一种用于数据中心的无缓冲光互连架构和方法与流程

本发明属于数据中心光交换网络的一种光互连结构和光通信方法，涉及了一种利用波长域进行光交换的无缓冲光背板实现方法。

背景技术：

光背板在数据中心光网络中已经有着广泛的应用。在过去的十年中，为了应对互连节点与流量的快速增长，许多改进被应用于数据中心光背板架构。包括利用无源正交电中间板连接线卡与交换卡，构建三级无阻塞clos网络；利用同心布置的光总线形成光纤环，以互连更多节点。但是，因为器件的技术限制，这些方法所达到的带宽与可互连的节点数是有限的，为了减少交换机数量，构建扁平化的数据中心，以awgr为基础的互连方案可以同时利用空间域与波长域。awgr是一种无缓冲，不需要认为配置的波长路由器件，它具有循环路由特性，可以根据光信号的输入端口与波长，将其转发至对应的输出端口。此外，awgr在提供高可靠性和全光互连的前提下构建高吞吐量，低延迟和低功耗的网络。

目前，已有一些以awgr为基础的互连架构，但是大多数方法无法达到高可靠性与高吞吐量。现有的基于awgr的光网络虽然可以利用波分复用来增加每个端口的容量，但是具有相同波长的光信号间经常有阻塞的情况，这增加了丢包率与系统延迟。

技术实现要素：

为了解决背景技术中存在的问题，本发明提出了一种用于数据中心的无缓冲光互连方法，以波分复用后的光信号作为输入，是扁平化、高可靠性、无阻塞的数据中心网络，降低成本，减少器件数和降低能耗。解决了传统数据中心网络器件多且配置时间长，功耗大的技术问题，达到了在高吞吐量前提下实现低延迟、高可靠性的目标。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一、一种用于数据中心的无缓冲光互连架构：

分为入口线卡、三级交换模块与出口线卡，交换模块由第一级awgr、第二级twc和第三级awgr组成；m个第一级awgr和m个第三级awgr的每个均具有m个输入端口和输出端口，第一级awgr的每个输入端口均连接有一个入口线卡，第三级awgr的每个输出端口均连接有一个出口线卡，第一级awgr的一个输出端口和第三级awgr的一个输入端口之间均通过一个第二级twc连接。

awgr器件的单端端口数为m，则入口线卡与出口线卡分别为m²个，分别对其从0到m²-1进行编号排序；交换模块中的第一级与第三级awgr分别有m个，分别对awgr进行从0到m-1的编号排序，对端口号进行从0到m²-1的编号排序；交换模块中的第二级twc有m²个，也对第二级twc从0到m²-1进行编号排序。

在排序完成后，将入口线卡与第一级awgr的输入端口按序号一一相连，将出口线卡与第三级awgr的输出端口按序号一一相连。

在交换模块内部，所有第二级twc中的第x个第二级twc与所有第三级awgr输入端口中的第x个输入端口相连，0≤x≤m²-1，对x进行以下计算：

x2＝xmodm(0≤x2≤m-1)

其中，表示对x/m向下取整，mod表示取余数，x1与x2分别表示用m除x的商和余数，x1与x2表示了所有第三级awgr输入端口中的第x个输入端口是位于第x1个第三级awgr上的第x2个本地输入端口，本地输入端口指仅对单个awgr自身上的m个端口从0到m-1进行排序后的序号。

所有第二级twc中的第x个twc与所有第一级awgr中的第x2个第一级awgr上的第x1个输出端口相连。所有连接完成后，形成了用于数据中心的无缓冲光互连架构。

交换模块的第一级有a(1≤a≤m)个单端端口数为m的awgr，第三级有b(1≤b≤m)个单端端口数为m的awgr。

本发明架构的创新在于结构上设置了基于第一级、第三级awgr与第二级twc的交换模块，其中，twc为波长转换器件，awgr为波长路由器件，两者结合使用，在光信号传输上设置了同时利用波长域与空间域来传输信号。

路由方法包括以下步骤：

1)入口线卡波长调制

此架构仅处理波长为λ0,λ1...λm-1的光信号。

服务器架构产生m个具有不同波长的光信号，并对其进行波分复用后经由光纤传输进入各个入口线卡进行波长调制；

对于每个入口线卡，进入有m个具有不同波长的光信号，可同时处理m个光信号，不同波长分别为λ0,λ1...λm-1；

对于m²个入口线卡，每个入口线卡均同时处理m个波长为λ0,λ1...λm-1的光信号，这样此架构可以同时处理m³个光信号；

每个光信号s(i,j)均有自身的源地址的入口线卡序号i与目的地址的出口线卡序号j，分别对应该光信号s(i,j)从所有入口线卡的第i个入口线卡输入并从所有出口线卡的第j个出口线卡输出，光信号s(i,j)的波长为λk(i,j)，其中0≤k(i,j)≤m-1，k(i,j)表示光信号s(i,j)的波长序号，计算获得：

i2＝imodm(0≤i2≤m-1)

j2＝jmodm(0≤j2≤m-1)

其中，i1与i2分别表示用m除i的商和余数，j1与j2分别表示用m除j的商和余数；

将光信号s(i,j)的第i个入口线卡与交换模块中第i1个第一级awgr上的第i2个输入端口相连；将光信号s(i,j)的第j个出口线卡与交换模块中第j1个第三级awgr上的第j2个输出端口相连；

根据以上信息，入口线卡对光信号s(i,j)的波长λk(i,j)进行调制，调制后的波长为：

调制的光信号s(i,j)通过入口线卡与第一级awgr之间的波导，进入第一级awgr进行路由：

2)交换模块第一级awgr波长路由

第一级awgr和第三级awgr的每个端口同时处理m个不同波长为λ0,λ1...λm-1的光信号，即对于具有m个单端端口的awgr而言，其可同时处理m²个光信号。awgr具有循环路由特性，光信号输入每个第一级awgr后，第一级awgr内部根据当前第一级awgr所输入的本地输入端口与波长转发至自身的本地输出端口，第一级awgr内部的波长路由的公式如下所示：

out＝(in+k'(i,j))modm

其中，in表示光信号s(i,j)在当前第一级awgr上的本地输入端口的序数，k'(i,j)表示调制后的光信号s'(i,j)的波长序号，即其波长为λk'(i,j)，m表示awgr的单端端口总数，out表示根据循环路由特性光信号s(i,j)在当前第一级awgr上的本地输出端口的序数；

经过入口线卡调制后的光信号s(i,j)的波长为λk'(i,j)代入上述公式，调制后的光信号s'(i,j)进入第i1个第一级awgr的本地输出端口的序号为：

调制后的光信号s'(i,j)在第i1个第一级awgr上的第j1个本地输出端口输出，而该第j1个本地输出端口与第(m×j1+i1)个第二级twc相连，然后被转发至第二级第(m×j1+i1)个twc；

3)交换模块第二级twc波长调制

光信号s'(i,j)进入第(m×j1+i1)个第二级twc后，根据其出口线卡以下公式对光信号s'(i,j)的波长λk'(i,j)再次进行调制，调制后的波长为λk”(i,j)，获得波长为λk”(i,j)的再次调制后光信号s”(i,j)：

第(m×j1+i1)个第二级twc的输出端口与第j1个第三级awgr上的第i1个本地输入端口相连，波长为λk”(i,j)的光信号s'(i,j)被转发至第j1个第三级awgr上的第i1个本地输入端口；

4)交换模块第三级awgr波长路由

第三级awgr的路由处理和第一级awgr的路由处理相同，将再次调制后光信号s”(i,j)的波长为λk”(i,j)代入第三级awgr的波长路由，经过第j1个第三级awgr的本地输出端口序号为：

out”(i,j)＝(i1+k”(i,j))modm＝(i1+(i1-j2+m)modm)modm＝j2＝jmodm

再次调制后光信号s”(i,j)将从第j1个第三级awgr上的第j2个本地输出端口输出，该输出端口的总端口序号对应设置为：

再次调制后光信号s”(i,j)在第三级awgr所有输出端口中的输出端口序号为j，该端口与第j个出口线卡相连，为光信号s(i,j)的目的端口，由此完成用于数据中心的无缓冲光互连背板架构的光信号传输。

对m²个入口线卡而言，每个入口线卡所处理的光信号个数可以相同，也可以不同，只要光信号个数为大于等于0，小于等于m的整数即可。

本发明方法的创新在于通过步骤1)的入口线卡的波长调制以及步骤3)的第二级twc的波长调制，分别确定波分复用光信号中每个光信号s(i,j)的路由路线，并利用awgr的循环路由特性进行波长路由。第一级awgr与第三级awgr通过第二级twc进行互连，可以增大入口线卡数量，进而增加互连的服务器数量，同时利用波长域与空间域进行光信号的传输，可以增大交换模块的吞吐量。

本发明的无缓冲光互连背板架构包含交换模块及与交换模块各端口相连的线卡。服务器机架所产生的信号经波分复用后，经由入口线卡进行波长调制，转发至交换模块。交换模块由第一、三级awgr(阵列波导光栅路由器)与第二级twc(可调波长转换器)组成，具有特定波长的光信号进入交换模块后，利用twc的波长转换功能与awgr的循环路由功能，将其转发至对应的出口线卡，出口线卡对光信号进行处理后，将其发送至对应的服务器。

本发明具有不同波长的光信号进行波分复用后输入入口线卡，则入口对光信号进行解复用后，分别按照其源地址与目的地址进行波长调制。其中，对于第一级各输入端口而言，其m个光信号的出口线卡所连接的第三级awgr应当不同，防止具有相同波长的光信号在awgr内部产生阻塞。

本发明的有益效果是：

本发明可广泛用于实现大容量、高可靠的全光互连，使用awgr器件，同时利用波长域与空间域，从而可以使用较少的交换机资源，大规模增加数据中心互连的节点数，能够有效地使数据中心扁平化，克服传统空间交换机端口带宽低，端口数目受限的不足，且具有高可靠性，低复杂度，低延迟等特性，在实际工程中有较高的应用价值。

附图说明

图1是本发明系统架构示意图。

图2是利用波导进行光互连的封装示意图。

图3是本发明awgr波长路由原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明架构分为入口线卡、三级交换模块与出口线卡，交换模块由第一级awgr、第二级twc和第三级awgr组成；m个第一级awgr和m个第三级awgr的每个均具有m个输入端口和输出端口，第一级awgr的每个输入端口均连接有一个入口线卡，第三级awgr的每个输出端口均连接有一个出口线卡，第一级awgr的一个输出端口和第三级awgr的一个输入端口之间均通过一个第二级twc连接。

awgr器件的单端端口数为m，则入口线卡与出口线卡分别为m²个，分别对其从0到m²-1进行编号排序；交换模块中的第一级与第三级awgr分别有m个，分别对awgr进行从0到m-1的编号排序，对端口号进行从0到m²-1的编号排序；交换模块中的第二级twc有m²个，也对第二级twc从0到m²-1进行编号排序。

在排序完成后，将入口线卡与第一级awgr的输入端口按序号一一相连，将出口线卡与第三级awgr的输出端口按序号一一相连。

在交换模块内部，所有第二级twc中的第x个第二级twc与所有第三级awgr输入端口中的第x个输入端口相连，0≤x≤m²-1，对x进行以下计算：

x2＝xmodm(0≤x2≤m-1)

其中，表示对x/m向下取整，mod表示取余数，x1与x2分别表示用m除x的商和余数，x1与x2表示了所有第三级awgr输入端口中的第x个输入端口是位于第x1个第三级awgr上的第x2个本地输入端口，本地输入端口指仅对单个awgr自身上的m个端口从0到m-1进行排序后的序号。

所有第二级twc中的第x个twc与所有第一级awgr中的第x2个第一级awgr上的第x1个输出端口相连。所有连接完成后，形成了用于数据中心的无缓冲光互连架构。交换模块的第一级有a(1≤a≤m)个单端端口数为m的awgr，第三级有b(1≤b≤m)个单端端口数为m的awgr。

本发明分别利用入口线卡与出口线卡对光信号作输入与输出处理，利用交换进行光信号的路由。利用背板将交换模块，入口线卡与出口线卡相连，且利用背板上的波导进行光信号的传输，如图2所示，经过处理的光信号由vcsel(垂直腔面发射激光器)阵列直接调制，并经由mla镜进行映射，以与背板上的波导互连。

服务器机架产生具有不同波长的光信号后，将其输入背板架构，由其进行路由，将其送至目的地址，路由包括以下步骤：

1)入口线卡波长调制

此架构仅处理波长为λ0,λ1...λm-1的光信号。服务器架构产生m个具有不同波长的光信号，并对其进行波分复用后，经由光纤传输，进入入口线卡进行波长调制。对于每个入口线卡而言，其可同时处理m个光信号，且这m个信号的波长不同，分别为λ0,λ1...λm-1。对于m²个入口线卡，每个线卡均同时处理m个波长为λ0,λ1...λm-1的光信号，单个波长光信号的带宽为25gbps，即此背板架构可以同时处理25×m³gbps的数据。例如将32个波长的光信号进行波分复用，输入每个入口线卡，则1024个入口线卡的总吞吐量为819.2tbps，相对于传统光空间交换机，可以互连更多的服务器架构，提供更高的容量，实现了大容量的全光互连。

每个光信号均有其源地址i与目的地址j，分别对应此信号的入口线卡i与出口线卡j，用s(i,j)表示此光信号，此信号的波长为λk(i,j)，其中0≤k(i,j)≤m-1。

i2＝imodm(0≤i2≤m-1)

其中，i1与i2分别表示用m除i的商和余数，即s(i,j)的入口线卡i与交换模块第一级第i1个awgr上的第i2个本地输入端口相连。

j2＝jmodm(0≤j2≤m-1)

其中，j1与j2分别表示用m除j的商和余数，即s(i,j)的出口线卡j与交换模块第三级第j1个awgr上的第j2个本地输出端口相连。

根据以上信息，入口线卡对光信号s(i,j)的波长λk(i,j)进行调制，调制后的波长为：

此信号将通过入口线卡与第一级awgr之间的波导，进入第一级awgr进行路由。

对m²个入口线卡而言，每个线卡所处理的光信号个数可以相同，也可以不同，只要光信号个数为大于等于0，小于等于m的整数即可。具有不同波长的光信号进行波分复用后输入入口线卡，则入口对光信号进行解复用后，分别按照其源地址与目的地址进行波长调制。其中，对于第一级各输入端口而言，其m个光信号的出口线卡所连接的第三级awgr应当不同，防止具有相同波长的光信号在awgr内部产生阻塞。

2)交换模块第一级awgr波长路由

awgr为一种无阻塞无竞争的交换结构，其延迟在纳秒和亚纳秒级别，实现了低延迟的互连传输。awgr的每个端口可以同时处理m个波长为λ0,λ1...λm-1的光信号，即对于具有m个单端端口的awgr而言，其可同时处理m²个光信号。awgr具有循环路由特性，可以根据光信号在此awgr上的本地输入端口与波长，将其转发至对应的此awgr的本地输出端口，波长路由的公式如下所示：

out＝(in+k'(i,j))modm

其中，in表示光信号s(i,j)在此awgr上的本地输入端口，k'(i,j)表示光信号的波长序号，即其波长为λk'(i,j)，m表示awgr的单端端口数，out表示根据循环路由特性，光信号s(i,j)在此awgr上的本地输出端口。

图3示意了awgr的波长路由方式，其中，波长右上角的不同标号表示其属于不同的本地输入端口。

经过线卡调制后，光信号s(i,j)的波长为λk'(i,j)，将其代入上述公式，则此光信号经过第一级第i1个awgr的本地输出端口号为：

这表示，光信号s(i,j)在第一级第i1个awgr上的第j1个本地输出端口输出，而此端口与第二级第(m×j1+i1)个twc相连，故而，光信号s(i,j)将会被转发至第二级第(m×j1+i1)个twc。

3)交换模块第二级twc波长调制

twc可以将任意的输入波长调节成指定的输出波长，其波长调节的速率为160gbps，随着转换波长幅度的改变，延迟呈线性增加，总体低于30ns。

光信号s(i,j)进入第二级第(m×j1+i1)个twc后，根据其出口线卡，根据以下公式对波长λk'(i,j)再次进行调制，调制后的波长为λk”(i,j)：

第二级第(m×j1+i1)个twc与第三级第j1个awgr上的第i1个本地输入端口相连，故而此时波长为λk”(i,j)的光信号s(i,j)将被发送至第三级第j1个awgr上的第i1个本地输入端口。

4)交换模块第三级awgr波长路由

经过twc调制后，光信号s(i,j)的波长为λk”(i,j)，将其代入awgr的波长路由公式，则此光信号经过第三级第j1个awgr的本地输出端口号为：

out”(i,j)＝(i1+k”(i,j))modm＝(i1+(i1-j2+m)modm)modm＝j2＝jmodm

即此光信号s(i,j)将从第j1个awgr上的第j2个本地输出端口输出，此端口的端口号为：

即此信号在第三级的输出端口为j,此端口与第j个出口线卡相连，而这也是光信号s(i,j)的目的端口。至此，此用于数据中心的无缓冲光互连背板架构完成了光信号的传输，总的延迟为纳秒级别。

当满足以上步骤的各个条件时，此背板架构可以同时传输m³个光信号，且此背板架构是严格无阻塞的，即不管其处于何种状态,任何时刻都可以在交换模块建立一个连接,只要这个连接的起点、终点是空闲的,而不会影响网络中已建立起来的连接。由于背板架构的严格无阻塞特性，大大减少了信号的丢包率，从而提高了可靠性。

本发明数据中心光交换网络的光互连方法通过awgr的波长路由特性与twc的波长转换进行配合，完成光信号的传输。从控制角度看，因为awgr的循环路由特性和不同输入端口的选择，省去了复杂的控制架构和光缓存，利用较少的器件实现了高容量，利用光信号的波长转换提供了简单的波长路由，大大降低了复杂度；从能耗的角度而言，由于awgr的无源特性，其不消耗任何能量，所需的能耗为第二级twc波长调制等的能耗。

由此，本发明的具有大容量、高可靠的新型全光互连背板架构，它能够有效地使数据中心扁平化，克服传统空间交换机端口带宽低，端口数目受限的不足，且具有高带宽，低延迟等特性。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。