CN100346619C

CN100346619C - 一种无队头阻塞的光突发/分组交换系统

Info

Publication number: CN100346619C
Application number: CNB2004100401126A
Authority: CN
Inventors: 王晟; 张毅; 谭伟; 张祎
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2004-07-02
Filing date: 2004-07-02
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2024-07-02
Also published as: CN1716903A

Abstract

本发明提供了一种无队头阻塞的光突发/分组交换结构，在入端口用波分复用器分离不同波长的突发数据；然后根据调度需要用波长变换器将其变换到任意的波长；再经过1×P的光开关选择到P组FDL的任意一个上去；最后从所选择的FDL送到相应的出端口。实现了入端任意端口任意波长的突发数据可以经过一个可控时延交换到任意出端口的任意波长的目的。本发明具有实现无队头阻塞光交换、数据丢失率低、结构简单，高性能和低成本等特点。

Description

一种无队头阻塞的光突发/分组交换系统

技术领域

本发明属于光通信技术领域，它特别涉及光突发交换/分组网络中核心交换节点的交换结构设计技术。

背景技术

随着密集波分复用(Dense Wavelength Divided Multiplex，DWDM)光传输技术和设备的成熟和广泛应用，直接在光层实现业务交换的需求越来越大，因此，全光实现的“电路”交换(即所谓波长路由)和分组交换受到广泛关注，被认为是克服电交换速率瓶颈的有效途径。但是，这两种交换方式都存在各自的缺陷。一方面，随着分组业务(尤其是IP业务)的爆炸式增长，使得人们普遍认为未来的通信网络设计应以优化支持分组业务为主要目标，而波长路由的交换方式本身的特点决定了它不适于支持突发性强，业务变化频繁的IP业务；另一方面，全光的分组交换在实现上存在若干难点，许多关键技术的突破仍有待于光器件技术的成熟(如灵活有效的光逻辑器件、光存储器件，以及光域的同步技术等)。因此，近年来提出的光突发交换(Optical Burst Switching，简称OBS)技术日益受到人们的关注。

在OBS网络中，突发数据(Burst)可以看作是由一些IP分组组成的超长分组，而这个超长分组的分组头就是突发数据的控制分组(Burst Header Packet，BHP)。与传统分组交换不同的是，BHP与突发数据包在物理通道上是分离的，在DWDM传输系统中，可以采用一个(或多个)专门的波长作为控制通道，用于传送BHP，而把其他的波长作为数据通道。BHP与突发数据一一对应，在边缘节点设置BHP与突发数据包之间的偏移时间(offset time)，即边缘节点发送BHP与发送相应突发数据之间的间隔时间。BHP中包含突发数据的有关信息，如偏移时间、突发长度、数据通道(波长)等。BHP在中间节点转换为电信号进行处理，包括路由的确定、资源的预约以及交换矩阵的配置等，保证当突发数据到达时相应的数据通道已经配置好，从而实现数据在光域的透明传输。

从完成的功能来看，BHP与传统电路交换网络中的信令非常相似，正是在这个意义上，BHP也被称为信令消息。但与传统信令不同的是，OBS的信令不必等待目的端的反馈确认，换句话说，OBS的资源预约是单向的。也正是这种“单向预约”机制减小了连接建立延迟，提高了信道利用率。

一个OBS网络主要由边缘节点、核心节点和DWDM链路构成。其中边缘节点负责对数据分组进行缓存和封装，组合成突发数据，然后发送给与之最邻近的OBS核心节点。封装时边缘节点生成描述突发数据特性的BHP分组，先于突发数据在特定的控制通道上发送。核心节点根据控制通道上收到的BHP分组，可以得知突发数据的到达时间、持续时间、目的地址等控制信息，并根据这些信息完成对光路的配置，保证数据的透明通道。

在OBS核心节点，当多个突发数据同时要交换到同一输出端口的某个特定波长通道上去的时候，会产生“冲突”。此时为防止数据丢失，在交换结构设计上主要采用波长变换器(Tunable Wavelength Converter，简称TWC)和光缓存(也称光延迟线：Fiber Delay Line，以下简称FDL)。其中，波长变换是指可以把输入的任一波长转换到任意其它波长，这种变换必须在电信号的控制下完成。当存在多个相同波长的信号要同时交换到同一输出端口的同一波长时，可以分别将冲突信号变换到这个输出端口中其它的空闲波长上，从而避免了冲突。

针对FDL和TWC的配置，业界已提出多种OBS核心节点的结构，较为典型的结构有以下几种：

1.无FDL光缓存的结构，如图1所示。

此结构的缺点在于没有光缓存设备，所以每个突发数据到来后没有延迟，必须马上交换到出端口，当出端口在突发数据到来时没有空闲则突发数据只有丢弃，这样丢失率比较高。

2.有FDL光缓存结构，如图2所示。

此结构添加了光延迟线FDL，从而每个突发数据到达时可以作短暂存储，等待交换平面调度。这样减少了上面的结构所提到的丢失率，但是又引入了队头阻塞的问题(比如从同一个入端口依次来的两个相同波长的突发数据，要到达不同的出端口，如果前面的突发数据在FDL中做了延迟从而与后来的突发数据出FDL的时间交叠，必然引起后来的突发数据在本来交换平面空闲的情况下被无辜丢弃)。

由于以上结构的缺点比较突出，本发明提出了一种新的OBS核心节点交换系统。

发明内容

为了描述方便，做如下定义：

外部阻塞：多个突发数据包要同时到同一输出端口的某个特定波长通道上去的时候，就发生了“冲突”，在分组交换机中也称为“外部阻塞”；在光突发交换节点中，我们沿用“外部阻塞”这个称呼。

队头阻塞：因为在同一时刻不能有两个突发数据从同一FDL的输出端输出，如果有多个跟随进入同一个FDL的突发数据包要到不同输出端口，那么即使输出端口空闲，只要先前的突发数据(burst)经过延时要和后面的突发数据(burst)同时出FDL，那么两个突发数据(burst)都会由于冲突而丢失。

本发明为解决传统OBS核心节点交换结构的队头阻塞问题，提出了一种无队头阻塞的光突发/分组交换系统(核心节点交换系统)，它具有实现无队头阻塞光交换、数据丢失率低、结构简单成本低等特点。

本发明一种无队头阻塞的光突发/分组交换系统(如图3所示)，它包括：P个入端口(P为连接到光纤交换核心节点的入光纤数)、P个出端口、P个波分复用器、P×W个(W是每根光纤上的波长数)波长变换器(简称：TWC)、P个合波器；其特征是它还包括：P×W个1×P的光开关(所述的光开关是1×P)、P×W×P个光延迟线(简称：FDL)；入端口1通过分波复用器分解出W个波长信道(波长信道1，…，波长信道W)，W个波长信道利用光纤分别连接到波长变换器，经过波长变换器变换的波长信号通过光纤输入到1×P的光开关，在1×P的光开关的P个输出端口通过光纤分别连接P个光延迟线，每个光延迟线又经过光纤与P个输出端口一一对应连接，由此构成了输入端口1的无队头阻塞的光突发/分组交换系统；同样，可以构成输入端口2到输入端口P的无队头阻塞的光突发/分组交换系统；由此，就构成了本发明的无队头阻塞的光突发/分组交换系统。

本发明的工作过程：

在入端口用波分复用器分离不同波长的突发数据(burst)；然后根据调度需要用波长变换器将其变换到任意的波长；再经过1×P的光开关选择到P组FDL的任意一个上去；最后从所选择的FDL送到相应的出端口。实现了入端任意端口任意波长的突发数据(burst)可以经过一个可控时延交换到任意出端口的任意波长的目的。

本发明的创新点：

本发明主要解决两个方面的问题，一是实现交换功能，二是要求输入队列无队头阻塞。本发明是在入端口用波分复用器将每个波长分离，然后通过波长变换器把突发数据(burst)变换到出端口在交换时刻的空闲波长，再通过光开关可以将每个突发数据送到与P个出端口一一对应的FDL中，最后FDL的出端接合波器。由于每个波长都对应出端口数目P个FDL可供选择，到达不同的出端口且可能出现FDL出端口冲突的突发数据不会进入同一个FDL，所以不存在队头阻塞问题，即：解决了传统交换结构在交换矩阵目的出端口空闲而突发数据却可能因为FDL出口冲突而被丢弃的矛盾；交换功能通过调度波长变换器和光开关可以完全实现。

综上所述，本发明提供的一种无队头阻塞的光突发/分组交换系统，具有以下优点：

1.彻底解决了使用FDL的交换结构的队头阻塞问题。在传统的使用FDL的交换结构中，同一个入端口的同一个波长的突发数据(burst)必然进入同一个FDL，当前面的突发数据由于调度需要(比如目的出端口在突发数据到来时刻没有空闲)在FDL中做了一个延时，那么它在延时完成后出FDL时就可能与后到达的突发数据发生FDL出端口冲突，其结果必然导致突发数据丢失。在本发明的结构中，入端每个波长对应P个FDL，而这P个FDL又与P个出端口一一对应，每个波长通过一个1×P的光开关可以选择进入任何一个与相应的出端口对应的FDL，所以不存在波长目的出端口空闲状态下，先后到达的突发数据发生FDL出端冲突的情况。此结构设计彻底清除了由队头阻塞所引起的数据丢失率。

2.本发明是没有内部阻塞的交换结构，同没有使用光缓存设备的交换结构比较，又解决了外部阻塞率高而导致的丢失率高的问题。在没有使用FDL的传统交换结构中(如图1所示)，每个突发数据到达必须马上从出端口交换出去，否则由于没有光存储设备，此突发数据只有被丢弃。假设某个入端口入波长上来的突发数据通过BHP预约在某个到达时刻段交换到某个出端口出波长，当有两个或两个以上的突发数据预约了同一出端口出波长，只要这些预约时间段存在交叠，那么必然只有一个突发数据可以得到满足，其他的只有丢弃。在本发明的交换系统中使用了光缓存设备FDL，我们可以调度存在上面所描述的时间段交叠的突发数据作适当的延时以减小出端口冲突概率从而减小丢失率。新结构继承使用了TWC(即波长变换器)增加灵活性。由于每个FDL延迟级数是有限的，在交换结构局部负荷(比如特定出端口出波长资源)比较高的情况下，有限的延迟并不能完全解决外部阻塞问题。所以本发明继承了传统结构中使用波长变换器的方法，当FDL不足以解决由外部阻塞所导致的丢包问题时，我们使用在FDL前端的波长变换器将某些突发数据转换到其他波长交换，从而达到既没有丢包又缓解出端口特定波长负荷的目的。

3.降低了设备成本。同传统的使用FDL阵列来解决队头阻塞问题的交换结构(如图2所示)相比，本发明在达到相同性能的条件下大大降低了代价或成本。在obs核心交换节点所涉及的光器件中，光开关特别是高性能光开关所占成本是相当可观的。传统的使用FDL阵列的交换结构可以通过为每个突发数据选择FDL来解决队头阻塞问题，但是其代价是大大增加对光开关的性能要求。假设有P个入端口，每个端口8个波长，那么需要在FDL阵列前使用P×8组1×8P的光开关。而本发明却可以在达到相同性能的情况下只使用P×8组1×P的光开关，所以设备成本大大降低。

4.同时更值得一提的是，本发明使用控制调度算法和光开关，代替了传统交换结构中的空分交换矩阵，具有很大的创新性。相当于在入端口，就通过控制模块调度波长变换器将突发数据(burst)转换到一定波长，然后使用光开关选择到目的端口所对应的FDL通道上去，从而将繁琐的两次调度过程(如图2所示)简化为一次，算法更加明确，节省使用的空分交换矩阵也为控制设备成本提供了可能。

综上所述，本发明减小了传统交换结构的外部阻塞丢失率；解决了使用FDL的结构的队头阻塞问题，或者比同类的解决类似问题的结构大大减少了对光开关性能的要求；减去了传统交换结构设备中的空分交换矩阵。而且，本发明具备结构简单，高性能和低成本的特点，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1是现有的无FDL光缓存的光交换结构示意图

其中：

表示波分复用器，

表示波长变换器，表示空分交换阵，

表示合波器。

图2是现有的有FDL光缓存的光交换结构示意图

其中：

表示光延迟线FDL。

图3是本发明的无队头阻塞的光突发/分组交换系统示意图

其中：

表示1×P的光开关。

图4是当队头阻塞发生时，现有技术与本发明工作过程比较示意图

其中A表示现有技术工作过程示意图，B表示本发明工作过程示意图，burst1和burst2分别代表同一个入端口同一个波长上邻接而来的要发生队头阻塞的两个突发数据。

具体实施方式：

以附图3为例给出本发明的一个实施例。

在此实施例中，有4个输入端口，每个端口8个波长，用以承载突发数据。每个入端口接一个波分复用器将8个波长分离，通过波长变换器接到一个1×4的光开关，之后并联4个FDL，每个FDL同相对应的合波器连接作为出端口。

如附图4，从同一个入端口同一个波长有两个突发数据(burst)相继到来，两个突发数据要到达两个不同的出端口，其中突发数据1需要在FDL中作延迟，而突发数据2需要马上到达出端口，二者在FDL出端有时间重叠。如果在传统结构中，两个突发数据进入同一个FDL，必然在FDL出端发生冲突，导致丢包(见附图4中A图)；在新结构中，两个突发数据根据到达的出端口不同，由光开关选择进入相对应的不同FDL，可以顺利交换到出端口(见附图4中B图)。

Claims

1、一种无队头阻塞的光突发/分组交换系统，它包括：P个输入端口、P个输出端口、P个分波器、P×W个波长变换器TWC、P个合波器，P为连接到光纤交换核心节点的入光纤数，W是每根光纤上的波长数；其特征是它还包括：P×W个1×P的光开关、P×W×P个光延迟线FDL；输入端口1通过分波器分解出W个波长信道，W个波长信道利用光纤分别连接到波长变换器，经过波长变换器变换的波长信号通过光纤输入到1×P的光开关，在1×P的光开关的P个输出端口通过光纤分别连接P个光延迟线，每个光延迟线又经过光纤与P个输出端口一一对应连接，由此构成了输入端口1的无队头阻塞的光突发/分组交换系统；同样，可以构成输入端口2到输入端口P的无队头阻塞的光突发/分组交换系统；由此，就构成了本发明的无队头阻塞的光突发/分组交换系统。