OBS核心控制器結構設計與硬件化實現

O．引言
    光突發(fā)交換(Optical Burst Switching，OBS)網絡是基于現有的技術條件，結合光線路交換和光分組交換的優(yōu)點，有效實現IP over WDM的解決方案。OBS網絡包括核心節(jié)點和邊緣節(jié)點。核心節(jié)點的主要功能是根據突發(fā)控制包(BCP：Burst Contro1 Packet)提供的信息進行路由和信道資源調度、設置光交換矩陣，為突發(fā)數據包BDP (Burst Data Packet)預留全光通道。
    OBS網絡的性能很大程度上取決于突發(fā)控制包在核心節(jié)點的處理速度，與OBS偏置時間(Offset Time)的大小直接相關。目前，用軟件的方法實現的基于JIT協議的核心節(jié)點，處理速度一般在ms量級。為了提高BCP包的處理速度，文獻用硬件化方法把JIT協議的突發(fā)控制包處理時間降到us量級。考慮到JIT協議調度算法的簡單性，調度處理速度很快，調度算法在獨立模塊中實現并沒有必要，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協議的核心節(jié)點控制器的結構，將網絡層路由功能和OBS層信道調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，該結構中，轉發(fā)是在調度之后再執(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，再進行信道的調度，從而減少丟包的概率。

1 控制器的設計與實現
    實現中選用了顯式建立、估算拆除的JIT(Just—In—Time)信令協議，該協議只有SETUP消息，沒有REALEASE消息。核心節(jié)點收到并完成SETUP消息的處理后，立即為其預留資源，并根據SETUP消息中包含的偏置時間和數據包長度估算出釋放資源的時間。
1．1 系統組成
    圖l為OBS核心控制器系統框圖，分為接收模塊、幀解析模塊、交叉矩陣、發(fā)送模塊、路由和調度模塊。在各功能模塊之間都設置了緩存結構，使得各個模塊可以獨立的工作，從而在各模塊之間實現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據，恢復成以太幀后，寫入到接收緩存中。

 幀解析模塊從接收緩存中讀取以太幀，解析出相應協議域信息，進行相應處理。如果不是BCP包，直接進行轉發(fā)操作；如果是BCP包，把調度相關信息發(fā)送給路由和調度模塊，并根據路由和調度模塊返回的消息進行轉發(fā)或丟棄。
    路由和調度模塊負責實現網絡層的路由選擇功能和OBS層的信道調度功能，其中包含一個轉發(fā)路由表和一個信道資源庫，轉發(fā)路由表保存本節(jié)點的路由表信息，用于路由查詢；信道資源庫記錄本節(jié)點各輸出端口的數據信道資源占用情況，并負責控制光開關矩陣。
    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 主要模塊的設計與實現
1．2．1 幀解析模塊
    幀解析模塊負責解析幀的類型及幀的內容，并作部分網絡層協議及OBS層協議的處理，同時控制路由和調度模塊的工作。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據包，并記錄接收到的時間，用于更新BCP包的偏置時間；2、網絡層協議的處理，包括類型信息、包長、目的網絡地址的獲取及TTL的更新等；3、OBS層協議的處理，包括偏置時問的計算及更新，對路由和調度模塊的控制等；4、對處理好的數據包，本地包上傳到本節(jié)點的網管模塊，需要繼續(xù)轉發(fā)的，則發(fā)送到輸出緩存中。

幀解析模塊的狀態(tài)轉移圖如圖2所示。上電后首先進入Idle狀態(tài)，在Idle狀態(tài)下檢查接收緩存是否有新的數據包，有的話則進入ReadMAC狀態(tài)，讀取MAC頭信息，判斷MAC幀類型，非IP數據包則將其丟棄，否則進入ReadIP狀態(tài)，這個狀態(tài)下讀取IP數據包的長度，以及類型，TTL等信息，如果是不是BCP包，進入Route狀態(tài)，進行路由選擇，如果是本地包，則上傳到網管模塊中，否則進入Update狀態(tài)；如果是BCP包，則進入Route&Schedule狀態(tài)，啟動路由和調度模塊的工作。如果調度不成功，則要將該BCP包丟棄，如果成功，也進入Update狀態(tài)；在Update狀態(tài)下，對TTL進行更新，如果調度出來的波長號發(fā)生改變，也要更新相應信息。之后，就進入Forward狀態(tài)，將已更新好的數據包發(fā)送到輸出緩存中，進行下一幀的處理。
1．2．2 路由和調度模塊
    圖3所示為路由表和信道資源庫的結構示意圖。路由表包含多條路由表項，每條表項包括目的網絡地址及輸出端口號兩部分信息。查找路由的過程為：從首條表項開始，將目的網絡地址依次與各表項中網絡地址進行匹配，匹配成功即輸出端口號。Ptr用來指向當前的匹配表項，如需二次查找，只需從Ptr指向的表項開始繼續(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，就需要打開光開關控制信號，同時肩動相應定時器，時間設置為偏置時間+預留時間，定時結束，關閉光開關控制信號?？刂茊卧筛鶕鞫〞r器的工作狀態(tài)確定各信道的使用狀態(tài)，進行信道分配。
    圖3路由表和信道資源庫的結構示意圖路由和調度功能的實現過程如下：首先檢測各幀解析模塊的調度請求信號，如果有效，讀取目的網絡地址，同時啟動路由和調度過程，先到路由表查找到第一個與目的網絡地址匹配的路由表項，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據信道，有的話預留該信道，設置光開關矩陣，啟動相應定時器，調度成功，返回給幀解析模塊輸出端口和數據信道的信息；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，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后仍無法找到空閑信道，則返回調度失敗信號給幀解析模塊。

2 實驗測試
    我們對本設計進行了硬件化實現。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，依次對應幀接收完成信號、讀取狀態(tài)信號，協議處理狀態(tài)信號，路由和調度狀態(tài)信號，轉發(fā)狀態(tài)信號；6，7為輸出信號，分別對應調度完成信號和光開關設置信號。

 圖2 BCP包接收處理過程的工作時序(參見結尾)由圖4可見，在一個OBS包的處理過程中，依次經歷了幀數據的讀取、協議處理、路由和調度、轉發(fā)等多個狀態(tài)，其中從BCP包接收完成到發(fā)出光開關設置信號僅用了lOOns，相比于現有的實現方案，有了很大的提高。完全可以滿足現有OBS網絡對核心節(jié)點開關速度的要求。

3 總結
    本文提出了一種將路由選擇和信道調度整合在一個模塊中處理的OBS核心節(jié)點控制系統的結構，并在FPGA平臺上驗證了本設計的可行性和有效性。測試結果表明：接收完BCP包到發(fā)出光開關設置信號的最短時間為lOOns。顯著縮短了控制包在核心節(jié)點的處理時間。