光路由器橋接故障數(shù)量檢測方法研究

朱愛軍，古展其，胡 聰，許川佩，趙春霞

(1.桂林電子科技大學電子工程與自動化學院，廣西桂林 541004；2.廣西自動檢測技術與儀器重點實驗室，廣西桂林 541004)

0 引言

2006年，研究人員將光互連技術取代電互連技術，提出由光互連和光路由器構成的光片上網絡(optical network-on-chip，ONoC)[1-2]。

隨著硅基集成器件技術、硅-光技術的突破，光片上網絡系統(tǒng)比傳統(tǒng)片上系統(tǒng)具有更優(yōu)的性能，引起了研究人員對光片上網絡研究的高度重視。目前研究主要集中在光器件、拓撲結構、路由算法等方面，而現(xiàn)有的研究大多數(shù)沒有考慮光片上網絡出現(xiàn)的故障問題，而光片上網絡的故障對整個系統(tǒng)的影響是不可忽略的。光片上網絡主要是由光路由器、IP核以及光電互連的鏈路組成，光通信層由光波導連接開關元件組成，對于這樣的系統(tǒng)故障可能會發(fā)生在資源節(jié)點、路由節(jié)點、互連線和光開關元件上，負責光片上網絡節(jié)點之間的數(shù)據(jù)路由和交換的核心單元光路由器，如果光路由器出現(xiàn)故障會對系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃援a生極大影響，而微環(huán)諧振器MRR是組成光路由器的核心器件，因溫度影響或制造缺陷，MRR極易發(fā)生諧振波長的漂移，從而引起器件的橋接故障，橋接故障進一步會導致系統(tǒng)通信過程中數(shù)據(jù)誤傳和丟失，降低光片上網絡系統(tǒng)的安全性和可靠性,所以對光片上網絡中的橋接故障展開研究是具有重要實際意義的。文獻[3-7]研究了MRR呆滯故障,但是未考慮橋接故障，探索MRR橋接故障相關的研究是提高光片上網絡可靠性的關鍵。

1 MRR橋接故障建模

光片上網絡中的橋接故障是微環(huán)諧振器諧振波長的漂移，導致光信號的輸出發(fā)生變化，對系統(tǒng)造成性能影響的器件類故障。以2個微環(huán)為例，首先做統(tǒng)一規(guī)定：規(guī)定MRR1的諧振波長為λ1，MRR2的諧振波長為λ2，輸入端采用波分復用輸入波長λ1、λ22個光信號，Bit0、Bit1是光信號分別工作在λ1、λ2下的2個標志位信號，規(guī)定調制信號為高電平1時MRR處于諧振狀態(tài)，并且設定處于“開”狀態(tài)下的微環(huán)才會發(fā)生故障。下面定義由2個微環(huán)諧振器構成的橋接故障。

MRR1處于“開”狀態(tài)，MRR2處于“關”狀態(tài),正常無故障如圖1(a)、圖2(a)所示，光信號從輸入端輸入，MRR1滿足諧振條件，光信號到達耦合區(qū)域將發(fā)生耦合進入MRR1中，并最終從MRR1下載端輸出波長為λ1的光信號。

MRR1處于“關”狀態(tài)，MRR2處于“開”狀態(tài),正常無故障如圖1(b)、圖2(b)所示，光信號從輸入端輸入，MRR2滿足諧振條件，光信號到達耦合區(qū)域將發(fā)生耦合進入MRR2中，并最終從MRR2下載端輸出波長為λ2的光信號。

(a)MRR1處于“開”，MRR2處于“關”狀態(tài)

(a)MRR1處于“開”，MRR2處于“關”狀態(tài)

橋接故障類型一(bridge-fault-1，BF-1)，當發(fā)生橋接故障時，如圖3(a)、圖4(a)所示，由于MRR1發(fā)生橋接故障，使得光信號諧振波長由λ1橋接到λ2，導致波長為λ1的輸入信號不再經過MRR1耦合區(qū)，而是進入MRR2耦合區(qū)域下載到MRR2中，此時λ2滿足MRR2的諧振條件，并最終從MRR2的下載端輸出波長為λ2的光信號，此類故障定義為發(fā)送Bit1、Bit0為(01)，接收Bit1、Bit0為(10)的情況。

(a)MRR1處于“開”，MRR2處于“關”狀態(tài)

(a)MRR1處于“開”，MRR2處于“關”狀態(tài)

橋接故障類型二(bridge-fault-2，BF-2)，MRR1處于“關”狀態(tài)，MRR2處于“開”狀態(tài)。當發(fā)生橋接故障時，如圖3(b)、圖4(b)所示，由于MRR2發(fā)生橋接故障，使得光信號諧振波長由λ2橋接到λ1，導致波長為λ2的輸入信號不再經過MRR2耦合區(qū)，而是進入MRR1耦合區(qū)域下載到MRR1中，此時λ1滿足MRR1的諧振條件，并最終從MRR1的下載端輸出波長λ1的光信號，此類故障定義為發(fā)送Bit1、Bit0為(10)，接收Bit1、Bit0為(01)的情況。

2 光路由器橋接故障數(shù)量檢測方法

已知光片上網絡中的橋接故障屬于光路由器中的器件故障，所以故障的位置可以出現(xiàn)在任意光路徑上，可以考慮從光路由器路徑出發(fā)尋找橋接故障微環(huán)。根據(jù)光路由器內部結構分析和構成橋接故障微環(huán)的特性，提出一種橋接故障數(shù)量檢測模型，可被概括為：首先對路由器結構進行初始化，統(tǒng)計對應的出口諧振器，建立直通、單諧振和多諧振3種尋找結構，計算3種路徑下的能構成橋接故障的微環(huán)組合，采用累加的方式，得到路由器中總的橋接故障數(shù)量,總的檢測框圖如圖5所示。

圖5 橋接故障數(shù)量檢測總體框圖

步驟1：首先，將光路由器中的微環(huán)諧振器進行分類：若光信號在其他路徑傳輸時，經過某微環(huán)諧振器后發(fā)生了諧振，使光信號從其他路徑跳轉到當前路徑進行傳輸，稱此諧振微環(huán)為當前路徑下輸出端口所對應的入口諧振器。同理，若光信號在當前路徑傳輸時，經過某微環(huán)諧振器后發(fā)生了諧振，使光信號從當前路徑跳轉到其他路徑進行傳輸，稱此諧振微環(huán)為當前路徑下輸入端口所對應的出口諧振器。

步驟2：完成光路由器結構的初始化后，判斷輸入端口和輸出端口的標識符是否一致，直通路徑下的輸入與輸出端口的標識符必須保持一致。若輸入端口和輸出端口的標識符不一致，依次建立3種尋找結構的光路：不經任何微環(huán)諧振即可連通的直通光路、經由單個微環(huán)諧振構成的單諧振光路和經由2個及以上數(shù)量的微環(huán)諧振構成的多諧振光路。建立尋找光路流程圖見圖6。

圖6 建立尋找光路流程圖

步驟3：根據(jù)步驟2得到3條橋接故障尋找光路徑，此過程是要找到每條光路徑下對應的可以構成橋接故障的微環(huán)諧振器，統(tǒng)計每條光路徑上的橋接故障數(shù)量，并采用累加的方式得到對應光路由器橋接故障總數(shù)量。橋接故障數(shù)量檢測流程圖如圖7所示。

圖7 橋接故障數(shù)量檢測流程圖

步驟4：累加各光路下的橋接故障數(shù)量。最后計算每條路徑下(其他端口)會對輸出造成影響的微環(huán)的組合方式，累加全部路徑下的微環(huán)組合方式可得到該結構下所有的單故障橋接數(shù)量。

3 實驗結果與分析

下面選取經典光路由器驗證橋接故障數(shù)量檢測方法的有效性，圖8是本設計中使用的4種常見光路由器。圖8(a)是A.Shacham在2007年提出，它由8個MRR和4段長直波導線構成的四端口FPR光路由器，2個微環(huán)對立地放置在交叉波導之間，存在4對波導交叉，故此結構通信時會發(fā)生阻塞[8]。圖8(b)也是由8個MRR和4段長直波導線構成的四端口FNBPR光路由器[9]。圖8(c)是R.Q.JI在2011年提出，它由8個MRR和4段長直波導線構成的四端口JiPR光路由器，存在8對交叉波導[10]。圖8(d)是陳端勇等人在2018年提出的低插入損耗的無阻塞五端口ZPR光路由器，它由12個MRR和6段光波導組成。

(a)FPR光路由器

ZPR光路由器橋接故障數(shù)量檢測結果如表1所示。

表1 ZPR光路由器橋接故障數(shù)量檢測結果

如檢測輸入端口1到其他2、3、4、5輸出端口能夠構成的橋接故障微環(huán)個數(shù)，找到3條光路可產生橋接故障的微環(huán)是③、⑥、⑧、⑨，按照兩兩組合方式共有12組橋接故障：③和⑥、③和⑧、③和⑨、⑥和⑧、⑥和⑨、⑧和⑨，每2個微環(huán)對應2類橋接故障，其他端口同理，總計五端口ZPR光學路由器可以構成56組橋接故障，JiPR光路由器可構成8組，F(xiàn)PR和FNPR光路由器分別為24組和8組。

JiPR路由器橋接故障數(shù)量檢測結果如表2所示。

表2 JiPR橋接故障數(shù)量檢測結果

FPR路由器橋接故障數(shù)量檢測結果如表3所示。

表3 FPR橋接故障數(shù)量檢測結果

FNPR路由器檢測結果如表4所示。

表4 FNPR橋接故障數(shù)量檢測結果

圖9給出4種光路由器結構使用該數(shù)量檢測方式消耗的CPU時間(運行10次平均值)，根據(jù)圖9可知，五端口ZPR路由器消耗了1.2913 s，JiPR消耗0.3134 s，五端口路由器比四端口路由器結構更加復雜，所以消耗CPU時間更久。四端口FPR、FNPR、JiPR結構類似，故CPU運行消耗時間相差不大，最大運行消耗時間差為0.1141 s。該算法在查找橋接故障會依次遍歷路由器端口，得到算法時間復雜度是N的平方，即數(shù)據(jù)量增大N倍時，耗時增大N的平方倍。

圖9 CPU運行時間消耗

4 結束語

本文建立了MRR的橋接故障模型,提出了光路由器橋接故障數(shù)量檢測方法，ZPR，JiPR，F(xiàn)PR和FNBPR光路由器的試驗結果證明了本文設計的故障數(shù)量檢測方法的有效性。下一步的工作，將采用圖論的方法，對光路由器中的橋接故障進行檢測和定位。