CN101035390B - 光突发交换中的信道并行调度器 - Google Patents

Abstract

一种光突发交换中的信道并行调度器，并行实现LAUC-VF类光突发交换信道调度，由主控制模块、若干单信道处理模块和信道选择模块组成。主控制模块收到突发控制包后，分析得到对应突发数据包所请求的时间片，并将时间片信息同时传送给所有的单信道处理模块，各单信道处理模块并行搜索可用时间间隔，若存在可用时间间隔，将其相关数据传送给信道选择模块，信道选择模块对各可用信道逐级并行进行比较，找到最优信道，返回给主控制模块，主控制模块根据调度结果进行更新，完成调度过程。本发明同时实现了信道间的并行处理、信道内空闲时间间隔的并行查找，以及最优信道的并行选择，缩短突发控制包在OBS节点的处理时间，提升OBS网络的性能。

Description

光突发交换中的信道并行调度器

技术领域

本发明涉及一种光突发交换中的信道并行调度器，更具体而言，涉及一种用于光突发交换调度中的信道并行处理，提高光突发交换信道分配效率的装置。属于光通信技术领域。

背景技术

IP业务的持续增长对传输和交换技术提出了新的更高的需求。OBS(光突发交换)结合了光电路交换和光分组交换两者的优势，又克服了两者的不足，是一种极具吸引力的面向高突发、高速率IP业务的DWDM(密集波分复用)光网络实现方案，已成为近来光网络领域的研究热点(CA.Brackett，et al，“Densewavelength division multiplexing networks：Principles and applications”，IEEEJ.Selecz.Areas Commun.，voI.8，pp947-964)。在光突发交换中，入口边缘节点将用户数据封装成BDP(突发数据包)，并生成相应的BCP(突发控制包)。BCP先于BDP在专门的控制信道中传送，并在经过的中间节点为对应的BDP预留全光通路。BDP在边缘节点经过一段延迟后，直接在预先设置的全光通道中透明传输。这种不需要确认的单向预留方案减小了建立通道的延迟等待时间，提高了带宽利用率；而数据包和包的分离、适合的颗粒度及非时隙交换方式又降低了对光子器件的要求和中间交换节点的复杂度，并能充分发挥现有的光子技术和电子技术的特长。

信道调度是光突发交换的关键技术。目前典型的光突发交换信道调度算法有LAUC(最近可用未调度信道优先)算法、LAUC-VF(带空隙填充的最近可用未调度信道优先)算法、及LAUC-VF算法的多种变形版本等(Yijun Xiong，Marc Vandenhoute，and Hakki C.Cankaya，IEEE JOURNAL ON SELECTEDAREAS IN COMMUNICATIONS，VOL.18，NO.10，OCTOBER 2000)。如何实现上述算法，实现快速调度直接影响到光突发交换网络的性能。尤其是LAUC-VF类算法，由于其可利用信道空隙，因而比其他算法具有更高的带宽利用率，但需要保留的信息更多、算法的复杂度更高。此外，随着业务量的增加和每个链路上波长信道数的增加，信道调度处理的量也大大增加。这些都需要一个能完成上述算法的快速的信道调度实现装置。

美国The University of Texas at Dallas的Farid Farahmand等给出了一种调度器硬件实现方案(F.Farahmand，V.Vokkarane，and J.P.Jue，″Practical PriorityContention Resolution for Slotted Optical Burst Switching Networks，″Proceedings，First International Workshop on Optical Burst Switching(WOBS 2003)，co-locatedwith SPIE OptiComm 2003，Dallas，TX，Oct.2003.)。该方案用硬件实现替代软件实现方式，提高了调度处理速度。但其信道搜索过程仍然采用软件中常用的逐信道、逐包的串行比较方式，调度处理速度的提高依赖于硬件处理速度的提高，且调度时间会随资源库中已调度包数的增加而增加。另外，该方案只考虑了偏置时间相同的简单情况。而实际情况下偏置时间是不同的。

北京邮电大学报道了一种用高速FPGA(现场可编程门阵列)硬件实现LAUC-VF算法的信道调度器(Hongxiang Guo，Zhou Lan，Wei Zhang，ChunyanYu，Li Gan，Xin Liu，Haishan Wu，Jian Wu，Jintong Lin，Design and Implementantionof Edge Node in TBOBS，Proc.of SPIE Vol.5626)。该调度器各信道之间并行处理，各信道内对可用时间间隔采用串行搜索方式，选择最优信道时也采用了串行比较方式。由于在搜索可用时间间隔及选择最优信道时均采用了串行方式，该调度器处理速度比较慢，且调度时间不确定，会随着信道的增加及信道上空闲时间间隔的增加而增加。

发明内容

本发明的目的在于针对现有相关技术的局限和不足，提供一种光突发交换中的信道并行调度器，能用简洁的硬件逻辑实现LAUC-VF类光突发交换调度算法的全部功能，并具备在几个时钟周期内完成复杂的调度处理过程的能力。

为实现上述目的，本发明提供了一种并行实现LAUC-VF类光突发交换信道调度的调度器，其特征在于：各信道间对调度请求的并行处理，各信道内对可用时间间隔的并行查找，及对最优信道的并行选择。本发明的调度器结构包括主控制模块、若干单信道处理模块，信道选择模块。主控制模块通过双向总线与各单信道处理模块、信道选择模块相连，用于发送指令和接收数据，通过并行搜索总线与各单信道处理模块相连，用于输出突发数据包的开始时刻和结束时刻；若干个单信道处理模块各自对应一个数据信道，每个单信道处理模块包括一个查找表和信道控制单元，查找表输入与并行搜索总线相连，并行搜索信道内的可用时间间隔，信道控制单元读取查找表的查找结果输出给信道选择模块，信道控制单元通过双向总线接收主控制模块的指令并返回数据；信道选择模块采用多级比较器并行选择最优信道，通过双向总线接收主控制模块的指令并返回最优信道编号。

本发明对调度器中各模块的内部结构作了进一步的优化设计，使之能更好的实现并行调度功能。具体结构如下：

主控制模块由接收单元、解析单元、总线接口单元、光开关接口单元、转发单元、控制单元和缓存等电路组成。接收单元接收来自控制卡中请求队列的BCP，并存储在缓存中；解析单元分析缓存中的BCP，输出对应BDP的开始时刻和结束时刻，通过并行搜索总线同时传送给所有的单信道处理模块；光开关接口单元负责产生光开关设置信息并发给光交叉矩阵控制模块；转发单元负责将缓存中已更新的BCP输出到控制卡中的发送模块。总线接口单元通过双向总线与调度器的各单信道处理模块及信道选择模块相连，负责主控制模块与这些模块之间的数据交互，控制单元产生其它单元的控制信号，以控制主控制模块中各功能单元按时序工作，实现调度过程。

单信道处理模块包括信道控制单元和一个查找表，信道控制单元通过双向总线接收主控制模块的指令并返回数据。查找表由多个查找单元组成。每个单元包括两个寄存器和两个比较器，两个寄存器分别保存空闲时间间隔的开始时刻和结束时刻。每个比较器的一个输入端通过并行搜索总线与主控制模块相连，另一输入端与寄存器相连，比较器将并行搜索总线上输出的BDP的开始时刻和结束时刻与寄存器中保存的空闲时间间隔的开始时刻和结束时刻进行比较，确定空闲时间间隔是否可用，并通过匹配信号线输出比较结果给信道控制单元，所有比较器同时工作，并行查找可用时间间隔。信道控制单元通过内部总线与查找单元中的寄存器相连，通过匹配信号线读取各查找单元的输出结果，若存在某查找单元匹配信号线有效，则通过内部总线读入该单元数据，再输出给信道选择模块。

信道选择模块由多级比较器和选择控制单元组成。每级比较器的输入端接前一级的输出，而第一级比较器的各输入端分别与一个单信道处理模块的输出相连，接收其传来的可用时间间隔的信息。各级比较器在选择控制单元的控制下逐级并行地进行比较，选择出最优信道以后，由选择控制单元通过双向总线输出最优信道编号给主控制模块的总线接口单元。

这几个模块协同工作，合作完成信道调度的过程如下：首先，主控制模块的接收单元从请求队列中读取BCP，存储在缓存中，再由解析单元分析BCP，得到对应BDP的开始时刻和结束时刻，放到并行搜索总线上，传送给各信道处理模块中的各查找单元；所有的查找单元同时工作，将并行搜索总线上的开始时刻和结束时刻与寄存器中记录的空闲间隔的开始时刻和结束时刻并行比较，若存在可用时间间隔，则信道控制单元将可用时间间隔输出到信道选择模块。然后信道选择模块将各单信道处理模块输出的可用时间间隔信息逐级并行地进行比较，选择出最优信道以后，由选择控制单元通过双向总线输出最优信道编号给主控制模块的总线接口单元，主控制模块根据调度结果更新缓存中的BCP，产生光开关设置信息并发送给光交叉矩阵控制模块，后由转发单元将BCP输出到发送模块。同时通过总线接口单元发指令给被选中信道的信道处理模块的控制单元，令其更新查找表。

通过上述技术方案，本发明实现了如下技术效果：

本发明提供的并行调度器同时实现了信道间的并行处理、信道内空闲时间间隔查找的并行处理，以及信道选择过程的并行处理，具备在几个时钟周期内完成复杂的调度处理过程的能力，从而大大缩短突发控制包在OBS节点的处理时间，提升OBS网络的性能。此外，本发明提供的信道并行调度器在实现并行处理的同时，还实现了在多个可用信道中找出最优信道的功能，可实现复杂的LAUC-VF算法的全部功能，从而可显著提高光突发交换信道分配的效率。

附图说明

图1为OBS核心节点控制卡的结构示意图。

图2为并行调度器的总体结构示意图。

图2中，1为并行搜索总线，2为双向总线，3、4、5为数据线。

图3为主控制模块的结构示意图。

图4为单信道处理模块的结构示意图。

图4中，6为内部总线，7为匹配信号线。

图5为一个8信道的信道选择模块示意图。

图5中，8、9、10为控制线，11为数据线。

具体实施方式

以下结合附图及LAUC-VF算法的具体实施例对本发明作进一步详细描述。

以下实施例及所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为一种适用于本发明的OBS核心节点控制卡的结构示意图。它由接收模块、交叉矩阵、请求队列、调度器、发送模块、光交叉矩阵控制模块组成。接收模块用于接收来自控制信道的数据包，进行光电转化以及数据链路层和网络层的处理。交叉矩阵用于根据接收模块确定的输出端口，将数据包从输入端口交换到相应的输出端口。请求队列用于缓存到达相应输出端口的BCP。调度器用于为到达相应输出端口的BCP及其对应的BDP分配信道和时间片。光交叉矩阵控制模块，用于根据调度器的调度结果设置光交叉矩阵，为突发数据分组提供全光通路。发送模块用于将调度好的BCP通过控制信道发送到下一节点。

本发明提供图1中调度器的实现方案，该调度器具备并行调度、能快速完成复杂的调度处理任务的能力。

本发明提供的并行调度器的总体结构如图2所示，包括主控制模块、若干单信道处理模块、信道选择模块。主控制模块从请求队列读取BCP，并通过并行搜索总线1将对应BDP经过本节点的开始时刻和结束时刻同时传送给各信道处理模块的查找表；各信道处理模块的查找表中存储了本信道的空闲时间间隔，所有空闲时间间隔并行地与总线1上的开始时刻和结束时刻进行比较；各信道处理模块若找到可用时间间隔则通过各自的数据线3发送给信道选择模块；信道选择模块将各信道选择模块的输出结果逐级并行地进行比较，找到最优信道。主控制模块通过双向总线2读取信道选择模块的输出结果。双向总线2还连接着各信道处理模块，主控制模块通过双向总线2控制单信道处理模块和信道选择模块的工作以及对其进行数据读写。对调度成功的BCP，主控制模块通过数据线4将其发给发送模块，并生成光开关设置信息通过数据线5发送给光交叉矩阵控制模块。

主控制模块的内部结构如图3所示。主控制模块包括接收单元、解析单元、总线接口单元、光开关接口单元、转发单元、控制单元和缓存等电路组成。其中控制单元作为主控制模块的核心，采用有限状态机实现，根据所处的状态来产生控制信号，控制其它单元的工作：在初始化后控制单元首先进入空闲状态，在空闲状态下，光开关接口单元检查是否有来自光交叉矩阵控制模块的刷新消息，刷新消息的内容为信道上过期的调度信息，如果有刷新消息，根据刷新消息通过总线接口单元发指令删除对应信道上的过期空闲时间间隔。如果没有刷新消息，则接收单元工作，查询请求队列，如果请求队列为空，则返回空闲状态。如果里面有BCP，则将其读入到缓存中，读入完成则通知控制单元进入信道搜索状态；在信道搜索状态下，解析单元工作，分析缓存中的BCP，得到相应的BDP的开始时刻和结束时刻，并将其通过并行搜索总线1同时传给各单信道处理模块。之后总线接口单元通过双向总线2读取各单信道处理模块输出的信道搜索结果，如果所有信道均没有可用时间间隔，控制单元进入FDLs(FiberDelay Lines--光纤延迟线)搜索状态。如果只有一个信道存在可用时间间隔，则总线接口单元直接读入该信道编号，控制单元进入更新状态；如果有一个以上的可用信道，控制单元进入信道选择状态。在FDLs搜索状态，如果没有FDLs或FDLs已满，则调度结束，控制单元重回空闲状态。否则，解析单元将BDP包的开始时刻和结束时刻分别加上FDLs基本延时，再次进入信道搜索状态。控制单元进入信道选择状态后，总线接口单元发送控制指令给信道选择模块，让其开始工作并在选择完成后读取其输出的最优信道编号，控制单元进入更新状态。在更新状态，总线接口单元通过双向总线2发送更新指令，命令被选中的信道处理模块更新查找表和未被选中的信道处理模块进入空闲状态；光开关接口单元产生光开关设置信息，通过数据线5发送给光交叉矩阵控制模块；控制单元更新缓存中的BCP，再由转发单元将BCP通过数据线4交给发送模块。在完成上述任务后，控制单元重新回到空闲状态。

单信道处理模块的结构如图4所示，由一个查找表和信道控制单元组成。查找表由多个查找单元组成。每个单元包括两个寄存器和两个比较器，两个寄存器分别保存空闲时间间隔的开始时刻和结束时刻。比较器的输入一端连并行搜索总线1，另一端连寄存器，两个比较器的输出经过一个与门输出，通过一根匹配信号线7向本信道的控制单元提供匹配成功的指示信号。信道控制单元用于控制单信道处理模块的工作，除了与匹配信号线7相连外，还通过内部总线6与查找表中的寄存器相连，以对其进行数据读写。信道控制单元通过双向总线2与主控制模块相连，以接收主控制模块的指令及发送数据给主控制模块。信道控制单元通过数据线3与信道选择模块相连，当存在可用空闲时间间隔时，就将该空闲时间间隔的信息通过数据线3传给信道选择模块。

信道控制单元是单信道处理模块的核心，其功能包括保存可用的空闲时间间隔并将其输出到信道选择模块，记录各空闲单元的使用状态，实现对查找表的更新、删除、刷新等操作。信道控制单元采用有限状态机及一组状态寄存器实现，其操作由其状态及输入决定：初始化后，信道控制单元处于空闲状态，当收到主控制模块的刷新指令后，信道控制单元进入刷新状态，将过期的空闲单元收回，即将对应的空闲单元的状态寄存器置为未使用。当收到主控制模块的搜索指令后，信道控制单元转入搜索状态，检查该信道中各查找单元的匹配信号线7，如果所有的匹配信号线都无效，就说明本信道不可用，返回空闲状态；如果存在可用的空闲时间间隔，则读出可用时间间隔的信息，并且通过数据线3传给信道选择模块，同时通过双向总线2通知主控制模块，信道控制单元进入等待状态。在等待状态，若收到主控制模块的选中指令，就进入更新状态；否则，返回空闲状态。在更新状态下，信道控制单元对空闲单元进行更新操作，具体操作如下：原空闲单元的结束时刻修改为新插入的BDP的开始时刻；取一个未使用的空闲单元，将其开始时刻设为新插入BDP的结束时刻，其结束时刻设为原空闲时间单元的结束时刻。更新完成后，信道控制单元回到空闲状态。

信道选择模块用于从多个存在可用空闲时间间隔的信道中找出一个最优的信道。图5为一个8信道的信道选择模块。包括选择控制单元和比较单元。比较单元由三级比较器组成。存在可用时间间隔的单信道处理模块通过数据线3将该空闲单元的信息输出到比较单元的第一级比较器。选择控制单元从双向总线2收到主控制模块的指令即开始工作，首先通过控制线8使能第一级的1、2、3、4号比较器，比较器对输入信息进行两两比较，选出4个信道。然后，选择控制单元通过控制线9使能第二级的5、6号比较器，使之从4个信道中选出2个信道。最后选择控制单元通过控制线10使能7号比较器，使之从2个信道中选择出最优信道。选出的最优信道编号通过数据线11传给选择控制单元。随后，选择控制单元通过双向总线2将最优信道的编号传给主控制模块。

两两比较时的选择策略与具体调度算法相关。如对于LAUC-VF算法，其要求最优信道为距离前一个BDP结束时刻最近的信道，因此比较时只要比较空闲开始时刻即可；还有些调度算法要求距离下一个BDP的开始时刻最近，则需要比较空闲的结束时刻；或者有的算法支持QOS(服务质量)域，这就需要比较它们的QOS域的值。凡是类似于LAUC-VF的调度算法，本信道选择模块均可以支持并且并行的实现。

上述实施例以LAUC-VF算法为例来说明本发明，但本发明并不限于LAUC-VF算法。LAUC算法、LAUC-VF算法的各种变形版本均可基于本发明提供的调度器结构来实现。

Claims (4)

1.一种光突发交换中的信道并行调度器，其特征在于包括主控制模块、若干单信道处理模块和信道选择模块，实现各信道间对调度请求的并行处理、各信道内对可用时间间隔的并行查找、以及对最优信道的并行选择；所述主控制模块通过双向总线(2)与各单信道处理模块、信道选择模块相连，用于发送指令和接收数据，通过并行搜索总线(1)与各单信道处理模块相连，用于输出突发数据包的开始时刻和结束时刻；所述若干个单信道处理模块各自对应一个数据信道，每个单信道处理模块包括一个查找表和信道控制单元，查找表与并行搜索总线相连，并行搜索信道内的可用时间间隔，信道控制单元读取查找表的查找结果输出给信道选择模块，信道控制单元通过双向总线(2)接收主控制模块的指令并返回数据；所述信道选择模块采用多级比较器并行选择最优信道，通过双向总线(2)接收主控制模块的指令并返回最优信道编号。

2.根据权利要求1的光突发交换中的信道并行调度器，其特征在于所述主控制模块包括接收单元、解析单元、总线接口单元、光开关接口单元、转发单元、控制单元和缓存；接收单元接收来自节点控制卡中请求队列的突发控制包，并存储在缓存中；解析单元分析缓存中的突发控制包，输出对应突发数据包的开始时刻和结束时刻，通过并行搜索总线同时传送给所有的单信道处理模块；光开关接口单元负责产生光开关设置信息并发给节点控制卡的光交叉矩阵控制模块；转发单元负责将缓存中已更新的突发控制包输出到节点控制卡的发送模块中；总线接口单元通过双向总线(2)与各单信道处理模块、信道选择模块相连，负责主控制模块与这些模块之间的数据交互；控制单元控制主控制模块各功能单元按时序工作。

3.根据权利要求1的光突发交换中的信道并行调度器，其特征在于所述单信道处理模块中的查找表由多个查找单元组成，每个查找单元包括两个寄存器和两个比较器，两个寄存器分别保存空闲时间间隔的开始时刻和结束时刻，并通过内部总线(6)与信道控制单元相连；每个比较器的一个输入端通过并行搜索总线(1)与主控制模块相连，另一输入端与寄存器相连；比较器将并行搜索总线上输出的突发数据包的开始时刻和结束时刻与寄存器中保存的空闲时间间隔的开始时刻和结束时刻进行比较，确定空闲时间间隔是否可用，并通过匹配信号线输出比较结果给信道控制单元。

4.根据权利要求1的光突发交换中的信道并行调度器，其特征在于所述信道选择模块由多级比较器和选择控制单元组成，后一级比较器的输入端接前一级的输出，而第一级比较器的各输入端分别与一个单信道处理模块的输出相连，接收其传来的可用时间间隔的信息；各级比较器在选择控制单元的控制下逐级并行地进行比较，直到选择出最优信道；选择控制单元通过双向总线(2)输出最优信道编号给主控制模块。

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