（电磁场与微波技术专业论文）obs+10g光接入板的设计与实现.pdf

独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处， 本人签名：司_ 岛豇一 本人承担一切相关责任。 同期： 趁 ! 经! 岔旦 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。 非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期： 日期： = ， l 一 o b s1 0 g 光接入板的设计与实现 摘要 光突发交换技术( o b s ) 结合了光电路交换技术( o c s ) 和光分 组交换技术( o p s ) 的优点，避免了它们的缺点，具有很好的发展前 景。同时1 0 g 以太网作为一种新的技术，使网络走向低成本，简单 化，可管理的方向。本文介绍了一种基于x e n p a k 光收发模块的1 0 g 光接入的方案在o b s 网络边缘节点中的设计与实现。 本文第一章介绍了o b s 产生的背景与发展过程，从功能结构和 物理拓扑两个方面分析了o b s 网络的网络结构，并介绍了o b s 网络 的关键性技术。 第二章介绍了o b s 网络的核心节点和边缘节点的设计过程，分 析了核心节点与边缘节点各自不同的功能，然后根据功能对每个逻辑 模块进行设计和实现，提出了1 0 g 光接入板的整体设计方案。 第三章给出了整个1 0 g 光接入板硬件设计的详细细节，分为 $ 2 0 6 4 部分、f p g a 部分、光收发模块部分、s d r a m 部分、其他接 口电路等几个部分，介绍了各个部分的设计细节及p c b 设计中对于 系统稳定的考虑而进行的信号完整性和电磁兼容的设计细节，说明了 在调试中使用的方法和对于故障的诊断。 第四章对全文的工作进行了总结，并对于1 0 g 光接入板的设计 提出了改进的方法。 关键词：光突发交换，1 0 g 以太网，硬件设计，硬件测试 d e s i g n1 0 go p t i c a la c c e s sb o a r df o r o b s a b s t r a c t o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ( o b s ) c o m b i n e st h ea d v a n t a g e so fo p t i c a l c i r c u i ts w i t c h i n g ( o c s ) a n do p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ( o p s ) a n da v o i d s t h e i rw e a k n e s s e s ，w i t hg o o dp r o s p e c t sf o rd e v e l o p m e n t 1 0 ge t h e r n e ta t t h es a m et i m ea san e wt e c h n o l o g ym a k e sn e t w o r k sm o v i n gt o w a r d l o w c o s t ，s i m p l i f i e d ，m a n a g e a b l ed i r e c t i o n i nt h i sp a p e r ，w ed e s c r i b ea n o b s10 ga c c e s sp r o g r a m sb a s e do nx e n p a ko p t i c a lt r a n s c e i v e rm o d u l e s i nt h eo b s e d g en o d e i nt h ef i r s tc h a p t e r ，t h eb a c k g r o u n da n dd e v e l o p m e n t h i s t o r yo fo b s a r er e v i e w e d t h ea r c h i t e c t u r eo fo b sn e t w o r ki s a n a l y z e df r o mt w o a s p e c t so ff u n c t i o na n dp h y s i c a lt o p o l o g y s e v e r a lt e c h n o l o g i e si no b s n e t w o r ka r ea l s od i s c u s s e d i nt h es e c o n dc h a p t e r ，t h ed e s i g np r o c e s so fc o r en o d ea n de d g en o d e i no b sn e t w o r ki si n t r o d u c e d t h ed i f f e r e n tf u n c t i o n s r e q u i r e m e n t b e t w e e nc o r en o d ea n de d g en o d ei s a n a l y z e d t h e1 0 go p t i c a la c c e s s b o a r d so v e r a l ld e s i g ns c h e m ei sp r o p o s e d i n c h a p t e rt h r e e ，t h e h a r d w a r e d e s i g n i si n t r o d u c e di n d e t a i l ， i n c l u d i n gt h ef o l l o w i n gp a r t s ：$ 2 0 6 4p a r t ，f p g ap a r t ，t r a n s p o n d e rp a r t ， s d r a m p a r ta n do t h e rp a r t t h ep c bd e s i g na n ds i g n a li n t e g r i t yd e s i g n o nc o n s i d e r a t i o no fs y s t e ms t a b i l i t ya r ep r e s e n t e d t h ed e b u gm e t h o d s a n dd i a g n o s eo ff a u l t sm o d u l ea r es h o w n i nc h a p t e rf o u r ，t h ep a p e ri sc o n c l u d e da n d p u t sf o r w a r di m p r o v e m e n t m e t h o d so fr o u t ec o n t r o lb o a r d k e y w o r d s ：o p t i c a lb u r s ts w i t c h ，1 0 ge t h e m e t ，h a r d w a r ed e s i g n ， h a r d w a r et e s t i n g l 詹 第一章绪论 目录 1 1o b s 技术产生的背景1 1 2o b s 网络结构2 1 3o b s 关键技术4 1 4 论文主要内容一6 第二章o b s 系统中1 0 g 光接入板的设计 7 2 1 实验室平台介绍7 2 1 1 核心节点的设计与实现7 2 1 2 边缘节点的结构9 2 2 边缘节点设计与实现1 0 2 2 1 核心板1 1 2 2 2 光板1 2 2 31 0 g 光接入板的设计。1 2 2 3 11 0 g e 简介1 2 2 3 2 整体没计方案1 5 第三章1 0 go b s 光板的硬件设计实现1 6 3 1 原理图设计1 6 3 1 1 主要芯片的选型1 7 3 1 2 光模块与f p g a 的连接2 3 3 1 3f p g a 与$ 2 0 6 4 的连接2 5 3 1 4f p g a 与s d r a m 的连接2 6 3 1 5 时钟分配电路的设计2 7 3 2p c b 设 十。2 7 3 2 1p c b 总体设计2 7 3 2 2p c b 层数设计2 8 3 2 3p c b 整体布局2 8 3 2 4 电源与地的设计。2 9 3 2 5 滤波器件的设计。2 9 3 2 6 传输线的信号完整性设计2 9 3 3 电路板的调试3 2 3 3 1 电源的测试3 2 3 3 2 时钟信号的测试3 3 3 3 3 芯片功能测试一主控f p g a 的测试。3 3 3 3 4 芯片功能测试$ 2 0 6 4 的测试。3 3 3 3 5 光收发模块的测试。3 5 3 3 6 其他接口的测试3 6 第四章工作总结与展望 参考文献 致谢 3 7 3 8 3 9 发表文章 i、i 北京邮电人学硕士学位论文 第一章绪论 1 1o b s 技术产生的背景 近年来，随着互联网技术的飞速发展，各种新兴的互联网业务不断的出现， 比如各种多媒体网页，视频业务，多媒体会议，可视电话，电子商务等，使互联 网业务呈指数增长。这些新兴业务对传送网带宽和交换系统容量提出了很高的要 求。由于基于电子技术的网络方案受限于电子速率“瓶颈”的限制，传统的光 电光转换的交换方式无法适应网络发展的要求，只有基于光纤的海量带宽的全 光网络才可以提供大容量、高速的传输处理能力，是光通信发展的必然趋势。 9 0 年代，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 ) 的广泛采用， 以及密集波分复用( d w d m ，d 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 ) 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 t s ) 成为可能。同时，为 了实现高速数据业务的传输和交换，必然要将i p 层引入到w d m 之上，并尽可 能的在光网络中引入全光期间和技术，避免电子器件的速率限制，充分利用 w d m 的带宽资源和波长路由能力。与此同时，交换节点的压力越来越大，为了 解决这一问题，几种基于光域的交换技术成为研究的热点，主要包括：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o p s ( o p t i c a l p a c k e ts w i t c h i n g ) ， 以及光突发交换o b s ( o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ) 【1 】。 目前，光网络中采用的是光电路交换( o c s ) ，o c s 基于光分插复用器 ( o a d m ，o p t i c a la d d d r o pm u l t i p l e x e r ) 和光交叉连接器( o x c ，o p t i c a l c r o s s c o n n e c t ) ，采用波长路由的方式，通过控制平面的双向信令传输来建立链 路和分配波长。协议机制相对简单，技术成熟，易于实现。o c s 实质上就是一 种光的电路交换方式，具有较高的网络传输可靠性，但也存在较大的选路时延。 对于突发业务来说，保持时间短，信道的利用率低。因此，不适合变化无常的互 联网业务。 光分组交换( o p s ) 可以看作是电分组交换在光域的延伸，交换粒度以高速 传输的光分组为单位。交换机以存储转发方式工作，因此必须采用光缓存。它在 带宽利用率、延时和适应性等方面比较好。但因为它的实现比较复杂，目前光逻 辑处理技术不成熟，且由于目前没有可用的光缓存，光分组的同步和存储都只能 依靠光纤延迟线技术，而延迟线的缺点有：难以得到较长时间的延迟；由于受温 度变化等因素影响，延迟时间精度低，缺乏灵活性和准确性。这些缺陷决定了光 分组交换离商用化还有很长的距离。 二十世纪8 0 年代，由c h u n m i n gq i a o 和j s t u r n e r 提出的光突发交换网络 1 北京邮电大学硕士学位论文 ( o b s ) 概念渐渐引起人们的关注。它作为电路交换到分组交换的过渡技术，结 合了电路交换和分组交换两者的有点且克服了两者的部分缺点f 2 1 。o b s 技术采 用单向预约的机制，交换粒度适中，带宽分配灵活高效，高速数据信息不需经过 光电( 或电光) 转换，对中间交换节点处理能力的要求没有o p s 中的严格，实 现复杂度适中，能很好地支持光网络的q o s ，既能依靠上层协议( i p m p l s ) 区 分不同业务的q o s ，也可直接在光层上实现有区分的服务f 3 4 1 。 1 - 2o b s 网络结构 从分层结构来看，整个o b s 网络大致可分为光层( o p t i c a ll a y e r ) 、汇聚层 ( a s s i g n m e n tl a y e r ) 和接入层( a c c e s sl a y e r ) ，o b s 汇聚层是介于承载l p 业务 的链路层和物理层之间的一个连接层，而o b s 路由层则是介于i p 层和链路层之 间的一个网络层。 从组成结构来看，一个o b s 网络主要由边缘电节点、核心全光节点和d w d m 链路构成，如图1 - 1 所示。其中边缘节点( e d g en o d e ) 负责对接入业务( 如以太 网接入、a t m 接入、s d h 接入等) 的汇聚及反向拆卸，核心节点( c o r en o d e ) 完成汇聚业务在核心骨干网内的全光域交换。o b s 网络的边缘节点首先对承载 各种业务的数据包进行分类、组装，然后将组装好的突发包连同对应的控制分组 一起送入o b s 网络进行交换、转发。经过核心节点的路由或交换，突发包最终 被送往目的边缘节点，边缘节点最后还原出突发包承载的各种业务数据，送出 o b s 网络。 o o b s 控制谈块 一 1 0 t 0 1 0 数据倍道 图1 - 1o b s 网络结构 下面分别阐述一下边缘节点和核心节点的组成和功能。 2 ；l、，i 广 妇 北京邮电大学硕士学位论文 边缘节点提供多个千兆和百兆以太网接口，具有图像、话音、数据等业务的 接入能力。这些业务根据i p 分组的出口端边缘节点地址和q o s 特性被聚合成突 发数据。同时，节点为每个突发包配备了一个控制分组。该控制分组携带突发分 组和控制信令之间的延时信息、突发分组的长度信息、目的节点信息等，同时还 包括业务等级信息以据此为不同的业务提供不同的q o s 保证。边缘节点的i p 业 务汇聚完成后，将突发分组进行排队，调度器按照数据信道和控制信道的使用情 况，采用一定的协议控制算法选择突发包的发送。同时提取突发包的控制信息， 当突发包位于队首时，控制信令设置其偏置时间，并发送控制分组，它包括了突 发包的路由信息、控制分组与突发包之间的偏置时间、突发包长度、承载突发包 的波长、信道编号、突发包生存时间以及q o s 等信息。偏置时间后，突发包由 调度器调度成帧送入w d m 光层，接收到的分组数据在边缘节点内进行反向拆卸 和分类，发往相应的端口。系统功能结构框图如图1 2 所示 图1 - 2 0 b s 边缘节点框图 o b s 的核心节点如图1 3 所示，它由输入接口、控制单元、高速光交叉矩阵 和输出接口四个部分组成。其中，其中输入接口对输入光信号进行适当的处理， 以便读取控制分组信息。控制模块根据控制分组所携带的标签进行操作，并利用 控制分组的其他控制信息预留核心节点的带宽资源，据此发出控制指令，控制交 换矩阵做出相应的调整，然后再生控制分组。交换矩阵负责接受来自控制模块的 控制指令，建立交叉连接路径以将随后到达的突发包交换到相应的输出端口。输 出接口的作用是减小或消除信号的相位抖动和功率波动，并将再生的控制分组发 送到相应的控制信道上f 5 1 。 3 北京邮电大学硕士学位论文 1 3o b s 关键技术 图1 - 3o b s 核心节点框图 o b s 结合了光电路交换和光分组交换的优势，同时避免了它们的缺点，是 一种非常有前途的交换技术，但是，必须承认，o b s 在标准和协议方面还很不 成熟，很多技术还在进一步的研究之中，很多问题有待解决。目前围绕o b s 网 络展开研究的关键技术有以下方面 ( 一) 预约方案 当前的o b s 资源预留方式可以分为t a w ( t e l l a n d w a i t ) f 6 1 和t a g ( t e l l a n d g o ) 【7 】两种。前者是双向资源预约协议，需要在收到资源预约成功 的确认之后再发送数据包；后者是单向资源预约协议，即在资源预约信息发出之 后等待一定时延( 即偏置时间) 后就发送数据包，无需得到资源预约成功与否的 确认。由于t a g 协议具有低网络时延和高带宽利用率的优点，大多数o b s 的研 究都采用单向预留协议。 这些方案的最主要区别在于同一突发数据占用节点资源的时间不同，而这个 时间长度取决于各种方案对突发开始和结束时间的估计精度，估计越准、占用资 源的时间越短，资源利用率越高，且总的突发冲突概率越低。 根据突发包结束指示和资源分配时段的不同，t a g 又可以区分为三种。第 一种方式是j l t ( j u s t i n t i m e ) 【8 1 ，控制分组中不包含突发数据包的长度信息， 资源的释放需要发送专门的控制分组，这种方式比较简单，但效率不高；第二种 方式是基于r l d ( r e s e r v e a l i m i t e d d u r a t i o n ) 的h o r i z o n 和l a u c ( l a t e s t a v a i l a b l eu n u s e dc h a n n e l ) 【8 1 ，它的控制分组中包含有突发数据包的长度信息， 这种方式复杂性中等，效率要高于j i t ；第三种是基于r f d 4 i - 一 k p 堪一 北京邮电大学硕十学位论文 ( r e s e r v e a f i x e d d u r a t i o n ) 的j e t ( j u s t e n o u g h t i m e ) 【9 1 ，它通过突发数据包 的开始预留时间和结束预留时间来预留资源，这种方式效率最高，然而复杂性也 最高。 相比较而言，在j l t 中，新的突发包有可能因为在控制分组到达时目前j 下在 传输的突发包的结束时间不可知而被丢弃，而在r l d 中的结束时间指示可以避 免这种情况下的丢包；j i t 和r l d 预留的资源都是从控制分组一到达就开始，而 j e t 预留的资源是从突发数据包到达时开始，这样，j e t 就可以使用信道上的间 隙资源，因此性能要优于r l d 方式。但是，如果o b s 网络不使用偏置时间，而 是通过在核心节点使用f d l 来补偿处理时延，那么j e t 和r l d 的性能是一样的。 另外，j e t 通过引入额外的偏置时间可以实现突发包的q o s 区分【1 0 】。 ( 二) 边缘节点 o b s 中的难点之一就是突发汇聚问题，即根据i p 分组的出口端边缘节点地 址和q o s 特性将i p 分组聚合成突发数据。其中确定数据突发的长度是一个关 键技术，突发长度过长，数据必须在边缘节点等待足够的时间，对于延迟敏感的 业务类型而言，这是不能接受的；另一方面，突发长度过短，可能导致节点的控 制处理速度跟不上，而且突发越短，其控制信息信令的开销所占的比重也相对 越大，影响信道利用率。因此突发长度与节点处理速度( 尤其是交换控制模块的 处理速度) 、信道利用率、业务延迟等关键因素之间的关系值得进一步深入研究。 另一个问题是偏移时间的确定。偏移时间确定了边缘节点发送控制信令之后 的多长时间后再发送数据突发。设置偏移时间的目的是希望数据突发到达节点 时，控制信息已经配置好了数据要经过的光通路。由于控制信息在每个节点都需 要经历一定的处理延迟，而理想情况下数据通路是无延迟的，因此，偏移时间的 大小取决于控制信息在各节点处理延迟的累积求和。显然，为了得到偏移时间， 就要求知道从源到宿经过的节点数目，而对于路由无法预先确定的网络( 如i p 网 络) 是无法做到的，因此需要考虑其它的方式【5 】。 ( 三) 核心节点 核心节点包括3 个主要组成部分：光交叉模块，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。光交叉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。其中核心节点结构设计、光交换结构的设计、业务调度算法研究和冲 突解决机制研究都是非常重要的课题。f 1 1 】 5 1 4 论文主要内容 北京邮电大学硕士学位论文 本论文主要介绍了o b s1 0 g 光接入板的设计与实现。论文主要分为四部分。 第一章总体介绍了光突发交换网络的概念、背景、网络结构及其关键技术， 并简要阐述了核心节点和边缘节点的地位和作用。 第二章在对实验室的o b s 平台做了简单介绍之后，介绍了边缘节点和核心 节点的硬件实现方案。明确了光接入板在o b s 网络中的位置和作用，根据系统 设计要求提出了1 0 g 光接入板的整体设计方案。 第三章详细介绍1 0 g 光接入板的设计与实现。首先是原理图的设计，包括 芯片选型，主要芯片之间的信号连接和外围电路的设计注意事项。然后是p c b 的设计，包括整体设计，层数设计，整体布局，电源设计和滤波器件的设计等， 详细讨论了p c b 设计中的应该注意的信号完整性问题。最后是硬件测试，包括 电源的测试，时钟信号的测试，以及芯片功能的测试。 第四章对整个论文工作做了总结，同时，也客观评价了工作中出现的问题， 对下一步工作进行了展望。 6 北京邮电大学硕士学位论文 第二章o b s 系统中1 0 g 光接入板的设计 2 1 实验室平台介绍 下面对实验室的o b s 平台做一些简单的介绍。 边缘节点 图2 1 光突发交换实验平台 如图2 1 示，实验室的o b s 试验网络包含三个边缘节点和四个核心节点， 四个核心节点构成一个“区”型网络，在其中四个核心节点上各连接一个边缘节 点。每个边缘节点与核心节点均采用d w d m 双向光纤链路互连，每根光纤承载 8 个波长信道( 其中包括1 个专用的控制波长信道) ，单波长速率均为1 2 5 g b s 。 边缘节点可以提供3 个千兆( 1 0 0 0 b a s e t ) 和1 0 个百兆( 1 0 0 b a s e t ) 以太网 业务接口，核心节点能够实现4 x 4 的快速波长交换。实验平台采用p j e t 单向信 令机制，这一方面是因为它可以获得较高的网络性能，另一方面是因为它可以有 效地支持图像、话音、数据等多种q o s 业务1 1 2 。 2 1 1 核心节点的设计与实现 在前一章对核心节点已经做了简单的介绍，核心节点主要由三部分组成，即 光交换矩阵、控制单元和管理单元。下面简单的介绍实验平台中各个部分的设计 和实现。 1 控制单元和管理单元 控制单元和管理单元主要完成o b s 网络中的控制管理平面功能，因而整个 模块既要求具备灵活性和可扩展性，又要求具备快速的处理能力。可扩展性是为 了保证能够对控制平面进行功能扩展，以便将来既可以支持更为复杂的网络结构 ( 如m e s h 网) ，又可以支持新领域的研究，如l o b s 1 3 ；而快速处理能力既 7 北京邮电人学硕士学位论文 可以减小高负载时处理拥塞所带来的突发包阻塞，也有助于降低业务的端到端时 延。整个核心节点主控板的结构如图2 2 所示： 1 , 4 元 l ；娜 比父疋朝t 融 图2 - 2 核心节点控制结构 2 光交换矩阵 光交换矩阵是光突发交换系统的核心器件和决定网络性能的关键因素。根据 业务类型和服务等级的不同，经边缘节点组装后的突发包长度一般在几1 0 k b y t e s 至几1 0 0 k b y t e s ，在千兆的传输速率下每个突发包的时间长度相应为数十微秒至 几毫秒。为了对这样的突发数据包进行高效全光交换，交换矩阵的速率应在亚微 秒( 1 0 0 n s ) 量级。所以o b s 对光器件的要求比目前成熟的光器件水平要偏高， 光交换矩阵是体现之一。 光交换矩阵是o b s 系统核心节点的基础构件，对o b s 网络的性能影响很大。 实验平台中采用的是基于电光晶体的光开关，具有较高的开关速率，较好的透明 性，插损低，对偏振不敏感等特点，十分适合光交叉矩阵结构的要求 1 1 1 。 实验平台中采用了a g i l t r o n 公司基于电光晶体的高速光开关，开关速度达到 u s 量级。1 2 个1 2 光开关，8 个波分复用器以及4 个耦合器共同构成1 个4 4 的交叉矩阵。如图2 3 所示，为整个光交叉矩阵的结构图，其包括4 个1 4 矩 阵单元，8 个对外光接入口( 4 入4 出) ，1 2 个电控制口( 控制1 2 个光开关) 。 s p 2 1 2 边缘节点的结构 边缘节点处于o b s 网络的接入层，主要完成接入各种业务数据并适配到 o b s 网络中，同时接收来自o b s 网络的突发分组并完成反向适配。如图2 4 示， 边缘节点主要包括业务接入、突发组装、突发资源调度、系统控制( 包括控制信 道处理、路由和管理) 以及突发发射和接收等五个模块。 图2 - 4 边缘节点功能结构框图 具体功能如下：( 1 ) 业务接口模块完成f e 和g e 业务的接入；( 2 ) 突发 组装模块根据出口边缘节点( 需要上层模块提供地址映射) 和q o s 要求对接入 的业务进行分类缓存，并按照一定的组装算法生成突发数据包。当然，反方向要 对接收的突发包进行拆卸处理：( 3 ) 突发资源调度模块根据一定算法为突发包 分配合适的波长信道，并通知控制信道处理模块发送相应的控制分组，突发包经 过一个偏置时间的缓存后发射；( 4 ) 系统控制模块实现本地的路由、管理、控 制功能，并且，通过控制信道互连的各节点上的控制模块最终配合实现整个o b s 网络的控n 管理平面功能。这里，需要强调的一点是控制信道处理模块，该模 块一方面要根据资源调度的结果提前发送预约资源的控制分组，另一方面还要将 9 北京邮电大学硕十学位论文 来自系统控制平面的网管、路由等上层信息打成控制分组并通过控制信道发送， 同时在接收方向上也要实现对控制信道的预处理，如控制分组分类、提取路由状 态信息等等，并将相应的信息上报系统控制平面；( 5 ) 突发发射和接收完成光 电变换，提供与d w d m 物理层的接口。 2 2 边缘节点设计与实现 由前面讨论可知，边缘节点逻辑上可以分成业务接入层( 即网络层) 、o b s 层和物理层。相应的，实验平台中边缘节点在物理上也分别由交换板、核心板和 光板组成，整个系统通过高速背板互连。另外，系统提供一个单独的电源板，以 便保证系统的稳定工作。图2 5 给出了详细的物理框图。 电 外部业务 交核 路数据信轸斗厶 源 qg 换 器3g k 、 l j 1卜 j 上、 1 路控制信号 板 板 板板 光信 背板 图2 - 5 边缘节点物理结构 交换板实现业务接口功能，它位于边缘结点数据接入部分，主要负责不同速 率以太网数据的接入，并将这些数据会聚以后，提供给控制板，完成突发组装。 交换板对外提供g e 口和f e 口的接入，经过3 个汇聚后的g e ( 1 0 0 0 b a s e n t r u n k 模式端口，为控制板提供数据。 核心板是o b s 边缘节点的主功能板，主要实现i p 包排队、突发包组装和调 度功能。但是具体来说它在整个系统中还要承担以下功能： 1 、o b s 网络中基本的路由功能和流量控制，包括波长信道指配； 2 、实现对各单板的复位以及板在位检测；高层软件载体，搜集网管信息实 现边缘节点的网管。 3 、光板实现控制信道和数据信道的发送和接收尤其是数据信道的突发模式 的发送和接收。 系统采用高速背板技术实现各个单板间的高速数据链路。所有高速数据链路 都在各单板上经过总线驱动器驱动后在背板上进行单点连接，实现去双工的通 1 0 图2 - 6 核心板结构图 边缘节点核心板主要完成接入各种业务数据并适配到o b s 网络，同时接收 来自o b s 网络的突发分组并完成反向适配。它提供外部数据业务接入端口为3 个经过交换板汇聚后的g e ( 1 0 0 0 b a s e nt r u n k 模式端口，数据经过核心板上的 物理层芯片后进入负责突发包组装的f p g a ，改f p g a 将i p 数据根据其目的边 缘节点和q o s 的不同分别组装成为不同的突发包，并存入s d r a m 中，当突发 包组装完毕后，向负责突发包调度的f p g a 发送消息，使该突发包进入调度队列。 调度成功后责突发包调度的f p g a 将通过控制信道向核心节点发送控制帧为突 发包预约信道资源，当突发包到达其偏置时间后，负责突发包调度的f p g a 在向 负责突发包组装的f p g a 发送消息，在向负责突发包组装的f p g a 将突发包数 据从s d r a m 读出，通过$ 2 0 6 4 的一个通路发送到数据信道上去。反之，来自 外部的光数据，经过光板接受后，在通过s 2 0 6 4 芯片发送至突发包组装f p g a 进行拆解，统计后发送至通向交换板的g e ( 1 0 0 0 b a s e ，nt r u n k 模式端口，交换 板将数据发送至最终用户f 1 4 1 。 此外，负责突发包调度的f p g a 还通过数据地址线与一个专用c p u 相连， 1 1 北京邮电大学硕士学位论文 该c p u 负责所有路由和网管协议，并经由控制信道收发路由网管协议数据包， 以及实现o b s 网络中流量控制，波长信道指配，对各单板的复位及板在位检测 等功能。 2 2 2 光板 光板实现控制信道和数据信道的发送和接收，本沦文的f 1 标就是实现1 0 g 光速率的收发，在下面部分里面将详细介绍。 2 31 0 g 光接入板的设计 2 3 11 0 g e 简介 1 0 g 以太网技术的研究始于1 9 9 9 年底，当时成立了i e e e 8 0 2 3 a e 工作组，并 于2 0 0 2 年6 月正式发布i e e e 8 0 2 3 a e1 0 g 标准( 图2 7 为8 0 2 3 a e1 0 g 以太网技 术标准的体系结构) 。至此，三十年以前，由于计算机网络的日益提高的重要性 所构想出的这种创意，经过长期的、艰苦的发展，终于达到了它的巅峰。这个创 意所结出的硕果己经超出了当时的预期。今天，大量不断增加的应用正在整合到 一套完全基于以太网的基础设施上来，这套基础设施可以为每个用户提供一个单 一的高速连接，在这个连接的基础上，数据、语音和视频流都能够以线速进行单 点播送或者多播，同时确保必不可少的q o s 安全服务1 1 5 。 1 0 g 以太网中有很多创新点，如x a u i 接口，w i s 子层和6 4 b 6 6 b 编码等。 这些创新点是解决1 0 g 以太网中相关问题的关键技术，分述如- f 1 5 1 1 6 1 。 1 、1 0 g be 芯片接口1 0 g 以太网的技术创新点之一是x a u i 接口技术。它 处于m a c 层和p h y 层之间，是x g m i i 接口的扩展，其所处位置如图2 8 所示。 x a u i 是一种低针数差分接口，由差分线对组成，每个方向上有4 对差分线。 差分线上的信号发送频率为3 1 2 5 g b s 经x g x s8 b 1 0 b 编码后，在x g m i i 接 口数据率为1 0 g b s ，如图2 9 所示。 对于m a c 层和p h y 层来说，x a u i 接口是透明的。x a u i 的简化和突发的 性能是芯片到芯片、电路板到电路板和芯片到光模块应用的理想选择，它改善 了电路互连的路径，同时降低了设备制造商的设计成本。 1 2 t o 北京邮电大学硕士学位论文 m e d i aa c c e s sc o n t r o l ( m a c ) f u l ld u p l e x i 10 gm e d i ai n d e p e n d e n ti n t e r f a c e ( x g m i i ) o r t 0 ga t t a c h m e n tu n i ti n t e r f a c e ( x a u i ) n 研n 司卜司几司r 回n 司r 司 p m dp m dp m dp m dp m dp m dp m d l 1 3 l o n m8 5 0 r i m1 3 l o n m1 5 5 0 n m8 5 0 h m1 3 l o h m1 5 5 0 n m 图2 7i e e e 8 0 2 3 a e 结构模型 从图2 7 可以看出，以太网物理层用于连接物理介质和m a c 层。物理层又 可分为物理介质相关( p m d ) 子层和物理编码( p c s ) 子层。p m d 提供物理介 质连接方式，例如，光收发器属于p m d ，p c s 由编码模块( 例如：6 4 b 6 6 b ) 和。u 串并变换模块组成，对m a c 层提供适于x g m i i 的数据信号。 u p p e rl a y e r s m a c c o n t r o i ( o p t i c a l ) l m e d i aa c c e s sc o n t r o l ( m a c ) r e c o n c i l i a t i o n x g m i i ： x g x s x a u it x g x s x g 1王 p h y s i c a lc o d i n gs u b l a y e r ( p c s ) l w a ni n t e r f a c es u b l a y e r ( w i s ) x s | i ! p h y s i c a lm e d i u ma t t a c h m e n t ( p m a ) p h y s i c a lm e d i u md e p e n d e n t ( p m d ) m d i 工 m e d i u m 2 、物理层( p h y ) 图2 - 81 0 g 以太网功能结构 北京邮电大学硕士学位论文 1 0 g 以太网的另一个创新点是广域网p h y 的设计。它使以太网具有了两种 p h y ：局域网p h y 和广域网p h y 。局域网p h y 和广域网p h y 操作于同样的p m d 子层之间，能支持同样的传输介质。这两种p h y 只是在p c s 层有所不同。1 0 g 局域网p h y 是有意为支持现有干兆以太网应用而设计的，在带宽上增加l o 倍， 并企图使升级成本最低。同时，人们希望1 0 g 局域网只用光纤来传输数据，传 输距离可以覆盖广域网范围。然而，为了能与现有的广域网兼容，1 0 g 以太网提 供了广域网p h y ，用于连接s o n e t s d h 电路交换的电话接入设备。 广域网p h y 与局域网p h y 的不同之处，在于广域网p h y 在广域网接口子 层( w i s ) 有一个简单的s o n e t s d h 成帧器。由于s o n e to c 1 9 2 s d hs t m 6 4 线速低于1 0 g 。所以m a c 需能以1 0 g b s 的速率操作于局域网p h y 且能以有效 负荷大约9 2 9 g b s 的速率操作于广域网p h y 。广域网p h y 为以太网传输距离的 增长提供了技术基础，可以使以太网的传输距离增长到4 0 k m 以上的范围。它充 分利用了现有的s o n e t ，s d h 网络进行数据传输，即保护了已有网络资源，又使 以太网的服务范围得到扩展。 x g m n t xc l k t x d ( 7 ：0 ) 1 x d ( 1 5 ：8 t x d ( 2 3 ：1 6 ) t x d ( 3 1 ：2 4 l r xc l k r x d ( 7 ：0 ) r x d ( 1 5 ：8 、 r x d ( 2 3 ：1 6 ) r x d ( 3 i ：2 4 1 d op d on d l p d ln d 2p d 2n d r p d 3n d op d on d lp d ln d 2 p d 2n d 3 - p d 3n 图2 9x a u i 与x g m l i 通过x g x s 连接 3 、物理介质相关子层 i e e e8 0 2 3 a e 工作组提出的标准，支持多种光纤介质链路，表2 - 1 给出了参 考。由表2 1 可见，除1 0 g b a s e l x 4 采用8 b 1 0 b 编码机制之外，其他p m d s 均采用6 4 b 6 6 b 编码机制。6 4 b 6 6 b 编码比8 b 1 0 b 编码具有更高的编码效率， 8 b 1 0 b 编码机制中开销比特约占有效比特的2 5 ，而6 4 b 6 6 b 编码机制中，开销 比特只占有效比特的3 左右。 1 0 g b a s e l x 4 采用了4 个3 1 2 5 g b s 的复用信号，该信号通过宽波分复用 技术进行传输。它主要工作于1 3 1 0 r i m 波长，多模光纤作为传输介质时，其传输 距离可达3 0 0 m ；若采用单模光纤作为传输介质，其传输距离可达1 0 k m ，其他 1 4 一 k 北京邮电大学硕十学位论文 六种p m d s 均传输单个串行信号，工作于8 5 0 n m 波长时。其传输距离可达3 3 m ( 传输介质为6 2 5 u r n 多模光纤) 或3 0 0 m ( 传输介质为5 0 u r n 多模光纤) ；工作 1 3 1 0 n m 波长时，其传输距离可达1 0 k m ( 传输介质为单模光纤) ；工作于1 5 5 0 n m 波 长时，其传输距离可4 0 k m ( 传输介质为单模光纤) 。 表2 - 1 物理介质相关子层图表 d e v i c e8 b 1 0 b 6 4 b 6 6 bw s 8 5 0 n m1 3 1 0 n m1 3 1 0 n m 1 5 5 0 n m p c sp c ss e r i a lw d ms e r i a ls e r i a l 1 0 g b a s e s r 1 0 g b a s e s w 0 t 1 0 g b a s e l x 4 -0 1 0 g b a s e l r _ 1 0 g b a s e u 0 1 0 g b a s e e r 0 1 0 g b a s e e w_- 2 3 2 整体设计方案 为了实现现有边缘节点的升级到1 0 g 光收发，同时不替换原有的主控板和 背板，需要对原业务接入板进行改进。考虑到现有背板和主控板的处理速度只有 1 2 5 g ，1 0 g 光板除了实现1 0 g 光信号收发之外，还要完成