CN105743580B

CN105743580B - 一种基于多个阵列波导光栅的数据中心内部网络互连结构

Info

Publication number: CN105743580B
Application number: CN201610086528.4A
Authority: CN
Inventors: 何赛灵; 龚宇; 洪学智; 卢旸; 陈佳佳
Original assignee: Jiangsu Ding Yun Information Technology Co Ltd
Current assignee: Hangzhou Zhuxing Information Technology Co ltd
Priority date: 2016-02-16
Filing date: 2016-02-16
Publication date: 2018-07-06
Anticipated expiration: 2036-02-16
Also published as: CN105743580A

Abstract

本发明公开了一种基于多个阵列波导光栅的数据中心内部光网络互连结构。以阵列波导光栅作为主要无源光器件，服务器内部采用可调谐发射机、接收机、收发缓存组成光网络接口，实现波分复用网络。通过特定的连接关系与波长分配，同时实现机柜内部与集群内部机柜间的通信。通过设立由转发服务器，转发阵列波导光栅等构成的转发机柜，实现不同集群间通信转发至集群内部的服务器，从而实现整个数据中心的光网络互连。利用光网络提高传输速率，降低功耗，通过采用多个阵列波导光栅，支持大型的数据中心内部的互连。

Description

一种基于多个阵列波导光栅的数据中心内部网络互连结构

技术领域

本发明属于通信中的数字信息传输与多路复用通信技术领域，具体涉及一种基于多个阵列波导光栅的数据中心内部的网络互连结构。

背景技术

近年来云计算和各种高带宽的网络服务的兴起，对数据中心的数据交换能力提出了更高的要求。在目前的数据中心中，光通信技术更多的用于机架间的交换网络，而机架内部的通信网络仍主要基于电缆。但随着大数据服务的兴起，传统的铜缆的传输速度将难以满足未来的需求。此外，机架内部使用的交换机也是数据中心功耗的重要来源。将光通信技术高带宽，低功耗的优势应用于数据中心，能够提高数据中心的网络容量，并有效降低数据中心的能耗。

发明内容

1、本发明的目的。

本发明针对目前数据中心机架内部仍普遍采用电交换网络的情况，为了提高数据中心机架内部服务期间的通信速率，并且降低机架内交换网络的功耗，提出了一种基于多个阵列波导光栅的光通信网络结构。

1、本发明所采用的技术方案。

本发明是以N×N型阵列波导光栅为核心器件，通过在服务器中采用具有波长调谐功能的发射机，通过波分复用，实现高容量，低功耗的数据中心内多服务器间的交叉互连。所提出的交叉互连结构需采用多个阵列波导光栅进行层级结构的连接，并通过合理的波长分配，实现数据中心服务器间的数据通信，可满足大规模的数据中心内部通信的需求。

本发明的数据中心内部的光网络互连结构，包括普通服务器、转发服务器，机柜，机柜顶部阵列波导光栅，集群阵列波导光栅，转发机柜，集群，核心阵列波导光栅；

所述的机柜包括多个普通服务器和一个机柜顶部阵列波导光栅，机柜顶部阵列波导光栅与机柜内所有的普通服务器相连；所述的转发机柜包括多个转发服务器，一个机柜顶部阵列波导光栅和一个转发阵列波导光栅，机柜顶部阵列波导光栅与转发机柜内所有的转发服务器相连，转发阵列波导光栅也与转发机柜内所有的转发服务器相连；

所述的集群包括多个机柜，一个转发机柜和一个集群阵列波导光栅，其中集群阵列波导光栅与集群内所有的机柜与转发机柜相连，所有的集群与核心阵列波导光栅相连。

更进一步具体实施例中，普通服务器和转发服务器都包括主机，发送缓存，可调谐发射机，接收缓存，接收机，光输出接口，光输出接口，主机分别与发送缓存与接收缓存，发送缓存与可调谐发射机相连接，接收缓存与接收机相连接，可调谐发射机与光输出接口相连接，接收机与光输入接口相连接。

更进一步具体实施例中，所述的转发服务器还包括转发发送缓存，转发可调谐发射机，转发接收缓存，转发接收机，转发光输出接口，转发光输入接口，其中转发服务器的主机与转发发送缓存，转发接收缓存相连，转发发送缓存与转发可调谐发射机相连，转发接收缓存与转发接收机相连，转发可调谐发射机还与转发光输出接口相连，转发接收机还与转发光输入接口相连。

更进一步具体实施例中，所有的阵列波导光栅，包括机柜顶部阵列波导光栅，转发阵列波导光栅，集群阵列波导光栅和核心阵列波导光栅均为同规格的NxN型阵列波导光栅。

更进一步具体实施例中，机柜与转发机柜内部，普通服务器与机柜顶部阵列波导光栅，转发服务器与机柜顶部阵列波导光栅，转发服务器与转发阵列波导光栅的连接有如下规则：在任一机柜或转发机柜内部，编号为j的普通服务器或转发服务器的光输出接口与机柜顶部阵列波导光栅的第j个输入接口相连，编号为j的普通服务器或转发服务器（9）的光输入接口与机柜顶部阵列波导光栅的第j个输出接口相连在转发机柜内部，编号为j转发服务器（9）的转发光输出接口与转发阵列波导光栅的第j个输入接口相连，编号为j的转发服务器（9）的转发光输入接口与转发阵列波导光栅的第j个输出接口相连；编号为i的机柜或转发机柜内部不设立编号为i的普通服务器或编号为i的转发服务器。

更进一步具体实施例中，编号为k的集群内部，编号为j（j≠k）的机柜内的机柜顶部阵列波导光栅的第j个输出接口与集群阵列波导光栅的第j个输入接口相连，机柜顶部阵列波导光栅的第j个输入接口与集群阵列波导光栅的第j个输出接口相连；转发机柜内机柜顶部阵列波导光栅的第k个输出接口与集群阵列波导光栅的第k个输入接口相连，机柜顶部阵列波导光栅的第k个输入接口与集群阵列波导光栅的第k个输出接口相连；转发机柜内转发阵列波导光栅的第k个输出接口与集群对外输出接口相连，转发阵列波导光栅的第k个输入接口与集群对外输入接口相连。

更进一步具体实施例中，编号为k的集群的集群对外输出接口与核心阵列波导光栅的第k个输入接口相连，集群对外输入接口与核心阵列波导光栅的第k个输出接口相连。

更进一步具体实施例中，控制协议配置于服务器内部的网络板卡上，服务器通过控制协议和相互之间的通信确定每一个服务器的工作状态，分析网络的工作情况，并根据实时的网络情况处理新的服务器传输请求。

2、本发明的有益效果。

本发明通过N×N型阵列波导光栅的光交叉互连结构取代原有的数据中心内部的电交换，通过本发明采用的连接关系与波长分配，同时实现机柜内部与集群内部机柜间的通信。通过设立由转发服务器，转发阵列波导光栅等构成的转发机柜，实现不同集群间通信转发至集群内部的服务器，从而实现整个数据中心的光网络互连；本发明大大增强机架内部的通信带宽，并且降低了能耗。

附图说明

图1为服务器内部构造示意图。

图2为转发服务器内部构造示意图。

图3为一个集群中的网络结构示意图。

图4集群与核心阵列波导光栅连接。

图5为所用阵列波导光栅的波长分配表。

图中1.普通服务器，2.主机，3.发送缓存，4. 可调谐发射机，5. 接收缓存，6.接收机，7.光输出接口，8.光输入接口，9.转发服务器，10.转发发送缓存，11转发可调发射机，12转发接收缓存，13.转发接收机，14.转发光输出接口，15.转发光输入接口，16.机柜，17.机柜顶部阵列波导光栅，18.集群阵列波导光栅，19.转发机柜， 20.转发阵列波导光栅，21.集群对外输出接口，22.集群对外输入接口，23.集群，24.核心阵列波导光栅。

具体实施方式

为了使专利局的审查员尤其是公众能够更加清楚地理解本发明的技术实质和有益效果，申请人将在下面以实施例的方式作详细说明，但是对实施例的描述均不是对本发明方案的限制，任何依据本发明构思所作出的仅仅为形式上的而非实质性的等效变换都应视为本发明的技术方案范畴。

实施例

普通服务器1的内部构造：如图1所示，普通服务器内部主要由负责数据处理的服务器主机2及负责通信的光通信接口两个部分组成。而光通信接口由波长可调谐发射机4与光电接收机6构成。接收机6可采用光电二极管接收机或灵敏度更高的雪崩光电管接收机。对于发射机4与接收机6建议采用集成度较高的SFP+或XFP等封装的光收发一体模块，以减小空间占用，使服务器结构更加紧凑。发射机4的发射波长由主机根据发送目标来选择和控制。发射机与接收机，均配有独立的缓存与主机通信，发送缓存为3，接收缓存为5（所有缓存皆为可选，根据性能要求配置缓存大小）。

转发服务器内部构造：如图2所示，转发服务器具备与普通服务器内部相同的主机2，发送缓存3，可调发射机4，接收缓存5以及接收机6，在此之上，转发服务器具有专门用于转发使用的转发发送缓存10，转发可调发射机11，转发接收缓存12，转发接收机13，以及转发光输出接口14与转发光输入接口15。

集群内部网络互连结构：如图3所示，主要由集群阵列波导光栅18和若干与之相连的机柜16以及一个转发机柜19组成，其中每个机柜内部又由机柜顶部阵列波导光栅17和若干于之相连的普通服务器1构成，各个机柜中的服务器数量相同。而转发机柜内部构造有所不同，转发机柜内部由若干的转发服务器构成，除了机柜顶部阵列波导光栅17外，所有的阵列波导光栅规格相同。对于有N个输入输出端口的NxN阵列波导光栅，其构成的集群内部网络最多可以支持N个机柜，单个机柜内部最多可以支持N-1个服务器。对于该网络中的任一服务器，其输出光接口与阵列波导光栅的输入接口相连，输入光接口与阵列波导光栅的输出光接口相连，通过改变发射的波长，即可选择机柜内部其他的服务器或是机柜外部作为传输目标。具体的波长分配表由阵列波导光栅的器件参数决定，一种可行的波长分配如附图5所示。每个机柜都有各自的编号，每个机柜内部的服务器也有各自的编号，机柜与阵列波导光栅，普通服务器1与机柜顶部的阵列波导光栅的连接需要符合如下规则：

1）对于任一机柜，若机柜编号为i（机柜编号可为1，2，3…N），则机柜顶部阵列波导光栅的第i个输入接口与核心阵列波导光栅的第i个输出接口相连，机柜顶部阵列波导光栅的第i个输出接口与核心阵列波导光栅的第i个输入接口相连。同时编号为i的机柜内部地不设置编号为i的服务器，编号为i的机柜顶部阵列波导光栅17的接口i用于机柜内部与机柜外部的通信。

2）在任一机柜内部，编号为j的服务器光输出接口与机柜顶部阵列波导光栅的第j个输入接口相连，编号为j的服务器的光输入接口与机柜顶部阵列波导光栅的第j个输出接口相连。

3）对于编号为k的集群，编号为k的机柜为转发机柜19，其机柜顶部服务器的连接规则如规则1），规则2）。对于其内部的转发阵列波导光栅，其第k个输出接口作为集群对外输出接口，第k个输入接口作为集群对外输入接口。其余的接口按照规则1）与规则2）的方式与机柜内的转发服务器相连。

根据上述规则，结合附图5，可知，对于同一个机柜内部，由服务器i_s到服务器i_d的信号应采用波长λ_k进行传输，其中波长编号k应满足k = (i_s + i_d - 2) mod N + 1。同时可知，对于任意两个不同的机柜，如机柜i₁与机柜i₂，总存在机柜i₁中的第i₂个服务器与机柜i₂中的第i₁个服务器，可以直接通过波长λ_j（其中j = (i₁ + i₂ - 2) mod N + 1）实现通信，这两个服务器称为机柜i₁与机柜i₂间的转发服务器。通过转发服务器的转发，可以实现机柜间的数据通信。

集群间网络互连结构：如图4所示，集群与核心阵列波导光栅连接。编号为k的集群（k=1,2,3,……N）,通过集群对外光输出接口（图3中21）与核心阵列波导光栅24的第k个光输入接口相连，通过集群对外光输入接口（图3中22）与核心阵列波导光栅24的第k个光输出接口相连。根据图3与图4可知，不同集群中的转发机柜与核心阵列波导光栅，构成了一个与单个集群内部相似的两层阵列波导光栅互连结构，从而实现了不同集群中转发服务器间的相互通信。通过转发服务器，可以将集群间的通信转发到转发服务器所在的集群内部，从而实现了不同集群服务器间的通信，即实现了整个数据中心内部的互连结构。

本方案中控制协议配置于服务器内部的网络板卡上，服务器通过控制协议和相互之间的通信确定每一个服务器的工作状态，分析网络的工作情况，并根据实时的网络情况处理新的服务器传输请求。

Claims

1.一种基于多个阵列波导光栅的数据中心内部光网络互连结构，其特征在于：包括普通服务器（1）、转发服务器（9），机柜（16），机柜顶部阵列波导光栅（17），集群阵列波导光栅（18），转发机柜（19），集群（23），核心阵列波导光栅（24）；

所述的机柜（16）包括多个普通服务器（1）和一个机柜顶部阵列波导光栅（17），机柜顶部阵列波导光栅（17）与机柜内所有的普通服务器（1）相连；

所述的转发机柜（19）包括多个转发服务器（9），一个机柜顶部阵列波导光栅（17）和一个转发阵列波导光栅（20），机柜顶部阵列波导光栅（17）与转发机柜内所有的转发服务器（9）相连，转发阵列波导光栅（20）也与转发机柜内所有的转发服务器（9）相连；每个机柜都有各自的编号，每个机柜内部的服务器也有各自的编号，机柜（16）与核心阵列波导光栅（24），普通服务器（1）与机柜顶部的阵列波导光栅（17）的连接需要符合如下规则：

1) 对于任一机柜（16），若机柜编号为i， i 为1，2，3…N，则机柜顶部阵列波导光栅（17）的第i个输入接口与核心阵列波导光栅（24）的第i个输出接口相连，机柜顶部阵列波导光栅（17）的第i个输出接口与核心阵列波导光栅（24）的第i个输入接口相连，同时编号为i的机柜内部不设置编号为i的普通服务器（1），编号为i的机柜顶部阵列波导光栅（17）的接口i用于机柜内部与机柜外部的通信；

2) 在任一机柜（16）内部，编号为j的普通服务器（1）光输出接口与机柜顶部阵列波导光栅（17）的第j 个输入接口相连，编号为j的普通服务器（1）的光输入接口与机柜顶部阵列波导光栅（17）的第j个输出接口相连；

3) 对于编号为k的集群（23），编号为k的机柜为转发机柜（19），其机柜顶部服务器的连接规则如规则1) ，规则2) ；对于其内部的转发阵列波导光栅（20），其第k个输出接口作为集群对外输出接口，第k个输入接口作为集群对外输入接口；其余的接口按照规则1) 与规则2) 的方式与机柜内的转发服务器相连；

所述的集群（23）包括多个机柜（16），一个转发机柜（19）和一个集群阵列波导光栅（18），

其中集群阵列波导光栅（18）与集群内所有的机柜（16）、转发机柜（19）相连，所有的集群（23）与核心阵列波导光栅（24）相连，编号为k的集群的集群对外输出接口（21）与核心阵列波导光栅（24）的第k个输入接口相连，集群对外输入接口（22）与核心阵列波导光栅（24）的第k个输出接口相连。

2.根据权利要求1所述的基于多个阵列波导光栅的数据中心内部光网络互连结构，其特征在于：普通服务器（1）和转发服务器（9）都包括主机（2），发送缓存（3），可调谐发射机（4），接收缓存（5），接收机（6），光输出接口（7），光输入接口（8），主机（2）分别与发送缓存（3）与接收缓存（5）相连接，发送缓存（3）与可调谐发射机（4）相连接，接收缓存（5）与接收机（6）相连接，可调谐发射机（4）与光输出接口（7）相连接，接收机（6）与光输入接口（8）相连接。

3.根据权利要求1或2所述的基于多个阵列波导光栅的数据中心内部光网络互连结构，其特征在于：所述的转发服务器（9）还包括转发发送缓存（10），转发可调谐发射机（11），转发接收缓存（12），转发接收机（13），转发光输出接口（14），转发光输入接口（15），其中转发服务器（9）的主机（2）与转发发送缓存（10），转发接收缓存（12）相连，转发发送缓存（10）与转发可调谐发射机（11）相连，转发接收缓存（12）与转发接收机（13）相连，转发可调谐发射机（11）还与转发光输出接口（14）相连，转发接收机（13）还与转发光输入接口（15）相连。

4.根据权利要求1所述的基于多个阵列波导光栅的数据中心内部光网络互连结构，其特征在于：所有的阵列波导光栅，包括机柜顶部阵列波导光栅（17），转发阵列波导光栅（20），集群阵列波导光栅（18）和核心阵列波导光栅（24）均为同规格的NxN型阵列波导光栅。

5.根据权利要求3所述的基于多个阵列波导光栅的数据中心内部光网络互连结构，其特征在于：机柜（16）与转发机柜（19）内部，普通服务器（1）与机柜顶部阵列波导光栅（17），转发服务器（9）与机柜顶部阵列波导光栅（17），转发服务器（9）与转发阵列波导光栅（20）的连接有如下规则：在任一机柜（16）或转发机柜（19）内部，编号为j的普通服务器（1）或转发服务器（9）的光输出接口（7）与机柜顶部阵列波导光栅（17）的第j个输入接口相连，编号为j的普通服务器（1）或转发服务器（9）的光输入接口（8）与机柜顶部阵列波导光栅（17）的第j个输出接口相连；在转发机柜（19）内部，编号为j转发服务器（9）的转发光输出接口（14）与转发阵列波导光栅（20）的第j个输入接口相连，编号为j的转发服务器（9）的转发光输入接口（15）与转发阵列波导光栅（20）的第j个输出接口相连；编号为i的机柜（16）或转发机柜（19）内部不设立编号为i的普通服务器（1）或编号为i的转发服务器（9）。

6.根据权利要求2所述的基于多个阵列波导光栅的数据中心内部光网络互连结构，其特征在于：编号为k的集群（23）内部，编号为j，j≠k的机柜（16）内的机柜顶部阵列波导光栅（17）的第j个输出接口与集群阵列波导光栅（18）的第j个输入接口相连，机柜顶部阵列波导光栅（17）的第j个输入接口与集群阵列波导光栅（18）的第j个输出接口相连；转发机柜（19）内机柜顶部阵列波导光栅（17）的第k个输出接口与集群阵列波导光栅（18）的第k个输入接口相连，机柜顶部阵列波导光栅（17）的第k个输入接口与集群阵列波导光栅（18）的第k个输出接口相连；转发机柜（19）内转发阵列波导光栅（20）的第k个输出接口与集群对外输出接口（21）相连，转发阵列波导光栅（20）的第k个输入接口与集群对外输入接口（22）相连。

7.根据权利要求1所述的基于多个阵列波导光栅的数据中心内部光网络互连结构，其特征在于：控制协议配置于服务器内部的网络板卡上，服务器通过控制协议和相互之间的通信确定每一个服务器的工作状态，分析网络的工作情况，并根据实时的网络情况处理新的服务器传输请求。