专利名称：解决光交换分组竞争的方法及光电混合缓存装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤通信领域，具体涉及一种用于光交换分组竞争解决的光电混合缓
存装置和竞争解决方法。
背景技术：
光交换技术是通信网中波分复用(WDM)和密集波分复用(DWDM)传输技术应用及 用户业务发展对通信网络带宽和速率需求快速增长的条件下发展兴起的一种新型交换技 术，它有望突破电子式交换造成的信息瓶颈问题，使通信网发展为面向业务驱动的动态光 网络。在通信网络的光交换节点处，当同一波长到达的多个光分组同时需要从交换节点的 同一输出端口输出时，就会发生竞争，而以IP业务为主的Internet网络中分组突发性很 大，则业务在光交换核心节点处发生竞争的概率也更大。由于目前还没有光的随机存储器 (RAM)，常用的光分组竞争解决方案主要是光纤延迟线(FDL)缓存、波长转换和偏射路由 方案，它们分别在时间域上、波长域上和空间域上解决光分组的竞争问题。由于光波长转换 器尚未成熟，而偏射路由仅适合特定的格形网络，因此，FDL缓存是目前认为最容易实现和 最常用的光域缓存技术。由于FDL的缓存时间是离散数值，不能提供随机接入存储，光交换 节点的FDL架构和控制机制还有待进一步研究，以提高有限数目FDL缓存效率和竞争解决 的性能。 在现有的FDL解决光分组竞争装置中，将FDL配置在OPS输入节点处的缓存存 在队头阻塞和解决竞争性能较差的问题；FDL配置在输出节点的缓存解决分组竞争性能较 好，但存在节点内部需要加速和需求FDL数目较大的问题；FDL配置在输出-输入节点间的 反馈共享和输出式共享缓存降低了需求FDL数目，但光信号存在多次循环损耗和降低信噪 比的风险。在传统的电子交换领域，电子随机存储器(RAM)可以提供连续时间的随机缓存， 但用于缓存光分组，需要光/电转换和分组缓存结束时的电/光转换，降低了分组交换速 率。因此，研究新型的FDL配置结构和控制方法，本发明结合FDL共享输出缓存和电子存储 器随机连续缓存的优点，提出一种缓存控制方法，使有限数目FDL的竞争解决能力和光分 组缓存成功概率提高，减小光交换机的体积和提高光交换机性能。
发明内容
针对现有的光交换配置光纤延迟线FDL缓存解决分组竞争存在体积庞大、FDL离 散的缓存粒度使其利用率不高、在业务到达负载较重时存在竞争解决能力下降和分组丢包 率大的缺陷，本发明基于输出共享光纤延迟线结合少量电子存储器，设计一种光电混合缓 存装置和缓存控制方法解决光交换分组竞争。 本发明解决上述技术问题的技术方案是，设计一种基于输出共享光纤延迟线结合 电子存储器的光电混合缓存装置，该缓存装置包括输出共享缓存模块、反馈式电子存储器 RAM、光分路器、光合路器、光/电转换器、电/光转换器、SOA光门开关、光信号放大器和冲 突控制与缓存调度模块。其中，光交换机的输出端口分别通过光分路器连接SOA光门开关，SOA光门开关的输出连接输出共享缓存模块，输出共享缓存模块为光交换机的N个输出端 口共享，由B根光纤延迟线组成，提供D，2D，…，BD种时间延迟通过光合路器输出。用N个 光分路器负责光交换机的N个输出端口的冲突光分组选择可用的光纤延迟线缓存，光分组 延迟时限到达后通过光合路器输出到相应的输出端口。 冲突控制与缓存调度模块用于对输出共享光纤延迟线冲突产生的失败光分组进 行调度，通过光/电转换成电分组信号存储在反馈式电子存储器中，待交换机的输出端口 空闲时，对存储的电分组进行电/光转换、并放大后调度输出。共享的反馈式电子存储器有 m对输入/输出端口 ，通过电光转换器和光电转换器连接在光交换机的输入与输出端口间， 为缓存失败的光分组提供连续时间的缓存。 冲突控制与缓存调度模块对电子存储器中缓存的每一个电分组统计开始时间和 缓存的极限时间值，当冲突控制与缓存调度模块监测到输出端口空闲或输出的光纤延迟线 可用时，将存储在电子存储器中的电分组通过电/光转换器转换为光分组，并进行光信号 放大后被调度到光交换机空闲的输出端口或可用的FDL延迟线上，如果光分组缓存极限时 间到来时还没有被转换输出，则丢弃该光分组，在电子存储器中设置缓存时限值，当超过缓 存时限值后，丢弃电子存储器中超过缓存时限值的光分组，以避免分组长时间存储在RAM 中，有利于提高有限数目电子存储器的使用效率。 异步分组可采用具有"见缝插针"功能的FDL首选即中-填空调度算法(FF-VF) 寻找可用的FDL线，由于信道0在ta+D时刻有空隙，新到光分组按首选即中_填空调度算 法到输出信道0的ta+D时刻输出，这样，没有产生新空隙，原来信道0上较大的空隙(void) 被分割为两个小空隙片void 1和void 2，使FDL利用率提高。 本发明针对现有光交换机的光纤延迟线缓存利用率低、体积庞大和成本较高的 特点，提出了以光纤延迟线作为主要的共享输出缓存，实现N个输出端口共享有限的B根 光纤延迟线，以电子存储器作为辅助缓存的光电混合缓存装置，以改进的首选即中_填空 (FF-VF)算法调度冲突光分组的输出信道。 当到达光交换机输入端口的光分组调度到输出端口失败时，先用首选即中-填空 调度算法寻找最短的可用FDL对光分组进行缓存，如果没有找到可用的FDL，通过FDL缓存 光分组失败，将光分组进行光/电转换后缓存在反馈式电子存储器RAM中，在存储最大时限 来到前，若光分组冲突控制与缓存调度模块监测到输出端口空闲或输出的FDL线可用时， 将电分组进行电/光转换及光信号放大后由光交换机的输入端口调度到输出端口输出。
本发明采用上述光电混合缓存装置实现对光分组的调度控制，具体包括若从输 入端口到达关交换机入口的光分组调度到输出端口时遇到冲突，冲突控制与缓存调度模块 首先寻找可用的共享输出光纤延迟线解决产生的冲突光分组，若输出光纤延迟线都不可用 (如缓存的B根光纤延迟线都用完，或分组长度太长，光纤延迟线的缓存容量不够)，冲突控 制与缓存调度模块调度通过光/电转换器对冲突分组进行光/电转换成为电信号，将电信 号存储在反馈电子存储器RAM中等待输出端口空闲。冲突控制与缓存调度模块监视交换机 各输出端口分组的请求服务时间和分组离开时间，判断输出端口是否空闲？ 一旦输出端口 空闲，将RAM中存储的信号经过电/光转换并进行光信号放大后输送到光交换机的输入端 口，由交换机调度到指定输出端口去。若冲突分组选择共享输出缓存和反馈电子存储器都 失败，则丢弃该分组。
基于输出N个端口共享B根光纤延迟线的缓存线具有体积较小，缓存线使用效率 高的特点，但有限FDL使竞争分组FDL缓存失败的概率也较大。结合少量的电子存储器RAM， 及首选即中的缓存调度控制方法，可以进一步提高分组缓存成功的概率，减小分组被丢弃 的概率，并减小光分组交换节点FDL缓存需求总量和提高节点的竞争解决能力，有利于光 交换机的实现和性能的提高。
图1光交换机配置的光电混合缓存装置结构示意图
图2FDL中的填空调度示意图((p=D )
图3光电混合缓存中的FDL填空调度示意图
图4改进的首选即中_填空调度流程图
具体实施例方式
本发明基于输出共享光纤延迟线结合少量电子存储器的缓存装置及调度控制策 略，设计一种光电混合缓存装置和缓存控制方法解决光交换分组竞争。光电混合缓存装置 包括，输出共享光纤延迟线、随机电子缓存器、光/电转换和电/光转换器、光门S0A开关、 光合波器和光分路器、光信号放大器，实现到达交换机入口的光分组因竞争输出而受阻塞 的光分组，在时间上解决分组的冲突问题。 冲突控制与缓存调度部分对到达光交换机入口的冲突分组，冲突分组采用首选即 中-填空算法，寻找常规的FDL线，如果光分组没有找到可用的FDL输出线，它被转换为电 分组缓存到随机电子存储器RAM中。当冲突控制与缓存调度部分监视到输出端口有可用的 信道或缓存空隙(空隙长度应大于分组的长度)时，电分组再转换为光分组输出到该信道 或填充到该空隙中输出。本光缓存方法继承了 FDL光纤延长线和电子缓存器的优点，在一 定程度上克服了各自的缺陷，光电混合缓存调度使用较少的电子输入/输出接口，大大减 少和光纤延迟线FDL的数目。如当在负载P = 0. 9时，仅有FDL缓存的OPS在B = 26时的 PLR值与光电混合缓存在FDL数目取B二10，m二4(n二 400甲 ，即每对端口提供400个调 度时长的缓存能力)时的PLR值相同，表示0PS节点配置的FDL可以从26根减少为10根， 另外加上4个电子存储器输入/输出端口，节约了 16根光纤延迟线(11D，12D，…，26D)，在 速率为10Gb/s的OPS网络中可减少FDL总长度约达到236. 8km，这对减小OPS节点体积是 大有好处的。 下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。 附图1为光交换机配置的光电混合缓存装置，包括输出共享式光纤延迟线构成的 缓存模块和m对电子存储器构成的电子RAM存储器。该光电混合缓存装置具体包括输出 共享式缓存模块(output shared buffer)、电子存储器(electronic RAM)、光分路器、光合 路器、光/电转换器、电/光转换器、S0A光门开关、光信号放大器和冲突控制与缓存调度模 块。 其中，输出共享式缓存模块由B根光纤延迟线FDL组成，提供D，2D，…，BD种时 间延迟，为光交换节点的N个输出端口共享，在输出共享式缓存模块中，D为光纤延迟线的 基本单位时间延迟，FDL输出共享式缓存能提供常规的D整数倍的离散时间延迟，缓存深度为B，这样光纤延迟线的总长度为O. 5B(B+1)D，比常规的FDL输出缓存需要的光纤延迟线 0. 5NB (B+l)D少了 N-l倍，有利于光交换节点体积的减小。N个输出端口共享B根光纤延迟 线的实施可采用如下方案光交换节点的每个输出端口各自连接光分路器输入端，并与冲 突控制与缓存调度模块连接，用于查询光交换节点输出端口状态，冲突控制与缓存调度模 块查询光交换节点输出端口是否空闲，若输出端口空闲，则光分路器的第1条支路开关打 开，光分组信号直接送出到输出线路的光纤延迟线上；若输出端口忙，则寻找可用的最短光 纤延迟线并控制该支路的SOA光门开关打开，信号输出到延迟时间较短的光纤延迟线上； 若所有的B根光纤延迟线都不可用，冲突控制与缓存调度模块则判断光分组的长度是否小 于电子存储器的缓存极限值，如果小于电子存储器的缓存极限值，满足时间极限值要求，光 交换节点将光分组进行光/电转换后存储到电子存储器中。 共享的电子存储器有多对(m对)输入/输出端口，通过电光转换器和光电转换器 连接在光交换节点的输入与输出端口间，为光缓存失败的分组提供连续时间的缓存。冲突 控制与缓存调度模块需要对每一个缓存的电子分组统计开始时间和缓存的极限时间值，当 冲突控制与缓存调度模块监测到输出端口空闲或输出的光纤延迟线可用时，将存储在电子 存储器中的电分组通过电/光转换器转换为光分组，并进行光信号放大后被调度到光交换 机输出空闲的输出端口或可用的FDL延迟线上，如果光分组缓存极限时间到来时还没有被 转换输出，则丢弃该光分组，在电子存储器中设置缓存时限值，当超过缓存时限值后，丢弃 电子存储器中超过缓存时限值的光分组，以避免分组长时间存储在RAM中，有利于提高有 限数目电子存储器的使用效率。 冲突控制与缓存调度模块选择合适的D值为光纤延迟线FDL的基本单位延迟，共
享输出的B根光纤延迟线提供分组缓存时间分别为D，2D，......， BD，共享输出FDL的第
1根FDL提供D单位延迟，第2根FDL提供2D单位延迟，依此类推，第B根FDL提供BD单 位时间延迟。FDL提供的上述离散缓存时延值在每个FDL输出线上不可避免的会产生空 隙(void)，如图2所示为FDL中的填空调度示意图((p二D)。在图2中，假设光分组(arrival packe)在、时刻到达，期望在tf时刻得到服务将光分组交换到输出信道O上(在tf时刻信
道0也空闲)，且0 < tf-ta < D，则到达的光分组需要的延迟时间^ = 「(々-0/"1'D ="。
虽然输出信道0当前缓存的分组已到信道ta+2D时刻，但由于FDL缓存仅能提供整数倍D的 离散时间延迟，新到达的光分组不能在tf时刻得到服务。可采用具有"见缝插针"功能的 FDL首选即中-填空调度算法(FF-VF)，由于信道0在ta+D时刻有空隙，新到光分组按首选 即中-填空算法调度到输出信道0的ta+D时刻输出，这样，没有产生新空隙，原来信道O上 较大的空隙(void)被分割为两个小空隙片voidl和void 2，使FDL利用率提高。
如图3所示为光电混合缓存中的FDL填空调度示意图。假设光分组在ta时刻到 达，期望在tf时刻得到服务交换到输出信道0上(在tf时刻和ta+D时刻信道0已被其它分 组占用)，如果光交换机没有电子存储器，该分组将由于无FDL可用而被丢弃，使网络的分 组丢失率增加，若采用了本发明提出的光电混合的缓存装置，则该光分组在FDL缓存失败 后将被光/电转换，并存储在随机RAM电子存储器中，等待输出端口空闲或共享的FDL线可 用时被调度到输出信道O上，降低了分组的丢失率。在光电混合缓存装置中，FDL提供整数 倍D的离散时间延迟，电子存储器提供连续的时间延迟，输出线上有合适的时间空隙时，电 子存储器中的光分组就可以在电/光转换后输出。针对本发明光电混合缓存结构的特点采用改进的首选即中-填空调度算法调度光分组在信道空闲的时刻输出。
首先对到达的异步分组用首选即中_填空算法寻找常规的FDL线，如果异步分组 没有找到合适理想的输出线，光/电转换器将异步分组转换为电分组缓存到电子存储器 中。当分组发现有可用的信道或FDL空隙(空隙长度应大于分组的长度)时，电分组再转 换为光分组输出到该信道或填充到该FDL空隙中输出。在冲突控制与缓存调度模块中，设 矩阵Q[i， j]表示在时刻、缓存队列FDL中的信息要去输出端口 i的信道j，矩阵V[i， j] 表示缓存队列FDL在时刻tf输出端口 i的信道j上的空隙。矩阵Q[i，j] 二a，b的元素值 表示分组信息占用端口 i信道j的开始时间为a和占用时间长度b，矩阵V[i，j] = c，d的 元素值表示在端口 i和信道j上产生的空隙的开始时间c和时间长度d(即FDL的空隙长 度)(考虑当空隙长度d比最小的分组长度还小时，就不记录和更新V[i， j]元素值)。矩 阵E[i]表示电子存储器中要去端口 i的电分组，E[i] = e，元素值f表示电分组的长度值 和电分组在存储器中等待的单位时间数目。 如图4所示为采用改进的光电混合缓存首选即中-填空调度流程图。在每一个光 交换机的调度周期，冲突控制与缓存调度模块采用首选即中-填空算法寻找满足输出时间 要求的最短可用FDL线，对到达的冲突光分组，使FDL上的空隙减小。改进的首选即中_填 空算法缓存调度执行过程为 第1步如果检测到光分组要到端口 i去，冲突控制与缓存调度模块通过FDL延迟 调度寻找FDL的可用输出信道j，若找到，则输出光分组到信道j并计算分组长度，并更新矩 阵Q[i， j]和V[i， j]的元素值；若光分组通过FDL延迟调度没有找到可用的输出信道，则 检测电子存储器接收端是否有冲突，若没有，光分组进行光/电转换，贴上时间标签后存储 到电子存储器中，更新矩阵E[i]值，并置f = 0。若检测到电子存储器接收有冲突，如分组 的长度太长，大于电子存储器的最大长度，或电子存储器存储空间用完，则该分组被丢弃。
第2步检查矩阵V[i， j]中表示空隙开始时间和时间升序的元素a， b数值，搜索 电子存储器中是否有分组去往端口 i 若有，比较FDL的空隙长度d是否大于电分组的长 度e，如果d > e，则将电子存储器中的电分组由电/光转换器转换为光分组，寻找可用的 FDL输出到信道j，删除矩阵E[i]值，并更新矩阵Q[i， j]和V[i， j]的元素值。
第3步检查电子存储器中分组的延迟时间是否超过最大的等待容许时间值，一 般地设n = k T。n， k = 1，2， . . . ， T。n表示电子存储器中的分组延迟的单位时间。如果分 组在电存储器中等待时间超过容许值，即f > n ，则将分组从电子存储器中删除；否则，将 队列E[i]中表示已等待时间元素值f加l。
权利要求
一种解决光交换分组竞争的光电混合缓存装置，包括，输出共享光纤延迟线缓存模块、电子缓存器、SOA光门开关、光分路器、光合路器、光/电转换器、电/光转换器、光信号放大器和冲突控制与缓存调度模块，其特征在于，光交换机的输出端口分别通过光分路器及SOA光门开关连接输出共享光纤延迟线缓存模块，输出共享缓存模块由光纤延迟线组成，为交换机的所有输出端口共享，其输出提供时间延迟通过光合路器输出，电子存储器通过电光转换器和光电转换器连接在光交换机的输入与输出端口间，FDL提供D的整数倍的离散时间延迟，电子存储器提供连续的时间延迟，输出线上有合适的时间空隙时，电子存储器中的光分组通过电/光转换后输出，当由输出共享光纤延迟线冲突产生失败光分组，冲突控制与缓存调度模块调度该失败光分组通过光/电转换后存储在电子缓存器中，待交换机的输出端口空闲时进行电/光转换、并进行信号放大后调度输出。
2. 根据权利要求1所述的光电混合缓存装置，其特征在于，输出共享光纤延迟线缓存 模块中光纤延迟线采用输出共享缓存方式，N个输出端口共享B根光纤延迟线提供的缓存 能力；电子缓存器有多对输入/输出端口，为光冲突分组提供连续时间的电子缓存，在电子 缓存器中设置缓存时限值，冲突控制与缓存调度模块对电子存储器中缓存的每一个电分组 统计开始时间和缓存时限值，当超过缓存时限值后，丢弃电子存储器中超过缓存时限值的 光分组。
3. 根据权利要求1所述的光电混合缓存装置，其特征在于，冲突控制与缓存调度模块 采用首选即中_填空算法寻找满足输出时间要求的最短可用FDL线，对到达的冲突光分组， 使FDL上的空隙减小。
4. 采用光电混合缓存装置解决光交换分组竞争的方法，其特征在于，当由输出共享光 纤延迟线冲突产生失败光分组，冲突控制与缓存调度模块首先在通过光分路器及SOA光门 开关连接在光交换机输出端口的输出共享光纤延迟线缓存模块中寻找可用的输出光纤延 迟线解决产生的失败光分组，若输出光纤延迟线都不可用，光/电转换器将失败光分组进 行光/电转换成电信号，存储在电子缓存器中等待光交换机输出端口空闲，FDL提供D的整 数倍的离散时间延迟，电子存储器提供连续的时间延迟，输出线上有合适的时间空隙时，电 子存储器中的光分组通过电/光转换后输出，当光交换机输出端口空闲或输出光纤延迟线 可用时，将电子缓存器中存储的信号经过电/光转换器转换并进行光信号放大后送到光交 换机的输入端口 ，调度到光交换机指定输出端口 ，若共享输出光纤延迟线和电子缓存器均 不能接收上述失败光分组，则丢弃该失败光分组。
5. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于，冲突控制与缓存调度模块监视交换机各 输出端口分组的请求服务时间和分组离开时间，判断输出端口是否空闲。
6. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于，用多个光分路器负责光交换机的多个输 出端口的冲突光分组选择可用的光纤延迟线缓存，光分组延迟时限到达后通过光合路器输 出到相应的输出端口。
7. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在寻找可用的输出光纤延迟线过程中，对 到达的冲突光分组用首选即中-填空算法寻找满足输出时间要求的最短可用FDL线，使FDL 上的空隙减小。
8. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述首选即中_填空算法具体包括，冲突 控制与缓存调度模块如找到FDL的可用输出信道，则输出光分组到该信道，若没有找到可用的输出信道，且电子存储器接收端没有冲突，光分组进行光/电转换，贴上时间标签后存 储到电子存储器中；比较FDL的空隙长度d是否大于电分组的长度e，如果d > e，则将电子 存储器中的电分组由电/光转换器转换为光分组，寻找可用的FDL将其输出到信道；如果电 分组在电子存储器中等待时间超过容许值，则将电分组从电子存储器中删除。
全文摘要
本发明请求保护一种光电混合冲突装置和光分组冲突控制与缓存调度方法，涉及光纤通信技术领域。针对现有光交换机的光纤延迟线缓存利用率低、体积庞大和成本高的缺点，本发明提出了以光纤延迟线作为主要的共享输出缓存，N个输出端口共享有限的B根光纤延迟线，以电子存储器作为辅助缓存的光电混合缓存结构，以改进的首选即中一填空算法调度冲突光分组的输出信道。当光分组调度到输出端口失败时，先寻找最短的可用FDL缓存，如果失败，将光分组缓存在电子存储器中，当输出端口空闲或输出的FDL线可用时，将存储的分组调度到输出端口。本发明很好地降低了光分组的丢包率，改善光交换的性能之目的。
文档编号H04L12/56GK101778047SQ20101010792
公开日2010年7月14日 申请日期2010年2月9日 优先权日2010年2月9日
发明者刘焕淋, 陈勇 申请人:重庆邮电大学