CN1011277B - 用于显形光纤向部网的包交换协议及装置 - Google Patents

用于显形光纤向部网的包交换协议及装置

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Abstract

高速光纤星形局部网的包交换连接协议中，N+1条波分复用信道供连于星形耦合器的m个接收发送器用，最好M＞N，其中N条用于传输数据包，余下一条仅供所有接收发送器传输控制包。运行的接收发送器的发送器首先用第一协议向控制信道发送一控制包。控制包发送后用第二协议立即向选自N条数据信道中的那条发送相关数据包。接收发送器接收自己的发送信息并检测是否产生冲突，如有冲突则重复发送过程直至成功。

Description

本发明涉及采用无源星形结构的甚高速光导纤维局部网的协议及其装置。
相干光接收机提供了在局部网（LAN）中利用单模（Single-mode）光纤的宽频带的可能性，这种相干光接收机已在诸如R.C.Hooper等人在《光波技术期刊》（Journal    of    lightwave    Technology）1983年12月第LT-1卷第4期596页至611页上的文章中和T.Okoshi在《光波技术期刊》1984年8月第LT-2卷第4期341页至345页上的文章中所述。实现光信号高速传输的一个障碍是在与电子线路的接口处由于目前逻辑电路处理响应慢而造成的梗塞现象。作为波分复用（WDM）方式，通过提供一个由一组与集合速率相比为低数据率的并行信道所构成的多信道系统，能够缓解接口问题。与环形回路不同，多信道LAN（M-LAN）在提供一个与高速光纤传输相适应的宽的频带的同时，还具有通常为总线结构LAN所特有的可靠性。
目前的激光器存在着由于相位噪声而造成的光线谱变宽的缺点，并且只能够在一个限定的频率范围内困难地调谐。在多用户M-LANs中，希望其用户数量相比可用的波长数量来说大得多，因此就有可能需要某种形式的争用共享和包交换技术。M-LAN能够以采用总线结构布局的分布形式实现，或能够以采用星形结构布局的集中形式实现。无源星形耦合器能够用作交叉连接LAN用户的一种广播媒介。近期对多信道包交换系统性能的研究包括例如M.A.Marsan等人在《电气与电子工程师协会期刊通信选区分集》（IEEE    Journal    on     Selected    Area    on    Communication）1983年11月第SAC-1卷第5期885页至897页上的文章中所述的多信道的载波检测多址连接（Carrier    Sense    multiple    access即CSMA）技术和具有冲突监测能力的CSMA（CSMA/CD）技术;以及例如W.Szpankowski在《计算机网络》（Computer    Networks）1983年2月第7卷第1期17页至26页上的文章中所述的多信道无线电时隙式的ALOHA系统。在后一份参考文献中，数据包由发送器通过多址连接（multi-access）上行链路无线电信道的多个V子信道中的一个子信道发送，其中，发送器可以随机地接入子信道。数据包之间有可能发生冲突，也有可能不发生冲突，用户通过一个反馈信道而得知这类冲突的发生与否，并且，如果发生了冲突，在一个随机的时延后数据包被再次发送。
先有技术中存在的问题在于无法提供一个相当简单并且可廉价实现的、容量可达100千兆比特/秒、且用户速率高达1千兆比特/秒的LAN。
存在于先有技术中的上述问题已经依照本发明予以解决，本发明涉及采用无源星形结构的光导纤维局部网（LAN）以及使这种结构布局达到甚高速的协议。更具体地说，在本发明的高速LAN中，N个波分复用（WDM）的数据通道被用于数据包的传输，而另外一条WDM信道专门用于所有的发送器和接收器分别发送和接收控制包。为发送一个数据包，运行的接收发送器的发送器首先选择N条WDM数据包信道中的一条信道，这种选择可以在随机方式的基础上进行，而后发送器在控制信道上发送一个控制包，控制包含有发送器和指定接收器的识别标志加上所选定的数据信道的号码，此后立即在所 选定的WDM数据信道上发送数据包。所有空闲接收器监视着控制信道，只要一个空闲接收器收到一个与另一发送器发送的另一控制包没有发生冲突的控制包，并且指定该空闲接收器为后续的数据包的目的接收器时，就立即转换到指定的WDM数据信道以接收该数据包。在星形网络结构布局中，正在发送的接收发送器监视着网络中自己的这次发送信息，以确定在经过星形网络传输而未发生冲突之后是否收到这次发送的信息。如果对一个接收发送器发送的包检测到了冲突，该接收发送器使用同一条或另一条WDM数据信道再次发送控制和数据包，直到未检测到冲突为止。
本发明的一方面在于提供一个采用三种协议中任意一种协议的高速光波LAN。第一种协议称为ALOHA/ALOHA，其中第一项表示用于控制信道的协议，第二项表示用于选定WDM数据信道的协议。对于ALOHA/ALOHA规约，控制包和数据包以随机的方式通过控制信道和随机选定的WDM数据信道发送，无需了解包与包之间的情况。第二种协议是对ALOHA/ALOHA协议的一种变形，称作ALOHA/CSMA（载波检测多址连接），其中在控制信道上传输控制包之前，先监测出一条空闲的WDM数据信道，在传输控制包的同时堵塞所检测出的空闲WDM数据信道，并且在传输控制包后立即在检测出的空闲数据信道中传输数据包。第三种协议可称作CSMA/N-服务器交换（N-Server    Switch），其中所有的空闲接收发送器常规地监视着控制信道，以利用控制包的信息来保存一个空闲接收器和空闲WDM数据信道表。在一个接收发送器开始运行时，当它发现控制信道为空闲时就发送自己的控制包，随着控制包的发出，立即在被选定的一条空闲数据信道中发 送数据包。
图1是一个星形结构的多信道光纤局部网的方框图;
图2是用于依照本发明的图1网络中的数据包和控制包的典型格式的示意图;
图3是用于依照本发明的图1网络中的非时隙式的ALOHA/ALOHA连接协议（access    protocol）的示意图;
图4是用于依照本发明的图1网络中的时隙式的ALOHA/ALOHA连接协议的示意图;
图5是用于依照本发明的图1网络中的非时隙式的或时隙式的ALOHA/CSMA连接协议的示意图;
图6是用于按照本发明的图1的网络中的CSMA/ALOHA连接协议的示意图;
图7是用于依照本发明的图1网络中的CSMA/N-服务器交换连接协议的示意图;
图1是实施本发明的连接协议的星形结构网络的方框图。如图1所示，就象在多通道LAN中所见到的那样，单模光纤局部区域网络（LAN）的宽的频带被划分成N+1条信道，每条信道使用一个不同的波长。在本系统的配置中，一个工作在λ0波长的信道用于控制包通信业务，而另外N个工作在λ1，λ2，…λN的波分复用（WDM）信道则分配给实际数据通信业务。在图1的示范星形光纤网络中，表示出了M个LAN的用户，从1至M的每一个用户都分别配有一个独立的接收发送器101至10M。接收发送器101至10M中的每一个都能够通过恰当地使用可调谐激光器或其它等效光波源，经过在N条数据信道中的任意一个信道以及控制信道发送或接收信息。在相应的接收发送 器101至10M中，来自发送器111至11M的每个发送器发送的光信息分别通过光波导141至14M传播到星形耦合器15，在星形耦合器15中来自所有发送器11i的发送信息被分配到所有M个输出光波导161至16M，这些光波导分别终接于接收发送器101至10M中的接收器121至12M。
在图1的星形结构中，需要通知每个接收器12i，为了接收其数据包，应从数据通道λ1至λN的哪条通道守听，并且尽可能地识别发送用户。依照本发明，一个控制通道λ0在争用的基础上为所有的接收发送器所共用。此外，对于多用户的M-LANs，希望使得用户的数量远大于有效的数据信道的数量，因此有可能需要某种形式的争用共享和包交换技术。在每个接收发送器10i中都配有一个控制电路13i，用于提供争用和/或冲突检测和控制包信息（这一点在接下来对本发明提供高速LAN的各种协议的讨论中将会得到更好地理解）。
如图2所示，在下面将要用到的协议中，发送器11i首先在控制通道λ0上发送一个控制包25，控制包由发送器的唯一地址码组20、指定的接收器的唯一地址码组21以及将用于数据包传输的数据信道22的区分码组组成。如图2所示，控制包25的长度通常比数据包26的实际长度短得多，在此后我们假定数据包的长度是控制包长度的L倍。在接收方式下，空闲用户的接收器12i调谐于控制信道λ0的波长以守听自己的地址。在识别到自己的地址后，接收器就调谐于该控制包25中指定的实际用于传输数据包26的数据通道。假定M个用户对控制信道发出的集合通信业务量为G，那么具有均匀的通信业务量分配意味着向N条数据信道中的每条数据通道提供的通信业务量平均为GL/N。
系统的多用户使用一种争用方式发送它们的控制包25和数据包26。通过接收器12i识别在控制包25中自己的地址，而后接入指定的数据通道26，保证了用户间正确的相互连接。然而，接入方法的类型还没有说明。由于星形耦合器15是一种广播媒介，对于控制包25和数据包26的组合传输的成功或失败的了解，能够通过每一个接收发送器10i侦听自己所发送的控制包25和数据包26的回波来获得。这样，在本地就可确定是否重新发送控制包和数据包，例如，在本地于每一个与接收发送器10i相关联的控制电路13i内确定，这种确定能够通过例如比较发送的包和接收到的包来实现。
为了分别通过控制通道λ0和N条数据信道λi中的一条信道发送控制包25和数据包26，依照本发明所使用的第一种协议称作ALOHA/ALOHA，其中术语的第一部分表示用于控制信道的协议;术语的第二部分表示用于选定的数据信道的协议。在ALOHA/ALOHA协议中，每一个用户在控制信道λ0中随机地发送一个控制包25，并且随后同样随机地立即通过N条数据通道λi中的一条信道发送一个数据包26。ALOHA/ALOHA协议既能够使用如图3所示的非时隙式的ALOHA/ALOHA协议实施，也能够使用如图4所示的时隙式的ALOHA/ALOHA协议实施。用这种协议，每一个收发送器理想地只需要使用一个可调谐激光器或其它等效的光波源，利用控制信道频率λ0随机地发送控制包25，而后利用N个数据包信道波长λ1至λN中随机选定的一个波长发送数据包26。
单信道非时隙式的ALOHA规约是众所周知的，例如N.Abramson在美国信息处理学会联合会（AFIPS）编印的《1970年秋季计算机联合会报告汇编》（Proceedings    of    the    Fall    Joint Computer Conference，1970）第37卷281页至285页上的文章就作过讨论，这种协议是随机连接技术中最简单的一种，并且这种协议假定信息传输是在与系统的其它用户无关的情况下以随机的方式进行的。在图3所示的非时隙式的ALOHA/ALOHA协议中，每个发送器11i发送其控制包25是随机地与其它控制包25的传输无关地进行，并且此后立即在一随机选定的数据包信道中发送相关联的数据包26，而不考虑那些同样有可能使用同一条数据包信道传输的其它数据包26的传输。在图4所示的时隙式的ALOHA/ALOHA协议中，接收发送器10i在一个预定的通道时隙的起始处开始向控制信道发送控制包。用这种协议，控制包25持续一个时隙，而每个数据包26随在控制包时隙后，持续L个连续的时隙。
ALOHA/ALOHA协议的一个变形是如图5所示的ALOHA/CSMA协议。L.kleinrock等人在《电气与电子工程师协会通信学报》（IEEE Transactions on Commonications）1975年12月第23卷第12期1400页至1416页上的文章中第一次研究了单信道载波检测多址连接（CSMA）协议，文章假定接收发送器在它们发送前检测该信道，一旦检测到通道占忙，接收发送器就停止发送。在ALOHA/CSMA协议中，接收发送器10i采用已知的载波检测多址连接（CSMA）技术从1至N逐一地检测数据通道，以发现一条空闲信道。当获得一条空闲信道时，接收发送器10i在空闲数据信道中发送一个长度为一个控制包时间间隔的堵塞信号30，并且采用时隙式的ALOHA技术或非时隙式的ALOHA技术立即向控制信道中发送一个控制包25，此后立即向先前找到的空闲并且堵塞了的数据信道开始实际发送数据包26。因为堵塞数据信道和发送控制包25这两者需在 同一个时间上进行，所以ALOHA/CSMA协议通常要求在每一个收发送器10处有两个激光器或其它等效的光波源。当然，这个协议能够稍作修改，从而按照下述方法仅使用一个激光器或其它等效光源，但是，其代价是增加了时延。堵塞信号用于保证在发送控制包25的同时数据信道被保留着。每个接收发送器10i对数据信道侦听一个比控制包25要长些的时间间隔，以确认那条数据信道是空闲的。而后接收发送器10i对确认为空闲的信道堵塞一个等效的时间间隔，而后通过将其激光器或其它等效光波源调谐于控制信道的波长并发送控制信息包25。在接收发送器重新回到被堵塞的数据信道时，将借助于本规约发现数据信道为空闲并被保留着。对于图5所示的ALOHA/CSMA协议来说的一个替换的方案是图6所示的CSMA/ALOHA协议。在CSMA/ALOHA协议中，发送器11i首先检测控制信道，一旦发现控制通道是空闲的，发送器就发送控制包25。在此后发送器立即向随机选定的一条数据信道发送数据包26。当然，时隙式的ALOHA协议或非时隙式的ALOHA协议都能够用于数据信道的连接。
本发明的最后一个协议在下面表示为“CSMA/N-服务器交换”协议，该协议表示于图7中。对于这个协议，假定所有的空闲接收发送器10i，也就是说那些既未发送也未接收的接收发送器，都监视着控制信道λ0。通过在长度为L个时间单元的一个数据包26的时间间隔上监视控制信道，发送器11i将确切地得知哪些数据信道是空闲的，并且还确切地得知哪些接收器12i是空闲的。这样，如果一个预期的接收器12i做好了接收数据的准备，从发送器11i通过星形耦合器15向接收器12i发送一个控制包25，在控制包中含有关于将发送的数据包26所传输的数据信道波长λK的信息。在发送器11i 发送控制包25之前，其接收器12i检测控制信道，直到控制信道空闲，可以传输控制包为止。通过使用CSMA/N-服务器交换协议，由于使用了空闲波长，因此在数据信道中不会发生冲突。需要传送数据包26的发送器11i在发现全部N条数据信道都占忙时，就停止发送，直到数据信道（服务器）中的一个可供使用，并且当检测出控制信道为空闲时，发送器就开始发送控制包25，随后立即向可供使用的数据信道发送数据包26。在这种协议中，数据通道简单地起着一个N个服务器交换的作用，如果全部的服务器都在忙着，则交换就被阻塞了。对于这种协议，每个接收发送器的发送器11i中只需要一个激光器或其它等效的光波源。

Claims (12)

1、一种在含有连接至星形耦合器的M个光接收发送器的光纤局部网(LAN)中传送信息包的方法，该方法利用在LAN内M个光接收发送器间的N条波分复用(WDM)信道作传输，其中M＞N，其特征在于，
在从M个光接收发送器中任何第一接收发送器向M个光接收发送器中任何第二接收发送器传输信息的过程中，
(a)使用第一连接协议，在一个随机的时间间隔中在第一WDM信道发送一个控制信息包，该控制信息包含有关于(1)第一接收发送器的唯一识别标志，(2)第二接收发送器的唯一识别标志，和(3)在用于传送数据包的N条第二WDM信道中随机选定的一条信道的识别标志的信息；和
(b)在步骤(a)之后，使用第二连接协议，立即向在步骤(a)所发送的控制信息包中指明的那条从N条第二WDM信道中选定的一条信道发送一个相关数据包。
2、根据权利要求1的方法，其特征在于，本方法由如下更进一步的步骤组成：
（c）在第一接收发送器处和在第二接收发送器处，从星形耦合器中接收步骤（a）和步骤（b）中所发送的控制信息包和数据包，并由此确定控制包和/或数据包是否交叠于由其它接收发送器同时向同一信道发送的信息，并且
（d）（1）如果从第一接收发送器发送的信息与从另一个接收发送器发送的信息产生交叠，第一接收发送器重复步骤（a）至步骤（d），（2）当从第一接收发送器发送的信息与从另一个接收发送器发送的信息未产生交叠时，第二接收发送器处理控制包和数据包。
3、根据权利要求1或2的方法，其特征在于，应用于步骤（a）和步骤（b）的第一连接协议和第二连接协议分别为ALOHA协议，在此协议中，控制包和数据包是分别在相关联的第一WDM信道和第二WDM信道中传输，而且这种传输是随机的，与LAN中的其他传输无关。
4、根据权利要求1或2的方法，其特征在于，用于步骤（a）中的第一连接协议为ALOHA协议，在此协议中，向第一WDM信道随机发送控制包而与LAN内其它控制信息包传输无关;用于步骤（b）中的第二连接协议为载波检测多址连接（CSMA）协议，在执行步骤（a）的过程中，执行如下步骤：
（a1）采用CSMA协议在通常传输数据包的N条第二WDM信道中找到一条空闲信道，并且
（a2）在向第一WDM信道发送控制信息包的同时，向在步骤（a1）中找到的空闲的第二WDM信道传输一个堵塞信号。
5、根据权利要求1或2的方法，其特征在于，用于步骤（a）中的第一连接协议为载波检测多址连接（CSMA）协议，用于步骤（b）中的第二连接协议为ALOHA连接协议，在此协议中，在与LAN其中它数据包的传输无关地随机选取N个第二WDM信道中的一个信道;在执行步骤（a）的过程中，在向第一WDM信道传输控制信息包之前，使用SCMA协议确定何时第一WDM信道空闲。
6、根据权利要求1或2的方法，其特征在于，在步骤（a）中采用的第一连接协议为载波检测多址连接（CSMA）协议，此协议用于在传输控制信息包之前确定何时第一WDM信道空闲;而用于步骤（b）中的第二连接协议为N-服务器交换协议，在此协议中，每个接收发送器都监视着在第一WDM信道上传输的控制信息包，用以更新存贮器中的一个明细表，该明细表指示（1）N条第二WDM信道中的哪些信道是空闲的，（2）哪些接收发送器是空闲的，从所说的明细表中选择一个空闲的第二WDM信道，用于在步骤（b）中传输数据包。
7、在含有一个星形耦合器和在M个光接收发送器间的N条波分复用（WDM）传输信道的光纤局部网（LAN）中用于向其它接收发送器传送信息包的一个接收发送器，其中，M＞N，该接收发送器包含：一个用于从星形耦合器接收光波信号并将此光波信号转换为等效的电输出信号的接收器;以及一个发送器，其特征在于，发送器含有：
第一发送装置，用于按一个第一连接协议在随机的时间间隔通过第一WDM信道发送一个控制信息包，其中控制信息包含有如下信息：（1）接收发送器的唯一识别标志，（2）在网络中第一接收发送器希望与之通信的第二接收发送器的唯一识别标志，以及（3）在N条第二WDM信道中随机选定的用于传输数据包的一个信道的识别标志;和
第二发送装置，用于在传送控制信息包后，采用一个第二连接协议，立即通过在控制信息包中所指定的那条从若干条第二WDM信道中选定的一条数据信道传输一个相关联的数据包。
8、根据权利要求7的接收发送器，其特征在于，接收发送器还含有一个控制器，用于监视从星形网络收到的发送信息，以确定由该发送器发送的控制信息包和/或数据包是否与从网络中的另一个接收发送器分别在同一条第一WDM信道或N个第二WDM信道中的同一条第二WDM信道上随机传输的信息相交叠;控制器还用于在发生交叠的情况下，使所说的接收发送器的发送器采用同样的第一连接协议和第二连接协议分别重新传输相关联的控制信息包和数据包。
9、根据权利要求7或8的接收发送器，其特征在于，第一连接协议和第二连接协议各为一个ALOHA协议，其中控制信息包和数据包分别在相关联的第一WDM信道和第二WDM信道中与LAN中其它信息的传输无关地随机传输。
10、根据权利要求7或8的接收发送器，其特征在于，第一连接协议为ALOHA协议，在此协议中，控制信息包的传送在与LAN中其它控制信息包传送无关的情况下在第一WDM信道上随机地进行;第二连接协议为载波检测多址连接（CSMA）协议，该协议用于在通常作为传送数据包的N条第二WDM信道中找到一条空闲信道，然后，同时地（a）在从N条第二WDM信道中选出的那条空闲信道上发送一个堵塞信号，以保留该空闲信道，（b）向第一WDM信道发送控制信息包;接着在那条空闲的第二WDM信道上发送数据包。
11、根据权利要求7或8的接收发送器，其特征在于，第二连接协议为ALOHA协议，在此协议中，在与LAN中其它数据包传送无关的情况下随机地选择一条第二WDM信道;第一连接协议为载波检测多址连接（CSMA）协议，该协议用于在第一WDM信道上传送控制信息包之前检测何时第一WDM信道空闲，传送控制信息包之后，在选定的第二WDM信道上随机地传送数据包。
12、根据权利要求7的接收发送器，其特征在于，第一连接协议为载波检测多址连接（CSMA）协议，该协议用于在传送控制信息包之前检测何时第一WDM信道空闲;第二连接协议为N-服务器交换协议，在此协议中每个接收发送器监视在第一WDM信道中传送的控制信息包，用以更新在存贮器中的一个明细表，该表指示在LAN中哪些接收发送器空闲以及N条第二WDM信道中的哪些信道空闲，在传送控制信息包之前从表中选定一条空闲的数据信道，在传送控制信息包之后传送数据包。
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