城域环网中支持可变长分组的节点结构

摘要

一种城域环网中支持可变长分组的节点结构，由解复用器，包含W个分光器的分光器模块，光电检测模块，控制处理模块，包含W个光纤延迟线的光纤延迟线模块，包含一个2×2交换及(W－1)个1×2交换的交换模块，发射波长为λ

说明书

技术领域

本发明涉及一种城域环网中支持可变长分组的节点结构，支持单信道和多信道的城域环网组网，适用于业务突发程度极高，分组长度可变的城域光纤环网节点设备。属于光通信网技术领域。

背景技术

由于波分复用(Wavelength division multiplexing，WDM)技术和各种接入技术的进步，目前已较好地解决了骨干网络和接入网络的传输问题，但对于位于骨干网络和接入网络之间的城域网络(Metro area networks，MAN)，由于其承载的业务流量可能远比骨干网的大，而且业务接口复杂，已成为制约网络快速发展的瓶颈。与接入网和骨干网相比，城域网有其自身的独特特点，即：(1)覆盖区域有限，通常为50～200km；(2)网络节点数量变化较大，通常为10～200个节点；(3)(与骨干网相比)用户数较少，业务突发程度高；(4)业务种类多，接口复杂，难以用准确的数学模型对城域网中的业务进行定义。因此，必须研究新的网络体系结构和接入协议，以满足下一代城域网络对经济性、灵活性和可升级性等方面的要求。

基于单信道的城域环网架构，业界目前比较关注的组网新技术当属于弹性分组环技术(IEEE 802.17 RPR，Resilient packet ring)。RPR是一个双向光纤环网，每个方向一个波长，在每个节点都要进行电处理(缓冲器插入环)。RPR使用了基于目的节点剥离业务的空间重用和最短径路由技术，结合其复杂的公平性算法，显著的提高了环网络的整体性能。同时，RPR能实现50ms级的保护。这些因素使得RPR成为城域网最重要技术的可能性很大。但是，要改善城域网络的整体性能，应该采用WDM技术，而不是采用单个波长信道，另外应尽量避免在每个节点进行光电光(OEO)处理，以节约大量的缓存器和减少中间节点处理时延。

对于多信道的城域环网架构，人们也已提出了各种网络和节点模型，并建立了一些实验系统。根据节点收发器的不同配置，可以将这些节点模型分为固定的发送(Fixed Transmitting，FT)、可调谐的发送(Tunable Transmitting，TT)、固定的接收(Fixed Receiving，FR)及可调谐的接收(Tunable Receiving，TR)等四种情况的组合。不同的组合具有各自不同的特点。

对于FT-FR结构来说，节点没有调谐部件，成本相对较低，实现相对简单。但由于是固定上下路波长信号，网络可升级性能差，不灵活，资源利用率低。若要保证网络流量和延时性能，必须配备大量的发送器或接收器，成本未必便宜，浪费还很严重，另外，如果媒质接入协议设计不合理，性能也不会理想。RINGO城域环网可以说是该结构的代表(R.Gaudino，et al.RINGO：A WDM ring opticalpacket network demonstrator.Proc.，ECOC，vol.4，pp.620-621，Oct.2001)。

对于FT-TR结构来说，它比FT-FR结构灵活，理论上可获得优于FT-FR结构的流量性能、接入延时性能和可升级性能，可以很好应用于电路交换业务环境。但是，其成本比FT-FR结构要贵。目前的实验系统中，如KomNet城域环网(D.Stoll，et al.Metropolitan DWDM：A dynamically configurable ring for the KomNetfield trial in Berlin.IEEE Communications Magazine，vol.39，no.2，pp.106-113，Feb.2001)，都采用了可调谐光栅，其调谐时间较大，达毫秒量级，因此对于目前数据业务占主导地位的分组交换业务不太有效。另外，这种结构还存在接收冲突问题，影响了网络的整体性能。

对于TT-FR结构，其网络性能和特点和FT-TR结构是很相似的，例如，HORNET城域环网(Ian M.White，et al.“A summary of the HORNET project：Anext-generation metropolitan area network.IEEE Journal on Selected Areasin Communications，vol.21，no.9，pp.1478-1494，Nov.2003)和MAWSON城域环网(M.A.Summerfield.MAWSON：A metropolitan area wavelength switchedoptical network.APCC’97，Sydney，Australia，pp.327-331，Nov.1997)均采用了光栅、环形器和可调谐发射器，也不适合数据业务占主导地位的分组交换业务。

TT-TR结构的网络流量，延时性能，可升级性能及灵活性尽管是四种结构中最好的。但成本昂贵，TT-TR及FT-TR两种结构中存在的问题同时存在，因此这种结构研究较少。

以上这些基于弹性分组环的单信道城域网络节点技术不能充分利用波分复用能力，在每个节点都要进行光电光处理，而基于多信道的固定发送固定接收结构不灵活，资源利用率低，固定发送可调谐接收或可调谐发送固定接收结构对可调谐器件调谐时延要求过高，存在发送或接收冲突等方面的问题。

发明内容

本发明的目的在于针对目前的节点结构所存在的不足，提出一种新的城域环网中支持可变长分组的节点结构，可以采用目前商用的光器件，实现方法简单，能同时支持源节点和目的节点剥离业务，支持组播和广播，以及可变长分组的传送，分组收发的控制过程简单，不需要专用波长信道，提高了资源利用率。

为实现此目的，本发明设计的节点结构由一个解复用器，包含了W个分光器的分光器模块，光电检测模块，控制处理模块，包含了W个光纤延迟线的光纤延迟线模块，包含了一个2×2交换及(W-1)个1×2交换的交换模块，发射波长为λ_i的发射器，波长下路模块和一个复用器组成。

承载有W个波长的输入光纤连接解复用器的输入端，解复用器将各个输入波长分开，其W个输出端分别连接分光器模块中的W个分光器的输入端，每个分光器的两个输出分别连接光电检测模块及光纤延迟线模块。分光器模块中包含的分光器个数等于输入波长数W，一一对应每个输入波长。通过分光器，每个输入波长信号按90∶10的功率比率被分成了两部分，功率较小的一部分分别被送入光电检测模块，光电检测模块的输出连接控制处理模块。各分光器输出功率较大的一部分被送入光纤延迟线模块，光纤延迟线模块中包含的延迟线个数等于输入波长数W，一一对应每个输入波长，完成对输入波长信号进行延时处理。光纤延迟线模块的输出连接交换模块输入端，控制处理模块的输出连接发射器的输入端和交换模块的控制端，完成对它们的控制。交换模块由一个2×2交换和(W-1)个1×2交换组成，交换模块中2×2交换的其中一个输入端连接到发射器的输出，该2×2交换的另一个输入端连接了由延迟线模块过来的，波长与发射器波长相同的输入波长信号。(W-1)个1×2交换的输入端分别一一对应连接其它所有由延迟线模块输出的各输入波长信号。交换模块的输出由2×2交换和所有1×2交换的输出组成，2×2交换和所有1×2交换的其中一个输出连接到波长下路模块，它们的另一个输出端连接至复用器的输入端；复用器的输出连接输出光纤。

本发明中的发射器只能以固定波长发送分组，波长下路模块能够处理所有波长内的分组。

为保证网络的公平性及支持可变长分组的发送，本发明中的控制处理模块采用了分时隙的帧结构，每个时隙采用了32比特的字定位。总长度为1500字节，是IP分组典型峰值长度的最大值。时隙结构如下表所示：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

  S  COS    TTL M  预留    源节点地址    目的节点地址                                公平性速率   循环冗余校验CRC¹         负载长度指示                     偏量  循环冗余校验CRC²                  数据信息                     +                  填充字节

其中，“S”是状态域，长度为1比特，指示时隙的空闲/忙状态；“COS”为业务类型，长度为3比特；“TTL”为业务的生存时间，只有目的节点会对该域作处理，目的节点将该域更新后再将其送至接入网或广域网，由随后的网络处理；“M”为广播指示比特，广播消息由源节点剥离；预留3比特用于扩展；源节点地址和目的节点地址均为8比特，最多可指示256个节点，足够城域网络组网；“CRC¹”和“CRC²”分别用于对时隙头部和负载长度指示部分作循环冗余校验；“负载长度指示”为16比特，指示实际传输的分组长度；“偏量”用于指示源节点传输的分组序号，目的节点用它来重组用户数据信息；“公平性速率”占用了3个字节，指示发送节点在上路业务时的发送速率；时隙结构的负荷区域是可变的，能够支持可变长度的IP分组业务，当传送的分组没有填满负载部分时，节点会补充填充字节。

在每个时隙的开始，节点的控制处理模块会根据所获得的从光电检测模块送入的环路各波长信号的检测结果，并结合控制处理模块保存的历史记录，即其它节点的参数，来决定交换模块在当前时隙的连接状态，从而完成分组的接收和发送过程。具体处理步骤为：

(1)如果新的时隙边界未到达，等待。否则，转步骤2；

(2)对于所有输入波长，如果没有分组需要在本节点下路，转步骤3；如果有分组需要在本节点下路，则判断下路的波长是否包含了和本节点的发送波长相同的波长，若是，记录源节点编号及该波长时隙头部的相应参数值，转步骤4，否则转步骤3；

(3)如果本节点发送波长空闲，转步骤4；否则，记录以本节点的发送波长发送分组的源节点和目的节点编号，并记录该波长时隙头部的相应参数值。转步骤1；

(4)若本节点的发送速率不满足公平性速率，设置交换模块内各个交换的连接状态，即：接收需要下路的波长所携带的分组，同时控制发射器填写当前时隙内的各开销字段(状态域、源、目的节点编号，公平性速率，校验位等)，发送分组。转步骤1；若本节点的发送速率满足公平性速率，则根据控制处理模块对以前时隙的处理记录，从和本节点发送波长相同的所有发送节点中，找出不满足公平性速率的节点集合N。若对N中的任意一个节点n，本节点的目的节点为n的上游节点，且在上一个时隙时，本节点不为节点n的中间节点，则设置交换模块内各交换的连接状态，接收相应波长时隙的分组，同时控制发射器填写当前时隙内的各开销字段，发送分组。否则，本节点不发送分组。转步骤1。

本发明提出的节点结构具有以下特点：当分组没有到达目的节点时，会直接穿过中间节点，不会被下路处理，大大减少了中间节点所需的电缓存器及业务处理时延；节点可以同时接收所有信道的分组，不存在分组接收冲突，提高了节点流量及业务平均传输时延；没有调谐部件，降低了设计复杂度及成本；当交换模块的输出被连接到波长下路处理模块时，其携带的分组无法再继续进入环网，很轻松地作到了目的节点剥离业务，有利于改善全网的流量；全网没有专用控制信道，可以将所有波长都用于传送业务，提高了资源利用率；当2×2和1×2交换支持组播功能时，本发明的节点结构可以支持组播和广播，既可支持源节点剥离业务，也可支持目的节点剥离业务，均毋需光电光转换；时隙头部开销字节很小，只占用了13字节，开销为(13/1500)×100％＜1％。

本发明的节点结构新颖，可采用目前商用的光器件，节点以固定波长发送分组，毋需调谐器件即可同时完成对多个波长信号的接收，并且不会发生FT-TR结构中存在的接收冲突情况。同时，尽管该结构采用了定长的时隙，但它支持可变长分组的传送，分组收发不需要专用波长信道进行控制，实现方法简单，可以大大提高资源利用率。

本发明的节点结构可很好地应用于业务突发程度极高的城域环网节点设备。

附图说明

附图1为支持W个波长的单纤节点结构示意图，节点的发送波长为λ_i。

附图2为基于附图1的架构，波长数量W＝4，节点的发送波长为λ_i＝λ₃时的节点结构示意图。

附图3为由16个基于附图2的节点结构所组成的单光纤环网。光纤中的波长数为4个，编号分别为λ₁，λ₂，λ₃和λ₄。编号为i的节点的发送波长为λ_{[(i-1)mod 4]+1}。图中，节点1，2，3，4和7持续地有分组传送，目的节点分别为7，8，7，10和9。

附图4为基于附图3的分组发送方式，在节点7处的分组收发过程，图中，2×2交换和1×2交换内部的黑实线表示交换被控制模块控制后的连接状态。

附图5为16个基于附图2的节点结构所组成的单光纤环网。光纤中的波长数为4个，编号分别为λ₁，λ₂，λ₃和λ₄。编号为i的节点的发送波长为λ_{[(i-1)mod 4]+1}。节点1，2，3和4持续地有广播分组传送的示意图。

附图6为基于附图5的网络架构及分组发送方式，节点5的控制处理模块对其交换模块进行控制后的连接方式(以黑实线表示)。

具体实施方式

下面结合附图描述本发明的具体实施方式和实施例。

附图1为具有W个波长的输入光纤环路进入节点后，经节点各个功能单元和模块的处理，将波长信号送至输出光纤的示意图。节点结构由一个解复用器，包含了W个分光器的分光器模块，光电检测模块，控制处理模块，包含了W个光纤延迟线的光纤延迟线模块，包含了一个2×2交换及(W-1)个1×2交换的交换模块，发射波长为λ_i的发射器，波长下路模块和一个复用器组成。承载有W个波长的输入光纤在到达节点时，首先进入解复用器的输入端，它将各个输入波长分开；随后，这W个被解复用的波长进入分光器模块，分光器模块中包含的分光器个数等于输入波长数W，一一对应每个输入波长；通过分光器，每个输入波长信号按90∶10的功率比率被分成了两部分，功率较小的一部分分别被送入光电检测模块；光电检测模块的输出被送入控制处理模块；各分光器输出功率较大的一部分被送入光纤延迟线模块，延迟线模块中包含的延迟线个数等于输入波长数W，一一对应每个输入波长，它们完成对输入波长信号的延时处理；输入波长信号经延迟线延迟后，进入交换模块输入端，交换模块由一个2×2交换和(W-1)个1×2交换组成；控制处理模块的输出分别连到波长固定的发射器和交换模块的控制端，完成对它们的控制；交换模块中2×2交换的其中一个输入端连接到发射器的输出，该2×2交换的另一个输入端连接了由延迟线模块过来的，波长与发射器波长相同的输入波长信号。(W-1)个1×2交换的输入端分别一一对应连接其它所有由延迟线模块输出的波长信号；交换模块的输出由2×2交换和所有1×2交换的输出组成。2×2交换和所有1×2交换的其中一个输出连接到波长下路模块，它们的另一个输出端连接至复用器的输入端；复用器的输出连接输出光纤环路。

由附图1可见，由于发射器的波长为λ_i，因此交换模块中2×2交换的两个输入端的连接的波长均为λ_i，分别来自节点的发射器和输入环路。

附图2为基于附图1的架构，波长数W＝4时，节点内各功能单元和模块的连接关系示意图。输入光纤进入节点后，首先被解复用器将波长λ₁，λ₂，λ₃，λ₄分开；随后，波长λ₁，λ₂，λ₃，λ₄进入分光器模块，分光器模块中的4个分光器按90∶10的功率比率将这4个波长信号分成了两部分；分光器输出功率较小的那一部分信号分别被送入光电检测模块；输出功率较大的那一部分信号被送入光纤延迟线模块，该模块内的4根延迟线分别对这4个波长信号进行延迟处理；光电检测模块完成了对4个波长的状态的分析后，将检测结果送至控制处理模块，控制处理模块会在延迟线输出波长信号之前设置好交换模块中各个交换的状态，同时，也控制本地的发射器能否发送分组；发射器和延迟线模块中的4个输出均要通过交换模块进行交换处理，交换模块包含了3个1×2交换和1个2×2交换，本地发射器的发射波长为λ₃，因此发射器和从延迟线中输出的，波长也为λ₃的两个输出被连接到2×2交换的两个输入端，其余3个1×2交换的输入分别连接延迟线的其它输出，它们的波长分别为λ₁，λ₂，λ₄；经过交换模块处理后，输入波长可能在本地下路，也可能和本地的发射波长一道进入复用器的输入，复用器将这些信号复用后，最后送入环路输出。

附图3为由16个基于附图2的节点结构所组成的单光纤环网。光纤中的波长数为4个，编号分别为λ₁，λ₂，λ₃和λ₄。编号为i的节点的发送波长为λ_{[(i-1)mod 4]+1}。例如，节点1，2，3和4的发送波长分别为λ₁，λ₂，λ₃和λ₄，发送波长为λ₃的节点编号分别为3，7，11和15。附图3中，在节点1，2，3，4和7处持续地有分组传送，它们的目的节点分别为7，8，7，10，9。由附图3可见，节点7的发送波长为λ₃，而由节点3发出的分组将在节点7处下路，因此，节点7的发送波长是空闲的，它可以发送分组。

附图4为基于附图3的环网结构和分组发送方式，在节点7处的分组收发过程，图中，2×2交换和1×2交换内部的黑实线表示交换被控制模块控制后的连接状态。首先，解复用器将输入光纤的波长解复用，从节点1，2，3和4处发出的分组的承载波长被分开。随后，这4个波长信号进入了分光器模块，在那里，它们分别被分成功率比率为90∶10的两部分，光电检测模块获得了输入波长信号的一小部分功率；功率被分出了一部分的4个输入波长随后进入延迟线模块进行延时处理；光电检测模块通过分析4个输入波长时隙结构的头部，知道了在当前时隙这4个波长都是携带了分组的，而且，波长λ₁和λ₃上的分组将要在本节点下路。光电检测模块随后将这些结果送至控制处理模块；控制处理模块将在延迟线输出分组前，设置好交换模块内各交换的连接状态，从而完成分组在节点7处的收发过程。节点7的控制处理模块对发射器和交换模块的控制过程可描述如下：

(1)如果新的时隙边界未到达，等待。否则，转步骤2；

(2)由光电检测模块送入的信息可知，输入波长λ₁，λ₂，λ₃和λ₄上均携带有分组，它们的源节点分别为1，2，3和4，目的节点分别为7，8，7和10。可见，有分组需要在本节点下路，而且，需要下路的波长包含了和本节点的发送波长相同的波长，即λ₃，因此，控制处理模块记录节点3当前所发送的时隙的相应参数值，转步骤4；

(3)；

(4)由附图3可知，即使节点7的发送速率满足了公平性速率，它发送分组与否也不会对发送波长与其相同的节点3，11和15造成影响，即节点7肯定可以发送分组。因此，节点7将交换模块中的交换从上至下依次设置为“交叉”、“直通”、“交叉”、“直通”等状态。从而，输入波长λ₁和λ₃上的分组在节点7下路，进入节点7的波长下路模块。节点7的控制处理模块将控制发射器填写其发送波长时隙的头部字节，并发送分组。其发送的分组随同输入波长λ₂，λ₄上的分组一道由交换模块输出到复用器输入端，复用器最后输出的波长信号只有3个波长携带有分组，分别是λ₂，λ₃，λ₄，而波长λ₁已经空闲，可以为下一个节点所用。

上述步骤中，步骤(3)不会被执行，因此，只有一个编号。保留这一步的目的是为了更好地与前述分组收发过程的4个步骤相对照。

由附图4的分组收发过程可见，节点7毋需调谐即同时接收了两个波长所携带的分组。

附图5为16个基于附图2的节点结构所组成的单光纤环网。光纤中的波长数为4个，编号分别为λ₁，λ₂，λ₃和λ₄。编号为i的节点的发送波长为λ_{[(i-1)mod 4]+1}。节点1，2，3和4持续地有广播分组传送的示意图。由图可见，由于节点1，2，3和4发送的是广播分组，它们的剥离将由源节点完成，中间节点只能接收这些分组，而不能剥离这些分组。

附图6为基于附图5的网络架构及分组发送方式，节点5的控制处理模块对其交换模块进行控制后的连接方式。可见，由于节点5的光电检测模块检测到4个输入波长均携带有广播分组，因此，它的发送波长已被占用，不能上路业务，另外，它在接收所有的输入波长所携带的分组时，不能将这些分组从环路上剥离，因此，交换模块内部的交换全部被设置成了组播形式，即每个交换的两个输出端口同时要输出波长信号。