（通信与信息系统专业论文）obs核心节点控制系统及高速接口研究与设计.pdf

电子科技大学硕士学位论文 摘要 光突发交换( o p t i c a l b t t r s ts w i t c h i n g - - o b s ) 作为当前技术条件下系统可实 现的一种方案，结合了其它多种光交换技术的优势，是较有发展前途的光交换关 键技术。但目前对o b s 的研究主要以理论为主，完整的实施方案和具体的技术 细节还不成熟，更缺乏可运行的实际参考系统。本文则以国家8 6 3 重大项目“o b s 实验系统”为基础，对o b s 实验系统的实现进行了较全面的分析，给出了核心 节点结构，重点描述了其中高速接口模块的软硬件设计，同时进行了大量的系统 级测试分析研究。 本文首先对o b s 技术进行了概述，分析了o b s 系统框架以及实验系统的具 体模型，明确各节点功能作用及系统中的关键控制信号的处理流程，并详述了系 统处理中需要注意的关键技术，同时对系统期望达到的性能以及影响因素作了简 要说明。 随后进一步从硬件模块上对核心控制节点的实现进行了分析。通过附录中的 原理图、器件布局等给出了高速光电接口板的详细设计方案，完成高速光电接口 电路板设计制作。概述了核心实验板的模块实现及改进方案，附带总结了在制作 p c b 板块时的部分规范。 硬件完成调试后，文中对v i q ) l 的程序设计方面进行阐述。同样首先给出 了核心控制板块中的模块划分，并明确模块问的接口定义。重点给出了b h p 接 口部分v h d l 各模块的实现以及程序状态转换图，并结合仿真时序图对模块中 的关键信号的时序进行举例分析。 因为目前对于o b s 这种新技术不但缺乏有效的测试手段，而且其性能指标 的评价体系也尚不明确。而在核心控制系统设计调试过程中，对建立一模拟平台 的相当必要。因此本文最后针对o b s 测试系统进行了较为系统的分析，对o b s 系统的性能指标评价体系作出了较为详细明确的说明。在对其中所面临问题的特 殊性进行探讨后，重点对基于b h p 的o b s 测试系统进行分析，给出利用已制作 的高速接口板实现的边缘节点模拟的具体方案，并在实验系统中投入使用。 第i 页 电子科技大学硕士学位论文 以文中所述核心板块为核心控制节点的o b s 实验系统已经通过国家8 6 3 项 目验收，测试系统也在项目调试核心节点时投入实际使用，均具有相当的参考价 值。 关键词：光突发交换核心控制高速光电接口s e r d e s8 b 1 0 b 第i i 页 电子科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a sat e c h n o l o g yw h i c hi sf e a s i b l ei nc u r r e n tt e c h n i c a lc o n d i t i o n ，o b s ( o p t i c a l b u r s ts w i t c h i n g ) c o m b i n e sa d v a n t a g e so f m a n y o t h e ro p t i c a ls w i t c h i n gt e c h n o l o g i e s i t so n eo f t h ef a s t e s t d e v e l o p i n gk e y t e c h n o l o g i e si nf i e l do f o p t i c a ls w i t c h i n gt o d a y f o rm o s tr e s e a r c h e sa b o u to b sa r ej u s tt h e o r e t i c a l ，f a l ls c h e m ea n dd e t a i l sa b o u t b u i l d i n gs y t e mb a s e do no b st e c h o n o l o g ya r ea l ln o tm a t l l r ea n d t h e r ei sn os y s t e m w h i c hh a si m p l e m e n t e do b s t e c h n o l o g yp r a c t i c a l l yy e t i no r d e rt or e a l i z et h eo b s s y s t e mp r a c t i c a l l y ，t h i sp a p e r i sb a s e do nt h e8 6 3n a t i o n a lp r o j e c t - o b se x p e r i m e n t a l s y s t e m ”a n ds t u d yo v e rt h ew h o l ee x p e r i m e n ts y s t e mo f o b s i nt h i sp a p e r 、w eg i v e s o u tt h er e a l i z a t i o na n di m p l e m e n t a t i o na b o u tt h ec o r en o d e ，p a r t i c u l a r l ya b o u th i g h s p e e do e o i n t e r f a c em o d u l ei nb o t hh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，w h i l ep r o c e s s i n gag o o d d e a lo f s y s t e m l e v e lt e s t i n g f i r s to fa l l ，t h i sp a p e rg i v e sad e s c r i p t i o na b o u tw h a ti so b s t e c h n o l o g y 。i t a n a l y z e s t h ef l a m ea n dm o d u l e si no b se x p e r i m e n ts y s t e m ，a n dp o i n t so u tt h e f u n c t i o n so fe a c hk i n d o fn o d e sa n dt h e p r o c e s s i n g f l o wo fh a n d l i n gc o n t r o l i n f o r m a t i o ni nn o d e s a f t e rt h i s ，as p e c i a lt e c h n o l o g yi sg i v e ni nd e t a i lf o rt h es y s t e m p r o c e s s i n g ，w h i l ea n a l y s i so fr e q u i r e ds y s t e mp a r a m e t e r sa n d t h ef a c t o r sw h i c he f f e c t t h o s ep a r a m e t e r sa r e g i v e nb r i e f l y ， s e c o n d l y ，t h i sp a p e rg i v e so u t t h eh a r d w a r em o d u l eo fc o r ec o n t r o ln o d e ，i nt h i s p a r tt h ed e s i g no fh i g hs p e e dc a r df o ro e o ( o p t i c a l e l e c t r o n i c o p t i c a l ) i n t e r f a c ei s c o m p l e t e d ，a n dp a r t i c u l a rp r o j e c to f i ti ss h o wb ys c h e m a t i ca n dl a y o u tp i c t i ：t r e s t h e n ab o a r dw i t hs i m p l i f i e db l o c k si sd e s c r i b e da n dt h ee n h a n c es c h e m eo f i ti sa l s og i v e n a tt h el a s to f t h i s p a r t ，s o m e r u l e si nd e s i g n i n gp c ba r es u m m a r i z e d a f t e rt h ec o m p i l i n ga n dd e b u g g i n go ft h eh a r d w a r e ，t h ed e s i g na n dp r o g r a m m i n g o fv h d li sd e s c r i b e d t h eb l o c kd i v i s i o no fs i m p l i f i e dc o r ep c bi sg i v e n ，a n dt h e i n t e r f a c e sb e t w e e nb l o c k sa r es p e c i f i e d t h ev h d l i m p l e m e n t a t i o no f b h pi n t e r f a c e b l o c k si ss t r e s s e da n ds t a t e - t r a n s f e r - d i a g r a m sa r ep r e s e n t e d t h et i m i n g so fk e y s i g n a l si na l lb l o c k sa r e i l l u s t r a t e db ys i m u l a t i o nt i m i n gc h a r t s t h e r ei sl a c ko fe f f i c i e n tt e s t i n gm e t h o da n d e x p l i c i te v a l u a t i n gi n d i c a t o rf o ro b s 第i i i 页 电子科技大学硕士学位论文 t e c h o n o l o g y , a n di t sn e c e s s a r yt o b u i l das i m u l a t i o ns i t u a t i o nf o rt h ec o r en o d e s y s t e mw h i l ed e s i g n i n ga n dd e b u g i n g i nt h ee n do ft h i sp a p e r , as y s t e m a t i c a la n a l y s i s o ft h eo b s e x p e r i m e n ts y s t e mi sc a r r i e do u t t h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e ra s s e s s m e n t s y s t e mo no b ss y s t e mi sd e t a i l e da f t e rad i s c u s s i o no nt h es p e c i a l t yo fi t sp r o b l e m s ， t w oe f f e c t i v ee v a l u a t i o ns y s t e ma r c h i t e c t u r e sa r e s u g g e s t e d t h ea n a l y s i so fo b s e v a l u a t i o ns y s t e mb a s e do nb h pi ss t r e s s e d ，a n dad e t a i l e ds c h e m ew h i c hu t i l i z e st h e c o m p l e t e dh i g h s p e e di n t e r f a c ec a r dt os i m u l a t et h ep e r i p h e r a ln o d ei si n t r o d u c e da n d a p p l i e di nt e s t i n gf o r t h ee x p e r i m e n t s y s t e m t h eo b s e x p e r i m e n ts y s t e mw i t h t h es i m p l i f i e db l o c k sa sd e s c r i b e di nt h i sp a p e r a si t sc o r en o d eh a s p a s s e dt h e8 6 3p r o j e c ta s s e s s m e n t t h et e s ts y s t e mw a sa l s o i m p l e m e n t e di n t h et e s to ft h ec o r en o d e t h e s et w os y s t e m sb o t he x h i b i t e dh i g h r e f e r e n c ev a l u ea n dg o o d p r a c t i c a lp e r f o r m a n c e i nt h er e a l i z a t i o no fo b s k e y w o r d s ：o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ，o b sc o r ec o n t r o l ，h i g hs p e e do g oi n t e r f a c e ， s e r d e s ，8 b 10 b 第i v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：缢 麈。日期：2 卯弹年月z 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 日期：2 力f 年年月z je l 皇王型垫查堂堡主堂垡堡苎 缩略语 b h p c o s d w d m d s p f d l f o f p g a f p s c g m p l s j t a g l v d s n g n o c s o b s o e e 0 o p s p o s s e r d e s s o n e t s d h t w c v h d l 主要符号表 b u r s th e a d e rp a c k e t c l a s so fs e r v i c e d e n s i t yw a v e l e n g t h d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g f i b e rd e l a yl i n e f i r s ti nf i r s to u t f i e l d p r o g r a m m a b l e g a t ea r r a y f i e l dp r o g r a m m a b l es y s t e m o n - a - c h i p g e n e r a l i z e dm u l t i p l ep r o t o c o ll a b e l s w i t c h i n g j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p l o w v o l t a g e d i f f e r e n t i a ls i g n a l i n g n e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k o p t i c a lc i r c u i ts w i t c h i n g o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g o p t i c a lt oe l e c t r o n i c e l e c t r o n i ct oo p t i c a l o p t i c a l p a c k e ts w i t c h i n g p a c k e to v e ts o n e l y s d h s e r i a l i z e r 1 3 l e s e r i a l i z e r s y n c h r o n o u so p t i c a ln e t w o r k s y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y t u n a b l ew a v e l e n g t hc o n v e r t e r 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 t s h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e 第x 页 交发控制分组 类别服务 密集渡分复用 数字信号处理器 光纤延迟线 先进先出存储器 现场可编程门阵列 现场可编程单芯片系统 广义多协议标签交换 联合测试组 低电压差分信号 下一代网络 光路交换 光突发交换 光电电光转换 光分组交换 同步光纤网络上的信息包 串行器解串器 同步光纤网 同步数字序列 光波长变换器 高速集成电路硬件描述语言 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着网络技术的不断发展，近年来网络中的业务数据量呈爆炸式增长，网络带宽 的需求越来越大，波分复用( w d m ，w a v e l e n i 昏h d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 被广泛采用。 密集波分复用( d w d m ) 技术更为通信网络提供了巨大的传输容量，逐步成为主流传输 技术【1 。但是由于电子瓶颈的存在，网络速度受限，伴随着d w d m 技术的成熟和传 输容量的快速增长，传统的电子交换系统承受的压力日趋增大，光交换技术的引入日 显迫切。 光突发交换( o b s ，o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ) 是作为光交换技术中一种新兴技术， 为了满足业务爆炸式增长的需要，不断成长起来的。主要特点有：交换容量大、带宽 利用率高( 统计复用) ，可应用于不断发展的大型城域网和广域网；数据透明，可以支 持传统业务，如电话、s d h 、a t m 等，也可以支持i p 、f d d i ( f i b e rd i s t i l b u t e dd a t a i n t e r f a c e ) ；交换灵活、延时小( 单向预留) ，在未来具有较高突发性和多样性的业务， 如数据文件传输、网页浏览、视频点播、视频会议等中均可有较好的应用。 尽管o b s 在标准和协议方面还不成熟，还有很多技术在进一步研究之中，但它平 衡了其他光交换技术的优劣，仍是一种非常有前途的光交换技术，在未来几年中，o b s 必将得到很大的发展，成为下一代光传输与交换网络的核心技术。目前o b s 正处于由 理论转化为实际的阶段，本论文即从三方面：一是o b s 实验及测试系统整体框架搭建、 二是系统的硬件板块设计、三是v h d l 程序马模块设计，对o b s 系统的实现进行研究， 并重点对o b s 系统中核心交换节点以及高速接口模块的设计实现进行了研究分析。 1 2o b s 光突发交换技术概述 针对通信网络中已有的通信模式，目前w d m 光网络中如何实现交换与传输的方 案大致分为了三种类型 2 3 ：光路交换o c s ( o p t i c a lc i r c u i ts w i t c h i n g ) 【4 1 1 5 ，光分 组交换o p s ( o p t i c a l p a c k e ts w i t c h i n g ) 6 【7 ，光突发交换o b s 。 光路交换o c s 也就是光的波长路由交换 8 】方案，已经进行的研究较多，相对比较 成熟。o c s 是采用波长路由的方式，相对简单、易于实现。网络需要为每个连接请 求建立从源到宿的光路( 每一个链路上均需要分配一个专用波长) ，使用双向预留机制 f 类似p 2 p 方式) ，即源节点发出连接建立请求的控制分组，当有确认消息后再发送数据， 第1 页 电子科技大学硕士学位论文 数据可用直连方式通过网络中间节点。也就是说数据的传输至少要等待一个端到端的 往返时间( r o u n d t r i pt i m e ) ，这种交换机制特别适合需要高速度、高带宽的业务，同 时该业务生存时间相对于连接建立时间足够长。此外从连接建立到连接拆除，该端到 端的波长通路被此次连接业务所独占，不能被其它数据业务所共享。然而对于突发业 务，这种交换机制将导致极低的带宽利用率；i n t e m e t 网络中业务大多是突发性的自相 似业务，因此在业务节点对间提供波长为粒度的光路效率不高。此外由于每个链路的 波长数目有限，于是某一时刻只能存在有限个光路，对于某些节点间的业务不可能建 立端到端的光通路。 光分组交换o p s 由于缺乏高速光逻辑器件、光缓冲存储器等，因此还处于理论研 究阶段，并未能实际作出成品投入使用 9 。o p s 典型特点是“存储一转发”，一般不需 要建立连接( 类似无连结的方式) 。光分组交换o p s 是一种细粒度的交换机制，由于 它允许统计复用网络信道带宽资源等，因此特别适合突发的数据业务。然而由于目前 在光域不存在类似电域的r a m ，只能使用光延迟线f d l ( f i b e rd e l a yl i n e ) 使数据延 迟有限的特定时间，无法像电信号那样随意的进行存储转发。而较小的分组粒度必将 导致相对较高的控制开销，以目前对光逻辑处理的技术，无法满足纯光路转发的时延 要求。当今后能用于o p s 的硬件条件( 随机存储延时器、光域的定时、光集成器件等) 成熟后，o p s 应该是首选的的交换方案。但实现此目标的距离相当遥远，o p s 也只能 停留于理论上。 针对o c s 和o p s 的不足，c h t m m i n gq i a o 1 0 和j ，s t u r n e r 1 1 等人提出光突发交 换o b s ，进而引起越来越多的人的注意。 其基本原理在于对数据通道和控制信息通道的分离： 在o b s 网络中，数据通道是全光的透明通道，即不涉及如何电处理过程。数据通 道所传输的业务为b u r s t 数据分组b u r s t 。 控制信道所传输的为突发控制分组或突发头分组b h p ( b u r s t h e a d e r p a c k e t ) 。可包 含b h p 类型、b h p 经过的跳数、c o s 、g m p l s 标签、o f f s e t 时间、b u r s t 长度等信息。 提前于b u r s t 发出，预约资源。 o b s 具有以下几个特点 1 2 ： ( 1 ) o b s 交换机制综合了o c s 和o p s 的特点。交换粒度介于o c s 的波长交换和 o p s 的分组交换之间，提供可变长度的突发流量。 ( 2 ) 使用带外信令控制机制。即将b u r s t 和b h p 分离，进行异步传输交换机制。 ( 3 ) 单向预留机制。b u r s t 在控制分组发出后不用等待确认消息即可发出，减小端 到端时延。 ( 4 ) o f f s e t t i m e 的机制：b u r s t 数据在控制分组发出后一个o f f s e tt i m e 后发出。为 第2 页 第一章绪论 预留资源提供了可能。 ( 5 ) b t l p 在网络中间节点需进行o 1 3 转换，在电域进行处理，然后再进行e o 转 换。而数据分组以c u t - - t h r o u g h 的方式直接通过中间节点完成端到端的透明传输。 波长路由光分组交换光突发交换 持续的线路需求单个分组( 小若干分组构成的数据突发( 中等粒 交换粒度 ( 大粒度)粒度)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 低高较高 的适应程度 实现复杂度 低极高可实现 表1 一t 三种光交换方式的简单比较 由以上对比可以看出，o b s 利用当前的可实现技术，有机地结合了电路交换和分 组交换的优势，具有交换时延小( 单向预留) 、带宽利用率高( 统计复用) 、交换相 对灵活、数据透明、交换容量大等特点，可以部分达到n g n ( n e x tg e n e r a t i o n n e t w o r k ) 的技术指标要求，是一种很有发展潜力的交换技术。 第3 页 电子科技大学硕士学位论文 1 3o b s 系统模型 e 三三固昌筹瓮舞k 图1 10 b s 系统结构 1 3 整个o b s 系统中的节点包括o b s 核心节点( c o r e n o d e ) 和o b s 边缘节点( e d g e n o d e ) 两类，系统节点之间通过光纤链路( o p t i c a ll i n k ) 连接。光纤链路上信号分波长 传输，包括1 波长的控制信道和n 波长的数据信道，分别传输b h p 与b u r s t 数据。 边缘节点与外部i p 网络连接，外部i p 网络的数据包在o b s 边缘节点被封装为 b u r s t 。并在b u r s t 发出之前在控制信道上发出b h p ，以预约资源。在b h p 发出后间隔 o l t s e t t i m e 时间再在某一指定波长数据信道上发出对应b u r s t 。 b h p 发出到核心节点后，核心节点获取b u r s t 信息，根据资源使用情况进行配置 光路或丢弃b h p 等操作。对配置成功的b h p 再进行更新，并转发往下一节点。配置 成功的b u r s t 到达核心节点时则直接通过以及搭建好的链路无延时透明的发往下一节 点。 当b u m 顺利到达出边缘节点之时，再由边缘节点进行校验，然后将b u r s t 解包恢 复为i p 数据报发到外部i p 网络。 而当多路的大量b h p 发到核心节点时，很可能出现不同输入端口的b h p 对同一 路输出端口的请求，产生对资源的争夺。而o b s 网络常由边缘节点发出的b h p 信息 确定整条通路，一般意义上的核心节点中不具备选路功能。为了解决核心节点中资源 请求的冲突，通常采用的解决方案有：光延迟线f d l 1 4 1 5 1 1 1 6 1 、光波长变换器t w c 1 7 】 和偏折路由( d e f f e c t r o u t i n g ) 1 8 。为了进一步提高网络性能，在 1 9 e os k i m 等提出了 增强型偏折路由算法，采用备用通路来实现简单的偏折路由。在我们的o b s 实验系统 中采用的具体结构将在第二、三章将进行详细的叙述。 第4 页 第一章绪论 1 4 本文主要内容及安排 本文主要从测试系统的硬件板块设计和v h d l 、m c u 模块编程两方面对个o b s 系统核心节点的实现进行研究，详细给出了高速光电接口的设计与实现方案，并进一 步对o b s 测试系统进行了分析研究。本文的安排如下： 第一章对o b s 背景、o b s 与其他光交换技术对比、o b s 系统模型的基础知识进 行简介。 第二章对o b s 的系统结构、处理流程进行分析说明，并重点说明了b h p 的处理 流程以及系统中应用到的关键技术。 第三章简介了o b s 核心节点的结构，并给出了核心节点的硬件实现、调试方案。 随后详细给出高速接口板块的实现方案。最后提出今后可进一步进行的优化方案。 第四章对核心节点中的f p g a 模块进行了划分并给出v h d l 程序流程图。 第五章对基于前述硬件模块的o b s 测试系统进行了研究和分析。 最后的第六章总结全文。 第5 页 电子科技大学硕士学位论文 第二章0 b s 实验系统模型研究 如前所述整个o b s 系统中的节点包括o b s 核心节点和o b s 边缘节点两类，系统 节点之间通过光纤链路连接。以下对节点进行详细分析。 2 1 边缘节点 o b s 边缘节点主要进行外部数据的汇聚、排队，b u r s t 、b h p 的产生，b h p 的接收 解析、b u r s t 的还原。包括i p 报文汇聚分发模块，b h p 产生发送模块，e o e 转换模块 等。 当i p 报文发送到边缘节点时，边缘节点将发往同一目的节点的数据报汇聚为b u r s t 。 在指定时间内发往同一目的节点的数据尚未达到b u r s t 的最小长度【2 0 之时，先到达的 数据将缓存在边缘节点的等待队列中，直到超过等待时间或者达到b u r s t 的要求长度为 止，此时b u r s t 汇聚完成，产生b h p 。将汇聚成的b u r s t 信息( 含b u r s t 长度、o f f s e t t i m e 、 目的端口号、波长等) 封装到对应b h p 中，然后将b h p 通过e o 转换模块由光纤控制 信道发往与该边缘节点相连的核心节点。b h p 发出o f f s e t t i m e 时间后，将汇聚的b u r s t 通过e o 转换模块由光纤数据信道上的指定波长发往核心节点。 当边缘节点由核心节点收到发向自己的b h p ，经过光电转换模块对b h p 进行解析， 获取对应的o f f s e t t i m e 。等待o f f s e t t i m e 时间后，由o e 转换模块接收b u r s t 数据，校验 正确，则对b u r s t 进行解包，重新恢复为有效的i p 报文分组分发到外部i p 网络。 边缘节点的具体实现非本文的重点，在此不在赘述。在第五章的测试系统分析中 将对如何在测试系统中模拟边缘节点进行分析。 2 2 核心控制节点 o b s 中的核心节点主要由光交换阵列和光交换控制模块两部分构成。前者通过光 开关的配置，以及f d l 、t w c ( t u n a b l ew a v e l e n g t hc o n v e r t e r ) 光波长变换器等的配合使 用 1 4 1 1 1 7 1 ，尽量减少b h p 的冲突，实现数据分组的b u r s t 透明交换。后者通过对b h p 的解析、处理实现对光交换阵列的控制。 光交换阵列主要由光交叉矩阵、光缓存f d l 以及波长变换器t w c 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。 在我们的实验系统中，光交换阵列由8 个4 4 的交换模块以及光缓存f d l 组成： 输入和输出端口均为4 个，即接入接出4 条光纤，每条光纤上复用9 条波长，九o 九8 ， 其中，加 用于突发数据包传送，x 8 用于突发数据包头b h p 传送。分波器将输入 第6 页 第二章o b s 实验系统模型研究 光纤上复用的多个波长解复用；交换控制模块处理b h p 信息，为将来到达的突发数据 包安排交换通路；耦合器将加九8 复用，其出口连接输出光纤。核心节点的总体结构 见下图。 8 波长数据) 下面主要就光交换光交换控制模块系统的功能、结构及实现问题进行研究。 根据o b s 的原理，在核心节点转发数据分组前将收到先期到达的控制分组b h p ， 交换控制模块根据b h p 携带的信息获取来自该端口的b u r s t 分组的特性，如到达时间、 持续时间( 突发长度) 、端口和波长信息、优先级等，从而进行b h p 解析、转发表的 查找、资源的预约及冲突判决和处理等。交换控制对来自所有端口的b h p 进行处理， 通过某种调度算法，决定了每一时刻光交换阵列中光开关的配置状态，以及是否采用 f d l ( t w c 等) ，以尽可能满足所有的b u r s t 数据分组能发往预期的输出端口。 根据光交换控制模块的配置命令，光交换阵列中的光开关与f d l ( t w c ) 在b u r s t 到达之前配置到需要的状态，核心节点输入端口的突发数据包则直接透明的通过交换 开关被分配到适当的对应输出端口上，或进入f d l 经过一定延时到达输出端口，或通 过t w c 波长变换器改换到其他输出波长端口。 第7 页 电子科技大学硕士学位论文 2 3 b l i p 模型 2 3 1b i i p 帧格式 以下是边缘节点与核心节点间进行交互的参考b h p 格式，给出的长度均为参考值。 b h p 在实际应用中的格式以及字段长度可根据需要灵活调整。 b t - i p t y p i c o s jh o pig l a b l el o f f s e tt l b l e n g t hi i t k n e _ s t a m p lr e s e r v e g u a r d _ b i t slk x l y y l i b h p l k x 2 y y 2lg u a r d _ b i t s 图2 2 阴p 结构 光链路上传输的b h p 为串行模式，g u a r d _ b i t s 为保持近端远端时钟同步所发送的 特殊同步码字符串。k x l y y l 与k x 2 y y 2 ( 可选) 为分别标识b h p 起止的特殊标识符 或c r c 校验码，当b h p 长度恒定时，此类标识符可省略。 b i - i p t y p + c o s + h o p ：b h p 的类型标识( 正常b - i p 、反馈b h p 、测试b h p 等， 若在网络中需要s d h 配置，也可在此加入s d h 建立、s d h 拆除帧之类的标识位) 。 其中b h v _ t y p 2 b i t ，0 0 b ：正常b h p ；0 1 b ：反馈b i - i p ；1 0 b ：通道测试：1 l b ： 保留；c o s 2 b i t ，区分4 种服务类型；h 叩4 b i t ，当前分组在o b s 网络中剩余 的跳数( 或己完成的跳数) g l a b l e1 6 b i t ：g m p l s 标签。 o f f s e tt2 4 b i t ：b h p 提前于对应b u r s t 的偏置时间o f f s e t t i m e 。 b l e n g t h1 6 b i t ：b u r s t 数据分组长度。 r e s e r v e d ：r e s e r v e d 中前2 4 位作为t i m e _ s t a m p 用于核心节点内部的时标，其余位 可留作扩展或测试功能。t i m es t a m p 仅在核心节点内部处理时使用。 2 3 2b h p 的处理流程 以下简单描述b t t p 的产生、处理、转发流程： 边缘节点汇聚b u r s t 完成，生成对应b h p 。令b h p 分组长度固定，其中包括 前导码、b u r s t 分组类型，优先级、g m p l s 标签、b u r s t 数据分组持续长 度、b u r s t 分组到达偏移时间o f f s e tt i m e 等，其中g m p l s 标签携带分组 路由信息、b u r s t 数据分组持续长度和b u r s t 数据分组到达偏置时间 o f f s e t t i m e 携带分组时间信息； b h p 提前于对应b u r s to f f s e t t i m e 时间经过电光转换由控制信道从边缘节点发 第8 页 第二章o b s 实验系统模型研究 出，送往核心节点。 来自各个输入端口的b h p 经光电转换后得到输入b h p 帧；该帧附加b h p 到 达时间信息( 本地时标) ，并解析出核心调度所需信息重组后构成核心节点处 理的内部b h p 帧( 以下不加说明地认为该帧为控制模块中处理的b h p 帧) ； 对多路输入的b h p 分组进行复接，送入核心调度器； 核心节点中的调度器获取b h p 帧，得到高速b h p 数据流，根据其中的信息确 定： a ) b u r s t 数据分组的交换路径及相应的光交换阵列配置参数，发往命令解析部 分： b ) 该b h p 帧下一跳去往的输出端口及相应帧内信息的更新( b u r s t 数据分组 到达偏移时间除外) 。调度器的路由判决依据来自网管( 嵌入式系统) 的标签表， 同时向网管反馈b h p 处理的统计信息，如各端口接收突发包数、转发突发包数、 突发包长、丢包统计、内部资源统计等。 反复接器根据调度器发来的b h p 帧决定当前b h p 去往的输出端口。由于b h p 输出端口的分布是随机变化的、输出端口速率与内部处理速率不匹配等，因此 对每个输出端口有独立的输出缓存f i f o ； 各输出端口的处理器读取各自f i f o 中的b h p 帧，根据其中的到达时间信息等 确定新的偏移时间，更新b h p 分组中的相应字段；通过电光转换发送到输出 光纤上发往下一节点。 最终b h p 发送到输出边缘节点。边缘获取对应b u r s t 信息后丢弃b h p 。 2 4 系统中的关键技术一系统定时与内部处理时标 o b s 系统为异步交换系统，即系统中各个节点并不统一同步于同一个网络时钟， 数据业务在网络中的传输、交换只包括相对时间信息。 对b u r s t 而言无需考虑定时问题，b u r s t 到达核心交换节点时总假设它的下一跳路 由已存在，直接通过光交换阵列已经搭建好的链路即可。 但对于各端口的b h p 通道则不然。为达到最佳的信道利用性能，采用了j e t ( j u s t e n o u g ht i m e ) 1 1 1 2 1 2 2 的模式，因为b i t p 中必须有每个b u r s t 数据分组到达的时 间、持续时间长度等信息，核心节点控制模块才能根据这些信息确定在时刻t 开始， 配置输入端口p i n ( n ) 的某个波长九( m ) 与输出端口p o u t ( n ) 的某个波长k ( m ) 连通，并保 持连接状态的时间大于b u r s t 分组持续时间t l e n ，以保障一个b u r s t 分组能完整通过 该核心节点。 第9 页 电子科技大学硕士学位论文 虽然并不要求核心节点b h p 处理模块的时钟与边缘突发汇聚节点b h p 处理模块 的时钟完全同步，但两者间应满足同频的要求。因为在b h p 中携带的时间信息实际 上只是边缘时钟频率的计数值，只有保持同样的频率，发白边缘节点的b h p 中的时 间信息对核一t s , 节点才有意义，见图2 3 。 到其它端口的 主时钟信号l 核心节点例； | i ；边缘节点侧 n 2 3 系统时钟关系 实际上图中核心节点与边缘节点之间b h p 的传输通道实际上与b u r s t 数据分组的 传输通道采用了一根光纤，只是所利用的波长不同，因此光纤链路上的传输时延两 者是相同的，可以不用考虑补偿。边缘节点利用控制通道的恢复时钟作为b u r s t 数据 分组的计时单位，确定b h p 控制分组和b u r s t 数据分组间的偏移时间和b u r s t 突发长 度，而控制分组和数据分组到达核一心节点时它们的时间偏差保持不变，为b h p 中b u r s t 分组持续长度l e n g t h 和b u r s t 分组到达偏移时间o f f s e t t i m e 字段所描述， 结合b h p 的到达时间，核心节点可获得准确的b u r s t 分组到达时间与光开关应该保 持的时间等参数。 当b l i p 为核心节点控制模块所处理，并成功完成b u r s t b u r s t 数据分组的交换， 从核心节点发出时，应注意到发往下一节点的b h p 中b u r s t 分组到达偏移时间 o f f s e t i m e 将发生变化，如图2 4 所示。 图2 4 偏移时间的变化 其中t o f f s e t i n t o f f s e t o u t = t p r o c p s s t b u f f e r e d ，即偏移时间的变化为核心节点 的对b h p 的处理时延。如在前文所述，我们为每个接收到的b i - i p 打上本地时标 t i m es t a m p ，在将该b h p 转发到输出端口时检测该时标与核，t l , 节点当前时标 c u r rt i m e ，其差值为b t t p 处理时间。由于b h p 的接收( o e 变换、b h p 帧接收、 排队、解析等) 和发送( b h p 帧重组、更新、帧发送、e o 变换等) 有固定的时间开 销，同时b u r s t b u r s t