CN107407777A - 用于光网络的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种光路交换矩阵包括：多个光口，每个光口光耦合到多个用户节点中的相应一个；以及光耦合器，其具有输出端口和至少一个光耦合到所述多个光口的输入端口。所述光路交换矩阵还包括波长解复用器，所述波长解复用器具有：输入端，其光耦合到所述光耦合器的所述输出端口；以及多个输出端口，每个输出端口光耦合到所述多个光口中的相应一个。

Description

用于光网络的系统和方法
本申请要求2015年3月5日递交的第62/128,627号美国临时专利申请案和2015年10月7日递交的第14/877,280号美国传统专利申请案的在先申请优先权，这两个在先申请的内容以引用的方式并入本文本中。
技术领域
本发明涉及一种用于光电子的系统和方法，尤其涉及一种用于光网络的系统和方法。
背景技术
互联网流量的增加推动了数据中心规模的扩大。数据中心托管数据密集型应用，数据中心中的服务器之间存在大量交互。随着数据中心规模的扩大，互联网络可能变得复杂、昂贵且耗电。数据中心网络可能吞吐量有限、带宽收敛比高、延迟高、功耗高、存在大量互联并且成本高。光网络可以通过减少交换次数来增加吞吐量。然而，本领域需要能够以低成本和低复杂度在大量服务器之间交换数据的光交换网络。
发明内容
一种实施例光路交换矩阵包括：多个光口，每个光口光耦合到多个用户节点中的相应一个；以及光耦合器，其具有输出端口和至少一个光耦合到所述多个光口的输入端口。所述光路交换矩阵还包括波长解复用器，所述波长解复用器具有：输入端，其光耦合到所述光耦合器的所述输出端口；以及多个输出端口，每个输出端口光耦合到所述多个光口中的相应一个。
一种实施例方法包括光路交换矩阵从多个用户节点接收多个输入光包流，以及合并所述多个输入光包流以产生合并光包流。所述方法还包括：将所述合并光包流的具有第一波长的一部分交换到第一用户节点，将所述合并光包流的具有第二波长的一部分交换到第二用户节点；以及所述光路交换矩阵向所述第二用户节点传输所述合并光包流的所述第一交换部分。此外，所述方法包括所述光路交换矩阵向所述第二用户节点传输所述合并光包流的所述第二交换部分。
一种实施例光路交换矩阵包括：多个光口，每个光口光耦合到多个用户节点中的相应一个，其中只有一根光纤将每个所述用户节点耦合到所述光路交换矩阵；以及光耦合器，其耦合到输出端口和所述多个光口。所述光路交换矩阵还包括波长解复用器，所述波长解复用器具有：输入端，其光耦合到所述光耦合器的所述输出端口；以及多个输出端口。
前述内容已相当宽泛地概述了本发明一实施例的特征，从而能够更好地理解接下来对本发明的详细描述。下文将描述本发明实施例的额外特征及优点，这些构成本发明权利要求的主题。本领域技术人员应理解，所公开的概念及特定实施例可被很容易地用作修改或设计用于实行本发明相同目的的其它结构或过程的基础。本领域技术人员还应认识到，此种等效构造没有脱离所附权利要求中阐述的本发明的精神及范围。
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Helios架构；
图2示出了数据中心光交换机(datacenter optical switch，DOS)；
图3示出了E-Rapid架构；
图4示出了P比特级(petabit)交换机；
图5示出了数据涡；
图6示出了双向光子网络；
图7示出了光时隙交换；
图8示出了包光分插复用器(packet optical add/drop multiplexer，POADM)结构；
图9示出了一实施例光路交换系统；
图10示出了具有集中控制器的另一实施例光路交换机；
图11示出了实施例调度器；
图12示出了实施例流量需求矩阵(traffic demand matrix，TDM)；
图13示出了实施例光路交换机；
图14示出了实施例阵列波导光栅路由器(arrayed waveguide grating router，AWGR)；
图15示出了实施例用户节点；
图16示出了由光路交换矩阵执行的光交换的实施例方法的流程图；
图17示出了由用户节点执行的光控制的实施例方法的流程图；
图18示出了由用户节点执行的光交换的实施例方法的流程图；
图19示出了由集中控制器执行的光控制的实施例方法的流程图；
图20示出了由集中控制器执行的光控制的另一种实施例方法的流程图。
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。
一种实施例光网络架构具有星型结构的集中式无源N x N光路交换矩阵，其中N是光路交换矩阵的输入端口数量和输出端口数量。在星形配置中，单根光纤连接中央光路交换节点端口和用户节点。中央光路交换机是一个波长交换机。在波长交换机中，光交换机被基于波长交换到特定输出端口。一个光纤连接可包括一对光纤，其中每个方向一根光纤或单根光纤双向使用。每次从用户节点到中央光交换节点存在一个光数据信道。该信道通过时隙来划分，不同时隙的波长可能不同。每次从中央光路交换节点到用户节点存在一个信道。该信道通过时隙来划分，该信道的波长是固定的。每个波长在每个时隙中最多由中央光路的一个输入端口接收。在中央光路交换节点处，交换在没有有源交换、数据缓冲或光门的情况基于波长进行。中央光路交换节点处的集中控制器根据用户节点的流量需求通过控制信道来调度波长分配。集中控制器还执行时隙监控和用户节点间的同步。
图1示出了Helios数据中心网络100。Helios数据中心使用两层数据中心网络架构。电包交换机102的收发器106通过10G光纤118耦合到pod 110的收发器114，pod 110也称为pod交换机或架顶(top-of-rack，ToR)交换机。Pod 110的一些收发器114耦合到复用器(multiplexer，Mux)112，Mux 112通过20G超级链路120耦合到光路交换机104的收发器108。超级链路120最多可以携带w x 10Gbps，其中w是波长数量，例如在1至32之间。此外，pod110通过10G铜线链路122耦合到主机116。Helios架构的机械交换时间可能很慢，例如大于10ms，这可适用于长时间的突发流量。
图2示出了数据中心光交换机(datacenter optical switch，DOS)130。DOS 130基于阵列波导光栅(arrayed waveguide grating，AWGR)140，并在波长域提供冲突解决。可调谐波长转换器(tunable wavelength converter，TWC)136阵列耦合到AWGR 140。节点可以通过调谐传输波长经由AWGR 140访问其它节点。ToR交换机132向标签提取器(labelextractor，LE)134传输包。控制面138控制TWC 136和LE 134。LE 134读取包的标签，标签可包括目的地址和包长，标签信息被发送到控制面138。控制面138随后基于提取到的标签信息从TWC 136中选择合适的波长。使用同步动态随机存取存储器(synchronous dynamicrandom access memory，SDRAM)缓冲器146来存储传输的包。这些包由解复用器152进行解复用并由光电(optical-to-electrical，O/E)转换器150从光域转换到电域，以便存储在SDRAM缓冲器146中。控制器148接收对缓冲包的请求，缓冲包从SDRAM缓冲器146中获取，由光电(optical-to-electrical，O/E)转换器144转换为光信号，由复用器142进行复用，并将由AWGR 140进行交换。
图3示出了分布式并行系统的扩展可重构全光子互联(Extended ReconfigurableAll Photonic Interconnect for Distributed and Parallel Systems，E-RAPID)架构151。机架包括机架153、168、170和172，托管服务器156和垂直腔面发射激光器(verticalcavity surface emitting laser，VCSEL)160。可重构控制器154用于控制纵横接线器158，并为VCSEL 160分配服务器156。一个特定波长每次只有一个VCSEL是活动的。耦合器162耦合到VCSEL 160，每个波长存在一个用于选择VCSEL的耦合器，该VCSEL将向可扩展的光远程高速公路(scalable optical remote super highway，SRS)174转发包。SRS 174包括若干光环，每个机架有一个SRS，每个波长有一个环。在接收器路径中，AWGR 166用于对路由到光电二极管(photodiode，PD)接收器164阵列的波长解复用。纵横接线器158用于将包从各接收器转发到单板中的合适节点。
图4示出了P比特级光交换机180，P比特级光交换机180基于三级Clos网络中的AWGR和TWC。ToR交换机182耦合到可调谐激光器184。输入模块(input module，IM)包括N xN个AWGR 186。可调谐激光器以特定波长传输包，包的波长用于路由包。中央模块(centralmodule，CM)包括TWC 188和AWGR 190。输出模块(output module，OM)包括TWC 192和AWGR194。拥堵管理使用线卡中的电子缓冲器和有效的调度算法进行。连接到P比特级交换机的输入端口的每个线卡托管一个缓冲器，包在传输之前就存储在该缓冲器中。包基于目的地址划分到不同的虚拟输出队列(virtual output queue，VOQ)。每个OM维护一个VOQ。调度器用于发现从输入端口到输出端口的二分图匹配，并为每个匹配分配一个CM。
图5示出了数据涡200，数据涡200包括节点206，节点206可以基于半导体光放大器(semiconductor optical amplifier，SOA)通过可配置的方式同时路由包和电路交换流量。SOA布置在门阵列配置中并且用作光子交换元件。数据涡拓扑由2x 2个交换元件组成，这些交换元件布置在具有终端对称性的全连通定向图中。单包路由节点是全分散式的，没有集中式仲裁。拓扑被划分为层次结构或圆柱体结构。
图6示出了交换结构210，交换结构210基于构成SOA的2x 2个交换机。节点212可以是刀片式服务器或ToR交换机。交换机214布置在榕树网络中。每个交换机214包括六个SOA218、两个解复用器216和两个复用器219。每个端口可以与任何其它端口建立连接。
图7示出了包环网220，其具有基于包光分插复用器(packet optical add/dropmultiplexer，POADM)的环节点。在通过传输光纤222连接的环路中配置集线器224。该环路还可包括包流监控器226和路由器232。集线器和路由器连接到企业230和家庭236。连接可包括千兆以太网(gigabit Ethernet，GbE)228。包可以在插入级、转接级和分路级进行处理。在这种环状结构中，不存在中心交换节点，每个节点都进行交换决策。快速光门、光放大和滤波在每个节点均使用。
图8示出了POADM结构240。输入端和输出端处的光放大器242和262管理功率预算并实现多个节点的级联。光解复用器248执行解复用。光复用器254执行复用。每个波长的一个光门252执行放大、实时包管理和快速包功率均衡。光耦合器244、256和260提取并重新插入控制包，用于丢弃和添加包。解复用器248提取特定波长。层2电子控制板264包含接收器270、266和274以及发射器272和276，并且控制快速波长可调谐激光器268。
图9示出了实施例光路交换架构280。光路交换(optical circuit switching，OCS)矩阵282位于光路交换架构280的中心，OCS矩阵282是一个集中式N x N无源光路交换矩阵，具有N个输入端口和N个输出端口。光路交换矩阵282是一个光路交换机，其基于波长沿着路径引导信号。来自节点的通过时隙划分的包是经过波长交换的。例如，光路交换矩阵282可包括耦合器，随后是波长解复用器或AWGR。
在星型配置中，光路交换矩阵282耦合到N个用户节点286，每个用户节点的端口与光路交换矩阵282的端口之间存在双向光连接。N可以是32、64或128等。每个光连接可以是一对光纤，每根光纤在一个方向携带光信号，或者单根光纤双向使用。从用户节点286接收通过时隙划分的光包。调度来自所有用户节点的光包流，这样每个时隙中最多一个用户节点以各波长进行传输。通过时隙划分的光包是经过波长交换的。随后，将以每个用户节点的固定波长通过时隙划分的交换后光包传输到目的用户节点。每个用户节点与一个特定接收波长关联。针对每个用户节点与光路交换矩阵282之间的每个连接存在一个双向带外控制信道。该控制信道可以是专用控制信道。
耦合到光路交换矩阵282的控制器284用于波长分配和时隙同步。包被存储在缓冲器中，缓冲器可在用户节点处缓冲约1μs的数据。用户流量被寻址到N-1个方向中的一个，其中N是节点数量。用户流量在传输之前被缓冲在电域中以对准用户节点间的传输时隙，从而避免波长竞争。
图10示出了波长交换光路交换矩阵316的示例。用户节点312向光路交换矩阵316传输光包流。每个来自用户节点的输入光包通过以一个特定波长进行传输来寻址，该特定波长对应于包的目的地址。用户节点312还向光路交换矩阵316传输光控制包。光控制包流可以在专用控制波长上。针对每个用户节点存在一个双向带外(out-of-band，OOB)控制信道。在一个示例中，光控制包流包括对将要交换到光路交换矩阵316的特定输出端口的光包的请求。随后，控制器为光包分配时隙以避免冲突。分光器/光合路器310将光包流引导到耦合器322。耦合器322可以是一个无源光设备。耦合器322的WDM解复用器324将光控制流引导到控制器326的收发器328。每个节点有一个光控制流。WDM解复用器324还将一部分光从光包流引导到控制器326以进行时隙同步。
从用户节点到交换节点的OOB控制信道在耦合器输入端处通过WDM解复用器隔开，控制信号由OOB接收器接收。控制信号不进入耦合器。时隙分配在从交换节点到用户节点的OOB控制信道中传输。OOB控制信道进行WDM分路以便在与交换光包流相同的光纤中传输到用户节点。
控制器326通过协调波长和时隙分配等等来进行集中控制。控制器326在特定波长上为光包分配时隙，因此每个时隙中只有一个用户节点以特定波长进行传输。此外，控制器326执行时隙同步以在光路交换矩阵316处同步输入包的到达。控制器326的收发器328向耦合器322传输控制信息。该控制信息包括分配给节点的波长和时隙，以及时隙校正。
控制器326还确定时隙的时间，因此来自用户节点的时隙在光交换机处同步。当时隙不同步时，控制器向光路交换矩阵316传输控制信号以校正不同步的用户节点中时隙的时间，其中该控制信号被发往该不同步的用户节点。耦合器322的收发器328向用户节点312传输控制信息。该控制信息可以在专用控制波长上传输。用户节点稍后开始以分配的波长在分配的时隙中传输光包。用于传输的数据从VOQ中的正确缓冲器中获取，放入光包中，然后进行传输。
耦合器将来自用户节点的输入包流合并为合并光包流。
光放大器320对合并光包流进行放大以补偿损耗。光放大器320可以是SOA或EDFA。
解复用器318对光包流进行WDM解复用。解复用器318可以是一个无源光设备。光包流基于其波长进行分隔，这样，以一个特定波长传输的所有包都被路由到与对应于该特定波长的用户节点的单独输出光包流相同的输出端口。这些交换后的光包流被传播到光纤连接器310，光纤连接器310将这些包流引导到用户节点312。
图11示出了调度示例。用户流量基于目的地进行缓冲和排队。虚拟输出队列中存在N-1个缓冲器，每个目的地有一个缓冲器。用户节点还存储流量需求向量，流量需求向量跟踪缓冲器的大小。该流量需求向量通过中央控制器的控制信道传输到中央控制器。中央控制器从每个节点接收流量需求向量并维护流量需求矩阵。调度基于流量需求矩阵进行。发往目的地k的新流量在虚拟输出队列模块343的缓冲器k中排队，虚拟输出队列模块343包含N-1个队列。数据随后被放置在虚拟输出队列的目的地k部分。数据存储在缓冲器中，并从缓冲器中提取用于传输。
图12示出了流量需求矩阵440。流量需求请求从每个传输端口传输到控制器284，流量需求矩阵(traffic demand matrix，TDM)在每个时隙都更新。对于80个波长，其中每个波长有2个字节，每个时隙都必须传输控制信息的160个字节或1280个比特。在2μs时隙的示例中，控制信息的带宽需求是1280bits/2μs＝640Mbps。调度器基于TDM确定传输时隙。控制器284从光路交换矩阵282接收源自用户节点286的连接请求。随后，控制器284基于从用户节点收到的连接请求为每个包分配时隙，这样每个用户节点在每个时隙最多接收一个包，因此每个波长在每个时隙最多使用一次。控制器284监控时隙的时隙未对准情况，并且可引导用户节点发射器调整时隙时间，以便不同的波长同时到达光路交换矩阵。
图13示出了波长交换架构300。波长交换架构300可以例如在图9示出的光路交换矩阵282中使用。波长交换架构300中的光交换节点302包括耦合器304、光放大器306和WDM解复用器308。
输入端口301从用户节点接收黑白光输入。输入光包流从用户节点接收。来自所有用户节点的光包被同步以在预定时隙中到达光路交换矩阵282。在相同时隙到达的各个包具有不同的波长。给定输入包流中的在不同时隙到达的不同包可能具有不同的波长，对应于这些包的不同目的地址。每个包的波长确保该包被交换到光交换节点302的输入端口，该输入端口对应于该光包的预期目的地。在一个示例中，波长源是一个可调谐激光器，例如取样光栅分布式布拉格反射器(sample grating distributed Bragg reflector，SG-DBR)激光器、使用微机电系统(micro-electro-mechanical system，MEMS)结构来调谐腔长的外腔激光器、使用多棱镜光栅装置的外腔激光器、基于热调谐的分布式反馈(distributedfeedback，DFB)激光器的DFB激光器阵列，或者可调谐的VCSEL。在另一个示例中，波长源是一个快速波长光交换机，其从多波长激光器源中选择所需的波长。光发射器的输出通过时隙来划分，用户节点的时隙在到达交换矩阵时进行同步。
耦合器304是一个无源元件，其从用户节点中的光发射器接收光包流，并将收到的光包流合并为单个光包流。
光放大器306对合并后的光流进行放大以补偿传输损耗。光放大器306可以是一个半导体光放大器(semiconductor optical amplifier，SOA)或者掺杂光纤放大器(dopedfiber amplifier，DFA)，例如掺铒光纤放大器(Erbium doped fiber amplifier，EDFA)。
解复用器308是一个无源光设备，其对合并后的光包流进行WDM解复用，并将各波长发送到对应的输出端口。在一些示例中，光放大发生在解复用之后，这样可以使用单波长放大。在其它示例中，不使用光放大。
在另一个示例中，光交换节点是AWGR。图14示出了AWGR 350。具有不同波长的输入光信号在输入端352中接收。输入光信号遍历自由空间区域354，其中光在耦合器/平板接口处从输入波导衍射出并传播经过自由空间区域354。
光随后进入衍射区356。在衍射区356中，光从光栅波导的长度增量开始经历相位变化，相位变化取决于波长。从光栅的每个波导衍射的光自身受到相长干扰。
在自由空间区域358中，使用透镜等将光重聚焦到输出波导359。每个输出波导接收光的不同波长。
图15示出了用户节点310。用户节点310包括处理器332，处理器332耦合到发射器334和342、接收器336和342，以及缓冲器338。处理器332接收用于传输到另一用户节点310的输入数据，处理输入数据并将数据存储到缓冲器338中，缓冲器338是一个虚拟输出队列(virtual output queue，VOQ)。数据存储在电域的数据缓冲器中，同时等待转换到光域并传输到光路交换节点以进行交换。
处理器332基于缓冲器338中存储的数据的目的地址向控制器326传输连接请求。控制发射器340将该连接请求从电域转换到光域。该控制发射器具有专用于控制信息的固定波长。该连接请求和光数据流由WDM复用器344合并，并被传输到光路交换矩阵。控制信道是带外信道，其使用的波长不用于数据信道。
控制器326为连接请求分配时隙，并向用户节点330传输连接响应，该连接响应标识分配的时隙。WDM解复用器346接收该连接响应并发送到控制接收器342。该连接响应可以在专用控制波长上，该控制波长不用于数据传输。在一个示例中，对双向控制信号，即连接请求和连接响应，使用相同的控制波长。或者，连接响应与连接请求在不同的波长上。控制信道接收器342将连接响应从光域转换到电域，并发送到处理器332。
在准备数据包传输时，处理器332从VOQ 338中读取数据包。随后，将数据发送到数据发射器334。数据发射器334是一个快速波长可调谐源，例如可调谐激光器或波长选择器。在一个示例中，波长源是一个可调谐激光器，例如SG-DBR激光器、使用MEMS结构来调谐腔长的外腔激光器、使用多棱镜光栅装置的外腔激光器、基于热调谐的DFB激光器的DFB激光器阵列，或者可调谐的VCSEL。在另一个示例中，波长源是一个快速波长光交换机，其从多波长激光器源中选择所需的波长。快速可调谐波长源在不同时隙能够以不同波长来传输包。用于传输包的波长指示光路交换矩阵的输出端口，包将被引导到该输出端口。光数据包以选定波长进行传输，这样光数据包在选定时隙中到达光路交换矩阵。WDM复用器344合并光数据包流和控制请求以便传输到光路交换节点。
在用户节点310处收到的光数据由WDM解复用器346发送到数据接收器336。用户节点以分配给发往该用户节点的数据的固定波长来接收光数据。数据接收器336是时隙或突发模式光接收器，其检测以分配的波长接收的数据。数据接收器336将数据从光域转换到电域，并发送到处理器332。处理器332可处理该数据。最后，处理器332将该数据传输到用户节点中的其它位置。
一项实施例可包括非瞬时性存储器，例如静态随机存取存储器(static randomaccess memory，SRAM)、动态随机存取存储器(dynamic random access memory，DRAM)、同步DRAM(synchronous DRAM，SDRAM)、只读存储器(read-only memory，ROM)或它们的组合，它们在程序存储器中使用并由处理器执行，数据存储和处理由处理器执行。
图16示出了由光路交换矩阵执行的光交换的实施例方法的流程图360。在步骤362中，光路交换矩阵从用户节点接收控制信息。光交换机可同时从多个用户节点接收控制信息。控制信息被发送到耦合器的收发器。
接着，在步骤364中，将控制信息发送到控制器。耦合器的收发器将控制信息从光域转换到电域。随后，将电控制信息传输到控制器的收发器。关于光数据流的信息也可传输到控制器。在一个示例中，步骤364在光交换矩阵的耦合器中执行。或者，步骤364由一个独立设备执行。
在步骤368中，光路交换矩阵从控制器接收控制信息。该控制信息在电域中从控制器收发器传输到耦合器收发器。随后将控制信号从电域转换到光域以便传输到用户节点。控制信号可在专用控制波长上传输，该专用控制波长可以与从用户节点接收控制信息的波长相同。在一个示例中，控制信息在光交换矩阵的耦合器中从电域转换到光域。在另一个示例中，控制信息由独立的电光转换器从电域转换到光域。
在步骤370中，光交换机从用户节点接收光数据流。光路交换矩阵从每个用户节点接收一个光数据流。
随后，在步骤374中，光交换矩阵将这些光包流合并为合并光包流。将光流的时隙对准以避免被交换到相同输出端口的光包重叠。
接着，在步骤376中，对合并光包流进行放大以补偿功率损耗。可使用SOA或EDFA进行放大。
在步骤378中，对放大后的合并光包流进行WDM解复用。光数据通过波长进行分隔，每个波长与光路交换矩阵的一个特定输出端口关联。在一个示例中，每个波长中的光包被引导到与该用户节点关联的复用器，在复用器中，光包与控制信道进行复用。或者，每个波长中的光包被直接发送到用户节点。
在步骤380中，对特定用户节点的控制信息和光数据流进行复用。该步骤对每个用户节点均单独执行。对于每个用户节点，光数据在一个波长上传输，控制信息在另一个波长上传输。
随后，在步骤382中，将光数据流和控制信息光传输到用户节点。每个节点与光路交换矩阵之间可能存在单个光连接。单个光连接可以是两根光纤，每个方向一根光纤，或者是单根双向光纤。
在一些实施例中，光交换矩阵只交换光数据流，不处理控制信息。例如，控制器可直接与用户节点通信。
图17示出了由用户节点执行的光控制的实施例方法的流程图390。在步骤391中，用户节点向光路交换矩阵传输控制信息。该控制信息从收到的数据中提取，例如从收到的数据包头中提取。该控制信息可指示数据包的目的地址。用户节点还可进行某些处理。控制发射器将该控制信息从电域转换到光域，控制发射器可以是以控制波长进行传输的单波长激光器。对该控制信息与光数据流进行WDM复用，并传输到光交换机。
在步骤392中，用户节点从光路交换矩阵接收控制响应。通过使用WDM解复用将该控制响应与收到的光数据流隔开，并发送到控制接收器。该控制响应可以在专用控制波长上接收。控制接收器将该控制信息从电域转换到光域。
在步骤393中，处理控制信息。该控制信息包括待传输数据的调度信息。该控制信息还可包括时间校正，时间校正可用于调整来自用户节点的数据传输的时间，这样，数据传输到达光路交换矩阵的时间与预定时隙对准。
图18示出了由用户节点执行的光交换的实施例方法的流程图394。流程图394的光交换方法可与流程图390示出的光控制流程同时发生。首先，在步骤396中，用户节点接收数据以进行光交换。随后，在步骤398中，用户节点在数据缓冲器中存储收到的数据，数据缓冲器可以是VOQ。数据存储在缓冲器中，等待所分配的用于传输到光路交换矩阵的时隙的到来。
随后，在步骤400中，在分配的时隙中传输数据缓冲器中存储的数据。数据发射器将该数据转换到光域，数据发射器是一个可调谐波长源。数据在与目的用户节点对应的特定波长上进行编码。在一个示例中，波长源是一个可调谐激光器，例如SG-DBR激光器、使用MEMS结构来调谐腔长的外腔激光器、使用多棱镜光栅装置的外腔激光器、基于热调谐的DFB激光器的DFB激光器阵列，或者可调谐的VCSEL。在另一个示例中，波长源是一个快速波长光交换机，其从宽带激光器源中选择选定的波长。对光数据与控制信息进行WDM复用，并传输到光路交换矩阵。
在步骤402中，用户节点在与用户节点关联的波长上从光路交换矩阵接收交换后的光数据。对交换后的数据与控制数据进行WDM解复用，并由数据接收器转换到电域。
在步骤404中，用户节点处理收到的数据。
在步骤406中，用户节点输出处理后的数据。
图19示出了由中央控制器执行的光交换控制的实施例方法的流程图410。在步骤412中，中央控制器例如通过光路交换矩阵从用户节点接收流量信息。流量信息指示等待在用户节点处传输的数据包的目的地址。
在步骤414中，控制器为用户节点调度时隙分配。每个传输均被分配了一个时隙，这样，每次最多一个包会传输到每个目的用户节点，因此每个时隙每个波长最多传输一个包。一些包会延迟到稍后的时隙，从而避免以相同波长同时传输多个包。控制器尝试最小化总延迟，同时避免波长竞争。
在步骤416中，控制器例如通过光路交换矩阵向用户节点传输时隙分配。
图20示出了由中央控制器执行的光交换控制的实施例方法的流程图417。在步骤418中，控制器执行时隙同步。时隙同步周期性地执行，例如在每个时隙执行。控制器监控从用户节点传输的包到达光路交换矩阵的时间。当包同步不正确时，中央控制器确定所需时间变化并相应地指示合适的用户节点。
在步骤420中，中央控制器向光路交换矩阵传输同步信息，该同步信息发往用户节点。
一种实施例光互联网络架构执行二维(时间和波长分割)动态光交换。通过时隙划分的波长寻址传输支持N x N无源互联方案。一种实施例光互联网络架构在光互联结构处使用无源耦合器和WDM解复用器，并基于各个包的波长进行交换。在一实施例中，使用星型配置。一种实施例光互联网络架构的成本低、功耗低、延迟小、容量大、可扩展性好。实施例可在数据中心、城域交换、分布式光传输网络(optical transport network，OTN)交换和其它光交换应用中实施。一实施例提供简单、成本低且功率低的交换。
一种实施例光路交换矩阵包括：多个光口，每个光口光耦合到多个用户节点中的相应一个；以及光耦合器，其具有输出端口和至少一个光耦合到所述多个光口的输入端口。该光路交换矩阵还包括波长解复用器，该波长解复用器具有：输入端，其光耦合到光耦合器的输出端口；以及多个输出端口，每个输出端口光耦合到多个光口中的相应一个。
一实施例还包括光耦合在光耦合器与波长解复用器之间的光放大器。在另一实施例中，光路交换矩阵和多个用户节点形成一个星型拓扑。
在又一实施例中，光路交换矩阵电耦合到中央控制器。例如，多个光口中的一个光口用于从多个用户节点中的第一用户节点接收控制消息，其中光路交换矩阵用于向中央控制器传输控制消息。在一示例中，光路交换矩阵用于从中央控制器接收控制响应，其中光口用于向第一用户节点传输控制响应。例如，控制响应指示将由第一用户节点传输到第二用户节点的数据的时隙分配。在一示例中，控制响应指示将由第一用户节点传输到第二用户节点的数据的时间校正。
在一实施例中，每个光口包括一个分光器。在另一实施例中，波长解复用器是一个阵列波导光栅路由器(arrayed waveguide grating router，AWGR)。在又一实施例中，至少一个输入端口是多个输入端口，其中这多个输入端口用于从多个用户节点接收多个输入光流，光耦合器用于合并这多个输入光流以在光耦合器的输出端口上产生合并光流。
一种实施例方法包括光路交换矩阵从多个用户节点接收多个输入光包流，以及合并这多个输入光包流以产生合并光包流。该方法还包括：将合并光包流的具有第一波长的一部分交换到第一用户节点，将合并光包流的具有第二波长的一部分交换到第二用户节点；以及光路交换矩阵向第二用户节点传输合并光包流的第一交换部分。此外，该方法包括光路交换矩阵向第二用户节点传输合并光包流的第二交换部分。
一种实施例方法还包括：光路交换矩阵从多个用户节点中的第一用户节点接收控制消息；以及光路交换矩阵向中央控制器传输该控制消息。一种实施例方法还包括：光路交换矩阵从中央控制器接收控制响应；以及光路交换矩阵向第一用户节点传输该控制响应。在一实施例中，控制响应指示将由第一用户节点传输到第二用户节点的数据的时隙分配。在另一实施例中，控制响应指示将由第一用户节点传输到第二用户节点的数据的时间校正。
一种实施例方法还包括：将多个输入光包流转换为多个电输入流；以及光路交换矩阵向控制器传输这多个电输入流。另一种实施例方法包括对合并光包流进行放大。在又一实施例方法中，将合并光包流的具有第一波长的一部分交换到第一用户节点并且将合并光包流的具有第二波长的一部分交换到第二用户节点包括使用波长解复用器来交换合并光包流。
一种实施例光路交换矩阵包括：多个光口，每个光口光耦合到多个用户节点中的相应一个，其中只有一根光纤将每个用户节点耦合到光路交换矩阵；以及光耦合器，其耦合到输出端口和多个光口。该光路交换矩阵还包括波长解复用器，该波长解复用器具有：输入端，其光耦合到光耦合器的输出端口；以及多个输出端口。
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它特定形式来体现。本发明的示例应被视为说明性而非限制性的，且本发明并不限于本文所给出的细节。例如，各种元件或组件可以在另一系统中合并或集成，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、设备或中间部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 (20)

1.一种光路交换矩阵，其特征在于，包括：
多个光口，每个光口光耦合到多个用户节点中的相应一个；
光耦合器，所述光耦合器具有输出端口和至少一个光耦合到所述多个光口的输入端口；以及
波长解复用器，所述波长解复用器具有：输入端，其光耦合到所述光耦合器的所述输出端口；以及多个输出端口，每个输出端口光耦合到所述多个光口中的相应一个。
2.根据权利要求1所述的光路交换矩阵，其特征在于，还包括光耦合在所述光耦合器与所述波长解复用器之间的光放大器。
3.根据权利要求1所述的光路交换矩阵，其特征在于，所述光路交换矩阵和所述多个用户节点形成一个星型拓扑。
4.根据权利要求1所述的光路交换矩阵，其特征在于，所述光路交换矩阵电耦合到中央控制器。
5.根据权利要求4所述的光路交换矩阵，其特征在于，所述多个光口中的一个光口用于从所述多个用户节点中的第一用户节点接收控制消息，所述光路交换矩阵用于向所述中央控制器传输所述控制消息。
6.根据权利要求5所述的光路交换矩阵，其特征在于，所述光路交换矩阵用于从所述中央控制器接收控制响应，所述光口用于向所述第一用户节点传输所述控制响应。
7.根据权利要求6所述的光路交换矩阵，其特征在于，所述控制响应指示将由所述第一用户节点传输到第二用户节点的数据的时隙分配。
8.根据权利要求7所述的光路交换矩阵，其特征在于，所述控制响应指示将由所述第一用户节点传输到所述第二用户节点的数据的时间校正。
9.根据权利要求1所述的光路交换矩阵，其特征在于，每个所述光口包括一个分光器。
10.根据权利要求1所述的光路交换矩阵，其特征在于，所述波长解复用器是一个阵列波导光栅路由器(arrayed waveguide grating router，AWGR)。
11.根据权利要求1所述的光路交换矩阵，其特征在于，所述至少一个输入端口是多个输入端口，所述多个输入端口用于从所述多个用户节点接收多个输入光流，所述光耦合器用于合并所述多个输入光流以在所述光耦合器的所述输出端口上产生合并光流。
12.一种方法，其特征在于，包括：
光路交换矩阵从多个用户节点接收多个输入光包流；
合并所述多个输入光包流以产生合并光包流；
将所述合并光包流的具有第一波长的一部分交换到第一用户节点，将所述合并光包流的具有第二波长的一部分交换到第二用户节点；
所述光路交换矩阵向所述第二用户节点传输所述合并光包流的所述第一交换部分；以及
所述光路交换矩阵向所述第二用户节点传输所述合并光包流的所述第二交换部分。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括：
所述光路交换矩阵从所述多个用户节点中的第一用户节点接收控制消息；以及
所述光路交换矩阵向中央控制器传输所述控制消息。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括：
所述光路交换矩阵从所述中央控制器接收控制响应；以及
所述光路交换矩阵向所述第一用户节点传输所述控制响应。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述控制响应指示将由所述第一用户节点传输到第二用户节点的数据的时隙分配。
16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述控制响应指示将由所述第一用户节点传输到所述第二用户节点的数据的时间校正。
17.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括：
将所述多个输入光包流转换为多个电输入流；以及
所述光路交换矩阵向控制器传输所述多个电输入流。
18.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括对所述合并光包流进行放大。
19.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，将所述合并光包流的具有所述第一波长的所述一部分交换到所述第一用户节点并且将所述合并光包流的具有所述第二波长的所述一部分交换到所述第二用户节点包括使用波长解复用器来交换所述合并光包流。
20.一种光路交换矩阵，其特征在于，包括：
多个光口，每个光口光耦合到多个用户节点中的相应一个，其中只有一根光纤将每个所述用户节点耦合到所述光路交换矩阵；
光耦合器，所述光耦合器耦合到输出端口和所述多个光口；以及
波长解复用器，所述波长解复用器具有多个输出端口和光耦合到所述光耦合器的所述输出端口的输入端。
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