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一种具有内部加速的光突发交换节点
技术领域
本发明属于光通信技术领域，它特别涉及光突发交换系统中核心交换节点的交换结构设计和光缓存设计技术。
背景技术
众所周知，电路交换和分组交换是电网络的两种主要交换模式。随着密集波分复用(Dense Wavelength Divided Multiplex，DWDM)光传输技术和设备的成熟和广泛应用，直接在光层实现业务交换的需求越来越大，因此，全光实现的“电路”交换(即所谓波长路由)和分组交换受到广泛关注，被认为是克服电交换速率瓶颈的有效途径。但是，这两种交换方式都存在各自的缺陷。一方面，随着分组业务(尤其是IP业务)的爆炸式增长，使得人们普遍认为未来的通信网络设计应以优化支持分组业务为主要目标，而波长路由的交换方式本身的特点决定了它不适于支持突发性强，业务变化频繁的IP业务；另一方面，全光的分组交换在实现上存在若干难点，许多关键技术的突破仍有待于光器件技术的成熟(如灵活有效的光逻辑器件、光存储器件，以及光域的同步技术等)。因此，近年来提出的光突发交换(Optical Burst Switching，简称OBS)技术日益受到人们的关注。下表给出了三种光交换方式的简单比较。从中不难看出，OBS技术在支持分组业务的性能上高于波长路由方式，而实现难度(尤其是对光器件技术的要求)低于光分组交换。

波长路由光分组交换光突发交换交换粒度持续的线路需求(大粒度)单个分组(小粒度)若干分组构成的数据突发(中等粒度)持续时间长短中等带宽利用率低高较高(与突发长度的定义有关)全光缓存不需要必需不必要对分组业务的适应程度低高较高实现复杂度低高适中
                表1三种光交换方式的简单比较
在OBS网络中，突发数据包(Burst)可以看作是由一些IP分组组成的超长分组，而这个超长分组的分组头就是突发的控制分组(Burst Header Packet，BHP)。与传统分组交换不同的是，BHP与突发数据包在物理通道上是分离地，在DWDM传输系统中，可以采用一个(或多个)专门的波长作为控制通道，用于传送BHP，而把其他的波长作为数据通道。BHP与突发一一对应，在边缘节点设置BHP与突发数据包之间的偏移时间(offset time)，即边缘节点发送BHP与发送相应突发数据包之间的间隔时间。BHP中包含突发数据包的有关信息，如偏移时间、突发长度、数据通道(波长)等。BHP在中间节点转换为电信号进行处理，包括路由的确定、资源的预约以及交换矩阵的配置等，保证当突发数据包到达时相应的数据通道已经配置好，从而实现数据在光域的透明传输。
从完成的功能来看，BHP与传统电路交换网络中的信令非常相似，正是在这个意义上，BHP也被称为信令消息。但与传统信令不同的是，OBS的信令不必等待目的端的反馈确认，换句话说，OBS的资源预约是单向的。也正是这种“单向预约”机制减小了连接建立延迟，提高了信道利用率。
一个OBS网络主要由边缘节点、核心节点和DWDM链路构成(见图1)。其中边缘节点负责对数据分组进行缓存和封装，组合成突发数据包，然后发送给与之最邻近的OBS核心节点。封装时边缘节点生成描述突发特性的BHP分组，先于突发数据包在特定的控制通道上发送。核心节点根据控制通道上收到的BHP分组，可以得知数据突发的到达时间、持续时间、目的地址等控制信息，并根据这些信息完成对光路的配置，保证数据的透明通道。
OBS核心节点交换的时候，当多个突发数据包同时要交换到同一输出端口的某个特定波长通道上去的时候，就发生了“冲突”。此时为防止数据丢失，在交换结构设计上主要采用波长变换器(Tunable Wavelength Converter，简称TWC)和光缓存(也称光延迟线：Fiber Delay Line，以下简称FDL)。
波长变换：波长变换可以把输入的任一波长转换到任一其它波长，这种变换必须在电信号的控制下完成。当存在多个相同波长的信号要同时交换到同一输出端口的同一波长时，可以分别将冲突信号变换到这个输出端口中其它的空闲波长上，从而避免了冲突。但是，这种方法有一定的局限，即业务负载较重时冲突解决的效果不明显。另外，全光的波长变换器TWC价格昂贵。因此，只依赖波长变换不能完全解决冲突问题。
缓存：由于数据突发完全在光域处理，不进行OEO转换，所以必须采用全光的缓存技术。全光的缓存目前只能采用光纤延迟线的方式来实现。
为说明方便，做如下定义：
基本延时单元：不计零延时的情况，光延迟线能提供的最小延时。
1×N交换开关：一个交换开关，具有1个输入端口，N(N为正整数)个输出端口。能够将输入端口输入的信号交换到任意一个输出端口。
图2是现有的光缓存FDL设计，它由1×N光交换开关、多根不同长度的光纤和耦合器组成，能提供0到B＝(N-1)b的时延，b是基本延时单位。
采用现有的光缓存FDL设计，一个突发数据包到达光缓存FDL时，就必须根据光缓存FDL出端的忙闲状态(是否有突发数据包正在传输)，确定它的缓存时间，然后1×N的开关才能确定将它送到哪一根相应的延迟线上，但是，采用这种一进入就被确定缓存时间的策略，就难以随时根据光缓存FDL的缓存情况动态地调整突发数据包的缓存时间，不能取得较高的缓存效率。
总体来看，现有的核心交换节点实现方案基本一致。都大致包括四个主要组成部分：光交叉模块，交换控制模块，以及协议处理模块，线路接口模块。其中交换控制模块功能包括对信令处理、转发表的查找、资源的预约及冲突判决和处理等。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、光缓存FDL和波长变换器TWC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。线路接口模块包括光分叉复用模块(MUX/DEMUX)和掺铒光纤放大器(EDFA)等与光传输相关的器件。
由于全光实现的波长变换器TWC仍处于发展阶段，技术仍不成熟，而且价格昂贵。因此从光交换节点的结构设计上减少对波长变换器TWC的需求，成为一个急待解决的问题。
发明内容
本发明提供了一种具有内部加速的光突发交换节点，它具有内部加速、高的光缓存FDL的缓存效率、避免使用波长变换器TWC等特点。
为了描述方便，做如下定义：
冲突：多个突发数据包同时要到同一输出端口的某个特定波长通道上去的时候，就发生了“冲突”，在分组交换机中也称为“外部阻塞”；在光突发交换节点中，我们沿用“外部阻塞”这个称呼。
交换平面：指交换机中的一个交换阵列面，即一个光突发数据包的交换模块(switching fabric)，详见参考文献Andrzej Jajszcyk and T.Mouftah，“Photonic FastPacket Switching，”IEEE Communications Magazine，February 1993。交换平面通过光缓存FDL和波长变换器TWC与输入端口和输出端口相连，如图3、图8所示。
通过率：成功交换的数据包和到达交换机的数据包的比率。
本发明提供了一种具有内部加速的光突发交换节点，其特征是它包括N(N为正整数)个交换平面、2×N²个光缓存FDL 4、N个1×N开关1、N个光耦合器2、N个入端口、N个出端口，每一个入端口均与一个1×N开关1连接；每一个出端口即为其对应的光耦合器2的出口；N个交换平面并联连接，即每一个交换平面的所有入端口均是通过与其相连的光缓存FDL 4连接在该入端口对应的1×N开关1的出口；每一个交换平面的所有出端口均是通过与其相连的光缓存FDL 4连接在该出端口对应的光耦合器2的入口，如图4所示。
需要说明的是，上述的光缓存FDL可以采用现有的光缓存FDL，如图2所示；也可以采用一种新型的光缓存FDL，如图5所示；
所述新型的光缓存FDL包括：输入端的1×2开关6，短光纤线8，N个2×2的交换单元，基本延时单元3，以及输出端的光耦合器2；两根短光纤线8连接输入端1×2交换开关的出口和第一个2×2的交换单元的入口，第一个2×2的交换单元到第2个2×2的交换单元、第2个2×2的交换单元到第3个2×2的交换单元、……、第N-1个2×2的交换单元到第N个2×2的交换单元之间均是通过一根短光纤线8和一个基本延时单元3连接；第N个2×2交换单元的出口和光耦合器2之间通过两根短光纤线8连接；光突发数据包由光耦合器2输出，如图5所示；
新型的光缓存FDL采用的缓存策略是：当一个突发数据包到达新型的光缓存FDL时，我们并不立即确定它的具体延迟时间，这时如果该新型的光缓存FDL出端忙，则把它放入第一级基本延时单元；当前传输的突发数据包传输结束，该新型的光缓存FDL出端空闲，在这个时刻，为了选择下一个离开该新型的光缓存FDL的突发数据包，我们假定该新型的光缓存FDL中缓存的第i个突发数据包距离它的下一级2×2交换模块的距离为Di，那么Di的最小值min(Di)所代表的便是下一个离开该新型的光缓存FDL的突发数据包。此算法的核心思想就是使前后两个离开该新型的光缓存FDL的突发数据包的时间间隔尽可能的小，以此来提高该新型的光缓存FDL出口的线路利用率。
新型的光缓存FDL能提供0到B＝(N-1)b的时延，b是基本延时单位，通过控制每一级2×2的交换单元，把突发数据包交换到短光纤线或者基本延时单元上，就能提供不同的时延。
本发明的工作过程：
到达交换节点输入端口的突发数据包通过1×N交换开关被分配到空闲的交换平面上；交换平面将突发数据包交换到它的目的输出端口所连接的光缓存FDL缓存；当该输出端口空闲时，将突发数据包从该输出端口输出。
本发明的工作原理：
N个交换平面并联的结构如图4所示，当有N个数据包争用同一个出端口时，这N个数据包可以同时通过不同的交换平面被交换到该出端口，在该出端口的光缓存FDL缓存中被缓存，在缓存管理算法的安排下，这些数据包依次从该出端口发送。可见，多平面交换将单平面的带宽扩大了N倍，也称交换机的内部加速。
内部加速可以分为完全加速和部分加速。比如，在图4中，同时最多能有N个突发数据包竞争同一个输出端口，如果设置N个交换平面，能够把N个数据包同时交换到该出端口，这就是完全加速。在完全加速的条件下，“冲突”的数据包能够同时得到交换，也就克服了“外部阻塞”；反之，如果交换平面低于N个，称为不完全加速，“外部阻塞”不能被完全克服。
当冲突发生时，现有的单平面光突发交换节点的解决方案是通过光缓存FDL在输入端缓冲冲突的突发数据包，或者是通过波长变换器为冲突的突发数据包在另外一条波长上寻找可用的交换通路。但由于这些行为都只是发生在一个交换平面内，交换机没有内部加速，不能很好地解决“外部阻塞”问题，在网络负载较大时，这两种方案都不能取得很好的通过率。而利用多平面的结构，当多个突发数据包竞争同一输出端口的时候，这多个突发数据包可以在不同的交换平面上同时得到交换，在输出端口光缓存FDL缓存并发送。这样，由于交换机内部加速，交换能力大大增加；同时，由于解决了“出端阻塞”问题，就可以不需昂贵的波长变换器。即使在网络负载加重的情况下，也能取得很好的通过率。
新型的光缓存FDL结合其采用的缓存策略能够取得很好的缓存效果，图6和图7是新型的光缓存FDL和现有的光缓存FDL的一个比较实例。在实例中，设定光缓存FDL的最小时延单位b为一个突发数据包的长度，按照现有的光缓存FDL的缓存策略，在突发数据包进入光缓存FDL之前就确定其具体时延，那最后离开光缓存FDL的就是突发数据包3，整个传输结束时间t3+2b(b是光缓存FDL的最小时延单位)；图7中，采用新型的光缓存FDL的缓存策略，结束时间是t2+2b。明显，t2+2b＜t3+2b，后一种算法减小了空闲时间片，提高了光缓存FDL出口线路利用率。
综上所述，本发明的特点是：(1)通过设置多个交换平面，增加OBS交换节点内部带宽，达到交换机内部加速的效果，解决了突发数据包的“外部阻塞”问题，从而避免采用昂贵的波长变换器TWC；(2)采用新型的光缓存FDL，并采用新的光缓存FDL的缓存策略，可以提高了光缓存FDL的缓存效率。
附图说明
图1是OBS网络示意图
图2是现有的光缓存FDL的结构示意图
其中，1是1×N光交换开关，2是光耦合器，3是基本延时单元，用b表示，B表示时延，B＝(N-1)b。
图3是现有的单交换平面结构示意图
其中，4是光缓存FDL，5是可调波长变换器TWC，共有N个入端口、N个出端口，N为正整数；
图4是本发明的具有内部加速的光突发交换节点结构示意图
其中，1是1×N光交换开关，2是光耦合器，4是光缓存FDL，平面0、平面1～、平面N-1表示并联的交换平面；
图5是本发明设计的新型的光缓存FDL结构示意图
其中，6是1×2的光交换开关，3是基本延时单元，短光纤线8；
图6是现有的光缓存FDL工作实例
其中，λ0指输入波长，t₂和t₃分别是突发数据包2和突发数据包3完全到达光缓存FDL的时间，突发数据包2到达光缓存FDL时，由于光缓存FDL出口(耦合器处)突发数据包1的传输还没有结束，光缓存FDL出口(耦合器处)不空闲，因此将突发数据包2缓存最小时延单位b；同理，突发数据包3被缓存2b的时延。因此，最后输出的是突发数据包3，其传输结束时间为t₃+2b。
图7是本发明的新型的光缓存FDL工作实例
其中，λ0，t₂和t₃指代同图6，突发数据包2到达光缓存FDL时，由于光缓存FDL出口(耦合器处)突发数据包1的传输还没有结束，光缓存FDL出口不空闲，因此将突发数据包2缓存最小时延单位b；突发数据包1在光缓存FDL出口处的传输结束时，由于突发数据包距离它的下一级(第一级)2×2的交换单元最近(因为突发数据包3紧接突发数据包1到来)，因此下一个输出光缓存FDL的是突发数据包3，突发数据包2继续被下一级最小时延单位缓存。最后输出光缓存FDL的是突发数据包2，其传输结束时间为t₂+2b。
图8是一种现有的单平面的光突发交换节点
其中，交换平面由8个4×4的交换模块以及光缓存FDL4组成；输入和输出光纤均有4条，每条光纤上复用9条波长，λ0～λ8，其中，λ0～λ7用于突发数据包传送，λ8用于突发数据包头BHP传送。分波器7将输入光纤上复用的多个波长解复用；交换控制模块处理BHP信息，为将来到达的突发数据包安排交换通路；耦合器2将λ0～λ8复用，其出口连接输出光纤。
图9是一种本发明的具有内部加速的光突发交换节点
其中，该交换节点包含4个交换平面，每个交换平面由8个4×4的交换模块以及光缓存FDL4组成；输入和输出光纤均有4条，每条光纤上复用9条波长，λ0～λ8，其中，λ0～λ7用于突发数据包传送，λ8用于突发数据包头BHP传送。分波器7将输入光纤上复用的多个波长解复用；1×4光开关9将突发数据包传送到空闲的交换平面，交换控制模块处理BHP信息，为将来到达的突发数据包安排交换通路；耦合器2将λ0～λ8复用，其出口连接输出光纤。
图10是本发明具有内部加速的光突发交换节点的工作流程图
其中，空闲开始时刻T_i，j，表示在时刻T_i，j之后，出端口i上的波长j空闲图11是本发明在完全加速和部分加速下的Burst丢失率曲线
具体实施方式
以下，我们通过一个实例，具体说明本发明的内容。
一种具有内部加速的光突发交换节点，如图9所示，该交换节点包含4个交换平面，每个交换平面由8个4×4的交换矩阵以及光延迟线光缓存FDL组成；输入和输出光纤均有4条，每条光纤上复用9条波长，λ0～λ8，其中，λ0～λ7用于突发数据包传送，λ8用于突发数据包头BHP传送。每条波长传输速率10Gbps。不需要引入可调波长变换器，故这里的交换是实现不同光纤之间同波长的交换。BHP进入交换控制模块，经处理后控制交换矩阵以及1×4开关，将突发数据包交换到正确的输出端口。
在上面所述的交换节点中，最多同时有四个突发数据包竞争同一个出端口的同一个波长。因此，N＝4是完全内部加速。在这种情况下，任何一个到来的突发数据包都能够得到立即的交换；如果N＜4，就需要在交换平面的输入端加上光缓存FDL，用于缓存不能被立即服务的突发数据包。
出端的缓存则是必须的，用于缓存同时到达同一个出端口的同一个波长的多个突发数据包。
所述的交换节点的工作过程是：
建立交换资源表，该表包含3个表项：出端口号i，波长号j，空闲开始时刻T_i，j。表示在时刻T_i，j之后，出端口i上的波长j空闲，如图10所示。
所述的交换节点仿真结果分析：
我们仿真突发数据包丢失率和出端口缓存的关系。在以下的仿真中，采用新型的光缓存FDL，其最小时延设均设定为1/2突发数据包的长度。从图11中可以看出，当采用完全内部加速时，随着出端口缓存的加大，突发数据包丢失率减小得很快。在最大光缓存FDL时延大于35倍Burst长度时，丢失率可以控制在10^-5数量级；
如果采用不完全加速，比如N＝2，也能取得很好的交换效果。我们采用N＝2，令入端缓存的最大时延为12倍突发包长度(完全加速是不使用入端缓存)，网络负载0.8，仿真得到突发包丢失率和出端光缓存FDL最大时延的关系，如图11所示。可见采用不完全加速同样可以取得和完全加速相同数量级的效果：比如在出端光缓存FDL最大时延为35左右时，两种情况下的突发包丢失率都是10^-5数量级。
当然，采用不完全加速而取得良好效果的代价就是引入了入端缓存，从而加大的Burst的平均时延，N＝2时的平均时延时2.546突发包长度，而采用N＝4的平均时延是2.479突发包长度。
综上所述，本发明具体实施方式中提出的具有内部加速的光突发交换节点，它是通过增加OBS交换节点内部带宽，避免使用昂贵的波长变换器TWC。在完全内部加速的情况下，设置合理的出端口光缓存FDL的缓存大小、最小时延单位，可以取得10^-5数量级的突发包丢失率。更进一步的，在入端口采用新型的光缓存FDL，可以在部分加速(2倍)的情况下取得和完全加速同样数量级的突发包丢失率，而突发包的平均时延增加非常微小。