CN105359551A - 数据中心中光子交换以及控制光子交换的方法与系统 - Google Patents

Abstract

某个实施例中，数据中心包括分组交换核心和光子交换机。所述光子交换机包括与所述分组交换核心光耦合的第一组端口以及用于与多个外围设备光耦合的第二组端口，其中所述光子交换机用于连接所述多个外围设备与所述分组交换核心之间的报文。所述数据中心也包括与所述光子交换机耦合的光子交换控制器以及耦合于所述分组交换核心和光子交换控制器之间的操作管理中心。

Description

数据中心中光子交换以及控制光子交换的方法与系统

相关申请案交叉申请

本申请要求2013年8月7日递交的发明名称为“数据中心中光子交换以及控制光子交换的方法与系统(SystemandMethodforPhotonicSwitchingandControllingPhotonicSwitchinginaDataCenter)”的第13/961,663号美国专利申请的在线申请优先权，该在先申请的内容以引入的方式并入本文。

技术领域

本发明涉及通信方法与系统，尤其涉及数据中心中光子交换方法与系统。

背景技术

当今数据中心可能有非常大数量的服务器。例如，一个数据中心可能有超过50000台服务器。为了将服务器连接至另一个服务器以及外界，数据中心可以包括核心交换功能和外围交换设备。

一个大数据中心可能有非常大数量的互连，其可以作为光纤上的光信号实现。这些核心互连将大量的外围交换设备与所述核心交换功能连接。所述核心交换功能可以作为小数量的非常大核心电子交换机实现，所述核心电子交换机用作分布式核心交换机操作。在部分数据中心中，外围交换设备直接在服务器内部实现，并且服务器直接与核心交换功能互连。在其他数据中心中，服务器与机架(TOR)交换机断开，所述TOR交换机通过核心互连与核心交换功能实体连接。

发明内容

在实施例中，数据中心包括分组交换核心和光子交换机。所述光子交换机包括：与所述分组交换核心光耦合的第一组端口以及用于与多个外围设备光耦合的第二组端口，其中所述光子交换机用于连接所述多个外围设备与所述分组交换核心之间的报文。所述数据中心还包括与所述光子交换机耦合的光子交换控制器以及耦合于所述分组交换核心和光子交换控制器之间的操作管理中心。

一种控制数据中心中光子交换机的方法实施例包括：光子交换控制器从操作管理中心接收第一组件和第二组件之间的第一业务流的状态，其中所述第一业务流包括所述第一组件和所述光子交换机之间的第一光链路上的第二业务流，以及所述光子交换机和所述第二组件之间的第二光链路上的第三业务流，用以生成检测业务流。所述方法还包括所述光子交换控制器根据所述检测业务流调整所述光子交换机中的连接，包括增加一个额外的光链路或者删除一个多余的光链路。

一种控制数据中心中光子交换机的方法实施例包括获得外围设备连通度图和确定交换机连通图。所述方法还包括根据所述外围设备连通度图和所述交换机连通图确定光子交换机连通性，并且根据所述光子交换机连通性配置光子交换机。

上述宽泛地概括了本发明实施例的特征，以便能够更好理解以下本发明详细描述。下文将会介绍本发明各个实施例的额外特征和优点，其构成本发明权利要求的主体部分。本领域的技术人员应当理解，所公开的概念和特定实施例易被用作修改或设计其他实现与本发明相同的目的的结构或过程的基础。本领域的技术人员还应当意识到，这种等同构造不脱离所附权利要求书所阐述的本发明的精神和范围。

附图说明

为了更完整地理解本发明及其优点，现在参考下文结合附图进行的描述，其中：

图1示出了一个数据中心的实施例；

图2示出了带有光子交换机的数据中心的实施例；

图3示出了连接模式的实施例；

图4示出了数据中心中光子交换机的控制结构的实施例；

图5示出了一天中不同时间对应的流量水平图；

图6示出了一周中每天对应的流量水平图；

图7示出了一天中不同时间对应的流量水平图；

图8示出了不同时间对应的流量水平图；

图9示出了带有核心交换故障的数据中心的实施例；

图10示出了带有光子交换机以及核心交换故障的数据中心的实施例；

图11示出了带有光子交换机以及核心交换故障的数据中心的附加实施例；

图12示出了带有光子交换机以及核心交换故障的数据中心的另一个实施例；

图13示出了带有核心交换故障的数据中心的附加实施例；

图14示出了带有光子交换机以及核心交换故障的数据中心的附加实施例；

图15示出了带有光子交换机以及核心交换故障的数据中心的另一个实施例；

图16示出了带有光子交换机以及核心交换故障的数据中心的附加实施例；

图17示出了针对数据中心中光子交换机的控制结构的另一个实施例；

图18示出了带有掉电核心交换模块的数据中心的实施例；

图19示出了带有光子交换机以及掉电核心交换模块的数据中心的实施例；

图20示出了带有光子交换机以及测试设备的数据中心的实施例；

图21示出了数据中心的另一个实施例；

图22示出了带有光子交换机以及测试设备的数据中心的另一个实施例；

图23示出了带有光子交换机的数据中心的附加实施例；

图24示出了光子交换结构；

图25示出了微机电系统(MEMS)光子交换机；

图26示出了连接数据中心中报文的方法实施例；

图27示出了调整数据中心中链路的方法实施例；

图28示出了调整数据中心中链路的另一个方法实施例；

图29示出了为响应组件故障调整数据中心中链路的方法实施例；

图30示出了调整数据中心中链路的附加方法实施例；

图31示出了测试数据中心中组件的方法实施例；

图32示出了测试数据中心中组件的方法实施例；

图33示出了控制数据中心中光子交换机的另一个方法实施例。

除非另有指示，否则不同图中的对应标号和符号通常指代对应部分。绘制各图是为了清楚地说明实施例的相关方面，因此未必是按比例绘制的。

具体实施方式

首先应理解，尽管下文提供一项或多项实施例的说明性实施方案，但所公开的系统和/或方法可使用任何数目的技术来实施，无论该技术是当前已知还是现有的。本发明决不应限于下文所说明的说明性实施方案、附图和技术，包括本文所说明并描述的示例性设计和实施方案，而是可在所附权利要求书的范围以及其等效物的完整范围内修改。

数据中心利用外围设备的大规模阵列，其中所述外围设备由多个服务器机架组成。每台机架装有一个机架(TOR)交换机或者统计复用器，其通过高容量链路向核心分组交换机提供复用分组数据流。在一个例子中，所述高容量链路是光链路。图1示出了数据中心102。数据中心102的分组交换核心108包括分组交换机110以及分组交换核心112的平行阵列。分组交换机110是非常大的分组交换机。分组交换机110也可能包括四个象限114以及核心分组交换端口116或者其他类似分区。

链路100可以是短距离光纤，将分组交换核心108连接至外围设备101。链路100以相互关联的固定正交连接模式配置，用以提供物理层面连通性的固定图。所述连接用于在外围设备101分配交换容量，并且允许外围设备101访问多个交换单元，因此，组件故障降低容量，但是不会影响外围设备或者交换机。固定连接结构有可能被改变、扩大、或者修改。一个数据中心可能包含2000条40Gb/s的双向链路，所述双向链路可能有80Tb/s或者10TB/s的容量。所述链路可能会有更大的容量。

外围设备101可以装配到包含有机架(TOR)交换机120的机架，所述外围设备101可以包括中央处理器(CPU)118、存储单元122、防火墙负载平衡器124、路由器126以及传输接口128。TOR交换机120组合机架中各个单元的分组数据流，并且提供统计复用水平。另外，TOR交换机120通过高容量短距离光链路驱动合成数据流往返于分组交换核心。在一个例子中，一个TOR交换机支持48个单元并且有一个10Gb/s的接口。对于CPU118，每个TOR交换机120可以以48x10Gb/s的速率从处理器中提取数据，并且以4x40Gb/s的速率给分组交换核心108提供数据。这里的带宽数据压缩程度为3:1。存储单元122、路由器126以及传输接口128通过网络连通性或者专用数据网络连接至外界104。

操作管理中心(OMC)106监管复杂数据中心的操作、管理以及维护功能。OMC106可以测量流量容量。例如，OMC106测量外围设备101和分组交换核心108之间的流量链路阻塞时间和频率。另外，OMC106测量哪条链路具有维护功能。

图1只示出了外围设备的几台机架以及外围设备101和分组交换核心108之间的相对较少的链路。然而，可能会存在更多的外围设备和链路。例如，数据中心的吞吐量可能是80Tb/s，配有2000条连接至分组交换核心108的40Gb/s链路，以及2000条从分组交换核心108至外围设备101的40Gb/s链路。一个数据中心可以有500或者更多的外围设备机架。一个更大的1Pb/s的数据中心可以有25000条双向链路连接至中央交换复合体，配有6000或者更多的外围设备机架。

来自外围设备101的流量在分组交换机110平行分配。因为外围设备101的负荷在分组交换核心108分配，所以部分结构故障不会影响外围设备。n个大分组交换机中的一个交换机的故障会将每个外围设备可得的总交换容量降低至(n-1)/n。例如，当n＝4时，所述交换容量减少25％。

图2示出了数据中心130，其包含分组交换核心108与所述核心分组交换端口之间的低损耗光子交换机132。光子交换机132用于调整外围设备101与分组交换核心108之间的链路。光子交换机132可以是非常大的光子交换机，例如有2000个或者更多的端口。一个非常大的光子交换机可以是一个多级交换机，所述多级交换机由几百个端口的小结构组成，每个端口都是多种可能架构中的一种。在一个例子中，所述光子交换机132是一个无阻塞光子交换机。在另一个例子中，所述光子交换机132是一个可重排无阻塞光子交换机。部分或者所有核心分组交换端口116都可能连接至光子交换机132。在一个例子中，光子交换机132有目前尚未使用的额外端口容量。光子交换机132建立外围设备101与分组交换核心108之间的连接模式，并且使得这种连接模式动态变化。因此，外围设备的物理端口与交换机的物理端口之间的联系并非固定。链路138连接外围设备101和光子交换机132，然而链路139连接光子交换机132与分组交换核心108。

光子交换控制器134控制OMC136控制下的光子交换机132的光子交换机交叉连接。OMC136从分组交换核心108和外围设备101接收关于设备功能、流量水平以及组件或者链路是正常工作还是出现故障的告警和状态报告。另外，OMC136收集实时流量使用情况，以及外围设备101和分组交换核心108之间的链路的链路功能数据。

在一个例子中，OMC136将收集的数据传递给光子交换控制器134。在另一个例子中，光子交换控制器134直接收集流量数据。在这两个例子中，光子交换控制器134处理收集的数据并且基于计算结果操作光子交换机。所述处理取决于已实现的应用程序，包括实时动态响应流量水平的变化，基于历史预测的日或者周变化等预定控制，动态响应链路故障或者分组交换核心的部分故障，以及为避免设备掉电而进行的重配置。例如，时期基础对于数据来说是一个合适的时间间隔，其可以远小于链路故障响应的一秒，识别渐增流量热点的几十秒到几分钟，日预测的几个小时或者其大部分时间，周预测的几天或者其大部分时间，以及其他时间段。

光子交换控制器134利用所述流量容量数据确定外围设备101与分组交换核心108之间的链路容量。在一个例子中，所述链路容量基于实际测量的流量需求动态计算。在另一个例子中，所述链路容量基于历史数据如日数据或者周数据计算。或者，所述链路容量基于意外事件如链路或者组件故障的检测而计算。在部分应用程序中，链路容量完全根据历史数据获得。例如，在工作日的6:30pm，对于视频服务器的容量需求出现历史性增长，因此，在这些服务器和分组交换核心之间增加附加链路容量。然后，所述容量在午夜之后下降，此时历史数据显示流量负荷降低。其他应用程序涉及基于需求或者链路的饱和状态增加或者删除链路容量。例如，一个TOR交换机可能会有流量超过某一段时间所有至所述TOR交换机的链路的流量容量阈值，因此，系统会从备用链路池中增加链路以使得所述TOR交换机携带附加流量。增加链路的阈值可以取决于流量水平以及时间段。例如，所述阈值可以是10分钟之内流量超过容量的75％，2分钟之内流量超过容量的85％，或者10秒钟之内流量超过容量的95％。所述阈值无需响应由于业务流统计特性导致的非常短的超负荷，因为此类超负荷由流量控制缓冲处理。另外，如果使用属于慢交换机的MEMS交换机，所述MEMS交换机不能非常快的响应。如果交换机的响应时间范围是30–100ms，对于时长小于几秒至几分钟的事件，交换光子连接不是一个有效的解决方案。因此，长期缓慢流量变化是在这个过程中处理，对于待处理的短时间流量峰值，以传统的缓冲和/或回压至源端的方式保存足够容量。如果所述使用的光子交换机可以更快建立，例如在3–10ms内，则可以响应一秒左右的流量暴涨。在另一个例子中，增加或者改变所述链路以响应流量中的突然变化。例如，一条链路可能变得无用，使得TOR交换机只剩下四条链路中的三条链路，因此这些链路上的流量从68％增长至95％，流量过高。然后，所述TOR交换机接收另一条链路以取代所述无用链路。

在光子交换控制器134确定所需链路容量水平后，比较所需链路容量水平与实际配置水平，确定容量水平差值。利用连接流量水平算法分析这些差值以获取用于判断所述差值是否巨大的规则。小差值标记为不采取操作，大差值标记为采取操作。所述操作可能会是从所述外围设备删除分组交换端口容量，给所述外围设备增加分组交换端口容量，或者改变分组交换核心和外围设备之间的链路。

在依据链路水平或者链路容量确定容量变化之后，光子交换控制器134基于特定的链路标识将这些变化应用于实际链路中。例如，如果一个TOR交换机配置有四条链路，且流量水平表明可以减至两条链路，有两条链路将与TOR交换机断开连接。删除相应的分组交换核心链路并且将这些分组交换核心链路退回至备用链路库。所述TOR交换机和光子交换机132之间的物理链路与特定的交换机端口和TOR端口相关，这些物理链路不能再重新配置给其他交换机端口或者TOR端口。在另一个例子中，一个TOR交换机在高度占用的三条链路上运行，光子交换控制器134确定所述TOR交换机应该有第四条链路。识别库存中的备用链路，将此链路分配给所述TOR交换机以增加所述TOR交换机的可用容量，并且通过降低时延、包缓冲、包缓冲溢出以及流量损耗来减少阻塞。

因此分组交换核心108的容量动态分配给需要的链路并且在检测到超额容量的链路上恢复。更多的外围设备可以更加高效利用分组交换核心108的有限容量，并且保存容量以支持流量峰值需求。当不同的外围设备的流量峰值需求出现在不同时间时，改善是更实质性的。

利用光子交换机132可以增加可能由分组交换核心支持的外围设备的数量，以及每个外围设备可以承受的流量峰值。图3示出了四种数据中心场景。在场景1中，没有光子交换机，分组交换核心450与N个TOR交换机452耦合，其中每个TOR交换机452都有m条静态连接模式的物理链路。无论所有的TOR交换机的流量峰值同时出现还是每个TOR交换机的流量峰值根据时间出现，每个TOR交换机的m条物理链路的流量峰值负荷能力均可用。所述N个TOR交换机中的每一个都有m条物理链路，m条物理链路的流量峰值负荷要求分组交换核心有N*m个端口。

在场景2、3和4中，光子交换机454耦合于分组交换核心450和TOR交换机452之间。光子交换机454用于重新排列光子交换控制器134控制下的分组交换端口和TOR交换机端口之间的连接器连接。当所述TOR交换机的流量峰值没有同时出现在所有的TOR交换机上，容量增加。

在场景2中，示出了N个TOR交换机并且每个TOR交换机都有m条物理链路。因为所述TOR交换机无需同时具备流量峰值能力，所述TOR交换机和交换机端口之间的链路由光子交换控制器134和光子交换机454自适应重新映射，以使得未完全负载的TOR交换机撤回部分端口容量。这使得交换机端口数量从N*m减至N*p，其中p是每个TOR交换机提供充足业务流所需的端口数量的平均数。所述充足的业务流不是所需平均流量水平，而是平均业务流加上短期流量变化中平均值左右的两至三个标准偏差，其中短期是指系统响应当前流量负荷变化的时间段。临界值是端口阻塞的概率，以及最终使用缓冲、丢包以及传输控制协议(TCP)重传的概率。如果利用平均流量水平，阻塞概率会很高，但是如果利用平均值加上两至三个标准偏差，流量超过阈值的概率会很低。每个处于工作状态的TOR交换机的工作链路的平均数约为p，而每个TOR交换机的工作链路数的峰值是m。

在场景3中，由于光子交换控制器134将不必要的TOR分组交换链路删除，并且将删除的TOR分组交换链路恢复至备用池，则可以增加分配给重负荷TOR交换机的链路数量。从TOR交换机452到光子交换机454的TOR交换机侧的固定链路可能会增加，使得每个TOR交换机的链路数量从m增加至q，其中q＞m。在这个场景中，相同的分组交换机可以支持相同数量的TOR交换机，但是如果流量峰值不是同时出现，每个TOR交换机的流量峰值从m增加至q条链路。如果所有的TOR交换机同时出现负荷峰值，则每个TOR交换机的流量峰值可能是m条链路。每个TOR交换机链路的平均数约为m，每个TOR交换机工作链路数的峰值是q。

在场景4中，所述分组交换容量，TOR交换机所需峰值流量容量，以及每个TOR交换机的链路保持相同。这是由于可以重新动态配置所述链路。因此，所述TOR交换机的数量可以从N增长至R，其中R＞N。每个TOR交换机的工作链路的平均数约为m*N/R，每个TOR交换机的工作链路数的峰值是m。

p、q以及R水平取决于实际流量统计以及光子交换控制器134的精度和灵敏度。在一个例子中，部署光子交换控制器和光子交换机可以使得一个较小的核心分组交换机支持原有数目且具有相同流量峰值的TOR交换机。可选地，相同大小的分组交换机可以支持相同数量的TOR交换机，但是如果有附加TOR链路，则分组交换机可以给TOR交换机提供更高的峰值带宽。在另一个例子中，相同大小的分组交换机支持更多有相同峰值流量需求的TOR交换机。

在通用型数据中心中，TOR交换机的峰值流量负荷不太可能同时发生，因为有些TOR交换机与家用服务器如视频点播服务器有关，其他TOR交换机与游戏服务器有关，还有一些附加TOR交换机与商业服务器有关。家用服务器趋向于在工作日的晚上和周末达到峰值，商业服务器趋向于在工作日的上午十点左右和下午三点左右达到峰值。通过从TOR交换机上其他不处于负荷峰值的TOR核心交换机链路转移部分时变链路容量，可以满足每个TOR核心交换机负荷的时变峰值，并且将这些链路应用到正处于负荷峰值的TOR交换机。

在数据中心130中，可连接到外围设备的最大容量是基于外围设备和光子交换机132之间的链路数量确定的。配置这些固定链路以满足外围设备的流量峰值需求。在光子交换机132的分组交换核心侧，所述链路可以共享给所有的外围设备，并且给外围设备分配任意数量的容量直至达到外围设备-光子交换机链路容量所支持的最大值，只要配置给所有外围设备的链路容量的总和不超过连接至光子交换机的所述分组交换核心链路的容量。所述光子交换机132与分组交换核心108之间的链路只需提供每个外围设备当前的实际流量水平实际所需的容量。例如，如果分组交换核心108有100个端口服务一组外围设备，每个外围设备有四个端口，峰值流量需求充分利用这四个端口，但是流量水平的平均需求(平均数加上两至三个标准偏差)等于2.5个端口，不需要利用光子交换机132和光子交换控制器134，分组交换核心108可以支持100/4＝25个TOR交换机。平均来说，分组交换核心108运行最大容量的2.5/4＝62.5％。加上光子交换机132和光子交换控制器134之后，分组交换核心108在理想情况下可以支持多达100/2.5＝40个外围设备，其中所述理想情况中，总流量低于平均水平。实际上，可以实现显著效益，例如将外围设备的数量从25增长至30或者35。

光子交换机132可以非常大。在一个例子中，光子交换机132包括一个光子交换结构。在另一个例子中，光子交换机132包括两个光子交换结构。在利用两个光子交换结构时，一个架构将外围设备的输出流量交叉连接至分组交换核心的输入端口，第二个光子交换结构将所述分组交换核心的输出流量切换至外围设备的输入端。存在两个光子交换结构时，外围设备101和分组交换核心108之间可以建立任意连接，但是外围设备与外围设备之间的连接、交换机环回或者外围设备环回不可用。存在一个光子交换结构时，所述光子交换结构进行两倍数量的输入输出，任意外围设备或者分组交换核心的输出端都可以连接至任意外围设备或者分组交换核心的输入端。因此，一个光子交换结构场景有利于外围设备与外围设备之间的连接、交换机环回、外围设备链路环回，以及C-Through能力，其中C-Through能力是一种绕过分组交换核心在外围设备之间提供直接数据电路的方法。

通过利用光子交换控制器134以及光子交换机132合理建立的交叉连接路径可以建立与数据中心102相同的连接模式。然而，光子交换控制器134可以用于调整光子交换机132中的连接以实现其他能力。可以通过操作由控制器控制的光子交换机来改变连接，并且可以通过各种输入、预测、测量以及计算来增强连接。例如，连接模式可以按照一天中不同时间来调整，以满足基于历史测量的流量负荷中的预期变化。或者，可以动态调整所述连接模式以响应在外围设备或者分组交换核心上近于实时测量的不断变化的总流量负荷，通过移动轻负荷外围设备和重负荷外围设备之间的备用容量促成利用较小的分组交换核心支持外围设备。可以通过将流量从故障设备路由至别处来降低部分设备故障对数据中心提供服务的能力的影响，所述路由是基于故障对数据中心支持每个TOR所需负荷的能力的影响执行。在低流量期间，可以通过将流量从掉电设备路由至别处来更好地对设备进行下电操作。外围设备和/或分组交换模块可能会在低流量期间掉电。运行、维护、设备配置和/或启动都可能自动进行。可以以最小干扰迅速重新配置和/或扩大所述数据中心。另外，不同或者多代设备的集成会有所增强。

在一个实施例中，建立一段时间内每个外围设备的负荷历史数据，其中包括实际流量负荷的时、日或者周的时变记录，以及根据一天中的同一时间或每周中的同一天等的连续测量的流量标准偏差。该历史数据用于容量分配预测，从而有利于在特定时间有轻流量负荷历史数据的TOR提供部分容量给在该时间点有重负荷历史记录的TOR。负荷标准偏差的测量以及流量水平的设定包括标准偏差的影响具有保留足够余量以进行进一步带宽重分配的效果，这可能不太常见。如果预测和实际流量之间有显著差异，可以进行实时调整，例如利用可选实时控制方法。

作为基于历史数据建立外围设备负荷或者处理应用了历史数据之后的例外情况的一个选择，每个外围设备或者TOR交换机的服务器负荷都是准实时测量。基于每个机架或者每个TOR交换机的服务器负荷可以集成为一组用户服务。由于服务器机架接近耗尽链路容量，因此所述外围设备分配有附加链路。相反，如果流量水平降低至不足以表明分配链路数量的水平，部分链路容量可以被退回至链路池。如果所述外围设备后续需要更多链路，所述链路可以迅速恢复。

图4示出了控制结构140，该控制结构可以在外围设备和分组交换核心之间分配链路。例如，控制结构140可以在光子交换控制器134等中使用。通过基于预定的连接连通性，例如基于历史数据和/或基于外围设备的实时流量需求的动态连通性，控制耦合于外围设备和分组交换核心之间的光子交换机，控制结构140调整数据中心的连接模式。

控制结构140标记为“level”的部分确定外围设备的链路分配，无关于链路的标识，只关乎于链路的数目。控制结构140标记为“links”的部分调整连接模式，且与链路标识有关。

流量水平统计进入控制结构140，例如，直接从外围设备101或者来自OMC136进入控制结构140。过滤块154首先将流量水平统计处理为重要数据。例如，流量水平数据可以以毫秒间隔接收，而如果利用传统的不能切实响应两毫秒时长的超负荷但是会被TCP/IP层中缓冲和流量控制处理的MEMS交换机，控制结构140控制有近30到100毫秒的设置时间的光子交换机。过滤所述流量水平数据，例如合并平均以产生每个外围设备实际流量水平的滚动视图，例如以一秒的速率。可能会执行附加过滤。部分附加过滤可以是非线型的。例如，相比其他事件如缓慢改变的流量水平，初始过滤对如链路故障发生时连通信息丢失这类事件的响应可能更为迅速。相比小流量变化，初始过滤对大流量变化响应可能更为迅速，因为大变化会产生更严重的缓冲超负荷/流量控制事件。

过滤后的数据传递给外围设备流量图152。所述数据可以以多种形式接收。例如，所述数据可以以周期性更新表的形式接收，如表1所示。外围设备流量图152以合适粒度保存外围设备实际流量负荷的当前视图。另外，外围设备流量图152保存实际应用的当前需求。下表2示出了外围设备流量图152保存的数据。

表1

表2

每个外围设备实际测量的流量水平从外围设备流量图152传递给处理块150。处理块150将每个外围设备的流量水平与已处理存储历史数据结合。所述存储的历史数据可以包括一小时之前的数据、24小时之前的数据、七天之前的数据、一年之前的数据以及其他相关时间段的数据。

处理块150的预测图存储在日水平块142，其中包括定期更新的预期日变流量水平的历史视图，并且以数据表格统计等形式呈现。依据处理块150中利用的计算时间偏差的复杂度和粒度，日水平块142也可能包含外围设备的其他流量水平预测。例如，基于数据中心的位置，可以记录一天中不同时间、一周中每天或者法定节假日的数据。

图5示出了一天中的平均流量水平和标准偏差的示例图，例如一排TOR处理商务业务。曲线512示出了一天中的平均流量水平，曲线514示出了同一排TOR一天中的标准偏差。在这个例子中，中午的流量多于晚上，并且夜间流量变化较多。

图6示出了一周中的平均流量水平和标准偏差的示例图。曲线522示出了一周中的平均流量水平，曲线525示出了同一排TOR一周中的标准偏差。工作日的流量多于周末，并且周末的流量变化较多。

图7示出了工作日、周六和周日一天中的平均流量水平和标准偏差的另一个示例图。曲线532示出了每个工作日对应的平均流量水平，曲线534示出了每个工作日的流量标准偏差，曲线540示出了周六的平均流量水平，曲线542示出了周六的流量标准偏差，曲线536示出了周日的平均流量水平，曲线538示出了周日的流量标准偏差。流量在工作日的白天最高，在工作日的午夜最低。流量也在周六和周日的午夜以及周六的晚上的达到峰值。

游戏服务器、娱乐/视频需求服务器或者普通联网搜索使用的其他TOR与商业服务器的TOR以及图5至图7所示的一排TOR的日和周流量模式完全不同。例如，这些TOR会在晚上和周末出现流量峰值，工作日的流量水平较低。因此，如果可以预测或者检测到此模式，核心交换容量可以基于服务器组的流量需求自动从一个服务器组转移到另一个服务器组。

外围设备流量图块152也将实际测量的流量数据提供给边际外围设备链路容量块156。边际外围设备链路块也从链路水平和连通图块158中的当前实际链路连接图中获取实际配置链路容量的实时视图，或者每个外围设备的工作链路数乘以每条链路的流量容量的数值。

链路水平和连通图块158包括从光子交换连通计算块176获得的每个外围设备的工作链路图。通过计算图中每个外围设备配置的链路并且将计算结果乘以每条链路的数据带宽容量，链路水平和连通图块158计算每个外围设备的实际可用流量容量。

因此，边际外围设备链路容量块156接收两组数据，一组数据用于识别各个外围设备和分组交换核心之间的实际流量带宽，另一组数据提供每个外围设备的配置链路容量。从此数据可以看出，边际外围设备链路容量块156确定哪个外围设备有临界链路容量，哪个外围设备有超额容量。考虑了流量的平均值和标准偏差。可以通过多种方式计算。在一个例子中，使用的实际流量容量根据配置链路的带宽容量在两个或者三个sigma点进行了划分，得到平均值加上两到三个标准偏差。该方法会导致低界限外围设备的数量变大，适合链路强化。另外，该方法会导致高界限外围设备的数量降低，适合链路减缩。例如，对于低界限外围设备可能会产生一个接近1的数值如0.8，对于高界限外围设备可能会产生一个接近0的数值如0.2。大部分有足够但是不超过链路容量的外围设备返回在0.4到0.6范围之间的数值。在决策时刻运用链路强化算法，所述决策时刻可以是如果计算出一个外围设备的临界数值大于0.75，则应增加一条链路，如果计算出一个外围设备的临界数值小于0.25，则应删除一条链路，对于0.25和0.75之间的数值，不执行操作。

边际外围设备链路容量块156生成外围设备链路容量余量的时变流。根据每个外围设备链路容量设备标记和更新低边际外围设备。

在另一个例子中，执行附加处理，可以考虑可配置水平一天中的时间方面或者在为了避免端口容量波动过大做出连通改变之前的附加时变过滤。这需要将时变隐蔽和迟滞运用至结果中。例如，应迅速响应近乎完全丢失的运行余量，但是对于边缘低界限适合相对较慢的响应。图8示出了时变掩码550，用于过滤流量变化响应。曲线552示出了一个阈值，位于该阈值之上，链路数量立即增长。曲线552和曲线554之间是迟滞区域以减小波动。在迟滞区域中，只有在近期没有变化时，链路数量才会增长。在曲线554和曲线556之间，不执行操作。曲线556和曲线558之间是另一个迟滞区域，只有在近期没有变化时，链路数量才会下降。曲线558之下，链路数量立即下降。

数据权值衰减块144、数据权值衰减块148、外围设备连通度图146以及外围设备链路水平差值块168确定何时改变链路。这些块一起运行以生成理想型目标外围设备连接容量图。定期考虑、基于预计短期未来需求的已测流量水平变化以及当前需求中的已测变化为当前实际连通容量水平图的增强提供了基础，同样也增强了链路分配。

边际外围设备链路容量块156将外围设备流量水平的当前视图提供给外围设备连通度图146，并将有临界和超额链路容量的外围设备标记为高优先级。外围设备连通度图146也接收流量水平，该流量水平是根据边际外围设备链路容量块156流量水平的历史数据进行预计的。这些数据流都会分别经过数据权值衰减块148和数据权值衰减块144。数据权值衰减块148和数据权值衰减块144图示为分开模块，但是二者可以作为一个模块实现，或者是作为外围设备连通度图146的一部分实现。

数据权值衰减块144和数据权值衰减块148在预定连接和实时动态连接之间选择平衡。例如，数据权值衰减块144的数值1和数据权值衰减块148的数值0仅选择实时流量控制，数据权值衰减块144的数值0和数据权值衰减块148的数值1仅选择预定流量控制，中间值选择预定和实时流量控制的组合。

在另一个例子中，数据权值衰减块144和数据权值衰减块148包括逻辑函数，比如一个利用外围设备连通度图146的输入端口的测量和预计流量水平中较大值的函数。这会导致链路容量饱和和时延概率降低，但是带宽效率也降低。在一个例子中，对于所有的外围设备，数据权值衰减块144和数据权值衰减块148中利用的数值都是相同的。在另一个例子中，对于每个外围设备或者外围设备组，数据权值衰减块144和数据权值衰减块148中利用的数值是自定义的。例如，测量和预计流量水平中的较大值可能用于与游戏相关的外围设备，其中时延是很大问题。其他外围设备可以使用更加保守的方法，从而使得有更多有效操作，所述有效操作存在偶尔会有时延的高风险。

外围设备连通度图146为应提供给每个外围设备的容量水平创造数据中心中可用容量整体水平的理想映射。

理想水平图(针对每个外围设备的链路数量)传送给外围设备链路水平差值块168。外围设备链路水平差值块168也从链路水平连通图158接收当前每个外围设备链路水平数据。然后，外围设备链路水平差值块168对比每个外围设备数据的理想水平和实际水平，并生成差异序列表以及针对这些外围设备实际余量。

将该列表传送给计算块172，计算块172运用从连接设计规则算法170的列表中获取的规则。这些规则介绍了决策过程中的时变特性，并且覆盖附加要求，比如每个外围设备要求的链路性能。计算和规则可以取决于交换连通图164的可用备用容量。特别地，图中备用交换端口连接的库存是通过计算备用交换端口数量决定的。

对于有额外容量和容量不足的外围设备，计算块172的输出结果以连接水平修正表的形式传送给链路水平容量分配需求块174。在一个例子中，有合适容量的外围设备不包括在表格中。在另一个例子中，所有外围设备的连接水平都输出。

将所述表格传送给光子交换连通计算块176。光子交换连通计算块176基于链路水平信息中的变化以及连接器连接规则和算法块178中的算法计算链路图的变化。所述规则可以基于交换连通图164中的链路、计算出的备用容量以及从交换连通图164中识别的备用交换链路确定。首先，通过利用链路标识号(ID)计算可以从外围设备中删除的链路，光子交换连通计算块176计算连通图变化。这些链路被退回至备用容量池。然后，光子交换连通计算块176利用链路ID计算整体备用链路池的重新分配，将备用链路分配给所述链路水平容量表中最需要额外容量的外围设备。然后，这些增加的链路由光子交换机实现。

由于光子交换连通计算块176改变了链路，因此更新了链路水平和连通图158。也将所述改变输出给核心分组交换路由图控制，因此核心分组交换机可以将报文路由至正确的端口ID以连接新的外围设备链路。

计算块160计算来自链路水平和连通图158的交换连通图。然后，计算块160将计算的图输出给交换连通图164。

在部分分组交换核心而不是整个分组交换核心出现故障时，带有光子交换控制器的数据中心可以用于处理分组交换分段的故障。例如，可能会出现局部火灾、停电、或者分组交换核心中一个分组交换机的部分或者整体故障。对任何特定外围设备功能的影响取决于外围设备是否完全连接、部分连接、或者没有连接至分组交换组件的受影响部分。与故障的交换组件密切相关的外围设备受影响最大。固定连接模式可以尽可能分散部分交换复杂故障的影响，从而使得服务水平降低，服务时延变长，而非对于部分用户服务完全失效。

在外围设备和分组交换核心中间插入光子交换机可以重新排列外围设备链路。在出现故障的情况下，可以重新排列外围设备链路以均衡所有外围设备的衰减，或者根据优先级或者流量负荷来维护各种水平的外围设备的核心连通性。除了高峰期，分散故障影响，对于个体用户的影响可能是不明显的或者至少是最小化的。

图9示出了数据中心192，其中没有光子交换机，有故障的分组交换机194。当分组交换机194故障时，25％的连通性丢失。所述25％连通性均匀分布至各个外围设备101，无论所述外围设备101是轻负荷(L)，重负荷(H)，还是适度负荷(M)。这是因为来自故障分组交换机194的链路都是固定的。然而，由于外围设备101有不同的流量负荷，丢失的25％容量对不同外围设备有不同影响，轻负荷的外围设备可能仍然有充足的运行余量。重负荷外围设备可能会被严重影响从而导致链路阻塞和时延。适度负荷外围设备可能运行充足但是略低于理想链路容量余量。

图10、11和12示出了同样故障的影响，以及在光子交换机和其控制系统同时存在时采取正确措施的能力。

图10示出了数据中心202，其中有光子交换机204、故障分组交换机194以及光子交换控制器206。分组交换机194发生故障后，外围设备101立即丢失25％容量。然而，外围设备101和分组交换机194将分组交换机194的故障和损耗上报给OMC136。OMC136已经记录外围设备101的流量负荷。可选地，OMC136查询外围设备101以获得外围设备101的负荷信息。基于此信息，其他分组交换机上的可用备用交换容量可以根据需要重新配置。

在图11中，数据中心212中的链路138和链路139都基于故障分组交换机194的故障重新调整。在数据中心212中，备用核心分组交换容量不足以完全恢复所有外围设备容量。所述备用容量分配给最高流量的外围设备，使得容量损耗减少整个数据中心212容量的15％，因为在这个例子中保留的备用容量不足以覆盖整体故障，而高流量的外围设备还原至完全连通。

部分外围设备以低流量水平运行，减少链路数量之后可以正常运行。对于其他以高流量水平运行的外围设备，单个链路的丢失都会影响该外围设备。对于以适度容量运行的外围设备，单个链路丢失以后，该外围设备可能没有余量。图12示出了数据中心222中更进一步的恢复过程，其中光子交换控制系统将部分链路从已测负荷较轻的外围设备中删除，因此可以交出部分容量，然后将该部分容量根据需要重新分配给高流量或者中等流量的外围设备。在这个特定例子中，所有的高流量外围设备都是完全连通的，67％的适度负荷外围设备是完全连通的。低流量外围设备有至少两条链路，在保持低流量状态时容量可能充足。如果低流量外围设备的流量负荷增长，那时链路可能如之前描述过程重新调整。

因此，基于故障类型和位置的控制系统信息，以及每个TOR的实际流量负荷/需求，光子交换机重新排列连接器连接，可能会从本质上改善故障影响，尤其是将关键的高流量水平的外围设备恢复至全容量。一旦此操作完成，正在进行的流量负荷的实时测量以及之前描述的未来流量预测的利用会继续运用，以继续降低设备故障的影响直至故障设备恢复服务。

图13至16示出了核心分组交换机的一部分故障的影响，其中该核心分组交换机没有或者有控制器控制下的光子交换链路。

图13示出了数据中心232，其中没有光子交换机，分组交换机的一个单向转换器有故障234，该故障影响1/16的核心交换容量。此故障只影响部分外围设备，每个外围设备丢失25％容量。

图14示出了数据中心242，其中有光子交换机204，分组交换机的一个单向转换器有故障234。对于所有的外围设备，数据中心252有足够的备用容量来维持足够容量。首先，故障影响与数据中心232相同。然而，故障是由分组交换核心236检测，外围设备受故障影响。故障上报给OMC136。然后部署备用容量。

在这个例子中，备用容量足够完全恢复受影响外围设备的链路容量，从而将故障影响降低为零。图15示出了数据中心252，通过光子交换控制器操作光子交换机204以重新配置受影响链路，将受影响外围设备的链路容量完全修复。

图16示出了数据中心262，其中有光子交换机204，分组交换机的一个单向转换器有故障234。数据中心262没有任何备用容量。在这种情况下，OMC136从故障区域外的低流量外围设备转移链路至受故障影响的高流量容量外围设备。在这个例子中，故障区域之外的适度流量和高流量外围设备正常工作。三个低流量外围设备受到故障对其端口容量的影响，可能是无关紧要的，因为低流量外围设备可能不会完全利用所述容量。如果受影响的低流量外围设备经受流量增加或者因为时变预测预计要求流量增加，这些外围设备可以动态分配附加链路，此项处理过程一直进行直到故障交换单元修复并且恢复服务。

图17示出了控制结构270，该控制结构可以用作光子交换控制器206以修复分组交换核心故障。控制结构270与控制结构140相似。控制结构270有来自外围设备的链路丢失警示输入。更新链路水平图272接收链路丢失警示。例如，分组交换核心的各种水平的故障都可能发生。单个端口、多端口总端口卡或者模块，或者整个分组交换机都可能出现故障。一旦接收到链路丢失警示，在将修正图抄送给链路水平连通图158之前，更新链路水平图272并修改链路水平连通图的副本以指示故障链路不可用。链路水平连通图158基于此修正图输出变化。

与故障链路有关的外围设备自动将取代流量放置在其他链路以提高其占用率。通过过滤块154、外围设备流量图152以及边际外围设备链路容量块156的流量测试处理来检测这一提高。如果合适的话，这些链路标记为边际容量链路。分配有更多链路以减轻拥塞。可以避免故障链路，因为故障链路现在被标记为不可用。

当故障是由重要的分组交换核心故障导致时，例如整个分组交换机出现故障，则光子交换机和故障分组交换机之间所有的连接都是无效的。将用于识别故障范围的消息发送给链路水平连通图158。故障链路标记为无用，并且写入交换连通图164。同时，外围设备与光子交换机之间的且终止于故障分组交换机的链路不支持流量，外围设备将链路流量转移至其他分组交换机，从而提高这些链路的占用率。通过过滤块154、外围设备流量图152以及边际外围设备链路容量块156来检测这一提高。如果合适的话，这些链路标记为边际容量链路。

在另一个例子中，数据中心中分组交换核心和外围设备之间插入的光子交换机用于在低需求期间下电组件。大数据中心功率可能每年耗费数百万美元。在掉电场景中，需求较低时部分外围设备也会掉电。同时，核心交换资源也会掉电。外围设备和核心交换资源间有固定映射，只有连接到掉电外围设备的核心交换资源才会掉电，灵活度受限。当外围设备和分组交换核心之间有光子交换机时，可以改变连接以保持上电的外围设备完全连接。

在数据中心中，核心分组交换机消耗很多功率，外围设备消耗更多。因此，在轻负荷情况下，部分外围设备而不是核心交换容量对应的模块掉电是很常见的，因为部分核心交换机掉电会影响剩余外围设备的容量，其中部分高容量工作的外围设备已经获得部分掉电外围设备的负荷。这是由于固定连接模式导致，避免没有降低所有外围设备的容量而使部分核心分组交换机掉电。但是可以重新配置交换机与外围设备的连接模式，因此这个问题可以克服。图18和19示出了在没有光子交换链路以及各自链路的控制的光子交换的情况下，带有掉电核心分组交换分段的数据中心。

图18示出了数据中心280，其中部分外围设备和分组交换核心282的部分掉电。在交换结构中，外围设备的阵列切换为交换机的阵列，正交互联或者连接用于将每个外围设备容量的一部分连接至交换机的各个部分，反之亦然。当所有的核心分组交换机都在工作时，这会产生一个相对均匀匹配的流量容量处理结构。

然而，如果外围设备和分组交换模块有意掉电，如图18所示，此结构有部分局限性。如果删除X％的分组交换模块，例如在轻流量期间掉电，每个外围设备丢失X％的链路容量，剩余互连容量的(100-X)％。如果Y％的外围设备掉电，连接到交换核心的Y％的链路都是无用的，并且节点吞吐量是(100-Y)％。当数据中心的流量足以低至使较大比例数量的外围设备掉电时，也有可能使较大比例数量的分组交换模块掉电。然而，如果X％的交换机和Y％的外围设备的都掉电了，剩余的(100-Y)％外围设备需要删除其X％链路，剩余其总容量的(100-X)％，从而整体容量是(100-Y)(100-X)％。例如，删除50％的交换机容量和50％的外围设备容量使得数据中心的吞吐量降至原容量的25％。下表3示出了下电分组交换模块和外围设备的影响。

表3

丢失容量组合上升，因为在部分掉电情况发生时，固定连接模式使得每个上电的分组交换模块的部分端口和每个上电的外围设备的部分端口受到影响。因为外围设备通常比分组交换模块需要更多功率支持，因此可能只是外围设备掉电，而交换模块没有掉电。例如，如果数据中心的负荷使得其容量降至最大容量的40％，则60％的外围设备可能会掉电，但是没有分组交换模块掉电；或者60％的分组交换模块掉电，但是没有外围设备掉电；或者50％的外围设备和20％的分组交换模块可能会掉电；或者40％的外围设备和30％的分组交换模块可能会掉电。因为外围设备比分组交换模块利用更多功率，因此60％的外围设备掉电而没有分组交换模块掉电是可行的。

图19示出了带有光子交换机204的数据中心292，其中部分外围设备和部分交换核心模块掉电。通过光子交换机204中的连接来控制连接模式，且该连接模式可重置。上电的分组交换模块和外围设备可能被全部利用或者利用。

在数据中心292的例子中，相比外围设备的容量，删除了更多的分组交换容量，因此剩余上电外围设备的容量少量减少。如果分组交换容量的减少小于外围设备容量的减少，则外围设备不会有任何连通性损耗。下表4示出了数据中心容量与删除的分组交换容量和外围设备容量的百分比的关系。

表4

结果容量的改善如表5所示。在没有过多容量损耗的情况下，可以下电相同比例的分组交换容量和外围设备容量对应的模块。

表5

控制结构270可以用作光子交换控制器206，其中输入端与下电意图而非故障相关。链路结构的变化可以在掉电而非响应故障之前预估。

在另一个实施例中，数据中心中，在外围设备和分组交换核心之间插入的光子交换机可以用于操作和维护组件，比如外围设备和/或分组交换核心。所述组件可以停止运作且与光子交换机断开连接，并与可选资源连接，例如利用光子交换机上的备用端口与测试和诊断系统连接。这可以基于常规循环基础执行以验证外围设备或者分组交换模块，或者响应待诊断问题。这也可以在下电外围设备之前用于快速备份外围设备。其可以是被触发的，例如触发C-through大规模备份或者验证外围设备在被连接之前已经正常上电。

图20示出了数据中心302，其中光子交换机204连接到交换机测试设备304和外围设备测试设备306。所述外围设备或者分组交换模块基于OMC136连接到交换机测试设备304或者外围设备测试设备306，指示光子交换控制器206在光子交换机204中建立合适连接。然后控制所述测试设备，通过测试设备和OMC136之间的数据链路从设备收集数据。

在一个实例中，故障发生之后，图17中的控制器功能完成流量再分配时，可以将这些已经断开连接或者已经上报故障的交换机端口或者外围设备端口连接至图20中的测试模块304和306。

此类测试设置可以用于多种情形。当组件例如分组交换模块或者外围设备检测为故障时，该组件可以停止运作，并且连接至合适的测试设备以描述或者诊断故障。在一个全新的、替代的或者修复好的组件投入使用之前，可以利用测试设备测试合适的操作以确保合适功能。在分组交换模块或者外围设备已经掉电一段时间之后，重新连接至数据中心之前，可以测试上电状态以确保合适功能。新上电的设备可以在连接数据中心之前接收更新如新的服务器软件。

在另一个例子中，光子交换机可能促进数据中心的扩大。随着数据中心流量增长，可以增加附加外围设备和分组交换容量。此附加容量可以委托，如果新的组件通过光子交换机连接至旧的组件，则数据中心更快更高效的重新配置整合新的组件，并且损耗较少。另外，可以利用光子交换机更快速地重新配置旧的组件。

图21示出了数据中心312，其中在没有利用光子交换机的情况下增加了外围设备和交换容量。通过增加第五个平行分组交换机316，所述交换容量扩大约25％。另外，增加几个新的标记为“N”的外围设备。因为新的外围设备和交换机应该能够与已存在的交换机和外围设备通信，所述新的外围设备和交换机应该分别有部分链路连接至已存在交换机和外围设备。此结果是一个连接器连接的大量修改，需要人工完成。此过程混乱、耗时、易错、且代价高。因为这些困难，可以建立一个次佳连接模式以避免过多的重配置成本，但是会导致流量增长问题，例如流量拥塞或者特定外围设备和交换机元件之间的阻塞。

图22示出了数据中心322，其中有光子交换机204，用于增加外围设备和分组交换容量。通过增加图22右侧所示的附加交换机和新的外围设备，扩大分组交换核心314。光子交换机204可能需要扩大，也可能不需要扩大。来自新的分组交换机和新的外围设备的高速短距离光链路只连接到光子交换机204的端口，OMC136建立新的连接模式，光子交换控制器206调整光子交换机204中的连接。在投入使用之前，可以利用交换机测试设备304和外围设备测试设备306等测试设备来测试新的组件。

在另一个例子中，光子交换机促进不同组件的整合。数据中心涉及大规模资金、设备、不动产、功率以及冷却能力投入，因此希望可以尽可能长时间的开发利用此项投资。数据中心组件的技术快速发展。随着数据中心的使用年限的增长，这是可行的，但是由于流量不断增长的结果，数据中心可能需要扩大。如果新旧技术可以一起运行，利用新技术而非可能已经淘汰的之前旧技术扩大是有利的。可能存在一种情况，数据中心互连的连接模式使得各个组件与所有其他组件相连。

新技术中的常见变化就是互连速度。例如，原数据中心组件可能是基于40Gb/s的短距离光链路，新的组件可能优化为100Gb/s链路操作，可能就不会有40Gb/s的接口。图23示出了数据中心332，其中通过开发利用独立于光子交换机204的格式、协议以及比特率来促进新设备的整合。另外，光子交换机204的备用端口与适配器334相连，用于速率转化、协议转化、以及为了兼容性的其他转化。

数据中心332包括两个不同的交换核心格式，由黑色实线和灰色实线示出，以及四个不同外围设备格式，由黑色实线、灰色实线、黑色虚线以及灰色虚线示出。例如，黑色实线表示40Gb/s链路，灰色实线表示100Gb/s链路。相同比特率的链路之间的连接可能不需要利用比特率转换器，因为光子交换机204的比特率、格式、协议以及波长都是不可知的。然而，在不同比特率的链路相连时，需要使用比特率转换器。

转换可以通过多种方式执行，其执行方式取决于转换性质。例如，对于光波长、比特率、调制或者编码机制，映射水平如因特网协议(IP)与以太网的映射，可以执行地址转换、报文格式和/或结构转换。

数据中心中分组交换核心与外围设备之间的光子交换机应该是一个大的光子交换机。一个大的光子交换机可以是一个多级交换机如CLOS交换机，其中使用多个平行交换元件。所述交换机可以包括层级之间的复杂连接模式，以形成阻塞、有条件非阻塞、或者完全非阻塞结构。一个非阻塞多级结构在中心层级利用扩张等级，例如，从n到2n01，其中n是每个输入层级交换模块的输入端口的数字。

图24示出了CLOS交换机440，一个三级CLOS交换机由16×16个光子交换机构造。CLOS交换机440包括输入端441，其输入至X×Y个交换机的输入级结构442。连接186的连接器模式将输入级结构442和Z×Z个交换机的中心级结构444连接。X、Y和Z都是正整数。另外，连接187的连接器模式将中心级架构444和Y×Y个交换机输出级结构446连接，以使每个层级的每个结构都与交换机的下一层级的每个结构均等连接。输出级结构446生成输出447。示出了四个输入级结构442，中心级结构444，以及输出级结构446，但是可能会用到更少或者更多层级或者每个层级会用到更少或者更多的结构。在一个例子中，输入级结构442和输出级结构446的数量相同，但是中心级结构444的数量不同，其中Z等于输入级的数量Y除以中心级的数量。CLOS交换机440的有效端口数等于输入级结构的数量乘以X乘以输出级结构的数量乘以X。在一个例子中，Y等于2X-1，并且CLOS交换机440是非阻塞的。在另一个例子中，X等于Y，并且CLOS交换机440是有条件非阻塞的。一个非阻塞交换机是将N个输入端以任意组合的方式连接至N个输出端，且不考虑其他输入端或者输出端的流量配置的交换机。可以创造一个更大的五层级类似结构，其中有连续的两个输入级和连续的两个输出级。

数据中心中可能会用到微机电系统(MEMS)交换机。图25示出了MEMS光子交换机470。MEMS光子交换机470的交换速度可能从约30ms增长到近100ms。这个慢交换速度对于很多应用程序来说都太慢，但是为了有用性，用于管理连接模式以响应数据中心中平均流量变化和设备故障、重配置或添加的光子交换机不需要特别快的交换速度，尽管快速将会减少恢复时间。这是由于交换时间是连续的，并且有故障检测分析及处理时间，或者流量分析检测。处理时间是一个有限时间长度和/或可能是一个预测值。另外，保留足够容量，以利用超额配置的容量(两至三个标准差)结合TCP/IP层的缓冲及流量控制来处理短时间流量暴涨。然而对于部分应用程序，显著的故障检测和恢复，以及尽可能快的光子交换是可取的。

MEMS光子交换机470也有优异的光学性能，包括低损耗、无串扰、偏振效果或非线性、以及能够处理多载波光信号。在一个例子中，MEMS光子交换机470单独使用。在另一个例子中，MEMS光子交换机470在CLOS交换机440或者另一个多级结构中使用。这可能使得无阻塞交换机有5000×5000或者更多光纤。光放大镜与MEMS光子交换机470一起使用以抵消光损失。MEMS光子交换机470包括可调镜面474和476。来自光纤等的光通过射束准直器472进入，然后直射在可调镜面474上。调整可调镜面474两面的角度，使得光线直射在可调镜面476的合适镜面上。可调镜面476的镜面与特定输出端口有关。同时调整这些镜面各自两面的角度，以与合适的输出端口耦合。然后，发送至光纤等的光束存在于射束扩展器478中。

在一个例子中，MEMS交换机用做多层交换机，例如CLOS交换机440。一个三级非阻塞MEMS交换机可能有300×300的MEMS交换模块，并且在扩张非阻塞结构中提供近45000个波长或者在非扩张有条件非阻塞结构中提供近90000个波长。下表6示出了相对于非阻塞交换机1:2扩大的MEMS光子交换机的组成模型的不同尺寸中最大交换结构尺寸的缩放比例。可得非常高的端口容量和吞吐量。

表6

在另一个例子中，MEMS交换机用作多平面交换机。多平面交换机依赖于交换的传输层处于密集WDM(DWDM)格式，并且给定波长的光载波只能连接至接收相同波长的其他端口，或者连接至增加端口、丢弃端口或波长转换端口的事实。这使得交换机由和波长一样数量的小结构构造而成。利用DWDM，可以有40或者80个波长，从而允许40或者80个小交换机做一个大结构的工作。

图26示出了数据中心中连接外围设备和分组交换核心的方法流程图340。首先，在步骤344中，外围设备传输一个或者多个报文给光子交换机。所述报文可以沿着固定的光链路进行光传输。

然后，在步骤346中，光子交换机将所述报文发送至分组交换核心的合适部分。光子交换机的输入端和光子交换机的输出端之间已经设置了合适的连接。所述报文是在一个固定光链路上传输给分组交换核心的需求部分。

在步骤348中，所述分组交换核心转换所述报文。转换后的报文沿着另一条固定光链路传回至光子交换机。

然后，在步骤350中，光子交换机将所述报文路由至合适的外围设备。所述报文从输入端口上的连接路由至光子交换机的输出端口上的连接。输入端口与输出端口之间的连接预先设定在需求位置。所述报文在一条固定的光链路上传输给合适的外围设备。

最后，在步骤352中，外围设备接收所述报文。

图27示出了利用光子交换机在数据中心中调整链路的方法流程图370。首先，在步骤372中，数据中心检测某个组件的链路上的超负荷。在一个例子中，所述组件是外围设备。在另一个例子中，所述组件是分组交换模块。可以实时动态检测所述超负荷。或者，基于明细表如历史流量负荷确定超负荷。

然后，在步骤374中，所述数据中心确定是否有可用备用链路。在有可用备用链路时，增加所述备用链路以减轻步骤376中的阻塞。

在备用链路不可用时，在步骤378中，数据中心确定是否有未充分利用的链路可用。当有未充分利用的链路可用时，调入该链路以减轻步骤380中超负荷链路的阻塞。

在没有未充分利用的链路可用时，在步骤382中，所述数据中心确定是否有另一条低优先级链路可用。当有另一条低优先级链路存在时，在步骤384中调入该低优先级链路。当没有链路连接至低优先级组件时，所述方法终止于步骤386。

图28示出了利用光子交换机在数据中心中删除未充分利用的链路的方法流程图390。首先，在步骤392中，确定未充分利用的链路。在一个例子中，实时动态检测所述未充分利用的链路。在另一个例子中，基于明细表如历史数据确定未充分利用的链路。外围设备链路和分组交换核心链路可能在同一时间都未充分利用，例如在午夜或者其他低流量时间。

然后，在步骤394中，删除未充分利用的链路。组件和光子交换机之间的其他链路足以覆盖未充分利用的链路之前传输的流量。然后将删除的链路移至备用容量。如果所述链路连接的组件之后被过度利用，那时可以很容易添加该删除的链路。所述备用链路也可用于其他目的。

图29示出了利用光子交换机在数据中心中处理组件故障的方法流程图360。首先，在步骤362中，检测组件故障。故障组件可能是一个或者多个分组交换模块、一个或者多个外围设备、或者外围设备或者分组交换模块的一部分。

在步骤364中，断开故障组件的连接。然后，将所述故障组件连接至测试设备以确定故障原因。

最后，在步骤366中，将之前连接到故障组件的组件连接至仍在运行的另一个组件。可以执行重新连接，例如，利用流程图370的步骤374至386。

图30示出了利用光子交换机下电数据中心中的组件的方法流程图460。首先，在步骤462中，数据中心确定组件的超额容量。应该确定待下电组件的巨大超额容量。待下电组件可能是外围设备和/或分组交换模块。

然后，在步骤464中，下电该组件。删除掉电组件的链路，并将其放置于未使用链路池。

在步骤466中，断开连接至掉电组件的组件的连接，未用链路放置到超额容量。必要时，所述组件会重新连接到其他组件。某些情况下，部分连接组件也会掉电。

图31示出了利用光子交换机在数据中心中测试组件的方法流程图560。所述组件可能是外围设备或者分组交换模块。首先，在步骤562中，数据中心决定测试组件。在一个例子中，因为检测到间歇性故障或者完全故障等故障，所以要测试组件。在另一个例子中，测试组件以进行路由规划维护。这可以在低流量时间段如午夜执行。

然后，在步骤564中，所述组件从与该组件连接的组件处断开。这是通过调整光子交换机的连接执行。

在步骤566中，断开连接的组件可以根据需求连接至另一个组件。另外，在步骤568中，待测试组件连接到测试设备，例如自动化测试设备。对于分组交换模块和各种外围设备，测试设备可能不同。步骤568可以在步骤566之前或者步骤566之后执行。

然后，在步骤570中，测试所述组件。测试是由与所述组件连接的测试设备执行的。当所述组件出现故障时，在步骤574中进一步研究所述故障。可以对所述组件进行进一步的测试，或者可以修复所述组件。或者，停止使用所述组件。组件通过测试时，在步骤576中恢复使用。所述组件连接至其他组件，并且为了平衡重新调整链路。或者，当所述组件通过测试时，不需要时下电所述组件。

图32示出了利用光子交换机在数据中心中分配链路容量的方法流程图580。所述方法可以利用光子交换控制器执行。首先，在步骤582中，光子交换控制器接收流量水平统计。在一个例子中，OMC接收所述流量水平统计然后将所述流量水平统计传递给所述光子交换控制器。在其他例子中，所述光子交换控制器直接从外围设备和分组交换核心接收流量水平统计。

然后，在步骤584中，过滤所述流量水平统计。所述过滤会将实时流量水平测量数据减少为重要数据。例如，可以合计和平均数据，以生成每个外围设备流量水平的滚动视图。可以执行附加过滤。所述附加过滤可以是非线性的，例如，可以基于事件的重要性。例如，相比于流量渐增，组件故障可以得到更快的响应。

然后，在步骤586中，基于过滤后的流量水平统计生成外围设备流量图。

基于外围设备流量图，在步骤588中确定每个外围设备的流量水平。这是外围设备的实时流量水平。

另外，在步骤590中，确定边际外围设备链路容量。可以记录有高容量和低容量链路的数值，或者记录所有链路的数值。

在步骤592中，判断链路的确定是否基于动态因素、预定因素、或者二者的结合。可以完全基于动态流量测量，或者完全基于预定因素，或者基于动态和预定流量因素确定所述链路。

然后，在步骤594中，所述光子交换控制器生成外围设备连通度图。所述外围设备连通度图配置必要的链路资源。

在步骤596中，确定每个外围设备链路水平差值。该步骤中，所述光子交换控制器确定应该改变哪条链路。

最后，在步骤598中，所述光子交换控制器确定链路水平分配容量。这是通过基于容量和优先级进行的链路分配来完成的。

图33示出了利用光子交换机在数据中心中调整链路的方法流程图480。所述方法可以由光子交换控制器执行。首先，在步骤482中，光子交换控制器接收外围设备图。这可以是在流程图580中生成的外围设备图。

然后，在步骤484中，所述光子交换控制器确定交换机连通图。这是基于链路水平连通图等完成。

在步骤486中，所述光子交换控制器确定外围设备连通度。这可以基于交换机连通图和外围设备图确定。

最后，在步骤488中，所述光子交换控制器调整光子交换机中的连接以反映外围设备连通度。

虽然本发明中已提供若干实施例，但应理解，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，本发明所公开的系统和方法可以以许多其他特定形式来体现。本发明的实例应被视为说明性而非限制性的，且本发明并不限于本文本所给出的细节。例如，各种元件或部件可以在另一系统中组合或合并，或者某些特征可以省略或不实施。

此外，在不脱离本发明的范围的情况下，各种实施例中描述和说明为离散或单独的技术、系统、子系统和方法可以与其它系统、模块、技术或方法进行组合或合并。展示或论述为彼此耦合或直接耦合或通信的其它项也可以采用电方式、机械方式或其它方式通过某一接口、设备或中间组件间接地耦合或通信。其他变化、替代和改变的示例可以由本领域的技术人员在不脱离本文精神和所公开的范围的情况下确定。

Claims (25)

1.一个数据中心，其特征在于，包括：

一个分组交换核心；

一个光子交换机，包括：

与所述分组交换核心光耦合的第一组端口；

用于与多个外围设备光耦合的第二组端口，其中所述光子交换机用于连接所述多个外围设备与所述分组交换核心之间的报文；

一个与所述光子交换机耦合的光子交换控制器；

一个耦合于所述分组交换核心和光子交换控制器之间的操作管理中心。

2.根据权利要求1所述的数据中心，其特征在于，所述光子交换机包括微机电系统(MEMS)光交换机。

3.根据权利要求2所述的数据中心，其特征在于，所述MEMS光交换机是一个多级MEMS交换机。

4.根据权利要求1所述的数据中心，其特征在于，所述光子交换控制器用于根据每个外围设备的日或者周流量预测控制所述光子交换机。

5.根据权利要求1所述的数据中心，其特征在于，所述光子交换控制器用于根据每个外围设备的已测加载水平和多个配置链路控制所述光子交换机。

6.根据权利要求5所述的数据中心，其特征在于，所述光子交换控制器还用于根据时变或者水平变化迟滞控制所述光子交换机。

7.根据权利要求1所述的数据中心，其特征在于，所述光子交换机包括：

第一交换结构，用于将来自所述多个外围设备的报文连接至所述分组交换核心；

第二交换结构，用于将来自所述分组交换核心的报文连接至所述多个外围设备。

8.根据权利要求7所述的数据中心，其特征在于，所述第一交换结构和所述第二交换结构都是多级MEMS交换机。

9.根据权利要求7所述的数据中心，其特征在于，所述第一交换结构的输出端口与所述第二交换结构的输入端口连接，其中所述多个外围设备中的第一外围设备的输出端与所述多个外围设备中的第二外围设备的输入端耦合。

10.根据权利要求1所述的数据中心，其特征在于，还包括：与光子交换机耦合的测试设备。

11.根据权利要求1所述的数据中心，其特征在于，还包括：与所述光子交换机耦合的多个适配器。

12.一种控制数据中心中光子交换机的方法，其特征在于，所述方法包括：

光子交换控制器从操作管理中心接收第一组件和第二组件之间的第一业务流的状态，其中所述第一业务流包括：

所述第一组件和所述光子交换机之间的第一光链路上的第二业务流；

所述光子交换机和所述第二组件之间的第二光链路上的第三业务流，用以生成检测业务流；

所述光子交换控制器根据所述检测业务流调整所述光子交换机中的连接，包括增加一个额外的光链路或者删除一个多余的光链路。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述第一组件是一个外围设备，所述第二组件是一个分组交换模块。

14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述第一组件是一个分组交换核心，所述第二组件是一个外围设备。

15.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，检测所述状态包括检测所述第一光链路上的超负荷，所述调整光子交换机中的连接包括在所述第一组件和所述光子交换机之间增加额外的光链路。

16.根据权利要求15所述的方法，还包括：删除所述第一组件和所述光子交换机之间的多余光链路。

17.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，检测所述状态包括检测所述第一组件的故障，所述调整光子交换机中的连接包括在所述光子交换机和第三组件之间增加额外的光链路，所述方法还包括删除所述第一光链路。

18.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，检测所述状态包括检测第一链路中的故障，所述调整光子交换机中的连接包括在所述光子交换机和第三组件之间增加额外的光链路，所述方法还包括删除所述第一光链路。

19.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，检测所述状态包括检测所述第一链路中的超额容量，所述调整光子交换机包括删除额外的光链路，其中所述删除的光链路是第一光链路，所述方法还包括删除所述第二光链路。

20.根据权利要求19所述的方法，还包括：下电所述第一组件。

21.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，检测所述状态包括决定测试所述第二组件，所述调整光子交换机包括删除多余的光链路，其中所述多余的光链路是所述第一光链路，所述方法还包括将所述第二组件与测试设备耦合。

22.一种控制数据中心中光子交换机的方法，其特征在于，所述方法包括：

获得外围设备连通度图；

确定交换机连通图；

根据所述外围设备连通度图和所述交换机连通图确定光子交换机连通性；

根据所述光子交换机连通性配置所述光子交换机。

23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，所述获得外围设备图包括确定多条链路的链路水平。

24.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，所述获得外围设备连通度图包括：

从多个外围设备接收流量水平统计；

根据所述流量水平统计确定日水平；

根据所述流量水平统计确定外围设备流量图。

25.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，所述确定交换机连通图根据链路水平连通图执行。