CN1325202A - 动态控制网络链路上的波长分配和方向的方法和系统 - Google Patents

动态控制网络链路上的波长分配和方向的方法和系统 Download PDF

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Abstract

用于被连接在网络结点之间的网络链路上的动态波长分配的方法,包括的步骤有:在链路的各个终端上的控制单元之间交换引导信息以确定双向数据信道组和双向控制信道组内部的初始信道配置;协商双向初始信道方向;测量链路上的业务强度以产生一个链路业务信号;传递链路业务信号;从相邻结点接收信息;处理链路业务信号和相邻结点信息;根据处理结果重新分配双向数据和控制信道群中的一或多个信道的方向性;连续重复测量,接收,处理和重新分配步骤以控制链路上各个方向的数据和控制信道群容量。

Description

动态控制网络链路上的波长分配和方向的方法和系统
本发明涉及光网络系统和方法，更具体地是涉及动态控制网络链路上的波长分配和方向的系统和方法。
各种网络，尤其是因特网上的数据传输在过去若干年急剧增加，并且随着引入需要更多带宽的新业务，这种趋势数据仍会继续下去。网络通信量的惊人增加使我们认识到企业网络中的设备线路和路由器自身的容量可能无法满足对更多带宽的需求。大量的网络传输要求网络具有高容量线路和能够路由变长并且突发到达的数据分组的路由器。
即使能够，当前的电子IP交换路由器也会难以测量IP传输的增长。光数据分组交换路由器可以克服电子路由器中的困难。具体地，密集波分多路复用(DWDM)技术的出现显著增加了光纤传输系统的理论容量。单根DWDM光纤每秒可以传送超过10万亿位的数据。然而由于多数波长分配方案反映出必须在一个链路的两个方向上对称分配传输容量的过时观念，对这种扩充容量的开发利用经常是非常低效的。
近来的研究表明，因特网内部链路和网络中的典型数据传输模式通常是极不对称的，无论这些链路是属于WDM链路还是典型的传输链路均是如此。例如，在一天的较早时间内，多数传输可能集中在一个方向上(例如从东到西)。而在一天的较晚时间内，会发生完全相反的传输模式。根据一天的周期内的起伏观察到的比例大约为1∶5或1∶3。这些起伏是与时间相关的，并且时间粒度通常以小时甚至是天为单位，其中某些起伏只在更长的时间段内才能发现。由于提供的容量通常是两个方向中的最大需要容量的两倍而不是双向传输的容量总和，因而大量的传输容量没有被利用。
由于在传统传输系统中以对称方式提供容量，系统总是处于在一个方向上使用交换机容量但在另一个方向上闲置交换机容量的状态。这意味着在传输量相对较小时浪费了大量的交换机容量。当前的传输系统不提供可以根据需要以一个非对称方式重新分配浪费的交换机和链路容量以便允许传输容量与两个方向上的实际传输路由匹配的手段。
一个WDM系统通常具有数十甚至数百个理论上可以为两个方向上的传输而分配的数据传输波长。传统的传输系统不能利用一个方向上未充分利用的波长来增加其它可能出现过载的方向上的容量。因而当前的传统传输系统不能弥补一个链路的两个方向之间的数据传输量方面的差异，从而导致在不同时间点上无法充分利用一个或两个业务流方向上的传输容量。
虽然在静态光传输系统(例如光交叉连接)中在某种程度上解决了这个问题，但由于光交换技术的出现要求对波长(信道)资源进行极度动态的分配，这个问题随之变得更加尖锐。实际上，某些光交换技术的效率(即WDM访问技术的阻塞概率)取决于出端口上可用信道的数量。所以一个传输方案分配波长以便允许实现非对称传输模式的传输方案可以在具体的光交换机解决方案和任何普通的交换解决方案中产生显著的效率改进。
当前的传输系统的对称波长分配产生了一种两倍于系统在两个方向中需要的最大容量的容量分配。所以各个方向均被分配了系统可能在任何一个方向上发现的最大容量。在这种方案中，两个方向上的信道通常可能远远没有被充分利用。与之相反，一个可以被动态配置的非对称传输信道(波长)分配可以增加相同数量的信道的传输容量或减少传送指定传输量所需的信道数量。例如，通过分配两个方向的容量总和的方式取代为一个链路分配两倍于两个方向中的最大容量的容量的方式，其中上述容量总和可能小于最大容量的两倍。甚至对于传统的非WDM传输系统也可以带来这种益处。
具体地，在光交换领域(主要是WDM领域)，需要使分组的入阻塞最小化。如果在某处一个系统具有10个可用波长并且有11个需要沿一个链路同时发送的分组，则没有可用于第11个数据分组的容量。第11个数据分组会被缓冲(延迟)，如果没有可用缓冲区或所有可用缓冲区已满，则会被丢弃。所以，可用于系统的波长越多，则在指定链路上可以同时发送的分组就越多。一个链路上的波长资源动态方向管理可以提供一个在指定时间和指定方向上增加一个指定链路上的波长数量的手段，其中在该链路上可以把数据分组移到下一个结点上。通过从一个方向(容量利用不充分)向另一个缺乏容量的方向转移波长可以实现这一手段。当前的传输系统不具有在WDM领域的传输资源提供中反映传输量中实际存在的非对称的能力。
虽然早已认识到典型数据传输的非对称性质，但直到最近才在建立数据网络基础设施时应用DWDM技术。虽然某些商业解决方案允许对波长方向进行静态非对称配置，但当前的传输系统没有根据观察的传输模式得出通过动态方向控制设计非对称WDM系统的明确结论。现有解决方案事实上仅适用于静态光传输系统(即光交叉连接的互连)，并且不与动态方向控制系统可以为小粒度时域光交换机带来的特殊优势相匹配。现有方案只允许进行静态的重新配置(即，没有被用来动态控制数据传输方向的信令)。
所以，需要一种控制网络链路上的波长分配和方向的方法和系统，上述方法和系统可以通过非对称方式分配传输信道以减少或防止出现未充分利用一个链路的两个方向上的传输容量的情况。
并且还需要一种控制网络链路上的波长分配和方向的方法和系统，上述方法和系统可以动态分配波长资源以便光交换机上的数据分组入阻塞最小化。
并且还需要一种控制网络链路上的波长分配和方向的方法和系统，上述方法和系统可以动态消除链路上传输容量与实际传输量之间的不均衡现象并且以连续方式重新配置链路。
并且还需要一种控制网络链路上波长分配和方向的方法和系统，上述方法和系统可以分配波长传输资源，例如增加现有链路上的传输容量或减少在新链路上传送相同的传输量所需的波长数量。
本发明提供了一个用于网络链路上的波长分配的方法和系统，该链路包括一或多个被连接到至少一个结点的光纤并且具有一或多个数据信道组，其中每个数据信道组均具有至少一个信道。该系统包括：一个沿链路传送业务数据的双向数据信道组；一个传送信令信息的双向控制信道组，其中在每个链路方向上还包括至少一个交换引导信息的元控制信道；一个位于链路的各个终端上，从相邻结点接收信息并且确定双向信道组内部的初始信道配置的控制单元；一个位于各个链路终端上，测量链路上的传输强度并且产生一个链路传输信号的业务测量模块；一个位于各个链路终端上，处理链路传输信号和相邻结点信息并且根据这个处理重新分配双向数据和控制信道组的信道控制系统；和至少一个允许各个数据和控制信道在链路的终端之间进行通信的发送器与接收器对。该系统还可以包括一或多个固定数据和控制信道组。
本发明的方法包括的步骤有：在链路的各个终端上的控制单元之间交换引导信息以确定双向数据信道组和双向控制信道组内部的初始信道配置；在控制单元上协商双向信道组中的初始信道方向；在各个链路的业务测量模块上测量链路上的传输强度以产生一个链路传输信号并且把链路传输信号传递到一个信道控制系统；在控制单元上从相邻结点接收信息；处理链路传输信号和相邻结点信息；根据处理结果重新分配双向数据和控制信道组中的一或多个信道的方向；连续重复测量，接收，处理和重新分配步骤以控制链路上各个方向的数据和控制信道组容量。
本发明通过一种控制网络链路上的波长分配和方向的方法和系统提供了一个重要的技术优势，即上述方法和系统可以通过非对称方式分配传输信道以减少或防止出现未充分利用一个链路的两个方向上的传输容量的情况。
本发明通过一种控制网络链路上的波长分配和方向的方法和系统提供了另一个技术优势，即上述方法和系统可以动态分配波长资源以便光交换机上的数据分组入阻塞最小化。
本发明通过一种控制网络链路上的波长分配和方向的方法和系统提供另一个技术优势，即上述方法和系统可以动态消除链路上传输容量与实际传输量之间的不均衡现象并且以连续方式重新配置链路。
本发明通过一种控制网络链路上波长分配和方向的方法和系统提供了另一个技术优势，即上述方法和系统可以分配波长传输资源，例如增加现有链路上的传输容量或减少在新链路上传送相同的传输量所需的波长数量。
为了更全面地理解本发明及其优点，现在参照下列结合附图所进行的描述，其中类似的索引号指示类似的部分，其中：
图1示出了一个针对DWDM信道的分配和方向的参考模型；
图2是一个图解在出链路上增加信道数量所带来的降低丢弃概率的好处的图表；
图3是关于本发明的系统的一个实施例的模块图；和
图4A,4B和4C图解了基于本发明的主动方向波长管理导致的线性效率改进的一个例子。
附图中图解了本发明的最优实施例，其中类似编号被用来表示不同图例中的类似和对应的部分。
本发明的方法和系统使用一个通过专用控制信道(组)传送的信令协议以便允许即时调整一个选定信道子集上的数据传输的方向。因此，通过使用传输模式分析，可以动态(即时)调整单个WDM链路的信道结构以反映(切换)传输模式的非对称性质。在WDM和DWDM系统上可以实现本发明。
下列对本发明的描述假定了一个特定于光脉冲交换机的特定信道配置。然而信道方向管理可用于类型更广泛的光交叉连接交换设备，并且可以在这种设备中实现本发明。可以使用软件和硬件的组合来实现本发明。可以升级现有的网络路由器以便通过安装软件并对硬件进行某些修改来引入本发明，也可以使用引用本发明的中间设备。
本发明可以按照逐个链路的方式提供波长(信道)的动态方向管理。然而也考虑了网络的总体传输方案。通常，进入一个具有不止一个链路的结点的所有传输最终必然会离开该结点。因而从所有链路进入一个结点的波长总数会或多或少地与离开一个结点的波长总数相同。纵观所有这种结点，上述结论一定成立。然而在一个单独的链路上，本发明的方法和系统可以动态分配数据信道的方向以便允许将波长从输入切换到输出(入局和出局)。
本发明的方法和系统沿一个链路或链路组提供一个不取决于观察的业务流的初始波长(信道)分配。在这个″引导″阶段期间，可以通过某种可能不反映实际传输状况的方式分配信道。分配模式可以是随机的，也可以是某种预定分配。本发明可以使用一个算法来执行这种初始分配。例如，初始分配可以是完美对称(每个方向上均有所有可用信道中的一半信道)的，也可以是某些其它的任意模式。
作为初始信道分配的一部分，某些信道(波长)会具有特殊的作用，即这些信道会是一个为控制信息而分配的特殊信道子集。在控制信道的子集中间，存在一组用于引导的信道或元控制信道，这些信道被用来在位于一个链路的两端的结点之间交换信息。元控制信道可用于传送用于初始信道分配和任何后续动态信道分配的信令信息。
控制信道组可以是用于控制信息交换的静态信道组。一旦沿任何两个结点之间的控制信道建立了初始通信，则结点可以协商有关连接它们的链路上的信道的分配。
本发明的方法和系统可被用于非硬连线交换矩阵上的统计交换。使用统计配置的交换矩阵的TDM(时域多路复用)系统与本发明可以通过逻辑方式分配将来的传输资源的动态交换系统之间的根本差异是不能经常切换静态系统的信道。静态光传输系统通常是传送TDM传输业务的系统，该系统允许对波长资源进行静态和对称的分配。然而本发明允许对资源进行更加动态的分配，这种分配更加面向数据并且在网络容量分配方面提供了更多的灵活性。
图1示出了一个参考模型100，该参考模型被假定用于本发明的一个进行DWDM信道(波长)方向分配的实施例。在图1中，东和西被用作普通方向指示符(即一个东/西(EW)标志指示一个方向，而一个西/东(WE)标志指示相反方向)。图1的参考模型需要把一个链路上的信道分割成一个控制组和三个其它信道组。第一组，即组10包括一组只会被用于从西到东的方向的信道。第二组，即组20包括一组只会被用于从东到西的方向的信道。固定数据信道组10和20可以包括零个信道，但通常至少具有一个信道(即固定数据信道组10和20中的信道数量可以是大于等于零并且小于可用波长总数的任意数量)。第三信道组是双向数据信道组30，该信道组包括可以动态改变方向的信道。双向数据信道组30的信道数量可以是任何大于或等于1的数量。
类似于数据信道组，控制信道群40可以包含如图1所示的固定和双向控制信道组。可以在控制信道组40上传递信令信息。可以通过若干方式实现控制信道组40，这些方式包含与数据波长分离的专用控制波长，或副载波传输技术，其中控制数据被多路复用到传输数据波长上。
通常，每个方向上至少有一个信道被专用于控制信道组40并且不可用于传送非控制数据。这是由于图1的控制信道组40必须提供双向通信。控制信道组40也可以传送其它与信道方向管理无关的控制信息。由于(其它)控制传输的数量可以反映在传输数据波长上观察到的非对称特性，所以可以通过一种非对称方式提供控制信道组40。
在各个控制信道组40内部的每个方向上至少存在一个元控制信道50。元控制信道50可以被预先配置并且必须被一个WDM链路的两端知道。元控制信道50被用来交换用于本发明的波长分配和方向控制系统的引导信息。
因此，针对一个类似图1中示出的系统的n-波长DWDM系统，并且在假定通过专用控制波长实现控制信道的情况下，本发明的方法和系统可以提供下列信道分配：
λWE 1…λWE j：在西-东方向上分配的固定数据信道组
NWE=j：西-东方向上分配的固定数据信道的数量；NWE可以是0；
λbidir j+1…λbidir k：双向数据信道组
Nbidir=k-j：双向数据信道的数量；Nbidir通常≥1；
λEW k+1…λEW 1：在东-西方向上分配的固定数据信道组
NEW=1-k：在东-西方向上分配的固定数据信道的数量；NEW可以是0；
λC WE 1+l…λC WE m：东-西方向上分配的控制信道组
NC WE=m-1：西-东方向上分配的控制信道的数量；NWE通常≥1，但在副载波技术被用来交换信令的情况下可以是0；
λC bidir M+1…λC bidir p：双向控制信道组
NC bidir=p-m：双向控制信道的数量；NC bidir通常≥1；
λC EW p+1…λC EW n：东-西方向上分配的控制信道组
NC EW=n-p：东-西方向上分配的控制信道的数量；NC EW通常≥1，但在副载波技术被用来交换信令的情况下可以是0。
在本发明的这个描述中，术语″信道″被用作对波长的抽象表述。关于信道到物理波长和物理光纤的映射没有任何假定。实质上，可以扩充本发明的动态方向解决方案以便包括对多个光纤上所有可用波长或其一个子集的转换。这会需要通过使一个光纤子集中的控制信道传送控制所有光纤中的所有波长的转换所必需的所有协议信息来优化控制。
信道的使用是一个逻辑概念。信道在物理上可以被映射到光纤的一个波长上。本发明的方法和系统同样适于分配单独一个光纤上的若干波长或不同光纤上的若干波长。可以通过纯逻辑方式实现本发明的系统和方法。接着信道可以被映射到波长，而波长可以被映射到光纤。使用信道的逻辑概念可以最好地使用诸如本发明的容量管理系统。例如，把逻辑信道物理映射到光纤中的波长的一个含义是相同光纤上的波长可以被分配在不同方向上。
在基于波长域统计多路复用的光交换系统的特定领域内，本发明提供的动态波长方向具有特别的好处。实际上，波长域多址网络中的阻塞概率以非线性方式信赖出口链路上的可用波长的数量。图2中示出的图例图解了这种情况。
图2是一个图解在使用波长域介质访问进行统计多路复用时增加信道数量所带来的降低丢弃概率的好处的图表(附加的脉冲存储曲线与本发明没有关联)。图表200示出了表示分别具有4,32和250个信道的一个出口链路的曲线210,220和230。
如图2所示，除了增加线性容量的明显优点之外，一个增加强负载出口链路上的可用波长数量的机制还为波长域多址机制带来了超线性效率增加(通过降低统计多路复用丢弃概率)的额外好处。
图3是有关本发明用于控制波长分配和方向的方法和系统的一个实施例的模块图。图3中的实施例示出了一个通用光交换机300，其中包含一个交换矩阵330，控制系统340和链路终端301。光交换机300与数据信道306,307和308，控制信道310,311,312和元控制信道304接口。交换矩阵330和控制系统340的实际内部工作原理不是本发明的中心内容。
由交换机控制系统340配置交换矩阵330，上述控制系统根据控制信道310,311和312上交换的控制信息进行操作。对输出控制信道组(固定控制信道组311和出站312)的观察产生了有关固定数据信道组307和出站信道308上的业务流的精确指示。对于一个指定方向，在数据信道和控制信道上交换的数据量之间存在一个瞬时正相关关系。
数据信道306,307和308在光交换矩阵330上终止。控制信道310，311和312在控制系统340上终止。双向数据信道308和双向控制信道312通过方向开关314来转换。出站控制信道311和出站312通过方向控制单元(″DCU″)302来转换。所有控制信道(310,311和312)通过信令模块318来转换，信令模块处理通过入站控制信道(310和入站312/304)上的相邻结点接收的信令信息并且将该信息提供到DCU302。信令模块318还允许在出站控制信道(311和出站312/304)上注入从DCU302发送到一个相邻结点的DCU302的信令消息。元控制信道304上的元信令消息在信令模块318上终止。所有数据信道(306,307和308)，控制信道(310,311和312)，和元控制信道(304)被认为是链路303的一部分。
DCU302被用来确定链路303上的初始信道配置并且协商双向数据和控制信道308和312的初始方向。业务测量模块316监视出站(东-西)双向控制信道组312和东-西固定控制信道311上的控制业务强度以确定数据信道组307和308上的数据业务流的强度数值。测量的业务信息被业务测量模块316馈送到DCU302。DCU302还从信令模块318接收来自相邻结点的类似业务信息。一或多个控制信道可被用来和相邻结点交换信息。
DCU302把对链路303上的出站业务的测量和来自相邻结点的业务信息当作输入以确定链路303的两端上的结点的出站业务之间是否存在明显的非对称特性。如果出现，DCU302可以协商重新分配数据和/或控制信道的方向。通过使用方向开关314，信道控制系统320可以根据DCU302提出的要求改变双向控制和数据信道308和/或312的方向。方向开关314可以是熟悉本领域的人们已知的循环器。以本领域众所周知的方式使用接收器322和发送器324分别接收和发送数据和/或控制信息。也可以使用收发器单元。
接收器322，发送器324，信道控制系统320，信令模块318，业务测量模块316和DCU302可以被包含在一个光交换机300内部。
在操作方面，图3的系统可以按下述方式连续进行动态信道方向管理。在引导阶段内，一个链路303两端的DCU302可以确定链路的初始信道配置(包含数据和控制组中的双向信道的标识和数量)。接着，DCU302可以协商分配的双向数据和控制信道的初始方向。预先配置的元控制信道304被用来传送必要的协议数据单元(引导信息)。一旦分配了信道并且设置了信道的方向，便可以开始处理数据业务流。数据和控制信道组306,307,308,310,311,312和304类似于图1中示出的参考模型的信道组10,20,30,40和50。
如上所述，业务测量模块316监视双向控制信道组312和东/西控制信道组311上的业务强度。这种信息被传递到DCU302。DCU302还通过信令模块318从相邻结点接收传输信息。DCU302(以逐个链路的方式)处理来自相邻结点的业务信息和从业务测量模块316接收的业务测量信息，并且在确定出现非对称特性的情况下可以协商重新分配数据和/或控制信道的方向。在系统内部可以预先设置为开始进行方向的重新分配必须检测的非对称度。启动方向切换所必需的非对称级别是任意的，并且可以根据期望的系统性能指标来确定。例如，可以使用等于一个信道的容量的非对称度。
当在链路303两端的DCU302之间出现对称时，可以实现适当的协同改变(包含目标信道以及中间的再生中继器上的接收器和发送器配置之间的交换)。在这个持续时间为微秒到秒级的转换期间目标信道上的数据传输被中断。在必要时可以定期重复业务测量，相邻结点业务信息比较和重新分配方向的过程，从而导致连续调整链路303上各个方向的数据和/或控制信道组容量。
DCU302将来自链路303其本身所处的一端上的结点的出站业务与来自链路303另一端上的结点的出站业务进行比较。DCU302确定出站业务在对称性方面是否存在差异并且接着判断是否可以交换双向数据信道组308(和/或控制组312)中的某些波长的方向。可能通过渐进或快速方式完成链路303的信道从一个方向到另一个方向的交换。通常不会立即完成转换。本发明的系统可以观测预定时间段上的业务量的总平均数，并且在正切换一个或其它方向上的业务时系统会根据某个非对称度确定必须进行改变。引起一次切换的业务模式改变可以发生在以小时或天为单位的时间段内
业务测量模块316可以是任意类型的，本领域技术人员已知的，用于测量WDM网络上的数据传输。系统由于难以测量网络中较低的物理层次上的数据业务，所以与测量实际数据业务流相反，本发明的方法和系统的业务测量模型316测量的是控制数据传输。当因为各种原因在较低物理层次的真实数据传输中间发送空闲帧时，通常难以将真实传输与这些空闲帧区别开来。所以，通常在较高的协议层次进行网络中的业务测量。本发明的业务测量模块316可以在网络中实现本发明的结点内的某处承担业务测量的功能。网络业务测量技术是本领域技术人员众所周知的。
在如图3所示的光脉冲交换环境中，存在一种可以测量数据传输的特殊方式。在光脉冲交换机中，可以测量控制信道上的脉冲头分组并且使用一个外推方法确定真实数据传输的数量。可以使用软件，硬件或二者的组合来实现本发明的方法和系统。在一个网络的各个结点中可以实现本发明的动态非对称交换。因而根据本发明的指导在链路303的两端可以镜像本发明如图3所示的一个实施例以完成动态非对称交换。
当信道控制系统320确定一个方向交换必要时，本发明的动态非对称交换会在交换自身期间产生轻微的效率损耗。这是由于在交换期间其方向正被改变的波长(信道)不能被用来进行传输，必须停止那些信道上的传输，完成交换，然后重新开始传输。然而由于通常在毫秒到秒的时间段内完成交换，在经过一天的时间段之后，转换所导致的损失通常是轻微的。
在信道控制系统320的控制下可以由方向开关314执行实际的交换。方向开关的一个例子是被称作循环器的部件。如上所述，循环器执行的功能是本领域的技术人员众所周知的，方向开关314允许切换链路303内双向信道上的业务流方向。
如图3所示，在一个光脉冲交换环境中，数据信道和控制信道是分离的。数据信道上进行的业务的层次通常是难以测量的。然而如上所述，可以根据控制信道311和312上控制流的层次推断数据信道306和308上业务的层次。一旦确定了数据业务流，DCU302可以判定入局和出局业务中是否有需要进行双向数据信道308和/或双向控制信道312转换的非对称特性。
虽然数据传输信道组306,307和308上的数据业务流难以测量，但可以近似观测控制信道组310,311和312上的控制业务流并且可以根据这种业务测量来确定数据业务流。在控制信道组310,311,312上的数据量和数据信道组306,307和308上的数据量之间存在一个对称级别。如果在任何一个方向上有大量的控制信道业务，这通常意味着在其它方向上也有大量的数据信道传输。
当信道控制系统320决定将某些容量从东/西转换到西/东(反之亦然)时，在数据信道和控制信道中均实现转换。虽然可以在控制和数据信道之间单独实现转换，但最好根据其正相关特性同时转换数据和控制信道。所以，虽然只在控制信道上进行业务测量，但在某些或所有数据信道组306,307,308和控制信道组310,311,312上作出任何方向交换决定。
业务测量模块316可以是硬件和软件的组合，这种组合可能被实现成实现340中一或多个端口的一部分。传输控制模块316可以远离交换矩阵330。
现在回到图3，在初始化阶段(引导阶段)中，DCU302通过元控制信道304与相邻结点的对应DCU302交换信息。在各个方向上均需要一个元控制信道304以便相邻结点之间的DCU302可以交换信息。一旦链路303两端的光交换机301的DCU302已经确定了控制和数据信道的初始分配和方向，这种信息被传递到信道控制系统320。在链路303的初始引导阶段选择初始分配和方向，并且每当要重新配置链路303及其信道(波长和光纤)时也可以进行上述选择。链路303可以包括多个光纤。一旦建立了初始方向和分配，业务流可以开始沿链路303传送。
因而可以由DCU302与相邻结点的其它DCU协同对信道控制系统320进行初始配置。在链路303上的业务流开始传送之后，业务测量模块316与SIG318相互配合为DCU302提供业务流信息以便维护和控制链路303上信道的最有效分配。如上所述，作为以前讨论，业务测量模块316只测量从交换机控制系统340出站的控制业务。链路303的另一端上的相邻结点以相同方式测量这个光交换机300接收的业务流。相邻结点可以通过控制信道310,311和312进行通信以便交换业务信息。因而业务测量设备316可以庆幸在链路303另一端的一个相邻结点中有一个镜像业务测量设备316。
SIG318从相邻结点接收的业务信息被传递到DCU302以便进行处理。DCU302包含一个可以确定来自光交换机300的出站传输量与光交换机300上接收的入站传输量之间是否存在大于一个预定阈值的差异的算法，该算法可以是本领域技术人员已知的任何算法，例如一个滞后系统。如果这种差异存在，信道控制系统320可以通过向信道控制单元320提供配置命令将一或多个信道的方向从一个方向切换到其它方向。
本地DCU302和链路303另一端的相邻结点中的DCU302在进行数据和/或控制信道的重新分配之前必须彼此同意。在链路303两端的DCU320首先确定在入局和出局数据传输之间存在一个阈值差异之后可以达成这种一致。关于交换的决定被传送到链路303的另一端，并且一旦接收到确认，便可以进行交换。可以通过SIG318在DCU302之间的控制信道组310,311和312上进行这些通信。
例如，链路303一端的DCU302可以在另一端的DCU302之前决定开始动态重新分配信道并且带头开始改变。本发明的一个实施例可以包含将链路303一端的一个DCU302指定成一个主DCU系统并且把链路303另一端的DCU302指定成一个从DCU系统因而主DCU系统302可以发起改变一或多个数据和/或控制信道的方向。
可选地，本发明的一个实施例可以将主DCU系统缺省指定成作出交换决定的第一DCU302因而主和从DCU302可以在链路303两端交替轮换。确定需要重新分配信道资源的第一DCU302可以把这个决定传送到另一个DCU302当两个DCU302确定必须重新分配时，便发生了交换。
决定重新分配信道资源的第一DCU302可以决定要改变的信道资源方向。链路303两端的光交换机300停止在已经指定改变方向的数据和控制信道上进行传输直到完成了转换。交换机控制系统340也可以摘掉一个与交换矩阵相连的信道。
可以将其方向正被交换的任何数据和控制信道上的业务重新接通到其业务没有被中断的剩余信道上。一旦完成了信道交换，可以在被交换的信道的新方向上恢复业务并且在所有可用信道上重新分配传输量。众所周知链路303的部分容量的临时损失是一个在交换信道时在多数通信系统中均存在的典型信令问题。
图4A,4B和4C图解了基于本发明的主动方向性波长管理导致的线性效率改进的一个例子。图4A,4B和4C基于的是从MCI操作的vBNS网络测量的真实业务数据。如图2所示，尽管确实重要，但对一个光脉冲交换结构中的超线性效率改进的估测需要复杂的统计建模并且不被认为属于本专利的范围。
图4A的图表400示出了对从美国到英国的数据干线上的数据业务的测量(曲线410)和从英国到美国的数据干线上的数据业务的测量(曲线420)。以兆位每秒为单位示出图4A中的测量。这些业务测量被整理成图4B的图例430。整理成图4B的测量被转换成图4C中的列表440。
图4A比较了在一个24小时时间段上从英国到美国和从美国到英国的数据业务流。图4B中整理出的图例观察的是相同时间段上的相同链路，但在两个方向上示出了更多的真实业务流。图4B示出了业务流的非对称性质，其中表明在24小时时间段的多数时间内从美国到英国的传输要多于从英国到美国的传输。曲线450表示美国到英国的传输而曲线460表示英国到美国的业务流。
在图4B的例子中，由于欧洲在午夜刚刚醒来，所以在午夜从美国到英国的业务流数量是英国到美国的几乎两倍。在大约9:00p.m.(2100时)，图4B表明从英国到美国的传输比从美国到英国的传输多几乎三倍。本发明的方法和系统的目标是根据实际数据传输模式在网络的结点之间提供链路303。曲线470表示当前典型的提供系统为传送图4A和4B的业务流所需的信道数量。如下所述，曲线480表示根据本发明的指导传送相同传输密度的传输量所需的信道数量。
假定一个单独的信道可以传送5个单位的传输内容，并且假定带宽要求(按照单位)如图4A所示，可以发现以下结论：
□美国到英国的最大带宽分配接近40个单位，需要8个信道
□英国到美国的最大带宽分配接近26个单位，需要6个信道
□双向带宽分配的最大总和接近65个单位，需要13个信道
因此，
□我们保守地估计一个对称信道分配方案需要2*max(美国-英国，英国-美国)=2*max(8,6)=16个信道，即每个方向有8个信道
□然而，我们估计一个具有动态信道方向分配的系统会需要max(美国-英国)+max(英国-美国)=13个信道
这就节约了3个信道(=18.75％)，其中假定在一天内转换两个信道。
图4C是一个表示根据图4A,4B和上述情况整理出的信息的图表。这个例子的结果表明典型方案(需要确定任意时刻的最大数据业务以便确定链路303中需要的最大容量)需要两倍于最大业务的对称分配。然而，一个使用基于本发明的指导的动态信道方向分配的系统可以分配传送两个方向上的数据传输总量所必需的数据信道数量。如上所示，在这个例子中节省了3个数据信道。本发明的不同实现可以或多或少地节省信道。
因而本发明的方法和系统可以允许使用较少的数据信道在一个链路上传送相同负载量的数据传输，或者可以允许使用相同数量的数据信道传送更多的数据传输。因而一个实现本发明的网络可以提供一个在使用较少数量的信道资源并且在以后又对其进行重新分配的情况下可以传送与容量较大的系统一样多的传输量的传输系统。
本发明考虑到了基本的守恒规则，即进入一个结点的传输量必须和离开该结点的传输量相同。通过重新分配一个指定链路上的数据信道的方向，在一个网络系统内部的其它链路上会产生不利影响。可以增加流入一个指定结点的传输，这导致必须重新配置离开该结点的链路以保证增加的业务可以流出该结点。可以通过逐个链路的方式实现本发明，但也可以使用一个优化方案实现本发明，该方案分析一个网络中的所有业务流以确定为了优化数据业务流需要重新配置哪个链路内的哪个信道。
本发明的某些局限性包含：
□由于除了需要必要的方向开关(例如循环器)之外所有Nbidir个信道的两端均必须以接收器和发送器为终止，所以一个信道子集的可选方向必然需要更多的光部件
□相同光纤内不同波长上的同时双向传输导致的串音效应和其它非线性效应会在某种程度上降低传输质量
□信道方向的最优重新分配会是一个公平的复杂控制算法的结果，该算法将两个方向上的带宽需求的实际或期待等级当作其最初的输入。这种重新分配和控制信道开销造成的容量损失导致费用增加，其中需要通过期待在数据信道利用方面得到的效率改进来抵消这部分费用。
□方向转换过程通常造成一个其间在两个方向上不能使用目标信道的延迟周期的动态特性对整个传输系统的可用性和容量产生了负面影响。所以为了限制这种负面影响期待这些转换的发生频率会相对较低。
本发明可以包括许多本领域众所周知的分立技术部件。例如，方向开关可以是被用来改变单个信道传输的方向的循环器。并且，在本发明中可以使用处理信令信息并且通过光学DWDM传输系统将其连接起来所必需的现有光电系统。实现控制逻辑和协议引擎所必需的软件系统，可靠交换并处理方向转换信令PDU(协议数据单元)所必需的软件系统，用于光接收器和发送器的电子控制器和其它部件也是本领域技术人员众所周知的。
虽然已经详细描述了本发明，但应当理解在不偏离本发明如所附权利要求书描述的宗旨和范围的前提下可以对其进行各种改变，替换和修改。

Claims (74)

1．一个用于网络链路上的波长分配的系统，该链路包括一或多个被连接到至少一个结点的光纤，并且具有一或多个数据信道组，其中每个数据信道组均具有至少一个信道，该系统包括：
一个沿上述链路传送业务数据的双向数据信道组；
一个传送信令信息的双向控制信道组，其中在上述链路的每个方向上还包括至少一个交换引导信息的元控制信道；
一个位于上述链路的各个终端上，从相邻结点接收信息并且确定上述双向信道组内部的初始信道配置的方向控制单元；
一个位于各个链路终端上，测量上述链路上的业务强度并且产生一个链路业务信号的业务测量模块；
一个位于各个链路终端上，处理上述链路业务信号和上述相邻结点信息，并且根据上述处理重新分配上述双向数据和控制信道组的信道控制系统；
一个处理在结点之间交换的上述信令信息的信令模块；和
至少一个允许各个数据和控制信道在上述链路的终端之间进行通信的发送器与接收器对。
2．如权利要求1所述的系统，其中还包括一个在上述链路的一个第一方向上传送数据的第一固定数据信道组。
3．如权利要求2所述的系统，其中还包括一个在上述链路的一个第二方向上传送数据的第二固定数据信道组，其中上述第一和上述第二方向是不同的方向。
4．如权利要求3所述的系统，其中使用一种副载波技术在上述第一和第二固定数据信道组上传送上述信令信息。
5．如权利要求1所述的系统，其中还包括一个在上述链路的一个第一方向上传送信令信息的第一固定控制信道组。
6．如权利要求5所述的系统，其中还包括一个在上述链路的一个第二方向上传送信令信息的第二固定控制信道组，其中上述第一和上述第二方向是不同的方向。
7．如权利要求6所述的系统，其中上述业务测量包括测量上述结点的一个出站方向上分配的所有控制信道上的业务强度。
8．如权利要求1所述的系统，其中使用一种副载波技术在上述双向数据信道上传送上述信令信息。
9．如权利要求1所述的系统，其中上述信道控制系统还包括一种位于上述双向控制信道组和上述双向数据信道组的各个信道的各个终端上，用于切换上述信道的方向的方向开关。
10．如权利要求9所述的系统，其中上述方向开关是循环器。
11．如权利要求1所述的系统，其中上述信道组的信道均被映射到一个不同的波长上，并且上述波长被映射到一个单独的光纤上。
12．如权利要求1所述的系统，其中：
上述信道组的信道均被映射到一个波长上；
上述波长可以被映射到两个或更多不同的光纤上；并且
不止一个信道可以被映射到相同波长上，只要任何一个光纤上没有相同的波长。
13．如权利要求1所述的系统，其中上述数据和控制信道组中的上述信道可以被映射到一个光纤中的波长上，使得可以在上述光纤的各个方向上传送数据。
14．如权利要求1所述的系统，其中上述信道控制系统还包括一个处理上述链路业务信号和上述相邻结点信息以确定是否需要进行一次信道重新分配并且执行上述重新分配的算法。
15．如权利要求14所述的系统，其中上述算法是一个滞后算法。
16．如权利要求1所述的系统，其中上述业务测量包括测量上述结点的一个出站方向上分配的上述双向控制信道组的信道上的业务强度。
17．如权利要求1所述的系统，其中上述相邻结点信息包括一个相当于上述至少一个结点的入站数据业务的相邻结点出站数据业务测量。
18．如权利要求17所述的系统，其中处理上述链路传输信号和上述相邻结点信息包括比较上述链路业务信号与上述相邻结点出站数据业务测量以确定入站和出站数据业务之间是否存在一个阈值差异。
19．如权利要求18所述的系统，其中上述阈值是一个任意数值。
20．如权利要求19所述的系统，其中上述任意数值是一个单独数据信道的容量。
21．如权利要求1所述的系统，其中上述重新分配包括向具有更大的业务流的方向分配额外的数据和/或控制信道。
22．如权利要求20所述的系统，其中根据一个倒数关系重新分配上述数据和控制信道。
23．如权利要求1所述的系统，其中上述相邻结点信息包括信令信息和引导信息。
24．如权利要求1所述的系统，其中以一种非对称方式分配上述双向数据和控制信道组中的信道的方向。
25．如权利要求1所述的系统，其中重新分配上述双向数据和控制信道组中的信道的方向以匹配上述链路的各个方向上的数据业务等级。
26．如权利要求1所述的系统，其中上述初始配置包括分配上述双向数据和控制信道组中的信道的数量和方向。
27．如权利要求1所述的系统，其中上述双向数据和控制信道组均可以具有在上述链路的各个方向上同时分配的信道。
28．如权利要求1所述的系统，其中上述链路是一个WDM链路。
29．如权利要求1所述的系统，其中上述链路是一个D-WDM链路。
30．如权利要求1所述的系统，其中重新分配包括重新分配上述双向数据和控制信道组的信道配置以反映上述业务测量模块测量的偏移非对称数据业务流。
31．如权利要求1所述的系统，其中上述结点是一个光脉冲交换机。
32．如权利要求1所述的系统，其中上述网络是一个光脉冲交换网络。
33．如权利要求1所述的系统，其中各个双向信道在其每个终端上分别以一个接收器和发送器作为结束。
34．如权利要求1所述的系统，其中以逐个链路的方式进行上述重新分配。
35．如权利要求1所述的系统，其中上述初始分配是随机的。
36．如权利要求1所述的系统，其中各个链路终端上的上述控制单元协同执行上述重新分配。
37．如权利要求1所述的系统，其中上述系统被包含在一个光交换机内部。
38．如权利要求1所述的系统，其中还包括一个交换矩阵和交换机控制系统。
39．一个用于网络链路上的动态波长分配的方法，该链路包括一或多个被连接到至少一个结点的光纤，并且具有一或多个数据信道组，其中每个数据信道组均具有至少一个信道，该方法包括的步骤有：
在上述链路的各个终端上的方向控制单元之间交换引导信息以确定一个双向数据信道组和双向控制信道组内部的初始信道配置；
在上述方向控制单元上协商上述双向信道组中的上述信道的初始方向；
在各个链路的一个业务测量模块上测量上述链路上的业务强度以产生一个链路业务信号并且把上述链路业务信号传递到一个信道控制系统；
在上述方向控制单元上从相邻结点接收信息；
在各个链路终端的上述方向控制单元上处理上述链路业务信号和上述相邻结点信息；
在上述信道控制系统上，根据上述处理结果重新分配上述双向数据和控制信道组中的一或多个信道的方向；和
连续重复上述测量，接收，处理和重新分配步骤以控制上述链路上各个方向的数据和控制信道组容量。
40．如权利要求37所述的方法，其中还包括一个在上述链路的一个第一方向上传送数据的第一固定数据信道组。
41．如权利要求38所述的方法，其中还包括一个在上述链路的一个第二方向上传送数据的第二固定数据信道组，其中上述第一和上述第二方向是不同的方向。
42．如权利要求39所述的方法，其中使用一种副载波技术在上述第一和第二固定数据信道组上传送上述相邻结点信息。
43．如权利要求37所述的方法，其中还包括一个在上述链路的一个第一方向上传送信令协议信息的第一固定控制信道组。
44．如权利要求41所述的方法，其中还包括一个在上述链路的一个第二方向上传送信令协议信息的第二固定控制信道组，其中上述第一和上述第二方向是不同的方向。
45．如权利要求42所述的方法，其中上述业务测量包括测量上述结点的一个出站方向上分配的所有控制信道上的业务强度。
46．如权利要求37所述的方法，其中使用一种副载波技术在上述双向数据信道上传送上述相邻结点信息。
47．如权利要求37所述的方法，其中上述信道控制系统还包括：
一个处理从上述方向控制单元接收的信令协议信息的信令模块；和
一个位于上述双向控制信道组和上述双向数据信道组的各个信道的各个终端上，用于切换上述信道的方向的方向开关。
48．如权利要求45所述的方法，其中上述方向开关是循环器。
49．如权利要求37所述的方法，其中上述链路在其各个方向上还包括一个传送上述引导信息的元控制信道。
50．如权利要求47所述的方法，其中上述引导信息包括协议数据单元。
51．如权利要求37所述的方法，其中上述信道组的信道均被映射到一个不同的波长上，并且上述波长被映射到一个单独的光纤上。
52．如权利要求37所述的方法，其中：
上述信道组的信道均被映射到一个波长上；
上述波长可以被映射到两个或更多不同的光纤上；并且
不止一个信道可以被映射到相同波长上，只要任何一个光纤上没有相同的波长。
53．如权利要求37所述的方法，其中上述数据和控制信道组中的上述信道可以被映射到一个光纤中的波长上，使得可以在上述光纤的各个方向上传送数据。
54．如权利要求37所述的方法，其中上述初始配置包括上述双向数据和控制信道组中的信道的标识和数量。
55．如权利要求37所述的方法，其中上述方向控制单元还包括一个处理上述链路业务信号和上述相邻结点信息以确定是否需要进行一次信道重新分配并且执行上述重新分配的算法。
56．如权利要求37所述的方法，其中上述业务测量包括测量上述结点的一个出站方向上分配的上述双向控制信道组的信道上的业务强度。
57．如权利要求37所述的方法，其中上述相邻结点信息包括一个相当于上述至少一个结点的入站数据传输的相邻结点出站数据业务测量。
58．如权利要求37所述的方法，其中处理上述链路传输信号和上述相邻结点信息包括比较上述链路传输信号与上述相邻结点出站数据业务测量以确定入站和出站数据传输之间是否存在一个阈值差异。
59．如权利要求56所述的方法，其中上述阈值是一个任意数值。
60．如权利要求57所述的方法，其中上述任意数值是一个单独数据信道的容量。
61．如权利要求37所述的方法，其中上述重新分配包括向具有更大的业务流的方向分配额外的数据和/或控制信道。
62．如权利要求59所述的方法，其中根据一个倒数关系重新分配上述数据和控制信道。
63．如权利要求37所述的方法，其中上述相邻结点信息包括信令信息和引导信息。
64．如权利要求37所述的方法，其中以一种非对称方式分配上述双向数据和控制信道组中的信道的方向。
65．如权利要求37所述的方法，其中重新分配上述双向数据和控制信道组中的信道的方向以匹配上述链路的各个方向上的数据业务等级。
66．如权利要求37所述的方法，其中上述双向数据和控制信道组均可以具有在上述链路的各个方向上同时分配的信道。
67．如权利要求37所述的方法，其中上述链路是一个WDM链路。
68．如权利要求37所述的方法，其中上述链路是一个D-WDM链路。
69．如权利要求37所述的方法，其中重新分配包括重新分配上述双向数据和控制信道组的信道配置以反映上述业务测量模块测量的偏移非对称数据业务流。
70．如权利要求37所述的方法，其中上述网络是一个光脉冲交换网络。
71．如权利要求37所述的方法，其中各个双向信道在其每个终端上分别以一个接收器和发送器作为结束。
72．如权利要求37所述的方法，其中以逐个链路的方式进行上述重新分配。
73．如权利要求37所述的方法，其中上述初始分配是随机的。
74．如权利要求37所述的方法，其中各个链路终端上的上述控制单元协同执行上述重新分配。
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