CN1102244C

CN1102244C - 一种光交换结构

Info

Publication number: CN1102244C
Application number: CN00129963A
Authority: CN
Inventors: 戚文芽; 唐健; 邬江兴
Original assignee: NATIONAL DIGITAL SWITCH SYSTEM ENGINEERING TECHNOLOGY RESEARCH CENTER
Current assignee: NATIONAL DIGITAL SWITCH SYSTEM ENGINEERING TECHNOLOGY RESEARCH CENTER
Priority date: 2000-10-16
Filing date: 2000-10-16
Publication date: 2003-02-26
Anticipated expiration: 2020-10-16
Also published as: CN1287279A

Abstract

本发明公开了一种光交换结构，该交换结构包括光发送器件，光功率分配器，光接收器件和连接光纤，其中光功率分配器的输入端通过一根光纤与相应交换结构接入端口的光发送电路相连，光功率分配器的N个输出端通过N根光纤分别与N个输出端口相应的光接收电路相连。本发明的交换结构消除了输出端口冲突和队头阻塞以及接入端口的热插拔问题，并且交换结构的端口规模可以灵活扩充。

Description

一种光交换结构

本发明涉及数字通信系统中的光交换结构。

目前。对于各类典型交换结构，如共享总线式(Shared Bus)交换结构，共享内存(Shared_Memory)式交换结构，本延(Bayan)交换结构等，都存在队头阻塞问题。例如，对于规模为N×N的交换结构，当其内部端-端传输速度小于端口线速率的N倍，到达N个不同输入端口的分组又同时要求被交换到同一个输出端口去，这时就不可避免地会产生输出端口冲突。在G(10⁶bps)比特级端口线速率下，以内部N倍加速实现各类典型交换结构无阻塞交换，实现非常困难。因此，在不采用内部N倍加速的方法的前提下，为了防止因输出端口冲突造成数据分组丢失，避免输出端口冲突，需要在各输入端口设置缓冲队列。但是这样做带来了另一个问题，在同一输入端口缓冲队列中排队的分组，可能是要求去往不同的输出端口的，设出现在队列之首的分组P1要求被交换到第n号输出端口去，设出现在队列之二的分组P2要求被交换到第(n-1)号输出端口去，在P1分组要求被交换到第n号输出端口去的同时，其它输入端口缓冲队列中排队的分组Q1正在被交换到第n号输出端口，P1分组必须至少等待到Q1分组交换完毕，于是，虽然分组P2要求被交换到第(n-1)号输出端口去，而且第(n-1)号输出端口目前处于空闲状态，但是由于P1分组必须至少等待到Q1分组交换完毕，所以P2分组由于队头P1分组不能马上被交换而必须至少等待到Q1分组交换完毕，这样就产生了缓冲队列的队头阻塞。队头阻塞会影响整个交换结构的吞吐量和数据分组在缓冲队列中的排队时延，是影响整个交换结构性能参数的主要因素。

因此，理论上，为了彻底消除输出端口冲突和解决队头阻塞问题，交换结构内部的交换速度必须为端口线速率的N倍。在G比特级端口线速率下，考虑到以内部N倍加速实现各类典型交换结构无阻塞交换，实现上的难度非常大，各类型交换结构很难彻底消除输出端口冲突和解决队头阻塞问题。

针对上述现有技术的问题，本发明的目的就是要提供一种光交换结构，使用该交换结构能克服交换结构的输出端口冲突和队头阻塞问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种光交换结构，该交换结构包括M套光发送器件，M套1∶N光功率分配器，M*N套光接收器件和M+M*N根光纤，每一个输入端口对应一个光发送电路和一个1∶N的光功率分配器，光功率分配器的输入端通过一根光纤与相应交换结构接入端口的光发送电路相连，光功率分配器的N个输出端通过N根光纤分别与N个输出端口相应的光接收电路相连，从而构建一个M*N的光交换结构。

上述M套1∶N光功率分配器，其中M和N由实际需要的容量决定。

由上述本发明采用的技术方案可以看出，本发明的优点在于以下几个方面：

(1)由于本发明将光功率分配器的输入端通过一根光纤与相应交换结构接入端口的光发送电路相连，光功率分配器的N个输出端通过N根光纤分别与N个输出端口相应的光接收电路相连，使得本发明的交换结构既无内部阻塞也无输出端口冲突，交换结构等效为全通型网络，彻底消除了输出端口冲突和队头阻塞问题，端口输入和端口输出的速率相同。

(2)由于本发明采用光的方式，避免了高速电连接可能产生的反射、串扰、阻抗连续性、匹配和高速时钟同步等一系列难以把握的电磁兼容性问题，可以很方便地解决接入端口的热插拔问题，实现端口的在线维护和在线扩充。

(3)由于本采用交换结构的端口规模数M和N可以根据实际需要进行灵活调整，因此交换结构的端口规模可以灵活扩充。进而通过扩充端口规模数扩充交换容量或选用传输带宽更宽的光发送器件和接收器件，易于实现交换总容量的线性扩充，便于交换结构内部的冗余备份。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

图1是本发明的交换结构外部端口示意图；

图2是本发明的交换结构内部原理示意图；

图3是本发明的第一个实施例示意图；

图4是本发明的第二个实施例示意图。

本发明是一个具有M个光输入端口和N组M个光输出的交换结构，同光发送电路，光接收电路，过滤接收模块和输出调度模块配合使用，对外呈现出一个M*N的交换结构。参考附图1，到达P1号输入端口上待交换的数据分组，其中P1＝1，2，…，M，携带目的输出端口号信息，经过本发明后，同时出现在每一组光输出的第P1号光输出端口上，由该组外加的过滤接收模块依据数据分组携带的目的输出端口号信息，同时对来自M路输入的数据流进行过滤接收，丢弃目的输出端口号不等于该组号的数据分组，接收目的输出端口号等于该组号的数据分组。在一定的调度策略下，汇聚成一个输出端口数据流。

本发明的具体实现过程如下：使用M套光发送器件，M套1∶N光功率分配器，M*N套光接收器件和M+M*N根光纤，每一个输入端口对应一个光发送电路和一个1∶N的光功率分配器，光功率分配器的输入端通过一根光纤与相应交换结构接入端口的光发送电路相连，光功率分配器的N个输出端通过N根光纤分别与N个输出端口相应的光接收电路相连，从而构建一个M*N的光交换结构。

对于上述M套1∶N光功率分配器，其中M和N由实际需要的容量决定。

光交换结构的数据传输，对于来自交换结构任一输入端的速率为W的数据流，在进行电、光转换前，在每一个数据分组的前面增加一个内部标签，标识该分组的输出端口，数据分组通过各自独立的光总线以广播方式或组播方式分别传输至N个输出端口的光接收电路，各输出端口的光接收电路对来自交换结构M个输入端口的数据流的光信号进行接收，并由各输出端口独立地平行地根据数据分组中的内部输出端口号对数据流实现过滤接收。

本发明支持广播和组播。本发明的总线结构使得出现在每一个输入端口i的数据分组都同时会出现在每一个输出端口的第i条光纤上，交换结构本身是以广播方式实现传输的，如果数据分组携带广播地址，由过滤接收模块对该广播地址进行识别，不仅接收目的端口号是本输出端口号的数据分组，而且接收目的端口号是广播地址的数据分组，从而实现广播。对于组播的实现，首先由支持组播的服务器把当前组播地址写入过滤接收模块，由过滤接收模块对组播地址进行识别，在接收目的端口号是本输出端口号和目的端口号是广播地址的数据分组的同时，接收目的端口号是应该接收的组播地址的数据分组，从而实现组播。

参考图2，端口规模数M和N可以根据实际需要进行灵活调整，如果选用1∶16的光功率分配器，M个光功率分配器就可以构建交换规模为M*2至M*16的交换结构；如果选用1∶32的光功率分配器，M个光功率分配器就可以构建交换规模为M*2至M*32的交换结构。如果选用1∶8的光功率分配器，通过级联4个1∶8的光功率分配器首先可以获得一个等效为1∶32的光功率分配器，则4*M个光功率分配器也可以构建交换规模为M*2至M*32的交换结构。由此可以看到，交换结构的端口规模可以灵活扩充。

另外，交换结构的交换容量可以灵活扩充。交换容量的扩充由2种独立的途径可以实现，首先是通过扩充端口规模数扩充交换容量。设光发送器件和接收器件的传输带宽为2.5Gbps，如果选用1∶16的光功率分配器，通过扩充端口规模数，即从2*2扩充至16*16，交换容量可以从5Gbps线性扩充到80Gbps；如果选用1∶32的光功率分配器，通过扩充端口规模数，即从2*2扩充至32*32，交换容量可以从5Gbps线性扩充到160Gbps；扩充交换容量的另一途径是选用传输带宽更宽的光发送器件和接收器件，随着光器件性能的提高，设光发送器件和接收器件的传输带宽为10GBps，如果选用1∶16的光功率分配器，端口规模数在2*2至16*16的交换结构，交换容量对应为20Gbps到3200Gbps。

所以，基于本发明的交换结构易于实现无级的模块化扩充。而且，随着光器件性能的提高和价格的降低，本发明的交换结构可以很方便地实现内部交换速度的平滑升级，从而提高系统的总交换容量。

由于交换结构与各接入端口之间均是光纤连接，因此可以很方便地解决接入端口的热插拔问题，实现在线维护和端口的在线扩充，因为光纤的插拔同电连线的插拔不同，不会造成电压或电流的突变，不会给系统带来破坏性损伤，所以光纤连接的热插拔是安全的；而且采用1∶16(或1∶32)的光功率分配器能够实现n+X冗余备份。设需要设计的交换结构要求有M*N的端口规模(N＜16)，这M套光功率分配器每套16路中只要有N路信号正常，系统就可以正常工作，16路中有(16-N)路可以作为该套光功率分配器N路信号的冗余备份，N路信号中任意一路信号不能正常工作，马上可以把连接光纤拔插到(16-N)路中任意一路。

下面通过具体的实施例说明使用本发明所需要的器件个数：假设构建一个64*64的交换结构，如果选用1∶16的光功率分配器，则需要光功率分配器256个，需要光纤(64*4+64*64＝4352)根，光发送器件256套，光接收器件4096套；如果选用1∶32的光功率分配器，则需要光功率分配器128个，需要光纤(64*2+64*64＝4224)根，光发送器件128套，光接收器件4096套；如果选用1∶8的光功率分配器，则需要光功率分配器512个，需要光纤(64*8+64*64＝4608)根，光发送器件512套，光接收器件4096套。

本发明以光总线为基础，能无阻塞地实现各输入端口间数据的线速度交换，可应用于各种定长，变长的数据交换场合，可作为交换式IP路由器和局域网交换机等的内部交换结构。

参考图3。图3是本发明用1∶8光功率分配器构建的IP路由器内部8*8规模的交换结构，同IP路由器其它的4个模块，即光发送电路，光接收电路，过滤接收模块和输出调度模块一起，共同完成交换式IP路由器内部IP分组的交换。

本例采用1∶8的光功率分配器构成，需要光功率分配器8个，需要光纤(8*1+8*8)72根，光发送器件8套，光接收器件64套。每一个到达n(n＝1，2，...，8)号光发送电路的数据分组携带的目的输出端口号信息，被转换为光信号送入与之相连的光纤上，经过相应的光功率分配器，由于光功率分配器的8个输出分支通过8个光纤分别与8个输出端口的光接收电路相连，因此，该数据分组同时以广播方式被分别送至每一个输出端口的第n号光纤上，所有输出端口外加的过滤接收模块依据数据分组携带的目的输出端口号信息，独立地平行地对来自8个输入端口的数据流进行过滤接收，丢弃目的输出端口号不等于该输出端口号的数据分组，接收目的输出端口号等于该输出端口号的数据分组。在一定的调度策略下，汇聚成一个输出端口数据流。

参考图4，本例采用1∶4的光功率分配器构成建IP路由器内部8*8规模的交换结构，需要光功率分配器16个，需要光纤(8*2+8*8)80根，光发送器件16套，光接收器件64套。每一个输入端口对应2个光发送电路，2个1∶4的光功率分配器，理论上这2个光发送电路和2个1∶4光功率分配器接收相同的数据流，并进行相同的处理，其作用相当于附图3中一个光发送电路和1个1∶8光功率分配器。每一个到达n号输入端口的数据分组携带的目的输出端口号信息，其中n＝1，2，...，8，被复制成2份，同时送到2个相同的光发送电路，被转换为光信号后送入与之相连的光纤上，经过相应的光功率分配器，由于光功率分配器的4个输出分支通过4个光纤分别与4个输出端口的光接收电路相连，因此，该数据分组同时以广播方式被分别送至1-4号，或5-8号输出端口的第n号光纤上，所有输出端口外加的过滤接收模块依据数据分组携带的目的输出端口号信息，独立地平行地对来自8个输入端口的数据流进行过滤接收，丢弃目的输出端口号不等于该输出端口号的数据分组，接收目的输出端口号等于该输出端口号的数据分组。在一定的调度策略下，汇聚成一个输出端口数据流。

Claims

1、一种光交换结构，其特征在于：该交换结构包括M套光发送器件，M套1∶N光功率分配器，M*N套光接收器件和M+M*N根光纤，每一个输入端口对应一个光发送电路和一个1∶N的光功率分配器，光功率分配器的输入端通过一根光纤与相应交换结构接入端口的光发送电路相连，光功率分配器的N个输出端通过N根光纤分别与N个输出端口相应的光接收电路相连，从而构建一个M*N的光交换结构。

2、根据权利要求1所述的光交换结构，其特征在于：所述M套1∶N光功率分配器，其中M和N由实际需要的容量决定。