CN105812063A - 基于统计复用的光片上网络系统及通信方法 - Google Patents

基于统计复用的光片上网络系统及通信方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于统计复用的光片上网络及通信方法，主要解决现有光片上网络中波长资源利用率低的问题。该网络包括中央控制节点和S型全互连网络。中央控制节点用于实现信道资源分配、源节点的请求应答以及目的节点通知等操作；S型全互连网络，包括N个输入节点、N个输出节点和一根S型光波导，用于实现数据的发送和接收；该光片上网络采用了统计复用的通信方式，将整个通信过程分为请求时隙、仲裁时隙和数据传输三个固定长度的时隙，并分别采用这三种时隙进行通信，以便全局通信的时钟统一和分组定位。本发明削减了时分复用的盲目性，提高了波长资源的利用率，可用于片上多核通信。

Description

基于统计复用的光片上网络系统及通信方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，特别涉及光片上网络，可用于片上多核通信。
背景技术
伴随多核处理器的集成规模的扩大，一方面，处理器之间的电互连通信出现越来越多的技术瓶颈，例如布线复杂性、电噪声、串扰等；另一方面，随着集成光互连技术的发展，芯片间及芯片内的光互连正在快速发展，相较于电互连技术，波分复用技术可以提供更高的传输带宽和速度。因此，在不久将来，光互连很有可能会替代电互连,成为片上网络中主要的互连方式。
实现多核处理器之间的光互连，有两点比较关键。其一，简化网络架构，避免使用过多的光器件，同时提高网络资源的利用率。其二，选用合适的通信机制，确保核间的高效通信。
采用单写多读结构的光片上网络，主要基于信道选择实现核间通信，每一个节点有一专门的发送信道和N-1个接收信道，每个信道由若干个波导和波长资源组成。其不足之处在于：每个目的节点需要实时监听N-1个接收信道来确定是否有分组发送给自己；由于一个源节点占用一个专门的通信信道，网络资源浪费严重。
采用多写单读结构的光片上网络，此结构中，每个节点具有N-1个发送信道和一个专门的接收信道。当多个节点利用同一个信道向同一个目的节点发送信息时会产生竞争，因此需要引入仲裁。由于每个目的节点只能在某个特定的信道接收信息，网络发生阻塞的概率较高。另外，一个具有N个节点的网络需要N个信道，因此，网络占用的资源过多。
发明内容
本发明的目的在于克服上述已有技术不足，提出一种基于统计复用的光片上网络，以实现波长资源的动态管理和分配，提高片上网络有限资源的利用率。
本发明的技术方案是这样实现的：
一.基于统计复用的光片上网络，包括S型全互连网络和中央控制节点，
所述S型全互连网络，包括N个输入节点、N个输出节点和一根S型光波导，N为正偶数，用于实现数据的发送和接收；
所述中央控制节点，包括中央控制器、第一输入单元和第一输出单元，且该第一输入单元位于中央控制器和S型光波导之间，该第一输出单元位于中央控制器和S型光波导之间，用于实现信道资源分配、源节点的请求应答以及目的节点通知等操作；
该中央控制器通过第一输入单元和第一输出单元与S型光波导连接，以根据通信需求实现动态的信道资源分配；
其特征在于：
所述S型全互连网络中的每个输入节点，包括第二输入单元和信道选择器，且该第二输入单元通过n根电传输线与信道选择器相连，并采用全光通信的方式发送分组；
所述S型全互连网络中的每个输出节点，包括第二输出单元和分组重构器，且该第二输出单元通过n根电传输线与分组重构器相连，并采用全光通信的方式接收分组。
二.利用上述网络进行通信的方法，其特征在于，包括：
1)发送通信请求信息：
每个输入节点在个请求时隙内，利用一个波长向中央控制节点发送通信请求信息，其中，请求信息包括：数据分组的长度和目的节点地址；N为网络中的输入节点数，n为信道中的可用波长数，r为整数，为向上取整运算；
2)划分数据分组并分配传输波长
中央控制节点根据所收到的请求信息中的数据分组长度g，将数据分组划分为不同等级，并按照对应等级将原数据分组分成多个子分组，每个子分组占用一个传输波长，每个数据分组占用的传输波长数为Cg，即每个输入节点占用的传输波长数为Cg；
将第1个至第k个数据传输时隙内的传输波长依次分配给各个输入节点，每分配完一个数据传输时隙的传输波长，就分配下一个数据传输时隙的传输波长，直至所有数据传输时隙的传输波长分配完毕，其中，为数据传输时隙的个数，∑Cg为总传输波长数，为向上取整运算；
3)发送和接收确认信息：
在m＝k*r个仲裁时隙内，中央控制节点向所有输入节点和所有输出节点发送确认信息；
输入节点和输出节点在第j个仲裁时隙收到该确认信息后，确定输入节点和输出节点的数据传输时隙和波长，其中h为整数，为向上取整运算；
4)传输数据分组
在数据传输时隙内，各输入节点和输出节点根据步骤2)和步骤3)确定的传输波长，发送和接收数据分组。
本发明的有益效果是：
第一，本发明只需增加中央控制节点就可实现网络资源的动态分配，网络需要的光器件少，制造成本低廉，资源利用率高。
第二，本发明利用时隙定位所有操作，简化了系统的复杂度，同时利用时隙和波长即可区分不同节点，有效降低了分组长度。
第三，由于本发明的输入节点既可以发送数据分组也可以发送请求分组，并且本发明的输出节点既可以接收数据分组也可以接收通知分组，一个光网络能够同时实现资源仲裁和数据传输的双重功能，进而有效降低网络的复杂度。
第四，本发明的分组按长度的大小划分为多个等级，不同等级的分组需要不同数量的波长资源，能够适应不同分组长度的通信需求，按需提供资源。
第五，本发明采用统计复用的方式，削减了时分复用的盲目性。
附图说明
图1是本发明光片上网络的整体结构框图；
图2是本发明网络中的中央控制节点结构示意图；
图3是本发明网络中的输入节点结构示意图；
图4是本发明网络中的输出节点结构示意图；
图5是本发明网络中的第一输入单元结构示意图；
图6是本发明网络中的第二输入单元结构示意图；
图7是本发明网络中的第一输出单元结构示意图；
图8是本发明网络中的第二输出单元结构示意图；
图9是本发明网络的整体结构布局示意图；
图10是本发明的通信方法示意图。
具体实施方式
为了更清楚的介绍本发明提出的基于统计复用的光片上网络，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
参照图1，本发明基于统计复用的光片上网络，包括S型全互连网络和中央控制节点1；该中央控制节点，用于实现S型互连网络中的波长资源分配、通信信息的请求应答操作；该S型全互连网络，用于实现数据的发送和接收，其包括N个输入节点2、N个输出节点3和一根S型光波导4，N为正偶数。
参照图2，所述中央控制节点1，包括中央控制器11、第一输入单元12和第一输出单元13，且该第一输入单元12位于中央控制器11和S型光波导之间，该第一输出单元13位于中央控制器11和S型光波导之间，用于实现波长资源分配、输入节点的请求应答操作；该中央控制器11通过第一输入单元12和第一输出单元13与S型光波导4连接，以根据通信需求实现动态的波长资源分配；
参照图3，所述S型全互连网络中的每个输入节点2，包括第二输入单元21和信道选择器22，且该第二输入单元21通过n根电传输线与信道选择器22相连，并采用全光通信的方式发送分组；
参照图4，所述S型全互连网络中的每个输出节点3，包括第二输出单元31和分组重构器32，且该第二输出单元31通过n根电传输线与分组重构器32相连，并采用全光通信的方式接收分组。
参照图5，第一输入单元12，包括n个第一调制器121和n个第一微环谐振器122；每个调制器通过一个微环谐振器与光波导连接，每个微环谐振器采用相同的结构，不同的谐振波长。
参照图6，第二输入单元21，包括n个第二调制器211和n个第二微环谐振器212；每个调制器通过一个微环谐振器与光波导连接，每个微环谐振器采用相同的结构，不同的谐振波长。
参照图7，第一输出单元13，包括n个第一解调器131和n个第三微环谐振器132；每个解调器通过一个微环谐振器与光波导连接，每个微环谐振器采用相同的结构，不同的谐振波长。
参照图8，第二输出单元31，包括n个第二解调器311和n个第四微环谐振器312；每个解调器通过一个微环谐振器与光波导连接，每个微环谐振器采用相同的结构，不同的谐振波长。
将一个中央控制节点1、N个输入节点2、N个输出节点3与一根S型光波导4连接在一起，组成基于统计复用的光片上网络，如图9所示。该网络包括一个中央控制器11，n个第一调制器121，n个第一微环谐振器122，n个第一解调器131，n个第三微环谐振器132，N个信道选择器22，N*n个第二调制器211，N*n个第二微环谐振器212，N个分组重构器32，N*n个第二解调器311，N*n个第四微环谐振器312。N的取值范围为[2,64]，n的取值范围为[1,64]，N和n为整数，本实例取N＝64，n＝16。
参照图10，该光片上网络的通信方法将整个通信过程分为三种时隙：请求时隙、仲裁时隙和数据传输时隙。在通信过程中，该光片上网络分别采用三种固定长度的时隙进行通信，以便全局通信的时钟统一和分组定位。其实现步骤如下：
步骤1，发送通信请求信息。
每个输入节点在个请求时隙内，利用一个波长向中央控制节点发送通信请求信息，其中，请求信息包括：数据分组的长度和目的节点地址；N为网络中的输入节点数，n为信道中的可用波长数，r为整数，为向上取整运算；
在第一个请求时隙t1，输入节点I1至输入节点In分别利用波长为λ1至λn的光信号向中央控制节点发送请求信息；
在第i个请求时隙ti，输入节点I(i-1)*n+1至输入节点Ii*n分别利用波长为λ1至λn的光信号向中央控制节点发送请求信息，i是从1到r的整数；
在第r个请求时隙tr，输入节点IN-n+1至输入节点IN分别利用波长为λ1至λn的光信号向中央控制节点发送请求信息。
步骤2，划分数据分组并分配传输波长。
2.1)中央控制节点根据所收到的请求信息中的数据分组长度g，将数据分组定义为八个不同的等级，不同等级的数据分组对应如下的划分格式：
当数据分组的长度为[0,64)时，定义其为第一等级，不划分该数据分组；
当数据分组的长度为[64,128)时，定义其为第二等级，并将该数据分组划分为两个子分组；
当数据分组的长度为[128,256)时，定义其为第三等级，并将该数据分组划分为三个子分组；
当数据分组的长度为[256,512)时，定义其为第四等级，并将该数据分组划分为四个子分组；
当数据分组的长度为[512,576)时，定义其为第五等级，并将该数据分组划分为五个子分组；
当数据分组的长度为[576,640)时，定义其为第六等级，并将该数据分组划分为六个子分组；
当数据分组的长度为[640,768)时，定义其为第七等级，并将该数据分组划分为七个子分组；
当数据分组的长度为[768,1024]时，定义其为第八等级，并将该数据分组划分为八个子分组；
其中，数据分组长度的单位为bit，数据分组等级越高，划分的子分组数目越多，每个子分组占用一个传输波长，每个数据分组占用的传输波长数为Cg，即每个输入节点占用的传输波长数为Cg；
2.2)将第1个至第k个数据传输时隙内的传输波长依次分配给各个输入节点，每分配完一个数据传输时隙的传输波长，就分配下一个数据传输时隙的传输波长，直至所有数据传输时隙的传输波长分配完毕，其中，为数据传输时隙的个数，∑Cg为总传输波长数，为向上取整运算。
步骤3，发送和接收确认信息。
在m＝k*r个仲裁时隙内，中央控制节点向所有输入节点和所有输出节点发送确认信息；
输入节点和输出节点在第j个仲裁时隙收到该确认信息后，确定输入节点和输出节点的数据传输时隙和波长，其中h为整数，为向上取整运算；
在第一个仲裁时隙τ1，中央控制节点将确认信息分别发送给输入节点I1至输入节点In和输出节点O1至输出节点On，通知其占用的数据传输时隙为T1，输入节点发送信息使用的波长和输出节点接受信息使用的波长；
在第j个仲裁时隙τj，中央控制节点将确认信息分别发送给输入节点I[j-(h-1)*r-1]*n+1至输入节点I[j-(h-1)*r]*n和输出节点O[j-(h-1)*r-1]*n+1至输出节点O[j-(h-1)*r]*n，通知其占用的数据传输时隙为Th，输入节点发送信息使用的波长和输出节点接受信息使用的波长，j是从1到m的整数；
在第m个仲裁时隙τm，中央控制节点将确认信息分别发送给输入节点IN-n+1至输入节点IN和输出节点ON-n+1至输出节点ON，通知其占用的数据传输时隙为Tk，输入节点发送信息使用的波长和输出节点接受信息使用的波长；至此，仲裁时隙结束，进入数据传输时隙。
步骤4，数据分组的传输。
在数据传输时隙内，输入节点将步骤2.1)中的子分组按照步骤2.2)中确定的传输波长与步骤3中所确定的时隙，发送至相应的输出节点，并由分组重构器将子分组重构为原数据分组。
以上描述仅是本发明的一个具体实例，不构成对本发明的修改限制。显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修改和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于统计复用的光片上网络，包括S型全互连网络和中央控制节点(1)，
所述S型全互连网络，包括N个输入节点(2)、N个输出节点(3)和一根S型光波导(4)，N为正偶数，用于实现数据的发送和接收；
所述中央控制节点(1)，包括中央控制器(11)、第一输入单元(12)和第一输出单元(13)，且该第一输入单元(12)位于中央控制器(11)与S型光波导之间，该第一输出单元(13)位于中央控制器(11)与S型光波导之间，用于实现信道资源分配、源节点的请求应答以及目的节点通知等操作；
中央控制器(11)通过第一输入单元(12)和第一输出单元(13)与S型光波导(4)连接，以根据通信需求实现动态的信道资源分配；
其特征在于：
所述S型全互连网络中的每个输入节点(2)，包括第二输入单元(21)和信道选择器(22)，且该第二输入单元(21)通过n根电传输线与信道选择器(22)相连，并采用全光通信的方式发送分组；
所述S型全互连网络中的每个输出节点(3)，包括第二输出单元(31)和分组重构器(32)，且该第二输出单元(31)通过n根电传输线与分组重构器(32)相连，并采用全光通信的方式接收分组。
2.根据权利要求1所述的基于统计复用的光片上网络，其特征在于，第一输入单元(12)与第二输入单元(21)结构相同，即第一输入单元(12)，包括n个第一调制器(121)和n个第一微环谐振器(122)；第二输入单元(21)，包括n个第二调制器(211)和n个第二微环谐振器(212)；每个调制器通过一个微环谐振器与光波导连接，每个微环谐振器采用相同的结构，不同的谐振波长。
3.根据权利要求1所述的基于统计复用的光片上网络，其特征在于，第一输出单元(13)与第二输出单元(31)结构相同，即第一输出单元(13)，包括n个第一解调器(131)和n个第三微环谐振器(132)；第二输出单元(31)，包括n个第二解调器(311)和n个第四微环谐振器(312)；每个解调器通过一个微环谐振器与光波导连接，每个微环谐振器采用相同的结构，不同的谐振波长。
4.根据权利要求2或3所述的微环谐振器，其特征在于，每个微环谐振器，包括一根封闭的回路环形波导和两根直波导，回路环形波导和直波导之间存在耦合间隙，直波导为输入输出的信道。
5.利用权利要求1网络进行通信的方法，包括：
1)发送通信请求信息：
每个输入节点在个请求时隙内，利用一个波长向中央控制节点发送通信请求信息，其中，请求信息包括：数据分组的长度和目的节点地址；N为网络中的输入节点数，n为信道中的可用波长数，r为整数，为向上取整运算；
2)划分数据分组并分配传输波长：
中央控制节点根据所收到的请求信息中的数据分组长度g，将数据分组划分为不同等级，并按照对应等级将原数据分组分成多个子分组，每个子分组占用一个传输波长，每个数据分组占用的传输波长数为Cg，即每个输入节点占用的传输波长数为Cg；
将第1个至第k个数据传输时隙内的传输波长依次分配给各个输入节点，每分配完一个数据传输时隙的传输波长，就分配下一个数据传输时隙的传输波长，直至所有数据传输时隙的传输波长分配完毕，其中，为数据传输时隙的个数，∑Cg为总传输波长数，为向上取整运算；
3)发送和接收确认信息：
在m＝k*r个仲裁时隙内，中央控制节点向所有输入节点和所有输出节点发送确认信息；
输入节点和输出节点在第j个仲裁时隙收到该确认信息后，确定输入节点和输出节点的数据传输时隙和波长，其中h为整数，为向上取整运算；
4)传输数据分组：
在数据传输时隙内，各输入节点和输出节点根据步骤2)和步骤3)确定的传输波长，发送和接收数据分组。
6.根据权利要求5所述的通信方法，其中步骤2)中将数据分组划分为不同等级，是将数据分组按其长度定为八个等级，将不同等级的数据分组再划分为不同数量的子分组：
当数据分组的长度为[0,64)时，定义其为第一等级，不划分该数据分组；
当数据分组的长度为[64,128)时，定义其为第二等级，并将该数据分组划分为两个子分组；
当数据分组的长度为[128,256)时，定义其为第三等级，并将该数据分组划分为三个子分组；
当数据分组的长度为[256,512)时，定义其为第四等级，并将该数据分组划分为四个子分组；
当数据分组的长度为[512,576)时，定义其为第五等级，并将该数据分组划分为五个子分组；
当数据分组的长度为[576,640)时，定义其为第六等级，并将该数据分组划分为六个子分组；
当数据分组的长度为[640,768)时，定义其为第七等级，并将该数据分组划分为七个子分组；
当数据分组的长度为[768,1024]时，定义其为第八等级，并将该数据分组划分为八个子分组；
其中，数据分组长度的单位为bit，数据分组等级越高，划分的子分组数目越多，每个子分组采用一个波长传输，以保证所有数据分组都能在规定的时隙内完成传输。
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