（通信与信息系统专业论文）光突发交换网边缘路由器波长调度算法的研究与实现.pdf

摘要 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 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。但是当前w d m 仅仅是 工作于骨干网的实现点到点连接的技术，i p 业务仍然是采用i po v e ra t m o v e r s d h o 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o e 0 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 r w d m 技术有望满足需求。 针对通信网络中已有的通信模式，人们对w d m 光网络中如何实现交换与传 输提出了三种方案：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 ) ，光分组交换 0 p s ( 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 l b u r s ts w i t c h i n g ) 。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。光突发交 换是一种居中的方案，融合了o p s 和o c s 的优点，同时克服了两者的缺点，是一 种很有发展潜力的交换模式。 本文主要介绍光突发交换网边缘节点调度模块的研究与硬件实现方案。文中 第一章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及其关键 技术进行阐述，第二章详细介绍光突发交换体系中边缘节点的功能划分和实现方 案。并顺次阐述了“光突发交换关键技术( n i 家8 6 3 计划重点资助项目) ”的网络 结构模型。第三章和第四章是本文的重点内容。第三章详细介绍边缘节点发送方 所采用的各种算法，优选理由和实现方法。第四章详细阐述了调度模块各功能模 块的编程思路和仿真步骤。最后，本文简要介绍了边缘节点发送方的电路板设计 整体硬件架构实现和编程及调试经验。 本文的创新点在于 1根据突发数据包调度的特点和和硬件实现的方法，采用了“流水线”技 术； 2在千兆环境下用f p g a 实现了基于“资源分配表”的高速波长资源调度 方式。 在课题中的贡献 1 边缘节点发送方调度模块的f p g a 硬件设计 2 边缘节点发送方调度模块电路仿真以及边缘节点发送方各个模块的联 合调试。 关键词：波分复用，i po v e rw d m ，光突发交换，边缘节点，调度，流水线 算法，资源分配表 i i a b s t r a c t i nr e c e n t y e a r s t h ee x p l o s i o no f t h e g l o b a ld a t ac o m m u n i c a t i o nh a s d r i v e nt h e e v e r - i n c r e a s i n gn e e d f o rn e t w o r kb a n d w i d t h w d m ( w d m ，t h ew 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 ) i se x t e n s i v ea d o p t i o n b u t t h ec u r r e n tw d mi st h ec o p u l a r t e c h n i q u eo n l y w o r k i n g t op o i n tt op o i n ti nt h ef r a m e w o r k n e t ，t h eb u s i n e s so f i ps t i l li sp r e s e n t e d t h r o u g ham u | t i l a y e r sn e t w o r ks t r u c t u r et h a ta d o p t st h e i po v e ra t mo ro v e rs d ho r o v e rw d m t h i sk i n do f w a y n o to n l yh a st h el a y e rf u n c t i o nr e d u n d a n c y ，b u ta l s ot h e a d d i t i o n a le x p e n s ei sh u g e a n dt h ep r o c e s sa tt h ec o r en o d en e e d st oc a r r yo nt h e c o n v e r s i o no f t h eo e o ，t h en e t w o r k s p e e di sl i m i t e db e c a u s e o f t h ee x i s t e n c eo f t h e e l e c t r o n i c sb o t t l e n e c k s ot h ei po v e rw d m t e c h n i q u eh o p e st om e e t t h ed e m a n d so f d e c r e a s el a y e rs t r u c t u r e a c c o r d i n g t om e c o r r e s p o n d e n c e m o d ew h i e hh a sb e e ni nt h en e t w o r k t h r e ek i n d s o f c o m m u n i c a t i o n sp r o j e c t si nt h ew d m o p t i c a ln e t w o r k h a v eb e e n p u tf o r w a r d ：o c s ( t h eo p t i c a lc i r c u i ts w i t c h i n 曲，o p s ( t h eo p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ) ，o b s ( t h eo p t i c a l b u r s ts w i t c h i n g ) o c si st h eo p t i c a lc i r c u i ts w i t c h i n gw h i c hi sr e s e a r c h e dw i d e l ya n di s o p p o s i t e l ym o r e m a t u r e o p ss t i l li sp l a c e di nt os t u d yt h es t a g eb e c a u s eo f l a c k i n go f t h e h i g h s p e e do p t i c a ll o g i cd e v i c ea n do p t i c a lb u t t e r o b s ( o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n 曲 p o s s e s st h em e r i t so f b o t ho p t i c a lc i r c u i t r ys w i t c h i n g ( o c s ) a n d0 p t i c a lp a c k e t s w i t c h i n g ( o p s ) a n do v e r c o m e ss o m ef l a w so f t h e s e t w ok i n d so f s w i t c h i n g ，s oi t b e c o m e sa ne f f i c i e n tt e c h n o l o g yf o rt h en e x t g e n e r a t i o ni po v e rw d m n 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 e n o d es e n d e rs c h e d u l em o d u l e t h ea r t i c l ef i r s t l yi n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n do f t h eo p t i c a l c o m m u n i c a t i o n ，t h e ne x p l a i nt h es y s t e ms t r u c t u r ea n dk e yt e c h n i q u e so f o p t i c a l c o m m u n i c a t i o n ，a n di l l u m i n a t et h ef u n c t i o na n dt h ei m p l e m e n tp r o j e c to f t h ee d g en o d e s e c o n d l y t h i sp a p e ri l l u m i n a t e st h en e t w o r ks t r u c t u r eo f t h i ss y s t e ms u p p o r t e db yt h e “n a t i o n a l8 6 3p l a n ”t h i r d l y ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e m a r c a t i o np r i n c i p l ea n dm a i n f u n c t i o no fe a c hm o d u l e t h eh e r e a f t e ro ft w o c h a p t e r si st h ee m p h a s e s c o n t e n t t h e f u n c t i o nd e m a r c a t i o n ，a l g o r i t h m ，h a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o na n ds i m u l a t i o no f t h e s c h e d u l em o d u l e f i n a l l y ，t h ed e s i g no f t h ep r i n tc i r c u i tb o a r d ( p c b ) o f o b se d g en o d e s e n d e ra n dt h ed e b u g g i n go ft h ee n t i r eo fo b s e d g en o d e w 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 e p r e s e n t e da sf o l l o w ： s u c c e s s f u li m p l e m e n t a t i o no f p i p e l i n i n ga l g o r i t h m t h a ti sa c c o r d i n gt ot h e p r o p e r t i e so f t h es c h e d u l i n go f i pp a c k a g e s a n di d e a so f h a r d w a r e d e s i g n 2 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 e h i g hs p e e d ( g b i t s ) s c h e d u l ei nf p g a b a s e d o nt h ei d e ao f r e s o u r c e a s s i g n m e n t s h e e t t h ec o n tr i b u t i o n sm a d ei nr e a c h 1 h a r d w a r e i m p l e m e n t a t i o no f o b s e d g en o d es e n d 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 s e d g en o d e s e n d e ra n d d e b u g g i n go f t h ee n t i r e o 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 e n o d e ，s c h e d u l e ，p i p e l i n i n ga l g o r i t h m ， r e s o u r c e a s s i g n m e n ts h e e t 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。 虢钟日期：2 删j 砗月尸日日期：加j 年6 月，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：塑至导师签名_ 塑 日期：御f 年月夕日 简略字表 ib h pl b u r s th e a d e rp a c k e t l突发头分组 ld r d e l a y e d r e s e r v a t i o n i延迟预留 l d w d m l d e n s e w d m i 密集波分复用 l e o ：l e l e c t r i c o p t i c a l ，i电光转换 if d lif i b e r d e l a y l o o pl光纤延迟线 。 lf i f ol f i r s t i n f i r s t o u l ， |先进先出队列 lf p g ai f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y l现场可编程门阵列 g m p l s1 g e n e r a l i z e dm p l s l通用多协议标签交换 r _ _ 西瓦：i ：j 二j 曩燕延蕊画砸i i 面蕊嚣：一 二：亟厕匿舅百一：= h o l ：h e a do f l i n e 对头阻塞 i s p ： i n p u ts e r i a lp o l l i n g 串行输入轮循算法 i pi n t e r a c tp r o t o c o l因特网屯b 、议 j e t j u s t - e n o u g h t i m e 恰量时间协议 j t a gj o i n tt e s ta c t i o ng r o u p节点测试功能组 m p l sm u l t ip r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g多协议标签交换 m p 九s m u t i p r o t o c o l 丸s w i t c h i n g 多协议波长交换 n o pn u m b e ro f p a c k e t s分组个数 o b s 0 p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g 光突发交换 o c s o p t i c a lc i r c u i ts w i t c h i n g 光电路交换 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 p l i p a y l o a dl e n g t h 净荷长度 p t p a y l o a dt y p e 净荷类型 q o sq u a l i t y o fs e r v i c e服务质量 r a mr a m d o ma c c e s sm e m o r y随机存储器 r rr o u n dr o b i n圆桶算法( 时间片轮转法) 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 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 d 高速集成电路硬件描 c i r c u i t述语言 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 v o q v i r t u a lo u t p u t q u e u i n g 虚队列 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 v 电子科技大学硕士学位论文：光突发交换网边缘路e h 器波长调度算法的研究与实现 第一章引言 1 1 当代光通信技术发展概况 互联网流量的爆炸式增长有力地推动了对光网络巨大带宽的开发利用，而光 网络带宽的增长得利于密集波分复用( d w d m ) 技术的发展，另方面，以摩尔定 律增长的电信息处理速度的增长相对较慢，这意昧着若采用电交换的方式，光数 据传输在每一个中间节点将受到电子瓶颈的限制。因此必须寻求一种方法来构建 下代信息基础架构，它能直接通过光层传输i p 包，而无需光电光( o m l o ) 转换。 最近，微电子机械系统( m e m s ) 和其它光开关技术受到极大的重视，因为这些技 术无需光电光转换，解决了在交换节点的电子瓶颈问题。然而，为了构建一个全 光网络，需设计一个运行于全光交换路由之上的新协议，其中一个关键问题就是 怎样才能支持快速的资源分配、调度、异步传输和有效处理突发业务的高度统计 资源共享，而所有这些处理都无光层缓冲器，因为目前还没有可用的光随机存储 器( r a m ) 。因此，任何全光传输方法都必须尽可能避免使用光缓存。 下一代光互联网中，i p 直接运行于全光w d m 层之上，该系统包括w d m 交换 和光纤链路，如图1 1 所示。全光w d m 层可以使数据在光域进行交换，因而其容 量很大，同时不但能排除i p 层的电子瓶颈，而且能建立个高速宽带通信管道， 对比特率和编码格式透明。w d m 网络技术不断发展，使得在w d m 层组网成为可 能。 图l - 1 现代光网络交换结构 电子科技大学硕士学位论文：光突发交换网边缘路由器波长调度算法的研究与实现 1 2 现行光交换技术1 目前提出的实现i po v e r ( d ) w d m i 拘交换技术方案有3 种：光电路交换波长路 由( o p t i c a lc i r c u i ts w i t c h i n g ) 、光分组信元交换( o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ) 并t l 光突发 交换( o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ) 。 1 2 1 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 y 波长路由交换 光电路交换采用双向资源预留方式设置光通路，中问节点不需要光缓存，可 提供服务质量保证；但是光电路交换是粗粒度的，不能实现统计复用，带宽利用 率低，不适于传输突发速率的数据；对长距离网络来说，其环回时间与延迟长； 由于波长数目有限，还不能建立全连接的网络，导致网络中负载的不均衡。 光电路交换继承了电域内电路交换技术，采用双向资源预留方式为源宿节点 之间利用光层( w d m ) 的波长路由功能，建立光通路连接，为每次数据交换传输 设置固定的波长信道带宽，待数据交换后，释放光路。虽然o c s 口- i 提供q o s 保证， 但却独占波长通道( w a v e l e n g t h p a t h ) 进行线路交换，不适宜持续时间较短的突发 性业务交换。 1 2 2 光分组1 言元交换( o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g 、 光分组信元交换能对d w d m 的巨大带宽进行更灵活、更有效的分配和利用 然而光分组交换对光子器件提出了很高的要求，有很多关键技术( 如快速严格同 步、光缓存等】尚未解决。 光分组交换( o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ) 可动态共享统计复用w d m 的巨大宽 带资源，具有更高的灵活性，交换粒度较细，对非连续的突发数据传输适应性强。 由于光分组头与载荷数据同处于一个数据包内，在中白：j 各节点内必须进行全光的 存储、路由并转发。但目前没有实用的光存储r a m 器件，仅依靠光延迟线 f d l ( f i b e r d e l a y l i n e ) 对光分组进行适当的离散延时，以等待o r e 转换后对在电 域内分组头的处理。因此，高速光逻辑器件不成熟及一些关键技术( 如光分组接 收的快速同步) 的不成熟限制了o p s 的发展。 1 2 3 光突发交换( o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ) 1 1 光突发交换( o b s ) 结合了电路交换和分组交换这两种交换的优点，同时又克 电子科技人学硕士学位论文：光突发交换网边缘路由器波长调度算法的研究与实现 n - 者的不足，即在较低的光子器件要求下，实现面向i p 的快速资源分配和高资 源利用率。它是一种单向资源预留方案，其控制分组和数据突发( d a t a b u r s t ： 由去往同一出口地址和具有相同的属性的多个i p 包汇聚而成) 在传输信道和传输 时间上是分离的。控制分组先于数据突发( d a t ab u r s t ) 在特定密集波分复用 ( d w o n ) 信道中传送，核心交换节点路由器根据控制分组中的信息和网络当前 的状况为相应的数据突发建立全光通路，数据突发经过一段延迟( o f f s e t t i m e ) 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。不需要确认的单 向预留方案减小了建立通道的延迟等待时间，提高了带宽利用率；而数据突发和 控制分组的信道分离、适中的交换粒度及非时隙交换方式降低了对光器件的要求 和中间交换节点的复杂度，如中间节点可以不使用光缓存技术，不存在网络中的 时隙同步问题等。 因此，光突发交换( o b s ) 被认为是下一代全光互联网理想的交换模式，已成 为国际上一个热门研究方向。 1 3 论文章节安排 本文第一章主要介绍了现今光纤通信技术的发展状况，并对三种主要的光交 换技术进行了比较。并从中选出了一种功能较理想的交换技术一光突发交换技 术。 第二章讲解了光突发网络中边缘节点的设计思路，功能结构。并通过图例的 形式对各个功能模块的具体细节进行了阐述。 第三章是本文的重点，详尽阐述了边缘路由器对突发数据包进行调度的原 理，几种调度算法的优劣比较以及本次设计所使用算法的具体实现思路和功能框 图。 第四章则着重对调度模块各个功能实现的编程思路、仿真步骤、仿真结果进 行了详细介绍，并用大量的仿真波形说明设计满足了既定的要求。同时简要说明 了本次设计硬件电路的p c b 设计要点。最后对实际实验过程中的调试手段、调试 经验和编程经验进行了说明。 第五章是整篇论文的总结。 电子科技大学硕士学位论文：光突发交换网边缘路由器波长调度算法的研究与实现 第二章o b s 边缘节点设计方案 从上一章的叙述中我们知道光突发交换技术是一种综合较大粒度的波长( 电 路) 交换和较细粒度的光分组交换两者的优点，并克服了这两种交换方式的不足， 在较低的光器件要求下，实现了面向1 p 的光传输技术。本章将着重阐述o b s 技术 的节点结构，原理，以及功能模块划分等内容。 2 1o b s 的网络结构和原理 2 1 1 光突发交换网的结构 图2 1 所示的o b s 网络主要由边缘节点，核心节点和d w d m 链路构成。入口 图2 1 光突发交换网结构 边缘节点按照数据包的目的地址和服务等级( q o s ) 等信息，对数据包进行分类、 缓存和封装，组合成突发数据分组，并产生控制分组，然后发送给与之最邻近的 o b s 核心节点。核心节点根据控制分组的路由信息，对到达的突发数据包进行交 换。出口边缘节点将包头拆卸，发送到其它子网或终端用户【3 】。 2 1 2 光突发交换网的原理 o b s 原理的简单示意图如图2 2 所示【4 1 ，o b s 交换域分为核心路由器和边缘路 由器。传统的i p 、l k 务通过边缘路由器接n 至i j o b s 交换域，在边缘路由器中，经过 对传统的i p 包目的地址、服务等级等进行分类，把具有相同分类特性的包重新组 4 电子科技大学硕士学位论文：光突发交换网边缘路由器波长调度算法的研究与实现 装成超级i p 包，从而形成原始的数据突发。在形成数据突发的同时，边缘路由器 还形成一个控制分组，该控制分组携带数据突发的基本特性，如源目的地址和 q o s 等，它应能完全决定数据突发的转发特性。控制分组通过( e o ) 转换，发向控 制信道k c ，数据突发经过e o 转换并延时t d 后发送到数据信道。核心路由器从控 制信道上接受控制分组，经过o e 转换，在电域对其进行处理，如决定路由、 q o sj 疆务和控制数据突发交叉连接模块的连接等，处理完毕后，再经过e o 变换， 发送到下一个节点；数据分组不用经过o e 变换，在控制分组的控制下，以直通 的方式通过交叉连接模块到达下一个节点。当多个数据突发包发往同一个数据信 道时就形成了竞争。最后突发包在边缘路由器上经过拆分还原成传统的i p 包【4 】。 蕹滴髭淹紊 俐夺蒌彳入嚣， 如、挖，如 图2 2 0 b s 原理 2 1 3 边缘路由器的结构及关键技术 i 边缘蹄出器 k 产帮叫 声卜絮q 卜_ _ ，拆分 竹统i p 业务 图2 - 3 边缘节点结构 边缘节点在光突发交换网中起着重要的作用。其主要结构如图2 3 所示。由 剞刮喇到 电子科技犬学硕士学位论文：光突发交换网边缘路由器波k 调度算法的研究与实现 于业务的汇聚分类、突发数据分组和控制分组生成以及突发分组的接收都在边缘 节点完成，边缘节点负担了光突发网络中的大部分工作。边缘节点中要实现的关 键技术主要有以下几项【5 1 。 2 1 3 1 业务接入、分类和汇聚 在图2 3 所示的结构中，主要是通过两级缓冲和个大型的电交换矩阵来完 成业务的速率适配和业务分类。缓冲和交换矩阵之间的协调通过控制模块来完 成，对于双向的资源预留机制，控制模块还可以根据反馈回来的控制信息完成交 换动作。业务分类的基本原则是业务所要到达的目的地址、业务类型和业务的优 先级。一般来说，业务要到达的目的节点地址是业务分类的基本标志，但到达同 一目的地的数据可以根据不同的业务类型交换到不同的子队列中以便简化接收 端的处理工作，或根据不同的业务优先级交换到不同的子队列以在中间节点根据 优先级给突发数据分组预留资源。当然，由于缓冲队列的增加，控制机制、交换 矩阵的复杂性都要增加。 输出缓冲队列的长度确定了突发分组长度的上限，突发分组的长度是影响网 络性能的一个重要因素。一般来说，突发分组的长度是可变的，但突发分组太长 会降低网络的统计复用性能，而且要增加网络延时，不利于提高网络效率和支持 实时性业务，而突发分组太短，则会增加网络的负担，因为过多的光交换和波长 转换动作甚至会导致网络性能的下降，所以突发分组的长度是一个需要仔细研究 的问题。在实际应用中，一般希望突发分组占用一个节点资源的时间是光开关切 换时间的1 0 0 倍以上，这样，网络的效率将不会受限于核心节点的光开关切换时 f 司。而突发分组长度的上限要由突发分组长度对网络性能的影响来决定。 突发分组生成后，在发送前必须提前一个偏置时间先发送一个控制分组。控 制分组和数据分组发送的偏置时间是保证网络效率的关键因素，一般有一个最小 值以保证数据分组不会在控制分组预留好资源之前到达中间节点，更长的偏置时 间可以引入更灵活的资源预留策略，但同时也会引入更大的网络时延，而且突发 数据在源节点的等待也要消耗源节点的缓冲资源，所以偏置时间的设置也是需要 仔细权衡的。 2 1 3 2 数据包的波长调度 电子科技大学硕士学位论文：光突发交换网边缘路由器波长调度算法的研究与实现 在给定w d m 网络的物理拓扑结构，并存在端到端光波长信道时，依据路由 和波长分配( r w a ) 方法为突发分组确定路由并分配波长信道以实现端到端的光 传输交换。r w a 有集中式和分布式两种。集中式r w a 策略对于光电路交换和光 分组交换有很好的适用性，但是对于光突发交换而言，由于突发分组占用波长信 道时间相对于波长选路时间很短，所以集中式r w a 不合适。另外，o b s 网络采 用虚波长通道( v w p ) 网络，即分布式网络，波长信道可以逐链路分配，这样网络 各节点利用其相连节点拓扑结构，可快速进行r w a 分配，实现突发分组交换， 但是这种分布式r w a 算法可能会引起较高的网络拥塞概率。如果o b s 网络内各 节点之间动态定期地更新节点及网络链路状态，建立全网资源状态分配表，则 r w a 根据突发分组的不同要求可自动调整，灵活分配网络资源，向自适应方向 发展。 图2 4 发送方边缘节点功能模块划分 2 2 发送方边缘节点功能模块划分 该设计中发送方边缘节点大体分为路由信息处理模块，突发包汇集和组装模 块，波长调度模块和数据发送模块。各个功能模块的连接如图2 4 所示。 2 2 1 路由信息处理 本模块实现如下功能： 1 千兆以太网m a c 帧头的拆包 由于边缘节点发送部分的输入连接的是以太网，需要在发送部分拆除m a c 帧头，还原出i p 数据包，送交到网络层处理。如果i p 数据包来自于短帧子n ( m a c 电子科技大学硕士学位论文：光突发交换网边缘路由器波长调度算法的研究与实现 帧长度小于i p 包长) ，还需对i p 数据包进行分段与重组。 2 路由选择和g m p l s 标记功能 即依照本地路由表和g m p l s 标记表，确定单个i p 数据包下一跳的i p 地址，若 下一跳是本接点的另一业务端口，则只需直接交换，若为远端其他边缘节点，则 需在光标记交换控制器下，把i p 数据包按目的端口、服务质量( q o s ) 分为不同的 转发等效类( f e c ) ，并且在转发数据包之前发送其标签。以便后面突发汇聚和 d w d m 光通路的建立1 6 1 。 - 2 2 2 突发包汇聚组装模块 突发包的组装是o b s 的一项关键技术，直接影畦j n o b s 的性能。它的核心是 组装算法的选择和实现。下面提出了几种算法 7 1 1 8 【9 】【l o 】，下面作以简单介绍。 1 固定组装时间算法( f i x e da s s e m b l yp e r i o d ，f a p ) 这是一种简单而直观的组装算法。该算法只设置一个门限：组装时间t 。当 前i 类汇聚队列空的时候，如果有i 类i p 分组到来就开始本队列的汇聚组装，并开 始计时。当计数时间到达t 。时，停止组装，并向下级调度模块发出发送请求，当 收到调度模块的响应后，读出该次组装的突发包，并对计数器清零。 2 自适应组装时间算 法( a d a p t i v ea s s e m b l yp e r i o d ，a a p ) 虽然f a p 实现简单，但是因为没有考虑到网络信息的流量，所以又有了一种 改进的“自适应组装时间算法( a d a p t i v ea s s e m b l y p e r i o d ，a a p ) ”，它可以根据每 个边缘节点最近发送的突发包的长度动态地调整参数t 。正因为这种灵活性带来 了设计上的困难过大。 3 最小长度最大组装时间算法( m i nb u r s t l e n g t hm a xa s s e m b l y p e r i o d ，m b m a p ) 该算法为突发包的组装设置两个参数：最小长度m b l * d 最大组装时i q t 。 o b s 边缘节点设计中采用最小突发长度最大突发汇聚时间方案，它既保证了 电子科技人学硕士学位论文：光突发交换网边缘路由器波| 芰= 调度算法的研究与实现 带宽利用率，又减少了突发包冲突的概率。适用大多数网络状况，而且在硬件上 较易实现。 2 2 3 突发包波长调度模块 该模块的主要功能简单来说就是根据发送波长的繁忙状况，上级组装突发的 优先级，对应用户的q o s 等级等信息来将当前相应的突发包调度到适合波长的发 送缓存中去。从而在保证用户数据包优先级和q o s 雕3 前提下尽量做到对网络资源 的平衡占用，这也是该模块的设计原则。该部分功能也是本论文在稍后章节中所 重点讨论的内容。 2 3 协议原理 2 3 1 g m p l s 通用多协议标签交换 近几年迅速发展的一种叫做m p l s ( 多协议标签交换) 的技术已被证明是- 7 非常适合于在电网络中传输数据业务的技术。m p l s 采用基于约束的路由技术可 以实现流量工程和快速重新选路，可以满足业务对服务质量的要求。 m p l s 毕竟是一种位于o s i 七层模型中的第三层网络层和第二层之间的2 5 层 技术，而w d m 属于光层，是第一层物理层的技术。因此，要让m p l s 跨过数据 链路层直接作用于物理层，则必须对其进行修改和扩展。在此情况下，国际标准 化组织i e t f 适时地推出了可用于光层的通用多协议标签交换技术g m p l s 。 g m p l s 的出现就是要得到一个从l a y e r3 的i p 扩展至t j l a y e r1 的光传输层次的 控制平面。g m p l s 相对于m p l s 已经发生了质的变化。在网络中引入通用多协议 标签交换概念后网络被清晰地划分为控制平面、管理平面和传送平面，不再是传 统意义上开放系统互连( o s i ) 定义的七层协议的网络层次。3 4 平面独立作用，使 网络连接成一个整体。在这种层次划分的网络体系下，数据的路由和流量控制独 立于传送。数据可以流过使用不同网络技术的数据网络，可以跨越不同的管理域。 2 3 2j e t 协议3 】【1 1 o b s 的协议有多种，本文将对其中具有代表性且优秀的j e t 协议作介绍。并 且在本设计中，状态机的等待状态，偏移时间的设定等内容都是这个算法在硬件 设计中的体现。 电子科技大学硕士学位论文：光突发交换网边缘路由器波长调度算法的研究与实现 恰量时间( j e t ) 协议属于单向资源预约协议，其基本思路是对每一个数据突 发，在其组装完毕后，在控制信道上发一个控制分组，延时一段时间t 后，在数 据信道上发送数据突发，而不用等待控制分组的应答【1 1 】。其示意图如图2 5 所示 时间 日。= 3 ，d ( 卉) = 毋 图2 - 5j e t 协议原理 图中，s 表示源节点；d 表示目的节点；1 、2 和3 表示中间节点；p 表示节点间 的传输延时( 这里假定各节点间的延时一样) ；占( ) 表示为第厅跳( 1 h h ) 的控 制时延( b 瑚珥均处理时延： - r - z ；j ( a ) ， 得t 。= t a + t ( i ) ) 。另外，带宽将预留直到突发数据离开时t 。+ l ，其中，l 表示突发长 度。如果请求的带宽不可用，突发数据就被阻塞，若没缓存，就直接丢弃。被丢 弃的突发数据以后可以重发。基于j e t 的o b s 也能在中间节点利用任何可用的 f d l ，为了解决多个突发之间的竞争，其方法就是使用f d l 延迟被阻塞的突发 数据，直到带宽可用。 从d r 协议的观点看，j e t 协议只是d r 协议的一个特例，j e t 的每一个分组 的预约时间都为一1 ) j 口m 。d r 协议基本是所有冲突解决协议的基础，但由 于它没有引入存储，其吞吐量并没有太多提高，最多达到5 0 。 2 3 4 带存储的d r 协议 基于j e t 的o b s 也能在中间节点利用任何可用的f d l ，为了解决多个突发 之间的竞争，其方法就是使用f d l 延迟被阻塞的突发数据，直到带宽可用，这 样其性能比没有使f d l 的分组交换要好得多。当f d l 长度等于数搌突发的平 均长度时，其吞吐量可以达到9 0 ，但此时数据延时较大，重发次数较多【4 1 。 2 4 突发包数据结构 经过汇集模块组装后的突发包数据格式如图2 7 所示【3 】【1 2 】。 电子科技火学硕士学位论文：光突发交换网边缘路由器波长调度算法的研究与实现 p r e 棚h l e l e n g t h p tp l n o p 醚蕊黼黼黼谶 乱l a r d - b s y n cb t n - s t p a c k a g e 图2 7 突发包数据格式 图q b p r e a m b l e 为突发包的前导码，l e n g t h 为突发包总长度，p t 为突发包类型， n o p 为突发包中包含的i p 分组数，p a y l o a d 蔓j 净荷，p l 为净荷长度。突发包类型 按照其中i p 分组的q o s 等级和目的边缘节点的地址分类。设有m 种优先级，n 个 边缘节点，那么对任意一个边缘节点中形成的突发包，其目的边缘节点地址都有 n 一1 种可能，于是在每个边缘节点中组装的突发包共有q = m ( n 一1 ) 种。 电子科技大学硕士学位论文：光突发交换网边缘路由器波长调度算法的研究与实现 第三章调度算法的研究与实现 边缘节点的对光纤波长资源的利用情况是衡量边缘节点路由能力的一项重 要指标，既要兼顾输入队列的优先级；f 1 q o s ，又要考虑突发数据能尽量平均地占 用每个波长资源而不至产生拥塞和过度空闲的产生。这一系列的任务是由边缘节 点的调度模块完成的，因此本章将细致的阐明波长调度所涉及的功能模块戈0 分、 算法分析、仿真结果和硬件实验实现的方法。 。 。 图3 - 1 调度模块功能框图 3 1 边缘节点调度模块设计性能指标 突发包数据发送端口为4 个 每端1 3 支持的波长信道数为9 ，其中8 个为数据通道，1 个为控制通道 端口使用1 6 b i t 宽度的数据输出。根据总设计1 2 5 g b i t 速率的要求，本 电子科技大学硕士学位论文：光突发交换网边缘路由器波长调度算法的研究与实现 模块的数据输出速率应保持在6 5 2 m b i t s 的吞吐速度 为了保证系统的正常工作，要求芯片的布线后仿真速率必须达到1 2 5 m b i t s 的工作速度。 3 2 边缘节点调度模块的功能划分 具体功能划分如图3 1 所示。 下面对各个子模块的具体功能进行介绍 1 r r p o l l e r 模块：端口轮循模块r r p o l l e r 的作用是用来对输入端口的请求信 息，按照优先级的分类来进行轮循的模块。因为是以端口作为优先级的 标准，所以暂定端1 ：3 0 2 是高优先级，端1 2 1 3 5 是低优先级。相同优先级 的端口依照时钟的先后顺序进行轮循( 时间片轮转法) 。本模块的端口和 外围连接图如图3 2 所示。 c l k ：系统时钟 图3 - 2r r p o l l e r 模块端口连接示意图 p o r t o p o r t 5 ：来自汇聚模块的，对应其六个数据发送端口的请求信息端口。 共1 8 b i t 宽度，其中的信息包含有“突发包大小”，“指示位”( 表示有没有数据 等待发送) ，“目的地址”等信息； p o r t _ n u m b e r ：当前筛选出的最高优先级端口的端口号信息 电子科技大学硕士学位论文：光突发交换网边缘路由器波长调度算法的研究与实现 p o r t _ r e q ：当前筛选出的最高优先级端口请求信号。格式定义同p o n ”，在 这里输出，是为了做到时序一致； a c k _ t ot o p ：该信号用来向上层模块反馈本级已经读取数据端口请求信息 的应答信号，通知前级，本级已经读取某一端口数据所对应的请求信息。以便让 前级及时将该端口的请求信号置无效，防止该模块不断重复轮循请求信息： p r i ：根据端口序列产生的优先级信号。在本次设计中选定有两个优先级别 分别使用“o o ”和“1 1 ”来表示。 2 c t l b l k 模块：控制模块c t l b l k 主要完成对状态机的映射。具体的端口连接 如图3 3 所示 c l k ：系统时钟 图3 - 3c t l b l k 模块端口连接示意图 m m _ n o d e ( 2 0 ) ：目的节点的编号信息 b h p a c k ：b h p 模块发送成功的