TWI776294B

TWI776294B - 光框架交換機

Info

Publication number: TWI776294B
Application number: TW109142057A
Authority: TW
Inventors: 葉作球; 鄭玉鉅; 陳伯濤; 伍正平; 陳向明
Original assignee: 中華電信股份有限公司
Priority date: 2020-11-30
Filing date: 2020-11-30
Publication date: 2022-09-01
Also published as: TW202224366A

Abstract

一種光框架交換機，包括：複數輸出埠，分別用於連接複數節點之一者；以及至少一半導體光放大器(SOA)交換模組，各係包括：複數輸入埠，分別用於連接該等節點之一者；複數分光器，分別連接該等輸入埠之一者；複數SOA切換器，分別連接該等分光器之一者；複數合光器，各係連接各該SOA切換器及該等輸出埠之一者；以及調度器，連接各該分光器、各該SOA切換器及各該合光器，用於控制各該SOA切換器之關斷、導通及/或切換，以在該等輸入埠及輸出埠之間建立實際光路。

Description

光框架交換機

本發明係關於一種光框架交換機，且特別係關於運用分光器(splitter)、半導體光放大器(SOA,semiconductor optical amplifier)與合光器(coupler)等光元件的光框架交換機。

通信用光交換機收容多條單模光纖，用電控繼電器或步進馬達，以機械方式改變光路徑，而達到從輸入光纖路徑到輸出光纖路徑的切換。也有用鏡片方型陣列，用電控繼電器方式，改變鏡片角度，以達到從輸入光纖路徑切換到輸出光纖路徑的功能。

後續出現微機電技術，利用半導體技術製作微鏡片與波導方型陣列，用類似電控繼電器方式，改變鏡片角度，以達到從輸入光纖路徑切換到輸出光纖路徑的功能，其中，微機電技術可縮小光交換機體積。

然而，以上技術的交換機，皆以單波長承載訊務作系統設計與運作，卻沒有利用到可以承載多波長與其個別的訊務的光纖。

由此可見，上述習用方式仍有諸多缺失，實非良善之設計，而亟待加以改良。

本發明之目的在於，透過提出一種光框架交換機，提升網路寬頻運用，優化大寬頻網路承載使用率，以核心網路光化交換機制，支援網路全光化，消滅網路瓶頸。此外，結合軟體定義網路(SDN,software-defined networking)與光訊務流框交換(OFS,optical frame switch)的方式實作應用，建構高速全光內容傳遞網路。本發明可直接用於電信網路之內容傳遞網路(CDN,content delivery network)、多媒體即時需求(MOD,multimedia on demand)服務及訊息資料中心(IDC,information data center)網路。再者，以基於半導體光放大器的光封包交換機(SOA optical packet switch)搭配光框架(optical frame flow)的訊務處理，讓訊務兼具高速高效率的轉發。這樣的作法，可使電信公司提供的公眾網路頻寬大而費用低，保有營運維護的利潤，可以長期提供低廉的公眾網路。

本發明之次一目的係於網路建設上導入光交換，以提升光骨幹網路與承載光接取網路之訊務整合，可後續開發網路與建置新服務功能，因此可將網路轉型成光智能網路，提升網路新價值。

為達成上述目的，本發明提供一種光框架交換機，其主要利用韌體管控主動半導體光放大器、被動光元件與軟體排程訊務的交換時機功能，作到分波解多工光信號光路徑與時機的交換。此外，基於先前整機主要分成光電卡板、軟體控制部分與光電背板三部分，這三部分安裝於光交換機的機殼架上。光電背板的堆疊數量最少是一片；送收訊務交換的光電卡板配置多片，其對應於多對的光纖輸入/輸出埠；處理機卡板提供整機的控制與外界通信功能，而基於SDN功能的處理機卡板，透過光電背板，控制多片光電卡板與其中之光路徑通信交換時機。

特別是本發明的光電卡板裏，結合半導體光放大器(SOA)、分光器與分波多工器，處理輸入埠(input port)輸入的多波長光信號，將多波長光信號細分為單一波長的單一路徑光信號。其載有連結外來的訊務封包，或是連接資料中心各個機架上的伺服器。此外，在指定的光纖路徑，形成NxN光纖路徑，這時用N個1xN的合光器，分別將對應要交換的光纖路徑合起來，成為接收端Rx，透過光陣列連接器，送到N個輸出埠。另外，處理器卡板裏SDN開放訊務(open-flow)的管控單元，記憶與控制單一波長的單一路徑光信號路由狀態，可程式邏輯單元依據SDN的信令動作，控制SOA的交換路徑開或關，達成多光輸入/輸出埠瞬時交換之光路徑連接通信機制。本機可以處理S條光纖、M種不同波長，可交換路徑數量就是SxMxN，而光電背板透過光陣列連接器，收容光電卡板送來待交換的傳送端Tx的SxMxN的光訊務。

處理機卡板上的乙太網路通信埠，接收電信或網路通信管控中心之SDN伺服器信令，此信令經過適當處理，透過周邊組件互聯快速(PCIe,Peripheral Component Interconnect Express)電匯流排，對特定光電卡板發出光路徑開關命令。此外，利用可程式邏輯單元衍生韌體之快速強大處理能力，將輸入之乙太封包，安排在虛擬框架裡，整批通過交換機的目的埠，而這個虛擬容量訊務框為1交換單位(duration)，可以善用交換機的切換時間，因而可以優化交換機的性能與吞吐量。

本發明的光框架交換機之系統，係以機械框架，裝備直流電源供應器與光電背板及導槽，收容光電卡板與處理機卡板，並使用光電連接器等，組成為光交換機。此外，由處理機卡板網路接受電信或網路中心之SDN伺服器信令，結合光電背板與控制光電卡板運作，完成光網路多輸入埠與多輸出埠之光信號交換功能。本發明的光框架交換機可安裝於電信或資料中心網路中，讓大頻寬的光網路通道訊務得以交換，使訊務向各方順利流動，其組成包括：至少一片光電背板，用光纖與合光器及光電連接器等，連接複數片如下述之光電卡板，並加以溝通與控制；複數片光電卡板，有複數個光放大器與驅動控制電路，其中，控制電路包含可程式邏輯單元(例如FPGA)與記憶體，載有運作控制軟體，另結合分波與分光之光元件，可以將單一光纖輸入的光信號，分波分光成單一光路徑，以利作光交換；至少一片處理機卡板，含有通用處理器、網路處理器、隨機存取記憶體、唯讀記憶體/快閃記憶體/硬碟，另含有複數個光或電乙太網路(Ethernet)介面、匯流排連接器等，用以控制光電卡板與外部SDN伺服器；以及機械框架，配備直流電源供應器，用以收容前述所有卡片與背板，以組成光框架交換機。

在一實施例中，所述之光電卡板由不同功能的光電元件組成，包含：光電連接器，其包含PCIe匯流排電連接器，用以與處理機卡板通信；光陣列連接器與光纖輸入輸出連接器，用以連接光電背板，且收容外部光纖輸入光信號，輸出光信號；複數個光分波器，用以將光纖輸入光信號分成光波段與其子波段，以續傳給分光器；複數個分光器；每個光波段之子波段，分成數個分光並耦合到各別光纖路徑，集合光纖路徑成分光光纖束，各別續傳到對應的光電放大器；複數個光放大器，其中，上述分光器之各別光纖路徑配備一光放大器，光放大器帶有驅動控制電路，電驅動信號由可程式邏輯單元發出，將光信號放大或關閉光放大器，集合各別光放大器的輸出光纖到合光器成一輸出，再接到光陣列連接器而到達光纖背板；PCIe控制電路，其中一端連接到光電背板的PCIe匯流排，以接收處理機卡板的命令，另外一端連接運用電控匯流排，以對光電卡板內的眾多光放大器之驅動控制電路，將光信號放大或關閉光放大器。

在一實施例中，所述之處理機卡板由不同功能的光電元件組成，包含：一組光電連接器，含有PCIe匯流排連接器、複數個RJ-45乙太網路連接器、以及複數個光乙太網路連接器；帶有複數埠實體層的光電乙太網路處理器，從上述光電連接器之RJ-45乙太網路連接器或光乙太網路連接器接收外部信令與通信，其中，該外部信令來自SDN伺服器或其他伺服器；以及處理機與其週邊，含有隨機存取記憶體/唯讀記憶體/快閃記憶體/硬碟等，軟體下載其中之後，可整體運作以控制光電背板所收容的光電卡板。

在一實施例中，所述之光框架交換機，其輸入訊務可以來自電信或是資料中心伺服器之機架交換機。所述之光框架交換機處理光框架以收容複數個訊務封包之標頭資料，以進行資料封包排程交換或將標頭資料暫存於光電卡板之記憶體內。

在一實施例中，所述之光框架交換機，其光電卡板設計為8×8埠交換單位系統，再疊合設計為16×16埠交換單位系統，或32×32埠交換單位系統等。

在一實施例中，所述之光框架交換機，其光電卡板設計之SOA光放大器，可為各別或積體陣列SOA，以節省SOA與電子驅動元件之電路板布置空間。

在一實施例中，所述資料封包排程交換的運作，可由本機外的SDN控制器為之，或依SDN控制器交遞訊務交換原則給本機光電卡板內的可程式邏輯單元軔體處理。此外，此可程式邏輯單元內建處理器及記憶體，以及 SDN控制器通訊介面，用於接收訊務擷取封包標頭介面，並控制光路元件介面。

在一實施例中，所述資料封包排程交換的運作，由SDN控制器執行，其他部分埠訊務之交換，也可同時由可程式邏輯單元執行。

在一實施例中，所述資料封包排程交換的運作，包含交換一單位聚合虛擬光框，此光框容納32位元組起至更多位元組，彈性光框可容納多個封包，在容納之封包流連續到達時，此彈性光框可以臨時增大容量。

在一實施例中，所述資料封包排程交換的運作中，可程式邏輯單元的處理程序如下：

1.由機房內其他設備，透過管理介面或專用介面，發出交換請求訊息，以令本機的處理器卡板通知該設備連接光電卡板埠的可程式邏輯單元設定光交換路徑。此外，可程式邏輯單元經過運算，回覆一個允許交換的封包給該設備，然後該設備將資料封包送出，資料封包經過設定好的光路徑傳給目的埠連接的設備。

2.可程式邏輯單元回覆一個允許交換的封包給該設備的原則為：事先與該設備溝通設定，當累積送往目的埠的資料封包的位元組數大於特定數量時，即將資料封包聚合成虛擬光框架，以待傳送。

3.虛擬光框的大小係依據鏈路速度、可程式邏輯單元記憶體大小、設備暫存記憶容量、以及訊務量之大小而動態設定。

4.當訊務輕載時，交換時機可設定為訊務隨時交換運作，當訊務中載時，交換時機可設定為訊務虛擬光框大小係根據鏈路速度、可程式邏輯單元記憶體大小、以及設備記憶容量而最佳化，或延遲最小的光框大小。當訊務重載時，光框大小可以選擇大光框作設定，以利訊務的交換疏通。

5.支援5G行動網路超可靠度和低延遲通訊(Ultra-reliable and Low Latency Communications,URLLC)的應用特性。此外，SDN控制器或是可程式邏輯單元可動態調整虛擬框大小與交換時機排程，以縮短封包交換的延遲。

綜合上述，本發明所提出之一種光框架交換機，可以處理單波長多路徑交換的訊務內容，也可處理多群多波長多路徑交換的訊務內容，且完全符合單模光纖多群多波長的頻寬傳送特性。此外，本發明結合半導體光放大器，在光交換硬體層的運作之上，加強彈性虛擬訊務框的處理功能，兼顧光交換速度與適當系統體積大小的實用性，又佐以SDN電信或網路服務控制中心信令接收功能，讓光路徑傳輸效率提高，並充分利用高速交換功能。再者，本發明之光框架交換機符合現代大小封包快速交換之應用環境，可提高光路徑傳輸效率且滿足龐大的需求，而有效提高交換設備投資的實質效益。

100:光框架交換機

101~10N:節點

111:電轉光元件

120:分光器

130:SOA切換器

140:合光器

151~15N:輸出埠

160,180:連接介面

170:調度器

191~19N:輸入埠

200:光框架交換機

201~20N:節點

213:請求信號

214:准許信號

220:分光器

230:SOA切換器

240:合光器

242:實際光路

251~25N:輸出埠

260,280:連接介面

270:調度器

291~29N:輸入埠

301~309:輸入埠

310,360,380:光轉電元件

320:信號處理單元

330,331:先進先出緩衝器

335:儲存器

340:准許信號產生器

350:電轉光元件

370:切換器控制器

391~398:輸出埠

400:光框架交換機

4001~4008,4064:節點

410,420:SOA交換模組

415:儲存器

416,418:連接介面

430,440,450,460:合光器

4701~4708:輸入埠

4801~4864:輸出埠

510:框架/光框架

520,530,540,550:封包

610~650:框架大小

670~677:鏈路速度

710:請求信號

711~714:交換流程的信令處理時序步驟

720:准許信號

730:框架/光框架

740:光框架切換時間

910~950:框架大小

911~919:超負荷

圖1為本發明之SOA光框架交換機架構圖；

圖2為本發明之訊務交換路徑範例圖；

圖3為本發明之交換控制運作圖；

圖4為本發明之交換埠數擴展圖；

圖5為本發明之光框架容量圖；

圖6為本發明之光框架的各種鏈路速度與各種框架大小所需的光交換機切換時間表；

圖7為本發明之交換控制規約時序圖；

圖8為本發明之光框架性能對加入控制信令封包關係表；

圖9為本發明之光框架交換機在不同框架大小下的流通量與負載關係圖；

圖10為本發明之光框架交換機在不同框架大小下的流量遺失率與負載關係圖；

圖11為本發明之光框架交換機在不同框架大小下的流量平均延遲時間與負載關係圖。

本發明提供一種光框架交換機，採用半導體光放大器(SOA)、分波器、分光器及合光器，組成光交換功能，達成波道訊務獨立切換，且可以充分利用光纖頻寬。此外，引用SDN光交換設備開放訊務控管技術，達成光信號之信令流(control plane)與訊務流(data plane)智能化處理，例如封包訊務與交換。

本發明的交換光路與控制架構，請參閱圖1所示，且請參閱圖5、6，說明光框架交換機需要較快速的光切換時間。圖6為本發明之光框架的各種鏈路速度與各種框架大小所需的光交換機切換時間表，例如在100Gbps 676的鏈路下，如果框架大小採用1.25K位元組620，則需用100奈秒以下之光切換時間的光交換元件；例如SOA光交換元件之切換時間可達1奈秒。框架大小可以彈性改變，例如從64位元組610到1.25M位元組650以上。但大框架的交換將使光框架交換機產生很大的延遲，因而影響光框架交換機的性能，然而大框架有較佳的交換效率。此外，基於延遲短的訊務小框架與較佳交換效率的大框架間之權衡，可視當時整體網路為輕載訊務、重載訊務或平衡訊務，作適當的調控。

框架可以包括具有相同目的地的許多封包或流量，並且框架大小可以是固定的或可變長度的，但是其時間週期需要大於光交換機的切換時間。最後，本發明模擬設計了具有不同框架大小的光框架，計算出交換網路的性能。發展模擬的訊務模式計算，是從實際核心網路攫取的訊務態樣，以得到模擬結果的真實性，而採用這種高速光框架交換機的設計，可以實現低延遲，高靈活性和高流通量，可以滿足5G行動用戶嚴苛的即時反應、大容量頻寬與個別不同應用的需求。

對於高速光框架交換機之設計，SOA切換器不僅可以將光信號切換到其目標輸出埠之路徑，還可以放大光信號，以補償光信號的分歧衰減和傳輸損失。例如，如果SOA切換器的驅動電流為零，則輸入的光信號將被衰減35dBm，即關斷(OFF)狀態；相反地，如果SOA切換器的驅動電流大於40mA，則光信號將被放大，這是導通(ON)狀態。這樣可讓SOA切換器連接的前後路徑導通或關斷。使用SOA技術，交換速度和信號補償的問題也將同時得到解決，因為SOA能夠執行小於500皮秒(picosecond,ps)的高速交換並且能夠根據驅動電流進行放大，這樣的交換功能可用於在核心、區域和接取網路系統的光放大。當SOA用作切換功能時，切換時間是一個關鍵參數，如此SOA可用於交換或光閘道設計，訊務光框架能夠達到小於500ps的高速切換時間。

本發明之N×N光框架交換機100的方塊圖如圖1所示，其中，N為大於1之整數，例如N可以等於8或64。在此實施例中，N×N光框架交換機100包括N個輸入埠191~19N、N個分光器(splitter)120、N個1×N SOA切換器130、N個N×1合光器(coupler)140、N個輸出埠151~15N、以及調度器170。每一個輸入埠191~19N分別連接一個節點101~10N和一個分光器120。每一個分光器120的輸入端連接一個節點101~10N，輸出端分別連接一個SOA切換器130及調度器170。每一個SOA切換器130的輸入端連接一個分光器120，輸出端分別連接每一個合光器140。每一個合光器140的輸入端分別連接每一個SOA切換器130及調度器170，輸出端連接一個輸出埠151~15N。調度器170連接每一個分光器120、每一個SOA切換器130及每一個合光器140。每一個輸出埠151~15N連接一個合光器140及一個節點101~10N。每一個節點101~10N可為伺服器，或架頂(ToR,top of rack)交換機連接下的伺服器。為避免圖式過於複雜，圖1僅展示光框架交換機100的部分結構。

電訊務從節點進入，例如從節點101進入，電訊務經由節點101的電轉光元件(E/O)111自電信號轉成光信號，到達分光器120，然後分成兩路，其中一路光信號被視為信令訊務而被傳到調度器170，調度器170擷取該光信號之信令標頭。調度器170可由N×N光交換機控制軟體及可程式邏輯單元組成。調度器170透過連接介面160與SDN控制器溝通，且透過另一連接介面180與節點101~10N溝通。另一路光信號被視為資料訊務而被傳到1×N SOA切換器130。調度器170以控制信號控制SOA切換器130導通或關斷，並控制導通的SOA切換器130將其接收的光信號切換到指定的合光器140，以建立光信號之傳送路徑(或稱為光路)。每一個合光器140收集來自N個SOA切換器130之N路徑光信號，由於調度器170的管制，只有N路徑其中之一的光信號通過該合光器140而導通到對應的輸出埠151~15N。藉此交換原理，N×N光框架交換機100可在N個節點101~10N之間交換傳遞光框架。

圖2顯示了採用SOA技術的N×N光框架交換機200的路由圖例說明，光框架交換機200的架構和光框架交換機100相同。在此實施例中，為達到高速運作，使用可程式邏輯單元設計調度器270。如果節點201請求將數據封包或流量傳送到輸出埠25N，則節點201透過對應的分光器220，先向調度器270傳送請求信號(點線)213，並且調度器270首先擷取並儲存請求信號的封包的目標地址、來源地址和資料長度，然後檢查可利用的虛擬交換光路的資源。該來源地址可為光框架交換機200的N個輸入埠其中一者，而該目標地址可為光框架交換機200的N個輸出埠251~25N其中一者。如果待傳送資料的總位元組數(後面解釋)大於或等於預設之最小框架大小，並且光框架交換機200的虛擬光路可以轉換成實際可用光路並保留(例如該虛擬光路經過的合光器240沒有其他數據封包或流量使用)，則調度器270傳送准許信號(點線)214經過合光器240到輸出埠251，以通知節點201準備傳送數據封包或流量，然後調度器270通過控制信號控制節點201所對應的SOA切換器230導通並切換到輸出埠25N所對應的合光器，以在節點201和輸出埠25N之間建立實際光路(曲實線)242，用以將數據封包或流量自節點201傳送到輸出埠25N。

待傳送的數據封包或流量都儲存在節點201的虛擬輸出隊列(VOQ,virtual output queue)中。每一個節點201~20N各設有N個虛擬輸出隊列，分別用於暫存待傳送至每一個輸出埠251~25N的數據封包或流量。先前的運作已有數據封包或流量的資料長度、目標地址和來源地址被傳送到調度器270，其被調度器270用於向請求信號之來源節點傳送准許信號，並在兩個節點之間建立實際光路。完成實際光路的建立後，調度器270通過連接介面280發送通知信號至節點201，以通知節點201可開始傳送對應輸出埠25N的虛擬輸出隊列中的數據封包或流量，這些數據封包或流量會被彙集為光框架，通過該實際光路傳送到輸出埠25N，其中，連接介面280例如可為PCIe匯流排介面。

圖5顯示訊務框架510(亦可稱為光框架或框架)，包含1號封包520、2號封包530、…、N號封包540，N+1號封包550為框架外封包。框架可以包括具有相同目標地址的許多數據封包或流量，並且框架大小可以是固定的或可變長度的，但是其時間週期需要大於光框架交換機100的切換速度，例如SOA切換器130的導通或關斷之切換速度。

本發明採用可變長度的框架，換言之，數據封包或流量填滿框架後仍可繼續收容數據封包或流量，例如N+1號封包550。如此，若一個大檔案要傳送時，不需要分割為許多框架，而是可由一個框架完成傳送，以減少延遲及增加系統可靠度。虛擬輸出隊列(VOQ)可位於節點中的記憶體，並非另外增加實際儲存資料的記憶體，其中，虛擬輸出隊列只是標示彙集具有相同目標地址的許多數據封包或流量，以便傳送到其目標輸出埠。此外，仍須經由調度器來控制框架的傳送時間。

光框架交換機200的調度器270的路由演算法如下列之偽代碼(pseudocode)所示：

for i=1 to N{//掃描每一個輸入埠

偵測第i個輸入埠的請求信號

If(偵測到請求信號){

將請求信號的來源地址和框架大小儲存於調度器中對應請求信號的目標地址的先進先出緩衝器(FIFO)

}

}//end for

For j=1 to N//掃描每一個輸出埠

If(待傳送至第j個輸出埠的數據封包或流量的總位元組數

最小框架大小){根據第j個輸出埠所對應的先進先出緩衝器其中的來源地址，依序傳送准許信號至上述來源地址所對應的全部輸出埠，然後為待傳送至第j個輸出埠的全部數據封包或流量建立實際光路

}

}//end for

一個框架的結構可包括許多具有相同目標地址的數據封包或應用封包集(coflow)。框架大小可以是固定的或可變長度，若特定時間內封包沒有那麼多，就立即傳送，但其時間週期需要大於交換機的切換速度。如果框架大小是固定長度，則可能會出現一些時間空隙，例如圖5中的N號數據封包540是框架中最後一個數據封包，而若封包超過框架大小，可以不斷地將數據封包加到框架中，例如圖5中的N+1號數據封包550。封包大小的處理後續再詳細說明。

請參閱圖3，圖3為使用可程式邏輯單元晶片設計的調度器270的功能方塊圖。以N等於8為例，調度器270包括9個輸入埠301~309、分別連接9個輸入埠301~309的9個光轉電元件(O/E)(例如光轉電元件310,360,380)、分別連接8個光轉電元件(例如光轉電元件310和380)的8個信號處理單元320、連接8個信號處理單元320的儲存器335、連接儲存器335的8個准許信號產生器340、分別連接8個准許信號產生器340及8個合光器240的8個電轉光元件(E/O)(例如電轉光元件350)、以及分別連接8個電轉光元件(E/O)(例如電轉光元件350)的8個輸出埠391~398。另外，調度器270還包括連接光轉電元件360、8個准許信號產生器340及8個SOA切換器230的切換器控制器370。為避免圖式過於複雜，圖3僅展示調度器270的部分結構。調度器270通過8個100Gbps鏈路以控制8×8光框架交換機200，而光訊流從圖2的分光器220經過光轉電元件310，從光信號轉換為電信號。然後，信號處理單元320分離出光訊流封包的訊務標頭，並抽出光訊流封包的來源地址、目標地址、封包長度等訊息，將這些訊息儲存於儲存器335的先進先出緩衝器330/331。如圖2中的調度器270，內含連接介面280，用於與節點201~20N進行通信，而調度器270使用另一個100Gbps的鏈路(輸入埠309)進行和SDN控制器之間的通訊。

在圖3中，調度器270使用可程式邏輯單元晶片的設計，信號處理單元320將來自分光器的請求信號鎖定，然後鎖住請求信號的數據封包或流量的來源地址和封包長度的欄位。該數據封包或流量的來源地址和長度將根據該數據封包或流量的目標地址儲存在先進先出緩衝器(FIFO)330/331中。例如，如果光框架交換機200的輸入埠291的數據封包或流量將被傳送到輸出埠 258(即圖2中之輸出埠25N)，那麼請求信號中的數據封包或流量之來源地址和長度的資料將儲存在對應於輸出埠258的FIFO 331中。此外，當該FIFO 331中的待傳送的數據封包或流量的總位元組數大於或等於最小框架大小時(取決於SOA切換器的切換時間)，准許信號產生器340將根據請求信號的來源地址產生一准許封包送到電轉光元件350從電信號轉換成光信號，然後抵達該來源地址所對應的輸出埠251的合光器240，然後准許信號產生器340向切換器控制器370傳送信號，以令切換器控制器370產生控制信號以控制圖2中之SOA切換器230的導通或關斷。例如，若圖2中之節點的VOQ數據封包從輸入埠291送到輸出埠258，則來自輸入埠291的數據封包經過調度器270處理後，准許信號的封包經過合光器240到輸出埠251，然後被節點201接收，而隨後的節點201的VOQ資料數據封包，則通過調度器270建立的實際光路傳送到輸出埠258。

圖5的訊務框架在一個鏈路內可改變大小，以容納可變數量的封包，而鏈路的傳輸速度也是可變的。如圖6中光交換機的切換時間與框架大小欄610/620/630/640/650和鏈路速度列670/671/671/672/673/674/675/676/677的關係表，顯示了各種框架大小和鏈路速度的光交換機切換時間。例如，如果設計一個框架大小為64位元組(610欄)且鏈路速度為100Gbps(676列)的光框架交換機，則需要切換時間小於或等於5.12奈秒的切換器，而如果設計一個框架大小為1.25M位元組(650欄)，且鏈路速度為10Gbps(674列)的光框架交換機，則只需要切換時間小於或等於1毫秒的切換器，依此類推。因此，如果有更高速的光交換元件，則可以設計一個框架較小且鏈路速度更快的高速光框架交換機。已知微機電系統光交換機的切換時間超過10毫秒，可調式雷射器的切換時間超過100奈秒，SOA的導通或關斷切換時間約為1奈秒，因此SOA可以實現高速光框架交換機，其最小框架大小為64位元組，最高鏈路速度為400Gbps，如圖6之列677所示。

圖7顯示了鏈路速度為100Gbps時，調度器的時序圖。對於最小框架(64位元組)的100Gbps鏈路速度，光交換機的切換時間必須小於或等於5.12奈秒(730)。依圖6所示，對於最小框架(64位元組)的400Gbps鏈路速度，光交換機的切換時間必須小於或等於1.28奈秒，如610欄交叉677列的位置所示，而從節點201到輸出埠258的交換流程的信令處理時序說明如後。請參閱圖7，在步驟1(711)，從節點201發出交換請求信號710。在步驟2(712)，調度器270回覆准許信號720，並且控制相關的SOA切換器，以設定從節點201到輸出埠258的實際光路。在步驟3(713)，節點201傳送出64位元組的框架730。在步驟4(714)，節點201的框架經過已設定的實際光路，到達輸出埠258，實際的切換時間為740，此交換流程亦如前述與圖2所示。

如前所述，光框架交換控制，除了訊務還必須考量運作規約的超負荷封包(overhead)，請參閱圖8，其為模擬產生的超負荷911/912/913/914/915/916/917/918/919和框架大小910/920/930/940/950與FIFO隊列長度的表格。如果在同一數據鏈路中傳送請求信號和准許信號時，則將產生如圖8所示的超負荷封包。很明顯，上行請求鏈路的超負荷約為0.6%，如916列數據所示，其中，假設對於各種框架大小，請求信號和准許信號是64位元組，但是對於各種框架大小，下行鏈路的准許封包超負荷約為0.6%到0.03%，如917列數據所示，因為下行鏈路的准許信號取決於不同框架大小的模擬，例如32×32光框架交換機的流通量。換言之，如果產生更多的准許信號，則流通量更高且超負荷也較高。在後文中將模擬和討論不同框架大小的32×32光框架交換機的流通量。

為了設計如圖3所示的調度器270中的FIFO 330/331，用於儲存請求信號的來源地址和流量或數據封包大小，在模擬中取得了不同框架大小的FIFO平均隊列長度(queue length)和FIFO最大隊列長度，這些也在圖8中示出並在後文中模擬過。例如，若框架大小為1.25K位元組(圖8中920欄)，則只需要設計每個FIFO的隊列長度超過296，依此類推。因此，32×32光框架交換機需要1,024個FIFO，而如果每個流量或數據封包的來源地址和長度分別為4個位元組，則儲存器335為容納FIFO所需的全部記憶體大約為2.4M位元組(8×296×1024)。

圖4為使用8個8×8 SOA交換模組(例如410及420為其中2個8×8 SOA交換模組)建構一個64×64光框架交換機400的架構圖。每一個8×8 SOA交換模組的結構均與光框架交換機100或200相同，每一個8×8 SOA交換模組構成一層交換網路。由於每一層各有8個輸入埠和8個輸出埠，所以光框架交換機400共包括64個輸入埠(例如第一層410的輸入埠4701~4708)及64個輸出埠4801~4864，其中，該64個輸入埠分別連接64個節點4001~4064。此外，光框架交換機400還包括64個層外合光器(例如合光器430、440、450及460)，其中，每一個層外合光器的輸入端分別連接每一層中的一個合光器的輸出端，每一個層外合光器的輸出端則連接光框架交換機400的64個輸出埠4801~4864其中一者。例如，層外合光器430的輸入端分別連接每一層中的第一個合光器的輸出端，且層外合光器430的輸出端連接輸出埠4801，又例如，層外合光器440的輸入端分別連接每一層中的第二個合光器的輸出端，且層外合光器440的輸出端連接輸出埠4857，依此類推。此外，每一個輸出埠4801~4864分別連接光框架交換機400的64個輸入埠其中一者，例如，輸出埠4801~4808分別連接第一層410的輸入埠4701~4708，輸出埠4857~4864分別連接第八層420的8個輸入埠，依此類推。

每層內部之間的資料傳送在該層的調度器就可以執行，若是跨層之間的資料傳送則須通過SDN控制器處理。例如，從第一層410的輸入埠4701到輸出埠4808之間的光框架傳送，由第一層410的調度器執行就可以。又例如，從第一層410的輸入埠4701到第八層420的輸出埠4864之間的光框架傳送，則以下列方式進行：第一層410的調度器通過分光器接收節點4001的請求信號，將請求信號透過連接介面416和SDN控制器傳送到第八層420的調度器，然後第八層420的調度器產生准許信號，並將准許信號透過SDN控制器傳送到第一層410的調度器，第一層410的調度器再將准許信號傳送到節點4001。第一層410和第八層420的調度器會通過SDN控制器互相協調，控制第一層410和第八層420中相關的SOA切換器，以建立從第一層410到第八層420的實際光路，進而完成第一層410和第八層420之間的跨層光框架傳送。

光框架交換機400的每一層還可包括一個儲存器415，以供該層的調度器使用。當調度器有請求信號或准許信號等控制信令因為光框架交換機400的訊務繁忙等原因而暫時無法送出時，調度器可將這些控制信令暫存於同一層的儲存器中，等到稍後可傳送時再送出這些控制信令，此時調度器可將暫存於儲存器中以同一輸出埠為目標地址的控制信令彙集於同一光框架中傳送，以提高傳送效率。

在其他實施例中，可沿用以上方式，用N層N×N SOA交換模組構成N²×N²光框架交換機，而不限定於64×64光框架交換機。

在其他實施例中，除了圖4所示的架構之外，也可將圖1所示的架構從8×8擴展為64×64，如此只需要一層交換網路就可構成一個64×64光框架交換機，當然調度器需要擴充，如果傳送請求及准許信號的鏈路不夠，也可多個輸出入埠共用一個鏈路。也可以考慮用不同的波長來傳送請求及准許信號，這樣就不會占用正常鏈路的頻寬，但需要增加多工及解多工的設備。

本發明採用自行研發的計算軟體作性能評估，而為了得到最佳化的框架大小，獲得更高的性能，在32×32光框架交換機中，模擬五種容納封包之框架大小，如圖6之610~650欄所示，請再參考圖5框架容納封包。在模擬中，根據攫取的來自核心網路的流量分佈，32×32光框架交換機中每個節點的傳輸流量的總位元組數約為10⁷。

在每個節點產生流量(Flow)的訊務後，經可程式邏輯單元管控流量傳送到光框架交換機，並經光路切換到其目標節點。如果即時沒有實際交換埠或光路可用，則該流量將儲存在節點的記憶體中，例如圖1中的節點101的VOQ中，後續排程再送，但如果節點的記憶體耗盡，則流量將被丟棄，這將導致封包流量遺失。

據統計，在目前的一般訊務模式中，大於1,538字元組的數據封包不超過40%，並且較大的訊務在傳送之前被分解成許多較小數據封包，從而產生許多小的片段數據封包。但未來的行動網路4G長期演進技術(LTE,Long Term Evolution)雲端運算、網際網路疊加(OTT,over-the-top)服務、大數據、線上遊戲、網路服務、甚至大數據時代的智能居家服務，皆需要巨大的寬頻網路。未來網路將傳輸巨大的數據流量，尤其是視訊，因為封包容納資料量不夠大，傳統乙太網路在未來的大數據應用環境中傳輸效率不夠高，因此必須將多個封包聚合起來，成為一傳送單位框架，一次傳送，以增加交換機的效率。依據傳統乙太網路交換機核心網路攫取的數據，及流量攫取的經驗，可知當流量封包的大小小於80,000位元組時，位元組數累積百分比僅為25%左右，但流量封包數累積百分比高達98.8%。本發明採用上述訊務模型的分佈來模擬32×32光框架交換機之性能。

根據模擬結果，圖9顯示了具有五種框架大小的32×32光框架交換機的流通量。例如，當鏈路提供的負載為1，且框架大小分別為64位元組、1.25K位元組、125K位元組、250K位元組和1.25M位元組時，對應的流通量分別為0.99、0.99、0.98、0.8和0.51。很明顯，當框架大小小於250K位元組時，可以獲得較好的性能。

因為對於各種框架大小，上行鏈路的上行超負荷約為0.6%，並且對於各種框架大小，下行鏈路的超負荷約為0.6%至0.03%。因此，上行鏈路的流通量將乘以0.994，下行鏈路的流通量將乘以0.994到0.9997。換言之，如果根據模擬結果流通量為0.9，則當鏈路超負荷為0.6%時，真實流通量將變為0.8946(0.9×0.994)。顯然，當使用相同的鏈路傳輸數據及請求和准許信號時，流通量將略有下降。圖10顯示了在不同負載下具有五種框架大小的32×32光框架交換機的流量遺失率與提供負載之間的關係圖。很明顯，在32×32光框架交換機中，只有框架大小超過125K位元組時才會產生流量遺失，而當提供的負載為0.9時，框架大小為125K位元組、250K位元組和1.25M位元組的流量遺失率分別為8.5E-3、4.1E-1和7.9E-1。

此外，圖11顯示了不同負載下32×32光框架交換機的五種框架大小的平均延遲時間。例如32×32光框架交換機中，當提供的負載為0.6時，且框架大小分別為64位元組、1.25K位元組、125K位元組、250K位元組和1.25M位元組時，其流量的平均延遲時間分別為1.1E-4、3.2E-4、2.8E-3、3.7E-3和4.9E-3秒。很明顯，當框架大小超過1.25K位元組時，流量的平均延遲時間增加一個數量級。

採用SOA技術設計的高速光框架交換機可用於資料中心網路、雲端網路、高速電腦網路及電信網路。因為最小框架(64位元組)在400Gbps鏈路速度，光交換機的切換時間必須小於或等於1.28奈秒，而SOA切換器的切換時間可達1奈秒，因此可供未來超高速光框架交換機使用，而且經過電腦模擬計算結果，當提供的負載為1時，且框架大小分別為64位元組、1.25K位元組、125K位元組、250K位元組和1.25M位元組時，流通量分別為0.99、0.99、0.98、0.8和0.51。很明顯，當框架大小小於250K位元組時，可以獲得較好的性能。因此，如果選用較大的框架，則鏈路的速度可以更高，當然調度器的處理速度也需要更高。

先前傳統光交換機的技術，主要是針對光路交換元件分光2分岐，作多階段(stage)矩陣交換方式所設計，其系統相當龐大，光纖或光路徑接線非常繁複。本發明採用多波長分波器、多路分光器、合光器、以SOA切換器之能量損失補償與作路徑開或關之系統設計，與其他習用技術相互比較時，更具備下列優點：

1.本發明利用簡單的分波器與分光器將光訊號作多路徑分離，可降低光路徑交換的複雜度，且採取SOA兼具開關路徑與補償多路能量分散的作用。

2.本發明利用光陣列將多光波段與其子波段作分光，形成光信號的路徑空間交換，並採用合光器將導通或關斷(虛擬交換)後的光信號收集起來，送到整合的輸出埠，因此整體系統非常簡單化。

3.上述光信號的路徑空間交換，實際上是用高速電信號控制SOA切換器，以間接控制光路徑的導通或關斷，因此光交換出奇的快速，且其運作能簡單完成，而光訊務的資料部分也可直接交換，不需要作光電轉換。

4.由遠端電信或網路控制中心的SDN伺服器，可以控制不同地點的多台本發明的光框架交換機，等於是整個光網路的光交換，都在SDN伺服器的控制之下。本地SOA切換採用調度器的可程式邏輯單元直接控制，因為多波段及其子波段皆可交換，因此可充分使用光傳輸常用的單模光纖，其總計頻寬幾乎無限，可符合現在與未來電信頻寬的需求。

上列詳細說明乃針對本發明之可行實施例進行具體說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。

綜上所述，本發明不僅於技術思想上確屬創新，並具備習用之傳統方法所不及之上述多項功效，已充分符合新穎性及進步性之法定發明專利要件，懇請貴局核准本件發明專利申請案，以勵發明，至感德便。