一种自由空间光数据中心网络架构、拓扑重构系统和方法技术方案

本发明专利技术属于光通信技术领域，具体涉及一种自由空间光数据中心网络架构、拓扑重构系统和方法，数据中心网络架构中包括N台服务器、M个机柜、偏振控制器、1

A free space optical data center network architecture, topology reconstruction system and method

【技术实现步骤摘要】
一种自由空间光数据中心网络架构、拓扑重构系统和方法


[0001]本专利技术属于光通信
，具体涉及一种自由空间光数据中心网络架构、拓扑重构系统和方法。

技术介绍

[0002]数据中心支撑着许多面向用户的应用，包括5G、大数据、云服务、内容交付等；同时也承载着神经网络、人工智能、物联网等带宽密集型业务。这些应用和业务的快速发展给作为核心基础设施的数据中心带来了极大的挑战。同时，数据中心互连网络作为服务器间短距高速密集信息交换的主要载体，包括传递信息的链路，以及将输入链路接收信息转发给指定输出链路的交换器等，而服务器计算能力的攀升对数据中心互连网络链路和交换器提出了更高带宽需求。
[0003]传统的数据中心大多使用电交换技术，存在电处理瓶颈和高能耗问题，不能满足未来数据中心的发展要求，而自由空间光交换可以突破电处理的瓶颈，有助于服务器间短距高速密集信息交换，是未来数据中心理想的通信技术。但是以3D MEMS和LCOS作为自由空间光交换器的光互连系统，每次只能处理一条固定偏振态入射光束，并行化能力严重缺失，且不支持空分复用。而超表面作为一种支持几何相位调控的手性材料，能够在超小尺寸、自由空间以及可见光谱区内实现任意偏振态入射光束的OAM空分复用，还能实现多条波束并行相位调控和调向。因此，针对现有数据中心自由空间光互连系统网络单一维度复用的局限性，探索支持WDM、PDM、OAM多维复用的，基于超表面的自由空间光交换，可以实现大容量数据中心内服务器间短距光互连，以更高速率满足万物互联和高性能计算的未来需求。
>[0004]数据中心承载着多种多样的应用，应用之间通信模式差异很大，数据中心网络必须适应动态变化和发展的流量模式。数据中心拓扑在稀疏流量需求下不宜过于臃肿，避免机房冷却等运维成本和相关资源的过度浪费，在由稀疏转为密集时，也要能够快速响应，扩展拓扑规模。然而，传统的静态数据中心网络要么过度配置以考虑最坏情况下的流量模式问题，导致高成本；要么超额订购，成本低但由于链路拥塞而导致性能不佳。对数据中心网络进行拓扑重构，针对动态变化和发展的流量模式进行相应拓扑调整，可以提高网络的资源利用率，降低系统的能耗，并提高网络的灵活性。

技术实现思路

[0005]为解决上述问题，本专利技术提供了一种自由空间光数据中心网络架构、拓扑重构系统和方法。
[0006]在第一方面，本专利技术提出了一种自由空间光数据中心网络架构，数据中心网络架构中包括N台服务器、M个机柜、偏振控制器、1
×
2耦合器和超表面自由空间光交换器，每个机柜内有N/M台服务器，每台服务器具有一个偏振控制器和一个1
×
2耦合器，其中：
[0007]偏振控制器，用于将服务器的激光源发出的高斯光束转换为X或Y偏振态；
[0008]1×
2耦合器，用于得到一对X或Y偏振态的左右旋圆偏振SAM光束；
[0009]超表面自由空间光交换器，用于将每个机柜中所有1
×
2耦合器产生的左右旋圆偏振SAM光束复用成一条对应的OAM螺旋光。
[0010]进一步的，每个机柜内的N/M台服务器的可调谐激光源同时产生N/M条波长为λ
k
(k＝1,2,...,W)的入射高斯光束，每台服务器上的可调谐激光源依次产生W个不同波长的入射高斯光束。
[0011]进一步的，网络架构以不同波长、不同偏振和不同正交模式，在超表面自由空间光交换器与每台服务器间形成WDM+PDM+OAM多维复用光链路。
[0012]在第二方面，本专利技术提出了一种自由空间数据中心网络架构的拓扑重构系统，包括：
[0013]基于LSTM的流量预测模块，用于根据当前时刻的流量矩阵，预测当前网络拓扑的下一时刻的流量矩阵；
[0014]重构触发判决模块，用于根据基于LSTM的流量预测模块的预测结果，判断当前网络拓扑是否需要重构；
[0015]拓扑生成模块，针对需要重构的网络拓扑，将数据中心拓扑生成问题转化为整数线性规划问题，用于通过遗传算法求解整数线性规划问题，得到与流量需求相适应的拓扑结构。
[0016]进一步的，重构触发模块的判断过程具体为：
[0017]S101.根据当前时刻t1的网络拓扑计算初步重构判决阈值，并计算连接服务器的最小流量容限值；
[0018]S102.将基于LSTM的流量预测模块预测的下一时刻t2的流量需求矩阵与当前时刻t1的流量矩阵进行比较，判断两者差值的绝对值是否小于初步重构判决阈值，若是，则维持当前网络拓扑，且重构标志l
rec
＝0，否则执行步骤S103；
[0019]S103.判断下一时刻的流量是否增大，若是，则执行步骤104，若不是，则执行步骤S105；
[0020]S104.判断当前网络拓扑是否为满饱和，若是，则维持当前网络拓扑，且重构标志l
rec
＝0，若不是，则重构网络拓扑，增加服务器数量，且重构标志l
rec
＝1；
[0021]S105.判断当前网络拓扑下流量需求矩阵的浪费容量值是否小于最小流量容限值，若是，则维持当前网络拓扑，且重构标志l
rec
＝0，若不是，则重构网络拓扑，减少服务器数量，且重构标志l
rec
＝
‑
1。
[0022]在第三方面，基于第二方面构建的系统，本专利技术提出了一种自由空间数据中心网络架构的拓扑重构方法，包括：
[0023]S1.采用一个网络传输图G＝(V,E)表示数据中心网络架构，V表示数据中心网络架构中所有服务器节点的集合，E表示数据中心网络架构中所有自由空间光链路的集合，当前时刻t1的流量矩阵为R＝[r1,r2,...,r
n
]；
[0024]S2.将流量矩阵R传送到基于LSTM的流量预测模块，预测下一时刻t2的流量需求矩阵D＝[d1,d2,...,d
n
]；
[0025]S3.基于流量需求矩阵，通过重构触发判决模块判断网络拓扑是否需要重构，若需要，则执行步骤S4，否则维持当前网络拓扑；
[0026]S4.通过拓扑生成模块得到最优拓扑。
[0027]本专利技术的有益效果：
[0028]本专利技术提出一种基于超表面的自由空间光数据中心网络架构，立足于超表面自由空间光交换器，提出基于超表面的数据中心自由空间光互连系统网络，实现交换器和任意台服务器间的WDM+PDM+OAM多维复用，极大的提高了服务器短距高速密集信息交换能力；同时本专利技术所提网络架构，能够实现高带宽传输速率和低网络能耗。
[0029]本专利技术提出了基于超表面的数据中心拓扑重构系统及方法。首先通过流量预测对网络的运行情况进行预估，获取最新流量需求，然后根据重构阈值判断网络是否进行重构。最后将数据中心拓扑生成问题转化为整数线性规划问题，通过遗传算法求解问题模型得到最优拓扑。本专利技术所提方法能够有效提升网络带宽，实现更高的网络资源利用率，充分提高自本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自由空间光数据中心网络架构，其特征在于，数据中心网络架构中包括N台服务器、M个机柜、偏振控制器、1
×
2耦合器和超表面自由空间光交换器，每个机柜内有N/M台服务器，每台服务器具有一个偏振控制器和一个1
×
2耦合器，其中：偏振控制器，用于将服务器的激光源发出的高斯光束转换为X或Y偏振态；1
×
2耦合器，用于得到一对X或Y偏振态的左右旋圆偏振SAM光束；超表面自由空间光交换器，用于将每个机柜中所有1
×
2耦合器产生的左右旋圆偏振SAM光束复用成一条对应的OAM螺旋光。2.根据权利要求1所述的一种自由空间光数据中心网络架构，其特征在于，每个机柜内的N/M台服务器的可调谐激光源同时产生N/M条波长为λ
k
(k＝1,2,...,W)的入射高斯光束，每台服务器上的可调谐激光源依次产生W个不同波长的入射高斯光束。3.根据权利要求1所述的一种自由空间光数据中心网络架构，其特征在于，超表面自由空间光交换器与每台服务器间形成WDM+PDM+OAM多维复用光链路。4.一种自由空间光数据中心网络架构的拓扑重构系统，其特征在于，包括：基于LSTM的流量预测模块，用于根据当前时刻的流量矩阵，预测当前网络拓扑的下一时刻的流量矩阵；重构触发判决模块，用于根据基于LSTM的流量预测模块的预测结果，判断当前网络拓扑是否需要重构；拓扑生成模块，针对需要重构的网络拓扑，将数据中心拓扑生成问题转化为整数线性规划问题，用于通过遗传算法求解整数线性规划问题，得到与流量需求相适应的拓扑结构。5.根据权利要求4所述的一种自由空间光数据中心网络架构的拓扑重构系统，其特征在于，重构触发模块的判断过程具体为：S101.根据当前时刻t1的网络拓扑计算初步重构判决阈值，并计算连接服务器的最小流量容限值；S102.将基于LSTM的流量预测模块预测的下一时刻t2的流量需求矩阵与当前时刻t1的流量矩阵进行比较，判断两者差值的绝对值是否小于初步重构判决阈值，若是，则维持当前网络拓扑，且重构标志l
rec
＝0，否则执行步骤S103；S103.判断下一时刻的流量是否增大，若是，则执行步骤104，若不是，则执行步骤S105；S104.判断当前网络拓扑是否为满饱和，若是，则维持当前网络拓扑，且重构标志l

【专利技术属性】
技术研发人员：尹欣，侯维刚，郭磊，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：