[发明专利]一种基于集群的数据中心光网络架构方法

说明书

本发明公开了是一种基于集群的数据中心光网络架构方法，该架构是由1个M端口的MEMS(Micro‑Electro‑Mechanical System)交换单元和N＝M/(K‑1)个集群组成的。其主要思想是每一个ToR(Top of Rack)交换机经过MUX(Multiplexer)与1个1×K的WSS(Wavelength Selective Switch)单向连接(K为WSS的波长端口的数量)，K‑1个ToR交换机及其相关的光器件组成一个集群；在发送端，使用K‑1个耦合器，确保集群内的所有ToR交换机能够经过K‑1条MEMS链路进行通信；在接收端，使用K‑1个1×(K‑1)的WSS、K‑1个耦合器和K‑1个DEMUX(Demultiplexer)，确保MEMS链路的下行光信号能够与集群内所有的ToR交换机进行通信。该发明实现简单，能够给数据中心光网络架构提供高扇出值，高可扩展性，且适用于集群流量。

技术领域

本发明涉及通信技术领域，是一种基于集群的数据中心光网络架构。该架构主要用于数据中心内部的光网络中，具有高扇出，高可扩展性的特点，可以有效地支持集群流量、一对多通信和应对流量的增长。

背景技术

随着云服务成为下一代服务业的主流模式，所产生的巨大流量会给数据中心的带宽带来了巨大的挑战。目前的数据中心大多采用电交换，可以为数据中心中任意ToR(Topof Rack)交换机之间提供静态的网络带宽。由数据中心的流量特征(高度稀疏性)可知，静态的网络带宽不能适应流量的要求。另外，由于电交换的传输速率是有限的，这些电数据中心不能满足巨大的带宽需求。

许多研究团体认识到这两个缺点并提出了许多可重构的数据中心光网络架构，即任意两个ToR交换机之间的带宽可以动态变化。这些架构大多采用光/电混合或全光交换的交换方式(c-through,Helios,MegaSwitch，OSA等)，这些网络的目标是高吞吐量，低延时和低能耗。

高扩展性(ToR交换机的数量)是数据中心光网络架构的基本要求。但是，随着云业务的高速发展，数据中心的流量展现出了新的特征，给数据中心的网络架构带来了新的挑战。1)集群：数据中心的流量大部分是集群内部流量。例如，在Fackbook数据中心中，集群内部流量占总流量的57.5％。集群是数据中心网络的基本部署单元，并负责特别的应用业务。例如，Hadoop集群服务于Hadoop业务，Web业务受到Frontend集群的支配。2)高扇出：扇出是指对一个ToR交换机而言，能够与之直接通信的其他ToR交换机的个数。没有扇出，业务必须经过多跳才能到达目的节点，将会消耗中间ToR交换机的带宽。近来，Facebook根据自身的数据中心的流量特征，揭示了一个服务器可以与数百个服务器同时进行通信。另外，根据Google和Microsoft的流量踪迹，高扇出的通信也出现在了他们的数据中心。

在这种情况下，目前的数据中心光网络架构没有同时考虑集群、高扇出和高可扩展性。c-Through和Helios都是光/电混合的光网络架构。由于它们都是使用了MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)，MEMS只能提供ToR-to-ToR通信，因此这两个光网络架构的扇出值非常低，且没有考虑集群。MegaSwitch是一个基于多环的、广播选择的、非阻塞的光网络架构，具有较高的扇出，但是它具有较低的可扩展性，且完全依赖于WSS(WavelengthSelective Switch)波长端口的数量。目前，商用WSS的波长端口的最大数量为20。OSA是一个面向集装箱的数据中心光网络架构，由一个MEMS和多个WSS组成的，具有中等的可扩展性。OSA是构建大型数据中心的基本构建块。OSA是大型数据中心的基础，其网络性能直接决定大型数据中心的网络性能，因此OSA非常关键，且具有重要的研究意义。但是，OSA具有三个缺点，分别是扇出值较低、没有考虑集群、可扩展性不高。

综上分析和比较，OSA不适用于目前数据中心的流量特征。本发明针对OSA的三个不足，提出了一种基于集群的数据中心光网络架构，该架构具有高扇出、高可扩展性的特点。

发明内容