基本信息
- 项目名称：
- 光突发交换核心节点交换控制系统
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 光突发交换（Optical Burst Switching，OBS）是实现下一代光互联网极具潜力的交换技术之一。作为一种新的交换架构，目前国际上关于光突发交换核心路由器的研究尚处于萌芽阶段。本作品着眼于其核心节点控制系统的研制，开发核心交换控制模块及研制光突发交换核心路由器样机。利用FPGA技术，首次提出了基于JIT信令机制的单芯片OBS核心交换控制系统设计方案，实现并改进了较为复杂的LAUC-VF(LAUC-Void Filling)调度算法。通过对OBS核心控制模块进行功能分析与模块划分，设计了基于FPGA的核心控制模块电路板，实现了一个具有突发控制包（Burst Control Packet，BCP）收发和解析、数据信道调度、资源管理、光开关控制等功能的基本核心控制系统。作品为光突发交换技术的实用化做了很多前瞻性的探索，对研制具有我国自主知识产权优势的光突发交换机具有重大意义。
- 详细介绍：
- 随着Internet业务量对带宽要求的不断增长，全光网络必将成为下一代网络的重要组成部分，而光突发交换(Optical Burst Switch OBS)的提出为建立高性能低成本的全光网提供了一种新的途径。光突发交换是一种可以有效的利用DWDM带宽资源的新型光网络结构，是实现下一代光互联网极具潜力的交换技术之一。由于OBS是一种新的交换技术，相关的研究特别是系统实现的研究目前还不成熟。 本作品着眼于其核心节点控制系统的研制，开发核心交换控制模块及研制光突发交换核心路由器样机。在目前国内外的研究中，普遍使用以单片机、ARM等微处理器为主来实现光突发交换的核心控制功能。作品采用现场可编程逻辑门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）技术，自主开发单芯片控制系统来实现OBS核心交换功能，使系统拥有更好的扩展性和升级功能，解决了电子交换的速度瓶颈及光缓存难于实现的技术制约。 作品首先对OBS网络结构及其关键技术进行了概述，介绍了OBS网络的架构及关键技术。然后，根据当前相关技术的发展现状，并通过对OBS核心控制卡的功能分析，提出基于FPGA的OBS核心交换控制系统的设计方案。最后根据模块划分设计了基于FPGA的核心控制卡电路板，实现了一个具有调度、线路收发、存储、网络管理等功能的基本核心控制模块系统。 为了有效地验证我们研制的光突发交换核心节点控制系统样机的功能，搭建了OBS实验网络环境。通过反复的系统调试，对系统方案进行了完善，并对传统数据信道调度算法进行了改进。 最后对整个本作品技术部分做了总结，分析了OBS实验网络的局限性和实际运行中出现的问题，对下一步工作进行了展望。 作品主要有以下技术特点：结合了光电路交换和光分组交换的优势，同时避免了它们的缺点；通过控制信息和数据信息在时间和空间上的分离，控制分组提前发送，并在中间节点经过电信息处理，从而为数据分组预留相应的资源；充分保留了数据信道对光信号的透明性，不对业务数据做任何处理；不再需要业务数据携带冗余比特，网络开销低；控制分组先于数据分组传送，无需光/电/光处理；它具有延时小，带宽利用率(统计复用)高，效率高，数据透明、交换容量大(电控光交换)等特点，可以达到Tb/s级的交换容量，甚至Pb/s量级；单向预留带宽资源。BCP在核心节点提前预约资源，为BDP建立一个全光路径，不经过任何的光/电/光转换，消除了电子瓶颈而导致的带宽扩展困难。 OBS作为一种新的交换架构，目前国际上尚不存在完全成熟的设计方案。本作品首次利用FPGA技术实现了基于JIT信令机制的单板控制系统。通过不断的系统调试，逐步优化了设计方案，完善了系统功能。并针对当前光交叉矩阵技术水平，对OBS网络的部分关键技术进行了改进和创新，如：改进了数据信道调度算法，定义了BCP包格式等。为光突发交换控制系统的的实用化做了很多前瞻性的探索。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 作品设计、发明的目的：光突发交换(Optical burst switching，OBS)是实现下一代光互联网极具潜力的交换技术之一，本作品着眼于其核心节点控制系统的研制，开发核心交换控制模块及研制光突发交换核心路由器样机。 基本思路：结合全光网络的研究成果和光突发交换网络的体系结构、信令机制提出了一套核心节点交换控制的实现方案，利用FPGA技术，在一片可编程逻辑芯片上实现OBS核心节点控制包的收发和解析，光交换控制以及数据信道调度等功能。 创新点：定义了BCP包格式，包括：标志位,目的地址，源地址，偏置时间，BDP包长度，保留位等；首次实现了一种基于显式建立、估算拆除的JIT信令协议的OBS核心交换控制样机；实现并改进了LAUC-VF调度算法，尽可能避免了核心网络突发数据包的竞争，提高了传输速率。 关键技术：重点研究光交换矩阵、交换控制单元的功能与结构，实施控制分组BHP对交换矩阵的控制；重点研究核心节点控制信道调度算法和数据信道调度算法的实现，降低控制信道和数据信道的拥塞；定义核心交换模块硬/软件接口，开发OBS光互联网的核心通信协议。 主要技术指标： 电源：直流5V或交流220V 包长范围：①控制包：7Byte ②数据包：13KByte～15KByte 光纤以太网卡：速率100Mbit/s～1000Mbit/s 光开关矩阵：2×2交叉矩阵 数据信道波长：1310nm 控制信道波特率：9600Bps
科学性、先进性
- 作品的科学先进性： 由于OBS是一种实现下一代全光交换网络新的交换架构，目前OBS核心交换控制模块的设计并没有完全成熟的方案，与其他OBS核心控制板卡的设计相比，本设计主要有以下特点： ●较高的集成度和较低的成本 基于一块主控FPGA芯片实现了系统所需的BCP收发、解析、数据信道调度、资源管理、光开关控制等主要功能。降低了外围电路系统设计的复杂度，同时降低了设备成本。 ●更低的处理时延，更高的系统扩展和升级性能 作品将系统所需的绝大部分功能模块设计在单芯片内，降低了传输时延和信号串扰，使得模块之间的信息交互更为高效，提高了网络传输效率。另外，FPGA设计方便快速，支持多次擦写的特点，使系统拥有更好的可扩展性和升级功能。 ●实现并改进了LAUC-VF调度算法，解决了电子交换的速度瓶颈及光缓存难于实现的技术制约。 作品实现了较复杂的LAUC-VF调度算法。针对现有光开关切换速度慢的弊端，对传统算法加以改进，有效地提高了网络传输效率。
获奖情况及鉴定结果
- 第十一届“挑战杯”全国大学生科技作品竞赛参赛作品重庆赛区特等奖
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物、现场演示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 技术特点和优势： ⑴延时小，效率高。实现了单向资源预约的JIT协议，有效降低了端到端时延，提高了网络传输速率。 ⑵消除了技术瓶颈，利于实用化。控制信息与数据信息相分离，有效降低了中间交换节点的复杂度和对光器件的要求，利于实用化。 ⑶交换容量大，数据传输透明。系统实现中等粒度交换。BCP提前为BDP预约资源，不经过光/电/光转换而透明传输，消除了电子瓶颈对带宽扩展制约。 ⑷升级便捷，性能稳定，组网灵活。系统信息交互高效，管理方便灵活，配置标准数据接口，使系统拥有更好的可扩展性和升级功能。应用前景和意义： 光突发交换是下一代光互联网核心传送技术之一，是实现下一代光互联网的一种极具前景的方案，基于光突发交换的光互联网路由器样机实际模型的研究目前尚处于萌芽阶段，开发出具有我国自主知识产权优势的核心交换模块及研发光互联网路由器样机，将推动我国下一代互联网应用技术的发展，并为我国相关产业带来新的经济增长点，创造较好的经济效益和社会效益。
同类课题研究水平概述
- 由于OBS是一种实现下一代全光交换网络新的交换架构，目前，OBS核心交换控制模块的设计并没有完全成熟的方案，应用FPGA实现OBS核心控制的方案大致分为三种： 1.某校所提方案由主板的FPGA完成较为简单的调度算法，DSP芯片组用来完成复杂的调度算法。控制器用来进行核心节点管理，用51单片机实现，该设计显示了应用FPGA设计过于复杂的问题，可以加快调度的处理速度，但首先必须把复杂调度算法用数字电路描述出来，这大大增加了设计难度。 2.美国一所大学实验设计的OBS核心控制卡结构，它由光电接口卡、线路收发模块、基于FPGA的调度器及宿主机线路收发模块组成。在FPGA内设计的逻辑完成:包括核心调度，转发，光开关控制等。核心节点控制卡的管理与路由计算等功能由分立的宿主机完成，核心节点控制卡与宿主机间通过以太网来连接。 3.另有使用FPGA片上系统来实现一个OBS核心控制卡的方案。在一块系统板上集成线路收发，核心控制及高性能网络管理模块。并在核心控制模块的设计中引入了片上系统，进行复杂的处理。 本设计结合以上三个系统的分析，并根据当前相关技术的发展水平，提出了新的基于FPGA的OBS核心控制系统的方案，实现了单板核心控制系统。 我们委托教育部科技查新工作站对同类课题研究进行了查新，具体查新结果如下： 结合委托查新项目的研究的主要技术要点，本作品查新结论如下： (一)据检索的相关文献表明，国内文献对OBS网络的信令协议、调度算法、突发数据的恢复与接收、路由协议等进行了研究。 (二)文献[11]以FPGA芯片EP2C20Q240C8为基础,通过模拟OBS节点之间的通信, 对协议的4类帧的通信流程进行了验证。但未见在一片可编程逻辑（FPGA）上实现OBS核心节点控制包的收发、解析，数据信道调度，资源管理，光开关控制等功能的报道。 (三)未见用可编程逻辑器件（FPGA）实现一种基于显示建立、估算拆除的OBS网络JIT信令协议及LAUC-VF调度算法的报道。
