CN117221212B

CN117221212B - 片上光网络低拥塞路由方法及相关设备

Info

Publication number: CN117221212B
Application number: CN202311126409.3A
Authority: CN
Inventors: 姚秋彦; 孟大清; 杨辉; 于奥; 张�杰
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2023-09-01
Filing date: 2023-09-01
Publication date: 2024-04-09
Anticipated expiration: 2043-09-01
Also published as: CN117221212A

Abstract

本申请提供一种片上光网络低拥塞路由方法及相关设备。方法包括：源IP节点向第一电路由器节点发送建链分组请求；第一电路由器节点根据可发送方向队列的拥塞信息和随机数进行仲裁确定第一目标输出端口，发送建链分组请求；目的IP节点生成ACK分组信息，向第二电路由器节点发送ACK分组信息；第二电路由器节点确定第二目标输出端口并锁定，向源IP节点发送ACK分组信息；源IP节点接收ACK分组信息，将信息分组信息放至光传输端口；源IP节点对信息分组进行E/O转换；第一光路由器节点从相应方向的微环谐振器向向第二光路由器发送光信息分组信息；第二光路由器向目的IP节点发送光信息分组信息，对光信息分组进行O/E转换。

Description

片上光网络低拥塞路由方法及相关设备

技术领域

本申请涉及片上网络资源控制技术领域，尤其涉及一种片上光网络低拥塞路由方法及相关设备。

背景技术

随着与CMOS(互补金属氧化物半导体，Complementary Metal OxideSemiconductor)工艺兼容的硅基光子器件的快速发展，数十亿个和更多的晶体管被集成在一个芯片上，以实现更强大的功能。光网络芯片由于其低串扰、低延迟、低功耗等优点，可以有效地互连每个处理核心，同时获得更高的性能传输。

目前在面向片上光网络的低拥塞路由层面，仍然存在端到端时延较长、易发生拥塞、传输能耗以及传输损耗较高等不足之处。因而，开发一种新型的片上光网络的低拥塞路由方法显得尤为必要。

发明内容

有鉴于此，本申请的目的在于提出一种片上光网络低拥塞路由方法及相关设备。

基于上述目的，本申请提供了所述片上光网络为基于Mesh拓扑的片上光网络；所述方法包括：

源IP节点向与所述源IP节点连接的第一电路由器节点发送建链分组请求；所述建链分组请求包括源IP节点坐标信息与目的IP节点坐标信息；所述第一电路由器节点的坐标与所述源IP节点的坐标相同；

所述第一电路由器节点接收所述源IP节点发送的建链分组请求，根据可发送方向队列的拥塞信息和随机数进行仲裁确定第一目标输出端口，通过所述第一目标输出端口向所述目的IP节点发送所述建链分组请求；

所述目的IP节点接收所述建链分组请求，分析所述建链分组请求中的源IP节点坐标信息，生成ACK分组信息，并向与所述目的IP节点连接的第二电路由器节点发送所述ACK分组信息；

所述第二电路由器节点接收所述目的IP节点发送的ACK分组信息，根据可发送方向队列的拥塞信息和随机数进行仲裁确定第二目标输出端口，通过所述第二目标输出端口向所述源IP节点发送所述ACK分组信息，并锁定所述第二目标输出端口；并控制与第二电路由器坐标相同的光路由器开启相应方向的微环谐振器，所述相应方向为与所述ACK分组信息的传输方向相逆的方向；

所述源IP节点接收所述ACK分组信息，并将所述ACK分组信息放至光传输端口；

所述源IP节点对所述信息分组进行E/O转换，得到光信息分组信息；并向与所述源IP节点连接的第一光路由器节点发送所述光信息分组信息；

所述第一光路由器节点接收所述源IP节点发送的所述光信息分组信息，并从所述相应方向的微环谐振器向与目的IP节点连接的第二光路由器发送所述光信息分组信息；并控制与第二光路由器节点坐标相同的电路由器节点开启被锁定的第二目标输出端口；

所述第二光路由器接收所述光信息分组信息，并向所述目的IP节点发送所述光信息分组信息，所述目的IP节点接收所述光信息分组信息并对所述光信息分组进行O/E转换。

在其中一些实施例中，所述拥塞信息包括缓存的分组数量；所述根据可发送方向队列的拥塞信息和随机数进行仲裁确定第一目标输出端口包括：

根据源IP节点的坐标信息、目的IP节点的坐标信息和所述第一电路由器节点与其他电路由器节点连接的各个端口的方向，确定所述第一电路由器节点的第一可发送方向的端口和第二可发送方向的端口；

根据所述第一可发送方向的端口的第一队列当前缓存的分组数量，确定第一可发送方向的端口的第一仲裁范围；

根据所述第二可发送方向的端口的第二队列当前缓存的分组数量，确定第二可发送方向的端口的第二仲裁范围；

根据所述第一仲裁范围生成第一随机数，根据所述第二仲裁范围生成第二随机数；

根据所述第一随机数和所述二随机数确定所述第一目标输出端口。

在其中一些实施例中，所述根据所述第一随机数和所述二随机数确定所述第一目标输出端口包括：

比较所述第一随机数与所述第二随机数的大小；

响应于确定所述第一随机数小于所述第二随机数，确定所述第一可发送方向的端口为第一目标输出端口；或响应于确定所述第一随机数大于所述第二随机数，确定所述第二可发送方向的端口为第一目标输出端口。

在其中一些实施例中，所述拥塞信息包括缓存的分组数量；所述根据可发送方向队列的拥塞信息和随机数进行仲裁确定第二目标输出端口包括：

根据目的IP节点的坐标信息、源IP节点的坐标信息，和所述第二电路由器节点与其他电路由器节点连接的各个端口的方向，确定所述第二电路由器节点的第三可发送方向的端口和第四可发送方向的端口；

根据所述第三可发送方向的端口的第三队列当前缓存的分组数量，确定第三可发送方向的端口的第三仲裁范围；

根据所述第四可发送方向的端口的第四队列当前缓存的分组数量，确定第四可发送方向的端口的第四仲裁范围；

根据所述第三仲裁范围生成第三随机数，根据所述第四仲裁范围生成第四随机数；

根据所述第三随机数和所述四随机数确定所述第二目标输出端口。

在其中一些实施例中，所述根据所述第三随机数和所述四随机数确定所述第二目标输出端口包括：

比较所述第三随机数与所述第四随机数的大小；

响应于确定所述第三随机数小于所述第四随机数，确定所述第三可发送方向的端口为第二目标输出端口；或响应于确定所述第三随机数大于所述第四随机数，确定所述第四可发送方向的端口为第二目标输出端口。

在其中一些实施例中，所述目的IP节点与第二电路由器连接，且所述第二电路由器节点的坐标与所述目的IP节点的坐标相同；在所述第一电路由器节点与所述第二电路由器节点之间设置有至少一个中间电路由器节点；

所述通过所述第一目标输出端口向所述目的IP节点发送所述建链分组请求包括：通过所述第一目标输出端口向与该第一目标输出端口连接的中间电路由器节点发送所述建链分组请求，并将所述建链分组请求在剩余的中间电路由器节点中传输，直至到达第二电路由器节点，并经由所述第二电路由器节点发送至所述目的IP节点；

其中，在每个所述中间电路由器节点中分别根据可发送方向队列的拥塞信息和随机数进行仲裁确定对应的第一目标中间输出端口；和/或

所述通过所述第二目标输出端口向所述源IP节点发送所述ACK分组信息包括：

通过所述第二目标输出端口向与该第二目标输出端口连接的第二中间电路由器节点发送所述ACK分组信息；

在所述中间电路由器节点中分别根据可发送方向队列的拥塞信息和随机数进行仲裁确定对应的第二目标中间输出端口，直至所述第二目标中间输出端口与所述第一电路由器节点连接。

在其中一些实施例中，通过所述第一目标输出端口向所述目的IP节点发送所述建链分组请求后，所述方法还包括：

第一电路由器节点锁定所述第一目标输出端口；

响应于确定所述第一目标输出端口中的建链分组请求发送完成，第一电路由器节点清除所述建链分组请求，并开启所述第一目标输出端口。

在其中一些实施例中，所述方法还包括：

响应于确定所述ACK分组信息发送完成，第二电路由器节点清除所述ACK分组信息。

本申请实施例还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如前任意一项所述的方法。

本申请实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令用于使计算机执行如前任一所述方法。

本申请实施例提供的片上光网络低拥塞路由方法及相关设备，以网络拓扑节点连接情况为依据，结合连接各节点的路由器中队列缓存情况，动态地调整信息分组的路由路径，利用仲裁器提供多路径路由分配方案，使整个片上光网络系统的资源传输能力得到提升，能够在一定程度上解决现有片上光网络技术中存在的端到端时延较长、网络易发生拥塞、传输能耗以及传输损耗较高等问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，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。

图1为本申请实施例的片上光网络低拥塞路由整体流程图示意图；

图2为本申请实施例的片上光网络拓扑与光路由器结构示意图示意图；

图3为本申请实施例的基于MLA-OE算法的MLA仲裁器结构示意图；

图4为本申请实施例的片上光网络低拥塞路由方法的流程示意图；

图5为本申请实施例的电子设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本申请进一步详细说明。

需要说明的是，除非另外定义，本申请实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

近年来对高通信带宽和高性能计算的需求不断增加，传统的基于单波传输的片上光网络难以满足大容量的高速传输。在这种情况下，波分复用技术的片上光网络有望通过将不同波长的多个光信号复用到一个传输的单一波导中，有效地提高通信带宽。

出于以上目的，研究人员研发了面向Mesh(无线网格网络)拓扑的确定性路由方法应用于片上光网络以降低传输时延。从目前的研究来看，降低端到端时延的低拥塞技术所面临的主要问题有路由路径单一、链路利用效率不高、路由方式过于简单。

相关技术的一种片上光网络拓扑及数据传输方法中，在该片上光网络上进行数据信息传输时，在第一方向总线上采用源节点的微环谐振器的长传输数据信息，在第二方向总线上采用目的IP节点的窄带微环谐振器的波长传输数据信息，从而有效地实现多个IP核与同一个IP核之间的同时通信，又提高网络资源利用率。

然而，此种方法基于XY维度排序路由算法，当数据注入率提升时，会产生大量建链信息，并在信令层产生拥塞，网络阻塞严重，导致端到端时延陡增。

相关技术的一种片上光网络中多维度路由波长分配方法及装置中，公开的路由波长分配方法中，结合片上光网络的多维度性能因素，对每个组合方案的综合性能进行评估，并根据评估的分数进行路由波长分配，从而在路由波长分配过程中综合考虑每个性能因素，使得波长分配也可以根据网络环境做出自适应性调整，分配效果较佳，分配效率较高。

然而，此种方法由于分配的波长区段较窄，且波长区段多样，因此在光信号进行解复用时存在滤波器设计困难的问题，使硬件设计难度增大，同时还会导致噪声产生，降低信噪比。

另外，使用波长分配技术需要实时监测网络环境，且装置中使用到了大量的波长分配器，导致系统光能耗、电能耗以及光损耗大幅提升。

相关技术中公开了一种新型的三维片上光网络架构3D DCMesh和层优先选择路由方法SLFXY。所述架构包括每个IP核同时连接两个物理位置相互垂直光路由器的拓扑结构3D DCMesh和六端口全互连无阻塞光路由器Rax。由此，在具有三维网络结构相关优势的同时，还可以减少垂直方向上的信号串扰和损耗以及光传输路径长度，缩小了芯片面积，减少资源消耗，实现低损耗、低串扰，高信噪比的数据传输。

然而，该方法仅仅从拓扑层面减少了资源损耗，实现了低串扰与高数据传输。由于数据处理的简约性，当网络某一节点或全局流量增大时，会导致节点拥塞的产生，严重影响网络的传输性能。

综上所述，目前在面向片上光网络的低拥塞路由层面，仍然存在端到端时延较长、易发生拥塞、传输能耗以及传输损耗较高等不足之处。因此，开发一种具备降低高注入情况下的端到端时延，减少拥塞发生且能耗较小的方案显得尤为必要。

基于此，本申请实施例提供了一种基于Mesh拓扑的降低拥塞的片上光网络路由方法，如图1所示，以网络拓扑节点连接情况为依据，结合连接各节点的路由器中队列缓存情况，动态地调整信息分组的路由路径，利用仲裁器提供多路径路由分配方案，使整个片上光网络系统的资源传输能力得到提升，能够在一定程度上解决现有片上光网络技术中存在的端到端时延较长、网络易发生拥塞、传输能耗以及传输损耗较高等问题。

本申请实施例提供了一种基于Mesh片上光网络系统。该基于Mesh片上光网络系统可以包括信令层、光网络层以及各IP节点。其中信令层可以包含电路由器节点和电信道。光网络层可以包含光路由器节点和传输光纤。各IP节点可以包含业务生成模块与E/O转换器(电/光转换器)、O/E转换器(光电转换器)。所述的电信道和传输光纤分别是指供数据传输的物理电线实体和物理光纤实体，分别用以承担网络传输媒介，提供透明传输通道。IP节点是指网络数据上行与下行网络边缘点，用以连接用户侧终端与电信道和传输光纤的输入/输出点，并具有网络传输E/O转换和O/E转换的功能。如图3所示，电路由器节点用于连接IP节点和其他相邻电路由器节点以传输信令，并对信令进行路由，为节点对节点的传输链路连接提供保障。如图2所示，光路由器节点中包含连接IP节点和其他光路由器节点的端口以及若干微环谐振器，为节点对节点的高速传输提供保障。

在其中一些实施例中，所述IP节点均设有数据收集模块，用于统计流入或流出该IP节点的流量数据信息以及时延信息，以获取该IP节点的参数并进行数据分析。

在其中一些实施例中，所述的电路由器节点均设有基于概率可调仲裁器模块，仲裁器与队列相连接，用于接收队列信息，为路由决策做准备。

在其中一些实施例中，所述流量数据信息是基于均匀流量模型在IP节点生成，包含建链分组信息、ACK分组信息以及信息分组信息。

在其中一些实施例中，本申请实施例的低拥塞路由中对传统的基于Mesh拓扑确定性路由算法进行了改进，并将其写入电路由器节点中，命名为MLA-OE路由算法。具体的算法改进体现在仲裁策略的改进，基于加权概率提供拥塞较缓的路径。同时，对电路由器节点中的仲裁器基于Lottery仲裁与Round Robin仲裁进行设计并减少了端口数量，使能耗得到降低。

应当理解的是，本申请实施例中流入或流出IP节点的流量的大小均未超过网络传输光纤的承载容量。

本申请实施例还提供了一种片上光网络低拥塞路由方法。片上光网路可以为基于Mesh拓扑的片上光网络。在所述片上光网络包括多个电路由器节点、多个光路由器节点和多个IP节点；其中，所述电路由器节点用于连接IP节点和其他相邻电路由器节点；所述光路由器节点中包含连接IP节点和其他光路由器节点的端口。如图4所示，所述方法可以包括：

S100，各个节点初始化时间信息，确定流量模型、发送标志、接收标志、建链分组长度、ACK分组信息长度以及信息分组长度；

S200，源IP节点向与所述源IP节点连接的第一电路由器节点发送建链分组请求；所述建链分组请求包括当前源IP节点坐标信息与目的IP节点坐标信息；所述第一电路由器节点的坐标与所述源IP节点的坐标相同；

S300，所述第一电路由器节点接收所述源IP节点发送的建链分组请求，根据可发送方向队列的拥塞信息和随机数进行仲裁确定第一目标输出端口，通过所述第一目标输出端口向所述目的IP节点发送所述建链分组请求；

S400，所述目的IP节点接收所述建链分组请求，分析所述建链分组请求中的源IP节点坐标信息，生成ACK分组信息，并向与所述目的IP节点连接的第二电路由器节点发送所述ACK分组信息；

S500，所述第二电路由器节点接收所述目的IP节点发送的ACK分组信息，根据可发送方向队列的拥塞信息和随机数进行仲裁确定第二目标输出端口，通过所述第二目标输出端口向所述源IP节点发送所述ACK分组信息；并控制与第二电路由器坐标相同的光路由器开启相应方向的微环谐振器，所述相应方向为与所述ACK分组信息的传输方向相逆的方向；

S600，所述源IP节点接收所述ACK分组信息，并将信息分组放入光传输端口；

S700，所述源IP节点对所述信息分组进行E/O转换，得到光信息分组信息；并向与所述源IP节点连接的第一光路由器节点发送所述光信息分组信息；

S800，所述第一光路由器节点接收所述源IP节点发送的所述光信息分组信息，并从所述相应方向的微环谐振器向与目的IP节点连接的第二光路由器发送所述光信息分组信息；并控制与第一光路由器节点坐标相同的电路由器节点开启所述被锁定的第二目标输出端口；

S900，所述第二光路由器接收所述光信息分组信息，并向所述目的IP节点发送所述光信息分组信息，所述目的IP节点接收所述光信息分组信息并对所述光信息分组进行O/E转换。

应当理解的是，在基于Mesh拓扑的片上光网络中，每个电路由器节点、光路由器节点以及与之连接的IP节点均需进行编号。以下以二维坐标系为例进行说明。横向为X方向，纵向为Y方向，建立二维坐标系，则每个节点都有其对应的坐标以表示编号，且与电路由器节点和光路由器节点相连接的IP节点，三者的坐标相同。

在步骤S100中，基于Mesh拓扑的片上光网络中的所有节点，包括每个电路由器节点，每个IP节点和每个光路由器节点均进行初始化。其中，IP节点主要进行流量模型、发送标志、接收标志、建链分组、ACK分组信息以及信息分组长度等的确定，并对时间进行初始化以确保时钟频率的准确。电路由节点对连接X正、负方向以及Y正、负方向的相邻电路由节点和与电路由器节点连接的IP节点的端口进行初始化，同时还对电路由器节点内部的队列和仲裁器进行初始化。

在步骤S200中，源IP节点可以通过IP-Sorce模块确定当前源IP节点的坐标与目的IP节点的坐标，生成建链分组请求并将确定的当前源IP节点的与目的IP节点的坐标信息写入该建链分组请求中。源IP节点可以通过IP-Switch模块将生成的建链分组请求发送至与该源IP节点连接的路由器节点(也即与源IP节点坐标相同的第一电路由器节点)中。

在其中一些实施例中，源IP节点通过IP-Switch模块发送建链分组请求时，将所述建链分组请求发送至与第一电路由器节点的输入端口缓存队列的队尾。

在步骤S300中，仲裁确定第一目标输出端口时，可以通过第一电路由器节点的仲裁器执行。

在其中一些实施例中，所述拥塞信息包括缓存的分组数量；所述根据可发送方向队列的拥塞信息和随机数进行仲裁确定第一目标输出端口可以包括：

S310,根据源IP节点的坐标信息、目的IP节点的坐标信息和所述第一电路由器节点与其他电路由器节点连接的各个端口的方向，确定所述第一电路由器节点的第一可发送方向的端口和第二可发送方向的端口。应该理解的是，根据源IP节点的坐标信息和目的IP节点的坐标信息，能够确定传输路径为从源IP节点向目的IP节点的方向，这样可以得到第一传输方向。根据该第一传输方向，能够确定第一电路由器节点的第一可发送方向的端口和第二可发送方向的端口。

在实际应用中，例如在规模为8×8的网络中，设定源IP节点坐标为(0,1)，目的IP节点坐标为(6,5)。那么从源节点开始传输时，传输方向为只能向北或东。则可以确定第一电路由器的第一可发送方向的端口和第二可发送方向的端口分别为向北方向的端口和向东方向的端口。

S320,根据所述第一可发送方向的端口的第一队列当前缓存的分组数量，确定第一可发送方向的端口的第一仲裁范围。在一些实施例中，第一仲裁范围可以为可以调节的。例如，第一仲裁范围的区间可以为[e₁,b]，其中，e₁可以为常数，b为第一可发送方向的端口的拥塞信息，例如缓存的分组数量。设定b大于e₁。

S330,根据所述第二可发送方向的端口的第二队列当前缓存的分组数量，确定第二可发送方向的端口的第二仲裁范围。在一些实施例中，第二仲裁范围可以为可以调节的。例如，第二仲裁范围的区间可以为[e₂,c]，其中，e₂可以为常数，c为第二可发送方向的端口的拥塞信息，例如缓存的分组数量。设定c大于e₂。

S340,根据所述第一仲裁范围生成第一随机数，根据所述第二仲裁范围生成第二随机数。例如，可以在前述的第一仲裁范围[a₁,b]内生成第一随机数，可以在前述的第二仲裁范围[a2,c]内生成第二随机数。

S350,根据所述第一随机数和所述二随机数确定所述第一目标输出端口。通常可以通过比较第一随机数和所述二随机数的大小来确定第一目标输出端口。这样，可以得到最短路径，进行高效的传输。

在其中一些实施例中，所述根据所述第一随机数和所述二随机数确定所述第一目标输出端口可以包括：

比较所述第一随机数与所述第二随机数的大小；

在其中一些实施例中，当确定第一目标输出端口后，可以将建链分组请求从该第一目标输出端口发送出去，还可以锁定所述第一目标输出端口。例如，可以将该第一目标输出端口设定为忙的状态。这样，可以避免在建链分组请求发送之前在该第一目标输出端口传输其他的任务，提高建链分组请求的传输速率。

在其中一些实施例中，当建链分组请求的输入端口连接IP核时，锁定该输入端口。

在其中一些实施例中，响应于确定所述建链分组请求发送完成(也即将建链分组请求从第一目标输出端口发送之后)，可以清除所述建链分组请求，并开启所述第一目标输出端口。这样，可以将第一目标输出端口重新投入使用。通过清除所述建链分组请求能够降低对内存的占用，提高运行效率。

在其中一些实施例中，在源IP节点坐标与目的IP节点之间可能会存在多个电路由器节点。除了与源IP节点连接的第一电路由器节点，和与目的IP节点连接的第二电路由器节点，其他的电路由器节点均为中间电路由器节点。那么，在发送建链分组请求时，首先将建链分组请求自该第一电路由器节点的第一目标输出端口中发送至与该第一目标输出端口连接的中间电路由器节点中。然后在多个中间电路由器节点中传输该建链分组请求，直至建链分组请求到达与目的IP节点坐标相同的第二电路由器节点中，并通过该电路由器节点发送至目的IP节点中。也即，所述通过所述第一目标输出端口向所述目的IP节点发送所述建链分组请求包括：通过所述第一目标输出端口向与该第一目标输出端口连接的中间电路由器节点发送所述建链分组请求，并将所述建链分组请求在剩余的中间电路由器节点中传输，直至到达第二电路由器节点。

在其中一些实施例中，可以在每个中间电路由器节点中分别进行相同的操作，分别根据可发送方向队列的拥塞信息和随机数进行仲裁确定对应的第一目标输出端口。这样，可以得到更好地路径分配方案，提高网络性能，降低端到端的时延。

在步骤S400中，目的IP节点接收所述建链分组请求后，可以先分析所述建链分组请求中的源IP节点坐标信息，并通过IP-Sink模块销毁所述建链分组信息。通过IP-Sorce模块生成一个ACK分组信息并写入所述源IP节点的信息。通过IP-Switch模块将生成的建链分组请求发送至与所述目的IP节点连接的第二电路由器节点中。

在其中一些实施例中，可以通过IP-Switch模块将生成的建链分组请求发送至与所述目的IP节点连接的第二电路由器节点中的相应输入端口缓存队列的队尾。

在步骤S500中，仲裁确定第二目标输出端口时，可以通过第二电路由器节点的仲裁器执行。

在其中一些实施例中，所述拥塞信息可以包括缓存的分组数量；所述根据可发送方向队列的拥塞信息和随机数进行仲裁确定第二目标输出端口可以包括：

S510,根据目的IP节点的坐标信息、源IP节点的坐标信息，和所述第二电路由器节点与其他电路由器节点连接的各个端口的方向，确定所述第二电路由器节点的第三可发送方向的端口和第四可发送方向的端口。应该理解的是，根据目的IP节点的坐标信息和源IP节点的坐标信息，能够确定传输路径为从目的IP节点向源IP节点的方向，这样可以得到第二传输方向。根据该第二传输方向，能够确定第而电路由器节点的第三可发送方向的端口和第四可发送方向的端口。

在实际应用中，例如在规模为8×8的网络中，设定源IP节点坐标为(0,1)，目的IP节点坐标为(6,5)。那么从目的IP节点开始传输时，传输方向为只能向西或南。则可以确定第二电路由器的第三可发送方向的端口和第四可发送方向的端口分别为向西方向的端口和向南方向的端口。

S520,根据所述第三可发送方向的端口的第三队列当前缓存的分组数量，确定第三可发送方向的端口的第三仲裁范围。在一些实施例中，第三仲裁范围可以为可以调节的。例如，第三仲裁范围的区间可以为[e₃,a]，其中，e₃可以为常数，a为第三可发送方向的端口的拥塞信息，例如缓存的分组数量。设定a大于e₃。

S530,根据所述第四可发送方向的端口的第四队列当前缓存的分组数量，确定第四可发送方向的端口的第四仲裁范围。在一些实施例中，第四仲裁范围可以为可以调节的。例如，第四仲裁范围的区间可以为[e₄,d]，其中，e₄可以为常数，d为第四可发送方向的端口的拥塞信息，例如缓存的分组数量。设定d大于e₄。

S540,根据所述第三仲裁范围生成第三随机数，根据所述第四仲裁范围生成第四随机数。例如，可以在前述的第三仲裁范围[e₃,a]内生成第三随机数，可以在前述的第四仲裁范围[e₄,d]内生成第四随机数。

S550,根据所述第三随机数和所述四随机数确定所述第二目标输出端口。通常可以通过比较第三随机数和所述四随机数的大小来确定第二目标输出端口。这样，可以得到最短路径，进行高效的传输。

在其中一些实施例中，所述根据所述第三随机数和所述四随机数确定所述第二目标输出端口可以包括：

比较所述第三随机数与所述第四随机数的大小；

在其中一些实施例中，当确定第二目标输出端口后，可以将ACK分组信息请求从该第二目标输出端口发送出去，还可以锁定所述第二目标输出端口，还可以控制与当前第二电路由器坐标相同的光路由器节点开启相应方向的微环谐振器，以使后续的信息分组在光纤上的传输方向与ACK分组信息的传输方向相逆。例如，可以将该第二目标输出端口设定为忙的状态。这样，可以避免在ACK分组信息请求发送之前在该第二目标输出端口传输其他的任务，提高ACK分组信息的传输速率。

在其中一些实施例中，当ACK分组信息的输入端口连接IP核时，锁定该输入端口。

在其中一些实施例中，响应于确定所述ACK分组信息发送完成(也即将ACK分组信息从第二目标输出端口发送之后)，可以清除所述ACK分组信息。通过清除所述ACK分组信息能够降低对内存的占用，提高运行效率。

在其中一些实施例中，在目的IP节点与源IP节点坐标之间可能会存在多个电路由器节点。除了与源IP节点连接的第一电路由器节点，和与目的IP节点连接的第二电路由器节点，其他的电路由器节点均为中间电路由器节点。那么，在发送ACK分组信息时，首先将ACK分组信息自该第二电路由器节点的第二目标输出端口中发送至与该第二目标输出端口连接的中间电路由器节点中。然后在多个中间电路由器节点中传输该ACK分组信息，直至ACK分组信息到达与源IP节点坐标相同的第一电路由器节点中，并通过该第一电路由器节点发送至源节点中。也即，所述通过所述第二目标输出端口向所述源IP节点发送所述ACK分组信息包括：通过所述第二目标输出端口向与该第二目标输出端口连接的中间电路由器节点发送所述ACK分组信息，并将所述ACK分组信息在剩余的中间电路由器节点中传输，直至到达第一电路由器节点。

在其中一些实施例中，可以在每个中间电路由器节点中分别进行相同的操作，分别根据可发送方向队列的拥塞信息和随机数进行仲裁确定对应的第二目标输出端口。这样，可以得到更好地得到路径分配方案，提高网络性能，降低端到端的时延。

在步骤S600中，源IP节点接收所述ACK分组信息后，可以通过IP-Sink模块销毁该ACK分组信息。在其中一些实施例中，可以将信息分组信息放至光传输端口缓存队列的队尾。

在步骤S700中，信息分组从源IP节点的光传输端口发出后，可以通过源IP节点的电光转换模块对信息分组进行E/O转换，转换完成后得到的光信息分组可以进入光网络层传输。

在步骤S800中，光信息分组到达第一光路由器节点后可以沿ACK分组信息设置好的路径进行传输(也即，ACK分组信息从目的IP节点沿第二电路由器返回源IP节点的路径与光信息分组从源节点IP沿第一光路由器节点到达目的IP节点的路径相同)。当光信息分组经过第一光路由器时，通过微环谐振器进行光纤路径的转换。且经过当前光路由器时，控制与当前光路由器节点坐标相同的电路由器节点开启所述被锁定的第二目标输出端口(也即控制与当前光路由器坐标相同的电路由器打开ACK分组信息经过时锁住的端口)。

在其中一些实施例中，在源IP节点坐标与目的IP节点之间可能会存在多个光路由器节点。除了与源IP节点连接的第一光路由器节点，和与目的IP节点连接的第二光路由器节点，其他的光路由器节点均为中间光路由器节点。在经过各个中间光路器时，可以分别控制与当前中间光路由器节点坐标相同的中间电路由器节点开启所述被锁定的第二目标输出端口(也即控制与当前中间光路由器节点坐标相同的中间电路由器节点打开ACK分组信息经过时锁住的端口)。

S900，所述目的IP节点对所述光信息分组进行O/E转换后，转换得到的信息到达目的IP节点的IP-Switch模块。然后，清除整个建链信息，路由结束。

本申请实施例的片上光网络低拥塞路由方法及系统，效果包括：①设计了一种基于Mesh拓扑的MLA-OE多路径路由算法，改善了原有算法在某一维度上产生拥塞的情况，降低信令层传输拥塞的同时，提高了链路利用率，缓解高注入率情况下的网络负担；②通过分析四端口Lottery仲裁器和Round-Robin仲裁器，设计了适用于多路径算法的MLA仲裁器，该仲裁器既结合了Round-Robin的公平性以及Lottery的赋值性，同时考虑到了当前状态下的拥塞情况，给出合理的路径分配方案，助力网络性能的提升；③针对网络路径分配，通过分析拥塞信息，基于加权概率提供拥塞较缓的路径，可缓解网络注入量增大的压力，通过在网络注入量较小时均匀地分配路由路径，可以避免未来网络资源调配失衡而导致的大量流量拥塞的情况，降低端到端时延；④本申请所提出的基于Mesh拓扑片上光网络低拥塞方法仅作用于网络层资源分配，不会对后续光传输带来额外内部干扰因素，因此本发明的适配性较强。

本发明对于城域网系统所用的流量模型、接入时间、IP节点数量及路由器节点数量没有特别限制；对其网络拓扑结构限制。

为了更好的理解本发明，下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明。

下述实施例中所述实验方法，为常规方法，使用均匀流量模型；所述拓扑模型，如无特殊说明，可从开源途径获得。

具体实施过程如下：

步骤1：以规模为8×8的网络为例，在基于Mesh拓扑的片上光网络中，每个路由器节点以及与之连接的IP节点需进行编号。设横向为X方向，从0到7，纵向为Y方向，从0到7，建立二维坐标系，则每个节点都有其对应的坐标以表示编号，且相连接的IP节点与路由器节点坐标相同。例如：IP(0,0)，router(3,2)，接下来将以数据分组从IP(0,1)向IP(6,5)发送举例。

步骤2：首先各个节点进行初始化操作。其中IP节点进行流量模型、发送标志、接收标志、建链分组、ACK分组信息以及信息分组长度的的确定，并对时间进行初始化以确保时钟频率的准确。设建链分组长度32bit，ACK分组信息32bit，信息分组1024bit，工作频率1GHz，注入率为0.15。电路由节点对连接X正、负方向以及Y正、负方向的相邻路由节点和与路由节点连接的IP节点的端口进行初始化，同时还要对内部的队列和仲裁器初始化。路由节点连接的IP核格数为1。

步骤3：IP(0,1)节点开始生成业务，(0,1)节点IP-Sorce模块确定当前源节点坐标与目的IP节点坐标分别为(0,1)和(6,5)，生成建链请求分组并将坐标信息写入建链分组。IP-Switch模块将生成的建链分组请求发送至与之连接的电路由器节点router(0,1)中相应输入端口缓存队列的队尾，等待router-switch模块rolling_check将分组发出。

步骤4：当电路由器节点router(0,1)准备向其他电路由器节点发送建链分组时，首先向节点内部的MLA仲裁器进行询问，为满足最短路径路由，可选方向包含router(1,1)和router(0,2)两个方向，仲裁器通过收集可发送方向队列的拥塞信息进行仲裁。设路由器连接其他方向路由器的西、北、东、南四个方向端口分别用字母A、B、C、D表示，则可选方向的输出端口分别为B和C。仲裁器将结合拥塞信息并在仲裁范围内生成随机数进行判断，若为B生成的随机数大于或等于为C生成的随机数，则从C输出；若为C生成的随机数大于为B生成的随机数，则从B输出。仲裁器仲裁范围可调，设B和C两输出端口的随机仲裁范围分别是[12,b]和[8,c](假设b大于12，c大于8)，b和c代表对应方向队列当前缓存的分组数量。假设仲裁器进行仲裁时，B方向队列缓存分组数为24，C方向队列缓存分组数为96，则b＝24，c＝96，仲裁范围分别是[12,24]和[8,96]。仲裁器为B生成的随机数为16，为C生成的随机数为24，因此仲裁判定输出端为B，向router(1,1)发送分组。

路由器向端口发送分组，并锁住输出端口(设置为忙)，将建链分组从B相应的输出端口发送出去(如果此建链信息的输入端口连接的是IP核，那么将该输入端口也锁住)。发送完成后销毁分组并打开B端口，等待其他分组的到来。建链分组在各路由器中重复经过上述操作，直至建链分组到达与目的IP节点坐标相同的路由器节点router(6,5)，并通过端口发送至目的IP节点IP(6,5)的IP-Switch模块。

步骤5：目的IP节点IP(6,5)收到建链分组后，读取建链分组中的源节点信息并通过IP-Sink模块销毁分组，IP-Sorce模块生成一个ACK分组信息并写入源节点IP(0,1)信息，IP-Switch模块将生成的建链分组请求发送至与之连接的路由器节点router(6,5)中相应输入端口缓存队列的队尾。

步骤6：当电路由器router(6,5)节点准备向其他路由器节点发送ACK分组信息时，首先向MLA仲裁器进行询问，为满足最短路径路由，可选方向包含router(5,5)和router(6,4)两个方向，仲裁器通过收集可发送方向队列的拥塞信息进行仲裁。设路由器连接其他方向路由器的西、北、东、南四个方向端口分别用字母A、B、C、D表示，则可选方向的输出端口分别为A和D。仲裁器将结合拥塞信息并在仲裁范围内生成随机数进行判断，若为A生成的随机数大于或等于为D生成的随机数，则从D输出；若为D生成的随机数大于为A生成的随机数，则从A输出。仲裁器仲裁范围可调，设A和D两输出端口的随机仲裁范围分别是[12,a]和[8,d](假设a大于12，d大于8)，a和d代表对应方向队列当前缓存的分组数量。假设仲裁器进行仲裁时，A方向队列缓存分组数为25，D方向队列缓存分组数为35，则a＝25，d＝35，仲裁范围分别是[12,25]和[8,35]。仲裁器为A生成的随机数为24，为C生成的随机数为20，因此仲裁判定输出端为D，向router(6,4)发送分组。

路由器向端口发送分组，锁住输出端口(设置为忙)，同时控制与当前电路由器坐标相同的光路由器开启相应方向的微环谐振器，保证信息分组在光纤上的传输方向与ACK分组信息的传输方向相逆，并将ACK分组信息从相应的输出端口发送出去(如果此ACK信息的输入端口连接的是IP核，那么将该输入端口也锁住)。发送完成后销毁分组，等待其他分组的到来。ACK分组信息在各路由器中重复经过上述操作，直至ACK分组信息到达与源节点IP(0,1)坐标相同的路由器节点router(0,1)，并通过端口发送至源节点IP(0,1)的IP-Switch模块。

步骤7：源节点IP(0,1)收到ACK分组信息后，通过IP-Sink模块销毁分组，将信息分组放入光传输端口缓存队列的队尾，准备进行光网络层传输。

步骤8：信息分组从光传输端口发出后，通过电光转换模块对信息分组进行E/O转换，转换完成后信息分组进入光网络层传输，将信息分组发送至相连接的光路由器。

步骤9：光信息分组到达光路由器后沿ACK分组信息设置好的路径进行传输(ACK分组信息从目的IP节点沿电路由器返回源节点的路径与光信息分组从源节点沿光路由器到达目的IP节点的路径相同)。光信息分组经过光路由器时，通过微环谐振器进行光纤路径的转换。每经过一个光路由器时，控制与当前光路由器坐标相同的电路由器打开ACK分组信息经过时锁住的端口。重复上述操作至信息分组到达与目的IP节点坐标相同的光路由器。

步骤10：光信息分组到达目的IP节点所连接的光路由器，并通过光电转换模块对信息分组进行O/E转换，最后到达IP-Switch模块，清除建链信息，路由结束。

需要说明的是，本申请实施例的方法可以由单个设备执行，例如一台计算机或服务器等。本实施例的方法也可以应用于分布式场景下，由多台设备相互配合来完成。在这种分布式场景的情况下，这多台设备中的一台设备可以只执行本申请实施例的方法中的某一个或多个步骤，这多台设备相互之间会进行交互以完成所述的方法。

需要说明的是，上述对本申请的一些实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于上述实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

基于同一发明构思，与上述任意实施例方法相对应的，本申请还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上任意一实施例所述的片上光网络低拥塞路由方法。

图5示出了本实施例所提供的一种更为具体的电子设备硬件结构示意图，该设备可以包括：处理器1010、存储器1020、输入/输出接口1030、通信接口1040和总线1050。其中处理器1010、存储器1020、输入/输出接口1030和通信接口1040通过总线1050实现彼此之间在设备内部的通信连接。

处理器1010可以采用通用的CPU(Central Processing Unit，中央处理器)、微处理器、应用专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、或者一个或多个集成电路等方式实现，用于执行相关程序，以实现本说明书实施例所提供的技术方案。

存储器1020可以采用ROM(Read Only Memory，只读存储器)、RAM(Random AccessMemory，随机存取存储器)、静态存储设备，动态存储设备等形式实现。存储器1020可以存储操作系统和其他应用程序，在通过软件或者固件来实现本说明书实施例所提供的技术方案时，相关的程序代码保存在存储器1020中，并由处理器1010来调用执行。

输入/输出接口1030用于连接输入/输出模块，以实现信息输入及输出。输入输出/模块可以作为组件配置在设备中(图中未示出)，也可以外接于设备以提供相应功能。其中输入设备可以包括键盘、鼠标、触摸屏、麦克风、各类传感器等，输出设备可以包括显示器、扬声器、振动器、指示灯等。

通信接口1040用于连接通信模块(图中未示出)，以实现本设备与其他设备的通信交互。其中通信模块可以通过有线方式(例如USB、网线等)实现通信，也可以通过无线方式(例如移动网络、WIFI、蓝牙等)实现通信。

总线1050包括一通路，在设备的各个组件(例如处理器1010、存储器1020、输入/输出接口1030和通信接口1040)之间传输信息。

需要说明的是，尽管上述设备仅示出了处理器1010、存储器1020、输入/输出接口1030、通信接口1040以及总线1050，但是在具体实施过程中，该设备还可以包括实现正常运行所必需的其他组件。此外，本领域的技术人员可以理解的是，上述设备中也可以仅包含实现本说明书实施例方案所必需的组件，而不必包含图中所示的全部组件。

上述实施例的电子设备用于实现前述任一实施例中相应的片上光网络低拥塞路由方法，并且具有相应的方法实施例的有益效果，在此不再赘述。

基于同一发明构思，与上述任意实施例方法相对应的，本申请还提供了一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行如上任一实施例所述的片上光网络低拥塞路由方法。

本实施例的计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。

上述实施例的存储介质存储的计算机指令用于使所述计算机执行如上任一实施例所述的片上光网络低拥塞路由方法，并且具有相应的方法实施例的有益效果，在此不再赘述。

基于同一发明构思，与上述任意实施例所述的片上光网络低拥塞路由方法相对应的，本公开还提供了一种计算机程序产品，其包括计算机程序指令。在一些实施例中，所述计算机程序指令可以由计算机的一个或多个处理器执行以使得所述计算机和/或所述处理器执行所述的片上光网络低拥塞路由方法。对应于所述的片上光网络低拥塞路由方法各实施例中各步骤对应的执行主体，执行相应步骤的处理器可以是属于相应执行主体的。

上述实施例的计算机程序产品用于使所述计算机和/或所述处理器执行如上任一实施例所述的片上光网络低拥塞路由方法，并且具有相应的方法实施例的有益效果，在此不再赘述。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本申请的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本申请的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本申请实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本申请实施例难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(IC)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本申请实施例难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本申请实施例的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本申请的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本申请实施例。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。

尽管已经结合了本申请的具体实施例对本申请进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构(例如，动态RAM(DRAM))可以使用所讨论的实施例。

本申请实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本申请实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims

1. 一种片上光网络低拥塞路由方法，其特征在于，所述片上光网络为基于Mesh拓扑的片上光网络；片上光网络中电路由器节点、光路由器节点和与电路由器节点和光路由器节点相连接的IP 节点，三者的坐标相同；所述方法包括：

所述目的IP节点接收所述建链分组请求，分析所述建链分组请求中的源IP 节点坐标信息，生成ACK分组信息，并向与所述目的IP节点连接的第二电路由器节点发送所述ACK分组信息；所述目的IP节点与第二电路由器连接，且所述第二电路由器节点的坐标与所述目的IP 节点的坐标相同；

所述源IP节点对所述ACK分组信息进行E/O转换，得到光信息分组信息；并向与所述源IP节点连接的第一光路由器节点发送所述光信息分组信息；

所述第一光路由器节点接收所述源IP节点发送的所述光信息分组信息，并从所述相应方向的微环谐振器向与目的IP 节点连接的第二光路由器发送所述光信息分组信息；并控制与第一光路由器节点坐标相同的电路由器节点开启被锁定的第二目标输出端口；

所述第二光路由器接收所述光信息分组信息，并向所述目的IP节点发送所述光信息分组信息，所述目的IP节点接收所述光信息分组信息并对所述光信息分组进行O/E转换；

其中，所述拥塞信息包括缓存的分组数量；所述根据可发送方向队列的拥塞信息和随机数进行仲裁确定第一目标输出端口包括：

根据所述第一随机数和所述二随机数确定所述第一目标输出端口；

所述根据可发送方向队列的拥塞信息和随机数进行仲裁确定第二目标输出端口包括：

2.根据权利要求1所述的片上光网络低拥塞路由方法，其特征在于，所述根据所述第一随机数和所述二随机数确定所述第一目标输出端口包括：

比较所述第一随机数与所述第二随机数的大小；

3.根据权利要求1所述的片上光网络低拥塞路由方法，其特征在于，所述根据所述第三随机数和所述四随机数确定所述第二目标输出端口包括：

比较所述第三随机数与所述第四随机数的大小；

4.根据权利要求1所述的片上光网络低拥塞路由方法，其特征在于，所述通过所述第一目标输出端口向所述目的IP节点发送所述建链分组请求后，所述方法还包括：

第一电路由器节点锁定所述第一目标输出端口；

5.根据权利要求1所述的片上光网络低拥塞路由方法，其特征在于，所述方法还包括：

6.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至5任意一项所述的方法。

7.一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令用于使计算机执行权利要求1至5任一所述方法。