KR20170006743A

KR20170006743A - 파장-공간-시간 광 스위칭을 위한 전광 스위칭 네트워크 장치 및 그 방법

Info

Publication number: KR20170006743A
Application number: KR1020150097855A
Authority: KR
Inventors: 김광준; 윤지욱; 이정찬; 이종현; 이현재; 장순혁; 한찬교
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2015-07-09
Filing date: 2015-07-09
Publication date: 2017-01-18

Abstract

파장-공간-시간 광 스위칭을 위한 전광 스위칭 네트워크 장치 및 그 방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 전광 스위칭 네트워크 장치는, 전광 스위칭 패브릭으로 패킷을 전송하거나 전광 스위칭 패브릭으로부터 패킷을 수신하는 다수의 톱오브랙(Top of Rack: ToR, 이하 ToR이라 칭함) 스위치와, 소스 측 ToR 스위치로부터 수신된 광 패킷을 전광 스위칭(all-optical switching)하여 목적지 측 ToR 스위치로 전송하는 배열 도파로 격자 라우터(Arrayed Waveguide Grating Router: AWGR, 이하 AWGR이라 칭함)가 다수 개의 어레이 형태로 공간 상에 배치되는 전광 스위칭 패브릭을 포함한다.

Description

파장-공간-시간 광 스위칭을 위한 전광 스위칭 네트워크 장치 및 그 방법 {All-optical switching network apparatus and method of wavelength-space-time optical switching}

본 발명은 네트워크 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스위칭 기술에 관한 것이다.

트래픽 량이 급증함에 따라 물리적으로 한 건물이나 한 캠퍼스 안에 위치하여 대용량의 데이터 트래픽을 처리해주는 네트워크에 대한 수요가 증가하고 있다. 대표적인 경우가 데이터 센터 내부 네트워크, 수퍼 컴퓨터 내부 네트워크, 대학이나 회사의 내부 네트워크들이다.

이러한 네트워크는 주로 전기 스위치에 의해 교환이 이루어지고, 네트워크의 클라이언트와 스위치 사이는 광 송신기, 광섬유 선로 및 광 수신기로 구성되는 광전송 장치들이 연결을 해 준다. 네트워크 규모가 커짐에 따라 대단히 많은 전기 스위치가 필요하며, 네트워크를 종단하는 신호는 여러 번의 광/전, 전/광 변환을 거친다.

이러한 네트워크의 효율을 높이는 방안으로 다양한 광 스위칭 방식이 제안되고 있다. 예를 들어, 소스(source)에서 광신호가 생성되면 네트워크를 종단하면서 광/전 변환을 겪지 않고 종단의 목적지(destination)까지 전달되는 방법이 있다. 특히 배열 도파로 격자 라우터(Arrayed Waveguide Grating Router: AWGR)와 같은 수동 광소자를 광 스위칭 구성요소로 사용하고 광 패킷에 특정 파장을 할당하여 네트워크에서의 스위칭을 해결하는 방안이 다양하게 연구되고 있다.

US

20140178068

A1

Xaohui Ye, Yawei Yin, S. J. B. Yoo, Paul Mejia, Roberto Proietti, and Venkatech Akella, "DOS-A Scalable Optical Switch for Datacenters", ANCS 2010, San Diego, CA, USA, Oct. 25-26, 2010. S. J. Ben Yoo, "Energy Efficiency in the Future Internet: The Role of Optical Packet Switching and Optical-Label Switching", IEEE J. of Selected Topics in Quantum Electronics Vol. 17, No. 2, pp. 406-418, March/April 2011. Ken-ichi Sato, Hiroshi Hasegawa, Tomonobu Niwa, Toshio Watanabe, "A Large-Scale Wavelength Routing Optical Switch for Data Center Networks", IEEE Communications Magazine, pp.46-52, Sept. 2013.

일 실시 예에 따라, 파장 할당에 더하여 공간(space)을 스위칭의 다른 한 변수로 포함하고, 파장 변환기 사용을 배제하여 스위칭의 유연성과 경제성을 높이는 파장-공간-시간 광 스위칭을 위한 전광 스위칭 네트워크 장치 및 그 방법을 제안한다.

일 실시 예에 따른 전광 스위칭 네트워크 장치는, 전광 스위칭 패브릭으로 패킷을 전송하거나 전광 스위칭 패브릭으로부터 패킷을 수신하는 다수의 톱오브랙(Top of Rack: ToR, 이하 ToR이라 칭함) 스위치와, 소스 측 ToR 스위치로부터 수신된 광 패킷을 전광 스위칭(all-optical switching)하여 목적지 측 ToR 스위치로 전송하는 배열 도파로 격자 라우터(Arrayed Waveguide Grating Router: AWGR, 이하 AWGR이라 칭함)가 다수 개의 어레이 형태로 공간 상에 배치되는 전광 스위칭 패브릭을 포함한다.

일 실시 예에 따른 전광 스위칭 패브릭을 구성하는 각 AWGR 어레이의 입출력 포트 수가 각각 M이고, AWGR 어레이의 수가 N이고, ToR 스위치의 수가 P이고, ToR 스위치의 입출력 포트 수가 각각 Q일 때, 모든 ToR 스위치가 연결되기 위해서 P×Q≤M×N이다. ToR 스위치들이 1 홉으로 연결되기 위해서 N이 짝수일 때는 Q=(N/2+1)이고, N이 홀수일 때는 Q=(N+1)/2의 관계가 성립한다.

다수의 ToR 스위치와 전광 스위칭 패브릭은 직접 연결되거나, 공간 스위치를 통해 연결된다. 전광 스위칭 네트워크 장치는 데이터 센터 내부 네트워크일 수 있다.

일 실시 예에 따른 ToR 스위치는 AWGR 어레이의 입출력 포트를 결정하고 패킷의 목적지 주소와 AWGR 어레이의 입력 포트에 따라 패킷의 파장을 결정하고 결정된 파장으로 정해진 시간에 패킷을 전광 스위칭 패브릭으로 전송한다.

다른 실시 예에 따른 전광 스위칭 네트워크에서의 스위칭 방법은, 소스 측 ToR 스위치가 패킷을 입력받아 네트워크의 상태에 따라 입력 패킷을 분류하고 분류된 패킷을 전송할 포트를 결정하여 정해진 포트를 통해 정해진 파장으로 패킷을 전송하는 단계와, 공간 상에 다수의 어레이 형태로 배치되는 전광 스위칭 패브릭을 구성하는 각 AWGR 어레이가 소스 측 ToR 스위치로부터 입력 포트를 통해 광 패킷을 수신하여 수신된 패킷을 목적지에 대응하는 출력 포트로 전광 스위칭하여 목적지 측 ToR 스위치에 전송하는 단계를 포함한다.

정해진 파장으로 패킷을 전송하는 단계에서, 소스 측 ToR 스위치가 패킷의 목적지 주소와 AWGR 어레이의 입력 포트에 따라 패킷의 파장을 결정하고 결정된 파장으로 정해진 시간에 패킷을 전송할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 전광 스위칭 네트워크 기술의 문제점인 파장 변환기를 부가적으로 사용하는 문제, 전광 스위칭 패브릭 내에 광섬유 기반 지연장치(Fiber Delay Line: FDL)를 사용하는 문제, 자체적으로 각 패킷의 목적지 주소를 알아내어야 하는 문제, 전광 스위칭 패브릭에서의 용량 확장의 문제, 용량 확장시 DC 스위치를 부가적으로 사용해야 하는 문제, 전광 스위칭 네트워크가 클라이언트들과 독립적인 프로토콜을 운용해야 하는 문제 등을 해결할 수 있다.

도 1은 미국의 UCDavis에서 제안한 전광 스위칭 네트워크의 구조도,
도 2는 UCDavis에서 제안한 전광 스위치 구조에서의 공유 버퍼(shared buffer) 구조도,
도 3은 일본의 Nagoya대와 NTT에서 제안한 전광 스위칭 네트워크 구조도,
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전광 스위칭 네트워크 구조도,
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 도 4의 전광 스위칭 네트워크에 있어서 AWGR 어레이의 입출력 포트 수 M, 전광 스위칭 네트워크에서 사용되는 AWGR 어레이의 수 N, 전광 스위칭 네트워크의 클라이언트인 ToR 스위치의 수 P, 그리고 ToR 스위치의 입출력 포트 수 Q의 관계를 설명하기 위한 참조도이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

대용량 네트워크는 전기 스위치들과 이를 연결하는 광전송 장치들로 구성된다. 한 예로 대규모의 데이터 센터는 수백~수천 개의 랙(rack)으로 구성되어 있다. 각 랙에는 다시 수십 개의 서버가 실장되어 있다. 통상 랙마다 랙의 꼭대기(top)에 하나의 톱오브랙(Top of Rack: ToR, 이하 ToR이라 칭함) 스위치가 놓이게 되고, 이 ToR 스위치는 랙에 있는 서버들의 통신을 책임진다. 서버 입장에서는 ToR 스위치를 통하여 세계와 통신한다. 예를 들어, 동일한 랙에 속한 서버들과는 ToR 스위치를 통해 연결된다. 동일한 데이터 센터 안의 다른 랙에 있는 서버들과는 ToR 스위치를 거쳐서 데이터 센터 내부 네트워크를 통해 다른 랙의 ToR 스위치와 연결되는 과정을 거친다. 데이터 센터 외부와 연결되기 위해서는 ToR 스위치를 거쳐 데이터 센터 내부 네트워크를 통해 외부와 관문이 되는 스위치/라우터를 통하게 된다. 현재 데이터 센터 내부 네트워크는 일반적으로 전기 스위치 기반으로 구성되어 있다. 그런데 ToR 스위치의 숫자가 증가함에 따라 이 네트워크는 점차 복잡해지고 있다.

한편, 전광 스위치(All-optical switch)를 이용한 광 패킷 스위칭(optical packet switching, OPS) 기술에 관한 연구가 진행되고 있다. 전광 스위칭(All-optical switching) 기술은 전기 스위칭에 기반한 기술에 비해 지연시간(latency)이나 에너지 절약 등에 장점이 있다. 그러나 많은 노력에도 불구하고, 장거리 네트워크에 전광 스위치를 적용하기 위한 노력은 전광 신호 처리 기술, 전광 패킷 버퍼 기술 등의 구현에 어려움이 있어 아직 가시화되고 있지 못하다.

최근 등장하기 시작한 데이터 센터 내부 네트워크와 같은 경우, 물리적으로 클라이언트들이 가까운 거리에 있고, 클라이언트 숫자가 제한되는 등의 특성이 있어서 단순한 구조의 전광 스위칭을 적용하기 적합한 환경으로 여겨진다. 이에 따라 데이터 센터 내부 네트워크를 위한 다양한 전광 스위칭 네트워크(All-optical switching network) 구조가 제안되었다.

특히, 전광 스위칭에 배열 도파로 격자 라우터(Arrayed Waveguide Grating Router: AWGR, 이하 AWGR이라 칭함)를 도입하여 스위칭 구조를 간단히 하는 방법이 제안되었다. AWGR은 사이클릭(cyclic) AWG라고도 불리는 수동 광소자로서, N개의 입력 포트와 N개의 출력 포트를 가지며 임의의 입력 포트에 파장 λ₁, λ₂, λ₃,…,λ_N을 가지는 신호를 입력하면, 파장 신호들은 각각 서로 다른 출력 포트로 출력되는 특성을 가진다. 또한 λ_N _+i파장 신호는 λ_i 파장 신호와 동일한 출력 포트로 출력되는 특성이 있다. AWGR를 전광 스위치로 사용하면, 신호의 목적지와 AWGR의 입력 포트에 따라 정해지는 특정 파장에 이 신호를 실어 스위치로 전송하면 스위치에서 별다른 조작 없이 자동으로 원하는 목적지로 신호가 스위칭된다.

이하, 도 1 내지 도 3을 참조로 하여 기존의 전광 스위칭 네트워크의 구조와 그에 따른 문제점에 대해 기술한다.

도 1은 미국의 UCDavis에서 제안한 전광 스위칭 네트워크의 구조도이다.

도 1을 참조하면, 신호는 각각 목적지를 달리하는 패킷으로 구성되어 있다. Node i(10)에서 OCA i(11)로(1≤i≤N) 신호가 도착하면, OCA i(11)는 광 레이블 생성기(Optical Label Generator, OLG)를 통해 각 패킷에 광 레이블을 생성하여 붙이고 패킷 캡슐화(packet encapsulation, PE)를 수행한 다음 광신호 형태로 전송한다. 광신호가 레이블 추출기(label extractor, LE)(12)에 도달하면, 레이블 추출기(LE)(12)가 레이블을 추출하고 추출된 레이블을 제어 평면(Control plane)(13)으로 전송하며, 이때 신호는 광인 상태로 광섬유 기반 지연장치(Fiber Delay Line, FDL)(14)를 통과하는 시간만큼 지연된다. 그 사이에 제어 평면(13)은 신호의 목적지를 파악하고 신호가 적절한 파장으로 변경되도록 파장 변환기(Tunable Wavelength Converter, TWC)(15)를 조작해 놓는다. 광신호가 파장 변환기(TWC)(15)에 도착하여 지정된 파장 신호로 변환되고 나면 AWGR(16)에 입력되어서 정해진 출력 포트로 출력된다. 만일 네트워크 정체현상(network congestion)이 발생하여 AWGR(16)이 광신호를 적절하게 스위칭해 줄 수 없는 상황이면, AWGR(16)는 일단 이 신호를 공유 버퍼(17)에 집어넣는다. 공유 버퍼(17)의 예는 도 2를 참조로 하여 후술한다. AWGR(16)를 통해 스위칭이 이루어진 신호는 다시 OCA(18)에서 전기 메모리에 저장되었다가 패킷 포맷 변환기(Packet Format Converter, PFC)를 거쳐 출력된다.

한편, 도 1에서의 약어에 대한 설명은 다음과 같다.

E/O: Electrical-to-Optical Converter

FDL: Fiber Delay Line

LE: Label Extractor

OCA: Optical Channel Adapter

O/E: Optical-to-Electrical Converter

OLG: Optical Label Generator

PE: Packet Encapsulation

PFC: Packet Format Converter

RX: Receiver

TX: Transmitter

TWC: Tunable Wavelength Converter

도 2는 UCDavis에서 제안한 전광 스위치 구조에서의 공유 버퍼(shared buffer) 구조도이다.

도 2를 참조하면, 신호는 O/E(20)에 의해 광전변환을 거쳐 공유 버퍼(17)인 SDRAM 버퍼에 저장되었다가, 적절한 시점에 다시 적절한 파장의 광신호로 변환되어 출력된다.

도 3은 일본의 Nagoya대와 NTT에서 제안한 전광 스위칭 네트워크 구조도이다.

도 3을 참조하면, Nagoya대와 NTT는 AWGR을 한 개 사용하는 대신에, AWGR 여러 개를 2열로 배열하여 스위치 용량을 확장하는 AWG 서브 시스템(32) 구조를 채택하였다. 또한 다수의 AWGR로 구성된 스위치를 여러 개 병렬로 배치하고 있다.

UCDavis의 경우와 달리, 패킷 레이블을 생성하고 처리하는 과정이나 제어 평면에 관한 내용은 생략되어 있고, 스위치 하드웨어 묘사에 집중하고 있다. 그렇지만 기본적으로 신호는 역시 광신호의 형태로 입력되며, 파장 변환기(TWC)(34)를 거쳐 스위칭이 이루어진다. UCDavis와 또 다른 특징은 DC(Delivery and Coupling) 스위치(30)를 사용한다는 점이다. 이 경우, 광신호를 목적지로 전송하기 위해서 미리 파장 변환기(TWC)(34)가 적절한 파장으로 변환할 준비가 되어 있어야 하며, DC 스위치(30) 또한 적절한 형태로 조작되어 내부 경로 구조가 만들어져 있어야 한다.

도 1 내지 도 3을 참조로 하여 전술한 전광 스위치 구조들은 다음과 같은 문제점들을 갖는다.

첫째, 입력신호로서 광신호를 입력받는데 파장 변환기(TWC)를 사용하고 있다. 즉, 광신호 형태로 신호가 도착하지만, 이를 파장 변환기(TWC)를 통해 다시 다른 파장의 광신호로 변환하는 것이다. 파장 변환기(TWC)는 새로운 파장을 생성하기 위해 반드시 가변 광원이 존재해야 한다. 파장 변환기(TWC)는 다양한 방법으로 만들 수 있는데, 크게 광/전 변환이 있는 것과 없는 것으로 분류할 수 있다. 만일 파장 변환기(TWC)를 광/전 변환 방식으로 만든다면 이는 광 송수신기의 기능을 모두 가지게 된다. 또한 광/전 변환이 없는 방식은 실제로 파장 변환 시에 통신 신호 품질을 상당 부분 저하시킬 수 있다. 네트워크 입장에서는 파장 변환기(TWC)의 존재는 이 파장 변환기(TWC)에 도달하는 광신호를 만든 광 송수신기와 중복이 되어 비용과 자원의 낭비 요소가 된다.

둘째, UCDavis 구조의 경우 광신호가 광 패킷 형태로 전광 스위칭 패브릭의 OCA에 도달한 후에 광 레이블 생성기(OLG)가 패킷 레이블을 생성하여 신호에 붙여야 하는데, 이를 위해서는 OCA에서 원래 프로토콜의 헤더를 읽어 패킷의 목적지 주소를 알아내야 한다. 다시 얼마 뒤 이 광 패킷이 레이블 추출기(LE)에 도달하면 광 레이블을 읽은 뒤에 제어 평면(control plane)에서 파장 변환기(TWC)를 조정해야 한다. 이러한 과정에 시간이 많이 소요되므로 광섬유 기반 지연장치(FDL)가 필요하다. 사실 네트워크 관점에서 보면, 패킷을 생성하여 광신호로 전송한 네트워크 장비(예를 들어, 데이터 센터에서는 ToR 스위치)는 이미 패킷의 목적지 주소를 알고 있다. 따라서 전술한 과정은 전체 네트워크 관점에서 보면 큰 중복이다.

셋째, 현실적으로 AWGR 자체는 포트(port) 수를 무한정 늘릴 수 없으며 대략 20 포트도 만들기 어렵다. 이러한 관점에서 UCDavis의 구조는 용량 확장성에 한계가 있다. Nagoya대 구조는 제한된 크기의 AWGR을 2열로 여러 개 배치하여 용량을 확장하는 방식으로, 한 AWGR 어레이의 용량을 대략 100×100에 가깝게 실현해 보였다. 그리고 이를 더 확장하기 위한 방법으로 AWGR 어레이를 여러 개 병렬 배치하고 있다. 그런데 입력단에 해당하는 파장 변환기(TWC)들과 여러 개의 AWGR 어레이들 사이를 연결하는 방법으로 DC 스위치들을 배치하고 있다. 실제 광 신호들은 광 패킷 형태로 도달하게 되며 광 패킷 사이의 시간적 간격을 결정하는 요소로 파장 변환기(TWC)의 파장 변환 속도가 중요하다. 그런데 DC 스위치와 같은 공간 광 스위치를 사용하면 이들의 스위칭 시간이 더해져야 한다. 즉, 새로 도착할 광신호 패킷의 목적지 주소에 따라 우선 DC 스위치의 구성이 정해져서 DC 스위치가 새 경로를 만들고 이 경로를 통해 이 광신호 패킷이 지나가게 될 AWGR 어레이의 입출력 포트가 결정되면 입력 포트에 따라 파장이 정해지고 결정된 파장에 따라 파장 변환기(TWC)의 출력 파장이 맞춰진 다음에 비로소 광신호 패킷이 파장 변환기(TWC)에 도달해야 한다. 그리고 파장 변환기(TWC)에서 특정한 파장으로 변환된 광신호 패킷은 DC 스위치가 제공하는 경로를 따라 진행하여 AWGR 어레이를 통과하게 된다. 이러한 DC 스위치는 각 광신호 패킷의 목적지 주소에 따라 매번 조작되어야 한다. 이를 위해 각 광신호 패킷 마다 필요한 DC 스위치의 상태를 파악하여 광신호 패킷이 DC 스위치에 도달하기 전에 DC 스위치에 신호를 전송하여 적절한 경로를 만들도록 DC 스위치의 조작이 미리 이루어져야 한다. 이러한 일련의 과정은 네트워크의 제어 평면(control plane)에서 파장 변환기(TWC)와 DC 스위치를 조작하는 기능을 담당하여 이뤄지게 되는데, 현실적으로 제어평면(control plane)이 각 광패킷 신호의 목적지를 알아내어 파장 변환기(TWC)와 DC 스위치를 미리 실시간으로 조작한다는 것은 시간 측면에서 대단히 난이도가 높아서 실현성이 낮다.

넷째, 데이터 센터 내부 네트워크의 경우 ToR 스위치들은 이더넷 프로토콜로 작동할 것으로 예상할 수 있다. 그런데 도 1 내지 도 3을 참조로 하여 전술한 전광 스위치 구조로는 이러한 ToR 스위치들을 클라이언트로 받아드리기 어렵다.

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전광 스위칭 네트워크 구조도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명은 AWGR 기반의 전광 스위칭 개념을 실용화할 수 있도록 중복되는 기능인 파장 변환기를 없애고, 한 네트워크 안에서 목적지 주소를 이중으로 처리하지 않고 한 번에 스위칭이 이뤄지도록 하며, 광 스위칭 구조 안에 버퍼를 두지 않고, 용량의 확장성을 보장하여 경제성이 높고 지연시간이 짧은 대용량 전광 스위칭 구조를 제안한다.

도 4를 참조하면, 전광 스위칭 네트워크는 소스 측 ToR 스위치(40), 전광 스위칭 패브릭(42) 및 목적지 측 ToR 스위치(44)를 포함한다.

소스 측 ToR 스위치(40)는 입력된 패킷에 대하여 전광 스위칭 패브릭(42)으로 패킷을 전송한다. 출력 측 ToR 스위치(44)는 전광 스위칭 패브릭(42)으로부터 패킷을 수신한다. 전광 스위칭 패브릭(42)은 AWGR이 다수 개의 어레이(array) 형태로 공간(space) 상에 배치된다. 각 AWGR 어레이는 소스 측 ToR 스위치(40)로부터 수신된 광 패킷을 전광 스위칭(all-optical switching)하여 목적지 측 클라이언트(44)로 전송한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 전광 스위칭 네트워크의 클라이언트가 ToR 스위치라고 가정한다. 그리고 M×M AWGR 어레이(AWGRA)가 N개 있는 경우를 가정한다. 도 4에 도시된 바와 같이, ToR 스위치의 수를 M개로 한정하고 있으나, 실제로 ToR 스위치 수 P는 M보다 크거나 작을 수 있다. 또한 도면부호 ⓐ와 ⓔ는 각각 j번째(1≤j≤P) ToR 스위치의 출력 및 입력 라인 카드로, 물리적으로는 광 송수신기들을 장착한 하나의 라인 카드이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 각 라인 카드에 N개의 입출력 포트가 있는 것으로 한정하고 있으나, 실제로 각 라인 카드별 입출력 포트 수 Q는 N보다 작거나 같거나 클 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 도 4의 전광 스위칭 네트워크에 있어서 AWGR 어레이의 입출력 포트 수 M, 전광 스위칭 네트워크에서 사용되는 AWGR 어레이의 수 N, 전광 스위칭 네트워크의 클라이언트인 ToR 스위치의 수 P, 그리고 ToR 스위치의 입출력 포트 수 Q의 관계를 설명하기 위한 참조도이다.

세부적으로, 도 5는 AWGR 어레이의 입출력 포트 수 M가 8이고, 전광 스위칭 네트워크에서 사용되는 AWGR 어레이의 수 N이 7이고, 전광 스위칭 네트워크의 클라이언트인 ToR 스위치의 수 P가 9이며, ToR 스위치의 입출력 포트 수 Q가 4인 경우, 도 4의 구조에서 입출력 포트 연결의 한 예이다.

도 5에서, 동그라미들은 ToR 스위치의 포트를 의미한다. 동그라미 안의 숫자는 이 포트에 연결된 ToR 스위치의 번호이다. 번호 '0'은 이 포트가 사용되고 있지 않음을 뜻한다. 각 ToR 스위치는 4 개의 포트를 차지하는 경우를 보여주는데 이 숫자 Q는 다른 값을 가질 수 있다. 포트들의 모양 차이는 서로 다른 ToR 스위치에 속하는 것을 단순히 눈으로 구별하기 쉽게 해 놓은 것이다.

우선, 모든 ToR 스위치가 연결되기 위해서는 P×Q가 M×N보다 작거나 같아야 한다. 도 5의 경우는 P×Q=36, M×N=56이다. 따라서 아직 더 많은 ToR 스위치들을 연결할 수 있다.

각 AWGR 어레이는 임의의 입력 포트로 입력된 신호가 임의의 출력 포트로 나갈 수 있다. 그런데 N개의 AWGR 어레이를 사용할 때 특정 AWGR 어레이로 입력된 신호는 다른 AWGR 어레이를 통해 출력될 수 없다. 따라서 모든 ToR 스위치들이 1-홉(hop)으로 연결되기 위해서는 N이 짝수인 때 Q=(N/2+1), N이 홀수인 때 Q=(N+1)/2의 관계가 성립되어야 한다. 만일 이를 만족하지 못하면 도 5에서 어떻게 포트들을 배치하든 어떤 ToR 스위치들 사이에는 직접 연결이 불가능하고 중간에 다른 ToR 스위치를 통하는 방식으로만 연결할 수 있다.

도 4 및 도 5를 참조로 한 전광 스위칭 네트워크의 스위칭 시나리오는 다음과 같다. 도 4의 ⓐ 구간에 위치한 소스 측의 ToR 스위치(40)는 ToR 스위치(40)의 클라이언트인 서버들로부터 데이터 패킷들을 입력받는다. ToR 스위치(40)는 현재 전체 스위치 네트워크 상태, 즉 어느 ToR 스위치들이 어느 포트들에 연결되어 있으며 어느 포트들이 사용되고 있는지 등을 알고 있다. ToR 스위치(40)는 클라이언트인 서버로부터 입력된 패킷을 목적지나 긴급성 등 자체의 기준으로 분류하여 자신이 보유한 Q개의 포트 중 어느 곳을 거쳐 어디로 언제 나가야 할지를 결정한다. 이를 통해 각 포트별로 하나 혹은 여러 개의 패킷을 모아 내보내게 되며 내보내기 전에 적절한 형태의 패킷 꾸러미를 구성한다. 필요 시 패킷 꾸러미에 이 패킷 꾸러미가 적절히 수신되고 해체되기 위한 부가 정보를 넣는다. 적절한 시간이 되면 각 패킷 꾸러미는 정해진 포트를 통해 정해진 파장으로 전송된다. 이 패킷 꾸러미는 중간에 어떠한 처리도 없이 광속으로 ⓒ 구간의 광 스위칭 패브릭(42)을 거쳐, ⓔ 구간에 위치한 목적지 측의 ToR 스위치(44)에 도달하여 적절히 해체된다.

도 4의 ⓑ 구간에서, 도 4에 보인 직접 연결 방식 외에도 R×S 공간 스위치로 연결할 수 있다. R, S는 각각 임의의 자연수이다. 이 경우 전광 스위칭 패브릭 전체의 연결 효율성은 높아지지만, 위의 운용 시나리오에서 패킷 꾸러미가 송신되기 전에 R×S 공간 스위치도 미리 조작되어야 한다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 실시 예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

40: 소스 측 ToR 스위치 42: 전광 스위칭 패브릭
44: 목적지 측 ToR 스위치

Claims

전광 스위칭 패브릭으로 패킷을 전송하거나 전광 스위칭 패브릭으로부터 패킷을 수신하는 다수의 톱오브랙(Top of Rack: ToR, 이하 ToR이라 칭함) 스위치; 및
소스 측 ToR 스위치로부터 수신된 광 패킷을 전광 스위칭(all-optical switching)하여 목적지 측 ToR 스위치로 전송하는 배열 도파로 격자 라우터(Arrayed Waveguide Grating Router: AWGR, 이하 AWGR이라 칭함)가 다수 개의 어레이 형태로 공간 상에 배치되는 전광 스위칭 패브릭;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 전광 스위칭 네트워크 장치.
제 1 항에 있어서,
전광 스위칭 패브릭을 구성하는 각 AWGR 어레이의 입출력 포트 수가 각각 M이고, AWGR 어레이의 수가 N이고, ToR 스위치의 수가 P이고, ToR 스위치의 입출력 포트 수가 각각 Q일 때, 모든 ToR 스위치가 연결되기 위해서 P×Q≤M×N인 것을 특징으로 하는 전광 스위칭 네트워크 장치.
제 2 항에 있어서,
ToR 스위치들이 1 홉으로 연결되기 위해서 N이 짝수일 때는 Q=(N/2+1)이고, N이 홀수일 때는 Q=(N+1)/2의 관계가 성립하는 것을 특징으로 하는 전광 스위칭 네트워크 장치.
제 1 항에 있어서,
다수의 ToR 스위치와 전광 스위칭 패브릭은 직접 연결되는 것을 특징으로 하는 전광 스위칭 네트워크 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 전광 스위칭 네트워크 장치는
다수의 ToR 스위치와 전광 스위칭 패브릭 간을 연결하는 공간 스위치;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전광 스위칭 네트워크 장치.
제 1 항에 있어서, 각 ToR 스위치는
AWGR 어레이의 입출력 포트를 결정하고 패킷의 목적지 주소와 AWGR 어레이의 입력 포트에 따라 패킷의 파장을 결정하고 결정된 파장으로 정해진 시간에 패킷을 전광 스위칭 패브릭으로 전송하는 것을 특징으로 하는 전광 스위칭 네트워크 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 전광 스위칭 네트워크 장치는 데이터 센터 내부 네트워크에 위치하는 것을 특징으로 하는 전광 스위칭 네트워크 장치.
소스 측 ToR 스위치가 패킷을 입력받아 네트워크의 상태에 따라 입력 패킷을 분류하고 분류된 패킷을 전송할 포트를 결정하여 정해진 포트를 통해 정해진 파장으로 패킷을 전송하는 단계; 및
공간 상에 다수의 어레이 형태로 배치되는 전광 스위칭 패브릭을 구성하는 각 AWGR 어레이가 소스 측 ToR 스위치로부터 입력 포트를 통해 광 패킷을 수신하여 수신된 패킷을 목적지에 대응하는 출력 포트로 전광 스위칭하여 목적지 측 ToR 스위치에 전송하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 전광 스위칭 네트워크에서의 스위칭 방법.
제 8 항에 있어서, 상기 정해진 파장으로 패킷을 전송하는 단계는,
소스 측 ToR 스위치가 패킷의 목적지 주소와 AWGR 어레이의 입력 포트에 따라 패킷의 파장을 결정하고 결정된 파장으로 정해진 시간에 패킷을 전송하는 것을 특징으로 하는 전광 스위칭 네트워크에서의 스위칭 방법.
제 8 항에 있어서,
전광 스위칭 패브릭을 구성하는 각 AWGR 어레이의 입출력 포트 수가 각각 M이고, AWGR 어레이의 수가 N이고, ToR 스위치의 수가 P이고, ToR 스위치의 입출력 포트 수가 각각 Q일 때, 모든 ToR 스위치가 연결되기 위해서 P×Q≤M×N인 것을 특징으로 하는 전광 스위칭 네트워크에서의 스위칭 방법.
제 10 항에 있어서,
ToR 스위치들이 1 홉으로 연결되기 위해서 N이 짝수일 때는 Q=(N/2+1)이고, N이 홀수일 때는 Q=(N+1)/2의 관계가 성립하는 것을 특징으로 하는 전광 스위칭 네트워크에서의 스위칭 방법.