分組交換技術(shù)在光傳輸網(wǎng)中的研究與設(shè)計(jì)

朱 謙，蔣 林，蔡 龍

(西安郵電大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西西安 710121)

OTN(Optical Transport Network)是將點(diǎn)到點(diǎn)的波分復(fù)用系統(tǒng)用光交叉(Optical Cross-connector，OXC)互連節(jié)點(diǎn)和分插復(fù)用(Optical Add/Drop Multiplexer，OADM)節(jié)點(diǎn)連接起來(lái)的全新光傳送網(wǎng)絡(luò)體制(OTH，Optical Transport Hierarchy)，在光域內(nèi)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)信號(hào)的傳送、復(fù)用、路由選擇和監(jiān)控，并保證其性能指標(biāo)和生存性［1］。OTN的產(chǎn)生是由于數(shù)據(jù)量的爆炸式增長(zhǎng)，能夠滿足大顆粒業(yè)務(wù)需求，如能夠承載GbE/10GbE/40GbE/100GbE速率的客戶信號(hào)［2］，透明傳輸多種客戶信號(hào)，如 SDH/SONET、IPMPLS、ATM、STM-N、Ethernet等。

OTN有諸多優(yōu)點(diǎn)，但交換技術(shù)仍是OTN的一個(gè)瓶頸，目前OTN主要的交換方式有全光交換和光/電/光交換。全光交換技術(shù)目前主要在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行研究與功能實(shí)現(xiàn)［1］，而由O-E-O方式進(jìn)行的電路交換效率仍然不高，無(wú)法應(yīng)對(duì)逐漸IP化的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)，而且電路交換的速率遠(yuǎn)不及包交換的速率。而包交換思想的提出，是為了克服電路交換中，各種不同類型和特征的用戶終端之間不能互通和通信電路利用率低等問(wèn)題［3］。可以在OTN中采用包結(jié)構(gòu)，將光信道數(shù)據(jù)單元ODUK(Optical channel Data Unit-K，K=0，1，2，3)幀流切割成在標(biāo)準(zhǔn)大小上加減1的數(shù)據(jù)包，經(jīng)過(guò)包交換芯片交換，然后再重組為ODUK幀流，此方法可以有效解決OTN交換的難題，同時(shí)可以將其發(fā)展為一種統(tǒng)一的交換結(jié)構(gòu)，使之既可以處理數(shù)據(jù)包也可以處理 TDM業(yè)務(wù)［4］。

1 基于包結(jié)構(gòu)的光傳送網(wǎng)描述

光通信網(wǎng)絡(luò)正在由純粹的SONET/SDH導(dǎo)向的網(wǎng)絡(luò)向以太網(wǎng)和OTN相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)演化。歷史上曾經(jīng)使用單一結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，例如用一個(gè)設(shè)備來(lái)處理包業(yè)務(wù)，一個(gè)設(shè)備來(lái)處理TDM業(yè)務(wù)。因此人們希望使用一個(gè)綜合的處理系統(tǒng)，能同時(shí)適應(yīng)各種業(yè)務(wù)的處理，這樣可以更加節(jié)省能源和機(jī)架［4］。目前包交換網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)占據(jù)了很大的市場(chǎng)比例，如果利用包結(jié)構(gòu)來(lái)承載OTN客戶信號(hào)，那么就可以廣泛利用現(xiàn)存的包交換設(shè)備，這將達(dá)到事半功倍的效果。圖1為包結(jié)構(gòu)和OTN相結(jié)合的光傳輸平臺(tái)。圖中SONET/SDH信號(hào)從OTN的接入側(cè)線卡經(jīng)過(guò)平臺(tái)傳遞到OTN的輸出側(cè)線卡。在平臺(tái)中，OTP(Optical Transport Platform)單元將高階的ODUK幀流解復(fù)用為低階的ODUK幀流，將低階信號(hào)切割為相應(yīng)大小的數(shù)據(jù)包，經(jīng)過(guò)包交換芯片交換后，再重組為 ODUK幀流，將低階 ODUK幀復(fù)用為高階ODUK幀后，傳入其他OTP單元完成一次數(shù)據(jù)交換。

圖1 包和OTN相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)

圖2為圖1中OTP網(wǎng)絡(luò)單元的結(jié)構(gòu)，ODUK數(shù)據(jù)流經(jīng)過(guò)ODUK to SAR(Segmentation and Reassembly)模塊切割為固定大小的數(shù)據(jù)包，再經(jīng)過(guò)Interlaken高速接口將切割好的數(shù)據(jù)包發(fā)送到包交換芯片，通過(guò)交換芯片交換的數(shù)據(jù)包先經(jīng)過(guò)Interlaken接口接收，再經(jīng)過(guò)ODUK to SAR模塊組合為ODUK數(shù)據(jù)流。其中數(shù)據(jù)流的切割和重組是難點(diǎn)和關(guān)鍵。

圖2 OTP網(wǎng)絡(luò)單元

2 ODUK幀結(jié)構(gòu)概述

ODUK，K=0 表示比特率約為1.25 Gbit·s-1，K=1表示比特率約為2.5 Gbit·s-1，K=2表示比特率約為10 Gbit·s-1，K=3 表示比特率約為 40 Gbit·s-1。其幀結(jié)構(gòu)［5］如圖3所示，為4行3 824列結(jié)構(gòu)，主要由ODUK開(kāi)銷和OPUK(光信道凈荷單元)兩部分組成。第1～14列為ODUK的開(kāi)銷部分，但第一行的1～14列用來(lái)傳送幀定位信號(hào)和OTUK(光信道傳送單元)開(kāi)銷。第2、3、4行的(1～14)列用來(lái)傳送ODUK開(kāi)銷。15～3 824列用來(lái)承載OPUK。ODUK速率由式(1)計(jì)算。

圖3 ODUK幀結(jié)構(gòu)

3 包結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)單元

圖4為基于包結(jié)構(gòu)的OTN一個(gè)網(wǎng)絡(luò)單元，其包括，輸入OTN功能模塊，輸入SAR功能模塊，包結(jié)構(gòu)模塊，出口SAR功能模塊和輸出OTN功能模塊。一個(gè)普通參考時(shí)鐘(REFCLK)和一個(gè)同步脈沖(SYNC)被分布到所有輸入和輸出SAR功能模塊。參考時(shí)鐘和同步時(shí)鐘必須從一個(gè)普通的時(shí)間基準(zhǔn)產(chǎn)生，并且相互之間鎖相。輸入OTN功能模塊由一個(gè)OTUK成幀器組成，成幀器結(jié)束OTUK的開(kāi)銷信息，去掉前向糾錯(cuò)(FEC)，產(chǎn)生相應(yīng)的高階ODUK流。這里也可能有一個(gè)或者多個(gè)ODTUjk解復(fù)用單元，這些單元從高階的ODUK數(shù)據(jù)流中提取低階的ODUj/ODUflex客戶信號(hào)。通過(guò)輸入SAR功能模塊，高階和低階流被分割成數(shù)據(jù)包，然后進(jìn)入包結(jié)構(gòu)模塊。包結(jié)構(gòu)交換數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過(guò)出口SAR功能模塊重新組裝成ODU數(shù)據(jù)流，再經(jīng)過(guò)出口功能模塊進(jìn)行處理。在OTN出口功能模塊，高階ODUK流加上OTUK開(kāi)銷和FEC校驗(yàn)信息組成OTUK數(shù)據(jù)流。低階ODUj/ODUflex流能被復(fù)用成高階ODUK流。ODU流從入口到出口，整個(gè)系統(tǒng)必須保證時(shí)鐘的完整性。

圖4 基于包結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)單元

參考時(shí)鐘311.04 MHz，用于輸入和輸出SAR功能模塊。

表1 包頭每個(gè)域的介紹

ODUk/ODUflex流速率，必須保證鎖相到同步時(shí)鐘。

同步時(shí)鐘8 kHz脈沖，用于輸入輸出SAR功能塊同步時(shí)間戳，來(lái)矯正包延遲變化，同步時(shí)鐘鎖相到參考時(shí)鐘。

輸入SAR功能模塊主要完成將ODUK幀切割成固定大小的數(shù)據(jù)包，對(duì)于同種類型的ODUK信號(hào)切割成的包擁有相同配置的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度。在包切割過(guò)程中，要加上相應(yīng)的包頭信息。標(biāo)準(zhǔn)包大小計(jì)算公式為

其中，B表示切割的包大小;T表示包的生成間隔;N表示每個(gè)調(diào)度間隔生成包的數(shù)量;Cclk為311.04 MHz的參考時(shí)鐘。但實(shí)際包的大小要偏離標(biāo)準(zhǔn)包大小±1 Byte，這是由實(shí)際ODUK速率決定的(時(shí)鐘的漂移和抖動(dòng)［7］)。包格式如圖4所示，包頭每個(gè)域的位寬介紹如表1所示。表2為ODUK切割配置表。

圖5 包格式圖

表2 ODUK切割配置表

輸出SAR功能模塊是對(duì)輸入SAR功能模塊的相反操作，主要是將數(shù)據(jù)包重組為低階ODUK的過(guò)程。SAR電路結(jié)構(gòu)無(wú)疑是基于包結(jié)構(gòu)OTN的關(guān)鍵技術(shù)。

4 基于包的OTN網(wǎng)絡(luò)單元結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)

圖6為一個(gè)基于包結(jié)構(gòu)的OTN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖，如圖所示OTUk串行數(shù)據(jù)通過(guò)CDR電路獲得數(shù)據(jù)時(shí)鐘，通過(guò)OTUKRx Framer尋找OTUK的幀頭，將數(shù)據(jù)送入ODUjk DeMUX模塊，完成高階ODUk向低階ODUj數(shù)據(jù)的提取，Low-Pass Filter模塊將標(biāo)準(zhǔn)ODUK時(shí)鐘的相位與JC調(diào)整所提供的相位相加作為鎖相環(huán)的控制輸入產(chǎn)生包大小判決模塊的ODUj clock，Packet Size Decision模塊對(duì)每T/N個(gè)REFCLK時(shí)鐘內(nèi)的ODUj clock統(tǒng)計(jì)用于判定包的大小，Packet Formatter模塊根據(jù)FIFO中包的大小信息對(duì)解復(fù)用的數(shù)據(jù)打包，送往包交換芯片完成交換。接收端是包的重組過(guò)程，與切割過(guò)程相對(duì)稱，為還原數(shù)據(jù)還要去掉包頭開(kāi)銷得到原始數(shù)據(jù)，將原始數(shù)據(jù)拼接成OTN數(shù)據(jù)，同時(shí)根據(jù)包的大小恢復(fù)原始數(shù)據(jù)的時(shí)鐘［8］。

圖6 基于包結(jié)構(gòu)的OTN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

5 結(jié)束語(yǔ)

基于包交換的OTN網(wǎng)絡(luò)協(xié)議使得OTN網(wǎng)絡(luò)層中的ODU流(ODUk/ODUflex)以數(shù)據(jù)包的形式在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中交換成為現(xiàn)實(shí)。結(jié)合Altera Stratix IV系列開(kāi)發(fā)版提供的Interlank接口及SFI4.2接口可方便地實(shí)現(xiàn)文中提出的網(wǎng)絡(luò)單元。本文作為此項(xiàng)技術(shù)的深入，將有助于大容量高速率數(shù)據(jù)的光交換在電域的發(fā)展。

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