（通信与信息系统专业论文）obs核心节点控制模块bhp调度处理设计与实现.pdf

摘要 光突发交换( o p t i c a b u r s ts w i t c h i n g o b s ) 技术是目前光网络研究方面 的一个热点，它融合了光链路交换和光分组交换两种光交换技术的优点，成为目 前非常有发展前景的一种光交换技术。 但是，当前对o b s 的研究仍然以理论研究居多，实践研究较少，因此o b s 交 换技术还很不成熟，没有实际投入使用。基于此，本文在研究了o b s 核心节点及 调度算法理论方案的基础上，结合实验网络的8 x 4 x 4 交换结构特点，从实践的 角度出发，重点研究了o b s 核心节点控制模块的调度处理功能，设计实现了用于 b h p ( b u r s th e a d e rp a c k e t ) 调度的d s p 协处理模块电路方案，以及o b s 调度算 法l a u c ( l a t e s ta v a i l a b l eu n s c h e d u l e dc h a n n e l ) 和l a u c v f ( l a t e s ta v a i l a b l e u n s c h e d u l e dc h a n n e l v o i df i l l i n g ) 在实验系统交换结构上的具体实现流程。 首先，本文概述了o b s 技术的原理和o b s 网络系统的结构，然后对项目中 搭建的实验系统的具体模型进行分析，明确了各个功能模块的作用，以及系统中 o b s 控制信号b h p 的处理流程，并描述了系统期望达到的性能指标，简要分析 了影响性能指标的因素。 其次，本文详细描述了核心节点控制模块d s p 协处理电路的硬件设计方案， 并给出了d s p 协处理模块与用于核心节点控制的f p g a 模块的接1 7 1 ，实现了模块 之间的连接交互。采用f p g a 外接d s p 电路的设计方法，把复杂的调度运算功能 交给运算速率高的d s p 芯片来处理，可以大大节省f p g a 的硬件资源开销，减轻 硬件处理的负担，从而改善调度性能。 最后，本文阐述了两种o b s 调度算法l a u c 和l a u c v f 在实验系统交换结构 上的实现方案，明确了b h p 、路由表、资源表、状态表、控制命令字等的定义和 数据结构，分析了两个算法之间的差异，给出了两个算法的具体流程。并针+ 对系 统交换结构对l a u c v f 算法进行了仿真，分析指令的运行周期以优化系统性能。 本文分别从硬件和调度算法两方面对o b s 核心节点的交换调度功能进行了 实践性研究，取得了一定的经验。 关键词：光突发交换核心节点b h p 调度d s p 实现调度算法 硕士学位论文 a b s t r a c t o b s ( o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ) i sah o t s p o to f t h eo p t i c a ln e t w o r kr e s e a r c hi ts y n c r e t i z e st h e a d v a n t a g e so fo c s ( o p t i c a lc i r c u i ts w i t c h i n g ) a n do p s ( o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ) a n db e c o m e s a no p t i c a ls w i t c h i n g t e c h n i q u eb r i g h tf u r o r e b u tt h et h e o r yr e s e a r c ht ot h eo b si sm o r et h a np r a c t i c er e s e a r c h s ow i t h o u t p r a c t i c a lu s a g e ， o b si s n o t m a t u r e a c c o r d i n gt o t h i s b a s eo nt h es t u d i e so fn u m e r o u st h e o r i e s p r o j e c t s ， c o m b i n i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es w i t c h i n gs t r u c t u r et h a ti sb u i l ti nt h ee x p e r i m e n tn e t w o r k ， f r o mt h ep r a c t i c a lp o i n to fv i e w , t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e st h es w i t c h i n gf u n c t i o no fc o r en o d e c o n t r o lm o d u l e ，p r o p o s e st h ed s pc i r c u i tb o a r do fm o l dd e s i g np r o j e c tt h a ti su e s di nb h p ft h e b u r s th e a d e rp a c k e t ) ，a n dt h ef l o w o fi m p l e m e n t i n gp r o c e s si nt h ee x p e r i m e n t a l s w i t c h i n g s t r u c t u r eo ft h ec l a s s i c s w i t c h i n ga l g o r i t h m s e s o fo b s - - t h e l a u c ( t h el a t e s t a v a i l a b l e u n s c h e d u l e dc h a n n e l ) a n dl a u c - v f ( t h el a t e s ta v a i l a b l eu n s c h e d u l e dc h a n n e l v o i d f i l l i n g ) f i r s t ，t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h et e c h n i c a lp r i n c i p l ea n dt h en e t w o r ks y s t e ms t r u c t u r eo fo b s ， t h e na n a l y z e st h ec o n c r e t em o d e lb u i l ti nt h ee x p e r i m e n ts y s t e m ，e x p l i c i tt h ef u n c t i o no ft h ee a c h m o l da n dt h ep r o c e s s i n gf l o wo fc o n t r o ls i g n a lb h po ft h eo b ss y s t e m ，a n dd e s c r i b e dt h e f u n c t i o ni n d e xs i g nt h a tt h es y s t e me x p e c tt oa t t a i n t h e b r i e f l ya n a l y z e d st h e f a c t o rw h i c h i n f l u e n c e st h ef u n o t i o n s e c o n d ，t h i sp a p e rd e s c r i b e st h eh a r d w a r ed e s i g np r o j e e lo f ad s p c o r en o d ec o n t r o lm o l di n d e t a i l ( c a l lp a yr e s p e c t st ot h ee l e c t r i cc i r c u i ti nt h ea p p e n d i xp r i n c i p l ed i a g r a m ) ，a n dp r o p o s e s t h ei n t e r f a c eo f d s pm o l da n dt h ec o r en o d ec o n t r o lf p g am o l d ，r e a l i z e st h ec o n j u n c t i o nb e t w e e n t h em o l d s a d o p tt h ed e s i g nm e t h o dt h a tt h ef p g aa c r o s s e st ot h ed s pe l e c t r i cc i r c u i t ，i tc a l l a d j u s to n ec o m p l i c a t e do p e r a t i o nf u n c t i o nt oh a n do v e rt ot h eh i g h p e r f o r m a n c ed s pc h i p t h u s c a nm o s t l ys a v et h eh a r d w a r er e s o u r c e so ft h ef p g at ol i g h t e nt h eb u r d e no ft h eh a r d w a r e p r o c e s s i n g , s y s t e mf u n c t i o nw i l lb eh i g h l yi m p r o v e d f i n a l l y ，t h i sp a p e rd e s c r i b e si m p l e m e n tp r o j e c to ft w o k i n d so fc l a s s i co b ss w i t c h i n g a l g o r i t h m s e s l a u ca n dl a u c v f i ns w i t c h i n gs t r u c t u r eb u i l ti ne x p e r i m e n t a ls y s t e m p r o p o s e s b l i p , r o a df o r ma n dt h ed a t as t r u c t u r e so ft h ef o r m ，r e s o u r c e sf o r m ，a p p e a r a n c ef o r m ，t h ec o n t r o l o r d e rw o r d e t c ，d e s c r i b e st h ec o n c r e t ep r o c e s so ft w oa l g o r i t h m s ，a n da n a l y z e st h ed i f f e r e n c e 硕士学位论文 b e t w e e nt h e m a n ds i m u l a t e st h ep e r f o r m a n c eo fl a u c v fa l g o r i t h mf o rt h es w i t c h i n gs y s t e m ， a l s oa n a l y z e st h es y s t e ms w i t c h i n gp e r f o r m a n c eo f d i f f e r e n tb u s i n e s s r e s e a r c h i n g t h es w i t c h i n gp e r f o m a a n e eo fo b s c o r en o d ef r o mt h eh a r d w a r ea n ds w i t c h i n g a l g o r i t h m ，t h i sp a p e r o b t a i n sc e r t a i ne x p e r i e n c e ，p r o v i d es o m e r e f e r e n c ev a l u ef o rf u r t h e rs t u d y k e y w o r d s ：o b s ，c o r en o d e ，b l i ps c h e d u l i n g ，d s p ，s c h e d u l i n g a l g o r i t t u n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是奉人往导师指导f 进行的研究f 作及取得的研究成果。据我所知，除- 史巾特别加以标# i ：利致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也水包禽 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，i i j j 确的说明并表示谢意。 签名： 鍪耋型一 日期：，矿1 i f 1 , j j “i l 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电予科投大学有关保留、使用学位论叟 的规定，有权保留并向国家有关部fj 或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技火学町以将学位谂史 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) 签名：型：i 蚓导j j l l j 签名： 硕士学位论文 _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - - ， _ - _ - - - _ _ - _ _ - - - ，h 一 缩略词 主要符号表 b h pb u r s th c a d e tp a c k e t 控制分组 d w d md e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 密集波分复用 f d lf i b e rd e l a yl i n e 光纤延迟线 f e cf o r w a r de q u i v a l e n c ec l a s s 转发等价类 l a u cl a t e s ta v a i l a b l eu n s c h e d u l e dc h a n n e l 最近可用时间 o b s o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g 光分组交换 o c s o p t i c a lc i r c u i ts w i t c h i n g光链路交换 o p s o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g 光分组交换 t w ct u n a b l ew a v e l e n g t hc o n v e r t e r可调波长变换器 v fv o i df i l l i n g插空 v 硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 人类社会己迈入信息时代，对信息的利用能力决定了人类社会的发展进程。 通信网络可以使人们广泛地获取信息和交流信息，人类社会的生产、经营、科研、 教育等活动愈来愈依赖于通信网络。电子商务的蓬勃发展使人类正迈入网络经济 时代。对于宽带网络的市场需求越来越强烈，各种新技术异彩纷呈。 随着t n t e r n e t 的推广和普及，在许多的网络中i p 业务占据着重要的地位。 但是，网络上数据、语音和视频业务的持续增长，特别是数据业务几乎是里指数 性增长，使得对网络带宽的需求迅速增加，越来越大。为了满足这种不断增长的 业务的需要，提高网络带宽，增加网络传输的性能，光纤宽带网技术得到了飞速 的发展以及广泛的应用。 w d m ( w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，波分复用) 1 技术是目前在光 纤骨干网上普遍采用的一种传输技术。并且由于d w d m ( 密集波分复用) 技术的 成熟，使得充分利用光纤的海量带宽( 每根光纤可以超过1 0 t b s ) 成为可能， 从而为通信网络提供了巨大的传输容量，d w d m 技术逐步成为主流传输技术。于 是，光纤通信网的性能瓶颈就转移到了交换设备部分。目前商用化的i p 路由器 的速度可达到l o - - 1 2 0 6 b s ，但与d w d m 的传输容量相比仍有很大的差距，实现 全光交换是解决该瓶颈问题的一个可行方案。 与电交换技术相对应的，光交换技术也可以分为光的链路交换o c s ( o p t i c a l c i r c u i ts w i t c h i n g ，如w d m ( 波分复用) 网络的波长路由) ，光的分组交换 o p s ( o p t i c a l p a c k e t s w i t c h i n g ) 1 5 ，光突发交换o b s ( o p t i c a l b u r s t s w i t c h i n g ) 2 ，1 1 ，1 6 。光路交换也就是光的波长路由交换方案，目前研究的 比较多，相对比较成熟：光分组交换由于缺乏高速光逻辑器件、光缓冲存储器等， 因此还处于研究阶段。但是，c h u n m i n gq i a o 和j s t u r n e r 等人分别提出的义 一种光交换技术光突发交换o b s ，已经引起越来越多的人的注意。光突发交 换技术融合了光路交换和光分组交换的优点，同时又避免了它们现有的缺点，是 一种居中的方案，更是一种非常有发展潜力的交换模式。 卜2 8 硕士学位论文 1 2 三种光交换技术的特点及比较 1 2 1 光路交换o c s ( o p t i c a lc ir c u i ts w i t c h i n g ) 波长路由 所谓全光交换，是指节点对光信号进行直接交换，从而避免传统的光电 光交换方式中的电子速率瓶颈现象，并且可以充分发挥光信号的高速、宽带、无 电磁感应等突出的优点。全光交换技术可以分为三神：空分光交换( s d ) 、时分 光交换( t d ) 、波分光交换( w d ) 。 波分光交换由于能充分利用光路的宽带特性，并且波分光交换不需要高速率 交换，技术上较易实现，因此波分光交换得到了大力发展，成为目前全光网上最 普遍采用的一种交换方式。光路交换o c s 就是波分光交换，在w d m 网络上称之为 波长路由。 2 0 波长路由是指信号由起点至终点的传输路径取决于波长，w d m 网络需要为每 个连接请求建立从源到宿的光路( 每一个连路上均需要分配一个专用波长) 。 波长路由是采用基于类似t e l 卜a n d w a i t 或者a t m 网络中的具有延迟传输特性的 块传输a b t d t ( a t mb 1 0 c kt r a n s f e rw i t hd e l a yt r a n s m i s s i o n ) 的双向预留 机制，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，数 据可以以直通( c u t t h r o u g h ) 的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 ) 。 波长路由有两个特征，一是波长路由决定了光信号的通路，这样从一特定节 点向外发出的多路载波将会分别传输到不同的终点。二是由于每一路信号被限定 在特定的通路上，那么只要不同的光路不同时存在于同一光纤连接中，波长便可 重用。 1 2 2 光分组交换o p s ( o p t i i p a g k e ts w i t c h i n g ) 光分组交换o p s 是分组交换技术向光层的渗透和延伸，简单说是以光分组的 形式来承载业务数据，传输在光域中进行，交换单位是高速传输的光分组。 光分组交换是面向非连接的“存储一转发”方式，不需要建立实际的物理链 路，采用单向预约机制。光分组交换是一种细粒度的交换机制，由于它允许统计 复用网络通道带宽资源，因此特别适合突发性的数据业务。就承载突发性大并且 分布非对称的i p 数据业务而言，o p s 技术具备高速、高效、高度灵活性、透明 硕士学位论文 性、可升级性、可重构性和控制管理简单等诸多优势。 首先，o p s 按统计时分复用的方法灵活快速的分配带宽，所以网络资源利用 率高。其次，根据数据业务突发性较大和非对称的特点，可采用广义多协议标签 交换( g m p l s ) 等机制简化控制和开销，实现快速路由。再者，o p s 中数据交换 的粒度多样化，易于实现终端业务的接入，并便于实施流量管理。最后，o p s 对 数据速率和格式及高层协议透明，进而信令、计费和网管简单，利于降低运营成 本。因此，光分组交换o p s 能解决网络瓶颈并满足多样化的未来业务需求，已经 引起了许多国家研究机构的重视。 但目前由于在光域内还缺乏类似电域的缓存器等逻辑器件，导致在“纯光” 上还不能实现光的分组交换，目前只能使用光纤延迟线( f d l ，f i b e rd e l a yl jn e ) 作为缓存器，但其缺乏足够的灵活性和精度。 1 2 3 光突发交换( 0 盼o p t i c a l b u r s tb i t c h i r i g ) 人们提出光分组交换的初衷是希望能够完全在光域上实现光的分组交换， 进而能完成光的比特级交换，使i p o p t i c a l 真正的两层结构传送网成为现实。 然而，由于光逻辑器件尚不成熟，光分组交换的控制部分仍然需要在电域上完成， 电子器件的处理速度就成为光路由器中i p 分组交换的主要限制。例如：一个4 4 b 的i p 分组在1 0 g b s 的d w d m 信道上的传输时延只有3 5 2 n s ，这就对光路由器的 处理能力提出了很高的要求。 针对o c s 和o p s 的缺点，c h u n m i n gq i a o 和j s t u r n o r 等人分别提出了光 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 ) 技术，已经引起越来越多研究人员 的注意。 突发交换( b u r s ts w i t c h i n g ) 并不是一个新概念，其实在8 0 年代初就已提 出，并且陆续有一些文章发表。突发交换概念当时并没有像电路交换与分组交换 那样得到普及，原因是提出突发交换的时候，无论电话网还是数据网，技术已经 成熟，没有必要以突发为单位来处理话音或数据从而改变整个网络。每次电路交 换，交换粒度包含许多话音突发，为每个突发做一次呼叫申请显然太浪费资源； 在早期数据网中，一个突发代表一大段数据，拆分成多个分组后再传输，占用的 网络资源少，传送成功率远大于直接传送一大段数据，因此也没有以突发为单位。 但是随着技术的不断演迸发展，一个深刻的变化是传输速率的增长大大超过 了处理速率的增长。尤其是在现有的d w d m 网络上，在光逻辑器件还不成熟、无 堡主堂堡丝塞 法实现“纯光”分组交换的条件下，光突发交换就成为了一一种很好的解决方案。 光突发交换具有以下几个特点： ( 1 ) 光突发交换机制结合了o c s 和o p s 的优点，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。( 可以是一个分 组或者多个分组不等) ( 2 ) 使用带外信令控制机制，实行突发数据分组和控制分组( 信令，相当于 分组交换中的分组头) 分离的异步传输交换机制。 ( 3 ) 单向预留机制。使用t a g ( t e l 卜a n d o o ) 或者a b t i t ( a t mb o c kt r a n s f 日 w j t hi m m e d i a t et r a n s m i s s i o n ) 类似协议，b u r s t 在控制分组发出厉不 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 机制。b u r s t 数据在控制分组发出后个o f f s e t t i m e 后 发出。 ( 5 ) 控制分组在网络中间节点需要进行光电( o e ) 转换，在电域进行处理， 然后再进行电光( e o ) 转换。而数据分组以c u t t h r o u g h 的方式通过 中间节点完成端到端的透明传输。网络中间节点不需要缓存( 当然适当 f d l 可以提高网络性能) 1 2 4 0 盼与0 c s 和o p $ 的比较 表l 给出了三种光交换方式的简单比较。从中不难看出，o b s 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。 表1 三种光交换方式的比较 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若干分组构成的b u r s t 交换粒度 ( 大粒度)( 小粒度)( 中等粒度) 持续时问长短中等 硕士学位论文 较高 带宽利用率低尚 ( 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较高 实现复杂度低 尚适中 根据表1 给出的三种交换方式的比较结果，可以看出o b s 在o c s 与o p s 之 间取得了很好的平衡，o b s 和o p s 是亚波长级交换，带宽利用率高。o b s 交换粒 度适中、无需缓存、实现容易、带宽利用率高等特性能适应网络业务增长及业务 多样性的要求，交换时间根据粒度的不同采用纳秒和微秒光器件实现，是当前晟 具有发展潜力的光交换技术。 o b s 已成为国内外光网络技术研究热点之一。许多国家开展了o b s 的研究， 如欧盟n o b e l 项目和c o s t 2 6 6 项目，美国的j u m p s t a r t 项目，韩国的e r c 项目， 日本的n a t i o n a lr & d 项目等等。我国的8 6 3 计划己将光突发交换技术列舟卜五 期间的重点资助项目之一。 2 5 ，2 7 1 3 s 网络构成 光突发交换网络结构如图1 所示，它主要由边缘节点、核心节点和d w d m 链 路构成。其中边缘节点负责对数据分组进行缓存和封装，组合成数据突发，然后 发送给与之最邻近的o b s 核心节点。封装时边缘节点生成描述突发特性的b h p 分 组，先于数据突发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 b h p 分组，可以得知数据突发的到达时间、持续时间、目的地址( 和转发标签) 等控制信息，并根据这些信息完成对光路的配黄，保证数据的透明通道。 下面将分别从o b s 原理，核心节点实现方案和边缘节点适配技术两个方面对 o b s 技术的研究现状、发展趋势进行简要介绍。 硕士学位论文 1 ，3 。1o b $ 技术原理 图1 光突发交换网络结构示意图 在o b s 网络中，突发( b u r s t ) 是由一些i p 分组组成的超长分组，这些i p 分组可以来自传统】p 网络中不同的i p 路由器。而突发的控制分组b h p ( g u r s l h e a d e rp a c k e t ) ，作用相当于分组交换中的分组头，但与传统分组交换不同的是， b h p 与突发数据( 净载荷) 在物理信道上是分离的，每个b h p 对应一个突发数据。 例如，在w d m 系统中，b h p 占用一个或几个波长，突发数据则占用其它所有波长； 在光时分复用系统中，b h p 占用一一个或几个信道：在带状光缆中，b h p 占用。根 或几根光纤。本文只讨论基于w d m 的光突发交换。 在d w d m 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b h p ，而把其它的波长作为数据通道。b h p 与突发一一对应，在源端设 置b h p 与数据突发之间的偏移时间( o f f s e t i m e ) ，即源端发送b h p 与发送相应 数据突发之间的间隔时间。通过设置恰当的间隔时间，可以保证一定的q o s 并且 不需要光存储和执行光同步。b h p 中包含数据突发传输交换所必需的控制信息， 硕士学位论文 如偏移时间、突发长度、数据通道( 波长) 等。b h p 在中问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，保证当数据突发 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。由于刺 b h p 进行电处理必然引入一定延迟，而数据突发的透明传输没有，因此必需设置 足够的偏移时间，以保证数据到达中间节点时其b h p 已完成对节点的配置。 l 塞茎墼塑! i。赛发数据 通道l 厅西西丽宪发数据 - 磊i 1 i 通邂n ： 几r j 甭蓠丽毒矗- l “_ “落避 图2 突发数据与控制分组传输示意图 从完成的功能来看，b f i p 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，b h p 也被称为信令消息。但与传统信令不问的是，o b s 的信令不必等 待目的端的反馈确认，换句话说，o b s 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。另外，由于突发数据是统 计占用带宽资源，从而提高了不同连接之间的传输效率。 1 3 2 s 核心节点 总体来看，现有的核心节点实现方案基本一致。都大致包括三个主要组成部 分：光交换模块，交换控制模块，以及协议处理模块和线路接口模块。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。光交换模 块主要由空分交叉矩阵、f d l 和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。线路接口模块包括 m u x d e m u x 、e d f a 等与光传输相关的器件。 图3 为o b s 网核一i l , 节点结构，这里假定其入口、出口光纤数均为n ，每根光 纤的波长数为k 。其中一个波长传输b h p ，这个波长在各个中间节点首先要进行 o e 变换，然后再进行电的路由表查找、交换矩阵控制等处理过程，最后更新b h p 硕士学位沧文 并进行e o 变换；其余k 1 个波长传输突发数掘，这些波长在各个中间节点都不 需要o e o 变换，整个交换传输在光域内完成，从而保证了数据的透明性。由于 中间节点只需要对少量波长进行o e o 变换，然后在电域进行处理、控制光交换 矩阵等，因此可以消除电子处理速率瓶颈。 变按光纤妊i f i 线变换 图3o b s 核心节点结构图 图3 中，入口f d l 的作用是缓存突发数据，等待控制分组进行o e 变换、 转发表查找、建立交换连接等。入口f d l 在光分组交换方式中是必需的，但在 o b s 中，通过让b h p 比对应的突发数据提前适当的一段时间t 出发，为突发数据 预约恰好相等的一个时间段，可以使所有中间节点省去入口光缓存f d l 。还可通 过将业务区分为不同的优先级，为优先级高的突发数据设置较长的时间偏移量t ， 使其获得更大的预约成功机会，来实现w d m 层的q o s 保证。 尽管光交换矩阵的实现是o b s 核心交换节点实现的关键技术之一，但由于现 有的o b s 研究主要集中于电控制处理部分，对o b s 节点的光交叉模块实现的讨论 较少。造成这种现状的本质原因是，o b s 最关键的思想就是控制与数据交换的分 离，因此数据交换部分完全可以采用已有的技术，如原本为波长路由网络的o x c ( o p t ic a c r o s s c o n n e c t ，光交叉连接) 节点设计的各种交叉矩阵，或者为光分 组交换网络设计的各种交叉矩阵。而最能体现o b s 特点的就是其控制部分，包括 其信令方案、节点调度、资源预约、冲突处理等。 硕士学位论文 1 3 3o b $ 边缘节点 从实现的角度看，o b s 网络中的边缘节点需要完成如下功能： a ) 多业务适配处理。需要根据不同的业务特性( 如话音、数据、视频等) 进行特殊处理。提供完善的接入接口。 b ) m p l s 边缘处理。主要包括f e c ( f o r w a r de q u i v a l e n c ec l a s s ，转发等价 类) 的定义与映射；根据映射类对到达的分组进行排队，并分配标签等 操作。 c ) 突发汇聚。边缘节点根据一定的策略将到达的分组缓存，等待组装为一 个数据突发后，按o b s 的方式发送。发送数据前，需要根据信令的要求 产生相应的b h p ，并在b h p 中描述待发送数据的各种控制信息( 如突发 持续时间、偏移时间等) 。 这些功能中，第1 和第2 项并非o b s 网络独有，已有许多研究成果可资借鉴， 而且也不是实现难点。突发汇聚闯题是o b s 网络设计中的一个关键问题。但目前 的相关研究工作只是分析不同的数据到达特性对突发丢弃性能的影响，由于这些 研究中对节点实现方案( 如是否具有f d l ) 和控制方案( 实际上都假设为j e t ) 的假设存在过于简化的倾向，因此其中的某些定性结论可以参考，但对实际网络 的设计，参考价值有限。另外，这些研究普遍忽略了对核心节点控制处理延迟的 考虑，而突发汇聚时，若突发的间隔过小，很可能导致核心节点的控制处理速度 跟不上。从实际应用的角度看，核心节点的控制处理延迟应该是突发汇聚参数设 计的主要考虑因素。 2 1 如下图4 所示，是o b s 网边缘节点发送端和接收端的功能图。 ( a ) 发送端 图4o b s 边缘节点功能图【2 1 硕士学位论文 发送端主要实现以下功能：接收从外部到达的i p 分组并对相应晌i p 分组进 行解封装( 主要是第一层和第二层解封装) 和对i p 分组进行校验；根据一定的 标准( 如目的i p 地址和服务等级) 将i p 分组进行突发排队；将i p 分组汇聚成 突发包并产生相应的控制分组：为突发包及相应的控制分组进行调度；将突发包 及其控制分组进行e 0 转换后发送到0 b s 网络中。 发送端功能结构框图如图4 ( a ) 所示：接收i p 分组和突发包、控制分组发送 功能实现比较简单；调度模块功能的实现主要包括偏移时间的设置和波长分配。 当前的研究热点主要集中在突发包汇聚功能的实现上。 边缘节点接收端的功能相对发送端要简单的多，其功能结构框图如图4 ( b ) 所示，接收从o b s 网到达的控制分组和突发包，由控制分组接收模块和突发包 接收模块分别实现。将接收的突发包拆成单个的p 分组，由突发包解汇聚模块 实现。根据坤分组的目的地址转发i p 分组，由交换模块实现。对i p 分组进行 封装后发送出去，由线卡实现这一功能。 1 40 b s 发展前景展望 光突发交换是以光纤通信技术为基础，满足i n t e m e t 发展需求而出现的一种 交换模式。它结合了光路交换和光分组交换的优点而避免了它们的缺点，具有很 好的发展前景，近年来已引起国内外学术界和科研院所以及有关企业的关注，我 国在“8 6 3 ”、“十五”计划中将其列为重点项目之一。 虽然o b s 的发展受到高速光器件、快速信令同步技术、全光波长转换技术、 光缓存等方面技术的限制，使其现在还未达到实用化阶段，但是其控制分组与突 发分组独立传输交换的特点已经简化了i p 骨干网的协议层次，实现了 i p o v e r w d m 。它挖掘了w d m 光骨干传输网的带宽资源能力，向全光网发展迈 出了重要的一步，光突发交换将成为下一代光传输骨干网的核心。 1 5 本文内容及安排 本文主要从0 b s 核心节点b h p 调度模块的硬件设计和调度算法在系统交换结 构上的具体实现两个方面对核心节点的实现进行了研究。 本文的安排如下： 硕士学位论文 第一章对o b s 的背景、o b s 与其他光交换技术对比、o b s 系统模型的原理 进行简要介绍。并对o b s 发展前景提出了展望。 第二章对o b s 核心节点的结构、项目实验系统的性能指标进行了说明，重点 分析了b h p 调度流程以及核心节点控制模块功能结构，分析比较了两种经典b i l p 调度的算法以及它们的实现复杂度。 第三章给出了用d s p 实现b h p 调度的协处理模块的硬件实现方案，详细说明 了该模块的功能、结构、接口和硬件设置的方案。简略介绍了硬件设计的流程， 并根据系统要求对d s p 电路板的初始化做出说明。 第四章针对项目实验系统交换结构对b h p 的两种调度算法进行了具体分析， 说明了算法的数据结构、变量定义、算法流程等，比较了两个算法的差异，并对 l a u c v f 算法在8 x 4 x 4 交换结构上的性能进行仿真，给出仿真结果。 第五章最后对全文进行了总结。 硕士学位论文 第= 章核心节点结构分析及调度算法分析 在上一章关于0 b s 的综述中，已经简单介绍了一下o b s 核心节点 5 ，1 1 ，1 6 的功能结构，那是一种通用的结构模型。本章，我们将深入研究分析0 b s 实验系 统核心节点的具体结构，分析节点的性能指标以及影响指标的因素，进一步研究 了控制信令在核心节点中的处理流程，并根据流程对核心节点进行了模块划分。 同时，我们介绍了两种0 b s 的调度算法，比较分析了算法的差异以及实现复杂度， 并对算法进行了仿真，分别分析了两种算法随f d l 级数和单位延迟时间变化的数 据丢弃情况。指出了采用d s p 用软件实现调度的优点。 2 1 核心节点结构描述 从实现数据交换这个角度来说，o b s 的核心节点可以看作主要由光交换阵 列和阵列控制两部分构成。前者实现数据分组的交换，后者通过对b h p ( b u r s t h e a d p a c k e t ) 的处理实现对交换阵列的控制。光交换阵列( 包括光开关矩阵、光 纤延时线f d l 光缓存、波长变换器t w c 等) 的结构和实现不是项目研究的重 点，对此不作过多介绍，本章主要描述项目中所实现控制功能的设计方案。 s 浚长( 数据) 图5 项目核心节点结构 硕士学位论文 如上图5 ，是项目设计所要实现的o b s 核心节点结构，光交换阵列由8 个4 4 的交换模块以及光缓存f d l 、波长变换器t w c 组成；输入和输出光纤均有 4 条，每条光纤上复用9 条波长，k 0 k 8 ，其中，k o k 7 用于突发数据包传送， 九8 用于突发数据包头b h p 传送。分波器将输入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m 九8 复用，其出口连接输出光纤。 根据o b s 的原理，核心节点在转发突发数据分组前将收到先期到达的控制分 组b h p ，其中携带的信息决定了来自该端口的突发数据分组的特性，如到达时间、 持续时间( 突发长度) 、端口和波长信息、优先级等。对来自所有端口的b h p 进 行处理，决定了每一时刻光交换阵列的配置状态，以尽可能满足所有的突发数据 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 ) 在突发数据分组到达之前配置到对应状态，核心节点输入端口的突发数据包能直 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。 2 2 系统性畿指标 项目系统中控制模块需达到的性能，预计有以下一些指标： 1 ) 端口数：4 2 ) 控制通道数据到达，输出速率：1 5 5 5 2 m b p s 3 ) 数据通道速率： 1 g b s 4 ) 处理时延： 1 0 u s 2 2 1 控制通道速率( 最大值) 垤咐x 决定于数据通道有效速率v d 、数据通道个数( 波长数) y t 纤n d 、b u r s t 数 据分组长度( 最小值) l d m i n 、b h p 长度l b v b m a x = l b * ( v d * n d l d m if i ) 例如：数据通道速率为1 g b p s 、每纤8 数据波长、最短突发分组长度为l o k b ( 相应的突发持续时间为i o u s ) 、b h p 包封后长度为9 6 b ，则要求的控制通道速 硕士学位论文 率约为7 7 m b s 凼为一个b u r s t 只对应1 个b h p ，而b h p 长度远小于b u r s t 长度，即使一条 b u r s t 通道达到满载，b h p 通道一h 的对应b h p 阳j 也会有相当的间隙。计算控制通 道b h p 的到达速率即是假设所有波长的b u r s t 数据通道均达到满载时，b h p 的发 出速率。而b u r s t 是数个、甚至大量通往同一目的的i p 报文的汇聚，几乎不可 能发生数据信道满载的情况，实际情况是很难达到上式计算出的最大速率的。 控制信道的速率越小，而相应核心节点b h p 处理的压力也就越小。设计中只 需注意能保证核心处理模块能够及时处理最大数据量下的b h p 就能尽量减少b j l p 的丢失率。 2 2 2 处理时延( 基于顾序调度策略) 处理时延影响到最短b u r s t 数据分组长度，因为过长的处理时延意味着无 法处理频繁到达的数据交换请求，即突发分组长度较长，进而使得o b s 系统的交 换时延加大。