基本信息
- 項目名稱：
- 光突發(fā)交換核心節(jié)點交換控制系統(tǒng)
- 小類：
- 信息技術
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 光突發(fā)交換（Optical Burst Switching，OBS）是實現(xiàn)下一代光互聯(lián)網(wǎng)極具潛力的交換技術之一。作為一種新的交換架構，目前國際上關于光突發(fā)交換核心路由器的研究尚處于萌芽階段。本作品著眼于其核心節(jié)點控制系統(tǒng)的研制，開發(fā)核心交換控制模塊及研制光突發(fā)交換核心路由器樣機。利用FPGA技術，首次提出了基于JIT信令機制的單芯片OBS核心交換控制系統(tǒng)設計方案，實現(xiàn)并改進了較為復雜的LAUC-VF(LAUC-Void Filling)調度算法。通過對OBS核心控制模塊進行功能分析與模塊劃分，設計了基于FPGA的核心控制模塊電路板，實現(xiàn)了一個具有突發(fā)控制包（Burst Control Packet，BCP）收發(fā)和解析、數(shù)據(jù)信道調度、資源管理、光開關控制等功能的基本核心控制系統(tǒng)。作品為光突發(fā)交換技術的實用化做了很多前瞻性的探索，對研制具有我國自主知識產權優(yōu)勢的光突發(fā)交換機具有重大意義。
- 詳細介紹：
- 隨著Internet業(yè)務量對帶寬要求的不斷增長，全光網(wǎng)絡必將成為下一代網(wǎng)絡的重要組成部分，而光突發(fā)交換(Optical Burst Switch OBS)的提出為建立高性能低成本的全光網(wǎng)提供了一種新的途徑。光突發(fā)交換是一種可以有效的利用DWDM帶寬資源的新型光網(wǎng)絡結構，是實現(xiàn)下一代光互聯(lián)網(wǎng)極具潛力的交換技術之一。由于OBS是一種新的交換技術，相關的研究特別是系統(tǒng)實現(xiàn)的研究目前還不成熟。 本作品著眼于其核心節(jié)點控制系統(tǒng)的研制，開發(fā)核心交換控制模塊及研制光突發(fā)交換核心路由器樣機。在目前國內外的研究中，普遍使用以單片機、ARM等微處理器為主來實現(xiàn)光突發(fā)交換的核心控制功能。作品采用現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）技術，自主開發(fā)單芯片控制系統(tǒng)來實現(xiàn)OBS核心交換功能，使系統(tǒng)擁有更好的擴展性和升級功能，解決了電子交換的速度瓶頸及光緩存難于實現(xiàn)的技術制約。 作品首先對OBS網(wǎng)絡結構及其關鍵技術進行了概述，介紹了OBS網(wǎng)絡的架構及關鍵技術。然后，根據(jù)當前相關技術的發(fā)展現(xiàn)狀，并通過對OBS核心控制卡的功能分析，提出基于FPGA的OBS核心交換控制系統(tǒng)的設計方案。最后根據(jù)模塊劃分設計了基于FPGA的核心控制卡電路板，實現(xiàn)了一個具有調度、線路收發(fā)、存儲、網(wǎng)絡管理等功能的基本核心控制模塊系統(tǒng)。 為了有效地驗證我們研制的光突發(fā)交換核心節(jié)點控制系統(tǒng)樣機的功能，搭建了OBS實驗網(wǎng)絡環(huán)境。通過反復的系統(tǒng)調試，對系統(tǒng)方案進行了完善，并對傳統(tǒng)數(shù)據(jù)信道調度算法進行了改進。 最后對整個本作品技術部分做了總結，分析了OBS實驗網(wǎng)絡的局限性和實際運行中出現(xiàn)的問題，對下一步工作進行了展望。 作品主要有以下技術特點：結合了光電路交換和光分組交換的優(yōu)勢，同時避免了它們的缺點；通過控制信息和數(shù)據(jù)信息在時間和空間上的分離，控制分組提前發(fā)送，并在中間節(jié)點經過電信息處理，從而為數(shù)據(jù)分組預留相應的資源；充分保留了數(shù)據(jù)信道對光信號的透明性，不對業(yè)務數(shù)據(jù)做任何處理；不再需要業(yè)務數(shù)據(jù)攜帶冗余比特，網(wǎng)絡開銷低；控制分組先于數(shù)據(jù)分組傳送，無需光/電/光處理；它具有延時小，帶寬利用率(統(tǒng)計復用)高，效率高，數(shù)據(jù)透明、交換容量大(電控光交換)等特點，可以達到Tb/s級的交換容量，甚至Pb/s量級；單向預留帶寬資源。BCP在核心節(jié)點提前預約資源，為BDP建立一個全光路徑，不經過任何的光/電/光轉換，消除了電子瓶頸而導致的帶寬擴展困難。 OBS作為一種新的交換架構，目前國際上尚不存在完全成熟的設計方案。本作品首次利用FPGA技術實現(xiàn)了基于JIT信令機制的單板控制系統(tǒng)。通過不斷的系統(tǒng)調試，逐步優(yōu)化了設計方案，完善了系統(tǒng)功能。并針對當前光交叉矩陣技術水平，對OBS網(wǎng)絡的部分關鍵技術進行了改進和創(chuàng)新，如：改進了數(shù)據(jù)信道調度算法，定義了BCP包格式等。為光突發(fā)交換控制系統(tǒng)的的實用化做了很多前瞻性的探索。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 作品設計、發(fā)明的目的：光突發(fā)交換(Optical burst switching，OBS)是實現(xiàn)下一代光互聯(lián)網(wǎng)極具潛力的交換技術之一，本作品著眼于其核心節(jié)點控制系統(tǒng)的研制，開發(fā)核心交換控制模塊及研制光突發(fā)交換核心路由器樣機。 基本思路：結合全光網(wǎng)絡的研究成果和光突發(fā)交換網(wǎng)絡的體系結構、信令機制提出了一套核心節(jié)點交換控制的實現(xiàn)方案，利用FPGA技術，在一片可編程邏輯芯片上實現(xiàn)OBS核心節(jié)點控制包的收發(fā)和解析，光交換控制以及數(shù)據(jù)信道調度等功能。 創(chuàng)新點：定義了BCP包格式，包括：標志位,目的地址，源地址，偏置時間，BDP包長度，保留位等；首次實現(xiàn)了一種基于顯式建立、估算拆除的JIT信令協(xié)議的OBS核心交換控制樣機；實現(xiàn)并改進了LAUC-VF調度算法，盡可能避免了核心網(wǎng)絡突發(fā)數(shù)據(jù)包的競爭，提高了傳輸速率。 關鍵技術：重點研究光交換矩陣、交換控制單元的功能與結構，實施控制分組BHP對交換矩陣的控制；重點研究核心節(jié)點控制信道調度算法和數(shù)據(jù)信道調度算法的實現(xiàn)，降低控制信道和數(shù)據(jù)信道的擁塞；定義核心交換模塊硬/軟件接口，開發(fā)OBS光互聯(lián)網(wǎng)的核心通信協(xié)議。 主要技術指標： 電源：直流5V或交流220V 包長范圍：①控制包：7Byte ②數(shù)據(jù)包：13KByte～15KByte 光纖以太網(wǎng)卡：速率100Mbit/s～1000Mbit/s 光開關矩陣：2×2交叉矩陣 數(shù)據(jù)信道波長：1310nm 控制信道波特率：9600Bps
科學性、先進性
- 作品的科學先進性： 由于OBS是一種實現(xiàn)下一代全光交換網(wǎng)絡新的交換架構，目前OBS核心交換控制模塊的設計并沒有完全成熟的方案，與其他OBS核心控制板卡的設計相比，本設計主要有以下特點： ●較高的集成度和較低的成本 基于一塊主控FPGA芯片實現(xiàn)了系統(tǒng)所需的BCP收發(fā)、解析、數(shù)據(jù)信道調度、資源管理、光開關控制等主要功能。降低了外圍電路系統(tǒng)設計的復雜度，同時降低了設備成本。 ●更低的處理時延，更高的系統(tǒng)擴展和升級性能 作品將系統(tǒng)所需的絕大部分功能模塊設計在單芯片內，降低了傳輸時延和信號串擾，使得模塊之間的信息交互更為高效，提高了網(wǎng)絡傳輸效率。另外，F(xiàn)PGA設計方便快速，支持多次擦寫的特點，使系統(tǒng)擁有更好的可擴展性和升級功能。 ●實現(xiàn)并改進了LAUC-VF調度算法，解決了電子交換的速度瓶頸及光緩存難于實現(xiàn)的技術制約。 作品實現(xiàn)了較復雜的LAUC-VF調度算法。針對現(xiàn)有光開關切換速度慢的弊端，對傳統(tǒng)算法加以改進，有效地提高了網(wǎng)絡傳輸效率。
獲獎情況及鑒定結果
- 第十一屆“挑戰(zhàn)杯”全國大學生科技作品競賽參賽作品重慶賽區(qū)特等獎
作品所處階段
- 實驗室階段
技術轉讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 實物、現(xiàn)場演示
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經濟效益預測
- 技術特點和優(yōu)勢： ⑴延時小，效率高。實現(xiàn)了單向資源預約的JIT協(xié)議，有效降低了端到端時延，提高了網(wǎng)絡傳輸速率。 ⑵消除了技術瓶頸，利于實用化?？刂菩畔⑴c數(shù)據(jù)信息相分離，有效降低了中間交換節(jié)點的復雜度和對光器件的要求，利于實用化。 ⑶交換容量大，數(shù)據(jù)傳輸透明。系統(tǒng)實現(xiàn)中等粒度交換。BCP提前為BDP預約資源，不經過光/電/光轉換而透明傳輸，消除了電子瓶頸對帶寬擴展制約。 ⑷升級便捷，性能穩(wěn)定，組網(wǎng)靈活。系統(tǒng)信息交互高效，管理方便靈活，配置標準數(shù)據(jù)接口，使系統(tǒng)擁有更好的可擴展性和升級功能。應用前景和意義： 光突發(fā)交換是下一代光互聯(lián)網(wǎng)核心傳送技術之一，是實現(xiàn)下一代光互聯(lián)網(wǎng)的一種極具前景的方案，基于光突發(fā)交換的光互聯(lián)網(wǎng)路由器樣機實際模型的研究目前尚處于萌芽階段，開發(fā)出具有我國自主知識產權優(yōu)勢的核心交換模塊及研發(fā)光互聯(lián)網(wǎng)路由器樣機，將推動我國下一代互聯(lián)網(wǎng)應用技術的發(fā)展，并為我國相關產業(yè)帶來新的經濟增長點，創(chuàng)造較好的經濟效益和社會效益。
同類課題研究水平概述
- 由于OBS是一種實現(xiàn)下一代全光交換網(wǎng)絡新的交換架構，目前，OBS核心交換控制模塊的設計并沒有完全成熟的方案，應用FPGA實現(xiàn)OBS核心控制的方案大致分為三種： 1.某校所提方案由主板的FPGA完成較為簡單的調度算法，DSP芯片組用來完成復雜的調度算法。控制器用來進行核心節(jié)點管理，用51單片機實現(xiàn)，該設計顯示了應用FPGA設計過于復雜的問題，可以加快調度的處理速度，但首先必須把復雜調度算法用數(shù)字電路描述出來，這大大增加了設計難度。 2.美國一所大學實驗設計的OBS核心控制卡結構，它由光電接口卡、線路收發(fā)模塊、基于FPGA的調度器及宿主機線路收發(fā)模塊組成。在FPGA內設計的邏輯完成:包括核心調度，轉發(fā)，光開關控制等。核心節(jié)點控制卡的管理與路由計算等功能由分立的宿主機完成，核心節(jié)點控制卡與宿主機間通過以太網(wǎng)來連接。 3.另有使用FPGA片上系統(tǒng)來實現(xiàn)一個OBS核心控制卡的方案。在一塊系統(tǒng)板上集成線路收發(fā)，核心控制及高性能網(wǎng)絡管理模塊。并在核心控制模塊的設計中引入了片上系統(tǒng)，進行復雜的處理。 本設計結合以上三個系統(tǒng)的分析，并根據(jù)當前相關技術的發(fā)展水平，提出了新的基于FPGA的OBS核心控制系統(tǒng)的方案，實現(xiàn)了單板核心控制系統(tǒng)。 我們委托教育部科技查新工作站對同類課題研究進行了查新，具體查新結果如下： 結合委托查新項目的研究的主要技術要點，本作品查新結論如下： (一)據(jù)檢索的相關文獻表明，國內文獻對OBS網(wǎng)絡的信令協(xié)議、調度算法、突發(fā)數(shù)據(jù)的恢復與接收、路由協(xié)議等進行了研究。 (二)文獻[11]以FPGA芯片EP2C20Q240C8為基礎,通過模擬OBS節(jié)點之間的通信, 對協(xié)議的4類幀的通信流程進行了驗證。但未見在一片可編程邏輯（FPGA）上實現(xiàn)OBS核心節(jié)點控制包的收發(fā)、解析，數(shù)據(jù)信道調度，資源管理，光開關控制等功能的報道。 (三)未見用可編程邏輯器件（FPGA）實現(xiàn)一種基于顯示建立、估算拆除的OBS網(wǎng)絡JIT信令協(xié)議及LAUC-VF調度算法的報道。
