具有全局通信事务管理能力的容错片上网络系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种具有全局通信事务管理能力的容错片上网络系统，该系统以网络监控器与容错路由器为核心通过专用总线互连构成。本发明专利技术还公开了应用于上述容错片上网络系统的路径分配方法和网络数据传输方法。本发明专利技术能实现对全局网络状态的监测，定位和辨别网络中的拥塞和故障链路，并及时进行数据重传避免瞬时故障，通过重新路由绕开拥塞和永久性故障链路，有效提高片上网络故障容错能力，同时优化改善高通信负载下网络数据传输性能。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种具有全局通信事务管理能力的容错片上网络系统，该系统以网络监控器与容错路由器为核心通过专用总线互连构成。本专利技术还公开了应用于上述容错片上网络系统的路径分配方法和网络数据传输方法。本专利技术能实现对全局网络状态的监测，定位和辨别网络中的拥塞和故障链路，并及时进行数据重传避免瞬时故障，通过重新路由绕开拥塞和永久性故障链路，有效提高片上网络故障容错能力，同时优化改善高通信负载下网络数据传输性能。【专利说明】
本专利技术属于片上网络系统设计领域，具体涉及一种具有全局通信事务管理能力的容错片上网络系统及应用于该系统的方法。
技术介绍
片上网络(Network on Chip,NoC)通过在单个芯片上构建一个基于数据报文交换的微网络，为IP核之间的互连提供高效、可靠、灵活的通信架构，成为解决复杂片上系统设计中全局互连与通信问题的有效方案。一个典型的片上网络系统如图1所示，每个路由器(Router,R)与四个相邻的路由器相连，并通过网络接口(Network Interface,NI)与一个功能IP核相连。路由器之间以及路由器与功能IP核间的互连通道由两条单向的链路组成。随着系统芯片面积和特征尺寸的不断减小，芯片上可能出现的故障变得不可忽视。因而，采用容错策略以便在出现通信故障时继续有效转发数据包，成为NoC系统可靠性设计需考虑的一个重要问题。NoC通信故障分为瞬时故障和永久性故障两类。瞬时故障是指在数据传输中，由于串扰、电磁干扰、工艺的不稳定等原因造成一个或多个比特错误，解决的方法有基于随机通信的容错路由以及基于检错纠错码的重传机制。永久性故障通常是由于生产过程或芯片运行过程中对某些模块产生的物理上的损坏，它不可能被修复，需要找出一条可替代的路径重新路由数据包。目前容错路由主要分为静态路由和动态路由两类。静态容错路由需先根据已知的故障点确定故障区域，再设计绕道路由避开故障区域，因而当系统运行过程中出现新的物理故障时，其便不能绕过新的故障节点。动态容错路由可根据当前的网络状态，自适应的调整路由路径。然而，已有的动态容错路由算法仅考虑相邻节点或所构造区域中的故障状态，而忽略了由局部故障可能会导致的全局网络拥塞以及数据包并发传输时的相关性。因此，从全局通信事务管理角度进行片上网络可靠性设计，不仅能够有效提高片上网络故障容错能力，还能优化和改善高通信负载下网络拥堵问题，以进一步提高片上网络数据传输的吞吐量。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对目前片上网络系统缺乏全局通信事务管理的问题，提供一种具有全局通信事务管理能力的容错片上网络系统架构。本专利技术通过一个网络监控器模块监控全局网络状态，定位和辨别片上网络中的拥塞和故障链路，并能区分瞬时和永久性链路故障，采用重传方式避免瞬时故障，通过重新路由计算绕开拥塞和永久性故障链路，有效提高片上网络故障容错能力，同时优化改善高通信负载下网络数据传输性能。实现本专利技术的技术方案如下: 一种具有全局通信事务管理能力的容错片上网络系统，包括互联的容错路由器和功能IP核，其特征在于:还包括一个网络监控器，所述网络监控器通过专用总线与片上网络中每个容错路由器相连，用于监控全局网络状态，并基于网络实时状态确定应用任务所有通信踪迹的路由路径，以绕开拥塞和故障链路，所述的网络监控器包括如下部分: a)网络状态采集模块，该模块与每个路由器相连，用于收集整个网络的实时链路状态信息； b)路径分配算法模块，该模块根据通信任务以及链路状态信息执行路径分配算法为每条通?目踪迹计算路由路径； c)路由路径发送模块，该模块将路径分配算法模块计算得到的路由路径数据发送给相连路由器； d)存储模块，该模块由通信任务表、链路状态表以及全局路由表组成，其中通信任务表用于保存应用任务每一条通信踪迹的源节点和目的节点编号以及通信带宽约束信息，链路状态表用于保存路由器间互连链路的空闲、拥塞和故障状态，全局路由表用于保存路径分配算法模块计算得到的路由路径数据。网络监控器的核心功能是基于网络实时状态为应用任务所有通信踪迹计算路由路径，本专利技术进一步提供了应用于上述容错片上网络系统的路径分配算法，包括如下步骤: a)将应用任务的每条通信踪迹按通信带宽需求降序排列，并根据源/目的节点对以及故障或拥塞链路位置生成象限图。b)输入象限图w及其邻接表，源节点r和目的节点t。 c)初始化象限图w中所有节点的距离，距离d(i)表示从源节点r到节点i路径上所占用的链路带宽之和。令r的距离d(r)=0 ;对于V古r, d(v)=d)设象限图w的节点集合为T,以u=r开始搜索。e)计算u的后继节点集合N(U),对于每一个viN(u),如果ν?Τ且d (V) >d (u) +w (uv),表示找至Ij V的更短路径，则更新V的距离d (v) =d (u) +w (uv)。其中,uv边上的权重w(uv)为描述应用任务通信关系的核通信图CCG中给出的通信踪迹带宽需求。接着从T中删除当前u指向的节点，则T=T-u，同时令u为T中另一个距离最小的节点。f)重复步骤(e)，直到搜索到目的节点t，输出距离d(t)。在迭代过程中，若由于链路故障或拥塞，从当前节点u到其后继节点集合N(U)中可访问的节点均无法找到一条更短的路径，则沿之前建立的最短路径回溯到当前节点u的前一个节点，并将当前节点u从T中删除，接着重复执行步骤(e)，直到能找到下一个符合要求的节点U。如此，最终生成的路径便会绕开故障或拥塞链路，同时保证距离d(t)即分配路径占用的链路带宽最小，使得链路负载均衡。本专利技术还提供了应用于上述容错片上网络系统的网络数据传输方法，包括如下步骤: (1)初始化每个路由器的路由表；一旦片上网络应用系统开始工作，网络监控器向所有路由器广播路由路径信息；各个路由器仅接收源节点是自己本地IP核的通信路径，并将路径保存到路由表中； (2)在正常数据包传输时，源节点所连接的路由器查询路由表，并将路径信息记录到数据包的头微片中，以源路由方式传输； (3)在传输过程中，当链路发生永久性故障或者拥塞时，与链路相连的各个路由器同时通过专用总线告知网络监控器网络状态发生了变化； (4)网络监控器接收到全局网络实时状态信息后，重新为所有通信踪迹计算最优可替换的路径，避开故障节点，且使得网络链路负载均衡，避免拥塞，并将新的路径信息发送给所有路由器；在下一个传输周期，源节点按网络监控器更新的最优路由路径，重新组包发往目的节点。在本专利技术中，容错路由器除了完成传统片上网络中路由器单元的数据路由和转发工作，还需要具有获取相邻节点状态功能以定位拥塞和故障链路、具有检错重传功能以辨别瞬时和永久性故障、具有与网络监控器交互信息的功能。因此优选地，容错路由器包含如下部分: a)缓冲存储区，包括输入缓冲区和重传缓冲区，分别用于保存输入端口接收的数据微片和需要重新传输的数据微片； b)编/解码器，包括输入解码器和输出编码器，其中输入解码器用于对输入通道的数据微片进行解码，并验证其是否正确，若检测到微片中有错误，则认为传输过程中产生了瞬时故障；输出编码器用于对将要经输出端口发送到下一级路由器的数据微片进行编码； c)端口控制器，用于将输入缓冲区的数据微片存本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有全局通信事务管理能力的容错片上网络系统，包括互连的容错路由器和功能IP核，其特征在于：还包括一个网络监控器，所述网络监控器通过专用总线与片上网络中每个容错路由器相连，用于监控全局网络状态，并基于网络实时状态确定应用任务所有通信踪迹的路由路径，以绕开拥塞和故障链路，所述的网络监控器包括如下部分：a）网络状态采集模块，该模块与每个路由器相连，用于收集整个网络的实时链路状态信息；b）路径分配算法模块，该模块根据通信任务以及链路状态信息执行路径分配算法为每条通信踪迹计算路由路径；c）路由路径发送模块，该模块将路径分配算法模块计算得到的路由路径数据发送给相连路由器；d）存储模块，该模块由通信任务表、链路状态表以及全局路由表组成，其中通信任务表用于保存应用任务每一条通信踪迹的源节点和目的节点编号以及通信带宽约束信息，链路状态表用于保存路由器间互连链路的空闲、拥塞和故障状态，全局路由表用于保存路径分配算法模块计算得到的路由路径数据。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：葛芬，吴宁，张颖，叶云飞，徐文涛，郑锦涛，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32