（光学工程专业论文）光分组交换系统中边缘节点的设计实现及实验研究.pdf

摘要 摘要 光分组交换( o p s ) 是未来光网络的发展目标，它具有高速的数据率、透明的 交换传输性和灵活的配置性等优点，能够实现高速宽带数据网的传输与交换。o p s 直接以光分组的形式承载客户网络业务，与光突发交换( o b s ) 不同的是，o p s 不采用预留通道传输目的地址，因此在光分组信号中必须包括光标签以引导光分 组信号进行交换。本实验系统即基于这个理论，采用了自己提出的多重光正交码 ( m o o c ) 作为光标签的格式来搭建实验平台。本文主要负责边缘节点的实现。 边缘节点的功能主要是：将客户业务数据包转换成光净荷，并根据数据包的 目的地址产生标签路由信号发送到标签编码模块，之后产生光分组信号发送到核 心节点进行处理与交换；同时接收核心节点交换后的净荷信号，并将其转换成业 务流发送回客户网络。本文的设计方案即是围绕这些功能而提出的。 边缘节点的具体实现分为硬件和软硬件协同设计两部分。硬件方面，把边缘 节点所有的功能模块集成到一块印制电路板( p c b ) 上，避免了各模块间用总线互 联所造成的延时和不稳定等缺点；该平台主要包括了以下几个模块：f p g a 核心控 制模块、配置电路模块、客户端网络接口模块、净荷信号收发模块、标签路由信 号模块及串口模块等。软硬件协同设计方面，采用了基于a l t e r a 公司所提供的n i o s i i 软核处理器和移植免费的g c l i n u x 嵌入式操作系统来实现客户网络的接入，和基 于硬件语言编程来产生标签路由信号和光分组信号。 最后，搭建了由三个边缘节点和一个核心节点构成的一发二收的星型网络结 构进行了实验研究，包括：客户端网络的接入、标签信号的分配和插入、光分组 信号的产生这三个边缘节点的实验，以及标签与净荷的分离、光分组信号的接收 这两个系统联调的实验。在这些实验中，均取得了比较满意的结果。 关键字：光分组交换，边缘节点，f p g a ，n i o si i 软核处理器，i j c l i n u x a b s t r a c t a b s t r a c t o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ( o p s ) i sat a r g e to fn e x tg e n e r a t i o no fo p t i c a ln e t w o r k s i to f f e r san u m b e ro fa d v a n t a g e s ：h i g hd a t ar a t e ，t r a n s p a r e n c yo fd a t af o r m a t ，f l e x i b l e d a t aa l l o c a t i o n ，a n ds oo n o p st e c h n i q u e sc a l lb eu t i l i s e df o r i m p l e m e n t i n gd a t a t r a n s f e r r i n ga n ds w i t c h i n gb e t w e e nh i g h s p e e db r o a d b a n dd a t an e t w o r k s c u s t o m e r s e r v i c ei sl o a d e dd i r e c t l yi nt h ef o r mo fo p t i c a lp a c k e t s o p st e c h n i q u e sa t ed i f f e r e n t f r o mo p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ( o b s ) t e c h n i q u e sd u et ot h ef a c t ：f o ro p st e c h n i q u e s ，a s ar e s e r v e dc h a n n e li sn o tu s e df o rt h et r a n s m i s s i o no fad e s t i n a t i o na d d r e s s ，o p t i c a l p a c k e ts i g n a l sm u s ti n c l u d eo p t i c a ll a b e l sb e i n gu s e df o rt h es w i t c ho fo p t i c a lp a c k e t s i g n a l s b a s e do nt h et h e o r ym e n t i o n e da b o v e ，i nt h i se x p e r i m e n t a ls y s t e m ，m u l t i p l e o p t i c a lo r t h o g o n a lc o d e ( m o o c ) ，w h i c hi sp r o p o s e db y o u rr e s e a r c hg r o u p ，i su s e da s a no p t i c a ll a b e lf o re s t a b l i s h i n go p s s y s t e m s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，d i s c u s s i o n sa r ep r e s e n t e do ft h ei m p l e m e n t a t i o no f e d g en o d e s i no p ss y s t e m s t h ef u n c t i o n so ft h ee d g en o d e si n c l u d e ：1 ) t r a n s f e r r i n gc u s t o m e r s e r v i c ed a t ap a c k e t si n t oo p t i c a lp a y l o a d ；2 ) g e n e r a t i n gr o u t i n gl a b e ls i g n a l st ob es e n t t ol a b e le n c o d em o d u l ea c c o r d i n gt ot h ed e s t i n a t i o na d d r e s so fd a t ap a c k e t s ；3 ) a f t e rt h a t ， g e n e r a t i n go p t i c a lp a c k e ts i g n a l st ob es e n tt oac o r en o d ef o rp r o c e s sa n ds w i t c h i n g ；4 ) a tt h es a m et i m e ，r e c e i v i n gt h ep a y l o a ds i g n a l sf r o mt h ec o r en o d e ，a n dt r a n s f e r r i n g t h e mi n t os e r v i c es t r e a m st ob es e n tt oc u s t o m e rn e t w o r k s t h ed e s i g ni nt h i s d i s s e r t a t i o ni sp r o p o s e db a s e do nt h ea f o r e m e n t i o n e df u n c t i o n s t h e i m p l e m e n t a t i o no fe d g en o d e sc o n s i s t so ft w op a r t s ：h a t d w a t ea n ds o f t w a r e i n t h eh a r d w a t ep a r t ，a l lf u n c t i o n so fe d g en o d e sa r ei n t e g r a t e di n t oap r i n t e dc i r c u i tb o a r d ( p c b ) ，i no r d e rt oa v o i dt h ef l a w so fd e l a ya n du n s t a b l es t a b i l i t yd u et ob u sc o n n e c t i o n s b e t w e e nd i f f e r e n tm o d u l e s i nt h ee s t a b l i s h e ds y s t e mp l a t f o r m t h e r ea t es e v e r a lm a i n m o d u l e s ：f p g am o d u l e so fc o r ec o n t r o l ，a l l o c a t i o nc i r c u i tm o d u l e s ，i n t e r f a c em o d u l e s f o rc u s t o m e rn e t w o r k s ，t r a n s c e i v e rm o d u l e sf o rp a y l o a ds i g n a l s ，l a b e lr o u t i n gm o d u l e s ， s e r i a li n t e r f a c em o d u l e s ，a n ds oo n i nt h es o f t w a r ep a r t ，b a s e do nt h en i o si ip r o c e s s o r a n df r e et r a n s p l a n t e di - t c l i n u xe m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e m sp r o v i d e db ya l t e r a , a c c e s s n a b s t r a c t o fc u s t o m e rn e t w o r k si s i m p l e m e n t e d , w h i l s tb a s e do nt h e h a r d w a r el a n g u a g e p r o g r a m m i n g , l a b e lr o u t i n gs i g n a l sa n do p t i c a lp a c k e ts i g n a l sa l eg e n e r a t e d f i n a l l y , e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n s a l eu n d e r t a k e no fao n e t r a n s m i t t e r - t w o 。 r e c e i v e r ss t a rn e t w o r k ，w h i c hc o n s i s t so ft h r e ee d g en o d e sa n do n ec o r en o d e s u c h i n v e s t i g a t i o n si n c l u d e ：a c c e s so fc u s t o m e rn e t w o r k s ，a l l o c a t i o na n di n s e r t i o no fl a b e l s i g n a l s ，g e n e r a t i o no fo p t i c a lp a c k e ts i g n a l si nt h et h r e ee d g en o d e s ，i s o l a t i o no fl a b e l s a n dp a y l o a d ，r e c e p t i o no fo p t i c a lp a c k e ts i g n a l s i nt h i se x p e r i m e n t a lw o r k ，e x p e c t e d r e s u l t sh a v eb e e no b t a i n e ds u c c e s s f u l l y k e y w o r d s ：o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ( o p s ) ，e d g en o d e s ，f p g a ，n i o si i ，l x c l i n u x i u 图形列表 图形列表 图1 1o p s 网络结构2 图2 - 1m e m s 光交换矩阵结构( a ) 2 d _ m e m sc o ) 3 d _ m e m s 4 图2 2 ( a ) 电光光开关( b ) 液晶光开关5 图2 3 热光光开关结构( a ) 干涉( b ) 数字。5 图2 4 声光光开关结构6 图2 5 ( a ) 由阵列波导光栅构成的光交叉矩阵( b ) 光电混合缓存结构的交换矩阵7 图2 - 6 几种波长转换器的配置结构( a ) s p c ，( b ) s p l , ( c ) s p n 。8 图2 7 边缘节点的汇聚功能9 图3 1o p s 实验系统模型1 2 图3 2m o o c 光标签的编解码方式1 3 图3 3 核心节点结构框图1 4 图3 4 边缘节点功能模块框图1 4 图3 5 边缘节点电路板的组成15 图3 6 硬件实现框图17 图3 7 边缘节点顶层模块图18 图3 8j t a g 配置模式l9 图3 9a s 配置模式19 图3 1 0 电源模块2 0 图3 11 时钟电路模块2 0 图3 1 2 以太网接口模块2 1 图3 13 串口模块2 2 图3 1 4s d ra m 存储器2 3 图3 1 5s r a m 存储器2 3 图3 1 6f l a s h 存储器2 4 图3 1 7s e r d e s 模块2 5 图3 18 光收发模块2 6 图3 1 9 ( a ) 边缘节点p c b 图( b ) 边缘节点实物图顶层( c ) 边缘节点实物图 底层2 7 图形列表 图3 2 0 新建q u a r t u s 工程2 9 图3 2 1 新建s o p cb u i l d e r 系统2 9 图3 2 2 配置完的n i o si i 软核处理器3 0 图3 2 3 新建原理图文件并导入元件3 0 图3 2 4 导入元件并分配引脚31 图3 2 5 下载硬件配置文件31 图3 2 6n i o si i 交叉编译器安装成功一3 2 图3 2 7 可配置对话框3 2 图3 2 8 目标硬件电路板配置- 3 3 图3 2 9l i n u x 内核配置。3 3 图3 3 0 器件驱动配置3 4 图3 31 网络器件支持3 4 图3 3 21o 1o o m 以太网3 5 图3 3 3 加载l a n 9 1c l1 1 驱动3 5 图4 1 实验演示场景3 7 图4 2 ( a ) 边缘节点电路板项层( b ) 边缘节点电路板底层( c ) 标签 编码模块( d ) 光开关、示波器、p p g 和误码分析仪( e ) 编解码器( f ) 环形器3 9 图4 3 光分组的产生方式4 0 图4 4 基于m o o c 的分组接收原理。4 0 图4 5 ( a ) l l l c l i n u x 移植成功( b ) 客户端网络接入成功4 l 图4 6 边缘节点r t l 图4 2 图4 7 ( a ) 边缘节点发送标签1 即l h ( b ) 边缘节点发送标签2 即2 h 4 3 图4 8 ( a ) 标签编码模块接收标签1( b ) 标签编码模块接收标签2 。4 3 图4 9 ( a ) 标签路由信号1 h 所对应的m o o c 码字( b ) 标签路由信号2 h 所对 应的m o o c 码字4 4 图4 1o 产生光分组信号4 5 图4 1 1 高速单脉冲与经过e d f a 后的标签信号之间的延时4 6 图4 _ 12 标签净荷间隔为10 0 n s 的光分组信号4 6 图4 _ 1 3 ( a ) 整形电路收到标签1 时转化的数字信号；( b ) 整形电路收到标签2 时转化 的数字信号4 7 图4 - 1 4 ( a ) 控制模块识别出标签l ；( b ) 控制模块识别出标签2 4 8 v 图形列表 图4 1 5 核心节点标签擦除成功4 9 图4 1 6 标签擦除成功的细节图4 9 图4 1 7 标签擦除未能成功5 0 图4 1 8 ( a ) 本系统实验建立示意图( b ) 分组1 和分组2 波形( c ) 分组1 经过交 换后的波形( d ) 分组2 经过交换后的波形( e ) 分组1 经过交换后的眼图 5 l 图4 1 9 边缘节点发送端控制界面的流量显示5 2 图4 2 0 边缘节点接收端控制界面的流量和丢包率显示5 2 v m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：摄姒日期：仂fp 年玉月f7 日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名： 日期：7 , , o 第一章绪论 1 1 研究背景和研究意义 第一章绪论 随着光纤通信技术的不断发展，单个波长已经能实现1 0 9 级的高速的长距离传 输，尤其是随着密集波分复用技术( d w d m ) 的进步，单根光纤d w d m 通道的 数据传输速率达到了1 0 1 2 级别以上。但是现在使用的同步数字体系( s d h ) 技术 对光纤信道的巨大带宽的利用，仍然是基于以波长为基本传输单位，在协议上采 用i po v e r s d h o v e rw d m ，在电域上进行低速数据流的复用和解复用。这种 方式使得p 分组的传输和路由变得非常复杂和繁琐，信道利用率低，且不能以有 效灵活的方式动态的更新分享带宽资源。另一方面，基于光电光( o e o ) 转换的 存储转发路由器逐渐成为系统潜在的瓶颈，不能适应光纤传输所要求的巨大存储 容量和高速的信号处理能力，于是出现了所谓的“电子瓶颈” 1 - 3 1 。 为了满足下一代网络的业务需求，光分组交换提供了高速的数据率、格式的 透明度和灵活的可配置性，这些均为今后网络中支持不同的数据格式所要求的重 要特性，可为运营商和用户带来更大的收益，必将成为未来光网络的重要技术之 一。基于i po v e rg m p l so v e rw d m 协议的o p s 方案使疋分组在光网络中可 以以分组为基本单元进行传输和交换，简化了光网络的结构，提高了网络利用率。 受现有光器件的限制，目前光分组交换的主要思想是将光标签信号和光净荷信号 进行分离，之后在电域对光标签进行判别，并完成对光交换矩阵的设置；光净荷 信号则在光域透明地通过核心节点。因此，光域的快速分组交换既充分发挥了电 域的高速处理能力又避免了光域中巨大的缓存睁1 0 1 。 光分组交换的基本功能包括：客户端网络的接入、光分组的产生和接收、光 标签的处理、光净荷的交换、竞争解决等。横向上，根据基本功能的差异，光分 组交换系统可以分为核心节点与边缘节点两部分，如图1 1 所示。核心节点主要以 光分组的形式在光域上完成标签的擦除，以及净荷的大容量和高速率的交换；在电 域上判别标签和控制光交换矩阵。边缘节点进行复杂的处理，负责同客户层之间 的网络接口，完成光域的w d m 通道与电域的客户业务网络之间的适配，包括光分 组组装和拆装、光分组格式的转换、客户网络路由信息与o p s 标签信号的映射、 电子科技大学硕士学位论文 电光转换等。简单的说，光分组交换系统中边缘节点的光分组组装和拆装功能就 是将来自客户业务网络的多个客户包组装成一个光分组，亦或反之，将光域上的 光分组拆装成电域上的客户包【1 1 1 。 图l 一1o p s 网络结构 纵向上，根据协议的不同，从下到上分为w d m 层、o p s 层、口层及客户层： w d m 层提供最底层的光纤传输带宽资源；o p s 层是电域的碑层和光域的w d m 层之间的适配层；i p 层承载了文件传输、信息交互等各种客户业务，包括了传统 的s d h 、异步传输模式( a t m ) 及以太网包、口包。来自客户网络的业务数据包 在光分组交换系统的边缘节点处打包转换成光净荷信号，然后加上光标签产生光 分组，即光分组交换系统的基本数据传输单元。o p s 核心节点以光分组的形式来 承载业务，所有光分组的净荷信号的交换和传输都在光域中透明的进行，而光标 签的控制和处理如前所述可能经o e o 转换完成，也可能直接在光域中完成 1 2 - 1 3 o 边缘节点和核心节点之间通过w d m 光纤链路相连。因此，横向来看，光分组 交换网络完成客户网络的一跳；从纵向来看，o p s 层是电域的客户网络层和光域 的w d m 层的适配层f 1 铊o 】。 光分组交换网是下一代光网络发展的目标，未来的通信网将从现有的电( 光) 路交换网进化为光分组交换网。因此探索光分组交换技术，研究光分组信号、光 标签处理、光开关性能等关键理论与前沿技术问题，建立实验验证和演示平台， 可为我国传输光网络向光分组交换网络的发展提供理论和技术基础，对推动我国 信息产业的持续发展具有重大意义，也可促进适用于未来通信网络的光器件的进 一步发展。 2 第一章绪论 光分组交换在国内外已经成为光纤通信的研究热点。在国外，有美国的c o r d 项目、o p e r a 项目、欧洲的a t m o s 项目、k e o p s 项目、w a s p n e t 项目、d a v i d 项目、i s t s t o l a s 项目、i s t l a s a g n e 项目等；在国内，也有清华大学、北京 邮电大学、上海交通大学和电子科技大学等高校对标签处理方案、光突发交换、 竞争解决以及波长转换器等技术进行了研究【2 l 】。 1 2 课题来源和篇章结构 本文主要对光分组交换系统的边缘节点进行研究，课题来源于国家8 6 3 项目 “基于m o o c 光标签的光分组交换。 论文的篇章结构安排如下： 第二章主要介绍了几种o p s 系统中的关键技术：光开关、竞争解决、光标签 的处理及光分组的产生，为本文提供了理论基础。 第三章首先简单介绍了本实验采用的o p s 系统模型，然后针对项目需求设计 了边缘节点的实现方案，并进行了方案介绍。 第四章进行了o p s 系统实验，验证了边缘节点及系统的整体功能。 第五章为结束语，包括工作总结与不足展望两部分。 3 电子科技大学硕士学位论文 第二章o p s 系统的关键技术 o p s 系统的关键技术有：光开关、竞争解决、光标签的处理、及光分组的产 生等几种主要关键技术，其中光开关主要是对光器件的研究。本章将对这些关键 技术的研究现状和趋势进行介绍。 21 光开关 光交换矩阵在核心节点根据光标签的信息配置完毕后完成对净荷信号的交 换，而评价光交换矩阵的指标有使用光开关的数目、各端口的插入损耗大小及插 入损耗是否均匀、光路是否有交又及阻塞特性等。其中光开关又是光交换矩阵的 研究重点，光开光的实现机理主要有：微电机械光开关、电光、热光、液晶、声 光及s o a 等阎。下面分别介绍一下这几种实现机理： ( 1 ) 微电机械光开关( m e m s ：m i c r o - e l e c t r o m e c h a n i e a ls y s t e m ) ：原理是利用微 小的反射面将入射光直接反射到希望的输出端1 3 1 。可以分为2 dm e m s 和 3 d。 利用安装在平台上的精微反射镜来实现光束的交叉连接。_ m e m s 2 dm e m s 其结构如图2 - 1 所示。3 dm e m s 为每一个输入端口和输出端口配置一个反射镜， 每个反射镜可以在两个坐标轴上转动，比2 dm e m s 有更大的交换规模。微电机 械光开关的反射镜驱动原理有电磁驱动静电驱动，以及热敏驱动等。 l 斜 ( a 】( b ) 雷2 - 1 m e m s 光交换矩阵结构( 劬2 d _ m e m sc o ) 3 dm e m s ( 2 ) 电光光开关( e l e e t r o o 州cs w r c h e s ) ：单个2 2 的电光光开关是利用可以通 过调整耦合区域内介质的折射率来改变耦台系数的定向耦合器来实现的，其填充 介质一般为l i n b 0 3 。如图2 2 ( a ) 所示，通过两电极之间电压的变化来改变底层介 4 第二章o p s 系统的关键技术 质的折射率，使得波导中的光按照一定的路径输出到指定的端口。电光光交换矩 阵拥有快速的切换速率，但插入损耗偏大且其偏振无关性与电极间的电压有关： 若电压较小，则偏振无关性不好；加大电压，可获得较好的偏振无关性，但代价 是切换时间的增大。 p d 鲥2 甜 b l 悖州n g e mb e a t s p l i l l e r b l r e i r l n g e n t 】u 嘶r z ( a )( b ) 图2 2 ( a ) 电光光开关嘞液晶光开关 ( 3 ) 热光光开关( t h c r m o o o p t i cs w i t c h e s ) ：热光光开关是基于热光效应的一种光 开关，即当某些电介质材料的温度改变时，其折射率发生相应改变。热光光开关 可以分成两类：基于m z i 的干涉热光光开关和数字热光光开关，其原理都是将入 射光分支成两路在不同的路径上传播，通过热光效应来控制两束光的相位差来选 择输出端口。其结构如图2 3 所示。热光光开关的缺点是需要较大的驱动功率。 ( a ) ( b ) 图2 - 3 热光光开关结构( a ) 干涉( b ) 数字 ( 4 ) 液晶光开关( l i q u i d _ c r y s t a ls w i t c h e s ) ：液晶光开光通过在液晶材料两端加上 电场，来改变液晶分子的排列结构，从而改变在液晶中传播的光束的偏振态，结 合偏振片的使用来选择光束的传播路径。当液晶调制器没有偏置电压时，光束按 照原来的偏振态通过偏振光分支器，到达输出端口1 ，当给液晶调制器提供足够的 电压时，通过它的光束的偏振态转动9 0 度，被偏振光分支器发射到输出端口2 。 液晶光开关是一种很稳定的光开关，其结构如图如图2 2 ( b ) 所示。 5 电子科技大学硕士学位论文 ( 5 ) 声光光开关( a c o u s t o o p t i cs w i t c h e s ) ：原理是将声波沿着与晶体垂直的方向 引入，使晶体形成折射光栅，光束通过晶体被光栅折射，以一定的角度折射到另 一个方向，从而实现光信号从一根光纤折射到另一根光纤。其结构如图2 - 4 所示。 图2 4 声光光开关结构 ( 6 ) 半导体光放大器光开关( s o a _ b a s e ds w i t c h e s ) ：单个s o a 通过对偏置电压 的调整可以用作开一关型单端口光开关。多端口的光开关可以通过无缘耦合器件 级联多个s o a 构成。但是这种方法成本太高，且很难做到偏振无关。 2 2 竞争解决 竞争解决是光分组交换中最重要的技术之一，对整个交换系统的性能有巨大 的影响。光分组交换系统中的竞争，是指在同一时刻，有两个或两个以上的输入 分组需要输出到交换矩阵的同一输出端口的情况。随着网络的不断普及和发展， 网络业务，特别是数据业务不断增长，使得骨干网络的负载越来越大，交换节点 的负载也相应的增加，竞争将不可避免的发生【2 3 】。由于同一输出端口在同一时刻 只能输出一个分组，所以，在没有竞争解决算法支持的情况下，一旦发生竞争， 就会有分组被丢弃，而分组的大量丢弃，便会造成网络性能的下降。因此，对于 竞争解决算法的研究，成为光分组交换研究中的一大热点。 按照对竞争处理思想的不同，当前的研究主要有以下两个大的方向： 一是当竞争发生以后，在核心交换节点借助暂时空闲或者是冗余的信道资源 来解除多个分组对某一输出信道的竞争。按照处理方式的不同，可将其分为：光 缓存技术( 时域) 、波长转换( 波长域) 、偏射路由( 空间域) 及对以上几种策 略的综合这四种。 光缓存技术主要是利用光纤延迟线( f d l ) 将冲突的分组在时域上延迟，在一 定的时间后再来请求需要的信道资源。其优点是技术较成熟，容易实现，缺点是 要引入额外的且不确定的分组延迟。而且，f d l 配置方式本身决定了若要保证精 6 第二章o p s 系统的关键技术 细的延迟粒度或较好的缓存性能，将需要大量的光开关，单独利用f d l 解决冲突 的能力十分有限。最近，慢光器件的提出为光缓存技术提供了另种实现方案。 但这种技术现在还不成熟，其中利用半导体量子点器件来实现慢光缓存是一种前 景较好的技术，结构如图2 5 ( a ) 所示。在文献中【l 丌，提出使用f d l 和r a m 的 光电混合缓存的方法，仿真证明可以取得较好的效果，结构如图2 5 ( b ) ；清华 大学提出了一种新的竞争解决策略【2 4 】，在一个分组的标签中不仅仅是该分组本身 的信息，而且包括即将到来的分组的信息，这样可以预测下个分组到来的时间， 从而控制分组的缓存时间，仿真结果显示可以得到较小的丢包率。 ( a )( b ) 图2 5 ( a ) 由阵列波导光栅构成的光交叉矩阵光电混合缓存结构的交换矩阵 波长转换是将冲突的分组转换到空闲或是冗余的波长信道上，解除竞争。波 长转换器的分布按照共享方式分为：s p c ( s i n g l ep e rc h a n n e l ，每个波长通道分配 一个波长转换器) ，s p l ( s h a r c dp e rn l k 每个光纤链路共享波长转换器) ，s p n ( s h a r e dp e rn o d e ，每个交换节点共享波长转换器) ，其结构如图2 - 6 所示【2 5 之6 】。波 长转换策略的优点是没有引入额外的分组延迟，缺点是成本高，实现困难。 偏射路由是把冲突的分组通过一定的算法路由到其他的输出端，通过不同的 路径到达目的地，但是这种策略的效率偏低，可能会造成分组的曲柄折回 ( c r a n k - b a c k ) ，且容易引起分组到达目的地时的乱序排列，增加接收模块的处理 难度。 一些文献【2 7 】提出了在同一核心交换节点综合使用以上几种策略，仿真证明可 以取得良好的效果。 7 电子科技大学硕士学位论文 ( a ) ( b ) 囵目 分囊曩走歼燕 d - 麓分复甩垃长转换尊 图2 6 几种波长转换器的配置结构( a ) s p c ，( b ) s p l , ( c ) s p n 二是边缘节点对业务会聚和整形。上述的竞争解决策略，是在竞争发生以后 再来处理竞争，可以在一定程度上解决竞争的问题，但是，由于网络业务流量的 8 第二章o p s 系统的关键技术 自相似特性，即突发性，导致竞争发生的概率很大，要完全处理竞争需要数量巨 大的资源，代价很大，成本很高，几乎不可能实现。而单独使用其中的一种或者 几种策略并不能达到令人满意的效果【2 8 】。边缘节点将来自各终端的业务量组装成 光分组时，通过某种算法，减小业务的自相关性，即突发性，从而降低在核心交 换节点竞争发生的概率，其结构如图2 7 所示。对于这种策略的研究，包括自相似 业务模型，排队理论，网络仿真等方面。总之，竞争解决技术是光分组交换技术 的关键。 2 3 光标签的处理 e d g er o u t e r 图2 7 边缘节点的汇聚功能 光标签的处理包括标签的提取识别和擦除更新等，：可分为全光标签处理和电 光混合标签处理。由于现有的光器件还不是特别成熟，全光标签处理技术只能采 用特殊的标签格式，这种格式可以直接触发交换控制模块的光控光的处理，所以 全光标签处理技术所能实现的功能还非常有限，因此目前主要采用的是电光混合 标签处理技术，这种技术首先要将光标签信号转化为电标签信号，然后电标签信 号在电域进行处理，从而可以充分发挥电域强大的信号处理能力，同时在擦除标 签信号时也尽可能不影响净荷。 现在已提出了各种光分组的格式，其中主要是标签格式的不同，净荷大多是 开关键控调制方式。现有的标签调制方式有： ( 1 ) 比特串行编码：这种方式是将标签与净荷在时域上分开传输。其优点是： 标签与净荷的串扰小，缺点是：在识别和擦除标签时，要求精确的定时信息和控 制。 9 电子科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 波长标签：波长标签格式是使用单独的波长传输标签信号，是一种带外 信令方式，在o b s 中最为常见。其优点是：采用光滤波器易于分离标签与净荷， 而且串扰小对定时的要求也低，缺点是：每个净荷信号都需要伴随一个标签波长 通道，很大的浪费了波长资源【2 9 弓o 】。 ( 3 ) 光副载波标签：采用副载波传输标签，基带传输净荷，从而在频域上将 标签与净荷信号分开。其优点与波长标签一样，即使用光滤波器较易分离标签与 净荷，缺点是副载波的频率限制了净荷信号的传输速率，并且净荷与标签之间存 在一定的串扰【3 1 】。 ( 4 ) 光正交码：采用光正交码对路由标签信号进行编码，通过相对应的解码 器就能恢复出经过编码的标签信号，而抑制未经过编码的净荷信号，从而提取出 标签，这种正是本实验系统所采用的标签格式。 2 4 光分组的产生 光分组信号由光标签信号和光净荷信号组成。边缘节点将客户端的数据包( 例 如口包、以太网包、a t m 信元等) 组装转换成光分组信号。输入的数据包到达边 缘节点后进入打包模块中，其中的包分类器根据数据包的目的地址和服务质量信 息产生标签路由信息发送到标签编码模块产生光标签信号，同时将其分类送入相 应的组装队列中缓存。组装队列采用某种算法或根据一定的触发条件，将其中缓 存的所有数据包进行封装从而产生光净荷信号；之后再添加编码模块产生的光标 签信号就构成了光分组信号，随后汇聚进入发送单元，发送单元根据一定的调度 算法将光分组信号输入光分组交换系统的核心节点中交换【3 2 1 。 光分组组装机制主要有以下两个作用：流量汇聚和流量整形。流量汇聚是为 了将小的数据包组装成大的光分组信号以减轻核心节点的处理负担和提高吞吐 率；流量整形是为了克服业务流的自相似性。其组装机制主要基于以下几种门限t 时间、长度、时间长度混合、以及根据光分组的大小自动调节组装门限的自适应 组装算法l j 川。 光分组交换系统中，不同的光分组由于经历的光纤传输信道不同，到达核心 节点入口的时间也不尽相同。因此，根据光分组在进入核心节点交换之前是否需 要时间和相位上的校准，将o p s 分为同步o p s 和异步o p s 两种。 1 0 第二章o p s 系统的关键技术 同步o p s 要求光分组的大小必须相同，因为它采用时隙来承载光分组，而时 隙是固定长度的，它要求所有光分组信号到达核心节点入口时必须与本地参考时 钟进行相位校准，即分组同步。为了在光分组信号的前后设置间隔时间，时隙的 长度应该大于光分组的长度。 而对于异步o p s ，光分组的大小就可以不同，而且分组在进入核心节点时无 需对准，即非同步。异步o p s 中，光分组发生冲突的概率大于同步o p s ，而网络 的吞吐量较小；但胜在实现简单，不需要进行同步，分组的组装和拆装不需要在 边缘节点进行，更适合于突发的原始p 业务【3 4 1 。如果网络中的缓存较大，异步o p s 的网络性能会比较好。 2 5 本章小结 本章主要介绍了几种o p s 系统的关键技术：光交换矩阵，竞争解决，光标签 处理，及光分组的产生，为了解光分组交换系统的功能及设计边缘节点的方案提 供了理论基础。 电子科技大学硕士学位论文 第三章o p s 边缘节点的软硬件设计 本章首先简单介绍了本项目中采用的实验系统，接着分别在硬件和软硬件协 同两方面对边缘节点的实现进行了介绍。 3 1o p s 实验系统简介 本项目的目标是：建立一个完整的光分组交换实验演示平台，此平台采用基 于多重光正交码( m u l t i p l eo p t i c a lo r t h o g o n a lc o d e ，m o o c ) 光标签【3 5 】的光分组 交换模型，即采用基于光纤布拉格光栅的编码器和解码器产生标签和进行标签解 码【3 6 3 9 1 。实验中，光标签由三个光正交码串行排列组成。实验系统由三个边缘节 点和一个核心节点通过光纤信道连接构成，其系统模型如图所示：边缘节点发送 端的功能是将来自客户端网络的数据包组装成净荷信号，并根据其中的目的地址 查找预设的路由信息表来产生路由标签信号，发送到标签编码模块产生光标签， 之后将标签与净荷耦合产生光分组信号发送到核心节点进行处理和交换；边缘节 点接收端的功能是检测和恢复经过核心节点交换后的净荷信号，并拆装成数据业 务包发回到客户端网络中；核心节点的主要功能包括：检测并判定光标签信号， 控制光净荷信号的交换，以及进行标签的擦除。实验系统的模型如图3 1 所示。 图3 1o p s 实验系统模型 1 2 第三章o p s 边缘节点的软硬件设计 3 1 1m o o c 光标签 在本系统中，光标签信号是由多个光正交码组成的，即采用光正交码串行排 列的标签格式，净荷信号采用开关键控的方式调制。因为m o o c 光标签是通过对 多个光正交码的排列组合而产生的，所以可使光标签的数量得到增大，从而解决 了传统光码标签方案中光正交码标签数目不多的问题。这种方案也可使得光分组 交换网络的规模得到大规模的扩展，从而使得光分组交换系统网络能更好的用于 商业中。实验中，产生m o o c 光标签的编码器和解码器都是由专门定制的光纤布 拉格光栅和光环形器实现的，其原理如图3 2 所示。 f l ，2 ：! 望； ：- _ _ - ：二_ _ - - _ _ - 一 3 1 2 核心节点 图3 2m o o c 光标签的编解码方式 核心节点检测并判别标签信息，再通过查找预设的路由信息表生成相应的控 制信号以触发交换控制模块，从而实现光净荷信号的交换；所以核心节点要完成 标签的擦除、标签的识别和净荷的交换。在本项目中，核心节点主要由标签处理 及擦除模块、控制单元模块、标签识别模块、净荷信号再生模块以及光开关等组 成，其中光开关使用了l y n x 公司的4 x 4 光开关，别的模块都由课题组