CN105282056B

CN105282056B - 一种新型光电混合交换数据中心网络架构

Info

Publication number: CN105282056B
Application number: CN201510760415.3A
Authority: CN
Inventors: 许胜�; 付斌章; 陈明宇; 张立新
Original assignee: Institute of Computing Technology of CAS
Current assignee: Institute of Computing Technology of CAS
Priority date: 2015-11-09
Filing date: 2015-11-09
Publication date: 2019-01-11
Anticipated expiration: 2035-11-09
Also published as: CN105282056A

Abstract

本发明涉及数据中心网络架构技术领域，特别涉及一种新型光电混合交换数据中心网络架构，包括服务器、数据交换设备其特征在于，所述数据交换设备至少存在两个高速电交换端口，所述高速电交换端口用于所述数据交换设备之间进行连接；所述数据交换设备包括多个低速电交换端口，所述低速电交换端口用于连接所述服务器，及所述数据交换设备包括至少由一个波长光发射器构成的光端口，所述光端口用于所述数据交换设备之间进行快速动态带宽调整。本发明具有较低的建设成本和运营成本优势，具有较为稳定的性能，即随着规模扩大性能可以得到较好的保持。

Description

一种新型光电混合交换数据中心网络架构

技术领域

本发明涉及数据中心网络架构技术领域，尤其涉及一种新型光电混合交换数据中心网络架构。

背景技术

传统的数据中心网络架构，采用电交换设备提供全带宽(full-bandwidth)的通信网络，导致大量电交换设备的花费，带来高的能耗。同时，很多针对数据中心流量模式的研究表明，在大部分情况下，数据中心的应用效率并不是很高，且流量表明90％的数据传输集中在少部分不到10％的网络数据流中，因此为了降低数据中心的组建成本和运营成本，许多运营商采用过度订阅的数据中心网络架构设计，如1:240的过度订阅数据中心网络，但是这些过度订阅的数据中心网络容易在网络带宽需求高的情况下，导致网络传输成为性能的瓶颈，因此，一部分研究工作集中在利用高带宽的光路传输交换(OCS)设备，在需要的时候为高带宽需求的数据传输提供直连光路，这样大大的优化了由于过渡订阅网络架构带来的带宽瓶颈，同时极大的减少了网络设备的组建成本和能耗。

基于光路交换(OCS)技术的数据中心网络架构设计，主要包括两种：一是光电混合数据中心网络架构，如helios和c-through；另一是全光交换的数据中心网络架构，如OSA。在光电混合数据中心网络架构helios和c-through中，过度订阅的电分组交换网络提供整个网络的通信，边缘层交换设备ToR交换机或聚合层设备Pod交换机聚合大的数据流量，利用WDM波分复用技术将不同波长的光信号复用到一条光路中进行传输提供高带宽的通信，在需要的时候利用OCS光路交换可变的特性，动态调整光路拓扑架构，为大的块状数据传输提供高带宽、大容量的数据传输，从而有效的优化了整个数据中心网络的性能。

但是基于全光交换的数据中心网络架构，无法很好的满足大规模的数据中心组建需要，因此采用光电混合方式的数据中心网络架构成为当前研究的主要方向，先前基于树型架构实现的光电混合数据中心网络架构，仍然存在很多不足，如：

1)、基于最大匹配的光路拓扑生成算法，随着网络规模增大需要较长的计算时间，因此带来较大的时延，由于数据中心具有较为复杂的流量模式，因此当流量发生变化的时候，按照先前需求估计，计算得到的光路无法得到充分的利用；

2)、基于传统树形架构的基础电交换网络，在数据中心规模需要扩充的时候，必须遵循严格的拓扑架构要求，因此在进行扩充时候需要大规模的扩充，同样带来许多不必要的花费；

3)、需要较多的聚合层和内核层设备支持网络的互连，一方面带来布线负载，另一方面造成较大的能耗。

因此，综上所述，先前基于树形架构设计实现的光电混合数据中心网络架构，在实际运行部署中随着规模扩大面临着许多瓶颈因素，如由于过度订阅在高负载情况下引起的较大时延、较大的能耗以及无法满足小规模的扩充等要求。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种新型光电混合交换数据中心网络架构，包括服务器、数据交换设备，其特征在于，所述数据交换设备至少存在两个高速电交换端口，所述高速电交换端口用于所述数据交换设备之间进行连接；所述数据交换设备包括多个低速电交换端口，所述低速电交换端口用于连接所述服务器，及所述数据交换设备包括至少由一个波长光发射器构成的光端口，所述光端口用于所述数据交换设备之间进行快速动态带宽调整。

所述高速电交换端口与所述低速电交换端口用于保证数据中心网络进行实时通信；所述光端口用于提供所述数据交换设备之间的直连光路。

所述数据交换设备包括具有多个波长的光波经波分复用器与光选择开关，通过所述光选择开关在稳定周期内调整存在光路的任意所述数据交换设备之间的光波数目。

通过所述光路选择开关聚合多个所述数据交换设备，实现单个所述数据交换设备通过多个波长在稳定周期内同时与多个所述数据交换设备进行光路直连，扩大了光路直连可达的范围。

所述数据交换设备周期性收集网络流量信息，进行负载估计，并进行光拓扑计算，其中当单个所述数据交换设备与多个所述数据交换设备进行连接时，进行光拓扑计算时同时进行光波长划。

当光拓扑计算完成后，所述数据交换设备之间的直连光路为本地服务器提供数据转发服务，同时为邻接直连的所述数据交换设备之间提供数据转发服务。

当所述数据交换设备存在两条或两条以上最短路径到达目的节点时，其中若具有一条或多条最短路径经过一次光路转发时，则根据网络状态选择最短路径。

当光拓扑计算完成并完成变换后，对所述数据交换设备进行路由更新，更新所述数据交换设备的路由信息，其中所述路由信息包括除直连光路信息外还包括附近所述数据交换设备的光路信息。

当在光路拓扑变换期间或网络中无包括光端口的所述数据交换设备时，则通过包括所述高速电交换端口或所述低速电交换端口的所述数据交换设备进行数据转发。

以下为本发明的整体技术效果：

1、具有较低的建设成本和运营成本优势；

2、具有较好的横向扩充能力，支持从单个设备(ToR)到多个设备不同规模的扩充；

3、具有简单易行的部署实现方法，如简单的布线，可有效的降低人工操作的成本；

4、具有较为稳定的性能，即随着规模扩大性能可以得到较好的保持。

附图说明

图1为光电混合网络架构示意图；

图2为网络架构控制示意图；

图3为区域带宽需求估计示意图；

图4为快速光路拓扑生成方法图。

具体实施方式

为了实现以上目标，本发明选择具有很好横向扩展能力的Torus网络架构作为基础网络架构，利用光交换设备动态可变特性，根据负载变化的需要变换光路的配置关系，能够很好的保证网络的性能。

本发明提出一种新型光电混合交换数据中心网络架构，包括服务器、数据交换设备所述数据交换设备至少存在两个高速电交换端口，所述高速电交换端口用于所述数据交换设备之间进行连接；所述数据交换设备包括多个低速电交换端口，所述低速电交换端口用于连接所述服务器，及所述数据交换设备包括至少由一个波长光发射器构成的光端口，所述光端口用于所述数据交换设备之间进行快速动态带宽调整。

以下为本发明实施例，如下所示：

(一)光电混合的数据中心网络架构

边缘层交换设备ToR(数据交换设备)提供多个高速的电交换端口，通过这些高速的电交换端口ToR设备相互连接，形成简单的网络架构如：torus网络架构。torus网络架构，具有布线简单易于实现、结构化特性使得路由简单等特点，同时其简单的架构支持任意规模的网络扩充，因此这些良好的特性对于数据中心网络组建来说有着极大的优势。但是torus网络架构同样存在着不足之处，如随着网络规模扩大其直径和平均最短路径长度增长的较快，这样容易导致较长的传输路径从而引起较大的数据传输延时。因此，为了弥补这些不足，ToR设备提供高速的光交换端口与光路交换机OCS相连，在不同ToR设备之间提供可变的光路。如图1光电混合数据中心网络架构示意图中所示：

torus网络架构提供整个网络的互连能力，高速光路根据网络带宽需求提供可变的光路互连能力，可以有效的提升整个网络的整体性能。

每个ToR交换设备与多个服务器相连，ToR设备提供高速电分组交换接口与周边ToR设备直连，提供整个网络的通信。高速的电分组交换网络在光电混合数据中心网络架构中起到两点作用：1)保证整个网络的互连，当利用ToR设备上的光路无法为数据提供一条捷径的时候，也就是在利用光路生成的路由表上无法找到目的节点的路由的时候，可以利用ToR设备间的电分组网络提供的结构化架构特性，找到一条较短的路径进行路由；2)利用高速的电分组交换网络，可以将附近的数据聚合到本地的高速光路上进行传输，因此相应的提高了光路的利用效率。

为了实现光路拓扑变换能够较好的满足网络负载需求，本发明采用集中控制的方式如图2所示，通过ToR设备周期性收集本地的网络流量信息，将流量信息发送至控制设备，通过相应的光路拓扑生成算法，生成相应的光路拓扑架构，以及为每个ToR设备生成相应的路由信息。数据进行转发的时候，根据本地设备上的路由表或者利用网络架构的特性进行路由，为数据提供一条优化的路由信息，其中控制设备，可以以使用独立的服务器设备，也可以在数据中心网络中选取某一服务器作为控制平台设备使用。

(二)计算网络带宽需求估计

本发明采用数据流量大小乘以传输距离的方式来定义不同设备之间流量大小，称为距离权重流，本发明假设两个ToR交换设备(i，j)之间的流量大小为M_i,j，两点间的距离为D_i,j，则其距离权重流的值为W_(i,j)＝M_i,j*D_i,j。

本发明利用区域需求估计的方式，来决定不同区域之间对网络带宽的需求大小。

如图3区域带宽需求估计示意图中所示，光路被用于区域的聚合负载使用，因此进行带宽需求估计的时候，本发明利用区域需求估计模版来实现。

两个设备N，M之间的区域带宽需求为W_(M,N)，N和M点利用电交换网络直连的设备节点数为H_i个，则区域需求带宽其计算模板为：

如图2中所示N点的邻接点为4个(N₀,N₁,N₂,N₃)，则其计算模板值为因此点N与点M之间的带宽需求为：

(三)、快速光路拓扑架构生成方法

利用(二)中区域带宽需求估计提供的方法计算得到的所有节点之间的带宽需求估计矩阵，利用快速光路拓扑生成算法生成与负载需求相匹配的光路网络架构，并按照新的光路架构，采用最短路径路由算法生成新的转发路由表给每个对应的ToR设备，更新ToR设备上的路由表。

光路快速生成算法如图4中所示，本发明将随机性加入节点的选择中，一方面可以加快光路拓扑生成速度，另一方面可以避免由于采用(二)中区域带宽需求估计，而导致的远距离的区域产生过多的光路连接，引起网络整体性能的下降。

Claims

1.一种新型光电混合交换数据中心网络架构，包括服务器、数据交换设备，其特征在于，所述数据交换设备至少存在两个高速电交换端口，所述高速电交换端口用于所述数据交换设备之间进行连接；所述数据交换设备包括多个低速电交换端口，所述低速电交换端口用于连接所述服务器，及所述数据交换设备包括至少由一个波长光发射器构成的光端口，所述光端口用于所述数据交换设备之间进行快速动态带宽调整；

其中所述数据交换设备收集本地的网络流量信息，根据所述网络流量信息，得到的所述数据交换设备之间的带宽需求估计矩阵，并利用快速光路拓扑，生成算法生成与负载需求相匹配的光路网络架构，按照所述光路网络架构，采用最短路径路由算法，生成新的转发路由表给所述数据交换设备，更新所述数据交换设备上的路由表；

所述带宽需求估计矩阵的计算方法包括：

两个数据交换设备(i，j)之间的流量大小为M_i,j，两点间的距离为D_i,j，则其距离权重流的值为W_(i,j)＝M_i,j*D_i,j；

通过下式计算数据交换设备N与数据交换设备M之间的带宽需求B_(N,M)：

式中H_i为数据交换设备N与数据交换设备M利用电交换网络直连的设备节点数，M_i为数据交换设备M的第i个邻接点，N_i为数据交换设备N的第i个邻接点。

2.如权利要求1所述的新型光电混合交换数据中心网络架构，其特征在于，所述高速电交换端口与所述低速电交换端口用于保证数据中心网络进行实时通信；所述光端口用于提供所述数据交换设备之间的直连光路。

3.如权利要求1所述的新型光电混合交换数据中心网络架构，其特征在于，

4.如权利要求1所述的新型光电混合交换数据中心网络架构，其特征在于，

5.如权利要求3或4所述的新型光电混合交换数据中心网络架构，其特征在于，所述数据交换设备周期性收集网络流量信息，进行负载估计，并进行光拓扑计算，其中当单个所述数据交换设备与多个所述数据交换设备进行连接时，进行光拓扑计算时同时进行光波长划。

6.如权利要求5所述的新型光电混合交换数据中心网络架构，其特征在于，当光拓扑计算完成后，所述数据交换设备之间的直连光路为本地服务器提供数据转发服务，同时为邻接直连的所述数据交换设备之间提供数据转发服务。

7.如权利要求6所述的新型光电混合交换数据中心网络架构，其特征在于，当所述数据交换设备存在两条或两条以上最短路径到达目的节点时，其中若具有一条或多条最短路径经过一次光路转发时，则根据网络状态选择最短路径。

8.如权利要求6所述的新型光电混合交换数据中心网络架构，其特征在于，当光拓扑计算完成并完成变换后，对所述数据交换设备进行路由更新，更新所述数据交换设备的路由信息，其中所述路由信息包括除直连光路信息外还包括附近所述数据交换设备的光路信息。

9.如权利要求8所述的新型光电混合交换数据中心网络架构，其特征在于，当在光路拓扑变换期间或网络中无包括光端口的所述数据交换设备时，则通过包括所述高速电交换端口或所述低速电交换端口的所述数据交换设备进行数据转发。