CN109361967B - 一种基于集群的数据中心光网络架构方法 - Google Patents

一种基于集群的数据中心光网络架构方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了是一种基于集群的数据中心光网络架构方法，该架构是由1个M端口的MEMS(Micro‑Electro‑Mechanical System)交换单元和N＝M/(K‑1)个集群组成的。其主要思想是每一个ToR(Top of Rack)交换机经过MUX(Multiplexer)与1个1×K的WSS(Wavelength Selective Switch)单向连接(K为WSS的波长端口的数量)，K‑1个ToR交换机及其相关的光器件组成一个集群；在发送端，使用K‑1个耦合器，确保集群内的所有ToR交换机能够经过K‑1条MEMS链路进行通信；在接收端，使用K‑1个1×(K‑1)的WSS、K‑1个耦合器和K‑1个DEMUX(Demultiplexer)，确保MEMS链路的下行光信号能够与集群内所有的ToR交换机进行通信。该发明实现简单，能够给数据中心光网络架构提供高扇出值，高可扩展性，且适用于集群流量。

Description

一种基于集群的数据中心光网络架构方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域，是一种基于集群的数据中心光网络架构。该架构主要用于数据中心内部的光网络中，具有高扇出，高可扩展性的特点，可以有效地支持集群流量、一对多通信和应对流量的增长。
背景技术
随着云服务成为下一代服务业的主流模式，所产生的巨大流量会给数据中心的带宽带来了巨大的挑战。目前的数据中心大多采用电交换，可以为数据中心中任意ToR(Topof Rack)交换机之间提供静态的网络带宽。由数据中心的流量特征(高度稀疏性)可知，静态的网络带宽不能适应流量的要求。另外，由于电交换的传输速率是有限的，这些电数据中心不能满足巨大的带宽需求。
许多研究团体认识到这两个缺点并提出了许多可重构的数据中心光网络架构，即任意两个ToR交换机之间的带宽可以动态变化。这些架构大多采用光/电混合或全光交换的交换方式(c-through,Helios,MegaSwitch，OSA等)，这些网络的目标是高吞吐量，低延时和低能耗。
高扩展性(ToR交换机的数量)是数据中心光网络架构的基本要求。但是，随着云业务的高速发展，数据中心的流量展现出了新的特征，给数据中心的网络架构带来了新的挑战。1)集群：数据中心的流量大部分是集群内部流量。例如，在Fackbook数据中心中，集群内部流量占总流量的57.5％。集群是数据中心网络的基本部署单元，并负责特别的应用业务。例如，Hadoop集群服务于Hadoop业务，Web业务受到Frontend集群的支配。2)高扇出：扇出是指对一个ToR交换机而言，能够与之直接通信的其他ToR交换机的个数。没有扇出，业务必须经过多跳才能到达目的节点，将会消耗中间ToR交换机的带宽。近来，Facebook根据自身的数据中心的流量特征，揭示了一个服务器可以与数百个服务器同时进行通信。另外，根据Google和Microsoft的流量踪迹，高扇出的通信也出现在了他们的数据中心。
在这种情况下，目前的数据中心光网络架构没有同时考虑集群、高扇出和高可扩展性。c-Through和Helios都是光/电混合的光网络架构。由于它们都是使用了MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)，MEMS只能提供ToR-to-ToR通信，因此这两个光网络架构的扇出值非常低，且没有考虑集群。MegaSwitch是一个基于多环的、广播选择的、非阻塞的光网络架构，具有较高的扇出，但是它具有较低的可扩展性，且完全依赖于WSS(WavelengthSelective Switch)波长端口的数量。目前，商用WSS的波长端口的最大数量为20。OSA是一个面向集装箱的数据中心光网络架构，由一个MEMS和多个WSS组成的，具有中等的可扩展性。OSA是构建大型数据中心的基本构建块。OSA是大型数据中心的基础，其网络性能直接决定大型数据中心的网络性能，因此OSA非常关键，且具有重要的研究意义。但是，OSA具有三个缺点，分别是扇出值较低、没有考虑集群、可扩展性不高。
综上分析和比较，OSA不适用于目前数据中心的流量特征。本发明针对OSA的三个不足，提出了一种基于集群的数据中心光网络架构，该架构具有高扇出、高可扩展性的特点。
发明内容
本发明提出一种基于集群的数据中心光网络架构方法，其主要思想是每一个ToR交换机经过MUX(Multiplexer)与1个1×K的WSS单向连接(K为WSS的波长端口的数量)，K-1个ToR交换机及其相关的光器件组成一个集群；在发送端，使用K-1个耦合器，确保集群内的所有ToR交换机能够经过K-1条MEMS链路进行通信；在接收端，使用K-1个1×(K-1)的WSS、K-1个耦合器和K-1个DEMUX(Demultiplexer)，确保MEMS链路的下行光信号能够与集群内所有的ToR交换机进行通信。具体发明内容如下：
1.该架构是由1个M端口的MEMS交换单元和N个集群组成。因为与MUX单向连接了1个1×K的WSS，具有K个波长端口，且K-1个ToR交换机及其相关的光器件组成一个集群，所以N＝M/(K-1)。
2.每个集群是由K-1个NC(Network Component)和K-1个SC(SwitchingComponent)组成。K为SC中ToR交换机出端方向上的核心器件WSS的波长端口的数量。
3.每个NC由1个ToR交换机、1个W入端口的MUX、1个W出端口的DEMUX、1个1×(K-1)的耦合器和许多服务器组成，其中ToR交换机配置了W个不同波长的光收发机。由于每个NC包含1个ToR交换机，所以每个集群包含K-1个ToR交换机。
4.在每个NC中，W个光收发机与MUX的入端口单向连接，且一一对应；DEMUX的出端口与W个光收发机单向连接，且一一对应；耦合器的出端口与DEMUX的入端口单向连接。
5.每个SC是由1个1×K的WSS1(WSS1也是ToR交换机出端方向上的WSS)、1个1×(K-1)的WSS2、1个1×(K-1)的耦合器Cou1、1个1×2的耦合器Cou2和1个环行器组成，其中WSS1具有K个波长端口，WSS2具有K-1个波长端口。
6.在每个SC中，WSS1的1个波长端口与Cou1的1个入端口单向连接，且一一对应；Cou1的出端口与环形器的端口1单向连接；环形器的第2端口与MEMS的一个端口双向连接，且一一对应；环形器的第3个端口与Cou2的入端口单向相连，且一一对应；WSS1的一个波长端口与Cou2的一个入端口单向连接，且一一对应。其中环形器具有3个端口，分别是端口1、端口2和端口3；光信号从端口1入，从端口2出；从端口2入，从端口3出。
7.每个NC的MUX的出端口与对应的SC的WSS1的入端口单向连接，且一一对应。
8.在每个集群的SC中，WSS1的另外K-2个波长端口，分别与其它K-2个SC中Cou1的入端口单向连接，且一一对应；WSS2的波长端口分别与该集群中所有NC中耦合器的入端口单向连接，且一一对应。
9.在每个SC中，WSS1用于发送光信号，其中K-1个波长端口用于发送集群之间的光信号，与集群中所有的Cou1单向连接，且一一对应；1个波长端口用于发送集群内部的光信号，与Cou2单向连接；WSS2用于接收光信号。
10.综上所述，在该网络架构中，对于集群之间的通信，在发送端，一个ToR交换机可以经过K-1条MEMS链路与其他集群相连；在接收端，每条MEMS链路可以与集群内所有的ToR交换机进行通信，因此集群之间通信的扇出值为(K-1)2。对于集群内部的通信，一个ToR交换机没有必要使用光信号与自己通信，它只和该集群中的其它K-2个ToR交换机进行光信号的通信，因此集群内部通信的扇出值为K-2。所以，该网络架构的扇出值为(K-1)2+(K-2)。进而，该网络架构是基于集群构建的，因此它适用于集群流量。除此之外，该网络架构可以支持M/(K-1)个集群，且每个集群支持K-1个ToR交换机，所以该架构可以支持M个ToR交换机。
附图说明
图1为一种基于集群的数据中心光网络架构示意图，以K＝4为例。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施：
本实施例是基于如图1所示的数据中心光网络架构进行说明。本实施的具体工作流程如下：
1.一种基于集群的数据中心光网络架构的MEMS有M个端口，与MUX单向连接的WSS1具有K＝4个波长端口。由于每个集群所包含的器件和连接方式都相同，我们只详细介绍集群1。
2.集群1由NC 1，SC 1，NC 2，SC 2，NC 3和SC 3(K-1＝3)组成。
3.NC 1由服务器、1个ToR交换机，1个W入端口的MUX、1个W出端口的DEMUX和1个1×3(K-1＝4)的耦合器组成。其中ToR交换机配置了T1，T2，……，TW个不同波长光收发机
4.在NC 1中，服务器经过电信号与ToR 1交换机进行通信；光收发机T1，T2，……，TW与一个MUX的入端口进行单向连接，且一一对应；DEMUX的出端口分别与光收发机T1，T2，……，TW进行单向连接，且一一对应；耦合器的出端口与DEMUX的入端口进行单向连接。
5.NC 2和NC 3的内部连接方式和NC 1相同。
6.SC 1由1个1×4(K＝4)的WSS1、1个1×3(K-1＝3)的WSS2、1个1×3(K-1＝3)的耦合器Cou1、1个1×2端口的耦合器Cou2和1个环形器组成。其中，WSS1具有K＝4个波长端口，WSS2具有K-1＝3个波长端口，且环路器经过Cou2与WSS2单向连接。
7.在SC 1中，WSS1的1个波长端口(第1个端口)与Cou1的1个入端口(第1个入端口)单向连接；Cou1的出端口与环形器的第1个端口单向连接；环形器的第3个端口与Cou2的一个入端口(第1个入端口)单向连接；WSS1的1个波长端口(第3个出端口)与Cou2的1个入端口(第2个入端口)单向连接。
8.在SC 2中，WSS1的1个波长端口(第2个端口)与Cou1的1个入端口(第2个入端口)单向连接；其余的连接方式和SC 1相同。
9.在SC 3中，WSS1的1个波长端口(第4个端口)与Cou1的1个入端口(第3个入端口)单向连接；其余的连接方式和SC 1相同。
10.NC 1的MUX的出端口与SC 1的WSS1的入端口单向连接；NC 2的MUX的出端口与SC 2的WSS1的入端口单向连接；NC 3的MUX的出端口与SC 3的WSS1的入端口单向连接。
11.SC 1的环形器的第2个端口与MEMS的第1个端口双向连接；SC 2的环形器的第2个端口与MEMS的第2个端口双向连接；SC 3的环形器的第2个端口与MEMS的第3个端口双向连接。
12.SC 1的WSS1的1个波长端口(第2个端口)与SC 2的Cou1的1个入端口(第1个入端口)单向连接；SC 1的WSS1的1个波长端口(第4个端口)与SC 3的Cou1的1个入端口(第2个端口)单向连接。
13.SC 2的WSS1的1个波长端口(第1个端口)与SC 1的Cou1的1个入端口(第2个端口)单向连接；SC 2的WSS1的1个波长端口(第4个端口)与SC 3的Cou1的1个入端口(第2个端口)单向连接。
14.SC 3的WSS1的1个波长端口(第1个端口)与SC 1的Cou1的1个入端口(第3个端口)单向连接；SC 1的WSS1的1个波长端口(第2个端口)与SC 2的Cou1的1个入端口(第3个端口)单向连接。
15.SC 1中WSS2的1个波长端口(第1个波长端口)与NC 1中耦合器的1个入端口(第1个入端口)单向连接；SC 1中WSS2的1个波长端口(第2个波长端口)与NC 2中耦合器的1个入端口(第1个入端口)单向连接；SC 1中WSS2的1个波长端口(第3个波长端口)与NC 3中耦合器的1个入端口(第1个入端口)单向连接。
16.SC 2中WSS2的1个波长端口(第1个波长端口)与NC 1中耦合器的1个入端口(第2个入端口)单向连接；SC 2中WSS2的1个波长端口(第2个波长端口)与NC 2中耦合器的1个入端口(第2个入端口)单向连接；SC 2中WSS2的1个波长端口(第3个波长端口)与NC 3中耦合器的1个入端口(第2个入端口)单向连接。
17.SC 3中WSS2的1个波长端口(第1个波长端口)与NC 1中耦合器的1个入端口(第3个入端口)单向连接；SC 3中WSS2的1个波长端口(第2个波长端口)与NC 2中耦合器的1个入端口(第3个入端口)单向连接；SC 3中WSS2的1个波长端口(第3个波长端口)与NC 3中耦合器的1个入端口(第3个入端口)单向连接。
18.综上所述，该网络架构的WSS1具有K个波长端口,所以其扇出值为(K-1)2+(K-2)＝11；该网络能够支持N＝M/(K-1)＝M/3个集群，且每个集群能够支持3(K-1＝3)个ToR交换机，所以该网络架构能够支持M个ToR交换机；该网络架构是基于集群设计的，因此它适用于集群流量。

Claims (9)

1.一种基于集群的数据中心光网络架构方法，该方法是在已知MEMS交换单元端口数量和与MUX单向连接的WSS的波长端口数量的前提下进行的，其特征是每一个ToR交换机经过MUX与1个1×K的WSS单向连接，K为WSS的波长端口的数量，K-1个ToR交换机及其相关的光器件组成一个集群；在发送端，使用K-1个耦合器，确保集群内的所有ToR交换机能够经过K-1条MEMS链路进行通信；在接收端，使用K-1个1×(K-1)的WSS、K-1个耦合器和K-1个DEMUX，确保MEMS链路的下行光信号能够与集群内所有的ToR交换机进行通信，主要构建过程和特性包括：
A、该网络架构是由1个M端口的MEMS交换单元和N＝M/(K-1)个集群组成；其中，K是与MUX单向连接的WSS的波长端口数量；
B、每个集群是由K-1个NC和K-1个SC组成；每个NC包含1个ToR交换机，每个集群支持K-1个ToR交换机。
2.如权利要求1所述的数据中心光网络架构方法，其特征在于，每个NC由1个ToR交换机、1个W入端口的MUX、1个W出端口的DEMUX、1个1×(K-1)的耦合器和许多服务器组成，其中ToR交换机配置了W个不同波长的光收发机；由于每个NC包含1个ToR交换机，所以每个集群包含K-1个ToR交换机。
3.如权利要求2所述的数据中心光网络架构方法，其特征在于，在每个NC中，W个光收发机与MUX的入端口单向连接，且一一对应；DEMUX的出端口与W个光收发机单向连接，且一一对应；耦合器的出端口与DEMUX的入端口单向连接；每个NC的MUX的出端口与对应的SC的WSS1的入端口单向连接，且一一对应。
4.如权利要求1所述的数据中心光网络架构方法，其特征在于，每个SC是由1个K波长端口的WSS1、1个K-1波长端口的WSS2、1个1×(K-1)的耦合器Cou1、1个1×2的耦合器Cou2和1个环形器组成。
5.如权利要求4所述的数据中心光网络架构方法，其特征在于，在每个SC中，WSS1的1个波长端口，与Cou1的1个入端口单向连接，且一一对应；Cou1的出端口与环形器的第1个端口单向连接；环形器的第2端口与MEMS的一个端口双向连接，且一一对应；环形器的第3个端口与Cou2的1个入端口单向相连，且一一对应；WSS1的一个波长端口与Cou2的一个入端口单向连接，且一一对应。
6.如权利要求5所述的数据中心光网络架构方法，其特征在于，在每个集群的SC中，WSS1的另外K-2个波长端口，分别与其它K-2个SC中Cou1的1个入端口单向连接，且一一对应；WSS2的波长端口分别与该集群中所有NC中耦合器的入端口单向连接，且一一对应。
7.如权利要求6所述的数据中心光网络架构方法，其特征在于，在每个SC中，WSS1用于发送光信号，其中K-1个波长端口用于发送集群之间的光信号，与集群中所有的Cou1单向连接，且一一对应；1个波长端口用于发送集群内部的光信号，与Cou2单向连接；WSS2用于接收光信号。
8.如权利要求1所述的数据中心光网络架构方法，其特征在于，在该网络架构中，对于集群之间的通信，在发送端，一个ToR交换机可以经过K-1条MEMS链路；在接收端，每条MEMS链路可以与集群内所有的ToR交换机进行通信，因此集群之间通信的扇出值为(K-1)2；对于集群内部的通信，一个ToR交换机没有必要使用光信号与自己通信，它只和该集群中的其它K-2个ToR交换机进行光信号的通信，因此集群内部通信的扇出值为K-2；所以，该网络架构的扇出值为(K-1)2+(K-2)。
9.如权利要求1所述的数据中心光网络架构方法，其特征在于，该网络架构可以支持M/(K-1)个集群，且每个集群支持K-1个ToR交换机，所以该网络架构可以支持M个ToR交换机。
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