CN103441942A - 基于软件定义的数据中心网络系统及数据通信方法 - Google Patents

Abstract

基于软件定义的数据中心网络系统及数据通信方法，涉及云计算数据中心技术领域，该结构包括有核心电交换机、光路由器、架顶交换机、服务器、控制模块、光载波分发单元和多波长光源子系统。数据通信时，根据数据目的服务器地址和流量大小进行通信光载波的分配；源服务器将数据封装后发送至架顶交换机；控制模块根据数据信息的目的服务器地址和流量特征以及相应的路由算法决定选择电交换路径或光路由路径对数据进行转发。架顶交换机根据控制模块的指令对数据进行光调制并转发至相应电交换或光路由路径。本发明具有很好的节能效果，构建成本低，提高了数据中心网络的管理效率和网络的性能。

Description

基于软件定义的数据中心网络系统及数据通信方法

技术领域

本发明涉及云计算数据中心技术领域，特别是一种数据中心网络系统及数据通信方法。

背景技术

云计算是一种利用互联网实现随时、随地、按需、便捷地访问共享资源池的计算模式，这类资源池包括服务器、网络资源、存储资源和应用程序等。而数据中心是云计算的核心平台和基础设施，数据中心网络（DCN）则是数据中心内互连大规模服务器实现大型分布式计算的网络，实现数据中心内服务器间海量数据的传输和通信。目前有多种数据中心网络结构，典型代表结构有Fat-tree（改进型电交换数据中心网络），Helios（混合光电路交换和电分组交换数据中心网络）以及OSA（全光电路交换数据中心网络）。

其中Fat-tree是传统树形数据中心网络结构的一种改进结构。网络分为3层，分别是：核心层交换机、汇聚层交换机和接入层交换机。通过增加一定的布线复杂度来连接成一个胖树形网络，即每台接入交换机与每台汇聚交换机都相连，构成完全二分图，每台汇聚交换机又与某部分核心交换机相连，提供无阻塞通信。Fat-tree结构在一定程度上提高了网络可靠性，但是存在很多设计缺陷：1）扩展性差，随着交换机数量增多，网络内部连线特别复杂。2）核心交换机瓶颈，核心交换机是带宽和性能的瓶颈。3）能耗过高，能耗问题是数据中心运营商不可忽视的关键问题之一。

Helios网络架构是由ToR交换机（称为pod交换机）和核心层交换机组成的两层结构。pod交换机是常见的电分组交换机，核心层由电分组交换机和光电路交换机组成，从而构成混合光电路交换和电分组交换数据中心网络结构。其中核心层电分组交换机用于pod交换机之间的全通信，而光电路交换机用于pod交换机之间高带宽缓慢变换流量（通常是长持续时间流量）的通信。Pod交换机与光电路交换机连接时采用WDM（wavelength divisionmultiplex，波分复用）技术将多个端口的不同载波波长的光信号复用到同一条光纤链路中进行传输，充分利用光纤的高带宽、大容量的特性提高数据中心网络性能。但是Helios结构也存在一些不足：1）时延大，在光交换中使用光电路交换机，即基于微电机系统（MEMS）的交换机，当流量矩阵变化时，光电路交换机的重构过程非常耗时，通常为几十毫秒，从而导致网络时延比较长。2）能耗大。

全光互连数据中心网络OSA网络结构利用光电路交换机连接所有的架顶（ToR）交换机。其中每个架顶交换机上有多个不同波长的光收发器。不同的数据调制到不同波长的光载波上进行传输，首先，不同波长的光信号被复用器复用，然后，波长选择开关（WSS）将接收到的复用信号通过不同波长映射到不同的输出端口，最后，光信号通过光交换矩阵实现不同端口之间的通信。同时为了有效利用光交换机端口，通过使用光环形器（Optical Circulator）实现在同一条光纤上实现双向传输数据。从而在架顶交换机之间建立一个点到点的连接。OSA网络结构可实现粗粒度灵活带宽，提高网络吞吐量，但是也存在不足：1）时延大，该结构使用MEMS交换机进行信号交换，其重构时间一般需要几十毫秒，则该结构不能应对流量快速波动的应用。2）不易处理突发流量，与分组交换相比，光电路交换对于突发流量的支持不好。

综上所述，现有数据中心网络结构难以满足未来云计算数据处理和传输的带宽、时延和能耗等要求，已经成为现代云计算数据中心的瓶颈所在。

发明内容

本发明的一个目的就是提供一种高性能、高吞吐量和高扩展性的基于软件定义的数据中心网络系统。

本发明的该目的是通过这样的技术方案实现的，它包括有核心电交换机、光路由器、架顶交换机、服务器、控制模块、光载波分发单元和多波长光源子系统，每台架顶交换机下均连接有一台以上的服务器，每台架顶交换机均分别与核心电交换机和光路由器连接，控制模块控制架顶交换机选择电交换或光路由进行数据通信，控制模块控制光载波分发单元分配多波长光源子系统产生的光载波，为每台架顶交换机提供相应波长的光载波。

进一步，所述光载波分发单元为波长选择开关或由光耦合器与波长选择开关构成。

进一步，所述架顶交换机设置有电光电转换电路，用于将服务器上传的电信号转换成光信号，发送至核心电交换机或光路由器；并将核心电交换机或光路由器发送的光信号转换为电信号，再转发至目的服务器。

进一步，所述核心电交换机设置有光电光转换电路，用于将架顶交换机上传的光信号转换为电信号，读取其转发的目的服务器地址信息，再转换为光信号，根据目的服务器地址信息发送至相应架顶交换机和目的服务器。

进一步，所述光路由器为C-AWGR循环阵列波导光栅路由器。

本发明的一个目的就是提供一种基于软件定义的数据中心网络系统的数据通信方法，它可以通过电交换和光路由实现服务器之间的数据通信。

本发明的该目的是通过这样的技术方案实现的，具体步骤如下：

1）为每台服务器分配唯一的服务器地址，确定每台架顶交换机接入光路由器的进口序号和出口序号；

2）源服务器将需要发送的信息封装后发送至架顶交换机，封装的信息包括有源服务器的地址信息和目的服务器的地址信息；

3）控制模块根据架顶交换机接收到数据信息的流量特征和目的服务器地址信息，决定架顶服务器选择电交换或光路由，若选择电交换，则转入步骤4），若选择光路由，则转入步骤5）；

4）架顶交换机根据控制模块的控制，将源服务器上传的电信号转换为光信号，并将光信号发送至核心电交换机，核心电交换机将光信号转换为电信号，读取目的服务器地址信息，再将电信号转换回光信号，并根据目的服务器地址信息，将光信号发送至目的服务器所在架顶交换机，目的服务器所在架顶交换机将光信号转换为电信号，再将转换后的电信号发送至目的服务器；

5）架顶交换机根据控制模块的控制，将源服务器上传的电信号转换为光信号；在控制模块中储存有光载波波长分配列表，控制模块根据源服务器上传的源服务器地址信息和目的服务器地址信息，查找目的服务器所在架顶交换机连接光路由器的出口序号和源服务器所在架顶交换机连接光路由器的进口序号；控制模块根据目的服务器地址信息、目的服务器所在架顶交换机连接光路由器的出口序号、源服务器地址信息和源服务器所在架顶交换机连接光路由器的进口序号确定分配给架顶交换机用于数据调制和发送的光信号载波波长；

源服务器所在的架顶交换机将转换的光信号发送至光路由器，光路由器根据光信号的波长，将光信号发送至目的服务器所在的架顶交换机，目的服务器所在的架顶交换机将光信号转换为电信号，读取目的服务器地址信息，将转换后的电信号发送至目的服务器。

进一步，步骤3）中所述控制模块决定架顶交换机选择电交换或光路由的原则是：将架顶交换机接收到的数据信息分为大流量信息和小流量信息，大流量信息选择光路由，小流量信息选择电交换。

进一步，步骤4）和步骤5）中架顶交换机在上传数据的过程中，将电信号转换为光信号时采用以下方法：多波长光源子系统一直产生多波长的光载波，光载波分发单元根据控制模块指令，为各个架顶交换机的数据流量分配对应波长的光载波。

进一步，步骤4）和步骤5）中架顶交换机在上传数据的过程中，将电信号转换为光信号时采用以下方法：控制模块控制光载波分发单元对光源产生的多个光载波进行分配，架顶交换机对分配的光载波进行数据调制和传输。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

1、本发明具有很好的节能效果。对该网络结构的能耗进行数值分析，与现有典型数据中心网络（Fat-tree、Helios和OSA）结构相比，本发明网络结构的能耗最小。当各网络互连服务器数量为65536个时，本发明结构能耗相对于Fat-tree数据中心网络降低52.9%，相对于Helios能耗降低22.9%，相对于OSA能耗降低16.9%。利用本发明可以构建绿色数据中心网络，减少碳排放，节约能源；

2、本发明构建成本低。对构建该网络结构的成本进行数值分析，与现有典型数据中心网络（Fat-tree、Helios和OSA）结构构建成本进行对比，本发明网络结构成本比较低。当各网络互连服务器数量为65536个时，本发明结构成本比Fat-tree网络结构低34.77%，比Helios网络结构成本低24.25%，仅比OSA网络结构成本高2.88%；

3、本发明结构引入软件定义网络技术，对该数据中心网络进行集中式控制，统一管理网络和统一调度网络流量。直接降低了数据中心网络管理和运行复杂度。不仅减少了数据中心网络维护的人力和财力，而且还提高了数据中心网络的管理效率；

4、本发明使用光路由和电交换技术相结合，使用控制平面的通用分布式算法来协调交换机节点之间数据发送和接收，使得网络吞吐量达到最大而分组延迟降为最小，有效提高了网络的性能。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。

附图说明

本发明的附图说明如下。

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的流程示意图；

图3为光载波分发单元的结构示意图；

图4为循环阵列波导光栅路由器的波长传输关系示意图；

图5为控制模块的控制原理流程示意图；

图6为实施例一的工作状态示意图；

图7为实施例二的工作状态示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

基于软件定义的数据中心网络系统的交换网络分别由电交换和光路由组成。架顶交换机通过控制模块的光载波分发单元，使用多波长光源子系统提供的大量光载波用于数据调制和传输。其中光路由部分对架顶交换机间的大容量流量进行路由，而电交换部分则交换小流量的分组。数据中心网络管理者通过控制模块上的软件自动地向各个架顶交换机发送控制信息用于配置混合光路由和电交换互连网络。

多波长光源子系统，为数据中心网络系统提供光载波用于数据调制和传输。多波长光源子系统要解决的技术问题是能同时产生大量波长可控、载波间隔统一细小、质量良好的光载波。为了解决以上多波长光源子系统技术问题，本发明多波长光源子系统优先考虑采用多波长光源，多波长光源产生的大量光载波光频谱粒度划分细，光频谱分配更加灵活，满足并有效解决了本发明的技术要求。其次考虑使用可调谐激光器为数据调制和传输提供大量光载波。

光载波分发单元主要由波长选择开关构成，如图3所示。波长选择开关是典型的1×n光器件，将输入的光载波波长集分发到不同的输出端口，输出端口输出不同的波长的光载波。

本发明的交换网络包括有电交换网络和光路由网络，要解决的技术问题是通过光路由路径对架顶交换机的大容量流量进行路由，而电交换网络部分负责发送小流量的分组，解决方法包括：交换网络由光路由和电交换两个路径构成，光路由路径采用C-AWGR循环阵列波长路由器连接架顶交换机构成，电交换路径由一个电分组交换机连接架顶交换机构成。构建所述交换网络的架顶交换机和电分组交换机均支持Openflow功能。网络管理者通过控制模块自动发送控制信息给架顶交换机用于配制光路由和电交换混合互连网络。在所述控制平面的控制模块的管理下把电子帧调制到光载波上将电信号转换成光信号，被发送到光互连网络上进行路由。在接收端，目的服务器的上层架顶交换机只要简单地把快速可调谐滤波器调制到相应波长的光载波上就能够接收数据，完成数据的传输和交换。

控制模块连接各个网络设备，包括架顶交换机和光载波分发单元。控制模块要解决的技术问题是收集整个数据中心网络状态信息，并由运行的相应算法程序对所有网络设备的行为进行统一控制。控制模块包括两个方面：1）控制光载波分发单元进行有效的光载波分发。控制模块获取网络状态信息后，根据光载波分发算法，选择最优的方案并将控制信息写入光载波分发单元的控制程序中。2）控制架顶交换机间流量的合理分配。控制模块通过对流量特性及架顶交换机缓存状态的分析，决定流量发送至电交换网络或光路由网络，并将对应规则写入相关的架顶交换机。

本发明与已有的混合光电路交换和电分组交换数据中心网络之间最主要的差别有：1）将软件定义网络技术引入数据中心网络，利用软件定义网络技术的集中式控制方式获取网络整体视图，并根据整体视图对网络进行统一的管理和对网络流量进行统一调度。提高了网络管理效率，降低了网络复杂度。2）与现有的混合光电数据中心网络采用光混合光电路交换和电分组交换不同，本发明避免使用光电路交换导致网络配置复杂和长时延，而使用C-AWGR循环阵列波导光栅路由器构成的光路由网络和电分组交换网络相结合，利用循环阵列波导光栅路由器的循环波长路由特性，无需配置，直接路由，提高了网络性能，降低复杂度和时延。3）本发明的光路由网络部分采用基于循环阵列波导光栅的光路由。循环阵列波导光栅具有循环波长路由的特性：不同的波长可承载不同类型的信号，而且相同的波长也可承载不同的信号从不同的输入端口输入，而在输出端口不会发生碰撞。图4所示是5×5的循环阵列波导光栅路由器的波长传输关系，a1、a2、a3、a4、a5是输入端口，b1、b2、b3、b4、b5是输出端口，每个输入端口输入5个不同波长的光信号分别到5个输出端口中，而每个输出端口中输出的5个不同波长光信号分别来自5个输入端口，输入和输出之间有循环移位特性，从而实现路由选择功能。同时光互连网络中使用的C-AWGR循环阵列波导光栅路由器是无源光学器件，可以有效降低网络整体能耗。

本发明是一种基于软件定义的混合光路由和电分组交换数据中心网络结构的控制方法，如图5所示，该方法包括：

步骤501，位于控制平面的流量分发机制通过对流量特性及交换机缓存状态的分析，决定流量发送至电交换网络或者光互连网络，并将对应规则发送至架顶交换机。

电交换网络为第二层电分组交换机构成。流量在电交换网络中是以电分组交换的形式进行的，在交换机节点处需要将分组存储后，对分组头部的转发地址进行匹配后再转发到相应的输出端口。在存储转发的过程中存在时延，因此大量高速数据流通过电分组交换网络时会经历分组存储转发处理时延。光路由是采用循环阵列波导光栅路由器（C-AWGR：cycle arraywaveguide grating router）构成的光互连网络。流量在光互连网络中以光信号的形式路由，C-AWGR根据不同的载波波长被路由到相应的输出端口。在光互连网络中不需要对光信号进行处理或者转换，也不需要对交换设备进行配置，数据流在光互连网络中透明的传输。

步骤502，控制模块在满足数据信息传输和调制的前提下，为数据信息分发高质量的光载波。

数据流量通过光互连网络时利用C-AWGR的波长循环路由特性实现在服务器之间的通信。控制模块为不同速率的、不同输出端口的数据流分配合适的高质量载波，使得数据流能够准确的、高效的被路由到目的服务器。

步骤503，控制模块面向流量接收的节点协调机制利用通用分布式算法来协调交换机节点之间数据发送和接收。

实施例一

如图6所示，数据分组通过铜缆到达架顶交换机，经过控制模块分析，通过电交换网络进行数据传输。服务器A向服务器B发送连接请求，首先将数据分组发送到架顶交换机处缓存。控制模块根据分析流量特征和交换机缓存信息的数据，决定数据分组通过电交换网络传输。

在架顶交换机处缓存的数据分组被调制到光载波上，经过光纤到达核心电交换机。

在核心电交换机端口处进行光电转换，变成电信号进行存储并进行输出端口地址匹配，经过电光转换经输出端口转发，再经过光纤传输到达目的架顶交换机。光电光转换电路将携带有数据分组的光载波解调成为电信号，然后存储在交换机缓存中。交换机对分组头部进行匹配然后转发到输出端口处，经过电光转换将电分组信号调制成为光信号，以便于通过光纤传输到目的架顶交换机。

在目的架顶交换机处解调光载波信号，然后将电分组信号转发到相应的目的服务器。

实施例二

如图7所示，数据分组通过铜缆到达架顶交换机，经过控制模块分析，通过光路由网络传输数据。服务器C向服务器D发送连接请求，首先将数据分组发送到架顶交换机处缓存，控制模块根据分析流量特征和交换机缓存信息的数据，决定数据分组通过光路由网络传输数据。

架顶交换机汇聚数据信息，并将电信号的数据信息调制到特定波长的光载波信号上转发到输出端口，通过光纤传输到C-AWGR中。架顶交换机将到同一目的架顶交换机的数据信息汇聚到一起，在控制模块协调控制下调制到特定光波长的光载波信号上，然后光信号经过光纤被传输到C-AWGR中，经过光互连网络路由到目的架顶交换机。

在C-AWGR处，不同的载波波长根据C-AWGR的波长路由特性被路由到不同输出端口，然后经过光纤传输到目的架顶交换机。电信号的数据信息在架顶交换机处已经根据路由规则被调制到特定波长的光载波，在C-AWGR处只需要根据其固有的波长路由特性即可将光信号路由到相应的输出端口。在这过程中光信号不需要进行光-电-光转换，同时也不需要进行存储转发。

在目的架顶交换机处解调光载波信号，然后将电分组信号转发到相应的服务器D。

以上两个实施例描述了两台服务器之间进行数据通信的路径和经历的过程。数据中心网络结构中混合了电分组交换网络和光路由网络。由于光路由网络中所采用的C-AWGR本身具有循环波长路由的特性，所以携带数据的光载波通过光路由网络进行路由时不需要对光信号进行光电光转换，同时也不需要对网络进行配置，只需要软件控制平台对光载波波长进行协调分配就可以实现透明的光传输网络。

为了实现以上方法，波长分配的的具体方法为：

选用可调谐波长选择开关在一系列连续波长的多波长光源中灵活的选择经过C-AWGR能够准确路由到相应的目的交换机的光波长作为光路由网络的光载波。可调谐波长选择开关灵活的选择载波波长，使网络能够灵活的适应流量需求的变化。

采用基于软件控制的可调谐激光器作为多波长光源子系统。通过控制模块的协调管理控制可调谐激光器产生适合在光路由网络中作为载波信号传输信息的波长，也能够将携带有信息的光载波路由到正确的目的服务器处。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.基于软件定义的数据中心网络系统，其特征在于：所述数据中心网络系统包括有核心电交换机、光路由器、架顶交换机、服务器、控制模块、光载波分发单元和多波长光源子系统，每台架顶交换机下均连接有一台以上的服务器，每台架顶交换机均分别与核心电交换机和光路由器连接，控制模块控制架顶交换机选择电交换或光路由进行数据通信，控制模块控制光载波分发单元分配多波长光源子系统产生的光载波，为每台架顶交换机提供相应波长的光载波。

2.如权利要求1所述的基于软件定义的数据中心网络系统，其特征在于：所述光载波分发单元为波长选择开关或由光耦合器与波长选择开关构成。

3.如权利要求1所述的基于软件定义的数据中心网络系统，其特征在于：所述架顶交换机设置有电光电转换电路，用于将服务器上传的电信号转换成光信号，发送至核心电交换机或光路由器；并将核心电交换机或光路由器发送的光信号转换为电信号，再转发至目的服务器。

4.如权利要求3所述的基于软件定义的数据中心网络系统，其特征在于：所述核心电交换机设置有光电光转换电路，用于将架顶交换机上传的光信号转换为电信号，读取其转发的目的服务器地址信息，再转换为光信号，根据目的服务器地址信息发送至相应架顶交换机和目的服务器。

5.如权利要求1所述的基于软件定义的数据中心网络系统，其特征在于：所述光路由器为C-AWGR循环阵列波导光栅路由器。

6.权利要求1至5任意一项所述网络系统进行数据通信的方法，其特征在于，具体步骤如下：

1）为每台服务器分配唯一的服务器地址，确定每台架顶交换机接入光路由器的进口序号和出口序号；

2）源服务器将需要发送的信息封装后发送至架顶交换机，封装的信息包括有源服务器的地址信息和目的服务器的地址信息；

3）控制模块根据架顶交换机接收到数据信息的流量特征和目的服务器地址信息，决定架顶服务器选择电交换或光路由，若选择电交换，则转入步骤4），若选择光路由，则转入步骤5）；

4）架顶交换机根据控制模块的控制，将源服务器上传的电信号转换为光信号，并将光信号发送至核心电交换机，核心电交换机将光信号转换为电信号，读取目的服务器地址信息，再将电信号转换回光信号，并根据目的服务器地址信息，将光信号发送至目的服务器所在架顶交换机，目的服务器所在架顶交换机将光信号转换为电信号，再将转换后的电信号发送至目的服务器；

5）架顶交换机根据控制模块的控制，将源服务器上传的电信号转换为光信号；在控制模块中储存有光载波波长分配列表，控制模块根据源服务器上传的源服务器地址信息和目的服务器地址信息，查找目的服务器所在架顶交换机连接光路由器的出口序号和源服务器所在架顶交换机连接光路由器的进口序号；控制模块根据目的服务器地址信息、目的服务器所在架顶交换机连接光路由器的出口序号、源服务器地址信息和源服务器所在架顶交换机连接光路由器的进口序号确定分配给架顶交换机用于数据调制和发送的光信号载波波长；

源服务器所在的架顶交换机将转换的光信号发送至光路由器，光路由器根据光信号的波长，将光信号发送至目的服务器所在的架顶交换机，目的服务器所在的架顶交换机将光信号转换为电信号，读取目的服务器地址信息，将转换后的电信号发送至目的服务器。

7.如权利要求6所述的基于软件定义的数据中心网络系统的数据通信方法，其特征在于，步骤3）中所述控制模块决定架顶交换机选择电交换或光路由的原则是：将架顶交换机接收到的数据信息分为大流量信息和小流量信息，大流量信息选择光路由，小流量信息选择电交换。

8.如权利要求6所述的基于软件定义的数据中心网络系统的数据通信方法，其特征在于，步骤4）和步骤5）中架顶交换机在上传数据的过程中，将电信号转换为光信号时采用以下方法：多波长光源子系统一直产生多波长的光载波，光载波分发单元根据控制模块指令，为各个架顶交换机的数据流量分配对应波长的光载波。

9.如权利要求6所述的基于软件定义的数据中心网络系统的数据通信方法，其特征在于，步骤4）和步骤5）中架顶交换机在上传数据的过程中，将电信号转换为光信号时采用以下方法：控制模块控制光载波分发单元对光源产生的多个光载波进行分配，架顶交换机对分配的光载波进行数据调制和传输。

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