分组交换技术在光传输网中的研究与设计

朱 谦，蒋 林，蔡 龙

(西安邮电大学电子工程学院，陕西西安 710121)

OTN(Optical Transport Network)是将点到点的波分复用系统用光交叉(Optical Cross-connector，OXC)互连节点和分插复用(Optical Add/Drop Multiplexer，OADM)节点连接起来的全新光传送网络体制(OTH，Optical Transport Hierarchy)，在光域内实现业务信号的传送、复用、路由选择和监控，并保证其性能指标和生存性［1］。OTN的产生是由于数据量的爆炸式增长，能够满足大颗粒业务需求，如能够承载GbE/10GbE/40GbE/100GbE速率的客户信号［2］，透明传输多种客户信号，如 SDH/SONET、IPMPLS、ATM、STM-N、Ethernet等。

OTN有诸多优点，但交换技术仍是OTN的一个瓶颈，目前OTN主要的交换方式有全光交换和光/电/光交换。全光交换技术目前主要在实验室内进行研究与功能实现［1］，而由O-E-O方式进行的电路交换效率仍然不高，无法应对逐渐IP化的数字网络，而且电路交换的速率远不及包交换的速率。而包交换思想的提出，是为了克服电路交换中，各种不同类型和特征的用户终端之间不能互通和通信电路利用率低等问题［3］。可以在OTN中采用包结构，将光信道数据单元ODUK(Optical channel Data Unit-K，K=0，1，2，3)帧流切割成在标准大小上加减1的数据包，经过包交换芯片交换，然后再重组为ODUK帧流，此方法可以有效解决OTN交换的难题，同时可以将其发展为一种统一的交换结构，使之既可以处理数据包也可以处理 TDM业务［4］。

1 基于包结构的光传送网描述

光通信网络正在由纯粹的SONET/SDH导向的网络向以太网和OTN相结合的网络演化。历史上曾经使用单一结构的网络设备，例如用一个设备来处理包业务，一个设备来处理TDM业务。因此人们希望使用一个综合的处理系统，能同时适应各种业务的处理，这样可以更加节省能源和机架［4］。目前包交换网络已经占据了很大的市场比例，如果利用包结构来承载OTN客户信号，那么就可以广泛利用现存的包交换设备，这将达到事半功倍的效果。图1为包结构和OTN相结合的光传输平台。图中SONET/SDH信号从OTN的接入侧线卡经过平台传递到OTN的输出侧线卡。在平台中，OTP(Optical Transport Platform)单元将高阶的ODUK帧流解复用为低阶的ODUK帧流，将低阶信号切割为相应大小的数据包，经过包交换芯片交换后，再重组为 ODUK帧流，将低阶 ODUK帧复用为高阶ODUK帧后，传入其他OTP单元完成一次数据交换。

图1 包和OTN相结合的网络

图2为图1中OTP网络单元的结构，ODUK数据流经过ODUK to SAR(Segmentation and Reassembly)模块切割为固定大小的数据包，再经过Interlaken高速接口将切割好的数据包发送到包交换芯片，通过交换芯片交换的数据包先经过Interlaken接口接收，再经过ODUK to SAR模块组合为ODUK数据流。其中数据流的切割和重组是难点和关键。

图2 OTP网络单元

2 ODUK帧结构概述

ODUK，K=0 表示比特率约为1.25 Gbit·s-1，K=1表示比特率约为2.5 Gbit·s-1，K=2表示比特率约为10 Gbit·s-1，K=3 表示比特率约为 40 Gbit·s-1。其帧结构［5］如图3所示，为4行3 824列结构，主要由ODUK开销和OPUK(光信道净荷单元)两部分组成。第1～14列为ODUK的开销部分，但第一行的1～14列用来传送帧定位信号和OTUK(光信道传送单元)开销。第2、3、4行的(1～14)列用来传送ODUK开销。15～3 824列用来承载OPUK。ODUK速率由式(1)计算。

图3 ODUK帧结构

3 包结构的网络单元

图4为基于包结构的OTN一个网络单元，其包括，输入OTN功能模块，输入SAR功能模块，包结构模块，出口SAR功能模块和输出OTN功能模块。一个普通参考时钟(REFCLK)和一个同步脉冲(SYNC)被分布到所有输入和输出SAR功能模块。参考时钟和同步时钟必须从一个普通的时间基准产生，并且相互之间锁相。输入OTN功能模块由一个OTUK成帧器组成，成帧器结束OTUK的开销信息，去掉前向纠错(FEC)，产生相应的高阶ODUK流。这里也可能有一个或者多个ODTUjk解复用单元，这些单元从高阶的ODUK数据流中提取低阶的ODUj/ODUflex客户信号。通过输入SAR功能模块，高阶和低阶流被分割成数据包，然后进入包结构模块。包结构交换数据，然后经过出口SAR功能模块重新组装成ODU数据流，再经过出口功能模块进行处理。在OTN出口功能模块，高阶ODUK流加上OTUK开销和FEC校验信息组成OTUK数据流。低阶ODUj/ODUflex流能被复用成高阶ODUK流。ODU流从入口到出口，整个系统必须保证时钟的完整性。

图4 基于包结构的网络单元

参考时钟311.04 MHz，用于输入和输出SAR功能模块。

表1 包头每个域的介绍

ODUk/ODUflex流速率，必须保证锁相到同步时钟。

同步时钟8 kHz脉冲，用于输入输出SAR功能块同步时间戳，来矫正包延迟变化，同步时钟锁相到参考时钟。

输入SAR功能模块主要完成将ODUK帧切割成固定大小的数据包，对于同种类型的ODUK信号切割成的包拥有相同配置的标准长度。在包切割过程中，要加上相应的包头信息。标准包大小计算公式为

其中，B表示切割的包大小;T表示包的生成间隔;N表示每个调度间隔生成包的数量;Cclk为311.04 MHz的参考时钟。但实际包的大小要偏离标准包大小±1 Byte，这是由实际ODUK速率决定的(时钟的漂移和抖动［7］)。包格式如图4所示，包头每个域的位宽介绍如表1所示。表2为ODUK切割配置表。

图5 包格式图

表2 ODUK切割配置表

输出SAR功能模块是对输入SAR功能模块的相反操作，主要是将数据包重组为低阶ODUK的过程。SAR电路结构无疑是基于包结构OTN的关键技术。

4 基于包的OTN网络单元结构实现

图6为一个基于包结构的OTN网络结构设计图，如图所示OTUk串行数据通过CDR电路获得数据时钟，通过OTUKRx Framer寻找OTUK的帧头，将数据送入ODUjk DeMUX模块，完成高阶ODUk向低阶ODUj数据的提取，Low-Pass Filter模块将标准ODUK时钟的相位与JC调整所提供的相位相加作为锁相环的控制输入产生包大小判决模块的ODUj clock，Packet Size Decision模块对每T/N个REFCLK时钟内的ODUj clock统计用于判定包的大小，Packet Formatter模块根据FIFO中包的大小信息对解复用的数据打包，送往包交换芯片完成交换。接收端是包的重组过程，与切割过程相对称，为还原数据还要去掉包头开销得到原始数据，将原始数据拼接成OTN数据，同时根据包的大小恢复原始数据的时钟［8］。

图6 基于包结构的OTN网络结构图

5 结束语

基于包交换的OTN网络协议使得OTN网络层中的ODU流(ODUk/ODUflex)以数据包的形式在网络设备中交换成为现实。结合Altera Stratix IV系列开发版提供的Interlank接口及SFI4.2接口可方便地实现文中提出的网络单元。本文作为此项技术的深入，将有助于大容量高速率数据的光交换在电域的发展。

［1］刘国辉.光传送网原理与技术［M］.北京:北京邮电大学出版社，2004.

［2］MARTIN C，JOSEF R，TAKUYA O.The operator's view of OTN Evolution［J］.IEEE Communications Magazine，2010，48(9):46-52.

［3］陈亮，孟李林.分组交换中一种存储管理方案的设计与实现［J］.西安邮电大学学报，2011，16(6):31-34.

［4］WINSTON M.OTN over packet fabric protocol(OFP)implementation agreement［EB/OL］.［2011-01-21］(2012-10-11)http://www.oiforum.com.

［5］刘静.基于G.709的开方式传输网络(OTN)［J］.黑龙江科技信息，2008，10(30):18-20.

［6］曹畅，张永军，石帅.T-MPL网络中承载电路业务的最佳包长问题研究［J］.电子与信息学报，2010(3):667-669.

［7］陈静伟，杨铸.OTN中ODUk时钟的抖动性能要［J］.光通信研究，2001(4):17-19.

［8］陈登超，吕建新.基于 OTN的分组交换技术的研究［J］.光通信技术，2012(5):1-3.