[发明专利]基于阵列波导光栅的数据中心光互连网络系统及通信方法

说明书

技术领域

本发明属于互联网技术领域，具体涉及数据中心的光互连网络系统，可用于实现数据中心服务器之间的高效通信。

背景技术

随着云计算技术的发展，数据中心需要处理海量资源，而传统的数据中心电网络架构受自身能耗高，布线复杂，传输速率有限等问题的限制，难以满足要求。由于光互连本身具有高带宽和低能耗的特性，因此光互连网络成为研究人员所关注的焦点。目前光交换机大多基于MEMS（Micro electro mechanical System），具有传输速率快，能耗低等优点，但是不可避免地带来了两大问题：第一，网络重新配置时间长，当网络完成一次数据传输需要毫秒级的延时才能重新配置光电路进行下次传输，这样大的延时是数据中心不能承受的。第二，控制电路复杂，由于改变电路连接需要对每个MEMS镜面实现精确翻转，从而需要复杂的控制电路。鉴于此，基于阵列波导光栅交换机的交换网络方案成为了研究热点。文章“DOS-A Scalable Optical Switch for Datacenters”(In Proceedings of Architectures for Networking and Communications Systems)提出了一种基于阵列波导光栅的单交换机星形网络拓扑，但是由于该方案采用了星形的网络拓扑结构，网络规模极为受限。文章“Bufferless Optical Clos Switches for Data Centers”(In Proceedings of Optical Fiber Communication Conference and Exposition)提出利用clos网络将阵列波导光栅级联，作为核心层的交换机。但是，该方案为了获得高性能导致网络过多的冗余，链路和阵列波导光栅利用率较低，同时受限于扩展方式，网络规模的扩大，使网络的构建成本太高。因此，这些网络拓扑方案并不能满足云计算环境下对大规模数据中心的应用需求。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种基于阵列波导光栅的大规模数据中心光互连网络系统及通信方法，在保证网络高带宽和低延时等高性能的前提下，提高设备利用率，降低网络的构建成本。

为实现上述目的，本发明基于阵列波导光栅的大规模数据中心光互连网络系统,包括P层网络结构，每层有K个簇，P≥1的整数，K≥3的整数，其特征在于：

每个簇包括：

用2个阵列波导光栅构成的两台汇聚交换机，每台汇聚交换机包括K+1对输入输出端口；

用K+1台边缘交换机和(K+1)×(K-1)台服务器构成的K+1个机架，每台边缘交换机包括两对上行输入输出端口，一对簇间输入输出端口，K-1对下行输入输出端口；每台服务器包括一对输入输出端口；

每个簇内的连接关系为：

第一台汇聚交换机的K+1对输入输出端口，分别与K+1个机架中的K+1台边缘交换机的第一对上行输入输出端口连接，第二台汇聚交换机的K+1对输入输出端口与K+1台边缘交换机的第二对上行输入输出端口连接；每个机架均由一台边缘交换机的K-1对下行输入输出端口与K-1台服务器的输出输入端口对应连接构成；

K个簇之间的连接关系为：

第一个簇中的第h台边缘交换机通过一对簇间输入输出端口与第h个簇中的第一台边缘交换机相连，同理，第m个簇中的第n台边缘交换机通过一对簇间输入输出端口与第n个簇中的第m台边缘交换机相连，其中，2≤h≤K，1≤m≤K，1≤n≤K，m≠n，且h，m，n为整数；

各层之间通过K台边缘交换机的簇间输入输出端口相连。

上述光互连网络系统，其特征在于，所述各层之间通过K台边缘交换机的簇间输入输出端口相连，其连接关系为：

设定每层服务器的地址为：a，b，c，d，边缘交换机地址为a，b，c，0，汇聚交换机的地址为：a，b，0，0，其中，a代表层号，b代表簇号，c代表机架号，d代表服务器号，1≤a≤P，1≤b≤K，1≤c≤K+1，1≤d≤K-1，且a，b，c，d为整数；

每一层中地址为v，w，K+1,0的边缘交换机与下一层中地址为v+1,w，w，0的边缘交换机通过簇间输入输出端口连接，形成网络空间立体结构，其中，1≤v≤P-1,1≤w≤K,且v，w为整数。

上述的光互连网络系统，其特征在于，边缘交换机，包括：一个阵列波导光栅、一个控制器、K-1个光标签提取器、K-1个光延时线、K-1个波长转换器、K-1个2:1的波长复用器、K-1个滤波器和三个共享缓存模块，K为一层中簇的数目，且K≥3的整数；