摘 要：介紹了一種高數(shù)據(jù)服務(wù)質(zhì)量，低丟包率的異步光包交換（AOPS）系統(tǒng)，重點分析了其光緩存部分的工作原理及數(shù)據(jù)流特性?；谠撓到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)，使用賽靈思（Xilinx）公司 的Virtex5現(xiàn)場可編程邏輯陣列（FPGA）設(shè)計了AOPS實驗平臺，并對實驗平臺的可靠性和連通性進行了驗證。

關(guān)鍵詞：異步光包交換； 光緩存； 賽靈思； 現(xiàn)場可編程邏輯陣列

中圖分類號：TN91134 文獻標識碼：A 文章編號：1004373X（2012）22013204

目前，電信網(wǎng)絡(luò)正在涌入大量的語音和視頻業(yè)務(wù)，傳統(tǒng)以銅線為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)鏈路的帶寬及其所能承受的信號處理比特率已漸漸不能滿足目前高速、大容量數(shù)據(jù)交互的要求。異步光包交換技術(shù)具有交換靈活、容量大、速率和格式透明、可配置等特點，因而能夠支持未來不同類型的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

異步光包交換技術(shù)已成為當今全世界技術(shù)研究熱點，設(shè)計可靠的光緩存結(jié)構(gòu)和建立實用的異步光包交換系統(tǒng)是很有必要的。本文介紹了一種具有高服務(wù)質(zhì)量低丟包率的多級光緩存的異步光包交換節(jié)點結(jié)構(gòu)。并基于此結(jié)構(gòu)建立了異步光包交換示范實驗系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)方案與分析

圖1為異步光包交換系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。光包首先從輸入端口進入分組頭提取單元，分組頭中的地址、優(yōu)先級、光包長度等信息被控制單元獲取，有效載荷則進入光緩存?？刂茊卧鶕?jù)信息綜合判定，向光緩存和光包交換單元發(fā)送控制命令，實現(xiàn)光包的正確交換及分組頭的重新寫入，然后光包被送往輸出端口。

本文對異步光包交換系統(tǒng)中的光緩存部分做了重點研究，分析了循環(huán)延遲光纖緩存與分路被分光纖緩存的結(jié)構(gòu)及功能特點，結(jié)合二者優(yōu)勢，提出循環(huán)備份光纖緩存結(jié)構(gòu)，并定性分析了其服務(wù)質(zhì)量與丟包率特性。

圖1 異步光包交換系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖2為所定義的異步光包格式，光包頭在右，光尾部在左，所包含的數(shù)據(jù)信息有：光包地址，包長，優(yōu)先級，分組頭校驗，載荷。各部分功能依次為：判定目的地址，判定光包長度，判定光包優(yōu)先級，分組頭信息校驗，有效光包數(shù)據(jù)。

1.1 循環(huán)延遲光纖緩存

圖3為循環(huán)延遲光纖緩存結(jié)構(gòu)，其中SP為光分路器。其中1×2為1×2光選路器，1×（N+1）為1×（N+1）光選路器，N代表光纖延遲線數(shù)目，TB為通阻器，用于擦出緩存中的數(shù)據(jù)。其基本工作原理為，光包從1×（N+1）光選路器輸入端進入，若光包與其他鏈路上光包不沖突，則光包被送往光選路器的輸出端口N+1。若光包有沖突，則系統(tǒng)控制單元對沖突光包優(yōu)先級進行判定，高優(yōu)先級的光包被送往輸出端口N+1，低優(yōu)先級的光包通過光選路器的端口（1到N）被送入空閑光纖延遲線。從而存儲光包。此時1×2光選路器與光纖延遲線構(gòu)成閉合的循環(huán)線。

圖3 循環(huán)延遲光纖緩存當光緩存的輸入端口沒有光包，或者光纖延遲線存在比輸入光包優(yōu)先級更高的光包時，光緩存從光纖延遲線中選取優(yōu)先級最高的光包，將其釋放，1×2光選路器切換狀態(tài)，存儲的光包被送至輸出端口。

系統(tǒng)中相關(guān)變量：Lmax，Tgap，Tresponse，Tdelay，Tredo，Tbuf，代表的意義分別為：最大包長，最小包間隔，系統(tǒng)響應(yīng)時間，分組頭預(yù)處理延遲時間，系統(tǒng)應(yīng)急響應(yīng)時間，光包延遲時間。其中，TresponseTresponse，圖1中，預(yù)處理單元與光緩存之間存在光纖延遲線提供的延遲時間即為Tdelay，要求此時間大于系統(tǒng)響應(yīng)時間，使得系統(tǒng)來得及處理新到達的光包。Tredo表示當系統(tǒng)正處于狀態(tài)轉(zhuǎn)換中時，突然須改變至另一狀態(tài)的有效應(yīng)急響應(yīng)時間，為應(yīng)對突發(fā)流量所需變量。Tbuf為光緩存延遲單位時間，要求Tbuf>Lmax/V+Tgap，即光緩存能夠容納最大光包。

圖4為系統(tǒng)雙鏈路工作示意圖，其中有兩條時間基準線，紅色代表時間判定線，藍色表示數(shù)據(jù)流時間線，兩條時間基準線之間的間隔為Tdelay。圖中紅色和藍色代表兩種地址不同的光包，綠色代表交換成功光包，黃色代表丟棄光包，光包編號XMN代表意義為：光包X，優(yōu)先級為M，N代表延遲周數(shù)。

首先，光包A2到達，系統(tǒng)準備交換A2至輸出端口，一段時間后，另一路光包B1到達，B1優(yōu)先級比A2高，且A2離數(shù)據(jù)流時間線的時間Tredo大于Tresponse，來得及將A2寫入延遲線。C3到達時，B1交換完畢，A2正在寫入延遲線，且A21將與C3沖突，則C3也寫入延遲線。D1到達時，A21正在從延遲線釋放，C3正在寫入延遲線，此時D1與A21沖突，如果優(yōu)先考慮服務(wù)質(zhì)量，則由于D1優(yōu)先級高于A21，則阻斷A21釋放過程，允許D1交換，A21成為光碎片，產(chǎn)生丟包；如果優(yōu)先考慮低丟包率，則將D1寫入光纖延遲線，A21繼續(xù)交換至輸出端口。

1.2 分路備份光纖緩存

圖5為分路備份光纖緩存結(jié)構(gòu)，器件含義與1.1節(jié)中系統(tǒng)一致。其工作原理為：輸入光包被分為N份，并經(jīng)過不同的延遲，TB對N份光包進行選擇輸出。光纖延遲線的遞增時間量為Tbuf，TB響應(yīng)時間為Tresponse，SP為1×N光分路器，N代表光纖延遲線數(shù)目。

圖5 分路備份光纖緩存圖6為系統(tǒng)雙線工作示意圖，時間基準與光包編號含義與第1.1節(jié)中系統(tǒng)一致。此系統(tǒng)工作流程與第1.1節(jié)中系統(tǒng)類似，區(qū)別在于，光包到達時，即產(chǎn)生N份備份，當光包沖突時，高優(yōu)先級光包正常交換，低優(yōu)先級光包丟棄，啟用備份光包。圖6中，當A21與D1沖突時，立即阻斷丟棄A21，并啟用A22，D1正常交換。

圖6 分路備份光纖緩存工作示意圖1.3 循環(huán)備份光纖緩存

循環(huán)延遲光纖緩存具有緩存容量易擴展的優(yōu)點，且光包在循環(huán)延遲線中緩存時間無限，缺點為延遲線中的光包一旦在釋放過程中遇到?jīng)_突，則無法恢復(fù)，產(chǎn)生丟包。分路備份光纖緩存將光包備份N份，光包交換過程中，光纖延遲線中的光包由于沖突需要丟棄時，可使用下一級光纖延遲線中的光包，若沖突光包已經(jīng)在最大時間延遲線中，則此光包未能成功交換，產(chǎn)生丟包。此結(jié)構(gòu)以較多的器件數(shù)量和較大的成本保證高服務(wù)質(zhì)量。

基于以上兩類光纖緩存的特點，提出一種新型的兼顧二者優(yōu)勢的光緩存技術(shù)：循環(huán)備份光纖緩存。這種光緩存既具有良好的可擴展性與無限延遲特性，又能夠兼顧服務(wù)質(zhì)量與低丟包率的要求

循環(huán)備份光纖緩存的基本結(jié)構(gòu)如圖7所示。其工作原理為：當光包沖突時，低優(yōu)先級的光包被寫入循環(huán)延遲線，這與循環(huán)延遲光纖緩存原理一致，此時1×2光選路器數(shù)據(jù)發(fā)往TB通路。當緩存中的光包需要釋放時，為了防止光包在釋放過程中沖突丟失，釋放光包前，將1×2光選路器向SP通路切換，光包被分為兩份，一份送往輸出端口，另一份繼續(xù)在光纖延遲線中循環(huán)。若此光包從輸出端口成功輸出，則利用TB將延遲線中的光包擦除；若光包輸出過程中沖突，則丟棄，備份光包可在下一次循環(huán)中繼續(xù)使用。

圖7 循環(huán)備份光纖緩存圖8為循環(huán)備份光纖緩存工作示意圖，其基本流程與循環(huán)延遲光纖緩存類似，不同之處為，當A21與C3沖突時，由于A21優(yōu)先級較高，光緩存?zhèn)浞軦22并將A21輸出至輸出端，而C3則被寫入光纖延遲線，形成C31。A21從光纖延遲線釋放的過程中，D1光包到達，D1優(yōu)先級較高，則D1交換至輸出端，A21被阻斷，形成光包碎片。而A2光包已備份A22，可參與后續(xù)交換。

2 實驗系統(tǒng)設(shè)計

2.1 實驗系統(tǒng)方案

基于循環(huán)備份光纖緩存原理，采用Xilinx公司Virtex5 FPGA產(chǎn)生光包、接收分析光包以及控制光緩存、光包交換單元，所設(shè)計的異步光包交換節(jié)點實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖9所示。該系統(tǒng)為雙波長，具有單信道緩存能力的，2×2的異步光包交換節(jié)點，其通信比特率達到1.25 b/s，光包格式符合系統(tǒng)方案中定義，其中光緩存的原理與循環(huán)備份光纖緩存相似，為節(jié)約系統(tǒng)開銷，省略用于備份的光選路器。

圖8 循環(huán)備份光纖緩存工作示意圖圖中各單元名稱所代表的意義為：TX1/TX2為光包發(fā)送模塊，SP為光分路器，CONTROL為光包交換控制模塊，MUX/DEMUX為復(fù)用器/解復(fù)用器，2×2為2×2高速磁光開關(guān)，RX1/RX2為光包接收分析模塊。

圖9 異步光包交換節(jié)點實驗系統(tǒng)該實驗系統(tǒng)與標準異步光包交換系統(tǒng)（見圖1）類似，可分為分組頭提取判定單元，光緩存單元及光包交換單元，省略了分組頭重寫單元。分組頭提取單元與光緩存單元之間存在光纖延遲線，用于分組頭預(yù)處理響應(yīng)延遲。

2.2 電路設(shè)計

如圖10所示，實驗系統(tǒng)采用Virtex5 FPGA XC5VLX50T中的Gigabit Ethernet MAC與GTP收發(fā)器實現(xiàn)吉比特以太網(wǎng) 1000BaseCX，并用此模塊連接SPF收發(fā)器，SFP收發(fā)器連接光纖。光包發(fā)生器Packet Gen驅(qū)動發(fā)送端口，實現(xiàn)異步光包的發(fā)送，Xilinx在線邏輯分析儀Chip Scope連接接收端口，抓取數(shù)據(jù)進行分析。兩路SFP產(chǎn)生的光包所對應(yīng)的光波長分別為1 550 nm及1 530 nm。

2.3 光路設(shè)計

SPF收發(fā)器發(fā)送功率為-3 dBm，接收靈敏度為-19 dBm，因此，光路中最大損耗不得超過16 dB。

對應(yīng)1 550 nm和1 530 nm兩個波長，實驗系統(tǒng)選用中心波長為1 551 nm和1 531 nm的粗波分復(fù)用器及解復(fù)用器，每個插入損耗小于0.6 dB，偏振相關(guān)損耗小于0.15 dB，則總損耗為2×（0.6+0.5）dB=2.2 dB。3 dB光分路器損耗為3 dB。系統(tǒng)中的1×2光開關(guān)和2×2光開關(guān)，開關(guān)響應(yīng)時間最小可達20 μs。開關(guān)狀態(tài)變化所需驅(qū)動脈沖寬度須小于15 μs，驅(qū)動電壓為7 V，開關(guān)的頻率須小于3 kHz，否則光開關(guān)可能有過熱的危險。光開關(guān)的插入損耗和偏振相關(guān)損耗典型值為別為0.7 dB和0.1 dB。光開關(guān)總損耗為2×（0.7+0.1）=1.6 dB。

圖10 光包發(fā)送接收電路框圖系統(tǒng)所用光纖為普通石英單模光纖，在1 550 nm附近，損耗典型值為0.2 dB/km，F(xiàn)DL長度為5 km，可以提供25 μs的延遲，損耗為1 dB。

因此，光包無沖突通過異步光包交換節(jié)點時，總損耗為3+2.2+1.8+1=8 dB。當光包沖突時，1 530 nm的光包須再次通過FDL，產(chǎn)生額外的損耗為1+3=4 dB，于是，緩存光包的損耗為8+4=12 dB，小于16 dB。系統(tǒng)的損耗評估符合實驗要求。

3 實驗系統(tǒng)測試

3.1 測試方案

利用光包發(fā)送模塊，在兩條鏈路上均產(chǎn)生地址相同的光包，光包交換控制模塊收到光包后，提取其中的地址及優(yōu)先級信息，進行判定。由于兩條鏈路光包沖突，高優(yōu)先級鏈路上的光包通過2×2光開關(guān)交換至輸出端口，低優(yōu)先級鏈路上的光包進入光緩存，延遲25 μs。

隨后，光緩存中的光包能量減半釋放，通過2×2光開關(guān)也交換至輸出端口，由于目前系統(tǒng)中暫未使用通阻器TB，則再經(jīng)過25 μs，光緩存中的光包再次能量減半釋放，通過2×2光開關(guān)傳輸至輸出端口，此過程延續(xù)至光緩存中光包能量耗盡。

3.2 測試結(jié)果

如圖11所示，光包發(fā)送模塊發(fā)送地址均為0xAA的光包，TX1上光包優(yōu)先級為0x00，TX2上光包優(yōu)先級為0xFF。此時，接收端RX0/RX1端口能夠偵測到空閑光信號。由于TX0鏈路上具有更高優(yōu)先級，則2×2光開關(guān)處于直通態(tài)。RX0首先接收到地址為0xAA，優(yōu)先級為0x00的光包，TX1鏈路上的光包進入光緩存。25 μs后，RX0收到光包，2×2光開關(guān)切換至交叉態(tài)，光緩存中的光包開始釋放，隨后，RX0接收到地址為0xAA，優(yōu)先級為0xFF的光包。

4 結(jié) 語

本文根據(jù)異步光包交換系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，結(jié)合兩種典型的光緩存實現(xiàn)方法，提出了一種新型的循環(huán)備份光纖緩存結(jié)構(gòu)，并對其工作特性進行了定性分析。循環(huán)備份光纖緩存具有高服務(wù)質(zhì)量、低丟包率的特性，進行擴展后，適合于在實際應(yīng)用中實施。根據(jù)所提出的循環(huán)備份光纖緩存結(jié)構(gòu)，使用Xilinx公司FPGA作為光包產(chǎn)生、接收和控制單元，設(shè)計了異步光包交換節(jié)點實驗系統(tǒng)，并對該實驗系統(tǒng)的基本性能和連通性進行了測試。實驗結(jié)果標明，該實驗系統(tǒng)符合異步光包交換系統(tǒng)的基本要求，可在此實驗系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行擴展，從而對異步光包交換新型算法及其時延特性、服務(wù)質(zhì)量及丟包率特性進行驗證。

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