（光学专业论文）orpr网络中622mbps光上路源的研制.pdf

北京交通大学硕士学位论文 摘要 随着现代通信网络业务的迅猛增长，带宽瓶颈越来越成为城域网的 主要问题。r p r 作为其中的一种解决方案，其光电光转换方式仍无法满 足日益增长的通信业务量的需要。基于全光交换的光弹性分组环( o p t i c a l r e s i l i e n tp a c k e tr i n g ，o r p r ) 数据的交换在光域里完成，可解决在交换 过程中光电和电光转换所带来的时延问题，加快整个r p r 系统的速度。 本论文的主要工作是为本实验室承担的o - r p r 实验网络研究项目研制一 种新型伪随机序列光信号发生器，用以进行o r p r 网络解决竞争和网络 帧同步不丢失功能的模拟。 伪随机序列在误码率测量、时延测量、噪声产生、通信加密、数据 序列的扰乱与解扰、扩展频谱通信和分离多径技术等方面日益获得广泛 应用。直接通过光接口发送伪随机序列，对于光通信设备的测试，具有 重要作用。本论文的新型伪随机序列光信号发生器，是一种基于即g a 的光上路源，由数据包( 帧) 生成、并串变换和电光转换三部分组成， 其包长、包内伪随机序列长度、及通信速率均可变，发送光功率可调。 具有结构简单、成本低廉和操作方便的优点，可满足一般光纤通信系统 的测试要求，已成功地应用于本实验室o r p r 实验网络项目并通过8 6 3 专家组验收。 关键词：城域网，r p r ，o - r p r ，f p g a ，硬件描述语言，半导体激光器 驱动电路，伪随机序列 北京交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h es e r v i c e si n a e a s i n gr a p i d l y 抽m o d e mc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ，m e b a n d w j d t bh a st u m e di n t oam a i nb o m e - n e c kp r o b l e mi n m e t r o p o t a n a r e a n e 撕o r k s 缸0 n eo ft l l es o l v e tw h i c ha d o p t st h em e t h o do f0 】巳oc o n v e r s i o n ， r p rd o e sn o ty e tm e c tt h ei n c r e a s i n gd c m a n d 弧ed a t as w i t c hi si l n p l e m e n t e d i np h o t o n i cd o m a i na d 也ed c l a yt i l er e s u i t sf r o me oa n d0 忸c o n v e r s i o ni s m d u c c dg r e a t i yi no r p r b a s e do na l l _ o p t 砌s w “c h t h er p r s y s t e ms p e e d s u p 1 h em e t i o no f 也i sp a p e ri st od e v e l o pan e wt y p eo f0 p t i c a ls i 鲈a l p s c u d o r a n d o ms e q u e n c eg c n e f a t o rf o rs i i n l l l a t i n go ft 1 1 ec o n t e n t i o ns o l u t i 0 o f p a c k e t sa n dl o s ss o l u t i o no ff h es y c h l d i l i z a t i o ns i g n a l _ p s e u d o 一砌d o ms e q u e n c ei sw i d e l ya p p l i e di nt h em c a s u r e m c n t so fb i t 删rr a t ea 玎dt i l ed e l a y ，s i m u l a t i o no fi l o i s e ，s e c r c c ya n df 诧q u e n c ye x t e n s i o n c o m m u n i c a t i o n s ， d i s a i r a g e m e n t a d a i r a g c m e n t o fc o d e s e q u e n c e ， s c p a r a t e dm u l f i p a t ht e c h n o l o g y ，a n ds oo n i no r d e rt oc h e c ko p t i c a l - f i b c r c o m m u i c a t i o ns y s t e m ss i t i i a t i o n ，t of e e dj t p s e u d o r 柚d o ms e q u e n c c si s m e a l l i n g f u lw i mt h eo p t i c a li n t e m c e 1 1 1 eo p t j c a ls i 印a lp s e u d 0 一m n d o m s e q u e n c eg e n e r a t o r ，b a s e d o nf p g a ，c o s i s t so ft t l r e e p a n s ：d a t ap a c k e t g 如e m t o r ，p a r a i l e lt os e r i a lc o n v e n e ra n da no p t i c a lt f a n s m i t t c r t h eb i t r a t e ， p a c k e tl e n 粤h 锄dl e n 殍ho fp s e u d o r a n d o ms e q u e n c ci t h ep a c k e ta r ea u c h a i l g e a b l e n eo u t p u tp o w e ri sa d j u s t a b l et o o w i t ha d v a n t a g e ss u c ha s s i i l l p l es t m c t u r e ，l o wc o s t 锄dc o n v e n i e n tt oo p e r a t e ，i tc o u l db ea p p l i e di t h e t c s t so fo p t i c a lc o m m u i l i c a t i o ns y s t e m sa n dd i ds u c c e s s f i l 王l yb eu s e di nt h e c h e c kp r o 伊a mf o rt t l ee x p e r i e n t a l e 俩o r ko fo - r p r b y8 6 3e x p c n sg u p i n o u r 】a b 北京交通大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：m a n ，r p r ，o r p r ，即g a 印) ll dd i i v e r ，p s e u d o r 锄d o m s e q u c n c e 北京交通大学硕士学位论文 绪论 1 课题来源及研究意义 本论文是国家8 6 3 项目“基于全光缓存器的光弹性分组交换环”研制 工作的一部分。 目前，随着城域网中数据业务的增加，网络流量显现出明显的突发性 和自相似性，传统的基于固定带宽分配模式的网络技术已经很不适应。弹 性分组环( 腑i l j e n t p a c k e t r i n g ，r p r ) 吸收千兆以太网的经济性、s d h 对延时和抖动有严格的限制、严格的同步和5 0 m s 环保护和恢复等特性， 具有稳定网络流量的功能，以及空间复用、带宽动态分配、支持业务级别 等特点，将成为城域网组网的优先方案f 1 1 。 参照电弹性分组环，本实验室研究一种基于全光交换的弹性分组环 光弹性分组环( o p l i c a lr e s i l i e n tp a c k e tr i l l g ，0 r p r ) ，它在原理上和电 弹性分组环是一致的，但又有着自身鲜明的特点：数据的交换在光域里完 成，而节点的控制则是采用电的方法实现。o 一时l r 的核心是全光开关和 全光缓存器【2 】。 通信的信号，带有某种随机性，即某个或几个参数不能预知或不能完 全预知，通常称这种信号为随机信号【3 l 。通信系统中也存在噪声，例如自 然界中的各种电磁波噪声和设备本身产生的热噪声、散粒噪声等，噪声更 不能预测，称为随机噪声。在通信技术中，随机噪声首先是作为有损通信 服务质量的不利因素受到人们重视。但是，随着通信理论的发展，香农 ( c e s h a n n o n ) 早在2 0 世纪4 0 年代末就指出，为实现最有效的通信， 在某些情况例如保密通信等情况下，应采用具有白噪声统计特性的信号 【4 】。另外，在通信设各或系统测试时，也需要加入随机噪声进行模拟。 利用随机噪声的最大困难是它难以重复产生和处理。六十年代，伪随 机噪声概念的出现才使这一困难得到解决。伪随机噪声具有类似于随机噪 1 北京交通大学硕士学位论文 声的一些统计特性，同时又便于重复产生和处理。由于伪随机噪声具有随 机噪声的优点，又避免它的缺点，因此获得日益广泛的实际应用。 目前，伪随机序列被广泛应用在误码率测量、时延测量、噪声产生、 通信加密、数据序列的扰乱与解扰、扩展频谱通信和分离多径技术等各方 面，伪随机序列发生器的研制具有重大意义同。 2 伪随机序列的产生方式 目前，广泛应用的伪随机噪声都是由数字电路产生的长周期序列的信 号。经滤波等处理后成为伪随机噪声。 2 1 伪随机序列的产生原理 伪随机序列可分为线性反馈移位寄存器和非线性反馈移位寄存器序 列两大类。典型的伪随机序列产生原理如下： ( 1 ) m 序列：m 序列是最长线性反馈移位寄存器序列的简称，它是 有带线性反馈的移位寄存器产生的周期最长的一种序列，具有很好的不相 关性能，可以利用r 级移位寄存器产生长度为2 。1 的m 序列【6 j 【7 1 。 ( 2 ) 二次剩余序列：一般来说，如果能找到一个整数x ，它使工2 = i ( m o d p ) ，若方程成立，就认为这个方程有解。满足此方程的i 就是模p 的二次剩余；否则，f 就是模p 的二次非剩余。当规定a o - - 1 ，且a f = 1 ，若 f 是模p 的二次剩余；a f 一1 ，若f 是模p 的非二次剩余。其中p 为奇素数， 则称k 为二次剩余序列，f = 0 ，1 ，2 ，其周期为p 。它属于非线性反 馈移位寄存器序列。 ( 3 ) m 序列：由非线性反馈移位寄存器产生的周期最长的序列。目前， 对m 序列的研究还不很成熟，关于它的产生方法及性能尚无完整的一般 理论分析吼 2 2 产生伪随机序列的电路 北京交通大学硕士学位论文 早期，伪随机序列由移位寄存器型序列【9 】产生。此方法虽然能够以最 少的硬件产生所需的序列，但在设计时需要写出状态转移表，并通过组合 逻辑运算产生所需序列。如果序列很长，整个设计过程非常繁琐。 本论文采用f p g a 设计伪随机序列产生器，所需序列由软件实现， 序列产生器在时钟的激励下将存储的序列循环输出以生成伪随机序列。 f p g a 开发概述 现场可编程门阵列( f i e i d p r o j 驴m m a b l e g a 把a r r a y ，f p g a ) 是在p a l 、 g a l 、e p l d 等可编程器件的基础上进一步发展的产物，是作为专用集成 电路( a s i c ) 领域中的一种半定制电路而出现的。它既解决定制电路的 不足，又克服原有可编程器件门电路数有限的缺点。 f p g a 采用逻辑单元阵列l c a ( l d g i c c e l la i 孙y ) 概念，内部包括可 配置逻辑模块c l b ( c o n f i g u r a b l el 0 百cb l o c k ) 、输出输入模块i o b ( i n p u t o u t p u tb l o c k ) 和内部连线( i n t e r c 0 珊e c t ) 三个部分，主要特点有： ( 1 ) 采用f p g a 设计a s i c 电路，用户不需要投片生产，就能得到合用 的特殊功能的芯片。 ( 2 ) f p g a 可做其它全定制或半定制a s i c 电路的中试样片。 ( 3 ) f p g a 内部有丰富的触发器和i 0 引脚。 ( 4 ) f p g a 是a s i c 电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的 器件之一。 ( 5 ) f p g a 采用高速c h m 0 s 工艺，功耗低，可以与c m o s 、1 阻电平 兼容。 可以说，f p g a 芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选 择之一。目前，f p g a 品种很多，如x 心x 公司的x c 系列、t i 公司的 t p c 系列、a i 耵、r a 公司的f m x 系列、c y c l o n e 系列，等等。 基于f p g a 的伪随机序列发生器，既可配置成移位寄存器型又可配 北京交通大学硕士学位论文 置成存储型，可方便的通过软件完成要求的功能。 3 论文简介 攻读硕士学位期间，本人独立完成基于f p g a 的6 2 2 m b p s 伪随机序 列光信号发生器。根据0 r p r 实验网络的需要即模拟o - 肿r 网络解决竞 争的能力和解决网络的帧同步不丢失的问题，设计了一种基于f p g a 的 光上路源。它由数据包( 帧) 生成、并串变换和电光转换三部分组成，其 包长、包内伪随机序列长度、及通信速率均可变，且发送光功率可阻调节， 具有结构简单、成本低廉和操作方便的优点，满足一般光纤通信系统的测 试要求，并成功应用于o r p r 实验网络中。与现有伪随机序列发生器相 比较，创新点在于直接通过光接口直接发送伪随机序列的信号【“。 本论文的工作 ( 1 ) 分析光弹性分组交换环o r p r 的优点，是一种有前途的全光网 ( 2 ) 根据0 r p r 的要求设计光信号上路源 ( 3 ) 设计基于f p g a 的伪随机序列产生电路，包括信号产生、并串变 换和电光转换三部分 ( 4 ) 设计电路图，制作高速电路板；对高速器件在线路板上的互连进行 分析和研究，提出应注意的事项 ( 5 ) 对信号源进行整体调试以及与o r p r 系统的联调 4 北京交通大学硕士学位论文 第一章o i l p r 的机遇及其节点结构 1 1 城域网面临的挑战 1 1 1 城域网的基本特征 城域网是一种主要面向企事业用户的，最大可覆盖城市及其郊区范围 的，可提供丰富服务和支持多种通信协议的公用网，实际是一种带有某些 广域网特点的本地应用型公用网络，关键特征是公用多业务，具有一系列有 别于其他网络的特点1 。 城域网是一个开放的网络，受用户和应用驱动，业务类型多样化，流 量不稳定。因此一开始就对城域网提出高速、支持综合业务、宽带、光纤 连接和适用于传送口业务等较高的建网要求。它是广域网与局域网的桥接 区或传统长途网与接入网的桥接区，因而各种不同背景的技术在此碰撞交 融，往往会在复杂的融合过程中产生新的衍生体，多样化将是城域网有别 于长途网的重要特点“1 。 1 1 2 城域网面临的挑战 目前城域网的主要挑战首先是带宽瓶颈：在其用户端，由于低成本吉 比特以太网的出现和发展，局域网的速率上一个大台阶：在其长途网侧， 由于高密度w d m 技术的发展，容量已经扩展几个量级。目前商用化系统的 容量已达1 6 t b i t s 。中间的城域网成为二者连接的带宽瓶颈( 全网的瓶 颈在最后一公里的用户端) 。 其次是城域网存在网络层次的重叠。目前多数运营公司通过s d h 和电 路交换机提供语声和专线业务的服务，而通过s d h 和分离的帧中继、a t m 和i p 网提供数据业务，分离的网络层次和网络技术往往需要分离的网管 系统和人员，以及不同的配置和计费系统、导致高设备成本和高运行成本 以及费时耗力的业务提供“。 北京交通大学硕士学位论文 再有，目前城域网底层多数采用s d h 作传送平台。利用这种为电话业 务设计的s d h 固定带宽来传送突发数据业务时不仅效率低下，而且改变带 宽往往意味着改变物理接口。这样企事业用户需要改变业务时常常不得不 重新设计和重新建设网络。 目前对城域网的基本要求可以总结为： ( 1 ) 希望采用单一公共平台支持多协议多业务，中问层最少： ( 2 ) 目前应该有效支持从电路交换网向分组交换的过渡，将来应该对 i p 传送最佳； ( 3 ) 希望网络的容量和节点数可以不受限扩展； ( 4 ) 具有光的透明性，适应各种现有和将来可能出现的协议和业务； ( 5 ) 具有网络拓扑的扩展灵活性，和网络结构改变的即插即用性能； ( 6 ) 可以实现快速业务指配；可快速扩展业务； ( 7 ) 集成的、标推的、易用的网管系统； ( 8 ) 支持以传统语声业务为代表的实时业务； ( 9 ) 低价位。 1 1 3 可供城域网选择的方案 目前，城域网的解决方案很多，有基于s o n e t s d h 的，基于a t m 的， 也有基于以太网或w d m 的，以及m p l s 和r p r 技术等： 1 以以太网为主的城域传送网技术 作为城域传送网的最初形态，以太网直连被看作是最简单的城域传输 联网方式，其较低的成本及便捷的开通、运营方式一度受到服务商的青睐。 g b i t 、1 0 g b i t 以太网技术使城域网应用上一个新台阶。其不足之处是， 占用光纤对数较多；不能满足以太网业务对可靠性的要求，q o s 没有保障； 不支持实时业务等。 2 以s d h 为平台的城域网惦t p 技术 6 北京交通大学硕士学位论文 由于业务保护能力可靠性高，s d h 技术也正是城域传输网的一种选 择。令人感到棘手的问题是；对于固定速率的业务，s d h 很容易处理，对 于突发业务，s d h 显得不够灵活，特别是传送效率不高。s d h 电路层上需 要附加多个包信元帧适配层，涉及多层帧的映射而导致带宽效率低下， 开销处理复杂；这种方案基于同步工作，抖动要求严，设备成本高；这种 结构带宽配置时间较长：同时管理多个面向连接和无连接网不仅困难，而 且管理成本较高。当数据业务成为网络的主导业务类型后，s 蹦不是一种 有效的艇决方案。 3 以w d m 为平台的城域传输技术 1 d m 技术在骨干网中应用后，也开始在城域网中应用，特别是其巨大 的容量、网络的扩展性及业务的可扩充性，在城域网应用中显示出特有的 优势。但是w d m 技术的高成本是城域网无法接受的：另外，针对城域网客 户层业务的多样性及复杂性，城域w d m 技术必须向高效承载多业务方向演 进。 4 基于a t m 的多业务平台 a t m 充分考虑业务的q o s 问题，可以为i p 或其他任意客户层信号提 供面向连接的、带宽可控、安全性好、延时小的高质量业务。主要缺点是， 网络体系结构复杂重复；传输效率低；在网络扩展性方面，a t m 的分段和 组装功能将随着接口速率增加变得十分复杂困难，速率难以提高；此外， a r m 的连接建立信令较复杂，选路灵活性不高；硬件投资高，运行维护管 理复杂，特别是做大型路由配置时耗时耗力；对于较短的数据包，链路建 立时间远长于网络数据传输延时，期间无法传送数据，在高速条件下成为 重要的带宽损失。 5 r p r 技术 弹性分组环的概念是2 0 0 0 年1 1 月由i e e e 8 0 2 1 7 工作组正式提出的， 北京交通大学硕士学位论文 目的是为优化数据包的传输，是面向城域网的一项新技术“。它能有效的 传送基于分组的业务流量，适合于数据、语音以及视频应用。弹性分组环 r p r 是一种数据优化网络，至少有两个相互反方向传送的光纤子环，环网 上的节点共享带宽，不需要进行电路指配。利用公平控制算法，环网上的 各个节点能够自动地完成带宽协调。每个节点都有一个环形网络拓扑图， 都能将数据发送到光纤子环上，送往目的节点。两个子环都可用于作为工 作通道。为防止光纤或节点故障发生时导致链路中断，利用保护算法来消 除相应的故障段。r p r 定义媒质接入控制m a c 协议，环网上的所有发送节 点都可以使用环网上的可用带宽。m a c 协议还定义节点如何应对媒质上出 现的拥塞和直接冲突。最后，利用缓冲和优先分组技术m a c 控制着分组接 入媒质“”。 弹性分组环在拓扑结构上和s o n e t s d h 一致，采用双光纤环配置，环中 由分组交换节点组成，相邻节点通过一对光纤连接。但r p r 在任何时间双环 都同时使用，外环沿一个固定方向传输数据，内环作反方向传输。因为在 一个共享媒介上传输分组最有效的是由m a c 层的协议来处理，故r p r 针对网 状拓扑结构制定独立的m a c 层协议来解决城域网中带宽的瓶颈问题，且能提 供接入网所要求的恢复能力、有保证的服务和可管理能力。目前此m a c 层协 议的相关标准正在由i e e e 8 0 2 1 7 工作组制定。 r p r 技术主要实现如下功能： ( i ) 空闻重用带宽s r p ； ( 2 ) 最小的协议开销； ( 3 ) 支持业务分级传送； ( 4 ) 可由大量的节点或站点组成一个环网： ( 5 ) 即插即用的特性，不需要基于软件的s m t 协议或主站点协商； ( 6 ) 用户公平地使用网络； 北京交通大学硕士学位论文 ( 7 ) 支持基于环网的冗余保护； ( 8 ) 独立于物理层媒介。 r p r 与现有技术比较时有明显的优势： 与s o n e t 比较： 1 、s 饼e t 环是依靠点对点连接实现的。每一条电路都分配固定宽度 的带宽指配给某个用户，当该用户处于空闲状态的时候，这个带 宽就闲置不用，而不会提供给网络运营者指配给其他用户。但是， r p r 在某个用户对这一带宽利用率很低的时候却可以进行重新指 配。 2 、虚拟网格带宽：在s o n e t 网络中，通信公司经常需要虚拟网格配 置。为做到这一点，他们必须在网格末端之间划分带宽，这样也 会造成在带宽资源低利用率期间的浪费。 3 、保护带宽的无效性：s o n l 玎无法给通信公司提供机会，来保证所 承诺的那部分业务的带宽。通常要保留环带宽的5 0 用于保护。 r p r 具有更大的弹性而且可以采用粒度方法来利用保护带宽。 4 、多址通信：由于s o n e t 是点对点结构，进行多址通信时，必须分 配每一条线路。这样就会导致多址通信分组的多个副本通过环。 r p r 却只要求一个多址通信分组绕环一次就可以到达网络上的任 何一个或所有目的地。这对于资源供应来说更简单，同时能够更 有效的利用带宽。 与以太网比较： 1 、队列时延：在以太网中，如果不能提供给每一条链接1 0 0 的峰 值速率，就无法保证q o s 。这是设备、空间和功率的低效率利用。 2 、以太网不具有系统带宽控制平台，来控制网络中某一部分的信号 拥塞，r p r 则拥有环宽监视，可以保证所有s l a 的q o s 。 北京交通大学硕士学位论文 1 2r p r 的关键技术 r p r 的关键技术主要包括网络结构，基本m a c 协议，m a c 帧格式，恢复 和保护机制，空间复用协议，s l a 支持和带宽管理，流量控制及公平性策略 拓扑自动发现，保护倒换等。 r p r 的网络结构及协议 ( 1 ) 网络结构 r p r 的典型结构是由两根反向传输信息的光纤组成环形拓扑结构，与 s 0 n e t s d h 不同的是，它的反方向传输的双环都是工作环，其拓扑结构具 有自动发现和更新功能。如图1 1 所示，其中一根光纤是顺时针方向传送 信息，另一根光纤是逆时针方向传送信息。这样，每一个节点在环上都有 两个方向到达另一节点。 以该拓扑结构为基础，每个r p r 节点支持两个环端口：一个支持与左 边邻近节点的连接，另一个支持与右边节点的连接，节点仅需掌握两个端 口的光路状态。r p r 内环和外环都作为工作通道来传送r p r 协议封装的数 据帧和控制帧。控制帧与数据帧在不同的环上传输。从网络结构可以看出， r p r 支持单播、多播和广播传输，因此更利于数据业务的传送“”。 根据r p r 协议草案d 1 1 ，与开放式系统互连( o s i ) 模型的分层结构 相对应，r p r 的分层模型如图1 2 所示，主要包括0 s i 模型中数据链路控 制( d l l ) 和物理层( p i 1 f ) 两层的功能。d l l 层又分为介质访问控制( m a c ) 层和逻辑链路控制( l l c ，即m a c 客户) 层，而m c 层又细分为m a c 控制和 m a c 通路两个子层。其中，m a c 客户层的功能是接收传往本节点的数据报 文，并对本地发送的数据报文进行分类、标识、排队，同时在节点提供速 率监测功能的前提下，对数据报文迸行调度；m a c 控制子层包括公平性控 制、拓扑发现、环路选择、保护倒换以及0 a m 等功能；m a c 数据通路实现 m a c 控制子层生成的控制帧的传送和姒c 客户层的数据在姒c 控制子层的 1 0 北京交通大学硕士学位论文 流量控制下的数据传送。另外，m a c 业务接口定义m a c 数据原语和m a c 控 制原语，p h y 业务接口处理姒c 层与p 1 1 之间数据的映射“。 图1 1r p r 双环结构接入网 o s i 参考模型m r 协议栈模型 m a c 服务接口 m a c 幢接口 h 嘣务接口 图1 2r p r 协议栈与o s i 参考模型 ( 3 ) r p r 的m a c 帧格式 r p r 的m a c 层应该能无缝地嵌入i e e e 8 0 2 工程协议栈中，对下支持 e t h e r n e t 和s 阴p h y ，对上支持i e e 鹋0 2 1 和互操作规范。r p r 草案d 2 2 规定三种帧结构：数据帧、控制帧和公平性控制信息( f c m ) 帧。r p r 数 据帧结构如图1 3 所示。 在r p r 数据帧结构中，前两个字节为环控制字段。其中，t t l 为防止 环上帧传输死循环的计数位；r i ( 1 b i t ) 为环标记，指明帧将在哪个环上 传输；f e ( 1 b i t ) 用于表明帧是否受m a c 协议公平性算法的控制；f t ( 2 b i t ) 1 1 北京交通大学硕士学位论文 为帧类型标识；s c ( 2 b i t ) 为s l a 标识；w e ( 1 b i t ) 表明帧是否可以实现卷绕 保护倒换；p ( 1 b i t ) 为奇偶校验位“。 m s b l s 8 rz r lf e盯s cw ep 目的! f a 地址 辐擞a e 地艟 协议炭助长度 爻韶控验和 净负稀 帧梭验 罂1 3r p r | g m a c 帧格式 l 字节 l 字节 缚节 麟节 2 字节 2 字节 n j 带 4 字节 ( 4 ) r p r 的恢复和保护机制 网络的生存性是指网络能承受设备和线路故障的能力。业务恢复时间 和范围是度量生存性的两个重要尺度，不同的业务等级对恢复时间和范围 有不同的要求。大量的研究表明，如果业务中断时间不超过5 0 s ，对于 多数电路交换网的实时话音业务和中低速数据业务来说不会造成服务质 量( q o s ) 的下降，因此把5 0 s 作为衡量传送网生存性的重要指标。 在r p r 环网中，两根光纤都是工作纤，没有主备用之分。在一般情况 下，给定两节点之间的数据分组和信令分组反向传送，当发生光纤中断时， 节点光纤入口物理层设备检测到错误并将该信息通知m a c 层。如果该错误 信息确认，那么每个受影响的r p r 节点将会执行一个故障覆盖( f a i l o v e r ) 动作，把故障路径方向的数据流倒换到反方向光纤，同时发出一个l a y e r 2 控制信令分组通知其它节点。其余节点收到这个信令分组后( 有可能不只 一个节点发出此分组) 也把所有业务转移到有效环上。r p r 的这种基于源 路由的保护倒换机制可以实现把数据转换到最佳路径上去。在保护倒换过 1 ， 北京交通大学硕士学位论文 程中，会按照业务流的不同服务等级决定倒换次序和带宽分配策略。警报 通知和重定向数据流都将在故障发生后的5 0 m s 内完成。 ( 5 ) 空间复用协议( s r p ) 空间复用技术最初应用于s 0 n e t 中，指环上的每个节点都可以公平利 用网络提供的带宽。它是一个新的m a c 层协议，采用s 0 n e t s d h 成帧，主 要是为提高网络带宽的利用率，它具有可升级、快速保护交换和业务倒换、 多广播和优先级等功能。s r p 与以往的令牌环和f d d i 的一 个重要区别就是单播分组在其 到达目的节点之后即从环上下 路，只使用源与目的节点问的 线路，并不锁定整个环，其它 节点间的通信可以同时进行。图1 4 空间复用机制示例 这样使得许多节点可以同时发送分组，提高环带宽利用率，特别是环 上节点较多的情况下，带宽利用率的改善尤为明显。图1 4 所示为运行 s r p 协议的r p r 环的一个例子，其中有4 个节点对正在通信：l 一6 ，1 3 ，2 3 和3 5 由图中容易看出，在不影响其它节点通信的情况下，3 5 的通信可以使用这两个节点间光纤链路的全部带宽。凭借源路由保护倒换 机制和空间重利用协议，r p r 处理业务的速度有可能达到s o n e t s d h 双向 线路倒换环或单向通路倒换环，原因有两个：一是选择分组传送路由的最 佳路由；二是同一时隙在不同网段上可以传送不同的数据“。 ( 6 ) 分级业务s l a 支持和带宽管理 为适应m a n 客户种类繁多、交换粒度差异大的特点，除流量控制外， r p r 还必须有一套灵活的动态带宽管理和多等级业务s l a 的保证机制，以 满足不同业务对传输延时、抖动、差错率的不同要求。 北京交通大学硕士学位论文 r p r 的姒c 接口与以太网m a c 接口的根本区别是它包含一个交换单 元，该单元据有数据存储转发的功能。交换节点的用户接口模块非常灵活， 可以复用、疏导多种协议和速率的业务。数据流在进入环路时首先被分类， 然后根据不同的优先级标识，被放入不同的缓存区。由于不同的业务对传 输延时、抖动、差错率要求各不相同，r p r 定义几种业务等级：a 类、b 类和c 类，a 类又分为a o 子类和a 1 子类。 ( 7 ) 流量控制及公平性策略 由于r p r 网络是基于争用方式共享网络资源的，即允许多个节点同 时独立的、随机的向网络传送信息；同时由于源节点、目的节点以及中间 节点都有发送缓存、接收缓存和转发缓存等三个缓存区，每个数据帧都可 能经历多次的暂存和转发，这就引发流量控制的问题。如果不进行节点接 入控制，每个节点的数据帧( 包括本地的帧和经由环路传送过来暂存在本 地的帧) 随意接入将会导致网络拥塞，增加端到端的时延和丢帧率。在极 端情况下，会出现完全的“饥饿”状态，即本节点的带宽完全被上游的数 据流所占用，而本节点数据流完全无法接入。公平性算法仅对尽力而传的 数据帧进行约束。在公平性算法的控制下，每个节点在网络拥塞的情况下 上传的尽力而传业务的速率不能超过公平性算法所分配给的可用带宽。这 样就不会让上游节点完全占用可利用的带宽而使下游节点不能上传尽力 而传的数据帧。 ( 8 ) 拓扑自动发现 在r p r 环结构中，每个节点均有上下两个相邻节点，网络结构相当 简单。正常状态下节点间没有任何关于拓扑信息的更新。而当环进行初始 化、新节点加入环中、节点或链路失效时，r p r 进入自动拓扑发现模式。 触发器触发节点并向环上的所有节点发送节点状态的变更消息，节点可根 据此消息判断都有哪些节点处于环形拓扑结构中，在环的两个方向上到达 1 4 北京交通大学硕士学位论文 其他节点需要几“跳”以及环上每段光纤的状态。这样，在网络运行过程 中，每个节点都详细地掌握着网络的拓扑图和每条链路的状态。 基于此，网络不但实现即插即用；同时，当网络发生故障时，故障点 的两侧节点向其他节点发布故障消息，然后每个节点得知所有节点和每条 链路的状态，这样节点可根据业务的服务等级要求进行路由倒换。 ( 9 ) 保护倒换 r p r 是由正反传输方向两个光环组成的，连接节点的数据通道并不唯 一，这种组网方式赋予r p r 很强的健壮性。当一个光环切断或某节点失 效时，r p r 可通过其保护机制自动将所传输的帧倒换到另一环路上，在进 行保护倒换时，节点还会考虑业务的不同服务等级，根据一定的的倒换原 则，依次向反向环倒换业务。即使两个环路都失效，网络仍能通过卷绕环 工作。 保护倒换机制主要有两种：采用源路由的保护机制和采用卷绕的保护 机制。r p r 草案d 1 o 规定：r p r 中的每个节点必支持源路由保护；卷绕保 护为可选的，只有环中所有的节点都有此项功能，才可以提供卷绕保护。 以链路故障为例说明，如图1 5 ，图1 ，6 ，图1 7 所示。 图1 5 正常传输机制图1 6 源路由的保护机制图1 7 卷绕的保护机制 采用源路由的保护机制时：当一个传输光环失效时，失效处两端节点 会发出一个控制信令沿光环的两个方向通知各个节点。各个节点接收受到 这个信息后，立即转为向与控制信令相反的另一个方向发送待传输的帧， 1 5 北京交通大学硕士学位论文 从而实现保护倒换。 采用卷绕的保护机制则不同：当一个传输光环失效时，相邻节点通过 信令通知网络节点，其他节点的数据流只能在失效处两端节点处环回。环 回后的数据流要先被倒换到另一环路去，最终达到目的节点。两种机制都 能在5 0 m s 的时间里完成保护倒换的功能。而基于源路由的倒换保护机制 由于不需要“折回”，因此保护倒换时间更短，同时也更能节约带宽。但 在多播和广播的情况下，采用源路由的保护时，需同时向两个方向上发数 据帧；而采用卷绕的保护只向原来方向上发送。 r p r 的发展前景： 弹性分组环在新型公共交换数据网络中占有十分重要的地位。它的优 势是十分明显的，比如双反向旋转环拓扑结构、目的节点对业务流的下路、 5 0 n l s 的故障保护机制、1 1 0 g b i t s s 的数据通信速率、全分布式的接入( 无 主节点) 以及多址通信等等。总的说来，r p r 是一种面向城域网的新型的 网络结构和技术，由于集以太网的经济性和光纤环的高带宽效率及可靠性 于一体，并支持i p 业务，将会是宽带i p 城域网最有发展前途的一种网络 技术。随着e e8 0 2 1 7 标准化工作的进行，r p r 一定会成为创建高速 光纤城域网的首选技术【1 6 】。 1 3 0 i 灌r 的提出 光网络的特点： ( 1 ) 充分利用光纤的带宽资源，有极大的传输容量和极好的传输质 量。 ( 2 ) 全光网最重要的优点是其开放性。全光网本质上是完全透明 的，即对不同的速率、协议、调制频率和制式的信号同时兼容， 并允许几代设备( p d h s d h a t m ) 甚至与i p 技术共存，共同使 用光缆基础设施。 1 6 北京交通大学硕士学位论文 ( 3 ) 全光网不仅在于扩大容量，更重要的是易于实现网络的动态重 构，可为大业务量的节点建立直通的光通道，降低网络的开发 成本。 ( 4 ) 波长再利用。尽管可用的波长是有限的，但由于波长可在网络 不同地方的光通道中重复利用，既空分复用，因而仍然可以提 供巨大的容量。 ( 5 ) 可靠性。由于光通道在链路失效时可以重选路由，提供高可靠 性，同样由于无源光器件的使用也增强网络的可靠性。 以i p 为代表的数据业务急剧增长，新的通信应用如：视频点播、视 频电话、视频会议以及远程医疗应用等，都需要巨大带宽的支持。因此， 宽带光网络是目前国际上网络研究与开发的热点。 现存网络中光纤带宽存在极大的浪费： 第一代光网络：光缆只是用来代替同轴电缆，单纯用作传输介质即实 现节点之间链路的光化，而节点对信号的处理、交换等还是采用电子技术， 即光电混合网。典型的第一代光网络有s o n e t 和s d h ，还有各类企业网如 f d d i ，干兆光缆以太网等。 第二代光网络：当数据速率越来越高时，采用电子技术处理交换节点 的数据速率是相当困难的。节点处理的数据不仅有到达自身的，还有通过 该节点到达其他节点的，如果到达其他节点的数据能在光域选择路由，则 电子技术处理的负担就小多，这导致全光网的诞生。全光网络以在光域完 成节点数据的选路与交换为标志，实现网络节点的部分光化“”。 网络业务的迅猛增长要求未来的主干网能提供更大的带宽。尽管w d m 技术使光纤的承载能力大为提高，然而光通信巨大带宽的充分利用还需要 通过快速、灵活的交换方式才能得以实现。采用光电光方式的交换节点 存在电子“瓶颈”，克服这种电子“瓶颈”的有效办法是直接进行光交换。 1 7 北京交通大学硕士学位论文 在所有的光交换方式中，光分组交换能以更细的颗粒度快速、灵活地对 w d m 的巨大带宽进行有效分配和利用，具有交换速率高、数据速率格式透 明、支持a t m 、i p 等不同的交换方式等。 要实现全光网络，需要先实现全光网的分组交换，它需要解决一系列 的关键技术，也就是要把由电子电路来完成的第层( 物理层) 和第二层 ( 数据链路子层m a c 与逻辑链路控制子层l c c ) 的功能在光域中完成。分组 交换技术实质上就是存储一转发技术，因此在光域中完成光信号存储，就 成为包交换的关键技术之一。 o r p r 技术将光缓存运用其中，使其在数据传输过程中不再进行光 电光转换，减少传输时延，提高整个系统的传输速度，从真正意义上解 决电子瓶颈的问题。3 。由于系统采用全光方案，与r p r 在帧结构、控制方 式、缓存方式等方面都有所不同，但仍然保留r p r 的智能化、经济性、可 靠性等优点，以及上面所介绍的r p r 的技术优势，可以说，o - r p r 是较之 r p r 能更好解决m a n 带宽问题的改进方案。 报头净负荷 1 1 字节、竺篓包( 5 3 b ) 前导码起始符d as a 协议类型保留 7 字节 1 字节 1 字节 1 字节 1 字节 前导码：1 0 1 0 1 0 1 0 起始符：1 1 0 1 1 0 0 0 ( f d d i ) 图1 8 实验系统帧格式 进行o r p r 研究所建实验网采用如下帧格式：o r p r 实验项目采用的 帧格式中包括净负荷，帧头使用整个实验系统便于级联的格式。为便于帧 同步和帧定位，帧中的起始符采用f d d i 的通用起始符“0 1 1 0 0 0 。帧格式 北京交通大学硕士学位论文 如图1 1 8 所示。旷r p r 光节点系统如图1 9 所示。 图1 9 旷r p r 节点结构 目前主要关注的一个问题：解决冲突 为模拟用户并且产生竞争，必须每一个节点有一个模拟本地用户的上 路部分。上路源在网络控制器的控制下模拟用户端为系统提供 6 2 2 0 8 m b p s 的上路源，同时为过环的包填充数据。从上游节点到达本地 节点的分组，由光耦合器分作两路，一路经光纤延迟线到达光开关s o a ， 路经光电变换、串并变换进入c p u ，c p u 判断上游节点来的分组是下路 还是存储转发，从而发出相应的控制指令，控制光开光s o a 来决定分组 是下路还是进入光缓存0 b 。对于本地的上路分组在c p u 的控制下发送。 如果在0 b 中没有分组，那么c p u 就会控制上路源发送分组：若o b 中存在 分组，c p u 控制上路源等待，至转发分组转发完毕。 点 北京交通大学硕士学位论文 第二章6 2 2 m b p s 光上路源整体介绍 研制目的： 此信号源是国家8 6 3 项目“基于全光缓存器的光弹性分组交换环”的 一部分，在a r m 的控制下模拟用户端为系统提供6 2 2 0 8 m b p s 的上路源， 同时为过环的包填充数据。为模拟用户并且产生竞争，必须每一个节点有 一个模拟本地用户的上路部分。上路部分的信号源可以由商用的随机序列 发生器和外调制器担任，但是，由于一套2 5 g b p s 的随机序列发生器和外 调制器以及一个直流光源，价格在5 0 万元人民币以上，要求每一个节点 都配一个这样的信号源显然是不现实的。所以针对实验需要研制自己的 6 2 2 m b p s 上路信号源。 2 1o 砌) r 节点对上路源的要求及其技术指标 对上路源的基本功能要求： 1 、产生6 2 2 m 帧格式 周期9 9 u s ，包括导引字段、地址字段、数据字段，空闲时间 o 3 加4 u s ，可以连续产生2 4 帧 光输出大于1 m w ，消光比大于2 0 d b 2 、与a r m 通信并接受其控制 关于接口电平状态意义的约定 上路请求信号高电平低屯平高电平低电平 长帧短帧请求信号高电平高电平低电平低电平 代表的意义长帧上路无上路申短帧上路无上路 申请申请申请 与a r m 通信的信号包括：上路请求、上路使能、长帧，短帧请求、上路 状态、长帧使能、短帧使能、填充使能 2 0 北京交通大学硕士学位论文 对上路信号源部分的具体功能要求为： 随机产生不同长度的数据包( 帧) ： 随机产生不同长度数据帧的发送( 上路) 请求； 当既没有上路发送请求，又没有过环数据的时候，产生一个填充帧； 能够直接发送光信号； 能够与过环数据保持时钟同步。 上路信号源部分的主要技术指标为： 外部输入时钟频率：1 9 4 4 m h z 输出光信号的比特率：6 2 2 m b p s 输出光信号中心波长：1 5 5 6 5 5 8 n m 输出光功率