光脉冲串交换网络中的控制布局 本发明一般地说涉及光网络系统，且更具体地说是涉及用于在光脉冲串交换网络中提供一种控制布局的系统和方法。
网络特别是互联网上的数据通信，在过去几年中得到了急剧的增加，且这种趋势将随着用户数目的增大和要求更多带宽的新业务的引入而持续。互联网通信量的容量的增大，要求具有能够路由具有可变的长度的数据包的高容量路由器的网络。一种选择是采用光网络。然而，目前的光网络只利用了在单个光纤上可用的带宽的一小部分。
密集波分复用(DWDM)技术的出现，已经有助于克服目前的光网络所遇到的带宽问题。一个单个的DWDM光纤能够输送多至每秒10太位(terabit)的数据。然而，这产生了与能够以高至几千兆位/秒的速率交换数据的当前交换技术的严重的不匹配。虽然正在出现地ATM接线器和IP路由器能够被用来交换使用DWDM光纤内的各个信道的数据，通常为2.4千兆位/秒或10千兆位/秒，这种方法意味着几十或几百个交换接口必须被用于端接具有大量的信道的单个DWDM光纤。当并行信道被简单地用作独立链路的集合而不是共用的资源时，这可能导致统计多路复用效率的显著的损失。
支持在交换系统中用光技术取代电子装置的不同的方法已经被提出了，然而光部件技术的限制极大地限制了光交换在设施管理方面的应用。一种方法，称为光脉冲串交换网络，试图对光和电子交换技术进行最佳的应用。该电子装置通过把各个用户的数据脉冲串分配给DWDM光纤的信道，而提供了系统资源的动态控制，而光技术被用来转接整个光域中的用户数据信道。
为直接处理端-端用户数据信道而设计的以前的光脉冲串交换网络，是令人不满意的，并显示出了当前的光部件的局限。例如，一种现有技术光脉冲串交换网络，在控制网络中采用了ATM接线器，这使得控制网络的设计更为复杂和低效率。其他现有技术光脉冲串交换网络采用了光路由器中的电子缓存器，从而使光脉冲串交换网络不是纯光学的。电子缓存器不给数据脉冲串提供端-端的透明的光路。因此，对光脉冲串交换网络发展的激励仍很小。
本发明提供了一种包交换系统和方法，它基本上消除或减小了与以前开发的、用于网络上的数据包交换的包交换系统和方法的缺点。
更具体地说，本发明提供了用于完全在光域中的数据包交换的光脉冲串交换控制布局。用于光脉冲串交换网络的该控制布局包括一个电子入口边缘路由器、在各个接力码组的交换控制单元、以及一个电子出口边缘路由器。该电子入口边缘路由器把多个数据包组装到一个脉冲串中。在各个跳跃处的交换控制单元对光交换矩阵进行配置，以使脉冲串转接通过光脉冲串交换网络。最后，电子出口边缘路由器接收来自光脉冲串交换网络的脉冲串并将该脉冲串分解成多个数据包。
本发明通过提供纯的光网络，提供了一个重要的技术优点，从而为数据脉冲串提供了端-端光通路。
本发明通过采用传统的IP路由器而不是ATM接线器，提供了另一个技术优点，从而简化了纯光学网络的控制布局的设计。
本发明通过提供每根光纤带宽增大的光网络，提供了另一个重要的技术优点，从而降低了成本并提高了带宽的消耗。
本发明通过提供把数据包组合成脉冲串并根据光脉冲串交换协议将其传送到核心光网络的一种边缘路由器和脉冲串组件装置，提供了另一技术优点，从而避免了电子处理的潜在瓶颈。
通过以下结合附图所进行的描述，能够对本发明及其优点有更为完全的理解，在附图中相同的标号表示相同的特征。其中
图1显示了光脉冲串交换网络的一个例子；
图2显示了通过一种光脉冲串交换网络发送的脉冲串的一个详细的例子；
图3显示了一个脉冲串有效负载及其相关的脉冲串标头包的发送时间；
图4显示了根据本发明的脉冲串有效负载格式的一个例子；
图5显示了根据本发明的光学核心路由器的总体布局的一个例子；
图6显示了根据本发明的交换控制单元的框图的一个例子；
图7显示了根据本发明的调度机的框图的一个例子；
图8显示了光纤延迟线缓存器产生的空隙/间隙；
图9显示了具有空隙填充的最新可获得未用信道(LAUC-VF)算法；
图10显示了根据本发明的控制信道调度算法；
图11显示了根据本发明的交换控制器的框图；
图12显示了根据本发明的转接脉冲串有效负载的实际时间和配置脉冲串有效负载的实际时间；
图13显示了根据本发明的脉冲串标头包传输模块的循环操作；
图14显示了根据本发明的电子入口边缘路由器的功能布局的一个例子；
图15显示了根据本发明的脉冲串组合器的一个例子；
图16显示了根据本发明的脉冲串组合与发送(BAT)板中码组之间的信息交换的一个例子；
图17显示了根据本发明的脉冲串和脉冲串标头包传输模块的一个例子；
图18显示了根据本发明的脉冲串组合与发送板的替换设计的一个例子；
图19显示电流根据本发明的脉冲串组合与发送板的替换设计的第二个例子；
图20显示了根据本发明的电子出口边缘路由器的功能布局的一个例子；
图21显示了根据本发明的涉及光纤延迟线缓存器中的延迟阈值的差分脉冲串下落的第一种方式；
图22显示了根据本发明的采用排定的通信量阈值的差分脉冲串下落的第二种方式；
图23显示了根据本发明的涉及预约盖写和重新排定的差分脉冲串下落的第一种方式。
附图中显示了本发明的最佳实施例，其中相同的标号表示相应的部件。
图1显示了光脉冲串交换网络100的一个例子。该光脉冲串交换网络100包括多个电子入口边缘路由器105、多个光学核心路由器110、多个电子出口边缘路由器115、以及多个DWDM光链路120。多个密集波分复用(DWDM)光链路120把电子入口边缘路由器105、光学核心路由器110、以及电子出口边缘路由器115连接在一起。电子入口边缘路由器105和电子出口边缘路由器115分别执行脉冲串组合和拆开功能，并被用作光脉冲串交换网络100与传统电子路由器之间的传承接口。
作为将要通过光脉冲串交换网络100传送的基本数据码组的一个脉冲串，是具有相同的一或多个目的地和诸如服务质量(QoS)要求的其他属性的数据包的集合。一个脉冲串由脉冲串标头包(BHP)和脉冲串有效负载组成。脉冲串标头包的格式包括一个IP标头(例如IPv4、IPv6)或一个MPLS填充标头(在采用MPLS时)或它们二者以及跟随的光脉冲串交换指定信息，该指定信息将被光学核心路由器110中的交换控制单元用于路由脉冲串或被电子出口边缘路由器115用于接收脉冲串。该光脉冲串交换指定信息包括：(1)同步提示，包含用于接收出口边缘路由器同步的提示；(2)偏移时间，指定从脉冲串标头包215的第一个位至脉冲串有效负载220的第一个位的偏移时间；(3)脉冲串持续时间，指定脉冲串有效负载220的持续时间；(4)脉冲串位速率，提供脉冲串有效负载215发送的位速率；(5)数据信道标识符，指定脉冲串有效负载220在其上发送的数据信道的标识符(ID)；(6)QoS，指定脉冲串有效负载215将要接受的服务的质量；(7)脉冲串序列号，标明具有相同的电子入口和出口边缘路由器地址的脉冲串(脉冲串的到达顺序可能会不同，即使它们沿着相同的路径)；以及，(8)循环冗余检查。
图2显示了脉冲串如何通过光脉冲串交换网络100而传送的一个详细的例子200。图2显示了由DWDM链路120互连的电子入口边缘路由器105、多个光学核心路由器110、以及电子出口边缘路由器115。一个DWDM链路120代表了两个相邻路由器之间的总的传输容量并包括多个信道225。各个信道225都是两个相邻路由器之间的单向传输容量(用位/秒表示)，并可由一个波长或在采用时分复用的情况下由一个波长的一部分构成。一个信道组是一组具有共同类型和相邻节点的信道225。一个DWDM链路120由数据信道组(DCG)205和沿着各个方向的控制信道组(CCG)210组成。
光脉冲串交换网络100的一个重要特征是脉冲串有效负载215与脉冲串标头包220的单独发送和交换。数据包首先在电子入口边缘路由器105从传统的电子路由器被接收并被组合成脉冲串。一旦数据包已经被组合成脉冲串且脉冲串标头包220被从脉冲串剥离，脉冲串标头包220随后被沿着控制信道组210传送并在各个光学核心路由器110得到电子处理。脉冲串有效负载215如图2所示地沿着数据信道组205传送，但它不被电子处理。脉冲串有效负载215是被沿着纯光脉冲串交换网络100传送的纯光学信号。脉冲串标头包220随后在电子出口边缘路由器115被用于接收脉冲串有效负载215。最后，脉冲串有效负载215在电子出口边缘路由器115被分解回数据包，以便被提供到它们的下一个接力码组。
这种特征便利了标头的电子处理，并提供了光脉冲串交换网络100中用于传送脉冲串的透明的入口-出口光通路。各个脉冲串标头包220包含将要被光学核心路由器110用于路由相关的脉冲串有效负载215以使脉冲串有效负载215通过各个光学核心路由器110中的光学交换矩阵的所需路由信息。
图3显示了脉冲串有效负载215及其相关的脉冲串标头包220的发送时间300。图3显示了在数据信道一325上行进的第一脉冲串有效负载305、在数据信道两个二(2)330上行进的第二脉冲串有效负载310、以及在控制信道335上行进的脉冲串标头包一320和脉冲串标头包二315。初始脉冲串偏移时间τ0由电子入口边缘路由器105设定，它可以是对所有脉冲串相同的，或者是对各个脉冲串不同的。在非负偏移时间τ的情况下，一个脉冲串标头包220的发送时间不晚于脉冲串有效负载215。在脉冲串行进的各个接力码组中，光学核心路由器110试图“再同步”各个脉冲串标头包220(例如第二脉冲串标头包315)及其相应的脉冲串有效负载215(例如第二脉冲串有效负载310)，以使偏移时间τ保持尽可能接近τ0。采用偏移时间τ的目的是解决脉冲串标头包220对光学核心路由器110的出网控制信道组555的竞争。
图4显示了脉冲串有效负载215的格式400的一个例子。各个数据包405都利用帧标头(H)410中在实际有效负载450中得到了划分。帧标头410的一个例子是数据包405的用字节表示的长度。脉冲串有效负载215还包括有效负载类型(PT)415、脉冲串长度(BL)420、以及填充偏移425。有效负载类型415是表示实际有效负载450中的数据包405的类型的选择。脉冲串长度420表示了脉冲串430从第一个字节开始的以字节表示的长度。偏移425表示了填充的第一个字节。在施加了脉冲串有效负载215最小长度限制时有时填充是必需的。在图4中，层一(1)中的同步模式455被用来对电子出口边缘路由器115处的光接收器进行同步。在脉冲串430的开始(前序)440和结束(后序)445处的防护区有助于克服由于节点之间的时钟漂移和不同波长的延迟变化、脉冲串430的到达时间与分配的光交换矩阵配置时间之间的不匹配、以及不确定的光矩阵配置时间导致的脉冲串持续时间和脉冲串430到达的不确定性。其他光层信息(OLI)，诸如性能监测和向前错误校正，也可被包括。
象传统包交换网络中的数据包标头一样，脉冲串标头包220包含光学核心路由器110用来把有关的脉冲串有效负载215一个接力码组一个接力码组地路由到其目的地电子出口边缘路由器115所需的路由信息。除了传统的数据包标头220信息之外，脉冲串标头包还包括光脉冲串交换指定信息，象上述的脉冲串偏移时间τ、脉冲串持续时间、以及承载脉冲串有效负载215的数据信道等。
图5中显示了根据本发明的光学核心路由器110的总的布局500。光学核心路由器110的总布局包括多个输入光纤505、各个输入光纤505中的多个输入信道510、多个数据信道组205、多个控制信道组210、一个输入光纤延迟线路545、一个光交换矩阵515、一个交换控制单元520、一个路由处理器525、多个输出光纤530、以及多个输出信道535。对于每个方向有一个数据信道组205和一个控制信道组210。数据信道组205和控制信道组210可以在同一光纤505上或在不同的光纤505上。注意进入的数据信道组205的数目是L且外出的数据信道组550的数目信号L’。
脉冲串有效负载215被传送到数据信道组205上的输入光纤延迟线路(FDL)545中。输入光纤延迟线路545可以是固定的或可调谐的。一个脉冲串标头包220被传送到控制信道组210上的交换控制单元520中。输入光纤延迟线路545的目的是把脉冲串有效负载215在进入光交换矩阵515之前在脉冲串标头包220被交换控制单元520中处理时延迟一个时间。光交换矩阵515能够把来自进入的数据信道510的脉冲串有效负载215交换到一个外出的数据信道535。光交换矩阵515内的光缓存器540被用来解决脉冲串有效负载215竞争，这可利用光纤延迟线540而实现。
交换控制单元520的功能与传统的电子路由器类似。交换控制单元520电子处理和获得来自脉冲串标头包220的信息，并执行信道变换功能以逻辑地确定脉冲串有效负载215来自哪一个进入的光纤505和来自哪一个进入的数据信道510。路由处理器525的功能是对整个光脉冲串交换网络100运行路由协议和其他控制协议。路由处理器525还产生并保持一个传送表并把该信息送到交换控制单元520。交换控制单元520随后根据来自该传送表的信息，确定在哪一个外出的数据信道组550和外出的控制信道组555上送出脉冲串有效负载215及其相应的脉冲串标头包220。如果在这些组中有可用的出局的数据550和控制555信道，则当脉冲串有效负载215到达光交换矩阵515或者在光缓存器540中进行了某些延迟之后，交换控制单元520将选择光缓存器540并配置光交换矩阵515以使脉冲串有效负载215通过。否则，脉冲串有效负载215被放弃。
当分别在光交换矩阵515和交换控制单元520中安排脉冲串有效负载215及其相应的脉冲串标头包220的传送时，交换控制单元520，通过使偏移时间τ尽可能地接近τ0(如图3中所示)，试图“再同步”脉冲串有效负载215及其相应的脉冲串标头包220。如果脉冲串有效负载215在其相应的脉冲串标头包220已经得到处理之前进入了光交换矩阵515(这种现象被称为脉冲串先到达)，脉冲串有效负载215被“放弃”。这是由于脉冲串有效负载215是光模拟信号。如果当脉冲串有效负载215进入光交换矩阵515时没有设定通路，则它丢失。由于脉冲串标头包220及其脉冲串有效负载215分别在交换控制单元520和光交换矩阵515中得到转接，输入光纤延迟线路545引入的延迟应该得到适当设计，以使得在正常的通信量条件下脉冲串有效负载215基本不会由于先到达而被放弃。
图6显示了根据本发明的交换控制单元520的框图600的一个例子。交换控制单元520包括多个光电(O/E)转换器605、多个包处理器(PP)610、多个输送器615、一个接线器620(一个例子是交叉棒接线器、另一个例子是共用存储器接线器)、多个调度机625、一个接线器控制器630、多个脉冲串标头包发送(BHP Tx)模块635、以及多个电光(E/O)转换器640。根据光交换矩阵515，交换控制单元520的框图600可具有集中配置或分布配置。在分布配置中，各个调度机625具有其自己的接线器控制器630。分布配置可被应用于广播和选择式光接线器中。为了这种例子的目的，图6是集中配置的一个例子。然而，相同的设计原理也适用于分布配置。
当脉冲串标头包220进入交换控制单元520时，它首先进入一个O/E转换器605并经历一种光电转换。随后脉冲串标头包220进入包处理器610。包处理器610执行层一(1)和层二(2)的去封装功能并对各个到达的脉冲串标头包220添加时间印记。该时间印记记录了相关的脉冲串有效负载215至光交换矩阵515的到达时间。该时间印记是脉冲串标头包220到达时间、脉冲串标头包220携带的脉冲串偏移时间τ和输入光纤延迟线路545的延迟的和。
随后加有时间印记的脉冲串标头包220进入发送器615。发送器615包含发送表和排队。发送器615从发送表查询路由信息并确定脉冲串标头包220应该被发送至哪一个外出的控制信道组555。相关的脉冲串有效负载215应该被发送至相应的外出数据信道组550。一个路由标签被附在脉冲串标头包220上，以被接线器620用于把脉冲串标头包路由到与指定的外出的控制信道组555相关的调度机625。如果与服务质量(QoS)有关的信息没有完全被脉冲串标头包220携带，则它也被附到脉冲串标头包220上。
发送器615随后把处理的脉冲串标头包220置于发送器排队中，该排队按照给定的顺序得到发送。一个例子是先到先出(FIFO)顺序。发送器排队的一种功能是解决接线器620中可能的内部竞争。
为了减小接线器620的迟缓，较好的是采用具有输出排队性能的接线器620。为了支持多播通信，接线器620要求固有的多播能力，否则，在发送器615中制成多播脉冲串标头包220的复本。
在发送器615、调度机625或两者中有长的排队，从而脉冲串标头包220不太可能在脉冲串有效负载215进入光交换矩阵515之前得到处理时，发送器615可放弃脉冲串标头包220或把优先级较低的脉冲串标头包220推出发送器615的队列。优先级排队也可被用在发送器615中。
随后，脉冲串标头包220被接线器620转接并进入调度机625。调度机625从脉冲串标头包220读取脉冲串有效负载215持续时间信息和时序信息，以确定脉冲串有效负载215何时将到达光交换矩阵515和脉冲串有效负载215将持续多长。调度机625首先搜索一个闲置的外出的数据信道，以运载脉冲串有效负载215，并还要考虑光纤延迟线光缓存器540。一旦发现了闲置的外出的数据信道且确定了将要采用(如果需要的话)的光纤延迟线，调度机625知道脉冲串有效负载215的第一个位何时将离开光交换矩阵515。调度机625随后排定在外出的控制信道组555上送出脉冲串标头包220的时间，试图“再同步”脉冲串有效负载和脉冲串标头包(即使偏移时间τ(≥0)尽可能接近τ0)。在成功地排定了脉冲串有效负载215和脉冲串标头包220在外出的数据和控制信道组上的传送之后，调度机625将把配置信息送到接线器控制器630，而接线器控制器630将相应地配置光交换矩阵515，以使脉冲串有效负载215通过。
调度机625与接线器控制器630双向连接。在处理了调度机625传送的配置信息之后，接线器控制器630把一种确认送回到调度机625。调度机625随后更新脉冲串标头包220(例如偏移时间和数据信道标识符)并将其与脉冲串标头包220传送时间信息一起传送到脉冲串标头包传输模块635。随后脉冲串标头包220进入BHP Tx模块635。脉冲串标头包传输模块635读取附在脉冲串标头包220上的脉冲串标头包220传送时间信息，从而知道何时发送它。最后，脉冲串标头包220进入E/O转换器640，并将脉冲串标头包220转换回光信号，再将脉冲串标头包220传送至适当的外出控制信道组555。
图7显示了根据本发明的调度机625的框图700。调度机625包括一个排定队列705、一个脉冲串标头包处理器710、一个数据信道排定模块715、以及一个控制信道排定模块720。调度机625是随光交换矩阵515而确定的。在具有输出队列的非阻塞光交换矩阵515中，在进入的数据信道组205上的到达脉冲串有效负载215可被交换到任何外出的数据信道组550。一个光纤延迟线光缓存器540被用于解决外出的数据信道组550上的脉冲串有效负载215竞争，该数据信道组550被假定具有B个光纤延迟线，其中第i条光纤延迟线引入了延迟时间Qi，1≤i≤B。在不影响普遍性的前提下，我们假定Qi=i·D，其中D是给定的时间单位。在缺省情况下，总是有具有零延迟时间的光纤延迟线，用0即Q0=0表示。对于具有输出队列的非阻塞光交换矩阵515，各个调度机625只需要跟踪其相关的外出的数据信道组550和外出的控制信道组555的繁忙/闲置时间。
从接线器620到达的脉冲串标头包220首先被存储在调度队列705中。对于基本的操作，全部所要求的就是一个调度队列705，然而可为诸如优先级的不同的服务等级保持虚设调度队列。为了这个例子的目的，将只讨论一个调度队列705。
在从调度队列705选择了脉冲串标头包220之后，脉冲串标头包处理器710提取脉冲串标头包220时序信息和脉冲串有效负载215持续时间以及其他信息。脉冲串标头包220时序信息包含至光交换矩阵515的脉冲串有效负载215到达时间。脉冲串标头包处理器710随后依次触发数据信道排定(DCS)模块715和控制信道排定(CCS)模块720。脉冲串标头包处理器710首先把时序信息和脉冲串有效负载215持续时间信息发送到数据信道排定模块715。数据信道排定模块715搜索其中可发送脉冲串有效负载215的闲置外出数据信道。如果有闲置的数据信道，则当脉冲串有效负载215进入光交换矩阵515时或在光纤延迟线光缓存器540中的某些延迟之后，数据信道排定模块715知道脉冲串有效负载215的第一个位离开光交换矩阵515的时间。它随后把脉冲串有效负载215离开时间信息和使用哪个光纤延迟线缓存器的信息发送回脉冲串标头包处理器710。脉冲串标头包处理器710随后把该离开时间信息传送到控制信道排定模块720。根据离开时间信息，控制信道排定模块720将根据使偏移时间τ保持尽可能接近τ0的原则，选择在外出的控制信道组555上发送脉冲串标头包220的时间。随后，脉冲串标头包处理器710命令接线器控制器630相应地配置光交换矩阵515。从脉冲串标头包处理器710送到接线器控制器630的配置信息包括进入的数据信道标识符、外出的数据信道标识符、转接到脉冲串有效负载215的时间、脉冲串有效负载215的持续时间、以及光纤延迟线标识符。
在接收到来自接线器控制器630的确认之后，脉冲串标头包处理器710更新脉冲串标头包220(例如脉冲串偏移时间τ、数据信道标识符等)并将其与脉冲串标头包220发送时间信息一起送到脉冲串标头包发送控制模块635。脉冲串标头包处理器710随后为处理下一个脉冲串标头包220作好准备。
在脉冲串有效负载215的所需延迟时间太长(例如＞B·D，光纤延迟线缓存器提供的最长延迟)或脉冲串标头包220不能在外出控制信道组555上发送或没有足够的时间在脉冲串有效负载215进入光交换矩阵515之前处理脉冲串标头包220的情况下脉冲串有效负载215及其相应的脉冲串标头包220就被放弃。
数据信道排定模块715运行用于数据信道组205的调度算法。该调度算法是交换控制单元设计的一个重要部分，且由于如图8中的框图800所示的光纤延迟线缓存器540引入的空隙/间隙而非常复杂。在图8中，四个到达的脉冲串有效负载215以D1和D2的同一外出数据信道组550为目标。称为带有空隙填充的最新可获得未用信道(LAUC-VF)的调度算法被用于处理排定。
LAUC-VF算法的基本想法是通过为各个到达的脉冲串有效负载215选择最新的未用或未排定的数据信道，而尽量减小空隙/间隙。给定持续时间为L的脉冲串有效负载215至光交换矩阵515的到达时间t，调度机625首先找到时隙(t，t+L)中可用的外出数据信道。如果有至少一个这种数据信道，调度机625选择最新的可用数据信道，即在t与在t之前的结束的最后一个脉冲串有效负载215之间具有最小间隙的信道225。
图9显示了LAUC-VF算法的显示900。在图9中，数据信道组205具有5个数据信道，其中D1、D2和D5是在t可用来运载所述脉冲串有效负载215的未用数据信道。然而，数据信道D3和D4在t不是可用的，因为D3上的空隙太小不能用于脉冲串有效负载215且D4在t时太繁忙。数据信道D2被选择用于运载脉冲串有效负载215，因为t-t2＜t-t1＜t-t5。如果在t时刻所有的数据信道都不可用，调度机625将试图发现在时刻t+D可用的外出数据信道(即在码组(t+D，t+D+L)可用的数据信道)，诸如此类。如果直到时刻t+B·D(即对于时隙(t+B·D，t+B·D+L))未发现可用的数据信道，到达的脉冲串有效负载215和相应的脉冲串标头包220被放弃。注意B·D构成了脉冲串有效负载215能够缓存(延迟)的最长时间。
以下给出LAUC-VF算法的正式描述。假定持续时间为L的脉冲串有效负载在时刻t到达光学交换矩阵。假定如果没有光纤延迟线缓存器被使用时脉冲串有效负载的第一位也在时刻t离开光学交换矩阵(即在时刻t开始使用外出数据信道)。其中脉冲串有效负载通过光学交换矩阵所花费的时间可忽略，以简化描述。假定光路由器具有带有B条光纤延迟线的光缓存器且第i个光纤延迟线能够延迟Qi时间。设LAUC-VF(t)进程搜索t时可用的空隙填充过的最新未用信道并在找到时返回选定的外出数据信道以在时刻t运送脉冲串有效负载，否则送回符号“否”。在缺省状态下，总是有具有零延迟时间的光纤延迟线，用0表示即Q0=0。
开始(LAUC-VF算法)
步骤(1)：i=0；离开时间=t；
步骤(2)：如果(LAUC-VF(离开时间)=NO)进到步骤(3)；
否则
{报告选定的数据信道；
报告选定的光纤延迟线i；停止；}
步骤(3)：i=i+1；
步骤(4)：如果(i＞B)
{报告发现外出数据信道失败并停止}
否则
{离开时间=t+Qi，进到步骤(2)；}
{结束LAUC-VF算法}
注意在该LAUC-VF算法中，Qi没有被进一步指定，1≤i≤B。一个例子是Q1＜Q2＜……QB。另一个例子是Qi=i·D，其中D是延迟时间单位。
以上是称为穷举搜索的LAUC-VF调度算法的一个实施例，即在搜索可用的外出数据信道时在必要时考虑光纤延迟线缓存器提供的所有可能的延迟时间(从Q1起至QB)。LAUC-VF调度算法的另一个实施例被称为有限搜索，它在搜索可用的外出数据信道时只采用全部光纤延迟线(Q1，Q2，……QB)的一个子集。
对于给定的时刻t，数据信道可被分成其中在t(例如D5)之后没有排定脉冲串有效负载215的未排定信道和其中在t(例如D1、D2、D3和D4)之后已经排定了脉冲串有效负载215的排定信道。LAUC-VF算法不区分排定和未排定数据信道。在LAUC-VF算法的一个变形中，数据信道按照LAUC-VF中排定和未排定信道的顺序得到搜索。在LAUC-VF算法的第二种变形中，数据信道可按照排定和未排定信道的顺序得到搜索。对可用的排定信道，具有最小间隙的信道得到选择(例如在此情况下，如果t1’-t1＜t2’-t2，选定的信道是图9中的D1)。LAUC原则对于可用的未排定信道也适用。
在LAUC-VF算法的第三种变形中，数据信道仍然可按照排定和未排定信道的顺序进行搜索。发现的第一个可用的排定信道被选择来运载脉冲串有效负载215。如果所有的排定信道都不可用，则发现的第一个可用的未排定信道被选择来运载脉冲串有效负载215。这种循环可被用于各种信道。最后，在第四种变形中，数据信道可按照固定或循环的顺序得到搜索。发现的第一个可用的信道被选择来运载脉冲串有效负载215。在图9中，在这种算法之下选择的信道将是D1。在数据信道排定模块715接收了来自脉冲串标头包处理器710的确认之后，它更新存储有关数据信道的繁忙/闲置信息的存储器。
图10显示了根据本发明的控制信道调度算法1000的。一旦控制信道排定模块720接收了脉冲串有效负载215离开时间信息，诸如t，控制信道排定模块720开始在控制信道组210上调度脉冲串标头包220。理想地，脉冲串标头包220应该在时刻t-τ0被送出。为了便利这种实施，控制信道被分成时隙，然而也可采用连续的时间。一个时隙1005可代表发送一个脉冲串标头包220或脉冲串标头包220的一个部分的时间间隔。为了这个例子的目的，假设一个时隙1005是发送刚好一个脉冲串标头包220的时间间隔。
在图10中，tc是当前时隙1005的开始时间，零(0)意味着没有要发送的脉冲串标头包220，且一(1)意味着在给定的时隙1005中有一个脉冲串标头包220要发送。发送脉冲串标头包220的最早的时隙1005由(Ps+[(t-τ0-tc)/Lh])modWc给出，其中Lh是时隙1005的长度(即脉冲串标头包220持续时间)，ps是至当前控制信道发送时隙1005的指针，Wc=[(△+τ0+BD-δ)/Lh)是时隙1005中的调度窗口大小，[x]是不小于实值x的最小整数，且δ是从O/E转换器605至调度机625的固定延迟。如果不能获得这种时隙1005，则脉冲串标头包220需要被延迟到在τ0的时隙内发现自由的时隙1005。注意采用了并行比较，以迅速地确定脉冲串标头包220的最早发送时间。在向脉冲串标头包处理器710报告了脉冲串标头包信息的发送时间并获得了来自其的确认之后，控制信道排定模块720通过把时隙1005标为已经被使用，更新存储有关控制信道的活动信息的表。
如果在时隙τ0中没有发现自由时隙1005，则一个否定的响应将被送到脉冲串标头包处理器710。此时，脉冲串标头包处理器710有两种选择。第一种选择是脉冲串标头包220及其脉冲串有效负载215被放弃。第二种选择是脉冲串标头包处理器710把脉冲串标头包220作为新的包，但命令数据信道排定模块715找到另一个脉冲串有效负载离开时间。这个新的离开时间应该晚于以前发现的离开时间。第二种选择对数据信道排定模块715施加了更多的处理要求。
图10显示了用于分成时隙的控制信道组210的控制信道排定的一个例子。它可被扩展到未被分成时隙的控制信道组210。在后一种情况下，控制信道排定模块720需要跟踪其相关控制信道组210的繁忙/闲置期间。在从t-τ0至t的可用的时隙中，控制信道排定模块720发现最早的可能的时间(如果控制信道可用的话，则理想的是t-τ0)，以送出脉冲串标头包220。
在其中控制信道组210具有一个以上的信道的情况下，上述原则仍然适用于分成时隙的和未分成时隙的控制信道组210，即发现最早的可能时间(如果控制信道可用则理想的是在t-τ0)，以送出脉冲串标头包220。
图11显示了根据本发明的接线器控制器630的框图1100。接线器控制器630配置了时隙方式的光交换矩阵515。接线器控制器630的基本功能是从调度机625接收配置信息，计算时隙1110以配置光交换矩阵515，并更新与该时隙1110有关的表/存储器(图11中未显示)的配置信息。
关于如何配置光交换矩阵515的信息首先从调度机625进入接线器控制器630的时隙计算处理器1105。来自脉冲串标头包处理器710的信息可包括诸如脉冲串有效负载215在哪个光纤和信道上到来、脉冲串有效负载215将在哪个光纤和信道上离开、脉冲串有效负载215何时转接，以及脉冲串有效负载215将持续多长的信息。时隙计算处理器1105采用了以下的公式来计算适当的时隙1110，以配置光学交换矩阵：
时隙=(pc+[(ts-tc)/σ])modWs，其中ts是转接时间，tc是当前配置时隙的开始时间，σ是该时隙单元且pc是至当前配置时间时隙1110的指针。
时隙计算处理器1105把该配置信息转换成接线器控制器630理解的格式，并将其存储在与刚计算出的时隙有关的表/存储器中。时隙计算处理器1105随后把一个确认送回调度机625。配置调度窗口Ws由W[(△+τ0+B·D-δ)/σ]给出。与图11中的时隙1110有关的各个表/存储器都直接或间接包含有关在该时隙1110中将要被交换(接通或关断)的光交换矩阵515中的选通信息。一个表/存储器中规定的光交换矩阵515的配置在一个时隙1110中实现。
注意以上计算的用于脉冲串有效负载215的光交换矩阵515配置时间不一定等于来自调度机625的脉冲串有效负载215的交换时间。在脉冲串有效负载215的开始的一个小部分可如图12中的1200所示地被切掉。然而，如果图4所示的防护区B440大于σ，则实际数据将不被切掉。新的脉冲串偏移时间是利用离开时间信息而不是实际的矩阵配置时间计算出的，因而脉冲串有效负载215在下一个接力码组的防护区仍然是防护区B440。
图13显示了脉冲串标头包传输模块635的循环操作1300。脉冲串标头包传输模块635由传输控制器1315和脉冲串标头包发送器1320组成。传输控制器1315由多个时隙1330和一个时隙指针1325组成。每个时隙1330包含一个标记位1305和一个指针1310。传输控制器1315的功能是根据调度机625计算出的脉冲串标头包220的发送时间信息管理它们的发送。标记位1305表示在将要发送到脉冲串标头包发送器1320的给定时隙1330中是否有脉冲串标头包220。标记位1305为1，意味着有将要发送的脉冲串标头包220。如果在各时隙1330中的各个脉冲串标头包220送到不同的控制信道，则在该时隙1330中会有一个以上的脉冲串标头包220。如果相关的标记位1305是1，指针1310指向脉冲串标头包220的地址。脉冲串标头包发送器1320执行层二(2)和层一(1)的封装功能并发送脉冲串标头包。
图14显示了根据本发明的电子入口边缘路由器105的功能布局的一个例子的图1400。电子入口边缘路由器105的布局1400包括多个光纤1405、多个线路卡1410、一个接线器1415、以及多个脉冲串组合与发送(BAT)板1420。各个BAT板1420包括一个脉冲串组合器1440、一个脉冲串队列1425、一个共享存储器1430、多个电子链路1450、一个调度机1455、一个传输控制器1445、以及脉冲串有效负载和脉冲串标头包传输模块1435。电子入口边缘路由器105的主要功能是把数据包405组合成脉冲串430并根据光脉冲串交换协议将它们送到光脉冲串交换网络100。
数据包405首先通过光纤1405进入线路卡1410。线路卡1410和交换织物来自传统的电子路由器。线路卡1410执行层一(1)和层二(2)的去封装功能、路由表查询、通信分类、修正/整形、并把数据包405送到接线器1415。线路卡1410的一个附加的功能是把电子出口边缘路由器地址附在数据包405上，该地址随后将在脉冲串组合中得到使用。接线器1415接收来自线路卡1410的数据包405，并将数据包405通过多个电子链路1450送到适当的BAT板1420中的脉冲串组合器1440。
图15显示了根据本发明的脉冲串组合器1440的一个例子1500。脉冲串组合器1440包括一个包接收器1515、一个处理器1505、以及多个存储桶1510。各个存储桶1510包括一个定时器1520和一个计数器1525。脉冲串组合器1440的目的，是根据电子出口边缘路由器地址和服务质量要求，把数据包405组合成脉冲串。为了多播通信，根据多播组地址进行了脉冲串处理(burstification)。为了这个例子的目的，只考虑了单播通信和出口边缘路由器地址。
由数据包有效负载和数据包标头组成的数据包405从接线器1415进入包接收器1515。数据包405随后被发送和存储在共享存储器1430中。数据包标头还被发送到处理器1505。处理器1505从数据包标头读取目的地信息(电子出口边缘路由器115地址)，以确定那个存储桶1510应该与该数据包相联系。根据从数据包标头获得的目的地信息，处理器1505把其中存储有相应的数据包405的共享存储器地址置入适当的存储桶1510。
定时器1520记录从第一个数据包405到达存储桶1510起过去的时间。当定时器1520超过了预定的脉冲串430组合时间时，一个脉冲串被组合起来。定时器1520随后把该信息馈送回到处理器1505并通知处理器1505把脉冲串430发送到脉冲串队列1425。计数器1525记录存储桶1510中累积的字节的数目。当计数器1525超过了最大脉冲串长度Lmax(以字节计算)时，脉冲串430得到组合。计数器1525随后把该信息馈送回到处理器1505，并通知处理器1505把脉冲串430发送到脉冲串队列1425。一旦脉冲串430被组合，组合的脉冲串430被存储在BAT板1420的共享存储器1430中，且一个脉冲串标头包220连同共享存储器1430中的脉冲串位置都被传送到脉冲串队列1425。
以下是脉冲串组合器1440在把数据包405组合成脉冲串430时可能采用的一种算法的一个例子。假定存储桶1510i的脉冲串组合时间是Ta(i)，0≤i≤Ne-1，其中Ne是电子出口边缘路由器115的数目。设存储桶1510i的定时器1520用Tc(i)表示且存储桶1510i中的脉冲串长度(以字节计算)用Ib(i)表示。基本的想法是当有数据包405到达空的存储桶1510时开始计数，且当过去的时间等于Ta(i)或存储桶中的字节数达到Lmax字节时，一个长度Ib(i)的脉冲串430得到组合，且Ib(i)随后被复置到零。详细的过程在以下给出。
(1)当长度x字节的包到达存储桶i时：
如果(Ib(i)=0)
{Tc(i)=0；Ib(i)x；}
否则如果(Ib(i)+x＜Lmax)
Ib(i)=Ib(i)+x；
否则
{报告长度Ib(i)的脉冲串430的到达；
Tc(i)=0；Ib(i)=x；}
(2)当Tc(i)=Ta(i)时
{报告长度Ib(i)的脉冲串430的到达；
Ib(i)=0；}
图16显示了根据本发明的BAT板1420的码组之间的信息交换的一个例子1600。在脉冲串430在脉冲串组合器1440中被组合之后，脉冲串标头包220和共享存储器中的脉冲串地址被发送到脉冲串队列1425。脉冲串队列1425起着缓存器的作用。随后脉冲串标头包220和脉冲串地址被发送到调度机1455。图14中的调度机1455起着根据脉冲串类型和QoS要求的脉冲串队列1425的作用。调度机1455跟踪各个数据信道的未排定时间(即未来的可用时间)。调度机1455还为各个控制信道跟踪未排定的时间或时隙(如果采用时隙操作)。出于这个例子的目的，只讨论时隙控制信道。
对于一个脉冲串430，调度机1455首先寻找分别带有最新的可获得未排定时间和时隙的数据和控制信道。调度机随后确定最早的时隙和时间以在控制和数据信道上发送脉冲串标头包220和脉冲串有效负载215。在脉冲串标头包220与其相应的脉冲串有效负载215之间有一个偏移时间，如τ0。随后，调度机1455修正脉冲串标头包220并将其连同脉冲串地址、发送时间、以及信道一起传送到传输控制器1445。调度机1455随后更新其有关数据和控制信道的未排定时间的记录。
传输控制器1445的功能与图13中的传输控制器1315类似，只是现在它还记住各个脉冲串430的发送时间并触发脉冲串与脉冲串标头包传输模块1435内的相应脉冲串发送器。传输控制器1445，在发送脉冲串标头包220时，把脉冲串标头包220和一个控制信道ID发送到位和BHP传输模块1435。传输控制器1445还在发送脉冲串430时把脉冲串地址和数据信道ID发送到脉冲串和BHP传输模块1435。
根据本发明的脉冲串和脉冲串标头包传输模块1435如图17所示。脉冲串标头包220和控制信道ID在脉冲串标头包发送器1715处被接收。类似地，脉冲串地址和数据信道ID在脉冲串发送器1705处得到接收。一旦脉冲串标头包发送器1715接收到了脉冲串标头包220和控制信道ID，它执行层二(2)和层一(1)封装功能并发送脉冲串标头包220。至一个预指定的波长/信道的E/O转换在各个脉冲串标头包发送器1715之后在脉冲串标头包220上进行。一旦脉冲串发送器接收到了脉冲串地址和数据信道ID，它用该脉冲串地址从共享存储器1430获取脉冲串430并产生一个脉冲串有效负载215。一个至预指定的波长/信道的E/O转换在各个脉冲串发送器1705之后在脉冲串有效负载215上进行，且密集波分复用多路复用器随后被用来把信道多路复用到光纤505上。在数据信道组205与控制信道组210被运载在一个以上的光纤505上时，信道变换被用来把信道225与物理光纤分离。
进入图14中的BAT板1420的位速率可能在每秒几十千兆。脉冲串组合器1440必须工作的非常快。为了降低在如此高速下的脉冲串组合负担，图18和图19显示了BAT板1420的两种替换设计。现在，当把数据包405发送到同一BAT板1420上的脉冲串组合器1440上时，需要在图14的接线器1415上进行负载平衡。
图18显示了根据本发明的脉冲串组合与发送(BAT)板1420的第一种替换设计1800。用于BAT板1420的该第一种替换设计1800包括多个脉冲串组合器1440、多个电子链路1450、多个脉冲串队列1425、一个组合式调度机和传输控制器1805、一个脉冲串和BHP传输模块1435、以及多个光纤505。图18中显示的BAT板1800具有用于每一个电子链路1450的脉冲串组合器1440、用于每一个电子链路1450的一个脉冲串队列1425、以及组合式调度机/传输控制器1805。图14所示的BAT板1420只有一个用于多个电子链路1450的脉冲串组合器1440、用于多个电子链路1450的一个脉冲串队列1425、以及分离的调度机1455和传输控制器1445。组合式调度机/传输控制器1805提供了与分离的调度机1455和传输控制器1445相同的功能。BAT板1800的主要优点，是脉冲串组合器1440和脉冲串队列1425更容易设计，因为它们只需要处理来自一个电子链路1450的数据包405。BAT板1800的设计成本也更低。
图19显示了根据本发明的用于脉冲串组合与发送(BAT)板1420的第二种替换设计1900。BAT板1420的该第二种替换设计1900包括多个脉冲串组合器1440、多个电子链路1450、多个脉冲串队列1425、一个组合式调度机和传输控制器1805、一个脉冲串和BHP传输模块1435、以及多个光纤505。BAT板1900对各个电子链路1450具有一个脉冲串组合器1440和一个脉冲串队列1425，就象在BAT板1800中一样。然而，BAT板1900中的各个脉冲串队列1425现在与一个脉冲串发送器1435相联系。进一步地，当数据包405到达BAT板1900时，它们不被存储在共享存储器中。相反地，数据包405被本地存储。
图20显示了根据本发明的电子出口边缘路由器115的功能布局2000的一个例子。电子出口边缘路由器布局2000包括多个光纤延迟线(FDL)545、多个脉冲串接收器2005、多个脉冲串标头包接收器2010、多个脉冲串分解器2015、多个IP传送器2020、多个排队管理/排定块2025、一个接线器1415、以及多个传承接口2030。电子出口边缘路由器2000的布局对每一个数据信道将包括一个脉冲串接收器2005、一个脉冲串分解器2015、一个IP传送器2020和一个排队管理/排定模块2025。
脉冲串有效负载215首先通过数据控制信道组205进入光纤延迟线545。类似地，脉冲串标头包220首先通过一个控制信道组210进入脉冲串标头包接收器2010。光纤延迟线545的功能是延迟脉冲串有效负载215一码组时间，从而使脉冲串标头包接收器2010能够处理和读取存储在脉冲串标头包220中的信息。一旦脉冲串标头包接收器2010读取了脉冲串标头包220信息并知道了脉冲串有效负载215何时到达，来自哪个信道，以及脉冲串有效负载215将持续多长，脉冲串标头包接收器2010把一个带有该信息的信号送到脉冲串接收器2005，从而命令脉冲串接收器2005接收来自光纤延迟线545的脉冲串有效负载215。一旦脉冲串接收器2005正确接收了脉冲串有效负载215，它把脉冲串430送到脉冲串分解器2015。
脉冲串分解器2015的功能是把脉冲串430分解成原来的数据包405，该数据包405在电子入口边缘路由器105被组合。脉冲串430的重新排列顺序在需要时可在脉冲串分解器2015中进行。在脉冲串430中产生的任何发送错误将报告给网络管理，以采用进一步的适当行动(例如重新发送有错误的脉冲串430)。对于脉冲串有效负载重新排列顺序和重新发送，脉冲串标头包220运载的有关信息需要与脉冲串430一起被传送到脉冲串分解器2015。随后，数据包405被发送到IP传送器2020。IP传送器2020基本上是包含传送表的处理器。IP传送器2020的功能，是读取来自数据包405的标头的信息，进行传送表查询，并确定数据包405应该输出到哪里。
随后，数据包405进入排队管理/排定块2025。排队管理/排定块2025可具有一或多个队列。排队管理/排定块2025，当有几个数据包405等候被交换通过接线器1415时，被作为一个队列。排队管理/排定块2025也可根据从IP传送器2020获得的信息对数据包405进行优先化处理。接线器1415随后把数据包405交换到适当的传承接口2030。传承接口随后把数据包405转换成传统电子路由器会理解的格式。
电子入口边缘路由器根据电子出口边缘路由器地址和服务质量要求，把包组合成脉冲串。在边缘路由器处为脉冲串提供服务质量与在传统电子路由器中为数据包405提供服务质量非常类似。
为了防止造成脉冲串215损失的早脉冲串215到达，脉冲串标头包220需要在时隙△内受到交换控制单元520的处理，△是输入光纤延迟线路545引入的延迟。在该时间限制下，提供了四种基本的方式，以提供光学核心路由器110中的不同的服务(就脉冲串215的损失来说)。这四种基本方式适合于任何的数据信道调度算法，例如LAUC-VF算法。进一步地，也可采用这些基本方式的组合。
图21中显示了根据本发明的涉及光纤延迟线缓存器中的延迟阈值的第一种方式2100。光纤延迟线缓存器2105由多个光纤延迟线2110组成。假定有两个通信等级且光缓存器具有B条光纤延迟线，其中第i个FDL能够延迟Qi时间，1≤i≤B。若j＞i，Qj＞Qi。给定阈值H，0≤H≤QB，一个低优先级脉冲串2115的延迟只能不大于H。换言之，低优先级脉冲串2115只能采用延迟不大于H的那些光纤延迟线2110，而高优先级脉冲串2120能够采用所有光纤延迟线2110。这种方式的另一实施例是定义所有光纤延迟线的一个子集QsS，即QS∈(Q1，Q2，……QB)。低优先级脉冲串只能采用属于QS的那些光纤延迟线，而高优先级脉冲串在采用光纤延迟线上没有限制。
图22中显示了根据本发明的涉及排定通信量的阈值的第二种方式2200。排定的通信量2205被定义为以已经排定在给定时刻传送的时间单位表示的通信量。图22中在时刻tp的排定通信量V’2205等于在tp的左边上的所有脉冲串持续时间的和。假定调度机625在时刻tp开始处理与低优先级脉冲串2115有关的脉冲串标头包220。如果V’≤V，V为在时刻tp的一个给定的阈值，脉冲串有效负载215将由数据信道调度算法(例如LAUC-VF)排定。如果V’＞V，脉冲串标头包220及其相关的脉冲串有效负载215将被放弃。对高优先级通信量2120没有限制。
图23中显示了根据本发明的涉及预约盖写和再排定的第三种方式2300。该过程是：(1)利用数据信道调度算法(例如LAUC-VF)排定脉冲串有效负载215；(2)对于高优先级脉冲串2120，可以在步骤(1)失败的情况下盖写低优先级脉冲串2115作出的预约；以及，(3)在可能时(可选用)对受到影响的低优先级脉冲串2115进行再排定。在步骤(2)，与盖写的低优先级脉冲串2115有关的脉冲串标头包将被从传输控制器中除去。没有步骤(3)时，盖写的脉冲串将失去。图23中显示了一个例子，其中新到达的高优先级脉冲串2120在延迟D之后通过盖写两个排定的低优先级脉冲串2115而被调度。
第四种方式涉及基于滑动窗口的具有预约盖写的时间优先级排队。由于脉冲串标头包220的顺序不真实地反映脉冲串有效负载215的到达顺序，脉冲串标头包220根据它们的脉冲串有效负载215在调度机中的到达而被重新排列顺序，并根据它们的优先级被置于不同的队列中。已经被排定在给定时间窗口中的脉冲串标头包220按照优先级顺序被处理。以此方式，早期脉冲串215到达的现象能够得到避免，且高优先级脉冲串标头包220能够被较早地处理。因此，预约盖写的数目可减少。
虽然已经详细描述了本发明，应该理解的是在不脱离所附权利要求书描述的本发明的精神和范围的前提下，可对本发明作出各种改变、代替和替换。