用于光子交换的系统和方法
【专利说明】
[0001] 本发明要求2014年5月12日递交的发明名称为"用于光子交换的系统和方法 (System and Method for Photonic Switching)" 的第 14/275, 320 号美国非临时申请案 以及2013年5月10日递交的发明名称为"用于在纯光子包交换机中使用偏转策略的竞争 解决的系统和方法（System and Method for Contention Resolution using Deflection Policies in Pure Photonic Packet Switch)"的第61/822, 180号美国临时申请案的在先 申请优先权，所述在先申请的内容以引入的方式并入本文本中。
技术领域
[0002] 本发明涉及一种用于光通信的系统和方法，且具体来说，涉及一种用于光子交换 的系统和方法。
【背景技术】
[0003] 通过用户数的增长且通过应用数的增加激起的互联网业务的增长产生对带宽的 更高需求。此增长需要具有较高交换能力的较大包交换网络。数据中心含有巨大数量的服 务器机架、存储设备机架以及其它机架，所有机架经由巨大的集中式包交换资源互连。在数 据中心中，电力包交换机用于路由数据包。极高速率的电子包交换涉及巨大的冷却和空间 成本。因此，光子包交换是所需的。
[0004] 服务器、存储设备和输入输出功能的机架含有架顶（TOR)交换机，所述架顶交换 机将来自它们的相关联服务器和/或其它外围设备的包流合并成每TOR交换机更少数目的 高速流，这些高速流被路由到包交换核心。并且，TOR交换机接收来自所述资源的返回经交 换流且将其分布到所述交换机的机架内的服务器。可以存在从每一 TOR交换机到包交换核 心的4 X 40Gb/s的流和相同数目的返回流。在数据中心中可以存在每机架一个TOR交换机， 其中具有数百到数万个机架，以及因此数百到数万个TOR交换机。
【发明内容】
[0005] 光子包交换的实施例方法包含：通过光子交换结构从第一架顶（TOR)交换机接收 对应于第一光子包和第一时间段的目的地端口请求，其中目的地端口请求包含第一输出端 口；以及确定所述第一输出端口在所述第一时间段期间是否可用。所述方法还包含通过光 子交换结构从第一 TOR交换机接收第一光子包；以及当第一输出端口在第一时间段期间可 用时，将第一光子包路由到第一输出端口。另外，所述方法包含当第一输出端口在第一时间 段期间不可用时，将第一光子包路由到替代输出端口。
[0006] 实施例光子交换结构包含第一光子交换机和耦合到所述第一光子交换机的交换 机控制器，其中所述第一光子交换机用于耦合到多个架顶（TOR)交换机，其中所述第一光 子交换机包含第一多个输入端口和第二多个输出端口，其中所述第二多个输出端口多于所 述第一多个输入端口，其中所述交换机控制器用于根据第一目的地端口请求确定第一输出 端口在第一时间段期间是否可用，其中当所述第一输出端口在所述第一时间段期间可用 时，所述第一光子交换机用于将第一输入端口连接到所述第一输出端口，并且其中当所述 第一输出端口在所述第一时间段期间不可用时，所述第一光子交换机用于将所述第一输入 端口连接到第二输出端口。
[0007] 实施例光子交换结构包含光子包交换机和包含第一输入光子交换机的多个输入 光子交换机，其中所述多个输入光子交换机耦合到所述光子包交换机，其中所述多个输入 光子交换机用于耦合到包含第一 TOR交换机的多个架顶（TOR)交换机，其中当所述光子包 交换机的第一输出端口在第一时间段期间可用时，所述第一输入交换机用于将第一包从所 述第一 TOR交换机引导至所述光子包交换机，并且其中当所述光子交换结构的所述第一输 出端口在所述第一时间段期间不可用时，所述第一输入光子交换机用于将所述光子包返回 到所述第一 TOR交换机。
[0008] 前文已相当广泛地概述了本发明的一个实施例的特征，以便可以更好地理解下文 本发明的详细说明。下文中将描述本发明的实施例的另外的特征和优点，这些另外的特征 以及优点形成本发明的权利要求书的主题。所属领域的技术人员应了解，所公开的概念和 具体实施例可以容易地用作修改或设计用于实现本发明的相同目的的其它结构或方法的 基础。所属领域的技术人员还应意识到，此类等效构造不脱离如在所附权利要求书中所阐 述的本发明的精神和范围。
【附图说明】
[0009] 为了更完整地理解本发明及其优点，现在参考下文结合附图进行的描述，其中：
[0010] 图1图示实施例数据中心；
[0011] 图2图示实施例星形架构；
[0012] 图3图示实施例环形架构；
[0013] 图4图不到光子包交换机的传入竞争光子包；
[0014] 图5图示竞争包通过光子包交换机的解决；
[0015] 图6图示用于竞争解决的实施例光子交换结构；
[0016] 图7图不具有竞争解决的另一实施例光子交换结构；
[0017] 图8图示解决竞争光子包的实施例方法的流程图；
[0018] 图9图示用于竞争解决的另外实施例光子交换结构；
[0019] 图10图示吞吐量与交换机大小的曲线图；
[0020] 图11图示光子交换结构中的输出负载均衡；
[0021] 图12图示光子交换结构中的输入负载均衡；
[0022] 图13图示用于竞争解决的另一实施例光子交换结构；
[0023] 图14图示包的数目与根据接口负载的用于每一输出端的交换机缓存器的曲线 图；
[0024] 图15图示通过软件定义网络（SDN)控制的实施例光子网络。
[0025] 图16图示用于竞争解决的实施例光子交换架构；
[0026] 图17图示用于竞争解决的另一实施例光子交换架构；
[0027] 图18图示用于竞争解决的另外实施例光子交换架构；
[0028] 图19图示用于解决竞争光子包的实施例方法的流程图；
[0029] 图20图示用于混合光子包交换的实施例系统；
[0030] 图21A至C图示用于光子包交换系统的波形和眼图；以及
[0031] 图22图示用于光子包交换的另一实施例系统。
[0032] 除非另有指示，否则不同图中的对应标号和符号通常指代对应部分。绘制各图是 为了清楚地说明实施例的相关方面，因此未必是按比例绘制的。
【具体实施方式】
[0033] 首先应理解，尽管下文提供一个或多个实施例的说明性实施方案，但所公开的系 统和/或方法可以使用任何数目的技术来实施，无论该技术是当前已知还是现有的。本发 明决不应限于下文所说明的说明性实施方案、附图和技术，包含本文所说明并描述的示例 性设计和实施方案，而是可以在所附权利要求书的范围以及其等效物的完整范围内修改。
[0034] 实现光子包交换的一个挑战是竞争解决。当两个或两个以上包同时尝试交换机的 同一输出端口时发生竞争。竞争解决的一个方法是偏转路由。在偏转路由中，竞争通过仅 将竞争包中的一者路由到所需输出端口来解决，而其它竞争包被偏转至节点或网络内的另 一路径。纯光子包交换中的竞争解决可能涉及异步竞争解决。在实例中，竞争包返回到源。 在另一实例中，存在到给定目的地的更多输出端口并且包被发送到可用输出端口中的任一 者。在另一实例中，去往输出端口的多个包具有允许首先检查最高优先级可用端口的优先 权。
[0035] 图1图示数据中心100,即，三层数据中心。服务器组104各自含有N个服务器 102。服务器组中的服务器连接到架顶（TOR)交换机106,即，最小交换机。服务器102和 TOR交换机106组织在机架中。TOR群108,即集群交换机连接到TOR交换机106。存在每 TOR群M个TOR交换机以及P个TOR群。TOR群108通过η个并行接口连接到光子交换机 110, 即，ηΡΧηΡ光子交换机。在一个实例中，N = 48、M= 32、P = 32、且η = 1，所述实例 具有50, 000个服务器。业务从服务器102的源服务器路由通过TOR交换机106、T0R群108 以通过光子交换机110进行交换。接下来，业务路由通过光子交换机112以进行多跳交换。 数据中心100可以包含用于单跳交换的一个光子交换机、如图1中所描绘的两个光子交换 机或更多光子交换机。光子交换机110和112是空间交换机。在一个实例中，光子交换机 110和112是硅光子交换机。业务随后前进通过TOR群108和TOR交换机106到达服务器 102的目的地服务器。
[0036] 可以用于光学无缓存包交换机的另一架构是图2中说明的系统120。光子交换结 构122以星形配置连接TOR或TOR群126。TOR或TOR群126连接到子网络124。TOR或TOR 群126可以将指定到另一 TOR或TOR群的一个或多个包包装成光子帧且将所述帧发送到光 子交换机122。光子帧具有经波长编码的标签以表示目的地TOR或TOR群。关于光子帧包 装的更多细节在2014年5月15日递交的发明名称为"用于光子交换的系统和方法（System and Method for Photonic Switching)" 的美国专利申请案 HW81091186US02 中论述，所述 申请案的内容以引入的方式并入本文本中。经包装的光子帧是数据路径的一部分，而标签 是控制路径的一部分。经包装的帧可以在数据波段上发送，而标签在控制波段上发送。关 于使用用于业务和信令的单独波段的更多细节在2014年4月7日递交的发明名称为"用于 光子交换的系统和方法（System and Method for Photonic Switching)"的第 14/246, 633 号美国专利申请案中论述，所述申请案的内容以引入的方式并入本文本中。
[0037] 在通过图3中的系统