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o b s 网络中边缘节点交换网络控制的研究 摘要 随着网络技术的不断发展，不断增长的互联网用户数量和不断创新 的网络业务类型创造了前所未有的数据流量。如何提高网络速度和网络 的服务质量是目前人们迫切关注的问题。9 0 年代出现的密集波分复用 ( d w d m ) 技术标志着带宽技术的一次重大革命，它所具备的巨大传输 能力成为解决带宽需求的理想方式。与此同时，光纤传输容量的激增对 网络节点的处理能力提出了新的要求。由于集成电路处理速度的限制， 网络节点( 包括交换机和路由器) 便成为影响网络传输速度和充分利用 光纤带宽资源的最大瓶颈。 为解决这一问题，进一步提高网络容量，许多研究机构致力于研究和 开发光域上的交换技术，试图将网络交换工作在光子层面上完成，消除 电子瓶颈的影响。基本思路主要有两种，波长路由的电路交换( 0 p t i c a l c i r c u i ts w i t c h i n g ，o c s ) 和光分组交换( o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ，o p s ) 。 前者的研究虽然已经比较成熟，但是这种交换模式只是粗粒度的光交换， 不能取代i p 层的分组交换。后者试图直接在光层面上实现小粒度的分组 交换，但是由于光器件，特别是光存储器件的限制，使得分组交换控制 包的处理和数据缓存无法在光域内完成，仍需进行o e 转换，在电域里 进行处理。由于分组交换的粒度过小，现有电子器件处理速度无法满足 光分组交换的要求。在这样的背景下，一种交换粒度稍大、实现相对简 单的新交换方式光突发交换( o p t i c a lb u r s ts w i t c h ，o b s ) ，便成为 一种现实的选择。 o b s ( o p t i c a lb u r s ts w i t c h ) 的概念最初是由c h u n m i n gq i a o 和j s t u r n e r 在8 0 年提出的，但直到网络的瓶颈落在了交换节点上，这种交换 技术才真正引起人们的关注，并且得到了越来越广泛的研究。 本文在对整个o b s 体系进行研究的基础上，着重讨论了o b s 边缘节 点的功能和结构，阐述了边缘节点交换模块的功能及结构，并重点移i ：究 了交换网络控制机构的基本原理，以及需要实现的具体功能。在此研究 的基础上，本文针对交换网络的控制机构，提出了一种基于p o w e r p c 处 理器为核心的嵌入式系统实现方案，并详细阐述了该方案的电路设计原 理及调试方法。 关键词：光突发交换( o b s ) 边缘节点交换网络嵌入式系统 a b s t r c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fn e t w o r kt e c h n o l o g i e s ，t h ei n c r e a s i n go ft h e n u m b e ro fn e t w o r ku s 钮 sa n dt h ec r e a t i n go fn e t w o r ks e r v i c e s1 c a dt oah u g e n e t w o r kd a t af l o w l o to fe y e sf o c u so ns u c hap r o b l e m ，h o wt oi n c r e a s et h e n e t w o r ks p e e da n di m p r o v et h eq u a l i t yo fs e r v i c e s t h ea p p e a r a n c eo f w a v e l e n g t h d i v i d e dm u l t i p l e x i n g ( w d m ) t e c h n o l o g yi nl9 9 0 si sa n i m p o r t a n tr e v o l u t i o n i nb a n d w i d mt e c h n o l o g y i t se n o r m o u sb a n d w i d t h c a p a c i t ys e e m sa ni d e a is o l u t i o nf o rt h en e e do f n e t w o r k b u tt h ei n c r e a s i n go f o p t i c a lf i b e r sc a p a c i t yr e q u i r e sh i g hs p e e dp r o c e s s i n gi nn e t w o r kn o d s ，w h i c h i sn o tr e a l i z a b l en o wb e c a u s eo fl i m i t e do ft h ep r o c e s s i n gs p e e do fi n t e g r a t e c i r c u i t a sac o n s e q u e n c et h en e t w o r kn o d s ( i n c l u d i n gs w i t c h i n ga n dr o u t e r ) b e c o m et h em o s ti m p o r t a n tb o t t l e n e c ko f n e t w o r ks p e e d i no r d e rt oi m p r o v en e t w o r kc a p a c i t y ，al o to fr e s e a r c hc e n t e r sa l e s e a r c h i n gf o rt h es w i t c h i n gt e c h n o l o g yb a s e do no p t i c a ld o m a i n t h e r ea r e t o wm a j o rs o l u t i o n s ，o n ei sw a v e l e n g t h - r o u t i n go p t i c a lc i r c u i t s w i t c h i n g ，t h e o t h e ri so p t i c a lp a c k e t s w i t c h i n g r n l ef o r m e ri sam a t u r et e c h n o l o g y ，b u tt h i s k i n do fs w i t c h i n gm e t h o di so n l ys u i tf o rc o a r s eo p t i c a ls w i t c h i n g ，i tc a nn o t r e p l a c e t h e p a c k e t - s w i t c h i n go fi pl a y e r t h el a t e ri n t e n t st or e a l i z e p a c k e t s w i t c h i n go no p t i c a ll a y e rd i r e c t l y b e c a u s eo ft h el i m i t a t i o no fo p t i c a l d e v i c e s ，b o t ht h ep r o c e s s i n go fc o n t r o lp a c k e t sa n dt h es t o r a g eo fd a t ap a c k e t s m u s tb ee x e c u t e di ne l e c t r i c a ld o m a i n b u tt h ep r o c e s s i n gs p e e do fe l e c t r i c a l d e v i c e sc a nn o tm e e tf o rt h er e q u i r e m e n t a tt h i st i m ean e ws w i t c h i n g m e t h o dn a m e do p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ( o b s ) s e e m st ob eap r a c t i c a lc h o i c e t h ec o n c e p to fo b si sd e v i s e db yc h u n m i n gq i a oa n dj s t u r n e ri n 19 8 0 s ，b u ti tn o ta r o u s e dp e o p l e sa t t e n t i o n ，u n t i lt h en e t w o r kb o t t l e n e c kl a y o ns w i t c h i n gn o d s t h i sp 印e ri n t r o d u c e st h ef u n c t i o na n ds t r u c t u r eo ft h ee d g en o di no b s a r c h i t e c t u r e ，d i s c u s s e st h ef u n c t i o na n ds t r u c t u r eo fs w i t c h i n gm a c h i n eo ft h e e d g en o d ，a n df o c u s e so nt h es m d yo ft h ec o n t r o lm e t h o do ft h es w i t c h i n g m a c h i n e a b a s e do nt h es t u d y ，t h i sp a p e rr e a l i z e st h ec o n t r o lo fs w i t c h i n g m a c h i n ew i t ha ne m b e d d e ds y s t e mb a s e do np o w e r p cp r o c e s s o r k e yw o r d s ：o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ( o b s ) e d g en o d s w i t c h i n gn e t w o r k e m b e d d e ds y s t e m 独创性声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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过的 任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处 本人签名 本人承担一切相关责任。 日期：趔：! ：! 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在学校攻读学位期问论文工作的知识产权单位属于北京邮电大学。学校有 权保留并向国家有关部门或机构送论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阋和 借阋；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其 它复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：盗淦： 导师签名： 0 日期：塑堕：三： 日期：呈丝! ：! ：l 北京邮电大学硕士生论文 1 1o b s 网络概述 i1 1o b s 网络产生的背景 第一章绪论 随着网络技术的不断发展，互联网的触角几乎渗透到了世界上的每一个角落，融 入进了我们的学习，工作，生活，娱乐。一方面，是不断增长的用户数量；另一方面， 是不断创新的业务类型。他们一起创造了前所未有的数据流量。如何提高网络速度以 及进一步扩展网上运行的业务种类和网络的服务质量是目前人们迫切关注的问题。9 0 年代出现的波分复用( w d m ) 技术标志着带宽技术的一次重大的革命，它所具备的巨 大传输能力成为解决i p 业务日益增长的带宽需求的最成熟手段，与此同时，在光纤 传输上取得的技术成就对网络节点处理能力提出了新的要求。但是，集成电路的处理 速度毕竟要比光的传输速度慢的多。因此，目前的网络节点( 包括交换机和路由器) 便成为影响网络传输速度和充分利用光纤带宽的最大瓶颈。 为解决这一问题，进一步提高网络容量，许多研究机构致力于研究和丌发光域上 的交换技术，试图将网络交换工作在光子层面上完成，消除电子瓶颈的影响。总的来 说，光交换可分为波长路由的电路交换( o p t i c a lc i r c u i ts w i t c h i n go c s ) r j 光分组交换 ( o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n go p s ) 两种方式。对于前者的研究已经比较成熟，并逐步大规 模应用，完成这种交换功能的主要器件是光交叉连接器( o x c ) 和光分插复用器 ( o a d m l 。但是这种交换模式只是粗粒度的光交换，不能取代口层的分组交换。光分 组交换技术试图直接在光层上实现小粒度的分组交换，在近年来取得了一些进展，其 中光标记交换和多波长标记交换便是实现光分组交换的两种代表技术。但由于目前受 光器件技术的局限，分组交换的控制包的逻辑处理和数据缓存无法在光域内完成，仍 需进行o e 转换之后在电域里进行处理。由于分组交换的粒度过小，现有电子器件处 理速度仍然不能满足光分组交换的要求。在这样的背景下，一种交换粒度稍大、实现 相对简单的新交换方式o b s ( 光突发交换) ，便成为- - e e 现实的选择。 o b s ( o p t i c a lb u r s ts w i t c h ) 的概念由c h u n m i n gq i a o 和j ，s t u r n e r 在8 0 年代就 北京邮电火学坝士生论文 已经被提出，但直到9 0 年代由于w d m 技术的飞速发展，网络传输带宽得到大幅度 提升，网络的瓶颈落在了交换节点上，这种交换技术才真正引起人们的关注。 1 1 2光突发交换原理 光突发交换的原理是充分利用光纤的巨大带宽和电子控制的灵活性，将控制信息 与数据信息分别进行处理。数据以突发( b u r s t ) 的形式只在光域传输交换，而控制分组 b h p ( b u r s th e a d e rp a c k e t 突发报头分组) 在光域中传输，但在交换节点被转换到电 域进行处理。f 常情况下，在突发数据发送之前，先发送控制信息，核心节点的交换 控制模块根据控制信息和节点当前的状态信息进行资源的预约和仲裁。如果预约成 功，系统将完成对交换矩阵、可调波长变换器( t w c ) 、光纤延迟线( f d l ) 的配置， 以保证后续的突发数据可以透明地穿过节点。如果出现资源的竞争和冲突，交换控制 模块还需要根据一定的冲突解决方案完成相应操作。 控制包和突发数据包在时域上的相互关系如图1 1 所示。这是在j e t 协议下的时域 s e t u p + f o f f s e t b u r s t i l 口p r o c e s s i n gt i m eo fc o n t r o lp a c k e t 图卜1j e t 协议下控制包和突发数据包的时域图 i t i m e i i 北京邮电大学硕七生论文 模型，在图中我们可以看到，所选择的偏置时间必须要足够长，使得建立请求的信息 在每个节点都有足够的时间进行处理，并完成对光交换矩阵的配置。 在o b s 网络中，突发是由若干p 包组成的超长p 包，这些口包可以来自传统i p 网中不同的电d 路由器，o b s 中的控制分组( b c p ，b u r s t c o n t r o lp a c k e t ，作用相当 于分组交换的分组头) 与突发数据( 净载荷) 在物理信道上是分离的，每个控制分组 对应一个突发数据。例如，在w d m 系统中，控制分组占用一个或几个波长，突发数 据则占用所有其它波长；在光时分复用系统中，控制分组占用一个或几个信道；在带 状光缆中，控制分组占用一根或几根光纤。 图1 - 2o b s 网络结构 图1 2 为o b s 网络结构，它由光的核心路由器与电的边缘路由器组成，与多协议 标记交换( m p l s ) 网类似。不同的是，数据信息在o b s 网中不需进行o e 、e o 变换。 o b s 网络的边缘路由器负责将传统口网络中的数据封装为光突发数据，以及反向的拆 封工作。核心路由器的任务是对光突发数据进行转发与交换。每个突发由具有相i 司出 1 3 的边缘路由器地址和相同q o s 要求的球包组成。突发数据是光突发交换网中的基本 交换单位。 图1 3 为o b s 网络核心路由器结构，这里假定其入口、出口光纤数均为，每根 光纤的波长数为足。其中一个波长传输b c p ，这个波长在各个中间节点首先要进行 o e 变换，然后在电域内进行路由表的查找、交换矩阵控制等处理过程，最后更新 b c p 并进行e o 变换：其余一1 ) 个波长传输突发数据，这些波长在各个中问节点 都不需要o e o 变换，从而保证了数据的透明性。而在光分组交换中，为了提取光 分组头。在每个节点对所有波长都必须提取一部分光信号进行0 一e o 变换，因而过 于复杂，而且这种光信号提取方式也会严重影响其再生距离。图l 一4 中，入口f d l 的作用是缓存突发数据，等待控制分组进行0 e 变换、转发表查找、建立交换连接 等，入口f d l 在光分组交换方式中是必需的，但在o b s 中，通过让b c p 比对应的 突发数据提前适当的一段时间，出发，为突发数据预约恰好相等的一个时间段，可 以使所有中间节点省去入口光缓存f d l ：还可通过将业务区分为不同的优先级，为 优先级高的突发数据设置较长的时间偏移量，使其获得更大的预约成功机会，束实 北京邮f u a 学坝i j 生论文 光电变毁蕊h 转盘表童执强u i i c p 蜚蹲厦 i t c p 齄溅 ll 交捩豫阵控制il 电光变槐 删叫墓hx 光奸 菇退地 现w d m 层的q o s 保证。 艘牝斛块竞争月| ；曲光交捷炬阵 泼长 爱蝮光纤琏退或 变换 图卜3o b s 网络核心路由器结构 i 2o b s 网络的体系架构 势 椰 从分层结构来看，整个o b s 网络大致可以分为光层( o p t i c a ll a y e r ) 、汇聚层 ( a s s i n a n a e n tl a y e r ) 和接入层( a c c e s sl a y e r ) 三个层次，如图1 - 4 所示a 其中边缘路由器( e d g e dr o u t e r ) 负责对接入业务( 如以太网接入、a t m 接入、s d h 晒一m m 咄e m u w 圆”m 一一一t国* 一i n n 图1 4o b s 的网络拓扑结构 接入等) 的汇聚及反向拆卸，核心路n ：器( c o r er o u t e r ) 完成汇聚业务在核心骨干网内的 全光域交换。 从图1 - 4 的拓扑结构以及网络功能来看，o b s 汇聚层是介于承载口业务的链路 层和物理层之f 刮的一个连接层，而o b s 路由层则是介于口层和链路层之间的一个网 络层。 从组成构件来看，一个o b s 网络主要由边缘节点、核心节点和d w d m 链路构 北京邮电大学硕士生论文 成，网络结构模型见图1 - 5 。 图l 一5 光突发交换的网络模型 边缘节点的i p 业务汇聚完成后，将突发分组进行排队，调度器按照数据信道和i 控制信道的使用情况，采用一定的协议控制算法选择突发包的发送。同时提取突发包 的控制信息，当突发包位于队首时，控制信令设置其偏置时间，并发送控制分组，它 包括了突发包的路由信息、偏置时间、长度、信道编号、q o s 等信息。偏置时间后， 突发包由调度器调度成帧送入w d m 光层。在接收节点处，也由边缘节点完成包的拆 卸工作。 核心节点则负责在电域处理提前发送的控制信息包，并通过解析控制包携带的消 息信令完成对光交叉矩阵的配置，使随后到达的突发数据包在全光域内能进行快速的 交换。既避免了控制头的光域处理，同时数据分组也无需进行光电转换处理，始终在 全光域内传输，大大提高了交换的灵活性。 从上述的体系架构和分层模型中，我们可以看出，与全光分组交换相比，光突发 交换的实现相对简单，同目前以波长路由为基础的电路交换相比，它又具有带宽利用 率高，网络灵活性强，接续时间低的优点，同时突发交换的业务汇聚还可以减少网络 业务的自相似性，有利于均衡网络流量。 o b s 可以实现w d m 层的q o s 保证。i n t e r n e t 业务量的典型特征是突发性( 自相似性) 。 而o b s 的一个显著优点则是可以降低网络业务的自相似程度，从而有利于网络的规划 与设计。 北京f i g u 火学颂十生论文 1 3o b s 网络关键技术 1 3 l 预约方案 根掘如何判断突发数据的结束，我们可以把所有的预约方案分为4 种类型。在介 绍他们之前，首先需要明确几个概念：明确建立、估计建立、明确释放、估计释放。 前两个概念回答了这样一个问题：在什么时候配置o x c ? 后两个概念回答了另一个问 题：在什么时候释放预约资源? 明确建立指的是当建立请求信息被处理后立即配置 j e 7 t ：e x p l i c i ts e t u p ，t i n t e db u r s t j e t ：e x p l i c i ts e t u pa n dr e l e a s e e t u p o f i g e t b u r s t 卜 r 口p r o c e s s i n g t i m e o f c o n t r o | p a c k e t 口t ；m ed u r i n gw h l c hr e l o u r c w e r ea i i o c a t e d 图1 6 y e t 协议采用不同预约类型的比较 o x c 。估计建立指的是在建立请求中含有特定信息，可以据此估计在未来的某一时间 配置o x c 。明确释放指的是o x c 在接到释放信息后释放相应的资源。估计释放指的 是控制包中含有特定信息，如突发长度，据此o x c 可以计算出何时释放资源，估计释 放又称t i m eb u r s t 。四种类型如下：一、明确建立和明确释放( e x p l i c i ts e t u pa n d e x p l i c i tr e l e a s e ) ：在这种情况下，有明确的建立和释放消息，建立消息中没有偏移 时i 剐，没有突发长度信息，交换机收到建立消息后立即预约好资源，收到释放消息后 释放。：、l j j 确建立和估计释放( e x p l i c i ts e t u pa n de s t i m a t e dr e l e a s e ) ：在这种情况下， 没有明确的释放消息，但是在建立消息中含有偏移时间和突发长度信息，交换机收到 卜i丫llll丫 北京邮电大学硕士生论文 建立消息后立即预约好资源，用突发长度信息估算释放时问。三、估计建立和明确释 放( e s t i m a t e ds e t u pa n de x p l i c i tr e l e a s e ) ：在这种情况下，有明确的释放消息，建立 信息中有偏移时间，没有突发长度信息，用偏移时估算突发数据到达时间，保证突发 数据到达时预约好资源。四、估计建立和估计释放( e s t i m a t e ds e t u pa n de s t i m a t e d r e l e a s e ) ：建立消息中有偏移时间和突发长度信息，用偏移时间估算突发数掘到达时 间，保证突发数据到达时预约好资源。这些方案的最主要区别在于同一突发数据占用 节点资源的时间不同，而这个时间长度取决于各种方案对突发开始和结束时i 旬的估计 精度，估计越准，则占用资源的时间越短，资源利用率越高总的突发冲突概率就越低。 以最受关注的j e t 协议为例，我们可以用图示的方式加咀睨明，见图l 一6 。图1 6 2 t ：图 采用的是明确建立估计释放，图1 - 6 右图采用的是明确建立明确释放。我们可以明显 的看出左图的红拄要比右图短，就是说左图方案所占用的资源比右图少。 1 3 2边缘节点 边缘节点的主要作用是实现o b s 网络中的突发汇聚( b t t t s ta g g r e g a t i o n ) ，即根 据d 分组的出口端边缘路由器地址和q o s 特性将d 分组聚合威突发数据。如何确定数 据突发的长度是一个值得仔细考虑的问题。一方面，如果突发长度过长，数据就不可 避免的要在边缘节点等待较长的时间，对于延迟敏感的业务类型( 如话音、视频等) 而言，这是不能接受的；另一方面，如果突发长度过短，就等于增加了控制包数量， 可能导致节点的控制处理速度不足。显然，突发越短，其控制信息信令的丌销所占 的比重也相对越大，这将直接影响到信道利用率。最新研究表明，尽管突发到达时间 间隔的分布对核心网络性能的影响很小，但突发长度的细小改变也会对整个网络的性 能产生影响，突发长度的分布和平均突发长度则对网络性能有较大影响。因此突发长 度与节点处理速度( 尤其是交换控制模块的处理速度) 、信道利用率、业务延迟等关 键指标之间的关系值缛进一步深入研究。与边缘节点相关的另一个问题是偏置时间的 确定，偏置时间指的是边缘节点发送控制信令与发送突发数据之间的间隔。设置偏置 时间的目的是希望突发数据到达中间节点时，控制信息已经处理，而且配置好了突发 数据需要经过的光通路。由于控制信息在每个节点都需要经历一定的处理延迟，因此， 偏移时间的大小取决于控制信息在各节点处理延迟的累积求和。显然，为了得到偏移 时间，就要求知道从源到宿经过的节点数目( 假定所有节点的处理延迟是一定的) ， 换句话说，需要知道路由。而对于路由无法预先确定的网络( 如口网络) 来说，这是 无法做到的，因此需要考虑其它的方式来计算偏置时间。 北京f 吣电大学硕士生论文 1 3 3核心节点 核心节点包括3 个主要组成部分：光交叉模块，交换控制模块，以及协议处理模 块和线路接口模块。其中交换控制模块功能包括对信令的处理、转发表的查找、资源 的预约及冲突的判决和处理等。协议处理模块主要实现高层协议的处理，包括转发表 的维护与更新等。光交叉模块主要由空分交叉矩阵、f d l 和1 w c 组成，在交换控制 模块提供的配置信息控制下，这些部件协调工作，共同为数据提供透明的通道。其中 核心节点结构设计、光交换结构的设计、业务调度算法研究和冲突解决机制研究都是 非常重要的课题，。 小结 本章介绍了o b s 体系产生的背景，并对o b s 系统将控制信息与数据信息分别进行 处理的核心思想进行了详细阐述。详细介绍了o b s 系统的核心节点、边缘节点和w d m 链路的三级体系架构。并就0 b s 系统中的关键技术，如预约方案和边缘节点等作了必 要分析，提出了一些需要进一步研究的课题方向。 8 北京邮电大学硕士生论文 第二章o b s 网络边缘节点的交换模块 2 1o b s 网络边缘节点的功能 在光突发交换网络中边缘节点处于一个十分重要的位置。如前所述，边缘节点的 位置介于接入层与光层之间。边缘节点的主要功能是将各种接入数据适配到光突发交 换网中，以及接收来自网络的突发分组。因此，边缘节点首先需要实现发射方向业务 的适配，协议的转换，数据包的分类汇集及交换，q o s 支持，突发数据分组成帧，光 的突发发射等，同时还要实现信令控制算法，生成控制分组，发起控制信令。在接收 方向需要完成光的突发接收，分组的拆卸，数据包的分类汇集及交换。 2 i i突发分组的适配 i p 数据包接入边缘节点后必须适配成突发分组才能接入光突发交换网。在边缘 入口节点，由于数据业务多来自分组交换网络( 包括局域网、广域网、a t m 网) ， 信息流具有长相关性( l r d ，l o n g - r a n g e d e p e n d e n c e ) 、自相似性( s e l f - s i m i l a r ) ， 会成为影响排队特性的主要因素。在设计边缘业务模型的时候，就是基于自相似模型， 数据分组的到达间隔分布满足p a r e t o 分布，而不是传统的泊松分布，通过一种有效的 算法，利用时间器和队列长度特性共同来决定队列长度，使得会聚以后的数据突发尽 可能减小长相关性。 针对o b s 网络的特点及要求，以8 0 2 3 协议定义的以太网帧格式为基础设计新的 o b s 突发帧。以控制分组为例，它包含目的地址、源地址、帧长度突发标识、信道 标识、标签信息、时间信息、路由信息、帧校验等信息，基本结构如图2 - 1 所示。 图2 1 控制分组帧格式 北京邮电大学碳士生论文 数据分组的帧格式可如图2 2 所示。其中，源地址为源节点的地址，目的地址为 目的节点的地址，1 它们采用分层编码机制。突发标识包括协议类型、协议版本、数据 类型等。为了避免长连0 和长连1 ，需引入自同步扰码技术，但前导码、帧开 始、帧结束和保护带字节不扰一 212突发同步 图2 - 2 突发数据分组格式 边缘节点接收到的各突发帧可能来自不同的节点，它们的时钟相位和振幅都不相 同，因此每一帧都要进行时钟同步和判决阈值提取。考虑到突发帧的长度，一般o b s 中需要n s 量级的时钟同步。 2 2 o b s 边缘节点结构 边缘节点的主要功能是完成接入各种业务数据并适配到o b s 网络，同时接收来 自o b s 网络的突发分组。它具备1 个双向传送光端口，每个端口支持8 个波长，单 波长速率为1 2 5 g b p s 。同时，它提供的业务接入端1 2 包括4 个百兆以太网接口 ( 1 0 0 b a s e t ) 和4 个千兆以太网接口( 1 0 0 0 b a s e x ) ，并且每个业务端1 3 都能支 持多级q o s ，同时具有图象、语音和数据的接入能力。边缘节点功能结构如图2 - 3 所 图2 - 3 边缘节点功能结构 示。需要发送的信号在边缘节点内要经过地址分类，组帧，光的突发发射，复用等处 理，向核心节点发送；来自核心节点的信号要经过解复用，光的突发接收，拆帧，地 北京i | j | j 电大学硕士生论文 址分类等处理完成突发数据的接收。控制平面则需要采集各个模块的状态信息，并且 根据这些信息，对各个模块进行控制，使其协调工作。 e l h e r n e t 幽o b s i 图2 - 4 边缘节点逻辑结构图 边缘节点逻辑结构如图2 - 4 所示。业务接入板实现与以太网的接口，交换网络实 现千兆以太网数据单元的2 层交换，二者配合实现边缘节点的以太网业务接入。控制 板则完成o b s 的主要功能，如对业务按照目的地址进行分类，分类后根据资源预留 策略以及q o s 等级生成数据突发帧和相应的控制突发帧( 实现业务到o b s 的适配) ， 再根据网络流量信息( 即核心节点处的拥塞信息) 和信道信息( 即可用的光波长信道) 将其送到相应的光波长信道。当然，控制板本身还要根据本地信息的刷新发送一些包 含路由信息的控制突发帧，实现网络的控制通信。光接口板接收突发帧，并与控制板 配合实现数据帧和控制帧的定时( 控制帧与数据帧之间的定时) 发送。反方向上光 数据板把接收到的数据突发帧送到控制板，拆分后经过m a c 交换和业务接口模块接 入普通以太网。光控制板接收控制突发帧送到控制板，由控制板分析处理后更新本地 的路由信息和网络流量信息，从而完成网络节点间的控制信息通信。 系统采用高速背板技术实现各个单板间的高速数据链路( 1 g b p s ) 。所有高速数 据链路都在各单板上经过总线驱动器驱动后在背板上进行单点连接，实现全双工通 信。外围的监测设备可以通过r j 4 5 以太网接口连接到系统的控制板，实现简单的网 络管理和系统维护。 2 2 1交换模块 边缘节点的交换模块结构如图2 5 所示。其中在节点的业务接入侧采用多个千兆 以太网( g e ) 或快速以太网( f e ) 接口，这是考虑到面向因特网的光突发交换主要 承载碑业务，在接入侧使用统一的以太网帧格式可以做到无缝连接，无需协议转换， 方便地接入广域网、城域网和局域网。 北京| | i | j l 也人学坝士生论文 当i p 数据包进入边缘节点，首先根据它们的服务类别和目的地址分类并交换存 放到不同的队列中，会聚成突发分组，然后利用高速的d w d m 光突发发射机，在动 态分配的波长上传输。在数据分组发送前，边缘节点的控制系统生成相应的控制分组 并将其发送出去。控制分组一般包含有数据分组的源地址信息、目的地址信息、长度 信息、业务类别信息及带宽分配信息等。 在接收端，光突发接收机接收来自网络的突发分组( 控制分组和数据分组) ，完 成o e 变换、时钟及数据恢复，然后经过反向拆卸发往接入侧不同的端口。 2 2 2控制模块 图2 - 5 边缘交换节点结构 控制模块是o b s 边缘节点的主控板。它在整个系统中主要承担以下功能 o b s 数据突发帧和控制突发帧的处理； o b s 网络中基本的路由功能和流量控制，包括波长信道选择； 完成边缘节点内部的信令交互和资源调度，协调系统内各单板工作； 实现对各单板的复位以及板在位检测； 高层软件载体，搜集网管信息实现边缘节点的网管。 逻辑上控制板可以分成5 个功能模块数据处理模块、控制模块、o b s 帧接口模 块、背板接口模块和监测告警模块，功能框图如图2 - 6 所示。 北京邮电大学硕士生论文 f e 一糊管控制避趟一” 一1 高 o 一晰卜t x p l2 0 0 摩墨 以j r 7 _ - 进 i 一一一a r s e 一一一一一一= 。= 二二二二二一一一i 背 敷板 接 t u 帧铵| ； 幢 ，叫；s a b a h 一謦登一一i 鎏一嚣。 f 7 _ 块 接块 控制信道 l c 鬟 | 船电ll硒 图2 - 6 控制板逻辑功能框图 数据处理模块主要是根据接入业务的q o s 要求和o b s 网络的状况( 资源、拓扑 等) ，采用一定的数据突发帧组装策略实现o b s 数据突发帧的组装，完成业务的接 入；控制模块主要实现网络层的功能，进行路由维护和通道调度：o b sl 侦接i - 2 1 模块 根据控制信息生成相应的控制突发帧，并将数据突发帧适配到o b s 网络的光信道： 高速背板接口主要是实现边缘节点系统内部各单板间进行高速数据传输：监测告警模 块是配合控制模块来管理和协调整个边缘节点，并实现基本网络管理功能。 系统采用i n t e l 公司的网络处理器芯片i x p l 2 0 0 来构建数据处理模块和控制模 块：o b s 帧接口模块由高速f p g a 实现；背板接口模块主要采用的背板驱动器和f p g a 实现；监测告警模块则在网络处理器芯片上辅以f p g a 来实现。可见，控制板以网络 处理器芯片为核心，完成b s p 以及数据处理和高层软件的运行。具体实现方案如图 所示。另外，控制板利用快速以太网进行板间控制通信，对单板状态进行监测和控制， 完成系统调试和网络管理。 图2 7 控制板物理结构框图 北京邮电大学坝士生论文 2 3 交换模块的实现方案 2 3 1交换网络的实现方案 交换网络需要实现的接入业务功能为：可接入千兆以太网4 路、，接入百兆以太 网4 路。需要实现的交换功能为：可实现以上8 路以太网之间的本地数据通信，可 实现4 蹄百兆以太网的汇聚( 汇聚为千兆进行传输) ：可实现8 路以太网非本地数据 的通信。 交换网络的实现框图如图2 8 所示。图中以太网控制器l 为四路集成千兆以太网 控制器，外接的以太网p h y l 也是四路集成千兆以太网p h y 。以太网控锖0 器2 为四 路集成百兆以太网控制器，外接的以太网p h y 2 也是四路集成百兆以太网p h y 。以 太网控制器3 与以太网控制器l 相同。系统采用了高集成化的设计方案，在实现交换 功能的同时，可以提高系统的稳定性，减小系统规模。 p c i 总线 g h n k 信号g m i i 信号 1 0 b 信号 图2 - 8 边缘节点逻辑结构图 以太网交换控制器1 、2 的作用基本相同，一方面可以实现以太网p h y 本地接入 终端之川的交换，另一方面把非本地地址的访问通过g l i n k 接口提交给交换控制器。 以太网交换控制器1 、2 的主要区别在于外接的p h y 所承载的速率不同，第一路为干 兆，第二路为百兆。速率的不同也使以太网p h y 与以太网交换控制器之间的通信信 号有所差别，第一路是通过g m i i 接口实现两者之间的通信；第二路是通过m i i 接口 实现两者之间的通信。 交换控制器的作用，一方面是实现以太网交换控制器1 、2 所属两个子网之间的 交换，并且把对这两个子网咀外的地址的访问，通过以太网交换控制器3 向控制模块 北京邮l u 人学砸二l 生论文 提交。以太网交换控制器3 的输出为g m i i 信号。需要经过一个信号变换器，将它变 成1 0 b 信号。 为提高交换控制器的性能，我们通过p c i 总线将交换控制器与交换网络控制机构 相连，这样通过p c i 总线，使交换控制器成为控制机构的一个部分，可以实现对整个 交换网络信息的采集与监控，以便实时的掌握交换网络的工作状态。另一方面可以通 过嵌入式系统对交换网络进行控制，配置交换芯片的工作状态。 2 32交换网络控制机构的实现方案 交换网络的控制机构框图如图2 - 9 所示。图中p c i 总线左侧为控制机构框图，右 侧是交换网络的核心部分交换控制器。交换控制机构的核心是嵌入式处理器 m p c 8 6 0 ，它与f l a s h 、内存一起组成嵌入式控制系统，并且有以太网口、串行通信接 图2 - 9交换网络的控制机构框图 口和b m d 调试接口等外部接口。由于m p c 8 6 0 本身没有集成p c i 总线的桥接芯片， 因此需要p c i 桥接芯片p l x 9 0 5 6 完成桥接功能，将本地的数据、地址总线转换为p c i 标准的数掘地址复用总线。 以m p c 8 6 0 为核心的嵌入式系统，由于添加了带有主桥功能的p c i 桥接芯片，因 此可以像计算机系统那样，为插接在p c i 主桥上的p c i 器件( 交换控制器) 分配资源， 并完成初始设景。这样就可以实现交换控制器与嵌入式系统之间的通信。 北京邮l b 人学埘川。生论文 在光突发交换网络中边缘节点处于个十分重要的位置。它介于接入层与光层之 间，其主要功能是将各种接入数据适配到光突发分组网和接收来自网络的突发分组。 本章介绍了：1 、边缘节点的主要功能，突发分组的适配和突发的同步；2 、边缘节点 的功能结构和逻辑结构，及其发射和接收两个方向的数据流程；3 、边缘节点中两个 重要模块，交换模块和控制模块的功能、结构以及他们相互间的联系；4 、边缘节点 交换模块中交换网络和交换控制机构的具体实现方案。 北京邮电大学硕士生论文 第三章交换网络控制机构设计方案 3 1 硬件设计方案 3 1 1 m p c 8 6 0 概述 ( 一) m p c 8 6 0 基本功能 m p c 8 6 0 是摩托罗拉公司开发的一款以嵌入式p o w e r p c 为内核的微处理器，适 用于通信系统和网络系统。m p c 8 6 0 是从m c 6 8 3 6 0 的基础上发展而来，采用3 2 位 p o w e r p c 中央处理器。通信处理单元( c o m m u n i c a t i o n sp r o c e s s o rm o d u l ec p m ) 增加 了1 2 c ( i n t e r i n t e g r a t e dc o n t r o l l e r ) 通道，增加了数字信号处理( d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n gd s p ) 功能。存储控制器( m e m o r yc o n t r o l l e r ) 的功能也得到了强化，可以 支持任何种类的存储器。 ( 二) m p c 8 6 0 的内部结构 如图3 - 1 所示，m p c 8 6 0 内部主要由3 部分组成：p o w e r p c 内核、系统接口单元 ( s y s t e mi n t e r f a c eu n i t ，s i u ) 和通信处理单元( c o m m u n i c a t i o np r o c e s s o rm o d u l e ， c p m ) 。p o w e r p c 内核部分是系统的处理单元，他还包括了高速缓冲存储器和内存 管理单元( m e m o r y m a n a g e m e n t u n i t ，m m u ) 。系统接口单元( s i u ) 的基本功能是 作为内部数据、地址总线和外部数据、地址总线之间的接口。通信处理单元( c p m ) 可以实现8 种不同的通信方式，所有通信设备可以独立工作。而且，在通信处理单元 ( c p m ) 中有一个3 2 位的r i s c 微处理器，也就是说，m p c 8 6 0 含有2 个处理器。 其中p o w e r p c 处理高层代码；c p m r i s c 处理底层通信应用。在图3 1 中我们可以看 到1 6 个串行的直接内存访问单元( d i r e c tm e m o r