CN1381963A - 基于光突发交换的多粒度光路由器 - Google Patents

Abstract

一种基于光突发交换的多粒度光路由器,同时支持突发级和动态波长路由级光交换,核心光路由器采用双光开关矩阵结构对应不同的交换粒度,高速光开关矩阵配备光纤延迟线阵列作为光缓存来降低丢包率。边缘光路由器同时支持电口IP接入和光口动态波长路由网络接入,可将任意输入波长转化为任意输出波长,从而使整个网络具备动态波长路由能力。本发明采用混合信令方式,突发级交换采用单向无应答的信令方式,动态波长路由电路级交换采用有应答基于预约的信令方式,信令信息和控制信息由独立于数据信道的控制信道承载。本发明能与现有的动态波长路由全光网络兼容,并与将来的纯光突发交换网络兼容。

Description

基于光突发交换的多粒度光路由器

技术领域：

本发明涉及一种多粒度光路由器，尤其涉及一种基于光突发交换的多粒度光路由器，同时支持突发级交换和动态波长路由级电路交换，属于光通信技术领域。

背景技术：

近年来，随着互联网和数据业务的高速增长，对网络带宽提出了挑战，由于受到现在网络节点的光/电和电/光处理能力和集成电路处理速度的局限，节点的数据处理能力已经成为进一步拓宽网络带宽的电子瓶颈。为了解决这一问题，人们已经提出了许多克服这一难题的方法，光突发交换就是其中之一种，它结合了光电路交换和光分组交换的优点，极有可能成为未来高性能路由器的核心技术，在全光网络种占有重要地位(Chunming Qiao and Myungsik Yoo，Optical burst switching(OBS)-a new paradigm fro an optical Internet，Journal of High Speed Networks，8(1999)，69-84)。光突发交换的突发持续时间(或者称交换粒度)通常是微秒量级，这主要是受限于现有的光开关的开关时间，如果将来在光开关技术上取得突破，光突发交换的交换粒度可以进一步降低，乃至纳秒级。光突发交换网络包括数据信道和控制信道，光突发的控制信息(或者称信头)由独立的控制信道负责传送。为提高系统的带宽效率，光突发交换一般采用无应答的信令方式，这样在交换节点上有可能出现竞争现象，为降低丢包率，通常在光突发交换节点上配备光纤延迟线作为光缓存。典型的光突发交换节点通常由光开关矩阵、交换控制电路和光纤延迟线阵列构成。

在另一方面，近年来，波长路由全光网络技术逐渐成熟，已经成为构建城域光网络和骨干光网络的一项重要技术(Zeng Qingji，Hu Weisheng，Liu Hua，et al，Demonstration of an all-optical metropolitan self-healing ringnetwork test bed，Acta Photonica Sinica<光子学报>，Vol.29，No.3，2000，236-240)。波长路由全光网络的技术特点是以光波长来作为选路的通道，网络的核心是具有动态波长调配能力的光交叉连接器(OXC)和具有波长上下能力的光分插复用器(OADM)。在波长路由全光网络中，路由调配的时间粒度通常是毫秒级以上，同时波长调配是由网络的网管系统完成的，在网络节点上不需要光缓存。作为波长路由全光网络节点的OXC和OADM由一个光开关矩阵或多个光开关级联而成。

波长路由全光网络有技术成熟的特点，而光突发交换更是具有在光域上实现小粒度交换的优点，但是它们也有不足之处，交换粒度单一，交换方式不够灵活，相互之间不具有互操作性。一方面，现有的动态波长路由全光网络无法处理细粒度交换，而另一方面，让未来的光突发交换网络处理波长路由电路级的交换粒度，又显得很不经济。

发明内容：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种新的基于光突发交换技术和动态波长路由技术的多粒度光路由器，使得核心光网络中的传输方式和交换方式更加灵活，既具有光突发交换技术的大容量和小粒度交换的优点，同时也能满足粗粒度的交换需求，并且能与现有的动态波长路由光网络实现互通，同时又能与未来纯突发交换网络兼容。

为实现这样的目的，本发明在同一个光路由器内实现使用光突发级交换和动态波长路由电路级交换两个交换粒度，设计的新型多粒度光路由器包括核心光路由器和边缘光路由器，分别应用于多粒度光交换网络的核心骨干网络和边缘网络，以满足核心网络和边缘网络的不同需求。在核心光路由器中采用两种不同速率的光开关矩阵，低速光开关矩阵用于动态波长路由电路级交换，高速光开关矩阵用于突发级交换。高速光开关矩阵配备光纤延迟线阵列作为光缓存器以降低因竞争而出现的丢包率。在输入端和输出端配备波长转换器，将输入光信号转换为统一的内部光波长，在输出端配置波长转换器，将光信号交换到任意端口的任意波长上。边缘光路由器同时支持动态波长路由网络的光接入和IP包的电接入，在IP接口上配备突发封装器，光开关矩阵前后配备波长转换器，将输入信号交换到输出光纤上的任意波长信道，同时支持动态波长路由和突发交换功能。本发明采用一种混合信令方式，突发级交换采用单向无应答的信令方式，交换节点中有可能出现冲突，解决办法是通过光纤延迟线构成的光缓存单元来缓存出现冲突的光突发；动态波长路由电路级交换采用有应答基于预约的信令方式，确保在交换节点中不会出现竞争和冲突，从而在交换节点中无需光缓存器。信令和控制信息由独立于数据信道的控制信道承载。

本发明的核心光路由器主要由复用器、解复用器、微秒级或毫秒级的低速光开关矩阵，纳秒级的高速光开关矩阵、波长转换器、光纤延迟线阵列、交换控制电路等部分构成。核心光路由器的特征在于同时具有光突发的交换粒度和波长路由的交换粒度，并分别采用不同的资源预约方式，对于波长级时间片(即动态波长路由电路级交换粒度)，采用双向有应答的预约方式，只有在所需路径上各节点资源容许的情况下，才会分配资源，否则拒绝接入。对于突发级，则采用无需应答的方式，边缘节点在发送信头后的一段时间后发出突发(时间足够用于各节点上的信头处理)。对于来自输入端的波长级光信号由低速光开关矩阵直接交换到输出端，由于信令方式已经保证不会出现端口竞争，所以无需光缓存。对于来自输入端的突发级光信号，经由低速光开关矩阵交换到高速光开关矩阵，再由高速光开关矩阵交换到路由器的输出端，在高速光开关矩阵的输出端配置若干光纤延迟线作为光缓存器，以降低由于竞争而导致的丢包率。在核心光路由器的出入端配置波长转换器，在核心光路由器的输出端配置固定波长转换器。前者的作用是将任意输入波长转换为统一的路由器内部工作波长，后者的作用是将内部工作波长转换为输出光纤所承载的波长。在核心光路由器中，不同速度光开关矩阵的应用保证了路由器同时支持不同的交换粒度，波长转换器的应用保证了从任意输入端到任意输出端的交换。

多粒度边缘光路由器主要由动态波长路由网络接口，解复用器，IP接口，突发封装器，半导体激光器阵列，波长转换器阵列，光开关矩阵，波长转换器阵列，解复用器和控制电路等部分构成。来自输入光纤的波长级时间片信号(即动态波长路由电路级交换粒度)或IP包分别通过动态波长路由网络接口(光口)和IP接口(电口)接入边缘光路由器，波长级信号经波长转换器阵列后直接输入光开关矩阵，而IP包经过突发封装器组装成突发信号后输入激光器阵列，将输入电信号转变为合适波长的光信号，然后经复用器输入到输出光纤。信令信息和控制信息由独立的信道承载(独立于数据信道)。突发封装器和半导体激光器阵列和波长转换器阵列以及光开关矩阵都受控制电路的控制，同时控制电路还负责将来自动态波长路由网路的信令信息以及本地产生的光突发交换信令信息经光电转换后输出到控制波长信道。

本发明具有显著的有益效果。本发明核心光路由器采用双光开关矩阵结构，不同的开关速率的光开关矩阵对应不同的交换粒度，用于突发级交换的光开关矩阵配备光纤延迟线阵列作为光缓存从而降低由于竞争而引起的丢包率。本发明的边缘光路由器同时支持电口的IP接入和光口的动态波长路由网络接入，在光开关矩阵前后配备了波长转换器，支持任意输入端到输出端的交换，可将任意输入波长转化为任意输出波长，从而使整个网络具备动态波长路由能力。本发明同时对于IP接口配备了突发封装器，将IP包组装成突发经光电转换而成光突发，并能通过光开关矩阵和波长转换器阵列将光突发交换到任意端口的任意波长信道上。

本发明的多粒度核心光路由器和边缘光路由器能与现有的动态波长路由全光网络兼容，同时也能与将来的纯光突发交换网络兼容。

附图说明：

图1为本发明多粒度交换光网络示意图。

图中1，圆环内为核心网络，核心网络包括若干多粒度核心光路由器2。圆环外为边缘网络，由多粒度边缘光路由器1构成，负责接入点和核心网络的连接。

图2为本发明的基于突发交换多粒度交换核心光路由器结构示意图。

如图2所示，核心光路由器主要由解复用器3、入口波长转换器4、毫秒级或微秒级光开关矩阵5、纳秒级光开关矩阵6、光纤延迟线阵列7、出口波长转换器8、复用器9、交换逻辑控制电路10组成。

图3为本发明边缘光路由器结构示意图。

如图3所示，边缘光路由器主要由动态波长路由网络接口11，解复用器12，IP接口13，突发封装器14，半导体激光器阵列15，波长转换器阵列16，光开关矩阵17，波长转换器阵列18，复用器19，控制电路20组成。

具体实施方式：

以下结合附图对本发明技术方案的具体实施方式作详细描述。

本发明基于光突发交换的多粒度光路由器包括图1所示的核心光路由器2和边缘光路由器1。若干核心光路由器2构成核心网络，边缘光路由器1构成边缘网络，负责接入点和核心网络的连接。

如图2所示，核心光路由器主要由解复用器3、低速光开关矩阵5，高速光开关矩阵6、入口波长转换器4与出口波长转换器8、复用器9、光纤延迟线阵列7和交换控制电路10等部分构成。输入光纤的多波长信号经解复用器3连接到低速光开关矩阵5，低速光开光矩阵5的两个输出端经高速光开关矩阵6连接到出口波长转换器8，四个输出端直接连到出口波长转换器8，高速光开关矩阵6配备有三个光纤延迟线组成的光缓存阵列7，出口波长转换器8的输出连接复用器9。高速光开关矩阵6、低速光开关矩阵5、入口波长转换器4及出口波长转换器8都由交换控制电路10控制。

核心光路由器所涉及的各个部件均可采用现有成熟技术，其中复用器9和解复用器3可以采用现在通常所用的薄膜滤波片型复用器和解复用器；低速光开关5和高速光开关6可以分别采用MEMS光开关和L_iN_bO₃光开关；波长转换器4与8可以采用交叉增益调制半导体光放大器和交叉相位调制半导体光放大器；光纤延迟线阵列7由若干长度不等的光纤构成；交换控制电路10包括光电、电光转换和逻辑控制，逻辑控制部分可以由FPGA技术实现。

核心光路由器的具体工作原理如下：假定有三根输入光纤，每根光纤支持两个波长，低速光开关矩阵5和高速光开关矩阵6的规模分别为6×6和5×5(实际系统的规模取决于具体应用)。来自输入光纤的多波长信号经解复用器3分解为单独的输入波长信道，通过入口波长转换器4后转化为统一的交换节点内部波长，然后进入低速光开关矩阵5，低速光开光矩阵5的两个输出端连接到高速光开关矩阵6，四个输出端直接连到出口波长转换器8，具体端口调配与网络的状况有关，可以任意调节。连接到高速光开关矩阵6的是突发信号，而直接输出的是波长级的时间片信号。高速光开关矩阵6配备有三个光纤延迟线组成的光缓存阵列7，用来降低因竞争带来的丢包率，光缓存的规模与所需要的丢包率以及具体的网络负载有关。输出端的出口波长转换器8将所有光信号的交换节点内部波长转化为符合输出端光纤波长配置的波长。信令和控制信息由独立于数据信道的控制信道承载。交换控制电路10包括光电转化部分和逻辑控制部分，它接受由控制信道来的控制和信令信息，并将这些信息转发给下一个交换节点。路由器内部的高速光开关矩阵6、低速光开关矩阵5、入口波长转换器4及出口波长转换器8都由交换控制电路10控制。

本发明的多粒度边缘光路由器如图3所示，主要由动态波长路由网络接口11，IP接口12，解复用器13，突发封装器14，半导体激光器阵列15，波长转换器阵列16、18，光开关矩阵17，复用器19和控制电路20等部分构成。动态波长路由网络接口11与解复用器13相连，解复用器13的输出与波长转换器阵列16相连，IP接口12与突发封装器14相连，突发封装器14的输出与半导体激光器阵列15相连，半导体激光器阵列15的输出经波长转换器阵列16与光开关矩阵17相连，光开关矩阵的输出端经出口波长转换器18与输出端的复用器19相连。上述的突发封装器14、半导体激光器阵列15和光开关矩阵17都受控制电路20的统一控制。

边缘光路由器中所需要的部件均可采用现有成熟技术，其中复用器和解复用器可以采用现在通常所用的薄膜滤波片型复用器和解复用器；光开关矩阵可采用MEMS光开关或L_iN_bO₃光开关；波长转换器以采用基于交叉增益调制的半导体光放大器或基于交叉相位调制的半导体光放大器；半导体激光器可以采用DFB式结构或DBR式结构的半导体激光器；交换控制部分包括光电、电光转换和逻辑控制，逻辑控制部分可以由FPGA技术实现。

本发明的边缘光路由器的具体工作原理如下：假定有一根来自动态波长路由网络的输入光纤，承载两个波长，同时有两个IP接口(实际上具体的网络规模可以根据应用需求来调节)，动态波长路由网络接口是光接口，IP接口是电接口。从光接口来的波长级光信号经过解复用器后分解为两个波长，并连接到可调节波长转换器阵列，之后连接到光开关矩阵。从IP接口来的IP信号输入光突发封装器，将IP包组装成突发，之后连接到激光器阵列，经过光电转换后连接到光开关矩阵。波长转换器阵列确保使进入光开关矩阵的光都为统一波长，应用波长转换器阵列能保证能够处理任意的输入波长。光开关矩阵负责将输入光信号交换到合适的端口，与光开关矩阵相连的波长转换器将内部工作波长转换到与输出端相匹配的波长，然后经过复用器连接到输出光纤。光开关矩阵和波长转换器受交换控制电路的控制。信令信息和控制信息由独立于数据信道的控制信道承载。光开关矩阵前的波长转换器和激光器阵列输出统一的光开关矩阵内部光波长，光开关矩阵的输出端连接至波长转换器，将统一的内部波长转换为适合输出光纤的光波长，然后经过复用器后连接到输出光纤。

Claims (3)

1、一种基于光突发交换的多粒度光路由器，包括核心光路由器(2)和边缘光路由器(1)，其特征在于在同一个光路由器内实现光突发级交换和动态波长路由电路级交换两个交换粒度，核心光路由器采用双光开关矩阵结构对应不同的交换粒度，边缘光路由器同时支持电口IP接入和光口动态波长路由网络接入，并采用混合信令方式，突发级交换采用单向无应答的信令方式，动态波长路由电路级交换采用有应答基于预约的信令方式，信令信息和控制信息由独立于数据信道的控制信道承载。

2、如权利要求1所说的基于光突发交换的多粒度光路由器，其特征在于核心光路由器中，输入光纤的多波长信号经解复用器(3)连接到低速光开关矩阵(5)，低速光开光矩阵(5)的两个输出端经高速光开关矩阵(6)连接到出口波长转换器(8)，四个输出端直接连到出口波长转换器(8)，高速光开关矩阵(6)配备有光纤延迟线组成的光缓存阵列(7)，出口波长转换器(8)的输出连接复用器(9)，高速光开关矩阵(6)、低速光开关矩阵(5)、入口波长转换器(4)及出口波长转换器(8)都由交换控制电路(10)控制。

3、如权利要求1所说的基于光突发交换的多粒度光路由器，其特征在于边缘光路由器中，动态波长路由网络接口(11)与解复用器(13)相连，解复用器(13)的输出与波长转换器阵列(16)相连，IP接口(12)与突发封装器(14)相连，突发封装器(14)的输出与半导体激光器阵列(15)相连，半导体激光器阵列(15)的输出经波长转换器阵列(16)与光开关矩阵(17)相连，光开关矩阵的输出端经出口波长转换器(18)与输出端的复用器(19)相连，突发封装器(14)、半导体激光器阵列(15)和光开关矩阵(17)受控制电路(20)控制。