基于散热片拓扑结构的数据中心互连结构及数据通信方法与流程

本发明涉及数据中心内部通信研究领域，特别涉及一种基于散热片拓扑结构的数据中心互连结构及数据通信方法，该数据中心互连结构是基于散热片拓扑结构的由多个阵列波导光栅组成的两层数据中心互连结构。
背景技术：
：随着近年来新兴互联网服务对海量数据存储和处理的高需求，数据中心在规模和数量上激增，对数据中心的数据交换能力提出了更高的要求。目前，数据中心内部互连普遍采用电交换机方式，在大型数据中心中，虽然固定的拓扑结构通过一个高复杂度的布线提供了巨大的带宽，但交换机及其之间的众多长电缆也成为数据中心功耗的重要来源，同时也给系统的维护和升级带来极大的困难。光通信技术具有高带宽、低功耗的优势，可以同时提高数据中心的网络容量并有效降低数据中心的能耗。虽然已有部分光互连结构提出，但普遍存在阻塞率高、通信效率差，以及可靠性低等问题。为此，研究一种通信效率高、功耗和阻塞率低的数据中心互连结构及数据通信方法具有重要的研究意义和应用价值。技术实现要素：本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于散热片拓扑结构的数据中心互连结构，该结构可提高数据中心内部服务器之间的通信效率、降低功耗和阻塞率以及提高可靠性。本发明的另一目的在于提供一种基于上述数据中心互连结构的数据通信方法，该方法可以实现任意两台服务器的信息传输，有效减小网络阻塞率。本发明的目的通过以下的技术方案实现：基于散热片拓扑结构的数据中心互连结构，包括服务器、机柜、底层阵列波导光栅、顶层阵列波导光栅，其中，每个机柜内设置若干个服务器和一个底层阵列波导光栅，每个服务器分别与该底层阵列波导光栅互连；所述顶层阵列波导光栅有若干个，每个都与该数据中心互连结构中所有的底层阵列波导光栅相连；所述服务器包括主机、光收发模块、光电转换模块和可调谐发射机，光收发模块用以收发光信息，光电转换模块用于实现光信号和电信号的转换，可调谐发射机用于按照需求发送不同波长的光。本发明通过控制可调谐发射机的波长，结合底层阵列波导光栅、顶层阵列波导光栅的连接关系，可以给任意两台服务器的信息传输提供多条不相交的路径，有效减小网络阻塞率，增加通信效率。所述底层阵列波导光栅、顶层阵列波导光栅均采用同规格的N*N型阵列波导光栅，即有N个输入端口和N个输出端口。在每个机柜内，设定服务器的编号是从K+1至N，K<N，其中，编号为K+j的服务器的光输出端口与底层阵列波导光栅的第K+j个输入端口相连，编号为K+j的服务器的光输入端口与底层阵列波导光栅的第K+j个输出端口相连。所述底层阵列波导光栅与顶层阵列波导光栅的连接规则如下：底层阵列波导光栅共有N个，编号为1至N；顶层阵列波导光栅共有K个，编号为1至K；编号为m的底层阵列波导光栅的第n个输入接口与编号为n的顶层阵列波导光栅的第m个输出接口相连；当m≤K时,编号为m的底层阵列波导光栅的第n个输出接口与编号为n的顶层阵列波导光栅的第K+1-m个输入接口相连，当m＞K时，编号为m的底层阵列波导光栅的第n个输出接口与编号为n的顶层阵列波导光栅的第N+K+1-m个输入接口相连。一种基于上述数据中心互连结构的数据通信方法，包括步骤：(1)根据服务器、顶层阵列波导光栅、底层阵列波导光栅之间的连接关系，定义服务器的地址为(X，Y)，X代表该服务器所在的底层阵列波导光栅的编号(1≤X≤N)；Y代表该服务器与底层阵列波导光栅连接端口的编号(K+1≤Y≤N)；(2)当源服务器(a1，b1)需要发送数据给目的服务器(a2，b2)时，首先判定两个服务器是否是在同一底层阵列波导光栅内，即a1＝＝a2是否成立，若成立，该传输为机柜内传输，则源服务器(a1，b1)直接将自身地址信息和要发送的数据加载到波长为λP的光信号上(P＝(b1+b2-2)mod(N))，并发送到目的服务器(a2，b2)，完成数据的传输，若不成立，则执行步骤(3)；(3)定义c＝|a1-a2|，并判定c的值，若c<K，则执行第(4)步，若K≤c≤N-K，则执行第(5)步，若c>N-K，则执行第(6)步；(4)判定两个机柜中，地址为(a1，b3)和(a2，b3)的两个服务器是否同时没有被占用(其中，K+1≤b3≤K+c)，若没有符合条件的服务器，则执行第(7)步，若有，先查看(a1，b1)和(a2，b1)服务器组或者(a1，b2)和(a2，b2)服务器组是否有满足条件的，若满足，直接选取其中满足条件的一组进行操作(即b3＝b1或b3＝b2)，否则，随机从满足条件的服务器中选取一组进行操作。源服务器首先按照机柜内传输的方法，将自身地址信息和目的服务器地址信息以及需要传输的数据传输到服务器(a1，b3),再将该信息经过光电电光转换，将信号加载到波长为λQ的光信号上(Q＝K-1+c)，传输至服务器(a2，b3)，再按照机柜内传输的方法，将信息传输到目的服务器(a2，b2)，完成信息的传递；(5)判定两个机柜中，地址为(a1，b4)和(a2，b4)的两个服务器是否同时没有被占用(其中，K+c≤b4≤2K-1+c)。若没有符合条件的服务器，则执行第(7)步，若有，先查看(a1，b1)和(a2，b1)服务器组或者(a1，b2)和(a2，b2)服务器组是否有满足条件的，若满足，直接选取其中满足条件的一组进行操作(即b4＝b1或b4＝b2)，否则，随机从满足条件的服务器中选取一组进行操作。源服务器首先按照机柜内传输的方法，将自身地址信息和目的服务器地址信息以及需要传输的数据传输到(a1，b4),再将该信息经过光电电光转换，将信号加载到波长λO的光信号上(O＝2K+c)，传输到服务器(a2，b4)，再按照机柜内传输的方式，将信息传输到目的服务器(a2，b2)，完成信息的传递；(6)判定两个机柜中，地址为(a1，b5)和(a2，b5)的两个服务器是否同时没有被占用(其中，c+1≤b5≤N)。若没有符合条件的服务器，则执行第(7)步，若有，先查看(a1，b1)和(a2，b1)服务器组或者(a1，b2)和(a2，b2)服务器组是否有满足条件的，若满足，直接选取其中满足条件的一组进行操作(即b5＝b1或b5＝b2)，否则，随机从满足条件的服务器中选取一组进行操作。源服务器首先通过机柜内传输的方式，将自身地址信息和目的服务器地址信息以及需要传输的数据传输到(a1，b5)，再将该信息经过光电电光转换，将信号加载到波长λM的光信号上(M＝c+K-1)，传输到服务器(a2，b5)，再按照机柜内传输的方式，将信息传输到目的服务器(a2，b2)，完成信息的传递；(7)编号为a1和编号为a2的底层阵列波导光栅没有找到可以直接相连的服务器，此时，需要另外一个底层阵列波导光栅中的服务器作为跳转，且该服务器满足条件：可以与源服务器和目的服务器所在的底层阵列波导光栅通过前面步骤(4)、(5)、(6)的方法相连，则通过上面三步中的方法，先将信息传输到该底层阵列波导光栅中编号为(a3，b6)的服务器，再传输到目的服务器，完成信息的传递；若找不到满足要求的服务器，则判定该请求被拒绝。本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：1、本发明采用多个N*N型阵列波导光栅分别作为底层阵列波导光栅和顶层阵列波导光栅，每个底层阵列波导光栅对应于一个机柜，与多个顶层阵列波导光栅相连，形成散热片拓扑结构。与其他基于阵列波导光栅的数据中心互连结构相比，该结构不需要专门的转发机柜，可以给任意两台服务器的信息传输提供多条不相交的路径，有效减小网络阻塞率，增加通信效率。且基于该结构，可以增加系统的可靠性，当顶层阵列波导光栅出现故障时，信号仍然可以通过其他不相交的路径传输到目的服务器。2、本发明中，当顶层阵列波导光栅出现故障时，控制层可以通过信息的传输出现错乱或阻塞现象，来判定是结构中的哪一部分出现故障，并在服务器进行路径选取的时候，排除需要该顶层阵列波导光栅支撑的路径，转而选择其他路径。3、根据本发明中数据通信方法第(4)、(5)、(6)步可以知道，当进行机柜间传输的时候，信号的传输路径有多种选择，例如：当K≤|a1-a2|≤N-K时，传输路径可以在K+c到2K-1+c之中选择，共有K条路径，增加了可供选择的余地，极大的降低了阻塞率，提高了通信效率。附图说明图1是本实施例数据中心互连结构的结构示意图。图2是本实施例数据通信方法的流程图。具体实施方式为了使专利局的审查员尤其是公众能够更加清楚地理解本发明的技术实质和有益效果，申请人将在下面以实施例的方式作详细说明，但是对实施例的描述均不是对本发明方案的限制，任何依据本发明构思所作出的仅仅为形式上的而非实质性的等效变换都应视为本发明的技术方案范畴。实施例1如图1所示，本实施例基于散热片拓扑结构的数据中心互连结构，主要由机柜间互连的顶层阵列波导光栅和若干与之相连的机柜组成，其中每个机柜内部又由底层阵列波导光栅和若干个服务器构成，各个机柜中的服务器数量相同。服务器内部主要由主机、可调谐发射机、光电转换模块、光收发模块、光输出接口、光输入接口等构成。主机主要负责数据的分析、处理和存储；可调谐发射机用于按照需求发送不同波长的光；光电转换模块主要负责将接收到的光信号转变成电信号，以及把要传输出去的电信号转变成光信号；光收发模块主要负责提供外部输入该服务器光信号的光输入端口，同时提供该服务器向外部发射光信号的光输出端口。其接收光信号的端口称为光接收端口，发射光信号的端口称为光发射端口。本实施例底层阵列波导光栅、顶层阵列波导光栅均采用同规格的N*N型阵列波导光栅，即有N个输入端口和N个输出端口。其构成的基于散热片拓扑结构的数据中心互连结构最多可以支持N个机柜，单个机柜内部最多可以支持N-K个服务器(K为顶层阵列波导光栅的数量)，服务器的光输出端口与底层阵列波导光栅的输入接口相连，服务器的光输入端口与底层阵列波导光栅的输出光接口相连，通过改变服务器发射的光波波长，即可选择与机柜内部其他的服务器或是其他机柜内的服务器传输数据。每个机柜都有各自的编号，每个机柜内部的服务器也有各自的编号。机柜与顶层阵列波导光栅之间、服务器与底层阵列波导光栅之间的连接需要符合如下规则：1)在任一机柜内部，服务器的编号从K+1开始，到N截止。编号为K+m的服务器的光输出端口与底层阵列波导光栅的第K+m个输入接口相连；编号为K+m的服务器的光输入端口与底层阵列波导光栅的第K+m个输出接口相连。2)对于任一机柜，若机柜编号为m(机柜编号可为1，2，3…N)，则该机柜内的底层阵列波导光栅的第n个输入接口与编号为n的顶层阵列波导光栅的第m个输出接口相连(n≤K)；编号为m的底层阵列波导光栅的第n个输出接口与编号为n的顶层阵列波导光栅的第(K+1-m)个输入接口相连(当m＞K时，则与编号为n的顶层阵列波导光栅的第(N+K+1-m)个输入接口相连)。基于上述规则，建立表1所示的阵列波导光栅的路由表。表1为N*N型阵列波导光栅的路由表波长λ123…K-1KK+1…N-K-1N-KN-K+1…N-2N-1N1λ0λ1λ2…λK-2λK-1λK…λN-K-2λN-K-1λN-K…λN-3λN-2λN-12λ1λ2λ3…λK-1λKλK+1…λN-K-1λN-KλN-K+1…λN-2λN-1λ03λ2λ3λ4…λKλK+1λK+2…λN-KλN-K+1λN-K+2…λN-1λ0λ1………………………………………K-1λK-2λK-1λK…λ2K-4λ2K-3λ2K-2…λN-4λN-3λN-2…λK-5λK-4λK-3KλK-1λKλK+1…λ2K-3λ2K-2λ2K-1…λN-3λN-2λN-1…λK-4λK-3λK-2K+1λKλK+1λK+2…λ2K-2λ2K-1λ2K…λN-2λN-1λ0…λK-3λK-2λK-1………………………………………N-KλN-K-1λN-KλN-K+1…λN-3λN-2λN-1…λN-2K-3λN-2K-2λN-2K-1…λN-K-4λN-K-3λN-K-2N-K+1λN-KλN-K+1λN-K+2…λN-2λN-1λ0…λN-2K-2λN-2K-1λN-2K…λN-K-3λN-K-2λN-K-1N-K+2λN-K+1λN-K+2λN-K+3…λN-1λ0λ1…λN-2K-1λN-2KλN-2K+1…λN-K-2λN-K-1λN-K………………………………………N-2λN-3λN-2λN-1…λK-5λK-4λK-3…λN-K-5λN-K-4λN-K-3…λN-6λN-5λN-4N-1λN-2λN-1λ0…λK-4λK-3λK-2…λN-K-4λN-K-3λN-K-2…λN-6λN-4λN-3NλN-1λ0λ1…λK-3λK-2λK-1…λN-K-3λN-K-2λN-K-1…λN-4λN-3λN-2结合表1，可知，对于同一个机柜内部，由服务器K+i到服务器K+j(i≠j)的信号应采用波长λn进行传输，其中波长编号n应满足：同时可知，对于任意两个不同的机柜，如机柜i与机柜u(i≠u)总存在机柜i中的第j个服务器与机柜u中的第j个服务器，可以直接通过波长λP实现通信，并且最多有K种选择(这里需要K远小于N，并满足K＜N-K)，最少有一种选择(当0＜|i-u|＜K时，则路径数为|i-u|；当K≤|i-u|≤N-K时，则路径数为K；当N-K＜|i-u|＜N时，则路径数为N-|i-u|)，可以完成此次通信，即通过多个顶层阵列波导光栅，可以实现任意机柜间多条路径的数据通信。其中j和P满足如下公式：当某个顶层阵列波导光栅出现故障导致无法直接连接时，可以通过与其他顶层阵列波导光栅的连接，必要时经由其他机柜进行跳转，来实现通信。上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。当前第1页1 2 3