CN116015527A - 一种基于wdm光电混合的光互联网络系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于WDM光电混合的光互联网络系统，将接收光信号通过光接收端口解复用成两部分，一路光信号传输至电交换控制模块，通过光电转换成数字电信号进行处理，处理后通过电光转换为光信号；剩余光信号传输至光交换控制模块通过光开关进行波长交换；光开关的配置由本地资源模块中路由配置寄存器决定；路由配置寄存器通过电交换控制模块中读取到路由配置数据包，读取数据包中的配置信息进行路由配置，然后光发送端口重新将多路光信号通过波分复用技术复用为一路光信号进行传输。
Description
技术领域
本发明属于光通信技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于WDM光电混合的光互联网络系统。
背景技术
近年来，随着通信网络的发展使得通信网络数据量不断增加，高速的数据传输系统成为通信网络的发展趋势。从通信网络传输介质来看，传统的通信网络大都基于电介质进行传输，从通信网络架构来看，传统的通信网络大都基于总线型，星型等网络架构，这种网络结构简单，使用方便，但是存在可拓展性差，传输容量低，传输速度慢，易干扰等特点，不利于现在通信技术的发展。
国外在上世纪八十年代就提出用光纤作为传输介质，相比与传统的电缆介质，光纤不但拥有良好的抗电磁干扰性能，而且具有传输距离远，信号带宽大等特点，同时光传输技术，特别是光波分复用(Wavelength Division Multiplexing,WDM)技术的成熟，使得多个数据链路可以整合到单根光纤上进行传输，能显著提高信道容量。但由于目前技术，无法对光进行存储，没办法像电传输一样简单进行路由交换，信号再生等操作，制约了光互联网络的发展。
而针对光互联中的交换方案，目前主要采用电交换、光分支器和光交换三种交换方案，其中，在电交换方案中，节点连接链路采用波分复用光纤传输，节点内部经过波分解复用和光电转换后，采用电子交换芯片进行数据的端口交换，再经过电光转换后，经过波分复用器输出。电交换方案具有技术成熟、实现简单和工作灵活等优点，但也引进了光电转换流程，这样使时延增加，随着网络规模增大，节点增加，总的时延增加。在光分支器方案中，通过光无源器件(光分支器)将所有信号广播到每个节点，由各节点自行选择接收属于本节点的信号。同时，光分支器(反向光传输)作为光耦合器实现多路信号汇聚功能，实现了光广播及组播功能，且简单易行；但光分支器一旦设定后，难以更换配置，导致连接方式固定，网络不灵活，同时由于光分支器广播会导致光功率下降，在没有光放大器的情况下，限制网络规模。在光交换方案中，基于光交换的节点方案，是采用光交换芯片，对节点端口之间的光信号不经过光电转换，直接进行可控的连接，可解决电交换时延大和光分支器不可调的问题。通过光交换，将光信号直接连接到对应的输出端口，经过节点的时延为传输时延，可忽略不计。光交换可通过控制信号配置端口连接关系，避免了光分支器连接关系固定的问题。各端口输入的信号经过波分解复用器后分解到不同波长，在经过光交换芯片实现对各波长的端口连接关系，完成交换后，各波长再经过波分复用器复用后从端口输出。该方案具有时延小、传输无需转换、并通过对光芯片配置可以实现不同的交换场景等优点。但目前光芯片主要实现光端口交换，不支持广播和组播功能，同时波分复用器、光交换芯片以及光接口不可避免的带来光功率损耗，导致每经过一个节点光功率下降，在没有光放大器情况下，限制了传输的节点数和网络规模。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于WDM光电混合的光互联网络系统，利用WDM技术实现单纤多波长光互联数据传输，提高通信链路带宽，降低通信干扰，提高通信速率；使用光交换技术实现光多端口的交叉互换，提高了网络的通信效率；通过光电混合技术解决光交换中无法存储和广播、组播困难问题。
为实现上述发明目的，本发明一种基于WDM光电混合的光互联网络系统，其特征在于，包括：连接支持波分解复用的光接收端口和支持波分复用的光发送端口的电交换控制模块、本地资源模块和光交换控制模块；
所述光接收端口用于接收包含有N个波长的光信号，每个光接收端口将光信号解复用成N个波长信号，其中一个波长信号发送至电交换控制模块，其余N-1组波长信号发送至光交换控制模块；
所述电交换控制模块包括光电转换模块、任务模块、资源调度模块和电光转换模块；
每一个光电转换模块接收对应光接收端口发送的光信号，并将其转换为电信号，然后以数据帧的形式传输给对应任务模块，任务模块读取数据帧中的目的节点ID，然后判断目的节点ID与本地资源模块中节点基本信息寄存器储存的节点ID是否相同，如果相同，则启动本地接受数据帧，如果不相同，则直接转发数据帧；
当任务模块转发数据帧时，任务模块不对数据帧进行处理，数据帧直接转发至资源调度模块；
当任务模块启动本地接受数据帧时，任务模块先读取数据帧中的命令字，再根据命令字中的指令进行对应的应答处理：
如果命令字中的指令为状态查询指令时，任务模块根据指令中需要查询的对象及查询条件进行查询，然后将查询结果作为数据部分，将本地节点ID设置为源地址，将发出查询指令的节点ID设置为目的地址，再添加新的帧头和功能指令后组成新的数据帧，并发送给资源调度模块；
如果命令字中的指令为数据配置指令时，任务模块读取数据帧中的数据部分，然后将数据部分配置给指令中需要配置的对象，配置完成后，将本地节点ID设置为源地址，将发出配置指令的节点ID设置为目的地址，再添加新的帧头和功能指令后组成新的数据帧，发送给资源调度模块；
资源调度模块接收各个数据帧，然后读取各个数据帧的功能指令，提取功能指令中的权值和数据帧来源的端口号，以权值优先和端口轮询的方式将各个数据帧调度至对应的输出端口，然后通过对应端口的电光转换模块转换为光信号，并传输至光发送端口；
所述光交换控制模块由N-1组光开关组成，用于完成光接收端口中其余N-1组波长信号的波长交换；其余N-1组波长信号按照波长的不同，分别将不同波长的光信号输送至对应波长的光开关，然后通过本地资源模块中路由配置寄存器中的数据对各组光开关的端口交换模式进行配置，并根据配置结果分配输入端口和输出端口一一对应的连接关系，最后通过光开关将交换后光信号输送至光发送端口；
所述光发送端口将N组波长信号复用为一组光信号并发送。
本发明的发明目的是这样实现的：
本发明一种基于WDM光电混合的光互联网络系统，将接收光信号通过光接收端口解复用成两部分，一路光信号传输至电交换控制模块，通过光电转换成数字电信号进行处理，处理后通过电光转换为光信号；剩余光信号传输至光交换控制模块通过光开关进行波长交换；光开关的配置由本地资源模块中路由配置寄存器决定；路由配置寄存器通过电交换控制模块中读取到路由配置数据包，读取数据包中的配置信息进行路由配置，然后光发送端口重新将多路光信号通过波分复用技术复用为一路光信号进行传输。
同时，本发明一种基于WDM光电混合的光互联网络系统还具有以下有益效果：
(1)、本发明通过使用WDM技术实现了单纤多波长光信号传输，提高了通信带宽，降低通信时延。
(2)、节点使用光开关进行光交换，时延小，传输无需转换，通过对光芯片配置可以实现不同的交换场景。
(3)、本发明使用了光电转换技术，解决了传统光网络中，光信号无法储存以及光交换中组播和广播困难问题，提高了节点间的通信和控制效率。
(4)、节点结构可以根据不同的网络规模和网络需求进行调整，使得网络的组合更加灵活，同时网络中使用相同的节点设计，当节点出现故障时可以直接更换网络节点，简化维护流程，进一步提高网络的性能。
附图说明
图1是节点的波长路由原理图；
图2是本发明基于WDM光电混合的光互联网络系统一种具体实施方式架构图；
图3是电交换控制模块的结构示意图；
图4是资源调度模块的结构示意图；
图5是本地资源模块的结构示意图；
图6是光交换控制模块的结构示意图；
图7是节点光传输层面的端口示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
实施例
图2是本发明基于WDM光电混合的光互联网络系统一种具体实施方式架构图。
在光互连网络的工作中，将工作信号分为两种，一种是网络的控制信号，这类信号特点是数据量小，对时延要求不敏感，传输距离短，但是存在广播和组播的要求。另一种是数据量大的消息信号，这列信号特点是数据量大，对时延要求高。
针对数据量大的信号，采用波长路由的方式实现互联网络中各节点的连接。在波长路由的方案中，节点需要支持多端口间的波长交换，对于每个波长都具有独立的输入输出端口连接需求。因此，将每个波长作为一个交换平面，采用一个光开关实现该波长平面的端口交换连接要求，如图1所示，每个波长平面的交换相互独立。
在本实施例中，如图2所示，我们以4波长波分复用为例，图中共有4组光发送端口和光接收端口，在光发送端口和光接收端口间连接有电交换控制模块、本地资源模块和光交换控制模块；
光接收端口用于接收包含有4个波长(λ1～λ4)的光信号，每个光接收端口将光信号解复用成4个波长信号，其中一个波长为λ1信号发送至电交换控制模块，其余3组波长信号发送至光交换控制模块；
电交换控制模块包括光电转换模块、任务模块、资源调度模块和电光转换模块，如图3所示，在本实施例中，光电转换模块、任务模块和电光转换模块与光发送端口和光接收端口数量一致，这样每个端口都有单独的任务模块进行任务处理；
每一个光电转换模块接收对应光接收端口发送的光信号，并将其转换为电信号，然后以数据帧的形式传输给对应任务模块，数据帧的帧结构为：帧头(64bit)+数据部分(N×8bit)；帧头具体结构为：源节点ID(8bit)+目的节点ID(8bit)+帧长(16bit)+命令字(16bit)+功能指令(16bit)。
任务模块进行任务处理主要分为两种：本地接受数据帧和转发数据帧，因此每一个任务模块接收到数据帧后先读取数据帧中的目的节点ID，然后判断目的节点ID与本地资源模块中节点基本信息寄存器储存的节点ID是否相同，如果相同，则启动本地接受数据帧，如果不相同，则直接转发数据帧；
当任务模块转发数据帧时，任务模块不对数据帧进行处理，数据帧直接转发至资源调度模块，由资源调度模块进行下一步的处理；
当任务模块启动本地接受数据帧时，任务模块先读取数据帧中的命令字，再根据命令字中的指令进行对应的应答处理：
如果命令字中的指令为状态查询指令时，任务模块根据指令中需要查询的对象及查询条件进行查询，查询对象为网络模型中各个节点，查询条件具体如：节点状态查询，节点路由配置查询，邻接节点周期挥手等，然后将查询结果作为数据部分，将本地节点ID设置为源地址，将发出查询指令的节点ID设置为目的地址，再添加新的帧头和功能指令后组成新的数据帧，并发送给资源调度模块；
如果命令字中的指令为数据配置指令时，任务模块读取数据帧中的数据部分，然后将数据部分配置给指令中需要配置的对象，配置完成后，将本地节点ID设置为源地址，将发出配置指令的节点ID设置为目的地址，再添加新的帧头和功能指令后组成新的数据帧，发送给资源调度模块；
如图4所示，资源调度模块接收各个数据帧并按照先入先出的模式缓存，然后读取各个数据帧的功能指令，提取功能指令中的权值和数据帧来源的端口号，以权值优先和端口轮询的方式将各个数据帧调度至对应的输出端口，然后通过对应端口的电光转换模块转换为光信号，并传输至光发送端口；
在本实施例中，我们结合图2，以4波长波分复用为例，对多数据帧进行调度的过程进行描述：
(1)、多端口数据调度；
每个任务子模块对接收到的数据帧按照先入先出模式进行缓存，然后读取数据帧中功能指令，提取权值并按照从大到小的顺序排列，最后按照权值优先的方式调度缓存中权值最大的数据帧至输出端口；对应权值相同的数据帧，则按照端口号从小到大的顺序依次进行对当前权值最大的数据帧进行调度；
(2)、选择输出端口
设置当前节点所在二维位置的坐标为(X1，Y1)，目的节点所在二维位置的坐标为(X2，Y2)；首先判断X方向，当X1>X2，选择4端口为输出端口；当X1＜X2，选择2端口为输出端口；当X1＝X2时，继续判断Y方向，当Y1>Y2，选择3端口为输出端口；当Y1＜Y2，选择1端口为输出端口；当Y1＝Y2，此时，则当前节点等为目的节点，结束。
如图5所示，本地资源模块设置有储存的节点ID的节点基本信息寄存器和存储有路由配置信息的路由配置寄存器；
如图6所示，光交换控制模块由3组光开关组成，用于完成光接收端口中3组波长(λ2～λ4)信号的波长交换；其余3组波长信号按照波长的不同，分别将不同波长的光信号输送至对应波长的光开关，然后通过本地资源模块中路由配置寄存器中的路由配置信息对各组光开关的端口交换模式进行路由配置，并根据配置结果分配输入端口和输出端口一一对应的连接关系，最后通过光开关将交换后光信号输送至光发送端口；
在本实施例中，以图2所示的4波长波分复用为例，每个节点需要支持4个端口的波长交换，如图7所示，分别为1端口(上方向)、2端口(右方向)、3端口(下方向)、4端口(左方向)。4个互连端口输入光纤首先经过波分解复用器分离出各波长信号，之后将4个输入端口相同的波长信号连接到一个4×4的光开关的输入端。4×4的光开关的4个输出端分别连接4个输出端口的波分复用器。通过本地资源模块中的配置，可以更改各光开关的交换状态，实现不同的端口交换配置。
最后光发送端口将4组波长信号复用为一组光信号并发送。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (2)
1.一种基于WDM光电混合的光互联网络系统，其特征在于，包括：连接支持波分解复用的光接收端口和支持波分复用的光发送端口的电交换控制模块、本地资源模块和光交换控制模块；
所述光接收端口用于接收包含有N个波长的光信号，每个光接收端口将光信号解复用成N个波长信号，其中一个波长信号发送至电交换控制模块，其余N-1组波长信号发送至光交换控制模块；
所述电交换控制模块包括光电转换模块、任务模块、资源调度模块和电光转换模块；
每一个光电转换模块接收对应光接收端口发送的光信号，并将其转换为电信号，然后以数据帧的形式传输给对应任务模块，任务模块读取数据帧中的目的节点ID，然后判断目的节点ID与本地资源模块中节点基本信息寄存器储存的节点ID是否相同，如果相同，则启动本地接受数据帧，如果不相同，则直接转发数据帧；
当任务模块转发数据帧时，任务模块不对数据帧进行处理，数据帧直接转发至资源调度模块；
当任务模块启动本地接受数据帧时，任务模块先读取数据帧中的命令字，再根据命令字中的指令进行对应的应答处理：
如果命令字中的指令为状态查询指令时，任务模块根据指令中需要查询的对象及查询条件进行查询，然后将查询结果作为数据部分，将本地节点ID设置为源地址，将发出查询指令的节点ID设置为目的地址，再添加新的帧头和功能指令后组成新的数据帧，并发送给资源调度模块；
如果命令字中的指令为数据配置指令时，任务模块读取数据帧中的数据部分，然后将数据部分配置给指令中需要配置的对象，配置完成后，将本地节点ID设置为源地址，将发出配置指令的节点ID设置为目的地址，再添加新的帧头和功能指令后组成新的数据帧，发送给资源调度模块；
资源调度模块接收各个数据帧，然后读取各个数据帧的功能指令，提取功能指令中的权值和数据帧来源的端口号，以权值优先和端口轮询的方式将各个数据帧调度至对应的输出端口，然后通过对应端口的电光转换模块转换为光信号，并传输至光发送端口；
所述光交换控制模块由N-1组光开关组成，用于完成光接收端口中其余N-1组波长信号的波长交换；其余N-1组波长信号按照波长的不同，分别将不同波长的光信号输送至对应波长的光开关，然后通过本地资源模块中路由配置寄存器中的路由配置信息对各组光开关的端口交换模式进行路由配置，并根据配置结果分配输入端口和输出端口一一对应的连接关系，最后通过光开关将交换后光信号输送至光发送端口；
所述光发送端口将N组波长信号复用为一组光信号并发送。
2.根据权利要求1所述的基于WDM光电混合的光互联网络系统，其特征在于，所述数据帧的帧结构为：帧头+数据部分；其中，帧头具体结构为：源节点ID+目的节点ID+帧长+命令字+功能指令。
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