CN116528091A - 一种光交换架构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光交换架构，包括第一交换层、第二交换层和若干机柜；所述机柜设置有若干服务器，每个所述服务器用于输出或接收多个波长，所述服务器和第一交换层连接；所述第一交换层包括若干第一交换设备，所述第一交换设备用于输出来自服务器的波长信号、或接收来自第二交换层的波长信号；所述第二交换层包括若干第二交换设备和第三交换设备，所述第二交换设备和第三交换设备均用于接收来自第一交换层的波长信号、或将波长信号输出至第一交换层；所述第二交换层中的每个第二交换设备和第三交换设备均与所述第一交换层中的各个第一交换设备连接。本发明构建的光交换架构同时支持单播与多播混合业务、并且有效节约了波长资源。

Description

一种光交换架构
技术领域
本发明涉及光交换架构技术领域，尤其是指一种光交换架构。
背景技术
早期的光交换架构由数个阵列波导光栅、耦合器以及一个大规模的微机电系统模块构建而成，其中阵列波导光栅负责将线路侧的信号解复用为单个波长，再由微机电系统模块将各个波长交换至不同的输出端口，进而由耦合器将多路单波信号合波为一个波分复用信号。由于微机电系统模块只支持空间维度的交换，对于多波长的情况需要引入很大规模的微机电系统模块，不利于构建高维度的光交换架构。
波长选择开关具有灵活的空间与波长维度的交换能力，对于构建光交换架构更加灵活高效，因此被大家广泛关注和使用。此类光交换架构一般是通过一个全连接光纤背板将数个1×K波长选择开关互联而成。由于波长选择开关器件相对价格较高，且M×N波长选择开关技术尚不成熟，对于高维度的光交换架构，研究人员也提出了CDpC和CpDC架构。针对M×N波长选择开关的高成本，CDpC架构通过减小上路/下路模块中M×N波长选择开关的规模，在不显著影响阻塞性能的前提下，有效降低系统成本；针对光交换架构的高维度，CpDC架构通过降低光交换架构光纤背板上的连接度，用小规模波长选择开关构建高维度的光交换架构。
当今较先进的光交换架构技术主要有如下两类：
1.基于路由和选择的、使用1×K波长选择开关的光交换架构。
2.基于Clos网络的、使用M×N波长选择开关的光交换架构。
基于路由和选择的光交换架构使用了太多的光纤，而且可扩展性低，无法构建高等级的光交换架构。基于Cl os网络的光交换架构解决了上述问题，它使用的光纤数量很少，并具有很高的可扩展性。
但是上述两种架构都只能用于部署单播业务。但是，实际上，除了单播业务外，多播业务在当今网络中也很常见。这两种类型的服务在网络中混合存在，它也被称为单播与多播混合业务。然而，上述两种架构除非使用多个波长，不然无法支持多播业务，但是使用多个波长是对波长资源是一种浪费。
综上所述，现在尚不存在一种既支持单播业务又支持多播业务、并且还能节约波长资源的光交换架构，但是这一架构的存在对于骨干网络非常重要。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中不存在同时支持单播与多播混合业务、且节约波长资源的光交换架构的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种光交换架构，包括第一交换层、第二交换层和若干机柜；
所述机柜设置有若干服务器，每个所述服务器用于输出或接收多个波长，所述服务器和第一交换层连接；
所述第一交换层包括若干第一交换设备，所述第一交换设备用于输出来自服务器的波长信号、或接收来自第二交换层的波长信号；
所述第二交换层包括若干第二交换设备和第三交换设备，所述第二交换设备和第三交换设备均用于接收来自第一交换层的波长信号、或将波长信号输出至第一交换层；
所述第二交换层中的每个第二交换设备和第三交换设备均与所述第一交换层中的各个第一交换设备连接。
在本发明的一个实施例中，所述第一交换设备为波长选择开关，所述第二交换设备为波长选择开关，所述第三交换设备为光耦合器。
在本发明的一个实施例中，所述光交换架构实现单播无阻塞通信的公式为：
其中，k为第二交换层波长选择开关数量，s为机柜内服务器数量，W为机柜内服务器可以选择的波长数量，x则为机柜内服务器最大可以发送的波长数量。
在本发明的一个实施例中，所述第一交换层包括输入部分和输出部分，所述输入部分和输出部分均设置有r个第一交换设备。
在本发明的一个实施例中，所述输入部分中的第一交换设备具有s个输入端口和(k+t)个输出端口,其中，s个输入端口分别与机柜中的s个服务器连接；(k+t)个输出端口中，k个输出端口与第二交换层内的k个第二交换设备连接，t个输出端口与第二交换层内的t个第三交换设备连接；
所述输出部分中的第一交换设备具有(k+t)个输入端口和s个输出端口，其中，(k+t)个输入端口中，k个输入端口与第二交换层内的k个第二交换设备连接，t个输入端口与第二交换层内的t个第三交换设备连接，s个输出端口分别与机柜中的s个服务器连接。
在本发明的一个实施例中，所述第二交换层中的第二交换设备具有r个输入端口和r个输出端口，分别与所述第一交换层的每个第一交换设备连接；
所述第三交换设备具有r个输入端口和r个输出端口，分别与所述第一交换层的每个第一交换设备连接。
在本发明的一个实施例中，所述机柜中的服务器设置有网络接口模块，所述服务器通过网络接口模块输出或接收多个波长。
在本发明的一个实施例中，所述网络接口模块包括发送单元和接收单元，所述发送单元和第一交换层的输入部分连接，所述接收单元和第一交换层的输出部分连接；
所述发送单元包括依次连接的发送端控制器、若干光发射机和复用器，所述发送端控制器用于控制若干光发射机打开或关闭；
所述接收单元包括依次连接的解复用器、若干光接收机和接收端控制器，所述接收端控制器用于控制若干光接收机打开或关闭。
在本发明的一个实施例中，所述光发射机和光接收机的数量相等且均被调谐至一个固定波长。
在本发明的一个实施例中，所述机柜中的服务器通过线缆和第一交换层中的第一交换设备连接。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
本发明构建的光交换架构能够同时支持单播与多播混合业务，满足现代社会发展对光交换架构的新要求；
本发明在同时支持单播与多播混合业务的前提下，能够有效节约波长资源，具体地，本发明通过光耦合器可以将来自第一交换层输入部分的光功率均分至第一交换层输出部分，因此仅使用单个波长就可以实现多播业务的传输，实现经济效益；
本发明的光交换架构能够广泛应用于实际工作与生产中，易于大规模推广。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明实施例中光交换架构层级示意图；
图2是本发明实施例中光交换架构连接模式图；
图3是本发明实施例中网络接口模块结构示意图；
图4是传统光交换架构和本发明的光交换架构的总体阻塞性能对比图；
图5是传统光交换架构和本发明的光交换架构的总阻塞率的多播业务阻塞性能对比图；
图6是传统光交换架构和本发明的光交换架构的总阻塞率的单播业务阻塞性能对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
参照图1所示，本发明涉及一种光交换架构，包括第一交换层、第二交换层和若干机柜；
每个所述机柜设置有若干服务器，每个所述服务器用于输出或接收多个波长，所述服务器和第一交换层连接；
所述第一交换层包括若干第一交换设备，所述第一交换设备用于输出来自服务器的波长信号、或接收来自第二交换层的波长信号；
所述第二交换层包括若干第二交换设备和第三交换设备，所述第二交换设备和第三交换设备均用于接收来自第一交换层的波长信号、或将波长信号输出至第一交换层；
所述第二交换层中的每个第二交换设备和第三交换设备均与所述第一交换层中的各个第一交换设备连接。
优选地，所述第一交换设备为波长选择开关，所述第二交换设备为波长选择开关，所述第三交换设备为光耦合器。
以下对本发明进行详细介绍：
本发明提出的光交换架构具体如图1所示。该架构由两个交换层(第一交换层和第二交换层)、若干机柜和一个网络控制器构成。第一交换层由波长选择开关(WSS)构成，用于连接机柜内的服务器和第二交换层内的交换设备(包括波长选择开关和光耦合器)；第二交换层则由波长选择开关和光耦合器构成，用于连接第一交换层内的各个波长选择开关。网络控制器则用于配置网络中所有交换设备，包括波长选择开关、服务器等。
请参阅图1和图2，第一交换层由输入部分和输出部分构成，这两个部分都使用了r个波长选择开关作为交换设备。输入部分使用的波长选择开关具有s个输入端口和(k+t)个输出端口。其中，s个输入端口分别与机架内的s个服务器连接，(k+t)个输出端口中，k个输出端口与第二交换层内的k个波长选择开关连接，t个输出端口与第二交换层内的t个光耦合器连接。输出部分使用的波长选择开关具有(k+t)个输入端口和s个输出端口。其中，(k+t)个输入端口中，k个输入端口与第二交换层内的k个波长选择开关连接，t个输入端口与第二交换层内的t个光耦合器连接，s个输出端口则分别与机架内的s个服务器连接。
第二交换层则由k个波长选择开关和t个光耦合器组成。其中，波长选择开关具有r个输入端口和r个输出端口，分别与第一交换层的每一台波长选择开关连接；光耦合器具有r个输入端口和r个输出端口，同样地，它也分别与第一交换层的每一台波长选择开关连接。
最后，网络控制器则用于配置网络中所有交换设备，包括波长选择开关、服务器等。
在满足下列公式的情况下，网络中的业务可以实现单播无阻塞通信：
其中，k为第二交换层波长选择开关数量，s为机柜内服务器数量，W为机柜内服务器可以选择的波长数量，x则为机柜内服务器最大可以发送的波长数量。
对于机柜内的服务器，其每个网络接口模块应该能够输出多个波长。为此，本实施例对网络接口模块进行专门设计，其结构如图3所示。网络接口模块包括发送单元和接收单元，所述发送单元和第一交换层的输入部分连接，所述接收单元和第一交换层的输出部分连接，具体地，发送单元包括依次连接的发送端控制器、若干光发射机、复用器，发送端控制器用于控制若干光发射机打开或关闭；接收单元包括依次连接的解复用器、若干光接收机、接收端控制器，接收端控制器用于控制若干光接收机打开或关闭。假设网络接口模块需要支持最多发送W个波长，则网络接口模块中应该包括W个光发射机和W个光接收机(即光发射机和光接收机的数量相等)，且每个光发射机/光接收机都调谐至一个固定的波长。
网络接口模块的具体的工作流程如下。首先，服务器作为信源，将待发送的信息传输给发送端控制器。接着，发送端控制器与网络控制器进行通信，网络控制器告知发送端控制器应当使用哪些波长。然后，发送端控制器打开对应的光发射机，将数据交由光发射机。光发射机将光信号发送给复用器，由复用器将光信号复用为波分复用信号后，发送至第一交换层的波长选择开关处。网络接口模块接收光信号的流程就是上述过程的逆过程，对此不再赘述。
需要注意的是，图3中的信源用于产生待传输的数据信号，信宿用于接收最终所需的数据信号，但是信源和信宿并不属于网络接口模块，信源和信宿属于服务器的一部分，图3为了便于整体理解，将信源和信宿设置于网络接口模块中。
本实施例中的光交换架构的参数及相关测试参数具体如下：
1.本实施例的光交换架构的第一交换层(输入部分)、第二交换层、第一交换层(输出部分)的模块数目均为5；
2.光交换架构支持的波长数为5；
3.第二交换层的构成：4台波长选择开关、一台光耦合器；
4.单播业务与多播业务的占比为4:1，且任何输入/输出端口对间的负载相同；
5.共模拟106个连接请求。
图4、图5和图6展示了本实施例的测试结果，其中，图标“传统”表示背景技术中的“传统架构”(即基于路由和选择的光交换架构)，图标“新型”表示本发明所提出的光交换架构。
图4给出了业务的总体阻塞率的结果，可以看出，与传统架构相比，本发明所提出的光交换架构可以大幅降低业务的总阻塞率。
图5和图6展示了单播和多播业务的阻塞率结果，可以看出，与传统架构相比，本发明所提出的光交换架构均可以极大地降低单播和多播业务的阻塞率。这是因为，在传统架构中，为了承载一个多播业务，需要使用大量的波长资源，而在所提出架构中，多播业务可以通过光耦合器来切换，仅需一个波长，从而极大地节约了波长资源。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种光交换架构，其特征在于：包括第一交换层、第二交换层和若干机柜；
所述机柜设置有若干服务器，每个所述服务器用于输出或接收多个波长，所述服务器和第一交换层连接；
所述第一交换层包括若干第一交换设备，所述第一交换设备用于输出来自服务器的波长信号、或接收来自第二交换层的波长信号；
所述第二交换层包括若干第二交换设备和第三交换设备，所述第二交换设备和第三交换设备均用于接收来自第一交换层的波长信号、或将波长信号输出至第一交换层；
所述第二交换层中的每个第二交换设备和第三交换设备均与所述第一交换层中的各个第一交换设备连接。
2.根据权利要求1所述的光交换架构，其特征在于：所述第一交换设备为波长选择开关，所述第二交换设备为波长选择开关，所述第三交换设备为光耦合器。
3.根据权利要求2所述的光交换架构，其特征在于：所述光交换架构实现单播无阻塞通信的公式为：
其中，k为第二交换层波长选择开关数量，s为机柜内服务器数量，W为机柜内服务器可以选择的波长数量，x则为机柜内服务器最大可以发送的波长数量。
4.根据权利要求1所述的光交换架构，其特征在于：所述第一交换层包括输入部分和输出部分，所述输入部分和输出部分均设置有r个第一交换设备。
5.根据权利要求3所述的光交换架构，其特征在于：所述输入部分中的第一交换设备具有s个输入端口和(k+t)个输出端口,其中，s个输入端口分别与机柜中的s个服务器连接；(k+t)个输出端口中，k个输出端口与第二交换层内的k个第二交换设备连接，t个输出端口与第二交换层内的t个第三交换设备连接；
所述输出部分中的第一交换设备具有(k+t)个输入端口和s个输出端口，其中，(k+t)个输入端口中，k个输入端口与第二交换层内的k个第二交换设备连接，t个输入端口与第二交换层内的t个第三交换设备连接，s个输出端口分别与机柜中的s个服务器连接。
6.根据权利要求3所述的光交换架构，其特征在于：所述第二交换层中的第二交换设备具有r个输入端口和r个输出端口，分别与所述第一交换层的每个第一交换设备连接；
所述第三交换设备具有r个输入端口和r个输出端口，分别与所述第一交换层的每个第一交换设备连接。
7.根据权利要求3所述的光交换架构，其特征在于：所述机柜中的服务器设置有网络接口模块，所述服务器通过网络接口模块输出或接收多个波长。
8.根据权利要求6所述的光交换架构，其特征在于：所述网络接口模块包括发送单元和接收单元，所述发送单元和第一交换层的输入部分连接，所述接收单元和第一交换层的输出部分连接；
所述发送单元包括依次连接的发送端控制器、若干光发射机和复用器，所述发送端控制器用于控制若干光发射机打开或关闭；
所述接收单元包括依次连接的解复用器、若干光接收机和接收端控制器，所述接收端控制器用于控制若干光接收机打开或关闭。
9.根据权利要求7所述的光交换架构，其特征在于：所述光发射机和光接收机的数量相等且均被调谐至一个固定波长。
10.根据权利要求1所述的光交换架构，其特征在于：所述机柜中的服务器通过线缆和第一交换层中的第一交换设备连接。
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