一种新型环形网络接入控制协议

摘要

本发明属于网络技术范畴，是新型的接入控制协议，可以应用于环形网络尤其是采用光突发交换技术的环形网络中，通过对环形网络中各个节点对于共享网络带宽以及接口等资源使用的有效控制避免了突发冲突的出现，提高了光突发交换网络资源利用率和网络性能。

权利要求

1.一种单向环形网络控制接入方法，其包括以下特征：

1)TOKEN的定义：TOKEN是针对某一特定光突发交换环形网络节点的任意接收端口的，最初由每个光突发交换环形网络节点释放出TOKEN，发给下游节点，即按照如下组网配置方式，在一个有n个光突发交换环网节点，每个节点具有m个发送端口和m个接收端口的光突发交换环网中，则共有n×m个TOKEN，每m个TOKEN对应于一个特定的光突发交换环形网络节点，这m个TOKEN彼此间应通过编号，加以区别；TOKEN作为帧的形式存在，所述的TOKEN的帧格式为：突发目的节点地址：该TOKEN所代表的光突发交换环形网络节点接收端口资源中的那一个光突发交换环形网络节点的地址，即使用该TOKEN发送突发的目的节点地址；令牌编号：对于同一个目的节点按照上文所述的配置，则其具有m个TOKEN，通过令牌编号加以区别；上次数据突发持续时间：由当前节点在使用完一次该TOKEN发送数据突发后进行重置，初始化，它是一个变量，会在a)i中被修改，其含义是上次数据突发的持续的时间；

2)TOKEN的操作：节点接收到一个TOKEN时，对该TOKEN执行以下操作：

a)接收处理

i.检查“突发目的节点地址”是否与当前节点地址相同，如果相同的话将“上次数据突发持续时间”减去TOKEN沿环网被简单转发一周的时间，其中TOKEN沿环网被简单转发一周的时间指的就是转发一周的传送延时，通过减法新计算出的“上次数据突发持续时间”若结果小于0，则取0，若结果大于等于0，则不作修改，之后转到c)；如果不相同则转到a)ii；

ii.根据当前节点中数据队列的情况，确定是否有要向该TOKEN的“突发目的节点地址”发送数据突发；如果有，则转到a)iii；如果没有则转到c)；

iii.根据该TOKEN中的“上次数据突发持续时间”和当前TOKEN缓存区的情况确定是否要将本TOKEN进入缓存区，进入缓冲区同时支持两种技术方案，第一种技术方案是依赖于当前TOKEN缓存区中的TOKEN数是否小于等于某一个预定值，小于等于则进入，否则不进入，该预定值由网络管理人员根据网络具体情况进行配置；第二种技术方案是通过统计当前TOKEN缓存区中的各个TOKEN的“TOKEN不可用持续时间”、“预计发送突发持续时间”确定当前TOKEN的“被系统利用等待时间”，并且保证“被系统利用等待时间”小于等于某一个预定值，如果小于等于则进入，否则不进入，该预定值由网络管理人员根据网络具体情况进行配置；由于每个节点有m个TOKEN，所以对于TOKEN缓存区中是否含有多个突发目的节点地址相同的TOKEN作以下规定：当TOKEN到达时，如果TOKEN缓存区中己经含有一个突发目的地址相同的TOKEN的话，这个已经含有的TOKEN是正在发送数据的TOKEN或是在缓冲区中等待的TOKEN，如果当前节点中该目的节点的数据队列长度大于突发最大长度，则将TOKEN进入缓存区，否则释放TOKEN；如果TOKEN缓存区中已经含有多于一个突发目的地址相同的TOKEN的话，此处已经含有的TOKEN是正在发送数据的TOKEN或是在缓冲区中等待的TOKEN，则释放TOKEN；上述流程如果最后的判断结果是TOKEN进入缓冲区，则转到b)；如果最后的判断结果是释放TOKEN，则转到c)；

b)TOKEN缓存区

i.当一个TOKEN进入缓存区的时候，为该TOKEN设置一个对应的“TOKEN不可用持续时间”，并令其初始值等于“上次数据突发持续时间”；对于存在缓存区中的TOKEN，“TOKEN不可用持续时间”应随时间进行递减操作，直至“TOKEN不可用持续时间”等于0，该TOKEN才变为可用状态；

ii.根据可用的TOKEN对应的数据队列情况决定发送数据突发的持续时间，设置该TOKEN的“上次数据突发持续时间”；设置完成后发送控制突发，并在一个固定的偏置时间之后开始发送数据突发，其中，光突发交换环网各个节点采用相同的偏置时间；同时转到c)；

c)TOKEN释放：一旦是否发送数据突发被决定下来，则将该TOKEN立即释放，并发送到下一个节点；

其中，步骤2)中所述的TOKEN不可用持续时间是指一个TOKEN在缓存区中的时候，距离该TOKEN变为可用状态还有多少时间；预计发送突发持续时间是指一旦利用一个TOKEN发送数据突发的话，预计该数据突发的持续时间；被系统利用等待时间是指一个TOKEN如果进入缓存区的话，预计还要等待多长的时间后，才会被利用。

2.根据权利要求1所述的单向环形网络控制接入方法，其特征在于：缓存区同时支持两种操作方式：一是FIFO，即对于TOKEN采用先到先服务策略；二是，基于提高发送端口使用率的目的，TOKEN先可用就优先使用。

说明书

技术领域

本发明属于网络技术范畴，是新型的接入控制协议，可以应用于环形网络尤其是采用光突发交换技术的环形网络中，通过对环形网络中各个节点对于共享网络带宽以及接口等资源使用的有效控制避免了突发冲突的出现，提高了光突发交换网络资源利用率和网络性能。

背景技术

光突发交换技术由于其具有对网络带宽资源利用率的提高和相对于光包交换易于实现的特点而成为研究热点，而采用光突发交换技术构造适于在城域环境中应用的环形网络是其中的新兴课题。在光突发交换的研究中，如何减少或者避免突发冲突和突发冲突出现后如何解决一直是研究的重点。一般来说，光突发交换环网中的冲突来源包括：1)发送波长冲突：各个环网节点的发送波长如果存在重叠情况的话，需要考虑波长冲突的情况；2)中间接点以及接收节点交换冲突：如果中间节点和接收节点采用非广播式而是交换式的话，需要考虑因为其交换矩阵的容量有限而可能导致的冲突；3)发送端口竞争：一般通过针对发送端口资源进行排队等候得以解决；4)接收端口冲突：当在光突发交换环网中不采用特殊的接入控制协议时，接收端将会发生冲突，导致业务丢失。合理的设计光突发交换环网结构可以避免一些冲突来源的存在，通过设计高效的控制协议则可以进一步的提高网络的效率和性能。

发明内容

本发明继承了令牌环的优点和重要思想的同时对于令牌的含义、令牌的占用和令牌的释放等策略进行了创新性的改进，从而使其成为可提供更高的网络效率、性能和更加适用于光突发交换环形网络中的一种新型的环形网络接入控制协议。
在光突发交换环网中，一种经济高效的组网配置方式是：环网上有n个光突发交换环网节点；每个节点具有m个发送端口和m个接收端口；m个接收端口前置若干个声光可调谐滤波器(AOTF)或者其它类似的下波长设备(要求共可下路m个波长)，用于调谐接收任意波长；环网上共有n×m个发送端口，每个端口配以各不相同的密集波分复用(DWDM)波长。当m＝2时的节点结构如下图所示。这里的环网是单向环。
这种组网配置方式使得：节点之间不会出现发送波长冲突；数据突发在中间节点和接收节点不会发生交换冲突；节点内部可能出现对于发送端口的竞争，如上所述可通过排队解决；节点之间可能出现对于接收端口的竞争；而且便于实现业务广播和组播。
可见，在上述网络中突发冲突的问题就集中于如何避免接收端口冲突。这里提出的新型环形网络接入控制协议，可以有效的解决上述问题。
1)TOKEN定义
TOKEN是针对某一特定光突发交换环形网络节点的任意接收端口的，最初由每个光突发交换环形网络节点释放出TOKEN，发给下游节点。就是说按照上文所述的组网配置方式，网络中共有n×m个TOKEN，每m个TOKEN对应于一个特定的光突发交换环形网络节点，这m个TOKEN彼此间应通过编号，加以区别。TOKEN作为帧的形式存在，其帧格式为：
突发目的节点：该TOKEN所代表的光突发交换环形网络节点接收端口资源中的那一个光突发交换环形网络节点，即使用该TOKEN发送突发的目的节点。
令牌编号：对于同一个目标节点按照上文所述的配置，则其具有m个TOKEN，通过令牌编号加以区别。
上次数据突发持续时间：标志了该TOKEN上次被利用发送数据突发，数据突发的持续时间，具体应用见下文。
2)TOKEN的操作
节点接收到一个TOKEN时，对该TOKEN执行以下操作：
a)接收处理
i.检查“突发目标节点地址”是否与当前节点地址相同，如果相同的话将“上次数据突发持续时间”减去TOKEN沿环网被简单转发一周的时间(转发一周传送延时)(若结果＜0，则取0)，并转到c)；如果不相同则转到a)ii。
ii.根据当前节点中数据队列的情况，确定是否有要向该TOKEN的“突发目标节点地址”发送数据突发。如果有，则转到a)iii；如果没有则转到c)。
iii.根据该TOKEN中的“上次数据突发持续时间”和当前TOKEN缓存区的情况确定是否要将本TOKEN进入缓存区(其原则可以是当前TOKEN缓存区中的TOKEN数＜＝某一个预定值；也可以通过统计当前TOKEN缓存区中的各个TOKEN的“TOKEN不可用持续时间”、“预计发送突发持续时间”确定当前TOKEN的“被系统利用等待时间”，并且保证“被系统利用等待时间”＜V＝某一个预定值；由于每个突发目的节点有m个TOKEN，所以对于TOKEN缓存区中是否含有多个突发目的节点相同的TOKEN可作以下规定：当TOKEN到达时如果TOKEN缓存区中已经含有一个突发目的地址相同的TOKEN的话(包含正在发送数据的TOKEN)，如果当前节点中该目的节点的数据队列长度大于突发最大长度，则可以将TOKEN进入缓存区，否则释放TOKEN，如果TOKEN缓存区中已经含有多余一个突发目的地址相同的TOKEN的话(包含正在发送数据的TOKEN)，则释放TOKEN)。如果需要，则转到b)；否则转到c)。
b)TOKEN缓存区
iv.当一个TOKEN进入缓存区的时候，为该TOKEN设置一个对应的“TOKEN不可用持续时间”，并令其初始值等于“上次数据突发持续时间”。对于存在缓存区中的TOKEN，“TOKEN不可用持续时间”应随时间进行递减操作，直至“TOKEN不可用持续时间”＝0，该TOKEN才变为可用状态。
v.根据可用的TOKEN对应的数据队列情况决定发送数据突发的持续时间，设置该TOKEN的“上次数据突发持续时间”。此时可以发送控制突发，并在一个固定的偏置时间之后(这里设定OBS环网各个节点采用相同的偏置时间)开始发送数据突发；同时转到c)。
其中：“TOKEN不可用持续时间”是指一个TOKEN在缓存区中的时候，距离该TOKEN变为可用状态还有多少时间。
“预计发送突发持续时间”是指一旦利用一个TOKEN发送数据突发的话，预计该数据突发的持续时间。
“被系统利用等待时间”是指一个TOKEN如果进入缓存区的话，预计还要等待多长的时间后，才会被利用。
这里，缓存区可以采用两种操作方式：一是FIFO，即对于TOKEN采用先到先服务策略，其优点是保证了排队优先级；二是，基于提高发送端口使用率的目的，TOKEN先可用就优先使用(因为每个TOKEN具有不同的“TOKEN不可用持续时间”，因此有可能出现后到的TOKEN先达到可用状态)。不同的缓存区操作方式也将使得“被系统利用等待时间”的计算方式和计算结果有差异。
c)TOKEN释放
一旦决定是否发送数据突发，即可将该TOKEN立即释放——发送到下一个节点。
本发明提出的新型的环形网络接入控制协议与传统的令牌环和之前提出的其它类似协议的相比，具有以下优点和效果：
1)令牌环和之前提出的其它类似协议采用的是节点得到TOKEN后，即时可以发送数据，发送数据的时候节点一直持有该TOKEN不释放，直到发送数据结束后，才释放该TOKEN。而本发明中提出的TOKEN协议采用了“上次数据突发持续时间”域实现了对TOKEN的提前释放，配合突发目标节点地址对该域的减操作，提高了网络带宽的利用率和网络吞吐量。
2)之前提出的其它类似协议中的TOKEN缓存区采用FIFO操作方式，而且一个节点获得TOKEN后直接将TOKEN放入FIFO排队，直到TOKEN出队列的时候，才判断是否有相应的数据突发需要发送。而本发明中提出的TOKEN协议采用了节点得到TOKEN的时候就判断是否使用该TOKEN发送数据突发，如果使用的话则该TOKEN进入TOKEN缓存区，如果不使用的话，立即释放该TOKEN。
对于之前提出的其它类似协议来说，不管该节点是否有需要利用该TOKEN发送数据突发，一个TOKEN被节点得到后一定要进入TOKEN FIFO排队，如果最后该TOKEN出队列的时候不需要利用它发送数据突发，那么该TOKEN排队等待的时间就被浪费到了。相对比，本发明提出的TOKEN操作方式避免了这种浪费，提高了网络带宽的利用率和网络吞吐量。
综上，本发明提出的TOKEN协议对令牌环进行了改进，虽然一定程度上增加了协议的复杂度，但是对于大规模集成电路技术已经相当发达的今天，用硬件实现高速高效的协议处理已经是件很容易的事了，而其带来的网络带宽的利用率和网络吞吐量的提高对于城域网来说则是相当重要的，这种TOKEN协议在光突发交换环网中可以被用作接入控制协议，在某些方面上超过了现有的光突发交换控制协议。

附图说明

图1为光突发交换环网节点结构
图2为TOKEN帧格式
图3为示例OBS环网结构
图4示例OBS环网节点结构
图5为节点A中TOKEN处理相关模块(无关模块略)
图6为释放的TOKEN示意图
图7至图10为采用传统的令牌环协议时，各时刻示意图
图11至图15为采用本发明提出的TOKEN协议时，各时刻示意图

具体实施方式

下面结合附图，以一个具有4个节点的OBS环网作为示例，演示TOKEN协议在该OBS环网中的具体使用。
应用环境：环网上有4个光突发交换环形网络节点；每个节点具有2个发送端口和2个接收端口；每个接收端口前置1个AOTF，用于调谐接收任意波长；环网上共有4×2个发送端口，每个端口配以各不相同的DWDM波长，共8个彼此不同的DWDM波长。环网结构以及节点结构如图3、图4所示。这里的环网是单向环，相邻节点距离10km，相邻节点间数据发送的传输延时为50us。
假设当前C节点刚刚使用完TOKEN-D-2向节点D发送数据突发，之后立即填写该TOKEN的“上次数据突发持续时间”域，并释放该TOKEN到下游节点。释放的TOKEN如图6所示。
该TOKEN中对应域说明该TOKEN对应的“突发目的节点地址”是D，即该TOKEN是源自D节点，对应D节点的接收端口资源，环网上其它各节点可以利用该TOKEN向D节点发送数据突发；“令牌编号”为2说明该令牌为源自D节点的第2个令牌；“上次数据突发持续时间”为500us说明C节点将使用该TOKEN向D节点发送持续500us的数据突发。
当C节点释放了该TOKEN之后，经过50us的传输延时，D节点获得该TOKEN，根据前述规则2)a)i，D节点的TOKEN处理模块检查发现当前获得TOKEN的“突发目标节点地址”与当前节点地址相同，因此将TOKEN-D-2的“上次数据突发持续时间”减去TOKEN沿环网被转发一周的时间(50us×4＝200us)，结果是300us，然后转到2)c)释放该TOKEN。
当D节点释放了TOKEN-D-2后，经过50us的传输延时，A节点获得该TOKEN，根据前述规则2)a)i.检查发现该TOKEN的“突发目标节点地址”为D与当前节点地址A小相同，转到2)a)ii.根据当前节点中数据队列D的情况，确定是否有要向该TOKEN的“突
发目标节点地址”D发送数据突发。如果有，则转到a)iii；如果没有则转到c)从而释放该TOKEN。假设此时A节点中的数据队列D有一定量的数据，需要向D节点发送数据突发，则此时转到下一步。2)a)iii.根据TOKEN-D-2中的“上次数据突发持续时间”(此时值为300us)和当前TOKEN缓存区的情况确定是否要将本TOKEN进入缓存区。其原则可以是：
方案一，A节点TOKEN缓存区中的TOKEN数＜＝某一个预定值。例如，当前TOKEN缓存区中有2个TOKEN，预定值为3，则可以进入缓存区。
方案二，统计当前TOKEN缓存区中的各个TOKEN的“TOKEN不可用持续时间”、“预计发送突发持续时间”，从而确定当前TOKEN的“被系统利用等待时间”，并且保征“被系统利用等待时间”＜＝某一个预定值。如果缓存区采用FIFO的操作方式的话，如果当前缓存区中有两个TOKEN，依次是TOKEN-B-1(“TOKEN不可用持续时间”＝500us，“预计发送突发持续时间”＝200us)，TOKEN-C-2(“TOKEN不可用持续时间”＝150us，“预计发送突发持续时间”＝300us)，则计算的“被系统利用等待时间”＝500+200+300＝1000us。如果缓存区采用另一种的操作方式的话，计算的“被系统利用等待时间”＝150+300＝450us。
由于每个突发目的节点有2个TOKEN，所以对于TOKEN缓存区中是否含有多个突发目的节点相同的TOKEN可作以下规定：当TOKEN-D-2到达时如果TOKEN缓存区中已经含有一个突发目的地址相同为D的TOKEN的话(包含正在发送数据的TOKEN)，加果当前A节点中的数据队列D长度大于突发最大长度，则可以将TOKEN-D-2进入缓存区，否则释放TOKEN-D-2，如果TOKEN缓存区中已经含有多余一个突发目的地址相同为D的TOKEN的话(包含正在发送数据的TOKEN)，则释放TOKEN)。如果需要，则转到2)b)；否则转到2)c)。
如果TOKEN-D-2进入缓存区的时候，为该TOKEN设置一个对应的“TOKEN不可用持续时间”，并令其初始值等于“上次数据突发持续时间”＝300us。对于存在缓存区中的TOKEN-D-2，“TOKEN不可用持续时间”应随时间进行递减操作，直至“TOKEN不可用持续时间”＝0，TOKEN-D-2才变为可用状态。当TOKEN-D-2被突发调度模块取出TOKEN缓存区的时候，根据数据队列D的情况决定发送数据突发的持续时间，设置TOKEN-D-2的“上次数据突发持续时间”。此时可以发送控制突发，并在一个固定的偏置时间之后(这里设定OBS环网各个节点采用相同的偏置时间)开始向D节点发送数据突发；同时转到2)c)释放TOKEN-D-2。
下面用图示解释传统的令牌环协议和本发明提出的TOKEN协议之间在数据突发与信令突发关系之间的区别。
在采用传统的令牌环协议时，参见图7至图10所示：
T1时刻：C节点发送控制包，过偏置时间Tp后发送数据突发，发送数据突发结束后，释放TOKEN-D-2
T1+500us+Tp时刻：C节点数据发送结束，即将释放TOKEN-D-2
T1+550us+Tp时刻：D节点得到该TOKEN后随即释放
T1+600us+Tp时刻：A节点获得TOKEN-D-2，假设此时A节点需要向D节点发送数据突发，该令牌进入TOKEN FIFO，并假设此前TOKEN FIFO为空，则A节点发送控制包，过偏置时间Tp后发送数据突发(假设为400us)，发送数据突发结束后，释放TOKEN-D-2
T1+750us+2*Tp时刻：A节点发送的最早数据到达D节点，由此在T1+1000us+2*Tp时刻，A点结束发送数据，A点最后的数据在T1+1150us+2*Tp时刻到达D节点。
在采用本发明提出的TOKEN协议时，参见图11至图15所示：
T1时刻：C节点释放TOKEN-D-2，随后发送控制包，过偏置时间Tp后发送数据突发TOKEN-D-2中的“上次数据突发持续时间”＝500us
T1+50us时刻：D节点获得TOKEN-D-2，将TOKEN-D-2的“上次数据突发持续时间”减去TOKEN沿环网被转发一周的时间(50us×4＝200us)，结果是300us
T1+100us时刻：A节点获得TOKEN-D-2，假设此时A节点需要向D节点发送数据突发，并且符合其它条件，该令牌进入TOKEN缓存区，并假设此前TOKEN缓存区为空，此时该TOKEN的“TOKEN不可用持续时间”＝300us
T1+400us时刻：A节点的TOKEN缓存区中的TOKEN-D-2的“TOKEN不可用持续时间”＝0us，TOKEN-D-2变为可用，此时A节点进行以下操作：a)设置新的“上次数据突发持续时间”，假设为400us，然后释放该TOKEN，b)随后发送控制突发，c)在一个固定的偏置时间之后开始向D节点发送数据突发
T1+500us+Tp时刻：抛开TOKEN-D-2不看，此时环网上C点发送的数据和A点发送的数据正好首尾相连，没有发生冲突，由此在T1+800us+Tp时刻，A点结束发送数据，A点最后的数据在T1+950us+Tp时刻到达D节点。
两者比较结论是，上述情况下在TOKEN被环网各个节点利用而延环传送一周的时间里，本发明提出的协议将比其它的TOKEN协议节省TOKEN沿环网被简单转发(不被利用)一周的时间，就是传送一周的传送延时，从而提高了网络带宽的利用率和网络吞吐量。