一种基于阵列波导光栅的数据中心机架内部网络结构的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于阵列波导光栅的数据中心机架内部网络结构。以阵列波导光纤作为核心器件，服务器内部采用可调谐发射机、接收机、收发缓存组成光网络接口，实现波分复用网络，服务器具有两个光接口，分别对应阵列波导光栅的两个不同的传播方向，分别与阵列波导光栅两侧的两个不同接口相连。服务器内部采用两套收发装置，对应两个光网络接口，采用环形器分离发送与接收的信号。可以利用阵列波导光栅的波长路由功能实现大容量的机架内部的光交换网络，从而提高传输带宽，降低网络功耗，并且利用阵列波导光栅的双向特性实现网络的保护，提高网络的可靠性，并且结构简单易于实现。
【专利说明】一种基于阵列波导光栅的数据中心机架内部网络结构【技术领域】
[0001]本发明属于通信中的数字信息传输与多路复用通信【技术领域】，具体涉及一种基于阵列波导光栅的数据中心机架内部网络结构及其方法。
【背景技术】
[0002]近年来云计算和各种高带宽的网络服务的兴起，对数据中心的数据交换能力提出了更高的要求。在目前的数据中心中，光通信技术更多的用于机架间的交换网络，而机架内部的通信网络仍主要基于电缆。但随着大数据服务的兴起，传统的铜缆的传输速度将难以满足未来的需求。此外，机架内部使用的交换机也是数据中心功耗的重要来源。将光通信技术高带宽，低功耗的优势应用于数据中心，能够提高数据中心的网络容量，并有效降低数据中心的能耗。
【发明内容】
[0003]本发明针对目前数据中心机架内部仍普遍采用电交换网络的情况，为了提高数据中心机架内部服务期间的通信速率，并且降低机架内交换网络的功耗，提出了一种基于阵列波导光栅的数据中心机架内部网络结构及其方法。
[0004]数据中心机架内部的光网络结构包括服务器、NXN型的阵列波导光栅，所述的服务器包括主机、第一发送缓存、第一接收缓存、第二发送缓存、第二接收缓存、第一可调谐发射机、第一接收机、第二 可调谐发射机、第二接收机、第一环形器、第二环形器、第一光接口、第二光接口，主机分别与第一发送缓存、第一接收缓存、第二发送缓存、第二接收缓存相连，主机上设有控制层接口，第一发送缓存与第一可调谐发射机相连，第一接收缓存与第一接收机相连，第二发送缓存与第二可调谐发射机相连，第二接收缓存与第二接收机相连，第一可调谐发射机、第二接收机与第一环形器相连，第二可调谐发射机、第一接收机与第二环形器相连，第一环形器与第一光接口相连，第二环形器与第二光接口相连，所述的NXN型的阵列波导光栅具有双向传输特性，其中的接口即可作为输入接口也可作为输出接口，服务器的第一光接口、第二光接口分别通过光纤与NXN型的阵列波导光栅两侧具有相同通道编号的接口相连，NXN型的阵列波导光栅上设有第一机架与外部网络接口、第二机架与外部网络接口。
[0005]所述的NXN型的阵列波导光栅连接的服务器的数量最多为N-1个。
[0006]所述的控制层接口与外部控制层相连，所述的第一机架与外部网络接口、第二机架与外部网络接口与外部网络相连。
[0007]所述数据中心机架内部的光网络结构的数据交换与网络保护方法包括如下步骤:
1)发送服务器中的主机决定目标服务器，通过控制层接口向控制层提出请求；
2)控制层查询目标服务器的工作状态并指示发送服务器选择与目标服务器中空闲的接收机相对应发射机； 3)选定的发射机调整发射波长，使待发送的数据能够经由阵列波导光栅传输至目标服务器；
4)发送服务器的主机通过发送缓存利用选定的接收机向目标服务器发送数据。
[0008]5)目标服务器利用接收机与接收缓存实现数据的接收；
6)当服务器与阵列波导光栅间的任意一段光纤发生断路，则相连的服务器中对应的发射机与接收机可视为被占用的状态，此时另一组发射机与接收机仍可保证服务器的正常通信，实现网络的保护。
[0009]本发明的有益效果是:以具有波长路由功能的NXN型阵列波导光栅为网络的交换核心，通过在服务器中采用具有波长调谐功能的发射机来实现波分复用，实现高容量，低功耗的数据中心机架内部的多服务器间的通信网络。采用基于NXN型阵列波导光栅的光网络取代机架内部的电交换网络，将为机架内部的通信带宽提供大的提升潜力，并且降低通信过程中的能耗。由于阵列波导光栅支持双向通信，因此能够减少网络的阻塞，并实现线路保护的功能。
[0010]可以利用阵列波导光栅的波长路由功能实现大容量的机架内部的光交换网络，从而提高传输带宽，降低网络功耗，并且利用阵列波导光栅的双向特性实现网络的保护，提高网络的可靠性，并且结构简单易于实现。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]下面结合附图、附表对本发明进一步说明。
[0012]图1为服务器内部构造示意图；
图2为数据中心机架内部网络结构示意图；
图3为机架内部通信的波长分配表；
图中:1.服务器，2.主机，3.第一发送缓存，4.第二接收缓存，5.第二发送缓存，6.第一接收缓存，7.第一可调谐发射机，8.第二接收机，9.第二可调谐发射机，10.第一接收机，
11.第一环形器，12.第二环形器，13.控制层接口，14.NXN型的阵列波导光栅，15.第一机架与外部网络接口，16.第二机架与外部网络接口。
【具体实施方式】
[0013]服务器I的内部构造:如图1所示，服务器内部主要由负责数据处理的服务器主机2及负责通信的光通信接口两个部分组成。而光通信接口由两组分立的第一可调谐发射机7、第二可调谐发射机9与第二接收机8、第一接收机10构成。第二接收机8、第一接收机10可采用光电二极管接收机或灵敏度更高的雪崩光电管接收机。对于每组发射机与接收机(7、8或9、10)，建议采用集成度较高的SFP+或XFP等封装的光收发一体模块，以减小空间占用，使服务器结构更加紧凑。第一可调谐发射机7、第二可调谐发射机9的发射波长由主机根据发送目标来选择和控制。每一个发射机与接收机，均配有独立的缓存与主机通信，以确保两组发射机与接收机能够实现同时工作，以尽可能地减小网络中发生阻塞的可能，发送缓存为第一发送缓存3、第二发送缓存5，接收缓存为第二接收缓存4、第一接收缓存6(所有缓存皆为可选，根据性能要求配置缓存大小)。考虑到NXN型阵列波导光栅的双向特性，在服务器内部的加入第一环形器11、第二环形器12，以分离输出服务器与输入服务器的光信号，实现双向的通信。环形器的方向如图1所示。此外，主机有与控制层的通信接口 13，从控制层来获悉网络中的实时状况，根据发射数据的目标以调整发射机及采用的波长。
[0014]机架内部网络结构:如图2所示，网络由核心器件NXN型的阵列波导光栅14和若干与之相连的服务器组成。对于有N个输入端口的阵列波导光栅，其构成的网络最多可以支持同一个机架内N-1个服务器。对于该网络中的任一服务器，其中的发射机与接收机可以分为两组，分别对应于信号在图2的阵列波导光栅中的两种不同的传输方向(从左侧端口至右侧端口，或者从右侧端口至左侧端口)对于同组的发射机与接收机，在发射机发射某一特定波长(如图3中的X1)时，同组的接收机能够接收到。通过改变发射的波长，即可选择其他的服务器或是机架外部作为传输目标。具体的波长分配表由阵列波导光栅的器件参数决定，一种可能的波长分配如附图3所示。两组不同的发射机与接收机对应于阵列波导光栅中的不同的传播方向。图1中的第一发射机7与第一接收机10对应于图2中阵列波导光栅内部从左至右的传播方向，而第二发射机9与第二接收机8则反之。不同的传播方向形成了两个独立完整的传输网络，可形成1+1或者1:1的保护功能，提高传输可靠性。对于机架内部与机架外部的通信，在本结构中将机架外部整体等同于一个服务器，在阵列波导光栅中为其分配一对端口 15、16。在传输的方式上与其余的服务器端口不做区分,这点也反映在波长分配表中。此外，对于每个服务器，均有一个波长能够令自身的接收机接受，如图3中的λ1()这在实际的传输过程中无意义，但可以作为测试网络连接的一种方法。
[0015]本方案的通信速率由具体的器件参数决定，其中包括收发机的速率，阵列波导光栅的通带间隔等。对于IOOGHz通带间隔的阵列波导光栅，该方案可以支持IOG乃至40G以上的高速传输速率，可以满足未来的数据中心对机架内部通信速率的需求。
[0016]本方案利用阵列波导光栅的双向特性形成线路的保护，该保护并不同于常见的1+1或1:1保护。双向的线路处于对等的地位，可以同时工作。对于每一个服务器，在发送数据时可以选择通过第一发射机7或第二发射机9来实现数据的发送，但需要要求目标服务器对应的接收机处于空闲状态。即增加了一条传输的路径。当目标接受机允许的情况下，服务器可以令两个发射机同时处于工作状态，向一个或两个目标服务器同时传输数据。同样，对于某个特定的服务器，也可以同时接受一个或两个服务器传输的数据，从而降低的网络阻塞的情况。而假使一个服务器的一条线路损坏，则其另一条线路仍可正常工作，所以在与该服务器通信时，只需限制其它服务器发射机与接收机的选择，即可保证正常的通信不中断。
[0017]本方案中采用单独的控制层来实时控制网络的通信情况。服务器通过自身的通信端口与控制层通信。控制层接收每一个服务器的工作状态，分析网络的工作情况，并根据实时的网络情况处理新的服务器传输请求，动态规划并确定服务器采用的传输端口。
[0018]对于与机架外部的通信端口，在方案中将其视作一个较为特殊的服务器。在传输的方式上其与普通的服务器相同。但根据机架外部网络的设计不同，可能允许机架内部全部的服务器同时向外部发送数据，所以其端口不存在占用情况。
【权利要求】
1.一种数据中心机架内部的光网络结构，其特征在于包括服务器(I)、NXN型的阵列波导光栅(14)，所述的服务器包括主机(2)、第一发送缓存(3)、第一接收缓存(6)、第二发送缓存(5)、第二接收缓存(4)、第一可调谐发射机(7)、第一接收机(10)、第二可调谐发射机(9)、第二接收机(8)、第一环形器(11)、第二环形器(12)、第一光接口(17)、第二光接口(18)，主机(2)分别与第一发送缓存(3)、第一接收缓存(6)、第二发送缓存(5)、第二接收缓存(4)相连，主机(2)上设有控制层接口(13)，第一发送缓存(3)与第一可调谐发射机(7)相连，第一接收缓存(6)与第一接收机(10)相连，第二发送缓存(5)与第二可调谐发射机(9)相连，第二接收缓存(4)与第二接收机(8)相连，第一可调谐发射机(7)、第二接收机(8)与第一环形器(11)相连，第二可调谐发射机(9)、第一接收机(10)与第二环形器(12)相连，第一环形器(11)与第一光接口(17)相连，第二环形器(12)与第二光接口(18)相连，所述的NX N型的阵列波导光栅(14)具有双向传输特性，其中的接口即可作为输入接口也可作为输出接口，服务器(I)的第一光接口(17)、第二光接口(18)分别通过光纤与NXN型的阵列波导光栅(14)两侧具有相同通道编号的接口相连，NXN型的阵列波导光栅(14)上设有第一机架与外部网络接口(15)、第二机架与外部网络接口(16)。
2.根据权利要求1所述的一种数据中心机架内部的光网络结构，其特征在于所述的NXN型的阵列波导光栅(14)连接的服务器(I)的数量最多为N-1个。
3.根据权利要求1所述的一种数据中心机架内部的光网络结构，其特征在于所述的控制层接口( 13)与外部控制层相连，所述的第一机架与外部网络接口( 15)、第二机架与外部网络接口(16)与外部网络相连。
4.一种实施如权利要求1所述数据中心机架内部的光网络结构的数据交换与网络保护方法，其特征在于包括如下步骤: 1)发送服务器中的主机(2)决定目标服务器，通过控制层接口(13)向控制层提出请求； 2)控制层查询目标服务器的工作状态并指示发送服务器选择与目标服务器中空闲的接收机相对应发射机； 3)选定的发射机调整发射波长，使待发送的数据能够经由阵列波导光栅(14)传输至目标服务器； 4)发送服务器的主机(2)通过发送缓存利用选定的接收机向目标服务器发送数据； 5)目标服务器利用接收机与接收缓存实现数据的接收； 6)当服务器与阵列波导光栅间的任意一段光纤发生断路，则相连的服务器中对应的发射机与接收机可视为被占用的状态，此时另一组发射机与接收机仍可保证服务器的正常通信，实现网络的保护。
【文档编号】H04L12/931GK104009941SQ201410207478
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年5月16日 优先权日:2014年5月16日
【发明者】龚宇, 陈佳佳, 洪学智, 卢旸, 何赛灵 申请人:江苏鼎云信息科技有限公司