CN110460524B

CN110460524B - 一种面向高性能计算机光电混合网络的路由策略方法

Info

Publication number: CN110460524B
Application number: CN201910745235.6A
Authority: CN
Inventors: 裴秉玺; 王昭; 何卫锋; 毛志刚
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2019-08-13
Filing date: 2019-08-13
Publication date: 2022-03-25
Anticipated expiration: 2039-08-13
Also published as: CN110460524A

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路由策略，应用于包括发送端电路由器、光路由器和接收端电路由器的光电混合网络，数据包从所述发送端电路由器发出，经过所述光路由器后由所述接收端电路由器接收；具体包括：设置一跨级路由表，所述跨级路由表记录所述接收端电路由器每一个接收缓冲区的剩余容量；所述发送端电路由器根据所述剩余容量确定所述数据包的下一步路由。本发明中的路由策略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。

Description

一种面向高性能计算机光电混合网络的路由策略方法

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路由策略。

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。随着网络需求的增长，节点间交换的数据量越来越大，需要适配以合理的网络硬件和流量控制策略才能较高水平的保证网络通信的通畅程度。

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。

相适应的，需要开发适用于光混网络的流量控制策略。但是，正是由于光路由器不具备数据储存的功能，在流量控制中，无法监控经过光路由器的数据量，从而有可能造成网络通信的堵塞。

发明内容

为了充分利用网络资源，使流量均匀的分散在各路由器中，减少流量堵塞的可能性，本发明提供了一种面向高性能计算机光电混合网络的路由策略。该路由策略的特点在于设置一跨级路由表，用于统计光路由器两侧的电路由器的接收缓冲区的剩余容量，发送端路由器根据跨级路由表中记录的剩余容量的情况选择下一步路由，从而避免向接收缓冲区饱和的电路由器发送数据包。此时，光路由器相当于被视作“隐形”，或者说，此时的光路由器等同于光纤，仅具有数据传递的功能，而不参与流量控制。

一种面向高性能计算机光电混合网络的路由策略，应用于包括发送端电路由器、光路由器和接收端电路由器的光电混合网络，数据包从所述发送端电路由器发出，经过所述光路由器后由所述接收端电路由器接收；具体包括：设置一跨级路由表，所述跨级路由表记录所述接收端电路由器每一个接收缓冲区的剩余容量；所述发送端电路由器根据所述剩余容量确定所述数据包的下一步路由。

上述的一种面向高性能计算机光电混合网络的路由策略，其中，所述发送端电路由器向所述剩余容量最大的接收缓冲区发送所述数据包。

上述的一种面向高性能计算机光电混合网络的路由策略，其中，所述接收端路由器释放缓冲区空间后通知所述发送端路由器；所述发送端路由器重新记录所述跨级路由表内的所述剩余容量。

上述的一种面向高性能计算机光电混合网络的路由策略，其中，所述发送端电路由器中设有多个数组，一个所述数组对应一个所述接收端电路由器，所述数组中的每一个元素分别记录所述接收缓冲区的剩余容量。

上述的一种面向高性能计算机光电混合网络的路由策略，其中，所述发送端路由器发送一所述数据包后，所述数组的相应元素值减1；所述发送端路由器收到释放缓冲区空间的通知后，所述数组的相应元素值加1。

上述的一种面向高性能计算机光电混合网络的路由策略，其中，所述发送端电路由器和所述接收端路由器内均包括光电转换器，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，分别与所述发送端电路由器和所述接收端路由器的m个接收/发送光端口一一连接。

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，实现上述的路由策略。

与现有技术相比，本发明根据跨级路由表动态的为每个数据包选择路由，相对传统的静态路由或随机路由能够有效平衡网络流量，避免一部分路由器繁忙甚至堵塞而另一部分路由器空闲的情况出现。

进一步地，本发明选择所述跨级路由表中记录的最为空闲的端口发送数据包，能够有效平衡网络的负载，降低网络堵塞的发生可能性，提高了吞吐率。

附图说明

图1是本发明中光电混合网络的结构示意图；

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是本发明一实施例中数据包流向示意图；

图4是本发明一实施例中数据包流向示意图；

图5是本发明一实施例中数据包流向示意图；

图6是本发明一实施例中数据包流向示意图。

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。

在现代的计算机网络通信中，流量控制是关键。为了避免出现网络中部分路由器繁忙而另一部分路由器空闲的情况，通常需要建立路由表，发送数据前，路由器查询所述路由表，确定可接收数据的路由器。

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，无法参与路由表的维护，因而通常采用固定路由或随机路由的方式进行数据传递。也就是说，在涉及光路由器的部分网络中，无法进行流量控制。

本发明的指导思想在于，由于光路由器与电路由器的光端口是一一对应连接的，也就是说，光路由器的端口处在繁忙/空闲的状态可以通过与其相连接的电路由器的光端口来确认，因此，在进行流量控制时，可以将光路由器视作“隐形”，直接在所述光路由器两侧的电路由器(含光端口)之间建立跨级路由表即可。

具体的，如图2所示，电路由器11中保存有跨级路由表11，其中存储的是电路由器3的各接收缓冲区的剩余容量。光路由器21、22由于具有“即收即转”的特性，不需要参与流量的统计和控制，因此，在本实施例中将其视为“隐形”，或者将其等同为光纤。同理，电路由器12也保存有跨级路由表12，其中存储的是电路由器3的各接收缓冲区的剩余容量。事实上，实际的网络中，与电路由器3处于同一级的路由器还有很多个，跨级路由表11、12中需存储的是这一级路由器中多个(直至所有)路由器的接收缓冲区的剩余容量。电路由器3中保存有跨级路由表3，其中存储的是电路由器11和12的接收缓冲区的剩余容量。当电路由器3向电路由器11或12发送数据时，根据跨级路由表3中记载的剩余容量的情况选择具体的发送端口。

图1示出了一种包括电路由器、电路由器(含光端口)和光路由器(阵列波导光栅)的光电混合网络的网络示意图。图中，共包括5层路由器。与最终端的节点(图中圆圈所示)直接连接的为第一层路由器，之后的每一层路由器依次为第二、第三……第五层路由器。两个节点之间的数据通信，视其本身位置的不同，可以有多条路径。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。其中，“公共祖先”路由器是指可以同时连通源节点和目的节点的最低层路由器。如图2所示的网络中，光路由器21所在的这一层的所有路由器都是电路由器11和12的“公共祖先”。图4～图6分别示出了“公共祖先”为第二层路由器、第三层路由器和第四层路由器的情况。

图1中，第三层均为光路由器，第二层和第四层电路由器中都包括了光电转换器，所述光电转换器包括12个接收/发送光端口。第二层和第四层电路由器的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第三层的光路由器相对应的端口。图中，第二层路由器为阵列波导光栅，所述阵列波导光栅包括24个接收/发送光端口，分别与第二层和第四层电路由器的接收/发送光端口一一连接。那么，确定了接收端电路由器的端口，发送端电路由器就可通过调整波长的方式选择光路由器的端口，由于一个光路由的端口只连接一个电路由(接收端或发送端)的端口，因此，对光路由器两侧的电路由器(即第二层和第四层的电路由器)进行流量监控就间接实现了对光路由的流量监控。从而也就解决了当前在光电混合网络中只能采用静态路由或随机路由的缺陷。

具体地，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。所述指定波长由发送端电路由器根据数据包内容和当前网络状态综合得出。

一种面向高性能计算机光电混合网络的路由策略，应用于如图1所示的网络中，数据包从发送端电路由器发出，经过光路由器后由接收端电路由器接收。设置一跨级路由表所述跨级路由表记录所述接收端电路由器每一个接收缓冲区的剩余容量；所述发送端电路由器根据所述剩余容量确定所述数据包的下一步路由。具体的，在图1中，对于上行数据链路而言，所述发送端路由器指第二层的电路由器，所述接收端路由器指第四层的电路由器；对于下行数据链路而言，所述发送端路由器指第四层的电路由器，所述接收端路由器指第二层的电路由器。

图6为从图1中提取的一部分网络，为了使图片清晰，其中的互连线未完整示出，图中的虚线箭头示意了上行和下行数据链路的数据包传递方向。从源节点S发出的数据包要发送到目的节点D需要经过第一～第四层路由器的层层转发才能实现。首先，数据包需要通过上行数据链路到达第四层的“公共祖先”路由器中，然后由所述的“公共祖先”开启下行链路，最终到达节点D。在此过程中，无论是上行链路还是下行链路，都有多条道路可供选择。本实施例选取其中之一进行说明。由于节点S与电路由器61连接，因此数据包首先由电路由器61进行转发，根据预设的路由策略，电路由器61选择通过端口15向电路由器71的端口3转发数据包。此时的路由策略可以是普通的、现有的路由策略，也可以根据“最空闲”原则选取。电路由器71的下一级路由器是阵列波导光栅(光路由器)，根据本发明提出的路由策略，电路由器71中保存了一张跨级路由表，如表1所示，电路由器71的输出端口13通过阵列波导光栅81可与第四层路由器中的多个电路由器连接，表中示出了与电路由器91和92连接的接收缓冲区剩余容量(信用)。同理，电路由器71的输出端口14通过阵列波导光栅82可与第四层路由器中的多个电路由器连接。表1示出了存储在电路由器71中的跨级路由表的一部分。根据该部分的内容可知，当前是电路由器92的端口2最为空闲。本实施例选取接收端电路由器的原则为：发送端电路由器向剩余容量(信用)最大的接收缓冲区发送数据包。采用这一原则可使网络中最闲和最忙的端口的差别逐步拉近，从而取得平衡整个网络流量的效果。在其他实施例中，也可以根据需求采用其他原则，例如在需要保证有一通道始终通畅的情况下，选取接收端电路由器的原则可改为选取剩余容量(信用)第二大的接收缓冲区。或者也可以使用混合原则，例如多数数据包向最空缓冲区发送，某些特殊数据包向其某特定缓冲区发送。

根据表1所示的路由表，源节点S发出的数据包的上行链路应为：节点S→电路由器61-5→电路由器61-15→电路由器71-3→电路由器71-13→光路由器81-1→光路由器81-24→电路由器92-2。其中，光路由器81的端口24和电路由器92的端口2是物理连接在一起的，因此，两个端口实质可以认为是一个端口，监控其中一个端口的流量就足够实现网络流量控制的目的。

表1跨级路由表61

输出端口	跨级端口	信用
			13	。。。	。。。
	91-1	22
				91-2	30
	91-3	3
				。。。	。。。
	91-6	21
				。。。	。。。
14	92-1	9
				92-2	70
	92-3	25
				。。。	。。。
	。。。	。。。

下行链路时，需查询的是保存在电路由器92中的跨级路由表，如表2所示，则是电路由器72的端口14最为空闲。那么到达目的节点D的下行链路应为：电路由器92-1→光路由器82-5→光路由器82-2→电路由器72-14→电路由器72-2→电路由器63-14→电路由器63-11→节点D。

表2跨级路由表92

输出端口	跨级端口	信用
			1	72-13	30
	72-14	40
				。。。	。。。
	。。。	。。。
			2	71-13	9
	。。。	。。。
				72-13	25
	。。。	。。。
				。。。	。。。

进一步地，所述接收端路由器释放缓冲区空间后通知所述发送端路由器；所述发送端路由器重新记录所述跨级路由表内的所述剩余容量。例如，表1、表2均是以数组的形式保存在路由器的控制器中，一个数组对应一个所述接收端电路由器，所述数组中的每一个元素分别记录所述接收缓冲区的剩余容量(信用)。所述发送端路由器发送一所述数据包后，所述数组的相应元素值(信用)减1；所述发送端路由器收到释放缓冲区空间的通知后，所述数组的相应元素值(信用)加1。每次收/发一包数据后更新所述跨级路由表便于下一周期转发数据时准确选择接收端。

图3～图5示出了不跨越光路由器的路由情况。图3示出了源节点S和目的节点D同连接于同一个电路由器的情况。此时，数据包直接在所述电路由器内部从端口1转发到端口11即可。

图4示出了源节点S和目的节点D的“公共祖先”为第二层路由器的情况。此时数据包可根据通常的路由策略选择路由，其传送的路径可以是：源节点S→电路由器41-1→电路由器41-13→电路由器51-10→电路由器43-18→电路由器43-1→目的节点D。

图5示出了源节点S和目的节点D的“公共祖先”为第三层路由器的情况。由于第三层路由器是光路由器，发送端路由器通过查询跨级路由表，选择其中最空闲的接收缓冲区来确定路由。一个可能的传送的路径可以是：源节点S→电路由器61-1→电路由器61-18→电路由器72-2→电路由器72-15→阵列波导光栅82-1→阵列波导光栅82-2→电路由器73-14→电路由器73-5→电路由器62-13→电路由器62-6→目的节点D。

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路由策略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

1.一种面向高性能计算机光电混合网络的路由策略方法，其特征在于，应用于包括发送端电路由器、光路由器和接收端电路由器的光电混合网络，数据包从所述发送端电路由器发出，经过所述光路由器后由所述接收端电路由器接收；

具体包括：所述发送端电路由器和所述接收端电路由器之间设置一跨级路由表，所述跨级路由表记录所述接收端电路由器每一个接收缓冲区的剩余容量；所述发送端电路由器根据所述剩余容量确定所述数据包的下一步路由；

所述发送端电路由器中设有多个数组，一个所述数组对应一个所述接收端电路由器，所述数组中的每一个元素分别记录所述接收缓冲区的剩余容量；

所述发送端路由器发送一所述数据包后，所述数组的相应元素值减1；所述发送端路由器收到释放缓冲区空间的通知后，所述数组的相应元素值加1。

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路由策略方法，其特征在于：所述发送端电路由器向所述剩余容量最大的接收缓冲区发送所述数据包。

3.如权利要求1或2所述的面向高性能计算机光电混合网络的路由策略方法，其特征在于，所述接收端路由器释放缓冲区空间后通知所述发送端路由器；所述发送端路由器重新记录所述跨级路由表内的所述剩余容量。

4.如权利要求1或2所述的面向高性能计算机光电混合网络的路由策略方法，其特征在于：

所述发送端电路由器和所述接收端路由器内均包括光电转换器，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，分别与所述发送端电路由器和所述接收端路由器的m个接收/发送光端口一一连接。

5.一种可读写存储介质，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1-4任一项所述的路由策略方法。