（通信与信息系统专业论文）obs核心节点交换调度技术的研究.pdf

电子科技大学硕士学位论文 摘要 因特网的快速发展和d w d m 在传输领域不可替代的优势，使得下一代 互联网必然具有光分组传输和交换的特点。而在已知的几种光分组交换技 术中，光突发交换( o b s ) 以其灵活性( 与o c s 相比) 和可实现性( 与 o p s 相比) 等特点而备受瞩目，成为国内外研究的热点。为了攻克和掌握 这一关键技术，很多政府和研究机构开展了与o b s 相关的研究工作，我国 8 6 3 重大计划也设立了重大项目“光突发交换关键技术和实验系统”，本 文的工作正是该项目中的关键部分核心节点控制系统。 本文首先对光突发交换网络的基本概念和原理进行了描述，在此基础 上介绍了o b s 实验系统的结构与工作流程，然后对实验系统中的重要组成 部分核心节点的结构、功能等做出祥述。并结合设计指标对几个关键 参数进行了分析。 然后本文对核心节点控制系统中的关键部件，即控制主板的设计方案 进行了详尽的阐述，给出了设计原理图，并深入分析了各模块的功能和接 口。最终采用多层p c b 和v h d l 编程实现了这部分功能。 交换系统的性能很大程度上决定于交换调度算法，本文结合实际系统 的光交换结构，分析了在控制主板中所采用的调度算法，对其进行了性能仿 真，并对仿真结果作出了分析。 最后，本文给出了和用该算法实现的核心节点交换调度器，分析并解决 了硬件实现该调度算法的若干难点问题，如时标越界等。文中对核心调度 器具体设计的描述，以各个予模块有限状态机的形式给出。 本文设计在实验系统中得到验证，达到了系统设计指标要求。 关键词：光突发交换核心节点控制交换调度算法v i t l i l 第i 页 电子科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ef a s td e v e l o p m e n ta n du n r e p l a c e a b l ea d v a n t a g eo fd w d mi nt h e r e a l mo ft r a n s m i s s i o nm a k et h e o p t i c a lp a c k e t t r a n s m i s s i o na n ds w i t c h i n g b e c o m eac h a r a c t e r i s t i co fn e x tg e n e r a t i o n o b sa t t r a c t sm u c ha t t e n t i o nd u et o i t s f l e x i b i l i t y ( c o m p a r e d w i t ho c s ) a n df e a s i b i l i t y ( c o m p a r e dw i t h o p s ) ，a n d b e c o m e st h ef o c u so fc u r r e n t s t u d y t o o v e r c o m ea n dc o n t r o lt h i s k e y t e c h n i q u e ，al o to fg o v e r n m e n t sa n di n s t i t u t ed om a n y r e l a t e dr e s e a r c hw o r ko f o b s t h en a t i o n a l p r o j e c t 8 6 3a l s oe s t a b l i s h e dt h e i m p o r t a n tp r o j e c t ”t h e o p t i c a lb u s ts w i t c h i n gk e yt e c h n i q u ea n de x p e r i m e n ts y s t e m ”t h ew o r k o ft h i s p a p e r i so n eo f t h e k e yp a r t so f t h i sp r o j e c t t h ec o r en o d ec o n t r o ls y s t e m f i r s t ，t h i sp a p e rd e s c r i b e st h eb a s i cc o n c e p ta n dp r i n c i p l e so ft h eo p t i c a l b u r s ts w i t c h i n gn e t w o r k ，a n db a s eo nt h i st h ep a p e ri n t r o d u c e st h es t r u c t u r e a n df l o w p r o c e s so f t h eo b s e x p e r i m e n t a ls y s t e m t h e nd e s c r i b e t h ei m p o r t a n t p a r t o ft h e e x p e r i m e n t a ls y s t e m t h e s t r u c t u r eo ft h ec o r e n o d e ，t h e f u n c t i o n e r e c o m b i n i n g t h e d e s i g ni n d e x ，t h ep a p e ra n a l y z e s af e wk e y p a r a m e t e r sa l s o t h e nt h ep a p e rd e s c r i b e st h ek e yp a r t so ft h ec o r en o d ec o n t r o ls y s t e m ， w h i c hi st h ec o n t r o lp a n e la n d p r o p o s e st h ed e s i g np r i n c i p l ed i a g r a m ，a n a l y z e t h ef u n c t i o na n di n t e r f a c eo fe a c h m o d u l e f i n a l l ym u l t i l a y e r p c b sa n d v h d l si su s e dt oc a r r yo u tt h i sp a r to ff u n c t i o n s t h ei m p o r t a n c eo ft h es w i t c h i n gs y s t e mi st h es w i t c h i n ga l g o r i t h m t h i s p a p e r c o m b i n e st h es t r u c t u r eo ft h e p r a c t i c a lo p t i c a ls w i t c h i n gs y s t e m ， a n a l y z e st h es w i t c h i n ga l g o r i t h mo f t h ec o n t r o lm a i nb o a r d ，a n ds i m u l a t e st h e f u n c t i o n a l s ot h ep a p e ra n a l y z e st h em e t h o dt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f t h ea l g o r i t h m 电子科技大学硕士学位论文 i nt h ee n d ，u s i n gt h ec o r en o d es w i t c h i n gm a c h i n et h a ti sr e a l i z e db yt h e u s eo ft h i s a l g o r i t h m 。t h ep a p e ra n a l y z e sa n dr e s o l v e ss o m ep r o b l e m so f c a r r y i n go u tt h i sa l g o r i t h mu n d e rh a r d w a r e ，s u c ha sb e y o n dt h em a r ko ft i m e t h e p a p e r d e s c r i b e st h ed e s i g no f c o r en o d e s w i t c h i n gm a c h i n e i nt h ef o r mo fa 1 i m i t e ds t a t et r a n s f e rm a c h i n eo ft h ee a c hm o d u l e t h ed e s i g no ft h ep a p e ri sv a l i d a t e di n t h ee x p e r i m e n t a ls y s t e m ，a n dt h e r e s u l ts h o w st h a tt h es y s t e mr e a c h e st h e d e s i g nr e q u i r e m e n t k e y w o r d s ：o b s ，c o r en o d e c o n t r o l ，s c h e d u l i n ga l g o r i t h m ，v h d l 第i i l 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：基：。啦 日期：弘晒年乎月够日 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) 签名：显骚 导师签名： 季乐氏 日期：j 舯f 年中月玎日 电子科技大学硕士学位论文 缩略语： b h p c o s d w d m d s p f d l f i f 0 f p g a g m p l s j t a g l v d s n g n o b s o c s o p s o e ，e o s e r d e s s o n e t s d h 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 n m 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 h to u t f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y g e n e r a l i z e d m u l t i p l ep r o t o c o l l a b e ls 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 i l q e t w o r k 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 l c i r c u i ts w i t c h i n g o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g o p t i c a l t oe l e c t r o n i c e l e c t r o n i ct o o p t i c a l p a c k e to v e rs o n e t s d h s e r i a l i z e r d 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 突发控制分组 类别服务 密集波分复周 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 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 光突发交换 光路交换 光分组交换 光电电光转换 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 电子科技大学硕士学位论文 t w c v h d l 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 v e r yh i 曲s p e e di n t e g r a t e d c i r c u i t s h a r d w a r e d e s c r i p t i o nl a n g u a g e 第i ) 【页 高速集成电路硬件描述 语言 电子科技大学硕士学位论文 第一章引言 1 1o b s 技术的产生背景 随着网络技术的拓展深入，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 g t hd i v i s i o n m 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 i l l ) 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。 但是当前w d m 仅仅是工作于骨干网，实现点到点连接，i p 业务仍然 是采用i po v e ra t m 或i p o v e rs d h 的多层网络结构方式进行。这种方式不 但存在着层次功能重叠，而且带来的额外开销巨大；并且在网络中间节点的 处理需要进行o e o 的转换，由于电子瓶颈的存在，网络速度受限。因此有 必要减少层次结构，i po v e rw d m 技术有望满足需求。 i po v e rw d m 光网络有三种方案【2 1 ：光路交换o c s ”( o p t i c a lc i r c u i t s w i t c h i n g ) ，6 1 ，光分组交换o p s 【7 ，8 1 ( o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ) ，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 ) 。其中光路交换也就是光的波长路由交 换方案，本质上是一种光层的电路交换，其处理颗粒和带宽分配策略并不适 合承载突发性的i p 业务，不是理想的承载方案。光分组交换光分组交换直接 在光域进行层间适配，丢弃了电适配层，简化了网络的控制，提高了操作效 率，真正实现了i p 层与光层的紧密结合，是理想的承载方案。但是由于缺乏 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。 基于这种背景，作为一种居中方案的o b s 技术脱颖而出。o b s 技术在 支持分组业务的性能上高于o c s ，而实现难度( 尤其是对光器件技术的要求) 低于o p s ，是一种很有发展潜力的交换模式，得到了广泛的关注。 1 2o b s 技术筒述 1 2 10 8 8 的基本原理 皇王型垫奎堂堡主兰堡笙墨 叵三三珂差蓦m f o r d a t ap a ，c 吣k e t s 。 图卜1o b s 网络示意图”1 如图1 1 所示，o b s 网络是由处于网络边缘的边缘节点，位于网络中心 的核心节点以及波分复用( w d m ) 的链路组成。分组在网络入口处被组装 成突发数据，经过核心节点的交换，然后在网络的出口处被分解成分组，并 被转发到下一跳( h o p ：即下一节点) 。边缘路由器提供突发数据分组( 简 称b u r s t ) 的组装和拆分功能，并且提供了各种网络接口( 如：g i g a b i t e t h e m e t ， p a c k e to v e rs o n e tf p o s ) ，a t m 甚至s d h 等) ，使之可以和其他协议类型的 网络互联。光核心路由器主要由光交换结构和交换控制单元( s w i t c h c o n t r o l u n i t ) 组成。 o b s 网络中的基本交换单位是b u r s t 。突发分组是由一些i p 包组成的超 长数据包。组成突发的i p 分组具有相同的出口边缘路由器地址，以及相同的 服务质量( q o s ) 要求。每一个b u r s t 均有与其一一对应的控制分组，称为突发 头分组b h p ，b h p 中包含所有必要的控制信息，如突发发长度、偏置时间、 波长信息和路由信息等，具体帧格式目前尚未标准化，在实际应用中可以根 据需要灵活变动。 b h p 与b u r s t 在物理信道和时间上均是分离的：即在物理信道上一般为 同一光纤中的不同波长，在时间上控制分组提前于突发数据分组一段时间， 即偏置时间( o f f s e tt i m e ) 。它们通过核心节点时各自在电域和光域交换。 o b s 主干网的每一跳的交换控制单元根据b h p 携带的信息来配置光交换矩 阵，以便在光域交换b u r s t 。b u r s t 和b h p 独立传输和交换不仅有助于对头 标进行电处理，降低光核心路由器光电转换的需求，而且可以提供入口到出 口的透明光通路来传输b u r s t 。 电子科技大学硕士学位论文 1 2 20 b s 技术的优点 通过上一节对o b s 技术原理的分析可以得出o b s 的主要优点为： 从不同源端到不同宿端的突发分组可以利用统计复用的方式，有效 地利用链路上相同波长的带宽，带宽使用效率较高。 b h p 和b d p 的分离，有效降低了核心节点的复杂度和对光器件的要 求。 核心节点可以不需要缓存，降低了系统的同步要求。 单向资源预留机制缩短了等待时延 交换容量大，可以达到t b i t s 级的交换容量。 基于以上的优点，o b s 技术有着前景广阔的应用价值，可主要应用于不 断发展的大型城域网和广域网，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 和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、视频会议等应用。 1 3 国内外研究动态 自1 9 9 7 年c q i a 0 1 5 提出o b s 理论以来，国外关于o b s 的研究方兴未 艾。美国纽约州立大学b u f f a l o 分校的c q i a o 等对o b s 经过比较深入的研究， 提出了一种j e t 【l0 】( j u s te n o u g ht i m e ) 信令协议，并研究了基于该协议的核 心节点的结构和性能。该协议能在w d m 层实现基本的区分服务，支持一定 的服务质量( 仅以突发丢包率为q o s 参数) 。该小组还开展了o b s 交换中 的组播和m p l s ( 多协议标签交换) 在o b s 交换中的运用研究，提出了m p l s 与o b s 相结合的方案：标签光突发交换l o b s 1j o 为了降低复杂性，y w e i 等建议采用j i t 【1 2 j ( j u s t i n t i m e ) 信令协议，j i t 协议提供尽力而为的服务， 不支持w d m 层的q o s 。英国伦敦大学学院( u c l ) 的p b a y v e l 等人提出了 一种波长路由光突发交换( w r o b s ) 方案【1 3 】，并对其性能进行了研究，该 方案以波长路由为基础，更接近电路交换的概念，可以提供有服务质量( q o s ) 保证，但网络的灵活性和带宽利用率低，而且虽然原理上可以以波长为标签 实现m p l s ，但由于涉及到对波长的操作，一些g m p l s 操作难以实现。从 事这方面的研究还有美国德克萨斯大学、伊利诺斯州技术学院、意大利的罗 马大学等。国内一些大学和研究机构，如北京邮电大学，上海交大近年来也 开展了相关预研工作。目前的研究课题主要集中在：资源预约方案，冲突处 3 电子科技大学硕士学位论文 理，仅以突发丢包率为参数的o b s 层的q o s 支持，边缘路由器的突发会聚 机制及o f f s e t t i m e 管理、网络核心节点交换结构和控制管理、控制数据信道 的调度算法等。以下分别介绍与本文内容相关的两个热点。 1 。3 10 b s 资源预约方案和信令 o b s 网络中，数据突发与信令( 控制分组) 是分离的。不仅采用不同的 信道，而且时间上也是分离的，源端先发送b h p ，然后间隔一段时间后，发 送b u r s t ，这段时间称为偏移时间( o f f s e tt i m e ) 。目前提出的各种预约方案 最主要的区别在于如何判断突发的结束，以及如何确定某个新突发占用相应 资源( 通常情况下应包括信道上的波长资源和交换结构中的缓存资源) 的持 续期间。 图1 - l 给出了几种预约方案，以及相应的信令流程示意图。图中示意了 突发经过o b s 交换机的情况。每个突发发送前，先在一个独立的信道中通过 控制分组发送一个s e t u p 消息；在某些方案中还需要在突发结束时发送一 个r e l e a s e 消息。下面分别描述这几种方案： 方案l ：e x p l i c i ts e t u pa n de x p l i c i tr e l e a s e 。当s e t u p 消息到达时，立刻 对交换模块进行相应的配置，包括对交叉矩阵的设置以及对输出波长的预约。 这一配置直到收到r e l e a s e 消息时释放。 方案2 ：e x p l i c i ts e t u pa n de s t i m a t e dr e l e a s e 。s e t u p 消息中要携带突发 的持续时间信息。与方案1 不同的是，方案2 不需要r e l e a s e 消息来标志 突发的结束。突发的结束根据s e t u p 消息的到达时刻与突发的持续时间来 估计。 方案3 ：e s t i m a t e ds e t u pa n d e x p l i c i tr e l e a s e 。该方案与方案2 刚好相反。 估计的是突发的开始时刻，而突发的结束用r e l e a s e 消息来标志。 方案4 ：e s t i m a t e ds e t u pa n de s t i m a t e dr e l e a s e 。突发的开始和结束时刻都 根据s e t u p 消息中的信息来估计。 从图中不难看出，几种方案最明显的区别在于同一个突发数据占用节点 资源的时间，而这个时间的长短取决于各种方案中对突发数据开始和结束时 间的估计精度。估计得越准，占用资源的时间越短，资源利用率越高，而且 总的突发数据冲突概率越低。方案l 估计得最不准，因为s e t u p 和 r e l e a s e 消息的到达时间被直接当作突发数据的开始和结束时间；方案4 估计得最准，因此性能最好。 电子科技大学硕士学位论文 1 3 2o b s 的冲突处理机制( c o n t e n t i o nr e s oiu t i o n ) 当多个突发数据同时要到同一输出端口的同一波长上，形成外部阻塞。 外部阻塞的处理对提高o b s 系统的性能具有重大的意义，一直是研究的热 点。目前提出的冲突解决机制主要有：光缓存 1 5 , 1 6 j ；波长变换1 7 】；偏折路由 1 9 ，2 0 1 ( d e f l e c t i o nr o u t i n g ) ；突发数据分割【2 1 , 2 2 ( b u r s ts e g m e n t a t i o n ) ，以 下对这几种方案做出简要的说明和比较。 1 3 2 1 光缓存 在光域中，没有可用的光r a m ，因此，光交换中不可能完全采用电域中 的交换机制。光缓存的一种可选方案是用光纤延迟线( f d l ) ，在一定程度上 能减少光分组突发的丢包率。但是，光缓存的一个主要问题就是它的功率损 耗。为了补偿功率损耗，不得不引入光信号放大或光信号再生，前者会引入 噪声，后者成本太高。总的来说，引入f d l ，将大大增加光交换的成本。 电了科技大学硕士学位论文 1 、3 2 2 波长变换 光网络还有另外一个域，即波长域。在使用波长变换的系统中，如果发 生两个或多个光分组突发竞争，其中一个分组突发直通，另一个或其它几 个分组突发还是交换到同一个输出端口，但是用不同的波长。这种解决方案 在竞争分组的延迟方面是最佳的，它不会引入附加延时。这种方法适合于电 路交换，也适合于光分组突发交换网络，但需要快速可调谐变换器t w c 。 最近研究结果表明，它在分组交换光网络中是一种最有潜力的可选方案之一。 它能最有效地降低光分组突发的丢包率，特别是应用于多波长d w d m 系统， 因此快速可调波长变换器是目前研究的热点。 1 3 2 3 偏射路由 因为光缓存还有几个问题难以解决，所以尽量少用或不用。偏射路由是 在没有缓存可用时的另一种解决方案。当竞争发生时，分组突发不能交换到 正确的输出端口，将它路由到另一个可选输出端口，有可能通过另一条路径 到达目的节点。当网络规模比较小，且它的连通性比较好，即这些节点都有 很多相邻节点时，这种方式的效果还不错的。但是，如果网络的连通性不好， 这些被偏射的分组突发将很可能无法到达目的节点。因为这些分组突发在 网络中游弋消耗了大量资源，但无法到达目的节点。很显然，在这种情况下， 其它解决方案会起到更好的效果。 此外，偏射路由方案只能适用于网络负载比较轻的场合，若平均流量负 载比较重，偏射路由的分组只能降低网络的效率。偏射路由方案可以进行改 进，只允许使用某些端口，如果分组不能找到一条合理的路由到达目的节点， 即使有空闲的端口它也将被阻塞。 1 3 2 4 突发数据分割( b u r s ts e 删e n t a t i o n ) 突发数据可以分成多个数据段( s e g m e n t s ) ，当冲突时，并不丢掉整个 突发数据，而仅仅是丢掉冲突的( 重叠的) 数据段。此外可以结合偏折路由 来解决冲突，可以偏折冲突的突发数据，或者仅仅偏折重叠的数据段。这种 方式可以降低分组丢失率，提高性能。 1 4 主要研究工作和论文安捧 1 4 1 主要研究工作 6 电子科技大学硕士学位论文 本人所参与的课题是国家8 6 3 计划重大课题：光突发交换关键技术和实 验系统。整个课题组的任务为：研究并掌握光突发交换( o b s ) 的关键技术， 建立支持图像、话音、数据等业务的接入o b s 实验系统。 所在的子课题组的主要研究工作是o b s 核心节点控制系统的实现。该系 统是整个o b s 实验系统的重要组成部分。主要的功能是根据控制信息和节点 当前的状态信息进行资源的预约，仲裁。若预约成功，则需完成对光路的配置， 以保证后续的数据到达时透明地穿过节点。若出现资源的竞争和冲突，交换 控制模块还需要根据一定的冲突解决方案完成相应操作。我们采用基于 f p g a 的核心节点控制母板，高速光电接口板，d s p 协处理子卡和m c u 网 管处理子卡等板卡来架构系统，完成上述功能。 在课题组中，本文作者的主要工作如下： i 、参与o b s 核心节点控制系统方案设计； i i 、负责o b s 核心节点控制系统母板的原理图设计和p c b 设计； i i i 、负责核心节点调度算法研究中顺序调度算法的研究与实现，包括 o p n e t 性能仿真和v h d l 硬件实现，即o b s 核心节点调度器模块设计与验证 i v 、参与o b s 核心节点的单板调试，整机测试和o b s 实验系统联调。 1 4 2 论文安排 本文结合我在项目中所做的工作，对o b s 核心节点控制系统的具体实现 作出了研究。论文安排如下 首先介绍了o b s 技术的产生背景，基本原理和国内外研究动态。 接下来对o b s 实验系统的核心节点的设计作出简述。 然后本文对核心节点的关键部件控制主板的实现方案作出了详尽的阐 述。结合设计原理图给出控制主板详尽的接口描述和接口电路的设计。并结 合p c b 板图，对在控制主板p c b 设计中遇到的两个关键问题：电源管理和 布局布线的处理进行了详细的阐述，给出了具体的解决方案。 本文接下来对核心节点的交换调度算法进行了研究，在研究了l a u c 算 法的基础上，结合本系统光交换结构的特点，给出了适用于本系统的顺序调 度算法。接着利用o p n e t 对该算法进行了仿真，着重研究了重要的调度参 数- - f d l 粒度和级数对调度算法性能的影响。 7 电子科技大学硕士学位论文 最后，本文给出了利用该算法实现的核心节点交换调度器，分析了硬件实 现该调度算法的难点问题，如时标越界等，并给出了两种解决解决方案：然后 分模块以状态机的形式给出交换调度器的各模块实现。 在文章的末尾进行了全文总结。 电子科技大学硕士学位论文 第二章o b s 核心节点结构分析 2 1o b s 实验系统 核心节点控制系统作为o b s 实验系统的重要组成部分，与整个系统关联 密切。为此有必要在分析核心节点结构分析之前先对o b s 实验系统作出介 绍。 在本节中将分别介绍o b s 系统的结构和工作流程。 + _ ? w 光纤信道_ l v d s 控制电缆 + 一单波长数据旦喾蔓：二b - 二二控制矗道k 一 困 一以太网线 j 核心节点 ： - - - i 。 2 1 1 s 实验系统框图与说明 图2 1o b s 实验系统框图 如图2 1 所示，本o b s 实验系统由边缘节点和核心节点两部分以及连接 两部分的w d m 链路组成。以下分别简单阐述边缘节点，核心节点的结构与 功能。 本系统中有四个边缘节点e l 到e 。，边缘节点通过以太网口与担任数据 源的台式计算机相连接，通过9 波长的w d m 光纤与核心节点相连接。边缘 电子科技大学硕士学位论文 节点主要功能是：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。 边缘节点的发送端口将数据源产生的数据包汇聚成b u s r t ，并对每一个 b u r s t 生成b h p 。然后将b l i p 通过光电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 通过光 电转换模块由光纤数据信道上的指定波长发往核心节点。 边缘节点的接收端口收到由核心节点收到发向自己的b l i p 后，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， 由光电转换模块接收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1 p 网络。 边缘节点的具体实现非本文的重点，在此不在赘述。 o b s 中的核心节点主要由光交换控制模块和光交换结构两部分构成。光 交换控制模块的主要功能为：根据b h p 携带的控制信息和核心节点保存的资 源状态信息对b h p 进行调度；根据调度的结果控制光开关在精确的时间合理 地动作，从而为b u r s t 配置好光路，满足b u r s t 的透明传输。 光交换结构由8 个4 4 的交换模块以及光缓存f d l ( 图中未画出) 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。 w d m 链路：输入和输出的w d m 光纤均有4 条，每条光纤上复用9 个 波长：包括一个用于b h p 传输的控制波长沁和8 个用于突发数据包传送的 数据波长h l 到h 8 。 输入的w d m 光纤在进入核心节点时通过分波器将9 个波长分开，沁连 接到核心节点的光控制模块，而数据波长连接到核心节点的光交换矩阵的入 端口，来自边缘节点e i 的数据波长地被连接到第j 个4 4 酌交换模块的第 i 个入端口。 输出的w d m 光纤由通过核心节点的9 个波长通过合波器耦合而成。 2 1 20 b $ 实验系统工作流程 o b s 实验系统的工作流程如下： a ) b h p 汇聚与排队：i p 包发送到边缘节点时，边缘节点需要将发往同一目 的节点的i p 包汇聚为b u r s t 。在指定时间内发往同一目的节点的数据尚未 1 0 电子科技大学硕士学位论文 达到b u r s t 的最小长度之前( 即数据不足以汇聚成一个b u r s t ) ，先到达 的数据将缓存在边缘节点的相应等待队列中。 b ) b h p 与b u r s t 的产生：直到超过等待时间或者当汇聚起来的i p 包达到 b u r s t 的要求长度为止，此时产生b i 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 l 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 通过光电转换模块由光纤控制信道九c 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 通过光电转换模块由 光纤数据信道上的指定波长发往核心节点。 c ) b h p 的调度：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( 到达时间、持续时间即突发 长度、端1 3 和波长信息、优先级) ，查找资源表，按照某种调度算法进 行b h p 调度，生成光开关配置命令和f d l 开关控制命令。对成功调度的 b h p ，光开关矩阵于收到该b h p 后的o f f s e tt i m e 后根据光开关配置命令 正确动作，使与该b h p 对应的b u s r t 透明通过核心节点。 d ) b h p 的转发：调度完成后，核心节点还需要修改b h p 的o f f s e t t i m e 字段 ( 即扣除掉b h p 在本系统的处理时间) ，然后通过控制信道沁转发到 下一跳的核心节点或者边缘节点。 e ) b h p 的接收解析和b u r s t 的还原：当边缘节点收到由核心节点发向自己 的b h p 时，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，由光电转换模块接收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。 2 2 核心节点系统的实现 电子科技大学硕士学位论文 2 2 1 核心节点实现框图与说明 o b s 核- 1 1 , 节点框图如图2 - 2 ，从图中可看出，核心节点由高速光电接口 线卡，f p g a 核心控制母板，m c u 网管处理卡，d s p 协处理子卡，光交换结 构和命令解析器。以下按照数据流向分别简述各模块的功能： 高速光电接口线卡的功能主要是：将多路光纤的控制信道上的高速b h p 帧解析、转换为电信号、复接为一高速汇聚流；对来自上一边缘节点b h p 的预处理，即b h p 的识别，同步、加入时标信息，初步的校验统计；对调度 完毕，将发往下边缘节点b h p 中的处理，包括关键字段修改、转发。 核。i i 控制主板是核心节点的枢纽。其主要的功能有三：b l i p 的调度，对光 器件( 光开关矩阵和f d l ) 的控制和交换性能的统计。其中对b h p 调度是 最主要的功能：在b u r s t 到达节点之前将b h p 携带的信息( 到达时间、持续 时间即突发长度、端口和波长信息、优先级) 按照某种调度算法进行b h p 调度，生成光开关配置命令和f d l 开关控制命令；核心控制主板的另一个主 要功能是完成对光器件的控制，使其在精确的时间准确的动作，从而及时有 效的为b u r s t 配置好光路。此外核心控制主板还有生成统计信息的任务， 即统计核- 1 1 , 节点在收到的b h p 数目，成功调度的b h p 数目和丢弃的数目。 这些统计信息将被送到网管系统处理。 1 2 电子科技大学硕士学位论文 m c u 网管处理卡的主要功能为：资源表和路由表等参数信息的加载；实 现对各模块的统计功能：f p g a 、d s p 模块程序动态加载；与p c 机器的通信 等功能。实际系统中m c u 既可以采用功能强大的处理器，在应用需求较低 时也可采用5 1 单片机替代。 d s p 协处理卡的主要功能为：当采用复杂调度算法时，调度过程的中间 变量过多，对f p g a 的资源耗费很大。改由d s p 完成核心调度功能，f p g a 只需完成发送b h p 给d s p 和接收调度结果( 光开关命令、f d l 命令、t w c 命令等) 发送给相应的光器件，并且接受调度后的b h p 交由高速接口板卡修 改转发。 命令解析器分为本地和远端两部分，主要功能是：在o b s 核心系统中完 成对核心控制器发出的控制命令，在本地和远端( 指物理上和逻辑上与控制 器是分离的) 进行再定时、命令翻译等，并通过l v d s 、l v t t l 等接口完成 对光器件的实际动作控制。 光交换结构：光交换结构由光开关矩阵和f d l 等光器件组成，光交换结 构的光开关根据命令解析器的控制动作，为b u r s t 配置光路，使其透明通过核 心节点。光交换结构的性能与调度算法的优劣有很大的关系，本文将在第四 章介绍调度算法时对其迸行描述。 2 3 核心节点关键参数分析 o b s 核心节点控制系统预期的设计指标为： 端口数：4 数据交换波长数：8控制信道波长数：1 控制通道数据到达输出速率： 1 5 5 5 2 m b p s b h p 平均处理时延： 1 0 u s 其关键性能参数为：控制通道速率，b h p 平均处理时延和数据丢失率，以下 分别加以进行分析。 2 3 1 控制通道速率分析 控制通道速率的峰值决定于数据通道有效速率v d 、数据通道个数( 波长 数) 光纤n d 、b u r s t 数据分组长度( 最小值) l d 。小b h p 长度l b ，其理论公 式为：v b 。= l b ( v d * n d l d 。i 。) 电子科技大学硕士学位论文 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 1 0 k b ( 相应的突发持续时间为1 0 u s ) 、b h p 包封后长度为9 6 b ，则要求的控 制通道速率约为7 7 m b s 但实际控制信道速率是可以小于理论速率的，这是因为一个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 通道上的对应b h p 间也会有相当的间隙。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 h p 的丢失率。我们的系统中采用的光电高速接口线卡支持的控制信 道速率最大为4 8 0 m h z 。 2 3 2 处理延时( 基于牍序调度策略) 分析 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。 假设b h p 长度为9 6 b ( 其中有效字段长度为6 4 b ) ，则收发的s e r d e s 需o 6 2 u s 2 完成： b h p 的解析需4 8 个c y c l e s ( b h p 中：l a b e l1 6 b ，t _ o f f s e t1 6 b ，t _ l e n1 6 b ， q o s8 b ，r e s e r v e8 b ) ；核心调度流水操作，以5 0 1 0 0 个c y c l e s 计。 若核心调度器的运行速率为2 0 m h z ，则总的处理延时 t i ) 。如果存在，选择l a t 最大的数据信道，同 时将被选数据信道的l a t 更新为t + l ；如果有多个信道空闲，即选择最近可 用信道l a c ( 1 a t e s ta v a i l a b l ec h a n n e l ) ，即选择t t i 最小的那个，以使得