（物理电子学专业论文）大容量光电atm交换结构的研究.pdf

华中理工大学博士学位论文 摘要 f 现代通信网络正向着高速宽带、综合业务的方向发展。a t m 作为一种优秀的交 换技术，在现代通信网络中将会起到越来越重要的作用。由于通信对交换容量要求 的迅速增加，采用光互连技术的大容量a t m 交换结构的研究正成为各大通信公司 及研究机构的研究热点j 本文对光电a t m 交换系统中的关键技术光电混合集 成芯片( o e v l s o 进行了研究。设计与测试了一个1 6 1 6c r o s s b a r 的c m o s s e e d 芯片，构造了基于该芯片的光交换模块。在此基础上提出了一种采用广义k n o c k o u t 原理的性能优秀的可扩展分组交换结构，通过采用双输入共享扩展单元，有效的降 低了交换系统的硬件开销。对该方法的具体实现及其性能进行了详细的分析。y 论文 的主要内容分为五章。 、 在第一章中，介绍了a t m 技术的发展情况，论述了在大容量a t m 交换系统中 采用光互连技术的必然性。全面总结了已有各种a t m 交换结构的分类及各自特点。 以伊利诺斯大学的i p o i n t 可扩展a t m 交换系统、m c g i l l 大学的多处理系统t e r a b i t 光局域网以及b e l l 实验室的分组互连可扩展a t m 交换系统为代表，介绍了光电a t m 交换网络的最新进展。 第二章讨论了a t m 交换系统中的信源模型以及离散系统的模拟问题。分析了 均匀业务流、突发业务流和热点业务流下的信源模型，对突发业务流下常用的开关 模型提出了叠加均匀业务的修正方法，提出了对已有的突发业务流开关模型的一种 修正方法，通过在突发负载上叠加一均匀负载，得到了与实际情况更加相符合的混 合业务模型，这时交换网络的总负载可表示为突发负载和均匀负载两部分的组成： ， p 。b + a ( a + b ) 乜+ b ( a + b ) 当均匀负载p i = 0 时，混合业务流模型即转变为开关业务流模型的情况。 由于a t m 交换系统的性能模拟属离散系统模拟，文中还对离散系统的模拟问 题进行了讨论，选用简洁的等步长时钟法对a t m 交换系统性能进行模拟。 第三章首先介绍了光电混合集成芯片的发展概况，然后论述了本实验室1 6 x 1 6 c r o s s b a r 光电混合交换模块的研制工作。重点讨论了其中的关键技术c m o s s e e d 芯片的设计与测试工作。实验测得该芯片的光输出调制器s e e d 单元的平均 对比度为1 4 3 。 在研制成功1 6 1 6 光学交换模块的基础上，第四章研究了大容量光电a 1 m 交 换系统的体系结构，提出了一种可有效减少可扩展a t m 交换系统中互连机构硬件 开销的方法，即在分组互连级前引入双输入共享扩展单元，从而得到了硬件开销较 华中理工大学博士学位论文 小的双输入分组互连可扩展a t m 交换结构。详细论述了双输入分组互连交换系统 的体系结构。讨论了双输入分组互连交换系统中的并行寻径控制器的实现方案。通 过将大的状态表分解为多个小状态表，采用多级的并行操作，使得寻径控制器可以 在较低的工作时钟( 现有器件可满足) 下高效的完成整个交换系统的寻径操作。同时 介绍了双输入分组互连交换系统中输出排队模块的实现方法，提出可通过同一输出 模块中的各输出端共享输出排队缓存来减小整个系统所需的存储容量。 在第五章中，通过理论计算与计算机模拟相结合的方式，对双输入分组互连a t m 交换系统在均匀业务流和突发业务流的情况下，系统的各项性能进行了详细的分 析。研究结果表明，双输入分组互连a t m 交换系统与一般的纯分组互连系统相比， 可显著的降低在一定扇出比下的系统的内部阻塞率，系统内部阻塞率对网络负载不 敏感。采用共享排队缓存的方法可显著的减小整个交换系统所需的缓存容量。系统 结构具有较强的容错性，能保持信元序列的次序，无需明显的内部加速。总之。双 输入分组互连a t m 交换系统是一种性价比较优的大容量光电a 1 m 交换系统。夕 ， 关蝴：光互连，光交换，光电a t m 交换，交换性能，业务流模型，计算机模拟， 光电混合集成电路，c m o s s e e d i i 华中理工大学博士学位论文 a b s t r a c t t h em o d e mc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ki s d e v e l o p i n gt o w o r dg o a lo fh i 吐s p e e d ， b r o a d b a n da n di n t e g r a t e ds e r v i c e s 删( a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ) i sak i n do f e x c e l l e n ts w i t c h i n gt e c h n o l o g yt h a tw i l lp l a yam o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l ei nt h e m o d e mb i s d n ( b r o a d b a n di n t e g r a t e ds e r v i c e s d i g i t a ln e t w o r k ) w i t ht h er a p i d l v i n c r e a s i n gd e m a n d o n s w i t c h i n gc a p a c i t y , t h ea c t i v i t yi nv e r yl a r g ec a p a c i t ya ：订s w i t c h e s b a s e do no p t i c a li n t e r c o n n e c t i o nh a sb e e ne x p a n d i n gr a p i d l yt om a n yt e l e c o mg i a n t sa n d r e s e a r c hg r o u p s t h ek e yc o m p o n e n to ft h ep h o t o n i ca ：n s w i t c h 一0 p r o e l e c t r o n i c v l s ir o e - v l s i ) c i r e u i tt e c h n o l o g yi ss t u d i e di nt h i st h e s i s a1 6 1 6e r o s s b a rc m o s s e e d ( s e l f - e l e c t r o n i c - o p t i c e f f e c t - d e v i c e s ) h y b r i di n t e g r a t e dc h i pi sd e s i g n e da n d t e s t e d n l ed h o t o n i cs w i t c h i n gm o d u l eb a s e do nt h i sc h i pw a sc o n s t r u c t e d o r i g i n a t e df r o mt h e w o r ka b o v e ，ah i g h - p e r f o r m a n c eg r o w a b l ep a c k e t ( a r m ) s w i t c ha r c h i t e c t u r ea d o p t e d g e n e r a lk n o e k o u tp r i n e i d l ei sp r e s e n t e d t h ep a i r - i n p u tf a n o n tu n i t sa r ei n t r o d u c e dt o r e d u c et h eh a r d w a r eo ft h es w i t c he 伍c i e n t l y t h ei m p l e m e n t a t i o no ft h i sa r c h i t e c t u r ei s d i s c u s s e di nd e t a i l t h em a i n b o d y o f t h i st h e s i si sc o m p o s e dw i t h 五v e c h a p t e r s a g e n e r a lo v e r v i e wo fa ：刑t e c h n o l o g yi sp r o v i d e di nc h a p t e r1 耵1 en e c e s $ i t 、，o f u s i n go p t i c a l i n t e r c o n n e c t si n l a r g ec a p a e 毋a 瑚s w i t c h e s i sd i s c u s s e d m c h a r a c t e r i s t i e so f m a n y c u r r e n ts w i t c ha r c h i t e c t u r e sa r es u m m a r i z e d t h o r o u g h l y t h el a t e s t r e s e a r c hp r o g r e s si np h o t o n i ca n 蛆s w i t c h e si si n t r o d u c e d i n c l u d i n gt h ei l l i n o i sp u l s a t b a s e d o p t i c a l i n t e r c o n n e c tt e s t b e d ( i p o n t ) ，t h em c ( 五l lt e r a b i t o p t i c a l l o c a la r e a n e t w o r k s a n db e l l l a bc m o s s e e db a s e dp h o t o r t i ca ：n 订s w i t c h t r a f f i cm o d e l sa n dd i s c r e t es y s t e ms i m u l a t i o n sa l ed i s c u s s e di nc h a p t e r2 t r a f f i c m o d e l sc o n c e r n i n gu n i f o r mt r a 伍c ，b u r s tt r a f f i ca n dh o t - s p o tt r a f f i ca l e a n a l y z e d a m e t h o dt h a tc a d _ i m p r o v et h eo i l o f fm o d e li sp r o p o s e d b yi n t r o d u c i n g1 1 n i f o r t nl o a di n t o b u r s t t r a f f i c ，ah y b r i dm o d e l t h a tc a nr e f l e c tt h er e a l i t ym o r e e f f e c t i v e l yi so b t a i n e d i nt h i s c a s e ，t h eo v e r a l ln e t w o r kl o a dpc a n b e r e p r e s e n t e d a st h ec o m b i n a t i o no f b u r s tl o a d p ba n d u n i f o r ml o a d p j ， p = p b 木a ( a + b ) + p j * b ( a + b ) w h e nt h eu n i f o r ml o a d p 印，t h eh y 矾d m o d e li ss a l n ea st h eo “o f f m o d e l s i n c et h e p e r f o r m a n c es i m u l a t i o n o fa t ms y s t e mi sak i n do fd i s c r e t e s y s t e m s i m u l a t i o n ，t h i st o p i ci sa l s od i s c u s s e d e q u i v a l e n ts t e pc l o c km e t h o di ss e l e c t e df o ra t m s w i t c hp e r f o r m a n c es i m u l a t i o n t h ed e v e l o p m e n to fo e - v l s it e c h n o l o g ya n do u r1 6 x 1 6c r o s s b a ro p t o e l e c t r o n i c i i i 华中理工大学博士学位论文 h y b d ds w i t c hm o d u l ea r ei n t r o d u c e di nc h a p t e r3 t h ed e s i g na n dt e s to ft h ec m o s s e e d c h i pi sd e s c r i b e di nd e t a i l t h ee x p e r i m e n tr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ea v e r a g eo n o f f r a t i oo f t h es e e dm o d u l a t o r so nt h ec h i pi sa b o u t1 4 3 o nt h ef o u n d a t i o no fs u c c e s s f u l16 16p h o t o n i cs w i t c hm o d u l e t h ea r c h i t e c t u r eo f l a r g ec a p a c i t yp h o t o n i ca t m s w i t c hi ss t u d i e di nc h a p t e r4 an e wm e t h o di s p r o p o s e d ， w h i c hc a nr e d u c eh a r d w a r ec o s to ft h eg r o w a b l ea t ms w i t c hb yi n t r o d u c i n gp a i r - i n p u t s h a r ef a n o u tu n i t sb e f o r ei n t e r c o n n e c ts t a g e t h i sn e wa r c h i t e c t u r ei sc a l l e dp a i r i n p u t g r o u p i n t e r c o n n e c tf p i g i ) a t ms w i t c h t h es t r u c t u r eo fp i g ia t ms w i t c hi sd e s c r i b e di n d e t a i l i m p l e m e n t a t i o no fp a r a l l e lr o u t i n gc o n t r o l l e ri np i g ia = n s w i t c hi sd i s c u s s e d t h o r o u g hd i s s e c t i o no fl a r g e s t a t u st a b l ei n t o r e l a t i v e l ys m a l l e rt a b l ea n dm u l t i s t a g e p a r a l l e lo p e r a t i o n , r o u t i n gc o n t r o l l e rc a r lc a r r yo u tt h er o u t i n gt a s ko f o v e r a l ls w i t c h i n g s y s t e mu n d e rr a t h e rs l o wc l o c kf r e q u e n c y ( c a nb ei m p l e m e n t e db yc u r r e n td e v i c e s ) m e a n w h i l e t h es c h e m eo fo u t p u tm o d u l ei np i g ia t ms w i t c hi si n t r o d u c e d a na p p r o a c h t or e d u c et h es y s t e mb u f f e rs i z eb ys h a r i n go u t p u tb u f f e r si nt h es a m eo u t p u tm o d u l ei s p r o p o s e d i nc h a p t e r5 t h ep e r f o r m a n c e so ft h ep i g ia t ms w i t c hi nu n i f o r mt r a f f i ca n db u r s t t r a f f i ca r ed i s c u s s e di nd e t a i lw i t ht h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o na n dc o m p u t e rs i m u l a t i o n ， r e s e a r c hi n d i c a t e st h a t c o m p a r e dw i t l lg e n e r a lg r o u p i n gi n t e r c o n n e c ts y s t c m t h ep 1 g i a n 订s w i t c hc a ns i g n i f i c a n t l yd e c r e a s ei n t e r n a lb l o c k i n gp o s s i b i l i t yu n d e rg i v c nf a n o u t r a t i o t h ei n t e r n u lb l o c k i n gp o s s i b i l i t yo fp i g ia n 订s w i t c hi si n s e n s i t i v ew i t hn e t w o r k t r 衄cl o a d s h a r i n gb u f f e rm e t h o dc a l l s i g n i f i c a n t l y d e c r e a s et h ed e m a n do fo v e r a l l s y s t e r nb u f f e r s t h ep i g ia t m s w i t c hi sr e l a t i v e l yr o b u s t i tc a nr c s e w et h es e q u e n c eo f c e l l s ，a n dd o n tn e e di n t e r n a ls p e e d - 即i nc o n c l u s i o n ，t h ep i g ia t ms w i t c hi sal a r g e c a p a c i t yp h o t o r t i ca t ms w i t c h i n gs y s t e r nw i t hh i g hp e r f o r m a n c e c o s t r a t i o k e y w o r d s ：o p t i c a li n t e r c o n n e c t , p h o t o n i cs w i t c h i n g ，p h o t o n i c a t ms w i t c h ，s w i t c h p e r f o r m a n c e , t r a f f i cm o d e l ，c o m p u t e rs i m u l a t i n g ，o e - v l s i ，c m o s - s e e d i v 华中理工大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 发晨光电a t m 交换技术的必要性 随着全球i n t e r a c t 网络的迅速发展，二十世纪末的人类社会已进入了信息时代。 一方面传统的电信通讯业务保持着持续增长的势头，另一方面各种新型数据通信正 以惊人的速度发展起来。 已有的各种传统通信网如电话网、电报网、数据通信网等都是按业务需要分别组 建而各自独立的。当用户需要利用多种业务时，必须按业务类型分别办理申请，引 入多条用户线。这种按业务组网的方式存在许多缺陷：首先是用户线利用率低，而 用户线成本极高，重复导入用户线是极不经济的；其次是不易导入新业务，对网络 规模的变更与扩充的适应性差；此外，同一用户的不同终端占用不同的电信号码， 不仅浪费了号码资源，也不便于通信联系。在此背景下，国际电报电话咨询委员会 c c r r t ( 现国际电信联盟i t u ) 于1 9 8 4 年提出将话音、数据、图像等业务综合在一个 网内的设想，建立综合业务数字网i s d n 。 i s d n 主要利用标准多用途的用户一网络接口实现低速业务的综合，以电路交换 和分组交换这两种模式提供各种业务。由于其传送速率低( 1 5 2 m b s ) 、中继网种类 繁多、对未来导入的新业务的适应性差等，不能满足用户急速增长的要求，特别是 难以满足对高速、宽带通信业务的要求，人们开始建设通信能力更强的宽带综合业 务数字网饵i s d n ) t 1 】- 1 6 。 电路交换和分组交换由于其自身的固有缺点，不能满足高速、宽带通信业务的要 求，需要寻求一种新的传输与交换方式。异步转移模式a t m 综合了电路交换和分组 交换各自的优点，使实现多种业务综合成为可能。1 9 8 7 年，i t u t 把a t m 确定为 b i s d n 中的转移模式剐。 a t m 本质上是一种快速的分组交换技术，它采用固定长度的短分组( 5 3 个字 节) ，这种短分组称为信元( c e l l ) 。由于采用的是“异步”的传输方式，因此a t m 可 适应速率从低于数千t b 特到高达数百兆比特的各种业务，它集语音、图像、数据等 信息于一体，可进行宽带综合业务通信p j 【。 a t m 技术虽然是被定为b i s d n 的转移模式，但由于计算机数据通信网络的飞 速发展，它首先在局域网中得到了广泛的应用。f o r es y s t e m 、b a yn e t w o r k 、3 c o m 和i b m 等公司在这个领域已获得了很大的成功。 随着i n t e r n e t 的飞速发展，i p 交换机的研制成为新热点】【1 4 1 。目前各大数 据通信公司( 如l u c e n t 、c i s c o 等) 都在其a t m 交换机的基础上增加i p 路由功能，从 华中理工大学博士学位论文 而实现“一次路由，多次交换”的功能，研制了所谓的快速路由的i p 交换机。由于 数据业务量的增长极快，因此对基于快速分组交换的口交换机的容量要求也会迅速 增长，这也需要加速研制作为其核心技术的大容量a t m 交换系统。 a t m 的核心技术是a t m 交换机，通常它完成信元处理和路由选择等任务。交 换机设计中采用的方法将直接影响交换机的吞吐量、信元阻塞、信元丢失率和交换 延迟等重要参数。交换结构将决定a t m 网络的规模和性能。另外，交换结构不仅影 响交换机的性能和扩展特性，而且也将影响交换机支持广播方式和多点转发方式的 能力。 经过十多年时间的研究，已有不少的a t m 交换机产品面世，如f o r es y s t e m s 的f o r er u n n e ra s x 1 0 0 交换机，其吞吐量为2 4 g b s ，可提供1 6 个端口；c i s i o 与 n e c 共同开发的h y p e r s w i t c h a1 0 0 ，采用c r o s s b a r 矩阵交换，吞吐量为2 4 g b s ，有 1 6 个1 5 5 5 2 m b s 接口；此外还有m m 公司、g d c 公司、n e w b r i d g e 等公司都研制 出各自的交换机产品。 但这些交换机的规模都不大，而实际的需求增长却很快。当a t m 交换机和交 叉连接设备用作长途台和网关时，可能需要的传输带宽范围从1 5 5 g b s ( 以s o n e t o c - 3 的1 5 5 m b s 速率输入的i 0 0 0 个端口) 到2 4 t b s ( 以s o n e to c - 4 8 的2 4 g b s 速 率输入的1 0 0 0 个端口) 。如果在城域网( m a n ) 中也采用电信交换的a t m 交换与交叉 连接，则所需的传输带宽范围从1 0 0 g ( 5 0 0 0 0 路按以太网速率1 0 m b s 的速率和2 0 占用率的输入1 直至7 7 5 g b s ( 5 0 0 0 0 路以s o n e to c 31 5 5 m b s 的速率和1 0 占用率 的输入) 。因此研制出容量很大且易于扩展的a t m 交换机是一个紧迫的任务。 由于未来的a t m 交换机要求有很大的端口数或极高的端口速率，完全采用纯 电子的技术来实现这样的大容量a t m 交换机是非常因难，甚至不太可能的。这是由 于电子交换网络中的“线互连”存在着r 、l 、c 分布参量，从而使得它在进一步提 高信号传递速率时存在着带宽限制、时钟歪斜、严重串话和高功耗等一系列难以克 服酌缺陷f l5 l 1 7 j 。因此采用纯电子技术来实现大容量的a t m 交换机时，必须采用高 度并行的方法把输入输出线的高速信号在交换机内部降为电互连线能够有效传输的 低速并行信号( 如北京邮电大学研制的b t c - 9 5 0 0 a 型a t m 交换机) ，并通过互连大量 的小容量模块来实现较大的总交换容量。但采用这种方法，一方面会引起交换机体 积、成本的迅速增长，另一方面也会引起整体性能的下降。 实现大型交换节点系统有两种不同的方法。一是使用端口数相对较小，端口速率 很高的交换系统：二是使用端口数很多，端口速率低的交换系统。第一种方法使用 高速的公共通路接口，对防止突发阻塞有较好的统计复用效应。假定为v b r ( 可变比 特率1 视频电话业务，其峰值速率为5 0 m b s ，平均速率为2 0 m b s 。则要保证1 0 4 信 元丢失率j 与1 5 5 m b s 的端口速率相比，采用2 4 g b s 的链路时其带宽利用率可增加 1 6 0 ，而采用1 0 g b s 的链路时可增加2 4 0 。这是由于信元基本统计复用效应的结 果。同时，加快端口速率还可有效的降低有关c a c ( 接续允许控制) 的呼叫丢失率。 华中理工大学博士学位论文 使用传统电子技术实现较大容量的a t m 交换系统，只能采用第二种方法，即通过大 规模的低速模块来实现较大的吞吐量。这将导致很高的成本，且如上所分析的，性 能也较差。 因此，为了克服电互连线传输速率难以提高的固有缺点，未来的大容量a t m 交 换系统必然要引入光互连光交换技术。光互连具有极高的空间时间带宽积，抗干扰 能力强、互连通道等程、低功耗等优点，因此在高速大容量的交换机中采用光互连 光交换技术是发展的必然趋势i ”j 1 2 。 光互连一般是指在l m m 到l m 之间的范围采用光波作为载体传送信号，在极短 的距离( l m m ，即芯片内部) 可采用电互连实现很好的性能，而更长距离的系统闻的 光纤连接，人们一般称之光传输。人们通过理论和实验研究已经证明，在系统内芯 片到芯片和电路板到电路板间采用光互连，从性能到性价比均将比电互连要优越得 多口1 】埘k 可见，光互连主要是解决系统中高密度芯片到芯片和板到板之间的连接问 题。目前主要的光互连技术有光纤互连【2 7 1 川1 3 】、光波导互连 3 2 1 - 3 6 和自由空间光互连 【3 7 】 4 4 1 等等。 由于光器件的限制，目前要实现全光交换还不太可能。现在一些研究机构在电 交换系统中引入光技术，充分利用光的高速、宽带优势，结合电的灵活的逻辑控制 与高密度缓存技术以及成熟的器件，实现了光电混合交换机，其容量和速率都有很 大的提高 s s - u 4 。可望在此基础之上研制全光a t m 交换，最终实现几百1 r b 拈的高速、 宽带、大容量a t m 交换系统。 光a t m 交换系统的发展可分为两大类，一类是采用光互连电逻辑的光电混合型 a t m 交换机；另一类是采用纯光学器件的全光a t m 交换系统。 第一类系统利用现有的大规模集成电路技术，来实现a t m 交换系统中复杂的互 连矩阵、排队功能和控制功能等，而利用光互连来解决原来电子a i m 交换系统中因 电互连所引起的带宽限制等种种缺点。为了有效利用光互连，必须解决系统中大规 模集成电路与高速光互连通路的接口问题。 这主要有两个途径：一是采用多芯片模块( m c m ) t 7 5 】嗍，如陶瓷m c m 和铜，聚酰 亚胺m c m ，把光输入输出单元与大规模集成电路组合起来。使用有收缩和封装技术 的m c m ，可显著提高运行速度，它可使v l s i 之间的互联长度缩短，同时提高同步 电路的运行速度。与陶瓷m c m 相比，铜，聚酰亚胺所起的作用更大，因为其相对介 电常数较小( 陶瓷为9 _ 3 ，聚酰亚胺为3 ) 。另一方法就是直接采用光电混合集成电 路，如c m o s s e e d 7 7 】【8 5 】和c m o s - v c s e l 8 6 】【8 7 j ，在大规模集成电路c m o s 芯片上 直接倒装焊上光输入输出窗口。采用m c m 的方式，实现相对简单，成本也会相对 较低，但所能达到的性能终究要比采用光电混合集成芯片的系统低。c m o s s e e d 器件是在v l s i 电路上倒装焊上s e e d 列阵，用来完成高速度、高密度、低功耗的光 输入输出。s e e d 器件的一部分用作光接收单元，一部分用作光输出单元。由于s e e d 华中理工大学博士学位论文 是被动器件，因此在作为光输出单元时，需要外加的泵浦光源，光学系统相对复杂。 而c m o s - v c s e l 则采用垂真腔面激光器列阵作用v l s i 电路的光输出单元。由于 v c s e l 是主动器件，因此不需要泵浦光源，且输出光束质量高，易于耦合。但也正 是由于v c s e l 是主动器件，因此制作难度较大。c m o s v c s e l 一般采用m s m 探 测器列阵作为光输入接收单元。 全光交换网络目前主要也有两种：一种是采用光波导开关矩阵的光波导交换系统 【32 l 【3 4 n ”j ，另一种是利用密集波分技术的光波分交换系统，也称为光频分交换系统 6 5 | _ f ”】。光波导交换系统采用l i n b 0 3 或s i 的独立极化开关矩阵，在可控的光波导通 道中传输高速光信号，已有8 8 、1 6 1 6 的开关列阵。光波导开关列阵的难点在于集 成度不大，难以制作出大规模的交换模块。光波分交换系统则利用波长开关或波长 转换器对输入的波分复用( w d m ) 信号进行波长互换，从雨实现光通道的交换。由于 波分交换系统可直接对波分复用中的波长通道进行交换，因此具有扩充成与波分复 用传输系统相互合作的广域网的潜力，这种能在用户之间提供光比特率独立的接 续。已有1 6 1 6 ，端口速率达2 5 g b s 的波分交换样机系统。波分交换的难点也是在 于器件，密集波分交换对波长转换器的精度和稳定度的要求都非常高，控制困难。 现在光学存储器的实现方法是采用光纤延时线，光纤延时线的存储容量较小，要实 现大的存储容量则体积会极大。由于还没有成熟的光学逻辑器件，目前在波分交换 系统中的控制还是采用了低速的电子电路，还不是真正的“全光”交换系统。 从发展来看，本文认为首先实用的将会是光电混合型的光a t m 交换机。在光存 储、光时钟提取等技术取得突破后，全光a t m 交换网才会出现在综合业务数字网 中。但即使全光a t m 交换机实用后，由于经济成本方面的原因，光电混合型仍会使 用很长的时间。 1 2a t m 交换结构 a t m 的核心技术是a t m 交换机，通常它完成信元处理和路由选择等任务。一 般说来，交换结构将决定a t m 交换机的规模和性能。交换机设计中采用的方法将影 响交换吞吐量、信元阻塞、信元丢失率和交换延迟等重要参数，交换结构不仅影响 交换机的性能和扩展特性。而且也将影响交换机支持广播方式和多点转发方式的能 力。 a t m 交换机一般由三个基本部分构成：输入输出接口部分、交换机构和控制系 统，如图1 2 1 所示。其中的交换机构为各输入和输出端之间提供必要的互连通路， 将信元从某一输入端口传送到指定的输出端口。输入输出接口部分主要完成物理层 功能( 包括光电电光转换、定时恢复、物理帧的拆装、信元定界、信头差错控制以及 空信元的删除，插入等1 和信元头的处n ( v p g v c i 的读取和转换，根据v p i v c i 向控制 4 华中理工大学博士学位论文 单元发出寻径请求) 。控制系统含两方面的功能，一是根据信元的v p i n c i 值对交换 机构进行控制，以使交换机构能把信元传送到正确的输出端；二是完成信令的收发 和处理工作( 如呼叫的应答，虚路径的建立与拆除等) 。 if = 输入接口o f ；输出接口 图1 2 1a t m 交换机的组成 人们对a t m 交换系统己进行了大量的研究，提出了多种a t m 交换结构 8 8 】- 1 4 6 。这些交换结构总的说来可以分为两大类：时分交换和空分交换结构。 嚣瓣蹬 ( a 】总线型( b ) 环型( c ) 中央存储器 图1 2 2 时分交换结构 时分结构是指所有的输入输出端口共享一条高速的信元流通路，这条共享的高 速通路可以是共享介质型的( 如总线型、环型) ，也可以是共享存储器型的( 中央存储 器) 。图1 2 2 表示了常见的几种时分交换结构，图中口表示输入接口单元，o f 表示 输出接口单元。整个交换矩阵的交换容量由这个共享通路的吞吐量( 如总线速度、 存储器容量和存取速度等) 所限制。时分交换有一个设备吞吐量的固定上限，这种 交换能力的限制不能随端口的增加而增加。因此当公共资源的需求增加时，网络性 能会受到影响。交换机的吞吐量是由公共资源的速度确定的，一般不易扩展，所以 无法满足交换容量非常大的情况。 空分交换结构是指在输入和输出端之间有多条通路，不同的a t m 信元流可以从 不同通路上同时通过交换结构。空分结构按其在任意一对输入输出端口间的路径数 又可分为单路径和多路径两大类，其中的多路径是针对单路径中网络对突发业务应 变能力差的弱点提出的，它通过增加单元的串联级数和并行数来达到提高性能的目 的。空分结构一般具有较好的硬件扩展性，可以增加端口而不影响交换机的吞吐量， 华中理工大学博士学位论文 端口不必竞争单一的共享资源。由于交换机性能可随端口的增加而提高，所以在理 论上空分交换机应能容纳更多的端口。但由于多路径空分交换机往往采用多级和多 平面的结构，其硬件复杂度一般较高，特别是对路由控制的要求很高。空分交换结 构可以采用中央控制的方式，也可以采用分布式路由控制方式，也称为“自路由” 方式( s e l f - r o u t i n g ) ，来实现交换网络的路由控制。当网络规模很大时，需要为大量的 信元同时建立路由，控制器的压力将非常大，因此，一个互连性能很好的空分网络 必须要有一个高效的寻径控制算法才能实用。 对于空分交换结构，有两种情况会导致信元的丢失：一是交换机构( 或分配网络) 内部的连接阻塞导致的信元丢失；另外一种情况是由于同一信元时隙内两个或多个 信元经过交换单元竞争同一输出端口引起目的地冲突而导致的信元丢失。 第一种情况可利用充裕的分配网络( 节点和链路) 来解决，即在输入端口和输 出端口之间设置多条通路，若在同一信元时隙内有两个或多个a t m 信元期望利用分 配网络内相同的资源( 节点和链路) ，则它们可以利用互不冲突的通路传输，以消 除网络的内部阻塞。对于第二种情况，为了有效控制因竞争失败而造成的信元丢失， 交换机必须提供缓存功能，对竞争失败的信元进行缓存排队。 n n ( a ) 输入缓存 nn ( b ) 输出缓存 输 ： 输 出 接 接 口 口 ( c ) 中间缓存 图2 3 空分交换结构的几种排队缓存方法 n n 信元缓存是基本交换单元的主要功能之一，缓存的设计是实现a t m 交换机中的 一项关键技术。目前存在三种最基本的排队缓存方法：输入缓存、输出缓存和中间 缓存( 如图1 2 - 3 ( a ) ，( b ) ，( c ) 所示) 。这几种基本排队方法也可以在一个系统中混合使用， 从而产生输入输出缓存、输入一中间一输出缓存和中间输出缓存等方案。 基本的输入排队是在交换单元的每个入口端都配置一个专用的“先入先出”( f i f 0 1 缓存来存储输入信元。输入排队的最大缺陷是存在排头阻塞h o l ( h e a do fl i n e 6 华中理y - 大学博士学位论文 b l o c k i n g ) ，即当个队列的队首信元没有输出权限时，其后面的所有信元都必须在 队列中等待，即使它们的目的端口是空闲的。由于存在排头阻塞，交换系统的最大 吐吞量t p 。只能达到o 5 8 凹l 【l 。为了克服排头阻塞，提高系统吞吐量，人们在输 入端采用了各种不同于简单先入先出的仲裁策略，由仲裁逻辑控制每个队列中信元 的选择输出。仲裁逻辑对信元竞争的裁决可有不同的方法，如对所有输入队列采取 轮流优先的办法；或者根据输入队列的长度来选择优先者等等。提高输入缓存性能 最有效的方法是“开窗算法”( w w i n d o w sm a c h a n i s m ) ：在每个时隙内，当一个输入 端的缓存队列的第一个信元因目的地冲突无法传输时，它会尝试把队列中的第二个 信元传输传输到其目的输出端，如果仍被阻塞，则尝试队列中的第三个信元，这样 直到第w 个信元( 显然，当w = 1 时，即表示简单的f i f o 缓存) 。w 值越大，则越能有 效的消除排头阻塞的影响，模拟表明在n = 1 2 8 ，w = 8 时，可实现t p 。，o 8 8 ，如果取 w = m ，则t p 。“= 1 【9 9 】【1 0 ”。 ， 输出缓存是在交换单元的每个出口端都配置一个专用的缓存，多个同时要求到 达某一出端的来自不同输入端的信元在该输出端的缓存排队i 叫 1 0 0 l 。如果要在竞争最 激烈的情况下在一个信元时隙内将n 条入线上的信元送往同一输出队列，传输媒体 的速率必须是入线速率的n 倍，另外，输