CN104486212B - 三维片上光网络拓扑及路由路径计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三维片上光网络拓扑及路由路径计算方法，所述三维片上光网络拓扑包括：N个光路由层，每一所述光路由层包括N行×N列个光路由器，每一所述光路由器与一个IP核相连，至少一个光路由层的每一所述光路由器与一个纵向光路由器相连，其中，所述N为大于等于3的自然数。每一所述光路由器与相邻的光路由器相连，每行或每列的第一个光路由器还与所述行或所述列的最后一个光路由器相连，每一所述纵向光路由器与另外两个光路由层内对应位置的光路由器相连，由此，降低了芯片资源消耗，缩减了最大芯片面积。

Description

三维片上光网络拓扑及路由路径计算方法

技术领域：

本发明涉及通信技术，尤其涉及一种三维片上光网络拓扑及路由路径计算方法。

背景技术：

90年代中期，集成电路开始向集成系统转化，片上系统应运而生。片上系统将各种类型集成电路集成到单一芯片内，使得系统级产品变得轻便。但随着CMOS技术的快速发展，亟需设计一种新架构，通过将各种类型集成电路从共享总线通道中解耦的方式，缓解片上系统的通信压力。片上网络是将计算机网络技术植入芯片设计中，从根本上解决了上述基于共享总线的片上系统通信问题。但随着单一芯片内IP核数量的不断增多，片上网络的高能耗及有限的分组消息转发速率都已成为改善片上网络性能的瓶颈。由于片上光网络具有比特透明性，且所采用的光波导具有更高的带宽供给，从而成它为了当前最有效的片上通信方案。

拓扑设计是片上光网络的首要问题。当前已有大量二维片上光网络拓扑出现，如网格网和胖树网等，但随着单一芯片内IP核数量的不断增多，二维片上光网络中的核间通信(波长)冲突将变得越加严重，会导致较低的片上吞吐率，为此三维片上光网络提出应用，三维片上光网络一旦在某一芯片内发生通信冲突，可将相关分组消息从该层芯片转发到其他层芯片中，从而避免上述冲突。

现有技术三维片上光网络采用的是网络拓扑结构，存在零负载传输延迟较大的问题，另外，当前的三维片上网络多采用同构光路由器，且各个光路由器内部的元件部署较为冗余，从而导致如光交叉开关等芯片资源严重浪费。

针对三维片上网络路由算法，维序路由被广泛采用，然而该路由算法只能为每个分组消息计算出一条宏观的光路径，而光路径所经各节点内部的微观分组消息转发路径是无法被计算的。

发明内容：

本发明提供一种三维片上光网络及路由方法，降低了芯片资源消耗，缩减了最大芯片面积，同时能为分组消息计算出完整的片上分组消息转发路径。

一方面，本发明提供一种三维片上光网络拓扑，包括：

N个光路由层，每一所述光路由层包括N行×N列个光路由器，每一所述光路由器与一个IP核相连，至少一个光路由层的每一所述光路由器与一个纵向光路由器相连；

其中，所述N为大于等于3的自然数。

可选地，每一所述光路由层为回环拓扑结构，每一所述光路由层内的光路由器的连接为：

每一所述光路由器与相邻的光路由器相连，每行或每列的第一个光路由器还与所述行或所述列的最后一个光路由器相连；

每一所述光路由层间的纵向光路由器的连接为：

每一所述纵向光路由器与另外两个光路由层内对应位置的光路由器相连。

另一方面，本发明提供一种基于上述三维片上光网络拓扑的路由路径计算方法方法，包括：

第一光路由器接收分组消息，所述分组消息中携带有目的光路由器标识；

所述第一光路由器根据所述目的光路由器标识，确定将所述分组消息转发至所述目的光路由器的第一最短路径；

设计经过所述第一最短路径内每一所述光路由器的有向图模型，根据每一所述光路由器的有向图模型，得到每一所述光路由器内部所述分组消息转发的第二最短路径；

记录每一所述光路由器内部所述分组消息转发的第二最短路径，得到将所述分组消息转发至所述目的光路由器的完整路径。

可选地，所述设计经过所述第一最短路径内每一所述光路由器的有向图模型，包括：

层内光路由器有向图模型设计和纵向光路由器有向图模型。

可选地，所述层内光路由器有向图模型设计，包括：

根据所述层内光路由器的端口数量，确定所述层内光路由器内光交换单元的数量；

分别建立所述层内光路由器的光交换单元级别的有向图模型和光交叉单元级别的有向图模型，完成所述层内光路由器有向图模型设计。

可选地，所述纵向光路由器有向图模型设计，包括：

根据所述纵向光路由器的端口数量，确定所述纵向光路由器内光交换单元的数量；

建立所述纵向光路由器的光交换单元级别的有向图模型，完成所述纵向光路由器有向图模型设计。

可选地，根据每一所述光路由器的有向图模型，得到每一所述光路由器内部所述分组消息转发的第二最短路径，具体为：

根据每一所述光路由器的输入端和输出端，确定每一所述光路由器内部所述分组消息转发时所经过的光交换单元；

根据每一所述光交换单元内部的有向图模型，确定所述光路由器内部所述分组消息转发的第二最短路径。

由上述技术方案可知，本发明的三维片上光网络拓扑及路由路径计算方法，所述三维片上光网络拓扑包括：N个光路由层，每一所述光路由层包括N行×N列个光路由器，每一所述光路由器与一个IP核相连，至少一个光路由层的每一所述光路由器与一个纵向光路由器相连，其中，所述N为大于等于3的自然数。每一所述光路由器与相邻的光路由器相连，每行或每列的第一个光路由器还与所述行或所述列的最后一个光路由器相连，每一所述纵向光路由器与另外两个光路由层内对应位置的光路由器相连，由此，降低了芯片资源消耗，缩减了最大芯片面积。

附图说明：

图1为本发明第一实施例提供的三维片上光网络拓扑结构示意图；

图2为本发明第二实施例提供的本发明与传统技术方法最大芯片面积对比图；

图3为本发明第二实施例提供的三维片上光网络拓扑的路由路径计算方法流程示意图；

图4为本发明第二实施例提供的层内光路由器结构示意图；

图5(a)-图5(d)为本发明第二实施例提供的层内光路由器有向图模型示意图；

图6为本发明第二实施例提供的纵向光路由器结构示意图；

图7为本发明第二实施例提供的纵向光路由器有向图模型示意图；

图8为本发明第二实施例提供的分组消息信噪比与考虑温度波长漂移后的分组消息信噪比对比图。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本实施例的三维片上光网络拓扑，可包括：N个光路由层，每一所述光路由层包括N行×N列个光路由器，每一所述光路由器与一个IP核相连，至少一个光路由层的每一所述光路由器还与一个纵向光路由器相连；

其中，所述N为大于等于3的自然数。

进一步地，每一所述光路由层为回环拓扑结构，每一所述光路由层内的光路由器的连接为：

每一所述光路由器与相邻的光路由器相连，每行或每列的第一个光路由器还与所述行或所述列的最后一个光路由器相连；

每一所述光路由层间的纵向光路由器的连接为：

每一所述纵向光路由器与另外两个光路由层内对应位置的光路由器相连。

图1示出了本发明第一实施例提供的三维片上光网络拓扑结构示意图，如图1所示，本实施例提供的三维片上光网络拓扑结构的规模为3×3×3，其中包括3个路由器层，每一所述路由器层包括3行×3列个光路由器11，即为一个标准的二维回环拓扑结构，每行每列均部署3个层内光路由器11，可以实现层内分组消息转发。每一层内光路由器11均与一个IP核13相连，分组消息将在IP核13中产生。对于层间分组消息转发，第二个光路由层还额外部署一个纵向路由器12，以实现分组消息在该路由层与相邻路由层之间进行消息转发。另外，每一相邻光路由器之间通过部署一条支持双向分组消息转发的光波导14。

从图1中可以看出，在每一光路由层内，每一所述光路由器与相邻光路由器相连，每行或每列的第一个光路由器与所述行或所述列的最后一个光路由器相连，每一所述纵向光路由器与另外两个光路由层内对应位置的光路由器相连。

图2示出了本发明第二实施例提供的本发明与传统技术方法最大芯片面积对比图，如图2所示，每一层内光路由器的长边共包含7个微环谐振器，同时这7个微环谐振器共产生3个单位的微环谐振器间隔长度；每一层内光路由器的短边包含5个微环谐振器，同时这5个微环谐振器共产生2个单位的微环谐振器间隔长度；因此，因此每一层内光路由器的长边长度和短边长度分别为：D_a＝7d+3l、D_a＝5d+2l。其中，d为每个微环谐振器的直径，l为1个单位的微环谐振器间隔长度。因此，对于每行和每列分别部署R_max和C_max个层内光路由器的的三维片上光网络拓扑，其拓扑长度分别为：

a＝[R_max·(7d+3l)+(R_max-1)·E]

b＝[C_max·(5d+2l)+(C_max-1)·E]

其中，E为每对光路由器之间所部署的光波导长度。

通过将本实施例的三维片上光网络层内的光路由器与传统光路由器相应的最大芯片面积进行比较，结果表明本发明所提出的拓扑与光路由器结构相应的最大芯片面积小于传统拓扑与光路由器的最大芯片面积，进而说明本发明所提出的拓扑网络与光路由器结构的合理性和优越性，具有降低芯片资源开销的优点。

图3示出了发明第二实施例提供的三维片上光网络拓扑的路由路径计算方法流程示意图，如图3所示，本实施例的三维片上光网络拓扑的路由路径计算方法如下所述。

301、第一光路由器接收分组消息，所述分组消息中携带有目的光路由器标识。

302、所述第一光路由器根据所述目的光路由器标识，确定将所述分组消息转发至所述目的光路由器的第一最短路径。

303、设计经过所述第一最短路径内每一所述光路由器的有向图模型，根据每一所述光路由器的有向图模型，得到每一所述光路由器内部所述分组消息转发的第二最短路径。

本步骤中，设计所述第一最短路径内每一光路由器的有向图模型包括：层内光路由器有向图模型设计和纵向光路由器有向图模型；

其中，所述层内光路由器有向图模型设计，包括：

根据所述层内光路由器的端口数量，确定所述层内光路由器内光交换单元的数量；

分别建立所述层内光路由器的光交换单元级别的有向图模型和光交叉单元级别的有向图模型，完成所述层内光路由器有向图模型设计。

所述纵向光路由器有向图模型设计，包括：

根据所述纵向光路由器的端口数量，确定所述纵向光路由器内光交换单元的数量；

建立所述纵向光路由器的光交换单元级别的有向图模型，完成所述纵向光路由器有向图模型设计。

图4示出了本发明第二实施例提供的层内光路由器结构示意图，如图4所示，每一层内路由器具有五个端口，分别为：位于X轴的‘东’、‘西’向端口，位于Y轴的‘南’、‘北’向端口以及位于Z轴的‘垂直’向端口，上述端口均支持双向分组消息转发，即每种类型端口均含有一个输入端(-)和输出端(+)。标记①为指定的微环谐振器，每个微环谐振器是一个具有特定谐振波长的环形腔，当分组消息波长与微环谐振器谐波波长相等时，微环谐振器处于打开状态，分组消息由X轴方向转向Y轴方向，用以改变分组消息的转发方向，当分组消息波长与微环谐振器谐波波长不相等时，微环谐振器处于关闭状态，分组消息的转发方向不会发生任何改变。

图5(a)-图5(d)示出了本发明第二实施例提供的层内光路由器有向图模型示意图，如图5(a)所示，根据图4中的层内光路由器端口数量，确定所述层内光路由器内光交换单元的数量为3，即包含3个光交换单元，如图5(a)中层内光路由器内部的小方块A、B、C，分别为S_NW、S_NE、S_SW。

图5(b)示出了本发明第二实施例提供的层内光路由器内光交换单元S_NW的有向图模型示意图，如图5(b)所示，S_NW具有四个2×2光交叉开关，如图中光交换单元内部的小方块，数字表示分别为50、51、52、53，字母表示分别为S_NW1、S_NW2、S_NW3、S_NW4，每个2×2光交叉开关具有两个微环谐振器。

图5(c)示出了本发明第二实施例提供的层内光路由器内光交换单元S_NE的有向图模型示意图，如图5(c)所示，S_NE具有两个1×2光交叉开关以及两个2×2光交叉开关，如图中光交换单元内部的小方块，数字表示分别为54、55、56、57，字母表示分别为S_NE1、S_NE2、S_NE3、S_NE4，每个1×2光交叉开关具有一个微环谐振器。

图5(d)示出了本发明第二实施例提供的层内光路由器内光交换单元S_SW的有向图模型示意图，如图5(d)所示，S_SW具有两个1×2光交叉开关，如图中光交换单元内部的小方块，数字表示为58、59，字母表示为S_SW1、S_SW2。

图6示出了本发明第二实施例提供的纵向光路由器结构示意图，如图6所示，每一纵向光路由器有三个端口，分别为为：位于Z轴的‘上’、‘下’向端口，以及与相邻光路由器层内的层内光路由器垂直向连接的‘中间’端口。上述端口均支持双向分组消息转发，即每种类型端口均含有一个输入端(-)和输出端(+)。

图7示出了本发明第二实施例提供的纵向光路由器有向图模型示意图，如图7所示，根据图6中的纵向光路由器端口数量，确定所述纵向光路由器内光交换单元的数量为1，如图7中纵向光路由器内部的小方块，数字表示分别为71、72、73、74，字母表示分别为S_NE、S_SW、S_NW、S_SE。其中，标号①-④为微环谐振器。

304、记录每一所述光路由器内部所述分组消息转发的第二最短路径，得到将所述分组消息转发至所述目的光路由器的完整路径。

本步骤中，根据每一所述光路由器的输入端和输出端，确定每一所述光路由器内部所述分组消息转发所经过的光交换单元；

根据所述光交换单元级别的有向图模型和光交叉单元级别的有向图模型，确定所述光路由器内部所述分组消息转发的第二最短路径。

每一所述光路由器为所述第一光路由器至所述目的光路由器的第一最短路径上的光路由器，所述第一最短路径可分为两种情况，一种为所述第一光路由器与所述目的光路由器位于同一个路由层，另一种为所述第一光路由器与所述目的光路由器位于不同路由层。

当所述第一光路由器与所述目的光路由器位于同一个路由层时，根据图5(a)所示的层内光路由器的有向图模型示意图，确定第二最短路径，举例来说，对于路径IP→(X+(S_NW3))，其中IP表示为图5(a)中的IP核、(X+(S_NW3))表示为图5(a)中的‘西’向端口的输出端。因此在图5(a)中，可以得到该层内光路由器中光交换单元级别的第二最短路径为：

IP→S_NE4→S_NE3→S_NW4→S_NW3。

根据上述光交换单元级别的第二最短路径，找出该层内光路由器中经过所述第二最短路径的光交换单元为：S_NE和S_NW。根据上述层内光路由器内部的有向图模型，也就是光交换单元S_NE和S_NW所对应的有向图模型，可得到光交叉开关级别的第二最短路径为：

其中，表示为所对应光交换单元内部的微环谐振器处于打开状态，表示为所对应光交换单元内部的微环谐振器处于关闭状态。

当所述第一光路由器与所述目的光路由器位于不同路由层时，根据图7所示的纵向光路由器的有向图模型结合图5(a)所示的层内光路由器的有向图模型，确定第二最短路径，对于路径(C-(S_NW))→(U+(S_NW))，其中(C-(S_NW))表示图7中的中间端口输入端、(U+(S_NW))表示图7中‘上’向端口的输出端。因此图7中，可以得到光交换单元级别的第二最短路径为：

其中，表示光交换单元S_NW内部的微环谐振器处于打开状态。

针对所述第一光路由器至所述目的光路由器的完整路径，即第一最短路径，若所述完整路径经过层内光路由器，则根据层内光路由器有向图模型设计，计算出每一层内光路由器的第二最短路径，若所述完整路径经过纵向光路由器，则根据纵向光路由器有向图模型设计，计算出每一纵向光路由器的第二最短路径。进而确定每一光路由器的内部分组消息转发路径，并记录每条分组消息转发路径上微环谐振器的开关状态。

现有路由算法设计的目标是最小化能耗或分组消息传输延迟，但不同其他宏观网络，片上光网络更加关注自身的传输可靠性。这是因为，光路由器内部具有热量分散，可能导致其内部的微环谐振器的谐振波长发生偏移，从而恶化相关分组消息的信噪比。

为验证本发明所提出的路由路径计算方法的有效性，将本发明提出方法的应用于多个多个分组消息，对多个分组消息的信噪比与考虑温度波长漂移后的信噪比大小进行比较；

根据每条分组消息转发路径上微环谐振器的开关状态，分别计算出此分组消息的功率损失和噪声，其中，功率损失的计算公式为：

其中，P_s为分组消息在接收端的实际功率；P_in为分组消息最初的信号功率；num为所述第一最短路径经过的光路由器总数；L_i为分组经过第i个光路由器所产生的功率损失；L_i,i+1为第i个和第(i+1)个光路由器之间所产生的功率损失；L_num为分组消息到达所述目的光路由器时所产生的功率损失。

噪声的计算公式为：

其中，P_C为分组消息最终产生的噪声；cnum为经过层内光路由器的第二最短路径经过的光交叉开关总数；P_C-i为第i个光交叉开关所产生的噪声；P_C-cnum为所经过的最后一个光交叉开关产生的噪声。

最终得到该分组消息的信噪比，其计算公式为：

SNR＝10·log₁₀[P_S/(N_r+P_C)]

其中，N_r为接收端的噪声功率，且N_r＝0.2056×10^-12瓦。

以及考虑温度波长漂移后的信噪比，其计算公式为：

其中，ρ为光电探测响应率；B_r为考虑温度波长漂移后，所述第一最短路径最终接收带值；B为通带带宽，且B＝12.5GHz；R_L为负载阻抗。

图8示出了本发明第二实施例提供的分组消息信噪比与考虑温度波长漂移后的分组消息信噪比对比图，如图8所示，在不同情况下，本发明所提路由计算路径方法所计算的分组消息信噪比总大于考虑温度波长漂移后的分组信噪比，从而再次验证了所提方案的有效性。

本实施例的基于三维片上光网络路由路径计算方法，通过第一光路由器接收分组消息后，生成将所述分组消息转发至所述目的光路由器的第一最短路径，然后设计经过所述第一最短路径内每一光路由器的有向图模型，根据每一所述光路由器的有向图模型，得到每一所述光路由器内部所述分组消息转发的第二最短路径，记录每一所述光路由器内部所述分组消息转发的第二最短路径，可以得到将所述分组消息转发至所述目的光路由器的完整路径，同时也可计算出分组消息相应的信噪比，说明本发明方法的有效性。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (3)

1.一种三维片上光网络拓扑的路由路径计算方法，采用三维片上光网络拓扑，包括：

N个光路由层，每一所述光路由层包括N行×N列个光路由器，每一所述光路由器与一个IP核相连，至少一个光路由层的每一所述光路由器与一个纵向光路由器相连；

其中，所述N为大于等于3的自然数；

每一所述光路由层为回环拓扑结构，每一所述光路由层内的光路由器的连接为：

每一所述光路由器与相邻的光路由器相连，每行或每列的第一个光路由器还与所述行或所述列的最后一个光路由器相连；

每一所述光路由层间的纵向光路由器的连接为：

每一所述纵向光路由器与另外两个光路由层内对应位置的光路由器相连；

其特征在于，包括：

第一光路由器接收分组消息，所述分组消息中携带有目的光路由器标识；

所述第一光路由器根据所述目的光路由器标识，确定将所述分组消息转发至所述目的光路由器的第一最短路径；

设计经过所述第一最短路径内每一所述光路由器的有向图模型，根据每一所述光路由器的有向图模型，得到每一所述光路由器内部所述分组消息转发的第二最短路径；

记录每一所述光路由器内部所述分组消息转发的第二最短路径，得到将所述分组消息转发至所述目的光路由器的完整路径；

其中，所述设计经过所述第一最短路径内每一所述光路由器的有向图模型，包括：

层内光路由器有向图模型设计和纵向光路由器有向图模型；

所述层内光路由器有向图模型设计，包括：

根据所述层内光路由器的端口数量，确定所述层内光路由器内光交换单元的数量；

分别建立所述层内光路由器的光交换单元级别的有向图模型和光交叉单元级别的有向图模型，完成所述层内光路由器有向图模型设计。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纵向光路由器有向图模型设计，包括：

根据所述纵向光路由器的端口数量，确定所述纵向光路由器内光交换单元的数量；

建立所述纵向光路由器的光交换单元级别的有向图模型，完成所述纵向光路由器有向图模型设计。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据每一所述光路由器的有向图模型，得到每一所述光路由器内部所述分组消息转发的第二最短路径，具体为：

根据每一所述光路由器的输入端和输出端，确定每一所述光路由器内部所述分组消息转发所经过的光交换单元；

根据所述光交换单元级别的有向图模型和光交叉单元级别的有向图模型，确定所述光路由器内部所述分组消息转发的第二最短路径。