（电磁场与微波技术专业论文）自感知光网络核心节点技术研究与实现.pdf

童 弋k 产 独创性( 或创新性) 声明 i i i i i iri l l lr i l li i i ii ii y 17 5 7 3 6 3 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，本人承担一切相关责任。 本人签名：2 丕堡塾惫 日期：翌! ! ：至i 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。( 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 本人签名： 导师签名： 用本授权书。 日期： 竺! 翌：! ：兰! 日期：啦：i ! 主 ，； - - 1 6 t 广 北京邮电大学硕士生毕业论文摘要 自感知光网络核心节点技术研究与实现 摘要 在互联网技术广泛应用的今天，互联网业务的飞速增长对传送网 络的带宽提出了更高的要求。业务特性的不同需求给传送网络带来的 影响更深刻。因为数据业务所具有的自相似性、不对称性、动态性、 突发性等特点完全不同于稳定的话音业务特性，不同业务对于光网络 提出了不同的传输需求和按需分配带宽的需求。另外，网络运行也要 求智能化，网络自身的节点应该能够有感知网络状态，网络链路状态 的能力，并且能够根据这些特点来调整路由，以优化光网络的性能。 因此，光网络的智能化是今后发展的长期趋势。 本论文主要针对自感知光网络中硬件平台和核心节点的实现进行 研究。结合作者的实际经验，对自感知硬件平台的硬件结构，核心节 点的f p g a 设计，以及f p g a 在光网络中的应用的关键技术进行阐述。 对平台进行了测试和论证，对其中的关键问题和难点进行了分析，并 提出了优化的方法。 论文研究内容：1 对自感知光网络进行了概述，介绍了自感知光 网络平台的架构。试验平台由三个边缘节点和四个核心节点构成，核 心节点速率1 2 5 g b i t s ，3 3 的交换能力，平台能接入视频，音频， f t p 等业务。在此试验网络的基础上，介绍了核心节点的功能需求和 地位。2 详细阐述了核心节点f p g a 设计，在整体架构，物理层处理 接收发送，路由调度，控制光开关等方面，并提出设计思想和改进意 见。总结了f p g a 技术在光网络中的应用，以核心节点为例子，介绍 了光网络中能够在f p g a 中处理的一些技术。3 对核心节点和系统进 行了测试和验证，所完成的系统性能达到了设计目标，核心节点满足 实验网络功能需求。4 整个论文技术部分做了总结，对下一步的工作 做出了展望。 关键词：智能光网络自感知核心节点可编程逻辑 - 7 f 北京邮电大学硕士生毕业论文 r e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o n o fc o r e n o d ei ns e l f a w r a r eo p t i c a l n e t w o r k s a b s t r a c t i naw i d e l yu s e di n t e r n e tt e c h n o l o g i e st o d a y , t h er a p i dg r o w t ho f i n t e r n e td a t at r a f f i cn e t w o r kr e q u i r e sm o r eb a n d w i d t ht h a ne v e rb e f o r e m o r e o v e r , t h eo p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n tn e e d sh a ss t r o n gi m p a c t o nt h et r a n s m i s s i o nn e t w o r kt e c h n o l o g i e s t h i si sb e c a u s et h ed a t as e r v i c e w i t ht h es e l f - s i m i l a r i t y , a s y m m e t r y , d y n a m i c ，u n e x p e c t e da n ds oc o m p l e t e l y d i f f e r e n tf r o mt h es t a b l ec h a r a c t e r i s t i c so fv o i c es e r v i c e s ，d i f f e r e n ts e r v i c e s h a v em a d ed i f f e r e n tf o rt h eo p t i c a ln e t w o r kt r a n s m i s s i o nr e q u i r e m e n t sa n d d e m a n d a s s i g n e db a n d w i d t hd e m a n d o n t h eo t h e r h a n d ，o p e r a t i o n o f n e t w o r k sr e q u i r e st h en e t w o r kt ob ea d j u s t e di t s e l ft oo p t i m i z e p e r f o r m a n c e ，w h i c ha l s od e m a n d si n t e l l i g e n c eo fn e t w o r k s n e t w o r kn o d e s h o u l dh a v et h ec a p a c i t yo fs e l f a w a r et h en e t w o r kl i n ks t a t u s ，a n da d j u s tt h e r o u t et oo p t i m i z et h ep e r f o r m a n c eo fo p t i c a ln e t w o r k s 勋u s 。t h e r ei sat r e n d f o ro p t i c a ln e t w o r k st ob ei n t e l l i g e n ti nal o n gt i m e i nt h i sp a p e r , a i m e da ts e l f - s e n s i n go p t i c a ln e t w o r kh a r d w a r ep l a t f o r m s a n dc o r en o d e s t h ea u t h o rh a sm a d et h ei m p l e m e n t a t i o na n dr e s e a r c h c o m b i n e dw i t ht h ea u t h o r sp r a c t i c a le x p e r i e n c e t h es e l f - s e n s i n gh a r d w a r e p l a t f o r m ，t h eh a r d w a r es t r u c t u r e ，t h ec o r e n o d ef p g ad e s i g n ，a n dt h ek e y t e c h n o l o g i e so ff p g aa p p l i c a t i o n si no p t i c a ln e t w o r ka r ed e s c r i b e d a n dt h e p l a t f o r mh a sb e e nt e s t e da n dd e m o n s t r a t e d ，o fw h i c ht h ek e yi s s u e sa n d p r o b l e m sa r ea n a l y z e da n do p t i m i z e da p p r o a c h t h ep a p e r ss t r u c t u r ei st h a t ：1 p a p e rf i r s tp r o v i d e sa no v e r v i e wt o s e l f - s e n s i n go p t i c a ln e t w o r k i n g a n di n t r o d u c e st h es e l f - s e n s i n go p t i c a l n e t w o r k i n gp l a t f o r m a r c h i t e c t u r e t e s t p l a t f o r m c o n s i s t so ft h r e ee d g e n o d e sa n df o u rc o r en o d e s c o r en o d e sh a v er a t eo f1 2 5 g b i t s ，3x3 s w i t c h i n gc a p a b i l i t i e s ，a n dt h ep l a t f o r mc a na c c e s sv i d e o ，a u d i o ，f t pa n d o t h e rs e r v i c e s o nt h eb a s i so ft h en e t w o r k ，t h ec o r en o d e si nt h ef u n c t i o n a l u s w i t c h i n g ，e t c t h e a u t h o rm a k e sa s p e c i f i cn o t e ，i m p r o v e m e n t s a n d r e c o m m e n d a t i o n s t h e n ，s u m m a r i z et h ef p g at e c h n o l o g i e si no p t i c a l n e t w o r ka p p l i c a t i o n st ot h ec o r en o d ea sa ne x a m p l e 3 t e s t i n gt h ec o r e n o d ea n dt h es y s t e m , t h ec o m p l e t i o no f s y s t e mp e r f o r m a n c eh a sa c h i e v e d t h e d e s i g ng o a l s ，a n dc o r en o d e sh a v em e tt h en e t w o r k sf u n c t i o n a l r e q u i r e m e n t s 4 t h e a u t h o rs u m m a r i z e sat e c h n i c a l a s p e c to ft h e e n t i r e p a p e r ，a n dm a k e st h en e x ts t e pp r o s p e c t k e y w o r d s ：i n t e l l i g e n to p t i c a ln e t w o r k s ，s e l f - a w a r e ，c o r en o d e ， h l 二 ，j 、 广 北京邮电大学硕士生毕业论文目录 目录 第一章绪论1 1 1 i ；i 言1 1 2 智能光网络自感知技术的研究发展背景1 1 2 1 光网络发展历程。1 1 2 2 下一代光网络发展趋势。2 1 2 3智能光网络自感知技术的发展和研究现状3 1 3 论文安排5 第二章自感知光网络核心节点功能需求6 2 1 自感知光网络实验平台整体功能6 2 2 核心节点功能需求7 2 3核心节点系统结构9 2 4，j 、结1 ( 第三章自感知光网络核心节点设计与实现。1 1 3 1 概j 苤11 3 2 光处理部分1 2 3 3电处理部分 3 4 f p g a 处理方案。1 6 3 4 1 f p g a 概j 2 垦1 6 3 4 2 接收端模块2 0 3 4 3 存储模块设计2 5 3 4 4 路由调度配置模块2 6 3 4 50 x c 配置模块2 7 3 4 6控制更新模块2 8 3 4 7 发送端模块2 9 3 4 8 网管信息上报模块3 0 3 4 9 f p g a 与嵌入式接口模块3 0 3 5 f p g a 关键技术总结与分析3 3 3 5 1 物理层处理技术和实现方案。3 3 3 5 2 优化核心节点f p g a 设计方案3 5 3 5 3 跨时钟域f p g a 设计3 8 3 5 4 核心节点时钟和复位处理4 0 3 6 d 、结q 1 1 第四章核心节点关键参数测试与验证4 2 4 1 核心节点关键参数测试4 2 4 1 1 核心节点物理层芯片测试4 2 4 1 2 核心节点控制信道光纤测试4 4 4 1 3 核心节点与嵌入式系统接口测试4 5 1 北京邮电大学硕士生毕业论文目录 4 1 4 核心节点控制光开关矩阵测试4 6 4 1 5 核心节点f p g a 接收模块测试4 7 4 1 6 两核心节点对接接收发送测试4 8 4 1 7 系统测试4 8 4 ：! 卅、1 2 ；! ；1 第五章总结。5 2 5 1论文总结5 2 5 2论文展望5 2 参考文献5 4 致谢5 1 ； 攻读硕士学位期间发表论文5 6 v 、 北京邮电大学硕士生毕业论文第一章绪论 第一章绪论 智能化是光网络的发展方向，是研究的热点之一。本文以智能光网络自感知 技术作为基础，实现了自感知光网络平台，着重研究实现了核心节点。本章内容 分以下几点：1 介绍光网络的发展，引出智能光网络自感知技术。2 介绍了智能 光网络自感知技术的研究背景和研究现状。3 介绍本文的研究内容和结构安排。 1 1 引言 智能化一直是通信网发展的重要方向。长期以来，光通信技术的发展是以高 速率大容量长距离为导向，现网中的光通信骨干网和现有技术尤其是w d m 技术 已经能够提供充足的传输容量，但底层光网络的智能化高效化程度仍然初级。 智能光网络自感知技术是从更高的层次全方位对各种类型光网络的高度智 能化进行研究，能够实现对光网络自身特性和接入业务的特征进行自主感知，在 此基础上无需人工或网管干预即能根据光网络自身特性和所接入的业务特征选 择相适应的光交换，完成自组织光选路，对光网络的路由、交换、q o s 、实时保 护、动态恢复等方面进行自主控制，从而真正实现光网络的自主优化、自主运行、 自主管理和自主维护，满足以业务为导向基于口的智能光网络的要求【1 1 。 光通信技术以及光网络的智能化不仅仅能够更高效的完成利用网络资源，还 可能给整个网络带来革命性的变化，在大容量长距离和高速率的基础上，怎样把 光网络变的智能化是我们面临的一个问题。对智能光网络自感知技术的研究才刚 刚起步，但已迅速受到业界的重视，并成逐渐为关注的焦点。 1 2 智能光网络自感知技术的研究发展背景 1 2 1 光网络发展历程 第一代光网络，以早前的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 ) 网络为代表 1 2 】，特点是以点到点波分复用传输系统为基础，其中光只是用来实现大容量、长 距离、高可靠性的业务传输，所有的交换、选路和其它智能控制都是在电层上实 现。 第二代光网络，即上世纪末盯u t 提出的光传送网( o t n ，o p t i c a lt r a n s p o r t n e t w o r k ) ，主要特点是在光层上实现很多交换、选路和其它智能功能。光交叉连 接( o x c ，o p t i c a lc r o s s c o n n e c t ) 、光分插复用( o a d m ，o p t i c a la d d d r o p m u l t i p l e x e r ) 等技术的成熟，实现光波长通道的动态重构，为光传送网的发展铺 北京邮电大学硕士生毕业论文第一章绪论 平道路。光网络的拓扑结构从最初的点到点转变为环型结构、网型结构，同时向 更复杂的网状结构演进，网络中的一些保护和恢复机制也得以实现。目前的光网 络也正处于这个阶段1 2 l o 随着m 承载网所需的电路带宽和颗粒度的不断增大，光网络的变革正在深 入，其中一个重要的发展方向是i p 层智能和光层技术的融合。数据业务发展的 不确定性要求光层网络具备更多的智能性，以便在网络拓扑及业务分布发生变化 时能够快速响应，实现业务的灵活调度。波长配置、光层性能监控、自动故障发 现与定位等功能可以使运营商大大降低运维成本，随着技术实现成本的降低，这 些功能也将成为今后网络的必备功能。 1 2 2 下一代光网络发展趋势 提到下一代光网络，首先会联想到现在比较热门的一个名词下一代网络 ( n g n ，n e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k ) 技术。n g n 从字面上理解，应该是以当前网 络为基础的下一代网络，泛指一个不同于目前一代的，采用大量创新技术，同时 可以支持语音、数据、视频等多种业务的融合网络。它涵盖了当前各种通信网络 发展的下一阶段，其中包括下一代互联网即i p v 6 、下一代移动通信网络3 g 或超 3 g 以及下一代传送网，其所指的主要是下一代光网络1 3 l 。 n g n 的基础是下一代光网络，无论n g n 的构架如何变化、业务如何多样、 应用如何复杂，其底层的物理传输媒质始终只能是大容量的光网络，只有光网络 才能为日益增长的信息量提供高性能、高速度、大容量的宽带服务。所以下一代 光网络是构成n g n 不可或缺的底层基础设施。 同时也应该认识到，下一代光网络不仅仅是单个技术的简单延伸或突破，而 是光网络各方面技术的发展与融合，具体涉及的有：交换技术、交叉连接技术、 中继技术、复用与解复用技术等，并且网络的整体结构进行了升级，使原先一种 技术一个网络的格局转变为多种技术融入一个网络的局面。其次，下一代光网络 的发展对原有网络来说是一种平滑的过渡与演进，并不是一次技术的革命，起着 承上启下的作用。 下一代光网络的主要特点有以下几个方面1 3 】1 4 l ： 超高速，超大容量，超长距离传输 目前4 0 g b s 的单波长传输速率系统已结束了实验阶段，也有了可商用的产 品；从单纤信道数来看，s 、c 、l 波段共同传输，信道数量可达2 7 3 个；整个传 输系统的容量已可达t b p s 量级。此外新型的拉曼放大器及光纤光栅动态色散补 偿技术使全光的传输距离达到4 0 0 0 公里以上。这些都体现了下一代光网络在传 输技术上的发展。 2 北京邮电大学硕士生毕业论文第一章绪论 全光传输的透明性 下一代光网络正逐步向全光网演进，所谓的“全光网”是指从源节点到目的 节点的数据传输与交换整个过程均在光域内进行，即端到端为全光路，中间没有 光电光的变换。因此全光网对传输码率、数据格式和调制方式都有透明性，可 不受限地提供端到端各种协议的业务。透明性对城域网尤为重要，因为城域网的 业务类型丰富多样，不同业务要求不同速率，不同数据的接口需要灵活、透明的 在城域全光网上承载。 多业务承载、多粒度大容量交换 下一代光网络的节点从功能上可以分为网络边缘设备以及网络核心设备。边 缘设备提供多种业务的接入( 如i p 、以太网、s d h 等) 需求，使各种业务都有 一个统一的传输平台。核心设备提供t b p s 级的交换容量，同时实现多粒度交换， 从而达到节省端口数和降低成本。同时，核心设备通过流量控制等技术，使网络 中的资源能够得到合理有效的利用。这些方面都体现了光网络节点的发展1 5 l 。 智能化与可控可管 下一代光网络的体系结构可借鉴智能光交换网络( a s o n ，a u t o m a t i c s w i t c h e do p t i c a ln e t w o r k ) 的模型，包括传送平面、控制平面与管理平面。控制 平面的引入，可使网络具备连接配置能力，提高网络的恢复和保护机制，提供灵 活的可扩展性。光网络的管理也在逐步加强，端到端、异构的网络管理都已实现， 基于业务的管理也正在开发中。这些都从各方面体现了下一代光网络中网络整体 架构的发展1 6 j 。 1 2 3 智能光网络自感知技术的发展和研究现状 。 智能自感知光网络是通过对业务、链路、网络的自主感知，完成自适应光交 换和自组织光选路，进而实现自主运行、自主管理和自主维护的高度智能化的新 一代光网络，为自治光网络的最终目标奠定基础。目前，对智能光网络自感知技 术的研究才刚刚起步，但已迅速受到业界的重视，并成为关注的焦点。一旦相关 的关键技术取得突破，将对智能化光网络的发展和应用起到巨大的促进作用，为 社会的经济发展起到推动作用。 作为智能光网络自感知机制研究重点的“光网络与业务之间的感知与适配问 题 ，已经受到国际科研机构的关注，相关的研究内容在国际上一些大的研究计 划中已有所体现，这里归纳如下： 针对网络变革的问题，美国国家科学基金会( n s v 3 开始支持进行网络创新全 球化环境( g e n i ：g l o b a le n v i r o n m e n tf o rn e t w o r kh m o v a t i o n s ) 平台的研究【7 j 【1 4 1 ， n s f 于2 0 0 5 年正式公布了g e ni 计划，g e n i 的定位是为促进对网络体系结构、 业务和应用的研究而设计的一个共享全球实验设施。最初的g e n i 设计包括首先 3 北京邮电大学硕士生毕业论文第一章绪论 在美国本土，然后最终在全球范围通过可编程路由器、边缘网机群、无线子网和 在m a e e a s t ( 华盛顿互联网交换中心) 及m a e w e s t ( 1 日金山互联网交换中心) 等对 等互联网实现全光纤网络。其主要目标之一就是“根本上改变已有网络和分布式 系统设计 ，为后下一代网络带来更加安全、可靠、可管理，而且更适合于未来 的计算环境。传统的i n t e r n e t 创造性地通过一个沙漏模型的结构，很好地实现了 底层物理结构与上层应用服务的同时演变。但当前日益扩张的应用需求需要更加 优异的服务质量控制、策略路由管理以及完善的安全服务体系。这就要求有一种 新的沙漏模型，从而可以更理想的收集物理结构，提供统一的底层通讯抽象，而 在沙漏上层根据应用需求构建丰富的多样化网络结构。g e n i 的目标是构建基于 “资源片有效调度的灵活的试验网络，为各种新型网络方案构建试验床。各种 新型的网络体系结构都可以在这个开放的试验网络上进行配置，从而实现一个物 理网络支撑多个逻辑网络，对应多种不同的新型网络实现方案。g e n i 的研究范 围包括重新思考网络功能、设计新的网络体系结构和服务，设计关键的网络能力， 如安全性、管理鲁棒性和经济持续性等，开发新技术新应用，包括新的无线设备、 传感器、定制的路由器和光交换机，一直到控制和管理软件等。在光网络方面， 区别于目前相对静态的光传送网，g e n i 提出构建未来灵活的光网络，应该允许 波长和带宽按需接入，同时这种带宽不仅仅局限于波长粒度，用户或者节点可以 根据其需要自由接入部分带宽，建立业务需求与光网络资源之间更灵活的适配关 系，这一点与智能光网络自感知机制的思想相一致。 欧盟也开展了多项相关的研究计划，如n o b e l ( n e x tg e n e r a t i o no p t i c a l n e t w o r k sf o rb r o a d b a n de u r o p e a nl e a d e r s h i p 面向欧洲领先宽带的下一代光学网 络) ，通过两年多的研究，n o b e l 计划的第一阶段研究已经告以段落，其第二阶 段的研究将从以下三个方面对光网络进行改革与提升：提高光网络对现有业务和 未来新业务的服务质量和效率，优化对光网络资源的利用，减少网络运行费用； 为了便于展开研究，n o b e l 第二阶段的研究又被分为6 个小组，其中的第三组 的研究主题是“聚焦于业务的网络工程及演进 提出了以业务为导向的网络优化 与演进方向，研究业务流量测量模型与参量体系、多业务环境下的多层网络流量 工程与弹性网络机制，业务导向的网络资源管理策略等【1 8 l 。上述研究内容与本 文在智能光网络自感知机制中提到的业务感知、网络感知等内容相吻合。 b t2 1 c nn e t w o r k 项目，英国提出的一个融合现有网络的方案，在核心部分 采用i p m p l s 。这个项目的重大之处在于，整个网络的体系架构在某些方面开启 了将来全光传送网的道路，将全光技术用于光电光的交换和再生技术【- 羽。 国内研究状况，我国在未来光网络的基础研究方面也加大力度，国家“十 五”8 6 3 计划在通信技术主体下设立光纤通信分项研究计划，称之为“光时代”计 4 北京邮电大学硕士生毕业论文 第一章绪论 划。光时代计划针对未来几年信息网络与光纤通信技术的发展趋势与需求，研究 支撑互联网多波长传送环境的光波技术，重点突破和掌握超长光传输、宽带光接 入、节点光交换和智能光联网等核心技术。“十一五”8 6 3 计划的新一代高可靠性 网络重大项目，重点攻克“三网融合”的网络体制、节点设备、融合业务等关键技 术，构建一个柔性可重构的、实现“三网融合”的、跨区域的国家试验示范网络， 项目重点研究内容包括：创新的网络体制和创新的业务体系，新型的路由、光传 送以及低成本接入设备【1 3 l 1 4 l 。 总的来说，目前国际上对于智能光网络自感知机制相关内容的研究都分散在 各个具体的部分之中，缺乏一个完善的体系结构进行归纳，同样也缺少一个轴线 将这些部分串连起来形成一个整体机制。基于上述存在的问题，本论文所研究的 智能自感知光网络将建立一种全新的智能光网络架构，实现网络对接入业务、自 身状态、链路损伤的感知与适配。 1 3 论文安排 本文着眼点在于对智能光网络自感知技术和机制的研究，并搭建了智能光网 络自感知机制的实验平台硬件设备，同时致力于自感知光网络平台核心节点的实 现和研究。 本论文的结构安排如下： 第一章：绪论。对智能光网络自感知机制的研究发展背景、重要性以及当前 发展情况进行分析研究，并介绍了论文的安排情况。 第二章：自感知光网络核心节点功能需求。整体介绍了该实验平台，包括实 验平台的节点结构以及网络拓扑等。然后阐述了实验平台中核心节点的功 能。 第三章：自感知光网络核心节点设计和实现。介绍了自感知智能光网络核心 节点设计的详细情况，包括核心节点硬件结构、快速可配置光交叉模块结构 及f p g a 程序设计，然后分析了实现技术，包括f p g a 技术和嵌入式技术， 重点研究了f p g a 技术在光网络中尤其是智能光网络中的应用和实现方式以 及在核心节点中用到的一些处理技术和技巧。 第四章：核心节点节点关键参数测试与验证。介绍了自感知光网络核心节点 的关键参数与系统测试的方法和结果。强调了难点和重点，提出了优化和解 决方案。 5 通过边缘节点接入到智能自感知网络中，核心节点主要完成交换和路由功能。各 节点间用双向光纤链路连接，每条光纤链路采用波分复用技术使用3 个波长，由 于该平台采用了o b s 技术，因此，光纤链路中的1 个波长用于传输控制信号， 其他2 波长用于传输数据信号。控制信号包括了各种路由信令信息以及突发控制 包b c p 。数据信号是业务数据包通过汇聚而形成的突发数据包b d p 。边缘节点 的本地业务采用以太网帧结构封装，接入速率为1 2 5 g b i t s ，控制信道和数据信 道均采用1 2 5 g b i t s 传输速率。 6 - r 北京邮电大学硕士生毕业论文第二章自感知光网络核心节点功能需求 图2 - 1 智能自感知光网络实验平台网络拓扑图 实验平台实现的主要技术指标包括： 实现基于标签交换技术的信令协议、路由算法和控制方式，支持图像、话音、 数据等业务的接入： 平台具有流量感知功能，能根据流量动态的分配波长； 平台具有感知网络状态的功能，发现节点，显示网络拓扑，显示当前路由， 根据链路状态重新路由等功能； 平台对业务的感知功能，在边缘节点处感知业务，然后根据业务来配置不同 级别的q o s 的策略； 核心节点：交换能力3 x 3 ，交换速度u s 量级，基于标签交换的信令控制，信 道速率1 2 5 g b s ； 边缘节点：一个双向w d m 光传输端口，至少支持2 个d w d m 波长，信道 间隔1 0 0 g i - i z ，信道速率1 2 5 g b s ，基于标签交换的信令控制，至少具有2 个g e 业务端口； 具有网元管理功能。 2 2 核心节点功能需求 实验网络如图2 2 所示，由4 个核心节点和3 个边缘节点组成。各节点间用 双向链路连接，每条链路有2 条数据波长信道和1 个控制波长信道。控制波长信 道中包括了各种路由信令信息以及突发控制包。本地接入速率为1 2 5 g b i t s ，数 据信道采用速率为1 2 5 g b i t s ，控制信道速率为1 2 5 g b i t s 。 网络节点分为边缘节点和核心节点两种，边缘节点仅与一个核心节点相连， 核心节点相互连接构成网状网。业务由边缘节点接入，传输业务时，首先要在计 算好的路由上进行资源预留，每个边缘节点可以汇集4 路千兆以太网接入并进行 本地交换，完成业务类型( 如f t p 、流媒体) 的识别，按照业务类型划分优先级 7 入口边缘节点的功能如下： 可以对来自于接入网络的数据进行业务属性识别； 将来自于其他网络的数据分组按照目的地址和q o s 要求分别组装成突发包； 将数据分组划分到每个f e c ： 使控制分组携带上标签和其他控制信息； 进行区分业务的流量感知； 业务流量驱动的光波长资源动态调配机制； 出口边缘节点的功能如下： 提取控制分组的入标签信息，将标签出栈； 根据控制分组的目的地址信息将突发包拆成数据分组，从各个端口发送出 去； 一个突发包的控制分组到达核心节点时，核心节点要完成的功能如下： 将数据分组划分到每个f e c ； 提取入标签信息，查找标签转发表，执行标签交换操作； 将控制分组交换到对应输出端口的输出队列中； 当控制分组位于队首时，读取控制分组并送入到调度器； 调度器执行资源预留控制； 8 、 - r 北京邮电大学硕士生毕业论文 第二章自感知光网络核心节点功能需求 管理一个对应输出端口的所有输出波长信道，包括控制信道和数据 信道； 建立并维护各个信道的使用状态表； _ 根据控制分组信息来选择输出波长信道分配给突发包和控制分组； 根据输入输出端口信道及突发包的到达时间与长度、偏置时间等信息向交换 矩阵发出交换交换控制信号； 将控制分组发送到调度器分配的控制信道。 2 3 核心节点系统结构 图2 - 3 核心节点结构 9 核心处理单元 该模块是电域处理模块的核心器件，包括f p g a 处理模块和嵌入式处理模块 两部分，其功能包括：路由信令协议的运行，控制分组的处理( 路由和资源预约) 以及对光处理模块进行控制。 管理模块 对各个模块进行性能参数的统计、配置和告警等操作 2 4 小结 本章介绍了自感知智能光网络试验平台的整体功能、网络拓扑等。在实验平 台上验证了功能和算法，自感知光网络能够解决一些光网络里面的问题。包括波 长资源的有效利用，对应突发性数据的处理方案，以及物理链路损伤的感知和解 决方案。从实验网络所包含的网元来看，包含了边缘节点和核心节点，下面一章 将主要介绍作者开发的核心节点的设计情况。 1 0 r r 北京邮电大学硕士生毕业论文第三章自感知光网络核心节点设计与实现 第三章自感知光网络核心节点设计与实现 本章介绍自感知智能光网络核心节点设计，包括核心节点硬件结构、快速可 配置光交叉模块结构及d p g a 程序设计，其中重点针对核心节点中f p g a 程序 主要模块设计进行详细的介绍。 3 1 概述 自感知光网络试验平台包含四个核心节点和三个边缘节点。核心节点包括核 心节点控制板卡，高速光开关矩阵两部分。也可以分成光处理部分和电处理部分， 光处理部分包括光开关矩阵的设计，该平台用到三个有3 3 处理能力的高速关 开关矩阵，交换能力是亚微秒级。这种光网络结构下大的数据包不需要经过光电 变换，只要在偏置时间内光开关完成倒换，就可以直接经过光开关矩阵进行交换。 电部分的处理在核心节点板卡上实现，该光网络结构只需要将控制包经过光电变 换之后进行处理，通过判断输入和输出端口来配置关开关矩阵的交叉配置，然后 重新组帧发送给下一个核心节点。核心节点的两部分构成如下图3 1 所示，上面 的是核心节点的板卡，下面的是高速光开关矩阵。 - 一i 7 口纛u 弘p t 触由i 铺l a j 鼍0 = =2 磊二西灞 二 ，- 一 一州删_ _ 州一 - p o r tl 蘧 。豢露 l 女喊? p，。一p 舷r 一 鳓疆灞番霪 l 女，a，札$ ，一 口t * p 惫绣：灞? 豢滚 l 饰赫泓，j 咎* ，口耘“盘 p o r t + 纛罐 i i纛 例。、“_o “ ，。一gi i 麓# i，：i 、 。 e n f ，f j 8 s m 貉u f 了。0 l l a b 7德矗 。_ 氇氇缎 “j | 豢。：t 象害：。 一，j 图3 - 1 核心节点外观 核心节点板卡和边缘节点板卡外形一样，有四个千兆的以太网输入端，突发 控制口和突发数据口没有作用。核心节点背端有1 2 个网口用来控制光开关矩阵。 板卡上包含电源，f f g a 芯片，嵌入式芯片，晶振，物理层芯片，h f o 芯片和 r a m 芯片等，核心处理器是f f g a 芯片和嵌入式芯片，外形如图3 2 ： 辨 ol，ff=p。t。tttttti 北京邮电大学硕士生毕业论文第三章自感知光网络核心节点设计与实现 歼荚 突发数搬l i 突发控制i l 以太网接入端l l 3 2 光处理部分 图3 - 2 核心节点板卡外观 核心节点光路图如3 3 所示。其中核心节点1 与核心节点2 ，核心节点2 与 核心节点3 ，核心节点1 与核心节点3 均可进行双向双工通信，可以保证数据的 正常传输和光资源的合理使用。 图3 - 3 核心节点光路结构 快速可重配置光交叉模块是光域处理模块的主要组成部分，要求其能够根据 波长调度配置模块的指令，及时准确地完成突发交换功能。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数十k b y t e s 至数百k b y t e s ， 在g b s 的传输速率下每个突发包的时间长度相应于数十微秒到几毫秒。为了对 1 2 北京邮电大学硕士生毕业论文第三章自感知光网络核心节点设计与实现 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量级。鉴于系 统对开关切换速度的严格要求和技术成熟度，在实验系统中决定采用基于 l i n b 0 3 的电光开关。 对于每个波长采用3 3 的光交换矩阵，因此两路波长采用了两个3 x 3 的光 交换矩阵，光交换矩阵如图3 2 所示。系统中光交叉模块由基于铌酸锂l i n b 0 3 波导的电光开关( 1 x 2 ) 和耦合器组合而成。其具体实现是：来自入口光纤的信 号被送入到相应的交叉模块端口上，通过调度配置模块控制对应的一个或多个1 2 开关，经过耦合器后，信号被交换到对应的出端口上。光开关单元采用1 x 2 光开关，开关切换速度在n s 量级，能将入光信号分配到两个出端口的任意一个， 对外的接口为1 个电控制端口，1 个入光端口和两个出光端口。 在实际系统设计中，电域处理模块中的控制单元传送电平信号1 或者o 给交叉矩阵控制其倒换。根据突发数据包的长度，电平信号1 或者o 的持 续时间至少在s 量级。实验中采用5 类屏蔽双绞线来传送电平信号，双绞线既 经济方便又能保证上述频率信号传输的质量。为保证电平信号的信号完整性，使 用差分电平l 、，d s 电平来传输电平信号。 针对每个核心节点所要完成的光交换功能，为每个核心节点设计相应的光交 叉矩阵。如图3 4 为核心节点1 的光交叉矩阵，可以分别将1 4 9 u m 和1 5 5 u m 数 据波长上数据交换至核心节点2 和核心节点3 。 图3 - 4 核心节点1 光交叉矩阵 如图3 5 为核心节点2 和核心接点3 的的光交叉矩阵，核心节点2 的光交叉 北京邮电大学硕士生毕业论文 第三章自感知光网络核心节点设计与实现 矩阵可以分别将1 4 9 u r n 和1 5 5 姗数据波长上数据交换至核心节点3 和核心节点 1 ；核心节点3 的光交叉矩阵可以分别将1 4 9 u m 和1 5 5 u m 数据波长上数据交换 至核心节点2 和核心节点1 。 图3 - 5 核心节点2 和核心节点3 光交叉矩阵 图3 - 6 光交叉矩阵实物 1 4 ， 北京邮电大学硕士生毕业论文 第三章自感知光网络核心节点设计与实现 - i _ _ - - _ _ _ - _ _ - _ _ - - - - - - _ _ - _ _ - _ _ - _ - - _ _ _ - _ _ _ _ - _ - i _ _ _ - _ _ - - _ l - - _ - - _ _ _ _ _ - - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - - _ _ - _ _ i _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ - 电处理部分 3 3 1 2 5 d ml ：，o d 弘i ：急i 图3 - 7 电处理模块 核心节点电处理模块的功能是实现路由信令协议的运行，控制分组的处理、 以及对光处理模块进行控制从而实现动态的突发交换功能，网管模块对控制信道 和数据信道的流量进行监控和上报。功能模块示意图如图3 7 所示，实物板卡如 图3 8 所示。 图3 - 8 核心节点电路板 控制交换信号。其具体实现步骤在下面详细叙述。然后控制帧经过8 b 1 0 b 编码 ( 在f p g