（通信与信息系统专业论文）光突发交换网边缘节点接收部分的研究与实现.pdf

摘要 全球数据业务量的爆炸性增长使得人们对网络带宽的需求越来越大，而传 统的通信介质却无法满足高带宽网络传输的要求，这促使研究者们将目光转移 到种具有巨大潜在容量的传输介质光纤的研究上来，于是就出现了i p o v e r w d m 网络分层结构。这种结构省掉了传统的a t m 和s d h 两个中间层， 降低了网络实现的复杂度，使网络传输效率有很大的提高。目前由于密集波分 复用( d e n s e w 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 w d m ) 技术的日趋成熟，t b i t s 量级甚至更高的传输网络己初步形成。但网络交换的发展却远远滞后于网络传 输，成为光纤宽带网络发展的最大瓶颈。光突发交换技术结合了传统光电路交换 和光分组交换技术的优点又克服了二者的缺点，是下一代i p o v e r w d m 光网络 采用的一种有效的光交换技术。 本文主要介绍光突发交换网边缘节点接收部分的研究与硬件实现方案。文 章首先介绍光突发交换网产生的背景，然后对光突发交换网的体系结构进行阐 述，并详细介绍光突发交换体系中边缘节点的功能以及边缘节点接收部分的总 体实现方案。接着讲解在本课题一一光突发交换关键技术在本实验系统( 国家 8 6 3 计划重点资助项目) 中实现边缘节点接收部分时的功能模块划分。此后， 本文开始详细介绍边缘节点接收部分各模块的实现情况，包括突发数据的接收 与解封装、接收调度和以太网封装与发送。其中接收调度是边缘节点接收部分 的核心。在对该模块的介绍中，文章将对各种调度算法进行比较，并在这些调 度算法的基础上提出一种新的调度算法v i s p ( v a r i a b l ei n p u ts e r i a lp o l l i n g ， 变长串行输入轮循算法) 。然后指出v i s p 算法在实现上的缺陷，并给出高速( 千 兆，g b i t s ) 环境下实现传统总线型交换的硬件实现细节。最后，本文将介绍边 缘节点接收部分的电路板设计以及边缘节点接收和发送部分的联和调试方案。 本文的创新点在于 ( 1 ) 根据l p 数据分组变长调度的特点和i s p 调度算法的思想，提出了v 1 s p 调度算法； 现 试。 ( 2 ) 将v i s p 算法用硬件描述语言v h d l 描述了出来，并且在f p g a 上实 ( 3 ) 在千兆环境下用f p g a 实现了高速的总线型交换。 在课题中的贡献 ( 1 ) 边缘节点接收部分f p g a 硬件电路设计； ( 2 ) 边缘节点接收部分的电路仿真以及边缘节点发送和接收部分的联合调 关键词：波分复用，i po v e rw d m ，光突发交换，边缘节点，突发接收，调 度，v i s p 算法，总线型交换 a bs t r a c t t h e e x p l o s i o no f t h eg l o b a ld a t ac o m m u n i c a t i o nh a sd r i v e nt h ee v e ri n c r e a s i n g n e e d sf o rn e t w o r k b a n d w i t h m e a n w h i l e ，t r a d i t i o n a lt r a n s m i s s i o nm e d i ac a nn o t s a r i s f ys u c hb a n d w i t hd e m a n d ，w h i c hp r o m p t sr e s e a r c h e r st od i v e r tt h e i ra t t e n t i o nt o e x p l o i tt h ep o t e n t i a lh u g ec a p a c i t yo f t h eo p t i c a lf i b e r s ，a n di ti sw h y t h ei po v e r w d mn e t w o r ka r c h i t e c t u r ec o m ei n t ob e i n g b y l e a v i n go u ta t m a n ds d h l a y e r s a n dd e c r e a s i n gt h e c o m p e x i t y o fn e t w o r k a r c h i t e c t u r e , i po v e rw d m c o d g r e a t l y i m p r o v et r a n s m i t t i n ge f f i c i e n c y a tp r e s e n t ，t b i f f so re v e nh i g h e rs p e e d t r a n s m i s s i o nn e t w o r k sh a v eb e e ng e n e r a l l yc o n s t r u c t e d h o w e v e r ，t h ed e v e l o p m e n to f n e t w o r k s w i t c h i n gl a g sf a rb e h i n d o f t h ed e v e l o p m e n to fn e t w o r k t r a n s m i s s i o n ，w h i c hp o s e s t h eb i g g e s th a n d i c a pf o rt h ef u r t h e r d e v e l o p m e n t o f t h e b r o a d b a n d o p t i c a lf i b e rn e t w o r k o b s ( o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ) p o s s e s s t h em e r i t so f b o t h o p t i c a lc i r c u i ts w i t e h i n g ( o c s ) a n do p t i c a l p a c k e ts w i t c h i n g ( o p s ) a n d o v e r c o m e ss o m ef l a w so f t h e s et w ok i n d s o f s w i t c h i n g ，s oi tb e c o m e s a ne f f i c i e n t t e c h n o l o g yf o r t h en e x tg e n e r a t i o ni po v e rw d mn e t w o r k t h i sp a p e ri sm a i n l ya b o u tt h er e s e a r c ha n dh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o no fo b s e d g en o d e r e c e i v e r i nt h i sp a p e r ，w ew i l lf i r s t l yi n t r o d u c et h eb a c k g r o u n do fo b s ， a n dt h e ni l l u s t r a t et h ea r c h i t e c t u r ea n dk e yt e c h n o l o g i e so ft h i sn e t w o r k ，a n dw h a t c o m e sn e x ti st h es p e c i f i cd e s c r i 【p t i o no ft h ef u n c t i o n a la n di m p l e m e n t a ls c h e m eo f o b s e d g en o d e ，s e c o n d l y ，t h ef u n c t i o n a ld i v i s i o no fo b se d g en o d e r e c e i v e ri no u r r e a r c hs u p p o s e db yt h e n a t i o n a l8 6 3p l a n ”i se l b o r a t e d t h i r d l y ，w ew i l li l l u s t r a t e t h ei m p l e m e n t a t i o n so fe v e r ym o d u l eo fo b se d g en o d er e c e i v e r ( i n c l u d i n gt h e m o d u l eo fo b s r e c e i v i n ga n dd i s a s s e m b l i n g ，t h em o d u l eo f r e c e i v es c h e d u l i n ga n d t h em o d u l eo fe t h e m e ta s s e m b l i n ga n dt r a n s m i t t i n g ) i nd e t a i l a m o n ga l lt h e m o d u l e sf o r m i n go b se d g en o d er e c e i v e r ，t h em o d u l eo fr e c e i v es c h e d u l i n gi st h e p a r a m o u n tp a r to fo b se d g e n o d er e c e i v e r i no r d e rt o e x p l i c i t l y i l l u s t r a t et h i s m o d u l e ，w e w i l lp u tf o r w a r da n e w a l g o r i t h n lb yt h en a m eo fv i s p ( v a r i a b l ei n p u t s e r i a lp o l l i n g ) t h r o u g hc o m p a r i n gm o s to ft h ep o p u l a rs c h e d u l i n ga l g o r i t h n a s ，a n d 1 1 1 t h e np r e s e n tt h eh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o no ft h et r a d i t i o n a lb u ss w i t c h i n gu n i ti n h i g hs p e e d ( g b i f f s ) n e t w o r k s a f t e rp o i n t i n gs o m ed e f e c t so fv i s pa l g o r i t h m f i n a l l y ， t h ed e s i g no ft h ep r i n t e dc i r c u i tb o a r d ( p c b ) o f o b s e d g en o d er e c e i v e ra n dt h e d e b u g g i n go f t h e e n t i r eo fo b s e d g e n o d ew i l lb ep r e s e n t e d t h ei n n o v a t i o n so f t h i sp a p e ra r ep r e s e n t e da sf o l l o w ： 1 a na l g o r i t h mn a m e dv i s pw h i c h i sb a s e d u p o ni s p i sp u tf o r w a r da c c o r d i n g t ot h ep r o p e r t i e s & t h es c h e d u l i n go f l pp a c k a g e sa n d i d e a so f i s p 。 2 s u c c e s s f u ld e s c r i p t i o no f v i s pa l g o r i t h mb yv e r y h i g h s p e e di n t e g r a t e d c 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 ( v h d l ) a n da c c o m p l i s h m e n t i nf p g a 3 s u c c e s s f u li m p l e m e n t a t i o no f t h eh i g hs p e e d ( g b i t s ) b u ss w i t c h i n g i nf p g a t h ec o n t r i b u t i o n sm a d ei nr e a c h ： 1 h a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o no fo b se d g en o d e r e c e i v e ri nf p g a 2 t h ec i r c u i ts i m u l a t i o no fo b se d g en o d er e c e i v e ra n dd e b u g g i n go f t h e e n t i r eo b s e d g e n o d e k e yw o r d s ：w d m ，i p o v e rw d m ，o b s ，e d g en o d e ，b u r s tr e c e i v i n g ，s c h e d u l i n g ， v i s p a l g o r i t h m ，b u ss w i t c h i n g 独宅u 性j 苦j ；! j j 本人声明所呈交的学位论文是本人存导师指导下进行的研究j 作及取得的研究成果。据我所知，除了文巾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火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：h 期：2 0 0 5 年6 月9i = t 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。本人授权电予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、 缩印或扫摘等复制手段保存、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：导师签名：鱼造! 一 日期：年月 。 电子科技大学硕士论文：光突发交换网边缘节点接收部分的研究与实现 简略字表 厅丽汀一陬a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e 1 1 。一 j a u i | a t t a c h m e n t u n i ti n t e r f a c e 1| 晴谚石五蚕奚夏一 i 以太网连接单元接口模 | 式 同万一阿忑面磊鬲忑一瞬蕊砑西一 同万一同丽氯蕊忑面瓦五一一陌雨舔硬f 一 陋百一一际磊忑i 五 d w d m| d e n s e iiw 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 lf d l 阿叵一 f f i r 。 医药殛_ _ _ 一 | 密集波分复用 | l 同丽丽丽面一陌习獗_ 一 , f i b e rd e l a yl j 石一 _ f i r s t - i n f i r s to u ! _ 陌鬲r_fieldprogrammablegate a r r a y 匪药喜垂匿_ _ _ _ _ 压殛凰囚r = _ 磊丽兀甬溺r 一 眄蕊葡菊葑丽蓟一 i h d l i i 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 el 硬件描述语言 ih o li h e a d o f l i n e l 对头阻塞 f i s p f i n p u ts e r i a lp o l l i n gi 串行输入轮循算法 l i p i i n t e m e tp r o t o c o l l 因特网协议 li p o v e r w d mi i n t e m e tp r o t o c o lo v e rw d m l 在w d m 上开展i p 业务 阿蕊一 西一 j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p 一丽丽两酉_ 一 i - l o g i ca r r a y 面磊f 隈画酾颐一 而广露j l t a g e t r a n s i s t o r - t r a n s i s t o ri 低电压晶体管一晶体管 l 逻辑门 | m a c m e d i a a c c e s sc o n t r o li 介质访问控制 | m p e sim u t i p r o t o c o l 九s w i t c h i n gi 多协议波长交换 ln o pln u m b e r o f p a c k e t s 1 分组个数 io b sl o p t i c a l b u r s ts w i t c h i n g i 光突发交换 | o c sfo p t i c a lc i r c u i ts w i t c h i n gl 光电路交换 lo 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 陌己i 一p r i n t e d c i r c u i t b o a r d 一一一雨i 面丽r 一一一 陌西一 p h y s i c a l c o d i n gs u b l a y e r 一嚼再手j 喜一一 i 面一p a r a l l e l i t e r a t i o n m 一a t c h i n g 一一一再丽虱丽一 i p l l l p h a s e l o c k l o o p i 锁相环 厂丽r 一l 葡面i 话葡品t = ；_ j e n c o d e r 一r 丽丽丽骊禧瓣一 电子科技大学硕士论文：光突发交换网边缘节点接收部分的研究与实现 q o s i q u a l i t yo f s e r v i c ei 服务质量 r a mfr a m d o ma c c e s sm e m o r y随税存储器 i r rr o u n dr o b i n ：圆桶算法 s d h 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 同步数字体系 s e r d e ss e r i a l i z a t i o n d e s e r i a l i z a t i o n串v n * ( 串行并行) v i s pv a r i a b l ei n p u ts e r i a lp o l l i n g变长串行输入轮循算法 v h d l v e r y h i g h s p e e di n t e g r a t e dc i r c u i t 高】墨集成电路硬件描述 h a r d w 盯e d e s c r i p t i o nl a n g u a g e 语言 w d m w 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 波分复用 2 电子科技大学硕士论文：光突发交换网边缘节点接收部分的研究与实现 1 i 光网络的发展 第一章引言 互联网的飞速发展和各种新兴业务的出现使得同轴电缆、双绞线等传统通 信介质无法满足急剧增长的网络带宽需求。光纤巨大的潜在容量以及数据传输 中的低误码率使其成为通信传输介质中的宠儿。如何提高光纤在数据传输中的 带宽利用率已经成为光通信的主要课题之一【1 【3 1 。 一直以来，i p 业务都是主要的全球数据传输业务，因此i p 与光网络的结合 就成了一种必然的趋势。传统的i p 业务采用i po v e ra t m o v e rs d ho v e rw d m 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光电光( 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，降低网络实 现的复杂度，从而提高数据传输的速率。i po v e rw d m 便在这种背景下应运而生 了f 5 】。 i po v e rw d m 也称光因特网，其主要实现方式是将i p 分组封装在以太帧中， 然后直接在光层上进行数据传输1 6 】。它不经过a t m 层和s o n e t s d h 层，可以 充分利用光纤的带宽资源。它利用了一根光纤可以同时传输多个不同波长的光 载波的特点，把光纤可用的波长范围划分成若干个波段，每个波段用作一个独 立的信道传输一种特定波长的光信号。这些信号可能是a t m ，s o n e t s d h 或者 是i p 数据流，典型的w d m 系统有4 个或者8 个信道，如果超过1 6 个信道，就称为 密集波分复用( d w d m ：d e n s ew d m ) i s o 由于没有中间层，i po v e rw d m 和i p o v e rd w d m 被认为是下一代i n t e r a c t 最有前途的解决方案。 1 ，2 光交换技术 由于d w d m 技术的日趋成熟，t b w s 量级甚至更高的传输网络已初步形成。 然而网络交换的发展却远远滞后于网络传输，成为满足全球数据业务量几何级 数增长需求的最大瓶颈。 根据电网络的通信模式，人们提出了三种在w d m 光网络中实现交换与传 输的方案：光路交换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 ) 、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 ) 和光突发交换o b s ( o p t i c a lb u r s ! s w i t c h i n g ) 。其中光突发交 3 电子科技大学硕士论文：光突发交换网边缘节点接收部分的研究与实现 换( o p t i c a l b u r s t s w i t c h i n g ，o b s ) 技术克服了基于m p ) l s ( m u t i p r o t o c o l x s w i t c h i n g ) 的光电路交换( o p t i c a lc i r c u i ts w i t c h i n g ，o c s ) 技术虚网络拓扑控 制复杂的困难，弥补了光分组交换( o p t i c a lp a c k a g es w i t c h i n g ，o p s ) 技术中光 缓存方面( 主要是还不存在光存储器) 的缺陷，同时融合了上述两种技术的优 点，成为当今光网络发展的主要趋势 2 6 1 。 i 2 1 光电路交换( o c s ) 光电路交换是从电路交换演化雨来的一种光交换机制，它以波长路由的方 式出现。同电路交换一样，w d m 网络需要为每一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) 。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 7 】q o c s 比较适合于传输时间相对较长的高速业务。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；由于i n t e r n e t 网络中业务大多是突发性的自 相似业务，所以光路利用率不高。此外由于每条链路的波长数目有限，因此某 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。 1 2 2 光分组交换( o p s ) 光分组交换是最接近于全光网络交换的一种交换机制。相对于光电路交换 而言，光分组交换不需要通信双方在进行业务传输之前建立连接。它采用单向 预约机制，以传统电分组交换中的“存储一转发”的方式进行数据传输。 统计复用技术的应用，使得o p s 这种细粒度的交换机制在带宽利用率、延 时和适应性等方面都比较好，所以特别适合突发的数据业务。然而由于目前还 不存在光r a m ，只能使用光纤延迟线f d l ( f i b e r d e l a y l i n e ) 使数据延迟有限 的时间。其次，由于要区分分组头、分组结束等标识，还需要解决o p s 中的时 钟同步问题。此外还要考虑分组净荷长度的问题。所以，在现有的技术条件下， 一种介于o c s 和o p s 之间的交换机制才是较好的选择，光突发交换技术就是将 目前已经成熟的电技术与相对先进的光技术有机结合起来的一种较为理想的交 换技术嘲。 4 电子科技大学硕士论文：光突发交换网边缘节点接收部分的研究与实现 1 2 3 光突发交换( o b s ) 】2 3 】o b s 网络的结构 光突发交换网络的结构由图1 1 所示。它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w d m 链路( 或者是d w d m 链路) 组成。边缘节点 负责突发数据包的重组和分类，并提供各类业务接口；核心节点的任务是完成 图1 - 1o b s 网络的结构 突发数据的转发与交换。在o b s 中传送的数据分组被称为突发( b u r s t ) 包或突发 分组，它由突发头分组( b u r s th e a dp a c k e t ，b h p ，也叫控制分组) 和数据分组 ( d a t ab u r s t ，d b ) 两部分组成，它们通过核心节点时各自在电域和光域进行交换a b h p 包含所有必要的控制信息，o b s 主干网每一跳的交换控制单元根据这些信 息来配置光交换矩阵，以便在光域交换d b 。 o b s 采用单向资源预留方案，b u r s t 包的控制分组和数据分组在对问和传输 波长上是分离的。b h p 先于数据分组在特定的w d m 信道中传送a 核心交换节 点路由器根据b h p 中的信息和网络当前的状况为相应的数据分组建立全光通 路。数据分组经过一段延迟后，在不需要确认的情况下直接在预先设置的全光 通道中透明传输。 o b s 的特点及优越性在于1 1 0 】 电子科技大学硕士论文：光突发交换网边缘节点接收部分的研究与实现 ( 1 ) 控制分组和数据分组在时间和传输波长上分离以及非时隙交换降低了 对光子器件的要求和中间交换节点的复杂度； ( 2 ) 资源单向预留减小了建立通道的延迟等待时间 ( 3 ) 数据分组在中间节点是全光直通的，不需要存储转发； ( 4 ) 中等粒度的数据包降低了控制分组的开销，从而有效地提高了网络带 宽的利用率。 1 2 3 2 三种交换机制的比较 交换机粒度：带宽利 蒿待时- | 光缓存 |t l 处理同、l 实现难l 自适应 l | ；0用率步开销 | 度| 性 o c s 粗低长l 不需要 小低 ；| 弱 ； 0 p s细高短l 需要大高1 l 强 o b s中中短，| 不需要大 由 强 表1 - 1 三种交换机制的比较 表1 1 是o c s 、o p s 和o b s 三种交换机制在粒度、带宽利用率、等待时间 等方面比较。可以看出，光突发交换中，交换的粒度介于一个波长带宽和一个 分组传送所需带宽之间，比光电路交换带宽利用率高，又比光分组交换更容易 实现，是一种既克服t - - 者的缺点而又将其优点结合起来的面向高突发、高速 率数据业务的波分复用光网络实现方案。 1 3 本文概述 本文首先论述光网络发展的趋势i p o v e rw d m ，然后介绍现有的几种用 于实现i po v e rw d m 的光交换机制。通过对这些交换机制的比较，指出光突发 交换是现有技术条件下的一种较为理想的交换技术( 第一章) 。接下来，本文将 阐述光突发交换网中边缘节点的功能、结构划分以及边缘节点接收部分的实现 方案( 第二章) 。 本文的第三章到第五章将着重介绍本人负责的o b s 边缘节点接收部分各个 模块的具体实现。其中第三章介绍突发包的接收和解封装模块；第四章介绍边 6 电子科技大学硕士论文：光突发交换嘲边缘节点接收部分的研究与实现 缘节点接收的核心部分接收调度模块；第五章介绍以太网封装和发送模块。 本文最后将介绍边缘节点接收部分的电路板设计( 第六章) ，并对本人负责 的项目作一些总结( 第七章) 。 7 电子科技大学硕士论文：光突发交换网边缘节点接收部分的研究与实现 第二章光突发交换边缘节点的结构及接收部分的实现方案 前面一章已经提到，边缘节点是连接光突发交换网和其它传统网络的桥梁， 它主要完成业务的接入、分类、组装、突发包调度和发送、b h p 的调度和发送、 突发包的接收、突发包的解封装以及一些三层交换的功能。本章将首先介绍边 缘节点的结构( 2 1 节) ，然后给出边缘节点接收部分的总体实现方案及其功能 模块的划分( 2 2 节) 。 2 1 边缘节点的结构 边缘节点分为两个部分：发送部分( 也叫发射端) 和接收部分( 也叫接收 端) 。发送部分把数据从传统网络( 如以太网) 传输到o b s 网络，而接收部分实 现o b s 网络到传统网络的数据传输。 2 1 1 边缘节点发送部分 图2 ，1 边缘节点发送部分结构框图 发送部分结构如图2 - 1 所示，其主要功能是将口分组组装成突发包，并按 照o b s 协议将其转发到o b s 网络中去。线卡首先对从以太网传来的数据进行 校验和解封装( 主要是第一层和第二层的解封装) ，然后i p 分组流分类模块根据 目的边缘节点的i p 地址以及q o s 等信息将数据流进行分类缓存，并将其交给突 8 电子科技大学硕士论文：光突发交换网边缘节点接收部分的研究与实现 发包组装器。突发包组装器根据i p 分组目的边缘路由器地址和q o s 属性将i p 分组组装成突发包。突发包形成之后，波长调度器根据数据信道和控制信道的 使用情况，按照一定的调度算法选择发送突发包。调度器还能获德每一个突发 包的信息，如路由信息、路径、长度和q o s 等，据此为每个将发送的突发包配 备一个控制分组( b h p ) ，然后按一定规则为突发包和b h p 选择空闲的数据信 道和控制信道，根据选择结果在b h p 的相关域中添加突发包和b h p 之间的偏移 时间，最后将突发包和b h p 在预定的时间经过e o 转换后发送出去。 2 1 2 边缘节点接收部分 图2 2 边缘节点接收部分结构框图 边缘节点接收部分( 如图2 2 所示) 的主要功能是从o b s 网络中接收突发 包，并将其拆分成传统的i p 分组，然后经过交换、封装将i p 分组转发给以太网。 f d l 使突发包接收器在接收突发包前，b h p 处理器有足够时间处理b h p 。拆包 模块根据突发包包头信息( 主要是突发包中的i p 分组个数) 把突发包拆分成i p 分组。交换模块根据i p 分组的目的地址将其发送到相应的线卡上。线卡主要完 成第二层、第一层封装( 即数据链路层和物理层封装) 。 2 2 接收部分的总体实现方案 边缘节点的接收部分实际上是光突发交换网的出口，其主要功能在电域上 实现。图2 - 3 给出了本设计方案中边缘节点接收部分的功能模块框图( 边缘节点 接收部分的电路板模块图请见第六章) 。 如图2 - 3 所示，本设计方案将接收端分成了三大功能块，分别是突发包的接 收与解封装模块、边缘节点接收调度模块( 即图中的交换单元) 以及以太网的 9 电子科技大学硕士论文：光突发变换网边缘节点接收部分的研究与实现 封装与发送模块。其中突发包解封装、按收调度和以太网封装模块均在f p g a 上实现，因此本设计方案的核心工作在f p g a 硬件电路的设计上。本小节仅仅 对接收部分各个功能块的实现情况作概要性的介绍，而其具体设计方案将在以 后各章陆续给出。 图2 - 3 边缘节点接收部分功能模块图 2 2 1 突发包的接收与解封装 从核心节点传来的突发数据分组( - - 共6 路) 在光模块中完成光电转换之 后，就进入到电域进行处理( 如图2 - 3 所示) 。 1 0 电子科技大学硕士论文：光突发交换网边缘节点接收部分的研究与实现 突发包接收模块由时钟提取、串并转换和8 b 1 0 b 解码三个子模块组成。首 先，时钟提取模块从高速( 1 2 5g b i t s ) 串行的o b s 数据中恢复出与核心节点发 送时钟同频率( 1 2 5 0m h z ) 、同相位的时钟信号，然后串并转换模块根据所提取 出的时钟信号将串行突发数据转换成并行数据，最后8 b 1 0 b 解码模块将这些 1 0 b 编码的并行数据变换为8 b 编码并行数据，以待解封装操作。 突发包解封装模块分为三个子模块：快速输入寄存器( f a s t i n p u tr e g i s t e r ， f i r ) 模块、8 b i t 到1 6 b i t 转换模块和拆包模块。快速输入寄存器模块保证数据 的正确接收，8 b i t 到1 6 b i t 转换模块的功能是根据突发数据中的控制信息位将8 b i t 数据转换为1 6 b i t 数据，并且把标志突发数据分组开始的控制字节( 8 b i t ) 放置 于1 6b i t 数据单元的最高8b i t 上，即对齐突发包。这样做的目的在于降低系统 工作频率，简化后面模块设计的复杂性。拆包模块根据突发包格式将突发包拆 卸成原始的i p 分组，并将其送至交换单元。 第三章将详细介绍突发包的接收与解封装模块的具体实现方案。 2 2 2 接收调度策略 解封装过程结束以后，从突发包分离出来的各个i p 分组就进入到一个6 x 6 交换单元进行交换。交换单元的功能是依据网络管理模块( 简称网管) 配置的 i p 地址和一定的调度算法将这些i p 分组调度到不同的输出端口上，它实质上是 个面向三层交换的交换单元。 交换离不开调度，因此采取什么样的调度算法是影响交换效率高低的一个 至关重要的因素。常见的的调度算法有：p i m ( p a r a l l e li t e r a t i o n m a t c h i n g ) 、 二维r r ( r o u n dr o b i n ) 和i s l i p 2 8 1 等。这些算法的特点是采用多次迭代方式 增加输入输出端口的匹配数目，以及采用r o u n dr o b i n 方式保证公平性。上述算 法也有明显不足。p i m 和i s l i p 的每次迭代包括请求( r e q u e s t ) 、授予( g r a n t ) 帮确认( a c c e p t ) 三个过程，二维r r 算法需要产生复杂的请求矩阵，因此这些 算法实现复杂。且在重负载情况下，算法的性能较差【3 0 】。 串行输入轮循算法( i n p u ts e r i a lp o l l i n g ，i s p ) 是一种采用定长交换和虚拟输 出队列( v i r t u a lo u t p u tq u e u i n g ，v o q ) 技术的c r o s s b a r 仲裁算法。i s p 算法以轮 循的方式检查各输入端口的请求，并按r o u n dr o b i n 的策略为其选择一个输出端 口。由于各端口的轮循是串行的，i n ) l i s p 算法不存在i s l i p 等算法中i n r o u n d r o b i n 指针同步而带来的性能下降问题川。但是i s p 主要针对定长交换，而i p 分组 电子科技大学硕士论文：光突发交换网边缘节点接收部分的研究与实现 的长度是可变的。因此我们提出了一种基于i s p 的适合于i p 分组交换的调度算 法一一变长串行输入轮循算法( v a r i a b l e i n p u ts e r i a lp o l l i n g ，v i s p ) ，这种算法 避免了对输入l p 分组的分割和组装，减少了实现的麻烦。 然而v i s p 也有一个缺陷，那就是对缓存资源的消耗极大。这对于片内存储 资源紧张的f p g a 来说无疑是致命的。因此，我们又将目光转移到了一种基于输 入排队机制的交换方式上，这就是总线型交换方式。 总线型交换方式不需要占用过多的缓存，并且对交换矩阵的调度简单，同 时在理论上还能达到1 0 0 的吞吐量。然而它对调度器的工作频率有较高的要 求，所以在高速设计中一直难以实现。但是我们通过展宽输入端口数据宽度的 方法降低了输入端1 3 电路的工作频率，从而也降低了调度器的工作频率，最终 实现了这种交换方式。 接收调度是边缘节点接收部分的核心，本文将在第四章对这部分作重点介 绍。 2 2 3 以太帧的的封装及发送 本模块的主要功能是将完成交换的i p 分组按照以太帧格式进行m a c 层封 装，然后通过千兆以太网发送模块将其转换为1 2 5g b i t s 的以太网串行数据，最 后经过光模块进入光域。我们将在第五章给出这部分的详细设计方案。 1 2 电子科技大学硕士论文：光突发交换网边缘节点接收部分的研究与实现 第三章突发数据的接收与解封装 本设计中，边缘节点需要接收从核心节点传来的高速突发数据。不同于连 续数据，接收突发数据要求接收端快速地从输入数据流中恢复时钟信号。因此 必需用专门的数据收发器来实现高速o b s 数据的接收。本章将详细介绍突发数 据接收的具体方案( 3 1 节) 和突发包解封装模块的f p g a 实现( 3 , 2 节) 。 3 1 千兆突发数据的接收 3 1 18 1 3 1 0 b 编码 3 9 】 在高速网络中，由于速率增加、电缆延长、电缆传送特性的不稳定以及更 大的环境压力( 噪声) ，使得数据传输的可靠性难以保证。因此，选用一种优 秀的编码方式来降低误码率就显得尤为重要。8 b t 0 b 编码方案就是在这种背景 下提出的一种编码方案。 8 b 1 0 b 编码方案是i b m 公司提出的一种编码方案，它将8 位数据( 1 个字 节) 编成1 0 位代码，并具有如下特性： ( 1 ) 确保在接收器恢复时钟时有充足的信号转换； ( 2 ) 编码空间允许将控制信号编码到数据流中 ( 3 ) 在代码出错时，对代码映射指定选择功能显著地提高了检测出单个和 多个比特的概率( 不需要以太网的3 2 位c r c 校验) ： ( 4 ) 某些编码( 用于控制信号) 包含一个唯一的、易识别的代码位模式( 类似 于句子中的逗号) ，它有助于快速同步和接收器位对齐； ( 5 ) 8 b 1 0 b 编码器可以通过对1 0 b 编码信号游程差的调节与检测来实现直流 ( d c ) 平衡和错误检查。 正是有了上述特性，8 b 1 0 b 编码才在光纤信道和千兆以太网中广泛使用。 同样，光突发交换网也使用8 b 1 0 b 编码作为其信道编码方式。 1 3 电子科技大学硕士论文：光突发交换网边缘节点接收部分的研究与实现 3 】2 突发接收的相关原理 在通信过程中，由于发送方和接收方的时钟存在相位偏移，所以即使接收 方使用与发送方相同频率的时钟也无法保证数据的正确接收( 因为接收方时钟 很可能无法满足接收到的数据的建立与保持时间) 。显然，收发双方的异步操作 是难以避免的，因此只能从发送方传来的数据中提取出与发送方同频率、同相 位的时钟信号，才能使通信正常地进行。 从数据中提取出时钟，实质上是使用一个锁相环( p l l ) 将数据的相位“锁 定”。对于连续数据而言，由于有效数据不间断地传输，因此相位一旦锁定，就 很难产生失锁，数据接收也可以正常地进行。然而对于突发数据而言，有效数 据是间断发送的，每一个突发数据分组的相位可能不同。这就要求数据收发器 在接收每一个突发包的有效信息之前必须利用其同步码锁定其相位并提取出相 应的时钟。显然，如果数据收发器的锁定时间越短，所需的同步码就越少，带 宽利用率也就越高。图3 - 1 对此进行了说明。 突 ： ： k 一同步码畸卜有效数据叫 从突 据中 的时 卜一锁定时间t 图3 - 1 突发数据的时钟提取 带宽利用率可以用下面的公式计算： 带宽利用率= 有效数据长度( 保护带+ 同步码长度+ 有效数据长度) 1 4 电子科技大学硕士论文：光突发交换网边缘节点接收部分的研究与实现 在我们所设计的o b s 网络中，保护带长度为8 u s ，突发包的最小包长( 即 突发包的有效数据长度) 为1 0 0 u s ，而带宽利用率要在9 0 以上，根据上面的公 式可以计算出同步码的长度二1 i 能大于3 u s 。由于数据收发器必须在同步码发送完 毕前提取出时钟信号，所以收发器的最大锁定时间不能大于3 u s 。 据此，我们有两种方案对突发数据进行接收，一