（光学专业论文）orpr光弹性分组环网络控制单元的研制.pdf

北京交通大学硕士毕业论文 蓼8 - 7 9 3 6 9 学生：孙世杰导师：吴重庆 摘要 随着现代通信网络业务的迅猛增长，带宽瓶颈和流量不稳定越来越成 为城域网的主要问题。弹性分组环技术( r p r ) 曾作为其中的一种解决方案， 但它的光电光转换方式仍无法满足日益增长的带宽需要。o r p r 节点将这 种转换直接在光域里进行，它减小了分组在传输过程中进行光电和电光转 换所带来的时延，加快了整个r p r 系统的传输速度，解决了电子“瓶颈”的问 题。 本文主要研究以下几方面内容： 1 。分析了城域网现状及几种新技术，结合下一代城域网要求及o r p r 自身 特点，分析了0 一r p r 应用于城域网的优势。 2 重点研究了光弹性分组环的m a c 层数据调度子层的实现。分析了现有的 电路网络控制模式，并根据光包交换网络的特点，提出了o r p r 实验网 络控制单元的系统设计方案。 3 参与完成了o r p r 网络控制单元的软硬件设计、制作、调试，实现了帧 的正确上路、下路、过环控制，冲突控制等功能，并制定了合理的调试 方案，从实际上证明了实验系统的可行性。 作为满足下一代宽带i p 城域网要求的新一代光纤环城域网，o - r p r 由 于其具有技术先进、网络可靠、服务快捷、投资有效等应用优势，在未来 的城域网建设中成为各界关注的焦点，本文的探讨和研究将对o _ r p r 及城 域网的设计和研究有一定的参考价值。 关键词：光弹性分组环，城域网，光网络控制，a r m 嵌入式系统 北京交通大学硕士毕业论文 学生：孙世杰导师：吴重庆 a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to f t h em o d e mc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ， b o t t l e n e c ko fb a n d w i d t ha n di n s t a b i l i t yo ft r a f f i ch a v eb e c o m et l l em a i np r o b l e m o fm e t r 叩o l i t a i la r e an e t w o r k s r p ra so n eo ft h es o l u t i o no ft h i sp r o b l e m w h i c ha d o p tt h em e t h o d so ft h e0 e 0d o e sn o ts a t i s f yy e tw i t ht h e 可a d u a l l y i n c t b a s i n gn e e d 7 n l es w i t c hn o d e so fo r p ra d o p tae f 行c i c n tm e t h o dt h a t t h i s s w i t c hi sd j r e c t l yi m p l e m e n t e di i lt h ep h o t i c s d o m a i n 1 1 h j sa p p r o a c hd e c i 己a s e s t h et r a n s f e rd e l a yt j m eo fp h o t o e l e c t r i cs w i t c ha n de l e c t r o o p t i cs w i t c h i ta l s o a c c e l e r a t e st h et r a n s m i s s i o ns p e e do ft h ew h 0 1 er p r s y s t e ma n do v e r c o m e st h e p r o b l 锄o f t h ee l e c t r i cb o t t l e n e c k t h i st h e s i se m p h a s i z e sm eb e l o ws e c t i o s ： 1 a n a l y z e ds e v e r a ln e wt e c l m o l o 百e so ft h em a n ，e m p h a s i z eo nt h er p r t e c h n o l o g y a n a l y z e dt h ef e a t u r ea n dm ea d v a n t a g eo ft h eo r p rt e c h n o l o g y 2 e m p h a s j z eo nt h em a cd i s p a t c h i n gl a y e to ft h eo r p rt e c l l i l 0 1 0 9 y a m a l y z e m en e t 、v o r kc o n t r o lm o d ei ne l e e t r o n i c s d o m a i n ，a n d 瘿v em es 0 1 u t i o no ft h e 0 一r p re x p e r i l n e n t a ln e t w o r kc o n t r 0 1 l i n gu n i to nt h eb a s eo fs t u d y i n go p t i c a i p a c k e ts w i t c h 3 p a n i c i p a t e di nm e t h ed e s i 弘，m a u f a c t u r e ，d e b u g g i n go ft h e n t r o lu i l i t ， 州d 1c o u l di m p l e m e n tt h ef l l i l c t i o no f 丘a m ea d d d r o p ，p a s sr i n gc o n t r o l ， c o l l i s i o c o n t r o lc o e c t l y ，a n dm a d eap r o p e rt e s t i n gp r o j e c t ，p r a c t i c a l l y i m p i o v e dm ef e a s i b i l i t yo ft h et e s t i n gs y s t e m a s t h e n e wn e x t g e n e r a t i o o f o p t i c a l m a n w h i c hc o u l ds a t i s f y t h er e q u e s t o ft h en e x tg e n e r a t i o no fw i d e - b a d 邛m a n ，b e c a u s eo ft h ea d v a l l t a g e si 1 1 a d v a l l c e d t e c l l n o l o g y ，r e l i a b i i i t yn e 俩o r k s ，h j g h - e m c i e n ts e i c e s ，e f f i d e m i r l v e s t m e n t ，r p ri sb e c o m i n gt h ef o c u si nm ef i l t u r eb u i l d i n go ft h em a n w h a t w a sr c s e a r c h i n ga n dd i s c u s s i n gi nt h i st h e s i sh a ss o m er e f e r e c ev a l u et ot l l e d e s i g i la n ds t u d yo f r p r a n dm a n k e yw o r d ：b r p r ，m a n ，o p t i c a ln e 懈o r kc o n r o j ，f a j m e s s ，a r me m b e d d c d s y s t e m 诵 北京交通大学硕士毕业论文学生：孙世杰导师：吴重庆 第一章绪论 1 1 城域网现状 随着多媒体业务的应用，通信流量将每年成倍增加，人们对带宽的需求 也越来越高。城域网作为接入网和骨干网的联系纽带，其性能的优劣将直 接影响整个网络的传输性能。城域网处于骨干网路的边缘汇聚节点，进行 本地业务的接入、汇聚、传输和交换，同时面向骨干网汇聚和吸收业务量。 目前，城域网的首要问题是带宽瓶颈。在其用户侧，由于低成本吉比特以 太网的出现和发展，局域网的速率上了一个大的台阶；在其长途侧，由于 密集w d m 技术的发展，容量已经扩展了几个量级，目前商用化系统的容 量已达1 6 t b i “s ，中间的城域网便成了全网的带宽瓶颈。其次是城域网存在 多重重叠。一方面，目前多数运营公司通过s d h 和电路交换机提供语声和 专用线业务，而通过s d h 和分离的帧中继、a t m 和评网提供数据业务， 分离的网络和网络技术往往需要分离的网管系统和人员以及不同的配置和 计费系统，导致高设备成本和高运行成本以及费时耗力的业务提供。另一 方面，用户必须通过不同的接入技术和线路获取不同的业务，不仅麻烦，而 北京交通大学硕士毕业论文 学生：孙世杰导师：吴重庆 且费用高。另外，目前城域网底层多数采用在s d h 作传送平台上固定或动 态分配电路带宽，利用基于t d m 专线的s d h 固定带宽来传送突发数据业 务时效率低下，将导致线路阻塞。这样企事业用户需要改变业务时经常不 得不重新设计和重新建设网络。由此，进行新一代城域网络的研究和建设 已成为目前通信网络发展的重要环节和内容。 1 2 城域网中的光包交换( o p t i c a lp a c k e ts w t i c h i n g ) 虽然在城域网中引入波分复用技术( w d m ) 能有效解决人们对带宽的 需求，但是单纯利用w d m 技术没有从根本上克服网络节点的电子速率“瓶 颈”，因为在网络节点仍需要光电、电光的转换和进行信号处理，所以克 服电子“瓶颈”的办法是直接进行光信号处理，即建设全光通信网。 光网络交换节点的交换单元( 交换粒度) 可以是线路级的、波长级、 分组级的或比特级的。w d m 光交换网属于波长级的光交换，每一个传送波 长对应于一个传送信道，类似于现存的电路交换，是粗粒度的信道分割， 信道带宽的利用率并不是很高。光时分交换( o t d s ) 是比特级的光信号处 理，由于对光器件的工作速度要求很高，尽管国内外的研究人员作了很大 的努力，但离实用还有相当的距离。而光包交换( o p s ) 技术属于分组级的 光交换，能够以非常细的交换粒度、快速按需地共享一切可用的带宽资源。 和o t d s 相比o p s 对光器件工作速度的要求大大降低，与w d m 光交换网 相比能其更加灵活、业务吞吐量更大，并且大大提高带宽的利用率。因此， 光包交换技术将会给下一代的城域网络带来广阔的应用前景。目前世界上 许多发达国家进行着这方面的研究，如欧洲r a c e 计划的a r o m s 项目和 a c t s 计划的k e o p s 项目、英国e p s r c 支持的p o n d 项目和c o r d 项目、 日本m 盯光网络。【2 】在国内，对于o p s 的研究亦是如火如荼，科研工作者 对其的研究热情始终不减。北京交通大学光信息科学与技术研究所近年对 o p s 进行了大量前瞻性的探索和实验，在这其中最有有开拓性的工作莫过 2 北京交通大学硕士毕业论文 学生：孙世杰导师：吴重庆 于基于全光缓存器的弹性分组环( o r p r ) 实验系统的建立。该系统的开 发工作始于2 0 0 3 年底，在经近两年的大量调研、研发、调试工作后，于2 0 0 5 年年中实现了系统的构建及功能的实现，并于2 0 0 5 年8 月顺利完成国家8 6 3 项目组的验收工作。 弹性分组环是城域网的重要形式之一。整体来说，r p r 弹性分组环是 一种基于缓存器的包交换技术。其最大优点在于：利用了空间重用协议和 公平算法等，可以组成环网拓扑，实现快速的保护和恢复；能够共享带宽， 提高带宽的利用率。此外，其能提供接入网所要求的有保证的服务质量、 快速开展业务和可管理能力等，因此受到普遍重视。 0 r p r 即光弹性分组环则是一种基于全光缓存器的r p r 技术。与传统 的e r p r ( 基于电缓存器的r p r 技术) 相比，由于经过节点的大量数据流 无需经过电光电的转换过程，从而避了网络节点内的电子瓶颈，大大提高 了系统节点的吞吐量。目前，对于0 - r p r 的研究还在进一步深入研究中， 但可以肯定该技术在推动o p s 技术的研究和市场化方面都将会起到极为积 极乃至深远的作用。 1 3o p s 系统的交换控制 从分类上来看，光包交换网是一种基于包交换技术的智能光网络。o p s 网络的基本功能应包括：( 1 ) 路由，即根据数据包分组头中的路由信息，为 数据包寻找从源到宿的光通道；( 2 ) 流量控制并解决冲突，即控制网络流量， 防止数据包的拥塞；( 3 ) 同步，在交换节点输入糯出端对数据包进行时间和 相位上的校准，以使数据包的位置与交换操作相配合；( 4 ) 识别并更新分组 头，即在交换节点输入端捕获分组头并读取信息，在输出端插入新组头；( 5 ) 级联能力，在多个交换节点上统一配置数据包的路由、定时、缓存和竞争 排除机制。f 3 1 以上基本功能的实现主要得益于0 p s 在数据链路层乃至网络层上的良 北京交通大学硕士毕业论文学生：孙世杰导师：吴重庆 好设计。而作为系统的调度控制的核心部件，网络交换控制单元( 这里的 网络交换控制单元泛指可进行节点数据包处理及交换控制的部件，可包括 交换机、路由器中的控制单元) 对以上功能的实现起到了关键性的作用， 但其最主要、最基本的工作还是在于负责搜集全网数据包及信道的相关状 态，并通过合理的调度算法控制a s i c 功能部件，完成数据包的处理转发工 作。与通常电域上的数据包的处理相比，光包交换系统对网络的交换控制 单元提出了一些更高的要求。这些要求体现在： 处理速度：由于目前光逻辑还比较原始，在光范围内处理复杂分组还不实 际，所以交换控制仍需在电域进行。而高速的0 p s 网络对交换控制单元的 处理能力提出了极高的要求。通常我们有两种选择途径：提高时钟或提高 并行性。 i ，o 口的速率：在高速系统中，总线及j o 速度常常成为制约系统性能的最 主要原因。对于o p s 系统，特别是处理高速小包交换时，总线与i o 速度 问题将日益彰显。 分组同步技术：电域光域的同步控制，特别是光分组的同步控制是控制单 元需要参与解决的关键问题之一。 在这其中，头两个方面是任何一个高速数据处理系统都需面临的问题； 而第三个方面，则是源于o p s 系统的设计要求， 那么在具体实施方面，o p s 的控制系统到底应该选取什么样的体系结 构? 这很大一部分取决于具体应用的网络及其帧结构。目前主要有三种主 流网络技术模式：常规处理器的软件处理模式，网络处理器模式和a s i c 处 理器模式。在这其中，网络处理器作为一种性能与成本综合的专用处理器， 有着极大的市场竞争力及良好的发展前景。然而，其并不是为o p s 专门设 计的，并鉴于网络处理器具有开发成本高、开发难度大及专用性的特点， 在一种新型网络开发伊始，特别是在实验室阶段的开发中，该方案并不实 4 北京交通大学硕士毕业论文学生：孙世杰导师：吴重庆 用。 本文所涉及的o r p r 网络正是一种全新的o p s 网络，其具有特有的帧 结构和调度算法。因此，对该网络节点控制单元的设计选取常规处理器的 软件处理模式会更佳有效率。至于基于a s i c 处理器的模式，由于其在灵活 性和成本上的制约性，该体系结构更适合于产量化产品的生产。 1 4 本课题的目的意义及技术条件 o r p r 作为一种新型的0 p s 网络，不仅解决了城域网的带宽瓶颈问题， 而且在多协议支持、多业务支持、快速业务扩展及传输透明性方面体现出 了其巨大的应用优势。作为该网络的核心部分网络控制单元负责完成 网络的m a c 介质控制子层和逻辑链路层的功能。该单元的设计直接关系到 整个网络的正常工作和工作效率，是一项极其重要的工作。 本文将对基于0 p s 的网络交换控制单元的设计思想和功能实现做具 体的分析和研究。在此基础上，针对一个具体的o p s 网络o r p r ，对 其控制单元软硬件的实现方法作了详细的叙述。 课题的技术条件要求： 本课题是国家8 6 3 项目“基于全光缓存器的弹性分组交换环”的子课题， 课题的实现技术条件如下： 网络结构：单环环型，不存在保护环； 线路带宽：s t m 4 ，6 2 2 m b p s ； 站点数：4 个( 包括一个虚拟站点) ； 同步数据帧长度：9 9 u s 用户数据帧长度：短帧，3 3 u s 长帧，1 3 2 u s 全光缓存器缓存周期：9 9 u s 北京交通大学硕士毕业论文学生：孙【i = 杰导师：吴重庆 1 5 本人所作的工作 论文分析了0 p s 控制单元的设计要求和方法，并基于全光弹性分组环 网络实验系统，设计调试了控制单元的软硬件部件，有效完成了o r p r 网 络的数据包调度、冲突控制等工作，即实现了o - r p r 的m a c 数据控制子 层的部分内容，取得了阶段性的成果。本论文的具体工作如下： 介绍了城域网的概念、分类和结构，结合下一代城域网要求及o r p r 自身 特点，分析了0 一r p r 应用于城域网的优势。 根据o r p r 总体方案的的需要，采用i n t e l 公司的x s c a l e 系列芯片作为 m a c 数据通路控制部分的核心部件，完成了其硬件设计，指出了本系统 p c b 设计电磁兼容的解决方法。 - 独立完成了o r p r 网络节点调度软件的设计。使用a r m 汇编语言，实现 了数据包调度算法并成功运用于o r p r 系统调度中。 为针对节点不同执行部分，采用烈t e r a 公司的f l e x 系列即g a 芯片，设计 了控制单元的接口控制板。在本课题中，该接口控制板将根据c p u 的调度 结果，完成系统最终控制脉冲的发出。 在o r p r 网络实验系统上，进行了控制单元的系统调试。实验工作表明 基于i n f e lx s c a l ep x a 2 5 5 处理器的网络交换控制器胜任于该o p s 网络数据 包的调度和各种光网络器件的控制。在调度算法设计上，该方案显出了极 大的灵活性；在网络数据包冲突控制方面，该控制单元能有效调用全光缓 存器实现冲突解决。 北京交通大学硕上毕业论文学生：孙世杰导师：吴重庆 第二章光弹性分组环技术 2 1 城域网 城域网( m e t r o p o l i t a na r e a n e m o r k ，m a n ) 的概念源自于计算机网络。 随着计算机网络的发展，根据网络覆盖的地理范围大小，网络被分为局域 网( u 州) 、城域网( m a n ) 和广域网( w a n ) ，可以类比于电话通信中的 接入网、市话网、长途网。由于网络使用的范围和对象不同，局域网( u k n ) 、 城域网( m a n ) 、广域网( w a n ) 采用各自的技术和通信协议，在网络拓 扑结构、传输速率、网络功能以及所支持的业务等方面均有差别。 总体看来，城域网是一种受用户和应用驱动的高度竞争和开放的网络。 基本特征是业务类型的多样化，业务流量的不稳定。它不仅是广域网或者 骨干网与局域网的桥接区而且是电信网、计算机网和有线电视网进行三网 融合最适合的区域，因而各种不同背景的技术在此碰撞交融，产生新的衍 生体。基于以上及考虑到现代网络的发展特点，我们对城域网的基本要求 可以总结为： 可扩展性：很方便的扩大城域网的覆盖范围，增删网络节点。以及 便于速率升级，速率可扩展至数十g b i t s ，节点数目可 远远超过传统s d w s o n i 玎的1 6 节点的极限； 支持各种业务：网络必须支持以大量的、基于软件的q o s 控制为基础的 业务，支持以强大的s l a 监视能力为基础的记费和监 控。这些业务中，最重要的是基于i p 协议的业务； 支持传统话音业务：虽然基于电路的传统话音业务所占带宽的比率在迅速下 降，但它仍然是个重要的业务收入来源，因此还必须给 以支持； 强大易用的网管：网管必须提供全面的控制和监控工具，而且要易于安装 和操作；必须提供配置保护，因为这是许多网络故障的 7 北京交通人学硕士毕业论文学生：孙世杰导师：吴重庆 腺凼； 健壮性：正常工作时间不少于9 9 9 9 9 ，有备份硬件，支持环形拓 扑和具有网络保护或恢复功能； - 费用低：包括每g b i t s 的费用、初期投资以及运维费用。 简而言之，未来城域网必须满足业务、操作、管理等多方面的要求。4 1 2 2 弹性分组环( r 电s i l j e n tp a c k e t 础n g ) 技术 城域网的数据链路层候选技术有很多，例如a t m 、p o s 、以太网、帧 中继、混合传输等。以上技术各有利弊，但都不能同时满足质量保证、效 率、性价比、带宽要求等需求。而新近出现的弹性分组环技术r p r ， 集成了以太网的经济性和光纤环网的高带宽效率和可靠性，能够支持i p 业 务，被国际上普遍认为是一种很有市场前景的技术。 2 2 1 城域网发展催生i u p r 近十年来，传统语音业务的年增长只有5 一1 0 ，而以i n t e m e t 为代表 的数据业务的年增长为2 0 3 0 。数据业务逐渐成为城域网和广域网中的 主导业务。曾经被寄予厚望试图端到端解决的衄m 技术已不再耀眼：曾经 广泛应用于城域网的f d d i 技术也快销声匿迹了；帧中继网因带宽原因无法 成为骨干技术。虽然在城域范围内三层网络技术已尘埃落定1 p 技术一 统天下，但是数据链路层的选择依然竞争激烈。 目前城域网的建设往往是依照网络应用的需求，从已有的数据链路层技 术中作出折中的选择。如果偏重q o s 要求可以选择a t m 技术；偏重效率 可以选择p o s 技术；偏重性价比可以选择以太网技术；带宽要求不高的局 域网互联可以选择帧中继；有服务质量保证的以太网可以依托混合传输平 台。但是，究竟是利用昂贵且技术复杂、带宽有限但保证质量服务的a t m ， 还是相对简单但不保证服务质量的p o s 技术，或者索性使用廉价的以太网 来构建城域数据网仍在争论中。虽然对于某种特定的业务需求总可以找到 r 北京交通大学硕士毕业论文学生：孙世杰导师：吴重庆 相应的技术，但是人们总希望某种技术可以适应更多需求。当前的现状是 运营商常常处于某种考虑不得不在构建口网+ a t m 网，或者s d h 传输网 + i p 网。幸运的是当前又出现了新的选择弹性分组环技术( r p r ) 。 r p r 是一种新兴的数据链路层协议，是为优化在环型拓扑上传输数据 包而提出的一种全新的i p 包承载技术。通常可以认为弹性分组环是当前光 网络上传输数据包的一种优化技术。该技术一方面吸收了以太网技术的优 点，如经济、灵活和可扩展性好等特点；另一方面吸收了s d h 的优点，如 对延时和抖动性能严格保障、可靠的时钟以及s d h 环网5 0 m s 快速保护。 压e e 于2 0 0 0 年1 1 月正式成立e e8 0 2 1 7 弹性分组环工作组( r p r w g ) ， 开始致力于r p r 协议标准的制定， r p r 采用了一种以缓存器插入环为基础的优化m a c 协议，环网上的所 有发送节点都可以使用环网上的可用带宽。其m a c 协议定义了节点如何应 对媒质上出现的拥塞和直接冲突，并利用缓冲和优先分组技术控制着分组 接入。 弹性分组环的主要特点包括： 支持单播、多播和广播传输； 三种业务等级：低时延保障业务、有一定时延保障业务和尽力而传的业务； 当节点或光纤环失效时，可提供5 0 m s 级的保护倒换； 统计复用带宽； - 空间重利用技术：允许多个站点在环上同时发送； 公平性：用户公平地利用网络资源； 多站点拥塞报告； 根据业务等级和拥塞情况进行流量控制； 支持即插即用 - 操作、管理和运行简单； 9 北京交通大学硕士毕业论文学生：孙世杰导师：吴重庆 采用分布式控制与管理体系。5 1 2 2 2 弹性分组环的关键技术 6 【7 】【8 】 2 2 2 1 网络结构与协议分层 图2 2 给出了一个五节点的p r p 网络结构图。网络拓扑基于两个反向 传输的环，相邻节点通过一对光纤，一对自w d m 链路的波长、一个 s o n e t s d h 的标准速率可拆卸o c _ n 电路以及其它双向连接媒介连接并 采用w d m 进行扩容。节点具有以太网接口，可直接与路由器相连。r p r 的内环和外环作为工作通道来传送r p r 协议封装的数据帧和控制帧。从 网络结构看出，r p r 支持多播传输和点到点的传输，因此更利于数据业 务的传送。此外，当发现节点网元或光纤传输失效时，r p r 执行快速自 动保护倒换机制，数据在5 0 m s 内转换到无故障的通道，提高了网络的健 壮性。 图2 2 r p r 网络结构 r p r 的分层参考模型应遵守开放式系统互联模型0 s i ，并在此基础上进 行适当的修改，以适应r p r 的特殊需要。图2 - 3 所示的r p r 协议参考模型 包括：物理层( p h y ) 技术和数路链路层技术。s d h 的标准速率或w d m 技术，因此对上层是透明的，但应该增加向上触发拓扑自动识别模块和执 行保护倒换等功能。数据链路层的m a c 与逻辑链路控制技术( l l c ) 是 r p r 最重要、最基本的功能和标准化组织研究的重点。前者主要内容是数 1 n 北京交通大学硕士毕业论文 学生：孙世杰导师：吴重庆 据在介质上传输的接入控制，后者主要包括流量控制、业务等级支持 ( s l a ) 、拓扑自动发现、发布保护倒换命令等功能。 o s i 参考模型r p r 协议栈模型 m a c 服务接口 m a c 帧接口 p h y 服务接口 图2 3 r p r 协议栈 2 2 2 2 r p r 的m a c 帧格式 r p r 的m a c 层应该能无缝地嵌入e e 8 0 2 工程协议栈中，对下支持 8 0 2 3 和s o n e 1 1 s d h 物理层，对上支持8 0 2 1 高层和互操作规范，并能与 8 0 2 3 m a c 层互相兼容。r p r 草案v 3 0 规定了三种帧结构：数据帧、控制 帧和公平算法帧。r p r 数据帧结构如图2 4 所示。 76 543 21076 5 4 3 210 图2 4 r p r 数据帧结构 在r p r 数据帧结构中，前两个字节为环控制字段。其中，t t l 为防止 1 1 北京交通大学预十毕业论文学生：孙世杰导师：吴重庆 环上帧传输死循环的计数位；r i ( 1 b i t ) 为环标记，指明帧将在哪个环上传 输：f e ( 1 b i t ) 用于表明帧是否受m a c 协议公平性算法的控制；f t ( 2 b j t ) 为帧 类型标识；s c ( 2 b i t ) 为s l a 标识；w e ( 1 b i t ) 表明帧是否可以实现卷绕保护倒 换；p f l b i t ) 为奇偶校验位。 2 2 2 - 3 基本m a c 协议 图2 5 所示，r p r 的基本结构是一个缓存器插入环b i r ，任何一个节点 都存在发送、接收、转发三个缓存器。到达节点的帧如果通过地址匹配认 为目的地是本地，则把帧接收到本地接收缓存器，若目的地不是本地，则 通过转发缓存器发出。本节点要发送的帧则通过发送缓存器发送。 图2 5 r p r m a c 基本结构 r p r 支持空分复用技术，即不同用户间的数据帧可以经由环上不同的 路径同时在环中传输，这是由于所传输的数据帧是在目的节点而不是象 f d d i 在源节点离开网络。图2 5 所示，节点1 1 到节点2 ，节点3 到节点6 的帧传输是相互不影响的。这样，网络不但为传送的帧提供最短的传输路 径，且仅占用源和目的站之间的线路，环路上的其他部分可同时供其他站 点使用，提高了整个环的总带宽利用率。 北京交通大学硕士毕业论文学生：孙世杰导师：吴重庆 链路的现状，这样节点可根据业务的服务等级要求进行路由变更。 2 2 2 6 保护倒换机制 如上所述，r p r 是由正反传输方向两个光环组成的，这种组网方式赋 予r p r 的健壮性。当一个光环切断或某一网元失效时，r p r 可通过第二层 的保护机制自动将数据帧切换到另一环路上，即使两个环路都失效，网络 仍能通过卷绕环工作。保护倒换机制主要有两种：采用采用卷绕保护机制 和源路由保护机制。以链路故障为例见图2 6 至图2 8 。 图2 6 正常传输图2 7 采用卷绕的保护机制 采用卷绕的保护机制为：当一个传输光环或节点失效时，邻近节点通过 信令通知网络节点，其他节点数据流只能在失效出两段节点环回。环回后 的数据流先被切换到另一路去，最终达到目的节点。采用源路由保护机制 的r p r 则不同，当一个光环的两个方向通知各个节点。各个节点接受到信 息后，立即转向与控制信令相反的方向发送用户帧，实现保护倒换。在进 1 4 ，飞汐 北京交通大学硕士毕业论文 学生：孙世杰导师：吴重庆 ， 图2 5 r p r 网络公平性 2 2 2 4 流量控制 在图2 5 中，如果所有的节点流向节点1 0 的流量都很大，则其上游节 点9 可以传送数据的机会就比较少。节点9 总是被上游的数据流所“覆盖”， 就会完全“饥饿”。这样就提出了“公平性”问题，即m a c 应该使环上所有节 点的上层客户信息“公平地”接入下层介质。任何一种公平性的具体实现都 是通过接入算法和控制信息协调实现的。具体算法的选择是r p r 表转化组 织的主要内容之一，典型的算法是由c i s c o 公司提出的s r p - f a 。 2 2 2 5 拓扑自动识别 在r p r 环结构中，每个节点均有上下两个相邻节点。正常状态下节点 间没有任何关于拓扑信息的更新。而当初始化、新节点加入环中或需环路 保护倒换时，r p r 进入自动拓扑识别模式。触发起触发节点并向环上的所 有节点发送节点状态的变更消息，节点可根据此消息判断有哪些节点处于 环形拓扑结构中，在环上的两个方向上到达其他节点需要几跳以及环上每 段光纤的状态。这样在网络运行过程中，每个节点都详细地掌握着网络的 拓扑图和每条链路的状态，网络实现了即插即用，当网络发生故障时，故 障点的两侧节点向其他节点发布故障消息，每个节点得知所有节点和每条 北京交通大学硕士毕业论文 学生：孙世杰导师：吴重庆 图2 8 采用源路由的保护机制 行保护倒换时，节点考虑业务的不同服务等级，根据一定的切换原则，依 次向反向环切换业务。这两种机制都能在5 0 m s 时间里完成保护倒换的功 能。而基于源路由的切换保护机制不需要“折回”，因此保护倒换时间短， 更能节约带宽。 2 2 3i 啤r 技术优势 9 【1 o 1 带宽利用率高 传统的s 0 n e r r 网络需要带宽的5 0 作为冗余，r p r 则不同，利用两个 反向旋转的环来控制数据业务量。r p r 允许数据业务流在源和目的节点之 间的环上传输，来实现空间重利用技术。 2 健壮性 r p r 是由正反传输方向两个光环组成，这种组网方式赋予r p r 很强的 健壮性。当一个环切断或某一网元失效时，r p r 可通过第二层的保护机制 自动将数据帧切换到另一环路上，即使两个环路都失效，网络仍能通过卷 绕环工作。只有当充分利用了两根反向旋转的光线时，这个保护特性才能 发挥作用。业务流的优先级机制确保了优先级高的业务能够得到适当的处 理。 北京交通大学硕士毕业论文 学生：孙世杰导师：吴重庆 3 为不同业务提供简单、快捷的服务：r p r 的目标之一是分布式接入， 分布式接入、快速保护和业务的自动冲减为节点的快速插入和删除提供了 即插即用机制。r p r 在环内使用共享带宽的分组交换技术，每个节点都知 道环的可用容量。在传统的电路交换模式下，全网格型连接需要o ( n 2 ) 各点到点连接，而r p r 只需要一个与环业务连接，简化了工作。 由于具有以上的特点，r p r 和传统技术相比优势是很明显的。 2 3 光弹性分组环( o p t i c a li k s i l i e n tp a c k e t 础n g ) 技术 1 1 】 分组交换技术实质上就是存储一转发技术。要实现全光网的分组交换， 就需要把由电子电路宋完成的第一层( 物理层) 和第二层( 介质接入控制子层 m a c 与逻辑链路控制子层l c c ) 的功能在光域中完成。而在光域中完成光信 号存储，是全光包交换最关键的技术之一。对于全光网的节点设备而言，如 全光的交换机或者全光路由器，它的节点容量、吞吐量、丢包率等等特性 都直接与它的存储器的容量、存取速度等特性有关，因此光存储器的好坏 直接决定了全光包交换网的性能。 o _ r p r 和r p r 的主要区别在于缓存器插入环b i r 实现分组的缓存和转 发是在光域中实现的，它减小了在分组在传输过程中进行光电和电光转换 所带来的时延，加快了整个r p r 系统的传输速度，在很大程度上解决了电 子“瓶颈”的问题。较之r p r 网络，o r p r 能以更细的颗粒度快速、灵活地对 w d m 的巨大带宽进行有效分配和利用，具有交换速率高、数据速率，格式透 明、支持删、m 等不同的交换方式等。 2 3 1 网络结构 本论文内容基于北京交通大学光信息科学与技术研究所的0 一r p r 实验 平台，该平台作为国家8 6 3 课题“基于全光缓存器的弹性分组交换环”的验 收项目，已实现数据包在光域的透明传输及利用全光缓存器进行拥塞解决。 o r p r 的网络结构如图所示： 1 6 北京交通大学硕士毕业论文 学生：孙世杰导师：吴重庆 图2 9o - r p r 实验网络拓扑结构 o r p r 系统实验平台采用特有的横8 字形全光缓存器，由于目前该实验 平台仍处于初期开发建设中，所以并未设计较为复杂的网络结构。该网络 基于单环拓扑结构，三个节点以开环方式构成网络。伪随机码发生器( p p g ) 作为1 号节点( 地址o x l l ) 的客户端驱动外调制器，以产生6 2 2 m h z 的光码 流作为网络的数据源。2 号节点( 地址o x 5 5 ) 采用全光缓存器作为转发缓存， 可完成对来自1 号节点数据包的下路控制和过环控制。当本节点用户的上路 数据与过环转发数据发生拥塞冲突时，节点的交换控制系统将调用全光缓 存器，实现数据报的冲突竞争解决。3 号节点( 地址o x a a 或o x a c ) 结构类 似于2 号节点，但为与2 号节点对比以做出缓存比较实验，其内部未设有转 发缓存器，因此不能实现数据包的冲突竞争解决。最终，经环路到达1 号节 点的数据将在1 号节点全部下路。三个节点中，1 、3 号节点为电节点，2 节 点设有全光缓存器，为光节点。 o r p r 实验网络采用环优先的原则，这体现在： 2 号节点网络控制单元将避免连续两个过路数据帧的连续缓存，当网络重负 荷工作时，将限制本地用户数据的上路。 3 号节点未设有转发缓存器，当过环数据帧与上路数据帧发生竞争时，将限 1 7 北京交通大学硕士毕业论文学生：孙世杰导师：吴重庆 制本地用户数据的上路。当然，在本地用户数据帧正在上路时发生的数据 帧冲突，节点将丢弃过路数据帧，以保证上路数据帧的完整性。节点内过 环数据帧的冲突丢弃是节点内部没有转发缓存器的必然后果。 2 3 2 层次模型 数据链路层的m a c 和数据链路控制技术( m a c 控制技术) 是o r p r 网 络最基本、最重要的功能。同时，这部分的功能实现也是本论文研究的重 点。o r p r 网络的数据链路层结构如图2 1 0 所示，其中数据链路调度子层和 数据链路控制子层同属于m a c 控制子层。 l l c 数_ 1 巷链路镧度子层：! m a c 数据链路控制子层- ： 图2 1 00 r p r 网络的数据链路层结构 数据链路调度子层( 调度层) ，由网络控制单元实现。主要功能是通过 一定的调度算法，合理调度各个缓存器中数据的发送，以便有效的克服竞 争。此外，0 一r p r 的许多关键技术，如拥塞控制、保护倒换q o s 及公平性实 现等也在该层完成。 数据链路控制子层( 控制层) ，包括光接收与帧同步信号提取单元、光 开关控制单元、光缓存器读写控制单元以及电缓存器读写控制单元等4 个单 元。光接收与帧同步信号提取单元主要完成对来自上游节点数据的比特时 钟提取、帧同步信号提取、地址提取等功能。光开关控制单元根据地址的 判别情况，决定光开关的倒换操作，以便将下路数据与过环数据分流。光 缓存器读写控制单元由网络控制单元控制，向全光缓存器发出符合缓存器 要求的光控制信号，而且也要保持同步。电缓存器读写控制单元是在网络 控制单元的控制下向电缓存器发出满足帧同步要求的读写控制信号。同时， 将电缓存器当前状态转发给网络控制单元。 1 r 北京交通大学硕士毕业论文 学生：孙世杰导师：吴重庆 数据通道层( 篙称通道层) ，由接收缓存、光开关、光电变换与下路缓 存、转发光缓存器、上路缓存与电光变换以及合路器等几部分组成。这一 层的功能，主要是实现用户数据分组的上路、下路、转发、缓存等功能。 在上路和下路单元中，还要实现用户数据的异步、同步转换。 图2 1 1 给出了光节点的具体结构，其中实线表示光纤连接，虚线表示电 气连接。从上游节点到来的数据经光分路器被分为两路，一路用于光接收 机进行帧头识别，另一路则经光纤延迟线后到达光开关。网络控制单元在 获取数据帧帧头信息及本站用户上路请求情况后，通过控制光缓存器及光 开关完成交换控制工作。 节点控制层中的关键器件是光缓存器和光开关，前者是o r p r 实验网 络最具特色的之处，为一个基于平行排列的3 x 3 耦合器的双环耦合全光缓存 器；后者是一个基于半导体光放大器s o a 的点控光开关，开关速度为2 0 n s 。 由于这部分非本论文研究之重点，故不再进行深入讨论。 图2 1 1o r p r 网络节点结构 点 北京交通人学硕士毕业论文学生：孙世杰导师：吴重庆 2 3 3 帧结构 。一r p r 网络实验系统采用简化的r p r 帧格式。 ( 1 ) 同步帧结构： 在0 一r p r 环上运行的同步数据帧长度为9 9 u s ，它包括前导码字段、起始 字节、目的地址、净负荷等部分构成。 前导码 起始字节目的地址净负荷保护带 ：誊：爿 jf ， ， 一1 6 6 u s - 1 图2 1 2o r p r i 司步帧结构 ( 2 ) 用户帧结构 在2 号节点和3 号节点，系统采用两种长度的用户帧( 长帧和段帧) ，有 效帧长度分别为3 3 u s 和1 3 2 u s 。其帧结构与图5 类似，都由导引字段、起始 字节、地址字节、净负荷等部分组成。差别仅在于净负荷的长度不同。 ( 3 ) 填充 o r p r 为业务突发式网络，由于目前光接收器的突发式接收实现尚有 一定的困难，因此为保证光接收机的同步不失，必须在线路空闲时加入填 充码流。系统设定的填充码流帧长度为3 3 u s 。 2 3 4 竞争的解决 o r p r 的竞争主要产生于用户的上路数据长帧和过环转发的数据帧之 间。节点在发送本地长帧期间，如果上游节点( 本实验平台即指1 号节点) 的过环数据帧恰好到达，必将产生竞争。解决方法前文已经提到调度 全光缓存器完成竞争控制。这部分内容将是本文研究和讨论的重点。 北京交通大学硕上毕业论文学生：孙世杰导师：吴重庆 第三章总体方案设计 从本章开始，论文将切入至课题研究的重点o p s 网络控制的设计 方法。目前光逻辑还比较原始，在光范围内处理分组还不实际，所以光包 的交换控制仍需在电域进行。本章将详述在电域内光包交换控制系统的设 计思想和方法，并针对一种具体的o p s 网络o _ r p r ，给出了其实现方 案。 3 1 包交换控制系统的体系结构 当前有三种主流的包交换控制体系结构1 2 1 ： ( 1 ) 基于通用处理器的系统( 单总线系统) ( 2 ) 基于a s i c 端口的控制系统( 多总线系统) ( 3 ) 基于网络处理器的控制系统( 多总线系统) 3 1 1 硬件、软件和混合体 在具体讨论三种体系结构之前，先探讨一下控制系统设计中很重要的一 个基本问题系统的硬件与软件构成：控制系统应该由通用处理器加上 所有特殊处理软件组成，还是应该完全由专用处理器组成? 一方面，软件 解决方案提供了灵活性软件能过在基本没有硬件变化的情况下修改或 升级。遇到大的变动时( 例如协议改变) ，基本系统仍然能够工作。此外， 底层硬件速度的提升不需要新的软件。另一方面，定制的专用硬件解决方 案提供最高的速度专用硬件可为每个功能而构建。内部数据通道可被 设计成在i ，o 设备和内存之间数据移动方式，并可避免常规c p u 的瓶颈问 题。 与此同时，硬件和软件设计都有其劣势。软件设计的性能低；硬件设计 修改和升级不灵活，而且代价高。而网络处理器则可看成是两者的一种折 中：同常规c p u 一样，网络处理器是可编程的；但与常规c p u 不同，网 2 l 北京交通大学硕士毕业论文学生：孙世杰导师：吴重庆 络处理器已经对包处理进行了优化。 3 1 2 基于软件的通用处理系统( 软件处理系统) 该系统设计的基本思想是：通过添加专用软件到通用硬件中来构建一个 控制系统。其结构又可分为单c p u 和分布c p u 两种方式，见图3 1 。两种 方式均基于单一通用c p u 和实时操作系统的集中处理系统，主要区别在于 后者数