CN110417681B - 一种面向高性能计算机光电混合网络的流量控制方法 - Google Patents

一种面向高性能计算机光电混合网络的流量控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及计算机网络技术领域，提供了一种面向高性能计算机光电混合网络的流量控制方法，所述控制方法基于第一层和第三层为电路由器、第二层为光路由器的胖树网络拓扑结构，包括如下步骤：设置一预警值；当所述电路由器的一个接收缓冲区内的数据量达到所述预警值时，关闭与该接收缓冲区相对应的接收端口，并向全网广播；设置一接收值；当所述电路由器的一个接收缓冲区内的数据量达到所述接收值时，开通与该接收缓冲区相对应的接收端口，并向全网广播；当所述接收端口关闭后，选择所述电路由器的其他接收端口接收数据。本发明中广播端口开通/关闭消息的数据包利用的是已有的数据链路，提高了硬件资源的利用率。

Description

一种面向高性能计算机光电混合网络的流量控制方法
技术领域
本发明涉及计算机网络技术领域，尤其涉及一种面向高性能计算机光电混合网络的流量控制方法。
背景技术
计算机互连网络是计算节点(可理解为任何一个联网的电子设备终端)之间交换数据的媒介。当并行计算任务同时运行在上千个计算节点上时，节点之间通过互连网络频繁的进行数据通信。此时，该互连网络的结构和通信方法决定了网络吞吐率和通信延迟，进而影响高性能计算应用的执行效率。
由于光路由器可直接控制光信号路由，相对传统的电路由器减少了“存储-转发”这一过程，数据可实现在光域上直接传输；并且光纤作为长途传输的介质相对传统的电缆线具有能量损失小、传输速度快的优点；因此，在现代高性能计算机互连网络中，包括光路由器的光电混合交换网络具有延迟低、吞吐率高、可靠性好等优势。
然而，光电混合交换网络的数据流量的控制却较为复杂。电路由器和网卡中都设有数据缓冲区，因而现有的流量控制方法一般是在相邻的两个路由器之间建立专门的通道，用于交换缓冲区的可用容量信息，从而可以保证上游路由器在确信下游路由器不会发生缓冲区溢出的前提下再向下游路由器发送数据。而光路由器的数据是直接转发，不具有数据缓存结构，无法在相邻的电路由器和光路由器之间交换流量信息。
发明内容
本发明的目的在于提供一种面向高性能计算机光电混合网络的流量控制方法，在光路由器两侧的电路由器的光端口设置接收缓冲区，通过对该光端口的容量的监测间接的实现对光路由器的流量监测与控制。采用的主要控制思路是：每个端口向全网提供本端口缓冲区是否满的消息，网络中的电路由器若接收到某一端口缓冲区已满的消息后则暂停向该端口路由数据。由于在本发明所述的胖树拓扑的光电混合网络中，电路由器的光端口与光路由器的端口一一对应，因此对电路由器的光端口实行流量控制实质上就起到了对光路由器进行流量控制的效果。
具体地，本发明提出了一种面向高性能计算机光电混合网络的流量控制方法，所述控制方法基于第一层和第三层为电路由器、第二层为光路由器的胖树网络拓扑结构，包括如下步骤：
设置一预警值，用于提示所述电路由器的接收缓冲区将满；
当所述电路由器的一个接收缓冲区内的数据量达到所述预警值时，关闭与该接收缓冲区相对应的接收端口，并向全网广播；
设置一接收值，用于提示所述电路由器的接收缓冲区将空；
当所述电路由器的一个接收缓冲区内的数据量达到所述接收值时，开通与该接收缓冲区相对应的接收端口，并向全网广播；
当所述接收端口关闭后，选择所述接收端口同一层的其他接收端口接收数据。
上述的一种面向高性能计算机光电混合网络的流量控制方法，其中，所述电路由器内包括光电转换器，所述光电转换器包括m个接收/发送光端口，m为自然数；所述光路由器包括2m个接收/发送光端口，其中，第1～m个接收/发送光端口与第一层所述电路由器的m个接收/发送光端口一一连接，第m+1～2m个接收/发送光端口与第三层所述电路由器的m个接收/发送光端口一一连接。
上述的一种面向高性能计算机光电混合网络的流量控制方法，其中，所述预警值为一个或多个。
上述的一种面向高性能计算机光电混合网络的流量控制方法，其中，所述接收值为一个或多个。
上述的一种面向高性能计算机光电混合网络的流量控制方法，其中，上行数据从第一层所述电路由器发出，经过所述光路由器，到达位于第三层所述电路由器的目标光端口；对所述目标光端口的缓冲区的数据量占用率进行监控，当所述数据量超过所述预警值时，关闭所述目标光端口，并向全网广播所述目标光端口已关闭的消息；当所述数据量低于所述接收值时，开通所述目标光端口，并向全网广播所述目标光端口已开通的消息。
上述的一种面向高性能计算机光电混合网络的流量控制方法，其中，下行数据从第三层所述电路由器发出，经过所述光路由器，到达位于第一层所述电路由器的目标光端口；对所述目标光端口的缓冲区的数据量进行监控，当所述数据量超过所述预警值时，关闭所述目标光端口，并向全网广播所述目标光端口已关闭的消息；当所述数据量低于所述接收值时，开通所述目标光端口，并向全网广播所述光端口已开通的消息。
上述的一种面向高性能计算机光电混合网络的流量控制方法，其中，水平数据从第一层所述电路由器发出，经过所述光路由器，到达位于第一层所述电路由器的目标光端口；对所述目标光端口的缓冲区的数据量进行监控，当所述数据量超过所述预警值时，关闭所述目标光端口，并向全网广播所述目标光端口已关闭的消息；当所述数据量低于所述接收值时，开通所述目标光端口，并向全网广播所述目标光端口已开通的消息。
上述的一种面向高性能计算机光电混合网络的流量控制方法，其中，所述电路由器中设有一数组，所述数组保存所述电路由器中所有光端口的开通/关闭状态。
本发明还提供了一种可读写存储介质，其上存储计算机程序，所述程序被执行时，实现上述的流量控制方法。
与现有技术相比，在基于胖树拓扑结构的光电混合网络中，本发明的技术方案通过向外广播“开通”或“关闭”的消息达到提示本端口是否可以接收数据的目的。网络中的电路由器获得“关闭”消息后，停止向该端口的路由，直至收到“开通”消息后才重新向该端口路由。由于光路由器的端口与电路由器的光端口一一连接，因此，对电路由器的光端口的流量控制就相当于对光路由器进行了流量控制。且本流量控制方法不需要在路由器之间单独建立流量信息交换通道，端口“开通”或“关闭”的消息可打包为普通数据包向全网广播，利用的是已有的数据链路，提高了硬件资源的利用率。
附图说明
图1是本发明中胖树拓扑的网络结构示意图；
图2是本发明中一组电路由-光路由-电路由的具体连接示意图；
图3是本发明一实施例的示意图；
图4是本发明一实施例的示意图；
图5是本发明一实施例的示意图；
图6是本发明一实施例的示意图；
图7是本发明一实施例的示意图；
图8是本发明一实施例的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、特征更明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。然而，本发明可以用不同的形式实现，不应只是局限在所述的实施例。且，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征允许相互组合或替换。结合以下的说明，本发明的优点和特征将更清楚。
需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
还需声明的是，本发明中对步骤编号的目的在于便于引用，而非限定先后顺序。对于个别需强调顺序的步骤，文中将以专门文字进行特别说明。
现有技术通常是通过相邻的两个路由器之间单独交换缓冲区的可用容量信息，上游路由器在确信下游缓冲区不会发生溢出的前提下，再向下游路由器发送数据。
但是，在光电混合网络中，由于光路由器实现了数据的直接转发，因此光路由器中不具有数据缓存结构，无法在电路由器和光路由器之间按现有的方法交换流量信息。
本发明的整体思路在于，由于光路由器与电路由器的光端口是一一对应连接的，因此，控制电路由器的光端口的流量可实现控制光路由器的流量的效果。
由于各种光路由器具有不同的工作原理，因此其控制方法也存在区别。基于光微环谐振器的光路由器可以用不同强度的电流控制微环的谐振波长，从而改变光的传播方向。基于波长路由原理的光路由器(例如阵列波导光栅)利用光的衍射特性选择特定波长的光信号通过，因此在数据发出端改变作为载波的光波波长即可改变数据的传播路径。
图1示出了第一层为电路由器、第二层为光路由器、第三层为电路由器的一种胖树拓扑结构的网络示意图。本领域技术人员可知，图1中示出的是简单的、有限的网络层级及路由器个数，本发明所述的流量控制方法适用网络结构的特点在于光路由器两侧连接的均为电路由器的网络结构。
图1中，互联网络由3层路由器组成，第一层直接与计算机节点连接。从节点1发出的数据可通过3层路由器的层层转发到达节点2或节点3或节点4。图中，第二层路由器为阵列波导光栅，可以对光形式的数据进行路由。
进一步地，如图2所示，位于第一层网络的电路由器11一侧与若干个节点通信连接，另一侧包括一光电转换器，该光电转换器用于将电形式的数据信息转换为光形式的数据信息，并且将所述光形式的数据信息从该光电转换器的光端口输出至光路由器21相对应的端口。
所述光电转化器中包括光接收机和波长可调光发射机。光接收机可以接收多种波长的光形式的数据信息，波长可调光发射机可以将电形式的数据信息转换为指定波长的光形式的数据信息。所述指定波长由电路由器11根据数据包内容和当前网络状态综合得出。
继续如图2所示，光形式的数据信息经过第二层网络的光路由器21后，被转发到电路由器3的光电转换器的光端口。该光端口是由电路由器11确定的。
本发明一实施例中的光路由器使用了阵列波导光栅。由于光信号在阵列波导光栅内的路由状态取决于所述光信号的波长，因此控制电路由器中的光发射机的输出波长，就可以实现对阵列波导光栅内的路由控制。
图2所示的网络可以说是一个最简单的光电混合拓扑结构，将其复制和拓展，可构成多层路由，各层路由器一光路由器、电路由器相间的方式进行级联，光路由器使用阵列波导光栅，电路由器具有可与所述阵列波导光栅连接的光端口。在这样的网络中，网络通信的源节点和目的节点存在一个“公共祖先”路由器。如图1中的节点1和节点2的“公共祖先”路由器位于第一层网络，节点1和节点3的“公共祖先”路由器位于第二层网络，节点1和节点4的“公共祖先”路由器位于第三层网络。
一包数据从源节点到目的节点的路由过程是：先从源节点发出，向上逐层转发直至源节点和目的节点的“公共祖先”路由器，再向下转发直至达到目标节点。数据包穿越每个电路由器时，电路由器根据数据包内包含的源节点和目的节点的地址信息，将数据路由到某一输出端口；数据包穿越光路由器时，由于波长已由上一级电路由器确定，数据包也能准确到达指定的端口。在胖树拓扑中，与“公共祖先”同一层的其他任一路由器也是源节点和目的节点的“公共祖先”，因此，数据包从源节点到“公共祖先”路由器的上行路由是任意的，可以从很多条路径中择优选取；而任何一个“公共祖先”路由器都可以发现一条通向目的节点的下行路由，该下行路由的选择则与目的节点的位置有关。
基于上述的网络中，源节点到目的节点存在多条通路，本领域技术人员可以理解，若某一端口堵塞，无法正常收发数据，则电路由器存在选择其他端口传送数据的可能。基于此，本发明提出了一种面向高性能计算机光电混合网络的流量控制方法，一方面，可设置一预警值，所述预警值用于提示电路由器的接收缓冲区是否将溢出。一般可以将该预警值设置为缓冲区最大容量的70％-90％。当所述电路由器的接收缓冲区内的数据量大于或等于所述预警值时，关闭与该接收缓冲区相对应的接收端口，并向全网广播。所述广播的实质内容为一通知消息，用于告知网络中的所有路由器：本端口关闭，请勿向本端口发送数据。另一方面，还可设置一接收值，所述接收值用于提示电路由器的接收缓冲区将空，可以接收数据。一般将该接收值设置为缓冲区最大容量的20％-60％。当所述电路由器的接收缓冲区内的数据量小于或等于所述接收值时，开通与该接收缓冲区相对应的接收端口，并向全网广播。同理，所述广播的实质内容为一通知消息，用于告知网络中所有电路由器：本端口开通，可以接收数据。
基于前述的多个“公共祖先”的理由，当所述接收端口关闭后，原本准备要向该接收端口发送的数据包可以选择与该端口同一层的其他端口(其他电路由器的其他端口或者本电路由器的其他端口)发送。
具体的，所述预警值和所述接收值可以是全网统一的数值也可以存在多种数值。例如，为了方便程序管理，无论各电路由器实际的缓冲区容量为多少，预警值和接收值的数值全网统一设置，这样，有的缓冲区较大的电路由器就存在浪费的情况。又如，可以给予各电路由器充分的自主权，由各电路由器根据自身缓冲区容量确定每个端口的预警值和接收值，这样，容量较大、处理速度较快的电路由器的硬件资源能够得到充分的利用，从而提高路由的能力。
在上述的流量控制方法中，电路由器以广播的方式通知全网其他电路由器，本电路由器的某一端口接收/不接收数据，由于电路由器和光路由器的收发端口是一一对应的，因此，关闭了电路由器的某一端口就相当于关闭了光路由器的相应端口，从而达到控制光路由器数据流量的目的，避免数据包堵塞或丢失。
如图3-8所示，以下将按数据包的上行、下行和水平传送的过程分别对所述流量控制方法作进一步的说明。上行传送是指数据包从源节点出发，依次经过网络结构第一层的电路由器、第二层的光路由器、第三层的电路由器的过程。下行传送是指数据包从网络结构第三层的电路由器发出，依次经过第二层的光路由器、第一层的电路由器，最终到达目的节点的过程。水平传送是指数据包从源节点出发依次经过网络结构第一层的电路由器、第二层的光路由器、第一层的电路由器，最终到达目的节点的过程
图2-8中，电路由器内包括一由阵列波导光栅构成的光电转换器，所述光电转换器包括m个接收/发送光端口，m为自然数；所述光路由器包括2m个(由于光路由器两侧的端口并不要求数量一致，图中示意为n个)接收/发送光端口，其中，第1～m个接收/发送光端口与第一层所述电路由器的m个接收/发送光端口一一连接，第m+1～2m个接收/发送光端口与第三层所述电路由器的m个接收/发送光端口一一连接。
图3为广播第三层电路由器的端口B关闭的示意图。图中，端口B的缓冲区已有超过2/3的容量被使用，因此，该电路由器判定缓冲区即将溢出。图中的端口B对应阵列波导光栅的端口m+1，由于电路由器和光路由器的端口是一一对应的，因此，宣称电路由器的端口B关闭和宣称光路由器的端口m+1关闭的效果是一样的。为了便于程序中的处理，本实施例以一个阵列波导光栅为基本单位来管理各端口开通和关闭状态。具体的，通过一个数组来管理一个阵列波导光栅各端口开通和关闭状态。因此，电路由器广播的数据包中所指出的端口号其实为阵列波导光栅的端口号。如图3所示，各电路由器接收到的广播数据包所提示的信息为：端口m+1关闭。
图4为广播第三层电路由器的端口B开通的示意图。图中，端口B的缓冲区只有1/3的容量被使用，因此，该电路由器判定缓冲区有足够余量，可以接收数据。如图4所示，各电路由器接收到的广播数据包所提示的信息为：端口m+1开通。
同理，图5和图6所示的是第三层电路由器的端口A(其相对应的阵列波导光栅的端口号为1)开通和关闭的示意图。图中，标出的广播信息是端口1开通/关闭。
由于第一层电路由器之间还存在同级传送数据的可能，图7和图8示出了水平方向的广播信息传递过程。
进一步地，为了实现所有开通/关闭信息的实时更新，每次广播时将所述数组整体打包，而不是单独将存在开通/关闭状态改变的端口信息打包在广播数据包中。
同时，本发明还提出了一种可读写存储介质，其上存储计算机程序，所述程序被执行时，实现上述的流量控制方法。
上述的面向高性能计算机光电混合网络的流量控制方法利用电路由器与光路由器的端口一一对应的特点，通过对电路由器端口的流量监测实现光路由器的端口管理，解决了光路由器没有缓冲区，无法进行流量控制的问题。
显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种面向高性能计算机光电混合网络的流量控制方法，其特征在于，所述控制方法基于第一层和第三层为电路由器、第二层为光路由器的胖树网络拓扑结构，包括如下步骤：
设置一预警值，用于提示所述电路由器的接收缓冲区将满；
当所述电路由器的一个接收缓冲区内的数据量达到所述预警值时，关闭与该接收缓冲区相对应的接收端口，并向全网广播；
设置一接收值，用于提示所述电路由器的接收缓冲区将空；
当所述电路由器的一个接收缓冲区内的数据量达到所述接收值时，开通与该接收缓冲区相对应的接收端口，并向全网广播；
当所述接收端口关闭后，选择所述接收端口同一层的其他接收端口接收数据；
所述电路由器内包括光电转换器，所述光电转换器包括m个接收/发送光端口，m为自然数；
所述光路由器包括2m个接收/发送光端口，其中，第1～m个接收/发送光端口与第一层所述电路由器的m个接收/发送光端口一一连接，第m+1～2m个接收/发送光端口与第三层所述电路由器的m个接收/发送光端口一一连接；
在光路由器两侧的电路由器的光端口设置接收缓冲区。
2.如权利要求1所述的面向高性能计算机光电混合网络的流量控制方法，其特征在于，所述预警值为一个或多个。
3.如权利要求1所述的面向高性能计算机光电混合网络的流量控制方法，其特征在于，所述接收值为一个或多个。
4.如权利要求1所述的面向高性能计算机光电混合网络的流量控制方法，其特征在于，上行数据从第一层所述电路由器发出，经过所述光路由器，到达位于第三层所述电路由器的目标光端口；对所述目标光端口的缓冲区的数据量占用率进行监控，当所述数据量超过所述预警值时，关闭所述目标光端口，并向全网广播所述目标光端口已关闭的消息；当所述数据量低于所述接收值时，开通所述目标光端口，并向全网广播所述目标光端口已开通的消息。
5.如权利要求1所述的面向高性能计算机光电混合网络的流量控制方法，其特征在于，下行数据从第三层所述电路由器发出，经过所述光路由器，到达位于第一层所述电路由器的目标光端口；对所述目标光端口的缓冲区的数据量进行监控，当所述数据量超过所述预警值时，关闭所述目标光端口，并向全网广播所述目标光端口已关闭的消息；当所述数据量低于所述接收值时，开通所述目标光端口，并向全网广播所述光端口已开通的消息。
6.如权利要求1所述的面向高性能计算机光电混合网络的流量控制方法，其特征在于，水平数据从第一层所述电路由器发出，经过所述光路由器，到达位于第一层所述电路由器的目标光端口；对所述目标光端口的缓冲区的数据量进行监控，当所述数据量超过所述预警值时，关闭所述目标光端口，并向全网广播所述目标光端口已关闭的消息；当所述数据量低于所述接收值时，开通所述目标光端口，并向全网广播所述目标光端口已开通的消息。
7.如权利要求4-6任一项所述的面向高性能计算机光电混合网络的流量控制方法，其特征在于，所述电路由器中设有一数组，所述数组保存所述电路由器中所有光端口的开通/关闭状态。
8.一种可读写存储介质，其上存储计算机程序，其特征在于，所述程序被执行时，实现权利要求1-7任一项所述的流量控制方法。
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