光学数据中心网络、光学组件、波长分配方法
【专利摘要】本发明提出了一种光学数据中心网络，具有广义k-ary-n-cube拓扑结构，其中所述光学数据中心网络具有n个维度，每个维度具有ki个架顶(ToR)交换机，其中i∈[0，n-1]，是大于等于3的整数，n是大于等于2的整数，多个服务器分别与各自的ToR交换机相连，ToR交换机分别通过各自的光学组件与其他ToR交换机互连。本发明还提出了一种用在上述光学数据中心网络中的光学组件，以及用在上述光学数据中心网络中的波长分配方法。
【专利说明】光学数据中心网络、光学组件、波长分配方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及数据中心网络，更具体地，涉及一种光学数据中心网络(DCN)，具有可扩缩、容错和改善的性能；一种用在所述光学DCN中的光学组件；以及一种用在所述光学DCN中的波长分配方法。
【背景技术】
[0002]由于与传统的电学网络相比具有更卓越的技术性能，光学数据中心网络(DCN)已成为研究的热门领域。但是，现有的光学DCN存在以下缺点:难以扩缩、易于受到单点故障的影响、网络平分带宽有限。
[0003]在光学DCN中已经引入了大量的光学技术(参见非专利文献[I]、[2]、[3])。例如，以下将简单介绍几种光学技术，更为详细的内容可参考相关文献。
[0004]基于MEMS (微机电开关)的光学开关:MEMS工作在物理层，是一种双侧NXN电路交换矩阵，通过机械地旋转微镜，实现任一输入端口与任一输出端口相连。MEMS的开关时间是大约10毫秒(参见非专利文献[4])。
[0005]波长选择开关(WSS) =WSS是一种IXN的光学器件，用于波长解复用。WSS具有I个公共输入端口和N个输出端口，可以将来自公共输入端口的所有波长分为N组，每一组通过I个输出端口输出。WSS是操作时间可重配置的(大约10毫秒)。
[0006]波分复用(WDM):WDM是一种将多个非冲突波长复用到单根光纤上的技术。根据信道间隔，在传统的C波段上，可以将多达100个波长复用在光纤上。在光学DCN中，波长通常受到与之相连的电开关端口的速率限制(例如，IOGbps)。
[0007]其他的光学器件例如还包括:环行器、收发机、耦合器等。环行器能够在单根光纤上实现双向传输，从而能够更有效率地利用MEMS端口。收发机可以在架顶(ToR)交换机中实现电信号和光信号之间的转换。耦合器可以将多个波长耦合到单根光纤中(类似于复用器，但比复用器简单)。
[0008]目前的光学DCN为了实现可重配置的拓扑，均以MEMS为中心来实现。然而，由于MEMS的使用，导致了如可扩缩性、容错性和运行性能等方面的问题。例如，这些光学DCN依赖于中心MEMS来连接所有ToR交换机，因此所能支持的ToR交换机的数量由MEMS端口密度决定。目前可用的最大的MEMS具有多达320个端口，因此，限制其最多支持320个ToR交换机。最简单直接的解决方案是对多个MEMS进行互连(级联)，例如，按照Fat Tree的形式，以增加端口密度(参见非专利文献[3])。但是，基于MEMS的电路交换不同于传统的电分组交换。MEMS开关只允许其端口间的双侧、成对连接，即，MEMS的所有端口被分为两组，只有在两个端口分别属于不同的组时，才能彼此相连(参见图1中的“ V”和“X”)。这样，与传统的电分组交换相比，MEMS难以互连形成较大的端口池。图2示出了两层全网格MEMS链结构的示例。即使是在这种密集互连的情况下，图2所示的MEMS链也只能保证下方一个MEMS的一个端口每次与上方一个HEMS的一个端口相连，限制了灵活性。例如，HEHS 00的端口 I可以与MEMS 11的端口 5?8之一相连，但是MEMS 00的端口 I和端口 2不能与MEMS11的端口 5~8中的任意两个同时相连。因此，为了实现更为灵活的连接，需要更为复杂的结构。此外，即使能够实现更为灵活的MEMS链，也将极大地增加网络成本。每个MEMS端口的成本大约是US$500 (参见非专利文献[2])，这意味着一个320端口的MEMS的成本是US$160, 000。而且，这种灵活的MEMS链将浪费大量的端口，例如，在图2所示的MEMS链中，50%的端口用于纯粹的互连目的。此外，由于MEMS的开关时间(~10毫秒)，操作这种复杂的MEMS链的时间成本也是非常惊人的。
[0009]另一方面，“热点”在现实的数据中心中越来越流行，而且以扇入(扇出)的方式出现。即使是最繁忙的5对ToR交换机对也只是“热点”负载的一小部分。这意味着对于分散负载和业务而言，即使是通过MEMS在最繁忙的ToR交换机间建立电路链路也难以起到实质性的作用。因此，需要更为先进的路由方式。
[0010]由于MEMS开关给光学DCN带来了如此多的问题，发明人认为与其增加更多的MEMS开关，不如完全去除MEMS开关，而以另外的方式来实现具有可扩缩、容错和改善的性能的光学数据中心网络(DCN)。
[0011]非专利文献列表:
[0012][I]K.Chen, A.Singla, A.Singh, K.Ramachandran, L.Xu, Y.Zhang, X.Wen, andY.Chen, “OSA:An Optical Switching Architecture for Data Center Networks withUnprecedented Flexibility,，，in NSDI, 2012 ；
[0013][2]N.Farrington, G.Porter, S.Radhakrishnan, H.H.Bazzaz, V.Subramanya,Y.Fainman, G.Papen, and A.Vahdat,“Helios:AHybrid Electrical/Optical SwitchArchitecture for Modular Data Centers,” in SIGC0MM,2010 ；
[0014][3]G.Wang, D.Andersen, M.Kaminsky, K.Papagiannaki, T.Ng, M.Kozuch, andM.Ryan, “c-Through:Part-time Optics in Data Centers,” in SIGC0MM,2010 ;和
[0015][4]T.Truex, A.A.Bent, and N.W.Hagood, “Beam steering optical switchfabric utilizing piezoelectric actuation technology,，，in NF0EC,2003o
【发明内容】
[0016]考虑到现有技术的上述缺陷，本发明提出了一种光学数据中心网络(DCN)，具有可扩缩、容错和改善的性能；一种用在所述光学DCN中的光学组件；以及一种用在所述光学DCN中的波长分配方法。
[0017]根据本发明的第一方案，提出了一种光学数据中心网络，具有广义k-ary-n-cube拓扑结构。所述光学数据中心网络具有n个维度，每个维度具有^个架顶(ToR)交换机，
其中ie [0，n-l]，A = maxpj是大于等于3的整数，n是大于等于2的整数。多个服务
器分别与各自的ToR交换机相连，ToR交换机分别通过各自的光学组件与其他ToR交换机互连。
[0018]优选地，每个ToR交换机在所述光学数据中心网络的拓扑结构中的位置可以由逻辑地址A = (?^, an_2,…，a0)来描述，其中Si以Ici为基，Hi G [0, k「l]。
[0019]优选地，两个ToR交换机之间的距离可以定义为
[0020]Dw (A, B) = w (A-B)，
[0021 ] 其中A和B表示两个ToR交换机的逻辑地址，w (A)是地址行列式A的权重[0022]
【权利要求】
1.一种光学数据中心网络，具有广义k-ary-n-cube拓扑结构，其中所述光学数据中心网络具有η个维度，每个维度具有匕个架顶(ToR)交换机，其中
2.根据权利要求1所述的光学数据中心网络，其中，每个ToR交换机在所述光学数据中心网络的拓扑结构中的位置由逻辑地址A = (an_1;an_2，-,a0)来描述，其中％以Ici为基，aj G [O, kj-1]。
3.根据权利要求2所述的光学数据中心网络，其中，两个ToR交换机之间的距离定义为 Dw (A, B) = w (A-B)， 其中A和B表示两个ToR交换机的逻辑地址，W(A)是地址行列式A的权重
4.根据权利要求1~3之一所述的光学数据中心网络，其中，所述光学数据中心网络由
5.根据权利要求1~3之一所述的光学数据中心网络，其中，所述光学数据中心网络的网络直径，即，网络中任意两个ToR交换机之间的最长最短路径，等于
6.根据权利要求1~3之一所述的光学数据中心网络，其中，在任意两个ToR交换机之间，存在2η条节点独立的平行路径。
7.一种光学组件，用在根据权利要求1所述的光学数据中心网络中，所述光学组件包括: qX I多路复用器(MUX)，其q个输入端分别与相应的ToR交换机上的收发机相连，接收来自ToR交换机的相应波长的光信号，并将各个波长的光信号复用到输出端口，通过光纤输出； IXp波长选择开关(WSS),其输入端与qXl多路复用器的输出端相连,对通过光纤传输的多个波长的光信号进行波长选择，从而将多个波长分为P组，分别从P个输出端口输出； P个环行器，每一个将从IXp WSS的对应输出端口输出的光信号输出到所述光学组件的外部，并将来自所述光学组件外部的光信号输出到PXI耦合器； pXl耦合器，对来自P个环行器的光信号进行合波操作，从输出端口输出到IXq解复用器；以及 I Xq解复用器(DeMUX),将来自pX I稱合器的多波长光信号解复用为p组相应波长的光信号，并输出到相应的ToR交换机上的收发机， 其中，P = 2n，q是与根据网络带宽需求设置的波长数目相关联的整数。
8.根据权利要求7所述的光学组件，其中，q等于根据网络带宽需求设置的波长数目。
9.根据权利要求7或8所述的光学组件，其中，IXpWSS根据链路带宽需求，将波长分为P组。
10.一种波长分配方法，用在根据权利要求1所述的光学数据中心网络中，所述波长分配方法包括: 将所述光学数据中心网络的图表示G= (V,E, Cj5)重绘为多重图G' = (V，E')，其中V是ToR交换机集合，每个元素表示一个ToR交换机，E是边集合，即每个元素表示一条ToR链路，0是链路带宽需求，即每个元素表示一条链路上的带宽需求，E'包含两个节点之间的多个边，表示两个ToR交换机之间的多个波长，以满足二者之间的带宽需求； 通过增加伪边，将双向图G'增广为A(G' )_规则双向图Glr= (V, Er), A (Gr)=A(G')，其中矿=E' +伪边，A(G')是G'的最大节点度，A(C)是C的最大节点度； 采用分割-占领方法，对A (GD-规则双向图C进行分解，找出形成图C的A (Gr)个完美匹配； 从这A (G1O个完美匹配中去除伪边，得到形成图G'的A(G')个匹配； 为这A (G')个匹配中的每一个分配一个不同的波长，得到波长分配入。
11.根据权利要求10所述的波长分配方法，其中，在链路带宽需求发生变化时，对波长分配进行调整，但使得改变的波长的数目最小。
12.根据权利要求11所述的波长分配方法，其中，原链路带宽需求为，满足原链路带宽需求4>。1(1的原波长分配为X。1(1，新链路带宽需求为4)n?，新波长分配为Xmw，所述波长分配方法还包括以下步骤: 利用原波长分配入。ld= Im1, m2，作为辅助，将新的多重图G' nOT分解为A个匹配 Xnew=Im' 1； m' 2,…m' A}； 采用Hungarian算法，得到新波长分配入new，以实现新波长分配Xnew和原波长分配入old之间的最大波长重叠。
【文档编号】H04J14/02GK103686467SQ201210338781
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2012年9月13日 优先权日:2012年9月13日
【发明者】陈凯, 陈焰, 文熙韬, 夏勇, 刘永强 申请人:日电（中国）有限公司