基于軟件定義網(wǎng)絡的全光互連數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡系統(tǒng)及數(shù)據(jù)通信方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明屬于云計算與通信技術(shù)領域，涉及一種基于軟件定義的全光互連數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡系統(tǒng)及數(shù)據(jù)通信方法。
【背景技術(shù)】
[0002]云計算是一種利用互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)隨時、隨地、按需、便捷地訪問共享資源池(如服務器、網(wǎng)絡資源、存儲設備、應用程序等)的計算模式。數(shù)據(jù)中心(Data Center)是云計算實現(xiàn)信息集中處理、存儲、傳輸、交換和管理的核心平臺和基礎設施。數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡DCN (DataCenter Network)是數(shù)據(jù)中心內(nèi)互連大規(guī)模(幾萬甚至幾十萬臺)服務器實現(xiàn)大型分布式計算的網(wǎng)絡，用于數(shù)據(jù)中心內(nèi)服務器間大量數(shù)據(jù)的傳輸和交換。作為云計算的基礎設施和傳輸海量數(shù)據(jù)的關鍵網(wǎng)絡，DCN已成為各界關注的研究熱點。
[0003]云計算應用的蓬勃發(fā)展使得數(shù)據(jù)中心內(nèi)流量劇增，要求DCN提供更高的帶寬、更低的時延、更少的能耗以及更低的成本。傳統(tǒng)DCN大多使用基于電分組交換的商業(yè)化以太網(wǎng)交換機，采用典型的3層樹形結(jié)構(gòu)，分別由接入層交換機、匯聚層交換機及核心層交換機互連構(gòu)成。服務器連接到接入層架頂交換機(Top of Rack，ToR)，架頂交換機進一步連接到匯聚層交換機，核心層交換機向下連接匯聚層交換機，從而構(gòu)成樹形網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡比較簡單，但是也存在諸多問題:高能耗，鏈路復雜，高時延，樹形結(jié)構(gòu)頂端的核心交換機易成為帶寬瓶頸，且限制了網(wǎng)絡的可擴展性。
[0004]傳統(tǒng)的DCN無法持續(xù)發(fā)展以滿足新興網(wǎng)絡應用對高吞吐量、低時延和低能耗等性能需求，已成為未來云計算數(shù)據(jù)中心發(fā)展的瓶頸。隨著大量新興應用的發(fā)展，大規(guī)模的數(shù)據(jù)流要求在大量交換節(jié)點之間轉(zhuǎn)移，且通信負載更加密集。這些特征更加強了 DCN在整體時延和吞吐量方面的性能要求，對傳統(tǒng)電交換數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡提出了很大的挑戰(zhàn)。因而研究者們相繼提出改進型電交換數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡及基于無線協(xié)同數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡架構(gòu)來克服傳統(tǒng)DCN中存在的一系列問題。但是改進型電交換數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡架構(gòu)同樣無法消除高能耗、高時延和高復雜度等問題，而無線協(xié)同網(wǎng)絡架構(gòu)中無線信號傳輸本身存在一些問題，如無線信號干擾、信道干擾和信道分配和調(diào)度等。
[0005]光網(wǎng)絡由于其高帶寬、高吞吐量和低時延的優(yōu)勢，已經(jīng)成功在電信網(wǎng)絡中廣泛應用。隨著光器件技術(shù)的成熟以及成本的降低，研究人員開始探討將光交換網(wǎng)絡技術(shù)應用至數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡構(gòu)建光互連DCN。光互連DCN可分為光分組交換和光電路交換兩大類。大部分的光互連DCN架構(gòu)都基于光分組交換，如DOS、Petabit、Multiple_Layer、SPINT、Spanke、IRIS、FISS10N、0ptical_0FDM和HffRE等。由于光分組交換的快速交換，光分組交換可同時支持長時和短暫突發(fā)流量。與電分組相比，它的主要優(yōu)勢是分組無需攜帶其他的目的地址數(shù)據(jù)，減少開銷，光分組交換直接基于不同的傳輸波長到達目的端口?；诠怆娐方粨Q的DCN 架構(gòu)有:Proteus、Space-Wavelength、Data-vortex、E-RAPID、c_through 和 Hel1s 等。光電路交換通?；谖㈦姍C系統(tǒng)(MEMS)，MEMS過長的配置時間導致了光電路交換時延性能的降低，但是對于長時大流量的通信，光電路交換可以提供高帶寬的交換路徑。但是對于突發(fā)小流量，其性能會顯著降低。雖然光互連DCN架構(gòu)具有高帶寬，低時延等優(yōu)勢，但是高能耗問題卻一直未得到很好的解決，隨著DCN網(wǎng)絡規(guī)模的不斷擴展，其能耗問題也不斷凸顯，成為光互連DCN正常運營的挑戰(zhàn)之一。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種基于軟件定義的全光互連數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡系統(tǒng)及數(shù)據(jù)通信方法，能夠提高數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡的管理效率和網(wǎng)絡性能。
[0007]為達到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:
[0008]一種基于軟件定義的全光互連數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡系統(tǒng)，包括兩個層次的互連:
[0009](I)無源光網(wǎng)絡(PON)互連服務器構(gòu)建機架替代傳統(tǒng)的架頂交換機。
[0010]機架內(nèi)包括服務器、耦合器模塊和機架內(nèi)軟件定義控制器。耦合器模塊連接服務器構(gòu)建服務器機架，服務器中的用于機架內(nèi)數(shù)據(jù)通信的光收發(fā)器為現(xiàn)在商用的小型可熱插拔光模塊。機架內(nèi)服務器間的通信采用廣播-選擇的工作方式，機架內(nèi)控制器運行軟件定義帶寬資源分配算法對每臺服務器進行帶寬資源的分配，保證服務器之間數(shù)據(jù)無碰撞傳輸。
[0011]進一步，所述的耦合器模塊為無源光模塊。其為多端口模塊或可由2X2耦合器級聯(lián)構(gòu)成多端口模塊，該模塊連接多臺服務器構(gòu)成服務器機架，在該機架內(nèi)服務器數(shù)據(jù)發(fā)送采用廣播-選擇方式。
[0012]進一步，所述機架內(nèi)控制器基于軟件定義的控制方式。控制器基于軟件定義技術(shù)，實時的對機架內(nèi)網(wǎng)絡狀態(tài)進行監(jiān)測、記錄和更新，同時根據(jù)這一系列的狀態(tài)信息運行基于軟件定義的帶寬資源分配算法對機架內(nèi)的網(wǎng)絡帶寬資源進行分配。
[0013]進一步，所述的帶寬資源分配算法主要功能是為機架內(nèi)每臺服務器數(shù)據(jù)的發(fā)送分配帶寬資源，保證機架內(nèi)數(shù)據(jù)無碰撞有序的發(fā)送。該軟件定義帶寬資源分配算法包括服務器信息注冊與更新、控制器控制和服務器數(shù)據(jù)發(fā)送三個部分。
[0014](2)光Clos網(wǎng)絡連接機架構(gòu)建光互連數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡。
[0015]Clos網(wǎng)絡是一種多級互連模塊化網(wǎng)絡。輸入模塊、中間模塊和輸出模塊構(gòu)成，輸入模塊和中間模塊、中間模塊和輸出模塊之間以完全二部圖方式連接。本發(fā)明采用光器件來構(gòu)建Clos網(wǎng)絡，輸入模塊、中間模塊和輸出模塊分別選擇波長控制模塊、陣列波導光柵路由器(AWGR)和親合器構(gòu)成，且輸入模塊和中間模塊、中間模塊與輸出模塊之間以完全二部圖方式連接，該光Clos網(wǎng)絡互連機架構(gòu)建了真正的光互連數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡。
[0016]進一步，所述波長控制模塊完成波長轉(zhuǎn)換功能。要使數(shù)據(jù)能正確傳輸?shù)侥康臋C架和目的服務器，需要對機架輸出的波長進行轉(zhuǎn)換。波長控制轉(zhuǎn)換模塊由波長控制模塊由耦合器、帶寬可調(diào)諧濾波器(BTF)、復用器和可調(diào)諧波長轉(zhuǎn)換器(TWC)組成。耦合器將機架輸出的光信號通過耦合器對功率進行分割，該耦合器對應輸出的光信號通過BTF濾出特定的波長并將該波長轉(zhuǎn)發(fā)到1X2的親合器，該親合器的一個輸出端口將光信號發(fā)送到機架間軟件定義控制器，另外一個端口的光信號轉(zhuǎn)發(fā)到TWC，波長轉(zhuǎn)換之后的光信號分成兩組由復用器合并輸出到光Clos網(wǎng)絡的中間模塊。
[0017]進一步，所述機架間軟件定義控制器實現(xiàn)網(wǎng)絡狀態(tài)管理和波長轉(zhuǎn)換控制功能。所述I X 2耦合器將光信號轉(zhuǎn)發(fā)至機架間軟件定義控制器，控制器對其進行光電轉(zhuǎn)換為電信號，并提取數(shù)據(jù)包頭部檢測該數(shù)據(jù)包的目的地址，控制器獲取數(shù)據(jù)包目的地址后結(jié)合網(wǎng)絡狀態(tài)做出控制決策，并將決策信息發(fā)送到TWC，TffC根據(jù)該控制信號將波長轉(zhuǎn)換到合適的波長。
[0018]進一步，所述AWGR作為Clos網(wǎng)絡的中間模塊，連接輸入模塊和輸出模塊，基于波長循環(huán)路由特性將來自同一輸入模塊的光信號輸出到不同的輸出模塊，同時將來自不同輸入模塊的光信號輸出到同一輸出模塊。
[0019]進一步，所述構(gòu)成輸出模塊的耦合器，以完全二部圖的方式連接所述中間模塊AffGR,接收并復用各AWGR輸出的光信號，再將該光信號轉(zhuǎn)發(fā)到目的機架。
[0020]本發(fā)明還提供了一種基于軟件定義的全光互連數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信方法，包括以下步驟:
[0021]I)為每臺服務器分配唯一的服務器地址；
[0022]2)源服務器將需要發(fā)送的信息進行封裝，封裝的信息包括有源服務器的地址信息和目的服務器的地址信息；
[0023]3)控制器檢測封裝信息目的服務器地址信息，判斷該信息的目的服務器在機架內(nèi)或機架外。若目的服務器在機架內(nèi)，則轉(zhuǎn)入步驟4)，若目的服務器在機架