CN109451377B - 基于集成式混合交换技术的光交换机 - Google Patents

Abstract

本发明属于光通信技术领域，具体涉及基于集成式混合交换技术的光交换机，包括：业务识别模块，用于识别光交换机所传输的数据业务为波长交换业务或分组交换业务；交换模块，与业务识别模块；交换模块包括光波长交换子模块和光分组交换子模块，光波长交换子模块用于对波长交换业务进行交换传输，光分组交换子模块用于对分组交换业务进行交换传输；输出业务复用模块，分别与光波长子交换模块、光分组交换子模块连接，用于将分组交换业务以时间交织的模式分插复用至波长交换业务的传输空闲部分。本发明的光交换机从终端业务需求的多样性出发，对业务进行分级交换传输，并利用不同传输类型以时间交织模式共享波长资源，实现网络资源利用最大化。

Description

基于集成式混合交换技术的光交换机

技术领域

本发明属于光通信技术领域，具体涉及基于集成式混合交换技术的光交换机。

背景技术

随着高速IP数据和多媒体为代表的宽带业务的迅猛崛起，全球信息量呈级数增长，对通信网络的带宽和容量提出了更高的要求。DWDM的出现使得理论上的传输带宽高达单光纤50Tbps，随之对网络节点的处理能力提出了新的要求。在目前的光电网络中，数据以光方式传输以电方式交换，由于电子器件本身存在的诸如带宽限制和局部功耗等缺陷将产生严重的不匹配，即“电子瓶颈”现象。当前网络引入了一系列光学交换器件例如OXC，OADM等，在一定程度上缓解了传输和交换的不匹配问题。但光学技术的巨大潜力还没有在网络中完全发挥。

在光网络设计中，光交换技术的引入能使通信网具有低能耗、高开放性、透明性以及结构的灵活性，使其成为未来发展的重点和热点。目前提出的光学交换技术包括光波长交换OCS、光分组交换OPS和光突发交换OBS，不同的交换方式在支持IP业务时各有利弊。近年来研究者们提出了混合交换的概念，即在一个光网络中融合两种或者两种以上的交换技术，混合交换的方式有效融合了不同交换技术的优势同时又避免了各自的不足，通过带宽容量在不同交换粒度层面上的灵活分配，借助对节点传送结构的优化设计提升了设备功能，在满足业务多样化需求的基础上实现了网络资源利用率最大化，符合未来光网络的发展需求，是下一代网络优化设计的主要研究方向和热点。

发明内容

基于现有技术中存在的上述不足，本发明提供基于集成式混合交换技术的光交换机。

为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

基于集成式混合交换技术的光交换机，包括：

业务识别模块，用于识别光交换机所传输的数据业务为波长交换业务或分组交换业务；

交换模块，与业务识别模块；所述交换模块包括光波长交换子模块和光分组交换子模块，所述光波长交换子模块用于对波长交换业务进行交换传输，所述光分组交换子模块用于对分组交换业务进行交换传输；

输出业务复用模块，分别与光波长子交换模块、光分组交换子模块连接，用于将分组交换业务以时间交织的模式分插复用至波长交换业务的传输空闲部分。

作为优选方案，所述输出业务复用模块包括光耦合器和复用器，所述光耦合器分别与光波长交换子模块、光分组交换子模块连接以实现分组交换业务和波长交换业务在同一波长资源的复用传输，复用器与光耦合器连接以使光耦合器输出的不同波长复用至输出光纤。

作为优选方案，所述光波长交换子模块为低速光开关矩阵，所述光分组交换子模块为高速光开关矩阵。

作为优选方案，所述输出业务复用模块还包括光纤延迟线，所述低速光开关矩阵的输出端通过光纤延迟线接入光耦合器。

作为优选方案，所述高速光开关矩阵的输入端与业务识别模块之间设有第一波长转换器；所述高速光开关矩阵的输出端接入第二波长转换器，并通过第二波长转换器接入光耦合器。

作为优选方案，所述高速光开关矩阵与一电缓存器连接。

作为优选方案，所述光交换机还包括解复用器，一光纤的多波长信号传输至光交换机并通过解复用器传输至业务识别模块。

作为优选方案，所述光交换机为核心光交换机或边缘光交换机。

作为优选方案，当所述光交换机为边缘光交换机，所述光交换机还包括动态波长路由网络接口、IP接口、激光器阵列和光电探测器，所述动态波长路由网络接口与解复用器连接，并直接接入低速光开关矩阵的输入端；所述IP接口通过激光器阵列与高速光开关矩阵连接以实现边缘光交换机的本地业务数据的电光转换和上传，IP接口还通过光电探测器与高速光开关矩阵连接以实现边缘光交换机的本地业务数据的光电转换和下载。

作为优选方案，所述业务识别模块包括光分束器、光纤延时线、逻辑控制电路、电分路器、低速光开关和高速光开关，对于解复用器的每一个输出的独立波长，由光分束器分离出一部分功率至逻辑控制电路，逻辑控制电路完成光电信号的转换以及信号信息的读取，并根据解码获得的信号信息分别对低速光开关和高速光开关进行开关控制以使波长交换业务和分组交换业务分别传输至低速光开关矩阵和高速光开关矩阵。

本发明与现有技术相比，有益效果是：

本发明的光交换机集合了光波长交换技术和光分组交换技术的优势，同时有效避免了两者的不足，在业务到达交换节点时通过业务识别模块对传输业务进行提取识别，光波长交换业务交由光波长交换子模块进行交换传输，光分组交换业务则交由光分组交换子模块进行处理；在交换机输出端，为了实现不同的业务类型共享波长资源的思想，在波长交换业务的传输间隙分插复用数据分组业务；本发明从终端业务需求的多样性出发，对业务进行分级交换传输，并利用不同传输类型以时间交织模式共享波长资源的思想，从而在最优化支持QoS的基础上实现网络资源利用最大化。

附图说明

图1是本发明实施例的集成式混合光交换网络示意图；

图2是本发明实施例的基于集成式混合光交换技术的核心光交换机的结构示意图；

图3是本发明实施例的基于集成式混合光交换技术的边缘光交换机的结构示意图；

图4是本发明实施例的基于集成式混合光交换技术的光交换机的业务识别模块的结构示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

本发明基于集成式混合交换技术的光交换机，融合了光波长交换和光分组交互两种交换技术的优势，在满足终端业务需求多样性基础上，对光交换机所传输的业务进行分级处理和传输，利用不同传输类型以时间交织模式共享波长资源的思想，能够在极大降低成本的基础上最大化网络资源利用率和节约网络能耗。

本发明从终端业务的多样性出发，在同一交换机集合了光波长交换和光分组交换两种不同的交换子模块。根据不同交换方式的特性，将终端业务映射为两种不同的传输类型，对延时和带宽要求高的业务映射到光波长交换对应的传输类型；对延时要求低的数据业务映射到光分组交换对应的传输类型。根据数据业务对应的传输类型，在业务到达光交换机时，分别传递给不同的交换子模块进行交换传输。本发明不同于其它多粒度交换机的一个关键部分在于在交换机的输出端，适用于波长交换和分组交换的两种传输类型共享波长资源，即数据分组以时间交织的模式分插复用到波长交换业务的传输空闲部分，从而实现同一波长光路同时传输数据分组和波长业务的目的，使得光路的复用能力大幅度提高。

本发明设计了核心光交换机和边缘光交换机，分别应用于多粒度光网络的核心骨干网和边缘网络，以满足不同网络环境的不同需求。在光交换机的输入端配备业务识别模块，该模块由电处理设备和高速光开关组成，用于识别业务的传输类型，若为光波长交换业务，则传递给OXC子模块进行交换传输；若为光分组交换业务，则由OPS子模块进行交换传输。核心交换模块主要采用两种不同速率的光开关矩阵，低速光开关矩阵用于波长路由的电路级交换(即光波长交换)，高速光开关用于光分组交换。由于缺乏可实用化的光学随机存取存储设备，高速光开关矩阵配备电缓存器作为缓存设备降低因竞争而引入的丢包率；同时在光分组交换的输入端、输出端配备波长转换器，将光数据分组业务根据上层的网络协议和需求交换到任意端口的任何波长上。在交换输出端，在保证波长交换业务安全可靠传输的基础上，在光路的空闲部分分插复用数据分组，从而实现波长交换业务和数据分组业务以时间交织的模式共享同一波长资源。同时，为了降低传输数据分组时被打断的概率，在OXC子模块的每一个输出端口连接一小段光纤延迟线FDL，FDL的长度与单个数据分组的最大长度一致，使得每一个波长交换数据在输出光交换机时经历一小段延时，从而使正在传输的数据分组得到完整的传送；最终实现波长交换业务对数据分组享有非抢占式优先级的目的。

与核心光交换机相比，边缘光交换机在交换传输背景业务的基础上，还要承载本地业务的上传和释放。因此边缘光交换机同时支持波长路由网络的光接入和IP数据分组的电接入。上传本地数据分组业务时由于波长资源被占用从而可能出现冲突，可以将数据分组业务直接输送到OPS子模块的电缓存设备进行缓存处理，待光路出现空闲部分再进行数据分组的分插复用，从而在最大化波长资源利用的基础上尽可能减小数据分组的丢包率。

本发明的核心光交换机主要有业务识别模块、交换模块、输出业务复用模块。业务识别模块包含解复用器、纳秒级的高速光开关(个数由光纤个数和波长个数决定)、光分束器、FDL延时线和开关控制电路等构成。交换模块主要有交换控制电路、低速光开关阵列、高速光开关阵列、波长转换器、电缓存设备以及光电转换设备构成。业务输出复用模块则主要通过控制电路，FDL延时线，偏振控制耦合器，复用器等构成。该交换机的主要特征在于同时具有光波长路由的交换粒度和光分组粒度，并分别采用不同的资源预留方式，对于波长级传输业务，采用双向有应答的资源预留方式，只有在路径各个节点资源容许的情况下，才能够分配资源，否则拒绝接入；对于数据分组，无需进行资源预约，直接采用传统的存储-转发技术动态分配网络资源，数据分组在每个交换节点存储转发时需要排队，会引入一定的时延。由业务识别模块输出的光波长交换数据，由低速光开关矩阵组成的OXC交换阵列直接交换到输出端，由于光路已经提前预约占用不会出现业务竞争，从而不需要光缓存。对于数据分组业务，直接传递给由高速光开关组成的OPS交换阵列进行交换传输，输出端口部分配置电缓存RAM实现动态随存随取的目的。在核心光交换机的输入和输出端配置波长转换器，前者的作用时将任意输入波长转换为同一的交换机内部工作波长，后者的作用是将内部工作波长转换为输出光纤所承载的任何空闲波长。在光交换机中，不同速度光开关矩阵的应用保证了交换机同时支持不同的交换粒度，波长转换器的应用实现了业务数据从任意输入端到任意输出端的交换和传输。

边缘光交换机主要有IP接口，光接口，解复用器，激光器阵列，光开关阵列，波长转换器，电缓存设备，控制电路，偏振控制耦合器，复用器，光电转换等组成。来自输入光纤的背景业务由业务识别模块根据传输类型将业务分别传递给不同的交换子模块进行交换传输，而对于需要上传的本地数据分组业务，为了降低由于竞争(输出端的波长资源都被电路交换数据和数据分组占用)而引起的丢包率，则由激光器阵列将电信号转变为光信号直接交换传输进入到OPS配备的电缓存中，和背景业务一起等待输出波长的空闲资源，后经偏振控制耦合器复用到输出光纤的空闲波段上。在交换机的输出端，释放到本地的波长交换业务和分组数据输入到光电转换设备转换为电信号进入子网。因此和核心光交换机相比，边缘光交换机还需要在输入输出端增加用于本地业务上传和下载的相应光电器件。

本发明是基于集成式混合光交换技术的光交换机的设计，特点体现在该交换机集合了波长和分组两种交换技术的优势并有效规避了两者的不足，从业务需求多样化的角度出发，对终端业务进行分级，并将不同的传输类型通过时间交织的模式在同一波长资源上进行复用传输，从而在满足业务需求多样化的基础上实现了网络资源利用最大化。

具体地，如图1所示，为集成式混合光交换网络示意图，包括边缘光交换机1和核心光交换机2，核心光交换机2负责核心网业务的交换传递，边缘光交换机1主要负责接入点和核心网络的连接。

其中，如图2所示，核心光交换机主要由解复用器4、业务识别模块5、低速光开关矩阵6、高速光开关矩阵7、波长转换器8、电缓存器9、光耦合器10、波长复用器11、光电转换12、交换控制逻辑电路13以及小段FDL14等部分构成。输入光纤的多波长信号经解复用器4连接业务识别模块5，业务识别模块5的部分输出被提取接入12进行光电转换和业务提取识别(解码完成)，另外业务识别模块5的输出一路连接低速光开关矩阵6，另一路连接高速光开关矩阵7的输入端配备的波长转换器8，由波长转换器8转换到同一波长进行交换传输，在光开关矩阵7的输出端同样连接波长转换器8进行业务的到输出波长的传送。高速光开关阵列7需要配备电缓存器9，波长转换器8的输出和FDL14的输出经过光耦合器10复用在一起，光耦合器的输出连接复用器11。其中低速光开关矩阵6和高速光开关矩阵7以及任意波长转换器8都由交换控制电路13来控制。

核心光交换机所设计的各个部件均可采用现有技术，其中解复用器4和复用器11可以采用薄膜滤波和循环器技术或者阵列波导光栅来实现；低速光开关6和高速光开关7可以分别采用MEMS光开关和LiNbO₃光开关；波长转换器8可以采用交叉增益调制半导体光放大器和交叉相位调制半导体光放大器；电缓存器9可以使用随机存储器RAM，光耦合器10采用通常的DIP或SMD封装实现，光电转换12主要包括光电探测和信息读取，信息读取可以通过解码器来完成，交换控制电路13能够通过FPGA技术实现。

核心光交换机的具体工作原理如下：假设由两根输入光纤，每根光纤支持八个波长，低速光开关矩阵6和高速光开关矩阵7的规模都为16×16(即光纤个数与单光纤波长数的乘积)。来自输入光纤的多波长信号经解复用器4分解为单独的输入波长信道，经过业务识别模块5对波长上所传输的业务进行业务提取和识别，波长交换业务进入低速光开关矩阵6，具体的交换传递由交换控制电路13来操作，其每一个交换输出端都连接一小段FDL14(FDL的长度与最大的数据分组长度一致)，之后接入光耦合器10；经业务识别模块5分离的数据分组进入高速光开关矩阵7，其十六个输出端口直接连到波长转换器8，同时根据交换控制电路13的信令决定数据分组是否需要交换进入电缓存器9中，其中电缓存器9的大小由具体的网络负载和网络资源容量来决定，波长转换器8的输出连接光耦合器10，从而实现数据分组和电路交换业务在同一波长资源的复用传输。复用器11使不同的波长复用进输出光纤中。

本发明实施例的边缘光交换机如图3所示，主要由动态波长路由网络接口26、IP接口27、解复用器14、业务识别模块15、低速光开关矩阵16、高速光开关矩阵17、波长转换器18、电缓存器19、光耦合器20、复用器21、电光转换22、交换控制电路23、激光器阵列24、光电探测25组成。和核心光交换机的功能相比，边缘光交换机还需要增加本地业务的上传和下载功能。动态波长路由网络接口26与解复用器28相连，实现波长交换业务的接入和上传，复用器29和动态波长路由网络接口26相连实现波长交换业务的本地下载和释放；IP接口27和半导体激光器阵列24相连实现本地业务数据的电光转换和上传，光电探测25和IP接口27相连接实现业务数据的光电转换和下载。此外，上述的低速光开关矩阵16，高速光开关矩阵17，电缓存19的调度都由控制电路23同一控制。

边缘光交换机的各个部件均可采用现有技术，其中解复用器和复用器均可采用薄膜滤波和循环器技术或者阵列波导光栅来实现；低速光开关和高速光开关可以分别采用MEMS光开关和LiNbO₃光开关；波长转换器可以采用交叉增益调制半导体光放大器和交叉相位调制半导体光放大器；电缓存器可以使用随机存储器RAM，光耦合器采用通常的DIP或SMD封装实现，光电转换主要包括光电探测和信息读取，信息读取可以通过解码器来完成，半导体激光器可以采用DFB式结构或DBR式结构的半导体激光器，逻辑控制部分能够通过FPGA技术实现。

边缘光交换机的具体工作原理如下：由于边缘光交换机需要处理背景业务和本地业务两种业务类型，对于背景业务即来自于其它混合光交换机的业务，其输入光纤经过解复用器后分解为独立的波长，每一个波长所承载的波长交换业务和数据分组由业务识别模块进行提取和识别，并分别传递给低速光开关矩阵和高速光开关矩阵进行交换传输。而对于本地需要上传的业务来说，波长交换业务来自于动态波长路由网络接口即光接口，而数据分组则来自于IP网络即IP接口。从光接口来的波长级光信号经过解复用器后分解为独立的波长，直接与低速光开关矩阵的输入端相连，并直接上传到核心网中。从IP接口来的本地数据分组则通过半导体激光器阵列转换为光信号与高速光开关矩阵的输入端相连，并根据输出端波长资源的占用情况决定是否进入电缓存或是复用到输出波长信道上。低速光开关的每一个输出端都连接一小段FDL，其长度与最大数据分组的长度一致，从而实现波长交换业务对数据分组的非抢占式优先级，即当波长交换业务到达输出端时，如果数据分组正在传送，保证正在传送的数据分组不被打断而完整的传送出去。高速光开关输入端连接波长转换器，目的是使得到达的业务统一转换到固定的内部交换波长上，而输出端连接波长转换器实现数据分组业务根据空闲输出波长的情况进行任意波长的转换，波长转换器的输出和低速光开关的输出通过光耦合器实现波长交换业务和数据分组的在输出波长上的复用传输。对于本地释放和下载的业务来说，波长交换业务则由低速光开关矩阵的输出端通过复用器进行复用输出到输出光纤中，而数据分组则有高速光开关矩阵的输出端连接光电探测等光电转换设备实现光电信号的转换并连接到IP接口，实现业务的本地下载和释放。

上述核心光交换机和边缘光交换机都使用了业务识别模块，其结构示意图如图4所示，业务识别模块包含光分束器30、光纤延时线FDL31、逻辑控制电路32、电分路器33、低速光开关34以及高速光开关35等组成。其中光分束器可以通过有机聚合物材料PMMA制作Y分支结构光功能分束器完成，电分路器可以通过信号隔离器来实现，逻辑控制电路可以通过光电转换，FPGA技术实现，高速光开关通过LiNbO₃完成。业务识别模块的工作原理如下：对于解复用器的每一个输出的独立波长，由光分束器分离出一小部分功率进入到逻辑控制电路部分，逻辑控制电路完成光电信号的转换，信号信息的读取，并根据解码获得的信号信息对光开关进行开关控制，和低速光开关矩阵相连的低速光开关34默认状态为闭合，而和高速光开关连接的高速光开关35默认状态为打开状态，若业务信息读取为电路交换业务，低速光开关34都保持默认状态，若业务读取为数据分组，则开关状态发生改变，和低速光开关矩阵相连的低速光开关改为打开，和高速光开关矩阵相连的高速光开关改为闭合。

本发明的集成式光交换机解决了当前光电网络在传输和交换速率上严重不匹配的问题，有效去除了网络交换瓶颈，同时该发明主要通过成熟的光器件和部分电器件完成，有效降低了网络能耗和经济成本，为未来光网络的发展提供了一种经济可靠的方案，在未来光网络的发展中将有巨大的应用潜力。

以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.基于集成式混合交换技术的光交换机，其特征在于，包括：

业务识别模块，用于识别光交换机所传输的数据业务为波长交换业务或分组交换业务；

交换模块，与业务识别模块连接；所述交换模块包括光波长交换子模块和光分组交换子模块，所述光波长交换子模块用于对波长交换业务进行交换传输，所述光分组交换子模块用于对分组交换业务进行交换传输；

输出业务复用模块，分别与光波长子交换模块、光分组交换子模块连接，用于将分组交换业务以时间交织的模式分插复用至波长交换业务的传输空闲部分；

所述输出业务复用模块包括光耦合器和复用器，所述光耦合器分别与光波长交换子模块、光分组交换子模块连接以实现分组交换业务和波长交换业务在同一波长资源的复用传输，复用器与光耦合器连接以使光耦合器输出的不同波长复用至输出光纤。

2.根据权利要求1所述的基于集成式混合交换技术的光交换机，其特征在于，所述光波长交换子模块为低速光开关矩阵，所述光分组交换子模块为高速光开关矩阵。

3.根据权利要求2所述的基于集成式混合交换技术的光交换机，其特征在于，所述输出业务复用模块还包括光纤延迟线，所述低速光开关矩阵的输出端通过光纤延迟线接入光耦合器。

4.根据权利要求3所述的基于集成式混合交换技术的光交换机，其特征在于，所述高速光开关矩阵的输入端与业务识别模块之间设有第一波长转换器；所述高速光开关矩阵的输出端接入第二波长转换器，并通过第二波长转换器接入光耦合器。

5.根据权利要求4所述的基于集成式混合交换技术的光交换机，其特征在于，所述高速光开关矩阵与一电缓存器连接。

6.根据权利要求5所述的基于集成式混合交换技术的光交换机，其特征在于，所述光交换机还包括解复用器，一光纤的多波长信号传输至光交换机并通过解复用器传输至业务识别模块。

7.根据权利要求6所述的基于集成式混合交换技术的光交换机，其特征在于，所述光交换机为核心光交换机或边缘光交换机。

8.根据权利要求7所述的基于集成式混合交换技术的光交换机，其特征在于，当所述光交换机为边缘光交换机，所述光交换机还包括动态波长路由网络接口、IP接口、激光器阵列和光电探测，所述动态波长路由网络接口与另一解复用器连接，并直接接入低速光开关矩阵的输入端；所述IP接口通过激光器阵列与高速光开关矩阵连接以实现边缘光交换机的本地业务数据的电光转换和上传，IP接口还通过光电探测与高速光开关矩阵连接以实现边缘光交换机的本地业务数据的光电转换和下载。

9.根据权利要求6-8任一项所述的基于集成式混合交换技术的光交换机，其特征在于，所述业务识别模块包括光分束器、光纤延时线、逻辑控制电路、电分路器、低速光开关和高速光开关，对于解复用器的每一个输出的独立波长，由光分束器分离出一部分功率至逻辑控制电路，逻辑控制电路完成光电信号的转换以及信号信息的读取，并根据解码获得的信号信息分别对低速光开关和高速光开关进行开关控制以使波长交换业务和分组交换业务分别传输至低速光开关矩阵和高速光开关矩阵。

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