CN103986985B - 基于网络编码和fdl环形反馈共享缓存装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护基于网络编码和FDL环形反馈共享缓存装置及其控制方法，涉及光通信技术领域。多个竞争的分组可以通过OPS交换矩阵中的网络编码扩展输出端口进入网络编码模块进行网络编码，不会引入时延。当网络编码模块不能完全解决竞争时，竞争光分组从OPS交换矩阵的环形反馈共享缓存扩展端口进入子交换矩阵的扩展输入端口，根据最小缓存长度级联控制方法选择最合适的缓存，通过子交换矩阵输出，由OPS交换矩阵扩展输入端口通过OPS交换矩阵交换到OPS矩阵基本输出端口，输出到光纤线路上。本发明在降低丢包率、减小时延和增大缓存容量提高光纤延迟线利用率方面具有显著效果，能够非常好的解决光分组竞争问题。

Description

基于网络编码和FDL环形反馈共享缓存装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及光纤通信领域，具体涉及一种应用于光分组交换竞争解决的结构及其相应控制方法。

技术背景

光分组交换(OPS：Optical packet switching)以其粒度小、交换速率快、开销少和带宽利用率高等优势，被认为是未来全光交换的必然趋势。当同一波长的多个分组同时需要从一个中间节点的同一端口输出时，就会发生分组间的波长竞争。在OPS网络中，以数据为中心的光分组冲突概率较大，如何解决光分组竞争是一个保证网络性能的至关重要的问题。在目前光域RAM(Random access memory随机存储器)不成熟的情况下，主要的竞争解决方法有三种：光纤延迟线(FDL：Fiber Delay Line)缓存、波长转换和偏射路由，分别是在时间域、波长域和空间域上解决竞争问题。

网络编码于2000年由R.Ahlswede提出，R.Ahlswede证明在网络中间结点处进行必要的编码处理，可以充分利用带宽，使网络达到理论上最大的信息传输量。此后的相关研究表明，网络编码还具有均衡网络负载、减少网络资源损耗、提高网络安全性和节约能量消耗等优点。在目前的研究中，应用网络编码进行全光冲突解决已被提出，并且有较多的实验已经证明其正确性和有效性。利用网络编码解决光分组竞争，不仅可以同时解决多个光分组竞争同一端口的问题，而且由于可以同时输出竞争分组，不会引起缓存时延。因此，网络编码将是解决未来全光分组交换竞争问题的一种重要方法。

在上面提到的四种光分组交换竞争解决方法中，波长转换主要是利用波长变换器，将发生冲突的光分组变换到相同端口上其他空闲信道输出。此方法中采用的固定波长变换器效率不高，而可变波长变换器价格昂贵，且不稳定。偏移路由是将发生冲突的光分组由其他端口的信道上输出，这有可能使网络拥塞更加严重，因此对于整个网络而言，偏移路由并不一定可取。光纤延迟是采用光纤延迟线(FDL)作为延迟的手段，是一种最接近于电随机存储设备的技术。它能提供固定长度、有限数量的延迟。在这三种方法中，FDL是最有效和最容易实现的一种。然而，OPS中节点结构和控制机制还有待提高。仅仅依靠光缓存虽然可以解决竞争，但是目前存在的缓存装置没办法同时解决多个分组冲突的问题。与此同时，缓存所引起的时延也是一个需要考虑的问题。利用网络编码可以解决多个分组竞争问题，并且网络编码解决竞争的一大优点是不需要缓存。但是网络编码解决竞争主要适用于多个分组同时冲突的情况，对于一个分组已经占用端口，又到达一个新的分组需要从这个端口输出的情况是不适用的。因此，仅仅利用网络编码不能完全解决光分组交换的所有竞争冲突。根据前面对于竞争解决方法的分析，将光纤延迟线缓存和网络编码结合使用，既可以适用于各种竞争冲突情况，又可以大幅度减小所需要的缓存时延，是一种比较理想的竞争解决方法。

除此之外，还需要选择一种合适的FDL缓存方式。FDL缓存可分为三类：输入缓存、输出缓存和反馈共享缓存。输入缓存是将FDL配置在OPS输入节点处。存在的最大问题是包头阻塞问题。包头阻塞会导致核心节点吞吐量受到严重限制；输出缓存是将FDL配置在节点输出处，不同端口光分组使用光纤不能共享，导致光纤数目巨大，会增加节点造价；反馈共享缓存是在光交换矩阵的输入输出之间加入一定数目的光纤延迟线，是目前光纤缓存解决端口竞争应用最广泛的一种结构。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明设计一种用于解决光分组竞争的FDL环形反馈共享缓存和网络编码相结合的装置，并且提出了相应的控制策略。此结构能很好的解决光分组交换的分组竞争问题，本发明在增大缓存容量、提高光纤延迟线利用率、降低分组丢包率和减小平均分组时延方面具有明显的优势和效果。

本发明解决上述技术问题的技术方案是，提出一种基于网络编码和FDL环形反馈共享缓存的装置，该装置包括：控制模块、OPS交换矩阵、网络编码模块和FDL环形反馈共享缓存模块，控制模块根据调度策略控制无冲突的光分组通过OPS交换矩阵基本输出端口输出，控制竞争光分组从OPS交换矩阵中的网络编码扩展输出端口进入网络编码模块进行网络编码，当网络编码单元全部端口被占用后，控制竞争光分组从OPS交换矩阵的环形反馈共享缓存扩展输出端口进入环形反馈共享缓存部分的子交换矩阵交换到FDL缓存组中进行缓存，控制在FDL缓存组中缓存之后的光分组从环形反馈共享缓存部分中子交换矩阵的扩展输出端口进入OPS交换矩阵的环形反馈共享缓存扩展输出端口，经过OPS交换矩阵交换到OPS基本输出端口，输出到光纤线路。

所述网络编码模块包括多个基本网络编码单元，一个基本网络编码单元包括4个分光器、3个光异或门、9个标量乘法单元、1个光复用器和N个光开关，光分组经过分光器分光后通过标量乘法单元倍乘一个系数，经过光异或门进行网络编码，其中，经过标量乘法单元倍乘的系数要使竞争光分组在3个光异或门中编码之后形成的3个编码分组之间不存在线性关系。编码之后的分组可以通过分光器和光开关选择原来想要输出的端口，输出到光纤线路上。因此，一个基本网络编码单元最优采用包括4个分光器、3个光异或门、9个标量乘法单元、1个光复用器和N个光开关。FDL环形反馈共享缓存模块包括4个子交换矩阵和4个FDL缓存组，每个子交换矩阵的基本输出端口连接对应的FDL缓存组的基本输入端口，FDL缓存组的基本输出端口连接下一级子交换矩阵的基本输入端口，依次连接，构成环形反馈共享缓存部分，并且，每个子交换矩阵的扩展输出端口与一个OPS交换矩阵的环形反馈共享缓存扩展输入端口相连接，每个子交换矩阵的扩展输入端口与一个OPS交换矩阵的环形反馈共享缓存扩展输出端口相连接。当网络编码模块不能解决竞争冲突时，竞争失败分组将通过OPS中的环形反馈共享缓存扩展输出端口进入子交换矩阵的扩展输入端口，根据最小缓存长度级联控制方法选择合适的缓存长度或者缓存级联长度进行缓存。

本发明还提出一种基于网络编码和FDL环形反馈共享缓存的方法，包括步骤：

步骤1：当同时有多个光分组到达，如果这些光分组之间没有端口竞争，全部光分组直接从OPS交换矩阵的基本输出端口输出到光纤线路，如果光分组之间有端口竞争，执行步骤2；

步骤2:如果网络编码单元有空闲，执行步骤3，如果网络编码单元没有空闲，执行步骤4；

步骤3：将竞争同一输出端口的竞争失败光分组通过OPS交换矩阵的网络编码扩展输出端口送入网络编码模块的一个基本网络编码单元中，通过分光器送入标量乘法单元倍乘一个系数，再与其他同一波长的竞争失败光分组进行全光异或网络编码，编码后的分组经过光开关选择原来竞争的输出端口，最后输出到光纤线路；

步骤4：将竞争失败的光分组通过OPS交换矩阵的环形反馈共享缓存扩展输出端口送入FDL缓存组，根据最小缓存长度级联控制方法缓存一个缓存周期后，如果有空闲的基本输出端口，将竞争失败的光分组直接输出到光纤线路，如果没有空闲的基本输出端口，转步骤5；

步骤5：继续缓存光分组，在预定缓存周期(按照惯例，反馈共享缓存设定最大反馈缓存次数最好为3)之后是否有空闲的基本输出端口，如果有，输出竞争失败的光分组到光纤线路，如果没有，丢弃该光分组。

其中，所述最小缓存长度级联控制方法具体包括，当竞争失败的光分组需要的缓存时间小于一个缓存组的最大缓存长度时，判断是否可选择第一级最短FDL进行缓存，如果此FDL不空闲，判断下一级同一长度的FDL是否空闲，依次类推，直到所有缓存组中不存在可以缓存该分组的空闲FDL，就丢弃分组；当缓存时间大于一个缓存组的最大缓存长度，判断相邻的缓存组中是否存在空闲的最小FDL缓存长度组合，如果有就缓存光分组，否则丢弃光分组。

FDL环形反馈共享缓存模块将多个FDL缓存组和FDL交换子矩阵依次连接形成环状，FDL光纤缓存组采用简并式缓存，每个FDL缓存组的基本输出端口连接一个子交换矩阵的基本输入端口，子交换矩阵的基本输出端口连接下一级FDL缓存组的基本输入端口，依次连接形成FDL环形反馈共享缓存模块；OPS交换矩阵的环形反馈缓存扩展输出端口分别连接子交换矩阵的扩展输入端口，子交换矩阵的扩展输出端口分别连接OPS交换矩阵的环形反馈缓存扩展输入端口；

本发明所设计的缓存结构同一时刻可以解决4个分组同时竞争一个端口的情况，其中4个竞争分组一个由OPS交换矩阵基本输出端口输出，其他3个通过网络编码模块进行网络编码输出。由于高于4个分组同时竞争一个输出端口的概率极低，因此本发明足以应对多个分组同时竞争的情况。本发明用于竞争解决的两个关键部分为网络编码单元部分和环形反馈共享缓存部分，当多个分组同时发生竞争冲突时，将竞争分组通过OPS交换矩阵网络编码扩展输出端口进入网络编码模块，可以直接应用网络编码解决竞争，不需要任何光缓存。当网络编码模块不能完全解决竞争时，将会把其他的竞争分组由OPS交换矩阵环形缓存扩展输出端口输出至FDL环形反馈共享缓存模块，选择合适的缓存延迟，从而解决光分组竞争。

针对本结构中的FDL环形反馈共享缓存模块，考虑到灵活性和时延等问题，本发明的FDL环形反馈共享缓存采用最小缓存长度级联方法进行缓存。最小缓存长度级联方法以选择最小的延迟时间为基本要求，可以灵活选择FDL缓存组和每个缓存组中的每一个缓存长度。允许前一级FDL缓存组和下一级FDL缓存组所用的FDL缓存长度不相等，但要求前一级FDL缓存组选择的缓存长度要大于或等于下一级缓存组选择的缓存长度，如果前一级选择缓存长度为3D，那么后一级缓存组可以选择缓存长度为3D、2D或者1D。当所需要缓存的分组时间小于MD时，不需要优先考虑同一个缓存组的所有缓存长度，而是所有缓存组中的所有缓存长度都可以被选择。当所需要的缓存时间大于或等于MD时，可以灵活的选择各个缓存组中的所有缓存长度的组合，选取一个最适合缓存的最小缓存长度组合令缓存时延最小。

对于FDL缓存中光纤延迟线体积大、光纤延迟线利用率不高和缓存时延离散等情况，本发明利用网络编码将冲突分组同时输出，可以同时解决多个分组竞争的情况，并且在解决竞争时不会引入额外的光缓存时延。结构中环形反馈共享缓存部分允许冲突光分组通过子交换矩阵中的扩展输入/输出端口进入和离开FDL缓存组，反馈共享缓存允许光分组在缓存组中可以多次缓存，能够将缓存成功概率提高并且提高FDL的利用率，并且在高负载情况下，可以加大缓存容量，避免在缓存容量不够的情况下大量丢弃分组。因此，本发明的结构可以有效的解决OPS中光分组竞争问题。同时能减小交换节点需要的FDL缓存数量，充分提高光纤延迟线的利用率。与此同时，本发明将网络编码模块引入，可以大幅度的降低光分组丢包率和极大地减小竞争解决所需要的缓存时延。

附图说明

图1 OPS中用于竞争解决的网络编码和FDL环形反馈共享缓存节点结构示意图；

图2网络编码模块的一个基本网络编码单元结构图；

图3 FDL缓存组中最小缓存长度级联控制方法。

图1中：SMU：标量乘法单元；分光器；光异或门。

具体实施方式

下面结合附图对本发明节点结构作深入的说明。

图1所示为OPS中用于竞争解决的网络编码和FDL环形反馈共享缓存节点结构示意图，包括控制模块、OPS交换矩阵、网络编码模块和FDL环形反馈共享缓存模块。(图中FDL环形反馈共享缓存模块由4个子交换矩阵和4个FDL缓存组级联举例说明，也可以是多个子交换矩阵和FDL缓存组级联成环形)，OPS交换矩阵中的网络编码扩展输出端口连接网络编码模块的分光器，OPS交换矩阵环形反馈共享缓存扩展输出端口连接子交换矩阵的扩展输入端口，子交换矩阵的扩展输出端口连接OPS交换矩阵中的环形反馈共享缓存扩展输入端口，这样构成一个整体的部分。

控制模块负责处理分组头和发布指令，根据控制策略控制光分组净荷的交换；OPS交换矩阵包括N个基本输入/输出端口(N为一个交换机配线架的输入端口数目)、3个网络编码扩展输出端口和4个环形反馈共享缓存扩展输入/输出端口。其中，网络编码扩展输出端口数可以根据交换机配置多少个基本网络编码单元所决定，网络编码扩展输出端口数等于配置的基本网络编码单元数的3倍，本实施例以交换机仅使用一个基本网络编码单元，网络编码扩展输出端口将竞争分组输出到网络编码模块的分光器中进行分光，而环形反馈共享缓存扩展输入/输出端口数设置为4个，可以根据网络负载及交换机的需求配置多个环形反馈共享缓存扩展输入/输出端口，但是需要保证环形反馈共享缓存扩展输入/输出端口数等于环形缓存部分的子交换矩阵个数，同时也等于FDL缓存组的个数。环形反馈共享缓存扩展输入/输出端口用于连接环形反馈共享缓存的子交换矩阵，实现灵活的缓存。

一个网络编码模块根据交换机规模和业务负载情况配置多个基本网络编码单元，我们这里以配置一个基本网络单元为例说明。网络编码模块的一个基本网络编码单元包括4个分光器、9个标量乘法单元、3个异或门、一个光复用器和N个光开关。这样的一个结构可以同时解决3个分组同时竞争失败的情况。

由于4个以上光分组同时竞争一个波长的概率很小，所以考虑基于网络编码和FDL环形反馈共享缓存的装置能最多同时解决4个光分组之间存在的竞争，而4个竞争光分组可以有一个竞争光分组在OPS交换矩阵的基本输出端口直接输出，剩余的3个光分组就通过OPS交换矩阵的网络编码扩展输出端口输出到3个分光器中。3个竞争分组分别通过OPS交换矩阵网络编码扩展输出端口输出到3个分光器，通过分光之后，每个分组复制为3份，然后通过标量乘法单元，为每份分组倍乘一个系数(当没有分组复制到达标量乘法单元时，系数可设置为0，由此可以选择需要编码的分组个数)，最后来自于不同分光器的3个不同分组信息分别在异或门中进行网络编码，编码之后产生的编码分组可以通过一个分光器和N个光开关在N个输出端口中选择原来要输出的输出端口。网络编码模块能同时解决多个分组竞争的情况，并且不需要缓存时延。

当网络编码单元不能完全解决竞争冲突时，需要利用FDL环形反馈共享缓存模块提供需要的缓存。冲突光分组可以选择任意的1个子交换矩阵的扩展输入端口进入FDL缓存组中进行缓存，并且可以多次利用FDL环形反馈共享缓存，光分组进入和离开FDL环形反馈共享缓存很灵活，并且在缓存时选择缓存时延也很灵活，对于降低丢包率和减小时延有作用，同时用较少的FDL可以提供大的缓存容量，提高了光纤延迟线的利用率。

图2所示为网络编码模块的一个基本网络编码单元结构示意图。

一个基本网络编码单元由4个分光器和3个异或门、9个标量乘法单元、1个光复用器和N个光开关构成。OPS交换矩阵连接3个分光器，每个分光器连接3个标量乘法单元，不同分光器的每3个标量乘法单元连接到1个异或门中，3个异或门连接到一个光复用器，光复用器连接到一个分光器，分光器连接了N个光开关，每个光开关分别连接到一个OPS交换矩阵基本输出端口。

这样的一个结构可以实现最多3个光分组的网络编码。在图1中仅配置了1个基本网络编码单元，可以根据网络负载以及对时延是否敏感等配置多个基本网络编码单元。如果网络负载很大，可以多配置几个基本网络编码单元，还有如果业务对时延敏感，也可以多配置几个基本网络编码单元。但是根据实验仿真结果证明，在不论是在负载很大还是负载较小的情况下，当配置4个或4个以上基本网络编码单元时，丢包率性能和平均时延性能都基本保持稳定。说明不管是负载大还是小的前提下，配置4个或者5个基本网络编码单元已经能充分起到网络编码模块的作用。

图3所示为FDL缓存组中最小缓存长度级联控制方法。

为了举例说明，使用4个FDL缓存组。每个缓存组采用简并式配置。缓存深度为M，这样，FDL环形反馈共享缓存可以提供的总缓存长度为4M×(M+1)/2D＝2M×(M+1)×D,为了更好的说明本发明，在下面对控制方法的说明中我们设置M为3。那么，可提供的总缓存长度为24D。

图3中两条虚线分别表示选取的缓存级联长度组合为3D+2D+1D和3D+2D+2D。说明最小缓存长度级联控制方法既可以前后级FDL缓存组选用相同的缓存长度，也可以选用不相等的缓存长度。但是有一个原则就是前一个FDL缓存组选择的缓存长度要大于或者等于后一级FDL缓存组选择的缓存长度。

在环形反馈共享缓存部分中，前一级FDL缓存组的基本输出端口与对应的子交换矩阵的相应基本输入端口相连接，子交换矩阵的基本输出端口与下一级FDL缓存组的基本输入端口相连接。依次连接形成环状。本发明在环形反馈共享缓存中使用最小缓存长度级联控制方法。后文将会具体说明最小缓存长度级联控制方法。

本发明工作控制过程如下：

步骤1：同时到达多个光分组，判断这些光分组之间是否发生端口竞争，如果这些分组之间不存在端口竞争，那么全部分组直接从OPS交换矩阵的基本输出端口输出到光纤线路上；如果分组之间发生竞争冲突，那么转步骤2；

步骤2:判断网络编码模块的网络编码单元是否还有空闲，如果网络编码单元还有空闲，执行步骤3；如果网络编码单元没有空闲，执行步骤4；

步骤3：将竞争同一输出端口的竞争失败分组通过OPS交换矩阵的网络编码扩展输出端口送入网络编码模块的一个基本网络编码单元中，分别进行分光，经过标量乘法单元倍乘一个系数，再与其他同一波长的竞争失败分组进行全光异或网络编码，编码后分组通过光开关选择原来要输出的基本输出端口，最后输出到光纤线路上。

步骤4：将竞争失败的分组通过OPS交换矩阵的环形反馈共享缓存扩展输出端口进入FDL缓存组。根据最小缓存长度级联控制方法选择缓存时间，缓存一个缓存周期后，判断是否有空闲的基本输出端口。如果有空闲的基本输出端口，将光分组直接输出；如果没有空闲的基本输出端口，转步骤5。

步骤5：继续缓存光分组，判断在3个缓存周期之后是否成功输出光分组，倘若依然没有成功输出，丢弃光分组。

最小缓存长度级联控制方法具体包括，当竞争失败的光分组需要的缓存时间小于一个缓存组的最大缓存长度时，判断是否可选择第一级最短FDL进行缓存，如果此FDL不是空闲，判断下一级同一长度的FDL是否空闲，依次类推，直到所有缓存组中不存在可以缓存该分组的空闲FDL，就丢弃分组；当缓存时间大于一个缓存组的最大缓存长度，判断相邻的缓存组中是否存在空闲的最小FDL缓存长度组合，如果有就缓存光分组，否则丢弃光分组。

本结构中共有4个子交换矩阵和4个FDL缓存组，子交换矩阵分别表示为a、b、c、d,FDL缓存组分别表示为缓存组A、B、C、D，每个缓存组中的光纤延迟线采用简并式配置，缓存深度设置为3，这样可选择的缓存大小从1D到12D，最小缓存长度级联控制方法的具体控制过程如下：

Step1：对于一个新到达环形缓存部分的光分组，判断光分组长度是否小于或等于缓存粒度1D，如果小于或者等于1D，判断缓存组A中1D大小的缓存线是否空闲，如果空闲，将该光分组交换到缓存组A中1D的光纤延迟线中；如果已经被占用，则判断B中1D大小的缓存线是否空闲；依次类推，倘若4组缓存线中1D大小的延迟线全都已经被占用，那么判断A中缓存粒度为2D的光纤延迟线是否空闲，与判断长度为1D延迟线操作类似，依次判断，倘若长度为2D的FDL也全部被占用，就判断缓存长度为3D的光纤延迟线是否被占用，倘若全部都被占用，就丢弃分组。

Step2：判断一个新到达的光分组长度是否小于或等于2D，如果小于或等于2D，与Step1类似，依次判断FDL缓存组中缓存长度为2D的FDL是否有空闲，如果有空闲，就选择相应延迟线；如果没有空闲，就依次判断4个缓存组中缓存长度为3D的FDL是否有空闲；如果存在空闲FDL，那么将分组交换到空闲的FDL中；如果不存在空闲FDL，就把光分组丢弃。

Step3：判断一个新到达的光分组长度是否小于或等于3D，如果小于或等于3D，依次判断4个缓存组中缓存长度为3D的FDL是否有空闲，如果存在空闲，将光分组交换到空闲FDL中；如果不存在空闲，就丢弃光分组。

Step4：判断新到达的光分组长度是否小于等于4D，如果小于或者等于4D，判断缓存组中，是否有两个相邻缓存组中的2D缓存长度FDL都是空闲或者3个相邻缓存组缓存长度分别为2D、1D、1D的FDL都空闲，如果存在这样的缓存长度组合，通过级联缓存光分组；如果不存在这样的级联组合，那么丢弃分组。由此之后的5D-12D分组长度的光分组，都是按照前一级缓存组中缓存长度大于或等于后一级缓存组缓存长度的原则，将多个相邻的缓存组中空闲的缓存长度级联来提供缓存。其中，级联成5D需要的FDL缓存组可用的缓存长度组合有：3D+2D；3D+1D+1D；2D+2D+1D；2D+1D+1D+1D；级联成6D需要的FDL缓存组可选的缓存长度组合为：3D+3D；2D+2D+2D；3D+2D+1D；2D+2D+1D+1D；级联成7D需要的FDL缓存组可选的缓存长度组合为：3D+3D+1D；3D+2D+2D；3D+2D+1D+1D；2D+2D+2D+1D；级联成8D需要的FDL缓存组可选缓存长度组合有：3D+3D+2D；3D+3D+1D+1D；2D+2D+2D+2D；3D+2D+2D+1D；级联成9D需要的FDL缓存组可选缓存长度组合有：3D+3D+3D；3D+3D+2D+1D；3D+2D+2D+2D；级联成10D需要的FDL缓存组可选缓存长度组合有：3D+3D+3D+2D；级联成11D需要的FDL缓存组缓存长度组合有：3D+3D+3D+2D；级联成12D需要的FDL缓存组缓存长度组合为：3D+3D+3D+3D。根据光分组长度选择最小的缓存时延，判断合适的缓存级联组合中FDL是否空闲，如果合适的缓存级联FDL空闲，就将光分组交换到FDL中进行缓存，如果没有合适的空闲FDL，就丢弃分组。

Step5：经过缓存一个缓存周期之后的光分组，判断输出端口是否空闲，如果输出端口空闲，将分组输出；如果端口依然被占用，就继续缓存分组。当缓存3个缓存周期之后，光分组如果仍然没有成功输出，就将分组丢弃。

实验仿真结果表明，只需要配置少量的网络编码基本单元就可以取得很好的竞争解决效果。因此，本发明实施例以只配置一个网络编码基本单元为例进行说明，在应用中可以根据具体情况配置多个网络编码基本单元。本发明有3个网络编码扩展输出端口和4个环形反馈缓存扩展输入端口和4个环形反馈缓存扩展输出端口。3个网络编码扩展输出端口直接连接到网络编码模块的分光器。OPS交换矩阵环形反馈缓存扩展输出端口中的每个扩展输出端口与1个子交换矩阵的扩展输入端口相连接。FDL环形反馈缓存部分中每个FDL缓存组的缓存深度为M。缓存组FDL采用简并式配置，每个缓存组的缓存长度分别为1D、2D、……、MD，(D为单位FDL延迟线的延迟时间)。1个子交换矩阵包含M个基本输入和基本输出端口，1个扩展输入端口和1个扩展输出端口，扩展输出端口与OPS交换矩阵的扩展输入端口相连，子交换矩阵的基本输出端口与对应的FDL缓存组的基本输入端口连接，FDL缓存组的M个缓存长度的基本输出端口与下一个子交换矩阵的M个基本输入端口依次相连，形成环状的反馈共享缓存结构。

本结构通过结合网络编码和FDL环形共享反馈缓存的优点，对于多个分组同时竞争的情况可以同时解决。还能有效降低分组丢包率，明显减小所需平均缓存时延，并且能增大缓存容量提高FDL的利用率。

Claims (8)

1.基于网络编码和FDL环形反馈共享缓存的装置，其特征在于，该装置包括：控制模块、OPS交换矩阵、网络编码模块和FDL环形反馈共享缓存模块，控制模块根据调度策略控制无冲突的光分组通过OPS交换矩阵基本输出端口输出，控制竞争光分组从OPS交换矩阵中的网络编码扩展输出端口进入网络编码模块进行网络编码，当网络编码单元全部被占用后，控制竞争光分组从OPS交换矩阵的环形反馈共享缓存扩展输出端口进入环形反馈共享缓存模块的子交换矩阵交换到FDL缓存组中进行缓存，控制FDL缓存组中的光分组从环形反馈共享缓存模块中子交换矩阵的扩展输出端口进入OPS交换矩阵的环形反馈共享缓存扩展输入端口，经过OPS交换矩阵交换到OPS基本输出端口，输出到光纤线路。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述网络编码模块包括多个基本网络编码单元，一个基本网络编码单元包括4个分光器、3个光异或门、9个标量乘法单元、一个光复用器和N个光开关，光分组经过分光器分光后通过标量乘法单元倍乘一个系数，经过光异或门进行网络编码，其中，倍乘系数要使竞争光分组编码之后产生的编码分组之间不存在线性关系，编码之后的光分组通过光复用器，复用之后在光开关中选择基本输出端口，输出到光纤链路。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，FDL环形反馈共享缓存模块包括4个子交换矩阵和4个FDL缓存组，每个子交换矩阵的基本输出端口连接对应的FDL缓存组的基本输入端口，FDL缓存组的基本输出端口连接下一级子交换矩阵的基本输入端口，依次连接，构成环形反馈共享缓存模块。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，当网络编码模块不能解决竞争冲突时，竞争失败分组将通过OPS中的环形反馈共享缓存扩展输出端口进入子交换矩阵的扩展输入端口，根据最小缓存长度级联控制方法选择合适的缓存长度或者缓存级联长度进行缓存。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，最小缓存长度级联控制包括：当竞争失败的光分组需要的缓存时间小于一个缓存组的最大缓存长度时，判断是否可选择第一级最短FDL进行缓存，如果此FDL不空闲，判断下一级同一长度的FDL是否空闲，依次类推，直到所有缓存组中不存在可以缓存该分组的空闲FDL，就丢弃分组；当缓存时间大于一个缓存组的最大缓存长度，判断相邻的缓存组中是否存在空闲的最小FDL缓存长度组合，如果有就缓存光分组，否则丢弃光分组。

6.基于网络编码和FDL环形反馈共享缓存的方法，其特征在于，该方法包括步骤：

步骤1：当同时有多个光分组到达，如果光分组之间没有端口竞争，全部光分组直接从OPS交换矩阵的基本输出端口输出到光纤线路，如果光分组之间有端口竞争，执行步骤2；

步骤2: 判断网络编码单元是否空闲，如果网络编码单元有空闲，执行步骤3，如果网络编码单元没有空闲，执行步骤4；

步骤3：将竞争失败光分组通过OPS交换矩阵的网络编码扩展输出端口送入网络编码模块的一个基本网络编码单元中，通过分光器送入标量乘法单元倍乘一个系数，再与其他同一波长的竞争失败光分组进行全光异或网络编码，编码之后的分组通过一个光复用器，经过分光器通过N个光开关选择原来竞争的基本输出端口，输出到光纤线路；

步骤4：将竞争失败的光分组通过OPS交换矩阵的环形反馈共享缓存扩展输出端口送入FDL缓存组，根据最小缓存长度级联控制方法缓存一个缓存周期后，如果有空闲的基本输出端口，将竞争失败的光分组直接输出到光纤线路，如果没有空闲的基本输出端口，执行步骤5；

步骤5：继续缓存光分组，在预定缓存周期之后是否有空闲的基本输出端口，如果有，输出竞争失败的光分组到光纤线路，如果没有，丢弃该光分组。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤4中所述最小缓存长度级联控制方法具体包括，当竞争失败的光分组需要的缓存时间小于一个FDL缓存组的最大缓存长度时，判断是否可选择第一级最短FDL缓存组进行缓存，如果此FDL缓存组所有的FDL都不可用，判断下一级同一长度的FDL缓存组是否空闲，依次类推，直到所有FDL缓存组中不存在可以缓存该分组的空闲FDL缓存组，就丢弃分组；当缓存时间大于一个缓存组的最大缓存长度，判断相邻的FDL缓存组中是否存在空闲的最小FDL缓存长度组合，如果有就缓存光分组，否则丢弃光分组。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，前一级FDL缓存组选择的缓存长度要大于或等于下一级缓存组选择的缓存长度。