CN106209294B - 一种高扩展的数据中心全光互连网络系统及通信方法 - Google Patents

Abstract

一种高扩展的数据中心全光互连网络系统及通信方法，本发明的网络系统光交换机和服务器，采用基于簇扩展的分层网络拓扑结构。本发明的路由方法具体步骤为：1、产生数据分组；2、计算数据分组的通信波长；3、调制激光器的工作波长；4、发送数据分组；5、光交换机接收数据分组；6、判断当前光交换机是否满足路由截止条件；7、数据分组从按照基于拓扑的路由方法所确定的路由端口输出；8、传输数据分组至目的服务器；9、目的服务器接收数据分组。本发明具有结构简单、通信时延小、吞吐量大的优点。

Description

一种高扩展的数据中心全光互连网络系统及通信方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及互联网通信技术领域中的一种高扩展的数据中心全光互连网络系统及通信方法。本发明的数据中心全光互连网络系统及其通信方法可用于构建大规模数据中心网络，实现数据中心服务器之间的高效通信。

背景技术

近年来各种新兴应用的产生和云计算的部署，对数据中心网络的服务质量、传输能力等提出新的要求，数据中心承载的通信量急剧增长，数据中心的规模持续扩大，致使数据中心设备成本增加，能耗开销激增，管理更加复杂，因此构建大规模，高能效的数据中心成为急需解决的任务。

西安电子科技大学拥有的专利技术“基于超立方簇的数据中心光互连网络系统及通信方法”(申请日：2012年5月2日，授权号：ZL201210133164.2)中公开了一种基于超立方簇的数据中心光互连网络系统及通信方法。该专利技术的系统包括N台架顶光交换机，N台架顶电交换机和N×s台服务器。其中，每台架顶电交换机连接s台服务器和一台架顶光交换机构成网络基本单元，m个基本单元通过架顶光交换机互连成基于超立方拓扑的簇结构，k个簇进一步通过架顶光交换机互连成环形拓扑结构。该专利技术系统存在的不足之处是：网络所采用拓扑结构提供的互连端口较少，系统存在扩展规模受限的问题；顶层环形结构的网络直径较大且对分带宽较低，系统存在通信时延较高和网络阻塞严重的问题；另外由于系统使用了多种互连设备(包括架顶光交换机、架顶电交换机、铜线、光纤等)，因此系统存在构建和维护管理困难的问题。该专利技术的通信方法的实施方式是：当源服务器和目的服务器处于同一网络基本单元时，数据分组通过电交叉开关在网络基本单元内部直接传输，源服务器和目的服务器在不同网络基本单元时，数据分组采用光电路交换方式传输，首先，数据分组传输前，架顶电交换机发送电建链分组，其次，数据分组通过架顶光交换机在网络基本单元之间传输，最后，拆除光链路。该专利技术方法存在的不足之处是：从电控制网络发送电建链信息预约光链路到光信息传输完毕的这段时间内，已预约的光链路不能被其他服务器使用，网络的资源利用率低，信息等待时延较长，加剧了网络中的阻塞问题，从而进一步影响到数据中心网络的整体性能。

Chen Kai等人在其发表的论文“OSA:An Optical Switching Architecture forData Center Networks With Unprecedented Flexibility”(IEEE/ACM TRANSACTIONS ONNETWORKING,2014)中提出了一种数据中心全光互连网络系统及通信方法。该论文的系统使用MEMS光交换机直接连接所有架顶交换机构成星形拓扑，每个架顶交换机配置k个光收发器，这k个光收发器连接至一个1×k波长选择交换机(WSS)，波长选择交换机通过k个光环行器连接MEMS光交换机。该论文的系统存在的不足之处是：使用高基数光交换机直接互连所有机架或接入层交换机，由于光交换机端口数目的限制，该全光互连网络只能提供机架级的光连接，机架内服务器之间的通信仍然需要使用电交换机。该论文的通信方法的实施方式是：通过MEMS交换机的交叉开关矩阵直接连接的架顶交换机之间使用光电路交换直接传输数据分组，对于非直接互连的架顶交换机之间采用hop-by-hop的通信方式，首先，源架顶交换机选择当前k个直接连接架顶交换机中的一个作为中间节点，然后，该中间架顶交换机接收到信号后进行光电转换，读取分组头部并重新向目的ToR交换机转发。该论文的通信方法存在的不足之处是：该网络采用光电路交换，存在信息交换粒度较粗，链路利用率较低，路径建立开销较大，网络阻塞严重的问题。

发明内容

本发明的目的在于针对以上数据中心网络拓扑结构的不足，提出一种高扩展的数据中心全光互连网络系统及通信方法，在保证网络高带宽，低时延的特性的条件下，提高链路利用率，克服网络阻塞，改善网络性能。

为实现上述目的，本发明的网络系统包括由光交换机和服务器，所述的光交换机为M台，服务器为N台，M和N均为大于零的整数，N的取值为所述的光交换机为M台，M台光交换机按照从上至下，从左至右方式均匀规则排布，按照二分图的方式相互连接组成一个2×M/2的矩形网络；所述的光交换机为k台，k台光交换机按照从左到右的方式均匀规则排布，按照完全图的方式相互连接组成一个簇，k为大于1的整数，其中，

所述的光交换机，接收数据分组，判断当前光交换机是否满足路由截止条件，将数据分组从按照基于拓扑的路由方法所确定的路由端口输出,将数据分组从目的服务器对应的服务器端口输出；

所述的服务器，产生信号帧，按照IEEE802.3协议将信号帧封装为数据分组，根据数据分组的源服务器和目的服务器的信息，计算数据分组的通信波长，将激光器的工作波长调制到控制信号指定的通信波长，将数据分组发送给与服务器直接相连的光交换机，按照IEEE802.3协议接收数据分组。

本发明的通信方法的具体步骤如下：

(1)产生数据分组：

源服务器随机产生信号帧，按照IEEE802.3协议将信号帧封装为数据分组，各分组内包含源服务器和目的服务器的信息、载荷；

(2)计算数据分组的通信波长：

按照下式，源服务器根据数据分组的源服务器和目的服务器的信息，计算数据分组的通信波长：

λ＝(2×k-X_s+X_d)modk

其中，λ表示数据分组的通信波长，k为大于1的整数，X_s表示源服务器所在簇的X维坐标值，下标s表示源服务器，X_d表示目的服务器所在簇的X维坐标值，下标d表示目的服务器，mod表示取模操作；

(3)调制激光器的工作波长：

源服务器产发送控制信号给输出端口位置的激光器，控制信号包含一个数据分组的通信波长信息，将激光器的工作波长调制到控制信号指定的通信波长；

(4)发送数据分组：

服务器输出端口将数据分组发送给与服务器直接相连的光交换机；

(5)接收数据分组：

(5a)光交换机在每个输入端口位置接收一个数据分组；

(5b)光交换机解析数据分组的源服务器和目的服务器信息；

(6)判断当前光交换机是否满足路由截止条件，若是，则执行步骤(8)；否则，执行步骤(7)；

(7)数据分组从按照基于拓扑的路由方法所确定的路由端口输出后执行步骤(5)；

(8)传输数据分组至目的服务器：

光交换机将数据分组从目的服务器对应的服务器端口输出，传输数据分组至目的服务器；

(9)目的服务器按照IEEE802.3协议接收数据分组。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，由于本发明的一种高扩展的数据中心全光互连网络系统采用了基于簇的分层网络拓扑结构，克服了现有数据中心光交换架构扩展性受限，无法实现服务器级别的全光互连问题；

第二，由于本发明一种高扩展的数据中心全光互连网络系统在簇内采用完全图的互连方式、在簇间采用二分图的互连方式，克服了现有数据中心网络布线复杂，交换机数目较多，网络设备开销较大的问题；

第三，由于本发明一种高扩展的数据中心全光互连网络通信方法采用了WDM多波长技术，克服了现有数据中心光网络阻塞率较高的问题，有效提高了网络的吞吐。

第四，由于本发明一种高扩展的数据中心全光互连网络通信方法采用了分组交换技术，克服了光电路交换技术带来的信息交换粒度较粗，链路利用率较低的问题，有效降低了网络传输时延。

附图说明

图1是本发明的网络系统的示意图；

图2是本发明的网络通信方法的流程图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述。

参照附图1对本发明的系统作进一步的描述。

本发明的系统包括由光交换机和服务器，光交换机为M台，服务器为N台，M和N均为大于零的整数，N的取值为光交换机为M台，M台光交换机按照从上至下，从左至右方式均匀规则排布，按照二分图的方式相互连接组成一个2×M/2的矩形网络。光交换机为k台，k台光交换机按照从左到右的方式均匀规则排布，按照完全图的方式相互连接组成一个簇，k为大于1的整数，其中，

光交换机，接收数据分组，判断当前光交换机是否满足路由截止条件，将数据分组从按照基于拓扑的路由方法所确定的路由端口输出,将数据分组从目的服务器对应的服务器端口输出。

服务器产生信号帧，按照IEEE802.3协议将信号帧封装为数据分组，根据数据分组的源服务器和目的服务器的信息，计算数据分组的通信波长，将激光器的工作波长调制到控制信号指定的通信波长，将数据分组发送给与服务器直接相连的光交换机，按照IEEE802.3协议接收数据分组。

光交换机设有设有b个路由端口和s个服务器端口，b，s均为等于k的整数，k为大于1的整数，路由端口用于连接其他光交换机，每个路由端口设有一位路由端口号p，p为整数，0≤p≤k-1；服务器端口用于连接服务器，每个服务器端口设有一位服务器端口号f，f为整数，0≤f≤k-1。

2×M/2的矩形网络包含2k个簇，2k个簇按照从上至下，从左至右方式均匀规则排布，以左上角的簇为原点，水平向右为X维正方向，竖直向下为Y维正方向，建立二维坐标系。

k台光交换机，每台光交换机设有一位光交换机编号Z，Z为整数，0≤Z≤k-1。

k台光交换机，任意两台光交换机之间的连接关系为光交换机Z₁的路由端口p₁与光交换机Z₂的路由端口p₂相连，其中，下标1表示任意一台光交换机，下标2表示另一台光交换机，Z₁表示任意一台光交换机的光交换机编号，p₁表示任意一台光交换机的路由端口号，Z₂表示另一台光交换机的光交换机编号，p₂表示另一台光交换机的路由端口号，且满足p₁＝Z₂，p₂＝Z₁，k为大于1的整数，

2×M/2的矩形网络包含2k个簇，任意两个簇的连接关系为簇X₃Y₃使用光交换机Z₃的路由端口p₃连接簇X₄Y₄中的光交换机Z₄的路由端口p₄，其中，下标3、下标4分别表示不同簇的两台光交换机，Y₃表示一台光交换机所在簇的Y维坐标值，X₃表示一台光交换机所在簇的X维坐标值，Z₃表示一台光交换机的编号，p₃表示一台光交换机的一个路由端口号，X₄表示另一台光交换机所在簇的X维坐标值，Y₄表示另一台光交换机所在簇的Y维坐标值，Z₄表示另一台光交换机的编号，p₄表示另一台光交换机的一个路由端口号，且满足p₃＝Z₃，p₄＝Z₄，Y₃≠Y₄，Z₃＝X₄，Z₄＝X₃。

参照附图2对本发明的网络通信方法做进一步的描述。

步骤1，产生数据分组。

源服务器随机产生信号帧，按照IEEE802.3协议将信号帧封装为数据分组，各分组内包含源服务器和目的服务器的信息、载荷。

其中，源服务器和目的服务器的信息是指源服务器所在簇的X维坐标值、Y维坐标值，源服务器直接连接的光交换机的编号，源服务器直接连接的光交换机服务器端口号，目的服务器的信息是指目的服务器所在簇的X维坐标值、Y维坐标值，目的服务器直接连接的光交换机的编号，目的服务器直接连接的光交换机服务器端口号。

步骤2，计算数据分组的通信波长。

按照下式，源服务器根据数据分组的源服务器和目的服务器的信息，计算数据分组的通信波长：

λ＝(2×k-X_s+X_d)modk

其中，λ表示数据分组的通信波长，k为大于1的整数，X_s表示源服务器的X维坐标值，下标s表示源服务器，X_d表示目的服务器所在簇的X维坐标值，下标d表示目的服务器，mod表示取模操作。

步骤3，调制激光器的工作波长。

源服务器产发送控制信号给输出端口位置的激光器，控制信号包含一个数据分组的通信波长信息，将激光器的工作波长调制到控制信号指定的通信波长。

步骤4，发送数据分组。

服务器输出端口将数据分组发送给与服务器直接相连的光交换机。

步骤5，接收数据分组。

光交换机在每个输入端口位置接收一个数据分组。

光交换机解析数据分组的源服务器和目的服务器信息。

步骤6，判断当前光交换机是否满足路由截止条件，若是，则执行步骤8，否则，执行步骤7。

其中，路由截止条件是指：

当前光交换机与目的服务器处于XY二维坐标系中的同一行、同一列，且当前光交换机和与目的服务器直接相连的光交换机具有相同的交换机编号。

步骤7，数据分组从按照基于拓扑的路由方法所确定的路由端口输出后执行步骤5。

其中，基于拓扑的路由方法是指：

当数据分组的目的服务器与当前光交换机处于XY二维坐标系的同一行、同一列时，数据分组选择编号数值等于目的服务器直接连接光交换机的光交换机编号的路由端口作为输出端口；

当数据分组的源服务器与目的服务器处于XY二维坐标系的不同行，且源服务器与当前光交换机处于XY二维坐标系的同一行、同一列时，数据分组选择编号数值等于目的服务器所在簇的X维坐标的路由端口作为输出端口；

当数据分组的源服务器与目的服务器处于XY二维坐标系的同一行，不同列，且源服务器与当前光交换机处于XY二维坐标系的同一行、同一列时，数据分组选择编号数值等于目的服务器直接连接光交换机的光交换机编号的路由端口作为输出端口；

当源服务器与目的服务器处于XY二维坐标系的同一行，不同列，且数据分组的源服务器与当前光交换机处于XY二维坐标系的不同行时，数据分组选择编号数值等于目的服务器所在簇的X维坐标的路由端口作为输出端口。

步骤8，传输数据分组至目的服务器。

光交换机将数据分组从目的服务器对应的服务器端口输出，传输数据分组至目的服务器。

步骤9，目的服务器按照IEEE802.3协议接收数据分组。

Claims (10)

1.一种高扩展的数据中心全光互连网络系统，包括由光交换机和服务器，其特征在于，所述的光交换机为M台，服务器为N台，M和N均为大于零的整数，N的取值为所述的光交换机为M台，M台光交换机按照从上至下，从左至右方式均匀规则排布，按照二分图的方式相互连接组成一个2×M/2的矩形网络；所述的光交换机为k台，k台光交换机按照从左到右的方式均匀规则排布，按照完全图的方式相互连接组成一个簇，k为大于1的整数，其中，

所述的光交换机，接收数据分组，判断当前光交换机是否满足路由截止条件，将数据分组从按照基于拓扑的路由方法所确定的路由端口输出,将数据分组从目的服务器对应的服务器端口输出；

所述的服务器，产生信号帧，按照IEEE802.3协议将信号帧封装为数据分组，根据数据分组的源服务器和目的服务器的信息，计算数据分组的通信波长，将激光器的工作波长调制到控制信号指定的通信波长，将数据分组发送给与服务器直接相连的光交换机，按照IEEE802.3协议接收数据分组。

2.根据权利要求1所述的一种高扩展的数据中心全光互连网络系统，其特征在于，所述的光交换机设有b个路由端口和s个服务器端口，b，s均为等于k的整数，k为大于1的整数，所述的路由端口用于连接其他光交换机，每个路由端口设有一位路由端口号p，p为整数，0≤p≤k-1；所述的服务器端口用于连接服务器，每个服务器端口设有一位服务器端口号f，f为整数，0≤f≤k-1。

3.根据权利要求1所述的一种高扩展的数据中心全光互连网络系统，其特征在于，所述的2×M/2的矩形网络包含2k个簇，2k个簇按照从上至下，从左至右方式均匀规则排布，以左上角的簇为原点，水平向右为X维正方向，竖直向下为Y维正方向，建立二维坐标系。

4.根据权利要求1所述的一种高扩展的数据中心全光互连网络系统，其特征在于，所述的k台光交换机，每台光交换机设有一位光交换机编号Z，Z为整数，0≤Z≤k-1。

5.根据权利要求1所述的一种高扩展的数据中心全光互连网络系统，其特征在于，所述的k台光交换机，任意两台光交换机之间的连接关系为光交换机Z₁的路由端口p₁与光交换机Z₂的路由端口p₂相连，其中，下标1表示任意一台光交换机，下标2表示另一台光交换机，Z₁表示任意一台光交换机的光交换机编号，p₁表示任意一台光交换机的一个路由端口号，Z₂表示另一台光交换机的光交换机编号，p₂表示另一台光交换机的一个路由端口号，且满足p₁＝Z₂，p₂＝Z₁，k为大于1的整数，

6.根据权利要求1所述的一种高扩展的数据中心全光互连网络系统，其特征在于，所述2×M/2的矩形网络包含2k个簇，任意两个簇的连接关系为簇X₃Y₃使用光交换机Z₃的路由端口p₃连接簇X₄Y₄中的光交换机Z₄的路由端口p₄，其中，下标3、下标4分别表示不同簇的两台光交换机，Y₃表示一台光交换机所在簇的Y维坐标值，X₃表示一台光交换机所在簇的X维坐标值，Z₃表示一台光交换机的编号，p₃表示一台光交换机的一个路由端口号，X₄表示另一台光交换机所在簇的X维坐标值，Y₄表示另一台光交换机所在簇的Y维坐标值，Z₄表示另一台光交换机的编号，p₄表示另一台光交换机的路由端口号，且满足p₃＝Z₃，p₄＝Z₄，Y₃≠Y₄，Z₃＝X₄，Z₄＝X₃。

7.一种高扩展的数据中心全光互连网络通信方法，包括如下步骤：

(1)产生数据分组：

源服务器随机产生信号帧，按照IEEE802.3协议将信号帧封装为数据分组，各分组内包含源服务器和目的服务器的信息、载荷；

(2)计算数据分组的通信波长：

按照下式，源服务器根据数据分组的源服务器和目的服务器的信息，计算数据分组的通信波长：

λ＝(2×k-X_s+X_d)modk

其中，λ表示数据分组的通信波长，k为大于1的整数，M为网络系统中光交换机的台数，X_s表示源服务器所在簇的X维坐标值，下标s表示源服务器，X_d表示目的服务器所在簇的X维坐标值，下标d表示目的服务器，mod表示取模操作；

(3)调制激光器的工作波长：

源服务器产发送控制信号给输出端口位置的激光器，控制信号包含一个数据分组的通信波长信息，将激光器的工作波长调制到控制信号指定的通信波长；

(4)发送数据分组：

服务器输出端口将数据分组发送给与服务器直接相连的光交换机；

(5)接收数据分组：

(5a)光交换机在每个输入端口位置接收一个数据分组；

(5b)光交换机解析数据分组的源服务器和目的服务器信息；

(6)判断当前光交换机是否满足路由截止条件，若是，则执行步骤(8)；否则，执行步骤(7)；

(7)数据分组从按照基于拓扑的路由方法所确定的路由端口输出后执行步骤(5)；

(8)传输数据分组至目的服务器：

光交换机将数据分组从目的服务器对应的服务器端口输出，传输数据分组至目的服务器；

(9)目的服务器按照IEEE802.3协议接收数据分组。

8.根据权利要求7所述的一种高扩展的数据中心全光互连网络通信方法，其特征在于，步骤(1)中所述的源服务器和目的服务器的信息是指源服务器所在簇的X维坐标值、Y维坐标值，源服务器直接连接的光交换机的编号，源服务器直接连接的光交换机服务器端口号，目的服务器的信息是指目的服务器所在簇的X维坐标值、Y维坐标值，目的服务器直接连接的光交换机的编号，目的服务器直接连接的光交换机服务器端口号。

9.根据权利要求7所述的一种高扩展的数据中心全光互连网络通信方法，其特征在于，步骤(6)中所述的路由截止条件是指当前光交换机与目的服务器处于XY二维坐标系中的同一行、同一列，且当前光交换机和与目的服务器直接相连的光交换机具有相同的交换机编号。

10.根据权利要求8所述的一种高扩展的数据中心全光互连网络通信方法，其特征在于，步骤(7)中所述的基于拓扑的路由方法是指：

当数据分组的目的服务器与当前光交换机处于XY二维坐标系的同一行、同一列时，数据分组选择编号数值等于目的服务器直接连接光交换机的光交换机编号的路由端口作为输出端口；

当数据分组的源服务器与目的服务器处于XY二维坐标系的不同行，且源服务器与当前光交换机处于XY二维坐标系的同一行、同一列时，数据分组选择编号数值等于目的服务器所在簇的X维坐标的路由端口作为输出端口；

当数据分组的源服务器与目的服务器处于XY二维坐标系的同一行，不同列，且源服务器与当前光交换机处于XY二维坐标系的同一行、同一列时，数据分组选择编号数值等于目的服务器直接连接光交换机的光交换机编号的路由端口作为输出端口；

当源服务器与目的服务器处于XY二维坐标系的同一行，不同列，且数据分组的源服务器与当前光交换机处于XY二维坐标系的不同行时，数据分组选择编号数值等于目的服务器所在簇的X维坐标的路由端口作为输出端口。