CN1812304B - 具有多纤空分交换结构的交换节点及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明利用光突发交换网络中尚未使用的“暗光纤”，提出了一种新的光突发交换节点的多纤空分交换结构以实现空分和波分复合交换。该结构在具有N对输入和输出端口的光突发交换节点的每个端口处接入K条属性相同(即具有相同的波长数以及波长属性等参数)的光纤，每条光纤经过波分解复用器解复用出M个波长，同一端口的每K条具有相同属性的波长连接到一个K×1空分光开关上进行选择切换，被选择的波长进入光交叉矩阵，由光交叉矩阵将其路由到正确的输出端口，并由1×K光开关将从光交叉矩阵出来的波长切换到输出端口上与该波长同属性且可以使用的波长上，最后经过波分复用器进入与该波分复用器相连的输出光纤向下一跳传输。

Description

具有多纤空分交换结构的交换节点及其方法

技术领域

本发明涉及光突发交换网络中，用于提高核心节点交换容量的新型空分交换结构及其实施方法，属于光纤通信网络技术领域。 

背景技术

根据对目前光网络中光纤的使用情况调查发现，网络中已使用的光纤仅为搭建网络时铺设光纤总数的10％左右，有将近90％的光纤(称为“暗光纤”)没有得到充分利用，这些是提高网络交换性能和网络传输容量的潜在的资源。另外，光信号在网络交换节点主要有空分、时分和波分三种基本的光交换方式，或者采用其中两种或三种的复合光交换方式。在光突发交换网络中，分别采用偏射路由、光纤延迟线和波长转换器实现上述三种基础光交换方式。但是，由于波长转换器和光纤延迟线价格昂贵，技术上不成熟，偏射路由的延迟长和效率低，距离实际应用仍有很长的过程。此外，虽然密集波分复用技术(DWDM)使得网络带宽资源得到极大的丰富，提高了网络的传输性能，但上面分析的三种全光交换技术的不成熟和昂贵的价格等因素使得光突发交换网络的交换性能无法得到提高，成为提高网络性能的“瓶颈”。 

因此利用现有资源研究如何提高光突发交换网络的节点交换性能，对于解决网络的交换“瓶颈”具有重要意义。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种新的可以实现空分和波分复合交换的空分交换结构，将网络中部分“暗光纤”点亮作为备用光纤，并将其接入各个节点的每个端口，当突发包在节点发生竞争冲突时，利用输出端口上被点亮的“暗光纤”承载被阻塞的突发包，从而提高节点的交换容量。 

本发明的技术方案如下： 

一种具有多纤空分交换结构的交换节点，是具有N对输入和输出端口且每个端口接入K条光纤的光突发交换节点，其中N、K为大于等于1的整数，且1≤K≤N，所述的K条光纤具有相同的属性，即具有相同的波长数以及波长属性等参数。 

所述具有多纤空分交换结构的交换节点由以下部件组成： 

波分解复用器：用于将输入端口的每条光纤上的波长解复用出波长为λ₁～λ_M的M个波长，M为大于等于1的整数； 

K×1光开关：选择解复用出的K个具有相同属性的波长λ_m，1≤m≤M，用于将承载数据突发包的波长切换到光交换矩阵； 

光交换矩阵：用于将K×1光开关选择出的波长路由到相应的输出端口； 

1×K光开关：用于将经过光交换矩阵的波长切换到输出端口上与之同属性且可以使用的波长上，送至波分复用器； 

波分复用器：用于将所述的1×K光开关传送来的M个波长实现合波，进入相应的输出光纤。 

上述可用的光开关例如：MEMS光开关、机械光开关等。 

一个具体的多纤空分交换结构如图1所示，由K×N个波分解复用器、M×N个K×1空分光开关、M×N个1×K空分光开关、K×N个波分复用器和一个光交换矩阵组成，其中N为交换节点的输入和输出端口对数，N＞1；K为每个端口接入的光纤数，1＜K≤N；M为每条光纤经过一个波分解复用器解复用出的波长数，M≥1；所述的K条光纤具有相同的属性，即具有相同的波长数以及波长属性等参数。每个输入端口的K条输入光纤分别接到K个波分解复用器，每个波分解复用器解复用出M个波长λ₁～λ_M，同一端口的M×K个波长中每K个具有相同属性的波长连接到一个K×1光开关上进行选择切换，M个K×1光开关选择出的M个波长进入光交换矩阵，由光交换矩阵路由到相应的输出端口，从光交换矩阵出来的M个波长分别通过M个1×K光开关切换到输出端口上与其同属性且可以使用的波长上，最后经过K个波分复用器进入与该波分复用器相连的输出光纤。 

利用上述多纤空分交换结构来实现空分和波分复合交换的实施方法是： 

在具有N对输入和输出端口的光突发交换节点的每个输入端口处接入K条属性相同(即具有相同的波长数以及波长属性等参数)的光纤Ln1～LnK，其中1≤n≤N，每条光纤经过波分解复用器解复用出M个波长λ₁～λ_M，同一端口的每K条具有相同属性的波长λ_m(1≤m≤M)连接到一个K×1光开关上进行选择切换，被选择的波长进入光交换矩阵，由光交换矩阵将其路由到正确的输出端口，并由1×K光开关将从光交换矩阵出来的波长切换到输出端口上与该波长同属性且可以使用的波长上，最后经过波分复用器进入与该波分复用器相连的输出光纤向下一跳传输。其中，N、M、K均为整数，且N≥1，M≥1，1≤K≤N。数据突发包的控制分组到达网络核心节点时，核心节点通过对控制分组的电处理， 提取将要到达的突发包所在的光纤编号以及预留波长带宽的时间和时间段，并控制K×1光开关将承载数据突发包的波长切换到光交换矩阵；同时查询该波长在突发包经过该节点的时间段内，在相应的输出端口上，K根输出光纤中是否有同属性的波长可用。如果K根光纤中与输入波长同属性的波长均可用，则优先选用与数据包进入节点时所在的光纤编号相同的输出光纤；若与输入光纤编号相同的输出光纤上同属性的波长不可用，则在其余的K-1条光纤中选择一条可用的光纤，并通过1×K光开关将通过光交换矩阵的波长切换到与该光纤相连的波分复用器上，继续向下一跳传送突发包；若K根均不可用，则丢弃控制分组和随后到达的数据突发包。 

如图1所示，具有K纤空分交换结构的交换节点的每个端口都连接K条相同属性(具有相同的波长数以及波长属性等参数)的光纤。其中一条为最初承载突发包的光纤即“主光纤”(图中实线所示)，其余K-1条是被“点亮”的“暗光纤”(图中虚线所示光纤)，用以在“主光纤”(最初承载突发包的光纤)被占用的情况下，用和“主光纤”相同的波长承载突发包。这一切换功能就由上述多纤空分交换结构完成。 

上述多纤空分交换节点交换结构的工作原理是：数据突发包的控制分组到达网络核心节点时，核心节点通过对控制分组的电处理，提取将要到达的突发包所在的光纤编号以及预留波长带宽的时间和时间段，并控制K×1光开关将承载数据突发包的波长切换到光交换矩阵；同时查询该波长在突发包经过该节点的时间段内，在相应的输出端口上，K根输出光纤中是否有同属性的波长可用。如果K根光纤中与输入波长同属性的波长均可用，则优先选用与数据包进入节点时所在的光纤编号相同的输出光纤；若K根均不可用，则丢弃控制分组和随后到达的数据突发包。若与输入光纤编号相同的输出光纤上同属性的波长不可用，则在K-1条“暗光纤”中选择一条可用的光纤，并通过1×K光开关将通过光交换矩阵的波长切换到与该光纤相连的波分复用器上，继续向下一跳传送突发包。 

本发明提出的空分和波分复合交换新的实施方式利用网络中存在丰富的“暗光纤”资源，在网络交换节点的每个端口除主光纤外，都再连接一根或一根以上被“点亮”的“暗光纤”作为副光纤。当控制分组在交换节点为数据突发包配置光开关时，如果发现主光纤上相应的波长已被占用，则查询对应的副光纤上相应的波长是否可用，如果可用，便将光开关切换至副光纤上，从而提高了节点的交换性能，降低了网络的阻塞率。 

本发明的技术效果在于：利用90％左右尚未使用的“暗光纤”来增加节点的交换容量，降低阻塞率，解决了由于交换性能低引起的网络性能无法提高的“瓶颈”；同时，目前切 换速度达纳秒量级的光开关较光纤延迟线和波长转换器，不仅技术已经较成熟而且其价格非常低廉并且有继续下降的趋势，因此本发明提出的新型节点交换结构具有低成本、高回报的优点。 

附图说明

图1是本发明的光突发交换节点空分交换结构的示意图。 

图2是具有14个节点21条链路的NSFNET网络拓扑图。 

图3是采用本发明的空分交换结构网络与全波长转换和传统的节点交换结构网络性能仿真对比图。 

具体实施方式

为了更加清楚地描述本发明的内容，以下通过具体的实施例来进一步描述本发明，但不构成对本发明的限制。 

本实施例采用国际上通用的具有14个节点、21条链路的NSFNET网络拓扑对提出的下一代组网方案的网络性能进行计算机仿真，其网络拓扑如图2所示。每条链路包含一条“主光纤”和一条被“点亮”的“暗光纤”，每条光纤上复用8个波长。 

本实施例的具体步骤如下： 

1.由计算机仿真软件产生数据包到达时间间隔服从自相似分布，包长服从负指数分布，均值为45Mbit的自相似业务源，自相似特征参数H＝0.9。 

2.业务在边缘节点完成路由和生成控制分组的任务后，数据突发包随机被分配一个波长，在控制分组传送一个偏置时间后，开始传送。 

3.数据突发包的控制分组到达网络核心节点时，核心节点通过对控制分组的电处理，提取将要到达的突发包所在的光纤属性(主光纤或者副光纤)以及预留波长带宽的时间和长度，电控2×1光开关选择承载数据突发包的波长；查询该波长在预约的时间内，在输出的端口是否可用，如果两根均可用，优先选用与数据包进入节点时所在的光纤属性相同的光纤；若两根均不可用，则丢弃控制分组和随后到达的数据突发包，并通过1×2光开关将通过光交换矩阵的波长切换到与端口相应光纤相连的波长复用器上，复用到光纤上向下一跳传输。 

4.数据突发包到达目的节点后，网络边缘出口节点销毁控制分组，并统计成功接收的数据突发包数，计算丢包率。 

本发明在相同业务源和网络环境下，分别将采用全波长转换和传统的节点交换结构与本发明提出的方法进行了网络性能仿真对比。结果如图3所示。 

图3显示出在采用原有的光突发交换协议的条件下，采用本发明的空分交换结构的光突发交换网络相对原有网络其丢包率实现了一个量级的改善；相对全波长转换网络，在网络负载大于0.3的情况下，性能相同甚至优于全波长转换网络，这是因为采用副光纤交换的网络在与全波长转换网络网络负载相同的情况下，交换容量提高了一倍，但是成本与波长转换器相比却低很多。仿真结果进一步说明，本发明提出的新型空分交换结构能够大幅度提高网络的交换性能。 

以上为本发明的实施方式，依据本发明公开的内容，本领域的普通技术人员能够显而易见的想到的一些雷同、替代方案，均应落入本发明保护的范围。 

Claims (3)

1.一种具有多纤空分交换结构的交换节点，是具有N对输入和输出端口且每个端口接入K条属性相同的光纤的光突发交换节点，其中N、K为大于等于1的整数，且1≤K≤N，由以下部件组成：

K×N个波分解复用器：用于将输入端口的每条光纤上的波长解复用出波长为λ₁～λ_M的M个波长，M为大于等于1的整数；

M×N个K×1光开关：选择解复用出的K个具有相同属性的波长λ_m，1≤m≤M，用于将承载数据突发包的波长切换到光交换矩阵；

一个光交换矩阵：用于将K×1光开关选择出的波长路由到相应的输出端口；

M×N个1×K光开关：用于将经过光交换矩阵的波长切换到输出端口上与之同属性且可以使用的波长上，送至波分复用器；

K×N个波分复用器：用于将所述的1×K光开关传送来的M个波长实现合波，进入相应的输出光纤；

每个输入端口的K条输入光纤分别接到K个波分解复用器，每个波分解复用器解复用出M个波长λ₁～λ_M，同一端口的M×K个波长中每K个具有相同属性的波长连接到一个K×1光开关上进行选择切换，M个K×1光开关选择出的M个波长进入光交换矩阵，由光交换矩阵路由到相应的输出端口，从光交换矩阵出来的M个波长分别通过M个1×K光开关切换到输出端口上与其同属性且可以使用的波长上，最后经过K个波分复用器进入与该波分复用器相连的输出光纤。

2.如权利要求1所述的具有多纤空分交换结构的交换节点，其特征在于，所述的光开关为MEMS光开关或机械光开关。

3.一种提高核心节点交换容量的方法，所述核心节点是具有N对输入和输出端口的光突发交换节点，在每个输入端口处接入K条属性相同的光纤Ln1～LnK，每条光纤经过波分解复用器解复用出M个波长λ₁～λ_M，同一端口的每K条具有相同属性的波长λ_m连接到一个K×1光开关上进行选择切换，被选择的波长进入光交换矩阵，由光交换矩阵将其路由到正确的输出端口，并由1×K光开关将从光交换矩阵出来的波长切换到输出端口上与该波长同属性且可以使用的波长上，最后经过波分复用器进入与该波分复用器相连的输出光纤向下一跳传输，其中，N、M、K、n、m均为整数，且N≥1，M≥1，1≤K≤N，1≤n≤N，1≤m≤M；其实施步骤如下：

数据突发包的控制分组到达网络核心节点时，核心节点通过对控制分组的电处理，提取将要到达的突发包所在的光纤编号以及预留波长带宽的时间和时间段，并控制K×1光开关将承载数据突发包的波长切换到光交换矩阵；

同时查询该波长在突发包经过该节点的时间段内，在相应的输出端口上，K根输出光纤中是否有同属性的波长可用：如果K根光纤中与输入波长同属性的波长均可用，则优先选用与数据包进入节点时所在的光纤编号相同的输出光纤；若与输入光纤编号相同的输出光纤上同属性的波长不可用，则在其余的K-1条光纤中选择一条可用的光纤，并通过1×K光开关将通过光交换矩阵的波长切换到与该光纤相连的波分复用器上，继续向下一跳传送突发包；若K根均不可用，则丢弃控制分组和随后到达的数据突发包。