CN101431700B - 一种输出式循环共享光分组交换网络缓存装置 - Google Patents

Abstract

通信技术领域。本发明针对光分组交换网络缓存结构光纤利用率低，成本高以及不能完全满足分组调度服务质量的特点，提出了一种新的光分组交换网络缓存结构，该结构中，每段分段光纤由一系列的交换开关级联，每个交换开关的第一个入口直接连接光交换矩阵的出口，第二个入口连接上一级光开关的出口，第三个入口通过光纤延时单元连接本级交换开关的出口，该级联的交换开关使数据分组可以选择适当的入口进入延时队列，上级的光纤延时单元可以共享其下级的所有光纤，并可以实现光纤延时单元的循环利用。该结构充分提高光纤延迟线的利用率，能够很好的解决了光分组交换网络的端口竞争问题本发明请求保护一种输出式循环共享光分组交换网络缓存结构，涉及光。

Description

一种输出式循环共享光分组交换网络缓存装置

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种光分组交换网络的缓存结构。

背景技术

波分复用(Wavelength Division Multiplexing，WDM)技术给网络的设计带来巨大改变。光分组交换(Optical Packet Switching，OPS)就是在光波分复用的基础上引进光交换技术，实现数据高吞吐量、高速率传输的一种技术。它既兼有波长路由对数据速率和格式透明的特点，又具有分组交换中粒度灵活可调的优越性，并能有效地解决目前存在于通信网交换节点上的“电子瓶颈”问题，被看作未来高速宽带数据网中最具希望的支撑技术之一而成为继WDM之后的一个研究热点。

通常情况下，光分组交换可分为同步(时隙)、异步(非时隙)两种方式。同步方式要求所有分组长度相同，并要求进入交换节点的光分组之间同步，其优点是出现竞争机会少，缺点是光同步实现困难。异步方式则不要求各分组长度相同，不要求各分组之间同步，其优点是适应IP数据不确定长度的特点，不需复杂的光同步而相对容易实现，缺点是竞争可能性变大，从而使吞吐量下降，这也是异步光分组交换网络中的关键问题之一。

在异步光分组交换网络核心节点处，引起端口竞争有两种情况：一是两个或两个以上的光分组离开核心节点时，使用相同端口的相同信道；二是一个光分组在离开核心节点时，它输出的端口信道正被其它光分组占用。解决竞争一般有三种方法：波长变换、空间上的偏移路由、时间上的光纤延迟。波长变换主要是利用波长变换器，将发生冲突的光分组变换到相同端口上其他空闲信道输出。此方法中采用的固定波长变换器效率不高，而可变波长变换器价格昂贵，且不稳定。偏移路由是将发生冲突的光分组在其他端口的信道上输出，这有可能使网络拥塞更加严重，因此对于整个网络而言，偏移路由并不一定可取。光纤延迟是采用光纤延迟线(Fiber Delay Lines，FDLs)作为延迟的手段，是一种最接近于电随机存储设备的技术(Zhenghao Zhang，et al，Low-Loss Switching Fabric Design for Recirculating Buffer in WDM OpticalPacket Switching Networks Using Arrayed Waveguide Grating Routers，[C].IEEETransactions on Communications，2006，54(8)：1469-1472)。它能提供固定长度、有限数量的延迟，研究表明该方法能很好的解决端口竞争。然而这种方法是通过使用大量长度的光纤得到的，这势必会增加核心节点的成本。

当今高速网络中的多媒体应用对网络提出了不同数据应用的服务质量(Quality of Service，QoS)要求，需要提供端到端的服务质量控制和保证，这也是Internet发展的重要挑战。多媒体信息传输与管理技术作为下一代网络的核心技术之一，是当前计算机网络中研究和开发的热点问题。而目前在核心节点的冲突解决方法中，很少有专门针对于QoS的光纤缓存结构和相应的分组调度方法。

对于具有QoS服务要求的分组，即使采用了非先进先出延迟规则，也并不一定会使所有的分组有可以填充的空隙，原因在于大多数情况下，并不存在足够长和时间上合适的空隙。因此QoS服务要求在普通缓存结构中并没有完全得到满足。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对光分组交换网络缓存结构光纤利用率低，成本高以及在分组调度上无法完全满足QoS服务要求的特点，本发明提出了一种新的光分组交换网络缓存结构，该结构采用在输出端口上光纤的循环共享机制，充分提高光纤延迟线的利用率、降低核心节点成本的同时，能完全满足分组的QoS服务要求，并能很好的解决光分组交换网络的端口竞争问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：根据对光分组缓存前后的时间分析可知，光分组经过光纤延迟矩阵后，在输出端口上不会有重叠。本发明正是基于这一点提出一种新的缓存结构——输出式循环共享缓存结构(Output Circuiting Shared Buffer Architecture，OCSB)。在这种输出式循环共享缓存装置中，每级分段光纤由3x2的交换开关级联(除第一级外)。交换开关中的三个入口中，第一个直接与交换矩阵相连，使分组可以选择适当的入口进入延时队列；第二个连接上级交换开关的出口，这样上级的光纤延时单元可以共享其下级的所有光纤；第三个通过光纤延时单元与本交换矩阵的出口相连，可以实现光纤延时单元的循环利用。交换开关的两个出口中，一个连接下一级的入口；另一个通过光纤延时单元连接本交换开关的入口。

该缓存装置除最后一级外由多个3x2的交换开关连接延时相等的光纤延时单元，最后一级由一个2x2的交换开关将光纤延时单元连接到光交换矩阵，每个交换开关的第一个入口直接连接光交换矩阵的出口，第二个入口连接上一级光开关的出口，第三个入口通过光纤延时单元连接本级交换开关的出口；交换开关的两个出口，一个连接下一级交换开关的入口；另一个通过光纤延时单元连接本级交换开关的入口。在光分组交换矩阵出口处采用循环共享光纤延时单元的方法，解决光分组的竞争问题，并满足分组的QoS服务要求。

本发明的有益效果是，本文提出的输出式循环共享缓存结构充分实现了光纤延迟线的共享及循环延时，因此，使用的光纤延迟线的数目更少，这种优势会随着核心节点端口规模的增大，表现得更加明显，有利于核心节点的扩展；并且解决了现在光分组交换网络中缓存结构无法完全提供QoS服务要求的弊端。

附图说明

图1输出式循环共享缓存装置示意图

图2输出式循环共享缓存装置时间关系示意图

图3输出式循环共享缓存装置实现服务质量要求时间关系示意图

具体实施方式

为了避免光分组在交换矩阵端口处相冲突，采用输出式循环共享缓存装置，从而使光分组数据包到达输出端口时在时间上不相重叠，达到解决端口竞争的目的。如图1所示，该缓存装置具体包括，除第一级外，每级分段光纤由3x2的光交换开关级联构成，多个3x2的光交换开关(除最后一个外，最后一级由一个2x2的光开关将光纤延时单元连接到光交换矩阵)连接延时相等的光纤延时单元，最后一级由一个2x2的交换开关将光纤延时单元连接到光交换矩阵。每个光交换开关的第一个入口直接连到光交换矩阵的出口，这样分组数据包可以选择合适的时刻进入光纤延时队列；第二个入口连接上一级交换开关的出口，以便上级的光纤延时单元可以共享其下级的所有光纤延时单元；第三个入口通过光纤延时单元连接本光交换开关的出口，以实现光纤的循环利用。交换开关的两个出口，其中一个连接下一级交换开关的入口，另一个出口通过光纤延时单元连接本交换开关的入口，上述光交换开关的出口一个将信号传输到下一级光纤的入口，另一个用于循环延时用，使用光纤延时单元的数量可以根据光纤延时矩阵的大小来决定。光纤延时单元的级数与该结构的缓存能力有关，具体根据核心节点缓存空间来配置，如果希望缓存空间大，可以配置多一些的级数；反之则可以少些。

如图2所示为输出式循环共享缓存结构时间关系示意图。当由于竞争需要延时的光分组数据包根据其到达光分组交换矩阵出口时间的不同，选择不同的延时光纤入口。

光分组到达的时间是随即的，选择光纤延时矩阵的入口是根据光纤延时队列的长度来决定的，即选择光纤延时队列的最后端为光分组的最佳延时队列入口，但是由于光纤延时矩阵只能提供离散的延时时间，因此光分组一般会选择最接近光纤延时队列最左端的入口，而每级光纤延时单元都有一个入口与光交换矩阵相连，因此通过控制模块选择光纤延时矩阵的入口，这也决定了光分组要经历的光纤延时单元的级数。每个光分组数据包的延迟时间的大小取决于其经历的光纤延时单元的级数。最小到最大的延迟时间依次是D1，D1+D2，D1+D2+D3，D1+D2+D3+D4，……，D1+D2+……+D_B，如果所有延迟单元的长度都相等且设为D，经历的光纤延时单元的级数为B，则最小到最大的延迟时间依次是D，2D，3D…，B*D。通过这种共享，光纤延迟矩阵中的光纤单元数目大大减少。例如，在输出端口缓存结构中，若延迟深度为D_B时，需要光纤数目为B*(B+1)/2个光纤单元，而在新的结构中只需要B个。当B＝16，输出端口缓存结构和新结构的光纤单元数分别为136和16个。由此可见这种新的结构在光纤利用上的效率。

图3为输出式循环共享缓存结构解决冲突的时间关系示意图。如t₁时刻光纤延时矩阵中有P₀、P₁、P₂三个分组数据包正在经历延时处理，此时光纤延时矩阵入口处有两个分组数据包P₃、P₄(P₃在前，P₄在后)等待进入光纤延时矩阵，如图3(a)所示。其中分组数据包P₃具有QoS服务要求，对于此类的分组需要尽量的减少丢包和延时，因此在此结构中电域控制模块首先将P₁、P₂选择在光纤延时单元中循环延时，因为P₀分组数据包有一部分信号已经离开光纤延时矩阵，在这里我们为了尽量降低丢包率，所以不采取将其丢弃的策略。P₁、P₂的循环延时意味着，在一段时间内P₁和P₂将始终位于D₂-D₁和D₃-D₂时间范围之内，而P₀将继续传输。该时间段由每级光纤的长度D来确定，其光纤的长度可以根据网络中光分组的平均长度来决定。在这段时间内，P₀和P₁之间的时间间隔将变大，当P₀和P₁之间有大于数据包P₃的空虚，具有QoS服务要求的分组数据包P₃将插入到这个时间空隙中。这就实现了分组数据包的QoS服务要求的满足，这也是这种结构区别与普通光纤缓存结构的一大特征。而分组数据包P₄因为比P₃晚到达光纤延时矩阵，所以不会被循环延时，只是选择合适的光纤延时矩阵入口，经历延时，P₄到达时，控制模块会根据光纤延时队列的长度为P₄选择入口，光纤延时队列长度的计算会考虑到前面数据包的循环延时时间。如图3(b)所示。

以上所述，仅为本发明的较佳实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可以轻易想到的变换和替换，都应包含在本发明的保护范畴内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种输出式循环共享光分组交换网络缓存装置，其特征在于，在光分组交换矩阵出口处采用循环共享光纤延时单元，该缓存装置除最后一级外由多个3x2的光交换开关相互级联构成分段光纤分别连接光纤延时单元；最后一级由一个2x2的光交换开关将光纤延时单元连接到光分组交换矩阵；每个3x2光交换开关的第一个入口直接连接光分组交换矩阵的出口；每个3x2光交换开关的第二个入口连接上一级光交换开关的出口，使上级的光纤延时单元共享其下级的所有光纤延时单元；每个3x2光交换开关的第三个入口通过光纤延时单元连接本级光交换开关的出口，实现光纤延时单元的循环利用；光交换开关的两个出口，其中一个连接下一级光交换开关的第二入口，另一个通过光纤延时单元连接本级光交换开关的入口。

2.根据权利要求1所述的输出式循环共享光分组交换网络缓存装置，其特征在于，根据光纤延时队列的长度决定选择光纤延时矩阵的入口，光分组数据包选择接近光纤延时队列最左端的入口。

3.根据权利要求1所述的输出式循环共享光分组交换网络缓存装置，其特征在于，需要延时的光分组数据包根据其到达光分组交换矩阵出口的时间的不同，选择不同的延时光纤入口。

4.根据权利要求1所述的输出式循环共享光分组交换网络缓存装置，其特征在于，其中光纤延时单元的级数根据核心节点缓存空间来配置。

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