（光学专业论文）光弹性分组环中光缓存器控制驱动单元和基于soa光开关的研究.pdf

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。r p r 曾作为其中的一种解决方案，但其光电光转换方 式仍无法满足日益增长的带宽需要。0 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。 本论文主要讨论了0 r p r 节点中，上游来的分组经过c p u 识别后，c p u 发出电控指令，在本人设计的光电转换系统下该指令成为光脉冲信号一控 制光信号，进而实现对进入光缓存器中的分组的控制。为了实现对光缓存 器中分组可靠的控制和控制光和信号脉冲光相对严格的在时域中对准，就 必须使得进入光缓存的控制光的脉冲足够宽、控制光在时域中能够得到必 要的延时。对此，论文研究了使用c p l d 芯片e p m 7 0 6 4 实现控制光脉冲宽度 可适时调整以及延迟可适时调整的方法。 最后讨论了节点系统中基于s o a 的电控光开关的设计原理和测试结 果，使得分组能够在c p u 的调度下通过电控光开关的下路或转发。c p u 的 指令在经过c p l d 对信号的脉宽和延时调整处理后作为s o a 的注入电流。当 s o a 中注入电流时，输入的光信号就能够通过s o a 放大输出，此时的s o a 处于开关的通态；当s o a 中没有注入电流时，输入的光信号就不能够通过 s o a t 硷出，此时的s o a 处于开关的关态，这样实现了对输入s o a 的光信号 的开关控制。 关键词：城域网，r p r ，0 r p r ，可编程逻辑器件，硬件描述语言，分布 反馈半导体激光器，激光器驱动电路，半导体光电二极管，s o a a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft 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 a s t a b i l i t yo ft l - a , l 币ch a v et u r n e di n t ot h em a i n p r o b l e mo fm e t r o p o l i t a n a r e an e t w o r k s r p ra so n c ：o ft h er e s o l v e i to ft h i s p r o b l e m a to n e t i m ew h i c h a d o p t t h em e t h o d so ft h ep h o t o e l e c t r i cs w i t c ha n d e l e c t r o o p t i cs w i t c hd o e s n ts a t i s f yy e t w i t ht h e g r a d u a l l yi a c r e a s i n g l a c e d t h e s w i t c hn o d e so f0 一r p r a d o p t ae f f i c i e n tm e t h o dt h a tt h i ss w i t c hi sd i r e c t l y i m p l e m e n t e d i nt h e p h o t i e s - d o m a i l a t h i sa p p r o a c h d e , c r e a s e st h et r a l a s f e rd e l a y t i m eo fp h o t o e l e c t r i cs w i t c ha n d e l e c t r o o p t i cs w i t c h i ta l s oa c c e l e r a t e st h e t r a n s m i s s i o ns p e e do ft h ew h o l er p r s y s t e ma n d o v e l o , o i i l t ：st h ep r o b l e mo ft h e e l e c t r i cb o 哪e - n e c k t h e p a p e r d i s c u s s e st h a ta f t e rt h e p a c k e t s f r o m u p s t r e a m n o d e sa r ei d e n t i f i e d b yt h ec p u t h ec p u c 姐s e n do u tae l e c t r i cp u l s ei nt h er p rn o d e ss y s t e m t i f f sp u l s ec a l lb es w i t c h e dt oo p t i c a lp u l s et h r o u g he l e c t r o o p t i cs w i t c hs y s t e m d e s i g n e db y m c ：t h e ni tc 蛆b e i m p l e m e n t e dt h ec o n t r o lo fo p t i c a lp a c k e t s c o m i n g i n t ot h e o p t i c a lb u f f e r t oa c h i e v et h er e l i a b l eco n t r o lo ft h eo p t i c a lc o n t r o lp u l s ea n ds y n c h r o n i z e t h ec o n t r o lo p t i c a lp u l s ea n ds i g n a lo p t i c a lp u l s ea tt i l et i m e d o m a i n ，i tm u s t m a k et h ew i d t ho ft h ec o n t r o lo p t i c a lp u l s ee r l o l l g i lw i d ea n dt h ec o t l t r o lo p t i c a l p u l s eg a i nn e c e s s a r yd e l a y a tt h et i m e t h e p a p e r d i s c u s s e st h ea p p r o a c hh o w t o i m p l e m e n t t h e t i m e l ya d j u s t m e n to f w i d t ho f p u l s ea n d t h ed e l a y a tl a s t ，i td i s c u s s e st h ed e s i g nt h e o r ya n dt e s tr e s u l to ft h eo p t i c a ls w i t c h c o n t r o l l e db y e l e c t r i c i t y i tm a k e s t h ep a c k e t ss t o r ea n df o r w a r da tt h e a r r a n g e m e n t o fc p u t h r o u g l lt h eo p t i c a ls w i t c h t h e p u l s es e n d e d o u tb yc p ui sa d j u s t e di t sw i d t ho f p u l s ea n dt h ed e l a y t h e ni tr e j e c t e si n t ot h es o a w h e n t h er e j e c t i o nc u r r e n tc o m e si n t ot h es o a , t h e o p t i c a lp u l s ei n t ot h eo p t i c a lb u f f e rc a nb ea m p l i f i e di nt h ee n e r g y w ec a l l s a yt h es w i t c hi nt h eo ns t a t e w i t h o u tt h er e j e c t i o nc u r r e n t ，t h eo p t i c a lp u l s e c , a 曲o tb ea m p l i f i e da n d g e ta c r o s st h es o a w e c a l ls a yt h es w i t c hi nt h eo f f s t a t e t h e nw ec a l li m p l e m e n tt h ec o n t r o lo ft h eo n - o f fo f t h es w i t c h k e y w o r d s ：m a n ，r p r ，0 - r p r ，p l d ，h d l ，d f b ，l a s e r d r i v ec i r c u i t ， p s o a 北京交通丈学硕士毕业论文学生：王辉导师：吴重庆 第一章城域网、r p r 和o r p r 1 1 城域网 1 1 1 城域网概述 从历史上看，城域网( m a n ) 最初产生于局域网互连和数据新业务发展 的需要。在1 9 9 9 年发展成为砸e e 所规范的一种覆盖城域范围的特定新型计 算机网络，正式形成并成为分布式排队双总线( d q d b ) 的i f 置e8 0 2 6 标准。 以后随着形势的变化逐渐发展成为各类不同背景新兴运营公司的区域性多 业务通信网，传统电信运营公司也开始在其相应的局问中继网范围大量建 设类似的多业务区域性通信网。“ 从基本特征看，城域网是一种主要面向企事业用户的，最大可覆盖城市 及其郊区范围的，可提供丰富业务和支持多种通信协议的公用网，实际是 一种带有某些广域网特点的本地应用型公用网络。可以说城域网的关键特 征是公用多业务网，从而带来了系列有别于其他网络的特点。城域网既 不同于局域网，又不同于广域网。城域网与局域网的主要区别首先是网络 性质的不同。局域网是企事业专用网，而城域网是丽向公用网应用和多用 户环境的：其次是传输距离的扩展，典型局域网的传输距离为数公里，而 城域网范围可扩展到5 0 1 5 0 i 【m ：最后是业务范围的扩展，典型局域网通常 主要提供数据业务，露城域网的业务范围不仅有数摄，还有语音和图像， 是全业务网络。l 副 城域网与广域网或长途网的主要区别首先是容量，广域网或长途网要 求很高的容量，蔼城域嚼只需中等容量即可；其次是覆盖距离的缩小，典 型广域网或长途网的传输距离可达数千公里；再有广域网或长途网的流量 稳定，可以采用单一的通信制式，最常用的通信制式是s d h 。而城域网需 要与各种不同制式的网络连接，两且要能很快地提供客户层信号所霭的带 北京交通大学硕士毕业论文学生：王辉导师：吴重庆 宽：最后是容许的成本不同，广域网或长途网的高容量可由成千上万的大 量用户共享，因而可以容许较高的成本，而城域网不行。特别是 城域网的成本关键是节点，而非线路，而长途网恰好相反。 总的看，城域网是一个开放的网络，受用户和应用驱动，基本特征是业 务类型多样化，业务流量的不确定性。因此一开始就对城域网提出了高速、 综合业务、宽带、光纤连接和适用于传送口业务等较高的建网要求。它是 传统广域网与局域网的桥接区或传统长途网与接入网的桥接区，因而各种 不同背景的技术在此碰撞交融，往往会在复杂的融合过程中产生新的衍生 体，多样化将是城域网有别于长途网的重要特点。 1 1 2 城域网的主要问题与下一代城域网的基本要求 目前，城域网的主要问题首先是带宽瓶颈和流量不稳定。在用户侧，以 太网( e t h e m e t ) 因其简单性、易扩展性及其高的性价比，在局域网( l a n ) 中已占主导她位，且传输速率正以每三到五年十倍的速度增长。同时，在 广域网( w a n ) 方面，由于密集波分复用( d w d m ) 技术的发展，骨干网传 输速率已达到t b i t s 。而中间的城域网接入网成为全网的带宽瓶颈。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 换机提供语声和专线业务，而通过s d h 和分离的帧中继、a t m 和i p 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。“3 对下一代城域网的基本要求可以总结为： 北京交通大学硕士毕业论文学生：王辉导师：吴重庆 希望采用单一公共平台支持多协议多业务，中间层最少： 目前应该有效支持从电路交换网向分组网的过渡，将来应该对i p 数 据业务传送最佳： 希望网络的链路容量和节点数可以不受限制扩展； 其有光的透明性，适应各种现有和将来可能出现的协议和业务： 具有拓扑灵活性，可快速扩展业务； 可以实现快速业务指配； 有集成的、标准的、易用的网管系统： 支持以传统语音业务为代表的实时业务； 价格低( 包括初建和维护) 。 图1 1 未来城域网必须满足业务、操作、管理等多方面的要求 1 2 弹性分组环( 1 冲r ) 1 2 1 弹性分组环( r p r ) 概述 弹性分组环r ) 是种新的m a c 层协议，是为优化数据流的传送而 提出的。弹性分组数据传送r p t ( r e s i l i e n t p a c k e t t r a n s p o r t ) 是基于r p r 环形 北京交通大学硕士毕业论文学生：王辉导师：吴重庆 结构的一种带空间复用的传输方式。r p t 技术吸收了干兆以太网的经济性 和s d h 对延时和抖动严格保障、可靠的时钟、5 0 m s 环网保护特性和r p t 具有空间复用机制，可同m p l s 相结合，同时其有第三层路由功能，基于 l u 盯技术的设备可以承载具有突发性的口业务，同时支持传统语音传送。 r p r 标准规定：r p r 是一种双环结构、可以有效的支持数据传输的、 面向城域网的新技术。r p r 最多可支持2 5 5 个站点。不过，环中的站点不 超过6 4 个被认为是最佳设计。并覆盖范围可达2 0 0 0 公里。f 3 】 l u 哏主要特点包括： 支持单播( 点对点) 、多播( 一点对多点) 和广播、( 一点对所有节点) 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； 当节点或环失效时，可提供5 0 m s 级的保护切换； 通过存储器调度均衡链路流量，提高链路利用率和吞吐量： 空间重利用技术：允许多个站点在环上同时发送： 公平性：站点公平的利用网络资源； 多站点拥塞报告： 根据业务等级和拥塞情况进行流控； 支持即插即用操作： 操作、管理和运行简单： 采用分布式控制、管理体系： r p r 分层参考模型仍然应该遵守开放式系统互连模型( o s i ) ，并在此 基础上进行适当的修改，以便适应r p r 的特殊需要。可以看出，r p r 网络 完成的功能仍然是7 层协议的下两层技术，它包括：物理层( p h y ) 技术 和数据链路层技术。其中，p h y 可采用e t h e r n e t 的物理层技术，s d h 或 北京交通大学硕士毕业论文学生：王辉导师：吴重庆 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。而数据链路层的m a c 与数据链路控制技术m 队c 控制技术) 是r p r 最主要，也是最基本的功能，是标准化组织研究的重点。 前者主要内容是数据在介质上传输的接入控制，而后者主要包括流量控制、 业务等级支持( s l a ) 、拓扑自动识别和发布保护倒换命令等功能。 4 j 图1 2 弹性分组环的体系结构 1 2 _ 3 4 j 6 。7 8 1 2 3 4 56 7 8 陌i _ t d f i “f 幸l 竿hp “ 辅 坩b - ， i l 母i p l i 舶1 眠 h c n m m c d t 憎 阳一一 f c s 一 图1 3r p r 毗c 数据帧格 i 2 2 砌) r 的m a c 帧格式 5 北京交通大学硕士毕业论文学生：王辉导师；吴重庆 r p r 的m a c 层应该能无缝地嵌入i e e f _ 加2 工程协议栈中，对下支持 8 0 2 3 和s 删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 rm a c 应能实现l a y e r2 快速交换，可选用的 方案之一是双地址编码模式或与标准m p l s 位相结合。r p r 的m a c 帧结 构的最大特点是实现l 2 快速分组交换并与m p l s 无逢结合。 r p r 帧结构是r p r 标准化的重要内容之一，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。下面是r p r 草案v 3 0 数据帧结 构及描述。 环控制 如图1 2 所示环控制占帧头的前2 个字节，包括： r r l 生存时间。防止环上数据传输死循环的计数位。源节点根据一定的规 则设置r r l 位，每经过一个节点t i l 减1 ，当一个节点收到1 工为0 的帧时将丢弃之。 r | 环标记，指明帧在哪个环上传输，为一个比特。r j 为0 时，在环0 上 传输；m 为1 时，在环1 上传输。 f e 符合公平算法标志，为一个比特。这位用于帧是否受r p r 公平算法的 控制。值为0 时，不受公平算法的控制：值为l 时，帧受公平算法的 控制。 f r 帧类型，为两个比特这两位用于表明帧类型。r p r 草案v 3 0 给出了 三种基本帧，如下表l - 1 所描述。 f r 值描述 0 0 保留 0 1 控制帧 1 0公平算法帧 1 1数据帧 表1 1 帧类型描述 6 北京变通大学硕士毕业论文学生：王辉导师：吴重庆 s c 服务等级，为两个比特。r p r 草案v 3 0 给出了三种基本服务等级，a 类又分为a 0 子类和a 1 子类。见表1 2 描述。 s c 值描述 0 0c 类 0 1b 类 1 0a 类中的a 1 子类 1 1a 类中的a 0 子类 表1 2 帧的服务等级描述 a 类业务：低时延、低抖动、速率恒定的业务。r p r 为此项业务提供 低时延、低抖动和固定带宽服务。对超出所承诺的固定带宽部分，r p r 不传输此部分。 b 类业务：有一定的时延和速率保障，并且允许一定突发数据的可变带 宽业务。r p r 将为之提供不同的服务：给有一定的时延和速率保障的部 分承诺带宽( 与a 类业务类似) ，给突发部分提供尽力而传的服务( 遵从 公平性算法，与c 类业务类似) 。 c 类业务：为此类业务仅提供尽力而传的服务。 w e 符合卷绕描述。用于表明帧是否可以卷绕。值为0 时，只能用于源路 由保护切换：值为l 时，帧也可以卷绕保护切换。 p 预留位，一个比特。在数据帧中优先级预留位。 源地址和目的地址r p r 采用双模式地址编码方式，在连接建立、拓 扑更新或其它指定过程中使用4 8 b i t 标准以太网地址编码模式，而在r p r 环常规运行时使用8 b i t 逻辑地址，可以标识2 5 6 个环节点，远远大于传 s o n e t s d h 环1 6 个节点的限制。短的地址编码方式有利于加快帧头的 处理速度，所有节点可以基于逻辑地址进行快速的l a y c r 2 交换，能实现 极低的交换延迟( 1 0us 数量级) 。 丁t l 基数，为一个字节。这个字段设置的是分组第一次发送到环上时 r r l 字段的初始值。其可以用来快速计算分组经过的跳数。 扩展帧位( e f ) ，为一个比特，扩展帧标示。 7 北京交通大学硕士毕业论文学生：王辉导师：吴重庆 头部校验和( h e c ) ，两个字节。使用指定的数学校验方法验证帧头的 成帧和传输有效性。头和数据分别校验，是因为在高速的数据转发中， 将数据复制到内存作为一个连接的数据块之前应该先确保头部信息的 正确性，如果帧头有误，数据就有可能被复制到错误的进程，从而出现 延迟甚至错误的转发。在数据块复制期间再进行数据的校验。 协议类型帧长度当此值大于或等于1 5 3 6 时，所表明的是m a c 客户 层( m a c 上层) 的协议。当此值小于1 5 3 6 时，所表明的是帧长度。 头部校验和用指定的校验方法验证帧头的成帧和传输有效性。 净负荷该字段为客户层数据( 数据分组中) 或各种信令信息( 控制 或维护分组中) 。 帧校验( f c s ) 一个3 2 比特的循环冗余校验码，它与p o s 中所用的c r c 是相同的。其生成器的公式采用c r c 3 2 ： 工3 2 + x 笛+ + 工丑+ x 1 6 + x 1 2 + 工1 1 + 工1 0 + 工。+ z 7 + x 5 + 工+ 工2 + x + 1 f c s 根据目的地址、源地址、协议类型和承载的负荷来计算。其与头部校 验和字段一起判断错误的位置和来源，以决定下一步的处理。 控制帧中没有协议类型1 9 贞长度，替换为控制版本( 占1 个字节) 和控制帧 类型( 占1 个字节) 。 r p r 草案v 3 0 规定了三种控制帧：拓扑自动识别帧、保护信息帧和 o a m 控制帧。 公平算法帧相对简单，只有环控制、源地址、算法控制头( 占2 个字 节) 、控制值( 占2 个字节) 和帧校验( f c s ) 。 5 1 l 。2 3r p r 的关键技术 ( 1 ) 网络拓扑结构 r p r 的拓扑结构是一组沿着双向环路互联的交换节点，与s o n e t s d h 北京交通大学硕士毕业论文 学生：王辉导师：吴重庆 不同的是，它的反方向传输的双环都是工作环。其拓扑结构具有自动发现 和更新功能。 为了在r p r 环路上连接相邻的节点，可以采用各种底层媒介，比如一 对裸光纤、一对自w d m 链路分插出的波长、一个s o n e t s d h 可拆卸o c - n 电路以及其它双向连接媒介。以该拓扑结构为基础，每个r p r 节点支持两个 环端口：一个支持与左边邻近节点的连接，另一个支持与右边节点的连接， 节点仅需掌握两个端口的光路状态。 ( 2 ) r p r 的恢复和保护机制 网络的生存性是指网络能承受设备和线路故障的能力。业务恢复时间 和范围是度量生存性的两个重要尺度，不同的业务等级对恢复时间和范围 有不同的要求。大量的研究表明，如果业务中断时间不超过5 0 m s ，对于多 数电路交换网的实时话音业务和中低速数据业务来说不会造成服务质量 ( o o s ) 的下降，因此把5 0 m s 作为衡量传送网生存性的重要指标。 在r p r 环网中，两根光纤都是工作纤。没有主备用之分。在一般情况 下，给定两节点之间的数据分组和信令分组反向传送，当发生光纤中断时， 节点光纤入口物理层设备检测到错误并将该信息通知m a c 层。如果该错误 北京交通大学硕士毕业论文学生：王辉导师：吴重庆 信息确认，那么每个受影响的r p r 节点将会执行一个故障覆盖( f a i l - o v e r ) 动 作，把故障路径方向的数据流到切换到反方向光纤，同时发出一个l a y e r 2 控制信令分组通知其它节点。其余节点收到这个信令分组后( 有可能不只一 个节点发出此分组) 也把所有业务转移到有效环上。r p r 的这种基于源路由 的保护倒换机制可以实现把数据转换到最佳路径上去。在保护切换过程中， 会按照业务流的不同服务等级决定倒换次序和带宽分配策略。警报通知和 重定向数据流都将在故障发生后的5 0 m s 内完成。 ( 3 ) 空间复用协议( s r p ) 空间复用技术最初应用于s o n e t 中，指环上的每个节点都可以公平利 用网络提供的带宽。它是一个新的m a c 层协议，采用s o n e t s d h 成帧，主 要是为了提高网络带宽的利用率它具有可升级、快速保护交换和业务倒 换、多广播和优先级等功能。s r p 与以往的令牌环和f d d i 的一个重要区别 就是单播分组在其到达目的节点之后即从环上剥离，只使用源与目的节点 间的线路，并不锁定整个环，其它节点间的通信可以同时进行。 这样使得许多节点可以同时发送分组，提高了环带宽利用率，特别是环上 节点较多的情况下，带宽利用率的改善尤为明显。图所示为运行s r p 协议 的r p r 环的一个例子，其中有4 个 节点对正在通信：1 6 ，1 3 ，2 3 和3 5 由图中容易看出， 在不影响其它节点通信的情况 下，3 5 的通信可以使用这两个 节点间光纤链路的全部带宽。凭 借源路由麇夯萄卖飘割藉1 1 4 i 望知用协议，r p r 处理业务的速度有可能达 至u s o n e t ! s d h 双向线路倒换环或单向通路倒换环，原因有两个：是选择 了分组传送路由的最佳路由；二是同一时隙在不同网段上可以传送不同的 1 0 北京交通大学硕士毕业论文 学生：王辉导师：吴重庆 数据。1 3 】 ( 4 ) 基本m a c 协议 脏e8 0 2 1 7r p r t 作组涉及在节点缓存调度类型的讨论如图1 6 所示。这是 基于两个相反方向的传输环的五节点r p r 模型。在r p r 系统上两个方向传 图1 - 6l 啦r 五节点模型 输分组的环分别接有相互独立的访问单元，用户可以通过独立的访问单元 在r p r 系统上发送和接受分组。一个r p r 节点又可以被分作两个连接不f 司传 送方向、相同的子单元。用户可以通过插入合适的传送缓存( t x ) 来发送 高优先级或低优先级的业务。本地节点将用户的业务从上游的节点转发到 下游的节点，从而实现业务在光纤环上的传输。r p r 的m a c 层采用存储转 发( s t o r e 柚df o r w a r d ) 或虚电路直通( c u tt h r o u g l i ) 模式，因此帧间不需要 前导或间隔字节，这样就提高了带宽利用率，减少了转发延迟，其中存储 转发机制主要适合于空间复用技术。 北京交通大学硕士毕业论文学生：王辉导师：吴重庆 r s ：r c d 雌s w i c tt i b ：1 嘲i 暑百t s ：1 n m l s - 由 r z ：r 耳h cb f f 苜t x ：t r a m m l tb h 图1 7 基于具有优先级安排的传输开关的存储转发模型 如图1 7 所示，其中，传输开关根据优先级安排调度分组，传输缓存( t b ) 实现高优先级或低优先级分组的缓存和转发是在电域中实现的。 在任何一个节点中都存在一个缓存器插入环b i r 即( t b ) 和三个缓存 器，即发送缓存器，接收缓存器和转发缓存器。到达节点的帧如果通过地 址匹配认为是目的地是本地，则把帧接收到本地接则把帧接收到本地接收 缓存器，如果目的地不是本地，则通过转发缓存器发出。而本节点要发送 的帧则通过发送缓存器发送数据。旧 1 30 r p r 网络业务的迅猛增长要求未来的主干网能提供更大的带宽。尽管w d m 技术使光纤的承载能力大为提高，然而光通信巨大带宽的充分利用还需要通 过快速、灵活的交换方式才能得以实现。采用光电光方式的交换节点存在 电子“瓶颈”，克服这种电子“瓶颈”的有效办法是直接进行光交换。在所 有的光交换方式中，光分组交换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 a t m 、坤等不同的交换方式等。 要实现全光网络，需要先实现全光网的分组交换，它需要解决系列 北京交通大学硕士毕业论文 学生：王辉导师：吴重庆 的关键技术，也就是要把由电子电路来完成的第一层( 物理层) 和第二层( 数 据链路子层m a c 与逻辑链路控制子层l c c ) 的功能在光域中完成。分组交换 技术实质上就是存储一转发技术，因此在光域中完成光信号存储，就成为包 交换的关键技术之一。对于全光网的节点设备而言，如全光的交换路由器， 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 & p ( t b ) 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，解决了电子“瓶颈” 的问题。 1 3 1o r p r 实验项目介绍 o r p r 实验项目采用的帧格式中将a t m 帧作为净负荷，帧头使用整个 实验系统便于级联的格式。为了便于帧同步和帧定位，帧中的起始符采用 f d d i 的通用起始符1 1 0 1 i 0 0 0 。帧格式如图1 8 n 示。 r 一 前导码：1 0 1 0 1 0 1 0 起女占符：1 1 0 1 1 0 0 0 ( f d d i ) 图1 8 实验系统帧格式 北京交通大学硕士毕业论文 学生：王辉导师：吴重庆 对于o r p r 节点的设计考虑到光路和电路上的协调工作需要在光接受端增 图1 9 项目节点框图 加了光纤延迟线。整个实验项目的节点框图如图1 9 所示，实验项目的光节 点系统图如图1 1 0 所示。 其中：1 光接收数据缓存与帧头信息读取模块。2 下路的和穿过节点的光 数据帧的分流模块，3 下路的光数据帧接收模块，4 穿过节点的数据帧的 缓存与转发模块，5 上路的数据帧缓存与发送模块，6 控制模块，7 上游 节点，8 下游节点，9 下路缓存，1 0 上路缓存 圈1 1 0o r p r 光节点系统图 1 4 北京交通大学硕士毕业论文学生：王辉导师：吴重庆 从上游节点到达本地节点的分组，由光耦合器分作两路，一路经光纤 延迟线到达光开关s o a l ，一路经光电变换、串并变换进入c p u ，c p u 判断 上游节点来的分组是下路还是存储转发，从而发出相应的控制指令，控制 光开光s o a l 、s o a 2 ，当分组为下路时，光开光s o a l 打开使得分组原路 返回，而下路的分组经过f i f o 下路接受；当分组为存储转发时，光开关闭 合，分组进入光缓存b u f f 1 ，在光纤克尔效应下两个相对传输、具有相等幅 度的光信号脉冲闻的发生干涉现象。在控制脉冲的作用下光克尔效应改变 了与控制信号传输方向相同的信号的相位，从而实现信号光的存储转发， 进而转发到下游节点。 对于本地的上路分组在c p u 的控制下发送。如果在b u f f 1 中没有分组， 那么c p u 就会控制b u f f 2 上传分组；若b u f f 1 中存在分组，c p u 控制b u f f 2 等待，至到转发分组转发完毕。 1 - 3 2 本人所做的工作 本人的工作分为两部分。 第一部分：完成了c p u 对光缓存控制，将c p u 输出的电的控制指令转换 为光的控制指令控制光，进而实现对进入光缓存器中的分组的控制，即 实现对进入光缓存b u f f 1 的分组存储和转发；为了实现对光缓存中分组可靠 的控制，必须使得进入光缓存的控制光的脉冲足够宽，这样使得光缓存中 的分组，即脉冲信号光完全被控制光包裹，从而整个脉冲信号光都出现交 叉相位调制，实现非线性相移。为了使得控制光脉冲的宽度可以适时调整， 本人使用了c p l d 芯片实现脉宽的灵活调整。 在实验系统中，对于光域和电域的对准也是一个难点。为了使得控制光 和信号脉冲光相对严格的在时域中对准，本人设计了一个延时系统通过 拨码开关来适时地调整控制光的时延。使得在光缓存中的信号光即分组可 1 5 ! ! 室奎望查兰堡主兰些笙兰 一 兰兰! 兰堑量堕! 墨曼垦 以准确地获得转发，到达下一个节点。 第二部分：完成了s o a 电控光开关的设计和调试工作。 c p u 发出控制指令控制从上游节点到达本地节点的分组，满足转发的分 组经地址识别后通过s o 砧茳入光缓存器b u f f 1 ，满足下路的分组经地址识别 后通过s o a 下路。 c p u 的指令在经过c p l d 对信号的脉宽和延时调整处理后作为s o a 的注 入电流，从而对输入s o a 的光信号进行控制。当s o a 中注入电流时输入 的光信号就能够通过s o a 放大输出，此时的s o a 处于开关的通态：当s o a 中没有注入电流时，输入的光信号就不能够通过s q a 输出，此时的s o a 处 于开关的关态。 北京交通大学颈士毕业论文学生：王辉导师：吴重庆 第二章可编程逻辑器件设计和开发 2 。1 可编程逻辑器件概述 2 1 1 可编程逻辑器件发展 随着微电子技术的发展，设计与制造集成电路的任务已不完全由半导 体厂商来独立承担。系统设计工程师们更愿意自己设计专用集成电路 ( a s i c ) 芯片，而且希望a s i c 的设计周期尽可能短，最好是在实验室里 就能设计出合适的a s i c 芯片，因而出现了现场可编程逻辑器件( e p l d ) ， 其中应用最广泛的当数现场可编辑门阵列( f p g a ) 和复杂可编程逻辑器件。 早期的可编程逻辑器件只有可编程只读存储器( p r o m ) 、紫外线可擦 除只读存储器( e p r o m ) 和电可擦除只读存储器( e e p r o m ) 三种。由于 结构的限制，它们只能完成简单的数字逻辑功能。其后，出现了一类结构 上稍微复杂的可编程芯片，即可编程逻辑器件( p l d ) ，它能够完成各种数 字逻辑功能。典型的p l d 由一个“与”门和一个“或”门阵列组成，而任 意一个组合逻辑都可以用“与或”表达式来描述，所以，p l d 能以乘积和 的形式完成大量的组合逻辑功能。这一阶段的产品主要有p a l ( 可编程阵 列逻辑) 和g a l ( 通用阵列逻辑) 。p a l 由一个可编程的“与”平面和一个 固定的“或”平面构成，或门的输出可以通过触发器有选择地被置为寄存 状态。p a l 器件是现场可编程的，它的实现工艺有反熔丝技术，e p r o m 技 术和e e p r o m 技术等。还有一类结构更为灵活的逻辑器件是可编程逻辑阵 列( p l a ) ，它也由一个“与”平面和一个“或”平面构成，但是这两个平 面的连接关系是一种通用阵列逻辑( g a l ) ，它采用e e p r o m 工艺，实现 了电可擦除，电可改写，其输出结构是可编程逻辑宏单元，因而它的设计 具有很强的灵活性。 2 1 2f p g 鲥c p l dc a d 技术 北京交通大学硕士毕业论文学生：王辉导师：吴重庆 f p g a 与c p l d 都是可编程逻辑器件，它们是在p ：a l 、g a l 等逻辑器 件的基础上发展起来的。同以往的p a l 、g a l 等相比较，f p g a c p l d 的 规模比较大，适合时序、组合等逻辑电路应用场合，它可以替代几十甚至 上百块通用l c 芯片。这样的f p g c p l d 实际上就是一个子系统部件。这 种芯片具有可编程性和实现容易改动的特点。 经过了十几年的发展，许多公司都开发出了多种类型的可编程逻辑器 件。比较典型的就是x i l i n x 公司的f p g a 器件系列和a l t c r a 公司的c p u ) 器件系列 尽管f p g a c p l d 和其它类型p l d 的 结构各有特点和长处，但概括起来，它 们是由三大部分组成的，如图2 1 所示： 一个两维的逻辑块阵列，构成了 p l d 器件的逻辑组成核心。 输入输出块。 连接逻辑块的互连资源，连线资 源由各种长度的连线线段组成，其中也 有一些可编程的连接开关，它们用于逻 辑块之间、逻辑块与输入，输出块之间的 连接。 2 1 3c p l d ，f p g a 优点 鼍g 块连责墨螺八辘 啦正 图2 1 可编程逻辑器件结构示意图 1 随着v l s i ( v e r yl a r g es c a l ei c ，超大规模集成电路) 工艺的不断提 高，单一芯片内部可以容纳上百万个晶体管，即g c p l d 芯片的规模也越 来越大，其单片逻辑门数已达到数十万门，它所能实现的功能也越来越强， 同时也可以实现系统集成。 2 f p g c p l d 芯片在出厂之前都做过百分之百的测试，不需要设计 1 8 北京交通大学硕士毕业论文学生：王辉导师：吴重庆 人员承担投片风险和费用，设计人员只需在自己的实验室就可以通过相关 的软硬件环境来完成芯片的最终功能指定。所以，f p g a c p l d 的资金投入 小，不用对厂商做任何定单数量上的承诺，节省了许多潜在的花费，而且 f p g c p i , d 的研制开发费用相对较低。 3 f p g c p l d 芯片和e p r o m 配合使用时，用户可以反复地编程、 擦除、使用或者在外围电路不动的情况下用不同的e p r o m 可实现不同的 功能。尤其是如果构造出该f p v c p l d 芯片的实验板，则可更加灵活地 实现不同电路的功能。所以，用f p g a c p l d 试制样片，能以最快的速度 占领市场。当样品得到用户认可后再投入批量生产是电子产品研制和开发 应用中的一种优选方法。 4 f p g c p l d 芯片的电路设计周期很短。f p g a c p l d 软件包中不 但有各种输入工具和仿真工具，而且还有版图设计工具和编程器等全线产 品，电路设计人员在很短的时间内就可以完成电路的输入、编译、优化、 仿真，甚至最后芯片的制作。当电路有少量改动时，更能显示出f p g a c p l d 的优势。它大大加快了新产品的试制速度，减少了库存风险与设计错误所 带来的危险，从而提高了企业在市场上的竞争能力和应变能力。 5 电路设计人员使用f p g a c p l d 进行电路设计时，不需要具备专门 的i c ( 集成电路) 深层次的知识，f p g w c p l d 软件易学易用，可以使设 计人员更能集中精力进行电路设计。f p g a c p l d 适合于正向设计( 从电路 原理图到芯片级的设计) ，对知识产权的保护也非常有利。【1 2 2 硬件描述语言v h d l 简介 v h d l ( v e r yh i g hs p e e di n t e g r a t e dc i r c u i th a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ， 非常高速集成电路的硬件描述语言) 诞生于美国国防部所支持的研究计划， 目的是为了把电子电路的设计意义以文字或文件的方式保存下来，以便其 他人能轻易地了解电路的设计意义。随着计算机技术和自身功能的不断发 1 9 北京交通大学硕士毕业论文学生：王辉导师：吴重庆 展扩充，使其能够在行为级、系统级、寄存器级和门级上描述逻辑电路。 于是人们便想到，利用它反过来进行电路设计( 描述) ，然后通过一定的编 译算法将其转化成具有相应功能的逻辑电路，这样就大大方便了电路设计 人员，也就是说，电路设计人员可以用硬件描述语言v 如) l 来设计数字系 统的硬件部分。 应用硬件描述语言有两大优点： 支持自上而下的t d d 设计。以现代材料的发展和工艺水平的提高为驱 动，超大规模集成电路已经可以实现将一个很大的电路系统集成到一个 很小的芯片内，高层次自动综合技术、混合模拟及可测试性技术理论的 研究和应用，给我们提供了一种新的电路系统的设计思路一自上而下 的设计方法( t d d ，t o p d o w nd e s i g n ) ，它直接面向用户，从系统总体 要求出发，根据电路系统的行为和功能要求，从上而下逐层地完成了相 应的设计描述、综合与优化、模拟与验证，宣到最终生成器件，从而完 成系统的整体设计。 大大缩短了逻辑电路的设计周期。实践证明，在不影响设计质量的情况 下，高级综合的设计效率要高出传统设计效率5 倍以上。i s 】 2 3 使用芯片介绍 本设计采用的是a l t e r a 公司的m a x7 0 0 0 系列采用p 【c c 4 4 封装的 e p m 7 0 6 4 s 1 0 。它有6 4 个宏单元，1 2 5 0 个可用门，引脚到引脚的逻辑延时 为5 0 n s ，计数器工作频率可达1 7 8 6 m h z ，具有集电极开路选择，可编程 宏单元触发器具有专用清除、置位、时钟和时钟使能控制，通过j t a g 接 口可实现在线编程。 m a x 7 0 0 0 系列结构可1 0 0 模仿r r l 用c m o se e p r o m 单元实现 逻辑函数，在设计开发和调试阶段，m a x 7 0 0 0 器件可以快速而有效地重新 编程，并保证可编程擦除1 0 0 次。 2 n 北京交通大学硕士毕业论文 学生：王辉导师：吴重庆 2 3 1 芯片功能描述 e p m 7 0 6 4 s 结构中包括逻辑阵列块、宏单元、扩展乘积项( 共享和并联) 、 可编程连线阵列和i 0 控制块五部