CN116846530A - 基于全网时钟频率同步的光交换网络、数据发送及接收方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于全网时钟频率同步的光交换网络、数据发送及接收方法，基于全局网络控制器提供全网物理层的时钟同步，实现网络内的全部节点工作在同一时钟频率上，借助统一的时钟频率驱动的发送端和接收端，保证接收端接收到的信号所包含的时钟频率信息和接收端驱动时钟数据恢复的时钟频率信息在较小的偏差范围内，以实现在时钟数据恢复过程中极大缩减了所需的锁定时间，进而保证了频率恢复时间的缩减，实现了快速CDR。不需要在器件层进行耗费巨大的改动和设计，不需要部署高成本的模块，极大节约了成本。

Description

基于全网时钟频率同步的光交换网络、数据发送及接收方法

技术领域

本发明涉及数据通信技术领域，尤其涉及一种基于全网时钟频率同步的光交换网络、数据发送及接收方法。

背景技术

随着5G、元宇宙、云服务等应用服务的快速发展，数据中心内的光交换网络需要承载的流量呈指数上升，这对光交换网络提出了更高带宽和更高吞吐量的要求。目前广泛应用的以时分复用进行通信的模式来说，高吞吐量的要求给数据中心光交换网络提出了新的挑战：需要提高带宽利用率。然而，在接收端完成CDR(clock and data recovery，时钟数据恢复)过程之前，数据并不会被正确接收。

和电交换不同，光交换中每次发生切换时都会创建新的瞬时物理光链路，接收端所接收到的数据会有不同的频率和相位。这会导致在接收端需要很长的CDR时间来恢复正确的数据。过长的CDR时间会导致光包的头部中需要预留更多的字节来用于正确的数据接收，极大降低带宽利用率。

为了提高吞吐量，减少CDR过程消耗的时间，现有广泛应用的实现快速CDR的方法是突发模式接收机(Burst-mode receiver)，突发模式接收机实现快速CDR主要分为3类：1.基于锁相环的快速接收；2.基于过采样技术的快速接收；3.基于压控振荡器的快速接收。突发模式接收机需要在每一个接收端都部署相应的器件，部署成本高，这使得广泛应用的光接入网、光交换网络的成本优势被相应减少。同时，由于DSP技术(数字信号处理技术)的限制，突发模式接收机的速率提高遇到了瓶颈，无法支持25Gbps以上的速率。

为了实现带宽利用率的提高，保证传输速率，进而获得更高的吞吐量，快速CDR是光交换网络亟待解决的问题。

发明内容

鉴于此，本发明实施例提供了一种基于全网时钟频率同步的光交换网络、数据发送及接收方法，以消除或改善现有技术中存在的一个或更多个缺陷，解决现有光通信网络中时钟数据恢复过长导致的带宽利用率低、吞吐量低的问题。

一方面，本发明提供一种基于全网时钟频率同步的光交换网络，包括：

全局网络控制器，用于提供参考时钟；

多个网络节点，每个网络节点包括同步接收端、锁相环、受控接收端和受控发送端；所述同步接收端连接所述全局网络控制器，所述同步接收端的第一时钟数据恢复模块对接收到的参考时钟做时钟数据恢复并输入所述锁相环执行时钟分配，得到本地的锁定时钟，各网络节点的所述本地锁定时钟用于驱动对应的所述受控发送端执行数据发送；

光交换机，连接各网络节点的所述受控接收端和所述受控发送端执行数据传输；

其中，各网络节点的所述受控接收端在接收到其他网络节点的数据时，基于本地的锁定时钟驱动，利用所述受控接收端的第二时钟数据恢复模块执行时钟数据恢复，得到正确数据。

在一些实施例中，所述锁相环包括依次连接的相位频率鉴别器、低通滤波器和压控振荡器，所述压控振荡器的输出分为两路，一路用于反馈至所述相位比较器进行反馈比较，另一路作为本地的锁定时钟，驱动所述受控接收端和所述受控发送端的数据传输。

在一些实施例中，所述压控振荡器为SiT3327型压控差分振荡器。

在一些实施例中，所述网络节点还设有寄存器，以记录执行时钟数据恢复的处理时长并生成日志。

在一些实施例中，所述全局网络控制器还用于获取所述日志，查询各网络节点中所述第二时钟数据恢复模块执行时钟数据恢复的处理时长，根据所有网络节点中所述第二时钟数据恢复模块对应处理时长的异常状态生成告警提示。

在一些实施例中，所述全局网络控制器用于执行如下操作：当存在至少第一数量或第一设定比例所述受控接收端的处理时长大于等于设定值时，生成告警提示。

另一方面，本发明还提供一种基于全网时钟频率同步的数据发送方法，所述方法用于在上述的基于全网时钟频率同步的光交换网络的第一网络节点上执行，该方法包括以下步骤：

通过同步接收端接收全局网络控制器的参考时钟，并由所述同步接收端对所述参考时钟做时钟数据恢复后，输入所述第一网络节点的锁相环得到所述第一网络节点本地的锁定时钟；

利用所述锁定时钟驱动所述受控发送端向指定网络节点执行数据传输。

另一方面，本发明还提供一种基于全网时钟频率同步的数据接收方法，所述方法用于在上述的基于全网时钟频率同步的光交换网络的第二网络节点上执行，该方法包括以下步骤：

通过同步接收端接收全局网络控制器的参考时钟，并由所述同步接收端对所述参考时钟做时钟数据恢复，并输入所述第二网络节点的锁相环得到所述第二网络节点本地的锁定时钟；

通过受控接收端接收指定网络节点发送的数据，并基于所述锁定时钟驱动执行时钟数据恢复，得到正确数据。

在一些实施例中，所述方法还包括：记录所述受控接收端执行时钟数据恢复的处理时长并生成日志，将所述日志记录在寄存器中。

在一些实施例中，所述方法还包括：按照指定间隔时长获取所述寄存器中的所述日志并发送至全局网络控制器，所述全局网络控制器查询各网络节点执行时钟数据恢复的处理时长，当存在至少第一数量或第一设定比例所述网络节点的处理时长大于等于设定值时，生成告警提示。

本发明的有益效果至少是：

本发明所述基于全网时钟频率同步的光交换网络、数据发送及接收方法，基于全局网络控制器提供全网物理层的时钟同步，实现网络内的全部节点工作在同一时钟频率上，借助统一的时钟频率驱动的发送端和接收端，保证接收端接收到的信号所包含的时钟频率信息和接收端驱动时钟数据恢复的时钟频率信息在较小的偏差范围内，以实现在时钟数据恢复过程中极大缩减了所需的锁定时间，进而保证了频率恢复时间的缩减，实现了快速CDR。不需要在器件层进行耗费巨大的改动和设计，不需要部署高成本的模块，极大节约了成本。

本发明的附加优点、目的，以及特征将在下面的描述中将部分地加以阐述，且将对于本领域普通技术人员在研究下文后部分地变得明显，或者可以根据本发明的实践而获知。本发明的目的和其它优点可以通过在说明书以及附图中具体指出的结构实现到并获得。

本领域技术人员将会理解的是，能够用本发明实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本发明能够实现的上述和其他目的。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1为CDR时间的影响因素示意图。

图2为本发明一实施例所述基于全网时钟频率同步的光交换网络的结构示意图。

图3为采用时钟同步和未采用时钟同步下两种方案的CDR耗时比较图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。

在此，还需要说明的是，如果没有特殊说明，术语“连接”在本文不仅可以指直接连接，也可以表示存在中间物的间接连接。

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。

为了实现光网络通信中，由于CDR时间较长导致光包的头部中需要预留更多的字节来用于正确的数据接收，从而影响带宽利用率的问题。本申请提供一种基于全网时钟频率同步的光交换网络、数据发送及接收方法。不需要配置高成本的接收机，通过物理层时钟分配的办法来减少CDR模块的频率锁定时间，从而达成快速CDR的目的，实现纳秒级的快速CDR，进而提高网络的吞吐量性能。

具体的，本申请提供一种基于全网时钟频率同步的光交换网络，包括：全局网络控制器、多个网络节点和光交换机。

全局网络控制器用于提供参考时钟。

多个网络节点，每个网络节点包括同步接收端、锁相环、受控接收端和受控发送端；同步接收端连接所述全局网络控制器，同步接收端的第一时钟数据恢复模块对接收到的参考时钟做时钟数据恢复并输入锁相环执行时钟分配，得到本地的锁定时钟，各网络节点的本地锁定时钟用于驱动对应的受控发送端执行数据发送。

光交换机，连接各网络节点的受控接收端和受控发送端执行数据传输。

其中，各网络节点的受控接收端在接收到其他网络节点的数据时，基于本地的锁定时钟驱动，利用受控接收端的第二时钟数据恢复模块执行时钟数据恢复，得到正确数据。

本实施例中，参考时钟作为稳定通讯信号的时钟源，频率可以设置在10MHz～30MHz之间，优选的可以设置频率为13MHz、20MHz或26MHz。可以采用石英晶体振荡器或其他稳定的时钟来源实现，也可以通过网络同步信号获取。

各网络节点中受控接收端和受控发送端的数据收发形式与一般通信方式一致，区别在于，本申请中所有网络节点采用的是基于全局网络控制器统一提供相同时钟频率驱动数据收发，以达到所有网络节点工作在同一时钟频率的目的。为了实现此目的，本实施例首先通过每个网络节点中的同步接收端接收全局网络控制器提供的参考时钟，受传输过程的影响，需要先对参考时钟进行修正。对于修正后的参考时钟，经由网络节点本地的锁相环处理，保持锁定，维系整个系统处于时钟同步。采用锁定时钟驱动受控接收端和受控发送端执行数据传输，由于在传输过程中，受控接收端收到的数据的时频信息与本地偏差较小，这就能够保证受控接收端在接收到数据并进行CDR恢复时，极大减所需锁定的时间。保证了频率恢复时间的缩减，实现了快速CDR。

进一步的，本实施例中光交换机可以采用通用配置，不会对本申请技术方案的效果产生影响。具体实施过程中，对于现有光通信的改造不涉及光交换机的部分。

在一些实施例中，锁相环包括依次连接的相位频率鉴别器、低通滤波器和压控振荡器，压控振荡器的输出分为两路，一路用于反馈至所述相位比较器进行反馈比较，另一路作为本地的锁定时钟，驱动受控接收端和受控发送端的数据传输。

在一些实施例中，压控振荡器为SiT3327型压控差分振荡器。SiT3372是一款低抖动、可编程差分VCXO(压控振荡器)，支持LVPECL、LVDS和HCSL输出类型，具有高达±3145ppm的27个异常线性APR(绝对牵引范围)选项。该器件基于SiTime独特的Elite Platform^TM，提供0.21ps抖动(典型值)、±15ppm和0.1％牵引范围线性度的卓越动态性能，同时具有同样出色的相位噪声。SiT3372可以编程为频率、稳定性、电压和牵引范围的任意组合。这种可编程性使设计人员能够优化时钟配置，同时消除与定制石英VCXO相关的长时间交付和定制成本。

在一些实施例中，网络节点还设有寄存器，以记录执行时钟数据恢复的处理时长并生成日志。进一步的，全局网络控制器还用于获取日志，查询各网络节点中第二时钟数据恢复模块执行时钟数据恢复的处理时长，根据所有网络节点中第二时钟数据恢复模块对应处理时长的异常状态生成告警提示。在一些实施例中，全局网络控制器用于执行如下操作：当存在至少第一数量或第一设定比例受控接收端的处理时长大于等于设定值时，生成告警提示。

这里需要说明的是，本实施例所述基于全网时钟频率同步的光交换网络中，每个网络节点中同步接收端和受控接收端在执行CDR时，涉及到的时钟数据恢复模块结构上一致，可以复用。

另一方面，本发明还提供一种基于全网时钟频率同步的数据发送方法，所述方法用于在上述的基于全网时钟频率同步的光交换网络的第一网络节点上执行，该方法包括以下步骤S101～S102：

步骤S101：通过同步接收端接收全局网络控制器的参考时钟，并由同步接收端对参考时钟做时钟数据恢复后，输入第一网络节点的锁相环得到第一网络节点本地的锁定时钟。

步骤S102：利用锁定时钟驱动受控发送端向指定网络节点执行数据传输。

步骤S101～S102是基于前文中所述基于全网时钟频率同步的光交换网络的结构实施的，具体工作形式可以参照前文所述的内容。

另一方面，本发明还提供一种基于全网时钟频率同步的数据接收方法，所述方法用于在上述的基于全网时钟频率同步的光交换网络的第二网络节点上执行，该方法包括以下步骤S201～S202：

步骤S201：通过同步接收端接收全局网络控制器的参考时钟，并由同步接收端对参考时钟做时钟数据恢复，并输入第二网络节点的锁相环得到第二网络节点本地的锁定时钟。

步骤S202：通过受控接收端接收指定网络节点发送的数据，并基于锁定时钟驱动执行时钟数据恢复，得到正确数据。

步骤S201～S202是基于前文中所述基于全网时钟频率同步的光交换网络的结构实施的，具体工作形式可以参照前文所述的内容。

在一些实施例中，所述步骤S201～S202之后，所述基于全网时钟频率同步的数据接收方法还包括：记录受控接收端执行时钟数据恢复的处理时长并生成日志，将日志记录在寄存器中。

在一些实施例中，所述基于全网时钟频率同步的数据接收方法还包括：按照指定间隔时长获取寄存器中的日志并发送至全局网络控制器，全局网络控制器查询各网络节点执行时钟数据恢复的处理时长，当存在至少第一数量或第一设定比例网络节点的处理时长大于等于设定值时，生成告警提示。

下面结合一具体实施例对本发明进行说明：

在光通信中，为了正确恢复接收到的数据，在数据负载前会加入一串携带发送端时钟信息的前导码(preamble)，接收端会从接收到的前导码信号中提取出时钟用于正确采样数据信号。过长的CDR时间会使前导码的长度占整个光包传输的比重提高，进而使得吞吐量减小。同时，当每一次输入数据发生变化时，光开关都会中断光链路，长时间的链路中断会使得接收端锁定的时钟频率失锁。当失锁后再次通信时，重建光链路会再次重复CDR过程。如图1所示：在CDR过程中，分为频率恢复、相位恢复和数据恢复，其中，在频率恢复的过程中，相位频率鉴别器会测量本地驱动时钟和从接收信号中提取的时钟频率信息的偏差，鉴别器会将此偏差转换为电压信号经过低通滤波器输出给压控振荡器(VCO)，VCO会根据此电压信号不断调整自身输出的频率以达到频率锁定，这个频率反复调整的过程相比较相位恢复和数据恢复，在CDR过程中所用的时间是最长的。

网络内的节点在此时钟作为参考时钟的基础上，驱动节点发送和接收数据。然而，当本地时钟频率和接收信号频率之间的差别更小时，时钟数据恢复过程中，VCO调整的时间将会减少，这会减少时钟频率的锁定时间，进而减少CDR时间。因此，时钟分配方案可以使全网的节点基于同一个时钟频率进行通信，这使得发送时钟和接收端驱动时钟间的偏差相对较小。在此情况下，VCO的调整和频率和相位鉴别器处所耗费的时间会相对减少，使得CDR过程的时间减少，达到纳秒级的时钟恢复时间。

基于此，如图2所示，本实施例实现时钟频率同步的方法，是在系统中放置一个全局网络控制器作为参考时钟源。全局网络控制器将此时钟用于驱动本地发送端，此标准时钟在本地会根据不同的传输速率倍频到不同的频率，例10Gbps的通信速率，会有10.3125Gbps的线速率，在32bit位宽下通信时，驱动发送端的时钟频率是322.265MHz，在更高的通信速率下，也会根据64bit的位宽下速率要求，调整发送端的时钟频率。

从全局网络控制器输出的时钟经过控制数据链路的传输，在各个节点处的同步接收端处进行CDR恢复。节点1至节点4在网络中被视为远端，为了实现全网时钟同步，远端会将经过CDR恢复的时钟注入到远端节点的锁相环(Phase-locked Loop，PLL)中得到本地的锁定时钟。该时钟被用于驱动节点1至节点4经过光交换机进行通信的受控发送端和受控接收端。由于控制器至各个节点的下行信息是连续保持的，这个时钟会持续锁定来保证整个系统一直处于时钟同步。

当数据信号发送至远端节点时，接收端的CDR模块中的频率相位鉴别器会比较输入信号所携带的时钟频率信息和驱动时钟频率之间的偏差，这个偏差会转换成电压信号，传递给模块中的压控振荡器来调整锁相环锁定的时钟频率。VCO(压控振荡器)会根据此电压信号不断调整自身输出的频率以达到频率锁定，锁定完成后就可以将数据正确恢复出来。

相较于现有的突发模式接收机的部署，本实施例提出的方法不需要在器件层进行耗费巨大的改动和设计，不需要部署高成本的模块来实现快速CDR。通过整个系统内物理层的时钟分配，系统中的节点都基于同一个时钟频率驱动节点上的发送端和接收端。在每一个节点的接收端处，通过减少接收端输入时间频率信息和系统驱动频率的偏差来实现了PLL锁定时间的缩减，进而实现了快速CDR。此方法从物理层工作时钟上提出了解决方法，通过较低成本的时钟分发的办法，实现了快速CDR。同时，基于物理层的时钟分配方案的快速CDR，速率不受限，实现更高速率的快速CDR，最高可实现77.69％的CDR时间减少。如图3所示，相比采用时钟同步和未采用时钟同步的两种方案，采用时钟同步的方案CDR耗时极大降低。

综上所述，本发明所述基于全网时钟频率同步的光交换网络、数据发送及接收方法，基于全局网络控制器提供全网物理层的时钟同步，实现网络内的全部节点工作在同一时钟频率上，借助统一的时钟频率驱动的发送端和接收端，保证接收端接收到的信号所包含的时钟频率信息和接收端驱动时钟数据恢复的时钟频率信息在较小的偏差范围内，以实现在时钟数据恢复过程中极大缩减了所需的锁定时间，进而保证了频率恢复时间的缩减，实现了快速CDR。不需要在器件层进行耗费巨大的改动和设计，不需要部署高成本的模块，极大节约了成本。

与上述方法相应地，本发明还提供了一种装置/系统，该装置/系统包括计算机设备，所述计算机设备包括处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机指令，所述处理器用于执行所述存储器中存储的计算机指令，当所述计算机指令被处理器执行时该装置/系统实现如前所述方法的步骤。

本领域普通技术人员应该可以明白，结合本文中所公开的实施方式描述的各示例性的组成部分、系统和方法，能够以硬件、软件或者二者的结合来实现。具体究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。当以硬件方式实现时，其可以例如是电子电路、专用集成电路(ASIC)、适当的固件、插件、功能卡等等。当以软件方式实现时，本发明的元素是被用于执行所需任务的程序或者代码段。程序或者代码段可以存储在机器可读介质中，或者通过载波中携带的数据信号在传输介质或者通信链路上传送。

需要明确的是，本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定配置和处理。为了简明起见，这里省略了对已知方法的详细描述。在上述实施例中，描述和示出了若干具体的步骤作为示例。但是，本发明的方法过程并不限于所描述和示出的具体步骤，本领域的技术人员可以在领会本发明的精神后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。

本发明中，针对一个实施方式描述和/或例示的特征，可以在一个或更多个其它实施方式中以相同方式或以类似方式使用，和/或与其他实施方式的特征相结合或代替其他实施方式的特征。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于全网时钟频率同步的光交换网络，其特征在于，包括：

全局网络控制器，用于提供参考时钟；

多个网络节点，每个网络节点包括同步接收端、锁相环、受控接收端和受控发送端；所述同步接收端连接所述全局网络控制器，所述同步接收端的第一时钟数据恢复模块对接收到的参考时钟做时钟数据恢复并输入所述锁相环执行时钟分配，得到本地的锁定时钟，各网络节点的所述本地锁定时钟用于驱动对应的所述受控发送端执行数据发送；

光交换机，连接各网络节点的所述受控接收端和所述受控发送端执行数据传输；

其中，各网络节点的所述受控接收端在接收到其他网络节点的数据时，基于本地的锁定时钟驱动，利用所述受控接收端的第二时钟数据恢复模块执行时钟数据恢复，得到正确数据。

2.根据权利要求1所述的基于全网时钟频率同步的光交换网络，其特征在于，所述锁相环包括依次连接的相位频率鉴别器、低通滤波器和压控振荡器，所述压控振荡器的输出分为两路，一路用于反馈至所述相位比较器进行反馈比较，另一路作为本地的锁定时钟，驱动所述受控接收端和所述受控发送端的数据传输。

3.根据权利要求2所述的基于全网时钟频率同步的光交换网络，其特征在于，所述压控振荡器为SiT3327型压控差分振荡器。

4.根据权利要求1所述的基于全网时钟频率同步的光交换网络，其特征在于，所述网络节点还设有寄存器，以记录执行时钟数据恢复的处理时长并生成日志。

5.根据权利要求4所述的基于全网时钟频率同步的光交换网络，其特征在于，所述全局网络控制器还用于获取所述日志，查询各网络节点中所述第二时钟数据恢复模块执行时钟数据恢复的处理时长，根据所有网络节点中所述第二时钟数据恢复模块对应处理时长的异常状态生成告警提示。

6.根据权利要求5所述的基于全网时钟频率同步的光交换网络，其特征在于，所述全局网络控制器用于执行如下操作：

当存在至少第一数量或第一设定比例所述受控接收端的处理时长大于等于设定值时，生成告警提示。

7.一种基于全网时钟频率同步的数据发送方法，其特征在于，所述方法用于在权利要求1至6任意一项所述的基于全网时钟频率同步的光交换网络的第一网络节点上执行，该方法包括以下步骤：

通过同步接收端接收全局网络控制器的参考时钟，并由所述同步接收端对所述参考时钟做时钟数据恢复后，输入所述第一网络节点的锁相环得到所述第一网络节点本地的锁定时钟；

利用所述锁定时钟驱动所述受控发送端向指定网络节点执行数据传输。

8.一种基于全网时钟频率同步的数据接收方法，其特征在于，所述方法用于在权利要求1至6任意一项所述的基于全网时钟频率同步的光交换网络的第二网络节点上执行，该方法包括以下步骤：

通过同步接收端接收全局网络控制器的参考时钟，并由所述同步接收端对所述参考时钟做时钟数据恢复，并输入所述第二网络节点的锁相环得到所述第二网络节点本地的锁定时钟；

通过受控接收端接收指定网络节点发送的数据，并基于所述锁定时钟驱动执行时钟数据恢复，得到正确数据。

9.根据权利要求8所述基于全网时钟频率同步的数据接收方法，其特征在于，所述方法还包括：

记录所述受控接收端执行时钟数据恢复的处理时长并生成日志，将所述日志记录在寄存器中。

10.根据权利要求9所述基于全网时钟频率同步的数据接收方法，其特征在于，所述方法还包括：

按照指定间隔时长获取所述寄存器中的所述日志并发送至全局网络控制器，所述全局网络控制器查询各网络节点执行时钟数据恢复的处理时长，当存在至少第一数量或第一设定比例所述网络节点的处理时长大于等于设定值时，生成告警提示。