本發(fā)明屬于通信技術(shù)領(lǐng)域，更進一步涉及互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)領(lǐng)域中的一種高擴展的數(shù)據(jù)中心全光互連網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及通信方法。本發(fā)明的數(shù)據(jù)中心全光互連網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及其通信方法可用于構(gòu)建大規(guī)模數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心服務(wù)器之間的高效通信。

背景技術(shù)：

近年來各種新興應(yīng)用的產(chǎn)生和云計算的部署，對數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量、傳輸能力等提出新的要求，數(shù)據(jù)中心承載的通信量急劇增長，數(shù)據(jù)中心的規(guī)模持續(xù)擴大，致使數(shù)據(jù)中心設(shè)備成本增加，能耗開銷激增，管理更加復(fù)雜，因此構(gòu)建大規(guī)模，高能效的數(shù)據(jù)中心成為急需解決的任務(wù)。

西安電子科技大學(xué)擁有的專利技術(shù)“基于超立方簇的數(shù)據(jù)中心光互連網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及通信方法”(申請日：2012年5月2日，授權(quán)號：ZL201210133164.2)中公開了一種基于超立方簇的數(shù)據(jù)中心光互連網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及通信方法。該專利技術(shù)的系統(tǒng)包括N臺架頂光交換機，N臺架頂電交換機和N×s臺服務(wù)器。其中，每臺架頂電交換機連接s臺服務(wù)器和一臺架頂光交換機構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)基本單元，m個基本單元通過架頂光交換機互連成基于超立方拓?fù)涞拇亟Y(jié)構(gòu)，k個簇進一步通過架頂光交換機互連成環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該專利技術(shù)系統(tǒng)存在的不足之處是：網(wǎng)絡(luò)所采用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提供的互連端口較少，系統(tǒng)存在擴展規(guī)模受限的問題；頂層環(huán)形結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)直徑較大且對分帶寬較低，系統(tǒng)存在通信時延較高和網(wǎng)絡(luò)阻塞嚴(yán)重的問題；另外由于系統(tǒng)使用了多種互連設(shè)備(包括架頂光交換機、架頂電交換機、銅線、光纖等)，因此系統(tǒng)存在構(gòu)建和維護管理困難的問題。該專利技術(shù)的通信方法的實施方式是：當(dāng)源服務(wù)器和目的服務(wù)器處于同一網(wǎng)絡(luò)基本單元時，數(shù)據(jù)分組通過電交叉開關(guān)在網(wǎng)絡(luò)基本單元內(nèi)部直接傳輸，源服務(wù)器和目的服務(wù)器在不同網(wǎng)絡(luò)基本單元時，數(shù)據(jù)分組采用光電路交換方式傳輸，首先，數(shù)據(jù)分組傳輸前，架頂電交換機發(fā)送電建鏈分組，其次，數(shù)據(jù)分組通過架頂光交換機在網(wǎng)絡(luò)基本單元之間傳輸，最后，拆除光鏈路。該專利技術(shù)方法存在的不足之處是：從電控制網(wǎng)絡(luò)發(fā)送電建鏈信息預(yù)約光鏈路到光信息傳輸完畢的這段時間內(nèi)，已預(yù)約的光鏈路不能被其他服務(wù)器使用，網(wǎng)絡(luò)的資源利用率低，信息等待時延較長，加劇了網(wǎng)絡(luò)中的阻塞問題，從而進一步影響到數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的整體性能。

Chen Kai等人在其發(fā)表的論文“OSA:An Optical Switching Architecture for Data Center Networks With Unprecedented Flexibility”(IEEE/ACM TRANSACTIONS ON NETWORKING,2014)中提出了一種數(shù)據(jù)中心全光互連網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及通信方法。該論文的系統(tǒng)使用MEMS光交換機直接連接所有架頂交換機構(gòu)成星形拓?fù)洌總€架頂交換機配置k個光收發(fā)器，這k個光收發(fā)器連接至一個1×k波長選擇交換機(WSS)，波長選擇交換機通過k個光環(huán)行器連接MEMS光交換機。該論文的系統(tǒng)存在的不足之處是：使用高基數(shù)光交換機直接互連所有機架或接入層交換機，由于光交換機端口數(shù)目的限制，該全光互連網(wǎng)絡(luò)只能提供機架級的光連接，機架內(nèi)服務(wù)器之間的通信仍然需要使用電交換機。該論文的通信方法的實施方式是：通過MEMS交換機的交叉開關(guān)矩陣直接連接的架頂交換機之間使用光電路交換直接傳輸數(shù)據(jù)分組，對于非直接互連的架頂交換機之間采用hop-by-hop的通信方式，首先，源架頂交換機選擇當(dāng)前k個直接連接架頂交換機中的一個作為中間節(jié)點，然后，該中間架頂交換機接收到信號后進行光電轉(zhuǎn)換，讀取分組頭部并重新向目的ToR交換機轉(zhuǎn)發(fā)。該論文的通信方法存在的不足之處是：該網(wǎng)絡(luò)采用光電路交換，存在信息交換粒度較粗，鏈路利用率較低，路徑建立開銷較大，網(wǎng)絡(luò)阻塞嚴(yán)重的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對以上數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不足，提出一種高擴展的數(shù)據(jù)中心全光互連網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及通信方法，在保證網(wǎng)絡(luò)高帶寬，低時延的特性的條件下，提高鏈路利用率，克服網(wǎng)絡(luò)阻塞，改善網(wǎng)絡(luò)性能。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)包括由光交換機和服務(wù)器，所述的光交換機為M臺，服務(wù)器為N臺，M和N均為大于零的整數(shù)，N的取值為所述的光交換機為M臺，M臺光交換機按照從上至下，從左至右方式均勻規(guī)則排布，按照二分圖的方式相互連接組成一個2×M/2的矩形網(wǎng)絡(luò)；所述的光交換機為k臺，k臺光交換機按照從左到右的方式均勻規(guī)則排布，按照完全圖的方式相互連接組成一個簇，k為大于1的整數(shù)，其中，

所述的光交換機，接收數(shù)據(jù)分組，判斷當(dāng)前光交換機是否滿足路由截止條件，將數(shù)據(jù)分組從按照基于拓?fù)涞穆酚煞椒ㄋ_定的路由端口輸出,將數(shù)據(jù)分組從目的服務(wù)器對應(yīng)的服務(wù)器端口輸出；

所述的服務(wù)器，產(chǎn)生信號幀，按照IEEE802.3協(xié)議將信號幀封裝為數(shù)據(jù)分組，根據(jù)數(shù)據(jù)分組的源服務(wù)器和目的服務(wù)器的信息，計算數(shù)據(jù)分組的通信波長，將激光器的工作波長調(diào)制到控制信號指定的通信波長，將數(shù)據(jù)分組發(fā)送給與服務(wù)器直接相連的光交換機，按照IEEE802.3協(xié)議接收數(shù)據(jù)分組。

本發(fā)明的通信方法的具體步驟如下：

(1)產(chǎn)生數(shù)據(jù)分組：

源服務(wù)器隨機產(chǎn)生信號幀，按照IEEE802.3協(xié)議將信號幀封裝為數(shù)據(jù)分組，各分組內(nèi)包含源服務(wù)器和目的服務(wù)器的信息、載荷；

(2)計算數(shù)據(jù)分組的通信波長：

按照下式，源服務(wù)器根據(jù)數(shù)據(jù)分組的源服務(wù)器和目的服務(wù)器的信息，計算數(shù)據(jù)分組的通信波長：

λ＝(2×k-X_s+X_d)mod k

其中，λ表示數(shù)據(jù)分組的通信波長，k為大于1的整數(shù)，X_s表示源服務(wù)器所在簇的X維坐標(biāo)值，下標(biāo)s表示源服務(wù)器，X_d表示目的服務(wù)器所在簇的X維坐標(biāo)值，下標(biāo)d表示目的服務(wù)器，mod表示取模操作；

(3)調(diào)制激光器的工作波長：

源服務(wù)器產(chǎn)發(fā)送控制信號給輸出端口位置的激光器，控制信號包含一個數(shù)據(jù)分組的通信波長信息，將激光器的工作波長調(diào)制到控制信號指定的通信波長；

(4)發(fā)送數(shù)據(jù)分組：

服務(wù)器輸出端口將數(shù)據(jù)分組發(fā)送給與服務(wù)器直接相連的光交換機；

(5)接收數(shù)據(jù)分組：

(5a)光交換機在每個輸入端口位置接收一個數(shù)據(jù)分組；

(5b)光交換機解析數(shù)據(jù)分組的源服務(wù)器和目的服務(wù)器信息；

(6)判斷當(dāng)前光交換機是否滿足路由截止條件，若是，則執(zhí)行步驟(8)；否則，執(zhí)行步驟(7)；

(7)數(shù)據(jù)分組從按照基于拓?fù)涞穆酚煞椒ㄋ_定的路由端口輸出后執(zhí)行步驟(5)；

(8)傳輸數(shù)據(jù)分組至目的服務(wù)器：

光交換機將數(shù)據(jù)分組從目的服務(wù)器對應(yīng)的服務(wù)器端口輸出，傳輸數(shù)據(jù)分組至目的服務(wù)器；

(9)目的服務(wù)器按照IEEE802.3協(xié)議接收數(shù)據(jù)分組。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點：

第一，由于本發(fā)明的一種高擴展的數(shù)據(jù)中心全光互連網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用了基于簇的分層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，克服了現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心光交換架構(gòu)擴展性受限，無法實現(xiàn)服務(wù)器級別的全光互連問題；

第二，由于本發(fā)明一種高擴展的數(shù)據(jù)中心全光互連網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在簇內(nèi)采用完全圖的互連方式、在簇間采用二分圖的互連方式，克服了現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)布線復(fù)雜，交換機數(shù)目較多，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備開銷較大的問題；

第三，由于本發(fā)明一種高擴展的數(shù)據(jù)中心全光互連網(wǎng)絡(luò)通信方法采用了WDM多波長技術(shù)，克服了現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心光網(wǎng)絡(luò)阻塞率較高的問題，有效提高了網(wǎng)絡(luò)的吞吐。

第四，由于本發(fā)明一種高擴展的數(shù)據(jù)中心全光互連網(wǎng)絡(luò)通信方法采用了分組交換技術(shù)，克服了光電路交換技術(shù)帶來的信息交換粒度較粗，鏈路利用率較低的問題，有效降低了網(wǎng)絡(luò)傳輸時延。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的示意圖；

圖2是本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)通信方法的流程圖；

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的描述。

參照附圖1對本發(fā)明的系統(tǒng)作進一步的描述。

本發(fā)明的系統(tǒng)包括由光交換機和服務(wù)器，光交換機為M臺，服務(wù)器為N臺，M和N均為大于零的整數(shù)，N的取值為光交換機為M臺，M臺光交換機按照從上至下，從左至右方式均勻規(guī)則排布，按照二分圖的方式相互連接組成一個2×M/2的矩形網(wǎng)絡(luò)。光交換機為k臺，k臺光交換機按照從左到右的方式均勻規(guī)則排布，按照完全圖的方式相互連接組成一個簇，k為大于1的整數(shù)，其中，

光交換機，接收數(shù)據(jù)分組，判斷當(dāng)前光交換機是否滿足路由截止條件，將數(shù)據(jù)分組從按照基于拓?fù)涞穆酚煞椒ㄋ_定的路由端口輸出,將數(shù)據(jù)分組從目的服務(wù)器對應(yīng)的服務(wù)器端口輸出。

服務(wù)器產(chǎn)生信號幀，按照IEEE802.3協(xié)議將信號幀封裝為數(shù)據(jù)分組，根據(jù)數(shù)據(jù)分組的源服務(wù)器和目的服務(wù)器的信息，計算數(shù)據(jù)分組的通信波長，將激光器的工作波長調(diào)制到控制信號指定的通信波長，將數(shù)據(jù)分組發(fā)送給與服務(wù)器直接相連的光交換機，按照IEEE802.3協(xié)議接收數(shù)據(jù)分組。

光交換機設(shè)有設(shè)有b個路由端口和s個服務(wù)器端口，b，s均為等于k的整數(shù)，k為大于1的整數(shù)，路由端口用于連接其他光交換機，每個路由端口設(shè)有一位路由端口號p，p為整數(shù)，0≤p≤k-1；服務(wù)器端口用于連接服務(wù)器，每個服務(wù)器端口設(shè)有一位服務(wù)器端口號f，f為整數(shù)，0≤f≤k-1。

2×M/2的矩形網(wǎng)絡(luò)包含k個簇，k個簇按照從上至下，從左至右方式均勻規(guī)則排布，以左上角的簇為原點，水平向右為X維正方向，豎直向下為Y維正方向，建立二維坐標(biāo)系。

k臺光交換機，每臺光交換機設(shè)有一位光交換機編號Z，Z為整數(shù)，0≤Z≤k-1。

k臺光交換機，任意兩臺光交換機之間的連接關(guān)系為光交換機Z₁的路由端口p₁與光交換機Z₂的路由端口p₂相連，其中，下標(biāo)1表示任意一臺光交換機，下標(biāo)2表示另一臺光交換機，Z₁表示任意一臺光交換機的光交換機編號，p₁表示任意一臺光交換機的路由端口號，Z₂表示另一臺光交換機的光交換機編號，p₂表示另一臺光交換機的路由端口號，且滿足p₁＝Z₂，p₂＝Z₁，k為大于1的整數(shù)，

2×M/2的矩形網(wǎng)絡(luò)包含k個簇，任意兩個簇的連接關(guān)系為簇X3Y3使用光交換機Z₃的路由端口p₃連接簇X₄Y₄中的光交換機Z₄的路由端口p₄，其中，下標(biāo)3、下標(biāo)4分別表示不同簇的兩臺光交換機，Y₃表示一臺光交換機所在簇的Y維坐標(biāo)值，X₃表示一臺光交換機所在簇的X維坐標(biāo)值，Z₃表示一臺光交換機的編號，p₃表示一臺光交換機的一個路由端口號，X₄表示另一臺光交換機所在簇的X維坐標(biāo)值，Y₄表示另一臺光交換機所在簇的Y維坐標(biāo)值，Z₄表示另一臺光交換機的編號，p₄表示另一臺光交換機的一個路由端口號，且滿足p₃＝Z₃，p₄＝Z₄，Y₃≠Y₄，Z₃＝X₄，Z₄＝X₃。

參照附圖2對本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)通信方法做進一步的描述。

步驟1，產(chǎn)生數(shù)據(jù)分組。

源服務(wù)器隨機產(chǎn)生信號幀，按照IEEE802.3協(xié)議將信號幀封裝為數(shù)據(jù)分組，各分組內(nèi)包含源服務(wù)器和目的服務(wù)器的信息、載荷。

其中，源服務(wù)器和目的服務(wù)器的信息是指源服務(wù)器所在簇的X維坐標(biāo)值、Y維坐標(biāo)值，源服務(wù)器直接連接的光交換機的編號，源服務(wù)器直接連接的光交換機服務(wù)器端口號，目的服務(wù)器的信息是指目的服務(wù)器所在簇的X維坐標(biāo)值、Y維坐標(biāo)值，目的服務(wù)器直接連接的光交換機的編號，目的服務(wù)器直接連接的光交換機服務(wù)器端口號。

步驟2，計算數(shù)據(jù)分組的通信波長。

按照下式，源服務(wù)器根據(jù)數(shù)據(jù)分組的源服務(wù)器和目的服務(wù)器的信息，計算數(shù)據(jù)分組的通信波長：

λ＝(2×k-X_s+X_d)mod k

其中，λ表示數(shù)據(jù)分組的通信波長，k為大于1的整數(shù)，X_s表示源服務(wù)器的X維坐標(biāo)值，下標(biāo)s表示源服務(wù)器，X_d表示目的服務(wù)器所在簇的X維坐標(biāo)值，下標(biāo)d表示目的服務(wù)器，mod表示取模操作。

步驟3，調(diào)制激光器的工作波長。

源服務(wù)器產(chǎn)發(fā)送控制信號給輸出端口位置的激光器，控制信號包含一個數(shù)據(jù)分組的通信波長信息，將激光器的工作波長調(diào)制到控制信號指定的通信波長。

步驟4，發(fā)送數(shù)據(jù)分組。

服務(wù)器輸出端口將數(shù)據(jù)分組發(fā)送給與服務(wù)器直接相連的光交換機。

步驟5，接收數(shù)據(jù)分組。

光交換機在每個輸入端口位置接收一個數(shù)據(jù)分組。

光交換機解析數(shù)據(jù)分組的源服務(wù)器和目的服務(wù)器信息。

步驟6，判斷當(dāng)前光交換機是否滿足路由截止條件，若是，則執(zhí)行步驟8，否則，執(zhí)行步驟7。

其中，路由截止條件是指：

當(dāng)前光交換機與目的服務(wù)器處于XY二維坐標(biāo)系中的同一行、同一列，且當(dāng)前光交換機和與目的服務(wù)器直接相連的光交換機具有相同的交換機編號。

步驟7，數(shù)據(jù)分組從按照基于拓?fù)涞穆酚煞椒ㄋ_定的路由端口輸出后執(zhí)行步驟5。

其中，基于拓?fù)涞穆酚煞椒ㄊ侵福?/p>

當(dāng)數(shù)據(jù)分組的目的服務(wù)器與當(dāng)前光交換機處于XY二維坐標(biāo)系的同一行、同一列時，數(shù)據(jù)分組選擇編號數(shù)值等于目的服務(wù)器直接連接光交換機的光交換機編號的路由端口作為輸出端口；

當(dāng)數(shù)據(jù)分組的源服務(wù)器與目的服務(wù)器處于XY二維坐標(biāo)系的不同行，且源服務(wù)器與當(dāng)前光交換機處于XY二維坐標(biāo)系的同一行、同一列時，數(shù)據(jù)分組選擇編號數(shù)值等于目的服務(wù)器所在簇的X維坐標(biāo)的路由端口作為輸出端口；

當(dāng)數(shù)據(jù)分組的源服務(wù)器與目的服務(wù)器處于XY二維坐標(biāo)系的同一行，不同列，且源服務(wù)器與當(dāng)前光交換機處于XY二維坐標(biāo)系的同一行、同一列時，數(shù)據(jù)分組選擇編號數(shù)值等于目的服務(wù)器直接連接光交換機的光交換機編號的路由端口作為輸出端口；

當(dāng)源服務(wù)器與目的服務(wù)器處于XY二維坐標(biāo)系的同一行，不同列，且數(shù)據(jù)分組的源服務(wù)器與當(dāng)前光交換機處于XY二維坐標(biāo)系的不同行時，數(shù)據(jù)分組選擇編號數(shù)值等于目的服務(wù)器所在簇的X維坐標(biāo)的路由端口作為輸出端口。

步驟8，傳輸數(shù)據(jù)分組至目的服務(wù)器。

光交換機將數(shù)據(jù)分組從目的服務(wù)器對應(yīng)的服務(wù)器端口輸出，傳輸數(shù)據(jù)分組至目的服務(wù)器。

步驟9，目的服務(wù)器按照IEEE802.3協(xié)議接收數(shù)據(jù)分組。