CN1315310C - 支持阻塞模式和多路复用控制的光标记交换结构 - Google Patents

Abstract

一种光通信技术领域的支持阻塞模式和多路复用控制的光标记交换结构，计算机终端连接光标记交换边缘节点，光标记交换边缘节点与光标记交换核心节点相连，光标记交换边缘节点中，电子输入输出线卡连入光包打包拆包处理器，光包打包拆包处理器同时与光标记头产生模块和波分复用器相连接，光标记交换核心节点中，输入波分复用器将到达光标记交换核心节点的光纤分别连接光标记收发处理器输入和光开关交换矩阵，光标记收发处理器输出和光开关交换矩阵输出都连接输出波分复用器。本发明在计算机终端和光标记交换边缘节点间高速多媒体视频流情况下引入阻塞模式和多路复用模式，实现任意独立数据流接入的灵活控制。

Description

支持阻塞模式和多路复用控制的光标记交换结构

技术领域

本发明涉及的是一种用于光通信技术领域的网络结构，尤其涉及一种支持阻塞模式和多路复用控制的光标记交换结构。

背景技术

光交换可分为波长路由的电路交换和光分组交换两种方式。前者的光交换模式是线路交换，基本交换单元是一次呼叫，整个一次呼叫的带宽是双向预留的。这种交换方式的主要缺陷是：在数据传送之前必须首先建立波长路由通道，并且通道波长一直被占用，直至完成才被释放。更为理想的光交换方式当然是光分组交换。它将光信息分成长度固定的光载荷组，然后加上承载路由信息的光信头构成一个个具有固定格式的光信息包即光分组进行传送。光分组交换技术直接在光层上实现小粒度的分组交换，具有小开销、高带宽利用率、对传送信息格式透明等优点，近年来取得了一些进展，有人提出的多波长光标记方式的光分组交换技术。在多波长光标记交换技术中，光分组头由若干具有不同波长的光脉冲组成，这些光脉冲的不同组合代表不同的路由信息。这种光分组头光脉冲的波长与光分组中光载荷的载波属于同一波长信道，不占用额外的波长资源。在交换节点处，通过对分组头光脉冲不同波长组合的判决实现光波路由选择。

经对现有技术的文献检索发现，Shilin Xiao等人在《IEEE PhotonicsTechnology Letters》(电气和电子工程师协会  光子技术快报)2003，15(4)：605-607上发表的“Realization of Multi-wavelength Label OpticalPacket Switching”(多波长标记光分组交换的实现)，该文中提及的只是一个最简单的光标记交换系统，并不能对光包进行实时终端控制，无法在边缘节点区分优先级业务类，无法完成光包的打包拆包和任意数据流的光标记头添加，以及光标记与光包时间和光包间隔延时可编程等复杂功能，这严重限制了光标记交换智能性和灵活性，甚至影响整个光标记交换系统实时特性导致光标记交换网络瘫痪。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种支持阻塞模式和多路复用控制的光标记交换结构，通过在计算机终端和光标记交换边缘节点之间引入独立的数据流控制机制，使其在光标记交换边缘节点阻塞模式和多路复用两种模式下，完成基于优先级区分的光以太包打包拆包和光包可编程时延控制，保证光包在光标记交换核心节点实现基于微秒级的切换和控制，提升整个光标记交换网络的性能。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：光标记交换边缘节点、光标记交换核心节点和计算机终端，其连接关系为：用于视频演示的计算机终端连接光标记交换边缘节点，光标记交换边缘节点通过光纤与光标记交换核心节点相连，光标记交换核心节点与光标记交换核心节点之间经光纤互连。

光标记交换边缘节点结构分四部分：电子输入输出线卡、光包打包拆包处理器、光标记头产生模块和波分复用器。视频终端业务流通过电子输入输出线卡连入光包打包拆包处理器，光包打包拆包处理器同时与光标记头产生模块和波分复用器相连接，然后光标记头产生模块输出光信号通过光纤与光包打包拆包处理器光包收发一起接入波分复用器，波分复用器通过光纤与光标记交换核心节点相连。

光标记交换核心节点结构分四部分：输入波分复用器、光标记收发处理器、光开关交换矩阵和输出波分复用器。输入波分复用器将到达光标记交换核心节点的光纤分别连接光标记收发处理器输入和光开关交换矩阵输入分离光标记头和光包净荷，光标记收发处理器输出和光开关交换矩阵输出都连接输出波分复用器，将新产生的光标记头和交换后的光包净荷复用后经光纤连入光标记交换网。

所述的计算机终端和光包打包拆包处理器，在摄像视频情况下计算机终端将数据、延时和终端地址封装进数据包中传送给光标记交换边缘节点光包打包拆包处理器，在高速多媒体视频流下计算机终端可以发送单独的控制包，光包打包拆包处理器在阻塞模式和多路复用模式下处理终端控制信息，实时控制光包时延、目的地址以及业务优先级等属性。实现独立数据控制的计算机终端和光标记交换边缘节点光包打包拆包处理器是本发明的重要特征。

本发明基于以上的结构特征，多个计算机终端的低速摄像头捕捉或者高速多媒体视频流以10M/100M电子以太包格式输出至光标记交换边缘节点，光标记交换边缘节点实时处理将其打包成1Gbps的光以太包，并且为每个光包添加光标记头经光学波分复用后进入核心光标记交换网络交换传输，带光标记头的光以太包在光标记交换核心节点处只对光标记头进行光电光转换，信号处理器在电域完成光标记识别和对光开关交换矩阵的控制，光包在控制信号的驱动下直接通过光开关交换矩阵交换然后与更新后的光标记头复用进光纤传输到下一个光标记交换核心节点。光包到达出口光标记交换边缘节点后，光包先解复用然后经光标记交换边缘节点光包打包拆包处理器把光包还原为10M/100M电子以太包发送到目标计算机终端重新显示视频流。

在上面对光标记交换网络结构特征描述的基础上，对本发明计算机终端和光标记交换边缘节点之间，以及光标记交换边缘节点和光标记交换核心节点内部工作过程和原理作进一步描述：

1)计算机终端在低速摄像捕捉信号情况下，捕捉摄像信号直接打包成包含延时信息、源和目的终端地址信息和业务优先级信息的电以太包汇聚进入与之相连的光标记交换边缘节点，光标记交换边缘节点电子输入输出线卡接收来自计算机终端的视频流，光包打包拆包处理器按照电以太包携带的光包延时参数、业务优先级和终端地址信息在不同的业务汇聚队列中打包；

2)计算机终端在高速多媒体视频流情况下，向光标记交换边缘节点只发送单独的视频流控制包和纯视频数据包。基于这种对光标记交换边缘节点接收计算机终端控制包和数据包的机制，本发明将其区分为阻塞模式和多路复用模式，阻塞模式是指纯视频流数据包和视频控制包同时发送至光标记交换边缘节点同一端口，而多路复用模式则是光标记交换边缘节点对控制包在单独的端口接收，这样就减少了光标记交换边缘节点光包打包拆包处理器接收阻塞等待的时间提高了输入输出电子线卡端口利用率。在这两种模式下控制包均包含光包延时信息、源终端地址、目的终端地址信息以及业务优先级区分信息，这样光包打包拆包处理器同样对实时接收到的控制信息识别处理，从而实时改变高速多媒体视频流打包成光包的终端地址路由、光包优先级和光包延时定时控制信息，完成实时终端高速视频流业务汇聚和发送。

光包打包拆包处理器将上述的低速摄像捕捉视频信号和高速多媒体视频流在快速存储器中缓存，使用时间定时器和最大光包长度的二维限制触发相应的数据队列，在光包队列溢出条件满足后光包打包拆包处理器输出驱动电平控制激光器阵列产生光标记，然后在光包打包拆包处理器定时器精确定时下将光标记头和光包经过严格的时间间隔复用进波分复用器发射出去。光包打包拆包处理器同样可以控制连续两个光包的间隔时间，这样来自电子输入输出线卡的10M/100M视频以太包经光标记交换边缘节点处理后即转换成带光标记头的1G光以太包进入光标记交换核心光网络。同样，光标记交换边缘节点拆包过程只需将接收的光包执行打包逆过程从而经电子输入输出线卡转发至相应的计算机终端。光标记交换网络光标记交换核心节点接收来自相邻的光标记交换边缘节点或者光标记交换核心节点的带光标记交换头的千兆以太光包，经输入波分复用器分离光标记头和光以太净荷，光标记头进入光标记收发处理器，在光标记头和光包净荷间隔时间内完成光电转换，并且高速电子处理产生相应的驱动电信号控制光开关交换矩阵，光包净荷在驱动电路的控制下透明的通过光开关交换矩阵完成全光交换，同时光标记收发处理器在电域更新标记信息重新驱动激光器发射光标记，新的光标记和光开关交换矩阵输出的光包净荷在间隔时间内一起经输出波分复用器复用输出到下一个节点。

本发明改进了计算机终端和光标记交换边缘节点光包打包拆包处理器结构，实现了对光包的实时终端控制，在光标记交换边缘节点区分业务类优先级打包，完成了光包的打包拆包，任意数据流的光标记添加，光标记与光包时间和光包间隔延时可编程等复杂功能，极大的提高了光标记交换智能性和灵活性，改善了整个光标记交换系统实时特性和可扩展特性。光包打包拆包的实现更有利于发挥光标记交换网络大容量，高速光交换的优势，同时也减少了光标记交换核心节点阻塞率和竞争，优化了网络性能。

本发明在简单光标记交换演示系统的基础上，设计提出了支持任意数据流阻塞模式和多路复用模式下终端控制的光标记交换结构，在用户终端和边缘接入节点之间引入独立的数据流控制机制，从而在光标记交换边缘节点阻塞模式和多路复用两种模式下，能够完成基于优先级区分的光以太包打包拆包和光包可编程时延控制，实现任意独立数据流的接入控制，保证光包在光标记交换核心节点基于微秒级的切换和控制，提高了光标记交换网络带宽利用率，增加光标记交换边缘节点的智能性，充分利用电层的缓存灵活特性，提高网络的自适应能力，简化核心光网的控制和管理，提升了整个光标记交换网络的性能和对多种业务接入的强大控制能力，增强光标记交换网络自身的鲁棒性。

附图说明

图1本发明光标记交换网络结构图

其中，边缘为光标记交换边缘节点，核心为光标记交换核心节点。

图2本发明光标记交换边缘节点(a)和光标记交换核心节点(b)结构图

图3本发明计算机终端发送的数据包格式

其中，(a)为低速摄像捕捉信号电子包格式，(b)为高速多媒体视频流控制包格式，(c)为高速多媒体视频流纯数据包格式。

具体实施方式

如图1所示，本发明光标记交换网络结构包括：计算机终端1、光标记交换边缘节点2、光标记交换核心节点3，其连接关系为：四台计算机终端1连接光标记交换边缘节点2，三个光标记交换核心节点3互连，同时与三个相应的光标记交换边缘节点2相连，另二个光标记交换边缘节点2分别连接两台计算机终端1。四台计算机终端1各自产生的低速摄像捕捉信号或者高速多媒体视频流以10M/100M电以太包格式汇聚接入光标记交换边缘节点2，计算机终端的视频信号在光标记交换边缘节点2汇聚后按照业务类优先级和目的地址被分类打包成千兆光以太包，光标记交换边缘节点2也为每个光包添加一个光标记头，在精确时延控制下发送完整的带光标记头的光以太包到光标记交换核心节点3，光标记交换核心节点3对光标记光电光实时处理控制光以太净荷透明交换，光包分别到达各自的光标记交换边缘节点2，完成拆包并转发原始的电以太包至目的计算机终端1并回显视频。

图2(a)给出了本发明光标记交换边缘节点结构图，光标记交换边缘节点由电子输入输出线卡4、光包打包拆包处理器5、光标记头产生模块6和波分复用器7四部分构成。电子输入输出线卡4接收来自计算机终端的10M/100M电以太数据包转发给光包打包拆包处理器5，光包打包拆包处理器5根据视频数据包的业务优先级和目的终端地址分配至相应的数据集中队列排队，利用基于阈值和时间的二维限制汇聚方法，当一个光包封装完成后光包打包拆包处理器5驱动光标记头产生模块6发射光标记，同时经过光包标记头和光包净荷严格定时时间间隔后，发送千兆光以太包与光标记头一起复用进入波分复用器7经光纤输出。同样，带光标记头的光包在出口节点经波分复用器7解复用成千兆纯光以太数据包至光包打包拆包处理器5，光包打包拆包处理器5按照打包规则拆包把数据还原为原始的10M/100M视频信号，送到电子输入输出线卡4转发到相应的目的计算机终端。图2(b)为光标记交换核心节点结构图，光标记交换核心节点由输入波分复用器8、光标记收发处理器9、光开关交换矩阵10和输出波分复用器11构成。光标记交换网络的携带光标记头的千兆光以太包进入光标记交换核心节点3首先经过输入波分复用器8将光标记头和光包净荷分别解复用至光标记收发处理器9和光开关交换矩阵10，在光标记头和光包净荷间隔时间内，光标记头在光标记收发处理器9中经过光电转换后对电子头信息识别和处理驱动光开关交换矩阵10设置成相应的状态，此时到达的光包净荷不需要缓存和等待直接在预先设置好的光开关交换矩阵10中完成透明光交换，其输出连入输出波分复用器11，光标记收发处理器9也同时更新了标记信息，并发射光标记连入输出波分复用器11提前光包净荷一个间隔时间复用后发送出去。

图3给出了计算机终端与光标记交换边缘节点间传送的数据包和控制包格式。一个格代表一个字节的数据，低速摄像捕捉信号电子包格式(a)中，字节1和2表示该电子视频包经边缘节点打包后，光以太包之间的时延值，单位是微秒。字节3表示目的终端地址，字节4表示这个业务类的优先级，字节5表示源计算机终端地址，字节6和7保留为未来定义使用，数字8的部分表示视频捕捉数据净荷。计算机终端在低速摄像捕捉信号情况下采用这种包格式，终端发送包含延时值1和2、源地址5和目的终端地址3和业务优先级信息4的电以太包汇聚进入与之相连的光标记交换边缘节点，光标记交换边缘节点电子输入输出线卡接收来自计算机终端的视频流，光包打包拆包处理器按照电以太包携带的光包延时值、业务优先级和终端地址信息在不同的业务汇聚队列中打包并设定光包定时间隔；高速多媒体视频流控制包格式(b)中，字节1到字节5与(a)意义相同，字节6到字节8保留使用；高速多媒体视频流纯数据包格式(c)中，视频流数据包1可以是任意定义的纯视频数据。计算机终端在高速多媒体视频流情况下使用单独的控制包(b)和数据包(c)，基于这种对光标记交换边缘节点接收计算机终端控制包和数据包的机制本发明将其区分为阻塞模式和多路复用模式，阻塞模式是指纯视频流数据包和视频控制包同时发送至光标记交换边缘节点同一端口，而多路复用模式则是光标记交换边缘节点对控制包在单独的端口接收，光包打包拆包处理器同样对实时接收到的控制信息识别处理，从而实时改变高速多媒体视频流打包成光包的终端地址路由、光包优先级和光包延时定时控制信息，完成实时终端高速视频流业务汇聚和发送。

本发明提出的光标记交换结构在实际试验中收到了良好的效果，终端低速摄像捕获信号和高速多媒体视频流经过定时控制打包拆包光标记交换网络回显，视频流通畅，视频质量良好。下一步的研究工作可以基于这种可编程打包拆包多节点网络结构，添加光纤延迟线、波长转换器和利用偏转路由等方法充分研究光标记交换这一先进技术的特性和光标记交换网络性能。

Claims (4)

1、一种支持阻塞模式和多路复用控制的光标记交换结构，包括：计算机终端(1)、光标记交换边缘节点(2)和光标记交换核心节点(3)，其特征在于，光标记交换边缘节点(2)由电子输入输出线卡(4)、光包打包拆包处理器(5)、光标记头产生模块(6)和波分复用器(7)构成，电子输入输出线卡(4)与光包打包拆包处理器(5)相连，光包打包拆包处理器(5)同时与光标记头产生模块(6)和波分复用器(7)相连接，电子输入输出线卡(4)接收外来电子数据包送入光包打包拆包处理器(5)打包成光包，同时光包打包拆包处理器(5)输出电标记信号驱动光标记头产生模块(6)输出光信号，该信号通过光纤与经光包打包拆包处理器(5)打包后的光包一起接入波分复用器(7)，波分复用器(7)通过光纤与光标记交换核心节点(3)相连，光标记交换核心节点(3)由输入波分复用器(8)、光标记收发处理器(9)、光开关交换矩阵(10)和输出波分复用器(11)构成，光标记收发处理器(9)和光开关交换矩阵(10)都与输入波分复用器(8)和输出波分复用器(11)相连，输入光纤中的光信号经输入波分复用器(8)解复用后分离成光标记头和光包净荷，光标记头和光包净荷分别通过光纤输入到光标记收发处理器(9)和光开关交换矩阵(10)，光标记收发处理器(9)将处理后新产生的光标记头和交换后的光包净荷复用后经光纤输入到光标记交换网，光标记交换边缘节点(2)连接计算机终端(1)。

2、根据权利要求1所述的支持阻塞模式和多路复用控制的光标记交换结构，其特征是，所述的计算机终端(1)，在低速摄像捕捉信号情况下，包含延时、地址和优先级信息的电以太包汇聚进入光标记交换边缘节点(2)，光标记交换边缘节点光包打包拆包处理器(5)按照电以太包携带的光包延时参数、业务优先级和终端地址信息在业务汇聚队列中打包；在高速多媒体视频流情况下，计算机终端(1)向光标记交换边缘节点(2)发送单独的视频流控制包和纯视频数据包。

3、根据权利要求2所述的支持阻塞模式和多路复用控制的光标记交换结构，其特征是，计算机终端(1)与光标记交换边缘节点(2)之间的控制机制区分为阻塞模式和多路复用模式，阻塞模式是指纯视频流数据包和视频控制包同时发送至光标记交换边缘节点(2)同一端口，而多路复用模式则是光标记交换边缘节点(2)对控制包在单独的端口接收，光包打包拆包处理器(5)对控制信息识别处理，实时改变高速多媒体视频流打包成光包的终端地址路由、光包优先级和光包延时定时控制信息，完成终端高速视频流业务汇聚和发送。

4、根据权利要求1所述的支持阻塞模式和多路复用控制的光标记交换结构，其特征是，光标记交换核心节点(3)与光标记交换核心节点(3)之间经光纤互连。

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