CN102281478B

CN102281478B - 用于混合交换的片上光路由器

Info

Publication number: CN102281478B
Application number: CN201110269362.7A
Authority: CN
Inventors: 顾华玺; 李慧; 杨银堂; 岳鹏; 刘飞阳
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2011-09-13
Filing date: 2011-09-13
Publication date: 2014-08-06
Anticipated expiration: 2031-09-13
Also published as: CN102281478A

Abstract

本发明公开一种用于混合交换的片上光路由器，主要解决现有片上光路由器中单一交换机制所面临的通信时延高、网络传输效率低以及资源利用率低的问题。该路由器包括光电路交换OCS部分和光分组交换OPS部分，各部分均由电域模块和光域模块组成，该OCS电域模块为OCS光域模块在传输消息之前根据电建链信息建立光链路，该OPS电域模块为OPS光域模块在光分组的传输与交换过程中提供控制信息。OCS部分用于传输使用OCS交换机制的消息，OPS部分用于传输使用OPS交换机制的消息。本发明对不同类型消息的性能分别进行了优化，具有通信时延小、网络传输效率高和资源利用率高的优点，适用于光片上网络中的互连和通信。

Description

用于混合交换的片上光路由器

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及光片上网络(Optical Network-on-Chip)通信技术领域中用于混合交换的片上光路由器，可用于光片上网络处理器核之间的通信。

背景技术

半导体技术与集成电路技术的迅速发展促使系统芯片(System on Chip，SoC)的规模不断增加，并使其向多核化与异构化的方向发展。但是，传统的SoC基于总线方式设计，在带宽、同步、可重用性、可扩展性等方面出现瓶颈，具体表现在：(1)通信带宽受限。总线可由多个用户共享，但其串行访问机制决定了通信方式，一条总线无法支持一对以上用户同时通信，并且，总线方式可以有效地连接多个用户，但其总线地址资源不能随用户的增加而无限扩展，这些因素致使通信带宽受限；(2)全局同步困难。工艺特征尺寸的不断减小，时钟频率的不断增大，促使时钟偏移以及时钟引入的功耗越来越严重，对于芯片上同步的实现影响很大；(3)可重用性差。在基于总线方式的结构中，通信结构互连的各通信单元可以重用，但通信架构却必须重新设计，这就增加了开发成本与设计周期；(4)可扩展性差。当片上集成的通信单元越来越多的时候，总线方式的可扩展性差的问题就会很明显，从而导致连接规模受限，资源利用率低等问题。

片上网络(Network on Chip，NoC)的出现很好地解决了以上问题，它将计算机网络技术的思想引入芯片设计中，采用分组交换作为基本的交换机制，使用全局异步局部同步GALS的时钟同步机制，实现了通信单元与通信结构的分离，极大地改进了传统总线结构中的带宽、同步、可重用性、可扩展性等方面的性能。

传统的NoC中采用电互连方式连接各通信单元，会在以下几方面表现出局限性：(1)带宽密度小，致使网络带宽无法进一步提高；(2)能耗与信号传播的距离有关，距离越大，所消耗的能耗越大；(3)由于电互连中的寄生电容电感、串扰引入对信号的电干扰。这几方面的原因促使片上互连成为性能进一步提高的瓶颈。

光互连方式的出现使上述问题得到了解决。随着新型半导体材料技术的不断进步，与CMOS工艺兼容的光发射器件、调制器、传输器件和光电探测器等各种集成光器件都取得了突破性的进展，采用光互连方式的光片上网络性能要比电片上网络改进许多。

光交换机制是片上网络设计的关键技术之一，它确定了片上信息在传输过程中网络资源的分配方式，对网络性能的影响很大。

Keren Bergman在文章“Nanoscale Silicon Photonic Networks-On-Chip for MulticoreProcessors Communications”(Optical Society of America，2008)中提出一个适用于光电路交换的片上光路由器。所谓光电路交换，就是先通过电分组进行建链，一旦光链路建立完成，就直接通过光链路发送光分组。该文章中所提的4×4无阻塞的片上光路由器共有八个微环谐振器和四根波导。这种片上光路由器的优势在于无阻塞，并且信息不会进行U型转弯又回到源节点，共有12条可能的物理通道。该片上光路由器与一个片上电路由器连接组成一个用于光片上网络的4×4路由器。其中，电路由器主要是用来控制基本光交换单元中特定位置上微环谐振器的状态，使其处于“ON”或“OFF”。在网络中传输光信息时，首先会在电路由器组成的电网络中传输建链分组，电路由器根据建链分组中的建链信息，设置相应位置上的微环谐振器，建立从源节点到目的节点的光链路，然后直接在光路由器中传输光信息分组。该结构的不足之处在于：第一，光路由器只可用于光电路交换机制，对于长度较大的分组传输比较有效，但对于短而频繁，生存期较短，特别是具有突发性的分组传输，要求频繁建立光链路，消息的通信时延较大，网络资源利用率不高；第二，光电路交换中，一旦光链路建立，只有链路拆除之后，相应的资源才可以再次使用，不能实现光链路资源的统计复用，带宽利用率较低，成本较高。

Lei Zhang等人在文章“A 2D-Torus Based Packet Switching OpticalNetwork-on-Chip Architecture”(2011 Symposium on Photonics and Optoelectronics，2011)提出一种用于光分组交换的片上光路由器，在该路由器中，如果分组需要中转，首先将光信息接收下来，并将光信息转换为电信息，其次，该路由器读取和分析数据头信息，以便进行路由，最后，将转换后的电信息调制到合适的波长上发送到下一节点。该方法的不足之处在于：第一，该片上光路由器只可用于光分组交换，对于吞吐要求高、生存期较长的数据信息传输效率不高；第二，该片上光路由器使用了较多的激光器和光电探测器，引入的能耗较大；第三，该片上光路由器不能提供保证服务质量的服务。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提出一种用于混合交换的片上光路由器，以解决片上光路由器只适用于单一交换机制所面临的问题，实现两种交换机制的协调配合，对不同类型消息的性能分别优化，降低网络中消息的通信时延，提高网络的传输效率和资源利用率。

为实现上述目的，本发明一种用于混合交换的片上光路由器，包括光电路交换OCS部分和光分组交换OPS部分，其中：

OCS部分和OPS部分在片上光路由器中通过各端口的一组解复用器和复用器相连，以便在这两部分中各自使用不同的波长传输数据；

所述的光分组交换OPS部分，包括：

OPS电域模块，用于完成光分组中头信息的识别，以及光分组在传输过程中的路由控制和流量控制；

OPS光域模块，用于完成光分组中头信息与数据信息的分离，在光分组竞争端口失败时对光分组的缓存，在路由器端口之间对光分组的正确交换，以及在交换过程结束后对光分组中头信息的更新；

所述的OPS电域模块与OPS光域模块通过电互连方式相连，在光分组的传输与交换过程中，由电域模块为光域模块提供控制信息。

上述用于混合交换的片上光路由器，其中所述的OPS电域模块，由头信息识别单元、路由控制单元和流量控制单元组成；OPS光域模块，由五组波导、五个分束器、五个光缓存单元、一个光交换单元和五个头信息更新单元组成，电域的OPS头信息识别单元与光域的各个OPS分束器分别通过电互连方式相连；电域的OPS路由控制单元与光域的各个OPS光缓存单元、光交换单元以及各个OPS头信息更新单元分别通过电互连方式相连；电域的OPS流量控制单元与光域的各个OPS光缓存单元分别通过电互连方式相连。

上述用于混合交换的片上光路由器，其中所述OPS电域模块中的头信息识别单元和流量控制单元分别通过电互连方式与路由控制单元相连；该头信息识别单元读取光分组中的头信息，为路由控制单元提供所需要的路由信息；该路由控制单元根据路由信息进行路由计算，并对光域中的光缓存单元、光交换单元以及头信息更新单元进行控制；该流量控制单元负责检测光域中缓存单元的状态并发送流量控制信息到相邻的片上光路由器，以及接收相邻的片上光路由器所发送的流量控制信息并控制路由控制单元。

上述用于混合交换的片上光路由器，其中所述OPS光域模块中的五个分束器、五个光缓存单元、一个光交换单元和五个头信息更新单元之间通过五组波导进行相连；每组波导用于传输光分组以及将光域中的各单元进行相连；每个分束器分离一部分的光分组能量，并发送到OPS电域的头信息识别单元；每个光缓存单元对竞争端口失败的光分组进行缓存；光交换单元将光分组从输入端口传输到分组需要输出的端口；头信息更新单元对光交换单元中交换结束后的光分组进行头信息的更新。

上述用于混合交换的片上光路由器，其中所述的光电路交换OCS部分，包括OCS电域模块与OCS光域模块；OCS电域模块，由电传输单元和电控制单元组成，OCS光域模块，由五根输入波导、一个光交换单元和五根输出波导组成；OCS电域模块与OCS光域模块之间通过电域的电控制单元与光域的光交换单元之间的电互连实现连接，电域模块为光域模块在传输光消息之前根据电建链信息建立光链路。

上述用于混合交换的片上光路由器，其中所述OCS电域模块中的电传输单元和电控制单元通过电互连方式相连；电传输单元传输电建链信息，电控制单元根据电传输单元中传输的电建链信息建立光链路。

上述用于混合交换的片上光路由器，其中所述OCS光域模块中的波导，用于传输光消息以及将光域中的光交换单元进行相连；所述光交换单元，将光消息从输入端口传输到光消息要输出的端口。

上述用于混合交换的片上光路由器，其中所述的OCS光交换单元和OPS光交换单元均由二十个1×2基本光开关单元和十根波导组成，两者共同组成本发明片上光路由器中的光交换单元；该1×2基本光开关单元实现光信息在光交换单元中传输方向的改变，十根波导实现光信息的传输以及各个1×2基本光开关单元的相连。

上述用于混合交换的片上光路由器，其中所述的1×2基本光开关单元，包括一个微环谐振器和两根波导，两根波导成十字交叉，形成一个交叉点，微环谐振器位于波导交叉点；通过改变微环谐振器的谐振波长来改变1×2基本光开关单元的工作状态，以实现1×2基本光开关单元的开关功能；1×2基本光开关单元处于“OFF”工作状态时，谐振波长为λ_OFF，1×2基本光开关单元处于“ON”工作状态时，OCS光交换单元中的微环谐振器的谐振波长为λ₁，OPS光交换单元中的微环谐振器的谐振波长为λ₂，其中，λ_OFF≠λ₁≠λ₂。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，由于本发明适用于OCS和OPS两种交换机制，传输不同类型的消息使用不同的交换机制，故可实现混合交换，克服了之前单独使用OCS交换机制的片上光路由器在传输短而通信频繁的分组时，由于要求频繁建立光链路而导致通信时延较大，网络资源利用率低的缺点，使得本发明在传输短而频繁的分组时具有通信时延较小、网络资源利用率高的优点。

第二，由于本发明在使用OCS交换机制时，可以同时使用OPS交换机制，克服了之前单独使用OCS交换机制的片上光路由器在光链路未拆除时其他通信节点不能使用被占用资源而导致网络带宽利用率低的缺点，使得本发明具有网络带宽利用率高，成本低，并对资源可以进行统计复用的优点。

第三，由于本发明在使用OPS交换机制时，可以同时使用OCS交换机制，克服了之前只用OPS交换机制的片上光路由器在传输吞吐要求高、生存期较长的数据时，由于无法持续传输光分组导致传输效率低的缺点，使本发明在传输吞吐要求高、生存期较长的数据时具有传输效率高的优点。

第四，由于本发明采用新型的光交换单元，将OCS和OPS两部分的光交换单元在同一单元中实现，克服了之前片上光路由器中由于大量使用激光器和光电探测器导致能耗较大的缺点，使得本发明具有能耗较小的优点。

第五，由于本发明在使用OPS交换机制时，可以同时使用OCS交换机制，克服了之前只用OPS交换机制的片上光路由器不能保证服务质量的缺点，使得本发明具有可以保证服务质量的优点。

附图说明

图1为本发明用于混合交换的片上光路由器的原理框图；

图2为本发明用于混合交换的片上光路由器的结构示意图；

图3为本发明片上光路由器中1×2基本光开关单元的工作原理示意图；

图4为本发明片上光路由器中的光交换单元结构示意图；

图5为本发明片上光路由器的光交换单元中光消息的传输路径示意图。

具体实施方式

由于现有网络大多为mesh结构，故本发明主要针对传统5×5的mesh结构设计，片上光路由器大小为5×5，但其混合交换的思想同样适用于其他网络结构，只需要将片上光路由器的端口规模以及交换单元规模进行扩展即可。

下面结合附图对本发明做进一步描述。

参照图1，本发明用于混合交换的片上光路由器，包括：光电路交换OCS部分和光分组交换OPS部分，各部分均由电域模块和光域模块组成。图1中的虚线表示电互连，实线表示用波导实现的光互连。其中：

光电路交换OCS部分中的OCS电域模块由电传输单元和电控制单元组成，OCS电域模块中的电传输单元和电控制单元通过电互连方式相连；电传输单元传输电建链信息，电控制单元根据电传输单元中传输的电建链信息建立光链路。光电路交换OCS部分中的OCS光域模块，主要由OCS光交换单元组成，光交换单元之间的连接通过波导实现；OCS光交换单元负责将光消息从输入端口传输到光消息要输出的端口。OCS电域模块的电控制单元与OCS光域模块的光交换单元之间通过电互连方式相连；电域模块为光域模块在传输光消息之前根据电建链信息建立光链路。

光分组交换OPS部分中的OPS电域模块，由头信息识别单元、路由控制单元和流量控制单元组成，其中，头信息识别单元和流量控制单元分别通过电互连方式与路由控制单元相连；该头信息识别单元读取光分组中的头信息，为路由控制单元提供所需要的路由信息；该路由控制单元根据路由信息进行路由计算，并对光域中的光缓存单元、光交换单元以及头信息更新单元进行控制；该流量控制单元负责检测光域中缓存单元的状态并发送流量控制信息到相邻的片上光路由器，以及接收相邻的片上光路由器发送的流量控制信息并对路由控制单元进行控制。光分组交换OPS部分中的OPS光域模块主要由分束器、光缓存单元、OPS光交换单元和头信息更新单元组成，各单元之间通过波导进行相连；分束器分离一部分的光分组能量，并发送到OPS电域的头信息识别单元；光缓存单元对竞争端口失败的光分组进行缓存；OPS光交换单元将光分组从输入端口传输到分组要去往的端口；头信息更新单元对光交换单元中交换结束后的光分组进行头信息的更新。电域的OPS头信息识别单元与光域的OPS分束器通过电互连方式相连；电域的OPS路由控制单元与光域的OPS光缓存单元、光交换单元以及OPS头信息更新单元分别通过电互连方式相连；电域的OPS流量控制单元与光域的OPS光缓存单元通过电互连方式相连。

上述OCS光交换单元与OPS光交换单元，共同组成本发明片上光路由器中的光交换单元，实现片上光路由器的交换功能。

参照图2，本发明OCS电域模块中的电传输单元，通过第一输出电连接线113与电控制单元相连，并且通过第一输入电连接线组115和第一输出电连接线组116实现本发明片上光路由器之间的连接。

图2中的光交换单元包括：OCS光交换单元和OPS光交换单元。上述OCS光域模块中的OCS光交换单元，通过第一输入电连接线114与电域的电控制单元相连，通过第一输入波导组101与5个解复用器相连，并通过第一输出波导组112与5个复用器相连。

在OPS电域模块中，头信息识别单元通过第二输出电连接线104与路由控制单元相连；流量控制单元通过第三输出电连接线117与路由控制单元相连，并通过第二输出电连接线组119和第二输入电连接线组120实现本发明片上光路由器之间的连接。

在OPS光域模块中，分束器设为5个，光缓存单元设为5个，光交换单元设为1个，头信息更新单元设为5个。其中，5个分束器，通过第三输出电连接线组103与电域的头信息识别单元相连，通过第二输入波导组102与5个解复用器相连，并通过第二输出波导组108与5个光缓存单元相连；5个光缓存单元，通过第三输入电连接线组105与电域的路由控制单元相连，通过第四输出电连接线组118与电域的流量控制单元相连，并通过第三输出波导组109与光交换单元相连；OPS光交换单元，通过第二输入电连接线106与电域的路由控制单元相连，并通过第四输出波导组110与头信息更新单元相连；头信息更新单元通过第四输入电连接线组107与电域的路由控制单元相连，并通过第五输出波导组111与5个复用器相连。

参照图3，本发明中使用的1×2基本光开关单元，包括一个微环谐振器201和两根波导202、203，其中，波导202和波导203成十字交叉，形成一个交叉点，微环谐振器201位于波导交叉点。该1×2基本光开关单元有四个端口，水平方向的端口为端口1和端口3，竖直方向的端口为端口2和端口4。

当1×2基本光开关单元处于“OFF”状态时，微环谐振器201的谐振波长为λ_OFF。波长为λ≠λ_OFF的光消息从端口1输入，在水平波导202中传输，最后，光消息从端口3输出，如图3(a)所示。

在控制信号作用下，1×2基本光开关单元处于“ON”状态，微环谐振器201的谐振波长变为λ_ON。波长为λ＝λ_ON的光消息从端口1输入到水平波导202中，然后耦合进入微环谐振器201继续传输，当光消息传输方向转变90度后，光消息耦合进入竖直波导203，并从端口4输出，其中，λ_ON≠λ_OFF，如图3(b)所示。

参照图4，本发明片上光路由器中的光交换单元，由四十个1×2基本光开关单元和二十根波导组成，其中，水平波导组301、竖直波导组302以及与两个波导组相连的二十个1×2基本光开关单元，组成OCS光交换单元；水平波导组303、竖直波导组304、以及与两个波导组相连的二十个1×2基本光开关单元，组成OPS光交换单元。

在OCS光交换单元和OPS光交换单元中，当1×2基本光开关单元处于“OFF”状态时，微环谐振器的谐振波长为λ_OFF；在控制信号作用下，1×2基本光开关单元处于“ON”状态，OCS光交换单元中的微环谐振器的谐振波长变为λ₁，OPS光交换单元中的微环谐振器的谐振波长变为λ₂，其中，λ_OFF≠λ₁≠λ₂。

参照图5，本发明的光消息传输路径是：使用OCS交换机制的光消息从西端口输入，从东端口输出；使用OPS交换机制的光分组从西端口输入，从北端口输出。使用OCS交换机制的光消息从西端口输入，沿图中虚线所示路径传输至1×2基本光开关单元401，并耦合进入1×2基本光开关单元401中的微环谐振器，当传输方向改变90度后，光消息耦合进入竖直波导，并继续沿虚线所示路径传输，最后从东端口输出。使用OPS交换机制的光分组从西端口输入，沿图中虚线所示路径传输至1×2基本光开关单元402，并耦合进入1×2基本光开关单元402中的微环谐振器，当传输方向改变90度后，光消息耦合进入竖直波导，并继续沿虚线所示路径传输，最后从北端口输出。

在控制信号的作用下，1×2基本光开关单元401和1×2基本光开关单元402处于“ON”状态，其中，1×2基本光开关单元401中的微环谐振器的谐振波长变为λ₁，1×2基本光开关单元402中的微环谐振器的谐振波长变为λ₂。

Claims

1.一种用于混合交换的片上光路由器，包括光电路交换OCS部分和光分组交换OPS部分，其特征在于：

OCS部分和OPS部分相结合的设计针对传统5×5的mesh结构；

OCS部分和OPS部分在片上光路由器中通过各端口的一组解复用器和复用器相连，在这两部分中各自使用不同的波长传输数据，以便实现两种交换机制的协调配合；

所述的光分组交换OPS部分，包括:

所述的OPS电域模块与OPS光域模块通过电互连方式相连，由OPS电域模块为OPS光域模块提供控制信息，即通过OPS光域模块中的分束器将头信息的一部分光分组能量分离，并发送到OPS电域模块的头信息识别单元，该头信息识别单元读取光分组中的头信息，为路由控制单元提供所需要的路由信息，该路由控制单元根据路由信息进行路由计算，并对OPS光域模块中的光缓存单元、OPS光交换单元以及头信息更新单元进行控制。

2.根据权利要求1所述的用于混合交换的片上光路由器，其特征在于，OPS电域模块，针对传统5×5的mesh结构，其由头信息识别单元、路由控制单元和流量控制单元组成；OPS光域模块，由五组波导、五个分束器、五个光缓存单元、一个OPS光交换单元和五个头信息更新单元组成，OPS电域模块的头信息识别单元与OPS光域模块的各个分束器分别通过电互连方式相连；OPS电域模块的路由控制单元与OPS光域模块的各个光缓存单元、OPS光交换单元以及各个头信息更新单元分别通过电互连方式相连；OPS电域模块的流量控制单元与OPS光域模块的各个光缓存单元分别通过电互连方式相连。

3.根据权利要求2所述的用于混合交换的片上光路由器，其特征在于，所述OPS电域模块中的头信息识别单元和流量控制单元分别通过电互连方式与路由控制单元相连；该头信息识别单元读取光分组中的头信息，为路由控制单元提供所需要的路由信息；该路由控制单元根据路由信息进行路由计算，并对OPS光域模块中的光缓存单元、OPS光交换单元以及头信息更新单元进行控制；该流量控制单元负责检测OPS光域模块中光缓存单元的状态并发送流量控制信息到相邻的片上光路由器，以及接收相邻的片上光路由器所发送的流量控制信息并控制路由控制单元。

4.根据权利要求2所述的用于混合交换的片上光路由器，其特征在于，所述OPS光域模块中的五个分束器、五个光缓存单元、一个OPS光交换单元和五个头信息更新单元之间通过五组波导进行相连；每组波导用于传输光分组以及将OPS光域模块中的各单元进行相连；每个分束器分离一部分的光分组能量，并发送到OPS电域模块的头信息识别单元；每个光缓存单元对竞争端口失败的光分组进行缓存；OPS光交换单元将光分组从输入端口传输到分组需要输出的端口；头信息更新单元对OPS光交换单元中交换结束后的光分组进行头信息的更新。

5.根据权利要求1所述的用于混合交换的片上光路由器，其特征在于，所述的光电路交换OCS部分，包括OCS电域模块与OCS光域模块；OCS电域模块，针对传统5×5的mesh结构，其由电传输单元和电控制单元组成，OCS光域模块，由五根输入波导、一个OCS光交换单元和五根输出波导组成；OCS电域模块与OCS光域模块之间通过OCS电域模块的电控制单元与OCS光域模块的OCS光交换单元之间的电互连实现连接，OCS电域模块为OCS光域模块在传输光消息之前根据电建链信息建立光链路。

6.根据权利要求5所述的用于混合交换的片上光路由器，其特征在于，所述OCS电域模块中的电传输单元和电控制单元通过电互连方式相连；电传输单元传输电建链信息，电控制单元根据电传输单元中传输的电建链信息建立光链路。

7.根据权利要求5所述的用于混合交换的片上光路由器，其特征在于，所述OCS光域模块中的波导，用于传输光消息以及将OCS光域模块中的OCS光交换单元进行相连；所述OCS光交换单元，将光消息从输入端口传输到光消息要输出的端口。

8.根据权利要求4或5所述的用于混合交换的片上光路由器，其特征在于，所述的OCS光交换单元和OPS光交换单元均由二十个1×2基本光开关单元和十根波导组成，两者共同组成所述片上光路由器中的光交换单元；该1×2基本光开关单元实现光信息在光交换单元中传输方向的改变，十根波导实现光信息的传输以及各个1×2基本光开关单元的相连。

9.根据权利要求8所述的用于混合交换的片上光路由器，其特征在于，所述的1×2基本光开关单元，包括一个微环谐振器和两根波导，两根波导成十字交叉，形成一个交叉点，微环谐振器位于波导交叉点；通过改变微环谐振器的谐振波长来改变1×2基本光开关单元的工作状态，以实现1×2基本光开关单元的开关功能；1×2基本光开关单元处于“OFF”工作状态时，谐振波长为λ_OFF，1×2基本光开关单元处于“ON”工作状态时，OCS光交换单元中的微环谐振器的谐振波长为λ₁，OPS光交换单元中的微环谐振器的谐振波长为λ₂，其中，λ_OFF≠λ₁≠λ₂。