（物理电子学专业论文）125gbs突发模式光发射及接收系统的设计与实现.pdf

内容提要 本文研究的是光突发交换( o b s ) 网络中1 2 5 g b s 突发模式光发射及接收系 统的设计与实现。0 8 s 避开了光电路交换( o c s ) 和光分组交换( o p s ) 的缺点， 并集两者的优点于一身，具有高带宽利用率和低复杂度的特性，在未来快速发展 的光通信系统中有很大的发展前景。 o b s 网络中突发模式光发射及接收系统包括突发光发射、突发光接收及物理 层的数据处理模块。突发光发射研究发射方向上数据光信号的快速开启与关断； 突发光接收研究接收方向上数据光信号的幅值适应性与快速同步能力；数据处理 模块研究数据电信号的定时发送、随机接收及快速存储。 本系统通过改造连续模式激光器实现突发光发射，选用快速时钟数据恢复芯 片( c d r ) 实现突发光接收，使用大规模f p g a 及高性能背板传输芯片完成光接口 板上的数据处理及背板传输。 在这篇文章里，第一章介绍了光突发交换网络的背景及关键技术，第二章介 绍了o b s 试验网络的结构及边缘节点物理层设计，第三、四、五章分别分别介绍 了突发光发射、突发光接收及数据处理模块的设计与实现，第六章对论文进行总 结。 关键字：光突发交换，突发发射，突发接收，f p g a a b s t r a c t t h el e t t e rh a ss h o w nad e s i g no f1 2 5g b so p f i c mb u r s t 。m o d et r a n s m i t t e ra n d r e c e i v e rs y s t e m o p t i c a lb u r s t - m o d es w i t c h ( 0 b s ) a v o i d st h es h o r t c o m i n g so f o p f i c a lc i m u i ts w i t c h ( o c s ) a n do p f i c mp a c k e ts w i t c h ( o p s ) ，a n dh a st h e a d v a n t a g e so f t h e mb o t h o b sh a sh i g hb a n d w i d t ha n dl o wc o m p l e x i t y , w h i c hc a nb e u s e do nl o t so f a p p l i c a t i o n s t h eo p t i c a lb u r s t - m o d et r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e rs y s t e mo fo b st e s tb e di n c l u d e s t h r e ep a r t so fo p t i c a lb u r s t - m o d et r a n s m i t t e r , o p t i c a lb u r s t m o d er e c e i v e ra n dd a t a p r o c e s s i n gm o d u l e o p t i c a lb u r s t - m o d et r a n s m i t t e ri sa b o u tf a s to n o f f o no p t i c a ld a t a s i g n a l o p t i c a lb u r s t - m o d er e c e i v e ri sa b o u ta m p l i t u d ea d a p t a b i l i t y a n df a s t s y n c h r o n o u s d a t ap r o c e s s i n gm o d u l ei sa b o u ta c c e s sa tr a n d o ma n df a s ts t o r a g e t h es y s t e mm o d i f i e st r a d i t i o n a ll a s e rd r i v e rf o ro p t i c a lb u r s t m o d et r a n s m i t t e r , s e l e c t sf a s tc l o c kd a t ar e c o v e r y ( c d r ) i cf o ro p t i c a lb u r s t m o d er e c e i v e rm a d c h o o s e sf p g aa n dh i g hp e r f o r m a n c eb a e ! f f l a n ed r i v e rf o rd a t ap r o c e s s i n ga n d t r a n s f e r s i nc h a p t e ro n e ，w et a l ks o m ei d e aa b o u to b sk n o w l e d g ea n dk e yt e c h n o l o g y i n t h en e x tc h a p t e r , w ei n t r o d u c et h ed e s i g nf o re d g en o d eo fo b st e s tb e d t h e nw e d i s c u s st h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o na b o u tt h e3p a r t so ft h es y s t e ml i a r d w a r ei n3 c h a p t e r s a n dt h el a s tc h a p t e ri sa b o u tt h er e s u l to f d e s i g n k e y w o r d s ：o p t i c a lb u r s t m o d es w i t c h ( o b s ) b u r s t m o d et r a n s m i t t e r , b u r s t m o d e r e c e i v e r , f p g a 独创性声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师的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。与我同工作的同志对本研究所做过的 任何贡献均已在论文中做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：盏j 笙堑 本人承担一切相关责任。 日期： 塑! 曼! ：! z 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： 研究生在学校攻读学位期问论文工作的知识产权单位属于北京邮电大学。学校有 权保留并向国家有关部门或机构送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。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。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：釜：l 煎 导师签名： 二：z ；毒。： j ；i 。一。? 。引 ， 。_ 。u “， j “；。一t j “、 日期： 缅：兰：! z 日期2 0 0 5 2 2 7 北京邮电大学硕十学位论文 第一章绪论 本章主要介绍光突发交换网络( o b s ) 的产生、发展等的一些相关基本背景情况 然后介绍o b s 网络结构及前景。 1 1o b s 网络的背景 全球m t e m e t 和数据业务的爆炸式增长对网络带宽的要求越来越高，成为网络带宽 提升和高速i p 路由处理技术的最强势的核心推动力，如何提高网络速度以及进一步扩 展网上运行的业务种类和保证网络的服务质量是日前人们迫切关注的问题。9 0 年代出现 的密集波分复用( d w d m ) 技术标志着带宽技术的一次重大的革命，它具备巨大的传输 能力成为解决婵业务日益增长的带宽需求最成熟的手段，它能够实现在一根光纤上承 载上百个波长信道，并且最高的传输带宽记录已经达到了t 比特级。在光纤传输上取得 的技术成就对网络节点处理能力提出了新的要求。传统的光交换将传输的数据从光域转 换到电域完成交换后，再转换到光域进行传输，即要经过0 e o 的转换才能完成交换功 能，但由于集成电路领域的技术突破远远跟不上光子技术上的成就，目前网络节点( 包 括交换机和路由器) 成为影响网络带宽和充分利用光纤带宽最大的瓶颈。 为了消除电子瓶颈的影响，许多研究机构致力于研究和开发光交换技术，试图将网 络交换工作在光子层面上完成。总的来说，光交换可分为波长路由的电路交换( o p t i c n c i n u i ts w i t c h i n g ，o c s ) 和光分组交换( o p t i c n p a c k 就s w i t c n n g ，o p s ) 两种方式。 光电路交换( 如w d m 网络中的波长路由) 面向连接，采用双向预约，即先在源宿 之间预酎双向固定带宽通道，建立好光通路，然后再进行数据传输，通信完成后再用信 令拆除光路。其优点是中间交换节点不需要对数据进行缓冲和光电( 或电光) 转换，因 此网络中无光缓冲器件，实现的复杂度低：缺点是带宽利用率较低，特别是对突发业务， 建立和拆除光路的时间较长。该技术目前已经研究成熟，并逐步大规模应用，完成该交 换功能主要是通过使用光交叉连接器( o x c ) 和光分插复用器( o a d m ) 来实现，但是 这种交换模式只是粗粒度的光交换，不能取代口层的分组交换。 光分组交换面向非连接，采用存储转发方式：包头和数据同时发送，在光层中一般 采用低速的副载波调制，直接实现小粒度的分组交换。其优点是支持信道统计复用，适 合于突发业务，而且交换粒度小，带宽分配灵活而高效；缺点是要求较高的处理速度， 中问节点在处理包头的同时要对每个分组进行缓冲，所以实现的复杂度高，特别是目 i 光缓缓存器件还不成熟，这个缺点比较突出。光标记交换和多波长标记交换是目前研究 得最多的实现光分组交换的技术，并在近年来取得了一些进展，基于光分组交换的光i p 路山器可望直接完成i p 层的分组交换，但由于在一些关键性的光器件如高速光丌关、 光缓存器、光逻辑器件等取得重大突破之前，分组交换的控制头部分逻辑处理和数据缓 存仍无法在光域内完成，仍需进行o e 转换后在电域进行处理，但由于其分组交换的粒 北京邮电大学硕士学位论文 度过小，光分组交换仍然要受到电子器件处理速度的限制，尚难以从实验室走向实用。 光突发交换( o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ，o b s ) 概念由c h u n m i n gq i a o 和j s t u m e r 在二十世纪8 0 年代提出。起源于以前的电子突发交换网。在当时电子突发交换基本上 是一种快速分组交换技术的推广，在这种网络中包长可变且可以为任意长度，并采用分 散式共享缓存的交换结构。直到9 0 年代，由于w d m 技术的飞速发展，网络传输带宽 得到大幅度提升，网络的瓶颈落在了交换节点上，这种交换技术才真正引起了人们的关 注。它作为一种介于光、电交换之间的过渡交换技术，克服了光分组交换的缺点，对光 开关和光缓存的要求降低，并能够很好的支持突发性的分组业务，对于解决目前节点速 率瓶颈不失为一种非常理想的方案，被认为很有可能在未来互联网中扮演关键角色。 光突发交换避开了波长路由和光分组交换的缺点，并集两者的优点于一身，采用了 单向预约的机制，其优点是交换粒度适中，介于光电路交换和光分组交换之间，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 要求没有光分组交换中的严格，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( 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。 这样，光突发交换技术就成为了人们更理想的选择。 光交换帝宽建立延迟 光缓冲开销适应性 ( 方式)利用率 波长交换低高不要 低低 分组交换高低 需要高高 突发交换高低 不要低高 表1 13 种交换方案的比较 表1 一l 对三种典型光交换模式进行了比较，我们很容易看到光突发交换的优势所在。 与光分组交换相比，o b s 可以不需要目前尚很难实现的光缓存；大粒度的交换使得对电 子器件处理速度的要求降低，而且开销少，中间节点o e 变换少；控制包的擦写简单； 因为不要求各个突发之间同步，而且控制包与突发数据之间的关系相对松散，所以同步 简单。与波长路由相比，o b s 带宽利用率高，网络灵活性与适应性高；接续时间短( 单 向预约) 。o b s 还可以实现w d m 层的q o s 保证。另外，i n t e m e t 业务量的典型特征就 是突发性( 自相似性) 。而o b s 还有一个显著优点是可以降低网络业务的自相似程度， 从而有利于网络的规划与设计。 1 2o b s 网络结构与关键技术 在o b s 网络中，采取了将控制信息和数据信息剥离的方法，提前发送控制分组 3 一 北京邮电大学硕士学位论文 沿路为数据信息预约节点资源，数据信息在o b s 的边缘接入节点组装成突发包，突发 包从源节点到目的节点的传输，始终在全光域内。而控制信息则在每个节点处要进行 o t 3 o 的转换。图1 - 1 简单描述了o b s 网络大致的拓扑结构， o 艨可k _ 一同r e d 一 图1 - 1o b s 网络拓扑结构 其中边缘路由器( e d g e dr o u t e r ) 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，核心路由器( c o r er o u t e r ) 完成汇聚业务在核心骨干网内 的全光域交换。 从上图的拓扑结构以及网络功能来看，o b s 汇聚层是介于承载口业务的链路层和 物理层之间的一个连接层，而o b s 路由层则是介于碑层和链路层之间的一个网络层。 图1 - 2 为拟采用的o b s 网络分层模型。网络共分为三层：接入层、o b s 层和物理 层。接入层是o b s 层的用户层，可以为目前存在的各种网络如i p 、a t m 、s d h 等，也 可以是终端用户。o b s 层向上层提供各种o b s 服务，它又口j 分为适配子层、网络子层、 链路子层。各层功能如下：适配子层的功能是接入层和光层间比特率的适配，上层数据 的会聚、分类和整形，及突发数据分组的组装和拆卸。网络子层的功能是读取控制分组 中的信息并根据网络的状况( 资源、拓扑等) 进行路由和通道调度。在源边界路由处， 网络层还要完成分组头的产生和o f f s e tt i m e 的设置。链路子层通过波长和资源分配实现 业务到物理媒质的控制，并对数据流进行比特控制以满足在物理媒质上传输的要求。物 理层实现光比特的透明传输、放大和交换。 4 北京邮电大学硕士学位论文 回隼驴” l b np l 。h 8 s ：? ：；：。 菌- rou t ing sh tdu i tng 一宜也业l se t t inb 互 。匝口m t ：肆面s uhlaye ratoop trl l tr - a f lsoo - & a - - tcr tcate 。“l phys lc 。l ；，。! 。， 图1 2o b s 网络分层模型 目前围绕o b s 网络展开研究的关键技术有以下方面： 1 、光突发交换( o b s ) 网络模型、业务模型和网络性能的研究：研究o b s 网络的 物理及拓扑结构及分层模型，探讨其对网络性能的影响；由于不同的业务模型在 同一个光突发交换网络中会有不同的q o s 性能，研究适合于突发业务的理论模 型，通过理论仿真和组建光突发交换网络来验证模型，并提出评价网络性能的标 准。 一 2 、o b s 系统结构和单元技术的研究：采用不同的系统结构，引入的单元技术、信 令控制和路由算法就有所不同，因此需要对o b s 的节点( 边缘节点、核心节点) 结构及其中的关键单元技术和功能机制进行深入研究。 3 、路由及带宽分配技术的研究：研究适合于突发业务的动态路由及带宽分配技术以 减少业务的阻寒率，提高网络的性能，节省网络资源和交换设备的投资。 4 、高速光突发交换模块的研究：研究光突发交换的实现技术，包括快速交换矩阵、 快速波长变换技术等。突破现有光开关在交换时间( 如：微光机械式光开关、液 晶光开关、热光效应聚合物波导型光开关等，交换速度在毫秒量级) 和矩阵规模 ( 如铌酸锂光开关、半导体光放大器光开关等) 等方面的瓶颈，研究利用聚合物 材料的电光特性实现快速波长调谐( 选择) ，构成将分波合波器和交换模块集成 在一起、适合于光突发交换的快速光交换矩阵。 5 、突发交换信令协议的研究：研究可以快速处理信令的协议、实现的方法以及各节 点信令时钟同步实现方法。 6 、o b s 的性能分析与评价：分析在各种情况下( 负载、信道数、是否支持波长变 换、是否带光纤延迟线( f d l ) ) o b s 网络的时延、丢包率等件能，仿真演示 o b s 基本功能。 7 、边缘节点突发分组的适配和突发同步技术研究，包括高速突发光发射接收技术 的研究。针对图像、话音、数据等不同业务类型( 刘不同q o s 要求) ，研究在有 一5 北京邮电大学硕十学位论文 限网络资源( 如波长数量等) 下的调度算法，研究改善业务流量自相似性的组装 机制。 1 3o b s 网络前景和有待解决的问题 o b s 为口骨干网的光子化提供了一个非常有竞争力的方案。一方面，通过o b s 可 以使现有的口骨干网的协议层次扁平化，更加充分的利用d w d m 技术的带宽潜力；另 外一方面，由于o b s 网对突发包的数据是完全透明的，不经过任何的光电转化，从而 使o b s 交换机能够真正的实现所谓的t 比特级光路由器，彻底消除由于现在的电子瓶 颈而导致的带宽扩展困难。此外o b s 的q o s 支持特征也符合下一代i n t e m e t 的要求。 因此，o b s 网络很有希望取代当前的基于a t m s d h 架构和电子路由器的p 骨干网， 成为下一代光子化的i n t e m e t 骨干网，具有很好的发展前景。 但从应用的角度来看，o b s 还有一些重要的课题需要研究，实现上还存在很多问题 有待解决，主要包括： 1 、突发数据的封装，尤其是突发数据最佳长度的选择，若选得过短则会使其受到与 光分组交换类似的限制，如电子器件处理速度的限制，而选得过长又会带来较大 的时延与时延差，并为解决竞争带来更大的难度。 2 、竞争的解决突发数据的超长性及其可变性为竞争的解决提出更高要求，包括 在o b s 网边缘节点n i j n i i 封装好的突发数据即有可能出现竞争，另外，电子控制 部分也存在排队与竞争。 3 、由于竞争与故障等原因导致路由改变，从而会出现数据突发包赶上控制包的现 象，这时必须通过光缓存重置控制包与数据突发包之间的偏移时间o f f s e tt i m e 。 4 、故障还会导致控制包与数据突发包脱离，这将导致突发数据丢失而源节点并不知 道，所以需要使突发数据到达任一中间节点后向源节点返回一个确认信息。 5 、在o b s 网络中如何实现组播功能，为实现组播，光开关矩阵和交换控制单元都 必须具备组播能力，且二者之间必须能有效地协调。 6 、光交换、全光波长变换等器件。 6 北京邮电大学硕士学位论文 第二章o b s 试验网络 2 1o b s 试验网络结构 从节点功能考虑，可以将o b s 节点分为两类：进行e o 转换，业务汇聚的边缘节 点和全光交换的核心节点。图2 1 为o b s 边缘节点的层次结构。 i p 分组| 接入层 盎t 口日j 点i 7 c 及 ! 且；鬣l t 突发包队列 i 突发调度h 偏置时间设置h 控制信令生成 l 成帧 v l 】o ，五：c i 三j 突发发射 物理层控银分组 圈2 1o b $ 边缘节点层次结构 边缘节点的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、偏置时间、长度、信道编号、q o s 等信息。偏冠时间后，突发包由 调度器调度成帧送入w d m 光层。在接收节点处，也由边缘节点完成包的拆卸工作。 核心节点则负责在电域处理提前发送的控制信息包，并通过解析控制包携带的消息 信令完成对光交叉矩阵的配置，使随后到达的突发数据包在全光域内能进行快速的交 换，既避免了控制头的光域处理，同时数据分组也无需进行光电转换处理，始终在全光 域内传输，大大提高了交换的灵活性。图2 2 为核心节点的详细功能模块： 北京邮电大学硕士学位论文 囝2 2 核心节点控制结构 从上述的体系架构和分层模型中可以看出，与全光分组交换相比，光突发交换的实 现相对简单，同目前以波长路由为基础的电路交换相比，又具有带宽利用率高，网络灵 活性强，接续时间低的优点，同时突发交换的业务汇聚还可以减少网络业务的自相似性， 有利于均衡网络流量。 研究中预计建立一个如图2 3 所示的突发光交换试验系统。试验系统包括个突发 交换核心节点和三个边缘节点。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。各种业务在边缘节点内进行适配重组，形成在网络中传 输的突发分组，并采用d w d m 技术将分组发送至网络中，从而实现高速、大容量的数 据传输。同时，在数据分组发送至网络中前，边缘节点通过一个单独的信令信道向核心 恬点发送突发分组的控制信令，控制信令的内容包括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。核心节点根据这些控制信息配置节点内部的快速光交换模 块，直接在光域内实现快速的分组突发交换，并将控制信令处理后转发至下一节点。对 于边缘节点来说，由于光突发交换网络的突发特性，边缘节点接收的突发分组可能来自 不同的节点，它们的时钟相位不同，因此对每一个接收到的分组必须进行高速时钟同步， 即分组的突发同步，才能完成分组的突发接收。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。 北京邮电大学硕士学位论文 2 2 边缘交换节点结构 图2 。3 光突发交换试验系统 在光突发交换网络中边缘节点处于一个十分重要的位置，存在多项关键技术需要解 决。边缘节点主要是将各种接入数据适配到光突发分组网，接收来自网络的突发分组并 完成反向适配。因此，首先边缘节点需要实现发射方向业务的适配，协议的转换，数据 包的分类汇集及交换，q o s 支持，突发数据分组成帧，光的突发发射等，同时还要实现 信令控制算法，生成控制分组，发起控制信令等。在接收方向需要完成光的突发接收， 分组的拆卸，数据包的分类汇集及交换等。这些技术难点覆盖了光域、电域和软件等领 域，相对来说难度更大。 图2 4 边缘交换节点结构 f 些一 北京邮电大学硕士学位论文 本论文拟采用的边缘节点的结构如图2 5 所示。其中在节点的业务接入侧采用多个 千兆以太网( g e ) 或快速以太网( f e ) 接口，这是考虑到面向光因特网的光突发交换 主要承载i p 业务，在接入侧使用统一的以太网帧格式可以做到无缝连接，无需协议转 换，方便地接入广域网、城域网和局域网，从而大大简化了设备，降低了成本。 当口数据包进入边缘节点，首先根据它们的服务类别( c o s ) 和目的地址分类并交 换存放到不同的队列中，会聚成突发分组，然后利用高速的d w d m 光突发发射机，在 动态分配的波长上传输。在数据分组发送前，边缘节点的控制系统生成相应的控制分组 并将其发送出去。控制分组一般包含有数据分组的源地址信息、目的地址信息、长度信 息、业务类别信息及带宽分配信息等。 在接收端，光突发接收机接收来自网络的突发分组( 控制分组及数据分组) ，完成 o e 变换、时钟及数据恢复，然后经过反向拆卸发往接入侧不同的端口。 本研究拟将边缘节点划分成几个相对独立的功能模块，尽量采用现有的功能接近的 高速专用芯片实现，非专用芯片的开发则采用高速的f p g a 实现，同时进行核心控制软 件的丌发。 边缘节点具备1 个双向传送光端口，每个端口支持8 个波长，单波长速率为 1 2 5 g b p s 。同时，它提供的业务接入端口包括8 个f e ( 1 0 0 b a s e t ) 口和4 个g e 口 ( 1 0 0 0 b a s e x ) ，并且每个业务端口都能支持多级q o s ，具有图象、语音和数据的接入 能力。边缘节点功能结构图如下： 图2 5 边缘节点功能结构框图 边缘节点中的关键技术有两点： l 、突发分组的适配 边缘节点处的突发分组适配技术是光突发交换网中一项十分关键的技术。口数据包 接入边缘节点后必须适配成突发分组才能接入光突发交换网，这涉及突发数据会聚、调 度和突发分组帧格式的设计等问题。 在边缘入口节点，由于数据业务多来自分组交换网络( 包括局域网、广域网、a t m 网) ，信息流具有长相关性( l r d ，l o n g r a n g e d e p e n d e n c e ) 自相似性( s e l f - s i m i l a r ) ， 会成为影响排队特性的主要因素。在设计边缘业务模型的时候，就是基于自相似模型， 数据分组的到达间隔分布满足p a r e t o 分布，而不是传统的泊松分布，通过一种有效的算 法，利用时间器和队列长度特性共同束决定队列长度，使得会聚以后的数据突发尽可能 1 0 北京邮电大学硕士学位论文 减小长相关性。 研究中针对o b s 网络的特点及要求，以8 0 2 3 帧为基础设计新型的o b s 突发帧。 以一个信道建立控制分组为例，它包含目的地址、源地址、帧长度突发标识、信道标识、 标签信息、时间信息、路由信息、帧校验f c s 字节等信息，基本结构如图2 - 6 所示。其 中，源地址为源节点的地址，目的地址为目的节点的地址，它们采用分层编码机制 图2 - 6 控制分组帧格式 数据分组的帧格式可如图2 7 所示。突发标识包括协议类型、协议版本、数据类 型等。为了避免长连0 和长连l ，需引入自同步扰码技术，但前导码、帧开始、 帧结束和保护带字节不扰。 图2 - 7 突发数据分组格式 2 、突发同步技术 在光突发交换中，突发帧定义为在一个突发周期内传输的、目的节点相同的帧的集 合，一个突发帧是作为一个整体进行光交换的。由于一个突发帧中的所有帧都传向同一 目的节点，到达目的节点时各帧的时钟相位和振幅都相同，因此帧间隔可较小，从而可 以明显提高网络效率，但突发帧之间的间隔还是必须遵循一定的原则。此外，突发帧长 度也是一个需要仔细考虑的问题，特别是在需要考虑对实时业务的支持时，突发帧过长， 引入的时延也长，会影响业务的实时性。同样，突发帧的长短对核心节点的阻塞率也是 有影响的。因此，本研究中将o b s 突发帧的设计列为一项重要的研究内容，将在8 0 2 3 帧的基础上，建立相应的模型，运用理论分析和仿真模拟的手段，研究突发帧的各项参 数对网络性能的影响，从而设计出新型的适于o b s 的突发帧。 光突发交换的突发特性不可避免地引入突发接收和突发同步问题。边缘节点接收到 的各突发帧可能来自不同的其它节点，它们的时钟相位和振幅都不相同，因此每一帧都 要进行时钟同步和判决阈值提取。考虑到突发帧的长度，一般o b s 中需要n s 量级的 时钟同步。传统的接收机采用琐相环技术来恢复时钟，恢复速度约为毫秒级，无法实现 g b s 速率的突发接收技术。 本论文拟从两方面解决o b s 中突发同步及接收问题。首先，借鉴以太网解决突发 接收的问题。以太网帧有8 个字节的信息用于突发接收，因此在突发分组中设定一定长 度的同步字节，通过详细的研究确定合适的同步字节的长度及码型。这样虽对网络效率 北京邮电大学硕士学位论文 有所影响，但有可能使用成熟的商用器件，大大降低了研究的复杂性和成本。其次，研 究采用快速锁相环( f a s tp l l ) 技术实现n s 级的突发接收。这涉及到研究快速锁相环 的锁定条件和起振条件及高速电路的设计技术。综合使用上述两种技术，能够实现o b s 的突发同步及接收。 2 。3 边缘节点物理结构 边缘节点逻辑结构图如下： e t h e n l e t。一o b g + ： 囝2 - 8 边缘节点逻辑结构图 业务接口板实现与以太网的接口，交换网络实现g e 数据单元的2 层交换，二者配 合实现边缘节点的以太网业务接入。控制板则完成o b s 的主要功能，如对业务按照目 的地址进行分类，分类后根据资源预留策略生成数据突发帧以及相应的控制突发帧( 实 现业务到o b s 的适配) ，再根据网络流量信息( 即核心节点处的拥塞信息) 和信道信息 ( 即可用的光波长信道) 将其送到相应的光波长信道。当然，控制板本身还要根据本地 信息的刷新发送一些包含路由信息的控制突发帧，实现网络的控制通信。光接口板接收 突发帧，并与控制板配合实现数据帧和控制帧的定时( 控制帧与数据帧之间的定时) 发 送。反方向上，光数据板接收数据突发帧送到控制板，拆分后经过m a c 交换和业务接 口模块接入普通以太网。光控制板接收控制突发帧送到控制板，由控制板分析处理后更 新本地的路由信息和网络流量信息，从而完成网络节点间的控制信息通信。 系统采用高速背板技术实现各个单板间的高速数据链路( 1 g b p s ) 。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，实现全双工通信。外围 的监测设备可以通过r j 4 5 以太网接口连接到系统的控制板，实现简单的网络管理和系 统维护。 边缘节点物理结构圈如卜： 北京邮电大学硕士学位论文 图2 9 边缘节点物理结构框图 本论文要完成的内容是四块光接1 3 板的设计和实现。其中光接口板一、二、三为数 据信道光接口板，光接口板四为控制信道光接口板。 数据信道光板应设计为两条数据帧收发信道，包括相应的数据处理部分。 一发射处理一h 垄苎翌二 背 厂一接收处理一卜_ 一光接收一 板 接 口 l 一发射处理二h 光发射二 一接收处理二h 光接收二 电源及时钟 i 图2 1 0 数据信道 控制信道光板应设计为一条数据帧收发信道及一条控制帧收发信道，包括相应的数 据处理部分。 1 3 北京邮电大学硕士学位论文 控制信道收发 背 板 接 口 l 发射处理二t - - t 光发射二 i 挂i 时打h 椰一il 非垃i 时一 1 放仪赴瑾一广j 兀放仪一 电源及时钟 一 图2 - 1 1 控制信道 北京邮电大学硕士学位论文 第三章突发模式光发射模块 3 1 光接口板总体设计 l 。0 1r 一从珊驻甬；l i 4 高谴 呻吨意 目计嘿慧蓄寻气二= 一 尢 1 r 背板 野剃r 块 接口 模 低速 ： 。 * + 接口 f 状态、监测、网营r 一 圉3 1 光接口板总体设计图 光接口板主要完成( 数据，控制) 突发帧的线速发射和接收。它分成两部分：处理器 单元、光模块。 一 一、处理器单元的功能主要是： ( 1 ) 发射方向上，控制信道的处理器单元要将来自控制板的控制突发帧及时送 到光模块发射； ( 2 ) 发射方向上，数据信道的处理器单元要将来自数据板的数据突发帧按照它 的时间戳送到光模块按时发射； ( 3 ) 接收方向上，控制信道的处理器单元要对来自光模块的控制突发帧作简单 分类。如果突发帧是用于为数据突发帧预留资源的，则处理器单元将其丢 弃。如果突发帧是链路状态信息帧则将其送到控制板上进行处理： ( 4 ) 接收方向上，数据信道的处理器单元将接收的数据帧送到数据板进行处理。 处理器单元可以采用f p g a 实现，并配备相应的f i f o 对数据( 控制) 帧缓冲。 二、光模块基本功能 l 、控制信道： ( 1 ) 实现控制突发帧的发射和接收。 ( 2 ) 各个边缘节点利用控制信道数据时钟与核心结点保持同步，进而达到全网 的时钟同步。 ( 3 ) 利用一个千兆以太网光收发模( g e t r a n s c e i v e r ) 块实现 2 、数据信道： ( 1 ) 光突发发射模块：实现数据突发帧的突发发别。 ：1 b 京邮电大学硕士学位论文 ( 2 ) 光突发接收模块：实现数据突发帧的突发接收。 ( 3 ) 利用波分复用实现8 路工作波长为1 5 5 0 n m 的信道在一条光路中传输。 边缘节点l 核心结点 1 3 1 0 r m 边缘节点n 数 - ( 立l t r a n s x i t t e r 丑。墨 丑= l jr e c e i v e r l 囊 薹 背 授 g 3 一lt r a n s m i t t e r 。 孺 盘lr e c e i v e r 丑。信 遵 8 - i g et r a n s c e i v e r 控制信道 一 图3 2 光板功能模块图 3 2 光发射模块的功能要求 光突发发射模块作为系统数据信道的一部分，需要实现数据突发帧的突发发射。数 据帧将在预定的时刻通过差分线对以串行p e c l 信号的形式传送至突发光发射机模块， 突发光发射机模块需要在最短的时间内将激光器由无光状态驱动至正常发光状态，并在 串行信号到来时提供稳定的直流偏置状态，差分电信号可以立即被调制在该直流光信号 上，并实现较好的消光比和光眼图。 首先我们分析传统的光发射机与突发模式光发射机的区别。 传统的连续模式光发射机要求它的光输出功率在它的整个寿命周期内稳定，在没有 调制数据信号的时候呈现为稳定的直流光信号，在数据信号被调制的时候呈现为密集的 光脉冲波形，有光状态代表数据1 ，无光状态代表数据0 。由于被调制的电信号采用特 定的编码方式，可以保证线路的0 、l 码型出现的概率一样，同时不会产生5 b i t s 以上的 连续1 或连续o 的状态，因此经过电光转换后的光信号虽然为有光状态与无光状态相间 隔的状态，但对于任意1 0 b i t s 以上的光信号而言，其平均光功率仍是稳定的。 而突发模式光发射机要求它的光输出功率在它的工作周期内呈现两种状态，在没有 调制数据信号的时候呈现为完全无光的状念，在数据信号被调制的时候呈现出与连续模 式光发射制l 一样的特性，仍为密集的光脉冲波形，并根据调制电信号的线路平衡度，保 持其在数据传输周期内的光功率稳定。而在下一个无调制数据信号的周期内重新回到无 光状态。 1 6 北京邮电大学硕士学位论文 因此突发模式光发射机比传统的连续模式光发射机具有更高的设计要求，突发光发 射机的设计应做到： 1 、在一个突发的数据帧内光输出功率稳定； 2 、在突发数据帧的间隔时间内输出功率尽可能接近于零： 3 、在激光器的整个寿命周期内有突发数据帧时光输出功率保持在接收机的动态范 围内，尽可能稳定； 4 、对信号反应的快速性。 3 3 光发射模块的设计 根据对传统连续模式光发射机和突发模式光发射机区别的分析，并考虑本系统中的 具体需求，可以定义出本系统中突发模式光发射模块所应完成的功能，并进行相应的设 计。 突发模式光发射模块应该具有快速的光功率开启和关断性能。在o b s 的资源预留 机制中，用于预约信道资源的控制帧会为数据帧预约比实际数据帧更多一些的信道资 源，用于克服由各器件完成各项操作而引起的时延，其中用于激光驱动器开关的时延也 是其中一部分，如果我们能尽可能减小激光驱动器开关的操作时延，并且又能保证激光 驱动器在开关操作后能迅速保持稳定，那么一方面可以减小数据帧之间的冗余时间长 度，另一方面又能提高接收机的接收性能。从这个角度出发，我查找了相关资料，认为 有两种方案可能实现： l 、直接采用突发模式的激光驱动器 采用某种具有突发模式的激光驱动器芯片，驱动1 5 5 0 n md f b 激光器实现数据信号 的突发发射。光板的逻辑控制单元通过控制该激光驱动芯片的突发模式使能管脚来控制 激光器的开启( 当有突发数据帧发射时) 和关闭( 当突发数据帧发送完毕时) 。如下图 所示： 图3 3 突发模式激光驱动器方框图 m a x 3 6 5 6 是m a x i m 公司生产的针对1 5 5 m b s 到2 5 g b s 的突发模式激光驰动器， 它可以接受p e c l 或c m l 的数据信号，并为激光器提供直流偏置及调制电流。该驱动 器能够在2 n s 的时间内将激光器从无光状念丌启至完全正常的偏置和调制状态。 1 7 北京邮电大学硕士学位论文 该驱动器提供内置的自动功率控制回路用来维持稳定的平均光功率输出，该自动功 率控制回路可以支持最小5 7 6 n s 的突发帧长度和最小9 6 n s 的突发帧间隔长度，对突发帧 长度及其帧间隔长度没有上限的要求。这个特性非常适用于我们的光突发交换系统，我 们的突发帧长度和帧间隔分别高于该驱动器的下限要求，而且上限都在秒的数据级。 该驱动器通过一对差分的突发使能输入信号b e n + 和b e n 来快速地切换偏置电流 和调节器制电流的输出，当b e n + 为高电平、b e n 为低电平时，驱动器为突发开启状态； 当b e n + 为低电平、b e n 一为高电平时，驱动器为突发关闭状态。当b e n 由关闭状态切 换到开启状态时，驱动器在不超过2 3 n s 的时间内可以将偏置电流和调制电流设置到由 a p c s e t 、b i a s m a x 和m o d s e t 管脚上的电阻所设定的工作状态。当b e n 由开启状 念切换到关闭状态时，驱动器在不超过2 n s 的时间内可以将偏置电流和调制电流降至阙 值门限以下。 该驱动器的功能图示如下： m 忖 阳 阳啦 图3 4m a x 3 6 5 6 功能结构图 2 、采n j 具有较高开关响应速度的连续模式的激光驱动器，外加高速开关。 1 8 北京邮电大学硕士学位论文 采用某公司的具有较高开关响应速度的连续模式的激光驱动器，经由外加突发使能 电路，改造成为可供o b s 使用的突发模式激光驱动器。光板的逻辑控制单元通过控制 高速开关，并由高速开关来控制激光器的开启( 当有突发数据帧发射时) 和关闭e 当突 发数据帧发送完毕时) 。如下图所示： 图3 5 连续模式激光驱动器的突发模式改造方框图 c x 0 2 0 6 7 是m i n d s p e e d 公司生产的一款高度集成的最高至2 1 g b s 的连续模式激 光驱动器，它集成了自动功率控制用于保持稳定的平均光功率输出，同时为偏置电流和 调制电流提供了独立的可控的慢启动操作，为调制电流也进行了可控的温度补偿操作。 这就提供了进行突发模式改造的可能性。 一 在突发模式应用中，为了提供快速的开启和关闭操作，就不能再完全依靠传统的慢 启动方式来防止在开关瞬间对激光器造成的损害。该驱动器为偏鼍电流和调制电流使用 了独立的慢启动电路，这将有助于实现驱动器快速的开启和关闭操作。 调制电流的慢启动电路使用内部的电容及相关回路来控制调制电流逐步提升至由 m o d s e t 管脚电阻所设定的电流值，当差分数据信号通过d c 耦合方式边接驱动器时， 该慢启动电路只在驱动器上电时运行一次，将调制电流控制在设定的状态上，之后驱动 器的开关操作都不会再引起该慢启动电路的运行；当差分数据信通过a c 耦合方式连接 驱动器时，该慢启动电路会在驱动器的每一次开启操作时运行，将调制电流由0 r n a 提 升至设定值，这将花费大约4 5 0 n s ，而在驱动器关闭操作时将调制电流关闭至0 m a 。因 此，理想的应用方式是使用d c 耦合的方式将差分数据信号连接至驱动器，这样可以省 掉在驱动器丌启过程中出于调制电流慢启动而造成的时延。 偏置电流的慢启动电路使用c m p c 管脚上的电容及相关回路来控制偏置电流的慢启 动，当驱动器上电时，应将电容接在c m p c 管脚与电源之间，驱动器将操作慢启动操作， 同时将在电容上充上一定的电荷。当c m p c 管脚通过电容接至电源时，驱动器能提供j f 常的偏昕偏置电流驱动，当c m p c 管脚直接接至电源时，驱动器将关断偏置电流驱动， 驱动器的开启和关断时延由c m p c 管脚的切换时延决定。因此，作为突发模式应j j ，只 需选择高速响应的单刀双掷模拟开关用于控制c m p c 管脚的接入的位置即可。 该驱动器的功能图示如下： 】9 北京邮电大学硕士学位论文 图3 6c x 0 2 0 6 7 功能结构图 s t g 3 1 5 7 是一个高速的单刀双掷型c m o s 模拟开关，它具有很高的响应速度，在 3 3 v 供电的状态最大开关响应时间为0 8 n s ，同时具有很低的导通电阻，在3 3 v 供电的 状态下导通电阴的最大值为9 q 。它由输入c m o s 信号控制模拟开关单刀的连接方向， 可以将光板控制单元的突发使能控制信号作为开关控制信号，选择将c x 0 2 0 6 7 的c m p c 管脚连接至电容或电源，并提供快速的切换性能。 该模拟开关芯片的功能图示如下： 图3 7s t g 3 1 5 7 功能结构图 半导体激光器的输出波长随温度变化的幅度较大。为了保证半导体激光器在注入电 2 0 北京邮电大学硕士学位论文 流的调制下正常工作，必须严格控制半导体激光器的温度。激光二极管温控电路已经提 出了很多，包括采用模拟技术和数字技术，但是高精度控制温度并不是一件容易实现的 事情。本实验系统采用a d 公司专用器件设计并实现了个高精度温控电路，电路设计 精度为o 0 1 k 左右。 a d 公司的a d n 8 8 3 0 是一块可以驱动t e c