CN105099560A - 基于多个不相交的单向光纤环网的无阻塞扩展系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于多个不相交的单向光纤环网的无阻塞扩展系统及方法，该系统包括输入级、中间级和输出级三级，其中，输入级和输出级均采用空分交换模块组成；中间级采用包括单向光纤环网在内的多个不相交的波分交换模块组成，允许任意输入到输出的映射；中间级单向光纤环的连接符合Clos网络基本特征，在逻辑上与输入、输出级通过光纤端口一一相连；所述输入、输出级模块端口数目n应保持一致，且该数目应不大于中间级交换模块的数目M。同时提供一种使用该系统来完成无阻塞扩展的具体实现方法。本发明低成本、高效率地增加网络容量，灵活有效的利用所有光纤环链路资源，提高了网络中波长资源利用率，消除了网络阻塞率，有利于未来高性能光网络的实现。

Description

基于多个不相交的单向光纤环网的无阻塞扩展系统及方法

技术领域

本发明涉及基于多个不相交的单向光纤环网的无阻塞扩展方法，可广泛运用在包括超大规模数据中心在内的光电路交换技术领域。

背景技术

数据中心“大流”和“小流”特征催生了数据中心网络的改变，从全电网络向光电混合网络的演进。许多研究机构纷纷采用光电路交换(opticalcircuitswitching,OCS)补充传统电分组交换网络的不足。OCS的优点在于降低能耗、成本和端口数。随着数据中心规模越来越大，占地面积越来越广，因此OCS的发展趋势：高可扩展性，无阻塞，连线简单，模块化设计等等

实际光互联网络中，无阻塞扩展是一个不可回避的关键问题，即网络能够为所有用户在同一时间提供固定的带宽资源、保证100％的网络吞吐量。现有的研究方法如c-through,Helios,Mordia等都是无阻塞结构，但没有考虑扩展性问题；其他方法例如WaveCube、OvS等都是扁平化设计，可扩展性强，但是都有波长冲突的问题。在极端情况下，该方案难以避免严重的波长冲突问题，最终将以网络吞吐量为代价，才能解决波长冲突问题。

灵活运用Clos网络理论，能够同时解决无阻塞和扩展性的问题。Clos网络的思想在于用小的光开关可以等效构建大的光互联网络。现有两种光开关，分别是微机电系统交换矩阵(MEMS，MicroElectroMechanicalSystem)和单向光纤环。单向光纤环(unidirectionalring)是一种基本光交换单元，它可以通过一根光纤环将分布在任意位置的可重构光分叉复用器(reconfigurableopticaladd/dropmultiplexer,ROADM)网络节点串联起来，通过波长选择开关(wavelengthselectiveswitch,WSS)的无色性原理将波长进行筛选，允许任意波长在任意网元节点的上下路或直接穿通，得以实现one-to-one、one-to-all任意通讯方式，具备连线简单、覆盖面积大、无阻塞交换等优点。引入基于WSS的ROADM，结合波分复用技术(wavelengthdivisionmultiplexer,WDM)，单向光纤环在逻辑上能够等效于一个MEMS光开关。两种光开关各有优缺点，前者连线复杂但端口切换不依赖波长，后者连线简单但端口切换依赖波长。

对于一个三级Clos网络而言,如果核心层(Corelayer)和边缘层(EdgeLayer)分别选用不同的器件，有4种无阻塞级联的方式：MMM，MRM，RMR，RRR。所谓MMM方法，就是指核心层和边缘层都使用MEMS构造，即传统的胖树(Fat-tree)法。该法虽可形成大规模网络，然而，此方案往往需要包括数以百计的光器件，且整个网络仅仅使用了一个波长，因此具有连线复杂、交叉点众多、波长资源利用不足等缺点。如果全部采用单向光纤环，即RRR方式，波长冲突问题又再次出现。

如果核心层采用MEMS，而边缘层采用单向光纤环，就能构成RMR结构。正如GeorgePorter等人在SIGCOMM2013上发表了题为"IntegratingMicrosecondCircuitSwitchingintotheDataCenter"的文章所阐述的那样：多个单向光纤环可以采用堆叠环结构，形成大规模网络扩展方法。所谓堆叠环结构是指具有“堆叠”功能的多个单向光纤环。具体而言，这里的“堆叠”是指多个单向光纤环，通过一个ROADM核心节点相交，把两个或两个以上的单纤环连接起来，以实现单个光纤环端口数量的补充。为覆盖不同区域，并为所有用户提供全连接，每根光纤环绕行方向、范围都不同；为了满足堆叠环结构的“堆叠”要求，所有单向光纤环不可避免要回到中心点位置，才能在同一个核心ROADM节点上相交，因此，该方法需要相当长的光纤长度。

近一两年来，发展单向光纤环的研究刚刚开始，现已提出的各种WDM方案都有其各自的优缺点，但是没有一种基于单向光纤环的扩展方法能同时具备可大范围、大容量、不相交、和无阻塞特性。

发明内容

本发明针对上述现有技术中存在的缺陷，提供一种基于多个不相交的单向光纤环网的无阻塞扩展系统及方法，结合ROADM和单向光纤环，以波长选择开关WSS，灵活配置固定波长发射器(Fixedlaser,FL)以支持超大规模网络的应用需求，以弥补现有堆叠环方案的不足，本发明基于单向光纤环、同时具备大范围、大容量、不相交、具有动态调度能力的一种无阻塞扩展方法，低成本、高效率地增加网络容量，灵活有效的利用所有光纤环链路资源，提高了网络中波长资源利用率，消除了网络阻塞率，有利于未来高性能光网络的实现。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种基于多个不相交的单向光纤环网的无阻塞扩展系统，其特征在于，包括输入级、中间级和输出级三级，所述系统在逻辑上等效于一个无阻塞的三级Clos网络；其中，

-输入级和输出级均采用空分交换模块组成，

-中间级采用包括单向光纤环网在内的多个不相交的波分交换模块组成，允许任意输入到输出的映射；

-中间级单向光纤环的连接应符合Clos网络基本特征，在逻辑上与输入、输出级通过光纤端口一一相连。

-为满足Clos网络无阻塞条件，所述输入、输出级模块端口数目n应保持一致，且该数目应不大于中间级交换模块的数目M。

优选地，输入和输出级可使用包括微机电系统交换矩阵MEMS在内的空分交换器件实现，而中间级可使用包括多个不相交的单向光纤环在内的波分交换模块实现；其中，所述单向光纤环包括：一根光纤及一组上、下路模块，其中，

-所述的上路模块可使用包括耦合器、环行器在内的具有合波功能的器件，起到将来自多个输入级的不同波长信号接入中间级模块的目的；

-所述的下路模块可使用包括波长选择开关WSS在内的具有滤波功能的器件，将中间级模块的波长部分或全部下路到目的输出级端口。

优选地，为简化连线，还可将若干个邻近的MEMS成片打包成一个区域，达到一齐上、下路到中间级的目的。

每个片区包括：微机电系统交换矩阵、复用器池、解复用器池，

-所述微机电系统交换矩阵，包括上路、下路两个独立的部分，用于实现允许任意输入到输出的映射；

-所述复用器池，用于连接上路部分的微机电系统交换矩阵，用于实现复用波长信号、简化连线、一齐上路到中间级单向光纤环的目的；

-所述解复用器池，用于连接下路部分的微机电系统交换矩阵，用于实现多波长向单个波长的分离步骤，可以采用包括波长选择开关在内的波长分离器件，将一齐从中间级单向光纤环下路的多波长集合，分解成独立波长单元的目的。

一种基于多个不相交的单向光纤环网的无阻塞扩展方法，采用上述的系统来完成，包括步骤如下：

步骤1)、光发射机发射固定的一组波长信号，并利用单一波长的方式将该信号发送至本片区的微机电系统交换矩阵上路部分。

步骤2)、微机电系统交换矩阵片区上路部分，利用空分切换方式，将来自本片区的一组固定波长信号进行耦合，并利用波分复用方式将该波长信号集合一齐发送，上路至多个不相交的单向光纤环网。

步骤3)、多个不相交的单向光纤环网，具有集波长切换和传输与一体的特点，采用波分切换方式，将上路波长全体传输、交换、分离至微机电系统交换矩阵片区各自下路部分。

步骤4)、微机电系统交换矩阵片区下路部分，利用波长分离元器件，将波长一一剥离成单个波长，利用空分切换方式，将到达本片区的任意单一波长信号进行切换，下路至各自输出端口。

步骤5)、光接收机采用宽频滤波器接收信号，允许接收来自任意输入模块的任意波长信号。

优选地，步骤1)发射固定的一组波长信号，隶属于同一微机电系统交换矩阵的波长信号应尽量重复使用同一波长，目的在于增加波长利用率。

优选地，步骤2)上路部分的各自片区应采用不同波长信号，目的在于使得多个单向光纤环网接收不同输入波长，避免波长冲突。

本系统有四个明显的优点：

一是可扩展性强，容量大、它继承了基于Clos网络的优点，在满足Clos网络基本条件的前提下，仅仅增加1×2的WSS和2×1Coupler，就能增加网络容量；

二是无阻塞特性，该机制实现方案简单，它考虑到光纤环WDM的共享特性，增加了频谱利用率，避免了配置TWC、TL的复杂实现方案，有利于降低实现成本、提供100％网络吞吐量；

三是不相交特性，由于该方案基于各自不相交的单纤环，且各个环间不相交，分别覆盖不同区域，因此改方案有效解决了交叉点的问题，使得该机制在区域分割、简化布线等方面都占据极大的优势；

四是具备覆盖范围广优点、通过拉伸光纤环长度，就能覆盖更大面积、容纳更多的FL、MEMS设备，使得本地用户能就近上路，避免了从地理位置不同的用户侧拉长线的麻烦、大大节省了光纤长度。

和现有技术相比，本发明解决了传统技术的各种问题。本发明提出的可扩展方案具有可延展性、无阻塞特性，不相交特性。WDM技术、FL的引入在大大降低光电路交换结构连线复杂度的同时降低长光纤个数、总光纤长度和发射机要求，提高了多个光纤环网链路资源利用率，满足了超大规模光互联网络的模块化需求、满足了组网急剧增加的发展需求。这种大范围、大容量、无阻塞、不相交的多个单纤环的升级方案，为下一代光互联网络的发展提供一种技术储备，有助于实现真正实现灵活的光层组网，满足大数据业务、分布式网络的发展要求。

附图说明

图1为本发明提供的基于多个不相交的单向光纤环网的无阻塞扩展系统的逻辑结构示意图；

图2为本发明提供的基于多个不相交的单向光纤环网的无阻塞扩展系统的物理结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

图1给出了本发明提供的基于多个不相交的单向光纤环网的无阻塞扩展系统的逻辑结构示意图，包括输入级、中间级和输出级三级，本系统在逻辑上等效于一个无阻塞的三级Clos网络；其中，

输入级和输出级均采用空分交换模块组成。

中间级采用包括单向光纤环网在内的多个不相交的波分交换模块组成，允许任意输入到输出的映射；

中间级单向光纤环的连接应符合Clos网络基本特征，在逻辑上与输入、输出级通过光纤端口一一相连。

为满足Clos网络无阻塞条件，输入、输出级模块端口数目n应保持一致，且该数目应不大于中间级交换模块的数目M。

输入和输出级可使用包括微机电系统交换矩阵MEMS在内的空分交换器件实现，而中间级可使用包括多个不相交的单向光纤环在内的波分交换模块实现；其中，单向光纤环网包括：单向光纤环、一组上、下路模块。其中，

上路模块可使用包括耦合器、环行器在内的具有合波功能的器件，起到将来自多个输入级的不同波长信号接入中间级模块的目的；

下路模块可使用包括波长选择开关WSS在内的具有滤波功能的器件，将中间级模块的波长部分或全部下路到目的输出级端口。

为简化连线，还可将若干个邻近的MEMS成片打包成一个区域，达到一齐上、下路到中间级的目的。其中，每个片区包括：上、下路微机电系统交换矩阵、复用器池、解复用器池。

微机电系统交换矩阵，包括上路、下路两个独立的部分，用于实现允许任意输入到输出的映射；

复用器池，用于连接上路部分的微机电系统交换矩阵，用于实现复用波长信号、简化连线、一齐上路到中间级单向光纤环的目的；

解复用器池，用于连接下路部分的微机电系统交换矩阵，用于实现多波长向单个波长的分离步骤，可以采用包括波长选择开关在内的波长分离器件，将一齐从中间级单向光纤环下路的多波长集合，分解成独立波长单元的目的。

基于多个不相交的单向光纤环网的无阻塞扩展方法，采用包括：光发射机、光接收机、微机电系统交换矩阵片区上、下路部分、多个不相交的单向光纤环网，步骤如下：

步骤1)、所述光发射机，发射固定的一组波长信号，并利用单一波长的方式将该信号发送至本片区的微机电系统交换矩阵上路部分。

步骤2)、所述微机电系统交换矩阵片区上路部分，利用空分切换方式，将来自本片区的一组固定波长信号进行耦合，并利用波分复用方式将该波长信号集合一齐发送，上路至多个不相交的单向光纤环网。

步骤3)、所述多个不相交的单向光纤环网，具有集波长切换和传输与一体的的优点，波分切换方式，将上路波长全体传输、交换、分离至微机电系统交换矩阵片区各自下路部分。

步骤4)、所述微机电系统交换矩阵片区下路部分，利用波长分离元器件，将波长一一剥离成单个波长，利用空分切换方式，将到达本片区的任意单一波长信号进行切换，下路至各自输出端口。

步骤5)、所述光接收机，采用宽频滤波器接收信号，允许接收来自任意输入模块的任意波长信号。

步骤1)发射机发射固定的一组波长信号，隶属于同一微机电系统交换矩阵的波长信号应尽量重复使用同一波长，目的在于增加波长利用率。

步骤2)上路部分的各自片区应采用不同波长信号，目的在于使得多个单向光纤环网接收不同输入波长，避免波长冲突。

步骤3)所有不相交的单向光纤环，可以穿越整个区域，以降低上、下路片区的连线复杂度；选择某一个中间单纤环，可以根据二分图理论，在指数级时间范围内，计算出相应的输入、输出路由，保证该方法可重构无阻塞，支持100％的吞吐量，实现最大链路利用率。

图2为本发明提出的基于不相交的多个单向光纤环网的无阻塞扩展系统的物理结构示意图，可简化布线、有效降低上、下路部分的交叉点数。包括骨干环、上、下路片区两部分，系统在逻辑上等效于图1所示无阻塞Clos结构；其中，

上、下路片区均采用空分交换模块组成。

中间级采用波分交换模块组成，包括多个不相交的单向光纤环网，允许任意输入到输出的映射；

骨干环与上、下路片区的连接应符合Clos网络基本特征，在逻辑上骨干环与所有片区通过光纤端口一一相连。

为满足Clos网络无阻塞条件，任一片区内的MEMS模块端口数目n应保持一致，且该数目应不大于骨干环的数目M。

上、下路片区可使用包括微机电系统交换矩阵MEMS在内的空分交换器件实现，而骨干环部分可使用包括多个不相交的单向光纤环在内的波分交换模块实现；其中，单向光纤环包括：单向光纤环、一组上、下路模块。

上述实施例仅用于说明本发明技术方案，但其并不是用来限定本发明。任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的内容对本发明所提出的方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明的技术内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于多个不相交的单向光纤环网的无阻塞扩展系统，其特征在于，包括输入级、中间级和输出级三级，所述系统在逻辑上等效于一个无阻塞的三级Clos网络；其中，

-输入级和输出级均采用空分交换模块组成；

-中间级采用包括单向光纤环网在内的多个不相交的波分交换模块组成，允许任意输入到输出的映射；

-中间级单向光纤环的连接应符合Clos网络基本特征，在逻辑上与输入、输出级通过光纤端口一一相连；

-为满足Clos网络无阻塞条件，所述输入、输出级模块端口数目n应保持一致，且该数目应不大于中间级交换模块的数目M。

2.根据权利要求1所述的基于多个不相交的单向光纤环网的无阻塞扩展系统，其特征在于，所述输入级和输出级采用包括微机电系统交换矩阵MEMS在内的空分交换器件实现，所述中间级所采用的单向光纤环包括：一根光纤及一组上、下路模块，其中，

-上路模块使用包括耦合器、环行器在内的具有合波功能的器件，起到将来自多个输入级的不同波长信号接入中间级模块的目的；

-下路模块使用包括波长选择开关WSS在内的具有滤波功能的器件，将中间级模块的波长部分或全部下路到目的输出级端口。

3.根据权利要求2所述的基于多个不相交的单向光纤环网的无阻塞扩展系统，其特征在于，为简化连线，将若干个邻近的MEMS成片打包成一个区域，达到一齐上、下路到中间级的目的。

4.根据权利要求3所述的基于多个不相交的单向光纤环网的无阻塞扩展系统，其特征在于，每个所述区域包括：微机电系统交换矩阵、复用器池、解复用器池，其中，

-所述微机电系统交换矩阵，包括上路、下路两个独立的部分，用于实现允许任意输入到输出的映射；

-所述复用器池，用于连接上路部分的微机电系统交换矩阵，实现复用波长信号、简化连线、一齐上路到中间级单向光纤环的目的；

-所述解复用器池，用于连接下路部分的微机电系统交换矩阵，实现多波长向单个波长的分离步骤，采用包括波长选择开关在内的波长分离器件，将一齐从中间级单向光纤环下路的多波长集合，分解成独立波长单元的目的。

5.一种基于多个不相交的单向光纤环网的无阻塞扩展方法，其特征在于，采用权利要求3所述的系统来完成，包括步骤如下：

步骤1)、光发射机发射固定的一组波长信号，并利用单一波长的方式将该信号发送至本片区的微机电系统交换矩阵的上路部分；

步骤2)、微机电系统交换矩阵的上路部分，利用空分切换方式，将来自本片区的该固定波长信号进行耦合，并利用波分复用方式将该波长信号集合一齐发送，上路至多个不相交的单向光纤环网；

步骤3)、多个不相交的单向光纤环网集波长切换和传输于一体，采用波分切换方式，将上路波长全体传输、交换、分离至微机电系统交换矩阵片区内的各自下路部分；

步骤4)、微机电系统交换矩阵的下路部分，利用波长分离元器件，将波长一一剥离成单个波长，利用空分切换方式，将到达本片区的任意单一波长信号进行切换，下路至各自输出端口；

步骤5)、光接收机采用宽频滤波器接收信号，允许接收来自任意输入模块的任意波长信号。

6.根据权利要求5所述的基于多个不相交的单向光纤环网的无阻塞扩展方法，其特征在于，步骤1)中发射固定的一组波长信号，隶属于同一微机电系统交换矩阵的波长信号应尽量重复使用同一波长，目的在于增加波长利用率。

7.根据权利要求5所述的基于多个不相交的单向光纤环网的无阻塞扩展方法，其特征在于，步骤2)上路部分的各自片区应采用不同波长信号，目的在于使得多个单向光纤环网接收不同输入波长，避免波长冲突。