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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 光突發(fā)交換核心節(jié)點(diǎn)交換控制系統(tǒng)
- 來(lái)源：
- 第十一屆“挑戰(zhàn)杯”國(guó)賽作品
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 光突發(fā)交換（Optical Burst Switching，OBS）是實(shí)現(xiàn)下一代光互聯(lián)網(wǎng)極具潛力的交換技術(shù)之一。作為一種新的交換架構(gòu)，目前國(guó)際上關(guān)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(diǎn)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(jī)。利用FPGA技術(shù)，首次提出了基于JIT信令機(jī)制的單芯片OBS核心交換控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)并改進(jìn)了較為復(fù)雜的LAUC-VF(LAUC-Void Filling)調(diào)度算法。通過(guò)對(duì)OBS核心控制模塊進(jìn)行功能分析與模塊劃分，設(shè)計(jì)了基于FPGA的核心控制模塊電路板，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)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(diào)度、資源管理、光開關(guān)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(shù)的實(shí)用化做了很多前瞻性的探索，對(duì)研制具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)優(yōu)勢(shì)的光突發(fā)交換機(jī)具有重大意義。
- 詳細(xì)介紹：
- 隨著Internet業(yè)務(wù)量對(duì)帶寬要求的不斷增長(zhǎng)，全光網(wǎng)絡(luò)必將成為下一代網(wǎng)絡(luò)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(luò)結(jié)構(gòu)，是實(shí)現(xiàn)下一代光互聯(lián)網(wǎng)極具潛力的交換技術(shù)之一。由于OBS是一種新的交換技術(shù)，相關(guān)的研究特別是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的研究目前還不成熟。 本作品著眼于其核心節(jié)點(diǎn)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(jī)。在目前國(guó)內(nèi)外的研究中，普遍使用以單片機(jī)、ARM等微處理器為主來(lái)實(shí)現(xiàn)光突發(fā)交換的核心控制功能。作品采用現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）技術(shù)，自主開發(fā)單芯片控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)OBS核心交換功能，使系統(tǒng)擁有更好的擴(kuò)展性和升級(jí)功能，解決了電子交換的速度瓶頸及光緩存難于實(shí)現(xiàn)的技術(shù)制約。 作品首先對(duì)OBS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了概述，介紹了OBS網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)。然后，根據(jù)當(dāng)前相關(guān)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，并通過(guò)對(duì)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(shè)計(jì)方案。最后根據(jù)模塊劃分設(shè)計(jì)了基于FPGA的核心控制卡電路板，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)具有調(diào)度、線路收發(fā)、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)管理等功能的基本核心控制模塊系統(tǒng)。 為了有效地驗(yàn)證我們研制的光突發(fā)交換核心節(jié)點(diǎn)控制系統(tǒng)樣機(jī)的功能，搭建了OBS實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。通過(guò)反復(fù)的系統(tǒng)調(diào)試，對(duì)系統(tǒng)方案進(jìn)行了完善，并對(duì)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)信道調(diào)度算法進(jìn)行了改進(jìn)。 最后對(duì)整個(gè)本作品技術(shù)部分做了總結(jié)，分析了OBS實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)的局限性和實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)的問(wèn)題，對(duì)下一步工作進(jìn)行了展望。 作品主要有以下技術(shù)特點(diǎn)：結(jié)合了光電路交換和光分組交換的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)避免了它們的缺點(diǎn)；通過(guò)控制信息和數(shù)據(jù)信息在時(shí)間和空間上的分離，控制分組提前發(fā)送，并在中間節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)電信息處理，從而為數(shù)據(jù)分組預(yù)留相應(yīng)的資源；充分保留了數(shù)據(jù)信道對(duì)光信號(hào)的透明性，不對(duì)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)做任何處理；不再需要業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)攜帶冗余比特，網(wǎng)絡(luò)開銷低；控制分組先于數(shù)據(jù)分組傳送，無(wú)需光/電/光處理；它具有延時(shí)小，帶寬利用率(統(tǒng)計(jì)復(fù)用)高，效率高，數(shù)據(jù)透明、交換容量大(電控光交換)等特點(diǎn)，可以達(dá)到Tb/s級(jí)的交換容量，甚至Pb/s量級(jí)；單向預(yù)留帶寬資源。BCP在核心節(jié)點(diǎn)提前預(yù)約資源，為BDP建立一個(gè)全光路徑，不經(jīng)過(guò)任何的光/電/光轉(zhuǎn)換，消除了電子瓶頸而導(dǎo)致的帶寬擴(kuò)展困難。 OBS作為一種新的交換架構(gòu)，目前國(guó)際上尚不存在完全成熟的設(shè)計(jì)方案。本作品首次利用FPGA技術(shù)實(shí)現(xiàn)了基于JIT信令機(jī)制的單板控制系統(tǒng)。通過(guò)不斷的系統(tǒng)調(diào)試，逐步優(yōu)化了設(shè)計(jì)方案，完善了系統(tǒng)功能。并針對(duì)當(dāng)前光交叉矩陣技術(shù)水平，對(duì)OBS網(wǎng)絡(luò)的部分關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)和創(chuàng)新，如：改進(jìn)了數(shù)據(jù)信道調(diào)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(shí)用化做了很多前瞻性的探索。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 作品設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的：光突發(fā)交換(Optical burst switching，OBS)是實(shí)現(xiàn)下一代光互聯(lián)網(wǎng)極具潛力的交換技術(shù)之一，本作品著眼于其核心節(jié)點(diǎn)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(jī)。 基本思路：結(jié)合全光網(wǎng)絡(luò)的研究成果和光突發(fā)交換網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)、信令機(jī)制提出了一套核心節(jié)點(diǎn)交換控制的實(shí)現(xiàn)方案，利用FPGA技術(shù)，在一片可編程邏輯芯片上實(shí)現(xiàn)OBS核心節(jié)點(diǎn)控制包的收發(fā)和解析，光交換控制以及數(shù)據(jù)信道調(diào)度等功能。 創(chuàng)新點(diǎn)：定義了BCP包格式，包括：標(biāo)志位,目的地址，源地址，偏置時(shí)間，BDP包長(zhǎng)度，保留位等；首次實(shí)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(jī)；實(shí)現(xiàn)并改進(jìn)了LAUC-VF調(diào)度算法，盡可能避免了核心網(wǎng)絡(luò)突發(fā)數(shù)據(jù)包的競(jìng)爭(zhēng)，提高了傳輸速率。 關(guān)鍵技術(shù)：重點(diǎn)研究光交換矩陣、交換控制單元的功能與結(jié)構(gòu)，實(shí)施控制分組BHP對(duì)交換矩陣的控制；重點(diǎn)研究核心節(jié)點(diǎn)控制信道調(diào)度算法和數(shù)據(jù)信道調(diào)度算法的實(shí)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(shù)指標(biāo)： 電源：直流5V或交流220V 包長(zhǎng)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(guān)矩陣：2×2交叉矩陣 數(shù)據(jù)信道波長(zhǎng)：1310nm 控制信道波特率：9600Bps
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 作品的科學(xué)先進(jìn)性： 由于OBS是一種實(shí)現(xiàn)下一代全光交換網(wǎng)絡(luò)新的交換架構(gòu)，目前OBS核心交換控制模塊的設(shè)計(jì)并沒(méi)有完全成熟的方案，與其他OBS核心控制板卡的設(shè)計(jì)相比，本設(shè)計(jì)主要有以下特點(diǎn)： ●較高的集成度和較低的成本 基于一塊主控FPGA芯片實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)所需的BCP收發(fā)、解析、數(shù)據(jù)信道調(diào)度、資源管理、光開關(guān)控制等主要功能。降低了外圍電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，同時(shí)降低了設(shè)備成本。 ●更低的處理時(shí)延，更高的系統(tǒng)擴(kuò)展和升級(jí)性能 作品將系統(tǒng)所需的絕大部分功能模塊設(shè)計(jì)在單芯片內(nèi)，降低了傳輸時(shí)延和信號(hào)串?dāng)_，使得模塊之間的信息交互更為高效，提高了網(wǎng)絡(luò)傳輸效率。另外，F(xiàn)PGA設(shè)計(jì)方便快速，支持多次擦寫的特點(diǎn)，使系統(tǒng)擁有更好的可擴(kuò)展性和升級(jí)功能。 ●實(shí)現(xiàn)并改進(jìn)了LAUC-VF調(diào)度算法，解決了電子交換的速度瓶頸及光緩存難于實(shí)現(xiàn)的技術(shù)制約。 作品實(shí)現(xiàn)了較復(fù)雜的LAUC-VF調(diào)度算法。針對(duì)現(xiàn)有光開關(guān)切換速度慢的弊端，對(duì)傳統(tǒng)算法加以改進(jìn)，有效地提高了網(wǎng)絡(luò)傳輸效率。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 第十一屆“挑戰(zhàn)杯”全國(guó)大學(xué)生科技作品競(jìng)賽參賽作品重慶賽區(qū)特等獎(jiǎng)
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無(wú)
作品可展示的形式
- 實(shí)物、現(xiàn)場(chǎng)演示
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)： ⑴延時(shí)小，效率高。實(shí)現(xiàn)了單向資源預(yù)約的JIT協(xié)議，有效降低了端到端時(shí)延，提高了網(wǎng)絡(luò)傳輸速率。 ⑵消除了技術(shù)瓶頸，利于實(shí)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(diǎn)的復(fù)雜度和對(duì)光器件的要求，利于實(shí)用化。 ⑶交換容量大，數(shù)據(jù)傳輸透明。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中等粒度交換。BCP提前為BDP預(yù)約資源，不經(jīng)過(guò)光/電/光轉(zhuǎn)換而透明傳輸，消除了電子瓶頸對(duì)帶寬擴(kuò)展制約。 ⑷升級(jí)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(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口，使系統(tǒng)擁有更好的可擴(kuò)展性和升級(jí)功能。應(yīng)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(shù)之一，是實(shí)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(jī)實(shí)際模型的研究目前尚處于萌芽階段，開發(fā)出具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)優(yōu)勢(shì)的核心交換模塊及研發(fā)光互聯(lián)網(wǎng)路由器樣機(jī)，將推動(dòng)我國(guó)下一代互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，并為我國(guó)相關(guān)產(chǎn)業(yè)帶來(lái)新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)，創(chuàng)造較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
同類課題研究水平概述
- 由于OBS是一種實(shí)現(xiàn)下一代全光交換網(wǎng)絡(luò)新的交換架構(gòu)，目前，OBS核心交換控制模塊的設(shè)計(jì)并沒(méi)有完全成熟的方案，應(yīng)用FPGA實(shí)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(jiǎn)單的調(diào)度算法，DSP芯片組用來(lái)完成復(fù)雜的調(diào)度算法。控制器用來(lái)進(jìn)行核心節(jié)點(diǎn)管理，用51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，該設(shè)計(jì)顯示了應(yīng)用FPGA設(shè)計(jì)過(guò)于復(fù)雜的問(wèn)題，可以加快調(diào)度的處理速度，但首先必須把復(fù)雜調(diào)度算法用數(shù)字電路描述出來(lái)，這大大增加了設(shè)計(jì)難度。 2.美國(guó)一所大學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的OBS核心控制卡結(jié)構(gòu)，它由光電接口卡、線路收發(fā)模塊、基于FPGA的調(diào)度器及宿主機(jī)線路收發(fā)模塊組成。在FPGA內(nèi)設(shè)計(jì)的邏輯完成:包括核心調(diào)度，轉(zhuǎn)發(fā)，光開關(guān)控制等。核心節(jié)點(diǎn)控制卡的管理與路由計(jì)算等功能由分立的宿主機(jī)完成，核心節(jié)點(diǎn)控制卡與宿主機(jī)間通過(guò)以太網(wǎng)來(lái)連接。 3.另有使用FPGA片上系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)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(luò)管理模塊。并在核心控制模塊的設(shè)計(jì)中引入了片上系統(tǒng)，進(jìn)行復(fù)雜的處理。 本設(shè)計(jì)結(jié)合以上三個(gè)系統(tǒng)的分析，并根據(jù)當(dāng)前相關(guān)技術(shù)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(shí)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(duì)同類課題研究進(jìn)行了查新，具體查新結(jié)果如下： 結(jié)合委托查新項(xiàng)目的研究的主要技術(shù)要點(diǎn)，本作品查新結(jié)論如下： (一)據(jù)檢索的相關(guān)文獻(xiàn)表明，國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)對(duì)OBS網(wǎng)絡(luò)的信令協(xié)議、調(diào)度算法、突發(fā)數(shù)據(jù)的恢復(fù)與接收、路由協(xié)議等進(jìn)行了研究。 (二)文獻(xiàn)[11]以FPGA芯片EP2C20Q240C8為基礎(chǔ),通過(guò)模擬OBS節(jié)點(diǎn)之間的通信, 對(duì)協(xié)議的4類幀的通信流程進(jìn)行了驗(yàn)證。但未見在一片可編程邏輯（FPGA）上實(shí)現(xiàn)OBS核心節(jié)點(diǎn)控制包的收發(fā)、解析，數(shù)據(jù)信道調(diào)度，資源管理，光開關(guān)控制等功能的報(bào)道。 (三)未見用可編程邏輯器件（FPGA）實(shí)現(xiàn)一種基于顯示建立、估算拆除的OBS網(wǎng)絡(luò)JIT信令協(xié)議及LAUC-VF調(diào)度算法的報(bào)道。
