CN102752195A - 多域异构光网络边界节点实验原型系统 - Google Patents
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Abstract
一种多域异构光网络边界节点实验原型系统，包括发送端、中间节点和接收端，所述发送端包括第一ARM/FPGA硬件系统和第一单光口光端机，第一ARM/FPGA硬件系统和第一单光口光端机之间采用以太网连接；所述中间节点为多光口光端机，第一单光口光端机和多光口光端机之间采用光纤连接；所述接收端包括第二单光口光端机和第二ARM/FPGA硬件系统，所述多光口光端机和第二单光口光端机之间采用光纤连接；第二单光口光端机和第二ARM/FPGA硬件系统之间采用以太网连接。本发明融合了波长路由技术、光突发交换技术和光轨网络时隙分配技术，结构简单，级联性强，稳定性高，具有良好扩张性。
Description
技术领域
本发明属于光纤通信网络技术领域，特别是融合了波长路由技术、光突发交换技术和光轨网络时隙分配技术的多域、异构型光网络边界节点。
背景技术
随着光纤通信技术的迅速发展，人们提出了很多新型的光纤通信网络技术，如波长路由技术、光突发交换技术、光分组交换技术、光波带交换技术、光轨网络技术等。上述光纤通信网络技术的设计目标是实现全光通信或者提高现有光网络的资源利用率。然而，每种技术都存在其适用范围。例如，波长路由技术适用于广域网；光突发交换技术和光轨网络技术适用于城域网。此外，上述光纤通信网络技术有可能是共存于同一个光网络中，或者是作为其他技术的辅助技术而存在。因此，设计一种适合多域、支持多种光纤通信网络技术共存的异构型光网络边界节点，对于提高光网络技术的实用化具有重要的理论意义和实用价值。
目前，在各类中文文献中，尚无关于融合了波长路由技术、光突发交换技术和光轨网络时隙分配技术的多域、异构型光网络边界节点的设计原理、实验原型系统等方面的报道。
发明内容
为了克服现有的光网络边界节点的不能适合多域、支持多种光纤通信网络技术共存的不足，本发明采用ARM/FPGA硬件开发平台和光端机等构建一个融合了波长路由技术、光突发交换技术和光轨网络时隙分配技术的多域异构光网络边界节点实验原型系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种多域异构光网络边界节点实验原型系统，所述多域异构光网络边界节点实验原型系统包括发送端、中间节点和接收端，所述发送端包括第一ARM/FPGA硬件系统和第一单光口光端机，第一ARM/FPGA硬件系统和第一单光口光端机之间采用以太网连接；所述中间节点为多光口光端机，第一单光口光端机和多光口光端机之间采用光纤连接；所述接收端包括第二单光口光端机和第二ARM/FPGA硬件系统，所述多光口光端机和第二单光口光端机之间采用光纤连接；第二单光口光端机和第二ARM/FPGA硬件系统之间采用以太网连接。
进一步，所述第一ARM/FPGA硬件系统和第二ARM/FPGA硬件系统均为采用嵌入式处理器或者现场可编程门阵列处理器构建的电学硬件系统，所述电学硬件系统包括处理器、存储单元、输入/输出单元和电源模块。
再进一步，所述电学硬件系统还包括以太网接口、LCD显示接口、串行口、JTAG口以及用于工作模式切换的拨码开关、用于工作指示的按键。
所述第一单光口光端机和第二单光口光端机均为具有一个光口的以太网光端机。
所述的多光口光端机指具有至少3个光口的以太网光端机，所述多光口光端机的输出端包括配备光开关和光开关驱动电路和用于输出端口的选择控制电路。
本发明的有益效果主要表现在：
1）多域、异构型光网络边界节点实验原型系统具有结构简单，级联性强的优点。
2）多域、异构型光网络边界节点实验原型系统具有组网成本低廉、技术成熟、系统稳定性高等优点。
3）多域、异构型光网络边界节点实验原型系统具有良好的扩展性，便于实现其他类型的新型的光通信网络技术。
附图说明
图1是多域异构光网络边界节点实验原型系统示意图；
图2是用于发送端的ARM/FPGA硬件系统示意图；
图3是用于接收端的ARM/FPGA硬件系统示意图；
图4是用于中间节点的多光口光端机示意图；
图5是波长路由技术应用方式示意图；
图6是光突发交换技术应用方式示意图；
图7是光轨网络时隙分配技术应用方式示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1~图7，一个多域异构光网络边界节点实验原型系统，包括5种网络装置，分别是：用于发送端的ARM/FPGA硬件系统，用于发送端的单光口光端机、用于中间节点的多光口光端机、用于接收端的单光口光端机和用于接收端的ARM/FPGA硬件系统。其中，用于发送端的ARM/FPGA硬件系统和用于发送端的单光口光端机之间采用以太网连接；用于发送端的单光口光端机和用于中间节点的多光口光端机之间采用光纤连接；用于中间节点的多光口光端机和用于接收端的单光口光端机之间采用光纤连接；用于接收端的单光口光端机和用于接收端的ARM/FPGA硬件系统之间采用以太网连接。
所述的ARM/FPGA硬件系统指采用嵌入式处理器(如ARM处理器)或者现场可编程门阵列(FPGA)处理器构建的电学硬件系统。ARM/FPGA硬件系统具有处理器、存储单元、输入/输出单元、电源模块等基本的功能单元（或者模块）。此外，一般还具有以太网接口、LCD显示接口、串行口、JTAG口等基本接口，以及用于工作模式切换的拨码开关、用于工作指示的按键等。
所述的单光口光端机指常见的具有一个光口的以太网光端机，并且这个光口具有数据发送或者数据接收的功能。此外，单光口光端机还具有光电转换、信道编码、数据校验等光端机的基本功能。
所述的多光口光端机指具有3个（含以上）光口的以太网光端机。多光口光端机包含单光口光端机的所有功能。此外，多光口光端机在输出端一般应配备光开关和光开关驱动电路，以用于输出端口的选择控制电路。
参照图1，ARM/FPGA系统-T1和ARM/FPGA系统-T2表示两个用于发送端的ARM/FPGA硬件系统。光端机A-T表示用于发送端的单光口光端机。光端机B表示用于中间节点的多光口光端机。光端机A-R表示用于接收端的单光口光端机。ARM/FPGA系统-R1和ARM/FPGA系统-R2表示两个用于接收端的ARM/FPGA硬件系统。ARM/FPGA系统-T1与光端机A-T之间通过RJ-45接口，采用以太网连接；ARM/FPGA系统-T2与光端机B之间通过RJ-45接口，采用以太网连接；光端机A-T与光端机B之间通过FC接口，采用光纤连接；光端机B与光端机A-R之间通过FC接口，采用光纤连接；光端机A-R与ARM/FPGA系统-R1和ARM/FPGA系统-R2之间采用RJ-45接口，采用以太网连接。其中，ARM/FPGA系统指利用ARM或者FPGA处理器构建的电学嵌入式系统，典型代表是目前常见的ARM9/ARM11开发板，或者Altera/Xilinx的FPGA开发板。光端机A-T/R指常见的点对点光端机，主要负责光电转换、信源/信道的编解码、数据收发等工作。光端机B是一款需要定制或者自制的光端机。与光端机A相比，它需要更多的光口(FC口)，并应配备光开关进行光通道的切换。
参照图2，用于发送端的ARM/FPGA硬件系统由ARM/FPGA最小系统、模式切换开关、工作状态指示灯、按键和以太网接口组成。其中，ARM/FPGA最小系统采用ARM处理器或者FPGA处理器，具有存储功能、输入/输出功能、复位功能、电源模块和时钟模块等基本功能和模块。模式切换开关由一片拨码开关组成，用于选择多域、异构型光网络边界节点实验原型系统的工作模式。工作状态指示灯用于表明多域、异构型光网络边界节点实验原型系统的工作状态，如正常工作状态、工作终止状态和异常工作状态等。按键用于实验操作人员进行人为的命令输出操作。以太网接口用于ARM/FPGA最小系统与光端机A-T和光端机B之间进行数据传输。
参照图3，用于接收端的ARM/FPGA硬件系统由ARM/FPGA最小系统、模式切换开关、工作状态指示灯、以太网接口和LCD接口组成。其中，ARM/FPGA最小系统采用ARM处理器或者FPGA处理器，具有存储功能、输入/输出功能、复位功能、电源模块和时钟模块等基本功能和模块。模式切换开关由一片拨码开关组成，用于选择多域、异构型光网络边界节点实验原型系统的工作模式。工作状态指示灯用于表明多域、异构型光网络边界节点实验原型系统的工作状态，如正常工作状态、工作终止状态和异常工作状态等。以太网接口用于ARM/FPGA最小系统与光端机A-T和光端机B之间进行数据传输。LCD接口用于连接LCD，从而显示接收到的数据。
参照图4，用于中间节点的多光口光端机由Rx光口、以太网光端机基本功能模块、1×2光开关、光开关驱动电路、Tx光口组成。其中，Rx光口和Tx光口分别表示用于接收和发送的FC接口。以太网光端机基本功能模块完成光电转换、信源/信道的编解码、数据收发等以太网光端机的基本工作。1×2光开关用于输出端光口的切换选择。光开关驱动电路用于对1×2光开关驱动控制。
实例1：波长路由技术应用方式
参照图5，ARM/FPGA系统-T1首先通过光端机A-T发送连接请求信号到光端机B。在得到光端机B的应答信号后，ARM/FPGA系统-T1开始通过固定的波长(1490nm或者1550nm)将数据传送给ARM/FPGA系统-R1。由于实现ARM/FPGA系统-T1到光端机B的应答需要建立双向链路（意味着ARM/FPGA系统-T1和光端机B都必须配置一对收发的光口），为了降低系统成本，在光端机B接收到请求信号并且配置好光开关口，可以通过点亮一个LED代表发送应答信号。在看到LED点亮后，实验人员可以通过ARM/FPGA系统-T1上的按键手动指示ARM/FPGA系统-T1发送数据。最后，ARM/FPGA系统-R1将接收到ARM/FPGA系统-T1发送过来的数据，并通过LCD显示（或者通过串口打印到PC的超级终端上）。并且在ARM/FPGA系统-T1发送数据结束后，继续发送一个连接断开信号到光端机B。光端机B接收到这个信号后，自动断开光开关。
这样，从光端机A-T，经由光端机B，最后到光端机A-R的过程中，数据都是通过光波长传输的。而且，建立光通道需要发送请求信号，目的节点需要回复应答信号，通信结束后需要释放波长资源。因此，该实验可以准确模拟波长路由通信的基本要求。注：光端机B在波长路由测试过程中的作用只是根据请求信号配置光开关和根据连接断开信号切断光开关，本身不参与数据的传输。
实例2：光突发交换技术应用方式
参照图6，OBS技术是一种单向控制和数据传输的光交换技术，所以图6所示的实验系统中，无需加入手动操作部分。首先，ARM/FPGA系统-T1需要发送突发控制包（BCP）。BCP包含了目的地址、偏置时间、数据类型与包长等基本信息。然后，用一个定时器定时偏置时间，在定时结束后，发送突发数据包（BDP）。接下来，光端机B接收到BCP后，将解析BCP的信息，根据目的地址配置光开关（即：确定数据是发送到ARM/FPGA系统-R1还是ARM/FPGA系统-R2）；根据偏置时间确定光开关的切换时刻；转发BCP包到目的节点。最后，目的节点（ARM/FPGA系统-R1或者ARM/FPGA系统-R2）接收到BCP包，并且解析BCP包，得到关于数据类型与包长的信息；接收到BDP包，并且根据BCP包的信息验证BDP包的数据完整性；通过LCD显示（或者通过串口打印到PC的超级终端上）。
上述通信过程中，控制信令（BCP）和数据（BDP）是分离传送的。BCP比BDP提前一个偏置时间发送。BCP需要在光B处进行解析和转发。BDP在光端机A-T，经由光端机B，最后到光端机A-R的过程中是全光通信的，不需要进行光-电-光转换。注：光端机B在波长路由测试过程中的作用只是根据BCP的信息配置光开关，本身不参与数据的传输。
实例3：光轨网络时隙分配技术应用方式
参照图7，模拟的是光轨中的时隙交换技术，即ARM/FPGA系统-T1通过光端机A-T，经由光端机B，发送数据到ARM/FPGA系统-R1。在这个过程中，ARM/FPGA系统-T2也可以通过光端机B，采用同一个波长，发送数据到ARM/FPGA系统-R1。因此，光端机B不仅需要完成光开关的配置，还要参与到数据的传输过程中。
具体过程如下：首先，ARM/FPGA系统-T1和电ARM/FPGA系统-T2发送数据传送请求信令到光端机B。这个数据传送请求信令包含数据优先级、数据类型和包长等信息。其次，光端机B在接收到数据传送请求信令后，根据数据优先级和包长决定时隙分配过程（即：光波长的使用时间）。这样，ARM/FPGA系统-T1和ARM/FPGA系统-T2将按时分复用（TDM）的方式使用同一个波长资源。最后，ARM/FPGA系统-R1把接收到的数据通过LCD显示（或者通过串口打印到PC的超级终端上）。
本实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
Claims (5)
1.一种多域异构光网络边界节点实验原型系统，其特征在于：所述多域异构光网络边界节点实验原型系统包括发送端、中间节点和接收端，所述发送端包括第一ARM/FPGA硬件系统和第一单光口光端机，第一ARM/FPGA硬件系统和第一单光口光端机之间采用以太网连接；所述中间节点为多光口光端机，第一单光口光端机和多光口光端机之间采用光纤连接；所述接收端包括第二单光口光端机和第二ARM/FPGA硬件系统，所述多光口光端机和第二单光口光端机之间采用光纤连接；第二单光口光端机和第二ARM/FPGA硬件系统之间采用以太网连接。
2.如权利要求1所述的多域异构光网络边界节点实验原型系统，其特征在于：所述第一ARM/FPGA硬件系统和第二ARM/FPGA硬件系统均为采用嵌入式处理器或者现场可编程门阵列处理器构建的电学硬件系统，所述电学硬件系统包括处理器、存储单元、输入/输出单元和电源模块。
3.如权利要求2所述的多域异构光网络边界节点实验原型系统，其特征在于：所述电学硬件系统还包括以太网接口、LCD显示接口、串行口、JTAG口以及用于工作模式切换的拨码开关、用于工作指示的按键。
4.如权利要求1~3之一所述的多域异构光网络边界节点实验原型系统，其特征在于：所述第一单光口光端机和第二单光口光端机均为具有一个光口的以太网光端机。
5.如权利要求1~3之一所述的多域异构光网络边界节点实验原型系统，其特征在于：所述的多光口光端机指具有至少3个光口的以太网光端机，所述多光口光端机的输出端包括配备光开关和光开关驱动电路和用于输出端口的选择控制电路。
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