專利名稱：城域環網中支持可變長分組的節點結構的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種城域環網中支持可變長分組的節點結構，支持單信道和多信道的城域環網組網，適用于業務突發程度極高，分組長度可變的城域光纖環網節點設備。屬于光通信網技術領域。
背景技術：
由于波分復用(Wavelength division multiplexing，WDM)技術和各種接入技術的進步，目前已較好地解決了骨干網絡和接入網絡的傳輸問題，但對于位于骨干網絡和接入網絡之間的城域網絡(Metro area networks，MAN)，由于其承載的業務流量可能遠比骨干網的大，而且業務接口復雜，已成為制約網絡快速發展的瓶頸。與接入網和骨干網相比，城域網有其自身的獨特特點，即(1)覆蓋區域有限，通常為50～200km；(2)網絡節點數量變化較大，通常為10～200個節點；(3)(與骨干網相比)用戶數較少，業務突發程度高；(4)業務種類多，接口復雜，難以用準確的數學模型對城域網中的業務進行定義。因此，必須研究新的網絡體系結構和接入協議，以滿足下一代城域網絡對經濟性、靈活性和可升級性等方面的要求。
基于單信道的城域環網架構，業界目前比較關注的組網新技術當屬于彈性分組環技術(IEEE 802.17 RPR，Resilient packet ring)。RPR是一個雙向光纖環網，每個方向一個波長，在每個節點都要進行電處理(緩沖器插入環)。RPR使用了基于目的節點剝離業務的空間重用和最短徑路由技術，結合其復雜的公平性算法，顯著的提高了環網絡的整體性能。同時，RPR能實現50ms級的保護。這些因素使得RPR成為城域網最重要技術的可能性很大。但是，要改善城域網絡的整體性能，應該采用WDM技術，而不是采用單個波長信道，另外應盡量避免在每個節點進行光電光(OEO)處理，以節約大量的緩存器和減少中間節點處理時延。
對于多信道的城域環網架構，人們也已提出了各種網絡和節點模型，并建立了一些實驗系統。根據節點收發器的不同配置，可以將這些節點模型分為固定的發送(Fixed Transmitting，FT)、可調諧的發送(Tunable Transmitting，TT)、固定的接收(Fixed Receiving，FR)及可調諧的接收(Tunable Receiving，TR)等四種情況的組合。不同的組合具有各自不同的特點。
對于FT-FR結構來說，節點沒有調諧部件，成本相對較低，實現相對簡單。但由于是固定上下路波長信號，網絡可升級性能差，不靈活，資源利用率低。若要保證網絡流量和延時性能，必須配備大量的發送器或接收器，成本未必便宜，浪費還很嚴重，另外，如果媒質接入協議設計不合理，性能也不會理想。RINGO城域環網可以說是該結構的代表(R.Gaudino，et al.RINGOA WDM ring opticalpacket network demonstrator.Proc.，ECOC，vol.4，pp.620-621，Oct.2001)。
對于FT-TR結構來說，它比FT-FR結構靈活，理論上可獲得優于FT-FR結構的流量性能、接入延時性能和可升級性能，可以很好應用于電路交換業務環境。但是，其成本比FT-FR結構要貴。目前的實驗系統中，如KomNet城域環網(D.Stoll，et al.Metropolitan DWDMA dynamically configurable ring for the KomNetfield trial in Berlin.IEEE Communications Magazine，vol.39，no.2，pp.106-113，Feb.2001)，都采用了可調諧光柵，其調諧時間較大，達毫秒量級，因此對于目前數據業務占主導地位的分組交換業務不太有效。另外，這種結構還存在接收沖突問題，影響了網絡的整體性能。
對于TT-FR結構，其網絡性能和特點和FT-TR結構是很相似的，例如，HORNET城域環網(Ian M.White，et al.“A summary of the HORNET projectAnext-generation metropolitan area network.IEEE Journal on Selected Areasin Communications，vol.21，no.9，pp.1478-1494，Nov.2003)和MAWSON城域環網(M.A.Summerfield.MAWSONA metropolitan area wavelength switchedoptical network.APCC’97，Sydney，Australia，pp.327-331，Nov.1997)均采用了光柵、環形器和可調諧發射器，也不適合數據業務占主導地位的分組交換業務。
TT-TR結構的網絡流量，延時性能，可升級性能及靈活性盡管是四種結構中最好的。但成本昂貴，TT-TR及FT-TR兩種結構中存在的問題同時存在，因此這種結構研究較少。
以上這些基于彈性分組環的單信道城域網絡節點技術不能充分利用波分復用能力，在每個節點都要進行光電光處理，而基于多信道的固定發送固定接收結構不靈活，資源利用率低，固定發送可調諧接收或可調諧發送固定接收結構對可調諧器件調諧時延要求過高，存在發送或接收沖突等方面的問題。
發明內容
本發明的目的在于針對目前的節點結構所存在的不足，提出一種新的城域環網中支持可變長分組的節點結構，可以采用目前商用的光器件，實現方法簡單，能同時支持源節點和目的節點剝離業務，支持組播和廣播，以及可變長分組的傳送，分組收發的控制過程簡單，不需要專用波長信道，提高了資源利用率。
為實現此目的，本發明設計的節點結構由一個解復用器，包含了W個分光器的分光器模塊，光電檢測模塊，控制處理模塊，包含了W個光纖延遲線的光纖延遲線模塊，包含了一個2×2交換及(W-1)個1×2交換的交換模塊，發射波長為λi的發射器，波長下路模塊和一個復用器組成。
承載有W個波長的輸入光纖連接解復用器的輸入端，解復用器將各個輸入波長分開，其W個輸出端分別連接分光器模塊中的W個分光器的輸入端，每個分光器的兩個輸出分別連接光電檢測模塊及光纖延遲線模塊。分光器模塊中包含的分光器個數等于輸入波長數W，一一對應每個輸入波長。通過分光器，每個輸入波長信號按90∶10的功率比率被分成了兩部分，功率較小的一部分分別被送入光電檢測模塊，光電檢測模塊的輸出連接控制處理模塊。各分光器輸出功率較大的一部分被送入光纖延遲線模塊，光纖延遲線模塊中包含的延遲線個數等于輸入波長數W，一一對應每個輸入波長，完成對輸入波長信號進行延時處理。光纖延遲線模塊的輸出連接交換模塊輸入端，控制處理模塊的輸出連接發射器的輸入端和交換模塊的控制端，完成對它們的控制。交換模塊由一個2×2交換和(W-1)個1×2交換組成，交換模塊中2×2交換的其中一個輸入端連接到發射器的輸出，該2×2交換的另一個輸入端連接了由延遲線模塊過來的，波長與發射器波長相同的輸入波長信號。(W-1)個1×2交換的輸入端分別一一對應連接其它所有由延遲線模塊輸出的各輸入波長信號。交換模塊的輸出由2×2交換和所有1×2交換的輸出組成，2×2交換和所有1×2交換的其中一個輸出連接到波長下路模塊，它們的另一個輸出端連接至復用器的輸入端；復用器的輸出連接輸出光纖。
本發明中的發射器只能以固定波長發送分組，波長下路模塊能夠處理所有波長內的分組。
為保證網絡的公平性及支持可變長分組的發送，本發明中的控制處理模塊采用了分時隙的幀結構，每個時隙采用了32比特的字定位。總長度為1500字節，是IP分組典型峰值長度的最大值。時隙結構如下表所示0 1 2 30 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
其中，“S”是狀態域，長度為1比特，指示時隙的空閑/忙狀態；“COS”為業務類型，長度為3比特；“TTL”為業務的生存時間，只有目的節點會對該域作處理，目的節點將該域更新后再將其送至接入網或廣域網，由隨后的網絡處理；“M”為廣播指示比特，廣播消息由源節點剝離；預留3比特用于擴展；源節點地址和目的節點地址均為8比特，最多可指示256個節點，足夠城域網絡組網；“CRC1”和“CRC2”分別用于對時隙頭部和負載長度指示部分作循環冗余校驗；“負載長度指示”為16比特，指示實際傳輸的分組長度；“偏量”用于指示源節點傳輸的分組序號，目的節點用它來重組用戶數據信息；“公平性速率”占用了3個字節，指示發送節點在上路業務時的發送速率；時隙結構的負荷區域是可變的，能夠支持可變長度的IP分組業務，當傳送的分組沒有填滿負載部分時，節點會補充填充字節。
在每個時隙的開始，節點的控制處理模塊會根據所獲得的從光電檢測模塊送入的環路各波長信號的檢測結果，并結合控制處理模塊保存的歷史記錄，即其它節點的參數，來決定交換模塊在當前時隙的連接狀態，從而完成分組的接收和發送過程。具體處理步驟為(1)如果新的時隙邊界未到達，等待。否則，轉步驟2；(2)對于所有輸入波長，如果沒有分組需要在本節點下路，轉步驟3；如果有分組需要在本節點下路，則判斷下路的波長是否包含了和本節點的發送波長相同的波長，若是，記錄源節點編號及該波長時隙頭部的相應參數值，轉步驟4，否則轉步驟3；(3)如果本節點發送波長空閑，轉步驟4；否則，記錄以本節點的發送波長發送分組的源節點和目的節點編號，并記錄該波長時隙頭部的相應參數值。轉步驟1；(4)若本節點的發送速率不滿足公平性速率，設置交換模塊內各個交換的連接狀態，即接收需要下路的波長所攜帶的分組，同時控制發射器填寫當前時隙內的各開銷字段(狀態域、源、目的節點編號，公平性速率，校驗位等)，發送分組。轉步驟1；若本節點的發送速率滿足公平性速率，則根據控制處理模塊對以前時隙的處理記錄，從和本節點發送波長相同的所有發送節點中，找出不滿足公平性速率的節點集合N。若對N中的任意一個節點n，本節點的目的節點為n的上游節點，且在上一個時隙時，本節點不為節點n的中間節點，則設置交換模塊內各交換的連接狀態，接收相應波長時隙的分組，同時控制發射器填寫當前時隙內的各開銷字段，發送分組。否則，本節點不發送分組。轉步驟1。
本發明提出的節點結構具有以下特點當分組沒有到達目的節點時，會直接穿過中間節點，不會被下路處理，大大減少了中間節點所需的電緩存器及業務處理時延；節點可以同時接收所有信道的分組，不存在分組接收沖突，提高了節點流量及業務平均傳輸時延；沒有調諧部件，降低了設計復雜度及成本；當交換模塊的輸出被連接到波長下路處理模塊時，其攜帶的分組無法再繼續進入環網，很輕松地作到了目的節點剝離業務，有利于改善全網的流量；全網沒有專用控制信道，可以將所有波長都用于傳送業務，提高了資源利用率；當2×2和1×2交換支持組播功能時，本發明的節點結構可以支持組播和廣播，既可支持源節點剝離業務，也可支持目的節點剝離業務，均毋需光電光轉換；時隙頭部開銷字節很小，只占用了13字節，開銷為(13/1500)×100％＜1％。
本發明的節點結構新穎，可采用目前商用的光器件，節點以固定波長發送分組，毋需調諧器件即可同時完成對多個波長信號的接收，并且不會發生FT-TR結構中存在的接收沖突情況。同時，盡管該結構采用了定長的時隙，但它支持可變長分組的傳送，分組收發不需要專用波長信道進行控制，實現方法簡單，可以大大提高資源利用率。
本發明的節點結構可很好地應用于業務突發程度極高的城域環網節點設備。
附圖1為支持W個波長的單纖節點結構示意圖，節點的發送波長為λi。
附圖2為基于附圖1的架構，波長數量W＝4，節點的發送波長為λi＝λ3時的節點結構示意圖。
附圖3為由16個基于附圖2的節點結構所組成的單光纖環網。光纖中的波長數為4個，編號分別為λ1，λ2，λ3和λ4。編號為i的節點的發送波長為λ[(i-1)mod 4]+1。圖中，節點1，2，3，4和7持續地有分組傳送，目的節點分別為7，8，7，10和9。
附圖4為基于附圖3的分組發送方式，在節點7處的分組收發過程，圖中，2×2交換和1×2交換內部的黑實線表示交換被控制模塊控制后的連接狀態。
附圖5為16個基于附圖2的節點結構所組成的單光纖環網。光纖中的波長數為4個，編號分別為λ1，λ2，λ3和λ4。編號為i的節點的發送波長為λ[(i-1)mod 4]+1。節點1，2，3和4持續地有廣播分組傳送的示意圖。
附圖6為基于附圖5的網絡架構及分組發送方式，節點5的控制處理模塊對其交換模塊進行控制后的連接方式(以黑實線表示)。
具體實施例方式
下面結合附圖描述本發明的具體實施方式
和實施例。
附圖1為具有W個波長的輸入光纖環路進入節點后，經節點各個功能單元和模塊的處理，將波長信號送至輸出光纖的示意圖。節點結構由一個解復用器，包含了W個分光器的分光器模塊，光電檢測模塊，控制處理模塊，包含了W個光纖延遲線的光纖延遲線模塊，包含了一個2×2交換及(W-1)個1×2交換的交換模塊，發射波長為λi的發射器，波長下路模塊和一個復用器組成。承載有W個波長的輸入光纖在到達節點時，首先進入解復用器的輸入端，它將各個輸入波長分開；隨后，這W個被解復用的波長進入分光器模塊，分光器模塊中包含的分光器個數等于輸入波長數W，一一對應每個輸入波長；通過分光器，每個輸入波長信號按90∶10的功率比率被分成了兩部分，功率較小的一部分分別被送入光電檢測模塊；光電檢測模塊的輸出被送入控制處理模塊；各分光器輸出功率較大的一部分被送入光纖延遲線模塊，延遲線模塊中包含的延遲線個數等于輸入波長數W，一一對應每個輸入波長，它們完成對輸入波長信號的延時處理；輸入波長信號經延遲線延遲后，進入交換模塊輸入端，交換模塊由一個2×2交換和(W-1)個1×2交換組成；控制處理模塊的輸出分別連到波長固定的發射器和交換模塊的控制端，完成對它們的控制；交換模塊中2×2交換的其中一個輸入端連接到發射器的輸出，該2×2交換的另一個輸入端連接了由延遲線模塊過來的，波長與發射器波長相同的輸入波長信號。(W-1)個1×2交換的輸入端分別一一對應連接其它所有由延遲線模塊輸出的波長信號；交換模塊的輸出由2×2交換和所有1×2交換的輸出組成。2×2交換和所有1×2交換的其中一個輸出連接到波長下路模塊，它們的另一個輸出端連接至復用器的輸入端；復用器的輸出連接輸出光纖環路。
由附圖1可見，由于發射器的波長為λi，因此交換模塊中2×2交換的兩個輸入端的連接的波長均為λi，分別來自節點的發射器和輸入環路。
附圖2為基于附圖1的架構，波長數W＝4時，節點內各功能單元和模塊的連接關系示意圖。輸入光纖進入節點后，首先被解復用器將波長λ1，λ2，λ3，λ4分開；隨后，波長λ1，λ2，λ3，λ4進入分光器模塊，分光器模塊中的4個分光器按90∶10的功率比率將這4個波長信號分成了兩部分；分光器輸出功率較小的那一部分信號分別被送入光電檢測模塊；輸出功率較大的那一部分信號被送入光纖延遲線模塊，該模塊內的4根延遲線分別對這4個波長信號進行延遲處理；光電檢測模塊完成了對4個波長的狀態的分析后，將檢測結果送至控制處理模塊，控制處理模塊會在延遲線輸出波長信號之前設置好交換模塊中各個交換的狀態，同時，也控制本地的發射器能否發送分組；發射器和延遲線模塊中的4個輸出均要通過交換模塊進行交換處理，交換模塊包含了3個1×2交換和1個2×2交換，本地發射器的發射波長為λ3，因此發射器和從延遲線中輸出的，波長也為λ3的兩個輸出被連接到2×2交換的兩個輸入端，其余3個1×2交換的輸入分別連接延遲線的其它輸出，它們的波長分別為λ1，λ2，λ4；經過交換模塊處理后，輸入波長可能在本地下路，也可能和本地的發射波長一道進入復用器的輸入，復用器將這些信號復用后，最后送入環路輸出。
附圖3為由16個基于附圖2的節點結構所組成的單光纖環網。光纖中的波長數為4個，編號分別為λ1，λ2，λ3和λ4。編號為i的節點的發送波長為λ[(i-1)mod 4]+1。例如，節點1，2，3和4的發送波長分別為λ1，λ2，λ3和λ4，發送波長為λ3的節點編號分別為3，7，11和15。附圖3中，在節點1，2，3，4和7處持續地有分組傳送，它們的目的節點分別為7，8，7，10，9。由附圖3可見，節點7的發送波長為λ3，而由節點3發出的分組將在節點7處下路，因此，節點7的發送波長是空閑的，它可以發送分組。
附圖4為基于附圖3的環網結構和分組發送方式，在節點7處的分組收發過程，圖中，2×2交換和1×2交換內部的黑實線表示交換被控制模塊控制后的連接狀態。首先，解復用器將輸入光纖的波長解復用，從節點1，2，3和4處發出的分組的承載波長被分開。隨后，這4個波長信號進入了分光器模塊，在那里，它們分別被分成功率比率為90∶10的兩部分，光電檢測模塊獲得了輸入波長信號的一小部分功率；功率被分出了一部分的4個輸入波長隨后進入延遲線模塊進行延時處理；光電檢測模塊通過分析4個輸入波長時隙結構的頭部，知道了在當前時隙這4個波長都是攜帶了分組的，而且，波長λ1和λ3上的分組將要在本節點下路。光電檢測模塊隨后將這些結果送至控制處理模塊；控制處理模塊將在延遲線輸出分組前，設置好交換模塊內各交換的連接狀態，從而完成分組在節點7處的收發過程。節點7的控制處理模塊對發射器和交換模塊的控制過程可描述如下(1)如果新的時隙邊界未到達，等待。否則，轉步驟2；(2)由光電檢測模塊送入的信息可知，輸入波長λ1，λ2，λ3和λ4上均攜帶有分組，它們的源節點分別為1，2，3和4，目的節點分別為7，8，7和10。可見，有分組需要在本節點下路，而且，需要下路的波長包含了和本節點的發送波長相同的波長，即λ3，因此，控制處理模塊記錄節點3當前所發送的時隙的相應參數值，轉步驟4；(3)；(4)由附圖3可知，即使節點7的發送速率滿足了公平性速率，它發送分組與否也不會對發送波長與其相同的節點3，11和15造成影響，即節點7肯定可以發送分組。因此，節點7將交換模塊中的交換從上至下依次設置為“交叉”、“直通”、“交叉”、“直通”等狀態。從而，輸入波長λ1和λ3上的分組在節點7下路，進入節點7的波長下路模塊。節點7的控制處理模塊將控制發射器填寫其發送波長時隙的頭部字節，并發送分組。其發送的分組隨同輸入波長λ2，λ4上的分組一道由交換模塊輸出到復用器輸入端，復用器最后輸出的波長信號只有3個波長攜帶有分組，分別是λ2，λ3，λ4，而波長λ1已經空閑，可以為下一個節點所用。
上述步驟中，步驟(3)不會被執行，因此，只有一個編號。保留這一步的目的是為了更好地與前述分組收發過程的4個步驟相對照。
由附圖4的分組收發過程可見，節點7毋需調諧即同時接收了兩個波長所攜帶的分組。
附圖5為16個基于附圖2的節點結構所組成的單光纖環網。光纖中的波長數為4個，編號分別為λ1，λ2，λ3和λ4。編號為i的節點的發送波長為λ[(i-1)mod 4]+1。節點1，2，3和4持續地有廣播分組傳送的示意圖。由圖可見，由于節點1，2，3和4發送的是廣播分組，它們的剝離將由源節點完成，中間節點只能接收這些分組，而不能剝離這些分組。
附圖6為基于附圖5的網絡架構及分組發送方式，節點5的控制處理模塊對其交換模塊進行控制后的連接方式。可見，由于節點5的光電檢測模塊檢測到4個輸入波長均攜帶有廣播分組，因此，它的發送波長已被占用，不能上路業務，另外，它在接收所有的輸入波長所攜帶的分組時，不能將這些分組從環路上剝離，因此，交換模塊內部的交換全部被設置成了組播形式，即每個交換的兩個輸出端口同時要輸出波長信號。
權利要求
1.一種城域環網中支持可變長分組的節點結構，包括解復用器、分光器模塊、光電檢測模塊，控制處理模塊，光纖延遲線模塊、交換模塊、發射器、波長下路模塊和復用器，其特征在于承載有W個波長的輸入光纖連接解復用器的輸入端，解復用器的輸出端分別連接分光器模塊的輸入端，分光器模塊中包含的分光器個數等于輸入波長數W，一一對應每個輸入波長，通過分光器，每個輸入波長信號按90∶10的功率比率被分成兩部分，功率較小的一部分分別被送入光電檢測模塊，光電檢測模塊的輸出連接控制處理模塊，各分光器輸出功率較大的一部分被送入光纖延遲線模塊，光纖延遲線模塊中包含的延遲線個數等于輸入波長數W，一一對應每個輸入波長，完成對輸入波長信號進行延時處理，光纖延遲線模塊的輸出連接交換模塊輸入端，控制處理模塊的輸出連接發射器的輸入端和交換模塊的控制端，交換模塊由一個2×2交換和(W-1)個1×2交換組成，交換模塊中2×2交換的其中一個輸入端連接到發射器的輸出，該2×2交換的另一個輸入端連接了由延遲線模塊過來的，波長與發射器波長相同的輸入波長信號，(W-1)個1×2交換的輸入端分別一一對應連接其它所有由延遲線模塊輸出的各輸入波長信號，交換模塊的輸出由2×2交換和所有1×2交換的輸出組成，2×2交換和所有1×2交換的其中一個輸出連接到波長下路模塊，它們的另一個輸出端連接至復用器的輸入端，復用器的輸出連接輸出光纖。
2.如權利要求1的城域環網中支持可變長分組的節點結構，其特征在于所述發射器只能以固定波長發送分組。
3.如權利要求1的城域環網中支持可變長分組的節點結構，其特征在于所述波長下路模塊能夠處理所有波長內的分組。
4.如權利要求1的城域環網中支持可變長分組的節點結構，其特征在于所述控制處理模塊采用分時隙的幀結構，每個時隙采用32比特的字定位，在每個時隙的開始，根據獲得的光電檢測模塊送入的環路各波長信號的檢測結果，結合保存的其它節點的參數，決定交換模塊在當前時隙的連接狀態，從而完成分組的接收和發送過程，具體處理步驟為(1)如果新的時隙邊界未到達，等待，否則轉步驟2；(2)對于所有輸入波長，如果沒有分組需要在本節點下路，轉步驟3；如果有分組需要在本節點下路，則判斷下路的波長是否包含了和本節點的發送波長相同的波長，若是，記錄源節點編號及該波長時隙頭部的相應參數值，轉步驟4，否則轉步驟3；(3)如果本節點發送波長空閑，轉步驟4；否則，記錄以本節點的發送波長發送分組的源節點和目的節點編號，并記錄該波長時隙頭部的相應參數值，轉步驟1；(4)若本節點的發送速率不滿足公平性速率，設置交換模塊內各個交換的連接狀態，即接收需要下路的波長所攜帶的分組，同時控制發射器填寫當前時隙內的各開銷字段，發送分組，轉步驟1；若本節點的發送速率滿足公平性速率，則根據控制處理模塊對以前時隙的處理記錄，從和本節點發送波長相同的所有發送節點中，找出不滿足公平性速率的節點集合N，若對N中的任意一個節點n，本節點的目的節點為n的上游節點，且在上一個時隙時，本節點不為節點n的中間節點，則設置交換模塊內各交換的連接狀態，接收相應波長時隙的分組，同時控制發射器填寫當前時隙內的各開銷字段，發送分組，否則，本節點不發送分組，轉步驟1。
全文摘要
一種城域環網中支持可變長分組的節點結構，由解復用器，包含W個分光器的分光器模塊，光電檢測模塊，控制處理模塊，包含W個光纖延遲線的光纖延遲線模塊，包含一個2×2交換及(W－1)個1×2交換的交換模塊，發射波長為λ
文檔編號H04J14/02GK1571393SQ20041001830
公開日2005年1月26日 申請日期2004年5月13日 優先權日2004年5月13日
發明者張治中, 程方, 曾慶濟, 譚偉, 雒江濤, 葉通, 王建新 申請人:上海交通大學