OBS核心控制器结构设计与硬件化实现

O．引言
    光突发交换(Optical Burst Switching，OBS)网络是基于现有的技术条件，结合光线路交换和光分组交换的优点，有效实现IP over WDM的解决方案。OBS网络包括核心节点和边缘节点。核心节点的主要功能是根据突发控制包(BCP：Burst Contro1 Packet)提供的信息进行路由和信道资源调度、设置光交换矩阵，为突发数据包BDP (Burst Data Packet)预留全光通道。
    OBS网络的性能很大程度上取决于突发控制包在核心节点的处理速度，与OBS偏置时间(Offset Time)的大小直接相关。目前，用软件的方法实现的基于JIT协议的核心节点，处理速度一般在ms量级。为了提高BCP包的处理速度，文献用硬件化方法把JIT协议的突发控制包处理时间降到us量级。考虑到JIT协议调度算法的简单性，调度处理速度很快，调度算法在独立模块中实现并没有必要，反而会由于模块的增加带来额外的延时，而需要消耗更多的处理时间。本文提出了一种面向JIT协议的核心节点控制器的结构，将网络层路由功能和OBS层信道调度功能整合到同一个模块中处理，一方面，模块的整合可以缩短BCP的处理时间；另一方面，该结构中，转发是在调度之后再执行，使得路由选择可以在最优的输出端口没有可用信道的情况下，选择其它可行的输出端口，再进行信道的调度，从而减少丢包的概率。

1 控制器的设计与实现
    实现中选用了显式建立、估算拆除的JIT(Just—In—Time)信令协议，该协议只有SETUP消息，没有REALEASE消息。核心节点收到并完成SETUP消息的处理后，立即为其预留资源，并根据SETUP消息中包含的偏置时间和数据包长度估算出释放资源的时间。
1．1 系统组成
    图l为OBS核心控制器系统框图，分为接收模块、帧解析模块、交叉矩阵、发送模块、路由和调度模块。在各功能模块之间都设置了缓存结构，使得各个模块可以独立的工作，从而在各模块之间实现流水线式的工作方式。各模块的主要功能如下：
    接收模块接收控制信道上的数据，恢复成以太帧后，写入到接收缓存中。

 帧解析模块从接收缓存中读取以太帧，解析出相应协议域信息，进行相应处理。如果不是BCP包，直接进行转发操作；如果是BCP包，把调度相关信息发送给路由和调度模块，并根据路由和调度模块返回的消息进行转发或丢弃。
    路由和调度模块负责实现网络层的路由选择功能和OBS层的信道调度功能，其中包含一个转发路由表和一个信道资源库，转发路由表保存本节点的路由表信息，用于路由查询；信道资源库记录本节点各输出端口的数据信道资源占用情况，并负责控制光开关矩阵。
    交叉矩阵将输入缓存中的分组交换到输出缓存中。发送模块更新BCP包的偏置时间，再将其组成以太帧发送到控制信道上。
1．2 主要模块的设计与实现
1．2．1 帧解析模块
    帧解析模块负责解析帧的类型及帧的内容，并作部分网络层协议及OBS层协议的处理，同时控制路由和调度模块的工作。其主要工作可分为如下几个部分：l、从接收缓存中读取收到的数据包，并记录接收到的时间，用于更新BCP包的偏置时间；2、网络层协议的处理，包括类型信息、包长、目的网络地址的获取及TTL的更新等；3、OBS层协议的处理，包括偏置时问的计算及更新，对路由和调度模块的控制等；4、对处理好的数据包，本地包上传到本节点的网管模块，需要继续转发的，则发送到输出缓存中。

帧解析模块的状态转移图如图2所示。上电后首先进入Idle状态，在Idle状态下检查接收缓存是否有新的数据包，有的话则进入ReadMAC状态，读取MAC头信息，判断MAC帧类型，非IP数据包则将其丢弃，否则进入ReadIP状态，这个状态下读取IP数据包的长度，以及类型，TTL等信息，如果是不是BCP包，进入Route状态，进行路由选择，如果是本地包，则上传到网管模块中，否则进入Update状态；如果是BCP包，则进入Route&Schedule状态，启动路由和调度模块的工作。如果调度不成功，则要将该BCP包丢弃，如果成功，也进入Update状态；在Update状态下，对TTL进行更新，如果调度出来的波长号发生改变，也要更新相应信息。之后，就进入Forward状态，将已更新好的数据包发送到输出缓存中，进行下一帧的处理。
1．2．2 路由和调度模块
    图3所示为路由表和信道资源库的结构示意图。路由表包含多条路由表项，每条表项包括目的网络地址及输出端口号两部分信息。查找路由的过程为：从首条表项开始，将目的网络地址依次与各表项中网络地址进行匹配，匹配成功即输出端口号。Ptr用来指向当前的匹配表项，如需二次查找，只需从Ptr指向的表项开始继续查找。

 信道资源库包含所有端口的信道分配信息，每个端口作为一组，包含一个控制单元CU及一组定时器，每个定时器对应于一个信道。信道空闲时定时器也处于空闲状态，每次为BCP成功分配信道以后，就需要打开光开关控制信号，同时肩动相应定时器，时间设置为偏置时间+预留时间，定时结束，关闭光开关控制信号。控制单元可根据各定时器的工作状态确定各信道的使用状态，进行信道分配。
    图3路由表和信道资源库的结构示意图路由和调度功能的实现过程如下：首先检测各帧解析模块的调度请求信号，如果有效，读取目的网络地址，同时启动路由和调度过程，先到路由表查找到第一个与目的网络地址匹配的路由表项，得到输出端口；再到信道资源库里检查该端口是否有空闲的数据信道，有的话预留该信道，设置光开关矩阵，启动相应定时器，调度成功，返回给帧解析模块输出端口和数据信道的信息；如果不存在空闲信道，则需要继续到路由表中查找匹配表项，找到后再次到信道资源库中搜索空闲信道，如此继续；如果搜索完路由表中所有表项后仍无法找到空闲信道，则返回调度失败信号给帧解析模块。

2 实验测试
    我们对本设计进行了硬件化实现。图4为用QuartusII工具得到的电路时序仿真图。图中1、2、3、4、5为状态指示信号，依次对应帧接收完成信号、读取状态信号，协议处理状态信号，路由和调度状态信号，转发状态信号；6，7为输出信号，分别对应调度完成信号和光开关设置信号。

 图2 BCP包接收处理过程的工作时序(参见结尾)由图4可见，在一个OBS包的处理过程中，依次经历了帧数据的读取、协议处理、路由和调度、转发等多个状态，其中从BCP包接收完成到发出光开关设置信号仅用了lOOns，相比于现有的实现方案，有了很大的提高。完全可以满足现有OBS网络对核心节点开关速度的要求。

3 总结
    本文提出了一种将路由选择和信道调度整合在一个模块中处理的OBS核心节点控制系统的结构，并在FPGA平台上验证了本设计的可行性和有效性。测试结果表明：接收完BCP包到发出光开关设置信号的最短时间为lOOns。显著缩短了控制包在核心节点的处理时间。