OBS核心節(jié)點(diǎn)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

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(huì)由于模塊的增加帶來額外的延時(shí)，而需要消耗更多的處理時(shí)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(gè)模塊中處理，一方面，模塊的整合可以縮短BCP的處理時(shí)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(jì)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(shí)間和數(shù)據(jù)包長度估算出釋放資源的時(shí)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(gè)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。

　　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(gè)轉(zhuǎn)發(fā)路由表和一個(gè)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(shí)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(jì)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(shí)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(gè)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(shí)間，用于更新BCP包的偏置時(shí)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(shí)問的計(jì)算及更新，對(duì)路由和調(diào)度模塊的控制等;4、對(duì)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(gè)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U(xiǎn)pdate狀態(tài);如果是BCP包，則進(jìn)入Route&Schedule狀態(tài)，啟動(dòng)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U(xiǎn)pdate狀態(tài);在Update狀態(tài)下，對(duì)TTL進(jìn)行更新，如果調(diào)度出來的波長號(hào)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(hào)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(hào)。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(gè)端口作為一組，包含一個(gè)控制單元CU及一組定時(shí)器，每個(gè)定時(shí)器對(duì)應(yīng)于一個(gè)信道。信道空閑時(shí)定時(shí)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(hào)，同時(shí)肩動(dòng)相應(yīng)定時(shí)器，時(shí)間設(shè)置為偏置時(shí)間+預(yù)留時(shí)間，定時(shí)結(jié)束，關(guān)閉光開關(guān)控制信號(hào)?？刂茊卧筛鶕?jù)各定時(shí)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(cè)各幀解析模塊的調(diào)度請(qǐng)求信號(hào)，如果有效，讀取目的網(wǎng)絡(luò)地址，同時(shí)啟動(dòng)路由和調(diào)度過程，先到路由表查找到第一個(gè)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(dòng)相應(yīng)定時(shí)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(hào)給幀解析模塊。

　　2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

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

　　圖2 BCP包接收處理過程的工作時(shí)序(參見結(jié)尾)由圖4可見，在一個(gè)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(gè)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(hào)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(duì)核心節(jié)點(diǎn)開關(guān)速度的要求。

　　3 總結(jié)

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