一种可片上集成的物理层组播光交换节点装置及网络的制作方法

本发明涉及光通信领域，尤其涉及一种可片上集成的组播光交换节点装置。

背景技术：

现有的数据交换技术通常采用“储存-转发”机制，通过传统的以太网电交换机实现数据交换。交换时，需要经过完整的接收解码、校验、缓存、查表、转发、编码发送等过程，若采用光传输还需进行光-电、电-光转换。该机制中，数据转发需经过缓存，报文长度与交换机线速决定了交换机节点时延的下限。同时，在需要处理较大流量数据时，设备负荷量大，因而会产生发热量大，功耗较高，长时间工作后稳定性降低等问题。

为避免光-电、电-光转换而带来的时延，学术界研究全光交换网络过程中提出全光分组交换节点，一般地，全光交换节点的结构设计仍然是基于“储存-转发”机制的光分组交换节点结构或其改进。但由于随机光缓存实现上具有极高难度，全光分组交换节点的设想也一直未实现商用。故而，受到“储存-转发”机制的限制，并无成本可行的全光交换节点结构来有效降低接收解码、校验、缓存、查表、转发、编码发送等过程而带来的时延与功耗。

无源光网络中的光分配网(ODN，optical distribution network)，在线路侧连接光线路终端(OLT，optical line terminal)，在终端侧连接光网络单元(ONU，Optical Network Unit)，通过光分配网络(ODN)实现1个OLT设备与多个ONU间的通信。然而现有的光分配网(ODN)无法提供数据采集设备与控制保护设备间的直接物理层连接，其两方的数据交互必须通过OLT设备转发。若直接使用现有ODN结构会造成OLT背板带宽的巨大浪费。针对工业控制网络的特点，目前需要一种在物理层实现组播光交换的装置，以提供数据采集设备与控制保护设备间的直接物理层连接。为适合于沟通“数据采集设备-控制保护设备-远端汇聚设备(云端)”三方，在降低延时的同时，该装置还需要能够配合网关设备的调度，且能够保障光交换节点装置传输的可靠性。

技术实现要素：

为了解决现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种可片上集成的物理层组播光交换节点装置及网络。

首先，为实现上述目的，提出一种无源光分配模块，包括至少3个光耦合器，所述每一个光耦合器均包括一个合路端和至少2个分路端，其特征在于，所述3个光耦合器的分路端相互连接形成三端口环形结构，所述3个光耦合器的合路端分别构成所述三端口环形结构的3个端口；

所述形成三端口环形结构的第一光耦合器的合路端通过输入接口单元连接所述无源光分配模块的输入端口；

所述形成三端口环形结构的第二光耦合器的合路端通过输出接口单元连接所述无源光分配模块的输出端口；

所述形成三端口环形结构的第三光耦合器的合路端连接所述无源光分配模块的汇聚端口。

所述3个光耦合器的分路端相互连接的方式为：第一光耦合器的第一分路端连接第二光耦合器的第一分路端，第一光耦合器的第二分路端连接第三光耦合器的第一分路端，第二光耦合器的第二分路端连接第三光耦合器的第二分路端，所述3个分路器/耦合器的三个合路端分别组成所述3端口环形结构的3个端口。

进一步，上述无源光分配模块中，所述的形成三端口环形结构的3个光耦合器均为1×2光耦合器。

同时，上述无源光分配模块中，所述的无源光分配模块的输入端口数为q个，所述输入接口单元为一个1×q光耦合器，所述1×q光耦合器的合路端连接所述第一光耦合器的合路端，所述1×q光耦合器的q个分路端依次连接所述无源光分配模块的q个输入端口。

而所述无源光分配模块的输出端口数为t个，所述输出接口单元为一个1×t光耦合器，所述1×t光耦合器的合路端连接所述第二光耦合器的合路端，所述1×t光耦合器的t个分路端依次连接所述无源光分配模块的t个输出端口。

基于上述无源光分配模块，本发明同时还提供一种物理层组播光交换节点装置，包括阵列波导光栅(AWG,Arrayed Waveguide Grating)和至少一个如上所述的无源光分配模块(PODM,Passive Optical Distribution Module)，每一个所述的无源光分配模块(PODM)的汇聚端口依次与所述阵列波导光栅(AWG)的一个分波端口连接。所述无源光分配模块(PODM)的各输入端口依次连接所述光交换节点装置的各输入接口，所述无源光分配模块(PODM)的各输出端口依次连接所述光交换节点装置的各输出接口，所述阵列波导光栅(AWG)的合波端口连接所述光交换节点装置的汇聚接口。

进一步，上述物理层组播光交换节点装置中，所述各无源光分配模块的工作波长与其汇聚端口所连接的阵列波导光栅(AWG)的分波端口的工作波长相匹配(工作波长相同)。

同时，上述物理层组播光交换节点装置中，所述各无源光分配模块及阵列波导光栅(AWG)通过平面光波光路(PLC，Planar Lightwave Circuits)制程技术实现片上集成。

进一步，基于上述物理层组播光交换节点装置，本发明还同时提出一种物理层组播光交换网络，其特征在于，包括传感与执行设备、保护与控制设备、网关设备以及如上所述的光交换节点装置。网关设备根据其后连接的服务器的数据，综合调度所述光转换装置及其连接的各个终端设备：

所述传感与执行设备与所述光交换节点装置的输入接口连接，用于采集传感数据或执行控制指令；

所述保护与控制设备与所述光交换节点装置的输出接口连接，用于接收所述传感数据或发送所述控制指令；

所述网关设备与所述光交换节点装置的汇聚接口连接，用于调度所述传感与执行设备以及所述保护与控制设备，同时实现所述传感与执行设备或所述保护与控制设备与外部网络数据交互；

所述光交换节点装置用于依据所述网关设备的调度，实现所述传感与执行设备、保护与控制设备以及网关设备，三者之间的数据交互。

更进一步，上述物理层组播光交换网络中，所述光交换节点装置中的各个无源光分配模块的工作波长互不相同，所述各无源光分配模块的工作波长与该无源光分配模块所连接的阵列波导光栅(AWG)的分波端口的工作波长相匹配(波长相同)，所述传感与执行设备的工作波长与该传感与执行设备所连接的无源光分配模块的工作波长相匹配(波长相同)，所述保护与控制设备的工作波长与该保护与控制设备所连接的无源光分配模块的工作波长相匹配(波长相同)。

因而，在这种结构下，所述物理层组播光交换网络中，相互关联的传感与执行设备和保护与控制设备优选与同一个无源光分配模块连接(传感与执行设备连接至该无源光分配模块的输入端口，保护与控制设备连接至该无源光分配模块的输出端口)。这样可以尽可能减少网关设备参与调度实现数据交互的频率，进而进一步减少节点时延。

该网络适用的通信方法包括两个步骤，时隙分配以及数据交互。具体步骤如下：

时隙分配：所述网关设备在所述光交换网络的初始化阶段或在所述光交换网络中无下行数据时，为所述光交换网络中每一个传感与执行设备和每一个保护与控制设备分配独立时隙，并通过控制帧通知所有传感与执行设备和所有保护与控制设备，所述每一个传感与执行设备和所述每一个保护与控制设备仅在其分配到的时隙内发送数据；

数据交互：根据数据流向不同分为四种数据交互方法：

第一种数据流向为由所述传感与执行设备与连接至同一个无源光分配模块的保护与控制设备之间进行数据交互：其中的源网络终端在本终端发送时隙内发送数据报文，所述数据报文经由与该源网络终端连接的无源光分配模块进行物理层组播，最终将所述数据报文转送至目的网络终端；

第二种数据流向为由所述传感与执行设备与连接至不同无源光分配模块的保护与控制设备之间进行数据交互：其中的源网络终端在本终端发送时隙内发送数据报文，所述数据报文经由与该源网络终端连接的无源光分配模块进行物理层组播，然后将该组播数据经由所述光交换节点装置的汇聚接口送入网关设备，由所述网关设备选用与目的网络终端相匹配的波长，将所述组播数据通过光交换节点装置的汇聚接口转发至目的网络终端所连接的无源光分配模块进行第二次物理层组播，最终将所述数据报文转送至目的网络终端；

第三种数据流向为由所述传感与执行设备或所述保护与控制设备与所述网关设备后的服务器进行数据交互：其中的源网络终端在本终端发送时隙内发送数据报文，所述数据报文经由与该源网络终端连接的无源光分配模块进行物理层组播，将所述数据报文转送至所述网关设备，由所述网关设备发送至所述服务器；

第四种数据流向为由所述网关设备后的服务器下发数据至所述传感与执行设备或所述保护与控制设备：所述服务器将所述数据发送至所述网关设备，所述网关设备选用与目的网络终端相匹配的波长，将所述数据转发至该目的网络终端所连接的无源光分配模块进行物理层组播，最终将所述数据送至目的网络终端。

有益效果

1.本发明将3组光耦合器组合为无源光分配模块，由n个无源光分配模块与1个1×n阵列波导光栅(AWG)构成无源光交换节点装置，由若干光交换节点装置与网关设备连接可构成树形网络，通过汇聚端网关设备进行调度，实现光数据流物理层组播。区别于现有采用“储存-转发”机制的电交换机，本发明所提供的无源光交换节点装置转发数据时，无需进行接收解码、校验、缓存、查表、转发、编码发送、光-电转换、电-光转换等过程，信号处理流程得到简化，提高了通信的可靠性。并且，无源光交换节点装置采用全光无源器件直接实现光信号的物理层组播，数据无需在节点中进行缓存，可以降低数据的端到端时延。特别地，考虑到工业控制网络中传感与执行设备和保护与控制设备之间流量在网络中所占比重较大，上述设备间可以通过所述的无源光分配模块直接进行通信。因而本发明可在克服“储存-转发”机制所造成的时延之外，针对工业控制网络的流量特性，进一步减少端到端时延。

2.进一步的，本发明利用平面光波光路(PLC)制程技术将所述无源光分配模块(即PODM结构)进行片上集成，可以通过设计的无源光分配模块结构实现网络终端在物理层的对向组播(即，输出接口的任一端口连接的网络终端所发送的数据均可通过设计的PODM结构组播至输入接口连接的所有网络终端，输入接口的任一端口连接的网络终端所发送的数据也可通过设计的PODM结构组播至输出接口连接的所有网络终端)。本发明对所述无源光分配模块(即PODM结构)进行片上集成，可减少光交换节点装置内的连接接口数量，降低由于连接接口失效而带来的系统故障的可能性，进一步提高系统的稳定性。一般地，无源器件通过自身结构特性实现特定功能，有源器件通过外部供电实现特定功能，电流的热效应会加速器件失效，无源器件可靠性远高于有源器件。本发明中的光交换节点(无源光分配模块，即所述PODM结构)完全采用无源结构，与现有交换机相比，进一步提高了光交换节点的可靠性。能够满足工业控制网络对可靠性的高要求，并且，无源器件工作时无需供电，可以大幅降低网络功耗。同时，节点进行芯片级集成后便于进行设备制造，在保证可靠性的同时，也能够降低光交换节点制造成本。

3.本发明所提供的物理层组播光交换网络，在解决各网络终端的数据竞争问题时，可采用时分复用无源光网络(TDM-PON)中采用的“多点接入控制协议”的方法解决数据竞争。即，由网关设备为网络中的每一个终端分配不同的时隙，并由网络中无源光分配模块所决定的物理层数据流向，控制网络终端之间进行数据交互。本发明不需要进一步开发适用于本光交换节点装置的MAC层的数据竞争解决协议，即可在网络中实现数据交换。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，并与本发明的实施例一起，用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为光交换节点装置内部的无源光分配模块结构图；

图2为根据本发明实施例的可片上集成的物理层组播光交换节点装置结构图；

图3为应用本发明实施例的光交换节点装置所组成的传感控制网络。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

图1为所述光交换节点装置内部的无源光分配模块(PODM)结构图，包括至少3个光耦合器，所述每一个光耦合器均包括一个合路端和至少2个分路端，其特征在于，所述3个光耦合器的分路端相互连接形成三端口环形结构，所述3个光耦合器的合路端分别构成所述三端口环形结构的3个端口；

所述形成三端口环形结构的第一光耦合器的合路端通过输入接口单元连接所述无源光分配模块的输入端口；

所述形成三端口环形结构的第二光耦合器的合路端通过输出接口单元连接所述无源光分配模块的输出端口；

所述形成三端口环形结构的第三光耦合器的合路端连接所述无源光分配模块的汇聚端口。

所述3个光耦合器的分路端相互连接的方式为：第一光耦合器的第一分路端连接第二光耦合器的第一分路端，第一光耦合器的第二分路端连接第三光耦合器的第一分路端，第二光耦合器的第二分路端连接第三光耦合器的第二分路端，所述3个分路器/耦合器的三个合路端分别组成所述3端口环形结构的3个端口。

上述无源光分配模块中，所述的形成三端口环形结构的3个光耦合器可以选用1×2光耦合器。其它光耦合器在将悬空的分路端进行处理之后也可实现同样功能。

为配合光交换节点装置的接口，尽可能提供足够多的接口以便满足各终端的通信需求，上述无源光分配模块中，所述的无源光分配模块的输入端口数为q个。所述输入接口单元为一个1×q光耦合器。所述1×q光耦合器的合路端连接所述第一光耦合器的合路端，所述1×q光耦合器的q个分路端依次连接所述无源光分配模块的q个输入端口。

同时，所述无源光分配模块的输出端口数为t个。所述输出接口单元为一个1×t光耦合器。所述1×t光耦合器的合路端连接所述第二光耦合器的合路端，所述1×t光耦合器的t个分路端依次连接所述无源光分配模块的t个输出端口。

无源光分配模块端口的命名方式为：q×t×1的第i无源光分配模块结构的q个输入端口依序命名为端口P_i1、P_i2、…、P_iq，此第i无源光分配模块结构的t个输出端口依序命名为端口P_o1、P_o2、…、P_ot，此第i无源光分配模块结构的汇聚端口命名为端口P_c。

图2为利用上述无源光分配模块构建的可片上集成的物理层组播光交换节点装置结构图，具体包括：阵列波导光栅(AWG)和至少一个上述的无源光分配模块(PODM)，每一个所述的无源光分配模块(PODM)的汇聚端口依次与所述阵列波导光栅(AWG)的一个分波端口连接。所述无源光分配模块(PODM)的各输入端口依次连接所述光交换节点装置的各输入接口，所述无源光分配模块(PODM)的各输出端口依次连接所述光交换节点装置的各输出接口，所述阵列波导光栅(AWG)的合波端口连接所述光交换节点装置的汇聚接口。

如图2所示的光交换节点装置由n个基于平面光波回路的无源光分配模块(PODM 1、PODM 2、…、PODM n)与1个阵列波导光栅(AWG)组成。其中，每个基于平面光波回路的无源光分配模块均有3组端口，分别为输入端口P_i1、P_i2、…、P_iq，输出端口P_o1、P_o2、…、P_ot与汇聚端口P_c。阵列波导光栅(AWG)有2组端口，分别为分波端口P_c1、P_c2、…、P_cn与合波端口P_o。

装置内各组件的连接方式为：第一无源光分配模块PODM 1的汇聚端口P_c与阵列波导光栅(AWG)的第一分波端口P_c1相连，第二无源光分配模块PODM 2的汇聚端口P_c与阵列波导光栅(AWG)的第二分波端口P_c2相连，依次类推，第n无源光分配模块PODM n的汇聚端口P_c与阵列波导光栅(AWG)的第n分波端口P_cn相连。

光交换节点装置各端口组成方式为：PODM 1至PODM n各自的输入端口P_i1、P_i2、…、P_iq依序组成光交换节点装置的输入接口A，按照无源光分配模块PODM的标号，依次命名A₁₁、A₁₂、…、A_1q、A₂₁、A₂₂、…、A_2q、……、A_n1、A_n2、…、A_nq，PODM 1至PODM n各自的输出端口P_o1、P_o2、…、P_oq依序组成光交换节点装置的输出端接口B，按照无源光分配模块PODM的标号，依次命名为B₁₁、B₁₂、…、B_1q、B₂₁、B₂₂、…、B_2q、……、B_n1、B_n2、…、B_nq，阵列波导光栅AWG的合波端口P_o为光交换节点装置的汇聚接口。

同时，上述物理层组播光交换节点装置中，所述各无源光分配模块及阵列波导光栅(AWG)通过平面光波光路(PLC)制程技术实现片上集成。

所述可片上集成的物理层组播光交换节点装置可根据图3所示与传感器/执行器(即传感与执行设备)，保护设备/控制设备(即保护与控制设备)，以及网关设备进行组网。网络的具体连接关系为：

所述传感与执行设备与所述光交换节点装置的输入接口连接，用于采集传感数据或执行控制指令；

所述保护与控制设备与所述光交换节点装置的输出接口连接，用于接收所述传感数据或发送所述控制指令；

所述光交换节点装置用于依据所述网关设备的调度，实现所述传感与执行设备、保护与控制设备以及网关设备，三者之间的数据交互；

所述网关设备与所述光交换节点装置的汇聚接口连接，用于调度所述传感与执行设备以及所述保护与控制设备，同时实现所述传感与执行设备或所述保护与控制设备与外部网络数据交互。网关设备通过公网或内网与后端服务器连接。IEEE802.3ah标准提供了一种可能的竞争解决方案，且已被业界广泛应用于时分复用无源光网络(TDM-PON)中。这里，设计的网络中采用了类似的方法，实现物理层组播光交换网络中各终端之间的通信。

上述物理层组播光交换网络中，所述光交换节点装置中的各个无源光分配模块的工作波长互不相同，所述各无源光分配模块的工作波长与该无源光分配模块所连接的阵列波导光栅(AWG)的分波端口的工作波长相匹配(波长相同)，所述传感与执行设备的工作波长与该传感与执行器模块所连接的无源光分配模块的工作波长相匹配(波长相同)，所述保护与控制设备的工作波长与该保护与控制设备所连接的无源光分配模块的工作波长相匹配(波长相同)。

因而，在这种结构下，所述物理层组播光交换网络中，相互关联的传感与执行设备和保护与控制设备优选与同一个无源光分配模块连接(传感与执行设备连接至该无源光分配模块的输入端口，保护与控制设备连接至该无源光分配模块的输出端口)。该方法可以尽可能减少网关设备参与调度实现数据交互的频率，进而进一步减少端到端时延，尤其是A、B两接口所连接的终端之间的通信时延。该结构能够进一步针对工业控制网络中传感与执行设备与保护与控制设备间流量占据绝大部分网络流量的流量特性，进一步降低网络中大部分流量的端到端时延。

图3所示的某工业控制网络中，传感与执行设备与光交换节点装置输入接口A的各口连接，保护与控制设备与光交换节点装置输出接口B的各口连接，光交换节点装置的汇聚接口连接网关设备，网关设备通过公网或内网与后端服务器连接，实现网络中各终端设备的数据交换。在该结构中，传感与执行设备与其业务相关的保护与控制设备通过光交换节点装置中的同一个无源光分配模块实现数据交互。每个无源光分配模块连接的网络终端(包括传感与执行设备、保护与控制设备)使用1个独立波长的信道，各无源光分配模块使用的波长信道与AWG分波端口P_c1、P_c2、…、P_cn相匹配。各网络终端通过网关设备调度，执行“多点接入控制协议”。

所述“多点接入控制协议”中，汇聚接口连接的网关设备为每个网络终端分配独立时隙并通过控制帧通知各网络终端，网络终端仅在分配到的时隙内发送数据。特别地，网关设备可以在无下行数据(无网关设备向节点连接的网络终端发送的数据)发送的任意时刻为各网络终端分配时隙。

具体而言，各部分按照如下方法进行通信：

首先，进行时隙分配。所述网关设备在所述交换网络的初始化阶段或在所述交换网络中无下行数据时，为所述交换网络中每一个传感与执行设备和每一个保护与控制设备分配独立时隙，并通过控制帧通知所有传感与执行设备和所有保护与控制设备，所述每一个传感与执行设备和所述每一个保护与控制设备仅在其分配到的时隙内发送数据；

然后，开始数据交互。数据交互阶段，网络根据数据流向不同分为四种数据交互方法：

第一种数据流向为由所述传感与执行设备与连接至同一个无源光分配模块的保护与控制设备之间进行数据交互：其中的源网络终端在本终端发送时隙内发送数据报文，所述数据报文经由与该源网络终端连接的无源光分配模块进行物理层组播，最终将所述数据报文转送至目的网络终端；

第二种数据流向为由所述传感与执行设备与连接至不同无源光分配模块的保护与控制设备之间进行数据交互：其中的源网络终端在本终端发送时隙内发送数据报文，所述数据报文经由与该源网络终端连接的无源光分配模块进行物理层组播，然后将该组播数据经由所述光交换节点装置的汇聚接口送入网关设备，由所述网关设备选用与目的网络终端相匹配的波长，将所述组播数据通过光交换节点装置的汇聚接口转发至目的网络终端所连接的无源光分配模块进行第二次物理层组播，最终将所述数据报文转送至目的网络终端；

第三种数据流向为由所述传感与执行设备或所述保护与控制设备与所述网关设备后的服务器进行数据交互：其中的源网络终端在本终端发送时隙内发送数据报文，所述数据报文经由与该源网络终端连接的无源光分配模块进行物理层组播，将所述数据报文转送至所述网关设备，由所述网关设备发送至所述服务器；

第四种数据流向为由所述网关设备后的服务器下发数据至所述传感与执行设备或所述保护与控制设备：所述服务器将所述数据发送至所述网关设备，所述网关设备选用与目的网络终端相匹配的波长，将所述数据转发至该目的网络终端所连接的无源光分配模块进行物理层组播，最终将所述数据送至目的网络终端。

这里，源网络终端指发送数据的网络终端，目的网络终端指待接收数据的网络终端。所述的传感与执行设备以及所述的保护与控制设备均既可作为源网络终端也可作为目的网络终端。

本发明技术方案的优点主要体现在：

工业控制网络中，与传感器采集的原始数据相比，控制命令所占流量比例很小。以变电站内过程层网络为例，其中各传感器采集的原始数据在网络中所占流量比例超过90％。由于业务相关的传感与执行设备、保护与控制设备，在本实施例中，均连接至光交换节点装置中的同一个无源光分配模块，在以上4种传输过程中，绝大多数的网络流量可由所述的第一种传输方法实现。该过程充分利用本发明所设计的物理层组播光交换节点装置无需“储存-转发”的特点，大大降低了数据报文的端到端时延。并且，与电交换机相比，由该光交换节点装置组成的网络结构具有良好的可靠性与较低的功耗。

本领域普通技术人员可以理解：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。