CN1665344A

CN1665344A - 全光主动型光纤网络背板系统

Info

Publication number: CN1665344A
Application number: CN2005100183253A
Authority: CN
Inventors: 曹明翠; 罗志祥
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2005-03-03
Filing date: 2005-03-03
Publication date: 2005-09-07
Anticipated expiration: 2025-03-03
Also published as: CN100518380C

Abstract

全光主动型光纤网络背板系统，属于光学器件及通讯领域，将数台容量80、160Gbps路由器互连，扩展构成2、…16倍容量的路由交换系统。本发明由扩展输出端口模块、全光型光纤网络背板和扩展输入端口模块构成；扩展输出端口模块由依次电路连接的分组信息处理模块、驱动控制模块、1×n开关模块、电/光转换垂直腔表面发射激光器构成；扩展输入端口模块由依次电路连接的光电转换模块、接收排队模块和分组头处理模块构成；全光型光纤网络背板一边M组依次排列M×N个扩展输出端口，背板相对称的另一边M组依次排列M×N个扩展输入端口；本发明为完全无阻塞网络，传输速率快，滞后时间短，需要高速存储容量小，可以很好地支持组播和广播。

Description

全光主动型光纤网络背板系统

技术领域

本发明属于光学器件及通讯领域。

背景技术

由于Internet网上数据流的急剧增长，要求通讯网中的核心路由器的容量急剧增加，容量为80Gbps、160Gbps等路由交换设备已相继供应市场。

目前，一般路由器的总体原理图如图1所示。容量为80Gbps的路由器，有8个端口速率为10Gbps的输入输出线卡，而容量为160Gbps的路由器则有16个端口速率为10Gbps的输入输出线卡。由于在10Gbps层面上对分组的处理太难，故一般的处理方法是，将每一个10Gbps输入输出线卡的分组经过串并转换变成2.5Gbps，在四个2.5Gbps的层面上，对分组进行交换和转发。

若希望单机柜具有容量可扩展的能力，一般都具有扩展端口，即容量为80Gbps路由器，采用速率为2.5Gbps的16×16交换芯片，构成可扩展的电子互连网络，其中8对输入输出端口与路由器的8个线卡互连，而另外的8对输入输出端口与扩展输入输出端口互连；而容量为160Gbps的路由器，采用速率为2.5Gbps的32×32交换芯片，构成可扩展的电子互连网络，其中16对输入输出端口与路由器的16个线卡互连，而另外的16对输入输出端口与扩展输入输出端口互连。也就是说，路由器中交换芯片的一半输入输出端口，用于该机柜的输入输出端口的分组交换，而另一半输入和输出端口，则用于不同机柜之间的分组交换，即该机柜拥有将分组扩展到其他机柜输入端口的扩展端口。

发明内容

本发明提出一种全光主动型光纤网络背板系统，将数台容量为80Gbps，160Gbps等路由交换系统灵活地互连在一起，扩展构成2、4、8、16倍…容量的路由交换系统设备。

本发明的一种全光主动型光纤网络背板系统，由扩展输出端口模块、光纤网络背板和扩展输入端口模块构成；扩展输出端口模块由依次电路连接的分组信息处理模块、驱动控制模块、1×n开关模块、电/光转换垂直腔表面发射激光器构成，对分组信息的电信号进行电/光转换变成光信号；扩展输入端口模块由依次电路连接的光电转换模块、接收排队模块和分组头处理模块构成；光纤网络背板在背板一边N个一组、共M组依次排列M×N个扩展输出端口、与扩展输出端口模块光路连接，每个扩展输出端口又包括M个光通道；在背板相对称的另一边N个一组、共M组依次排列M×N个扩展输入端口、与扩展输入端口模块光路连接，每个扩展输入端口又包括M个光通道；第m组第n个扩展输出端口序号为1，2，…，M的光通道，分别通过光纤互连第一，第二，…第M组的第n个扩展输入端口序号m的光通道；其中m＝1～M，n＝1～N，M是互联的路由交换器台数、为自然数；N＝8、16、32，为可扩展端口数。

所述的全光主动型光纤网络背板系统，其特征在于所述扩展输入端口模块中接收排队模块包括M个地址过滤单元、M个存储单元、FIFO单元和循环选择控制器；路由选择、交换控制模块由本地输出端口判断单元、输出端口选择单元、输出模板选择单元、驱动控制单元以及交换控制单元组成。

本发明宽带、高密度的全光主动型光纤网络背板技术，将数台相同容量的路由器互连起来，形成更大容量的路由器。采用全光主动型光纤网络背板技术，将4、8……台具有可扩展端口的80Gbps或160Gbps等路由器互连在一起，组成容量为640Gbps、1.28Tbps或2.56T Tbps……路由器。在四个2.5Gbps的层面上的可扩展输出端口与其他机柜的可扩展输入端口之间的互连，分别采用如图1所示的四套全光型主动光纤网络背板。以系统由八台80Gbps的单机柜组成的路由器系统为例，图2为单机柜中一个层面的模板，模板中I1、I2……I8为输入端口，O1、O2……O8为输出端口，EI1、EI2……EI8为扩展输入端口，EO1、EO2……EO8为扩展输出端口。

全光主动型光纤网络背板系统中的全光型是说多台单机柜之间分组的传输是采用全光型光纤网络背板，而所谓主动型是指从单机柜中EO1、EO2……EO8扩展端口输出的分组，经过了分组头的处理，知道该分组应该到达某一台其他单机柜的输入端口，然后控制驱动，主动决定要选取1×8开关芯片中某一路开关通道，去驱动8个VCSEL激光象元中某一个激光象元发光，即进行电/光转换变成光信号，通过全光光纤网络中的一条光通道，将该分组传送到预期到达的某一台单机柜模板中的一个扩展的输入端口，即图2中EI1、EI2……EI8端口。由于分组已经通过处理，主动决定到某一台其他单机柜的输入端口，所以扩展输入端口所接收的分组的目的地，都是到达该单机柜的输出端口，故称为主动型。

由于分组已经通过处理，所以，到达每一台单机柜模板上的扩展输入端口的分组，都是到达该单机柜的某些输出端口的分组。从其他数台单机柜传送到本机柜模板扩展输入端口的分组，直接通过接收排队和分组头处理，然后经过统一的路由选择和交换控制，到达16×16交换芯片的8个输入端口，最后经过16×16交换芯片交换到该模板的输出端口。

附图说明

图1 T比特路由系统四个层分组信息处理系统的总体原理图；

图2 80Gbps路由器中具有可扩展口的电子模板结构；

图3 四台80Gbps路由器之间的光纤网络背板；

图4 160Gbps路由器中具有可扩展口的电子背板；

图5 用于八台路由器组成的系统中光纤网络背板；

图6 8个节点的全连网络拓扑结构；

图7 主动全光光纤网络技术的路由交换控制模板；

图8 1×8选择发射模块示意图；

图9 接收排队模块示意图；

图10 寻径选择、交换控制模块示意图。

具体实施方式

本发明的实施例1所涉及的系统是由四台容量为80Gbps单机柜路由器组成，将四台路由器同一面的EO1、EO2……EO8扩展输出端口排放在左侧，而EI1、EI2……EI8扩展输入端口排放在右侧，光纤网络背板如图3所示。

图中标志CiLj表示第i台第j层的模板。标志C1L1表示第一台第1层面上的模板，EI1、EI2……EI8为扩展输入端口，EO1、EO2……EO8为扩展输出端口。第一台的第1层面上的模板C1L1上每一个扩展输出端口都可互连四台路由器的同一个层面的4块模板的相应序号扩展输入端口。即第一台的第1层面的模板上第1个输出端口，可通过光纤网络背板，分别连结第一、第二、第三、第四台中第1层面模板上第1个扩展输入端口的序号。又如，第一台的第1层面的模板上第4个扩展输出端口，通过光纤网络背板，可连结第一、第二、第三、第四台第1层面模板上第4个扩展输入端口的序号，依此类推。即每一块模板上每一个扩展输出端口，光纤网络背板都提供4条光通道，分别互连到四台同一个层面4块模板的相应序号扩展端口。每一个分组根据其目的地地址，只能选取其中的一条或多条光通道。

以上描述了由四台容量为80Gbps组成的路由器的全光型全互连光纤网络的结构。该结构同样适合于四台容量为160Gbps，320Gbps……等相同容量路由器组成的更大路由器。所不同的是每一层面的可扩展端口数为16，32等，光纤网络系统的密度提高了2倍或4倍。

本发明的实施例2所涉及的系统是由八台容量为160Gbps路由器组成的容量为2.56Tbps系统，每一台容量为160Gbps路由器有16个10Gbps输入输出端口，经过并串转换到4个层面进行分组处理和转发。硬件部分由4块如图4所示模板组成。每一块模板上采用32×32交换芯片，芯片上16对输入和输出端口，用于本台内16对输入和输出端口之间的分组交换，直接采用电子背板互连。而另外16对扩展端口，用于八台扩展端口之间的分组交换。模板中I1、I2……I16为输入端口，O1、O2……O16为输出端口，EI1、EI2……EI16为扩展输入端口，EO1、EO2……EO16为扩展输出端口。

每一个扩展输出端口的分组经过处理，根据本模板的控制，主动决定要选取1×8开关IC芯片中的某一路开关通道，驱动8个VCSEL激光象元中一个激光象元发光，即进行电/光转换变成光信号，通过全光光纤网络中一条光通道，将该分组传送到预期到达的某一台路由器的一块模板中的一个扩展输入端口。

用于由八台容量为160Gbps扩展端口之间的互连的光纤网络背板，如图5所示，4个层面需要4块结构完全相同的光纤网络背板。图5中标志CiLj表示第i台第j层的模板。标志C1L1表示第一台第1层面上的模板，EI1、EI2……EI16为扩展输入端口，EO1、EO2……EO16为扩展输出端口。光纤网络的拓扑结构为全互连网络，如图6所示。

光纤网络背板有8组按序排列的扩展输出和输入端口。第一台第1个可扩展输出端口的序号1光通道，互连第一台第1个扩展输入端口的序号1光通道；第一台第1个可扩展输出端口序号2光通道，互连第二台第1个扩展输入端口的序号1光通道。类推，序号8光通道互连第八台第1个扩展输入端口的序号1光通道。即，第一台第1个扩展输出端口的序号为1，2，3，4，5，6，7，8光通道，分别互连第一，第二，第三，第四……，第八台的第1个扩展输入端口的序号1光通道。第一台第4个扩展输出端口的序号为1，2，3，4，5，6，7，8光通道，分别互连第一，第二，第三，第四……，第八台的第4个扩展输入端口的序号1光通道。如第八台第5个可扩展输出端口的序号为1，2，3，4，5，6，7，8光通道，分别互连第一，第二，第三，第四……，第八台的第5个扩展输入端口的序号8光通道，等等。

以上描述了由八台容量为160Gbps组成的路由器中，光纤网络背板的网络结构。该网络结构适合于八台容量为80Gbps、320Gbps……，等相同容量路由器组成的更大容量的路由器。所不同的是每一层面的可扩展端口数为8，32……等，光纤网络系统的密度有所不同。

从以上描述可知，八台第1层面模板上的每一个扩展输入端口(八台机柜之间的互连)，可同时接收8个来自八台的第一层面相应端口的光信号。如图4所示，每一个接收端口处有1×8高速PIN接收器，将光信号转变为电信号，分组通过接收排队、分组头处理、路由选择和交换控制，通过32×32交换芯片将分组交换到本模板的目的地输出端口。

该模板上的主要元器件和功能如图7所示。其中的接收排队采用通常的输出排队方式，也可以采用输出端口共享的排队方式，这里不作阐述。分组头处理、排队模块也是采用常规的分组头处理方式，32×32交换模块采用一般商业化的交换芯片，没有特殊的要求。与其他交换式路由器所不相同的是路径选择、交换控制模块、选择发射模块、接收排队模块、分组排队处理模块，下面将详细描述这几个部分的功能。

1×8选择发射模块的功能框图如图8所示，1×8选择发射模块主要由两部分组成，即1×8选择单元和8路VCSEL驱动单元组成。1×8选择发射模块在控制信号的控制下将1路输入数据发送到8路的一条或者几条，为该路数据提供与其他7个模板互连的8条通路(1条与本组模板互连的通道不是必须的)。

8路VCSEL驱动单元接收路由选择交换控制模块的控制信息，控制8路VCSEL驱动中的一个或者多个驱动电路，把1路数据扇出到1个或者多个其他的模板上去。因此，该方案可以很好地支持组播和广播。

接收来自其他模板信息的接收排队模块如图9所示，包括7个存储队列和1个FIFO队列、一个循环选择控制器(也可以是基于其他策略的排队控制)。

7个存储队列分别接收并存储来自于其他7个模板的数据，循环选择控制器循环选择这7个存储队列中的信息进入FIFO队列，分组头处理单元仅仅只对位于FIFO队列顶部的数据进行处理，然后把它与本模块的16个本地输入的数据以及来自其他模板的另外15个数据统一一起进行路由，若路由成功，则从FIFO中读取数据，经过32×32交换芯片交换到目的输出端口。若路由不成功，则反馈一个失败消息，数据仍存储于FIFO中，等待下一次路由。

图10为路由选择/交换控制模块，主要由本地输出端口判断单元、输出端口选择单元、输出模板选择单元、驱动控制单元以及交换控制单元组成。

对于本地的16个数据分组的路由，首先判断其目的端口是本地的还是其他模板上的。如果不是本地的，则进行第二次判断，确定目的输出端口是位于其他的那一个模板上的，并产生相应的驱动控制信息，控制VCSEL驱动电路。如果是本地的，则与来自其他模板的16个数据分组路由一起竞争选择目的输出端口，并产生相应的交换控制信息，配置交换芯片，将数据交换到目的输出端口。

由于来自其他模板的16个数据分组的目的端口一定是位于本模板内的，因此不需进行本地端口判决这一步，而直接进行目的输出端口的路由选择。

上述实施例和附图中，VCSEL：垂直腔表面发射激光器；PIN：光电二极管；分组处理、路由选择模块：可以采用Altera公司的FPGA芯片如EP1S20F系列，也可以采用网络处理器(分组头处理亦可)；接收排队模块、选择发射(驱动控制)模块：可以采用Altera公司的FPGA芯片如EP1S20F系列；1×n光功率分配器(开关芯片)：武汉邮电科学研究院或者SENKO公司的相关产品如SK18-01-1001；16×16交换开关：可以采用如Vitesee公司的VSC882；32×32交换开关：可以采用如Vitesee公司的VSC3138。

Claims

1.一种全光主动型光纤网络背板系统，由扩展输出端口模块、光纤网络背板和扩展输入端口模块构成；扩展输出端口模块由依次电路连接的分组信息处理模块、驱动控制模块、1×n开关模块、电/光转换垂直腔表面发射激光器构成，对分组信息的电信号进行电/光转换变成光信号；扩展输入端口模块由依次电路连接的光电转换模块、接收排队模块和分组头处理模块构成；光纤网络背板在背板一边N个一组、共M组依次排列M×N个扩展输出端口、与扩展输出端口模块光路连接，每个扩展输出端口又包括M个光通道；在背板相对称的另一边N个一组、共M组依次排列M×N个扩展输入端口、与扩展输入端口模块光路连接，每个扩展输入端口又包括M个光通道；第m组第n个扩展输出端口序号为1，2，…，M的光通道，分别通过光纤互连第一，第二，…第M组的第n个扩展输入端口序号m的光通道；其中m＝1～M，n＝1～N，M是互联的路由交换器台数、为自然数；N＝8、16、32，为可扩展端口数。

2.如权利要求1所述的全光主动型光纤网络背板系统，其特征在于所述扩展输入端口模块中接收排队模块包括M个地址过滤单元、M个存储单元、FIFO单元和循环选择控制器；路由选择、交换控制模块由本地输出端口判断单元、输出端口选择单元、输出模板选择单元、驱动控制单元以及交换控制单元组成；扩展输入端口接收的分组首先通过地址过滤单元，将目的地不是本模块的分组过滤，然后进入相对应的存储单元，在循环选择控制器的控制下进入FIFO单元，由FIFO单元输出的分组进入路由选择、交换控制模块，经输出端口选择单元交换输出到目的输出端口。