CN107800483A - 基于阵列波导光栅的多芯多波短距互连网络 - Google Patents

基于阵列波导光栅的多芯多波短距互连网络 Download PDF

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Abstract

一种基于阵列波导光栅(AWG)的多芯多波短距互连网络，包括N个上层交换机、N个下层交换机和网络中间级，每个上层交换机和下层交换机均有N个CWDM光收发模块，每个上层交换机的N个光收发模块与n个m×1多芯光复用模块相连，每个下层交换机的N个光收发模块与n个1×m多芯光解复用模块相连，所述的网络中间级由n2个r×r多芯多波连线模块构成，上层的多芯光复用模块、下层的多芯光解复用模块与中间级的n2个r×r多芯多波连线模块通过m芯MPO‑MPO光纤跳线连接。本发明互连网络的连线复杂度为O(N2/r)，使用的波长集合为Λ＝{λ0,…,λk‑1}，本发明在减少网络连线复杂度的同时，节约通信窗口的波长资源，增强了基于AWG互连网络的扩展性。

Description

基于阵列波导光栅的多芯多波短距互连网络
技术领域
本发明涉及光互连网络技术领域，特别是一种基于阵列波导光栅(ArrayedWaveguide Grating，以下简称为AWG)的多芯多波短距互连网络。
背景技术
随着大数据时代的到来，大量涌现出新兴的宽带应用和信息消费，对海量信息的传输、存储和计算提出了新的要求。其中，数据中心扮演着举足轻重的角色，已成为信息化社会的基础设施。网络信息的爆炸式增长，驱动着数据中心的规模朝着超大型的方向发展。传统设备间端口直连的连线方式，使得超大型数据中心交换机之间的缆线连接变得十分复杂。
复杂长缆线会对系统维护造成巨大困难。首先，网络连接关系发生改变或线路失效时，系统维护极其困难。其次，IBM的报告显示，密集线缆会影响机架的散热。思科白皮书指出，连线问题已经影响到系统的扩展性和能耗，而成为业界公认的瓶颈之一。因此，寻求降低连线复杂度的方法以满足不断扩大的数据中心需求，已成为一个重要的研究课题。
目前，业界所提出的降低连线复杂度的互连方式大致可以分成以下几种：
(1)基于无线技术的连线方式
基于无线技术的连线方式主要利用无线链路替代部分或者所有设备的有线链路。该种连线方式在实际应用中存在许多问题。首先，无线链路速率与链路带宽需求相差甚远。其次，无线信道抗干扰能力较弱，需要引入额外的精确调度机制来避免信道间的干扰，使得设备扩展性差。再者，无线站点功耗较高。
(2)基于光波分复用(WDM)技术的连线方式
该方式主要利用WDM环网实现机架间逻辑上的全连线，其中每对波长连接一对机架。这种连线方式表面上简化了网络结构和连线复杂度，但它连接N个ToR就需要O(N2)个波长。面对上万个机架，则需要上亿个波长，因此方案可用性差。
(3)基于阵列波导光栅(AWG)的模块化互连方式
基于AWG的模块化互连方式主要采用光纤的波分复用(WDM)技术和AWG波长路由功能相互配合的方式来降低布线复杂度。一个N×N AWG互连网络由(N/r)2个r×r AWG互连而成的三级网络构成，缆线数量可以减少到O(N2/r)。因此，将AWG模块化互连网络应用于数据中心网络，可以在保障通信带宽的同时显著减少连线数量。但是，在数据中心规模进一步变大时，r×r AWG的端口数r也会跟着变大，从而仍旧会导致扩展性问题：首先，网络需要使用大量波长不同的光端机，系统部署成本变高；其次，端口数大的AWG会产生显著的带内串扰；再者，AWG加工工艺难度变大。
因此，面向超大规模数据中心连线问题，本发明提供一种基于AWG的多芯多波短距互连网络，进一步提高AWG互连网络的可扩展性。
发明内容
本发明的目的是针对超大规模数据中心网络连线复杂度、可扩展性问题，提供一种基于阵列波导光栅的多芯多波短距互连网络，以减少网络连线复杂度，增强基于AWG互连系统的扩展性。
为实现上述发明目的，本发明的技术解决方案如下：
一种适用于波长集合为Λ＝{λ0,λ1,…,λk-1}的基于阵列波导光栅的多芯多波短距互连网络，其特征在于：包括N个上层交换机分别标号为u0,u1,…,uN-1，N个下层交换机，分别标号为v0,v1,…,vN-1和网络中间级，每个上层交换机和下层交换机均有N个CWDM光收发模块，每个上层交换机的N个光收发模块与n个m×1多芯光复用模块相连，每个下层交换机的N个光收发模块与n个1×m多芯光解复用模块相连，所述的网络中间级由n2个r×r多芯多波连线模块构成，上层的多芯光复用模块、下层的多芯光解复用模块与中间级的n2个r×r多芯多波连线模块通过m芯MPO-MPO光纤跳线连接；其中，r＝mk，k为波长集合Λ的波长数，m为MPO-m芯光纤分支跳线的跳线数；
所述的n2个r×r多芯多波连线模块由MPO-m芯光纤分支跳线与m2个k×k AWG构成，其中k为波长集合Λ的波长数，所述的r×r多芯多波连线模块，包括r个MPO多芯光纤连接器构成的r个上层端口，m2个k×k AWG构成中间级，r个MPO多芯光纤连接器构成的r个下层端口，所述的上层端口、下层端口和中间级通过MPO-m芯光纤分支跳线连接，其中，r＝mk；k为波长集合Λ的波长数，m为MPO-m芯光纤分支跳线的跳线数；
所述的m×1多芯光复用模块：将m个相同的k×1光复用器的输出端连接在同一根MPO-m芯光纤分支跳线上，第d个k×1光复用器与MPO-m芯光纤分支跳线的第d根芯相连接，其中d＝0,1,…,m-1，每个k×1光复用器均与波长集合Λ＝{λ0,λ1,…,λk-1}相关联，所述的k×1光复用器的输入端口p与波长λp相关联，其中p＝0,1,…,k-1；
所述的1×m多芯光解复用模块：将m个相同的1×k光解复用器的输入端连接在同一根MPO-m芯光纤分支跳线上，第c个1×k光解复用器与MPO-m芯光纤分支跳线的第c根芯相连接，其中c＝0,1,…,m-1，每个1×k光解复用器均与波长集合Λ＝{λ0,λ1,…,λk-1}相关联，所述的1×k光解复用器的输出端口q与波长λq相关联，其中q＝0,1,…,k-1。
所述的中间级的r×r多芯多波连线模块为一个三级网络模块，该模块的中间级由m2个相同的k×k AWG构成，每个AWG均与Λ＝{λ0,λ1,…,λk-1}关联，每个k×k AWG都对应一个编号，第c×m+d个k×k AWG标记为B(c,d)，其中c,d＝0,1,…m-1，模块端口与k×k AWG之间通过MPO-m芯光纤分支跳线连接。模块的第α个上层端口的MPO-m芯光纤分支跳线的第d根芯与B(c,d)的第γ个上层端口相连，模块的第β个下层端口的MPO-m芯光纤分支跳线的第c根芯与B(c,d)的第δ个下层端口相连，其中
所述的N×N多芯多波短距互连网络是一个三级网络。网络中间级由n2个r×r多芯多波连线模块构成。每个r×r多芯多波连线模块都对应一个编号，第a×n+b个r×r多芯多波连线模块标记为A(a,b)，其中第i个上层交换机ui的第b个m×1多芯光复用模块通过m芯MPO-MPO光纤跳线与A(a,b)的上层端口α相连，A(a,b)的下层端口β通过m芯MPO-MPO光纤跳线与第j个下层交换机vj的第a个1×m多芯光解复用模块相连，其中，α＝[i]r，β＝[j]r。
所述的CWDM光收发模块是一种结合了CWDM技术的光收发器，光收发器的信道间隔视具体应用场合而定；
所述的MPO-m芯光纤分支跳线：该跳线的一端为一个MPO多芯光纤连接器，另一端为m个光纤分支接头，每个分支接头为一根单芯光纤；
所述的m芯MPO-MPO光纤跳线：该跳线的两端均有一个MPO多芯光纤连接器，两个MPO多芯光纤连接器通过m根光纤相连接；
所述的m×1多芯光复用模块：由m个k×1光复用器构成，k×1光复用器的输出端连接在同一根MPO-m芯光纤分支跳线上；
所述的1×m多芯光解复用模块：由m个1×k光解复用器构成，光解复用器的输入端连接在同一根MPO-m芯光纤分支跳线上；
所述的k×k AWG：有k个输入端口和k个输出端口的阵列波导光栅，每个输入端口包括k个输入波长信道，每个输出端口包括k个输出波长信道；
r×r多芯多波连线模块：该模块为一个封装好的标准模块，由r个MPO多芯光纤连接器构成r个上层端口，m2个k×k AWG构成中间级，其中，r＝mk，r个MPO多芯光纤连接器构成r个下层端口，上层端口、下层端口和中间级通过MPO-m芯光纤分支跳线连接，当k＝1时m＝r，k×k AWG退化成一条单波长的光纤连线，r×r多芯多波连线模块变成r×r r芯单波连线模块；
基于AWG的N×N多芯多波短距互连网络：包括N个上层交换机和N个下层交换机，其中N＝nr＝nmk，每个上层交换机和下层交换机均有N个CWDM光收发模块，每个上层交换机的N个光收发模块与n个m×1多芯光复用模块相连，每个下层交换机的N个光收发模块与n个1×m多芯光解复用模块相连，网络中间级由n2个r×r多芯多波连线模块构成，上层的多芯光复用模块、下层的多芯光解复用模块与中间级r×r模块通过m芯MPO-MPO光纤跳线连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
使用n2个r×r多芯多波连线模块互连构成N×N的互连网络，其中N＝nr＝nmk，在保证互连网络的连线复杂度为O(N2/r)的同时，使互连网络所需的AWG端口数降为r/m，从而使系统所需波长数量仅为r/m，节约了通信窗口的波长资源，降低了基于AWG互连系统的建设成本。
附图说明
图1是r×r多芯多波连线模块结构示意图；
图2是m×1多芯光复用模块结构示意图；
图3是1×m多芯光解复用模块结构示意图；
图4是基于AWG的N×N多芯多波短距互连网络结构示意图；
图5是4×4多芯多波连线模块结构示意图；
图6是2×1多芯光复用模块结构示意图；
图7是1×2多芯光解复用模块结构示意图；
图8是本发明实施例，基于AWG的8×8多芯多波短距互连网络结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
请参阅图4，图4是基于AWG的N×N多芯多波短距互连网络结构示意图；由图可见，本发明一种适用于波长集合为Λ＝{λ0,λ1,…,λk-1}的基于阵列波导光栅的多芯多波短距互连网络，包括N个上层交换机、N个下层交换机和网络中间级，每个上层交换机和下层交换机均有N个CWDM光收发模块，每个上层交换机的N个光收发模块与n个m×1多芯光复用模块相连，每个下层交换机的N个光收发模块与n个1×m多芯光解复用模块相连，所述的网络中间级由n2个r×r多芯多波连线模块构成，上层的多芯光复用模块、下层的多芯光解复用模块与中间级的n2个r×r多芯多波连线模块通过m芯MPO-MPO光纤跳线连接；其中，r＝mk，k为波长集合Λ的波长数，m为MPO-m芯光纤分支跳线的跳线数；
所述的n2个r×r多芯多波连线模块由MPO-m芯光纤分支跳线与m2个k×k AWG构成，其中k为波长集合Λ的波长数，所述的r×r多芯多波连线模块，包括r个MPO多芯光纤连接器构成的r个上层端口，m2个k×k AWG构成中间级，r个MPO多芯光纤连接器构成的r个下层端口，所述的上层端口、下层端口和中间级通过MPO-m芯光纤分支跳线连接，其中，r＝mk，k为波长集合Λ的波长数，m为MPO-m芯光纤分支跳线的跳线数；
所述的m×1多芯光复用模块：将m个相同的k×1光复用器的输出端连接在同一根MPO-m芯光纤分支跳线上，第d个k×1光复用器与MPO-m芯光纤分支跳线的第d根芯相连接，其中d＝0,1,…,m-1，每个k×1光复用器均与波长集合Λ＝{λ0,λ1,…,λk-1}相关联，所述的k×1光复用器的输入端口p与波长λp相关联，其中p＝0,1,…,k-1；
所述的1×m多芯光解复用模块：将m个相同的1×k光解复用器的输入端连接在同一根MPO-m芯光纤分支跳线上，第c个1×k光解复用器与MPO-m芯光纤分支跳线的第c根芯相连接，其中c＝0,1,…,m-1，每个1×k光解复用器均与波长集合Λ＝{λ0,λ1,…,λk-1}相关联，所述的1×k光解复用器的输出端口q与波长λq相关联，其中q＝0,1,…,k-1。
所述的中间级的r×r多芯多波连线模块为一个三级网络模块，模块的中间级由m2个相同的k×k AWG构成，每个AWG均与Λ＝{λ0,λ1,…,λk-1}关联，每个k×k AWG都对应一个编号，第c×m+d个k×k AWG标记为B(c,d)，其中c,d＝0,1,…m-1，模块端口与k×k AWG之间通过MPO-m芯光纤分支跳线连接。模块的第α个上层端口的MPO-m芯光纤分支跳线的第d根芯与B(c,d)的第γ个上层端口相连，模块的第β个下层端口的MPO-m芯光纤分支跳线的第c根芯与B(c,d)的第δ个下层端口相连，其中
图8是本发明一个实施例的结构示意图。该实施例，r＝4、m＝2、k＝2、n＝2，包括如下构建步骤：
(1)构建4×4多芯多波连线模块：如图5所示，该模块为一个封装好的标准模块，它包括r＝4个上层端口和r＝4个下层端口，中间级由m2＝22＝4个相同的2×2AWG构成，每个AWG均与波长集合{λ0,λ1}相关联。第c×m+d个2×2AWG标记为B(c,d)，其中c,d＝0,1。模块端口与2×2AWG之间通过MPO-2芯光纤分支跳线连接。模块的第α个上层端口的MPO-2芯光纤分支跳线的第d根芯与B(c,d)的第γ个上层端口相连，模块的第β个下层端口的MPO-2芯光纤分支跳线的第c根芯与B(c,d)的第δ个下层端口相连，其中γ＝[α]k＝[α]2，δ＝[β]k＝[β]2。例如，B(1,0)是多芯多波连线模块中的第c×m+d＝1×2+0＝2个2×2AWG。多芯多波连线模块中的第α＝2个上层端口的MPO-2芯光纤分支跳线的第根芯与B(1,0)的第γ＝[α]k＝[2]2＝0个上层端口相连，模块的第β＝1个下层端口的MPO-2芯光纤分支跳线的第根芯与B(1,0)的第δ＝[β]k＝[1]2＝1个下层端口相连；
(2)构建2×1多芯光复用模块：将m＝2个相同的2×1光复用器的输出端连接在同一根MPO-2芯光纤分支跳线上，第d个2×1光复用器与MPO-2芯光纤分支跳线的第d根芯相连接，其中d＝0,1，如图6所示，每个2×1光复用器均与波长集合{λ0,λ1}相关联，2×1光复用器的输入端口0和1分别与波长λ0和λ1相关联；
(3)构建1×2多芯光解复用模块：将m＝2个相同的1×2光解复用器的输入端连接在同一根MPO-2芯光纤分支跳线上，第c个1×2光解复用器与MPO-2芯光纤分支跳线的第c根芯相连接，其中c＝0,1，如图7所示，每个1×2光解复用器均与波长集合{λ0,λ1}相关联，1×2光解复用器的输出端口0和1分别与波长λ0和λ1相关联；
(4)构建基于AWG的8×8多芯多波短距互连网络：如图8所示，网络包括N＝8个上层交换机，分别标号为u0,u1,…,u7，N＝8个下层交换机，分别标号为v0,v1,…,v7。每个上层交换机和下层交换机均有N＝8个CWDM光收发模块，这些光收发模块的波长间隔视具体应用情况而定。每个上层交换机的8个光收发模块与n＝2个2×1多芯光复用模块相连，每个下层交换机的8个光收发模块与n＝2个1×2多芯光解复用模块相连，网络中间级由n2＝22＝4个4×4多芯多波连线模块构成。第a×n+b个多芯多波连线模块标记为A(a,b)，其中第i个上层交换机ui的第b个2×1多芯光复用模块通过2芯MPO-MPO光纤跳线与A(a,b)的上层端口α相连，A(a,b)的下层端口β通过2芯MPO-MPO光纤跳线与下层交换机vj的第a个1×2多芯光解复用模块相连，其中α＝[i]r＝[i]4，β＝[j]r＝[j]4。所述的上层交换机ui与下层交换机vj之间的连接通过波长λx建立，其中i,j＝0,1,…,7，λx∈Λ，x＝[α+β]k＝[α+β]2。例如，第a×n+b＝1×2+0＝2个多芯多波连线模块标记为A(1,0)。上层交换机u6的第个2×1多芯光复用模块通过2芯MPO-MPO光纤跳线与A(1,0)的上层端口α＝2相连，A(1,0)的下层端口β＝1通过2芯MPO-MPO光纤跳线与下层交换机v1的第个1×2多芯光解复用模块相连。交换机u6与交换机v1之间的连接通过波长λx＝λ1(x＝[α+β]k＝[2+1]2＝1)建立。
本实施例基于AWG的8×8多芯多波短距互连网络，使用MPO-2芯光纤分支跳线与4个较少端口的2×2AWG构成4×4多芯多波连线模块，再使用4个4×4多芯多波连线模块互连构成8×8的互连网络。在这个例子中，相比于本发明提及的以往的AWG连线方案，在同样把网络连线复杂度降低一半的前提下，本发明进一步将所需的AWG规模降低一半，节约了一半的波长资源。

Claims (3)

1.一种适用于波长集合为Λ＝{λ0,λ1,…,λk-1}的基于阵列波导光栅的多芯多波短距互连网络，其特征在于：包括N个上层交换机、N个下层交换机和网络中间级，每个上层交换机和下层交换机均有N个CWDM光收发模块，每个上层交换机的N个光收发模块与n个m×1多芯光复用模块相连，每个下层交换机的N个光收发模块与n个1×m多芯光解复用模块相连，所述的网络中间级由n2个r×r多芯多波连线模块构成，上层的多芯光复用模块、下层的多芯光解复用模块与中间级的n2个r×r多芯多波连线模块通过m芯MPO-MPO光纤跳线连接；其中，r＝mk，k为波长集合Λ的波长数，m为MPO-m芯光纤分支跳线的跳线数；
所述的n2个r×r多芯多波连线模块由MPO-m芯光纤分支跳线与m2个k×k AWG构成，其中k为波长集合Λ的波长数，所述的r×r多芯多波连线模块，包括r个MPO多芯光纤连接器构成的r个上层端口，m2个k×k AWG构成中间级，r个MPO多芯光纤连接器构成的r个下层端口，所述的上层端口、下层端口和中间级通过MPO-m芯光纤分支跳线连接，其中，r＝mk，k为波长集合Λ的波长数，m为MPO-m芯光纤分支跳线的跳线数；
所述的m×1多芯光复用模块：将m个相同的k×1光复用器的输出端连接在同一根MPO-m芯光纤分支跳线上，第d个k×1光复用器与MPO-m芯光纤分支跳线的第d根芯相连接，其中d＝0,1,…,m-1，每个k×1光复用器均与波长集合Λ＝{λ0,λ1,…,λk-1}相关联，所述的k×1光复用器的输入端口p与波长λp相关联，其中p＝0,1,…,k-1；
所述的1×m多芯光解复用模块：将m个相同的1×k光解复用器的输入端连接在同一根MPO-m芯光纤分支跳线上，第c个1×k光解复用器与MPO-m芯光纤分支跳线的第c根芯相连接，其中c＝0,1,…,m-1，每个1×k光解复用器均与波长集合Λ＝{λ0,λ1,…,λk-1}相关联，所述的1×k光解复用器的输出端口q与波长λq相关联，其中q＝0,1,…,k-1。
2.根据权利要求1所述的基于AWG的多芯多波短距互连网络，其特征在于所述的中间级的r×r多芯多波连线模块为一个三级网络模块，该模块的中间级由m2个相同的k×k AWG构成，每个AWG均与Λ＝{λ0,λ1,…,λk-1}关联，每个k×k AWG都对应一个编号，第c×m+d个k×kAWG标记为B(c,d)，其中c,d＝0,1,…m-1，模块端口与k×k AWG之间通过MPO-m芯光纤分支跳线连接。模块的第α个上层端口的MPO-m芯光纤分支跳线的第d根芯与B(c,d)的第γ个上层端口相连，模块的第β个下层端口的MPO-m芯光纤分支跳线的第c根芯与B(c,d)的第δ个下层端口相连，其中γ＝[α]k，δ＝[β]k。
3.根据权利要求1所述的基于AWG的N×N多芯多波短距互连网络，其特征在于：所述的N×N多芯多波短距互连网络是一个三级网络。网络中间级由n2个r×r多芯多波连线模块构成。每个r×r多芯多波连线模块都对应一个编号，第a×n+b个r×r多芯多波连线模块标记为A(a,b)，其中第i个上层交换机ui的第b个m×1多芯光复用模块通过m芯MPO-MPO光纤跳线与A(a,b)的上层端口α相连，A(a,b)的下层端口β通过m芯MPO-MPO光纤跳线与第j个下层交换机vj的第a个1×m多芯光解复用模块相连，其中，α＝[i]r，β＝[j]r。
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