0 b s 網(wǎng)絡同步核心節(jié)點的硬件設計與改進 摘要 本論文主要對o b s 系統(tǒng)中同步核心節(jié)點硬件實現(xiàn)進行研究。論 文首先介紹了由三個邊緣節(jié)點和四個核心節(jié)點構成的試驗網(wǎng)絡架構。 在此基礎上，對同步核心節(jié)點主控制板的設計進行了詳細的描述。四 路光模塊用于光電串行信號的轉換，兩個串并轉換芯片$ 2 0 6 4 分別獨 立負責串并行信號的接收和發(fā)送，串行信號端與光模塊相連而并行信 號端與主控f p g a 相連。$ 2 0 6 4 自身可實現(xiàn)同步接收數(shù)據(jù)，而通過將 用于接收的$ 2 0 6 4 所解調(diào)出的隨路時鐘作為用于發(fā)送的s 2 0 6 4 的發(fā)送 參考時鐘，保證了核心節(jié)點與外部數(shù)據(jù)鏈路的收發(fā)同步，進而保證了 多核心節(jié)點間的系統(tǒng)同步。經(jīng)實際測試達到了約為1 7 m b s 較為理想 的網(wǎng)絡傳輸速率。針對實際的板級測試，做出了具體說明，并提出改 進意見和建議。 論文詳細介紹了光交叉矩陣的設計，包括高壓電源和矩陣驅動板 的硬件設計。通過電路仿真和板級測試對比，選擇工頻變壓器加電容 濾波網(wǎng)絡的高壓電源實現(xiàn)模式和以電容充放電電路為前級驅動以功 率m o s f e t 為后級推拉輸出的矩陣驅動板設計，可在1 0 0 h z 至i m h z 范圍內(nèi)輸出4 0 0 v 5 0 0 v 幅值可調(diào)的高壓脈沖。 關鍵字：光交換光突發(fā)交換核心節(jié)點光交叉矩陣 h a r d w a r ed e s i g na n di m p r o v e m e n to f s y n c hr o n i z a t i o nc o r en o d ei no b sn e t w o r k a b s t r a c t t h eh a r d w a r ed e s i g no ft h ec o r ec o d ei no bsn e t w o r ki ss t u d i e di n t h i sp a p e r t h ep a p e rb e g i n sw i t ht h ed e s c r i p t i o no fa r c h i t e c t u r eo ft h e o b st e s tb e d ，w h i c hi sc o m p o s e do ft h r e ee d g en o d e sa n df o u rc o r en o d e s t h ed e s i g no fm a i nc o n t r o lu n i to ft h ec o r ei sd e s c r i b e di nd e t a i l f o u r o p t i c a lm o d u l e sa r eu s e df o rt h eo et r a n s l a t i o no fs e r i a ls i g n a l t w o c h i p sn a m e d $ 2 0 6 4a r er e s p o n s i b l ef o rt h er e c e p t i o na n dt r a n s m i s s i o n r e s p e c t i v e l ya n do n es i d ef o rs e r i a ls i g n a li sc o n n e c t e dt ot h eo p t i c a l m o d u l e s ，t h eo t h e rs i d ef o rp a r a l l e ls i g n a li sc o n n e c t e dt ot h ef p g a t h e s y n c h r o n i z a t i o no ft h er e c e p t i o ni sa c c o m p l i s h e db y $ 2 0 6 4i t s e l fa n dt h a t o ft h et r a n s m i s s i o ni sa c h i e v e db ym a k i n gt h ea s s o c i a t e dc l o c ko nl i n e o u t p u tb yt h e $ 2 0 6 4f o rr e c e i v i n gt ob et h er e f e r e n c ec l o c ko ft h e $ 2 0 6 4 f o rt r a n s m i t t i n g w h i c hi n s u r e st h es y n c h r o n i z a t i o nn o to n l yb e t w e e nc o r e n o d ea n de x t e r n a ld a t al i n eb u ta l s oa m o n gd i f f e r e n tc o r en o d e s t h e t r a n s m i s s i o ns p e e do ft h en e t w o r kr e a c h e sa b o u t17 m s t h ew h o l e s y s t e mi st e s t e da f t e rt h ed e s i g n t h ep r o b l e m si nt h i sd e s i g na r ea l s o d i s c u s s e da n dm a n ya p p r o a c h e sf o ro p t i m i z i n gc i r c u i ta n ds y s t e ma r ep u t f o r w a r d ad e t a i l e dd e s i g na n da n a l y s i so fo x ci sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r , i n c l u d i n gt h ed e s i g no fm a t r i xd r i v e nm o d u l e sa n dh i g h v o l t a g ep o w e r s u p p l y o nt h eb a s i so fc i r c u i ts i m u l a t i o na n dt e s t ，t h ep o w e rs u p p l yi s c o m p o s e do fat r a n s f o r m e ra t 5 0 h za n df i l t e rn e t w o r kf o r m e d b y c a p a c i t o r sa n dt h em a t r i xd r i v e nm o d u l ei sm a d eu po fc a p a c i t o rc h a r g i n g c i r c u i ta n dp o w e rm o s f e t s ，w h i c ho u t p u t sa d j u s t a b l eh i g hl e v e lp u l s e s w i t hv o l t a g el e v e lf r o m4 0 0 vt o5 0 0 va n df r e q u e n c yf r o m10 0 h zt o 1m h z k e yw o r d s ：o p t i c a ls w i t c h o b sc o r en o d eo x c 縮略詞索引表 a r m b h p d b d 、v d m f e c f s c i e t f i l m 口 m p l s o a d m 0 b s o c s o p s o s i o x c q o s s d h s o n e t t a g 翻 a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e b u r s th e a dp a c k e t d a t ab u r s t d e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g f o r w a r d i n ge q u i v a l e n c ec l a s s f i b e rs w i t c hc o n t r o l l e r i n t e m e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e i n c o m i n gl a b e lm a p i n t e m e tp r o t o c o l m u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g o p t i c a la d dd r o pm u l t i p l e x e r o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g o p t i c a lc i r c u i ts w i t c h i n g o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g o p e ns y s t e mi n t e r c o r m e c t i o n o p t i c a lc r o s sc o n n e c t i o n q u a l i t vo fs e r v i c e s y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y s y n c h r o n o u so p t i c a ln e t w o r k t e l la n d g o t e l la n d w a i t 4 7 異步傳輸模式 控制分組 突發(fā)數(shù)據(jù) 密集波分復用 等價轉發(fā)類 光纖交換 以太網(wǎng)工程任務組織 入口標簽映射表 以太網(wǎng)協(xié)議 多協(xié)議標簽交換 光分插復用器 光突發(fā)交換 光電路交換 光分組交換 開放系統(tǒng)互聯(lián) 光交叉連接 服務質(zhì)量 同步數(shù)字傳輸體制 同步光網(wǎng)絡 單向預約協(xié)議 雙向預約協(xié)議 獨創(chuàng)性( 或創(chuàng)新性) 聲明 本人聲明所呈交的論文是本人在導師指導下進行的研究：【：作及取得的研究 成果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝中所羅列的內(nèi)容以外，論文中4 i 包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得北京郵電大學或其他 教育機構的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的f t 何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。 申請學位論文與資料若有不實之處，本人承擔一切相關責任。 本人簽名：日期：型：至：亟 關于論文使用授權的說明 學位論文作者完全了解北京郵電大學有關保留和使用學位論文的規(guī)定，即： 研究生在校攻讀學位期間論文工作的知識產(chǎn)權單位屬北京郵電大學。學校有權保 留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和磁盤，允許學位論文被查閱和借 閱；學?？梢怨紝W位論文的全部或部分內(nèi)容，可以允許采用影印、縮印或其它 復制手段保存、匯編學位論文。( 保密的學位論文在解密后遵守此規(guī)定) 保密論文注釋：本學位論文屬于保密在年解密后適用本授權書。非保密論 文注釋：本學位論文不屬于保密范圍，適用本授權書。 本人簽名： 導師簽名： 同期：絲塹：主：笸 r 期： 第一章o b $ 網(wǎng)絡概述 1 1 o b s 網(wǎng)絡的背景和特點 互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展壯大和各種新興業(yè)務的出現(xiàn)，如各種多媒體網(wǎng)頁、多媒體 游戲、多媒體會議、電子商務等，使互聯(lián)網(wǎng)絡業(yè)務呈指數(shù)增長。由于業(yè)務的多樣 性和多變性，傳統(tǒng)的核心交換網(wǎng)絡已經(jīng)不適于互聯(lián)網(wǎng)不斷發(fā)展的需要。這種形勢 促使研究者們加快對波分復用( w d m ) 傳輸和全光交換技術深入研究，以便適應因 特網(wǎng)流量的爆炸式增長、業(yè)務的多樣性和業(yè)務突發(fā)性u 1 。 目前光網(wǎng)絡采用的靜態(tài)或動態(tài)波長路由( 或者說光電路交換，o c s ) 機制，協(xié) 議機制相對簡單，技術成熟，易于實現(xiàn)。但它類似于電路交換機制，建立和拆除 一條通道需要一定的時間，并且該時間與它連接的保持時間無關，而主要決定于 端到端的信令時間。當連接保持時間比較短時，它將導致信道的利用率變差。因 此，不適合于持續(xù)增長且變化無常的因特網(wǎng)流量，如網(wǎng)頁瀏覽、f t p 文件傳輸、 電子郵件等。 在光交換中，光分組交換( o p s ) 在帶寬利用率、延時和適應性等方面比較好。 從長遠的角度來考慮，o p s 似乎是一種很有前途的技術，但因為它的實現(xiàn)比較復 雜，目前光邏輯處理技術不成熟，沒有可用的光隨機存儲器( o r 枷，所以還需經(jīng) 過多年的研究才能得以應用。 針對目前o c s 和o p s 存在的一些問題，近年來，人們提出了一種新的光交換 技術光突發(fā)交換( o b s ) 技術，并迅速得到國內(nèi)外學者們的廣泛關注。o b s 得 以引人注目，是因為它兼有o c s 和o p s 的優(yōu)點，同時又避免了它們的不足比1 。o b s 網(wǎng)絡的架構圖如圖1 - 1 u 。所示： 圖1 - 1o b s 網(wǎng)絡拓撲結構 點 所謂突發(fā)或突發(fā)包( b u r s t ) 實際上是在網(wǎng)絡接入節(jié)點處將具有相同網(wǎng)絡出口 地址和其他相同屬性( 如q o s ) 的i p 分組組合而成的一個大的分組，它們在網(wǎng)絡中 作為整體進行傳輸。o b s 網(wǎng)絡主要包括兩個部分：光域的核心節(jié)點和電域的邊緣 節(jié)點，它們之間用d w d m 鏈路進行連接。邊緣節(jié)點提供與其他網(wǎng)絡的接口并負責組 裝拆卸突發(fā)包，核心節(jié)點則負責選路和突發(fā)包的交換。在o b s 網(wǎng)絡入1 ：3 的邊緣 節(jié)點處，具有相同網(wǎng)絡出口地址和其他相同屬性的i p 分組按一定的組裝原則組 裝成突發(fā)包，經(jīng)過核心節(jié)點的選路交換，在網(wǎng)絡出e l 邊緣節(jié)點處拆裝還原成原來 的i p 分組并發(fā)往網(wǎng)絡的下一跳。 具體來說，光突發(fā)交換技術是用不同的波長和信道來傳送承載業(yè)務的數(shù)據(jù)分 組和包含有路由信息、數(shù)據(jù)分組頭信息的控制分組。如圖1 - 2 所示： 數(shù)據(jù)分組i b 滋浚。；鬻鬻蒸i 數(shù)據(jù)分i且2 li 控制分且1控制分組2 露r 圖1 - 2o b s 原理 數(shù)據(jù)信道l 數(shù)據(jù)信道2 數(shù)據(jù)信道1 1 控制信道 每一個突發(fā)的數(shù)據(jù)分組對應一個控制分組，傳送突發(fā)數(shù)據(jù)分組的通道稱為數(shù) 據(jù)信道，傳送控制分組的通道為控制信道。當數(shù)據(jù)到達o b s 邊緣節(jié)點時，根據(jù)目 的地址和其他屬性組合成大的數(shù)據(jù)分組，同時產(chǎn)生帶有路由信息和數(shù)據(jù)分組信息 的控制分組。根據(jù)協(xié)議，控制分組先于數(shù)據(jù)分組發(fā)送，并且是通過獨立于數(shù)據(jù)信 道的控制信道單獨發(fā)送?？刂品纸M到達中間節(jié)點之后，需要中間節(jié)點的電子處理， 但控制分組的長度非常短，這樣使高速的電處理得以實現(xiàn)，并且降低了核心路由 器進行e o e 處理時所需的容量。先一步傳輸?shù)目刂品纸M在中間節(jié)點為要傳輸?shù)?數(shù)據(jù)分組定好了必要的網(wǎng)絡資源，指配空閑光信道，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信道的帶寬資源動 態(tài)分配，并在不等待目的節(jié)點的確認信息的情況下就立即發(fā)送該數(shù)據(jù)分組。隨后 數(shù)據(jù)分組就可以根據(jù)已有的資源在不需要e o e 轉換和中間節(jié)點的電子轉發(fā)的 情況下直接在端到端的透明數(shù)據(jù)傳輸信道中傳輸和交換，到達目的邊緣節(jié)點。在 目的邊緣節(jié)點，數(shù)據(jù)分組根據(jù)相應控制分組的信息被拆裝還原成原來的i p 數(shù)據(jù) 包，并發(fā)往目的地。 0 b s 的一個主要特點是其突發(fā)包和控制分組在分離的信道上傳輸。將數(shù)據(jù)信 道與控制信道在物理上分離，實現(xiàn)了控制信息和數(shù)據(jù)信息相剝離：數(shù)據(jù)在o b s 網(wǎng)中保持為光信號而控制信號則采用電子方式處理，即經(jīng)過每個節(jié)點時控制信號 都要經(jīng)歷0 f o 的轉換。 如圖卜2 所示，光纖上的d w d m 信道被分成兩組，其中一組用于傳輸突發(fā)包的 控制分組，稱為控制信道，另一組則用于傳輸突發(fā)包數(shù)據(jù)，稱為數(shù)據(jù)信道。邊緣節(jié) 點在組裝好一個突發(fā)包的同時生成相應的控制分組，如果此時有空閑信道則立 即將該控制分組發(fā)送出去，突發(fā)包則需經(jīng)過一段偏置時間后再發(fā)送。這種數(shù)據(jù)與 控制分組分離傳輸?shù)奶攸c有利于核心節(jié)點在突發(fā)包到達之前就根據(jù)控制分組中 的信息預留帶寬。需要指出的是，o r s 網(wǎng)絡中核心節(jié)點對控制分組的處理還是在 電域內(nèi)進行的，節(jié)點根據(jù)控制信息配置好資源后，突發(fā)包就可以直接通過，而無 需經(jīng)過0 e o 的轉換h 。 0 8 s 的另一個特點就是其鏈路建立是單向的，不需要收發(fā)端的交互，而使用 波長路由，發(fā)送端必須在接收到波長路徑建立的確認信息后才能開始發(fā)送數(shù)據(jù)， 因而0 b s 相對于波長路由來說，數(shù)據(jù)傳輸所需的時間更短。 相對傳統(tǒng)的電路交換而言，o b s 網(wǎng)絡具有更大的靈活性和帶寬利用效率，相 對于光分組交換而言，它具有更簡單的可實現(xiàn)性，它結合了兩種交換方式的優(yōu)點， 并部分克服了它們的缺點。同時。o b s 技術也面臨一系列難點有待研究解決，如： 突發(fā)調(diào)度、匯聚算法、偏置時間設置、q o s 保證、資源競爭解決等曲1 。 1 20 b s 網(wǎng)絡結構與關鍵技術 目前圍繞o b s 網(wǎng)絡展開研究的關鍵技術主要集中在以下3 個方面： ( 一)預約方案 在控制分組被處理后要立即預留帶寬，根據(jù)如何判斷突發(fā)數(shù)據(jù)結束，主要有 4 種預約方案：e x p l i c i ts e t u pa n de x p l i c i tr e l e a s e ( 明確建立和明確釋放) 、 e x p l i c i ts e t u pa n de s t i m a t e dr e l e a s e ( 明確建立和估計釋放) 、e s t i m a t e ds e t u pa n d e x p l i c i tr e l e a s e ( 估計建立和明確釋放) 以及e s t i m a t e ds e t u pa n de s t i m a t e d r e l e a s e ( 估計建立和估計釋放) 。 這些方案的最主要區(qū)別在于同一突發(fā)數(shù)據(jù)占用節(jié)點資源的時間不同，而這個 時間長度取決于各種方案對突發(fā)開始和結束時間的估計精度，估計越準、占用資 源的時問越短，資源利用率越高，且總的突發(fā)沖突概率越低。 在目前的資源預留協(xié)議中j i t 協(xié)議采用的是第一種方案，j e t 和l a u c 2 v f 協(xié)議采用的是第四種方案。當偏移時間變化時，第一種方案的估計最不準確，丟 失率最大；第四種方案的估計最準確，丟失率最小，性能最好。偏移時間固定時， 方案二和四的丟失率相同。對于存在全光緩存的情況，這種估計還要更復雜一些。 ( 二)邊緣節(jié)點 o b s 中的難點之一就是突發(fā)匯聚問題，即根據(jù)m 分組的出口端邊緣路由器 地址和q o s 特性將口分組聚合成突發(fā)數(shù)據(jù)。其中確定數(shù)據(jù)突發(fā)的長度是一個關 鍵技術，突發(fā)長度過長，數(shù)據(jù)必須在邊緣節(jié)點等待足夠的時間，對于延遲敏感的 業(yè)務類型而言，這是不能接受的；另一方面，突發(fā)長度過短，可能導致節(jié)點的控 制處理速度跟不上，而且突發(fā)越短，其控制信息信令的開銷所占的比重也相對 越大，影響信道利用率。因此突發(fā)長度與節(jié)點處理速度( 尤其是交換控制模塊的 處理速度) 、信道利用率、業(yè)務延遲等關鍵因素之間的關系值得進一步深入研究。 另一個問題是偏移時間的確定。偏移時間確定了邊緣節(jié)點發(fā)送控制信令之后 的多長時間后再發(fā)送數(shù)據(jù)突發(fā)。設置偏移時間的目的是希望數(shù)據(jù)突發(fā)到達節(jié)點 時，控制信息已經(jīng)配置好了數(shù)據(jù)要經(jīng)過的光通路。由于控制信息在每個節(jié)點都需 要經(jīng)歷一定的處理延遲，而理想情況下數(shù)據(jù)通路是無延遲的，因此，偏移時間的 大小取決于控制信息在各節(jié)點處理延遲的累積求和。顯然，為了得到偏移時間， 就要求知道從源到宿經(jīng)過的節(jié)點數(shù)目，而對于路由無法預先確定的網(wǎng)絡( 如i p 網(wǎng) 絡) 是無法做到的，因此需要考慮其它的方式。 ( 三)核心節(jié)點 核心節(jié)點包括3 個主要組成部分：光交叉模塊，交換控制模塊，以及協(xié)議處 理模塊和線路接口模塊。其中交換控制模塊功能包括對信令處理、轉發(fā)表的查找、 資源的預約及沖突判決和處理等。協(xié)議處理模塊主要實現(xiàn)高層協(xié)議的處理，包括 轉發(fā)表的維護與更新等。光交叉模塊主要由空分交叉矩陣、f d l 和t w c 組成， 在交換控制模塊提供的配置信息控制下，這些部件協(xié)調(diào)工作，共同為數(shù)據(jù)提供透 明的通道。其中核心節(jié)點結構設計、光交換結構的設計、業(yè)務調(diào)度算法研究和沖 突解決機制研究都是非常重要的課題1 。 1 3 論文背景及主要內(nèi)容 1 3 1 論文背景 論文工作是實驗室承擔研究項目的一部分，因此簡單介紹項目的背景及研究 內(nèi)容。項目研究中建立一個如圖1 - 3 所示的光突發(fā)交換試驗網(wǎng)絡系統(tǒng)。從節(jié)點功 能考慮，將o b s 節(jié)點分為兩類：進行e o 轉換，業(yè)務匯聚的邊緣節(jié)點和全光交 換的核心節(jié)點。接入層是o b s 層的用戶層，可以是目前存在的各種網(wǎng)絡如i p 、 a t m 、s d h 等，也可以是終端用戶；0 b s 層向上層提供各種0 b s 服務：物理層 實現(xiàn)光比特的透明傳輸、放大和交換。 _ | p 1 0 u t e f i p r o u t e r f p r o u t e r r p 瑚t e r 圖1 - 3 光突發(fā)交換實驗網(wǎng)絡 i p r t m t e r i p r o u t 粵r 試驗系統(tǒng)包括四個突發(fā)交換核心節(jié)點和三個邊緣節(jié)點。邊緣節(jié)點提供多個千 兆和百兆以太網(wǎng)接口，具有圖像、話音、數(shù)據(jù)等業(yè)務的接入能力。各種業(yè)務在邊 緣節(jié)點內(nèi)進行適配重組，形成在網(wǎng)絡中傳輸?shù)耐话l(fā)分組，并采用d w d m 技術將分 組發(fā)送至網(wǎng)絡中，從而實現(xiàn)高速、大容量的數(shù)據(jù)傳輸。同時，在數(shù)據(jù)分組發(fā)送至 網(wǎng)絡中前，邊緣節(jié)點通過一個單獨的信令信道向核心節(jié)點發(fā)送突發(fā)分組的控制信 令，控制信令的內(nèi)容包括突發(fā)分組和控制信令之間的延時信息、突發(fā)分組的長度 信息、目的節(jié)點信息等，同時還包括業(yè)務等級信息以據(jù)此為不同的業(yè)務提供不同 的q o s 保證。核心節(jié)點根據(jù)這些控制信息配置節(jié)點內(nèi)部的快速光交換模塊，直接 在光域內(nèi)實現(xiàn)快速的分組突發(fā)交換，并將控制信令處理后轉發(fā)至下一節(jié)點。對于 邊緣節(jié)點來說，由于光突發(fā)交換網(wǎng)絡的突發(fā)特性，邊緣節(jié)點接收的突發(fā)分組可能 來自不同的節(jié)點，它們的時鐘相位不同，因此對每一個接收到的分組必須進行高 速時鐘同步，即分組的突發(fā)同步，才能完成分組的突發(fā)接收。接收到的分組數(shù)據(jù) 在邊緣節(jié)點內(nèi)進行反向拆卸和分類，發(fā)往相應的端口。 o b s 網(wǎng)絡的核心節(jié)點由輸入接口、控制單元、交換矩陣和輸出接口四部分 組成。其中輸入接口對輸入光信號進行適當?shù)奶幚?，以便讀取控制分組信息。控 制模塊根據(jù)控制分組所攜帶的標簽進行操作，并利用控制分組的其他控制信息預 留核心節(jié)點的帶寬資源，據(jù)此發(fā)出控制指令，控制交換矩陣做出相應的調(diào)整，然 后再生控制分組。交換矩陣負責接受來自控制模塊的控制指令，建立交叉連接路 徑以將隨后到達的突發(fā)包交換到相應的輸出端口。輸出接口的作用是減小或消除 信號的相位抖動和功率波動，并將再生的控制分組發(fā)送到相應的控制信道上 7 】。 根據(jù)整個項目的功能需求，要求核心節(jié)點或路由器( c r ) 具有4 個雙向端 口，其中每個端v i 包含傳送光突發(fā)控制分組和其它信令的控制信道組和傳送光突 發(fā)數(shù)據(jù)分組的數(shù)據(jù)信道組，由于控制信道的數(shù)據(jù)量比較少，一般用一個波長信道 即可完成相應的功能，因此，采用的o b s 核心節(jié)點的結構框圖如圖卜4 所示： 圖1 - 40 b s 核心路由器的功能結構 上半部分為控制與管理部分，硬件功能模塊主要包含粗波分復用解復用器 ( c d e c m u x ) 模塊，控制信道的光電、電光模塊，控制信道消息處理 模塊( 其中包括數(shù)據(jù)定幀、消息識別與分類、消息處理與轉發(fā)、資源預留與偏置 時間管理、光交叉矩陣的控制等) ，o b s 核心節(jié)點的網(wǎng)元管理模塊；下半部分為 光交換矩陣模塊，包含的主要部分有粗波分復用解復用器( d e m u x i x ) ， 光交叉矩陣及其驅動電路，光耦合器等。 在o b s 網(wǎng)絡中，突發(fā)包和控制分組的生成是在入口邊緣節(jié)點完成的。而突 發(fā)包的分解和控制分組的終結則是在出口邊緣節(jié)點進行的。一個實際的物理邊緣 節(jié)點應該具有入口邊緣節(jié)點和出口邊緣節(jié)點兩種功能結構。在入口邊緣節(jié)點處， 來自于其他網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)分組按照目的地址和q o s 要求分別組裝成突發(fā)包。從標 簽交換的觀點來看，這個過程實際上也是數(shù)據(jù)分組被劃分到每個f e c 的過程。 組裝后的突發(fā)包長度是可變的。節(jié)點為每個突發(fā)包配備了一個控制分組。該控制 分組攜帶標簽和其他o b s 和m p l s 控制信息。 邊緣節(jié)點的i p 業(yè)務匯聚完成后，將突發(fā)分組進行排隊，調(diào)度器按照數(shù)據(jù)信 道和控制信道的使用情況，采用一定的協(xié)議控制算法選擇突發(fā)包的發(fā)送。同時提 取突發(fā)包的控制信息，當突發(fā)包位于隊首時，控制信令設置其偏置時間，并發(fā)送 控制分組，它包括了突發(fā)包的路由信息、控制分組與突發(fā)包之間的偏置時間、突 發(fā)包長度、承載突發(fā)包的波長、信道編號、突發(fā)包生存時間以及q o s 等信息。 偏置時間后，突發(fā)包由調(diào)度器調(diào)度成幀送入w d m 光層。在接收節(jié)點處，也由邊 緣節(jié)點完成包的拆卸工作引。圖卜5 為o b s 網(wǎng)絡邊緣節(jié)點分層模型。 1 3 2 論文主要內(nèi)容 圖1 - 5o b s 網(wǎng)絡邊緣節(jié)點分層模型 本論文圍繞實驗室承擔的國家8 6 3 計劃資助課題，設計和實現(xiàn)o b s 網(wǎng)絡同 步核心節(jié)點。論文主要分為四部分。 第一章總體介紹了光突發(fā)交換網(wǎng)絡的概念、技術背景和特點。針對o b s 網(wǎng) 絡的關鍵技術和項目要求，描述了本論文所涉及的o b s 同步試驗網(wǎng)絡。在此試 驗網(wǎng)絡的基礎上，大體描述了網(wǎng)絡中主要的設備邊緣節(jié)點、核心節(jié)點的地位 和作用，宏觀上對整個o b s 網(wǎng)絡進行了概述。 第二章詳細介紹了同步核心節(jié)點主控板的設計與實現(xiàn)。首先介紹了o b s 同 步網(wǎng)絡核心節(jié)點主控板的功能需求，及同步實現(xiàn)原理，并依據(jù)需求，設計出主控 板的整體硬件架構。就此架構進行了詳細的描述，包括含多個核心節(jié)點的網(wǎng)絡同 步原理，芯片的選取，各個硬件模塊的連接等，并根據(jù)實際設計經(jīng)驗，總結出板 級設計過程中的具體細節(jié)和注意事項。最后是對核心節(jié)點主控板的測試總結，從 各個模塊單元出發(fā)完整測試了主控板，并在含多個核心節(jié)點的o b s 網(wǎng)絡中驗證 了系統(tǒng)的整體同步與傳輸狀況，滿足了本次項目中所需要達到的要求。 第三章詳細介紹了核心節(jié)點光交叉矩陣的改進，實現(xiàn)和電路仿真。針對原有 o b s 網(wǎng)絡核心節(jié)點光交叉矩陣的缺陷，進行相應的電路仿真，重新設計。然后 就不同部分的新設計進行了詳細的分析描述，包括高壓電源模塊的更新設計，矩 陣單元驅動板的更新設計，以及相應的電路仿真等，并根據(jù)實際設計經(jīng)驗，總結 出板級設計過程中的一些注意事項。 第四章對整個論文技術部分進行了總結和展望。主要針對o b s 網(wǎng)絡核心節(jié) 點的功能要求，對測試及使用過程中電路設計所存在的問題和注意事項給予了具 體的說明，提出了對系統(tǒng)進行進一步改進與優(yōu)化的觀點與方法。 第二章同步核心節(jié)點主控制板的設計與實現(xiàn) 2 1 同步核心節(jié)點主控板的總體設計與功能要求 同步核心節(jié)點主控制板是o b s 網(wǎng)絡的中央控制部分，主要用于處理控制信 道的控制信息，與上層網(wǎng)管進行通信，進而預約資源，按時控制交叉矩陣的開啟、 關閉，使數(shù)據(jù)包能夠在o b s 網(wǎng)絡中按需要正常傳輸。 o b s 核心節(jié)點主控制板結構如圖2 1 所示。控制信道中的數(shù)據(jù)包經(jīng)o e 轉 換進入控制模塊進行電處理?？刂颇K讀取控制信道中的信息，并將其分為信令 和突發(fā)控制分組兩類。若它為突發(fā)控制分組，則根據(jù)控制分組所包含的信息進行 路由選擇和波長帶寬預留分配，并在適當?shù)臅r刻產(chǎn)生相應發(fā)控制信號，同時修改 突發(fā)控制分組并轉發(fā)；若為信令，則根據(jù)信令更改相應的數(shù)據(jù)庫，并根據(jù)需要轉 發(fā)信令。 嘲，亡管理 幀 處 理 模 塊 消 息 引 擎 鐾鏖嫠蚓路由衰li 霪囊莒 誓鎏翌b 剖資源庫 度模塊r 1 貝俅阡 光交義矩陣 圖2 - 1 核心節(jié)點控制板結構圖 c p u 為保證實現(xiàn)一個核心節(jié)點可與另外兩個核心節(jié)點及一個邊緣結點互連的初 步實驗網(wǎng)絡，并且留有進一步擴展的余地，確定每個核心節(jié)點包含四路控制信道。 控制信道采用千兆以太網(wǎng)光接口，需滿足串行數(shù)據(jù)1 2 5 g b s 的光電轉換處理速 度，可利用現(xiàn)有集成光收發(fā)模塊實現(xiàn)，確保1 2 5 g b s 的線速處理能力。串并、 并串及時鐘提取與比特同步處理等收發(fā)處理功能，需滿足串行1 2 5 g b s 數(shù)據(jù)速 率和并行8 位數(shù)據(jù)帶寬1 2 5 m b s 數(shù)據(jù)速率的需求，可利用標準接口的專用a s i c 芯片實現(xiàn)。由于0 b s 系統(tǒng)中采用非標準的幀格式，所以沒有可用的a s i c 芯片。 為了方便、靈活、快速的處理，利用f p g a 快速可編程的特點，完成自定義幀的 井串一一并串一一并串一一井串吖制一一吖彤一一吖射一一吖劓耋啪一一叭啪一一眥啪一一帆啪 非標準處理，包括突發(fā)控制分組幀定位、提取、識別、分類及錯誤處理，并存儲 不同隊列中，同時將待發(fā)送的數(shù)據(jù)成幀，發(fā)送到指定的端口。上層網(wǎng)管單元，則 由嵌入式系統(tǒng)來完成剮。 2 2 同步核心節(jié)點主控板的設計與實現(xiàn) 在同步核心節(jié)點主控板中，以f p g a 為主控制芯片，負責控制包信息的處理 和與上層網(wǎng)管的信息交互以及對光交插矩陣的邏輯、時序控制。串并轉換由兩個 獨立的$ 2 0 6 4 芯片完成，各自的四個通路分別用于接收和發(fā)送，即其中一個$ 2 0 6 4 只用于接收控制包，而另一個$ 2 0 6 4 只用于發(fā)送控制包。根據(jù)$ 2 0 6 4 芯片的工 作原理，其接收部分的時鐘恢復單元依據(jù)本地時鐘為參考，從鏈路上傳來的數(shù)據(jù) 中恢復出鏈路時鐘，并在為后端傳送并行數(shù)據(jù)的同時提供提取出來的隨路時鐘， 可自行完成同步接收。因此，用于接收的s 2 0 6 4 在完成同步解調(diào)數(shù)據(jù)的同時，將 隨路時鐘傳送至后端的f p g a 中。隨路時鐘經(jīng)f p g a 處理后，送至用于發(fā)送的 $ 2 0 6 4 ，作為發(fā)送數(shù)據(jù)的參考時鐘，實現(xiàn)了核心節(jié)點的同步發(fā)送，從而保證系統(tǒng) 內(nèi)部的各核心節(jié)點接收、發(fā)送時鐘完全同步于鏈路時鐘，進而實現(xiàn)整個系統(tǒng)的同 步。這也決定了在本項目的o b s 網(wǎng)絡中，核心節(jié)點不僅可以與四個邊緣節(jié)點相 連，還可以與多個核心節(jié)點相連，并保證整個系統(tǒng)的整體同步，而不會因為多個 核心節(jié)點的存在而影響系統(tǒng)的同步性能和傳輸速率。 整個核心節(jié)點主控板的同步設計如圖2 - 2 所示： 圖2 - 2 核心板同步原理圖 首先控制信道的數(shù)據(jù)經(jīng)光收發(fā)模塊轉換成電信號進入用于接收的$ 2 0 6 4 的 一個通路，經(jīng)過串并變換及1 0 b 8 b 解碼。解碼后8 b i t 并行數(shù)據(jù)及3 路控制信號， 根據(jù)接收隨路時鐘進入主控f p g a 處理，收到的控制幀將進入資源預約流程，預 約成功后產(chǎn)生新的控制幀傳往下一個節(jié)點；收到的路由協(xié)議幀透明向上層 m p c 8 6 0 傳送并進行處理，m p c f l 6 0 待發(fā)送的路由幀和新產(chǎn)生的控制幀再根據(jù)隨 路時鐘送到發(fā)送$ 2 0 6 4 對應的出通路，送往下個節(jié)點，而發(fā)送$ 2 0 6 4 的發(fā)送參 考時鐘由接收$ 2 0 6 4 的收隨路時鐘提供，以保證核心節(jié)點的同步性。接插件與光 交叉矩陣相連，傳送控制光交叉矩陣的控制信號。主控板時鐘和接收$ 2 0 6 4 的參 考時鐘均由本地晶振產(chǎn)生，為1 2 5 唧z 。此外當鏈路建立后，m p c 8 6 0 還要向f p g a 內(nèi)寫入m p l s 表項信息、調(diào)度參數(shù)信息、以及讀取流量統(tǒng)計信息。整個核心節(jié) 點主控板的硬件設計如圖2 3 所示： 2 2 1 主要芯片選型 圖2 = 3 主控板結構圖 如圖2 4 所示，為光收發(fā)模塊的結構圖。目前，光模塊的小型化已經(jīng)十分成 熟，核心節(jié)點控制板采用標準的主流s f p 封裝的光模塊，便于電路板的整體布局。 核心節(jié)點控制板只處理光信號的控制包，而光信號的數(shù)據(jù)包將通過矩陣進行路由 交換?？刂瓢蛿?shù)據(jù)包均通過同一光纖信道傳輸，為通過較為簡便的分波器將數(shù) 據(jù)包和控制包分離，并考慮控制包的傳輸距離，采用海信的l t d l 3 0 2s f p 光模 塊完成光電、電光轉換。模塊的傳輸距離為1 0 k m ，其數(shù)據(jù)傳輸率1 2 5 0 m b p s ，符 合i e e e ，8 0 2 3 z g i g a b i te t h c r n e t 標準；輸入輸出電平均為l v p e c l ，工作電壓3 3 v ； 發(fā)射中心波長1 3 1 0 n m ，發(fā)射消光比大于9 d b ，飽和光功率大于3 d b m ，發(fā)射r m s 譜寬小于l n m ；光接收靈敏度達到2 4d b m ；接收告警光功率達到3 1 2 d b m ；發(fā) 射輸出功率為6 d b m 。 啊，鼻幡 岬 ，齲t i i l l 1 l l h a h 黼o i 峨0 孵 鼬- j 一 圖2 - 4l t d l3 0 2s f p 光收發(fā)模塊 s 2 0 6 4 是a m c c 公司一款功能十分強大的背板驅動芯片，如圖2 - 5 所示。 工作電壓3 3 v ，工作速率范圍很寬，可滿足0 7 g h z 1 3 g h z 的工作速率。芯片 主要包括接收和發(fā)送兩個部分：4 路發(fā)射器以字節(jié)為單位，將并行數(shù)據(jù)或同步字 k 2 8 5 在隨路時鐘的上升沿進行采樣，并通過8 b 1 0 b 編碼和并串變換向外發(fā)射 1 2 5 g b i t s 的高速串行碼流。內(nèi)部p l l 可以從一個1 2 5 m 的低速參考時鐘生成所 需的高速串行信號發(fā)射時鐘，以減小高速時鐘的抖動；4 路接收器通過時鐘恢復 單元( c r u ) ，可提供高速串行自同步信號的隨路時鐘恢復功能，高速串行數(shù)據(jù) 經(jīng)過串并變換和1 0 b 8 b 解碼模塊，以字節(jié)為單位，在隨路時鐘的上升沿將數(shù)據(jù) 或同步特殊字符輸出，同時還包括一些隨路控制信號。另外，芯片還提供了 l o w - j i t t e rs e r i a lp e c l 接口，半速率工作模式和用于調(diào)試使用的自回環(huán)功能u 。 o r 口k 口l i b o 罟搖盤翟 _ j 翟k l i t r l i i i 7 - 。器囂百齷 。器器踞招 圖2 - 5s 2 0 6 4 模塊圖 i 在核心節(jié)點中，控制單元是一個關鍵部件。它負責控制標簽交換和資源預留， 而滿足核心節(jié)點控制單元要求的專用芯片是不可能買到的，只能靠高速的f p g a 自己編程來實現(xiàn)。由于控制單元實現(xiàn)的功能較多，邏輯復雜，并考慮到以后項目 的擴展性，因此，需要在眾多的f p g a 產(chǎn)品中進行大量的選型調(diào)研，才能找到一 款適合0 b s 網(wǎng)絡這種大規(guī)模高速數(shù)據(jù)處理的需要的芯片。這次系統(tǒng)使用的f p g a 選用a l t e r as 仃a t i x t m 系列，e p 2 s 6 0 ，s 仃a t 改i if p g a 采用前沿的9 0 n m 技術構 建，能夠提供目前業(yè)內(nèi)最大的密度和邏輯效率。s t r a f i x f p g a 中的t f i m a t r i x 存儲器具有多達9 m b i t 的r a m 。這種先進的存儲結構包括三種大小的嵌入存儲 器塊一- - m 5 1 2 、m 4 k 和y - r a m 塊，可配置支持多種特性。 s 打a t i x 器件具有多達1 2 個可編程p l l ，具有健全的時鐘管理和頻率合成 能力，實現(xiàn)最大化的系統(tǒng)性能。p l l 具有高端功能，包括時鐘切換、p l l 重配置、 擴頻時鐘、頻率綜合、可編程相位偏移、可編程延遲偏移、外部反饋和可編程帶 寬。這些功能運行使設計者能很好的管理s t r a t i x 器件內(nèi)外的系統(tǒng)時序u “。 s t r a t i x 器件具有串行和差分片內(nèi)匹配，使得印刷電路板( p c b ) 所需的外 部電阻數(shù)量最少，從而大大簡化電路板布局。s 仃a f i xu 器件特性如圖2 - 5 所示：” 矗m e 糾甜r a t j x h f p g a 廳m i r f e a t u r e s f e a t u r e口簽1 5e p 2 s 3 0e p 2 s 6 0e p 2 s 9 0e p 2 s 1 舳e p 2 s 1 8 口 a l m s6 2 4 01 3 5 5 2 2 4 1 7 6 3 6 3 8 4 5 3 0 1 6 7 1 7 6 0 a d a p i h 怕i o o i 【叫pt a b i 鎬( a wl s ) 偽 1 2 4 2 7 , 1 0 44 8 。3 5 27 2 7 6 81 0 3 21 4 3 ，5 2 0 e 刪e n tl i e st 2 ) 15 6 9 9 b b 04 柏9 0 9 6 01 3 2 5 4 01 7 9 4 0 0 m 5 1 2 r a mh o e k s1 0 42 0 29 2 94 8 86 9 99 9 0 m 4 1 外部嵌入式 e p 2 s 6 0處理謄 n 巾c 8 6 0 辱。們 c l k c s j 圖2 - 9 突發(fā)包調(diào)度f p c a 與上層微處理器芯片m p c 8 6 0 2 2 5 主控f p c d 、與光交叉矩陣的連接 光交叉矩陣包含1 2 個光開關，每個光開關都需要單獨的信號進行控制，因 此主控f p g a 需要向外提供1 2 路信號。而光交叉矩陣距離核心節(jié)點主控板有一定 距離，如果直接采用l v t t l 電平進行驅動，其間可能會受到高壓輻射以及電磁干 擾等周圍環(huán)境的影響，且傳輸距離較長，從而導致驅動信號不穩(wěn)定甚至出現(xiàn)錯誤 的情況，因此設計中采用差分信號l v d s 進行跨板級間的數(shù)據(jù)傳輸。由于f p g a 輸出的是驅動信號是l v t t l 電平，這就需要進行l(wèi) v t t l 與l v d s 之間的電平轉換， 如圖2 - 1 0 所示，電平轉換功能采用m a x i m 公司的m a x 9 1 2 3 芯片來實現(xiàn)。 圖2 - 1 0f p g a 與光交叉矩陣的連接 m a x 9 1 2 3 為四路低壓差分信號( l v d s ) 差分線驅動器，尤其適合于那些要求 高數(shù)據(jù)速率、低功耗和低噪聲的應用。通過大約1 0 0 n 可控阻抗的傳輸介質(zhì)，保 證數(shù)據(jù)接收速度高達8 0 0 m b p s 。m a x 9 1 2 3 接收四路l v t t l l v c o m s 輸入，轉換為 對應的l v d s 輸出。外部引腳排列簡化了印刷電路板的布線，且通過分開l v d s 輸出和l v c m o s 輸入，減少了串擾u 副。 1 2 路信號經(jīng)過電平變換后成為2 4 路信號，每6 路一組，共分四組，分別連 接四個矩陣單元?？刂菩盘柾ㄟ^1 2 針排線進行傳輸，包括3 組差分信號和3 組 保護地線。 2 3 主控板的測試 核心節(jié)點主控板的測試采用先局部后整體，按照光板測試，電路級測試，功 能級測試的順序進行。 在電路板制作完成后，首先進行p c b 板的光板測試，即對加工板進行工藝審 查，以確保電路板性能的合格。主要通過使用萬用表測量電源平面，地平面，以 及關鍵信號線的連通特性，及并通過對整個電路板表面的觀察來排除連線斷開， 意外短路，以及器件封裝錯誤等基本信息。在加工板測量無誤的情況下，進行器 件的焊接，焊接全部完成后電路板為制成板。 電路級測試，即在焊接過程中及完成焊接后，通過觀察和萬用表測量，來規(guī) 避短路，虛焊，連焊，搭錫，錯誤連接等。在焊接過程中，務必不間斷進行電源 平面和地平面間阻抗測試，主要是由于在布線和器件擺放密度較高的電路板中， 短路是最經(jīng)常出現(xiàn)的電路故障，必須在焊接的過程中時刻進行控制規(guī)避，以防止 在整體焊接完畢后無法判斷故障位置而全部拆卸重新焊接的錯誤。 在保證電路的物理連接電氣特性無誤后，進行功能級測試。功能級測試分為 兩階段，首先是模塊級測試，之后是整體電路功能的測試。模塊級測試包括電源 模塊測試，時鐘信號測試，f p g a 芯片測試，$ 2 0 6 4 芯片測試，光模塊測試。 2 3 1 電源測試 本板電源為3 3 v 和1 2 v ，而且兩種幅值的電源又有模擬與數(shù)字之分。本板 的地平面主要分為數(shù)字地、模擬地與機殼地。數(shù)字地與模擬地用磁珠分離，數(shù)字 地與機殼地通過四個小電容隔離。電源測試主要包括測量電源平面和地平面的工 作狀態(tài)。測量電源平面的工作狀態(tài)主要是測試各個幅值的電源是否達到應到幅值 以及相應電源的的紋波狀況，判斷是否超出后級芯片所規(guī)定的容限。測量不同地 平面的工作狀態(tài)主要是測量數(shù)字地對模擬地的噪聲干擾狀況，在如上確認了電源 和地沒有問題之后就可以進入到下一個環(huán)節(jié)的測試。 2 3 2 時鐘信號的測試 使用示波器觀測各芯片的時鐘輸入管腳是否為所需時鐘，以及時鐘質(zhì)量。若 沒有時鐘信號或質(zhì)量不好，可測試晶振的電源管腳的加電情況以及輸出管腳的時 鐘輸出質(zhì)量，可對其進行濾波修正信號質(zhì)量。若各輸入時鐘沒有問題，則可進入 單板的功能以及性能測試。 2 3 3 芯片功能測試主控f p g a 的測試 f p g a 是整個主控板上最關鍵的器件，f p g a 的好壞直接關系到其他主要芯 片的測試情況。它的測試主要包括j t a g 和a s 下載方式的測試以及f p g a 運行 測試。a s 下載方式的測試和f p g a 運行測試可同時進行測試，編寫一個簡單程 序。如控制測試燈的閃爍程序，將此程序通過q u a r t u s 軟件在a s 模式下下載到 配置芯片e p c s l 6 中，如果軟件顯示下載成功的信息，并且測試燈的閃爍按照程 序規(guī)定工作，則證明配置正確，且f p g a 能正常工作。j t a g 的測試方式與a s 的測試類似，只是程序通過j t a g 口直接被下載到f p g a 中，且掉電后程序需要 重新下載。 2 3 4 芯片功能測試s 2 0 6 4 的測試 由于核心節(jié)點的接收$ 2 0 6 4 只使用了接收通道，而發(fā)送$ 2 0 6 4 只使用了發(fā) 送通道，因此無法進行$ 2 0 6 4 的自環(huán)測試。為了測試$ 2 0 6 4 的功能，必須使用 兩塊板子進行光信號的對傳來進行測試，是在保證f p g a 能正常工作的情況下進 行的。如圖2 1 1 所示：c o r e l 和c o r e 2 是兩塊核心節(jié)點的控制板，之間用光 纖連接。c o r e l 控制板作為數(shù)據(jù)信號發(fā)生源，c o r e 2 控