CN1472969A

CN1472969A - 支持突发及非突发业务的全光分组交换节点结构

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Publication number: CN1472969A
Application number: CNA031295371A
Authority: CN
Inventors: 张治中; 曾庆济; 程方; 雒江涛; 曹俊文
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2003-06-26
Filing date: 2003-06-26
Publication date: 2004-02-04
Anticipated expiration: 2023-06-26
Also published as: CN1235357C

Abstract

一种支持突发及非突发业务的全光分组交换节点结构，由N个1×W光波分解复用器、N个W×1光波分复用器，一个(WN+R+M)×(WN+R+M)无阻塞完全光交换矩阵模块，R个全波长转换器，M根光纤延迟线组成对称结构，其中，N为输入/输出光纤端口数，W为每个端口可传送波长信道数，M根延迟线组成了简并形式的结构，最短最长的延迟线对分组提供的缓存时间分别是T和MT。输入光纤上的各个波长所承载的分组经光波分解复用器解复用后，在交换矩阵内部进行空分交换，将输入分组交换到目的端口或交换到反馈共享的波长转换器或光纤延迟线，以解决分组的目的端口冲突。本发明具有较强的解决突发非突发业务冲突能力，降低了交换系统的成本和体积。

Description

支持突发及非突发业务的全光分组交换节点结构

技术领域：

本发明涉及一种全光分组交换节点结构，解决光分组的目的端口冲突问题。该交换结构可应用于非突发业务(如传统电路交换性质的业务)和突发业务(如IP业务)环境，属于光通信技术领域。

背景技术：

目前，以IP为基础的因特网的迅速发展使得通信网络正逐渐由基于电路交换，优化承载话音业务的方式向基于分组交换，优化承载数据业务的方式发展。视频点播、IP会议及其他各种新型多媒体业务的应用对通信基础网络的传送能力提出了更高的要求。近年来发展起来的密集波分复用(DWDM)和掺铒光纤放大器(EDFA)技术，对通信扩容非常有效。但通信网络中不可缺少的交换设备仍是电子式的(节点仍需O/E、E/O转换和电信号处理)，从而严重限制了光纤通信优势的进一步发挥。一种解决办法是直接进行光信号处理，即建设全光通信网。

光信号处理可以是线路级的、分组级的或比特级的。波分复用(WDM)光传输网属于线路级的光信号处理，是粗粒度的信道分割。光时分复用(OTDM)是比特级的光信号处理，由于对光器件的工作速度要求很高，离实用化还有相当的距离。光分组交换(OPS)属于分组级的光信号处理，和OTDM技术相比，对光器件工作速度的要求大大降低，和WDM技术相比，能以更细的粒度快速分配信道，更加灵活、有效地利用带宽。因此，全光分组交换网应用前景广阔。

迄今为止，人们提出了各种方案，用于解决全光分组交换网络中的分组冲突问题，可以概括为以下几个方面：

·从时间域上解决冲突，如采用光纤延迟线(Fiber Delay Lines，FDLs)缓存竞争数据包，直到所争用的波长通道空闲为止。根据FDL的连接方式，又可以分为前馈式(Feed Forward)和反馈式(Feedback)两种连接方式。(如M-Quadro结构，I.Chlamtac，A.Fumagalli，Chang-Jin Sub.Multibuffer delay line architecturesfor efficient contention resolution in optical switching nodes.IEEE Transactions onCommunications，2000，48(12)：2089-2098，及由K.Karol等人所提出的结构，K.Karol.Shared memory optical packet(ATM)switch.SPIE，Multigigabit FibreCommunications Systems，vol.41，1993：212-222.)

·从波长域上解决竞争，即当某一波长上传送的数据分组到达交换系统时，若交换系统输出端口对应的波长已被占用，则通过波长变换将该数据包的承载波长变换到另一空闲波长上，使数据分组在这一空闲波长通道上传送到下一节点。

·从空间域上解决竞争，即偏转路由方式，它利用网络中的闲置路由，使数据包绕过竞争节点迂回去往目的节点。

偏转路出方式是将网络中的其它节点和传输链路作为缓存器来解决冲突的，它所引起的接收分组乱序会很严重，另外还带来了较长的延时。并且，当网络负载较重或网络连接度较低时，偏转路由方式对解决冲突不再有效。因此，偏转路由方式并没有从根本上解决好交换节点的冲突问题。单独从波长域或从时间域来解决竞争时，也存在下述的问题。

传统设计中的交换节点利用FDL解决冲突时，最大的问题在于；(1)体积。例如：在10Gb/s线速提供250个分组的缓存，对于ATM信元来说，缓存需容纳53×8×250＝106000比特，相当于10.6μs的延时，即需要近似于3km长度的FDL；(2)实现大容量缓存时因额外引入交换设备和连接设备所带来的串扰和插入损耗。

因此，Danielsen等人提出在交换节点纯粹利用波长转换器解决冲突(S.L.Danielsen，C.Joergensen，B.Mikkelsen，and K.E.Stubkjaer.Optical packetswitched network layer without optical buffers.IEEE Photonics Technology Letters，1998，10(6)：896-898.)，从其研究可知：当每根光纤上的波长数量不少于8个时，对于每纤负载为0.8Erlang的分组到达，分组丢弃率可小于百万分之一。但该结构最大的问题在于所用的波长转换器数量太多，达NW个(N为输入输出光纤端口，W为每纤的波长数)。基于此，Eramo等人提出将波长转换器设计成能为每个输入光纤信道共享的形式(M.Listanti，Wavelength converter sharing in aWDM optical packet switch：dimensioning and performance issues，ComputerNetworks，vol.32，2000：633-651)，该结构比Danielsen等人提出结构几乎节约了95％的转换器，但光门的数量有一定的增加。尽管如此，对于前者所假设的条件，即每根光纤上的波长数量不少于8个，对于每纤负载为0.8Erlang的分组到达，还是需要利用8个转换器。

对于非突发业务(随机业务)来说，同样数量的FDL比可调谐波长转换器更有效，且便宜得多，因此，对于非突发业务来说，上述两种方案比起利用延迟线解决冲突来说，并不经济有效。然而，对于突发业务来说，特别是中高级突发度的业务，同样数量的波长转换器比延迟线有效得多。因此，我们可以将FDL和波长转换器结合使用，既可取得较低的成本，又可同时解决突发及非突发业务的应用。

发明内容：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，设计提出一种能有效解决冲突，且成本、体积相对较低(小)的全光分组交换节点结构，该结构既能用于非突发业务，又能支持日渐增长的突发业务。

若本交换结构支持N个输入光纤端口和N个输出光纤端口，每条光纤支持W个波长信道(λ₁.......λ_w)，则本发明提出的交换结构由N个1×W光波分解复用器、N个W×1光波分复用器、R个可调谐全波长转换器、M条光纤延迟线和一个(WN+R+M)×(WN+R+M)无阻塞光交换矩阵模块组成。其中，M条延迟线组成了简并(degenerate)形式的结构，它们所延迟的时长变化是连续的(步长为T，T为一个时隙的持续时间)，最短长度的延迟线对分组提供的缓存时间是T，最长的延迟线提供的缓存时间是MT。

每条输入光纤分别与一个光波分解复用器的输入端相连，由解复用器对输入分组进行解复用处理，解复用器的输出连接空分交换矩阵的输入端口，输入分组在交换矩阵里进行空分交换。这里，N条输入光纤总共需要N个光波分解复用器，每个解复用器有W个输出口，总共占用了空分交换矩阵的WN个输入端口。空分交换矩阵的输出与N个光波分复用器的输入端口相连，每个复用器占用了交换矩阵的W个输出端口，N个复用器总共占用了空分交换矩阵的WN个输出端口。复用器的输出连接输出光纤。从连接关系来看，输入光纤，解复用器，空分交换矩阵，复用器，输出光纤组成了对称的结构。空分交换矩阵其余的(R+M)对输入/输出端口间连接了M条简并形式的光纤延迟线和R个可调谐全波长转换器，用于分组的冲突处理。

由于是无阻塞完全交换，R个波长转换器和M条光纤延迟线可完全为每个输入光纤共享，因此，这种设计结构具有以下特点：

(1)延迟线中出来的分组可以循环缓存，实现较大的缓存能力；(2)由于是共享结构，大大减少了系统所需的延迟线数量和波长转换器个数，减少了交换设备的体积和成本；(3)充分利用目前成熟的波分复用技术，可以实现多波长对光纤上的负载进行分担，本身就一定程度的缓解了分组冲突，因此，当光纤.上的波长数量增加时，本发明所用的延迟线和波长转换器数量与传统设计(在输入级分别为每个波长信道配置可调全波长转换器，或在输出级为每个输出信道配置输出缓存器，或两种方式同时采用)最大的不同即在于：本发明所用的延迟线和转换器数量非但不增加，而是进一步减少；(4)与在输出级为每个输出光纤端口配置延迟线相比，即使每个输出光纤端口只配置一条延迟线(事实上远不止一条)，本结构也并不需要更多的交换矩阵端口；(5)通过波分复用技术对负载进行分担后(波长不少于8个)，本发明对于非突发业务，只要保证延迟线和转换器的总数为8个即可，而不必对延迟线和转换器的个数作出任何规定。对于中等程度的突发业务，也只要保证延迟线和转换器的总数为8，且波长转换器的数量为3～6个即可。

附图说明：

附图1为本发明的节点结构示意图。

本发明的整个交换结构包括：输入光纤(1)，光波分解复用器(2)，无阻塞空分交换矩阵(3)，光波分复用器(4)，输出光纤(5)，可调谐全波长转换器(6)和光纤延迟线(7)。

附图2为交换系统利用延迟线缓存分组，进行冲突解决的示意图。

附图3为交换系统利用波长转换器对输入分组的承载波长进行波长变换，进行冲突解决的示意图。

附图4为从延迟线中出来的分组仍然发生目的端口冲突时，继续缓存分组以解决冲突的示意图。

附图5为从延迟线中出来的分组仍然发生目的端口冲突时，通过波长变换以解决冲突的示意图。

附图6为本发明针对非突发业务(负载为0.8/每纤)，不同数量的波长转换器和延迟线的组合配置对分组丢弃率的影响示意图。其中，R为转换器数量，M为延迟线数量，输入输出光纤数为N＝16。

附图7为本发明针对突发业务(负载为0.8/每纤)，突发包平均长度为2个分组时隙。不同数量的波长转换器和延迟线的组合配置对分组丢弃率的影响示意图。其中，R为转换器数量，M为延迟线数量，输入输出光纤数为N＝16。

附图8为本发明针对突发业务(负载为0.8/每纤)，突发包平均长度为5个分组时隙。不同数量的波长转换器和延迟线的组合配置对分组丢弃率的影响示意图。其中，R为转换器数量，M为延迟线数量，输入输出光纤数为N＝16。

附图9为本发明针对突发业务(负载为0.8/每纤)，突发包平均长度为10个分组时隙。不同数量的波长转换器和延迟线的组合配置对分组丢弃率的影响示意图。其中，R为转换器数量，M为延迟线数量，输入输出光纤数为N＝16。

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。

图1为本发明的交换节点结构示意图。设本发明的交换结构支持N个输入光纤端口和N个输出光纤端口，每条光纤可以支持W个波长信道，记为{λ₁，...λ_w}，则本发明的整个交换结构由N个1×W光波分解复用器、N个W×1光波分复用器，一个(WN+R+M)×(WN+R+M)无阻塞光交换矩阵，R个可调谐全波长转换器，M条光纤延迟线组成。其中，M条光纤延迟线组成了简并形式的结构，即这M条光纤延迟线所延迟的时长变化是连续的，步长为T，T为一个时隙的持续时间，最短长度的延迟线对分组提供的缓存时间是T，最长的延迟线提供的缓存时间是MT。

每条输入光纤(1)分别与一个光波分解复用器(2)的输入端相连，由解复用器(2)对输入分组进行解复用处理，解复用器的输出连接空分交换矩阵(3)的输入端口，输入分组在交换矩阵里进行空分交换。这里，N条输入光纤总共需要N个光波分解复用器(2)，每个解复用器有W个输出口，总共占用了空分交换矩阵的WN个输入端口。空分交换矩阵(3)的输出与N个光波分复用器(4)的输入端口相连，每个复用器(4)占用了交换矩阵的W个输出端口，N个复用器总共占用了空分交换矩阵的WN个输出端口。N个复用器(4)的输出连接N条输出光纤(5)。输入光纤(1)，解复用器(2)，空分交换矩阵(3)，复用器(4)，输出光纤(5)组成了对称的结构。空分交换矩阵(3)其余的(R+M)对输入/输出端口间连接了M条简并形式的光纤延迟线和R个可调谐全波长转换器，用于分组的冲突处理，即空分交换矩阵(3)的NW+1至NW+M的输入/输出端口分别用于连接M条简并形式的光纤延迟线，NW+M+1至NW+M+R的输入/输出端口分别用于连接R个可调谐全波长转换器。

由于是无阻塞完全交换，R个波长转换器和M条光纤延迟线可完全为每个输入光纤共享。

输入光纤中到达的分组经过解复用器解复用后，进入交换矩阵。输入(输出)信道中的分组可由变量组I(i，λ_j)(O(i，λ_j))进行描述，其中，i{i＝1，...，N}表示输入(输出)光纤，λ_j{j＝1，...，W}表示波长。分组具有固定长度，并且每个波长信道上的分组到达是基于时隙同步的，一个时隙代表了单个分组的传输时间，一个时隙的持续时间(T)表示一个时间单元。令：

设在第t时隙时，存在有I(1，λ₁，t)＝1及I(N，λ₁，t)＝1，且它们的目的端口均为第一根输出光纤。若交换控制调度器允许I(1，λ₁)直接进入O(1，λ₁)，即[I(1，λ₁，t)→O(1，λ₁，t)]＝1，则对于I(N，λ₁)，以下任意一种情况满足时都可以解决冲突：

(1)如果存在λ_j{j＝2，...，W}及k∈{1，...，R}，满足O(1，λ_j，t)＝0及WC(k，t)＝0；

(2)如果存在k∈{1，...，M}，满足FDL(k，t)＝0；

第一种情况表明，可以利用波长转换器，将冲突分组的承载波长转换到输出光纤中空闲的波长上，该情况如附图3所示；第二种情况则表明，可以利用延迟线，将冲突的分组调度到将来的时隙予以传送，该情况如附图2所示(图中的虚线表明被缓存的分组在缓存之后才进入输出端口1，在时间上与冲突的分组错开了)。当两种情况都满足时，采用波长转换器以解决冲突(对降低时延有利)。

通过附图1中的连接方式还可以看出，从延迟线中出来的分组仍然发生目的冲突时，还可继续将该分组缓存或将该分组进行波长变换以解决冲突(当两种情况都满足时，优先采用波长转换器解决冲突)。这两种情况分别如附图4和附图5所示(图4图5中，从延迟线出来的分组的承载波长是λ₁，目的端口是第1条输出光纤)。

从附图6～9的分组丢弃率结果可以看出：(1)对于非突发业务和分组平均长度比较低的突发业务，延迟线比转换器更能有效解决冲突。当每纤的波长数不少于8个时，只要延迟线和转换器的总数量达到8个，不必对延迟线和转换器的具体数量配置作出任何规定，都可以保证分组丢弃性能；(2)对于中等突发度的突发业务(5＜1＜10)，随着转换器数量的增多，分组丢弃率将逐渐降低，即转换器比延迟线更有效。但只要配置了6个转换器，2根延迟线，都可以较好地支持突发业务；(3)对于不同的业务环境、负载大小及输入/输出光纤端口数，共享的转换器和延迟线的具体数量会有些不同，但不管如何，本发明中将延迟线和转换器同时设计成为反馈共享的结构必将大大减少交换系统的成本和体积。

Claims

1、一种支持突发及非突发业务的全光分组交换节点结构，其特征在于由N个1×W光波分解复用器、N个W×1光波分复用器，一个(WN+R+M)×(WN+R+M)无阻塞完全光交换矩阵模块，R个全波长转换器，M条光纤延迟线组成对称结构，其中，N为输入/输出光纤端口数，W为每个端口可传送波长信道数，N条输入光纤分别与N个光波分解复用器的输入端相连，N个解复用器的NW个输出端与空分交换矩阵的WN个输入端相连，空分交换矩阵的WN个输出端口与N个光波分复用器的输入端口相连，N个复用器的输出连接N条输出光纤，空分交换矩阵其余的(R+M)对输入/输出端口之间连接了M根简并形式的光纤延迟线和R个可调谐全波长转换器，最短长度的延迟线对分组提供的缓存时间是T，最长的延迟线提供的缓存时间是MT，全波长转换器和光纤延迟线同时为反馈共享形式，延迟线和全波长转换器的总数为8，其中全波长转换器的数量为3～6个。