CN105451103A - 基于波长分配的三维光片上网络路由器通信系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于波长分配的三维光片上网络路由器通信系统及方法，通信系统采用光电混合的3D？Mesh的网络拓扑结构以及可实现多波长通信的新型七端口无阻塞光路由器，应用于三维光片上网络中时不需转换波长。采用的光路由器减少了微环谐振器、波导等光器件的使用数量。通信方法使每一层的节点发出光信号时采用的波长相同，任意层可接收所有波长的光信号，克服了现有光片上网络架构采用单一波长通信，网络阻塞较大、链路利用率较低、扩展性受限的问题。本发明能够降低网络阻塞概率，降低通信时延，提高吞吐量和网络饱和点。

Description

基于波长分配的三维光片上网络路由器通信系统及方法

技术领域

本发明属于通信领域，具体涉及一种基于波长分配的三维光片上网络路由器通信系统及方法，解决现有3DMesh光片上网络使用单一波长通信网络阻塞严重的问题，提高通信效率。

背景技术

随着集成电路制造技术的进步，片上网络出现，它将计算机网络思想应用于芯片设计，使用网络代替原有的全局布线。片上网络构造了全局连线，故而电气特性得到优化并易于掌控。多个通信流共享布线资源能够使资源得到充分利用：当某节点空闲，其他节点可继续使用网络资源。随着集成电路尺寸的进一步缩小和时钟频率的迅速提高，电互连片上网络面临信号限制(如反射和串扰等)、电磁干扰、时钟偏差等问题。光片上网络通过使用光互连技术，能够提供高带宽和低时延，从而解决点互连面临的带宽瓶颈和功耗限制等问题。随着电子设备微型化的推进，处理器需在计算能力强、能耗低等特点的基础上减小面积，但是处理器计算能力的提高将导致处理器面积、能耗及设计复杂度的增加。三维集成技术是一种新兴技术，能够堆叠多个晶片以实现更短的连线，更高的密度和更小的面积。

三维光片上网络将三维集成技术与光片上互连技术结合，同时包含两者的优势，以实现更高性能。三维光片上网络与二维结构相比，芯片内部的物理连线缩短，降低了数据传输的时延和能耗；并且，芯片面积减小，其封装密度可以持续增加，甚至有望超越摩尔定律。但目前缺乏有效的通信方法和路由器支持3DMesh网络使用多种波长进行通信。例如，YaoyaoYe等人在文章“3-DMesh-BasedOpticalNetwork-on-ChipforMultiprocessorSystem-on-Chip”中提出一种基于3DMesh拓扑的光片上网络，将两层光层汇聚到一层上，网络的可扩展性较差。另外，该网络中使用的七端口无阻塞光路由器无法支持网络的多波长通信，网络性能受到限制。基于波长分配的路由方式使用微环谐振器滤波，根据光信号的波长相对应地路由光信号，无需等待和仲裁，由于光传播速度快，因此使用波长路由时，信息传输时延可以很短。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中的缺陷，提供一种基于波长分配的三维光片上网络路由器通信系统及方法，解决使用单一波长通信而导致的网络扩展性有限和时延高等问题。

为了实现上述目的，本发明基于波长分配的三维光片上网络路由器通信系统包括采用相同拓扑结构的光传输网络和电控制网络，拓扑结构包括k·N²个相互连接的节点，式中的k为层数，N²为每层的节点数，k与N为正偶数；光传输网络中的每个节点包括一个调制器、一个解调器、一个光路由器，并且光路由器的注入/注出端口通过光/电接口与电控制网络相连接，电控制网络中的每个IP核和光传输网络中的每个光路由器相对应；建立三维坐标系，确定出所有节点的坐标(x，y，z)，则光传输网络能够传输波长为λ₀，λ₁，…λ_k-1的光信息；

所述的光路由器包括窄带微环谐振器，窄带微环谐振器组以及光波导，窄带微环谐振器和窄带微环谐振器用于实现片上光信号的转向，光波导用于实现片上光信号的传输。

所述的光路由器为七端口光路由器，包括二十四个窄带微环谐振器，两个窄带微环谐振器组以及八根光波导；所述的光波导包括两根S形光波导，一根竖直方向的L形光波导，一根竖直方向的U形光波导和四根弯曲光波导；第一弯曲光波导，第二弯曲光波导和第四弯曲光波导包括两个90度拐点，第三弯曲光波导包括四个90度拐点。

所述的第一弯曲波导分别与第一S形波导和第二S形波导交叉，形成第二十三交叉点和第二十六交叉点；所述的第二弯曲波导与第一S形波导交叉，形成第一交叉点；所述的第一交叉点，第二十三交叉点，第二十六交叉点的一侧各设有一个微环谐振器；

所述的第一弯曲波导和第二弯曲波导分别与第三弯曲波导和第四弯曲波导交叉，形成四个交叉点，且每个交叉点一侧各设有一个微环谐振器；

所述的第一弯曲波导与L形波导交叉，形成第十九交叉点；所述的第二弯曲波导分别与L形波导以及U形波导交叉，形成第二十九交叉点和第四交叉点；所述的第四交叉点，第十九交叉点，第二十九交叉点的一侧各设有一个微环谐振器；

所述的第三弯曲波导和第四弯曲波导分别与第一S形波导和第二S形波导，形成四个交叉点，且每个交叉点一侧各设有一个微环谐振器；

所述的第三弯曲波导和第四弯曲波导分别与L形波导以及U形波导交叉，形成四个交叉点，且每个交叉点一侧各设有一个微环谐振器；

所述的第一S形波导与L形波导交叉，形成第十六交叉点，第二S形波导与L形波导交叉，形成第八交叉点；所述的第八交叉点和第十六交叉点的一侧各设有一个微环谐振器。

所述的第二S形波导被六个拐点分成七段光波导，U形光波导被两个拐点分成三段光波导，其中第二S形波导与U形光波导相平行的光波导段位置，在平行间隔内设有第一窄带微环谐振器组；所述的第一S形波导被六个拐点分成七段光波导，其中第一S形波导与U形光波导相平行的光波导段位置，在平行间隔内设有第二窄带微环谐振器组。

所述的第一弯曲波导和第二弯曲波导的上端点分别构成北方向输出端口和北方向输入端口，下端点分别构成南方向输入端口和南方向输出端口，且北方向输出端口和北方向输入端口以及南方向输入端口和南方向输出端口分别与相邻节点的路由器相连接；第三弯曲波导和第四弯曲波导的左端点分别构成西方向输入端口和西方向输出端口，右端点分别构成东方向输出端口和东方向输入端口，且西方向输入端口和西方向输出端口以及东方向输出端口和东方向输入端口分别与相邻节点的路由器相连接；第一S形波导和第二S形波导的左端点分别构成下方向输入端口和下方向输出端口，右端点分别构成上方向输出端口和上方输入端口，且下方向输入端口和下方向输出端口以及上方向输出端口和上方输入端口通过层间互连方式与相邻节点的路由器相连接；所述的L形光波导的右端点构成本地注入端口，U形光波导的右端点构成本地输出端口，且本地注入端口和本地输出端口通过光/电接口与IP核相连。

所述的窄带微环谐振器工作于单波长模式，微环谐振器的谐振波长λ由节点的Z坐标确定，所述的窄带微环谐振器组内共有k-1个谐振波长不同的窄带微环谐振器。

本发明基于波长分配的三维光片上网络路由器通信方法采用的技术方案，包括以下步骤：

a.建立三维坐标系，依次确定出光片上网络所有节点的坐标(x，y，z)；

b.通过源节点中的IP核产生电控制分组，确定该分组源节点(x_src,y_src,z_src)的位置信息，目的节点(x_dst,y_dst,z_dst)的位置信息，建链分组序号，其中0≤x_src，x_dst，y_src，y_dst≤N-1，0≤z_src，z_dst≤k-1，式中的k为层数，N为每层的行或列节点数；

c.根据分组的源地址确定分组传输所使用的通信波长λ，网络规模为k·N²的3DMesh光片上网络采用如下的规则对源节点进行波长分配：

$\mathrm{\λ}=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\λ}}_0,& z_{src}=0\\ {\mathrm{\λ}}_1,& z_{src}=1\\ {\mathrm{\λ}}_2,& z_{src}=2\\ \mathrm{......}& \mathrm{......}\\ {\mathrm{\λ}}_{k-1},& z_{src}=k-1\end{array}\right.;$

d.电控制网络中的节点采用XYZ维序路计算电控制分组的输出端口，并依次配置相应光路由器的端口，即源节点的IP核在电控制网络中发出电控制分组，源节点或中间节点首先检查输出端口是否为锁定状态，若输出端口已锁定，则源节点或中间节点等待输出端口解除锁定状态；若输出端口未锁定，则锁定端口，记录锁定端口建链分组的路径信息，根据路由器配置要求打开或关闭传输路径上光路由器中的微环谐振器，发送电控制分组指令进行分组；

e.当从源节点到目的节点之间的光路径建立好后，目的节点向源节点发送一个电应答信息以告知源节点光链路已建立好，且目的节点已做好接收数据的准备；

f.源节点接收到来自目的节点的应答信号后，源节点产生电信息分组，调制器将其调制为波长为λ的光信息分组，该光信息分组沿着建立好的光路径传输至目的节点；

g.目的节点接收光信息，将光信息转换成电信息，并对电信息进行缓存和复用后，交予目的节点的IP核进行相应处理；

h.当光信息传送完毕后，源节点发出一个拆链分组来拆除之前建立好的光路径，释放相应资源，以便其他通信节点继续使用链路资源。

所述的步骤d中通过XYZ维序路由算法首先在X维进行路由，当分组到达与目的节点X坐标相同的节点(x_dst,y_src,z_src)时，转向Y维进行路由；当分组到达与目的节点Y坐标相同的节点(x_dst,y_dst,z_src)时，转向Z维进行路由；最后到达与目的节点(x_dst,y_dst,z_dst)。

所述的步骤d中路径信息包括电控制分组序号，源节点和目的节点位置信息，电控制分组携带的通信波长信息，电控制分组的输入端口和输出端口信息。

与现有技术相比，本发明基于波长分配的三维光片上网络路由器通信系统采用光电混合的3DMesh的网络拓扑结构，每一层的节点发出光信号时采用的波长相同，任意层能够接收所有波长的光信号，这样克服了现有光片上网络架构采用单一波长通信时，网络阻塞较大、链路利用率较低、扩展性受限的问题。光路由器应用于三维光片上网络中时不需转换波长，解决了传统实现多波长通信的三维光片上网络的每一节点之间需转换波长，开销较大的问题。

进一步的，本发明设计的七端口无阻塞光路由器，减少了微环谐振器、波导等光器件的使用数量，能够降低网络阻塞概率，降低通信时延，提高吞吐量，提高网络饱和点。

与现有技术相比，本发明基于波长分配的三维光片上网络路由器通信方法在节点与节点通信时发送某一波长的光信号，其他节点在发出另外波长的光信号时而不受该波长的光信号影响，因此能够降低网络阻塞的概率，实现网络中低时延的通信。电控制网络中的节点采用XYZ维序路计算电控制分组的输出端口，操作简单、易实现、无死锁和活锁。通过实验证明，本发明通信方法能够降低网络阻塞概率，降低通信时延，提高吞吐量，网络饱和点提高。

附图说明

图1本发明基于波长分配的三维光片上网络的整体结构布局示意图；

图2本发明基于波长分配的三维光片上网络使用的七端口无阻塞光路由器示意图；

图3本发明基于波长分配的三维光片上网络通信方法流程图；

图4本发明基于波长分配的三维光片上网络与现有三维光片上网络的时延对比曲线；

图5本发明基于波长分配的三维光片上网络与现有三维光片上网络的吞吐对比曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

本发明基于波长分配的三维光片上网络路由器通信系统包括光传输网络和电控制网络，使用规模是k·N²的3DMesh拓扑，其中k、N为正偶数。三维光片上网络共有k层，每层有N²个节点。层内的各节点之间通过波导连接，层间节点通过TSV和TSPV连接。光传输网络中每个节点包括一个调制器、一个解调器、一个光路由器，其中路由器的注入/注出端口通过光/电接口与光传输网络相连接。电控制网络与光传输网络采用相同的拓扑，其中电控制网络中的每个IP核和光传输网络中的每个光路由器相对应，用于控制信息传输以及控制光传输网络内部单元工作。在网络中，以最底层左上角的节点为坐标原点，水平向右为X维正方向，竖直向下为Y维正方向，垂直向上为Z维正方向，建立三维坐标系，依次确定所有节点的坐标(x，y，z)。每个节点的调制器、解调器、光路由器以及相对应的电控制网络中的节点共享同一坐标。光传输网络可传输波长为λ₀，λ₁，…λ_k-1的光信息。

参见图2，本发明基于波长分配的3DMesh光片上网络中使用的光路由器为一种新型七端口无阻塞光路由器，该光路由器包括二十四个窄带微环谐振器，两个窄带微环谐振器组，八根光波导。其中，窄带微环谐振器和窄带微环谐振器用于实现片上光信号的转向，光波导用于实现片上光信号的传输，光波导包括两根S形光波导205和206，一根竖直方向的L形光波导207，一根竖直方向的U形光波导208和四根弯曲光波导201，202，203和204，其中弯曲光波导201，202和204包括两个90度拐点弯曲光波导203包括四个90度拐点。

弯曲波导201和202与S形波导205和206交叉，形成四个交叉点209，210，231和234，交叉点209，231和234的一侧各设有一个微环谐振器1，21和20；弯曲波导201和202与弯曲波导203和204交叉，形成四个交叉点219，229，226和235，且每个交叉点一侧各设有一个微环谐振器8，18，13和14；弯曲波导201和202与L形波导207和U形波导208交叉，形成四个交叉点212，227，236和237，其中交叉点212，227和237的一侧各设有一个微环谐振器2，12和9。弯曲波导203和204与S形波导205和206交叉，形成四个波导交叉点214，217，222和225，且每个交叉点一侧各设有一个微环谐振器5，7，22和16；弯曲波导203和204与L形波导207和U形波导208交叉，形成四个交叉点213，218，229和230，且每个交叉点一侧各设有一个微环谐振器3，11，18和17。S形波导205和206与L形波导207和U形波导208交叉，形成四个交叉点211，216，223和224，其中交叉点216和224的一侧各设有一个微环谐振器6，15。

S形波导206被六个拐点分成七段光波导，U形光波导208被两个拐点分成三段光波导，其中波导206的第三段光波导与波导208的第一段光波导平行，在其平行间隔内设有一个窄带微环谐振器组23。S形波导205被六个拐点分成七段光波导，其中第五段光波导与波导208的第三段光波导平行，在其平行间隔内设有一个窄带微环谐振器组24。

弯曲光波导201和202的上端点构成北方向输出端口238和北方向输入端口239，下端点构成南方向输入端口247和南方向输出端口246；该北方向输出端口238和北方向输入端口239以及南方向输入端口247和南方向输出端口246分别与相邻节点的路由器相连接。

弯曲光波导203和204的左端点构成西方向输入端口251和西方向输出端口250，右端点构成东方向输出端口244和东方向输入端口245；该西方向输入端口251和西方向输出端口250以及东方向输出端口244和东方向输入端口245分别与相邻节点的路由器相连接。

S形光波导205和206的左端点构成下方向输入端口249和下方向输出端口248，右端点构成上方向输出端口240和上方输入端口241；该下方向输入端口249和下方向输出端口248以及上方向输出端口240和上方输入端口241通过层间互连方式，如使用TSPV实现层间互连的方式，与相邻节点的路由器相连接。

L形光波导207的右端点构成本地注入端口243，所述U形光波导208的右端点构成本地输出端口244，该本地注入端口243和本地输出端口244通过光/电接口与IP核相连。

窄带微环谐振器工作于单波长模式，其中微环谐振器的谐振波长λ由节点的Z坐标确定；窄带微环谐振器组内共有k-1个谐振波长不同的窄带微环谐振器。

基于波长分配的3DMesh光片上网络的通信方法包括如下步骤：

源节点中的IP核产生电控制分组，确定该分组的源节点(x_src,y_src,z_src)的位置信息，目的节点(x_dst,y_dst,z_dst)的位置信息，建链分组序号，其中0≤x_src，x_dst，y_src，y_dst≤N-1，0≤z_src，z_dst≤k-1；

根据分组的源地址确定分组传输所使用的通信波长λ。网络规模为k·N²的3DMesh光片上网络采用如下的规则对源节点进行波长分配：

$\mathrm{\λ}=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\λ}}_0,& z_{src}=0\\ {\mathrm{\λ}}_1,& z_{src}=1\\ {\mathrm{\λ}}_2,& z_{src}=2\\ \mathrm{......}& \mathrm{......}\\ {\mathrm{\λ}}_{k-1},& z_{src}=k-1\end{array}\right.$

电控制网络中的节点采用XYZ维序路由算法计算电控制分组的输出端口，并依次配置相应光路由器的端口。即源节点的IP核在电控制网络中发出电控制分组，源节点或中间节点首先检查输出端口是否为锁定状态，若输出端口已锁定，则源节点或中间节点等待输出端口解除锁定状态；若输出端口未锁定，则锁定端口，记录锁定端口建链分组的路径信息，根据路由器配置要求打开或关闭传输路径上光路由器中的微环谐振器，发送电控制分组指令分组。其中所述的XYZ维序路由算法是光片上网络中常用的路由算法，该路由算法简单、易实现、无死锁和活锁。在该路由算法中，分组首先在X维进行路由，当分组到达与目的节点X坐标相同的节点(x_dst,y_src,z_src)时，转向Y维进行路由；当分组到达与目的节点Y坐标相同的节点(x_dst,y_dst,z_src)时，转向Z维进行路由；最后到达与目的节点(x_dst,y_dst,z_dst)。其中所述路径信息包括电控制分组序号，源节点和目的节点位置信息，电控制分组携带的通信波长信息，电控制分组的输入端口和输出端口信息。

当从源节点到目的节点之间的光路径建立好后，目的节点向源节点发送一个电应答信息以告知源节点光链路已建立好，且目的节点已做好接收数据的准备。

源节点接收到来自目的节点的应答信号后，源节点产生电信息分组，调制器将其调制为波长为λ的光信息分组，该光信息分组沿着建立好的光路径传输至目的节点；

目的节点接收光信息，将光信息转换成电信息，并对电信息进行缓存和复用后交予目的节点的IP核进行相应处理。

当光信息传送完毕，源节点发出一个拆链分组来拆除之前建立好的光路径，释放相应资源，以便其他通信节点继续使用链路资源。

本发明所提出的基于波长分配的三维光片上网络由于采用了多波长的通信方法和新型无阻塞光路由器，因此能够降低网络阻塞概率，降低通信时延，提高吞吐量。例如，如果采用使用单波长的4×4×4的三维光片上网络，节点(0,3,1)与节点(3,2,3)通信，与此同时，节点(3,2,0)无法向节点(3,2,2)发送光信号，会出现网络级的阻塞。本发明提出的使用多波长的4×4×43D光片上网络中，节点(0,3,1)与节点(3,2,3)通信时发送波长为λ₁的光信号，与此同时，节点(3,2,0)可向节点(3,2,2)发出波长为λ₀的光信号而不受波长为λ₁的光信号的影响，从而降低网络阻塞的概率，实现网络中低时延的通信。

通过仿真实验，同样为64节点的网络规模，本发明提出的使用多波长的三维光片上网络与现有使用单波长的三维光片上网络在分组长度为1024bit时在均匀流量、热点流量模型(发送概率10％)时的时延对比曲线如图4所示。从仿真对比曲线可看出，网络达到饱和之前，网络的端到端时延很小；达到饱和点附近后，网络时延急剧上升。与现有使用单波长的三维光片上网络相比，本发明提出的使用多波长的三维光片上网络饱和点提高。

图5为分组大小为1024bit时，本发明提出的使用多波长的三维光片上网络与现有使用单波长的三维光片上网络在均匀流量、热点流量模型(发送概率10％)时的归一化吞吐对比曲线。当网络到达饱和之前，本发明提出的使用多波长的三维光片上网络与现有使用单波长的三维光片上网络的吞吐呈线性增长；而当网络到达饱和点之后，两种网络的吞吐基本保持不变。同样为64节点规模，本发明提出的使用多波长的三维光片上网络相比现有使用单波长的三维光片上网络有明显更高吞吐。

参见图1，基于波长分配的三维光片上网络共有k层，每层有N²个节点，网络规模为k·N²。本实例中，k取4，N取4，即三维光片上网络共有4层，每层有16个节点，共64个节点。层内的各节点之间通过光波导连接，层间节点通过TSV和TSPV连接，构成3DMesh拓扑。

在网络中，以最底层左上角的节点为坐标原点，水平向右为X维正方向，竖直向下为Y维正方向，垂直向上为Z维正方向，建立三维坐标系，依次确定所有节点的坐标(x,y,z)，每个节点的调制器、解调器、光路由器以及相对应的电控制网络中的节点共享同一坐标。光传输网络可传输波长为λ₀，λ₁，λ₂，λ₃的光信息。

光路由器由24个窄带微环谐振器，2个窄带微环谐振器组和8根光波导组成。其中，所有节点的2个窄带微环谐振器组23,24内微环谐振器的谐振波长分别为λ₀，λ₁，λ₂，λ₃；Z坐标为0的所有节点的微环谐振器1-22的谐振波长为λ₀，Z坐标为1的所有节点的微环谐振器1-22的谐振波长为λ₁，Z坐标为2的所有节点的微环谐振器1-22的谐振波长为λ₂，Z坐标为3的所有节点的微环谐振器1-22的谐振波长为λ₃。

基于波长分配的3DMesh4×4×4光片上网络中，当节点(0,3,1)与(3,2,3)通信时过程如下：

节点(0,3,1)的IP核产生电控制分组，确定该分组的源节点的位置信息，目的节点的位置信息，建链分组序号；

根据分组的源节点的Z坐标，确定分组传输所使用的通信波长λ。由于源节点Z坐标为1，根据波长分配规则，其传输时使用波长为λ₁的光信号。

网络中的节点采用XYZ维序路由算法传输分组。根据XYZ维序路由算法，分组传输路径为：(0,3,1)→(1,3,1)→(2,3,1)→(3,3,1)→(3,2,1)→(3,2,2)→(3,2,3)。节点(0,3,1)的IP核首先在电控制网络中发出建链分组，该节点首先检查东输出端口是否为锁定状态，若东输出端口已锁定，则需等待东输出端口解除锁定状态；若东输出端口未锁定，则锁定端口，根据路由器配置要求将该节点的微环谐振器3打开，并发送电控制分组。

下一跳节点(1,3,1)继续发送电建链分组，首先检查东输出端口是否为锁定状态，若东输出端口已锁定，则需等待东输出端口解除锁定状态；若东输出端口未锁定，则锁定端口，根据路由器配置要求将该节点的微环谐振器11,13和22关闭，并发送电控制分组。

下一跳节点(2,3,1)继续发送电建链分组，首先检查东输出端口是否为锁定状态，若东输出端口已锁定，则需等待东输出端口解除锁定状态；若东输出端口未锁定，则锁定端口，根据路由器配置要求将该节点的微环谐振器11,13和22关闭，并发送电控制分组。

下一跳节点(3,3,1)继续发送电建链分组，首先检查北输出端口是否为锁定状态，若北输出端口已锁定，则需等待北输出端口解除锁定状态；若北输出端口未锁定，则锁定端口，根据路由器配置要求将该节点的微环谐振器14打开，并发送电控制分组。

下一跳节点(3,2,1)继续发送电建链分组，首先检查上输出端口是否为锁定状态，若端口已锁定，则需等待上输出端口解除锁定状态；若上输出端口未锁定，则锁定端口，根据路由器配置要求将该节点的微环谐振器21打开，将微环谐振器19和20关闭，并发送电控制分组。

下一跳节点(3,2,2)继续发送电建链分组，首先检查上输出端口是否为锁定状态，若端口已锁定，则需等待上输出端口解除锁定状态；若上输出端口未锁定，则锁定端口，根据路由器配置要求将该节点的微环谐振器21打开，将微环谐振器19和20关闭，并发送电控制分组。

电建链分组到达下一跳节点(3,2,3)，判定其为目的节点，则检查本地输出端口的波长信道是否为锁定状态，若本地输出端口的波长信道已锁定，则需等待本地输出端口的波长信道解除锁定状态；若本地输出端口的波长信道未锁定，则将其锁定，根据路由器配置要求将该节点的微环谐振器组24内谐振波长为λ₁的微环谐振器打开，并发送电控制分组。

当从源节点(0,3,1)到目的节点(3,2,3)之间的光路径建立好后，目的节点(3,2,3)向源节点(0,3,1)发送一个电应答信息告知源节点光链路已建立好，且目的节点已做好接收数据的准备。

源节点(0,3,1)接收到来自目的节点(3,2,3)的应答信号后，产生电信息分组，调制器将其调制为波长为λ₁的光信息分组，该光信息分组沿着建立好的光路径传输至目的节点(3,2,3)；

目的节点(3,2,3)接收到该光信息后，将光信息转换成电信息，并对电信息进行缓存和复用后交予目的节点(3,2,3)的IP核进行相应处理。

当光信息传送完毕，源节点(0,3,1)发出一个拆链分组来拆除之前建立好的光路径，释放相应资源，以便其他通信节点对继续使用链路资源。

Claims (9)

1.一种基于波长分配的三维光片上网络路由器通信系统，其特征在于：包括采用相同拓扑结构的光传输网络和电控制网络，拓扑结构包括k·N²个相互连接的节点，式中的k为层数，N²为每层的节点数，k与N为正偶数；光传输网络中的每个节点包括一个调制器、一个解调器、一个光路由器，并且光路由器的注入/注出端口通过光/电接口与电控制网络相连接，电控制网络中的每个IP核和光传输网络中的每个光路由器相对应；建立三维坐标系，确定出所有节点的坐标(x，y，z)，则光传输网络能够传输波长为λ₀，λ₁，…λ_k-1的光信息；

所述的光路由器包括窄带微环谐振器，窄带微环谐振器组以及光波导，窄带微环谐振器和窄带微环谐振器用于实现片上光信号的转向，光波导用于实现片上光信号的传输。

2.根据权利要求1所述的基于波长分配的三维光片上网络路由器通信系统，其特征在于：所述的光路由器为七端口光路由器，包括二十四个窄带微环谐振器，两个窄带微环谐振器组以及八根光波导；所述的光波导包括两根S形光波导，一根竖直方向的L形光波导，一根竖直方向的U形光波导和四根弯曲光波导；第一弯曲光波导(201)，第二弯曲光波导(202)和第四弯曲光波导(204)包括两个90度拐点，第三弯曲光波导(203)包括四个90度拐点。

3.根据权利要求2所述的基于波长分配的三维光片上网络路由器通信系统，其特征在于：所述的第一弯曲波导(201)分别与第一S形波导(205)和第二S形波导(206)交叉，形成第二十三交叉点(231)和第二十六交叉点(234)；所述的第二弯曲波导(202)与第一S形波导(205)交叉，形成第一交叉点(209)；所述的第一交叉点(209)，第二十三交叉点(231)，第二十六交叉点(234)的一侧各设有一个微环谐振器；

所述的第一弯曲波导(201)和第二弯曲波导(202)分别与第三弯曲波导(203)和第四弯曲波导(204)交叉，形成四个交叉点，且每个交叉点一侧各设有一个微环谐振器；

所述的第一弯曲波导(201)与L形波导(207)交叉，形成第十九交叉点(227)；所述的第二弯曲波导(202)分别与L形波导(207)以及U形波导(208)交叉，形成第二十九交叉点(237)和第四交叉点(212)；所述的第四交叉点(212)，第十九交叉点(227)，第二十九交叉点(237)的一侧各设有一个微环谐振器；

所述的第三弯曲波导(203)和第四弯曲波导(204)分别与第一S形波导(205)和第二S形波导(206)，形成四个交叉点，且每个交叉点一侧各设有一个微环谐振器；

所述的第三弯曲波导(203)和第四弯曲波导(204)分别与L形波导(207)以及U形波导(208)交叉，形成四个交叉点，且每个交叉点一侧各设有一个微环谐振器；

所述的第一S形波导(205)与L形波导交叉，形成第十六交叉点(224)，第二S形波导(206)与L形波导交叉，形成第八交叉点(216)；所述的第八交叉点(216)和第十六交叉点(224)的一侧各设有一个微环谐振器。

4.根据权利要求3所述的基于波长分配的三维光片上网络路由器通信系统，其特征在于：所述的第二S形波导(206)被六个拐点分成七段光波导，U形光波导(208)被两个拐点分成三段光波导，其中第二S形波导(206)与U形光波导(208)相平行的光波导段位置，在平行间隔内设有第一窄带微环谐振器组(23)；所述的第一S形波导(205)被六个拐点分成七段光波导，其中第一S形波导(205)与U形光波导(208)相平行的光波导段位置，在平行间隔内设有第二窄带微环谐振器组(24)。

5.根据权利要求3所述的基于波长分配的三维光片上网络路由器通信系统，其特征在于：所述的第一弯曲波导(201)和第二弯曲波导(202)的上端点分别构成北方向输出端口(238)和北方向输入端口(239)，下端点分别构成南方向输入端口(247)和南方向输出端口(246)，且北方向输出端口(238)和北方向输入端口(239)以及南方向输入端口(247)和南方向输出端口(246)分别与相邻节点的路由器相连接；第三弯曲波导(203)和第四弯曲波导(204)的左端点分别构成西方向输入端口(251)和西方向输出端口(250)，右端点分别构成东方向输出端口(244)和东方向输入端口(245)，且西方向输入端口(251)和西方向输出端口(250)以及东方向输出端口(244)和东方向输入端口(245)分别与相邻节点的路由器相连接；第一S形波导(205)和第二S形波导(206)的左端点分别构成下方向输入端口(249)和下方向输出端口(248)，右端点分别构成上方向输出端口(240)和上方输入端口(241)，且下方向输入端口(249)和下方向输出端口(248)以及上方向输出端口(240)和上方输入端口(241)通过层间互连方式与相邻节点的路由器相连接；所述的L形光波导(207)的右端点构成本地注入端口(243)，U形光波导(208)的右端点构成本地输出端口(244)，且本地注入端口(243)和本地输出端口(244)通过光/电接口与IP核相连。

6.根据权利要求1或3所述的基于波长分配的三维光片上网络路由器通信系统，其特征在于：所述的窄带微环谐振器工作于单波长模式，微环谐振器的谐振波长λ由节点的Z坐标确定，所述的窄带微环谐振器组内共有k-1个谐振波长不同的窄带微环谐振器。

7.一种基于波长分配的三维光片上网络路由器通信方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.建立三维坐标系，依次确定出光片上网络所有节点的坐标(x，y，z)；

b.通过源节点中的IP核产生电控制分组，确定该分组源节点(x_src,y_src,z_src)的位置信息，目的节点(x_dst,y_dst,z_dst)的位置信息，建链分组序号，其中0≤x_src，x_dst，y_src，y_dst≤N-1，0≤z_src，z_dst≤k-1，式中的k为层数，N为每层的行或列节点数；

c.根据分组的源地址确定分组传输所使用的通信波长λ，网络规模为k·N²的3DMesh光片上网络采用如下的规则对源节点进行波长分配：

$\mathrm{\λ}=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\λ}}_0,& z_{src}=0\\ {\mathrm{\λ}}_1,& z_{src}=1\\ {\mathrm{\λ}}_2,& z_{src}=2\\ ......& ......\\ {\mathrm{\λ}}_{k-1},& z_{src}=k-1\end{array}\right.;$

d.电控制网络中的节点采用XYZ维序路计算电控制分组的输出端口，并依次配置相应光路由器的端口，即源节点的IP核在电控制网络中发出电控制分组，源节点或中间节点首先检查输出端口是否为锁定状态，若输出端口已锁定，则源节点或中间节点等待输出端口解除锁定状态；若输出端口未锁定，则锁定端口，记录锁定端口建链分组的路径信息，根据路由器配置要求打开或关闭传输路径上光路由器中的微环谐振器，发送电控制分组指令进行分组；

e.当从源节点到目的节点之间的光路径建立好后，目的节点向源节点发送一个电应答信息以告知源节点光链路已建立好，且目的节点已做好接收数据的准备；

f.源节点接收到来自目的节点的应答信号后，源节点产生电信息分组，调制器将其调制为波长为λ的光信息分组，该光信息分组沿着建立好的光路径传输至目的节点；

g.目的节点接收光信息，将光信息转换成电信息，并对电信息进行缓存和复用后，交予目的节点的IP核进行相应处理；

h.当光信息传送完毕后，源节点发出一个拆链分组来拆除之前建立好的光路径，释放相应资源，以便其他通信节点继续使用链路资源。

8.根据权利要求7所述的基于波长分配的三维光片上网络路由器通信方法，其特征在于：所述的步骤d中通过XYZ维序路由算法首先在X维进行路由，当分组到达与目的节点X坐标相同的节点(x_dst,y_src,z_src)时，转向Y维进行路由；当分组到达与目的节点Y坐标相同的节点(x_dst,y_dst,z_src)时，转向Z维进行路由；最后到达与目的节点(x_dst,y_dst,z_dst)。

9.根据权利要求7所述的基于波长分配的三维光片上网络路由器通信方法，其特征在于：所述的步骤d中路径信息包括电控制分组序号，源节点和目的节点位置信息，电控制分组携带的通信波长信息，电控制分组的输入端口和输出端口信息。