CN101754063A - 用于交换时分复用信号的网元 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于交换时分复用信号的网元。为了提供一种以适度的设备成本实现更高容量的、用于在传输网络中交换时分复用信号的网元，该网元具有多个输入端口、多个输出端口以及将输入和输出端口互连的交换结构。交换结构是基于信元的交换机，该交换机包括适合于基于固定长度信元的信元报头中包含的地址来交换信元的一个或者多个交换模块。输入端口包括用于将输入时分复用信号分割成固定长度的信元并且向每个信元分配地址信息的分割设备。输出端口包括用于将从所述交换结构接收的信元重组成输出时分复用信号的重组设备。地址信息包含结构地址和TDM地址。交换结构根据结构地址将信元交换到对应输出端口，并且重组设备根据TDM地址来重组信元。

Description

用于交换时分复用信号的网元

技术领域

本发明涉及电信领域并且具体地涉及一种用于在传输网络中交换时分复用信号的网元和有关方法。

背景技术

WO 03/013061描述了一种用于分组服务的交换系统，其中将分组分割成相同长度的信元并且向每个信元添加地址信息，该地址信息由交换结构用来确定输出端口并且在输出侧正确地重组分组。

WO 93/05596描述了在异步传输模式网络中的反应性拥塞控制。分割通信单元将分组分割成用于通过ATM网络发送的并行用于多个信道的多个信元。重组通信单元重组从ATM网络接收的并行用于多个信道的信元。流水线处理单元用于分割和用于重组。

US 7,286,566描述了一种用于在分别用于分组或者信元交换的路由器或者交换机中的线路卡上使用的多服务分割和重组集成电路。

尽管分组交换服务目前正在增长，但是传输网络如今仍然主要依赖于电路交换技术，比如SDH(同步数字体系)，其中恒速传输信号传输时分复用子速率信号。将有效载荷信号映射成在SDH中称为虚拟容器的复用单元。复用单元代表通过网络的端到端路径，并且通过将网元配置成沿着该路径半永久地交换在所有连续传输帧中存在于相同相对位置的对应复用单元来建立网络中的连接。

网元例如是插/分复用器和数字交叉连接。这样的网元包含I/O(输入/输出)端口和将I/O端口互连的交换矩阵。为了在网络中建立路径而需要在复用单元级执行的交换功能涵盖了在空间域和时间域中、即在不同I/O端口之间和在不同时隙位置之间的交换。通常，在输入端口对传输信号重新定时和校准，并且根据预先配置的互连映射与公共系统时钟同步地对已校准信号的时隙执行交换功能。

US 6,714,537描述了一种用于SONET网络的交换元件，该元件包含静态地配置成根据连接表在输入与输出端口之间交换连接的交换矩阵。为了实现从第一配置到第二配置的迅速切换，交换元件具有两个表，其中交换矩阵保持根据第一个表中存储的当前交换机配置数据来配置，而交换机配置更新数据提供给另一个表。

发明内容

随着当今网络中的业务需求越来越多，需要可以一次交换大量业务信号的网元。另一方面，网元应当廉价和紧凑并且应当具有低功率消耗。

如今使用用于I/O和交换功能的专门化集成电路来构造网元。尽管对于每一代技术，半导体技术通常允许更高集成度，但是网元朝着更高容量和集成度的发展需要完全重新设计其集成电路。由于这样的网元是仅仅适量制造的高度专门化设备，所以这样的重新设计明显导致高昂的设备成本。

因此本发明的一个目的在于提供一种以适度的设备成本实现更高容量的、用于在传输网络中交换时分复用信号的网元和有关方法。

这些目的和下文显现的其它目的通过一种用于交换时分复用信号的网元来执行，该网元具有多个输入端口、多个输出端口以及将输入和输出端口互连的交换结构。该交换结构是基于信元的交换机，该交换机包括适合于基于固定长度信元的信元报头中包含的地址来交换信元的一个或者多个交换模块。输入端口包括用于将输入时分复用信号分割成固定长度的信元并且向每个信元分配地址信息的分割设备。输出端口包含用于将从所述交换结构接收的信元重组成输出时分复用信号的重组设备。地址信息包含结构地址和TDM地址。交换结构根据结构地址将信元交换到对应输出端口，并且重组设备根据TDM地址来重组信元。

附图说明

现在将参照以下附图描述本发明的优选实施例：

图1示出了使用基于信元的交换结构的网元的架构；

图2示出了图1的网元中的内部信号结构；

图3示出了图1的网元中使用的信元结构；

图4示出了如通过4通道宽的并行接口发送的信元结构；

图5示出了图1的网络中使用的线路卡的框图；

图6示出了图3的信元结构的变型；

图7示出了将STS-1多帧分割成具有图6中所示信元结构的信元；并且

图8更具体示出了来自图1的网元的控制器及其工作。

具体实施方式

在图1中示出了网元的一个实施例。它包含多个输入端口和输出端口。为求简化，示出了仅一个输入端口I并且示出了仅一个输出端口O。输入端口和输出端口布置于线路卡TIO上。线路卡包含接收器功能RX和发送器功能TX。在图中，示出了仅一个接收器功能RX-TIO和仅一个发送器功能TX-TIO。然而应当清楚，在实际应用中的网元具有多个线路卡，例如在一个优选实施例中有32个线路卡。另外，每个线路卡可以容纳多个输入端口和对应输出端口。在一个优选实施例中，每个线路卡具有用于10Gb/s TDM信号的8个输入端口和8个对应输出端口。总而言之，这总共将达到2.5Tb/s的系统容量。

线路卡连接到由多个交换模块SE1-SEn构造的交换结构SF。这些模块SE1-SEn是支持固定规模信元交换的具有全双工交换能力的自路由交换元件。这样的交换模块在市面上有售并且通常用于交换以太网业务或者其它种类的分组交换业务。这样的交换模块是相对大量生产的现货组件。将这些设备重用于TDM应用允许以适度的成本、最高的集成水平使用最新技术来构造大型网元。

在系统容量为2.5Tb/s的优选实施例中，交换结构SF包含布置于5个结构卡上的20个交换模块加上布置于3个结构板上用于设备保护目的的12个附加的交换模块。每个交换模块具有6.25Gb/s的64×64路的交换能力。应当理解，这一选择和尺度设置仅为例子并且可以按照需要并且在组件可用时加以缩放。

线路卡TIO包含TDM成帧器10、分割和重组(SAR)功能模块11以及矩阵适配器(MA)12。在接收方向(入口侧)上，TDM成帧器10终止接收的传输信号的传输开销。此外，成帧器还针对接收的信号执行重新定时和校准功能。SAR模块11从接收的TDM信号中的时隙提取复用单元并且将这些单元转换成信元格式。SAR模块还向每个信元中插入如下文将说明的那样包含地址信息的信元报头。矩阵适配器12将信元分发到交换结构SF的交换元件SE1-SEn并且包含用于调度和业务整形的业务管理器。这样的矩阵适配器也在市面上有售，以便用于在以太网或者分组交换应用中使用。

此外，网元包含TDM层(shelf)控制器TSC，如下文将更具体说明的那样可以经由该TSC配置线路卡。层控制器还接收TDM成帧器中终止的开销信息。

在图1的右手侧上示出了线路卡TIO-TX的发送侧(出口侧)。在发送方向上，矩阵适配器13从交换矩阵SM接收信元、对这些信元排序并且将它们馈送到SAR模块14。SAR模块从接收的信元提取有用数据并且将这些数据重组成复用单元。TDM成帧器15将复用单元映射成新创建的TDM帧用于向前发送。

如说明的那样，图1中的信号流从左到右。在输入端口I接收构造成相同长度的帧的TDM线路信号。在实施例中，该线路信号可以是容量为10Gbit/s的STM64信号。STM64帧包含64个高阶复用单元VC-4。取而代之，可以使用4×STM16或者16×STM4或者其组合的复用线路信号。另外，SONET等效STS-192同样可以用作线路信号。在任何情况下，将交换粒度选择为与1/3STM1对应的STS-1。然而这仅为内部交换实体，在交换之前完成帧处理，从而可以例如将STM1交换为3个独立STS-1。实际帧处理由TDM成帧器110完成，该成帧器终止STM64帧的分节开销并且处理它们的AU指针。

在图2中示意地示出了信号结构。TDM成帧器10的输出是连续比特流，其仍然构造成帧，但是与本地时钟同步并且已经提取了帧头(分节开销)。可以在每个帧内的固定时隙中找到复用单元。SAR模块11从时隙提取复用单元并且通过将比特流分割成60B有效载荷信元将这些时隙转换成信元格式。SAR模块11的输出具有如下信元格式，该信元格式具有60B有效载荷、4B地址开销以及包含成帧和CRC字节的附加8B信元报头。在优选实施例中，利用修改的XAUI接口(XAUI代表“10吉比特附加单元接口”)，该接口是用于10G以太网应用的流行的片间(inter-chip)或者底板(hackplane)格式。在SAR 11与MA 12之间的XAUI接口是宽度为4通道的并行接口。在图4中示出了通过4个并行通道分发信元字节。8字节的XAUI信元报头位于信元末尾并且包含确定信元结束的CRC(循环冗余校验)和成帧(/K/、/T/)字节。应当理解，XAUI或者其修改仅为用于片间接口的一种可能方案并且可以等同地使用其它基于信元的接口格式。

在MA 12、13与交换结构SF之间的接口是具有9字节信元报头的专用接口，该信元报头还包含时间戳，该时间戳负责信元在发送侧MA 13的顺序。

在图3中更具体地示出的4B地址字段包含2B结构报头和2BTDM报头。结构报头由交换结构查看。它包含表明信元去往的输出端口的地址。由于每个线路卡带有8个输出端口，所以结构报头包含标识目的地MA的11比特和标识由该目的地MA服务的输出端口的4比特。如下文更具体说明的那样，第一比特用来区分单播与多播连接。在单播连接的情况下，将这一比特设置成‘0’。

TDM报头由发送侧SAR模块查看并且包含16比特的出口标识符。8个最低有效位(P1)表明信元所属的时隙。由于实施例中的网元按STS-1(同步传输信号1级)的粒度交换，所以在10G输出信号中有192个时隙(STM64或者STS-192)。因此，8比特足以对这些时隙寻址(2⁸＝256)。8个最高有效位(P0)标识信元有效载荷需要映射到的时间隙所属的10G信号。这可能由于结构报头H1、H2的信息而显得冗余，但是已证实在涉及到例如用于保护交换的多播连接时可用以明确地标识系统中的信号。

在图5中示出了用于图1的网元的线路卡50。它包含用于连接光纤链路的8个I/O端口IO1-IO8。每个I/O端口IO1-IO8配备有连接到串行器/解串行器(Serdes)的E/O转换器(电/光)，该转换器在每个方向上在穿行与并行接口之间转换数据。线路卡50还包含两个成帧器电路51a、51b，每个成帧器电路51a、51b服务于四个I/O端口并且具有4×10G的容量。两个成帧器电路51a、51b中的每个成帧器电路连接到也具有40G容量的SAR模块52a、52b，并且两个SAR模块52a、52b中的每个SAR模块连接到MA 53a、53b。两个MA 53a、53b各自经由4通道宽的接口连接到交换结构58。应当注意，线路卡的所有功能均为双向的并且包含接收和发送功能。示意地示出了线路卡50上的互连以及外部光纤连接，这些连接优选地实施为用于两个发送方向的不同物理连接。

这一线路卡50还包含经由集线器电路54连接到两个成帧器电路51a、51b和SAR模块52a、52b的卡控制器55。集线器54适于作为桥接器并且将不同类型的芯片接口互连。卡控制器55具有通向控制器TSC(见图1)的LAN接口(GE LAN)。集线器54提供附加外部接口，比如串行接口SRIO和复用TDM接口。线路卡上的集成电路与集线器54之间的控制接口服务于紧凑PCI接口(cPCI)。

成帧器电路51a、51b终止接收的线路信号的分节开销并且经由集线器54将控制字节发送到卡控制器55。卡控制器55管理和配置线路卡。然而，还有可能的是层控制器TSC经由集线器54的外部接口直接管理和配置成帧器和SAR模块，因此可以接管卡控制器55的功能，从而在没有单独的卡控制器的情况下也可以实施线路卡。

SAR将来自接收的TDM信号的时隙分割成信元并且分配结构和TDM地址。这些内容已经由卡控制器55或者TSC直接配置。MA是用于以太网设备的标准组件并且与基于信元的交换结构58协作向发送侧MA提供互连功能，该发送侧根据4位的目的地接口比特将接收的信元分发到适当输出端口。在接收和发送方向上的MA以及交换结构SF因此可以视为三级交换矩阵。应当理解，根据系统容量，这样的交换矩阵也可以具有多于三级。

图6示出了关于信元报头格式的改进。它包含附加报头字节P2。另外，字节P3可以用作有效载荷字节或者报头扩展。字节P2具有用于出口同步的4比特和表明多帧中的信元编号的4比特。在500μs的多帧、即4个连续STS-1帧中执行分割。

如图5中可见，STS-1传输信元格式提供用于信元报头的标称5个字节和用于有效载荷的59个字节，但是在STS-1信元传输中有少数信元具有6个字节的扩展报头和58个有效载荷字节。跨STS-1信元传输的有效载荷分节来传输包括开销列1、2和3的完整STS-1帧。STS-1信元传输具有多帧结构，其中多帧内的恰好第一信元总是在固定的信元位置(P4)传输STS 1帧的开头。这一信元由信元报头的出口同步分节内的标记表明。STS-1信元传输内的多帧的累积间隔的持续时间为500μs。在该时间间隔内将如图7中所示传输4×180个字节＝3240个字节。

继续上文说明的寻址机制(该机制允许在时间域和空间域中将TDM子信号从一个输入端口交换到一个输出端口)，实施例的网元还提供用以将输入信号发送到多个输出端口的能力。这样的连接称为多播连接。为此，结构报头H1、H2由15比特的多播地址取代，而结构模块SE1至SEn和MA被配置成将携带某个多播地址的信元交换到适当输出端口。这样的多播连接主要用于保护交换，其中需要通过冗余链路发送输入信号。在多播连接的情况下，将结构报头的第一比特设置成‘1’。

以多播交换为例，将更具体说明如图8中所示控制器的工作和设计。控制器TSC包含集中器模块81、保护管理器82和用于与数据平面控制器或者网络管理设施通信的通信控制器86。这些模块优选地实施为FPGA(现场可编程门阵列)。保护管理器82包含保护控制块83、连通性映射块84和执行网元中的交换功能的实际配置和管理的结构管理器85。

在接收侧线路卡中，成帧器10终止分节开销并且从中提取控制字节。成帧器针对每个虚拟容器(VC)检测线路和分节警报以及警报和状态信息、提取自动保护交换(APS)字节K1和K2并且为性能监视(PM)确定原语。这些信息经由集线器54的TDM接口转发到控制器TSC，并且集中器模块81从所有线路卡聚集这些信息。保护控制块83评估这些数据并且在故障或者信号降级的情况下确定何时需要执行保护交换并且相应地配置块84的连通性映射。在通信控制器86处接收用以建立新连接或者断开现有连接的连接/断开请求，该控制器相应地配置块84的连接映射。结构管理器84以如下方式实施连通性映射84：对于任一种连接(单播和多播)，结构管理器针对每个STS-1为接收侧SAR模块11配置连接标签、即对于每个特定STS-1将针对每个信元使用哪些地址。

由于交换结构为自路由并且保持信元顺序，所以仅需通过结构管理器配置多播连接。通过相应地配置交换元件从而使得这些元件得知对于每个多播地址相应信元需要去往的端口来执行这一点。最终，结构管理器配置发送侧SAR模块以分配多播缓冲器以及STS-1时隙。由于具有单个TDM地址的信元被发送到多个输出端口并且并不一定在这些端口最终进入相同时隙，所以有必要直接在线路卡配置时隙。另外，缓冲器还允许将单个信元多播到由相同SAR模块服务的多个输出。

因而，通过在入口侧设置信元地址来提供连通性。结构报头H1、H2对目的地MA端口寻址，而TDM报头P0、P1对STS-1时隙寻址。结构的连通性由TDM层控制器TSC评估并且下载到线路卡的分割和重组(SAR)功能中。按每秒200次的速率(5ms周期)考虑路径(SNCP)和线路交换功能(MSP)来计算用于整个结构的目的地报头。每5ms将完整连通性下载到线路卡和结构设备中。如提到的那样，仅需针对多播连通性来配置结构设备。

继续讨论TDM线路卡，网元还可以配备有分组线路卡，从而提供实际的多服务交换机。这样的多服务网元允许使用单个“类型不可知”的交换元件来交换分组以及同步TDM服务。尽管传统上将完全不同的网络用于这两种业务，但是实施到单个节点中允许在单个网络架构内具有所有种类的服务。这与二者兼备(TDM矩阵用于TDM业务而信元矩阵用于分组业务)的混合网元相比节省大量成本。

应当清楚，基于上述原理可以设想对具体实施例的各种修改。

Claims (9)

1.一种用于交换时分复用信号的网元，包括多个输入端口(I，IO1-IO8)、多个输出端口(O；IO1-IO8)以及将所述输入端口(I，IO1-IO8)和所述输出端口(O；IO1-IO8)互连的交换结构(SF；58)；

-其中所述交换结构(SF；58)是基于信元的交换机，所述交换机包括适合于基于固定长度信元的信元报头中包含的地址(H1，H2，P0，P1)来交换所述信元的一个或者多个交换模块(SE1-SEn)，

-其中所述输入端口(I)包括用于将输入时分复用信号分割成固定长度的信元并且向每个信元分配地址信息的分割设备(11；52a，52b)；

-其中所述输出端口(O)包括用于将从所述交换结构(SF；58)接收的信元重组成输出时分复用信号的重组设备(14；52a，52b)；

-其中所述地址信息包含结构地址(H1，H2)和TDM地址(P0，P1)；

-其中所述交换结构(SF；58)根据所述结构地址(H1，H2)将所述信元交换到对应输出端口(O；IO1-IO8)；并且

-其中所述重组设备(14；52a，52b)根据所述TDM地址(P0，P1)来重组所述信元。

2.根据权利要求1所述的网元，其中所述交换结构(SF；58)为自路由。

3.根据权利要求1所述的网元，其中所述交换结构(SF；58)包含多个相同的交换元件(SE1-SEn)，并且其中所述网元还包括将所述信元分发到所述交换元件(SE1，SEn)的至少一个矩阵适配器(12；53a，53b)。

4.根据权利要求3所述的网元，其中所述矩阵适配器(13；53a，53b)还从所述交换结构(SF；58)接收信元、根据来自这些信元的报头的信息来对这些信元进行重新排序并且将所述重新排序的信元转发到所述对应输出端口的所述重组设备(14)。

5.根据权利要求3所述的网元，其中一个或者多个输入端口和一个或者多个输出端口布置于线路卡(50)上，所述线路卡还包含分割和重组模块(52a，52b)，所述分割和重组模块包括与所述一个或者多个输入和输出端口(IO1-IO8)以及所述矩阵适配器(53a，53b)对应的所述分割设备(11)和所述重组设备(14)，并且其中所述网元包括多个这样的线路卡。

6.根据权利要求1所述的网元，还包括控制器(TSC)，其连接到所述分割设备(11；52a，52b)并且适合于为所述分割设备(11；52a，52b)配置哪些地址信息进入每个信元中。

7.根据权利要求1所述的网元，还适合于建立多播连接，其中在多播连接的情况下，所述结构地址由多播地址取代，并且其中所述交换结构被配置成基于所述多播地址将信元分发到适当输出端口。

8.根据权利要求1所述的网元，还包括一个或者多个分组线路卡，用于接收分组业务信号并且将所述分组业务信号转换成固定长度的信元。

9.一种交换时分复用信号的方法，所述方法包括以下步骤：

-在输入端口(I)将输入时分复用信号分割成固定长度的信元并且向每个信元分配地址信息，其中所述地址信息包含结构地址(H1，H2)和TDM地址(P0，P1)；

-通过基于信元的交换结构(SF；58)根据所述结构地址(H1，H2)将所述信元交换到所述交换结构(SF；58)的对应输出端口(O；IO1-IO8)；并且

-在所述输出端口(O)根据所述TDM地址(P0，P1)将从所述交换结构(SF；58)接收的信元重组成输出时分复用信号。

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