（电磁场与微波技术专业论文）lobs网络信道调度模块的设计与实现.pdf

北京邮电大学硕士学位论文 l o b s 网络调度f p 6 a 的设计与实现 摘要 标签光突发交换( l o b s ) 技术将多协议标签交换( m p l s ) 和光突 发交换( o b s ) 技术结合起来，具有更高的灵活性和效率。本论文围绕 国家“8 6 3 ”计划资助课题“标签光突发交换试验系统”，对l o b s 网 络的边缘节点和核心节点中的资源调度以及嵌入式处理器与f p g a 的 硬件接口进行了设计与实现。 论文首先介绍了l o b s 网络的技术背景、试验系统的架构、边缘 节点以及核心节点的硬件结构。 论文中详细介绍了边缘节点调度f p g a 的模块化设计，以及各部 分的具体实现设计，主要包括信息交互处理模块、地址解析与存储器 模块、控制信道帧接收模块、控制信道帧发送模块、资源预约控制器 模块等。其中信息交互处理模块主要完成与组帧f p g a 的信息交换； 与嵌入式系统的信息交互采用地址解析模块来统一识别处理类型并 对不同存储区域进行读写操作。 论文具体阐述了核心节点主控制板的f p g a 功能设计。给出了核 心节点f p g a 的模块图，并为各个模块设计了详细流程，其主要包括 控制信道帧接收模块、控制信道帧发送模块、路由信令帧传输管理器 模块、预约信息传输管理器模块、光交叉矩阵控制器模块、资源调度 器模块、地址解析与存储器模块等。 论文最后总结整个技术部分，并提出了对下一步研究的一些观 点。 关键词：光突发交换，标签光突发交换，资源调度，f p g a 北京邮电大学硕士学位论文 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o nf o rs c h e d u l i n g i nl o b sn e t w o r kw i t hf p g a a b s t r a c t l a b e l e do p t i c a lb u r s t s w i t c h i n g ( l o b s ) n e t w o r k ，c o m b i n gt h e m u l t ip r o t o c o ll a b e ls w i t c h ( m p l s ) a n do b st e c h n o l o g i e s ，h a st h e a d v a n t a g eo fh i g hf l e x i b i l i t ya n dh i g he f f i c i e n c y b a s e do nt h ep r o j e c t “l o b sn e t w o r kt e s t b e d ”s u p p o r t e db yt h en a t i o n a l8 6 3p r o g r a m ，i nt h i s p a p e r , t h ed e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i o n o ft h ec h a n n e l s c h e d u l i n g a l g o r i t h m si ne d g en o d ea n dc o r en o d eo fl o b sn e t w o r ka r es t u d i e da s w e l la st h eh a r d w a r ei n t e r f a c eb e t w e e nf p g aa n de m b e d d e dp r o c e s s o r t h eb a c k g r o u n do fl o b st e c h n o l o g y , a r c h i t e c t u r eo ft e s t b e da n dt h e f r a m es t r u c t u r eo ft h ee d g en o d ea n dc o r en o d ea r ei n t r o d u c e df i r s t l yi n t h i sp a p e r i nt h i sp a p e r , t h ed e s i g no f t h es c h e d u l i n gm o d u l ew i t hf p g ai ne d g e n o d ei sd e s c r i b e di nd e t a i l ，i n c l u d i n gm o d u l ef o ri n f o r m a t i o ne x c h a n g e ， a d d r e s s i n ga n db u f f e r i n gm o d u l e ，f r m n er e c e i v i n ga n ds e n d i n gm o d u l e ， a n dc h a n n e lr e s o u r c e s c h e d u l i n gm o d u l e ，a n d s o no n t h eb u r s t i n f o r m a t i o ni s e x c h a n g e d w i t h a s s e m b l i n g f p g ai ni n f o r m a t i o n e x c h a n g em o d u l e a d d r e s s i n ga n db u f f e r i n gm o d u l ea r eu s e dt oe x c h a n g e m e s s a g e sb e t w e e nf p g a a n de m b e d d e dp r o c e s s o ra n dc a r r yo nt h er e a d a n dw r i t eo p e r a t i o nt od i f f e r e n tb u f f e r i n ga r e a i nt h i sp a p e r , t h ef p g ad e s i g ni nc o r en o d eo fl o b st e s t b e di sa l s o d i s c u s s e di nd e t a i l t h em o d u l e si nc o r ef p g ai n c l u d es c h e d u l i n g m o d u l e s ，i n t e r f a c em o d u l ef o re m b e d d e dp r o c e s s o r , i n t e r f a c em o d u l ef o r o p t i c a lc r o s sm a t r i xa n da d d r e s s i n ga n db u f f e r i n gm o d u l e ，a n ds oo n t h e d e s i g n so f t h e s em o d u l e s a r ea l s od e s c r i b e di nd e t a i l f i n a l l ya l li n v o l v e dt e c h n o l o g i e s a r es u m m a r i z e di nt h i sp a p e ra n d s o m es u g g e s t i o n sf o ri m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c eo ft h ed e s i g na r ea l s o p u tf o r w a r d k e y w o r d s ：o b s ，l o b s ，s c h e d u l i n g ，f p g a 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，本人承担一切相关责任。 本人签名：农四目垆 日期：加7 - d 7 7 歹 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： 导师签名： 展羽牮 i 扭刨 日期：工7 ：d 扩 日期：沙订卜l j 北京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1l o b s 网络的产生背景 互联网的不断发展壮大和各种新兴业务的出现，如各种多媒体网页、多媒体 游戏、多媒体会议、电子商务等，使互联网络业务呈指数增长。由于业务的多样 性和多变性，传统的核心交换网络已经不适于互联网不断发展的需要。这种形势 促使研究者们加快对波分复用( w d m ) 传输和全光交换技术深入研究，以便适应因 特网流量的爆炸式增长、业务的多样性和业务突发性。 目前光网络采用的静态或动态波长路由( 或者说光电路交换，0 c s ) 机制，协 议机制相对简单，技术成熟，易于实现。但它类似于电路交换机制，建立和拆除 一条通道需要一定的时间，并且该时间与它连接的保持时问无关，而主要决定于 端到端的信令时间“。当连接保持时间比较短时，它将导致信道的利用率变差。 因此，它不适合于持续增长且变化无常的因特网流量，如网页浏览、f t p 文件传 输、电子邮件等。 在光交换中，光分组交换( o p s ) 在带宽利用率、延时和适应性等方面比较好。 从长远的角度来考虑，o p s 是一种很有前途的技术，但因为它的实现比较复杂， 目前光逻辑处理技术不成熟，没有可用的光随机存储器( o r a l l ) ，所以还需经过多 年的研究才能得以应用。 针对目前o c s 和o p s 存在的一些问题，近年来，人们提出了一种新的光交换 技术一光突发交换( o b s ) 技术，并迅速得到国内外学者们的广泛关注。o b s 得以 引人注目，是因为它兼有o c s 和o p s 的优点，同时又避免了它们的不足。 在o b s 网络中，中间节点无需任何光r a m ，突发数据的传输是通过它相应 的控制分组( b c p ) 预留资源来完成的，突发数据分组在中问节点直通，无需存储。 而在光分组交换中，突发数据在中间节点存储转发。相对于光电路交换，o b s 可 获得更好的带宽利用率，因为它允许每一个波长的突发数据流之间统计复用，否 则需占用几个波长。另外，突发分组的端到端( e t e ) 延时相对较少，因为偏置时 间远小于波长路由中建立波长通道的时间。 在o b s 系统中，一般采用单向预留的方式，即控制分组提前于数据突发分组 发送，而数据突发分组在等待一定的时间后，不需要等待回复确认消息，直接在 预先确定的信道( 波长) 上发送。每个控制分组对应于一个突发数据分组，它包含 其对应突发数据分组的一些基本信息，如突发长度、偏置时间、波长i d 和路由 信息等，比突发数据短得多。 北京邮电大学硕士学位论文 在中间核心节点，控制分组经过光电光变换和电信息处理，为相应的光突 发分组预留资源。而突发数据分组不需光电光处理，从源节点通过控制分组事 先配置好的链路，直接透明( 全光) 地传送到目的节点。 目前交换领域中一个研究重点是把m p l s ( 多协议标签交换) 的概念扩展到 光传送网中，形成光标签交换( 0 p t i e a ll a b e ls w i t c h i n g ，o l s ) 。它的核心思 想是使用光标签来建立数据在光网络中的传送路径，免除路径复杂的路由处理， 从而提高数据交换速率。o l s 网络可以采用各种光标签技术，比较典型的是采用 波长作标签的o l s ，也称为m p k s ( 多协议波长交换) 。m p k s 具有与m p l s 相似 的优势，如支持流量工程、支持q o s ( 服务质量) 及转发速度快等。 鉴于o b s 与o l s 各自的特点，两者可以很自然地结合起来形成光标签突发 包交换技术。由于l o b s 结合了o l s ( 实质上是m p l s ) 与o b s 各自的优点，因此 具有更加良好的应用前景。 1 2l o b s 网络的特点 l o b s 是采用m p l s 机制的o b s 技术或者是采用o b s 控制机制的o l s 技术。 由于基于o b s 技术，l o b s 同样使用分离的波长来传送数据突发包和它们的控制 分组。但是控制分组所携带的信息与通常的o b s 不同，l o b s 的控制分组不再携 带突发包的地址信息，而是加入了标签信息，其他的信息如承载突发包的波长信 道、偏置时间、q o s 要求等则仍然需要携带。一旦l s p 建立起来，l o b s 网络中 对控制分组的处理不必再进行路由计算，只要根据其所携带的标签进行基于标签 交换的转发操作即可“1 。在这个过程中，输出数据信道的调度和根据q 0 s 的处 理与o b s 一样。l o b s 网络是由多个边缘节点和核心节点构成的，边缘节点与核 心节点之闯由w 0 m ( 波分复用) 链路连接。每个节点更新突发包的标签，使它 按照标签表传输到目的节点。 l o b s 网络的边缘节点提供与其他网络的接口、控制分组生成、突发包组装 分解以及f e e 封装和标签操作等功能。核心节点负责对到达的突发包进行基于 标签的交换。数据分组在入口边缘节点处组装成突发包，配备带有标签的控制分 组，然后在l o b s 网络中传送，再由出口边缘节点拆分数据分组。可见，边缘节 点和核心节点除了应具有o b s 节点的功能外，还应具有m p l s 的标签交换路由器 ( l s r ) 的功能。 具体来说，光突发交换技术是用不同的波长和信道来传送承载业务的数据分 组和包含由路由信息、数据分组头信息的控制分组。如图卜1 所示”。每一个突 发的数据分组对应一个控制分组，传送突发数据分组的通道称为数据信道，传送 控制分组的通道为控制信道。当数据到达o b s 边缘节点时，根据目的地址和其他 2 北京邮电大学硕士学位论文 属性组合成大的数据分组，同时产生带有路由信息和数据分组信息的控制分组。 根据协议，控制分组先于数据分组发送，并且是通过独立于数据信道的控制信道 单独发送。控制分组到达中间节点之后，需要中间节点的电子处理，但控制分组 的长度非常短，这样使高速的电处理得以实现，并且降低了核心路由器进行 e o e 处理时所需的容量。先一步传输的控制分组在中间节点为要传输的数据分 组定好了必要的网络资源，指配空闲光信道，实现数据信道的带宽资源动态分配。 并在不等待目的节点的确认信息的情况下就立即发送该数据分组。随后数据分组 就可以根据已有的资源在不需要e o e 转换和中问节点转发的情况下直接在端 到端的透明数据传输信道中传输和交换，到达目的边缘节点。在目的边缘节点， 数据分组根据相应控制分组的信息被拆装还原成原来的i p 数据包。并发往目的 地。 数据分组1 二二二二二l 一数据信道l 0 融t t i m e l ； i 控制分组i控制分组2 囵口 图i - 1o b s 信道 数据信道2 数据信道n 控制信道 o b s 的一个主要特点是其突发包和控制分组在分离的信道上传输。将数据信 道与控制信道在物理上分离，实现了控制信息和数据信息相剥离：数据在o b s 网中保持为光信号而控制信号则采用电域方式处理，即经过每个节点时控制信号 都要经历o e o 的转换。 如图卜1 所示，光纤上的d w 踟信道被分成两组，其中一组用于传输突发包的 控制分组，称为控制信道，另一组则用于传输突发包数据，称为数据信道。边缘节 点在组装好一个突发包的同时生成相应的控制分组，如果此时有空闲信道则立 即将该控制分组发送出去，突发包则需经过一段偏置时间后再发送。这种数据与 控制分组分离传输的特点有利于核心节点在突发包到达之前就根据控制分组中 的信息预留带宽。需要指出的是，o b s 网络中核心节点对控制分组的处理还是在 北京邮电大学硕士学位论文 电域内进行的，节点根据控制信息配置好资源后，突发包就可以直接通过，而无 需经过o e o 的转换“1 。 相对传统的电路交换而言，o b s 网络具有更大的灵活性和带宽利用效率，相 对于光分组交换而言，它具有更简单的可实现性，它结合了两种交换方式的优点， 并部分克服了它们的缺点。 同时，o b s 技术也面临一系列难点有待研究解决，如：突发调度、汇聚算法、 偏置时间设置、o o s 保证、资源竞争解决等。其中，边缘节点处的流量汇聚是o b s 中最基本最关键的核心问题之一，它直接或间接涉及到上述问题的讨论与解决， 对网络综合性能和带宽利用效率均有较大的影响。 1 3l o b s 实验网络的结构 8 3 6 的计划是建立一套完整的l o b s 网络架构和分层模型，本项目根据8 6 3 的项目要求构建了一个如图卜2 所示的光突发交换试验网络系统。从节点功能考 虑，可以将l 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。接入层是l o b s 层的用户层，可以是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；l o b s 层向上层提供各种o b s 服务；物理层实 现光比特的透明传输、放大和交换。 i p 】嘣j t e r i p r t l 口t e r i p i p r o i i t e r 图卜2 光突发交换实验网络 试验网络包括四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，从丽实现高速、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节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 4 北京邮电大学硕士学位论文 信息、目的节点信息等，同时还包括业务等级信息依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。 1 3 1l o b s 网络边缘节点的结构 边缘节点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。在物理实现结构上主要分为三个部分：交换板、 控制板和光板。如图1 3 所示： 交核 光 换 心 接 板 鸯 板 口 板 图1 3 边缘节点的硬件结构 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 t ) t r u n k 模式端口，为控制板提供数据。 核心板是o t i 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：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；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。 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。 1 3 2l o b s 网络核心节点的结构 核心节点在o b s 网络中主要完成处理控制信息( 以电域的形式) ，进行资 北京邮电大学硕士学位论文 源调度和预留，输入方向：光纤链路到达核心节点时，首先用粗波分复用器 ( c d m u x ) 完成控制信道与数据信道的分离，控制信道与核心节点的主控板相 连，做相应的电域处理，数据信道直接和光交叉矩阵相连。输出方向：用粗波分 复用器完成更新后的控制信道和数据信道的合成。结构图如1 - 4 所示： 控制波怪榨制波长 入光役 c 1 3 1 0 n m 控制板 1 3 1 0 n m m m u u数据波长组 光交叉 数据波长组 x 一一一氆；黔 矩阵 一甏黔 图l 一4 核心节点硬件结构 控制板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， 然后再生成新的控制分组发送到下游节点。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。本项 目中采用的是4 4 的光交叉矩阵。 在核心节点中，控制板是一个关键部件。它负责控制标签交换和资源预留。 主要在可变成逻辑器件f p g a 中实现，为了执行标签交换，控制单元中应该维护 一个标签信息表。这样，当一个突发包的控制分组到达核心节点时，首先被转化 为电信号，从标签栈中弹出标签，并送入到负责标签交换的模块中查找标签转发 表，执行标签交换操作。然后，压入新的标签，并把控制分组通过交换模块交换 到对应输出端口的输出队列中。当控制分组位于队首时，被读取并送入到调度器。 调度器执行资源预留控制，每个调度器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。它建立并维护各个信道的使用状态表，根据控制 分组的信息来选择输出波长信道分配给突发包和控制分组，并向交换矩阵发出交 换所需信息( 如输入输出端口信道及突发包的到达时间与长度等) ，最后，控制 分组被发送到调度器分配的控制信道。 1 4 论文主要内容 本论文围绕国家8 6 3 计划资助课题业务导向的o b s 系统研究，设计和 实现了l o b s 网络信道的调度。论文主要分为四部分。 第一章：介绍了光突发交换技术的背景知识，并给出本项目中l o b s 试验网 络的体系结构，即c a - - 个边缘节点和四个核心节点组成的网状拓扑。本章还给出 6 北京邮电大学硕士学位论文 了边缘节点和核心节点的硬件结构图，由此可以清晰的描述出节点的构架、信道 波长处理方案等。 第二章：主要研究了边缘节点信道调度功能的实现。边缘节点的主要功能是 数据组装与信道调度，分别由一块f p g a 来实现，本章给出了信道调度f p g a 的 模块化设计，包括与组帧f p g a 的信息交互、与嵌入式系统的信息交互、接收与 发送控制信道帧以及突发包的信道资源调度，其中与嵌入式系统的信息交互采用 地址解析模块来统一识别处理类型并对不同存储区域进行读写操作。本章的最主 要的部分是信道资源调度模块的设计和实现方案，并引入了单条信道资源链表的 概念，本章单独用一节对其进行了详细的描述。 第三章：详细介绍了核心节点信道调度功能设计与实现。核心节点作为交换 节点接收到的数据信道信息直接透过光交叉矩阵透传，接收到控制信道的路由信 令帧上传到上层模块，接收到预约控制帧后提取有效信息，去预约其出口信道资 源的资源，算法与边缘节点基本相同，增加了控制光开关矩阵的信息，本章中详 细给出了f p g a 的模块化设计框图与调度算法的实现方法。 第四章对整个论文技术部分做了总结，并提出了对下一步工作的展望。r 综上所述。本论文主要针对o b s 网络边缘节点与核心节点的调度功能、路 由功能要求，结合作者的实际设计经验，对f p g a 的功能设计、调度算法的实现、 模块划分与连接及测试结果进行的详细的阐述和论证，并配以详细的模块功能流 程图，对整个设计给予了具体的说明，提出了对系统进行进一步改进与优化的观 点与方法。 7 北京邮电大学硕士学位论文 第二章l o b s 边缘节点调度f p g a 的设计与实现 2 1 边缘节点核心板的总体结构 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。如图2 1 所示，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 t ) t 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 ，组装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，经过光板接收后，在通过$ 2 0 6 4 芯片发送至突发包组装f p g h 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 t ) t r u n k 模式端口，交换 图2 一l 边缘节点核心板的总体结构图 调度f p g a 还通过数据地址线与嵌入式m p c 8 6 0 控制板相连，该嵌入式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，对各单板的复位以及板在位检测等功能。 2 2 调度f p g a 的模块化设计 边缘节点的调度f p g a 负责边缘节点控制层面的信息处理，包括响应上层嵌 入式8 6 0 收发路由信令帧、配置组帧及调度参数；从组帧f p g a 接受突发包的描 北京邮电大学硕士学位论文 述信息进行资源预约并产生突发控制帧：统计节点的业务流量以及定时通知发送 突发数据包。具体实现模块图如下： j 匠1 儿 臣圃 l f t n 表f 发路f自信| 统计信息8 收路由信息f 广一一_ 1 q 0 s 表i 息存螽器 存储器存储器 一一l 信 息 f 1 l 【制 交l 一j 资源预约】 ! i道 互r 一 控制器l 处i _ a 控制信道 u 理 h 。1 。一 j 隧r _。i 控制信 l 发送模块 l 图2 2 边缘节点调度f p g a 模块化分示意图 现说明其工作过程： 本节点的时间计时由定时发送模块的当前时间计数器产生维护，工作时钟为 1 2 5 m ，时间粒度为8 n s 。 当有突发包组装完成时，信息交互处理模块接收由组帧f p g a 传送过来的突 发包的描述信息，并通过查询时间参数表得到此突发包的偏执时间和标签，然后 进入资源预约控制器。 资源预约模块根据当前时间、偏置时间、突发包的长度来计算出此突发包的 发送开始时间和发送结束时间，并根据这个占用的时间段来预约资源。当预约成 功后，突发包的信息存储在信道资源存储器中，然后通知控制信道帧发送模块发 送一个与此突发包唯一对应的控制帧。 控制信道帧接收模块接受来自其他节点的路由帧和控制帧，因为边缘节点 是网络链路的最后节点，接收的控制帧统计后不再做任何处理，接收的路由信令 帧存到收路由信息存储器，每接收一个路由帧都会像m p c 8 6 0 发送一个中断请求， 通知上层来读取。 由于f p g a 和m p c 8 6 0 之间只有一对数据线和地址线，因此需要一个模块来处 理区分m p c 8 6 0 对f p g a 的不同操作，地址解析模块就起到了这样的作用，用地址 o 北京邮电大学硕士学位论文 信号的1 9 到1 6 位的不同组合来作为不同操作的标志，从而通过地址解析模块来 区分，包括读接收的路由帧、读统计信息、写入待发送的路由协议帧、写入配置 组帧调度参数以及当链路建立以后写入f t n 表。 控制信道的收发对应$ 2 0 6 4 的一对通道，然后传到光扳。 2 2 。1 地址解析与存储器模块 本系统采用的m p c 8 6 0 是摩托罗拉公司开发的一款以嵌入式p o w e r p c 为内核 的微处理器，采用数据地址总线模式实现突发包调度f p g a 与m p c 8 6 0 互连通信， 数据线和地址线分别为3 2 根。如图2 3 所示，地址解析模块直接跟m p c 8 6 0 模块 相连，根据地址线的值来判断m p c 8 6 0 的操作，本部分将存储区域分为5 部分， 分别为图中的r a m 卜一r a m 5 ，具体的划分细节在下面的章节一一讲述。 图2 - 3 存储器与嵌入式c p u 连接图 m p c 8 6 0 主要用来与f p g a 交互传递网络控制层面需要的信息，包括： 嵌入式模块要从f p g a 中读取的信号有： a 、从各路控制信道进来的路由信令帧，由控制信道帧接收模块接收，存储 至如图r a m l 中。每收到一个信令帧，向m p c 8 6 0 递交一个中断信号，m p c 8 6 0 收 到中断信号后读取一次； b 、节点的业务性能统计信息，由信息统计模块写入r a m 2 中，统计以秒为 单位，包括收发的突发包数目、传输信息的字节数、预约失败的突发包的数目和 信息字节数。统计信息的读取采用轮询的方式，由嵌入式系统每到1 秒读取一次； 嵌入式模块要写入到f p g 中的信号有： 1 0 北京邮电大学硕士学位论文 a 、r s v p 协议部分生成的标签转发表。存储在r a m 3 ： b 、上层需要往输出端口发送的路由协议帧，存储在r a m 4 区域： c 、网管的配置信息，包括组帧算法及参数配置、调度时问参数配置，存储 在如图r a m 5 中： 由于只有一对数据地址总线，因此需要一定的机制来区分这些存储区域并避 免冲突，使任何时候只有一种业务在占用总线。 2 2 1 1 地址解析模块 本系统中，采用b l p c 8 6 0 地址线的高位作为片选信号来片选f p g a 内部不同的 存储r a m ，来实现对f p g a 地址空间的灵活调用，以下地址信号都用1 6 进制表示。 当m p c 8 6 0 对f p g a 操作时，地址的开始是x “5 0 0 0 0 0 0 0 ”，本论文采用地址 的1 9 1 6 位作为片选信号，则对应的地址空间分类如下： 表2 1 地址解析映射表 存储区域( 地址信号的位数)地址空间( 1 6 进制)备注 路由信令帧接收缓存( 1 2 b i t ) 5 0 0 4 0 0 0 0 - 一5 0 0 4 4 0 0 0 f p g a 地址1 统计信息采集缓存( 6 b i t ) 5 0 0 6 0 0 0 伊一5 0 0 6 0 4 0 0 f p g a 地址2 f t n 表缓存( 8 b i t ) 5 0 0 1 0 0 0 0 _ 一5 0 0 1 0 4 0 0 f p g a 地址3 路由信令帧发送写缓存( 1 0 b i t ) 5 0 0 2 0 0 0 0 - 一5 0 0 2 1 0 0 0 f p g a 地址4 配置信息缓存( 7 b i t ) 5 0 0 8 0 0 0 m 一5 0 0 8 0 0 8 0 f p g a 地址5 由上表可见，地址信息有很大的冗余空间，可以根据需要进行扩充，需要说 明的是，采用3 2 位模式时，m p c 8 6 0 系统的读写地址是以4 为单位的，即m p c 8 6 0 地址加“4 ”，f p g a 地址加“l ”，所以上地址映射表中的c p d 地址解析后的地址 除以4 才是f p g a 内部对应的地址。 ( 一) 地址解析模块与 t p c 8 6 0 系统的接口信号如表2 2 所示： 表2 2 嵌入式c p u 与f p g a 接口信号定义 信号定义功能定义备注 d a t a 3 2 位数据总线( 3 1 0 )双向信号 连到5 个r a m 的数据信号端 a d d r e s s 3 2 位地址总线( 3 1 - 0 ) c s 片选f p g a 的使能信号低有效 w r e n r d e n读写使能信号低有效 i n t e r r u p t中断信号低有效 ( 二) 地址解析模块的工作流程如下： 北京邮电大学硕士学位论文 步骤i ：检测c s 信号是否有效，当c s 为低时。根据地址总线信号的1 9 1 6 位、w r e n 和r d e n 的值，判断是哪种读写操作并跳转到相关步骤； 步骤2 ：写入操作，相应的r a m 写使能置为有效，执行写操作。 a ：p i n 表的写入；把地址总线的9 b i t 一2 b i t 赋值给r a m 3 的地址信号； b ：待发送的路由信令帧的写入：把地址总线的l i b i t 一2 b i t 赋值给r a m 4 的 地址信号； c ：配置信息写入：把地址总线的8 b i t - 2 b i t 赋值给r a m 5 的地址信号； 步骤3 ：读取操作，相应的r a m 写使能置为有效，执行写操作。 a ：接收的路由信令帧的读取：把地址总线的1 3 b i t 一2 b i t 赋值给r 瞄2 的地 址信号： b ：统计信息的读取：把地址总线的7 b i t 一2 b i t 赋值给r a m 2 的地址信号； 2 2 ，1 2 路由信令帧存储器结构 路由信令帧的接收缓存r a m i 和和发送缓存r a m 4 内的存储结构是一样的。链 路中有6 种不同的帧格式，其长度也不同，但是最长的帧不会超过6 4 个字节。 由于3 2 位的读写模式，所有的r a m 数据总线均为3 2 位。为了方便存储，所以本 论文规定每个帧占用1 6 个存储单元，即3 2 1 6 b i t 的容量，上层将路由信令帧 4 个字节组合写入一个r a m 的存储单元，不足6 4 字节的部分补齐为0 。 由于不用考虑几种类型的帧的长度区别，读写地址分别是连续的，即每次对 一个帧操作后地址加1 6 ，因此f p g a 的读写和m p c 8 6 0 的读写采用自同步，不需 要再进行地址的交互。这种固定帧格式存储的方式减小了系统处理的复杂度，由 于f p g a 内有非常富裕的存储单元，这种方式造成的资源浪费完全可以忽略。 2 2 i 3f t n 表存储结构 f t n 表提供边缘节点突发包的出标签信息，标签根据突发包的源地址、目的 地址和传输等级来决定，具体的生成方式由路由管理层面决定。 f t n 表存储器的地址处理方式决定了f p g a 内部程序的读取方式，为了更加 简单快捷的查找突发包的标签，本项目中把突发包的f e c 号变换做为f t n 表的地 址，对应的r a m 单元内存储的是与它唯一对应的标签信息，用一个字节长度表示， 放在每个存储单元的低8 位，高2 4 位为无效信息。 i 0 ( 4 b i t ) l 目的地址( 2 b i t ) lq o s ( 2 b i t ) l f e e 号是组帧f p g a 生成的用来标示突发包的信息，为4 b i t 的信息，把它作 为低4 位，高四位补齐为。0 就得到了读f t n 表的地址。 2 2 1 4 统计信息存储结构 北京邮电大学硕士学位论文 信息统计模块以秒为单位统计节点的业务性能信息，并写入r a m 2 中，地址 分配表如表2 3 所示。统计信息由业务接入端、突发端和控制信道三部分组成。 业务接入端统计接入到l o b s 网络和从网络输出韵业务流量，由组帧f p g a 提供； 突发端统计经边缘节点组帧调度到不同波长上的流量信息( 本系统试验系统只用 了一个波长，所以下表中波长二的性能信息没有具体分配地址) ；控制信道部分 统计发送的控制帧的数目。 统计信息的读取采用轮询的方式，由上层网管系统每1 秒读取一次： 表2 - 3 统计信息存储地址表 业务接入端接收的包数秒 o o h 业务接入端接收的字节数秒 0 1 h 业务接入端 业务接入端发送的包数秒 0 2 h 业务接入端发送的字节数秒 0 3 h 突发端( 波长1 ) 接收的突发包数秒 1 4 h 性能 突发端突发端( 波长1 ) 接收的字节数秒 1 5 h 信息 突发端( 波长1 ) 发送的突发包数秒 1 6 h 突发端( 波长1 ) 发送的字节数秒 1 7 h 控制信道控制包发送的包数秒 3 c h 控制信道控制包发送的的字节数秒 3 d h 控制信道 控制信道路由包发送的包数秒 3 e h 控制信道路由包发送的的字节数秒 3 f h 2 2 1 5 配置信息产生与存储结构 为了使网络更加灵活，网管可以随时根据上层需要更改结点的配置信息，包 括组帧参数、调度参数等，本系统中存储的具体信息和存储地址如表2 - 4 所示： 表2 - 4 配置信息存储地址表 q o s0 包长门限 o e h q o s0s t e p 值 o f h q o s0 时间门限 l o h 时间包长双门限 q o sl 包长门限 1 1 h 组帧算法 q o s1 s t e p 值 1 2 h 控制信道 q o sl 时间门限 1 3 h q o s2 包长门限 1 4 h q o s2s t e p 值 1 5 h s2 时间门限 1 6 h 第一次配置完成 7 d h 配置完成标示 非第一次配置完成 7 e h 节点i d节点编号 7 f h 当更新的配置信息都已经写入到r a m 后，向对应的配置完成标示写入1 ， 程序不断的检测配置完成标示的变化，当发现一次新的配置完成后，启动配置信 北京邮电大学硕士学位论文 息传输控制程序，将新的组帧参数传输给组帧f p g ，新的调度参数存入另一个 存储器以备查询。 由此可见，配置信息存储器只是用来缓存配置信息，调度参数的查询在另一 个存储器内，因为调度参数的查询是很频繁的，而网管更改配置信息存储器周期 比较长，这样设计是为了避免同时读写同一个地址的数据而引入错误的值。 2 2 2 信息交互处理模块 调度f p g a 和组帧f p g a 的信息交互包括两个部分：新生成突发包的信息 由组帧f p g a 传送到调度f p g a 完成资源预约；当突发包的发送时间到来时， 调度f p g a 把突发包的信息返还给组帧f p g a 来发送此突发包。下面分这两种 情况分别介绍。 当组帧f p g a 有一个突发包生成时，会把此突发包的描述信息通过高速线传 输传到调度f p g a ，本模块来接收这些描述信息井转化信息格式，得到调度需要 的信息并启动新突发包的资源调度。具体操作步骤如下： 步骤l ：进程空闲时，向组帧f p g a 发送“新突发包调度”的请求； 步骤2 ：等待新突发包描述信息的到来，并记录此时的时间值。计算提取突 发包的f e c 号、突发包长度和突发包存储的m a c 地址； 步骤3 ：根据f e c 号得到查f t n 表和调度参数表得到突发包的标签和偏置 时间的值，发送“预约开始”使能信号、突发包的长度、偏置时间、m a c 地址 和突发包到来时间的值给资源预约控制器，启动此突发包的预约； 步骤4 ：等待预约结果，如果预约成功，得到预约的光信道号，并把所有突 发包的信息传送到控制帧产生模块，同时产生一个“生成控制帧”的使能。如果 预约失败，则返回初始状态。 其中f e c 号的组成为( 目的地址2 b i t ，q o s2 b i t ) ，调度参数为突发包的偏 置时间，每种q o s 对应一个偏置时间的值，因为我们把调度参数表又成为q o s 表。规定q o s 表的查询地址为( “0 0 0 0 0 0 ”，q o s2 b i t ) 。f t n 表得查询地址为 ( “0 0 0 0 ”，f e c 号) 。 当有突发包的发送时问到来时，本模块用来接收资源调度控制器传送的此突 发包的信息，包括突发包的长度和突发包的m a c 地址，并转换为与组帧f p g a 约定的格式传送给组帧f p g a 。 2 2 3 资源预约控制器模块 资源预约控制器主要由三个部分组成：当前时间计数器、信道选择控制模块 和单条信道资源调度器。如图2 - 4 所示，每一个单条信道调度器对应一个光信道， 维护着这个信道的资源预约信息。当一个突发包到来时，信道选择控制模块启动 多条信道的并行搜索，突发包的描述信息也同时到达各条信道资源调度器进行处 理、预约资源，并将预约结果输出给信道控制模块，如果同时有多个光信道符合 1 4 北京邮电大学硕士学位论文 要求，信道控制模块通过一定的算法为突发包选定一个信道，从而完成一个突发 包的预约。 图2 4 突发包调度器的模块化分 2 2 3 1 当前时间计数器 由于o b s 网络偏置时间的概念，因此节点需要精确的时间算法来计算每个突 发包的发送时间与结束以及完成突发包的定时发送，由于f p g a 本身数字电路的 特点，时间只能是离散的，本系统采用二进制向量来表示当前时问，即时间每向 前推进一个单位，此二进制向量加1 ，本论文称之为当前时间计数器，而称这 个时间单位为时间粒度。计数器的值乘以时间粒度即为日常所用的时间单位，本 系统工作频率为1 2 5 m ，时间粒度为8 n s 。 系统中设计时间相关的量都采用这种离散二进制数表示法，如突发包的发送 时间、结束时间、突发包长度、偏置时间等，二进制数的长度系统根据需要而定。 2 2 3 2 信道选择控制模块 信道选择控制模块内嵌一个