CN107094270A - 可重构的互连系统及其拓扑构建方法 - Google Patents

可重构的互连系统及其拓扑构建方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种可重构的互连系统。该系统包括电域网络层和至少一层光域网络层，其中，所述电域网络层包括用于将电域信号和光信号进行相互转换的收发器，所述光域网络层包括信号复用/分离器以及基于波长选择开关的光交换机，所述收发器连接至所述信号复用/分离器，所述信号复用/分离器连接至所述光域网络层的所述基于波长选择开关的光交换机。本发明的互连系统能够进行灵活的规模拓展和拓扑构建。

Description

可重构的互连系统及其拓扑构建方法
技术领域
本发明涉及计算机互连网络技术领域，尤其涉及一种动态可重构的互连系统以及该互连系统的拓扑构建方法。
背景技术
近年来，随着互连网产业的发展，不断推出新兴的网络应用，从而使互连网用户数量快速增加。另一方面，云计算产业的兴起与发展，促使众多企业将业务部署到私有或公有的云计算集群中，使得承载着大数据处理、互连网应用、云计算、科学计算等多种不同类型应用的数据中心规模不断增长。然而，现有数据中心通常使用固定单一的互连网络结构，很难高效地满足多种通信特征的需求和灵活的带宽分配。
目前，有多种光交换技术可以用于计算机互连网络中，例如基于AWG(阵列波导光栅)的光交换技术、基于WSS(波长选择开关)的光交换技术、基于WDM(波分复用)的光传输技术等适合解决光网络动态重构问题。在最典型的数据中心光网络中，例如Helios，光域网络和电域网络均参与全局通信，传统的电域网络作为基础网络，光域网络作为辅助网络，用于传输持续时间长的流，通过控制MEMS(微机电控制)交换机实现光连接切换；在另一种混合网络结构中，例如OSA，电域网络用于机柜内互连，光域网络用于机柜间连接，使用MEMS交换机实现光连接切换；在其它网络结构，例如Petabit，采用了多级AWGR(阵列波导光栅路由器)构成网络结构，基于统一的电域网络控制平面对各级的可调谐激光器和TWC(可调谐波长变换器)进行统一控制。然而，尽管上述光交换网络利用了光互连的高带宽和低延迟的特性，但是其规模和性能受限于其控制平面的拓展性和性能以及光器件的规格，难以应用于大规模节点的数据中心互连网络，网络连接的灵活性不足，很难进行拓扑的动态重构以匹配不断变化的通信负载需求。
在现有光电混合网络中，主要采用光的两种特点实现灵活性，一种是波长路由，另一种是空间光路切换。基于空间光路变化的技术切换延时较大，如MEMS技术实现，空间光路切换的缺陷是由器件切换速度限制导致的；基于波长路由的技术控制复杂度大，如需要对TWC和可调谐激光器的进行控制，基于无源光器件AWG波长路由的缺陷在于采用了在收发器上的波长分配和在传输过程中的波长切换，收发器和波长转换器等是分布式的而控制器是集中式的，因而受到控制平面的限制，同时波长分配算法复杂导致规模不易拓展。
总之，在现有的光电混合网络的互连系统中，系统的规模和性能难以实现动态变换逻辑拓扑和带宽分配，导致不能有效的提高数据中心的资源利用率以及进行拓扑的动态重构等问题，从而很难灵活地匹配不断变化的通信负载需求。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，经过对现有光交换器件的研究发现，大端口WSS光器件能够具备变换速度快和可集中式控制的特点，通过合理配置可以组建大规模网络，从而满足动态拓扑构建和带宽分配两个目标。
根据本发明的第一方面，提供了一种可重构的互连系统。该系统包括电域网络层和至少一层光域网络层，其中，所述电域网络层包括用于将电域信号和光信号进行相互转换的收发器，所述光域网络层包括信号复用/分离器以及基于波长选择开关的光交换机，所述收发器连接至所述信号复用/分离器，所述信号复用/分离器连接至所述光域网络层的所述基于波长选择开关的光交换机。
根据本发明的一个实施例，所述系统包括两层光域网络层，所述电域网络层中的收发器分为多组，其中一个收发器组用于第一层光域网络的连接，其余收发器组用于第二层光域网络层的多个维度的连接。
根据本发明的一个实施例，所述光交换机由通过光纤进行部分连接的多个波长选择开关构成。
根据本发明的一个实施例，所述光交换机由通过光纤进行全连接的多个波长选择开关构成。
根据本发明的一个实施例，对于由p+1个1：q端口的波长选择开关构成的所述光交换机，连接规则为第i个波长选择开关的第(j-i-1+p)％p个端口连接至第j个波长选择开关的第(i-j-1+p)个端口，其中，q大于等于p。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于本发明的系统的波长分配方法，包括以下步骤：
设置图G(N,E)，将所述系统中的光交换机的端口表示为图中的节点N，将节点间的边表示为E；
将数量为n的输入波长表示为颜色集合C，将C中的颜色分配给所述多重图中的边，其中，每个节点引出的边的颜色不相同且每个边至少分配一种颜色。
在本发明的波长分配方法中，图G(N,E)为多重图，至少一对节点之间有两条或两条以上的边。
在本发明的波长分配方法中，其中，图G(N,E)为简单图，任意一对节点之间至多有一条边。
根据本发明的第三方面，提供了一种用于本发明的系统的拓扑构建方法，包括以下步骤：
步骤1：基于数据中心的通信需求获取所述系统中的电域网络层和光域网络层的通信负载需求；
步骤2：获取用于反映所述光域网络层中的光交换机的光路关系的连接矩阵和用于反映光路带宽的带宽优先分配表；
步骤3：基于所述连接矩阵和带宽优先分配表为光交换机的端口分配波长，以为所述系统构建光路由。
在本发明的拓扑构建方法中，在步骤3中采用本发明的波长分配方法为光交换机的端口分配波长。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明能够对基于WSS的互连系统进行规模拓展，通过增多光域网络的层次来增大规模；采用WSS光器件，能够实现较快速的切换；通过拓扑构建方法，有助于事先了解需要实现的拓扑结构，并在此基础上进行带宽分配，提供了较大的灵活性。
附图说明
以下附图仅对本发明作示意性的说明和解释，并不用于限定本发明的范围，其中：
图1示出了根据本发明一个实施例的可重构互连系统的示意图；
图2示出了根据本发明另一个实施例的可重构互连系统的示意图；
图3示出了根据本发明一个实施例的WSS-based的光交换机的连接示意图；
图4示出了扇的示意；
图5示出了扇的旋转示意图；
图6示出了扇中的路径示意图；
图7(a)为2DMesh的示意图；
图7(b)为2Dtorus的示意图；
图7(c)为2DMesh的波长分配示意图；
图7(d)为2DTorus的波长分配示意图；
图8示出了根据本发明一个实施例的互连系统的拓扑构建方法的流程图。
图中文字说明：
Data Center：数据中心
Pod：性能优化数据中心
ToR：机架顶
WSS：波长选择开关
Mux/DeMux(Mux/De)：信号复用/分离器
TRX：收发器
AWG：阵列波导光栅
TWC：可调谐波长变换器
WDM：波分复用
SDM：空分复用
Dimension：维
WSS-Based Switch：基于波长选择开关的(光)交换机
Elec.Router:电域路由器
Server Rack：服务器机架
IntraCluster Pods：集群内性能优化数据中心
InterCluster Pods：集群间性能优化数据中心
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案、设计方法及优点更加清楚明了，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1示出了根据本发明一个实施例的可重构的互连系统的示意图。该系统的各模块或设备根据分层配置进行连接，即将系统分为多层，图1示意了三层网络L0、L1、L2和两个维度。第L0层为电域网络，第L1、L2层为光域网络，第L2层网络示出了2个维度，其中，ToR是L0电域网络，Pod为L1层模块，DataCenter是整个L2层模块，IntraCluster为第1维，InterCluster为第2维。
该互连系统包括WSS-Based光交换机1、光纤2、光Mux/DeMux设备3、电域模块4、计算节点5、收发器6，其中这些设备或模块的数量可以为一个或多个。
电域模块4，其功能在于进行通信，可以是连接CPU的路由器、连接Server Rack的ToR交换机以及其他交换设备等，其上连接了若干不同波长的收发器6，用于在计算节点间提供网络连接。图1中示意了每个Rack机架包含n+2个收发器，可分为三组，编号为[0,2]，每组内收发器的波长不同，其中，组0的n个收发器(λ0,λ1...λn-1)通过光纤连接至光Mux/DeMux设备3，进而连接至IntraPod WSS based Switch(性能优化数据中心内的基于波长选择开关的交换机)，组1和组2的收发器分别用于L2网络的两个维度的连接，例如，组1通过光纤连接至光Mux/DeMux设备3，进而连接至IntraCluster WSS-based Switch，组2通过光纤连接至光Mux/DeMux设备3，进而连接至InterClusterWSS-Based Switch(集群间的基于波长选择开关的交换机)。总之，每组收发器连接至一个Mux/DeMux设备，在连接至一个WSS-based光交换机(WSS-based Switch，基于波长选择开关的光交换机)，一个WSS-based光交换机和连接其上的光Mux/DeMux设备代表一层光域网络，所需收发器的组数由该层Mux/DeMux设备的端口数决定，该层Mux/DeMux设备的数量由WSS-based光交换机的端口数决定，每个Mux/DeMux设备连接的收发器的波长均不相同。
光纤2，其功能在于传递WDM光波。WDM光波，由多种不同波长的光构成，每种波长的光能够承载一对相同波长的收发器间的信息传递。本发明不对WDM光波的波长数进行限制。光纤可选用单模光纤、多模光纤或多核光纤等类型。
Mux/DeMux设备3，其功能在于聚合多个波长的光为WDM光和分解WDM光的不同波长的光到不同的端口，其用于在所在层次进行波长聚合和路由。
计算节点5，其功能在于进行计算任务，计算节点可以是CPU、计算机或其他计算设备等。
收发器6，其功能在于将电域信号转换为特定波长的光信号和将特定波长的光信号转换为电域信号，用于光电混合网络的切换。
应理解的是，本发明不对上述设备或模块数量、型号或端口数进行限制。此外，互连系统的层数和维度数也可以根据需要进行扩展。例如，在图2示出的另一实施例的互连系统中(在图2中，用nodes表示计算节点)，其中，L1层光网络为Block(Block是指将多个Rack组合起来并模块化的组件)内部通信，L2层光网络为包括n个维度，维度指的是Block间物理拓扑的坐标表示，可以认为每个Block连接了n个WSS-based光交换机用于Block间通信，每个电域模块的所有收发器分为n+1组，即[G0,Gn]。通过这种将光电混合网络划分为多层和多个维度能够提供灵活的拓扑配置，满足网络规模扩展的需要，同时降低网络控制的复杂度。
为了进一步理解图1或图2示出的互连系统的原理，图3示意了WSS-Based光交换机，WSS-based光交换机可由多个WSS(波长选择开关)和WDM光纤构成。WSS-Based光交换机的功能在于连接某一层次的Mux/DeMux设备，用于提供逻辑拓扑构建和带宽分配的潜在通路。本发明不对WSS-Based光交换机的端口数量和光交换机的数量进行限制。
在本文中，当描述WSS为1:q端口时，表示设置1个端口为输入端口且q个端口为输出端口，其功能在于将一条输入光纤中任意波长的光分配到任意输出光纤和将所有输出光纤的所有波长的光聚合到一条输入光纤，光纤上承载的均为WDM光波。本发明不对WSS的端口数和WSS的具体型号进行限制。
在本发明的一个实施例中，WSS-based交换机中的WSS之间采用光纤进行部分或全互连，例如，对于由p+1个1:q(表示有1个输入端口，有q个输出端口)端口的WSS和光纤构成的光交换器，p+1个WSS(编号[0,p])之间使用p个端口(编号为[0,p-1])的全互连的连接规则为第i个WSS的第(j-i-1+p)％p个端口连接至第j个WSS的第(i-j-1+p)个端口。因而，每个外接光纤所连接的单元与其它的单元都存在可达的物理链路，而为了使两个单元存在真正的光路，需要为两个单元所连的WSS间的光纤分配相同的波长，并且这个波长对于一个WSS而言最多只能分配一次，否则会造成波长冲突。为了实现动态可重构的互连系统，本发明提供了一种波长分配方法，以使WSS-based光交换机的端口间构成无冲突的逻辑光路。
简言之，本发明的波长分配方法将WSS-based光交换机的波长分配问题进行抽象，表示为图论问题，优先保证WSS-based光交换机构成的拓扑具有连通性，在此基础上再进行带宽分配。
具体而言，设WSS-based光交换机端口数有m个，将端口编号为(0，m-1)，输入波长数有n个，将波长编号为(0，n-1)。设一个多重图G(N,E)，将所有端口表示为图中的节点(顶点)N，将节点间的边表示为E(可能存在多重边)，图G由X+Y条边，X代表了端口间的拓扑连通，Y代表带宽分配额。将所有的输入波长表示为颜色C，将这些颜色尽可能分配给图中的每一条边，要求每个节点引出的边的颜色各不相同。根据实际情况，优先使节点间的单个边能够完成颜色分配，在此基础上再进行多重边的颜色分配，即首先对N个节点构成拓扑的X条边分配波长；然后对Y条边分配波长(即带宽分配)
本发明的波长分配方法涉及的概念描述如下：
扇：顶点u的一个扇是一个顶点序列，记为F[0:k-1]，任意边(F[i]，u)，0≤i≤k-1是扇的一条边。该序列满足以下条件：F[0:k-1]是一个包含u的不同邻居节点的非空序列；(F[0],u)未被着色；F[i+1]与u的连边的颜色对于F[i]是可用的，0≤i<k-1。
最大扇：是指满足扇的条件时，最长的非空序列。
如图4，顶点u的一个最大扇F＝[x1，x2，x3]，(u，x1)、(u，x2)和(u，x3)是扇的边；F'＝[x1，x2]也是u的一个扇，但不是最大的。
扇的旋转：给定对于节点u的一个扇F[0:k-1]，旋转操作是并行执行以下操作：c(F[i]，u)＝c(F[i+1]，u)，0≤i<k-1；除去(F[k-1]，X)的颜色。在这种操作完成之后，着色仍然合法，因为对于任意i，c(F[i+1]，X)对(F[i]，X)未被使用。
如图5，旋转扇F＝[x1，x2，x3]，左图为旋转前，右图为旋转后。
cdX路径：设c和d为两个不同颜色，一条cdX路径是经过节点X的由只包含颜色c和d的边组成的最长路径。应注意的是，对于任意节点X，只会存在一条这样的路径，因为每种颜色最多只有一条边与给定的节点邻接。
如图6，ac、cg和gd是一个“红-绿c”路径，bd和dg是一个“红-橙d”路径。
路径旋转：将cdX路径上的每个颜色为c的边改变为d，每个颜色为d的边改变颜色为c。如果X处于路径的末端，则旋转操作能够释放节点X上的一种颜色：如果X与c而非d相邻，现在会变成与d而非c相邻，把颜色c释放出来，可以留给其他与X邻接的边。这一旋转操作不会改变着色的合法性，因为对于路径末端的节点，只会有c或d中的一种颜色，而对于边上的其他节点，旋转操作只是交换了边的颜色，并未增加新颜色。
本发明的算法的基本过程是每次只对一条边进行着色，再进行带宽分配，直到所有的边都完成着色过程。下面是根据本发明的一个实施例的波长分配和带宽分配的伪代码。
***************************
波长分配伪代码：
1.设(u,v)是简单图G的一条边
2.设F[0:k-1]是u的一个以F[0]＝v为首节点的最大扇
3.设c是u未使用的波长，d是F[k-1]上未使用的波长
4.反转cdu路径
5.设w∈F,F’＝[F[0]...w]是一个扇，d是w未使用的波长
6.旋转F’并设c(u,w)＝d
带宽分配伪代码：
1.设(u,v)任意图G的一条边
2.设c是u和v都未使用的波长
3.若c存在则c(u,v)＝c；若c不存在则放弃分配波长
*******************************
为更直观地描述本发明的波长分配方法，以下示例详细描述了动态调整Pod内波长分配的方法。
环境配置：设一个Pod内有9个Rack，由一个WSS-Based交换机提供Rack间互连；每个Rack有5个端口连接不同波长的收发器用于Pod内互连；每个Rack的收发器连接至一个Mux/DeMux，Mux/DeMux连接至WSS-Based交换机。
需求配置：根据算法可知，5种波长可以分配给拓扑最大度数(即入射到图G的任何单个节点的边数)为4的图，能够配置为如图7(a)所示的2DMesh和如图7(b)所示的2DTorus拓扑等。
算法结果：将5种波长分别表示为0-4数字分配到每条光路上，通过波长分配方法构建出如图7(c)所示的2DMesh和图7(d)所示的2DTorus拓扑，没有发生波长冲突。
上文介绍的WSS-based光交换机的波长分配方法提供了一个交换机上单层的多个节点间的拓扑配置方法。进一步地，数据中心可以使用一定数量的WSS-based光交换机来实现规模扩展，每个WSS-based光交换机分属于不同的层次，其中，规模的扩展或拓扑的构建可基于数据中心的全局通信需求而确定。
图8示出了根据本发明一个实施例的基于波长选择开关的互连系统的拓扑构建方法。包括以下步骤：
步骤S810，基于数据中心的全局通信需求获得每层网络的通信负载需求。
例如，对所有ToR按顺序编号，通过统计前一段时间的ToR交换机之间的通信量，可以得到所有ToR间的全局通信矩阵G，矩阵元素G(i，j)为ToR(i)与ToR(j)的通信量。统计每对Block间的通信矩阵B，即将源Block中ToR与目的Block的ToR通信量相加。设有6个ToR交换机，共3个Block，每个Block有2个ToR交换机，第2层网络维度为1，统计的全局通信矩阵G和每对Block间的通信矩阵B示意如下：
步骤S820，获取光交换机的连接矩阵和带宽优先分配表。
在此步骤中根据数据中心网络匹配的结构，得到每个WSS-Based光交换机匹配的连接矩阵和带宽优先分配表。
首先，利用事先选定的经典拓扑矩阵和需求矩阵进行匹配，选择相似度最高的拓扑的连接矩阵；然后，根据服务优先级或需求矩阵要求，对特定链路增加带宽，得到带宽优先分配表。
所述的连接矩阵是指两个节点间是否有实际链路，0为没有，1为有；带宽优先分配表是指需要分配带宽的节点对顺序表；经典拓扑矩阵是经典拓扑，例如Torus和HyperX的连接矩阵；需求矩阵是在步骤S710中获得的上一段时间的通信量矩阵；服务优先级可由使用者输入，表示为节点对矩阵。
例如，对于只有一个Block间的WSS的情形，由于通信量平均，故其连接矩阵为全连接方式，即该WSS需要对每条物理链路分配波长，分配顺序任意，连接矩阵可表示为如下的T：
步骤S830，利用波长分配方法为光交换机分配波长。
根据本发明的波长分配方法将WSS-Based光交换机的每个端口可用的波长分配到待分配的链路上，形成无冲突的波长分配方案。
例如，对于Block间WSS，有3个波长，每个节点都需要与另外两个节点有连接，因而度数为2。通过WSS交换机的波长配置算法，得到无冲突的波长分配C，表示为：
步骤S840：根据波长分配结果，调整光交换机的波长路由。
通过控制平面重置各个WSS-Based光交换机中每个WSS的波长路由。控制平面是每个WSS-Based光交换机的控制器的组合，集中在一起进行控制。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (10)

1.一种可重构的互连系统，其特征在于，所述系统包括电域网络层和至少一层光域网络层，其中，所述电域网络层包括用于将电域信号和光信号进行相互转换的收发器，所述光域网络层包括信号复用/分离器以及基于波长选择开关的光交换机，所述收发器连接至所述信号复用/分离器，所述信号复用/分离器连接至所述光域网络层的所述基于波长选择开关的光交换机。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统包括两层光域网络层，所述电域网络层中的收发器分为多组，其中一个收发器组用于第一层光域网络的连接，其余收发器组用于第二层光域网络层的多个维度的连接。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光交换机由通过光纤进行部分连接的多个波长选择开关构成。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光交换机由通过光纤进行全连接的多个波长选择开关构成。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，对于由p+1个1：q端口的波长选择开关构成的所述光交换机，连接规则为第i个波长选择开关的第(j-i-1+p)％p个端口连接至第j个波长选择开关的第(i-j-1+p)个端口，其中，q大于等于p。
6.一种用于权利要求1至5中任一项所述系统的波长分配方法，包括以下步骤：
设置图G(N,E)，将所述系统中的光交换机的端口表示为图中的节点N，将节点间的边表示为E；
将数量为n的输入波长表示为颜色集合C，将C中的颜色分配给所述多重图中的边，其中，每个节点引出的边的颜色不相同且每个边至少分配一种颜色。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，图G(N,E)为多重图，至少一对节点之间有两条或两条以上的边。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，图G(N,E)为简单图，任意一对节点之间至多有一条边。
9.一种用于权利要求1至5中任一项所述的系统的拓扑构建方法，包括以下步骤：
步骤1：基于数据中心的通信需求获取所述系统中的电域网络层和光域网络层的通信负载需求；
步骤2：获取用于反映所述光域网络层中的光交换机的光路关系的连接矩阵和用于反映光路带宽的带宽优先分配表；
步骤3：基于所述连接矩阵和带宽优先分配表为光交换机的端口分配波长，以为所述系统构建光路由。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，在步骤3中采用权利要求6至8中任一项所述的方法为光交换机的端口分配波长。
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