一种基于波长选择开关的数据中心机架内光互连网络制造技术

本发明专利技术涉及一种基于波长选择开关的数据中心机架内光互连网络，属于通信技术领域。该网络的数据平面采用波长选择开关与光耦合器级联方式互连数据中心机架内服务器，结合波长选择开关的波长路由特性与光耦合器的广播特性，既能够提供数据中心机架内服务器间的单播、组播与广播通信，又能够提供服务器与机架外部的数据通信；该结构的控制平面采用软件定义的机架控制器协调服务器通信，控制器收集服务器的请求并按需分配波长资源，服务器采用轮询方式使用波长、控制器采用加权Round‑Robin算法分配波长；基于波长选择开关的数据中心机架内光互连网络结构能够降低数据中心机架网络的建设成本与运营能耗，并且提高机架网络的吞吐量。

【技术实现步骤摘要】
一种基于波长选择开关的数据中心机架内光互连网络
本专利技术属于通信
，涉及一种基于波长选择开关的数据中心机架内光互连网络。
技术介绍
传统的数据中心网络(DCN，DataCenterNetwork)采用分层的树形拓扑结构，使用电以太网交换机作为交换节点。这种网络存在很多缺陷：1)等分带宽小，网络吞吐量收到网络拓扑以及根节点以太网交换机容量的限制；2)扩展性差，位于树形拓扑顶端的电交换机容量有限，成为网络带宽瓶颈限制网络的扩展性；3)能耗高，接入层、汇聚层以及核心层使用大量的电以太网交换机，它们消耗大量的能量而能耗问题是数据中心运营商不可忽视的关键问题。光互连网络能够解决传统数据中心网络带宽低、扩展性差以及能耗等问题。光互连技术被引入到数据中心网络，Helios网络架构是该类型的代表。Helios架构是由电架顶交换机(ToRswitch)和核心层交换机构成的两层结构。架顶交换机是常见的电分组交换机，核心层由电分组交换机和光电路交换机组成，从而构成混合光电数据中心网络结构。其中核心层电分组交换机用于架顶交换机之间的全通信，而光电路交换机用于架顶交换机之间高带宽缓慢变换流量(通常是长持续时间流量)的通信。架顶交换机与光电路交换机连接时采用波分复用技术将多个端口的不同载波波长的光信号复用到同一条光纤链路中进行传输，充分利用光纤的高带宽、大容量的特性提高数据中心网络性能。这一类光互连网络结构存在一些不足：1)分组时延大，光交换中使用光电路交换机、即基于微电机系统(MEMS)的交换机，流量矩阵发生变化时，光电路交换机的重构过程非常耗时导致网络时延较大。2)网络能耗大，光电混合的网络架构中仍然有一部分电分组交换机，分组需要经过光-电-光转换，消耗大量的能量增加网络的能耗。当前大部分光互连数据中心网络架构都是针对数据中心网络的核心层与汇聚层，直到近几年数据中心机架内部网络逐渐成为了研究的重点。这里主要有两个原因，一是能耗问题，架顶交换机每个端口的能耗达到了12.5W；当前数据中心的网络设备占据数据中心总能耗的15％并且该比例正在不断增加；而架顶交换机消耗的能量占据所有网络设备能耗的90％以上。因此想要降低数据中心网络的能耗需要替换高能耗的架顶交换机。另一个原因是带宽问题，据统计对于云计算数据中心，机架内网络的流量占据全网流量的80％以上。架顶交换机逐渐成为了数据中心网络的瓶颈。一些新型数据中心网络使用无源阵列波导光栅路由器(AWGR)或者无源光耦合器取代电架顶交换机互连同一机架内的服务器。由于无源光器件无需电源供应便可工作，相比传统架顶交换机方案大大降低了网络的能耗，这类网络的典型代表是POXN和POTORI。POXN和POTORI都是在数据平面采用光耦合器互连服务器，POXN架构提出了一种分布式的媒体接入控制HEDA来协调数据中心机架内部的服务器通信。但是POXN架构也存在一些不足：1)分布式的接入控制协议会导致服务器之间频繁地交互控制信息，而POXN架构的数据与控制信息共享光链路资源，因此增加了控制平面的复杂程度；2)HEDA是一种分布式的接入控制协议，其需要在机架内的服务器之间进行同步，由于同一机架内的服务器距离较短，同步会对网络的控制平面提出很高的要求。POTORI采用软件定义的集中控制器，但控制平面采用全光方式，这样每台服务器需要装有多个激光器才能同时完成数据与控制信令的通信，增大网络成本与能耗；且控制分组通常不大，采用光载波承载控制分组造成资源的闲置与浪费、增加了控制信令的时延。POXN和POTORI在数据平面都采用光耦合器广播方式，每台服务器都能收到同一机架的其它服务器发出的全部消息，网络安全性难以得到保证，并且同一机架的服务器位于一个广播域，限制了网络吞吐量和扩展性。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于波长选择开关的数据中心机架内光互连网络，在解决现有数据中心的机架网络成本高、能耗高、等分带宽小、网络扩展性差等一系列问题，降低数据中心网络建设成本和运营能耗，提高数据中心机架网络吞吐量和扩展性。为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种基于波长选择开关的数据中心机架内光互连网络，1)由服务器节点、基于波长选择开关和光耦合器的光互连结构、机架控制器三个模块构成；2)结合波长选择开关的波长路由特性与光耦合器的广播特性，既能够实现数据中心机架内服务器间的单播、组播与广播通信，又能够实现服务器与机架外部的数据通信；3)机架控制器收集服务器的请求，运用Round-Robin或WeightedRoundRobin算法为机架内服务器分配波长资源、协调机架内与机架间的数据通信。进一步，所述基于波长选择开关和光耦合器的光互连结构满足：机架内服务器发出的光信号首先通过光耦合器耦合至波长选择开关，波长选择开关根据光信号的波长将其路由至不同的光耦合器，光耦合器将光信号广播至与其相连的光耦合器或者服务器；若光耦合器直接与服务器相连，提供机架内单播与组播服务；若光耦合器与其它光耦合器相连，提供机架内广播服务。进一步，所述机架控制器满足：通过电网络与机架内服务器和波长选择开关相连；利用软件定义网络的思想，机架控制器收集各台服务器的请求后根据需求分配波长资源，控制器调谐服务器光源并配置波长选择开关，使光信号能够路由至目的服务器并且避免了因多台服务器使用相同波长发送数据而产生的碰撞；控制器运行软件定义的波长调度机制，服务器采用轮询方式使用波长、控制器采用WeightedRoundRobin或者Round-Robin算法分配波长。进一步，所述服务器节点用于产生和接收光信号，满足：每台服务器都有一个激光器和接收器；接收器的波长是能调谐，激光器根据网络的需求能采用固定波长激光器或波长可调谐激光器；当采用固定波长激光器时，不同的服务器应使用不同的波长发送数据。本专利技术的有益效果在于：1)本专利技术结构可以降低数据中心网络的组网成本。对WSSIRN结构的成本进行数值分析，与采用光耦合器互连服务器的SD-POIRN与POTORI结构相比，本专利技术网络结构的成本更小；与采用电架顶交换机互连服务器的ToR结构相比，本专利技术网络结构的成本略高。这是因为在数值分析时，WSSIRN、SD-POIRN与POTORI的服务器光源都是按照可调谐激光器计算，WSSIRN中服务器也可以采用波长各不相同的固定波长激光器组网，此时成本低于架顶架顶交换机组网方案。图3所示随着机架内的服务器数目增加，四种组网方案的成本都随之增加，而WSSIRN的成本增加速率低于SD-POIRN与POTORI，略高于ToR；而当服务器数量一定时，WSSIRN结构的成本低于SD-POIRN与POTORI方案。2)本专利技术结构可以降低数据中心网络的运营能耗。对WSSIRN结构的能耗进行数值分析，与采用电架顶交换机互连服务器的ToR结构相比，本专利技术网络结构的能耗更小，主要是因为WSSIRN方案使用的光耦合器是无源光器件而波长选择开关的能耗小于架顶交换机端口能耗；与采用光耦合器互连机架服务器的SD-POIRN与POTORI相比，本专利技术网络结构的能耗更小，主要是因为WSSIRN控制平面采用电网络、且机架内与机架间的通信合并在一张网络上进行，SD-POIRN结构机架内与机架间通信是两张本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于波长选择开关的数据中心机架内光互连网络，其特征在于：1)由服务器节点、基于波长选择开关和光耦合器的光互连结构、机架控制器三个模块构成；2)结合波长选择开关的波长路由特性与光耦合器的广播特性，既能够实现数据中心机架内服务器间的单播、组播与广播通信，又能够实现服务器与机架外部的数据通信；3)机架控制器收集服务器的请求，运用Round‑Robin或Weighted Round Robin算法为机架内服务器分配波长资源、协调机架内与机架间的数据通信。

【技术特征摘要】
1.一种基于波长选择开关的数据中心机架内光互连网络，其特征在于：1)由服务器节点、基于波长选择开关和光耦合器的光互连结构、机架控制器三个模块构成；2)结合波长选择开关的波长路由特性与光耦合器的广播特性，既能够实现数据中心机架内服务器间的单播、组播与广播通信，又能够实现服务器与机架外部的数据通信；3)机架控制器收集服务器的请求，运用Round-Robin或WeightedRoundRobin算法为机架内服务器分配波长资源、协调机架内与机架间的数据通信。2.根据权利要求1所述的一种基于波长选择开关的数据中心机架内光互连网络，其特征在于：所述基于波长选择开关和光耦合器的光互连结构满足：机架内服务器发出的光信号首先通过光耦合器耦合至波长选择开关，波长选择开关根据光信号的波长将其路由至不同的光耦合器，光耦合器将光信号广播至与其相连的光耦合器或者服务器；若光耦合器直接与服务器相连，提供机架内单播与组播服务；若光耦合器与其它光耦合...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡岳平，罗森，严正行，李天驰，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50