(图19)。从IP的角度来看，每个机架中的每个卡具有管理子代理。各卡本地的子代理代表用于管理目的的卡。群集管理器的管理服务器(主控代理)与子代理进行通信，同样也“虚拟化”子代理的物理分布。

主控和辅助机架两者均能支持各种传送媒体，最初集中于HFC接口来支持电缆调制解调器的连接，以提供Internet接入和IP电话。这些机架能够支持某些电缆调制解调器基础结构的基于电信的返回路径、以及常规(PSTN)的基于调制解调器的Internet接入。

群集管理器100运行诸如Windows NT的通用操作系统。它是一组更为具体的实体，包括：(1)主控代理(MA)或网络管理器；(2)应用模块；(3)资源管理器(RM)，用于提供卡资源的统计；(4)用户管理器(UM)，它维护由群集所服务的IP终端用户的动态观察；(5)转发表管理器(FT)，用于创建/分布转发表；(6)过滤管理器(FM)，用于类属IP过滤，(7)带宽(业务质量)/业务类管理器；以及(8)负荷均分管理器(LS)。

群集管理器中的系统管理服务器还将群集机架表示为单个虚拟实体。群集管理器还可作为拨入调制解调器的RAS服务器。群集管理器中的RADIUS客户机与网络管理员提供的RADIUS服务器进行通信。

象Web服务器和邮件服务器的通用功能可以在群集管理器中运行。FTP和Telnet允许管理员远程访问群集管理器。

本发明允许资源共享。例如，进入辅助机架的HFC接口的IP业务有可能将语音作为其净荷。该IP分组可被交换到不同位置的不同机架中的VOIP/PSTN卡上。具有语音净荷的IP分组由分布式IP交换结构路由选择到适当的VOIP/PSTN卡中。始发机架用最高“业务类”优先级来标记分组，允许以最小等待时间进行路由/交换决定。群集管理器保持群集系统中所有资源(包括可用的DS0的位置)的集中资源分布图。

机架控制器通过管理总线与机架中的应用模块进行通信。机架控制器和应用模块均具有用于通信的代理。机架控制器具有主控代理，应用模块具有子代理(图19)。子代理将其机架、应用模块以及槽位信息传送给所述机架中的主控代理。

图19示出网络中的多个机架。在多个机架的环境中，上面提到的第一机架被指定为主控机架。主控机架具有附加的主控代理，称作“主-主”。网络中的所有机架都与主-主代理进行通信。每个机架中的各应用模块都将其IP地址(“10.机架.槽位.端口”)传送给其机架的主控代理以及主-主，如图19所示。IP地址中的数字“10”表示专用网地址。

主-主代理通过管理总线来分布其机架ID。在主控机架被指定为主控机架之后，该主控机架的机架ID变到一。当第二机架出现在网络中时，链路检测协议(LDP)被用来确定其存在。LDP消息经当前机架的每条链路发出。如果发送机架接收到返回信号，则机架控制器将其标识为ICL。LDP使每个机架都能标识其ICL链路。主控机架通过其ICL链路广播它具有主-主代理。

图21是网格通信芯片(MCC)的方框图。MCC ASIC经表示为全双工串行链路215的高速差分对(high speed differential pairs)来提供对机架中所有其它卡的连接。每个差分对以大于每秒1Gbps的数据吞吐量进行工作。F总线接口805将MCC300连接到FIFO总线(F总线)。十二个发送FIFO 810和12个接收FIFO 815连接到F总线接口805。每个发送FIFO具有并行-串行数据压缩器(总共12个数据压缩器，820)，每个接收FIFO具有数据扩展器(总共12个数据扩展器，825)。十二个串行器830为数据压缩器820和数据扩展器825提供服务，每个串行器用于一个压缩器和一个扩展器。MCC中的信道被定义为串行链路，连同其编码/解码逻辑、发送队列及接收队列。从信道引出的串行线路连接到底板网格。所有信道可以同时发送数据。

本发明的该实现采用网格通信芯片与采用串行链路技术的完全网格中多达十三条F总线互连。每个MCC具有两个F总线接口和十二个串行链路接口。MCC以从64字节至整个分组的可编程大小增量，在F总线上发送和接收分组。它包含十二个虚拟发送处理器(VTP)，VTP从F总线得到分组并经串行链路将其发出，允许同时发出十二个分组。VTP读取分组前面的MCC标记，并动态地将其连接到标题所表示的目的地槽位。

卡/槽专用处理器、卡/槽专用MAC/PHY对(以太网、SONET、HFC等)及MCC在双向F总线(或多条单向F总线)上进行通信。分组发送路径是从PHY/MAC到处理器，然后从处理器到MCC并离开网格。处理器在FIPP中进行层3和层4查找，以确定分组的目的地和业务质量(QoS)，根据需要修改标题，并在发送前预先考虑对分组的MCC标记。

分组接收路径是从网格到MCC再到处理器，然后从处理器到MAC/PHY并离开信道。在把分组发送到MAC之前，处理器移去MCC标记。

图22示出分组标记，又称作MCC标记。MCC标记是32位标记，用来通过底板网格对分组进行路由选择。标记由槽处理器在向MCC发送分组之前加入到该分组前面。标记包含四个字段：目的地掩码字段、优先级字段、保持字段以及保留字段。目的地掩码字段是保持分组被指定到的当前机架中槽位的掩码用的字段，它可以是或不是系统中的最终目的地。对于发送分组，MCC利用目的地掩码来确定分组被指定的发送队列。对于接收分组，MCC利用优先级字段和保持字段来确定在过度被提交的槽位中要丢弃的分组。在本发明的该实施例中没有使用保留字段。

MCC具有两种独立的发送模式选择器，即槽位-信道映射和虚拟发送模式。在槽位-信道映射模式中，MCC将SID透明地映射到CID，并且软件不需要跟踪映射。在虚拟发送模式下，MCC半透明地处理多播分组。MCC取单个F总线流，并将其送往多个信道。MCC中的发送端口对虚拟发送处理器(VTP)而不是对槽位进行寻址。F总线接口把分组送往被选虚拟发送处理器。VTP保存来自MCC标记的目的地掩码字段，并将分组数据(包括MCC标记)转发给目的地掩码中所表示的发送队列集。分组的所有后续64字节“块”由槽处理器采用相同端口ID来发送，并被送往相同的VTP。VTP把分组的块转发给从MCC标记所保存的目的地掩码字段所表示的发送队列集。当块到达并设置了EOP位时，VTP清除其目的地掩码。如果指向该端口的下一个块不是新分组的开始(即设置了SOP位)，则VTP不会将该块转发给任何队列。

MCC维护一组“信道忙”位，利用它们来防止多个VTP将分组同时发送给相同的CID。这种防止冲突机制不是为了协助槽位处理器管理忙信道，而是为了在槽位处理器意外地将两个分组同时发送给同一个槽位的情况下防止分组的完全破坏。当VTP得到新的分组时，将目的地CID掩码与信道忙位进行比较。如果任何一个信道忙，则从目的地掩码中将其去除，并对该CID记录错误。然后，VTP对其余所有目的地信道设置忙位，并发送分组。当VTP看到F总线上分组的EOP时，它清除其目的地CID的信道忙位。

F总线接口在MCC和应用模块其余部分之间执行I/O功能。应用模块将图22所示的32位分组标记(MCC标记)加到每个要通过网格被路由选择的分组。

F总线上接收或发送的数据达64位宽。在数据传送中，F总线接口把4个状态位加到发送数据，以形成68位数据段。F总线接口把68位数据段分出到从分组标记所确定的适当发送FIFO中。来自发送FIFO的数据被传送到有关数据压缩器中，其中68位数据段减少至10位数据段。然后再将数据传送给有关串行器，其中进一步将数据减少为串行流。串行流经串行链路发送给底板。

来自底板的数据通过串行链路到达有关信道。该信道的串行器把该数据扩展为10位数据段，并且有关数据扩展器将该数据扩展为68位数据段，68位数据段被传送给有关FIFO，然后再从FIFO传送到F总线接口。

快速IP处理器(FIPP)配备了32/64 Mb高速同步SDRAM、8Mb高速同步SRAM以及引导快闪(boot flash)。FIPP具有32位PCI总线和64位FIFO总线(F总线)。FIPP向所有F总线连接装置传送分组数据以及从所有F总线连接装置传送分组数据。它以单播和多播两种模式提供IP转发。路由表是通过管理总线从机架路由服务器中接收的。FIPP还提供高层功能，诸如过滤和CoS/QoS。

各线路卡具有产生各卡所需的所有时钟的时钟子系统。这将会锁定到系统时钟和管理总线仲裁卡所提供的基准时钟。

各卡具有热插拔、加电复位电路以及健全定时器(Sanity Timer)功能。所有卡都具有板载DC-DC转换器，以便从底板中的-48V导轨转换为应用所需的电压。某些卡(诸如CMTS卡)同样具有两个单独、绝缘的电源，以便使卡的模拟部分的性能达到最佳。

以上按照编排时序说明了本发明的最佳实施例。应该清楚，在不脱离本发明的主旨的情况下，可对等效的组件和功能进行替换。在保持本发明权益的情况下，硬件和软件实现的各种组合均是可行的。由于本发明的高度灵活性和可缩放性，所以重要的是本文所述模块的合作，而不是模块和端口的数量。

Claims (31)

1.用于连接数据分布子网络的装置，所述装置包括：

(a)至少一个机架，所述至少一个机架具有多个对网格的相同接口，所述网格具有网格线，为每一对所述接口提供连续直接的信道；以及

(b)至少一个数据处理模块，所述至少一个数据处理模块具有至少一个适合连接到数据分布子网络的数据端口，所述模块占用所述机架的所述接口的其中之一，并对通过所述端口的其中之一接收的数据中的信息作出响应，把所述数据路由选择到所述模块连接的所述网格线中的被选网格线。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述数据的所述路由选择由标记来确定，其中所述标记附加到所述数据中，表示在所述相同接口中被选的一个或多个目的地接口。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于还包括逻辑上连接到所述数据处理器模块的处理控制器模块。

4.如权利要求1所述的装置，基特征在于还包括：

(c)至少一个机架间数据链路；

(d)至少一个与权利要求1所述的机架相同的辅助机架；以及

(e)至少一个数据处理模块，所述至少一个数据处理模块具有至少一个适合连接到数据分布子网络的数据端口，所述模块占用所述辅助机架的所述接口的其中之一，并对从所述机架间数据链路接收的数据中的信息作出响应，把所述数据路由选择到被选数据分布端口。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于所述机架间数据链路包括：

(c1)数据处理模块，所述数据处理模块具有至少一个适合连接到机架间数据链路媒体的数据端口，所述模块占用所述主控机架的所述接口的其中之一，并对通过所述接口接收的数据中的信息作出响应，把所述数据路由选择到所述机架间数据端口。

(c2)机架间数据链路媒体，其一端连接到所述机架间数据端口；以及

(c3)数据处理模块，所述数据处理模块具有至少一个适合连接到机架间数据链路媒体并连接到所述机架间数据链路媒体另一端的数据端口，所述模块占用所述辅助机架的所述接口的其中之一，并对通过所述机架间数据端口接收的数据中的信息作出响应，把所述数据路由选择到所述模块连接的所述网格信道的其中之一。

6.如权利要求4所述的装置，其特征在于还包括逻辑上连接到每一个数据处理模块的处理控制器模块。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于所述处理控制器模块通过所述机架间数据链路，逻辑上连接到占用所述辅助机架模块的数据处理模块。

8.用于连接数据分布子网络的装置，所述装置包括：

(a)至少两个机架，每个机架包含至少一个提供路由服务器的处理器；以及

(b)机架间链路；

其中，所述机架提供对所述数据分布子网络的端口，一个所述路由服务器用作主控路由服务器并与其它各路由服务器进行通信，使所述机架作为单个层3交换机。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于把交换机内部标记指配给通过任何一个所述机架的一个所述端口接收的数据，以指定所述端口中适当的一个用于转发到所述数据分布子网络中的目的地。

10.如权利要求8所述的装置，其特征在于所述主控路由服务器为其它各路由服务器提供路由表。

11.如权利要求8所述的装置，其特征在于至少一个所述机架包含多个处理器，每个所述处理器可交换地相互连接，提供一个或多个所述端口，并且逻辑上连接到所述机架间链路。

12.如权利要求11所述的装置，其特征在于把机架内部标记指配给通过所述多处理器机架的所述端口的其中之一或通过对所述多处理器机架的所述机架间链路的其中之一接收的数据，以指定所述多处理器机架的所述端口中适当的一个或对所述多处理器机架的所述机架链路中适当的一个，用于进行转发。

13.一种机架，所述机架具有用于固定数据处理应用模块的多个相同槽位，每个槽位具有对底板网格的相同接口，所述底板网格含有网格线，其中每一个都提供用于每对所述接口之间数据通信的连续直接的信道，所述网格线具有以每秒1.5Gbps或更高的速率与数字数据分组传送相称的吞吐量。

14.如权利要求13所述的机架，其特征在于还包括管理控制信号总线，所述相同接口与所述总线连接。

15.如权利要求13所述的机架，其特征在于还包括电信总线。

16.如权利要求13所述的机架，其特征在于在所述机架的底板侧为所述模块提供对外部数据端口的连接。

17.如权利要求13所述的机架，其特征在于还包括所述模块的完全分布式DC电源。

18.如权利要求13所述的机架，其特征在于所述相同槽位的数量大于四。

19.一种数据处理应用模块，具有至少一个适合连接到数据分布子网络的数据端口，所述模块还适合插入机架中的槽位，从而占用与所述槽位有关的接口，其中所述接口包括多个信道，每个所述信道都具有以每秒1.5Gbps或更高的速率进行数字数据分组传送的能力，所述模块对通过所述数据端口而接收的数据中的信息作出响应，便把所述数据路由选择到所述多个信道中被选的信道。

20.如权利要求19所述的模块，其特征在于对所述数据的所述路由选择是由所述模块附加到所述数据的标记来确定的，所述标记表示所述数据最终被路由选择到的所述机架中的一个或多个槽接口，所述模块具有在第一路由失败时选择另一路由的能力以及对接收数据重新进行路由选择的能力，其中所述接收数据具有附加标记，表示最终的槽接口而不是所述模块。

21.如权利要求19所述的模块，其特征在于所述模块对并行块中检查的所述接收数据进行响应，并以串行方式在所述信道上发送所述数据。

22.如权利要求19所述的模块，其特征在于所述模块包括每个所述信道专用的单独收发信机。

23.一种数据处理应用模块，具有至少一个适合连接到数据分布子网络的数据端口，所述模块具有适合与主控路由服务器同步的路由服务器，使与相同模块结合的所述模块能作为单个层3交换机。

24.如权利要求23所述的模块，其特征在于把交换机内部标记指配给通过一个所述数据端口接收的数据，以便指定适当端口来转发给目的地数据分布子网络。

25.如权利要求23所述的模块，其特征在于适合安装在包含基本相同数据处理模块的单个机架中，把机架内部标记指配给通过一个所述数据端口接收的数据，以便指定适当端口来转发给目的地数据分布子网络。

26.一种用于连接数据分布子网络中的用户的方法，每个所述数据分布子网络被连接到安装在一个或多个机架中的数据处理应用模块，所述方法包括以下步骤：

A)在安装于机架中并与一个数据分布子网络连接的模块上接收数据；

B)从所述接收数据的标题信息中确定所述接收数据的目的地是否位于连接到以下部分的数据分布子网络中：i)连接到安装在所述机架中的模块；ii)连接到安装在具有对所述机架的机架间数据链路的另一个机架中的模块；或者iii)连接到Internet网或类似网络，其中可通过所述机架中或通过具有对所述机架的机架间数据链路的另一个机架中的模块接入所述网；

C)将标题标记附加到所述接收数据，以便在所述机架中对所述数据进行路由选择；以及

D)从安装于所述机架的模块中发送没有所述标题标记的所述数据。

27.一种用于在机架中互连的数据通信模块中交换数据流的方法，所述方法包括以下步骤：

A)在一个所述模块接收所述数据；

B)同时将所述数据m位加到所述模块中的m位宽并行总线；

C)将所述数据储存到m位并行队列中；

D)确定哪个模块是适当的目的地模块；

E)将标记附加到所述数据，以指示所述数据要被路由到的目的地模块；

F)同时将所述数据m位加到所述m位宽并行总线；

G)将所述m位数据选通到与通向所述目的地模块的路径有关的机架内信道中；

H)对所述m位数据进行串行化；

I)将所述串行化的m位数据加到与所述路径有关的所述信道专用的高速串行链路中；

J)同时将所述数据m位加到所述目的地模块的m位宽并行总线；

K)将所述数据储存到m位并行队列中；

L)同时将所述数据m位加到所述目的地模块的所述m位宽并行总线；以及

M)从所述目的地模块中发送所述数据。

28.一种用于连接与多个机架相连的数据分布子网络的方法，所述方法包括以下步骤：

a)使所述多个机架中的每一个的路由服务器进行同步；

b)将标记附加到一个所述机架的端口接收的数据中，其中指定用于根据所述机架的同步路由服务器和所述数据中的信息进行转发的端口；

c)将所述数据转发给由所述标记指定的所述端口。

29.用于连接数据分布子网络上用户的装置，它包括数据处理应用模块，适合安装在机架中，并在逻辑上连接到安装在同一机架或其它机架中的一个或多个基本相同的模块，所述模块包括：

A)用于接收数据的单元；

B)用于从所述接收数据的标题信息中确定所述接收数据的目的地是否位于连接到以下部分的数据分布子网络中的单元：i)连接到安装在所述机架中的模块；ii)连接到安装在具有对所述机架的机架间数据链路的另一个机架中的模块；或者iii)连接到Internet网或类似网络，其中可通过所述机架中或通过具有对所述机架的机架间数据链路的另一个机架中的模块接入所述网；

C)用于将标题标记附加到所述接收数据以在所述机架中对所述数据进行路由选择的单元；以及

D)用于从安装于所述机架的模块中发送没有所述标题标记的所述数据的单元。

30.包括用于在机架中互连的基本相同模块中交换数据流的数据通信模块的装置，所述模块包括：

A)用于接收所述数据的单元；

B)用于同时将所述数据m位加到m位宽并行总线的单元；

C)用于将所述数据储存到m位并行队列中的单元；

D)用于确定哪个模块是所述适当目的地模块的单元；

E)用于将标记附加到所述数据以表示所述数据要被路由选择到的目的地模块的单元；

F)用于同时将所述数据m位加到所述m位宽并行总线的单元；

G)用于将所述m位数据选通到与通向所述目的地模块的路径有关的机架内信道中的单元；

H)用于对所述m位数据进行串行化的单元；以及

I)用于将所述串行化m位数据加到与所述路径有关的所述信道专用的高速串行链路中的单元。

31.用于连接与多个机架相连的数据分布子网络的装置，所述装置包括：

a)至少一个数据处理器，安装在每个所述机架中；

b)至少一个路由服务器，位于每个所述机架中；

c)用于使每个所述路由服务器同步的单元；

d)用于将标记附加到一个所述机架的端口接收的数据中的单元，其中指定用于根据所述数据中的信息和所述机架的同步路由服务器进行转发的端口；

e)用于将所述数据转发给由所述标记指定的所述端口的单元。

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