（光学工程专业论文）多播光交换网络核心节点结构研究.pdf

摘要 摘要 光交换网络核心节点对由网络边缘节点转发至外部出的信号进行分析、处理、 复制并转发至目的端。因此，低的时延、小的功率损耗、简单的拓扑结构、无阻 塞性能及强的业务处理能力是核心节点所必须具备的，尤其是在网络用户与业务 量呈数量级增长的今天，对核心节点的要求将会越来越高。核心节点自然而然成 为研究的重点，但诸如波长变换器等全光逻辑器件的制作成本高昂且距离实用化 还有一定距离，又使得对核心节点的研究成为难点。近年来对核心节点的研究已 经取得了长足的进步，而且随着光交换技术的不断向前发展，核心节点技术必然 会取得更大的进步。 首先，文章分析了一些经典核心节点的结构，例如s p n 、s p c 、s p l 等结构。 并在此基础上利用多波长变换器( m w c ：m u l t i p l ew a v e l e n g t hc o n v e n e r ) 构造了 具有多播功能的空分交换单元m w c m s d ( m w c m u l t i c a s ts p a c ed i v i s i o n ) ，与 著名的s 山模块相比较，虽然空间复杂度比较复杂，但具有冲突解决能力。在此 交换单元基础上，构建出了具有多播功能的核心节点交换结构m w c m s di 、 m w c m s di i 和m w c m s d i i i 。从器件复杂度的角度对三种结构进行了对比分 析。 其次，对所提出的交换结构的阻塞性能进行了分析，证明了在第二章中所提 出的交换结构是严格无阻塞的；接着通过利用三级c l o s 网络构造无阻塞网络结构 的思想对所提出的结构进行了修改，利用a w g r 作为结构的中间交换级，然后给 出了所修改的结构分别为严格无阻塞、可重构造无阻塞和广义无阻塞时，各自应 该满足的条件为：1 、m m a 是严格无阻塞的的，当1 1 1 2 f + w - 1 ；2 、m m a 是可重 构无阻塞的，当m m a x f 2 , w ) ；3 、m m a 是广义无义无阻塞的，当： m 2 ( f 一1 ) l g f l g l g f + ( w 一1 ) 4 1 9 f ，f wn 】 ( f 一1 ) il g fl + 2 ( w - 1 ) ，f 2 ( f - 1 ) l g f l g l g f + ( w - 1 ) x l g f ，f wm ( f 一1 ) il g fi + 2 ( w 一1 ) ，f w 。 t h i r d l y , b e c a u s eo ft h eh i g hc o s ta n dt e c h n o l o g i cd i f f i c u l t i e s ，u s i n gt h el w c t o s u b s t i t u t ef o rt h ef w c si nm w c ，s o m ee x a m p l e sa r eg i v e n ，a n dt h e nt h eg e n e r a l c o n c l u s i o n si sg e t ，a n di ti n d i c a t e st h a tt h em e a s u r ei sc o r r e c t f i n a l l y , t h es c h e d u l e a l g o r i t h m sa l g o r i t h m s _ la n da l g o r i t h m s _ 2a r ep r e s e n t e d ， a n dt h es i m u l a t i o ng r a p hi sg i v e n 研t l ld i f f e r e n tt r a 伍ci n t e n s i t yp 。a n dm u l t i c a s t f a n - o u te aa l g o r i t h m sw h i c hb a s e do np r i o r i t ya n di t ss i m u l a t i o ng r a p ha r e 西v e n i i i a b s t r a c t w 曲t h es i m u l a t i o n ，t h ea l g o r i t h r n s _ _ 2p e r f o r m sw e l lt h a na l g o r i t h m s _ 1 t h es u m m a r yg i v e sd i s a d v a n t a g e so ft h es c h e m ea n dt h ef u t u r ew o r kw es h o u l d d o k e yw o r d s ：m u l t i c a s to p t i c a ls w i t c h i n g ，c o r en o d e ，m w c ，n o n b l o c k i n g i v 缩略词 a t m a w g r d m d m f d l k e o p s l m w c l c 匝m s 舰s m s d m w c m s d n g n o a d m o b s o c s o p s o x c r n b s 扣 s d h s n b s o a s p c s p l s p n w c 缩略词 a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e a r r a y e dw a v e g u i d eg r a t i n gr o u t e r d e m u l t i p l e x e r 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 f i b e rd e l a yl i n e k e y st oo p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g l i m i t e dm u l t i p l ew a v e l e n g t hc o n v e n e r l i m i t e dw a v e l e n g t hc o n v e n e r m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e md e v i c e s m u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g m u l t i c a s ts p a c ed i v i s i o n m u l t i p l e x e r m u l f i c a s tw a v e l e n g t hc o n v e n e r - m s d n e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k o p t i c a la d dd r o pm u l t i p l e x e r o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g o p t i c a lc i r c u i ts w i t c h i n g o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g o p t i c a lc r o s s - c o n n e c t r e a r r a n g e a b l yn o n b l o c k i n g s p l i t t e ra n dd e l i v e r y 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 s t r i c t l yn o n b l o c k i n g s e m i c o n d u c t o ro p t i c a la m p l i f i e r s h a r ep e rc h a n n e l s h a r ep e rl i n k s h a r ep e rn o d e 肠矿e l e n g t hc o n v e n e r v i i 异步传输模式 波导阵列路由器 波分解复用器 密集波分复用 光纤延迟线 光分组关键技术 有限多波长变换器 有限波长变换器 微机电系统 多协议标签交换 多播空分结构 波分复用器 多播多波交换模块 下一代网络 光分插复用器 光突发交换 光路交换 光分组交换 光交叉互联器 可重构无阻塞 光分路传送 同步数字体系 严格无阻塞 半导体光放大器 信道共享 链路共享 节点共享 波长变换器 缩略词 w d m w s n b w 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 w i d e s e n s en o n b l o c k i n g v i i i 波分复用 广义无阻塞 图目录 图目录 1 1 光分组网络示意图2 1 2o b s 网络结构5 1 3 光交换网络核心节点一般结构7 ：! ld e l i v e r ya n dc o u p l i n gs w i t c h 11 ：! 一2s a d - s p l i t t e r - a n d d e l i v e r y 1 2 2 3 基于s a d 的w p o x c 1 2 2 4 基于s a d 的v w p o x c 1 3 2 5 基于s a d 的v w p o x c 1 3 2 6p x ps u ls w i t c hw i t hs p l i t t e rs h a r i n g 13 2 - 7m o s a d ：m u l t i c a s t - o r d ys p l i t t e r - a n d d e l i v e r y 1 4 2 - 8s s b ( s p l i t t e r - s w i t c h a m p l i f i e rb a n k ) 1 4 2 - 9t a p - a n d - c o n t i n u em o d u l e 15 2 10s p c 、s p l 和s p n 结构l5 2 1 lm c b ：m u l t i e a s tc r o s s b a r 1 6 2 - 1 2j m c - e ：j o i n tm u l t i c a s t i n gc a p a b l ee l e m e n t 一1 7 2 13m w c ：m u l t i p l ew a v e l e n g t hc o n v e r t e r 17 2 1 4m s d ( m u l t i c a s t s p a c ed i v i s i o n ) 模块结构2 0 2 15m w c m s d 模块2 0 2 1 6c o r en o d eb a s e do nm w c m s di 2 1 2 17c o r en o d eb a s e do nm w c m s di i 2 3 2 18c o r en o d eb a s e do nm w c m s d i i i 2 4 3 - l3 - s t a g em u l t i s t a g ei m e r c o n n e c t i o nn e t w o r k 2 8 3 2 两种结构的网络2 8 3 33 - s t a g ec l o s 结构2 9 3 - 48x8 阶可重构b e n e s 交换结构2 9 3 5 可重构的8 8 阶s p a n k e b e n e s 2 9 3 6 严格无阻塞的4 4s p a n l e 结构3 0 1 6 异类( 非对称) 光交换结构31 i x 图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 图目录 图3 7f = w = - 4 时的交换结构3 2 图3 8 波长3 输入输出端a w g r 路由事例。3 4 图3 - 9m m a 结构3 5 图4 1 有限多波长变换器的概念3 7 图4 2 顺序波长变换方式，变换距离为2 3 9 图4 3 循环对称波长变换方式4 0 图4 - 4 当k = 6 ，d = 2 时的波长变换图4 l 图4 5 当k = 6 , d = 3 时的波长变换图4 1 图4 - 6 当k = 6 ，d = 4 时的波长变换图一4 1 图4 7 当k = 6 ，d = 5 时的波长变换图4 2 图5 1s w i t c h 谢t hl m w c sa n df d l s 4 8 图5 2r f w c r o b 结构4 9 图5 3a l g o r i h t m s1 的流程图4 9 图5 - 4a l g o r i h t m s2 的流程图4 9 图5 5n = 4 、w = 8 无波长变换器时的阻塞率51 图5 - 6n = 4 、w = 8 有波长变换器时的阻塞率5 2 图5 7n = 6 、w = 1 2 无波长变换器时的阻塞率5 2 图5 8n = 6 、w = 1 2 波长变换器时的阻塞率5 3 图5 - 9n = 4 、w = 8 、0 = 0 4 时两种算法的阻塞率5 4 图5 1 0n - - 4 、w = 8 、0 = 0 5 时两种算法的阻塞率5 4 图5 1 1n = 4 、w = 8 、0 - - 0 6 时两种算法的阻塞率5 5 图5 1 2n = 4 、w = 8 时有波长变换器的具有各优先级的丢包率5 6 图5 1 3n = 6 、w = 1 2 时有波长变换器的具有各优先级的丢包率。5 6 图5 1 4m w c m s d f d l 结构5 7 图5 1 5m w f 结构5 7 x 表目录 表目录 1 1o c s 、o p s 、o b s 的比较5 2 1s p c 、s p n 、s p l 三种结构的比较1 6 2 - 2 两中节点交换结构的硬件复杂度比较1 8 2 3l m w ci 与l m w ci i 的硬件复杂度比较1 9 2 - 4s p c 、s p n 、s p l 、m w c m s dn 三种结构的硬件复杂度比较2 5 3 1 输入信号与输出信号对比3 3 4 1k - - 8 ，1 0 时所用有限波长变换器的数目比较4 2 4 2f - = w = - 7 、8 、9 、1 0 时结构中l w c 的数目4 4 x i 表表表表表表表表 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。 签名：委盎日期：加。牙年莎月孕日 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：毯蠢 导师签名： 日期： d 3 年毛月日 第一章绪论 第一章绪论弟一早珀下匕 1 1 光交换技术的背景和发展现状 网络无处不在，随着科技的进步，人们生活质量的提高，对网络的要求也随 之越来越高，不仅要求访问网络资源的速度要提高，且所访问的资源要更丰富更 全面，这就对网络本身的发展提出了新的挑战。由于电的交换瓶颈，于是提出了 以光作为载体的信号传输方式一光交换【1 】【2 】。以光作为载体的思想基于光的传输 速度快，衰减小，透明性高。进而波分复用p 】【4 j ( w d m ) 技术的提出使得在单根 光纤中能复合几十甚至上百个信道( 波长) ，且每个信道能达到几十或更高g b i f f s 的传输速率。2 0 0 7 年1 0 月1 0 日，阿尔卡特朗讯( 巴黎证交所和纽约证交所：a l u ) 近日在德国举办的欧洲光通信会议( e c o c ) 上提交了三篇重要论文。阿尔卡特 朗讯在光纤通信研究领域的主要突破性进展包括：通过单根光纤以1 2 8 t b i 讹的 速率创纪录地实现了2 5 5 0 公里的长途信息传输( 具有开创性意义的每波长 1 0 0 g b i t s 的长途信息传输) ；通过简单高效的1 0 0 g b i t s 的信道调制方法实现具有 开创性的8 t b i t s 的数据传输；以及在同一波分复用系统中首次实现1 0 0 g b i f f s 和 4 0 g b i t s 的混合传送，证明了这两种速率信道在同一波分系统中的共存和升级。 随着光作为载体进行传输和w d m 技术的日益成熟，在传统的网络节点中， 光信号被转换成电信号，在电域内被缓存，接下来再被转换成光信号传输到下一 跳。整个过程采用光电光( o e o ) 的方式进行处理。虽然电交换技术已经十分 成熟，但是光信号的传输速率快且随着网络容量的不断增加，电交换速率却无法 和光信号处理匹配，除此之外，电子设备对信号的传输速率和协议有很强的依赖 性，所以任何系统的升级将导致电交换设备的增加和代替。因此，如果光信号的 交换不用经过o e 0 的方式，将会消除上述的不足之处。光交换技术最为具有吸 引力之处：由于光交换技术能够无需对光信号进行转换而直接对其进行路由，因 此独立于数据的传输速率和协议。除此之外，还能够减少网络中设备的数目达到 减少成本，增加交换速率和网络吞吐量并且减少功率的消耗。 到目前为止，由于全光器件的限制，如在光域中缺乏比特级的处理能力和缺 少光缓存能力在很大程度上制约了光交换技术的运用。很多中相应的解决方法被 提出，他们的共同目标都是转变交换系统以求光交换技术能起到起举足轻重的作 电子科技大学硕士学位论文 用。在光交换技术的发展之路上，三种具有代表性的技术，光路交换技术【5 1 ( o c s ： o p t i c a lc i r c u i ts w i t c h i n g ) ，光分组交换技术【6 】8 】【9 】( o p s ：o p t i c a lp a c k e t s w i t c h i n g ) ，光突发交换技术【7 】【1 0 】【1 1 1 ( o b s ：o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ) 对光交换技 术的发展做了重要铺垫和贡献。 1 2o c s 、o p s 、o b s 的研究现状 介绍o c s 之前，首先将引入两种重要的光器件，光交叉连接器和光分插复用 器【i 川o x c ( o p t i c a lc r o s s c o n n e c t s ) ，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 ) ，o x c 是 一个光交换网络和系统中路由光信号的最基本的器件。o a d m 的作用是对网络节 点进行光信号的抽取( d r o p ) 和 j 【l a ( a d d ) 。这两种器件能够明显增加整个网络的吞 吐量、组网灵活性、透明性和生存性。o c s 主要利用这两种设备来实现，且根据 交换对象的不同，o c s 可分为光时分交换、光波分交换、光空分交换和光码分交 换技术。其中，光时分交换技术是指将光信号时间轴上的一个位置交换到另一个 位置，光波分技术是指把承载光信号的一个波长变换到另外一个波长，光空分技 术是光信号在空间上不同点之间建立的交换通路，可以利用光波导和自由空间光 速来完成信息的传输，光码分技术是将某一个正交码上的光信号交换到另外一个 正交码上，实现不同码字之间的交换。 纯粹的w d m 技术能够提供单一波长的交换粒度，如果数据粒度小于单一波 光分组交换网络 图1 1 光分组网络示意图 2 第一章绪论 长的交换粒度，那么采用w d m 技术将会浪费光纤容量。光分组交换技术的提出 解决了这个问题，通过对数据包流进行统计复用，这样同纯粹的w d m 技术相比， 这样能够更加有效的利用光纤容量同时又增加灵活性。光分组网络示意图如图1 1 所示。 光分组网络分为同步网和异步网【1 3 】【1 4 1 ，在同步网中，所有的包都具有相同的 大小他们根据包头中固定的时隙聚集在一起，其中包头中的固定时隙是要长于包 和包头的长度以提供保护时间。分组交换技术最早是在1 9 6 1 年由p a u lb a r r a n 博 士等人最先提出，并在1 9 6 4 年公布于世。最初的想法是：出于保密通信的需要， 将信息拆分成小块( 即分组) ，以分组为单位发送信息，各个分组通过存储转发 方式经由不同路径到达收端，然后再被组合复原。 与电路交换相比，分组交换的优点是：第一、在通道上实施动态统计时分复 用，带宽等网络资源的利用率很高，因而更经济；第二、向用户提供灵活而透明 的异构通信环境，能在速率、编码、同步方式、控制规程不同的终端之间实现互 联互通；第三、可逐个对分组检错纠错进而降低误码率，并且可以选择新路由绕 开网络故障区域，因此可靠性更高；第四、以分组为单位来处理和存储信息，降 低了对交换机存储容量等性能的要求，进而降低了成本。 o p s 节点【1 5 】【1 6 】【1 7 】【1 8 】继承了现有光网络中光交叉连接( o x c ) 设备的基本功 能，如合波分波、波长转换、空分交换、上下路和光监控等；此外，还具备一 些能完成光同步、信头处理、冲突解决等特有功能实体。它大体上可分为四个子 系统，即交换矩阵、控制模块、输入模块和输出模块。输入模块完成光分组的预 放大和同步、净荷定位和缓存、信头提取等功能。输出模块负责冲突解决、信头 插入、输出同步、信号放大等。交换矩阵和控制单元负责光分组路由、上厂f 路、 解决冲突等。 o p s 节点的核心是交换矩阵，它在很大程度上决定了节点的交换速率、吞吐 量、可扩展性和可靠性等性能。其结构大致分为空分交换型f 1 9 1 、波长路由型【8 】【2 0 】 和混合型1 2 1 儿列。 光分组网更适合承载突发性大且分布非对称的i p 等数据业务：第一、o p s 直接在光域中完成i p 分组的打包与复用、传送与交换，若能实现超高速光信头处 理，则可彻底解决系统的电子瓶颈问题；第二、o p s 固有的优点是对波长通道实 施统计复用，带宽分配灵活，资源利用率高。其他优点包括：对数据速率和格式 透明，可扩展性好：能提供非连接的和面向连接的服务，灵活性很高：利于简化 网络层次，实现紧凑的集成网络模型。因此，光分组网是未来光网络中承载话音 电子科技大学硕士学位论文 和数据等多种业务的理想平台。甚至有贝尔实验室的学者将光网络演化进程分为 四代：前三代分别以s d h 设备、大容量密集波分复用( d w d m ) 链路和自动交 换光传送网为标志：第四代即为高度智能化的光分组网。 o p s 研究中突出的困难是实现可集成的高速全光缓存单元、大容量可升级的 高速光交换矩阵和超高速全光逻辑器件。其他关键技术包括：有效的冲突解决机 制、光分组编码方案、光分组路由算法、通道保护和恢复机制等。其中，光缓存 和光逻辑器件技术的突破将极大地推动o p s 研究，还将引起光电子、计算机、材 料等多个科学领域中具有里程碑意义的变革。 在欧洲较早开始的相关项目有a t m o s 、w a s p n e t 和k e o p s 项目，这些项 目对o p s 网络结构进行了初步探讨，对o p s 技术可行性进行了初步论证。其中， 1 9 9 3 年由a l c a t e l 联合欧洲诸多高校实施的k e o p s 项目提出了实用化的o p s 节 点结构和功能单元，并首次建立了o p s 的试验系统，为该技术的发展开辟了新的 篇章。1 9 9 8 年至今，为跟上o p s 单元技术的发展，欧洲启动了一系列大型研究 项目，逐步将研究重点由节点级上升到网络级，并研究了o p s 在广域网与城域网 中的应用。如开始于1 9 9 9 年的r o m 项目和2 0 0 0 年的d a v i d 研究计划，旨在探 讨o p s 的组网形态、相关协议和服务质量( q o s ) 保证等方案，并验证o p s 网络 提供差别业务能力。在北美，也开展了一系列相关项目。美国s t a n f o r d 大学参与 的c o r d 研究了多信道副载波复用( s c m ) 技术在o p n 信令和控制中的应用。 p r i n c e t o n 大学参与的p o n d 项目演示了基于1 0 0 g b so t d m 技术的规则多径拓扑 o p n 。b e l ll a b s 和s t a n f o r d 大学等联合开展的h o r n e t 项目演示了基于w d m 技术的环形光电混合分组网。 国内对o p s 的研究起步晚于欧美，主要的研究机构有北京邮电大学、清华大 学、北京大学、上海交通大学和上海大学等的相关实验室，研究内容主要集中于 交换机制和结构、媒质接入控制( m a c ) 建议、光缓存方案仿真等，总体上研究 水平及规模都落后于国外。在北美，也开展了一系列相关项目。美国s t a n f o r d 大 学参与的c o r d 研究了多信道副载波复用( s c m ) 技术在o p n 信令和控制中的 应用。p r i n c e t o n 大学参与的p o n d 项目演示了基于1 0 0 g b so t d m 技术的规则多 径拓扑o p n 。b e l ll a b s 和s t a n f o r d 大学等联合开展的h o r n e t 项目演示了基于 w d m 技术的环形光电混合分组网。 根据前面对光电路交换和光分组交换的分析，光电路交换虽然比较成熟，但 其不适合于具有突发性的数据业务，而在未来一段时间内，又面临着难以克服的 技术障碍。针对二者的优势与不足，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 ) 4 第一章绪论 技术被提出。o b s 试图对光与电之间把两者的优点做出一种新的综合并且通过在 电域中进行控制和管理，从而实现更大范围地开拓光带宽的技术。它使得在整个 光域内，用户数据信道的交换变的非常便利。o b s 把整个网络分成两部分：边缘 网络和核心网络。如图1 - 2 所示。在边缘网络，一般的数据包通过特定的手段( 例 图1 - 2o b s 网络结构 如，到达同一目的端的包) 聚集在一起形成突发包组成为交换单元。突发包组通 过信道( 波长) 且不通过任何的变换过程进行透明的交换，突发包组仅在核心节 点内进行传输，当包到达边缘网络的时候，他们被重新分解成单一的包，然后按 照一般的方式传输到目的端。 o b s 的基本思想是与的结合，可看作兼顾与的优点折中方案。它的交换粒度 介于上述二者之间为微秒量级，是多个分组的集合，称为突发。因为的交换颗粒 较粗，因而处理开销大为减少。同时克服了这两种交换方式的不足，在较低的光 子器件要求下，实现了面向的突发业务的快速资源分配和高资源利用率，因此 表l - lo c s 、o p s 、o b s 的比较 光交换方式宽带利用率建立延迟光缓存开销适应性 实现难度 o c s 低高不需要低 弱低 o p s 高低 需要高强高 o b s高低 不需要 低 强中 能有效地支持上层协议或高层用户的突发业务。对o b s 、o p s 、o c s 的一个比较 电子科技大学硕士学位论文 以表格的方式列出，见表1 1 。 根据o b s 的特点和o p s 、o c s 的对比，得出o b s 的主要优点为： 1 、具有中等交换粒度，突发包的长度可以从几个分组到一个短的会话，只使 用一个控制分组，从而使每个数据单元具有较低的控制开销； 2 、从不同源端到不同目的端的突发包可以利用统计复用的方式，有效地利用 链路上相同波长的带宽，带宽的使用效率较高： 3 、控制分组和数据分组的分离传送，有效降低了中间核心交换节点的复杂度 和对光器件的要求，中间核心节点可以不需要光缓存，同步要求低，这就有利于 走向实用化； 4 、带宽单向预留，突发包随着控制建立包后，而无需等待响应包奋这样就比 电路交换大大减少了端到端时延： 5 、控制分组将在每一个中间核心节点建立一个全光路径( 通过配置w d m 交 换) ，对突发包的数据分组是完全透明的，不经过任何的光电转化，消除了电子瓶 颈而导致的带宽扩展困难。 1 3 光交换网络核心节点的组成结构 当前，高速、大容量的光纤通信系统已经大规模部署于核心网络的骨干线路 上，奠定了长距离、宽带通信网的基础。随着密集波分复用( d w d m ：d e n s e w 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 ) 技术的成熟开发，充分利用光纤的t b i t s 量级 带宽已成为现实，1 6 0 l o g b i t s 的d w d m 通信系统也已有规模商用化。在一定 程度上，缓解了日益增长的数据、多媒体等业务对通信网络传输带宽的需求。 然而，目前核心网络的交换节点一般采用电交换技术，到达节点的光信号必 须经历光电光的转换处理，节点的吞吐能力必然受到电交换速率的限制，导致 光传输带宽和电交换容量之间存在严重的失配，已成为高速、大容量通信网发展 的瓶颈之一。为了解决电交换节点的速率瓶颈问题，核心网络有必要引入光交换 节点，采用光交换技术，实现光域交换能力。 核心节点( c o r en o d e ) 是光交换网络系统中最为关键的组成部分。它实现光 信号的提取、分析、调度、交换和转发。作为光交换网络中的重要成员，核心节 点的技术必然是重点同时也是难点。无论是o p s 网络还是o b s 网络，核心节点 主要由四部分构成：输入装置( i n p u te q u i p m e n t ) 、输出装置( o u t p u te q u i p m e n t ) 、 控制单元( c o n t r o lu n i t ) 和交换阵列( s w i t c h i n gm a t r i x ) 。如图1 3 所示。 6 第一章绪论 图1 - 3 光交换网络核心节点一般结构 其中，输入装置通常采用波分解复用器( w a v e l e n g t hd e m u l t i p l e x e r ) 来把光 纤中的多个信道分离开来，所分离的信号可以通过诸如波长变换器( w c ) 、光分 路器( s p l i t t e r ) 、光合波器( c o m b i n e r ) 等全光器件后进入交换阵列。这里，全光 器件的作用是对信号的功率损耗进行必要的补偿并解决信号的冲突问题。接着， 控制单元对信号的信头进行提取和分析，包括3 r ( r e a m p l i f y i n g ，r e s h a p i n g ， r e t i m i n g ) 再生、光信号的定时同步、缓存、路由信息的提取和更新插入、采用 特定的调度算法通过结合交换阵列的拓扑结构对输入信号进行处理后传送到输出 端。 1 4 多播光交换技术 多播团】，简单言之就是一点到多点的通信方式，与单播( u n i c a s t i n g ) 相对应。 多播是在电交换网络即i p 包交换网络中首先被提出并得到了广泛的应用和长足 的发展形成了一系列的协议标准，主要包括动态成员管理协议和多播路由协议。 由于多播业务诸如多媒体、i p t v 、视频医疗等都需要骨干网络提供巨大的带宽资 源，而w d m 技术的发展正好给多播技术提供了很好的契机，光网络具备了大容 量带宽的特性，可以在核心为i p 提供具有q o s 保证的连接。为了进一步提高网 络的性能，多播光交换技术自然而然的产生了。 光多播和电多播的物理机制不同。在电域内，电的时隙交换和数据复制技术 已经非常成熟，在a t m 、i p 路由器、s d h 数字交叉连接( d x c ) 和分插复用( a d m ) 中普遍商用。然而在光交换结构中，光信号的复制技术不同于电信号的复制。在 空间域，光信号通过光分路器( s p l i t t e r ) 把一路光信号复制成多路。在频域内， 通过波长变换器把多路信道上的信号转换到另外多路信道上实现信号的复制。更 7 电子科技大学硕士学位论文 重要的是光多播和光交换在业务上是共存的，没有光交换的多播只是一种简单的 广播，而没有光多播的光交换只是普通的点到点之间的光交换。 1 4 1 研究多播光交换技术的意义 光多播的主要优点在于：第一、光多播通过光开关内在的分光能力能够取得 高于在电域内的多播复制效率：第二、对于传统的由一级或多级的电多播交换网 络来说，其源节点能够同时向各个目的节点发送同一信号，然而在同一时间目的 节点最多只能接收同一个信号，而采用波分复用技术提供的多播方案能实现各种 多播功能，降低调度算法的复杂性；第三、光多播技术对于满足不断增加对网络 带宽的要求，减少网络的成本，配置透明的光网络具有非常重要的意义。 随着网络电视，网络游戏，可视电话，远程教育和远程会议等业务的需要， 对光网络提出了相应的多播要求。多播光交换能够改善光网络的性能，提高光网 络带宽利用率，促进下一带网络( n g n ：n e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k s ) 的发展。 1 4 2 多播光交换技术研究现状 目前，有很多的多播光交换结构被提出，大体上能分成三类：1 、基于光分路 器的多播光交换结构；2 、基于波长变换器的多播光交换结构；3 、基于光分路器 和波长变换器两种类型的复合结构。通过光分路器来实现光多播在技术上比较成 熟，但是经过分路之后光信号的损耗比较大，特别是当需求的多播数目小于光分 路器的扇出时将带来不必要的损耗，这是必须解决的技术问题。由波长变换器来 实现多播从理论上看比较完善，其研究得到了许多吸引力的方仿真结果，但光波 长被理想化，并且波长变技术尚不成熟，成本比较高，距离实用化还有一定距离。 在国内，多播光交换目前是一个新的研究领域，一些高校和研究院取得了不错的 成就，但仍然处于一个起步阶段，需要投入更大的精力研究。 在国外，有很多大学和机构都在对多播光交换进行研究，影响较大的有t h e s t a t eu n i v e r s i t yo f n e wy o r ka tb u f f a l o 的l a n d e r 实验室，d r c h u n m i n gq i a o 作 为o b s 概念的提出者，已经在主要期刊上发表了近5 0 多篇文章并被广泛引用。 u n i v e r s i t yo f t e x a s 的计算机c a t s s 实验室等研究学者有多篇理论研究文章发表。 u n i v e r s i t yo f r o m el as a p i e n z a ，i t a l y 的v e r a m o 等人有多篇理论文章发表。另外 英国伦敦大学，澳大利亚墨尔本大学c u b i n 实验室也有一些理论研究成果。 在实验系统研究中，欧洲有许多先进的研究计划和项目，如n o b e l ( n e x t g e n e r a t i o no p t i c a ln e t w o r kf 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 ) ，该项目于2 0 0 4 年 第一章绪论 1 月开始。主要目的是：研究适合未来智能光网络的新型网络架构和技术。主要 研究内容为：保证端到端q o s 的网络架构和方案、o b s 网络中的控制与管理、突 发模式下的传输解决方案以及实验系统。2 0 0 1 年到2 0 0 4 年，欧洲资助的 l a s a g n e 计划、s t o l a s 计划和c o s ta c t l 0 n s 计划以及在德国的 t r a n s i n e t 计划等，这些项目在不同的层面上研究和评估了适合下一代大容量 光传送和接入网的架构，光交换是其中的要点和热点，为下一代光网络开发和演 进房案奠定了坚实的基础。 总之，光交换是光纤通信技术发展的趋势，也是下一代网络物理层的关键技 术之一。多播光交换技术又是近来业界关注的热点和研究的重点，它的需求来源 于光网络承载的i p 业务发展的需要和光交换向应用化方向发展的需要。利用目前 成熟的光电子器件实现核心节点的结构是多播光交换发展的关键技术。 1 5 本文的研究内容及安排 本文重点研究了光交换网络核心节点以下几个关键技术，主要包括：核心节 点交换结构的设计、研究交换结构的阻塞性能以及光交换结构的空间复杂度的分 析。 全文共分为六章，各章内容安排如下： 第一章为绪论，首先介绍了光交换技术及发展现状，接着介绍了引入交换节 点的必然性和重要性，最后介绍了光交换网络核心节点的评价体系即本文研究的 重点一核心节点的关键技术。 第二章提出了一种具有多播功能的光交换网络核心节点的交换结构，利用多 波长变换器( m w c ：m u l t i p l ew a v e l e n g t hc o n v e r t e r ) 及光分路器( s p l i t t e r ) 、波长 变换器( w a v e l e n g t hc o n v e r t e r ) 构造了具有多播功能的光交换模块m w c m s d ( m w c m u l t i c a s ts p a c ed i v i s i o n ) 。进而基于m w c m s d 构造了两种核心节点的 交换结构，并且分析这两种结构的空间复杂度，也称硬件复杂度【2 4 】【2 5 】( h a r d w a r e c o m p l e x i t y ) 等。 第三章重点分析了所提出的核心节点的交换结构的阻塞性，证明了所提出的 结构是严格无阻塞的，接下来通过借助三级c l o s 网络的思想改进了设计的交换结 构同时证明了改进的交换结构在满足一定的条件下分别是严格无阻塞、可重构无 阻塞和广义无阻塞的。并且给出了相应的满足条件。 第四章利用有限波长变换器( l i m i t e dw a v e l e n g t hc o n v e r t e r ) 来实现多波长变 9 电子科技大学硕士学位论文 换器，通过一种循环对称( c i r c u l a rs y m m e t r i c a l ) 的波长变换方式实现了有限多 波长变换器( l m w c ：l i m i t e dm u l t i p l ew a v e l e n g t hc o n v e r t e r ) ，同时在在数学上证 明了其正确性。 第五章根据第二章的结构提出了两种算法：a l g o r i h t m s l 和优先级算法 a l g o r i t h m s _ p r i o r i t y ，并且给出了业务强度p 。和多播连接0 不同时的仿真图，证明 了算法的正确性。 第六章是全文总结。总结全文并提出进一步要进行的工作。 1 0 第二章m w c m s d 模块构建多播光交换网核心节点交换结构 第二章m w c m s d 模块构建多播光交换网核心节点交换结构 2 1多播光交换模块的研究现状 s a t u o r uo k a m o t o