《電子技術(shù)應(yīng)用》
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OBS核心節(jié)點(diǎn)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
摘要:  我們對本設(shè)計進(jìn)行了硬件化實(shí)現(xiàn)。圖4為用QuartusII工具得到的電路時序仿真圖。圖中1、2、3、4、5為狀態(tài)指示信號,依次對應(yīng)幀接收完成信號、讀取狀態(tài)信號,協(xié)議處理狀態(tài)信號,路由和調(diào)度狀態(tài)信號,轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)信號;6,7為輸出信號,分別對應(yīng)調(diào)度完成信號和光開關(guān)設(shè)置信號。
關(guān)鍵詞: SoPC QuartusII OBS 控制系統(tǒng)
Abstract:
Key words :
 

  引言

  光突發(fā)交換(Optical Burst Switching,OBS)網(wǎng)絡(luò)是基于現(xiàn)有的技術(shù)條件,結(jié)合光線路交換和光分組交換的優(yōu)點(diǎn),有效實(shí)現(xiàn)IP over WDM的解決方案。OBS網(wǎng)絡(luò)包括核心節(jié)點(diǎn)和邊緣節(jié)點(diǎn)。核心節(jié)點(diǎn)的主要功能是根據(jù)突發(fā)控制包(BCP:Burst Contro1 Packet)提供的信息進(jìn)行路由和信道資源調(diào)度、設(shè)置光交換矩陣,為突發(fā)數(shù)據(jù)包BDP (Burst Data Packet)預(yù)留全光通道。 

  考慮到JIT協(xié)議調(diào)度算法的簡單性,調(diào)度處理速度很快,調(diào)度算法在獨(dú)立模塊中實(shí)現(xiàn)并沒有必要,反而會由于模塊的增加帶來額外的延時,而需要消耗更多的處理時間。本文提出了一種面向JIT協(xié)議的核心節(jié)點(diǎn)控制器的結(jié)構(gòu),將網(wǎng)絡(luò)層路由功能和OBS層信道調(diào)度功能整合到同一個模塊中處理,一方面,模塊的整合可以縮短BCP的處理時間;另一方面,該結(jié)構(gòu)中,轉(zhuǎn)發(fā)是在調(diào)度之后再執(zhí)行,使得路由選擇可以在最優(yōu)的輸出端口沒有可用信道的情況下,選擇其它可行的輸出端口,再進(jìn)行信道的調(diào)度,從而減少丟包的概率。

  1 控制器的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

  實(shí)現(xiàn)中選用了顯式建立、估算拆除的JIT(Just—In—Time)信令協(xié)議,該協(xié)議只有SETUP消息,沒有REALEASE消息。核心節(jié)點(diǎn)收到并完成SETUP消息的處理后,立即為其預(yù)留資源,并根據(jù)SETUP消息中包含的偏置時間和數(shù)據(jù)包長度估算出釋放資源的時間。

  1.1 系統(tǒng)組成

  圖l為OBS核心控制器系統(tǒng)框圖,分為接收模塊、幀解析模塊、交叉矩陣、發(fā)送模塊、路由和調(diào)度模塊。在各功能模塊之間都設(shè)置了緩存結(jié)構(gòu),使得各個模塊可以獨(dú)立的工作,從而在各模塊之間實(shí)現(xiàn)流水線式的工作方式。各模塊的主要功能如下:

  接收模塊接收控制信道上的數(shù)據(jù),恢復(fù)成以太幀后,寫入到接收緩存中。

OBS核心控制器系統(tǒng)框圖

  幀解析模塊從接收緩存中讀取以太幀,解析出相應(yīng)協(xié)議域信息,進(jìn)行相應(yīng)處理。如果不是BCP包,直接進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)操作;如果是BCP包,把調(diào)度相關(guān)信息發(fā)送給路由和調(diào)度模塊,并根據(jù)路由和調(diào)度模塊返回的消息進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)或丟棄。

  路由和調(diào)度模塊負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層的路由選擇功能和OBS層的信道調(diào)度功能,其中包含一個轉(zhuǎn)發(fā)路由表和一個信道資源庫,轉(zhuǎn)發(fā)路由表保存本節(jié)點(diǎn)的路由表信息,用于路由查詢;信道資源庫記錄本節(jié)點(diǎn)各輸出端口的數(shù)據(jù)信道資源占用情況,并負(fù)責(zé)控制光開關(guān)矩陣。

  交叉矩陣將輸入緩存中的分組交換到輸出緩存中。發(fā)送模塊更新BCP包的偏置時間,再將其組成以太幀發(fā)送到控制信道上。

  1.2 主要模塊的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

  1.2.1 幀解析模塊

  幀解析模塊負(fù)責(zé)解析幀的類型及幀的內(nèi)容,并作部分網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議及OBS層協(xié)議的處理,同時控制路由和調(diào)度模塊的工作。其主要工作可分為如下幾個部分:l、從接收緩存中讀取收到的數(shù)據(jù)包,并記錄接收到的時間,用于更新BCP包的偏置時間;2、網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的處理,包括類型信息、包長、目的網(wǎng)絡(luò)地址的獲取及TTL的更新等;3、OBS層協(xié)議的處理,包括偏置時問的計算及更新,對路由和調(diào)度模塊的控制等;4、對處理好的數(shù)據(jù)包,本地包上傳到本節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)管模塊,需要繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)的,則發(fā)送到輸出緩存中。

幀解析模塊的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

  幀解析模塊的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖2所示。上電后首先進(jìn)入Idle狀態(tài),在Idle狀態(tài)下檢查接收緩存是否有新的數(shù)據(jù)包,有的話則進(jìn)入ReadMAC狀態(tài),讀取MAC頭信息,判斷MAC幀類型,非IP數(shù)據(jù)包則將其丟棄,否則進(jìn)入ReadIP狀態(tài),這個狀態(tài)下讀取IP數(shù)據(jù)包的長度,以及類型,TTL等信息,如果是不是BCP包,進(jìn)入Route狀態(tài),進(jìn)行路由選擇,如果是本地包,則上傳到網(wǎng)管模塊中,否則進(jìn)入Update狀態(tài);如果是BCP包,則進(jìn)入Route&Schedule狀態(tài),啟動路由和調(diào)度模塊的工作。如果調(diào)度不成功,則要將該BCP包丟棄,如果成功,也進(jìn)入Update狀態(tài);在Update狀態(tài)下,對TTL進(jìn)行更新,如果調(diào)度出來的波長號發(fā)生改變,也要更新相應(yīng)信息。之后,就進(jìn)入Forward狀態(tài),將已更新好的數(shù)據(jù)包發(fā)送到輸出緩存中,進(jìn)行下一幀的處理。

  1.2.2 路由和調(diào)度模塊

  圖3所示為路由表和信道資源庫的結(jié)構(gòu)示意圖。路由表包含多條路由表項(xiàng),每條表項(xiàng)包括目的網(wǎng)絡(luò)地址及輸出端口號兩部分信息。查找路由的過程為:從首條表項(xiàng)開始,將目的網(wǎng)絡(luò)地址依次與各表項(xiàng)中網(wǎng)絡(luò)地址進(jìn)行匹配,匹配成功即輸出端口號。Ptr用來指向當(dāng)前的匹配表項(xiàng),如需二次查找,只需從Ptr指向的表項(xiàng)開始繼續(xù)查找。

  信道資源庫包含所有端口的信道分配信息,每個端口作為一組,包含一個控制單元CU及一組定時器,每個定時器對應(yīng)于一個信道。信道空閑時定時器也處于空閑狀態(tài),每次為BCP成功分配信道以后,就需要打開光開關(guān)控制信號,同時肩動相應(yīng)定時器,時間設(shè)置為偏置時間+預(yù)留時間,定時結(jié)束,關(guān)閉光開關(guān)控制信號??刂茊卧筛鶕?jù)各定時器的工作狀態(tài)確定各信道的使用狀態(tài),進(jìn)行信道分配。

  圖3路由表和信道資源庫的結(jié)構(gòu)示意圖路由和調(diào)度功能的實(shí)現(xiàn)過程如下:首先檢測各幀解析模塊的調(diào)度請求信號,如果有效,讀取目的網(wǎng)絡(luò)地址,同時啟動路由和調(diào)度過程,先到路由表查找到第一個與目的網(wǎng)絡(luò)地址匹配的路由表項(xiàng),得到輸出端口;再到信道資源庫里檢查該端口是否有空閑的數(shù)據(jù)信道,有的話預(yù)留該信道,設(shè)置光開關(guān)矩陣,啟動相應(yīng)定時器,調(diào)度成功,返回給幀解析模塊輸出端口和數(shù)據(jù)信道的信息;如果不存在空閑信道,則需要繼續(xù)到路由表中查找匹配表項(xiàng),找到后再次到信道資源庫中搜索空閑信道,如此繼續(xù);如果搜索完路由表中所有表項(xiàng)后仍無法找到空閑信道,則返回調(diào)度失敗信號給幀解析模塊。

  2 實(shí)驗(yàn)測試

  我們對本設(shè)計進(jìn)行了硬件化實(shí)現(xiàn)。圖4為用QuartusII工具得到的電路時序仿真圖。圖中1、2、3、4、5為狀態(tài)指示信號,依次對應(yīng)幀接收完成信號、讀取狀態(tài)信號,協(xié)議處理狀態(tài)信號,路由和調(diào)度狀態(tài)信號,轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)信號;6,7為輸出信號,分別對應(yīng)調(diào)度完成信號和光開關(guān)設(shè)置信號。

  圖2 BCP包接收處理過程的工作時序(參見結(jié)尾)由圖4可見,在一個OBS包的處理過程中,依次經(jīng)歷了幀數(shù)據(jù)的讀取、協(xié)議處理、路由和調(diào)度、轉(zhuǎn)發(fā)等多個狀態(tài),其中從BCP包接收完成到發(fā)出光開關(guān)設(shè)置信號僅用了lOOns,相比于現(xiàn)有的實(shí)現(xiàn)方案,有了很大的提高。完全可以滿足現(xiàn)有OBS網(wǎng)絡(luò)對核心節(jié)點(diǎn)開關(guān)速度的要求。

  3 總結(jié)

  測試結(jié)果表明:接收完BCP包到發(fā)出光開關(guān)設(shè)置信號的最短時間為lOOns。顯著縮短了控制包在核心節(jié)點(diǎn)的處理時間。



 

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