密集波分复用光网络的组交换方法和设备 【技术领域】
本发明主要涉及波分复用(“DWDM”)光网络。更具体地说，本发明涉及波分复用光网络的组交换方法和设备，但本发明并不局限于此。
背景技术
铺设新光纤一度是处理光通信网中光纤用尽情况的唯一方法。除了需要很多人力和成本很高之外，该“方案”无法让网络运营商向客户提供附加业务。在1980年代早期，时域复用(“TDM”)技术使得光通信网的比特率得以提高。在TDM中，将时间划分成多个小间隔，将不同信号复用到这些分开的时间间隔中去，从而增加单根光纤的容量。
在TDM系统中，每根光纤能够利用单个激光传输光信号。光信号被转换成电信号，经电重整形、重新定时和再放大(“3R再生”)，最后再转换回光信号，导致额外的损耗。波分复用(“WDM”)网络能够通过单根光纤同时传输不同波长的多个信号，这种网络在1980年代后期推广，成为TDM在很多情况下的优选替代方案。
在1990年代中，WDM网络得到发展，能够通过单根光纤在同一光窗口中传输多达4个不同波长的不同信号。显而易见，这种网络必须使用窄激光。
为了增加能够提供的业务数量，信道间隔必须更紧密，产生了密集WDM(“DWDM”)。这种技术利用已有的光纤路径和终端设备，经济地增加了传输容量。
可以描述DWDM系统是一组并行的光信道组，每个光信道采用的波长稍有不同，但共享一根传输媒质或光纤。在典型的实施方式中，各个信号被送入光传输模块。光输出信号经波长变换器转换成1550纳米(“nm”)窗口中的指定波长。光DWDM耦合器随后将这些光信号复用到单根光纤，并转发给光纤放大器(“OFA”)。
DWDM网络中的每个路由器必须为它的N个输入和N个输出之间提供交换功能，使得N个输入和N个输出中的任何一个同时建立一对一连接。注意到组连接器能够区分输出组。很清楚，N×N置换(permutation)网络，例如Benes或Clos网络，可以用来提供这种交换功能；但是，这种置换网络的硬件成本很高。
【发明内容】
一种实施方式是具有N个输入和N个输出的N×N三级组连接器，其中N个输出被划分为r个输出组，每个组包括n个输出，使得r＝N/n。组连接器包括第一级，第一级包括r个n×m纵横开关模块，其中m≥n-1；第二级包括m个r×r纵横开关模块；第三级包括r个M×N集中器开关模块。
另一实施方式是一种构造N1×N2多级组连接器的方法，该多级组连接器地N1个输入和N2个输出来自三级组连接器，其中三级组连接器包括第一级，第一级包括r个n×m纵横开关模块；第二级包括m个r×r纵横开关模块；第三级包括r个m×n集中器开关模块。该方法包括将第一级的r个r×m纵横开关模块的每一个替换成与r×m纵横开关模块相同大小的三级组连接器；将第二级的m个r×r纵横开关模块的每一个替换成与r×r纵横开关模块相同大小的三级组连接器。
另一实施方式是具有N个输入和N个输出的N×N多级组连接器，其中N个输出被划分为r个输出组，每个组包括n个输出，使得r＝N/n。组连接器包括第一部分，第一部分包括r个n×m三级组连接器，其中m≥n-1；第二部分包括m个r×r三级组连接器；第三部分包括r个p×q肥瘦集中器(fat-and-slim concentrator)开关模块。
另一实施方式是具有N个输入和N个输出的N×N两级组连接器，其中N个输出被划分为r个输出组，每个组包括n个输出，使得r＝N/n。组连接器包括第一级，第一级包括r个n×m纵横开关模块；以及第二级，包括m个r×r纵横开关模块，其中m等于2n-1。
另一实施方式是一种根据N×N Benes网络，构造组大小为2k的N×N组连接器的方法。该方法包括在Benes网络的级2m-2、2m-3、...，2m-(k+1)设置所有开关为直接连接；以及移除Benes网络的级2m-2，2m-3，...，2m-(k+1)的所有开关。
【附图说明】
结合附图，参照后续详细描述，可以得到对本发明有更为完整的理解，在附图中：
图1是一个实施方式的入口边缘路由器的示意框图；
图2A给出了光集中器的实施方式，它包括p×q肥瘦(fat-and-slim)集中器；
图2B给出了光集中器的实施方式，它包括p×q分段集中器(banded concentrator)；
图3是N×N三级组连接器g(m，n，r)的示意框图，其中N＝nr；
图4说明了9×4肥瘦集中器的实施方式；
图5是N1×N2三级组连接器v(m，n1，r1，n2，r2)的示意框图；
图6是n×n两级可再排列无阻塞组连接器的示意框图，其中N＝nr；
图7A给出了16×16Benes网络的实施方式；以及
图7B说明了根据图7A的Benes网络组大小为4的16×16组连接器的构造。
【具体实施方式】
在附图中，几个视图相近或类似的部件都以相同的标号表示，，各种部件的大小不一需如实示出。
本发明引入了一类新的互联网络，称为组连接器。组连接器G(N，n)是由N个输入和N个输出构成的交换网络，使得(1)它的N个输出被划分成N/n个组，每个组有n个输出；(2)它可以提供从N个输入到N个输出的任何同时的一对一连接，可能不需要能够区分每个组内的输出次序的能力。注意到组连接器能够区分输出组。组连接器应用在密集波分复用(“DWDM”)网络的交换矩阵中。显然，N×N置换网络可以用作N×N组连接器；但是，后面可以看到，组连接器G(N，n)的硬件成本比相同大小的置换网络要低。
一般说来，组连接器G(N，n)记录N个客户机和N个服务器之间的同时连接，这些同时连接划分成N/n个大小相同的服务器组，每个组中的n个服务器功能相同。组连接器在DWDM网络中尤其有用。利用DWDM，可以在同一光纤上传送不同波长的光。这方面的发展为增加带宽容量提供了条件。假定连接两个节点的光纤链路利用n个不同波长传送数据，光路径具有N/n个输出链路。链路上的每个波长称为信道。那么，链路上的信道可以被认为是功能相同，它沿链路传输所用的波长可能只依赖于这些信道的可用性。组连接器可以用作DWDM路由器中的交换网络。例如，如果一些输入和一个或多个输出组连接到本地节点，则组连接器可以用作加/减交叉连接开关矩阵。
组连接器还应用于构造DWDM网络中的入口边缘路由器。图1是DWDM光网络的入口边缘路由器100的框图。入口边缘路由器100包括一组N个电或光输入链路102(1)-102(N)，以及一组N/n光输出链路104(1)-104(N/n)。每条光输出链路104(1)-104(N/n)包括一组n个数据信道Chi，1，...Chi，n，每个信道Chi，1，...Chi，n采用不同的波长。与每条输入链路102(1)-102(N)相关联的分别是输入线路卡(“ILC”)106(1)-106(N)。类似地，与每条输出链路104(1)-104(N/n)相关联的分别是输出线路卡(“OLC”)108(1)-108(N/n)。开关矩阵110位于ILC106(1)-106(N)组和OLC 108(1)-108(N/n)组之间。开关矩阵110通过连接112(1)-112(n)，单独连接到OLC108(1)-108(N/n)中的每个。
每个ILC 106的主要功能是通过路由寻址表查询，将每个输入分组路由寻址到适当的OLC 108。每个OLC 108利用它所控制的链路104(1)-104(N/n)的n个光信道，传输它所接收到的分组。下面还会详细讲到，在突发交换(burst-switched)的DWDM网络的入口边缘路由器(例如入口边缘路由器100)的设计中，组连接器可以用作开关矩阵(例如开关矩阵110)。
无阻塞组连接器
如果组连接器G(N，n)的n个输入中任何一个都能够以无阻塞方式连接到它输出端的组，而不需要重新安排到网络中其它组的已有连接，那么该组连接器G(N，n)是“无阻塞的”。
无阻塞三级组连接器
组连接器设计可以采用“集中器”来降低网络成本。讨论的p×q(p≤q)集中器是单级稀疏纵横开关设备，它可以连接p个输入中的任何q个到它的q个输出，可以不具备能够区分它们次序的能力。在设计有效的稀疏纵横集中器方面，已经做了很多重要研究。研究表明，在集中器必须具有的交叉点的数量上存在下限。具体而言，已经确定每个p×q稀疏纵横集中器必须包含至少(p-q+1)×q个交叉点。
最近已经设计出采用(p-q+1)×q个交叉点的稀疏纵横集中器。具有最小数量交叉点的两个9×4集中器分别在图2A和2B中给出，分别由标号200和202表示。集中器200被称为“肥瘦集中器”。集中器202被称为“分段(banded)集中器”。集中器200、202每一个都包括24个交叉点，这在图2A和2B中由交叉点204表示。
作为例子，采用图2A中给出的肥瘦集中器200。一般而言，为了构造p×q肥瘦集中器，将输入组I(|I|＝p)划分成两个组I1和I2，其中|I1|＝p-q而|I2|＝q，I1中p-q输入的每个都连接到所有q个输出，I2中q个输入的每个都连接到单个但是不同的输出。可以看出，对任何1≤p≤q，每个p×q肥瘦集中器都是具有最小数量交叉点的稀疏纵横集中器。
图3中给出了利用纵横集中器构造的三级组连接器300的实施方式的框图。因为组连接器300的结构由三个参数m、n和r确定，将组连接器300标记为g(m，n，r)。具体地说，组连接器300包括输入级304中的r个n×m纵横开关模块302(1)-302(r)，中间级308中的m个r×r纵横开关模块306(1)-306(m)，以及输出级312中的r个m×n集中器开关模块310(1)-310(r)，其中n＝nr并且m≥n，n是组的大小。注意到组连接器300的结构类似于三级Clos网络(m，n，r)的组连接器结构，只是输出级312包括集中器，而不是纵横(crossbar)开关。组连接器300是无阻塞的，如果m≥2n-1，它能够将n个输入中的任何一个连接到连接器输出端的组。
一般而言，网络中交叉点的数量代表了网络成本的衡量。下面计算无阻塞三级组连接器，例如组连接器300的交叉点的数量。前面讲过，n1×n2纵横会有n1n2个交叉点，而n1×n2集中器具有(n1-n2+1)n2个交叉点。因此，对无阻塞组连接器g(m，n，r)而言，交叉点的数量是：
rnm+mrr+r(m-n+1)n (1)
无阻塞多级组连接器
为了降低网络成本，图3中给出的三级组连接器300可以如下推广为无阻塞多级组连接器。首先，利用(p-q)×q纵横开关和q个2×1开关实现p×q肥瘦集中器。以这种方式实现的9×4肥瘦集中器400在图4中给出。集中器400包括5×4纵横开关402和4个2×1开关404(1)-404(4)。
为了构造无阻塞多级组连接器，三级组连接器300的每个级304、308、312中每个纵横开关模块302(1)-302(r)、306(1)-306(m)都由三级组连接器g(m，n，r)递归替换，后者的大小与被替换的纵横开关模块一样。以下讨论针对如何确定替换纵横的三级网络的参数，以实现最小成本，其中N1不一定等于N2。
图5是具有5个参数的普通N1×N2三级网络500的框图，该三级网络标记为v(m，n1，r1，n2，r2)，其中N1＝n1×r1而N2＝n2×r2。具体来说，网络500包括第一级502，第二级504和第三级506。第一级502包括r1个纵横开关508(1)-508(r1)，第二级504包括m个纵横开关510(1)-510(m)，第三级506包括r2个纵横开关512(1)-512(r2)。网络500要成为对任何一对一连接都是无阻塞的，必须满足的条件是，中间级开关m的数量满足以下条件：
m≥(n1+n2-1) (2)
因此，无阻塞N1×N2v(m，n1，r1，n2，r2)网络中交叉点的数量可以如下计算得到：
n1×m×r1+m×r1×r2+m×n1×r2
＝(N1+N2)m+m×r1×r2
＝m(r1×r2+N1+N2)
＝(n1+n2-1)((N1×N2)/(n1×n2)+N1+N2) (3)
可以看出，当
n1＝n2＝((N1×N2)/(N1+N2)) (4)
N1×N2三级无阻塞网络达到最小数量交叉点，其中
2(N1+N2)[2((N1×N2)/(N1+N2))-1] (5)
因此，对任何N1×N2纵横开关，基于方程(4)和(2)，可以构造成本最低的N1×N2三级无阻塞网络。
下面，以九级组连接器为例来说明如何计算无阻塞多级组连接器的交叉点。类似的方法可以用于任何3k级无阻塞组连接器，其中k＞1。
九级组连接器通过将三级组连接器中每个开关替换成同样大小的三级网络来实现。因为原三级网的第一级包括r个n×m开关，在用n×m三级网络替换每个这样的开关之后，按照等式(5)，在九级组连接器的前三级中有：
r[2(n+m)(2((n×n)/(n+m))-1)]
＝2r(2(n×m(n+m))-n-m) (6)
个交叉点。
类似地，因为原三级网络的第二级包括m个r×r开关，在用r×r三级网络替换每个这样的开关之后，按照等式(5)，在九级组连接器的第四、五、六级中有：
m[2+r)(2((r×r)/(r+r))-1)]
＝4mr(2r)-1 (7)
个交叉点。
最后，因为原三级网络的最后级包括r个(m-n)×n开关和rn个2×1开关，在用(m-n)×n三级组连接器替换每个(m-n)×n开关之后，按照等式(5)，在九级组连接器的最后三级中有
r[2(m-n+n)(2(((m-n)n)/(m-n+n))-1)+2n]
＝2r(2(m×n(m-n))+n-m) (8)
个交叉点。结合等式(6)、(7)和(8)，九级组连接器的交叉点的总数是：
2r(2(n×m(n+m))-n-m)+4mr((2r)-1)+2r(2(m×n(m-n))+n
-m)
＝4r[m×n(m+n)+m×n(m-n)+m(2r)-2m] (9)
在特定条件下，三级组连接器可以递归转换成包括2×2开关的多级组连接器。
重排无阻塞组连接器
如果组连接器能够实现输入和任何输出组之间的所有可能的连接，其中允许对已有连接的重排，那么该组连接器是重排无阻塞的。
重排无阻塞三级组连接器
如果中间级开关的数量m≥n，那么三级g(m，n，r)网络是重排无阻塞的，能够连接任何n输入到网络输出端的组。需要指出，如果m≥n，三级Clos网络对置换而言是重排无阻塞的。在g(m，n，r)中，因为不需要区分组中的输出，所以集中器用于第三级。因此，连接可以和前两级中的置换一样的方法循环，然后通过集中器集中在每组上。事实上，如果考虑m的最小值，输出级的集中器变为n×n集中器。在这种情况下，通过简单地移除组连接器300(图3)的集中器，就能够得到两级重排无阻塞的组连接器，其结果在图6中给出。这样，对三级重排无阻塞的组连接器而言，交叉点的数量是：
r×n×m+m×r×r (10)
重排无阻塞多级组连接器
类似于置换网络，重排无阻塞三级组连接器可以推广为多级组连接器。具体来说，组连接器可以根据同样大小的Benes网络来构造。图7A和7B说明了根据在图7A中由标号710表示的16×16Benes网络，构造组大小为4的16×16组连接器，在图7B中由标号700表示。图7B中说明的网络是组大小为4的组开关，这可通过将Benes网络710的级5和6中所有开关设置成直接连接加以验证。一般通过将级2m-2，2m-3，...，2m-(k+1)中所有开关设置成直接连接并移除这些开关，能够得到组大小2k(k＜m)的N×N(N＝2m)组连接器。因为Benes网络可以实现网络输入和输出之间的所有可能的置换，所以以这种方式构造的网络可以实现从网络输入到网络输出的所有可能的组连接。
显然，大小为2k的N×N多级组连接器具有
(2log N-1-k)(N/2×2×2) (11)
个交叉点。
网络成本比较
前述组连接器的一个实施方式的网络成本可以与相应的置换网络进行比较，以确定根据交叉点可以节省多少成本。前面讲到，对三级置换网络v(m，n，r)而言，交叉点的数量是：
r×n×m+m×r×r+r×m×n (12)
因为三级无阻塞组连接器g(m，n，r)具有
r×n×m+m×r×r+r(m-n+1)n
个交叉点，所以采用N×N无阻塞组连接器而不是置换网络，能够节省
r×n(n-1)＝N(n-1) (13)
个交叉点。
因为三级重排无阻塞组连接器具有
r×n×m+m×r×r
个交叉点，与三级置换网络相比，采用三级n×n重排无阻塞组连接器能够节省
r×n2＝N×n (14)
个交叉点。
下面考虑多级组连接器。对无阻塞多级网络而言，以九级组连接器为例。需要认识到，九级置换网络和九级组连接器的不同仅在于它们的最后三级，置换网络最后三级的成本由等式(6)中给出，组连接器最后三级的成本由等式(8)中给出。因此，与九级置换网络相比，九级组连接器节省的交叉点为
2r(2(n×m(n+m))-n-m)-2r(2(m×n(-n))n-m)
＝2r[2(n(2n-1)(3n-1))-3n+1]-2r[2(n(2n-1)(n-1))-n+1]
＝4r[(n(2n-1)(3n-1))-((2n-1)(n-1))-n (15)
最后，因为n×nBenes网络具有
(2log N-1)(N/2×2×2)＝2N(2log N-1)
个交叉点，而大小为2k的N×N多级重排组连接器具有
(2log N-1-K)(N/2×2×2)
个交叉点，利用大小为2k的N×N多级组连接器所节省的交叉点是
2N×k (16)
根据以上分析，显然，对不需要区分组内输出次序的应用而言，组连接器可以用于降低网络成本。例如，假定应用具有1024输入/输出，组大小为8，通过用相同大小的组连接器替换1024×1024Benes网络，可以消除8/19，或者42％的交叉点。
总之，描述了称为组连接器的一类互连网络，它在构造客户机-服务器连接，DWDM加/减交叉连接，以及DWDM路由器的开关矩阵上有重要应用。已经表明，这种根据交叉点的组连接器的成本，要远远低于置换网络的成本。这里描述的实施方式对以时隙传输模式工作的DWDM网络的入口路由器尤为有用，在时隙传输模式下，目的地相同的输入分组被组装到较大的固定长度的帧中，每一帧对应于入口线路卡(“ILC”)上的一个时隙。所有N个输入请求同时给出，要求交换，通过适当地控制开关元件，可以避免不必要的连接冲突。帧的路由寻址和转发中的分摊开销远比交换单个分组要小得多。
相信通过前面的详细描述，本发明的操作和构造已经很清楚。虽然显示和描述的本发明的示例性实施方式的特征为优选的，但应当理解，在不偏离后续权利要求书所提出的本发明范围的前提下，可以做出各种变化和改进。