专利名称：全光被动型光纤网络背板系统的制作方法
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，要求通信网中的核心路由器的容量急剧增加，容量为80Gbps、160Gbps等路由器已相继供应市场。
目前，一般的路由器的原理图如图1所示。容量为80Gbps的路由器，有8个速率为10Gbps的输入输出线卡，而容量为160Gbps的路由器则有16个速率为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，将每一个速率为10Gbps的输入输出线卡的分组串并转换到2.5Gbps的四个处理层面上，在四个2.5Gbps的层面上，对分组进行交换和转发。一台单机柜若想具有可扩容功能，一般都具有可扩展的输入输出端口，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对为该路由器的输入输出端口，而另外8对为可扩展的的输入输出端口。而容量为160Gbps的路由器，采用速率为2.5Gbps的32×32交换芯片，其中16对为该路由器的输入输出端口，而另外16对为可扩展的输入输出端口，构成可扩展的电子互连网络。也就是说，单机路由器中的电子网络具有可扩展性，其中交换芯片的一半输入输出端口，用于单机柜输入输出端口的分组交换，而另一半输入输出端口称之为扩展输出输入端口，则用于不同机柜之间的分组交换。也就是说，该机柜拥有将分组扩展到其他机柜的输入端口的功能。
在以上路由器的基础上，若要将容量近一步扩大，一种有效的方法是采用宽带、高密度的被动型全光光纤络背板技术，将许多台容量为80Gbps或160Gbps的路由器互连起来，形成更大容量的路由器。如将4、8……台80Gbps或160Gbps的路由器互连在一起形成容量为640Gbps、1.28Tbps……路由器。
发明内容
本发明提出一种全光被动型光纤网络背板系统，基于具有可扩展端口的80Gbps或160Gbps等路由器，将数台相同容量的路由器互连起来，组成更大容量的640Gbps、1.28Tbps或2.56T Tbps……路由器。
本发明的一种全光被动型光纤网络背板系统，包括扩展输出端口模块、全光型光纤网络背板和扩展输入端口模块；扩展输出端口模块依次由电/光转换垂直腔表面发射激光器件和光功率分配器件光路连接组成，将电信号转换成光信号，再全光分组信号被动扇出；扩展输入端口模块依次由光/电转换器件、地址过滤接收排队模块以及路由选择、交换控制模块电信号连接组成；全光型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。
所述的全光被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地址过滤接收排队模块包括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。
本发明基于具有可扩展端口的80Gbps或160Gbps等路由器，采用被动型全光光纤络背板技术，将4、8……台80Gbps或160Gbps的路由器互连在一起，组成容量为640Gbps、1.28Tbps或2.56T Tbps……路由器。具有可扩展输入输出端口的4、8……台单机柜之间的互连，在四个2.5Gbps的层面上的可扩展输入输出端口互连交换，分别采用如图1右边所示的四套全光被动型光纤网络背板。
以系统由四台160Gbps的单机柜组成的路由器为例，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。
全光被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全光型光纤网络。而所谓被动型是指将从单机柜中交换芯片可扩展的输出端口输出的分组，首先经过电/光转换的VCSEL器件变成光信号后，再经过1×4光功率分配器的扇出，在EO1、EO2……EO8扩展输出端口每一个扩展端口分为4个相同的光信号，经过全光型光纤网络分别传送到其他独立的单机柜中相应的扩展输入端口，即图2中的EI1、EI2……EI8。由于分组没有经过处理和主动的路由选择，仅仅经过1×4光功率分配器的扇出，到扩展输入端口才进行分组处理和路由选择，故称为被动型。
由于每一台单机柜的模板扩展输出端口的分组是采用1×4光功率分配器被动扇出的方案，所以，每一块模板上的每一个扩展输入端口都会同时接收4个来自四台相应扩展输出端口的分组，并且大部分分组的目的地地址并不是达到该模板的输出端口。所以要经过地址过滤，将目的地不是到该模板的分组过滤掉，只让到该模板输出端口的分组通过接收排队、分组处理和路由选择到达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。
该全光被动型光纤网络背板系统主要的优点是完全无阻塞的网络，传输速率快，滞后时间短，需要的高速存储容量小。缺点是需要并行接收模块数量多，还需要高速分组处理和分组过滤，该方案可以很好地支持组播和广播。
图1、T比特路由系统四个层面分组信息处理系统的总体原理图；图2、具有可扩展口的80Gbps路由器中电子模板结构示意图；图3、本发明的实施例14台80Gbps路由器之间的全光光纤网络背板；图4、160Gbps路由器中具有可扩展口的电子模板示意图；图5、本发明的实施例2用于八台容量160Gbps路由器组成的系统中全光光纤网络背板；图6、8个节点的全互连网络拓扑结构；图7、被动全光光纤网络背板系统的路由交换模板上分组信号的处理过程；图8、地址过滤接收排队模块示意图；图9、寻径选择、交换控制模块示意图。
具体实施例方式
本发明的实施例14台80Gbps路由器之间互连起来，组成更大容量的路由器，其中的全光光纤网络背板，如图3所示。
全光被动型光纤网络背板系统中全光型光纤网络的拓扑结构为全互连网络，将四台容量为80Gbps单机柜路由器同一面的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，图3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层面上模板1上每一个扩展输出端口，经过电/光转换变成光信号，通过1×4光功率分配器的扇出和全光被动型高密度的光纤网络背板，同时将4个信号扇出到四台同一个层面4块模板的相应序号端口上。即第一台的第1层面的模板上第1个输出端口，同时扇出4个光信号，通过全光光纤网络背板，分别连结第一、第二、第三、第四台中第1层面模板上第1输入端口的序号1。又如，第一台的第1层面的模板上第4个输出端口，同时扇出4个光信号，通过全光光纤网络背板，分别连结第一、第二、第三、第四台第1层面模板上第4输入端口的序号1。而第3台的第1层面的模板上第4个输出端口，同时扇出4个光信号，通过全光光纤网络背板，分别连结第一、第二、第三、第四台中第1层面模板上第4输入端口的序号3，依此类推。
以上描述了由四台容量为80Gbps组成的路由器中，全光光纤网络背板的网络结构。该系统结构适合于四台容量为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2八台容量为160Gbps路由器之间互连起来，组成容量为2.56Tbps系统。每一台容量为160Gbps的路由器有16个10Gbps的输入输出端口，分别由10Gbps的线卡处理、并串转换到4个层面进行分组处理和转发。每一台单机柜的硬件部分由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个输入和输出端口之间的分组交换，直接采用电子背板互连，如图4右边部分组成。而另外16对扩展端口，用于八台路由器之间的分组交换，如图4左边部分所示。模板中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用VCSEL并行模块进行电/光转换，经过1×8光功率分配器扇出，再经过如图5所示的全光光纤网络背板，互连八台同一个层面模板上相应的扩展输入端口。
用于由八台容量为160Gbps扩展端口之间的互连的全光光纤网络背板，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。
全光光纤网络背板有8组扩展输出和输入端口按序排列。第一台第1个可扩展输出端口的序号1光通道，互连第一第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个扩展输入端口的序号为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个扩展输入端口的序号为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，全光光纤网络背板的网络结构。该网络系统结构适合于八台容量为80Gbps、3206bps……等相同容量路由器组成更大容量的路由器。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，每一个输入端口的序号1是来自第一台相应端口光信号，序号2是来自第二台相应端口光信号，……，序号8是来自第八台相应端口光信号。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，经过地址过滤，将不是达到本模板的分组过滤掉，让需要达到本模板的分组通过。若分组的目的地是本模板的输出端口，则分组通过接收排队、分组处理、路由选择和32×32电子交换芯片，将分组交换到本模板目的地输出端口。分组的处理过程如图7所示。
每一台每一层面模板上的每一个可扩展的接收端口同时接收八台设备的8条光通道分组，经过如图7所示的分组的目的地的地址比较，滤掉不是达到本模板输出端口的分组，让达到本模板输出端口的分组，进入如图8所示的地址过滤接收排队模块。所以，每一个可扩展端口的接收排队模块包括8个地址过滤单元、8个存储单元和1个FIFO单元、一个循环选择控制器(也可以是基于其他策略的排队控制)。
8个地址过滤单元接收来自其他模板的分组，并把该分组的目的地址与本模块的地址进行比较，如果该分组的目的地址属于本模块的地址范围，那么就接收该分组，并把该分组写入对应的存储单元进行排队。如果该分组的目的地址不属于本模块的地址范围，那么就抛弃该分组。
8个存储单元分别接收并存储来自于其他8个模板且目的地属于本模块的分组，循环选择控制器循环选择这8个存储单元中的分组进入FIFO单元，分组头处理单元仅仅只对位于FIFO单元顶部的分组进行处理，然后把它与本模块的16个本地输入的分组以及来自其他模板的另外16个分组统一一起进行路由，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9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、输出模板选择单元以及交换控制单元组成。
对于本地的16个分组的路由，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，则通过扩展输出端口发送到其他的模板上的。如果是本地的，则与来自其他模板的16个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。
在上述实施例和附图中，VCSEL垂直腔表面发射激光器，实现电光转换；PIN光电二极管，实现光电转换。分组处理、路由选择模块可以采用Altera公司的现场可编程逻辑器件FPGA芯片如EP1S20F系列，也可以采用网络处理器；接收排队模块，选择发射模块可以采用Altera公司的现场可编程逻辑器件FPGA芯片如EP1S20F系列；1×n光功率分配器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交换开关芯片可以采用如Vitesee公司的VSC882；32×32交换开关芯片可以采用如Vitesee公司的VSC3138。
权利要求
1.一种全光被动型光纤网络背板系统，包括扩展输出端口模块、全光型光纤网络背板和扩展输入端口模块；扩展输出端口模块依次由电/光转换垂直腔表面发射激光器件和光功率分配器件光路连接组成，将电信号转换成光信号，再全光分组信号被动扇出；扩展输入端口模块依次由光/电转换器件、地址过滤接收排队模块以及路由选择、交换控制模块电信号连接组成；全光型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所述的全光被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地址过滤接收排队模块包括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。
全文摘要
全光被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；扩展输出端口模块依次由电/光转换垂直腔表面发射激光器件和光功率分配器件光路连接组成；扩展输入端口模块依次由光/电转换器件、地址过滤接收排队模块以及路由选择、交换控制模块电信号连接组成；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。
文档编号H04B10/12GK1665343SQ20051001832
公开日2005年9月7日 申请日期2005年3月3日 优先权日2005年3月3日
发明者曹明翠, 罗志祥 申请人:华中科技大学