СПОСОБ КОММУТАЦИИ ОПТИЧЕСКИХ ПАКЕТОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF SWITCHING OPTICAL PACKETS AND DEVICE FOR THEREFOR

1. Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к технике оптической коммутации и может быть использовано для создания волоконно-оптических систем передачи информации и локальных вычислительных сетей с коммутацией пакетов.
2. Уровень техники
В настоящее время наиболее широко используемым способом построения цифровой первичной сети, в которой сигнал передается в оптическом виде, является технология синхронной иерархии с временным разделением каналов (Synchronous Digital Hierarchy - SDH). Дальнейшим развитием технологий оптической передачи информации явилась технология мультиплексирования с разделением по длине волны (Wavelength Division Multiplexing, WDM), называемого также волновым мультиплексированием или спектральным разделением.
В начале 2000-х годов получил развитие принцип коммутации IP-пакетов по меткам, реализованный в протоколе MPLS (MultiProtocol Label Switching), который позволяет сформировать виртуальные пути передачи пакетов в сети маршрутизаторов, коммутирующих на основе меток (Label Switching Router, LSR). Эта же идея, перенесенная на физический уровень оптической сети, приобрела форму протокола, именуемого MultiProtocol lambda Switching (MP1S). (Бараш Л. Мультипротокольная лямбда-коммутация. Компьютерное Обозрение, №4, 31 января - 6 февраля 2001 г.). Коммутация здесь осуществляется уже не на основе меток, содержащихся в заголовках пакетов, а в соответствии с длинами волн, на которых передается трафик того или иного типа. Такая технология обработки оптических сигналов получила название лямбда-коммутации (используются также термины «фотонная коммутация» и «коммутация по длинам волн»).
Несмотря на то что вопросы создания оптических коммутаторов пакетов обсуждаются в научно-технической литературе, аналогов предлагаемого способа коммутации в патентной информации не выявлено. Предлагаемый способ относится к способам коммутации с полностью оптическим обменом меток (AOLS - All-Optical Label Swapping), частным случаем которого является способ мультипротокольной лямбда-коммутации, описанный в статье В. Маккавеева. Фотонные коммутаторы. Журнал «Компоненты и технологии», 2006 г., №2.
3. Раскрытие изобретения
Целью заявляемого способа коммутации оптических пакетов является повышение скорости обработки информации, уменьшение числа электронно-оптических преобразований в системе и вносимых ими искажений.
На фиг. 1 показана структура сигнала, передаваемого в оптическом волокне одного направления передачи.
1
N
Сигнал передается в N спектральных каналах, различающихся длиной волны аналогично сигналу WDM. Для передачи информационных сигналов используются длины волн λ-λ.
Отличительной особенностью данного способа передачи является:
а) передача метки в адресной части оптического блока в отличие от мультипротокольной лямбда-коммутации (MultiProtocol Label Switching), где меткой является длина волны, на которой передается блок данных;
N+1
б) наличие канала синхронизации, использующего выделенную длину волны λ. В канале синхронизации передаются синхроимпульсы, общие для всех оптических каналов передачи и формирующие кадры.
Передача информации осуществляется покадрово (блоками), временные интервалы которых задаются импульсами, передаваемыми в канале синхронизации.
Блоки состоят из адреса и поля данных (пакета данных).
З
З
В поле адреса находится метка, представляющая собой признак коммутатора, которому адресовано сообщение. До и после метки находятся защитные интервалы t. В конце кадра также находится защитный интервал t.
Каждому коммутатору соответствует индивидуальная битовая последовательность. Кроме того, при отсутствии блока данных в адресе записывается последовательность бит «Метка пустого блока», формируя так называемый «пустой блок». Конкретный способ кодирования меток выбирается при проектировании системы.
Коммутация пакетов осуществляется следующим образом.
З
При приеме импульса синхронизации коммутатор переводится в начальное состояние обработки кадра. Защитный интервал t определяется временем переключения коммутатора.
Затем коммутатор обрабатывает поступающую метку и осуществляет коммутацию блок данных. Пакет данных при этом в электронную форму не преобразовывается.
Для компенсации времени обработки и переключения в схему коммутатора должна вводиться линия задержки.
Краткое описание чертежей
Фигура 1. Структура оптического сигнала
где:
3 - метка;
1
4 - канал данных, передаваемых на оптической несущей λ;
N
5 - канал данных, передаваемых на оптической несущей λ;
N+1
6 - канал синхронизации на оптической несущей λ;
3
7 - защитный интервал t;
8 - пакет данных;
9 - поле данных
10 - поле адреса;
11 - длительность кадра данных.
Фиг. 2. Структура коммутатора
На схеме обозначены:
12, 13 - оптический делитель направлений передачи 1-2 и 2-1 соответственно;
14, 15 - оптический разветвитель канала синхронизации направлений передачи 1-2 и 2-1 соответственно;
16, 17 - оптический разветвитель канала данных направлений передачи 1-2 и 2-1 соответственно;
18, 22 - оптоэлектронный преобразователь канала данных направлений передачи 1-2 и 2-1 соответственно;
19, 23 - оптоэлектронный преобразователь канала синхронизации направлений передачи 1-2 и 2-1 соответственно;
20, 24 - линия задержки канала данных направлений передачи 1-2 и 2-1 соответственно;
21, 25 - линия задержки канала синхронизации направлений передачи 1-2 и 2-1 соответственно;
26, 27 - коммутирующий элемент 2×2 канала данных направлений передачи 1-2 и 2-1 соответственно;
28 - электронно-оптический маршрутизатор (ОЕО-маршрутизатор);
29, 30 - управляющее устройство направлений передачи 1-2 и 2-1 соответственно;
31, 32 - коммутирующий элемент 2×2 канала данных направлений передачи 1-2 и 2-1 соответственно;
33, 34 - сумматор канала данных и синхронизации направлений передачи 1-2 и 2-1 соответственно;
35 - решающее устройство системы резервирования;
36 - коммутирующий элемент 2×2 системы резервирования;
37, 38 - оптический усилитель направлений передачи 1-2 и 2-1 соответственно.
Структура фотонного коммутатора (ФК), реализующего указанный способ коммутации оптических пакетов, представлена на фиг. 2.
ФК предназначен для построения полностью оптических сетей линейной и кольцевой топологии, аналогичных сетям SDH.
1
Для облегчения восприятия на схеме для каждого направления передачи (от 1 к 2 и от 2 к 1) показан только один оптический канал передачи для длины волны λ. В представленной схеме рассмотрен только один информационный сигнал, передаваемый на длине волны.
1
N
Устройство оптических каналов передачи для длин волн λ-λ (с использованием технологии мультиплексирования с разделением по длине волны (Wavelength Division Multiplexing, WDM)) аналогичны показанному и схема коммутатора пропорционально увеличивается.
Сплошными линиями показано прохождение информационного сигнала и сигнала синхронизации, прерывистыми - сигналы управления коммутатором.
Фотонный коммутатор включает два направления передачи (1-2 и 2-1) и устройство резервирования, как и терминальный мультиплексор SDH, и отличается от него тем, что каждое направление разделено на индивидуальную оптическую часть и общий для обоих направлений электронно-оптический маршрутизатор 28.
Оптический канал каждого направления передачи (например 1-2) состоит из ряда соединенных между собой оптических элементов.
Принимаемый сигнал поступает на оптический делитель (12, 13), соединенный с оптическими разветвителями (14, 16 и 15, 17).
Один из выходов каждого оптического разветвителя через оптоэлектронный преобразователь (18, 19, 22, 23) соединен с управляющим устройством (29, 30), управляющие сигналы с которого поступают на коммутационные элементы направлений передачи (26, 31; 27, 32) соответственно, а также решающее устройство системы резервирования 35 и электронно-оптический маршрутизатор 28 с каждого управляющего устройства.
Вторые выводы каждого оптического разветвителя канала данных через оптические линии задержки (20, 24) соединяются с входами коммутационных элементов направлений передачи (26, 27), второй вход которых соединен с электронно-оптическим маршрутизатором 28.
Вторые выводы каждого оптического разветвителя канала синхронизации через оптические линии задержки (21, 25) соединяются с входами коммутационных элементов направлений передачи (31, 32), вторые входы которых соединены с управляющим устройством (29, 30).
Первые выходы коммутационных элементов направлений передачи 26, 31 и 27, 32 соединены с соответственно сумматорами 33 и 34.
Вторые выходы коммутационных элементов направлений передачи 26, 31 соединены с электронно-оптическим маршрутизатором 28.
Выходы сумматоров 33, 34 соединены с входами коммутирующего элемента 36, управляющее воздействие на который поступает с решающего устройства системы резервирования 35.
Выходы коммутирующего элемента системы резервирования 36 соединены с оптическими усилителями 37, 38, которые формируют сигнал на передачу.
Описание работы коммутатора
Фотонный коммутатор (ФК) работает следующим образом.
1
N+1
В обычном режиме ФК работает в направлении передачи 1-2 и 2-1. На входы 1 и 2 поступает оптический сигнал, содержащий информационный сигнал (на волне λ), выделенный оптический канал передачи синхроимпульсов (на волне λ).
Рассмотрим прохождение сигнала в направлении передачи 1-2.
Каналы передачи данных и синхроимпульсов разделяются в делителе (12), затем часть сигнала ответвляется в разветвителях (14, 16) и после преобразования в электрических вид (в фотоприемниках 18, 19) поступает в управляющее устройство (УУ) 29. Сигнал синхронизации производит установку коммутационных элементов в исходное положение и готовит УУ к обработке метки очередного блока данных. Основная часть как информационного, так и синхросигнала проходит через линии задержки (20, 21), необходимые для задержки сигнала на время анализа метки и выработки УУ управляющего сигнала. Затем информационный сигнал попадает на оптический коммутационный элемент 26. Если УУ обнаружило метку, совпадающую с адресом ФК, «пустой блок» или блок, адресованный «каждому», оно переключает коммутационный элемент и одновременно выдает сигнал на ОЕО-маршрутизатор 28, по которому он выдает на второй вход коммутационного элемента 26 исходящий оптический блок данных, а при его отсутствии «пустой блок». Коммутационный элемент переключает поступивший блок данных на второй выход и далее в ОЕО-маршрутизатор, а блок, поступивший из маршрутизатора - на первый выход. В противном случае управляющий сигнал не вырабатывается, и принятый оптический блок направляется на первый выход. Сигнал с выхода объединяется с синхросигналом в сумматоре 33 и через оптический усилитель 37 направляется в линию.
В случае отсутствия сигнала на входе УУ 29 на решающее устройство 35 подается сигнал аварии, по которому через коммутационный элемент 36 осуществляется защитное переключение. Одновременно через коммутационный элемент 31 в линию подаются синхроимпульсы, вырабатываемые УУ 29 для контроля восстановления линии.
Прохождение сигнала в направлении 2-1 аналогично рассмотренному.
4. Осуществление изобретения
Элементная база для создания подобной коммутационной схемы уже существует. На рынке имеются базовые оптические модули 2×2. В качестве примера можно привести твердотельный MEMS-переключатель (Sercalo Miniature fiber optic MEMS switch).
Кроме того, в ноябре 2004 г компания Matsushita Electric Works получила патент на дефлекторы и коммутаторы светового потока на основе фотонных кристаллов (United States Patent 6,822,784, Fukshima, et al., November 23, 2004, Light-beam deflecting device with photonic crystal, optical switch using the same, and light-beam deflecting method).
Предлагаемый способ позволит создавать волоконно-оптические сети с полностью оптической коммутацией пакетов на основе существующей структуры сетей SDH путем замены мультиплексоров SDH на ФК, что позволит:
повысить пропускную способность системы передачи данных;
уменьшить массогабаритные показатели и энергопотребление коммутационной аппаратуры;
уменьшить число оптоэлектронных и электронно-оптических преобразований в системе.