CN106254968A - 一种基于阵列波导光栅的无阻塞组播交换网络 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于阵列波导光栅(AWG)的无阻塞光组播交换网络设计方法，采用波长复制模块(WR‑module)与阵列波导光栅以递归的方式构建无阻塞光复制网络，通过级联进行数据复制的复制网络和进行点到点交换的复制网络构建无阻塞光组播交换网络；构建有r个输入/输出端口且每个端口承载m个波长的N×N光组播交换网络所需有源光器件的数量仅为O(Nlogm N)，实现了***可扩展，有效节约了硬件开销和能源耗损；将组播交换网络的路由拆分为复制网络中复杂度为O(1)的路由和点到点单播交换网络中的路由，使得组播交换网络的路由算法复杂度等同于单播交换网络中的路由算法复杂度。

Description

一种基于阵列波导光栅的无阻塞组播交换网络
技术领域
本发明涉及光交换网络技术领域，特别是涉及一种基于阵列波导光栅(ArrayedWaveguideGrating，AWG)的无阻塞组播交换网络。
背景技术
归功于光纤的巨大传输容量，波分复用(WavelengthDivideMultiplex，WDM)光网络已经被认为是具有巨大传输带宽的下一代光网络的主导技术。而与此同时，网络中的视频会议、IPTV、数据中心分布式并行计算等通信业务快速兴起，特别是面向支持股市预测、灾难预警、疾病诊断、商品推荐和用户喜好分析等应用的MapReduce、Hapdoop、Spark等大规模数据分析业务发展迅猛。这些业务通常需要分布式地运行在一个或者多个服务器集群中，并且以一对多或者多对多的通信方式进行数据传输，这就给通信网络带来了巨大的支持高带宽组播业务的需求。随着近年来半导体光放大器(SemiconductorOpticalAmplifier,SOA)、光耦合器(OpticalCoupler,OC)、TunableOpticalFilter(TOF)、WavelengthConverter(WC)和阵列波导光栅(AWG)等光器件的成熟，设计基于这些光器件的组播交换网络来充分利用WDM光网络的巨大传输容量以满足不断增长的组播通信需求成为了一个重要的研究课题。
设计组播交换光网络所面临的主要难题是确保***的无阻塞性条件下实现***的可扩展。其具体原因主要有以下三点：
(1)随着网络规模的扩大，有源光器件(如SOA,TOF和WC)数量不应该增长太快，因为有源光器件占据着***主要的设备开销和能源消耗。
(2)网络中采用的无源器件规模不应太大，因为AWG和OC等无源光器件的性能会随着输入/输出端口数的变大而急剧恶化。
(3)作为重要的频带资源，***中所采用的波长数目也不应该太大。
(4)组播交换网络所采用的路由算法的复杂度也应该尽量低，以便于***实现。
为了克服以上问题，目前基于AWG的组播交换光网络主要有以下四种设计方案：
第一种方案将SOA作为光开关组成基于SOA的无阻塞crossbar网络。网络的每个输入端口有一个1×NOC，每个输出端口有一个N×1OC，每个1×NOC的输出端口通过一个SOA与每个N×1OC的输入端口相连。一个N×N交换网络需要SOA数量是O(N2)，因此这种方案的可扩展性较差。
第二种方案采用SOA构成稀疏crossbar网络完成交换功能。这种方案中的SOA的数目虽然比第一种方案少，但是对于一个N×N交换网络，该方案仍然需要O(N2)数量的SOA。
第三种方案是采用基于SOA的crossbar网络模块构建三级的交换网络，每级包含若干个较小规模的SOA交叉矩阵模块，每个模块与相邻级的每个模块相连。这种方案减少了***中所使用的SOA数量，但是对于一个N×N交换网络，该方案需要采用复杂度为O(dN)的无阻塞路由算法。同时，由于各级之间的每条链路并没有充分利用波分复用的优点而只采用的一条链路承载一个波长，因此网络的内部连线复杂度较高。
第四种方案是采用基于AWG的交换模块和基于SOA的交叉矩阵构建两级交换网络。一方面，这种方案并没有给出实际可行的无阻塞路由算法。另一方面，由于基于SOA的交叉矩阵并没有考虑波分复用，因此这种方案的内部连线复杂度也很高。
第五种方案是基于一个AWG构建组播无阻塞交换网络。这种方案将AWG的一部分输入端口作为单播输入端口，其余作为组播输入端口，组播请求数据进入网络需要进行一次额外的交换进入组播端口进行组播，因此其组播能力比较有限且需要额外的交换代价。另外，这个结构中的AWG的输入输出端口数、波长变换器的调谐范围以及***的波长粒度都随着网络规模的增大而线性地增加，这使得***的可扩展性较差。
发明内容
本发明的目的是针对构建无阻塞光组播交换网络的可扩展性问题，提出一种基于波导阵列光栅的无阻塞、可扩展的光组播交换网络，采用波长复制模块(WR-module)与阵列波导光栅(AWG)以递归的方式构建无阻塞光复制网络，通过级联进行数据复制的复制网络和进行点到点交换的复制网络构建无阻塞光组播交换网络，使得构建有r个输入/输出端口且每个端口承载着m个波长的N×N光组播交换网络所需有源光器件的数量仅为O(N logmN)，其中N＝rm，并且拥有与单播光交换网络相同的路由算法复杂度。
为实现上述发明目的，本发明采用如下的技术方案：
包括以下网络构造步骤：
1)构建基于AWG的多级复制网络以m×mWR-module和m×mAWG构造三级复制网络通过对每个子网的i＝logm r-1次递归分解，使得中间级网络单元成为从而构造出多级复制网络
2)构建基于AWG的N×N组播网络级联两个多级复制网络并将输入侧完成复制功能的复制网络的输出级与输出侧完成点到点单播交换的复制网络的输入级进行合并，构成
包括以下网络路由步骤：
1)组播请求拆分：将中的每个组播请求拆分为在输入侧复制网络中完成复制的子请求和在输出侧复制网络中完成点到点交换的子请求，拆分原则是依次对每个组播请求、根据其数据所来自的输入信道地址从小到大、按照所请求的输出组播数据副本个数、从小到大地分配输入侧复制网络的输出信道，从而在输入侧复制网络中构造出单调的复制请求，在输出侧复制网络中构造出点到点交换请求；
2)输入侧复制网络中单调复制请求的无阻塞路由与波长分配：
a)对请求进行标号：把需要将来自地址为s的输入信道的数据复制到输出信道地址为d的集合D的复制请求标记为C(s,D)；
b)对组播请求进行排序：按照对组播请求的数据所来自的输入信道的地址大小，从小到大进行排序，并依次标号为C0,C1,C2,…,Ci,…；
c)分配路由和波长：将标号为Ci的请求分配到从上到下标号为γ＝[i]m的中间级子网，标号为α的输入级WR-module与中间级子网γ之间采用波长标号为β的输入级WR-module与中间级子网γ之间采用波长并递归地在各个子网中进行同样的分配：将子网中的请求进行重新排序，标号为Ci的请求在子网γ中重新被标记为Ci′，其中再根据新的序号i′对该请求在子网中分配路由和波长，最后在中间级网络单元中采用相同的分配原则将请求分配到相应的WR-module；
3)点到点网络中点到点交换请求的无阻塞路由：按照目前成熟的点到点单播路由算法进行路由；
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)本发明基于波导阵列光栅的组播网络的设计方案所采用的有源器件数目的数量级仅仅为O(N logm N)。对于特殊的变量取值(E是一个常数)，这个数量级变为O(N)。在构建大规模光组播交换网络时可以有效节约硬件开销和能源耗损。
2)构建网络只采用模块化的m×m的AWG和m×mWR-module。同时，由于在充分利用了波长复制模块的波长隔离作用，本发明在网络中实现波长重用从而将波长粒度和波长选择转换器的调谐范围减小至m，且AWG的大小和网络波长粒度的大小不随网络规模的增大而增大。
3)本发明基于波导阵列光栅的组播网络的设计方案通过将组播网络请求拆分为复制请求和点到点交换请求两部分，两部分路由可以并行操作，而复制网络中的路由算法复杂度仅为O(1)，使得整个组播网络的路由算法复杂度仅仅由点到点单播网络中的单播路由算法决定，因此本发明基于波导阵列光栅的组播网络的设计方案中的路由算法复杂度等同于单播路由算法复杂度。
附图说明
图1是m×mWR-module示意图；
图2是基于波导阵列光栅的N×N三级复制网络示意图；
图3是基于波导阵列光栅的三级复制网络示意图；
图4是基于波导阵列光栅的27×27三级复制网络结构和路由示意图；
图5是基于波导阵列光栅的27×27组播网络构建示意图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
一种基于阵列波导光栅的无阻塞光组播交换网络，主要是通过级联两个基于波导阵列光栅的复制网络实现无阻塞组播交换，包括以下组件和参数：
(1)N×N网络：有N个输入信道和N个输出信道的网络；
(2)m×mAWG：有m个输入端口和m个输出端口的波导阵列光栅，其每个输入/输出端口承载m个输入波长信道；
(3)m×mWR-module：可以将输入的m个输入波长信道中的任意一个或者多个信道上的信号复制到m个输出波长信道中的任意一个或者多个信道上的波长复制模块，如图1所示，由一个1×m光耦合器(OC)通过m个波长选择转换器(WavelengthSelectiveConverter,WSC)相连一个m×1复用器(Mux)构成，每一个波长选择转换器(WSC)由一个可调谐光滤波器(TOF)和一个固定波长转换器(Fixed Wavelength Converter,FWC)构成，Ω和Φ分别为输入波长集合和输出波长集合，输入信号由1×mOC广播到m个WSC，每个WSC由TOF选出需要复制或者转换的波长信号，由FWC进行转换，再将转换后的信号经由m×1Mux进行复用并输出；
(4)波长转化分界线：位于每个WR-module中间将WR-module分为左右两部分的虚拟分界线，用于逻辑上示出输入波长与输出波长转换点的分界线，波长转换使得WR-module具有波长隔离性，即波长转化分界线左侧的输入波长与右侧的输出波长不相关，如图1所示；
(5)基于AWG的N×N三级复制网络由m×mWR-module和m×mAWG构成。该三级复制网络有r个输入端口和r个输出端口，每个端口配置一个m×mWR-module，则输入级和输出级各有r个m×m WR-module；同一级的每m个连续的m×mWR-module连接到一个m×mAWG，则输入侧和输出侧分别有r′个m×mAWG，其中r＝r′m；输入侧的r′个m×mAWG与输出侧的r′个m×mAWG之间的中间级有m个复制网络输入侧的AWG的每个输出端口连接一个中间级复制网络的输入端口，输出侧的AWG的每个输入端口连接一个中间级复制网络的输出端口。如图2所示，在中，从上到下依次给输入级WR-module、输入侧AWG、中间级子网、输出侧AWG、输出级WR-module标号之后，标号为α的输入级WR-module与标号为γ的之间通过波长λk连接，标号为β的输出级WR-module与标号为γ的之间通过波长λl连接，其中k＝[[α]m+γ]m，l＝[[β]m+γ]m；
(6)N×N三级复制网络的中间级子网用构建相同的方法递归构建的由m×m WR-module和m×mAWG组成的更小规模复制网络，其有r′个输入端口和r′个输出端口，每个端口配置一个m×mWR-module，每m个连续的m×m WR-module连接到一个m×mAWG，输入侧和输出侧分别有r′个m×mAWG，且输入侧的r′个m×mAWG与输出侧的r′个m×mAWG之间有m个中间级子网，输入侧的AWG的每个输出端口连接一个中间级子网的输入端口，输出侧的AWG的每个输入端口连接一个中间级子网的输出端口；
(7)输入域：在中，由所有输入级WR-module的波长转化分界线所分隔出的输入侧区域，如图2所示；
(8)输出域：在中，由所有输出级WR-module的波长转化分界线所分隔出的输出侧区域，如图2所示；
(9)复制域：在中，位于所有输入级WR-module的波长转化分界线和所有输出级WR-module的波长转化分界线中间的区域，如图2所示；
(10)复制网络输入域波长集：在中，每个输入端口的承载输入信道的波长集合，利用WR-module的波长隔离性质，输入域波长集可以用Λ＝{λ0,λ1,…,λm-1}表示；
(11)复制网络输出域波长集：每个输出端口的承载输入信道的波长集合，利用WR-module的波长隔离性质，输入域波长集也可以用Λ＝{λ0,λ1,…,λm-1}表示；
(12)复制网络复制域波长集：在复制域中承载信道的波长集合，利用WR-module的波长隔离性质并结合网络的递归构造方法，复制域波长集也可以用Λ＝{λ0,λ1,…,λm-1}表示；
(13)输入波长信道：位于标号为α的输入级WR-module上、由波长λk承载的信道，记为(α，λk)，其中α＝0,1,…,r-1，k＝0,1,…,m-1，如图2所示；
(14)输出波长信道：位于标号为β的输出级WR-module上、由波长λl承载的信道，记为(β,λl)，其中β＝0,1,…,r-1，l＝0,1,…,m-1，如图2所示；
(15)输入信道一维标号：输入波长信道(α,λk)的一维标号为s＝mα+k，s＝0,1,…,rm-1，如图2所示；
(16)输出信道一维标号：输出波长信道(β,λl)的一维标号为d＝rβ+l，d＝0,1,…,rm-1，如图2所示；
(17)递归分解次数i：以构造复制网络相同的方法分解子网为由WR-module、AWG和更小的子网组成的复制网络的次数，i＝1,…,logm r-1；
(18)基于AWG的三级复制网络经过i次递归分解复制网络子网的中间级网络单元，其由三级WR-module和两个AWG构成，输入级有ri个m×m WR-module，中间级有m个ri×ri WR-module，输出级有ri个m×m WR-module，输入级与中间级由一个ri×mAWG连接，中间级与输出级由一个m×riAWG连接，输入侧共有mri个输入信道，输出侧共有mri个输出信道，从上到下依次给输入级WR-module、输入侧AWG、中间级WR-module、输出侧AWG、输出级WR-module标号之后，标号为α的输入级WR-module与标号为γ的中间级WR-module之间通过波长λx′连接，标号为β的输入级WR-module与标号为γ的中间级WR-module之间通过波长λy′连接，其中，x′＝[α+γ]|Λ|，y′＝[β+γ]|Λ|，|Λ|＝max{ri,m｝，如图3所示；
(19)基于AWG的N×N复制网络通过对的子网递归分解i＝logmr-1次构造的多级复制网络，其由m×mWR-module和m×mAWG构成，中间级网络单元为
(20)基于AWG的N×N组播网络包括两个网络，通过将输入侧完成复制功能的的输出级与输出侧进行点到点交换的输入级进行合并构成；
(21)波长粒度：光组播网络中所使用的不同波长的数目，在中波长粒度为m；
一种基于阵列波导光栅的无阻塞组播交换网络设计方法，应用于具体实施例，设计基于波导阵列光栅的27×27组播网络包括如下构建步骤：
(1)构建基于波导阵列光栅的27×27多级复制网络首先构造三级复制网络网络有3个输入/输出端口且每个端口承载3个波长信道，在网络输入级的每个输入/输出端口配置一个3×3WR-module且每3个连续的3×3WR-module连接到一个3×3AWG，输入侧的3个3×3AWG与输出侧的3个3×3AWG之间有3个中间级子网输入侧的AWG的每个输出端口连接一个中间级子网的输入端口，输出侧的AWG的每个输入端口连接一个中间级子网的输出端口，以相同的方法递归构建i＝log3 9-1＝1次中间级子网直到中间级网络单元成为这样构造出多级复制网络如图4所示；
(2)构建基于波导阵列光栅的27×27组播网络如图5所示，级联两个复制网络并将输入侧完成复制功能的复制网络的输出级WR-module与输出侧进行点到点交换的复制网络的输入级WR-module进行合并，构成
包括以下网络路由步骤：
(1)在复制网络网络中，对信道进行标号：将输入/输出信道从上往下依次进行标号，如图4所示；
(2)组播请求拆分：将中的组播请求：
分为在复制网络中完成复制子请求：
和在点到点网络中完成点到点交换子请求：
(3)复制网络中单调复制请求的无阻塞路由与波长分配：
a)对请求进行排序：按照对组播请求所来自的输入信道的地址，从小到大进行排序，并依次标号为C0＝C(0,｛0,1｝),C1＝C(3,｛2,3｝),…,C9＝C(20,{23,24,25,26})
b)分配路由：请求C0,C1,…,C9分别被分配到标号为[0]3＝0,[1]3＝1,[2]3＝2,…,[9]3＝0的中间级WR-module；
c)波长分配：以请求C1＝C(3,{2,3})为例，将其分配到标号为γ＝[1]3＝1的中间级子网，标号为1的输入级WR-module与中间级子网γ＝1之间采用波长λ2，标号为0的输入级WR-module与中间级子网γ＝1之间采用波长λ1，标号为1的输入级WR-module与中间级子网γ＝1之间采用波长λ2，并递归地在各个子网中进行同样的分配，将子网中的请求进行重新排序，请求C1在子网γ＝1中重新被标记为Ci′，其中再根据新的序号i′＝0对该请求在子网中分配路由和波长，即将请求分配到子网中标号为γ＝[0]3＝0的中间级WR-module，且子网中标号为0的输入级WR-module与中间级WR-module之间采用波长λ0，标号为0的输出级WR-module与中间级子网γ＝0之间采用波长λ0，这样请求C1在输入侧经历的光路为：以波长λ0输入，经过标号为1的输入级WR-module转换为λ0，经子网中标号为0的输入侧WR-module转换为λ0，经子网中标号为0的中间级WR-module转换为λ0，经子网中标号为0的输出侧WR-module复制到λ1和λ2，之后λ1被标号为0的输出级WR-module转换为λ2输出，λ2被标号为1的输出级WR-module转换为λ0输出，其他请求按照同样地方法进行路由和波长分配；
(4)输出侧完成点到点单播交换的复制网络中点到点交换请求的无阻塞路由：按照目前成熟的点到点单播路由算法进行路由。

Claims (8)

1.一种基于阵列波导光栅的无阻塞光组播交换网络的构建方法，包括N个输入信道和N个输出信道，以及m×m波长复制模块WR-module和m×mAWG，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤1.构建有r个输入端口和r个输出端口、且每个端口承载m个波长的基于AWG的N×N复制网络在每个端口配置一个m×m WR-module，即输入级和输出级各有r个m×mWR-module，且同一级的每m个连续的m×m WR-module连接一个m×mAWG，即输入侧和输出侧分别有r′个m×mAWG，其中r＝r′m，输入侧的r′个m×mAWG与输出侧的r′个m×mAWG之间有m个中间级复制网络输入侧的AWG的每个输出端口连接一个中间级复制网络的输入端口，输出侧的AWG的每个输入端口连接一个中间级复制网络的输出端口；以相同方式递归构建中间级复制子网络
步骤2.构建中间级网络单元经过i次递归构建复制网络的子网后，中间级网络单元为基于AWG的三级复制网络，其由三级WR-module和两个AWG构成，输入级有ri个m×mWR-module，中间级有m个ri×ri WR-module，输出级有ri个m×mWR-module，其中r＝rimi，输入级与中间级由一个ri×mAWG连接，中间级与输出级由一个m×riAWG连接；
步骤3.构建基于AWG的N×N复制网络对的子网进行i＝logmr-1次递归分解，其由m×mWR-module和m×mAWG构成，中间级网络单元为
步骤4.构建基于AWG的N×N组播网络级联两个复制网络将输入侧完成复制功能的的输出级WR-module与输出侧进行点到点交换的输入级WR-module进行合并。
2.如权利要求1所述的一种基于阵列波导光栅的无阻塞组播交换网络的构建方法，其特征在于：将光组播请求拆分为在输入侧复制网络中的复制请求和输出侧复制网络中的点到点单播交换请求，具体步骤如下：
1)输入侧复制网络根据组播请求所需的数据副本数进行数据复制，具体是：对每个组播请求，按照其输入信道标号的大小，依次为其分配一组输入侧复制网络的连续输出端口，且分配给每个请求的输入侧复制网络端口数目根据所需数据副本数目确定，从而在输入侧复制网络中形成复制请求；
2)输出侧复制网络对数据副本进行点到点交换，具体是：对输出侧复制网络的输入端口上的每个数据副本，根据其实际的目的端口地址，按照目前成熟的单播路由算法进行路由，从而使数据副本交换至相应的目的输出信道。
3.如权利要求1或2所述的一种基于阵列波导光栅的无阻塞光组播交换网络的构建方法，其特征在于：采用WR-module与AWG构建无阻塞光复制网络，一个m×mWR-module将输入的m个波长信道中的任意一个或者多个信道上的信号复制到m个输出波长信道中的任意一个或者多个信道上的复制模块，由一个1×m光耦合器OC通过m个波长选择转换器相连一个m×1复用器Mux构成，每一个WSC由一个可调谐光滤波器TOF和一个固定波长转换器FWC构成，输入信号由1×mOC广播到m个WSC，每个WSC由TOF选出需要复制或者转换的波长信号，由FWC进行转换，再将转换后的信号经由m×1Mux进行复用并输出。
4.如权利要求1或2所述的一种基于阵列波导光栅的无阻塞光组播交换网络的构建方法，其特征在于：在中，从上到下依次给输入级WR-module、输入侧AWG、中间级子网、输出侧AWG、输出级WR-module标号之后，标号为α的输入级WR-module与标号为γ的中间级子网之间通过波长λx连接，标号为β的输出级WR-module与标号为γ的中间级子网之间通过波长λy连接，其中x＝[[α]m+γ]m，y＝[[β]m+γ]m。
5.如权利要求1或2所述的一种基于阵列波导光栅的无阻塞光组播交换网络的构建方法，其特征在于：在中，从上到下依次给输入级WR-module、输入侧AWG、中间级WR-module、输出侧AWG、输出级WR-module标号之后，标号为α的输入级WR-module与标号为γ的中间级WR-module之间通过波长λx′连接，标号为β的输入级WR-module与标号为γ的中间级WR-module之间通过波长λy′连接，其中，x′＝[α+γ]|Λ|，y′＝[β+γ]|Λ|，|Λ|＝max{ri,m}。
6.如权利要求1或2所述的一种基于阵列波导光栅的无阻塞光组播交换网络的构建方法，其特征在于：将两个基于阵列波导光栅的复制网络进行前后级联，同时将前一个复制网络的输出级WR-module和后一个复制网络的输入级WR-module合并成一列WR-module，其中前一个复制网络按要求在其输出级WR-module产生所需的数据副本，后一个复制网络则将数据副本交换到最终的目的输出信道。
7.如权利要求1或2所述的一种基于阵列波导光栅的无阻塞光组播交换网络的构建方法，其特征在于：采用m×mWR-module和m×mAWG构建无阻塞光复制网络，并且网络中的WR-module和AWG的规模随着光组播交换网络规模的变大而保持不变。
8.如权利要求3所述的一种基于阵列波导光栅的无阻塞组播交换网络的构建方法，其特征在于：基于AWG的输入侧复制网络中的路由分配算法包括如下步骤：
1)将所有输入/输出信道进行连续标号为0,1,…,N-1；
2)将所有请求按照其输入信道标号的大小排序为0,1,2…；
3)对中间级子网从0到m-1依次进行标号；
4)将标号为[i]m的中间级子网分配给请求i。
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