專利名稱：千兆光以太標記交換網(wǎng)絡打包拆包實現(xiàn)方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種光包打包拆包實現(xiàn)方法，尤其涉及一種千兆光以太標記交換網(wǎng)絡打包拆包實現(xiàn)方法。用于光通信技術領域。
背景技術：
隨著網(wǎng)絡帶寬和容量的提高，迫切要求突破電子交換瓶頸大力發(fā)展光交換技術。光交換就是在光子層面上完成網(wǎng)絡交換，分為光線路交換和光分組交換。波長路由光網(wǎng)絡是線路級粗粒度交換，主要由光交叉連接器和光分插復用器完成。更為理想的是光分組交換技術，它將光信息分成光載荷和承載路由信息的光信頭構成具有固定格式的光分組進行無連接自路由交換和傳送，信息發(fā)送前不必等待直接發(fā)送，在節(jié)點處由分組頭處理存貯轉發(fā)。光分組交換直接在光層上以比線路交換更細的粒度快速分配信道靈活有效地利用帶寬，但受組網(wǎng)和器件技術限制短期內難以實用化。有人提出跨越光器件制約的光分組交換實現(xiàn)技術，它的光分組頭由光載荷同一波長信道內不同波長的光脈沖組成，在交換節(jié)點處，通過對分組頭光脈沖不同波長組合的判決實現(xiàn)光包路由選擇交換。
經(jīng)對現(xiàn)有技術的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，Shilin Xiao等人在《IEEE PhotonicsTechnology Letters》(電氣和電子工程師協(xié)會 光子技術快報)2003，15(4)605-607上發(fā)表的“Realization of Multi-wavelength Label Optical PacketSwitching”(多波長標記光分組交換的實現(xiàn))，該文中提及單波長光標記交換演示系統(tǒng)并不能在邊緣節(jié)點區(qū)分優(yōu)先級業(yè)務類，無法完成光包的打包拆包，數(shù)據(jù)包的光標記頭添加，網(wǎng)絡邊緣節(jié)點業(yè)務匯聚整合，光標記與光包時間和光包間隔延時可編程等復雜功能，這嚴重限制了光標記交換邊緣節(jié)點業(yè)務接入的容量，增加了光標記交換開銷，喪失了高速光交換的優(yōu)勢，降低了光帶寬利用率，光標記與光包凈荷時間不可控必然影響光標記核心交換節(jié)點的靈活性導致光標記交換網(wǎng)絡阻塞和競爭從而使網(wǎng)絡性能嚴重惡化。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有的單波長光標記交換系統(tǒng)中的不足，提供一種千兆光以太標記交換網(wǎng)絡打包拆包實現(xiàn)方法，使其充分考慮光以太幀格式，在光標記交換邊緣節(jié)點對多個終端視頻業(yè)務進行基于優(yōu)先級業(yè)務類的匯聚組裝添加光標記頭以及拆包轉發(fā)，并且實現(xiàn)光標記頭和光包的可編程延時。這增加了光標記交換網(wǎng)絡對多業(yè)務流量的承載能力，提高了網(wǎng)絡帶寬利用率和吞吐量，有利于光標記交換的靈活智能控制。
本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的，本發(fā)明使用兩個定時器對光以太包和光標記頭實施微秒量級的精確定時，從而達到光標記包頭和光以太幀包可編程時間間隔下的結合，在充分考慮接入業(yè)務為低速攝像捕捉信號和高速多媒體視頻流情況下，采用基于業(yè)務類優(yōu)先級區(qū)分的包長閾值和時間觸發(fā)二維限制封裝機制，在出口邊緣節(jié)點按照封裝格式拆包轉發(fā)到相應的視頻終端，保證光以太包在光域和電域內的小時延，滿足多媒體流數(shù)據(jù)的要求，實現(xiàn)光包實時處理，在微秒量級下實現(xiàn)帶光標記包頭的千兆光以太數(shù)據(jù)包在光標記交換網(wǎng)絡中成功交換和傳輸。
以下通過步驟對本發(fā)明作進一步的限定(1)來自多個視頻終端的業(yè)務流到達邊緣節(jié)點，觸發(fā)邊緣節(jié)點處理器檢測數(shù)據(jù)到達，區(qū)分視頻流種類，對低速攝像捕捉信號直接讀取電子數(shù)據(jù)包包頭攜帶的目的終端和業(yè)務類優(yōu)先級信息，將電包的數(shù)據(jù)凈荷放入對應的數(shù)據(jù)集中隊列；對高速多媒體視頻流等任意格式的數(shù)據(jù)流，則通過抓取與數(shù)據(jù)凈荷同時發(fā)送的單獨識別控制包的方式區(qū)分數(shù)據(jù)業(yè)務類優(yōu)先等級和目的節(jié)點地址，在兩個相鄰的控制包到達時間間隔內，所有數(shù)據(jù)業(yè)務具有相同的業(yè)務類和目的終端地址，在同一隊列排隊。
(2)當前所有數(shù)據(jù)隊列中定時時長和光包長度兩個參數(shù)有一個達到初始化參數(shù)閾值要求即觸發(fā)該隊列數(shù)據(jù)打包操作。否則邊緣節(jié)點處理器回到等待狀態(tài)。
(3)隊列數(shù)據(jù)溢出啟動第一定時器并輸出攜帶數(shù)據(jù)隊列終端地址的驅動電平發(fā)射這個光包的光標記頭，在第一定時器設定的光標記頭和光包間隔時間到達時，按照定義格式組裝數(shù)據(jù)包成千兆光以太包，調制光脈沖激光器。
(4)啟動第二定時器，發(fā)送光以太包，控制這個光包與下一個光包的時間間隔。該數(shù)據(jù)隊列初始化并回到等待狀態(tài)。
本發(fā)明針對現(xiàn)有的簡單光標記交換演示系統(tǒng)，在光標記交換網(wǎng)絡邊緣節(jié)點實現(xiàn)了基于業(yè)務類優(yōu)先級的光包打包拆包，任意數(shù)據(jù)流的光標記添加，光標記與光包時間和光包間隔延時可編程等復雜功能，極大的提高了網(wǎng)絡帶寬利用率和吞吐量，增強了光標記交換智能性、靈活性和多業(yè)務接入的承載能力，改善了整個光標記交換系統(tǒng)實時特性和可擴展特性，大粒度光包的應用更有利于發(fā)揮光標記交換網(wǎng)絡大容量，高速光交換的優(yōu)勢，同時也減少了光標記交換網(wǎng)絡核心節(jié)點阻塞率和競爭，優(yōu)化了網(wǎng)絡性能。
本發(fā)明的打包方法使用微秒級定時器對光以太包和光標記頭精確定時控制，從而達到本發(fā)明獨有的光標記包頭和光以太幀包可編程時間間隔下的完美結合，成功克服了光包交換器件技術不成熟的弊端。在低速攝像捕捉信號和高速多媒體視頻流等多種接入業(yè)務情況下，采用基于業(yè)務類優(yōu)先級區(qū)分的包長閾值和時間觸發(fā)二維限制封裝和對應的解封裝機制，保證光以太包在光域和電域內的小時延，滿足多媒體流數(shù)據(jù)的要求，實現(xiàn)光包實時處理，在微秒量級下完成視頻信號的成功動態(tài)再現(xiàn)。本發(fā)明增加了光標記交換網(wǎng)絡邊緣節(jié)點的智能性，充分利用電層的緩存靈活特性，提高網(wǎng)絡對多業(yè)務的適配能力，簡化核心光網(wǎng)的控制和管理，從根本上提高了網(wǎng)絡性能，增強網(wǎng)絡自身的魯棒性。


圖1本發(fā)明方法流程2本發(fā)明邊緣節(jié)點接收的視頻數(shù)據(jù)包格式其中，(a)為低速攝像捕捉信號電子包格式，(b)為高速多媒體視頻流控制包格式，(c)為高速多媒體視頻流純數(shù)據(jù)包格式。
圖3本發(fā)明封裝光以太幀格式圖4本發(fā)明光標記和光包定時可編程示意圖具體實施方式
以下結合附圖對本發(fā)明作進一步的說明圖1給出了詳細的光以太包打包實現(xiàn)流程圖，本發(fā)明光標記交換試驗系統(tǒng)初始化匯聚隊列參數(shù)考慮到捕獲速度最高大約每幀100ms，設定低速攝像捕捉信號隊列定時時長120ms；考慮到上層協(xié)議IP包最大為64K字節(jié)結合捕獲視頻包的實際大小，設定最小最大光包長度分別為1K字節(jié)和10K字節(jié)；根據(jù)試驗測得數(shù)據(jù)，設定高速多媒體視頻流定時時長30ms，最小最大光包長度1K字節(jié)到15K字節(jié)。光標記交換網(wǎng)絡邊緣節(jié)點處理器處于阻塞等待狀態(tài)守候接入業(yè)務視頻流，當檢測到有數(shù)據(jù)包到達時，識別電子包頭的目的地址和優(yōu)先級，進入相應的數(shù)據(jù)隊列緩存，判斷該數(shù)據(jù)隊列的光包生成條件是否滿足，若未達到條件，則返回守候狀態(tài)繼續(xù)等待下一個電子數(shù)據(jù)包的到達；如果條件滿足輸出這個光包目的地址對應的驅動電平調制光標記頭，同時啟動光包和光標記頭間隔時間定時器1，這個光標記頭和光包的間隔時間是保證光核心節(jié)點處光標記被光電光變換預先處理驅動光開關矩陣的時間，可以對不同的試驗條件要求下設定不同的值，在試驗中由于光頭處理器速度和光開關驅動速度是納秒量級，所以再把光電轉換時間考慮進去這個間隔設定為2微秒。當定時器1的間隔時間到達時，處理器封裝數(shù)據(jù)到光以太幀，并調制光脈沖，同時也啟動光以太包時間間隔定時器2，設定光包凈荷的間隔時間，以保證光包和光標記均可編程。光以太包發(fā)送完成后，初始化當前隊列回到阻塞等待狀態(tài)，并在定時器2設定的間隔時間內控制與下一個光包凈荷的間隔時間，這個時間參數(shù)受實際業(yè)務流和接入終端負載等的影響，所以是一個動態(tài)的調整參數(shù)，試驗中在具體的試驗條件下通過測試設定。試驗環(huán)境下低速攝像捕捉信號一個光包封裝時間大概是130個微秒左右，高速多媒體視頻流一個光包組裝時間約小于50毫秒。
圖2描述了具體攝像頭捕捉視頻和多媒體流的數(shù)據(jù)包格式，(a)的低速攝像捕捉信號電子包格式中，數(shù)字8代表捕捉視頻數(shù)據(jù)凈荷。數(shù)字1到7分別代表一個字節(jié)的數(shù)據(jù)。字節(jié)1和2表示組裝后光包間隔時間即圖1中的定時器2設定的參數(shù)，字節(jié)3為目的終端地址，字節(jié)4表示數(shù)據(jù)包優(yōu)先級，字節(jié)5為源終端地址，字節(jié)6和7保留用。本發(fā)明光包打包拆包方法讀取字節(jié)1到5的電子包頭信息進行業(yè)務優(yōu)先級和目的地址分類排隊，從而為產生攜帶地址信息的光標記頭以及光以太包組幀發(fā)送提供保證。(b)的高速多媒體視頻流控制包格式中字節(jié)1到5的意義和(a)中的完全相同，字節(jié)6到8為保留字節(jié)。(c)的高速多媒體視頻流純數(shù)據(jù)包格式中1代表該數(shù)據(jù)包可以是任意的封裝好的數(shù)據(jù)包，它在光包打包拆包時不需要識別并分析其包頭信息，只是作為一個整體處理，這種數(shù)據(jù)包的業(yè)務類優(yōu)先級和地址信息是在單獨發(fā)送的(b)中處理的，相鄰兩次電子控制包信息的發(fā)送才改變與之同時傳送的數(shù)據(jù)流的特性，提高了邊緣節(jié)點對多業(yè)務接入的適配能力。
圖3為本發(fā)明封裝光以太包格式，前導包含56比特的101010……10和8比特的幀定界10101011共8個字節(jié)，目的地址和源地址分別是6個字節(jié)的物理地址信息，上層協(xié)議類型2個字節(jié)，這里在收發(fā)終端采用IP協(xié)議，數(shù)據(jù)設置為千兆光以太超大幀(jumbo)16110字節(jié)，幀校驗4個字節(jié)。目的、源、類型、數(shù)據(jù)和幀校驗構成了一個完整的千兆光以太幀。幀間隔12個字節(jié)對應千兆以太幀96納秒，數(shù)據(jù)部分存放的是經(jīng)邊緣節(jié)點集中隊列封裝后的視頻數(shù)據(jù)。在試驗中低速攝像捕捉信號封裝成光以太幀的大小為8762個字節(jié)也就是一個光以太凈荷數(shù)據(jù)包70.1微秒，多媒體視頻采用5個純視頻電數(shù)據(jù)包打包后經(jīng)協(xié)議封裝成6626字節(jié)的光以太包，即高速視頻流光包大小為53微秒。
圖4形象的描述了本發(fā)明光標記頭和光包定時可編程的示意圖。T0指出本發(fā)明千兆光以太標記交換網(wǎng)絡打包后光包的可變定義長度，它取決于試驗中設定的邊緣節(jié)點業(yè)務集中隊列定時長度和數(shù)據(jù)包閾值最小最大值。T1表示了打包實現(xiàn)方法中定時器1可設定的定時時長，通過對這個時間編程保證在核心節(jié)點處光標記光包頭和光以太數(shù)據(jù)包之間有足夠的時間光電轉換、信號處理和預設置光開關矩陣交換通路，試驗中設定大于2個微秒。T2是打包實現(xiàn)方法中定時器2的可控制定時時長，編程控制光以太數(shù)據(jù)包間隔時間，根據(jù)具體的視頻效果和要求設定以獲得需要的光標記交換網(wǎng)絡性能。
下面詳細給出一個高速多媒體視頻流千兆光以太標記交換網(wǎng)絡打包拆包的實現(xiàn)實例三臺多媒體視頻終端連接光標記交換網(wǎng)絡邊緣節(jié)點，高速多媒體視頻流在入口邊緣節(jié)點打包成光以太包，然后經(jīng)過核心節(jié)點交換后在出口邊緣節(jié)點拆包轉發(fā)至對應的多媒體終端再現(xiàn)動態(tài)多媒體視頻流。設定高速多媒體視頻流打包的定時時長為10ms，最小最大光包長度分別為1K字節(jié)和15K字節(jié)。
(1)邊緣節(jié)點處理器處于阻塞等待狀態(tài)守候高速多媒體視頻流，當檢測到有數(shù)據(jù)包到達時，區(qū)分控制包和電子數(shù)據(jù)凈荷包，識別控制包的目的節(jié)點地址和業(yè)務類優(yōu)先級，將隨后到達的數(shù)據(jù)包放入同一隊列數(shù)據(jù)隊列緩存，判斷數(shù)據(jù)隊列的光包定時時長是否超過10ms或者光包長度是否超過15K，若這兩個條件均未滿足，則返回守候狀態(tài)繼續(xù)等待下一個電子數(shù)據(jù)包的到達。
(2)光包數(shù)據(jù)隊列溢出啟動第一定時器設置為2微秒，并輸出攜帶數(shù)據(jù)隊列終端地址的驅動電平調制光包的光標記頭，當?shù)谝欢〞r器光標記頭和光包的2微秒間隔時間到達時，按圖3幀格式組裝數(shù)據(jù)包成千兆光以太包，調制光脈沖激光器。
(3)啟動第二定時器控制光以太包10毫秒間隔時間，發(fā)送光以太包。該數(shù)據(jù)隊列初始化并回到等待狀態(tài)。
本發(fā)明在上面的實際試驗中達到了良好的效果，高速多媒體視頻流定時控制小于10毫秒，5個包的打包拆包經(jīng)光標記交換網(wǎng)絡回顯，視頻流通暢，視頻質量良好。同樣，終端低速攝像頭捕獲在640*480分辨率下幀頻100ms/幀，試驗中通過可控編程打包拆包也實現(xiàn)了視頻信號連續(xù)顯示。
權利要求
1.一種基于軟件的千兆光以太標記交換網(wǎng)絡打包拆包實現(xiàn)方法，其特征在于，使用兩個定時器對光以太包和光標記頭實施微秒量級的精確定時，從而達到光標記包頭和光以太幀包可編程時間間隔下的結合，在充分考慮接入業(yè)務為低速攝像捕捉信號和高速多媒體視頻流情況下，采用基于業(yè)務類優(yōu)先級區(qū)分的包長閾值和時間觸發(fā)二維限制封裝機制，在出口邊緣節(jié)點按照封裝格式拆包轉發(fā)到相應的視頻終端，保證光以太包在光域和電域內的小時延，滿足多媒體流數(shù)據(jù)的要求，實現(xiàn)光包實時處理，在微秒量級下實現(xiàn)帶光標記包頭的千兆光以太數(shù)據(jù)包在光標記交換網(wǎng)絡中成功交換和傳輸。
2.根據(jù)權利要求1所述的光標記交換打包拆包實現(xiàn)方法，其特征是，以下通過操作步驟作進一步的限定(1)多個視頻終端的業(yè)務流到達觸發(fā)邊緣節(jié)點處理器，區(qū)分視頻流種類，對低速攝像捕捉信號直接讀取電子數(shù)據(jù)包頭攜帶的地址和優(yōu)先級信息，將數(shù)據(jù)凈荷放入對應的集中隊列；對數(shù)據(jù)流，則通過抓取與數(shù)據(jù)凈荷同時發(fā)送的單獨識別控制包的方式區(qū)分業(yè)務類優(yōu)先級和地址，在相鄰控制包到達時間間隔內，所有數(shù)據(jù)具有相同的業(yè)務類和終端地址，在同一隊列排隊；(2)當前所有數(shù)據(jù)隊列中定時時長和光包長度兩個參數(shù)有一個達到初始化參數(shù)閾值要求即觸發(fā)該隊列數(shù)據(jù)打包操作，否則邊緣節(jié)點處理器回到等待狀態(tài)；(3)隊列數(shù)據(jù)溢出啟動第一定時器并輸出攜帶數(shù)據(jù)隊列終端地址的驅動電平發(fā)射這個光包的光標記頭，在第一定時器設定的光標記頭和光包間隔時間到達時，按照定義格式組裝數(shù)據(jù)包成千兆光以太包，調制光脈沖激光器；(4)啟動第二定時器，發(fā)送光以太包，控制這個光包與下一個光包的時間間隔，該數(shù)據(jù)隊列初始化并回到等待狀態(tài)。
全文摘要
一種光通信技術領域的千兆光以太標記交換網(wǎng)絡打包拆包實現(xiàn)方法，使用兩個定時器對光以太包和光標記頭實施微秒量級的精確定時，從而達到光標記包頭和光以太幀包可編程時間間隔下的結合，在充分考慮接入業(yè)務為低速攝像捕捉信號和高速多媒體視頻流情況下，采用基于業(yè)務類優(yōu)先級區(qū)分的包長閾值和時間觸發(fā)二維限制封裝機制，在出口邊緣節(jié)點按照封裝格式拆包轉發(fā)到相應的視頻終端，保證光以太包在光域和電域內的小時延，實現(xiàn)光包實時處理，在微秒量級下實現(xiàn)帶光標記包頭的千兆光以太數(shù)據(jù)包在光標記交換網(wǎng)絡中成功交換和傳輸。本發(fā)明提高了網(wǎng)絡帶寬利用率和吞吐量，增強了光標記交換智能性、靈活性和多業(yè)務接入的承載能力，同時優(yōu)化了網(wǎng)絡性能。
文檔編號H04L12/56GK1633105SQ20041008928
公開日2005年6月29日 申請日期2004年12月9日 優(yōu)先權日2004年12月9日
發(fā)明者隋志成, 曾慶濟, 肖石林 申請人:上海交通大學