用于光子交换的系统和方法
【专利说明】用于光子交换的系统和方法
相关申请案交叉申请
[0001]本发明要求2013年5月10日递交的发明名称为“用于无缓存数据中心光子交换机的同步和竞争控制的系统和方法(System and Method for Synchronizat1nand Content1n Control for Buffer-less Datacenter Photonic Switches)，，的第61/822，165号美国临时申请案的在先申请优先权，且要求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14/246，711号美国专利申请案的在先申请优先权，所述在先申请的内容如同全文复制一样以引入的方式并入本文本中。
技术领域
[0002]本发明涉及用于光通信的系统和方法，且具体来说，涉及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分组网络。数据中心包含庞大数目的服务器机架、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-输出功能的机架包含架顶(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组合成每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4X40Gb/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，因此具有数百到数万个TOR交换机。
【发明内容】
[0005]光子帧调度的实施例方法包含通过光子交换结构从第一架顶(TOR)交换机接收第一帧请求，其请求用于将第一光帧交换到所述光子交换结构的光子交换机的第一输出端口的第一时隙；以及确定在所述第一时隙期间所述光子交换机的所述第一输出端口是否可用。所述方法还包含根据所述确定产生包含允许或拒绝的第一竞争信号；以及当所述第一竞争信号包含允许时，将所述第一时隙分配到所述第一 TOR交换机以用于所述光子交换机的所述第一输出端口。另外，所述方法包含通过所述光子交换结构向所述第一 TOR交换机传输所述第一竞争信号；以及当所述第一竞争信号包含允许时，在所述第一时隙期间通过所述光子交换结构从所述第一 TOR交换机接收所述第一光帧。
[0006]协调光子帧的实施例方法包含确定光帧从架顶(TOR)交换机到光子交换结构且回到所述TOR交换机的往返时间(RTT);以及通过所述TOR交换机向所述光子交换结构传输指示所述光子交换结构的光子交换机的第一输出端口的第一传输请求。所述方法还包含通过所述TOR交换机从所述光子交换结构接收竞争响应；以及当所述竞争响应指示所述第一传输请求的允许时，在传输所述第一传输请求之后的所述RTT加处理时间的第一总时间处通过所述TOR交换机向所述光子交换结构传输第一帧。
[0007]实施例光子交换结构包含第一标签检测器，其用于从第一架顶(TOR)交换机接收第一传输请求，所述第一传输请求请求用于将第一光帧交换到光子交换机的第一输出端口的第一时隙；以及交换机控制器，其用于确定在所述第一时隙期间所述光子交换机的所述第一输出端口是否可用，当所述第一时隙可用时将所述第一时隙分配到所述第一帧，以及传输拒绝或允许在所述第一时隙期间将所述第一帧传输到所述第一 TOR交换机的第一竞争信号。所述光子交换结构还包含光子交换机，其用于在所述第一竞争信号允许所述第一传输请求时，在所述第一时隙期间从所述第一 TOR交换机接收所述第一帧。
[0008]前文已相当广泛地概述了本发明的实施例的特征，以便可以更好地理解接下来的本发明的【具体实施方式】。下文中将描述本发明的实施例的另外的特征以及优点，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，所公开的概念及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过程的基础。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图示实施例光子交换结构；
[0012]图3图示实施例光子交换系统；
[0013]图4图示实施例请求表；
[0014]图5图示实施例调度；
[0015]图6图示协调光子帧的实施例方法的流程图；
[0016]图7图示对光子帧进行调度的实施例方法的流程图；
[0017]图8图示用于光子包交换的实施例系统；
[0018]图9A到D图示用于光子包交换系统的波形和眼图；以及
[0019]图10图示用于光子包交换的另一实施例系统。
[0020]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】
[0021]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。
[0022]在一个实施例中，一个波长用于向输出目标发信号通知帧的允许或拒绝，所述允许或拒绝可以被封装在帧中、或未进行封装。架顶(TOR)交换机和光子交换结构之间的传输在时隙持续时间内同步。根据竞争分析，交换机控制器确定用于时隙的交换映射。随后利用不同的往返时间(RTT)在光子交换机的输入端处从TOR交换机同步地接收帧。调度算法基于一种基于时隙的系统，其中交换机每时隙或每隔几个时隙一次地通过一个信令波长发送同步消息的周期性传输。因为光子帧在到达交换机输入端处的同时具有一些最小抖动，所以将时隙用作时间单位。
[0023]图1图示数据中心100，即单中心三层数据中心。服务器组104各自包含N个服务器102。服务器组中的服务器连接到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连接到光子交换机110，即，具有η个并行接口的nPXnP光子交换机。在一个实例中，N = 48、M = 32、P = 32且η = I，所述实例具有50，000个服务器。流量从服务器102中的源服务器路由经过TOR交换机106、T0R群108以通过光子交换机110进行交换。流量随后前进通过TOR群108和TOR交换机106到达服务器102的目标服务器。
[0024]图2图示具有无缓存光子交换架构的光子交换结构160。存在信令或控制波带166和数据或净荷波带164的分离。例如，将1310nm的波长带用于净荷数据且将1550nm的波长带用于控制信令。
[0025]在1550nm波带中的硅光子收发器可以用于产生和接收控制信号。低成本法布里-珀罗(Fabrey-Perot)激光器可以用作高速波分复用(WDM)的光源。在TOR群中可以每网络的区段或跳存在一对集成的收发器。信令路径在两个点或节点之间载送点对点信息。在TOR交换机162处，在两个单独带中对目标地址和净荷数据进行编码和调制。标签在控制波长上调制且被传输到光子交换结构168，所述光子交换结构可以集成在光子集成电路(PIC)中。在实例中，激光器阵列是使用自动取放机和被动对准的结合到硅光子芯片上的倒装芯片。使用物理特征和对准标记，将阵列焊接在适当的位置，从而使激光器与其在硅光子芯片上的对应波导精确地对准。在硅芯片的波导上可以存在光栅以将宽带激光器转换成精确的WDM激光器。同时使用光刻掩模压印光栅。激光光栅使用硅工艺产生，因此可以使用激光器来产生所需的波长。
[0026]在光子交换结构168中，通过标签检测器170对标签信息进行解码。例如，标签检测器170可以是集成的WDM检测器。标签信号按波长分离。随后，通过被转换成电信号的光信号检测每个经分离波长信号的功率。在一个实例中，将经分离波长信号的功率转换成数字二进制信号，其中如果功率在阈值以上则产生1，且当信号在阈值以下时产生0，或反之亦然。数字信号随后可以指示对应模式的目标地址，且因此指示光交换机172的对应输出端口。
[0027]随后将经解码标签信息传递到交换机控制器174。在交换机控制器174中，在电域中执行竞争分析和调度。交换机控制器174可以实施为现场可编程门阵列(FPGA)或另一专用硬件处理器，例如专用集成电路(ASIC)。在一个实例中，允许帧或者拒绝帧。交换机控制器174调整在光交换机172中的连接以促进经允许帧的交换，所述光交换机即，nPXnP光空间交换机或η个并行的PXP交换机。在时隙的初期，还将其上允许净荷时隙的调度信息传递到合路器182，使得TOR交换机接收用于所请求时隙的