CN103685078A - 基于光纤延时线的全光共享缓存路由器及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤延时线的全光共享缓存路由器及其工作方法，该路由器包含N个输入端口，N个输出端口和N个丢弃端口，一个（N+M）×（N+M）无阻塞光交换矩阵，M条光纤延时线组成的共享缓存队列以及一个逻辑控制单元。通过设置光纤延时线长度

以及采用基于排序的光分组调度算法，本发明可以模拟在任意光分组到达情况下的优先级调度共享缓存光路由器功能。

Description

基于光纤延时线的全光共享缓存路由器及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种全光路由器结构，具体利用光纤延时线实现光光分组动态缓存，通过feedback结构实现光缓存共享，进而通过基于排序的调度策略保障光分组优先级调度并充分利用光纤延时线存储资源，实现了一种基于光纤延时线的全光共享缓存路由器结构。

背景技术

在光传输网络中，由于没有物理上的光存储器，在以存储转发（store-and-forward）方式传送信息的网络节点，人们通常先将到达的光信号转换为电信号，进而通过电存储器（如RAM）存储，然后在端口空闲时再转换为光信号发送到光通路。但是，这种“光-电-光”转换的方法严重地限制了光数据包处理的速度，同时带来了大量的能量消耗。另一方面，光纤延时线（fiberdelayline，FDL）被认为是目前唯一可行的不需要其它介质转换实现光信号“存储”的方法。FDL主要利用光信号在光纤中传播时存在延时的特性，用不同长度光纤作为介质来延迟输入光信号，从而模拟光缓存功能。对少量的光光分组，这一实现比较简单，但是在实际的网络节点，每个端口都会有大量的光光分组不断涌入，在这种情况下如何保障光光分组按照一定顺序排列而不发生冲突地离开，是光光分组交换网络的一个重要且极具挑战性的工作。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种光交换网络中的共享缓存路由器及其工作方法，该路由器可以实现最高的缓存利用率并支持光分组优先级调度。

本发明所述的一种基于光纤延时线的共享缓存全光路由器，该路由器包括：

N个输入链路，N个输出链路和N个丢弃链路，一个（N+M）×（N+M）的无阻塞光交换矩阵，N个1×2的交换模块，M条光纤延时线以及一个逻辑控制单元；

无阻塞光交换矩阵的N个输入端口连接N个输入链路，N个输出端口通过N个1×2的交换模块连接N个输出链路和N个丢弃链路，剩余的M个输出端口通过M条光纤延时线连接回M个输入端口；逻辑控制单元连接无阻塞光交换矩阵的控制端。

上述光纤延时线长度r_i设置为

组成大小为B的共享缓存队列，并允许所有输入输出端口访问，其中

本发明还提供了一种基于光纤延时线的共享缓存全光路由器的工作方法，包括光分组缓存及光分组交换；其具体包括以下步骤：当光分组到达时，首先由控制器进行优先级设置，当光分组需要被缓存时，由外部输入端口送入光纤延时线，经由光纤延时线产生传输时延，再由交换矩阵送入光纤延时线，实现多次循环动态存储光信号；之后各光分组根据优先级分组调度的流程离开或当缓存溢出时，将由交换矩阵直接转发到输出端口，经由1×2的交换模块分别转发到输出链路或丢弃链路。

上述优先级设置的过程为：

所有到达的光分组被分配唯一的优先级整数值，即离开值k，由控制器根据不同的优先级调度规则为属于同一个流的光分组分配唯一的值来表示该光分组的期望离开顺序；其中，

1）对于属于不同流的光分组，要求先离开顺序的光分组具有较高的优先级，

2）对于属于不同流但具有相同离开顺序的光分组，具有较小流序号的光分组具有较高的优先级；

3）光纤延时线中的空闲时隙被看作虚拟光分组，具有最低的优先级；

4）当有光分组离开，属于同一个流的所有光分组的离开值k减1。

对于优先级共享缓存的过程为：

将M条延时线均分为N组，每组光纤延时线属于一个流，控制器按照如下规则调度光分组：

a.离开值为k的光分组总是被发送到长度不大于k的光纤延时线;

b.在每个时隙，N个具有最低优先级的光分组和N个具有最高优先级的光分组总出现在交换矩阵的输入端口；

通过该调度规则避免因光分组调度产生的额外时延。

上述优先级分组调度的流程为：

在每个时隙，对于所有出现在交换矩阵M+N个输入端口的光分组，

1）将所有光分组根据其优先级进行排序；

2)控制逻辑c_j(t)，j|[O，N|l]表示输出链路状态，如果c_j(t)＝1表示输出链路j允许光分组离开，否则输出链路关闭；对出现在交换矩阵输入端的属于第1个流的光分组，如果c_、(t)＝1将第1个流具有最高优先级的光分组发送到输出链路，重复执行该过程，直到第N个流；

3）对于剩余光分组，按照其优先级依次发送到第一根，第二根，直到第M根光纤光纤延时线；

4）如果没有空闲延时线，将剩余光分组经由空闲输出端口丢弃。

本发明采用基于光纤延时线的feedback结构：光纤延时线负责光光分组动态缓存，无阻塞光交换矩阵实现光分组空间交换，控制器管理系统实现优先级调度。其具有以下有益效果：

1）该共享缓存路由器的所有输入输出端口公用缓存，具有最优的缓存利用率，且能够保障100%吞吐率。

2）采用feedback结构和光纤延时线实现共享缓存。光纤延时线利用光信号在媒体的传输时延来避免路由器端口冲突问题。同时，基于feedback结构的光纤延时线可以使光信号在延时线中多次循环，实现光存储的目的。该策略是目前唯一物理可实现的光缓存的方式。

3）支持抢占式优先级调度。通过实现基于排序的调度策略，保障到达光光分组可以根据优先级顺序无延时地发送到相应输出端口。

附图说明

图1（a）（b）（c）为feedback光纤延时线缓存结构；

图2为N-to-N共享缓存路由器示意图；

图3为基于光纤延时线的全光共享缓存路由器结构。

具体实施方式:

为实现本发明的目的，本发明提供了一种基于光纤延时线的全光共享缓存路由器结构，下面结合附图进行详细说明。

传统的基于光－电－光转换的网路路由器已成为网路传输瓶颈，限制网路传输速度。目前在POP主要采用路由器集群，但由于耗费大量的电能，已接近功耗上限。本发明的全光路由器结构避免了效率低下的光－电－光转换，通过目前物理可实现的光纤延时线和光交换矩阵分别实现光分组缓存和光分组交换这两个路由器的主要功能。特别的，对光分组存储主要通过动态缓存来实现。光纤延时线主要利用光信号在光纤中传播时存在延时的特性，采用不同长度的光纤来延迟输入光信号，从而模拟光缓存功能。以图1所示2-to-2路由器结构为例，（a）分组到达后通过2×2光交换单元送入光纤延时线；（b）分组在光纤延时线中通过有限次循环实现特定时延；（c）通过2×2光交换单元送到输出端。

从功能上来看，优先级缓存是最具一般性的存储器类型，而共享缓存路由器结构可以保障100%的吞吐率（图2）。全光共享缓存路由器结构主要有三个因素需要考察：FDL和交换矩阵的组织结构，多个FDLs的长度设置，以及光分组调度算法。我们采用单级feedback结构，把所有延时线用一个可实现任意转置的无阻塞交换矩阵组织起来，进一步设计复杂的延时线设置和光分组调度，系统结构如图3所示。

1、全光共享缓存路由器结构

该路由器包含N个输入链路，N个输出链路和N个丢弃链路，一个（N+M）×（N+M）无阻塞光交换矩阵，M条光纤延时线以及一个逻辑控制单元。

无阻塞交换矩阵的N个输入端口连接N个输入链路，N个输出端口通过N个1×2的交换模块连接N个输出链路和N个丢弃链路，剩余M个输出端口通过M条光纤延时线连接回M个输入端口。

采用feedback结构实现光缓存。M根光纤延时线连接交换矩阵输出端口和输入端口。当光分组需要被存储时，由外部输入端口送入光纤延时线，经由光纤延时线产生传输时延，再由交换矩阵送入光纤延时线，实现多次循环动态存储光信号的目的。如果光分组离开或缓存溢出，将由交换矩阵直接转发到输出端口，经由1×2的交换模块分别转发到输出链路或丢弃链路。

2、光纤延时线长度设置

光纤延时线长度r_i设置为组成大小为B的共享缓存队列，允许所有输入输出端口访问，其中

M条延时线均分为N组，每组光纤延时线属于一个流。

3、优先级调度策略

（a）优先级设置

1）所有到达光分组被分配唯一的优先级整数值。控制器可以根据不同的优先级调度规则为属于同一个流的光分组分配唯一的值来表示该光分组的期望离开顺序。

2）对于属于不同流的光分组，要求先离开顺序的光分组具有较高的优先级。

3）对于属于不同流但具有相同离开顺序的光分组，具有较小流序号的光分组具有较高的优先级。

4）光纤延时线中的空闲时隙被看作虚拟光分组，具有最低的优先级。

（b）优先级调度规则

1）离开值为k的光分组总是被发送到长度不大于k的光纤延时线。

2）在每个时隙，N个具有最低优先级的光分组和N个具有最高优先级的光分组总出现在交换矩阵的输入端口。

通过该调度规则避免因光分组调度产生的额外时延。

（c）光分组调度的流程是：

控制逻辑c_j(t)，j∈[O，n-1]表示输出链路状态。如果c_j(t)＝1表示输出链路j允许光分组离开，否则输出链路关闭。在每个时隙，对于所有出现在交换矩阵M+N个输入端口的光分组，

1）将所有光分组根据其优先级进行排序；

2)对出现在交换矩阵输入端的属于第1个流的光分组，如果c₁(t):主将第1个流具有最高优先级的光分组发送到输出链路。重复执行该过程，直到第N个流；

3）对于剩余光分组，按照其优先级依次发送到第一根，第二根，直到第M根光纤光纤延时线。

4）如果没有空闲延时线，将剩余光分组经由空闲输出端口丢弃。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于光纤延时线的共享缓存全光路由器，其特征在于该路由器包括：

N个输入链路，N个输出链路和N个丢弃链路，一个（N+M）×（N+M）的无阻塞光交换矩阵，N个1×2的交换模块，M条光纤延时线以及一个逻辑控制单元；

无阻塞光交换矩阵的N个输入端口连接N个输入链路，N个输出端口通过N个1×2的交换模块连接N个输出链路和N个丢弃链路，剩余的M个输出端口通过M条光纤延时线连接回M个输入端口；逻辑控制单元连接无阻塞光交换矩阵的控制端。

2.根据权利要求1所述的基于光纤延时线的共享缓存全光路由器，其特征在于：光纤延时线长度r_i设置为

组成大小为B的共享缓存队列，并允许所有输入输出端口访问，其中

3.一种基于光纤延时线的共享缓存全光路由器的工作方法，包括光分组缓存及光分组交换；其特征在于具体包括以下步骤：当光分组到达时，首先由控制器进行优先级设置，当光分组需要被缓存时，由外部输入端口送入光纤延时线，经由光纤延时线产生传输时延，再由交换矩阵送入光纤延时线，实现多次循环动态存储光信号；之后各光分组根据优先级分组调度的流程离开或当缓存溢出时，将由交换矩阵直接转发到输出端口，经由1×2的交换模块分别转发到输出链路或丢弃链路。

4.根据权利要求3所述的基于光纤延时线的共享缓存全光路由器的工作方法，其特征在于优先级设置的过程为：

所有到达的光分组被分配唯一的优先级整数值，即离开值k，由控制器根据不同的优先级调度规则为属于同一个流的光分组分配唯一的值来表示该光分组的期望离开顺序；其中，

1）对于属于不同流的光分组，要求先离开顺序的光分组具有较高的优先级，

2）对于属于不同流但具有相同离开顺序的光分组，具有较小流序号的光分组具有较高的优先级；

3）光纤延时线中的空闲时隙被看作虚拟光分组，具有最低的优先级；

4）当有光分组离开，属于同一个流的所有光分组的离开值k减1。

5.根据权利要求3或4所述的基于光纤延时线的共享缓存全光路由器的工作方法，其特征在于对于优先级共享缓存的过程为：

将M条延时线均分为N组，每组光纤延时线属于一个流，控制器按照如下规则调度光分组：

a.离开值为k的光分组总是被发送到长度不大于k的光纤延时线;

b.在每个时隙，N个具有最低优先级的光分组和N个具有最高优先级的光分组总出现在交换矩阵的输入端口；

通过该调度规则避免因光分组调度产生的额外时延。

6.权利要求3或4所述的基于光纤延时线的共享缓存全光路由器的工作方法，其特征在于优先级分组调度的流程为：

在每个时隙，对于所有出现在交换矩阵M+N个输入端口的光分组，

1）将所有光分组根据其优先级进行排序；

2)控制逻辑c_j(t)，j|[O，N|l]表示输出链路状态，如果c_j(t)＝1表示输出链路j允许光分组离开，否则输出链路关闭；对出现在交换矩阵输入端的属于第1个流的光分组，如果c_l(t)＝1将第1个流具有最高优先级的光分组发送到输出链路，重复执行该过程，直到第N个流；

3）对于剩余光分组，按照其优先级依次发送到第一根，第二根，直到第M根光纤光纤延时线；

4）如果没有空闲延时线，将剩余光分组经由空闲输出端口丢弃。

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