CN103888361B - 一种面向胖树型拓扑结构的光路由器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向胖树型拓扑结构的光路由器，目的是减少所用微环，减小网络直径并减少阻塞。本发明由光交换阵列、光交换阵列控制逻辑和光交换阵列配置表组成；本发明采用的光交换阵列是面向胖树型拓扑结构的8×8光交换阵列，该结构由3级子交换阵列组成，第一级子交换阵列由4个PSE1构成，第二级子光交换阵列由4个PSE1和8个PSE2组成，第三级子光交换阵列由4个PSE2构成；光交换阵列配置表是一个二维表，记录所有可行的光交换阵列配置状态；交换阵列控制逻辑由8个状态寄存器、1个配置寄存器、1个链路建立有限状态机和1个链路拆除有限状态机组成。采用本发明搭建胖树型拓扑结构时，网络直径较小，阻塞率较低，微环数量较少。

Description

一种面向胖树型拓扑结构的光路由器

技术领域

本发明涉及硅基光电子领域的一种光学路由器，该结构可以用于搭建片上光网络的胖树型拓扑结构。

背景技术

现代高性能微处理器的设计已经逐渐从“计算为中心”转向“通信为中心”，片上网络作为核间通信的基础设施，在微处理器设计中受到越来越多的重视。然而，以电互连为基础的传统片上网络已经很难满足高性能多核微处理器对片上网络延迟、带宽和功耗方面的严格要求。片上光网络作为一种新兴的片上网络技术能够减轻甚至消除传统电互连面临的延迟、带宽和功耗问题，为未来高性能微处理器片上网络的设计开辟了一条新的道路。

各类片上光互连网络的共同特点在于它们都具有相同的基本功能单元。即传输链路、网关和光学路由器。其中，传输链路(即光波导)用于实现光信号在芯片内的传输；网关用于实现IP核与网络的连接，由激光器、调制器、探测器、放大器、驱动器等光电器件构成；光学路由器用于实现对光信号的路由，主要由光交换阵列和光交换阵列控制逻辑组成。

各类片上光互连网络的不同之处主要在于所采用的拓扑结构。拓扑结构决定了片上光网络各个功能部件的连接方式，并在很大程度上决定了片上光网络的性能指标。在众多拓扑结构中，胖树型拓扑结构因为具有较好的可扩展性和较短的网络直径而受到体系结构设计者的广泛青睐。另外，在胖树型拓扑结构中，网络节点间的带宽自叶而根逐渐变大，可以有效的避免近根节点的拥塞问题。

Huaxi Gu等人公布了一种胖树型拓扑结构的4x4光路由器，采用该路由器可以构建胖树型拓扑结构，但是由于每个光路由器只有2个下行端口和2个上行端口，对于一个64结点的片上网络，网络直径为2 log₂ 64＝12跳。如何进一步降低网络直径，以减少端到端延迟，一直是片上光互连网络设计所面临的重要问题。

发明内容

本发明要解决的关键技术问题：提出一种面向胖树型拓扑结构的新型光路由器使得所用的微环数量较少，减小网络直径并尽量减少因微环或波导冲突而造成的阻塞。

本发明的技术方案是：

本发明由光交换阵列、光交换阵列控制逻辑和光交换阵列配置表组成，光交换阵列控制逻辑与光交换阵列、光交换阵列配置表、外部的电控制网络相连，光交换阵列配置表与光交换阵列控制逻辑相连。光交换阵列与光交换阵列控制逻辑相连。光交换阵列控制逻辑通过8个输入端口从电控制网络接收链路建立请求和链路拆除请求信号，经过读端口向光交换阵列配置表发出查表请求信号，并从光交换阵列配置表接收查表响应信号，从查表响应信号中获取配置信息，并计算出光交换阵列的配置向量，将配置向量通过32位光开关控制信号线发送给光交换阵列。

光交换阵列是面向胖树型拓扑结构的8×8光交换阵列，面向胖树型拓扑结构的8×8光交换阵列由微环和光波导构成，微环可以动态改变谐振频率以实现对特定波长光信号的交换。光交换阵列控制逻辑由链路建立有限状态机和链路拆除有限状态机构成，链路建立有限状态机在建立链路阶段正确地配置光交换阵列的工作状态，链路拆除有限状态机在链路拆除阶段正确地修改光交换阵列的配置状态。光交换阵列配置表是一个保存光交换阵列配置向量的只读存储器(Read-Only-Memory,ROM)，其内容在网络设计之初便已经确定并且固化在ROM中，在使用过程中其内容不发生变化。

面向胖树型拓扑结构的8×8光交换阵列由3级子光交换阵列组成，子光交换阵列之间通过光波导相连。每一级子光交换阵列都是由若干个1×2光开关(简称PSE1)和2×2光开关(简称PSE2)构成。PSE1和PSE2均由两根互连交叉的光波导以及用于实现转向功能的微环构成，其中，PSE1中的微环位于输入端口PSE1_I1和输出端口PSE1_O2之间，PSE2中的2个微环分别位于输入端口PSE2_I1、输出端口PSE2_O2和输入端口PSE2_I2以及输出端口PSE2_O1之间，其光波导和微环的制作均采用标准工艺。第一级子光交换阵列与端口P1、P2、P3、P4及第二级子光交换阵列相连，第三级子光交换阵列与端口P5、P6、P7、P8及第二级子光交换阵列相连。每个端口均包含一根输入光波导和一根输出光波导，用于实现双向的数据传输。

第一级子光交换阵列由4个PSE1构成，共分为两组。每一组中两个PSE1间相互交叉的光波导夹角均为90°。该级子光交换阵列实现了P1、P2、P3、P4端口间的光交换。其中，第一组由第一1×2光开关PSE1-1和第三1×2光开关PSE1-3构成，用于实现端口P1和P2之间的光交换；第二组由第二1×2光开关PSE1-2和第四1×2光开关PSE1-4构成，用于实现P3和P4端口间的光交换。两组之间相互独立，没有连接关系。端口P2的输入连接到PSE1-1的输入端口PSE1_I1，端口P1的输出连接到PSE1-1的输出端口PSE1_O2，PSE1-1的输出端口PSE1_O1、输入端口PSE1_I2分别连接到PSE2-1的输入端口PSE2_I1和PSE2-2的输出端口PSE2_O1。端口P1的输入连接到PSE1-3的输入端口PSE1_I1，端口P2的输出连接到PSE1-3的输出端口PSE1_O2，PSE1-3的输入端口PSE1_I2、输出端口PSE1_O1分别连接到PSE2-2的输出端口PSE2_O2和PSE2-1的输入端口PSE2_I2。端口P4的输入连接到PSE1-2的输入端口PSE1_I1，端口P3的输出连接到PSE1-2的输出端口PSE1_O2，PSE1-2的输出端口PSE1_O1、输入端口PSE1_I2分别连接到PSE2-3的输入端口PSE2_I1和PSE2-4的输出端口PSE2_O1。端口P3的输入连接到PSE1-4的输入端口PSE1_I1，端口P4的输出连接到PSE1-4的输出端口PSE1_O2，PSE1-4的输出端口PSE1_O1、输入端口PSE1_I2分别连接到PSE2-3的输入端口PSE2_I2和PSE2-4的输出端口PSE2_O2。

第二级子光交换阵列由4个PSE1和8个PSE2组成，与第一级子光交换阵列和第三级子光交换阵列均相连，实现第一级光交换阵列和第三级光交换阵列之间的光交换。第一2×2光开关PSE2-1的输出端口PSE2_O2、输出端口PSE2_O1分别与第七1×2光开关PSE1-7的输入端口PSE1_I1和第五2×2光开关PSE2-5的输入端口PSE2_I1相连，第二2×2光开关PSE2-2的输入端口PSE2_I1、PSE2_I2分别与第五1×2光开关PSE1-5的输出端口PSE1_O2和第六2×2光开关PSE2-6的输出端口PSE2_O2相连；第三2×2光开关PSE2-3的输出端口PSE2_O1、PSE2_O2分别与第六1×2光开关PSE1-6的输入端口PSE1_I1和第五2×2光开关PSE2-5的输入端口PSE2_I2相连；第四2×2光开关PSE2-4的输入端口PSE2_I1、PSE2_I2分别与第六2×2光开关PSE2-6的输出端口PSE2_O1和第八1×2光开关PSE1-8的输出端口PSE1_O2相连。第五2×2光开关PSE2-5的输出端口PSE2_O1、PSE2_O2分别与第八1×2光开关PSE1-8的输入端口PSE1_I1和第五1×2光开关PSE1-5的输入端口PSE1_I1相连，第六2×2光开关PSE2-6的输入端口PSE2_I1、PSE2_I2分别与第七1×2光开关PSE1-7的输出端口PSE1_O2和第六1×2光开关PSE1-6的输出端口PSE1_O2相连；第五1×2光开关PSE1-5的输出端口PSE1_O1、输入端口PSE1_I2分别与第九2×2光开关PSE2-9的输入端口PSE2_I1和第八2×2光开关PSE2-8的输出端口PSE2_O1相连，第六1×2光开关PSE1-6的输出端口PSE1_O1、输入端口PSE1_I2分别与第七2×2光开关PSE2-7的输入端口PSE2_I2和第十二2×2光开关PSE2-12的输出端口PSE2_O2相连；第七1×2光开关PSE1-7的输入端口PSE1_I2、输出端口PSE1_O1分别与第十2×2光开关PSE2-10的输出端口PSE2_O2和第七2×2光开关PSE2-7的输入端口PSE2_I1相连，第八1×2光开关PSE1-8的输入端口PSE1_I2、输出端口PSE1_O1分别与第八2×2光开关PSE2-8的输出端口PSE2_O2和第十一2×2光开关PSE2-11的输入端口PSE2_I1相连；第七2×2光开关PSE2-7的输出端口PSE2_O1、PSE2_O2分别与第三级子光交换阵列的第九2×2光开关PSE2-9的输入端口PSE2_I2和第十一2×2光开关PSE2-11的输入端口PSE2_I2相连，第八2×2光开关PSE2-8的输入端口PSE2_I1、PSE2_I2分别与第三级子光交换阵列的第十2×2光开关PSE2-10的输出端口PSE2_O1和第十二2×2光开关PSE2-12的输出端口PSE2_O1相连。

第三级子光交换阵列由4个PSE2构成，实现端口P5、P6、P7、P8与第二级子光交换阵列间的光交换。其中，第九2×2光开关PSE2-9的输出端口PSE2_O2和PSE2_O1分别与端口P5和P6的输出相连；第十2×2光开关PSE2-10的输入端口PSE2_I1和PSE2_I2分别与端口P5和P6的输入相连；第十一2×2光开关PSE2-11的输出端口PSE2_I1和PSE2_I2分别与端口P7和P8的输出相连；第十二2×2光开关PSE2-12的输入端口PES2_I2和PSE2_I1分别与端口P7和P8的输入相连。

光交换阵列配置表是一个二维表，该表有83个表项，记录了所有可行的面向胖树型拓扑结构的8×8光交换阵列配置状态。每个表项都是长度为32bit的0/1向量，用于表示为了实现两个端口间的光交换，面向胖树型拓扑结构的8×8光交换阵列中32个微环应当处于的工作状态：0代表微环处于OFF状态，1代表微环处于ON状态。表项的内容在光路由器设计之初确定并写入ROM中，在光路由器使用过程中不发生变化。输入端口号和输出端口号是该表的索引，光交换阵列控制逻辑在设置和重置光交换阵列时会读取相应的表项。

交换阵列控制逻辑由8个状态寄存器、1个配置寄存器、1个链路建立有限状态机和1个链路拆除有限状态机组成，链路建立有限状态机和链路拆除有限状态机之间相互独立，通过读写状态寄存器和配置寄存器来实现对面向胖树型拓扑结构的8×8光交换阵列的配置状态的修改。配置寄存器记录当前面向胖树型拓扑结构的8×8光交换阵列中32个微环的工作状态(ON/OFF)，长度为32bit；8个状态寄存器分别记录面向胖树型拓扑结构的8×8光交换阵列的8个端口所采用的配置向量，长度均为32bit。链路建立有限状态机与状态寄存器、配置寄存器和光交换阵列配置表相连，状态包括初始状态、读取配置1、读取配置2、修改配置和拒绝请求5个状态；链路拆除有限状态机与状态寄存器、配置寄存器相连，状态包括初始状态、修改配置寄存器、更新光交换阵列3个状态。光交换阵列控制逻辑的整个工作过程都由这两个有限状态机控制。

链路建立有限状态机的状态转换过程是：

(一)当链路建立有限状态机从电控制网络收到链路建立请求后，从初始状态切换到第一读取配置状态。

(二)在第一读取配置状态，链路建立有限状态机根据链路建立请求中所携带的输入、输出端口号查找光交换阵列配置表，查表结果为长度为32bit的第一配置向量，对应于面向胖树型拓扑结构的8×8光交换阵列的32个微环，其中，第i位为1表示微环i应当处于ON状态。

(三)用第一配置向量与配置寄存器进行按位与操作，如果所得结果与原配置寄存器内容相同，则表明该组配置信息可以作用于面向胖树型拓扑结构的8×8光交换阵列，将该配置向量写入输入端口对应的状态寄存器，链路建立有限状态机从第一读取配置状态切换到修改配置状态；否则从第一读取配置状态切换到第二读取配置状态。

(四)在第二读取配置状态，链路建立有限状态机再次根据链路建立请求中所携带的输入、输出端口号查找光交换阵列配置表，获得第二配置向量。如果用第二配置向量与配置寄存器按位与所得结果与原配置寄存器的内容相同，则表明第二配置向量可以作用于面向胖树型拓扑结构的8×8光交换阵列，将该配置向量写入输入端口对应的状态寄存器，有限状态机的状态切换到修改配置状态；否则状态切换到拒绝请求状态。

(五)在修改配置状态，链路建立有限状态机先将配置向量与配置寄存器按位或的结果写入配置寄存器，并将状态切换到初始状态。

(六)在拒绝请求状态，链路建立有限状态机返回链路建立失败信号，并将状态切换到初始状态，准备接受下一个请求。

链路拆除有限状态机的状态切换过程是：

(一)在初始状态，当链路拆除有限状态机从电控制网络收到拆除链路请求信号后，根据请求信息携带的输入端口I(1≤I≤8)找到第I个状态寄存器，并将状态从初始状态切换到修改状态寄存器状态；

(二)在修改配置寄存器状态，链路拆除有限状态机根据请求信号携带的输入端口号I找到第I个状态寄存器，将状态寄存器与配置寄存器按位异或的结果写入配置寄存器，然后将状态切换到更新光交换阵列状态；

(三)在更新光交换阵列状态，链路拆除有限状态机根据更新后的配置寄存器内容得到32位光交换阵列控制信号，将光交换阵列控制信号传输给光交换阵列，并切换到初始状态。

当需要进行数据传输时，电控制网络向本发明面向胖树型拓扑结构的光路由器的交换阵列控制逻辑发出链路建立请求，其中包含了需要建立连接的输入、输出端口对。本发明的工作过程如下：

第一步，链路建立有限状态机按照前述状态转换过程进行状态切换，如果返回链路建立失败信息，则转第二步；否则执行第三步。

第二步，链路建立有限状态机利用通过状态信号线向电控制网络发出链路建立失败信号，转第一步。

第三步，链路建立有限状态机根据配置寄存器的内容，通过32位光交换阵列控制信号修改每个微环的工作状态，然后转第四步。

第四步，数据传输完成后，电控制网络向本发明发出链路拆除请求。当链路拆除有限状态机收到来自电控制网络的链路拆除请求后，光交换阵列控制逻辑中的链路拆除有限状态机按照前述的状态切换过程，完成链路拆除，并转第一步。

采用本发明可以达到以下技术效果：

(一)端口规模较大，通常用于胖树的光路由器只有2个下行端口和2个上行端口，而本发明具有4个下行端口和4个上行端口。由于端口规模较大，用本发明搭建胖树型拓扑结构时，网络直径可以减少一半。

(二)阻塞率较低，由于本发明采用一种新的8×8光交换阵列，该阵列具有路径多样性(从任意的输入端口到输出端口都有多条路径)，因而光交换阵列配置表的每一个表项都包含了1组2组备选的配置向量；在具体的配置过程中，光交换阵列配置逻辑可以根据当前的光交换阵列工作状态来选择一组可行的配置信息作用于光交换阵列，以尽可能减少阻塞。

(三)所用资源较少，与现有相同规模的光路由器中所用微环数量相比，本发明所用微环数量较小，本发明的光交换阵列与8x8光Crossbar(共8×8＝64个)相比，微环数量减少一半(32个)。

附图说明

图1是本发明的总体结构图。

图2是光交换阵列控制逻辑示意图。

图3是本发明采用的PSE1和PSE2的结构图。

图4是本发明采用的面向胖树型拓扑结构的8×8光交换阵列的结构图。

图5是光交换阵列控制逻辑的链路建立有限状态机的状态转换图。

图6是光交换阵列控制逻辑的链路拆除有限状态机的状态转换图。

图7是光交换阵列配置表的结构图。

具体实施方式

图1为本发明的总体结构图。本发明由光交换阵列、光交换阵列控制逻辑和光交换阵列配置表组成，光交换阵列控制逻辑通过光开关控制线与光交换阵列相连，光交换阵列配置表通过光交换阵列配置表读写控制信号与光交换阵列控制逻辑相连。电控制网络向本发明的光路由器发出链路建立请求和链路拆除请求信号，信号经过输入1-输入8进入光路由器的光交换阵列控制逻辑，光交换阵列控制逻辑内部的2个有限状态机经过读端口向光交换阵列配置表发出查表请求信号，并从查表响应信号中读取配置信息，在计算出光交换阵列的配置向量后，经过光开关控制信号分别作用于光交换阵列的微环。本发明光交换阵列采用面向胖树型拓扑结构的8×8光交换阵列。

图2是光交换阵列控制逻辑示意图。交换阵列控制逻辑由状态寄存器、配置寄存器、链路建立有限状态机和链路拆除有限状态机组成，链路建立有限状态机和链路拆除有限状态机之间相互独立，通过读写状态寄存器和配置寄存器来实现对面向胖树型拓扑结构的8×8光交换阵列的配置。配置寄存器记录当前光交换阵列中32个微环的配置状态(ON/OFF)，长度为32bit；8个状态寄存器分别记录光交换阵列的8个端口在当前状态下所采用的配置向量，长度为32bit。链路建立有限状态机的状态包括初始状态、第一读取配置、第二读取配置、修改配置和拒绝请求5个状态；链路拆除有限状态机的状态包括初始状态、修改配置寄存器、更新光交换阵列3个状态。光交换阵列控制逻辑的整个工作过程由这两个有限状态机控制。

图3是本发明所采用的PSE1和PSE2结构图。PSE1和PSE2是构成本发明的基本器件。每个PSE1由两根相互交叉的光波导和一个微环组成，两根波导相互垂直交叉，微环与两根波导外切，位于输入PSE1_I1和输出PSE1_O2之间。光波导和微环的制造采用标准工艺，微环直径1-10um。PSE1有两个工作状态ON和OFF，当微环处于ON状态时，光束从输入PSE1_I1进入光波导时会发生转向，从而进入输出PSE1_O2端口；当微环处于OFF状态时，光束在通过光波导时不发生转向，直接进入输出端口PSE1_O1，因此实现1×2的光交换；每个PSE2由两根相互交叉的光波导和两个微环组成，两根波导相互垂直交叉，两个微环均于波导相互垂直，分别位于输入PSE2_I1和输出PSE2_O2、输入PSE2_I2和输出PSE2_O1之间。PSE2也有2个工作状态ON和OFF：当两个微环均处于OFF状态时，光束会直线通过光波导而不发生转向；当两个微环均处于ON状态时，光束会发生转向，即输入PSE2_I1入射的光会进入输出PSE2_O2，输入PSE2_I2进入的入射光会进入输出PSE2_O1，因而实现2×2的光交换。PSE1和PSE2中所用的光波导和微环的制作均采用标准工艺。

图4是面向胖树型拓扑结构的8×8光交换阵列的结构图。该结构共由3级子光交换阵列组成，子光交换阵列之间通过光波导相连。每一级子光交换阵列都是由若干个1×2光开关(简称PSE1)和2×2光开关(简称PSE2)构成。PSE1和PSE2均由两根互连交叉的光波导以及用于实现转向功能的微环构成，其中，PSE1中的微环位于输入端口PSE1_I1和输出端口PSE1_O2之间，PSE2中的2个微环分别位于输入端口PSE2_I1、输出端口PSE2_O2和输入端口PSE2_I2以及输出端口PSE2_O1之间，其光波导和微环的制作均采用标准工艺。第一级子光交换阵列与端口P1、P2、P3、P4及第二级子光交换阵列相连，第三级子光交换阵列与端口P5、P6、P7、P8及第二级子光交换阵列相连。每个端口均包含一根输入光波导和一根输出光波导，用于实现双向的数据传输。

第一级子光交换阵列由4个PSE1构成，共分为两组。每一组中两个PSE1间相互交叉的光波导夹角均为90°。该级子光交换阵列实现了P1、P2、P3、P4端口间的光交换。其中，第一组由第一1×2光开关PSE1-1和第三1×2光开关PSE1-3构成，用于实现端口P1和P2之间的光交换；第二组由第二1×2光开关PSE1-2和第四1×2光开关PSE1-4构成，用于实现P3和P4端口间的光交换。两组之间相互独立，没有连接关系。端口P2的输入连接到PSE1-1的输入端口PSE1_I1，端口P1的输出连接到PSE1-1的输出端口PSE1_O2，PSE1-1的输出端口PSE1_O1、输入端口PSE1_I2分别连接到PSE2-1的输入端口PSE2_I1和PSE2-2的输出端口PSE2_O1。端口P1的输入连接到PSE1-3的输入端口PSE1_I1，端口P2的输出连接到PSE1-3的输出端口PSE1_O2，PSE1-3的输入端口PSE1_I2、输出端口PSE1_O1分别连接到PSE2-2的输出端口PSE2_O2和PSE2-1的输入端口PSE2_I2。端口P4的输入连接到PSE1-2的输入端口PSE1_I1，端口P3的输出连接到PSE1-2的输出端口PSE1_O2，PSE1-2的输出端口PSE1_O1、输入端口PSE1_I2分别连接到PSE2-3的输入端口PSE2_I1和PSE2-4的输出端口PSE2_O1。端口P3的输入连接到PSE1-4的输入端口PSE1_I1，端口P4的输出连接到PSE1-4的输出端口PSE1_O2，PSE1-4的输出端口PSE1_O1、输入端口PSE1_I2分别连接到PSE2-3的输入端口PSE2_I2和PSE2-4的输出端口PSE2_O2。

第二级子光交换阵列由4个PSE1和8个PSE2组成，实现第一级子光交换阵列和第三级子光交换阵列之间的光交换。第一2×2光开关PSE2-1的输出端口PSE2_O2、输出端口PSE2_O1分别与第七1×2光开关PSE1-7的输入端口PSE1_I1和第五2×2光开关PSE2-5的输入端口PSE2_I1相连，第二2×2光开关PSE2-2的输入端口PSE2_I1、PSE2_I2分别与第五1×2光开关PSE1-5的输出端口PSE1_O2和第六2×2光开关PSE2-6的输出端口PSE2_O2相连；第三2×2光开关PSE2-3的输出端口PSE2_O1、PSE2_O2分别与第六1×2光开关PSE1-6的输入端口PSE1_I1和第五2×2光开关PSE2-5的输入端口PSE2_I2相连；第四2×2光开关PSE2-4的输入端口PSE2_I1、PSE2_I2分别与第六2×2光开关PSE2-6的输出端口PSE2_O1和第八1×2光开关PSE1-8的输出端口PSE1_O2相连。第五2×2光开关PSE2-5的输出端口PSE2_O1、PSE2_O2分别与第八1×2光开关PSE1-8的输入端口PSE1_I1和第五1×2光开关PSE1-5的输入端口PSE1_I1相连，第六2×2光开关PSE2-6的输入端口PSE2_I1、PSE2_I2分别与第七1×2光开关PSE1-7的输出端口PSE1_O2和第六1×2光开关PSE1-6的输出端口PSE1_O2相连；第五1×2光开关PSE1-5的输出端口PSE1_O1、输入端口PSE1_I2分别与第九2×2光开关PSE2-9的输入端口PSE2_I1和第八2×2光开关PSE2-8的输出端口PSE2_O1相连，第六1×2光开关PSE1-6的输出端口PSE1_O1、输入端口PSE1_I2分别与第七2×2光开关PSE2-7的输入端口PSE2_I2和第十二2×2光开关PSE2-12的输出端口PSE2_O2相连；第七1×2光开关PSE1-7的输入端口PSE1_I2、输出端口PSE1_O1分别与第十2×2光开关PSE2-10的输出端口PSE2_O2和第七2×2光开关PSE2-7的输入端口PSE2_I1相连，第八1×2光开关PSE1-8的输入端口PSE1_I2、输出端口PSE1_O1分别与第八2×2光开关PSE2-8的输出端口PSE2_O2和第十一2×2光开关PSE2-11的输入端口PSE2_I1相连；第七2×2光开关PSE2-7的输出端口PSE2_O1、PSE2_O2分别与第三级子光交换阵列的第九2×2光开关PSE2-9的输入端口PSE2_I2和第十一2×2光开关PSE2-11的输入端口PSE2_I2相连，第八2×2光开关PSE2-8的输入端口PSE2_I1、PSE2_I2分别与第三级子光交换阵列的第十2×2光开关PSE2-10的输出端口PSE2_O1和第十二2×2光开关PSE2-12的输出端口PSE2_O1相连。

第三级子光交换阵列由4个PSE2构成，实现端口P5、P6、P7、P8与第二级子光交换阵列间的光交换。其中，第九2×2光开关PSE2-9的输出端口PSE2_O2和PSE2_O1分别与端口P5和P6的输出相连；第十2×2光开关PSE2-10的输入端口PSE2_I1和PSE2_I2分别与端口P5和P6的输入相连；第十一2×2光开关PSE2-11的输出端口PSE2_O1和PSE2_O2分别与端口P7和P8的输出相连；第十二2×2光开关PSE2-12的输入端口PES2_I2和PSE2_I1分别与端口P7和P8的输入相连。整个光交换阵列共使用32个微环，光波导交叉44次，光波导的90°转向有24次。

图5是光交换阵列控制逻辑的链路建立有限状态机的状态转换图。链路建立有限状态机的状态转换过程是：

(一)当链路建立有限状态机从电控制网络收到链路建立请求后，从初始状态切换到第一读取配置状态。

(二)在第一读取配置状态，链路建立有限状态机根据链路建立请求中所携带的输入、输出端口号查找光交换阵列配置表，查表结果为长度为32bit的第一配置向量，对应于面向胖树型拓扑结构的8×8光交换阵列的32个微环，其中，第i位为1表示微环i应当处于ON状态。

(三)用第一配置向量与配置寄存器进行按位与操作，如果所得结果与原配置寄存器内容相同，则表明该组配置信息可以作用于面向胖树型拓扑结构的8×8光交换阵列，将该配置向量写入输入端口对应的状态寄存器，链路建立有限状态机从第一读取配置状态切换到修改配置状态；否则从第一读取配置状态切换到第二读取配置状态。

(四)在第二读取配置状态，链路建立有限状态机再次根据链路建立请求中所携带的输入、输出端口号查找光交换阵列配置表，获得第二配置向量。如果用第二配置向量与配置寄存器按位与所得结果与原配置寄存器的内容相同，则表明第二配置向量可以作用于面向胖树型拓扑结构的8×8光交换阵列，将该配置向量写入输入端口对应的状态寄存器，有限状态机的状态切换到修改配置状态；否则状态切换到拒绝请求状态。

(五)在修改配置状态，链路建立有限状态机先将配置向量与配置寄存器按位或的结果写入配置寄存器，并将状态切换到初始状态。

(六)在拒绝请求状态，链路建立有限状态机返回链路建立失败信号，并将状态切换到初始状态，准备接受下一个请求。

图6是光交换阵列控制逻辑的链路拆除有限状态机的状态转换图。链路拆除有限状态机的状态切换过程是：

(一)在初始状态，当链路拆除有限状态机从电控制网络收到拆除链路请求信号后，根据请求信息携带的输入端口I(1≤I≤8)找到第I个状态寄存器，并将状态从初始状态切换到修改状态寄存器状态；

(二)在修改配置寄存器状态，链路拆除有限状态机根据请求信号携带的输入端口号I找到第I个状态寄存器，将状态寄存器与配置寄存器按位异或的结果写入配置寄存器，然后将状态切换到更新光交换阵列状态；

(三)在更新光交换阵列状态，链路拆除有限状态机根据更新后的配置寄存器内容得到32位光交换阵列控制信号，将光交换阵列控制信号传输给光交换阵列，并切换到初始状态。

图7是光交换阵列配置表的结构图。该表在光路由器设计与制作之初确定并写入ROM中，在光路由器运行过程中其内容不发生变化。该表是一个二维表，该表有83个表项，记录了所有可行的面向胖树型拓扑结构的8×8光交换阵列配置状态。每个表项都是长度为32bit的0/1向量，用于表示为了实现两个端口间的光交换，32个微环应当处于的工作状态：0代表微环处于OFF状态，1代表微环处于ON状态。输入端口号和输出端口号是该表的索引，光交换阵列控制逻辑在设置和重置光交换阵列时会读取相应的表项。

Claims (6)

1.一种面向胖树型拓扑结构的光路由器，其特征在于面向胖树型拓扑结构的光路由器由光交换阵列、光交换阵列控制逻辑和光交换阵列配置表组成，光交换阵列控制逻辑与光交换阵列、光交换阵列配置表、外部的电控制网络路由器相连，光交换阵列配置表与光交换阵列控制逻辑相连；光交换阵列与光交换阵列控制逻辑相连；光交换阵列控制逻辑通过8个输入端口从电控制网络路由器接收链路建立请求和链路拆除请求信号，经过读端口向光交换阵列配置表发出查表请求信号，并从光交换阵列配置表接收查表响应信号，从查表响应信号中获取配置信息，并计算出光交换阵列的配置向量，将配置向量通过L位光开关控制信号线发送给光交换阵列，L为正整数；

所述光交换阵列是面向胖树型拓扑结构的8×8光交换阵列，面向胖树型拓扑结构的8×8光交换阵列由3级子光交换阵列组成，子光交换阵列之间通过光波导相连；每一级子光交换阵列都是由若干个1×2光开关即PSE1和2×2光开关即PSE2构成；第一级子光交换阵列与端口P1、P2、P3、P4和第二级子光交换阵列相连，第三级子光交换阵列与端口P5、P6、P7、P8和第二级子光交换阵列相连；

第一级子光交换阵列由4个PSE1构成，共分为两组，每一组中两个PSE1间相互交叉的光波导夹角均为90°，该级子光交换阵列实现P1、P2、P3、P4端口间的光交换；第一组由第一1×2光开关PSE1-1和第三1×2光开关PSE1-3构成，用于实现端口P1和P2之间的光交换；第二组由第二1×2光开关PSE1-2和第四1×2光开关PSE1-4构成，用于实现P3和P4端口间的光交换；端口P2的输入连接到PSE1-1的输入端口PSE1_I1，端口P1的输出连接到PSE1-1的输出端口PSE1_O2，PSE1-1的输出端口PSE1_O1、输入端口PSE1_I2分别连接到PSE2-1的输入端口PSE2_I1和PSE2-2的输出端口PSE2_O1；端口P1的输入连接到PSE1-3的输入端口PSE1_I1，端口P2的输出连接到PSE1-3的输出端口PSE1_O2，PSE1-3的输入端口PSE1_I2、输出端口PSE1_O1分别连接到PSE2-2的输出端口PSE2_O2和PSE2-1的输入端口PSE2_I2；端口P4的输入连接到PSE1-2的输入端口PSE1_I1，端口P3的输出连接到PSE1-2的输出端口PSE1_O2，PSE1-2的输出端口PSE1_O1、输入端口PSE1_I2分别连接到PSE2-3的输入端口PSE2_I1和PSE2-4的输出端口PSE2_O1；端口P3的输入连接到PSE1-4的输入端口PSE1_I1，端口P4的输出连接到PSE1-4的输出端口PSE1_O2，PSE1-4的输出端口PSE1_O1、输入端口PSE1_I2分别接连到PSE2-3的输入端口PSE2_I2和PSE2-4的输出端口PSE2_O2；

第二级子光交换阵列由4个PSE1和8个PSE2组成，与第一级子光交换阵列和第三级子光交换阵列均相连；第一2×2光开关PSE2-1的输出端口PSE2_O2、输出端口PSE2_O1分别与第七1×2光开关PSE1-7的输入端口PSE1_I1和第五2×2光开关PSE2-5的输入端口PSE2_I1相连，第二2×2光开关PSE2-2的输入端口PSE2_I1、PSE2_I2分别与第五1×2光开关PSE1-5的输出端口PSE1_O2和第六2×2光开关PSE2-6的输出端口PSE2_O2相连；第三2×2光开关PSE2-3的输出端口PSE2_O1、PSE2_O2分别与第六1×2光开关PSE1-6的输入端口PSE1_I1和第五2×2光开关PSE2-5的输入端口PSE2_I2相连；第四2×2光开关PSE2-4的输入端口PSE2_I1、PSE2_I2分别与第六2×2光开关PSE2-6的输出端口PSE2_O1和第八1×2光开关PSE1-8的输出端口PSE1_O2相连；第五2×2光开关PSE2-5的输出端口PSE2_O1、PSE2_O2分别与第八1×2光开关PSE1-8的输入端口PSE1_I1和第五1×2光开关PSE1-5的输入端口PSE1_I1相连，第六2×2光开关PSE2-6的输入端口PSE2_I1、PSE2_I2分别与第七1×2光开关PSE1-7的输出端口PSE1_O2和第六1×2光开关PSE1-6的输出端口PSE1_O2相连；第五1×2光开关PSE1-5的输出端口PSE1_O1、输入端口PSE1_I2分别与第九2×2光开关PSE2-9的输入端口PSE2_I1和第八2×2光开关PSE2-8的输出端口PSE2_O1相连，第六1×2光开关PSE1-6的输出端口PSE1_O1、输入端口PSE1_I2分别与第七2×2光开关PSE2-7的输入端口PSE2_I2和第十二2×2光开关PSE2-12的输出端口PSE2_O2相连；第七1×2光开关PSE1-7的输入端口PSE1_I2、输出端口PSE1_O1分别与第十2×2光开关PSE2-10的输出端口PSE2_O2和第七2×2光开关PSE2-7的输入端口PSE2_I1相连，第八1×2光开关PSE1-8的输入端口PSE1_I2、输出端口PSE1_O1分别与第八2×2光开关PSE2-8的输出端口PSE2_O2和第十一2×2光开关PSE2-11的输入端口PSE2_I1相连；第七2×2光开关PSE2-7的输出端口PSE2_O1、PSE2_O2分别与第三级子光交换阵列的第九2×2光开关PSE2-9的输入端口PSE2_I2和第十一2×2光开关PSE2-11的输入端口PSE2_I2相连，第八2×2光开关PSE2-8的输入端口PSE2_I1、PSE2_I2分别与第三级子光交换阵列的第十2×2光开关PSE2-10的输出端口PSE2_O1和第十二2×2光开关PSE2-12的输出端口PSE2_O1相连；

第三级子光交换阵列由4个PSE2构成，实现端口P5、P6、P7、P8与第二级子光交换阵列间的光交换；第九2×2光开关PSE2-9的输出端口PSE2_O2和PSE2_O1分别与端口P5和P6的输出相连；第十2×2光开关PSE2-10的输入端口PSE2_I1和PSE2_I2分别与端口P5和P6的输入相连；第十一2×2光开关PSE2-11的输出端口PSE2_O1和PSE2_O2分别与端口P7和P8的输出相连；第十二2×2光开关PSE2-12的输入端口PES2_I2和PSE2_I1分别与端口P7和P8的输入相连；

光交换阵列配置表是一个二维表，该表有83个表项，记录所有可行的光交换阵列配置状态；每个表项都是长度为32bit的0或1向量，用于表示为了实现两个端口间的光交换，面向胖树型拓扑结构的8×8光交换阵列中32个微环应当处于的工作状态：0代表微环处于OFF状态，1代表微环处于ON状态；输入端口号和输出端口号是该表的索引；

交换阵列控制逻辑由8个状态寄存器、1个配置寄存器、1个链路建立有限状态机和1个链路拆除有限状态机组成，链路建立有限状态机和链路拆除有限状态机之间相互独立，通过读写状态寄存器和配置寄存器来实现对面向胖树型拓扑结构的8×8光交换阵列的配置状态的修改；配置寄存器记录当前面向胖树型拓扑结构的8×8光交换阵列中32个微环的工作状态，长度为32bit；8个状态寄存器分别记录面向胖树型拓扑结构的8×8光交换阵列的8个端口所采用的配置向量，长度均为32bit；链路建立有限状态机与状态寄存器、配置寄存器和光交换阵列配置表相连，状态包括初始状态、读取配置1、读取配置2、修改配置和拒绝请求5个状态；链路拆除有限状态机与状态寄存器、配置寄存器相连，状态包括初始状态、修改配置寄存器、更新光交换阵列3个状态。

2.如权利要求1所述的一种面向胖树型拓扑结构的光路由器，其特征在于所述P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8端口均包含一根输入光波导和一根输出光波导，用于实现双向的数据传输。

3.如权利要求1所述的一种面向胖树型拓扑结构的光路由器，其特征在于所述PSE1和PSE2均由两根互连交叉的光波导以及用于实现转向功能的微环构成，PSE1中的微环位于输入端口PSE1_I1和输出端口PSE1_O2之间，PSE2中的2个微环分别位于输入端口PSE2_I1、输出端口PSE2_O2和输入端口PSE2_I2以及输出端口PSE2_O1之间。

4.如权利要求1所述的一种面向胖树型拓扑结构的光路由器，其特征在于所述链路建立有限状态机的状态转换过程是：

当链路建立有限状态机从电控制网络收到链路建立请求后，从初始状态切换到第一读取配置状态；

在第一读取配置状态，链路建立有限状态机根据链路建立请求中所携带的输入、输出端口号查找光交换阵列配置表，查表结果为长度为32bit的第一配置向量，对应于面向胖树型拓扑结构的8×8光交换阵列的32个微环，其中，第i位为1表示微环i应当处于ON状态；

用第一配置向量与配置寄存器进行按位与操作，如果所得结果与原配置寄存器内容相同，将该配置向量写入输入端口对应的状态寄存器，链路建立有限状态机从第一读取配置状态切换到修改配置状态；否则从第一读取配置状态切换到第二读取配置状态；

在第二读取配置状态，链路建立有限状态机再次根据链路建立请求中所携带的输入、输出端口号查找光交换阵列配置表，获得第二配置向量；如果用第二配置向量与配置寄存器按位与所得结果与原配置寄存器的内容相同，将该配置向量写入输入端口对应的状态寄存器，有限状态机的状态切换到修改配置状态；否则状态切换到拒绝请求状态；

在修改配置状态，链路建立有限状态机先将配置向量与配置寄存器按位或的结果写入配置寄存器，根据配置寄存器内容，得到L位光交换阵列控制信号，将光交换阵列控制信号发送给光交换阵列，并将状态切换到初始状态；

在拒绝请求状态，链路建立有限状态机返回链路建立失败信号，并将状态切换到初始状态，准备接受下一个请求。

5.如权利要求1所述的一种面向胖树型拓扑结构的光路由器，其特征在于所述链路拆除有限状态机的状态切换过程是：

在初始状态，当链路拆除有限状态机从电控制网络收到拆除链路请求信号后，根据请求信息携带的输入端口I找到第I个状态寄存器，并将状态从初始状态切换到修改状态寄存器状态，1≤I≤8；

在修改配置寄存器状态，链路拆除有限状态机根据请求信号携带的输入端口号I找到第I个状态寄存器，将状态寄存器与配置寄存器按位异或的结果写入配置寄存器，然后将状态切换到更新光交换阵列状态；

在更新光交换阵列状态，链路拆除有限状态机根据更新后的配置寄存器内容得到L位光交换阵列控制信号，将光交换阵列控制信号传输给面向胖树型拓扑结构的8×8光交换阵列，并切换到初始状态。

6.如权利要求1所述的一种面向胖树型拓扑结构的光路由器，其特征在于所述L与面向胖树型拓扑结构的8×8光交换阵列中微环的个数相等，即L＝32。