CN114614939B

CN114614939B - 一种灵活集群的数据中心光互联网络

Info

Publication number: CN114614939B
Application number: CN202210141168.9A
Authority: CN
Inventors: 刘爱军; 陈子璇
Original assignee: Hubei University of Technology
Current assignee: Hubei University of Technology
Priority date: 2022-02-16
Filing date: 2022-02-16
Publication date: 2024-05-03
Anticipated expiration: 2042-02-16
Also published as: CN114614939A

Abstract

本发明公开了一种灵活集群的数据中心光互联网络，由1个M端口的MEMS光交换机和M/(K_intra×(K×(K‑K_intra)))个灵活集群组成，每个灵活集群由K_intra个集群组成；对于一个ToR交换机，其负责发送光信号的1×K WSS的波长端口分为两组，第一组的数量为K_inter，第二组的数量为K_intra；其中，1为WSS一般端口的数量，K为波长端口的数量；K_intra中的一个端口与其对应的耦合器相连，用于集群内部通信；K_intra中的其他波长端口与不同集群的耦合器相连，用于集群之间通信，这些集群组成一个更大的集群，即K_intra个集群组成一个灵活集群。本发明通过改变K_intra的值，可以灵活改变灵活集群的带宽容量，也可以改变灵活集群内部通信的扇出值，可以应对不同规模的集群内部流量。

Description

一种灵活集群的数据中心光互联网络

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及一种灵活集群的数据中心光互联网络，主要用于数据中心内部的光互联网络互连中，具有灵活集群、高扇出的特点，可以有效地支持不同规模的集群流量和一对多通信的通信模式。

背景技术

数据中心是云服务的承载实体，也是云服务的性能引擎。云服务的数据密集型业务将产生巨大的数据量，会给数据中心内部的带宽带来巨大的挑战。目前，商业数据中心主要采用成熟的电交换技术，但是电交换的传输速率不高，不能满足数据中心内部的带宽需求；其次，数据中心内部的流量呈现极度的不均衡性，而电交换的网络太多提供均匀的链路带宽，不能有效地应对数据中心的流量需求；另外，电交换消耗了过多的电能。

为了解决以上三个问题，学术界和工业界提出了很多可重构的数据中心光互联网络互联方法，可重构意味着光互联网络的拓扑不是固定不变的，也意味着任意两个ToR(Topof Rack)交换机之间的带宽可以动态地改变。比如c-through,MegaSwitch，OSA和FSCOI等，这些光互联网络互联的目标是高吞吐量和低能耗等。光/电混合交换或全光交换是主流的光互联网络互联构建技术，其中光交换大多采用成熟的光电路交换技术。

根据Facebook发布的数量中心内流量报告，其流量呈现新的挑战。1)集群内部流量：在数据中心中，流量分为集群之间流量和集群内部流量，其中大部分流量是集群内部流量。对于Fackbook数据中心，集群内部流量的平均值占总流量的57.5％。集群是数据中心网络互联的基本构建模块，并为专门的应用业务提供服务。例如，Frontend集群提供Web服务，其集群内部流量高达81.3％，Hadoop集群提供Hadoop服务，其集群内部流量高达80.9％。由于不同的业务对集群流量的需求不同，因此，集群必须是灵活的集群，即集群包含的ToR交换机数量是灵活可变的，才能满足不同业务对集群带宽的需求。2)高扇出：扇出是指的是一对多通信，其值是能够与一个ToR交换机进行直接通信的其他ToR交换机的数量。没有高扇出，光路需要中间ToR交换机进行中转，将会消耗它们的波长带宽。另外，高扇出通信也出现在了微软和谷歌的数据中心中。

但是，目前的数据中心光互联网络互联方法没有同时考虑灵活集群和高扇出。c-Through和Helios是最早的数据中心光互联网络互联，它们都采用光/电混合的交换方式。MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)是它们所使用的核心光交换机。但是MEMS只能提供一对一的光交换，即扇出值只有1，因此这两个光互联的扇出值非常低，且不支持集群。OSA是由一个MEMS和许多WSS(Wavelength Selective Switch)组成的数据中心光互联。WSS可以提供一对多的通信，其扇出值依赖其波长端口的数量。目前，商业WSS的波长端口的最大值为20。因此OSA具有中等的扇出值，也没有考虑集群。FSCOI也是由一个MEMS和许多WSS组成的数据中心光互联，它是在OSA的基础上，增加了一些WSS，这些WSS可以组成集群。FSCOI是构建大规模数据中心光互联网络互联的基本组成模块，其性能将会影响并决定大规模数据中心光互联的性能，因此FSCOI非常关键，同时具有广阔的应用领域和重要的研究价值。但是，FSCOI具有两个个缺点，分别是集群规模固定不变和扇出值不高。综上分析和比较，FSCOI不能很好地应对目前数据中心内部的流量。

发明内容

本发明针对FSCOI的两个不足，提出了一种灵活集群的数据中心光互联网络，该光互联具有灵活集群、高扇出的特点。

本发明的方法所采用的技术方案是：一种灵活集群的数据中心光互联网络，该光互联网络是由1个M端口的MEMS光交换机和M/(K_intra×(K×(K-K_intra)))个灵活集群组成，每个灵活集群由K_intra个集群组成。对于一个ToR交换机，其负责发送光信号的1×K WSS的波长端口分为两组，第一组的数量为K_inter，第二组的数量为K_intra；其中，1为WSS一般端口的数量，K为波长端口的数量；K_intra中的一个端口与其对应的耦合器相连，用于集群内部通信；K_intra中的其他波长端口与不同集群的耦合器相连，用于集群之间通信，这些集群组成一个更大的集群，即K_intra个集群组成一个灵活集群。

因为对于每个ToR交换机，使用K-K_intra个MEMS端口，而每个集群包含K个ToR交换机，所以每个集群使用K×(K-K_intra)个MEMS端口。所以该光互联共有N＝M/(K×(K-K_intra))个集群。又因K_intra个集群可以组成一个灵活集群，所以该光互联网络共有F＝M/(K_intra×(K×(K-K_intra)))个灵活集群。

每个集群是由K个NU(Networking Unit)和K个SC(Switching Unit)组成。

每个NU由1个ToR交换机、1个1×K的耦合器，1对1×W的MUX(Multiplexer)和DEMUX(Multiplexer)组成。其中ToR交换机由许多服务器和W个波长的光收发器组成。

在每个NU中，ToR交换机共有W个光收发器，这些光收发器一一对应与1×WMUX的入端口，且单向连接；1×K耦合器的出端口单向连接与1×W DEMUX的入端口。1×W DEMUX的出端口与ToR交换机中W个光收发器一一对应，且单向连接；

每个SU是由2个1×K的WSS(负责发送光信号的称为WSS₁，负责接收光信号的称为WSS₂)、1个1×K的Cou(耦合器)和K_inter＝K-K_intra个环路器组成。

在SU中，WSS₁的K_inter个波长端口与K_inter个环路器的端口1单向连接，且一一对应；K_inter个环形器的端口2与K_inter个MEMS端口双向连接，且一一对应；K_inter个环形器的端口3与1×K耦合器的K_inter个入端口单向连接，且一一对应；1×K耦合器的出端口与WSS₂的一般端口单向连接。

每个NU与SU单向连接，且一一对应，即NU的1×W MUX的出端口连接与SU中WSS₁的一般端口。

在每个集群中，每个SU的WSS₂的所有波长端口(K个)与本集群中所有NU(K个)的Cou的一个入端口单向相连，且一一对应；每个WSS₁的一个波长端口(该波长端口是K_intra中的一个端口)与该SU中的Cou的一个入端口单向连接，可以支持集群内部的全连通通信

在每个灵活集群(K_intra个集群)中，对于每个集群的WSS₁，K_intra-1个波长端口单向连接与K_intra-1个集群中的一个Cou(在SU中)的一个入端口，且一一对应；此时，该WSS₁和Cou不在一个集群中，后者所在SU中的WSS₁与前者所在SU中的Cou单向连接，可以支持双向通信和灵活集群内部全连通通信。

本发明中每个灵活集群由K_intra个集群组成，每个集群可以容纳K个ToR交换机；灵活集群共有K×K_intra个ToR交换机；又因灵活集群支持全连通通信，所以灵活集群内部通信的扇出值为K×K_intra-1；对于灵活集群之间的通信，一个ToR交换机可以经过K-K_intra条MEMS链路与其他灵活集群互连，而每一条MEMS链路通过WSS₂连接一个集群，由于集群内部的全连通连接，每一条MEMS链路可以与所连接集群中的ToR交换机进行通信，所以灵活集群之间通信的扇出值为(K-K_intra)×K。该光互联网络的扇出由灵活集群内部和之间组成，所以其扇出值为K×K_intra-1+(K-K_intra)×K＝K²-1。该光互联网络，通过改变K_intra的值，可以灵活改变灵活集群的带宽容量，也可以改变灵活集群内部通信的扇出值，可以应对不同规模的集群内部流量。

附图说明

图1为本发明实施例的方法示意图，其中K＝4和K_intra＝2。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提出的一种灵活集群的数据中心光互联网络，其主要思想是对于一个ToR交换机，其负责发送光信号的1×K WSS(1为WSS一般端口的数量，K为波长端口的数量)的波长端口分为两组，一组的数量为K_inter,一组为的数量为K_intra。K_intra中的一个端口与其对应的耦合器相连，用于集群内部通信。K_intra中的其他波长端口与不同集群的耦合器相连，用于集群之间通信，这些集群组成一个更大的集群，即K_intra个集群组成一个灵活集群。

请见图1，本实施例提供的一种灵活集群的数据中心光互联网络互联方法，由一个MEMS(有M个端口)和M/(K_intra×(K×(K-K_intra)))个灵活集群组成，每个灵活集群包含K_intra个集群。由于每个灵活集群所包含的组件及连接方式都相同，也由于每个集群所包含的组件及连接方式都相同，本实施例只详细介绍灵活集群1中的集群1。

本实施例的灵活集群1由集群1和集群2(K_intra＝2)组成。

本实施例的集群1由NU 1，SU 1，NU 2，SU 2，NU 3，SU 3，和NU 4，SU 4(K＝4)组成。

本实施例的NU 1由1个ToR交换机，1个1×32的MUX、1个1×32的DEMUX(W＝32)、1个1×4(K＝4)的Cou(耦合器)和许多服务器组成。其中ToR交换机内置了T₁，T₂，……，T₃₂(W＝32)个不同波长光收发器。

本实施例在NU 1中，服务器通过双绞线与ToR 1交换机进行连接、通信；光收发器T₁，T₂，……，T₃₂通过光纤一一单向连接于与MUX的32个入端口；DEMUX的32个出端口一一单向连接于与光收发器T₁，T₂，……，T₃₂；1×4Cou的出端口与1×32DEMUX的入端口进行单向连接。

本实施例的NU 2、NC 3和NU 4的内部连接方式和NU 1相同。

本实施例的SU 1由2个1×4(K＝4)的WSS(分别是WSS1和WSS2)、1个1×4(K＝4)的Cou和2个环路器(K-K_intra＝2，分别是Cir₁和Cir₂)组成。其中，WSS₁的波长端口分为两组，一组的数量为K_inter，用于灵活集群之间的通信；另一种的数量为K_intra，用于灵活集群内部的通信。

本实施例在SU 1中，WSS₁的第1个波长端口与Cir₁的端口1单向连接，该Cir₁的端口3与Cou的第1个入端口单向连接；WSS₁的第2个波长端口与Cir₂的端口1单向连接，该Cir₂的端口3与Cou的第2个入端口单向连接；WSS₁的第3个波长端口与Cou的第4个端口单向连接，Cou的出端口与WSS₂的一般端口单向连接。

本实施例的SU 2、SU 3和SU 4的内部连接方式和SU 1相同。

本实施例在NU 1中，MUX的出端口与SU 1中的WSS₁一般端口单向连接；在NU 2中，MUX的出端口与SU 2中的WSS₁一般端口单向连接；在NU 3中，MUX的出端口与SU 3中的WSS₁一般端口单向连接；在NU 4中，MUX的出端口与SU 4中的WSS₁一般端口单向连接。

本实施例在集群1中，SU 1的Cir₁的端口2与MEMS的端口1双向连接；Cir₂的端口2与MEMS的端口2双向连接。在SU 2中，Cir₁的端口2与MEMS的端口3双向连接；Cir₂的端口2与MEMS的端口4双向连接。在SU 3中，Cir₁的端口2与MEMS的端口5双向连接；Cir₂的端口2与MEMS的端口6双向连接。在SU 4中，Cir₁的端口2与MEMS的端口7双向连接；Cir₂的端口2与MEMS的端口8双向连接。

本实施例的其他集群与MEMS的连接方式和集群1的连接方式相同。

本实施例在集群1的SU 1中，WSS₂的第1个波长端口与NU 1中Cou的第1个入端口单向连接；WSS₂的第2个波长端口与NU 2中Cou的第1个入端口单向连接；WSS₂的第3个波长端口与NU 3中Cou的第1个入端口单向连接；WSS₂的第4个波长端口与NU 4中Cou的第1个入端口单向连接；

本实施例在集群1的SU 2中，WSS₂的第1个波长端口与NU 1中Cou的第2个入端口单向连接；WSS₂的第2个波长端口与NU 2中Cou的第2个入端口单向连接；WSS₂的第3个波长端口与NU 3中Cou的第2个入端口单向连接；WSS₂的第4个波长端口与NU 4中Cou的第2个入端口单向连接。

本实施例在集群1的SU 3中，WSS₂的第1个波长端口与NU 1中Cou的第3个入端口单向连接；WSS₂的第2个波长端口与NU 2中Cou的第3个入端口单向连接；WSS₂的第3个波长端口与NU 3中Cou的第3个入端口单向连接；WSS₂的第4个波长端口与NU 4中Cou的第3个入端口单向连接。

本实施例在集群1的SU 4中，WSS₂的第1个波长端口与NU 1中Cou的第4个入端口单向连接；WSS₂的第2个波长端口与NU 2中Cou的第4个入端口单向连接；WSS₂的第3个波长端口与NU 3中Cou的第4个入端口单向连接；WSS₂的第4个波长端口与NU 4中Cou的第4个入端口单向连接。

本实施例的其他集群WSS₂的连接方式和集群1相同。

本实施例在灵活集群1的集群1的SU 1中，WSS₁的第4个波长端口与集群2的SU 1中Cou的第3个入端口单向连接；在集群2的SU 1中，WSS₁的第4个波长端口与集群1的SU 1中Cou的第3个入端口单向连接。

本实施例在灵活集群1的集群1的SU 2中，WSS₁的第4个波长端口与集群2的SU 2中Cou的第3个入端口单向连接；在集群2的SU 2中，WSS₁的第4个波长端口与集群1的SU 2中Cou的第3个入端口单向连接。

本实施例在灵活集群1的集群1的SU 3中，WSS₁的第4个波长端口与集群2的SU 3中Cou的第3个入端口单向连接；在集群2的SU 3中，WSS₁的第4个波长端口与集群1的SU 3中Cou的第3个入端口单向连接。

本实施例在灵活集群1的集群1的SU 4中，WSS₁的第4个波长端口与集群2的SU 4中Cou的第3个入端口单向连接；在集群2的SU 4中，WSS₁的第4个波长端口与集群1的SU 4中Cou的第3个入端口单向连接。

本实施例在其他灵活集群中，集群之间的连接方式和灵活集群1相同。

本实施例因为该光互联网络的WSS具有K个波长端口，所以其扇出值为K²-1＝15；该光互联网络能够支持N＝M/((K×(K-K_intra))＝M/8个集群，支持F＝M/(K_intra×(K×(K-K_intra)))＝M/16个灵活集群，且每个灵活集群能够支持K_intra×K＝8个ToR交换机。该光互联网络是具有于灵活集群的特点，因此它适用于不同规模的集群流量。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种灵活集群的数据中心光互联网络，其特征在于：由1个M端口的MEMS光交换机和M/(K_intra×(K×(K-K_intra)))个灵活集群组成，每个灵活集群由K_intra个集群组成；对于一个ToR交换机，其负责发送光信号的1×K WSS的波长端口分为两组，第一组的数量为K_inter，第二组的数量为K_intra；其中，1为WSS一般端口的数量，K为波长端口的数量；K_intra中的一个端口与其对应的耦合器相连，用于集群内部通信；K_intra中的其他波长端口与不同集群的耦合器相连，用于集群之间通信，这些集群组成一个更大的集群，即K_intra个集群组成一个灵活集群；

每个集群是由K个NU和K个SU组成；

每个NU由1个ToR交换机、1个1×K的耦合器，1对1×W的MUX和DEMUX组成；其中ToR交换机由若干服务器和W个波长的光收发器组成；

在每个NU中，ToR交换机共有W个光收发器，这些光收发器一一对应与1×W MUX的入端口，且单向连接；1×K耦合器的出端口单向连接与1×W DEMUX的入端口；1×W DEMUX的出端口与ToR交换机中W个光收发器一一对应，且单向连接；

每个SU是由2个1×K的WSS、1个1×K的Cou和K_inter＝K-K_intra个环路器组成；其中，负责发送光信号的WSS称为WSS₁，负责接收光信号的WSS称为WSS₂；WSS₁的K_inter个波长端口与K_inter个环路器的端口1单向连接，且一一对应；K_inter个环形器的端口2与K_inter个MEMS端口双向连接，且一一对应；K_inter个环形器的端口3与1×K耦合器的K_inter个入端口单向连接，且一一对应；1×K耦合器的出端口与WSS₂的一般端口单向连接；

每个NU与SU单向连接，且一一对应，即NU的1×W MUX的出端口连接与SU中WSS₁的一般端口；

在每个集群中，每个SU的WSS₂的K个波长端口与本集群中K个NU的Cou的一个入端口单向相连，且一一对应；每个WSS₁的一个波长端口与该SU中的Cou的一个入端口单向连接，支持集群内部的全连通通信；

在每个灵活集群中，对于每个集群的WSS₁，K_intra-1个波长端口单向连接与K_intra-1个集群中的一个Cou的一个入端口，且一一对应；此时，该WSS₁和Cou不在一个集群中，后者所在SU中的WSS₁与前者所在SU中的Cou单向连接，支持双向通信和灵活集群内部全连通通信。