CN102916890B - 一种解决组播竞争的共享波长转换装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种共享波长转换装置及方法。当一个光分组到达交换机输入端口请求调度到交换机输出端口遇到冲突时，建立波长转换的最小权重匹配偶图并建立偶图转换的权重矩阵；根据权重矩阵寻找可用的波长编号，根据波长编号首选可用的有限范围多波长转换器，将冲突光分组转换后组播到交换机扩展输入端口；若有限范围多波长转换器都不可用，再选择可用的全范围单波长转换器，全范围单波长转换器转换后通过分光器输出到交换机的输出端口。本发明解决光组播的波长冲突问题，很好地降低了光组播的丢包率，提高了波长转换器利用率。

Description

一种解决组播竞争的共享波长转换装置及方法

技术领域

本发明涉及光纤通信技术领域，具体涉及一种用于解决光组播波长竞争的共享波长转换装置。

技术背景

随着网络技术的发展，网络中单点发送、多点接收，多点资源提供、单点搜索，多点发送、多点接收的组播类应用越来越多，网络带宽的消耗和拥塞发生快速增加，使网络资源日趋紧张。光域组播利用组播交叉连接器、分光器和光开关矩阵实现组播数据批量转发，并充分利用成熟的DWDM高速光传输技术，有利于提高光组播树建立的带宽利用率、降低时延和保证服务质量。与点到点单播比较，宽带组播需要将一个输入光信号复制为多个光信号进调度到输出端口传输，具有需求网络的带宽高、时延敏感、接收者数量大的特点，组播使光网络交换和传输资源捉襟见肘，组播分组在交换机产生竞争的概率增加。缓存或波长变换解决竞争失败光数据包的缓存或偏转波长能降低端口争用导致的丢包率下降问题。但是，由于全光器件的滞后发展和光域缺乏类似于电子域可用的RAM（随机存储器），在解决交换机输出端口资源争用方案中，随着光波长转换器成本的下降和技术的发展，在实际的光组播交换机结构设计中，采用波长转换技术解决光分组冲突必是一种行之有效的光域组播冲突解决方法。

在光组播交换机结构中配置波长转换器可以用来解决冲突光分组的光波长域调度和组播转发方法。波长转换器在光组播交换机的配置方式有独占式和共享式两种。独占式配置方法就是为交换机的每个波长信道配置一个独用的波长变换器，但其波长转换能力一般无法充分利用；反馈共享式波长变换器的所有输入输出端口在共享池中共享所有可用波长，波长转换器的冲突解决能力能被充分利用。根据波长转换器的转换能力，波长转换器可以分为单波长转换器和多波长转换器。其中的单波长转换器根据波长转换范围又可分为：固定单波长转换器（FWC）、有限范围单波长转换器（LRWC）和全范围单波长转换器（FRWC）。FWC是把某个固定的输入波长变换为某个固定的输出波长，其波长转换能力非常有限，不能实现波长域组播，但成本却是最低的。LRWC能将一个输入波长转换为特定波长集合范围的另一个波长，实现波长转换的范围也比较有限。FRWC可以将一个波长转换成波长域中任意一个波长，具有很理想的波长变换性能，结合分光器就可实现光域波长转换和组播功能，但FRWC实现技术复杂，且全范围单波长转换的成本较高，不宜过多采用。

多波长转换器是一次就能实现一个输入波长转换成多个可用的另一组波长，同时实现光分组的波长冲突解决和光信号复制组播功能。随着光器件技术的发展，具有光信号复制和波长转换功能的多波长变换器（MWC：Multi-wavelength converter）有望改善基于分光器的光组播交换机的波长域冲突解决方法。多波长转换器可以分为全范围多波长转换器（FRMWC：Full-range Multi-wavelength converter）和有限范围多波长转换器（LRMWC：Limited-range Multi-wavelengthconverter）两种。全范围多波长转换器实现困难且技术复杂，而有限范围多波长转换器LRMWC（Limited Range Wavelength Converters）能实现一波长转换到一定波长范围内的另一组波长，实现技术相对容易些。现有的相关研究表明：一种实现较小转换范围的多波长转换器解决低负载时组播冲突的性能近似达到使用多个FRMWC时的性能。本发明结合全范围单波长转换器和有限范围多波长转换器的特点，设计了基于输出共享全范围单波长转换器和基于反馈共享的有限范围多波长转换器联合配置的光组播交换机结构，并设计了光组播交换机的波长转换器分配方法，以提高有限数目的全范围波长转换器和有限范围多波长转换器的性价比和光组播冲突解决性能，降低光组播交换机丢包率。

发明内容

针对现有的光组播交换机配置全范围单波长转换器或有限范围多波长转换器解决光组播冲突的能力有限和需求波长转换器数目多、波长转换器利用率低的问题，本发明设计了一种基于输出共享的全范围单波长转换结合基于反馈共享的有限范围多波长转换解决组播竞争的共享波长转换装置，及波长转换能力分配方法，解决光组播交换机组播冲突的问题。

本发明设计一种基于输出共享的全范围单波长转换器和基于反馈共享的有限范围多波长转换器的波长转换解决光组播交换机端口组播冲突的方法，该波长转换装置包括：反馈共享连接的多个有限范围多波长转换器（LMWC）、输出共享的多个全范围单波长转换器（FRWC）、光复用器（MUX）、光解复用器（DEMUX）、光开关（SOA）、分光器（Splitter）和冲突调度与波长转换控制模块。多个有限范围多波长转换器的输入端分别连接在交换机的扩展输出端，组播冲突的光分组经过有限范围多波长转换器后，复制组播到对应的光解复用器输入端，光解复用器的输出端连接交换机的扩展输入端口，多个全范围的单波长转换器输入端连接交换机的扩展输出端口，全范围的单波长转换器输出端连接分光器，分光器复制后的每个光信号分别通过一全光开关连接到光纤线路输出，冲突调度与波长转换控制模块将光组播调度分配到可用的有限范围多波长转换器或全范围单波长转换器，并控制相应波长转换器进行波长转换和光信号复制组播，以解决光组播的波长冲突问题

冲突光分组经复制和波长转换后，多波长转换器的输出端经多波长解复用后连接光组播交换机扩展输入端口，在光组播交换机的扩展输出端口连接输出共享的全范围单波长转换器，解决多波长转换器仍然没有解决的冲突光分组的波长转换。

冲突的光组播经过有限范围多波长转换器后，冲突的波长转换成另一组（多个）空闲可用的波长，同时解决冲突光分组的波长转换和光信号复制组播。全范围单波长转换器采用输出共享的连接方式连接在光组播交换机的各个扩展输出端口，冲突的一个光分组先通过FRWC波长转换解决波长冲突，再将输出信号连接到一个分光器（Splitter）输入端，根据光组播要求将光信号通过分光器（Splitter）后实现信号多路复制的组播，并控制分光器后需要组播的输出支路的光开关SOA闭合，选择将光信号组播到不同的输出端口的光复用器输入端，合并其它波长光信号后通过光波长复用器合波后输出到光组播交换机的输出端口。

若从输入波长端口到达光组播交换机入口的光组播调度到输出波长端口时没有遇到冲突，则光组播交换机直接调度该分组到达输出目的端口；若到达输出端口的光组播遇到冲突，首先查询反馈共享的有限范围多波长转换器是否可用？如果可用，则选择一个可用的LMWC，同时实现冲突光组播信号的多波长转换和复制组播；若冲突光组播找不到可用的有限范围多波长转换器，则选择可用的全范围输出共享全范围波长转换器，将冲突光分组波长转换为另一个空闲可用的波长，并通过分光器复制光信号，然后，控制分光器输出支路的SOA开关闭合将组播信号选通到交换机的不同输出端口，这样不仅解决了光组播中一个冲突分组波长的转换问题，还解决了一个波长光分组复制组播为多个相同波长光信号的问题。

为了使有限范围多波长转换器和全范围单波长转换器的波长转换和分配有效，冲突调度与波长转换控制模块需要监视组播交换机各输入端口波长请求、输出端口波长信道忙闲和可用波长分配使用情况，将输入端口波长请求的光组播调度到空闲的输出端口波长信道上。如果输出端口该波长信道被占用，则该组播遇到了波长冲突。

本发明还提出一种解决光组播冲突的共享波长转换方法，当一个光分组到达交换机输入端口请求调度到交换机输出端口遇到冲突时，建立波长转换的最小权重匹配偶图并建立偶图转换的权重矩阵；根据权重矩阵寻找可用的波长编号，根据波长编号首选可用的有限范围多波长转换器，将冲突光分组转换后组播到交换机扩展输入端口；若有限范围多波长转换器都不可用，再选择可用的全范围单波长转换器，全范围单波长转换器转换后通过分光器输出到交换机的输出端口。

将冲突的光组播通过上述的波长转换分配方法，首先选择反馈共享有限范围多波长转换器进行组播多波长变换，反馈传输到光组播交换机的输入端并等待光组播交换机调度到输出端口；若失败，则选择输出共享的全范围单波长转换器，将冲突的每一个分组波长转换为另一个空闲可用波长，并通过分光器复制组播为多个相同波长的光组播信号，最后通过光组播交换机调度到节点的输出端口。若上述遇到输出波长冲突的光组播选择有限范围多波长转换器和全范围单波长转换器解决波长冲突都失败，则丢弃该光组播。

根据波长编号选择可用的有限范围多波长转换器进一步包括，在权重矩阵中找到输出端可用的波长编号，如果匹配的输出波长与输入波长编号相同则直接原波长调度输出；当一个输入波长编号匹配2个或2个以上输出波长编号时，则冲突调度及波长转换模块控制输入波长通过有限范围多波长转换器转换输出波长；当一个输入波长编号只匹配一个不同编号的输出波长时，则冲突调度与波长转换模块控制输入波长通过全范围单波长转换器转换，将转换后的波长调度到光组播交换机的输出端口。

基于反馈共享的有限范围多波长转换器和全范围单波长转换器的波长转换冲突解决光组播交换机结构具有体积较小，使用波长转换器数目少的特点。结合有限范围多波长转换器优先分配使用的控制方法，有利于提高波长转换器的利用率，降低光组播交换机的丢包率和光组播交换机的实现。

附图说明

图1 光组播交换机配置全范围单波长转换器和有限范围多波长转换器装置

图2 冲突光分组的多波长转换及调度流程图

图3 波长转换器波长转换能力的加权偶图匹配示意图（转换度数d= 2）

图4 有限范围多波长转换器的波长转换权重矩阵建立示意图（d =2）

图5 有限范围多波长转换器波长转换结果示意图（d = 2）

具体实施方式

该波长转换装置包括：有限范围多波长转换器、全范围单波长转换器、光复用器、光解复用器、分光器和光开关，可实现到达光组播交换机入口的光组播因输出冲突而受阻塞的光组播在波长域解决组播的冲突竞争问题。

解决冲突竞争问题采用如下方法实现，对到达光组播交换机输入端口的冲突光组播分组，首选有限范围多波长转换器将冲突的光分组波长转换成另一组的可用波长，即冲突光分组在光域进行组播和波长转换；如果冲突光分组没有找到可用的有限范围多波长转换器，则次选全范围单波长转换器进行单一波长转换和分光器进行光信号复制组播。

有限范围多波长转换器实现冲突光组播的波长转换和光信号复制，而全范围单波长转换器又可以弥补有限范围多波长转换器波长转换能力的不足，将冲突光分组的波长转换为另一个可用波长，两者结合使用可减少需求的波长转换器数目。

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1所示为光组播交换机配置全范围单波长转换器和有限范围多波长转换器装置，为反馈共享连接的解决组播竞争的共享波长转换装置。本实施例以交换节点配置N×M个的基本输入/输出波长端口为例对本发明方案作具体说明：交换节点配置N个基本输入/输出光纤端口，每个光纤端口配置1个光复用器/解复用器，可进行M波长复用/解复用，这样，交换节点就有N×M个基本的输入/输出波长端口；共享波长转换模块配置P个LMWC，R个FRWC，每个LMWC输出端配置一个k波长解复用器，每个FRWC输出端配置一个1:N的分光器，这样，交换节点还需要配置P+R个扩展输出光纤端口，P×k个扩展输入波长端口。因此，光交换节点需要配置的输出端口总数目为N×M+P+R个，输入端口总数目为N×M+P×k个，R个分光器，R×N个光开关。

因此，该冲突解决装置结构包括P个反馈共享连接的有限范围多波长转换器和R个输出共享连接的全范围单波长转换器，N个M波长光复用器和N个M波长光解复用器，R个分光器，每个分光器将一个输入光信号1：N分为N路光信号输出，P个k波长光解复用器，R×N个SOA光开关。其中，N为光分组交换机输入/输出端口数，由光交换机的交换规模确定。本实施例中我们可取N=8，P和R表示光交换机配置的有限范围多波长转换器和全范围单波长转换器数目，可根据光交换机的交换规模确定。k由光组播的目的节点数确定，N个光复用器各自实现将M路波长信号复用为一根光纤信号输出，而光的解复用器功能相反。交换机输出端每个分光器后面连接N个光开关，实现光信号选择N个输出端口的目的。光波长转换结构连接的光组播交换机具有N个光纤输入/输出端口，每根光纤有W个波长信道，有限范围多波长转换器的多波长转换能力用k表示，且1 < k < M，实现将一个冲突的输入波长转换为一合波波长，再通过光解复用器，将这组合波的波长解复用为k个单波长输入到光组播交换机扩展输出端口。R个全范围单波长转换器连接在光组播交换机扩展输出端口，每一个受冲突且在有限范围多波长转换器无法解决冲突的光分组进入一个全范围单波长转换器，实现受阻塞的波长转换为另一个可用波长，并通过分光器实现一个波长复制为k个相同波长的光组播信号，然后通过控制光开关实现各波长组播信号调度到不同输出端口完成光组播信号的分发。

有限范围多波长转换器和全范围单波长转换器采用最大偶图匹配最小权重调度方法（MW-MBM）计算受阻塞组播的最小权重波长转换器转换，根据波长转换器的转换距离设置不同的权重值，转换距离越小转换权重值就越小，如果波长转换器不能转换到输出的空闲波长上，则转换的权重值为无穷大，通过在输入冲突波长与输出波长之间建立的转换权重关系可得到交换机一个调度周期内输入冲突组播的波长转换权重矩阵，对此波长转换权重矩阵求解最优的输入阻塞波长与输出可用波长之间的最小权重匹配，按此最小权重匹配调度冲突组播到对应的波长转换器上，可以保证冲突解决时波长转换的距离最小。

对于到达光组播交换机输入端口的交换受阻塞的光组播，光分组波长转换冲突解决和光信号复制的流程分为二个阶段：

阶段一，根据最大偶图匹配最小权重调度算法（MW-MBM：Maximum Bipartite Matching with Minimum edges Weights）分配多波长转换器解决受阻塞的光组播冲突，保证最大偶图匹配的同时，保证需求的多波长转换LMWC的转换度数最小，减少无效的波长转换，保证光信号的质量。阶段二，光组播在多波长转换器冲突解决不成功的情况下，选择全范围单波长转换器解决光组播或单播的冲突。

如图2所示冲突光分组的多波长转换及调度流程图。

阶段一：当一个光分组到达交换机输入端口请求调度到交换机输出端口遇到冲突时，查询冲突分组波长、波长转换器可转换范围和输出端口的可用波长，建立波长转换的最小权重匹配偶图并建立偶图转换的权重矩阵；在权重矩阵中找到输出端可用的波长编号，如果可用的输出波长与输入波长相同则直接原波长调度输出，不需要波长转换；如果输出波长与输入波长编号不同，这时要判断一个输入波长与几个输出波长编号匹配，其中，匹配指满足组播目的节点数目要求的可用输出波长。当一个输入波长匹配多个（大于等于2个）输出波长时，则冲突调度及波长转换模块控制输入波长通过LMWC（有限范围多波长转换器）转换这多个输出波长；当一个输入波长只匹配一个不同编号的输出波长时，则冲突调度与波长转换模块控制输入波长通过FRWC（全范围单波长转换器）转换为匹配的输出波长编号；将转换后的波长调度到光组播交换机的输出端口。

阶段二：在阶段一失败的情况下，即交换机无可用的LMWC，则查找最小权重的可用FRWC解决光组播的单波长转换，并将转换的波长通过分光器将一个波长信号复制为多个波长信号，同时实现波长转换及复制组播的功能。

图3为波长转换器波长转换能力的加权偶图匹配示意图，p_k代表第k个输入请求的冲突的光分组，λ_h代表光分组所承载的波长，根据输入请求冲突光分组承载波长与波长转换器可转换的空闲波长之间建立偶图匹配，偶图匹配的左端节点代表输入波长、右端节点代表输出波长，左端到右端有实线连接代表输入波长（如括号中所示的λ₄）可以转换为实线连接的右端波长编号。

其中，(a)图代表没有加权前转换偶图匹配示意图，(b)图代表加权转换后的偶图匹配示意图，且连接线 (p_k，λ_h)上加上权重w(k，h)，当输入波长λ_h的光分组p_k，可以通过波长转换器转换且可转换波长范围为begin（λ_Pk）到end（λ_Pk）时。为了比较方便，我们根据波长转换器的可转换波长范围对各波长值从小到大设置从0开始的整数值，在波长转换图上对应波长范围的每一个右端可转换波长编号表示为i_k，则w(k，h)权值为转换波长编号i_k与输入波长编号h相减的绝对值；否则，w(k，h)权值为无穷大∞，代表由于受波长转换范围限制，请求的输入波长不能转换为空闲的输出波长。w(k，h)权值越小表示波长转换代价越小，波长转换成功的概率越大。因此，权重w(k，h)如下：

$w(k,h)=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{abs}(i_k-h),\mathrm{if}{\mathrm{\&lambda;}}_u\&le;{\mathrm{\&lambda;}}_h\&le;{\mathrm{\&lambda;}}_v\\ \&infin;,\mathrm{otherwise\; h}\end{array}\right.$

在图3中，输入波长值λ₄编号h=4，冲突光分组编号k=1，波长转换器的转换度数d=2。波长转换度数d代表有限范围波长转换器能转换的输入波长与输出波长编号最大绝对差值，即一个输入波长λ_h可转换为[λu，λv]，λu=max[λ₀，λ_h-d]，λv = min[λ_h+d，λ_W]范围的波长范围，λ_W表示光复用器的最大波长信道编号。图3所示的最大范围可转换的波可通过波长转换器转换的波长范围λu=λ₂，λv =λ₆，即可转换波长编号i_k =2，3，4，5，6，计算出权值w(1，4)分别为2，1，0，1，2。而输出端的λ₀，λ₁和λ₇受波长转换器转换能力限制，λ₄输入波长不能转换到这三个输出波长上，所以对应图(b)的连接线权值都为∞。

图4是有限范围多波长转换器的波长转换权重矩阵建立示意图，建立图4左边输入冲突的光组播波长和输出右端表示的可用LMWC波长的波长转换偶图，波长转换器的转换度数为2。在图4中，有6个光组播请求交换机调度输出时遇到冲突，其中P₀，P₃表示单播请求，P₁和P₂是承载波长的一个光组播，P₄和P₅是第二个光组播，按图3所示方法计算组播的波长转换权重值，表示在图4右边部分的矩阵CG[k][h]中，k=0，1，…，5，共6行表示6个受阻塞的光分组编号，h=0，1，…，7共8列表示LMWC可转换的8个波长编号，CG[k][h] 矩阵中i行j列元素值第i个受阻塞的光分组可以转换到LMWC第j个波长的权重值。根据图4得到的波长转换权重矩阵为：

$\mathrm{CG}\left[k\right]\left[h\right]=\left[\begin{array}{cccccccc}2& 1& 0& 1& 2& \&infin;& \&infin;& \&infin;\\ \&infin;& \&infin;& 2& 1& 0& 1& 2& \&infin;\\ \&infin;& \&infin;& 2& 1& 0& 1& 2& \&infin;\\ \&infin;& \&infin;& \&infin;& 2& 1& 0& 1& 2\\ \&infin;& \&infin;& \&infin;& \&infin;& \&infin;& 2& 1& 0\\ \&infin;& \&infin;& \&infin;& \&infin;& \&infin;& 2& 1& 0\end{array}\right]$

图5是有限范围多波长转换器波长转换结果示意图。根据图4所示的光组播冲突波长及LMWC可用波长转换偶图情况，对波长转换权重矩阵CG[k][h]可采用匈牙利算法通过矩阵运算得到每列元素的匹配值，输出端点编号值减去该匹配值代表输入波长的编号。图5右边部分表示波长转换结果，用匈牙利算法计算CG[k][h]得到每列结果为：∞，∞，0，-1，0，-1，0，表示输出波长λ₀和λ₁没有对应输入波长（仍然空闲），输出波长λ₂对应的输入波长为λ₂，表示输入波长λ₂不需要波长转换器；输出波长λ₃对应的输入波长为λ₄，表示输入波长λ₄需要全范围单波长转换器；输出波长λ₄对应的输入波长为λ₄，输出波长λ₅对应的输入波长为λ₅，表示输入波长λ₄和λ₅都不需要波长转换器；输出波长λ₆对应的输入波长为λ₇，输出波长λ₇对应的输入波长为λ₇，表示输入波长λ₇需要进行多播，复制后同时以λ₆和λ₇波长输出。

Claims (3)

1.一种解决光组播冲突的共享波长转换装置，其特征在于，包括多个反馈共享连接的有限范围多波长转换器、多个输出共享连接的全范围单波长转换器、多个分光器、光复用器、光解复用器、光开关和冲突调度与波长转换控制模块，多个有限范围多波长转换器的输入端分别连接在交换机的扩展输出端，组播冲突的光分组经过有限范围多波长转换器后，复制组播到对应的光解复用器输入端，光解复用器的输出端连接交换机的扩展输入端口，多个全范围的单波长转换器输入端连接交换机的扩展输出端口，全范围的单波长转换器输出端连接分光器，分光器复制后的每个光信号分别通过一光开关连接到光纤线路输出，冲突调度与波长转换控制模块根据波长转换器的转换距离设置不同的权重值，通过在输入冲突波长与输出波长之间建立的转换权重关系得到交换机一个调度周期内输入冲突组播的波长转换权重矩阵，对波长转换权重矩阵求解最优的输入阻塞波长与输出可用波长之间的最小权重匹配，按此最小权重匹配调度冲突组播到对应的波长转换器上；在权重矩阵中找到输出端可用的波长编号，如果可用的输出波长与输入波长相同则直接原波长调度输出，当一个输入波长匹配多个输出波长时，冲突调度与波长转换模块控制输入波长通过有限范围多波长转换器转换多个输出波长，当一个输入波长只匹配一个不同编号的输出波长时，冲突调度与波长转换模块控制输入波长通过全范围单波长转换器转换为匹配的输出波长编号，将转换后的波长调度到光组播交换机的输出端口。

2.根据权利要求1所述的共享波长转换装置，其特征在于，有限范围多波长转换器和全范围单波长转换器采用最大偶图匹配最小权重调度方法计算受阻塞组播的最小权重波长转换器转换，根据波长转换器的转换距离设置不同的权重值，如果波长转换器不能转换到输出的空闲波长上，则转换的权重值为无穷大。

3.一种解决光组播冲突的共享波长转换方法，其特征在于，采用权利要求1所述的共享波长转换装置，当一个光分组到达交换机输入端口请求调度到交换机输出端口遇到冲突时，根据公式 $w(k,h)=\left\{\begin{array}{ccc}\mathrm{abs}(i_k-h),& \mathrm{if}& {\mathrm{\&lambda;}}_u\&le;{\mathrm{\&lambda;}}_h\&le;{\mathrm{\&lambda;}}_v\\ \&infin;,& \mathrm{otherwise}& h\end{array}\right.$ 计算受阻塞的光分组可以转换到相应波长的权重w(k，h)，建立波长转换的最小权重匹配偶图及偶图转换的权重矩阵；在权重矩阵中找到输出端可用的波长编号，如果匹配的输出波长与输入波长编号相同则直接原波长调度输出；当一个输入波长匹配多个输出波长时，则冲突调度及波长转换模块控制输入波长通过有限范围多波长转换器转换输出波长；当一个输入波长只匹配一个不同编号的输出波长时，则冲突调度与波长转换模块控制输入波长通过全范围单波长转换器转换，将转换后的波长调度到光组播交换机的输出端口；若有限范围多波长转换器都不可用，再选择可用的全范围单波长转换器，全范围单波长转换器转换后通过分光器输出到交换机的输出端口，其中，λ_h为输入波长，λ_u和λ_v表示多波长转换器的波长转换范围起始波长和终止波长，i_k为可转换波长编号，输入波长编号为h，abs为绝对值，k为冲突光分组编号。