數據中心無阻塞環(huán)網結構設計與性能研究.pdf

1、數據中心作為基礎服務的載體，近些年在大數據的推動下，建設規(guī)模日益擴大。但是在為用戶提供高帶寬需求的同時，巨大的能源消耗、成本問題和日益復雜的連線復雜度成為制約數據中心的重要瓶頸。許多研究機構紛紛采用光電路交換(optical circuit switching，OCS)以彌補傳統(tǒng)電分組交換網絡的不足。光交換網絡以其固有的低能耗、大帶寬、易布線等優(yōu)點，成為數據中心內部光電混合網絡的研究熱點。不過，由于數據中心的帶寬需求日益膨脹，很多研究機

2、構雖然提出了一些節(jié)能化的解決方案，但是在無阻塞擴展、低能耗組網、簡化布線等方面依舊存在欠缺，因此，數據中心混合交換光網絡在結構設計方面仍然還有很大的空間。
　　在眾多的數據中心混合交換光網絡方案中，ROADM環(huán)網因其具有多方面的優(yōu)勢而引起了學術界的廣泛關注：1）在邏輯上等效于一個光開關，利用ROADM的上下路功能可靈活實現任意波長在任意節(jié)點的無阻塞切換；2）是一個集交換和傳輸于一體的結構，可簡單通過拉伸環(huán)網擴大覆蓋范圍、實現分布式

3、網絡；3）易于布線特點，上千臺服務器可以通過諸多短線連接到同一根ROADM環(huán)上，共享波長資源，在一定程度上減少長線數量、節(jié)省光纖成本。本文針對ROADM環(huán)網，主要研究基于環(huán)網的無阻塞擴展問題，具體完成了以下幾個方面的工作：
　　1.基于一級單向ROADM環(huán)網的三級Clos網絡結構設計和性能研究
　　首先，針對無阻塞擴展問題，我們闡述了經典的Clos結構，即三級MMM（MEMS-MEMS-MEMS）網絡。所謂經典Clos網絡，

4、是一種將小規(guī)模開關無阻塞地擴展成大規(guī)模開關的常用方法，而業(yè)界常用的“胖樹”結構只是其模塊化的產物。我們對ROADM環(huán)網出現在三級Clos網絡中的具體情況進行了詳細的梳理和研究：指出波長約束出現某一級時，會對網絡分別造成規(guī)則級、策略級、和器件級影響，開展的主要工作包括：
　　1）針對MMM結構無阻塞、容量大，但長線數量多的問題，重點介紹了單級環(huán)網帶來的主要約束條件，對ROADM環(huán)網出現在三級Clos網絡中的輸入級、中間級、輸出級的具

5、體情況進行了詳細的梳理和研究。
　　2）比較上述三種單級環(huán)網，將環(huán)網放在中間級的方式（即MRM方式）既滿足了無阻塞、可擴展特性；其對稱性又減少了長線數量；可以使用良好的路由策略而避免復雜選路問題所帶來的時間成本，成為最佳的解決方案之一。
　　2.基于雙向環(huán)的無阻塞網絡結構設計（MRM雙向環(huán)網）
　　針對上述單向ROADM環(huán)網絡非一致路由的問題，重點介紹了雙向MRM環(huán)網的主要挑戰(zhàn)，討論了各種業(yè)務情況下，波長對環(huán)容量、跳數

6、對容量的影響，開展的主要工作包括：
　　1）詳細推導了基于一對雙向 MRM環(huán)網絡下，波長與雙向環(huán)容量在 point-to-point和all-to-all兩種業(yè)務模式下的函數關系，由此得出多級雙向環(huán)MRM網絡容量可以增加1.5倍的結論。
　　2）通過設計一種逐點均衡的單向MRM環(huán)網絡實驗，采用Optisystem12得到了物理跳數與雙向環(huán)容量的定量關系，由此得出多個站點共享一對 EDFA時，最多可以將干路EDFA數量降低50

7、%，且不影響其BER特性。
　　3）提出了一種新型雙向環(huán)設計方案，通過改善上下路結構，以達到增大雙向環(huán)容量的目的，并通過仿真對其阻塞率性能進行了驗證，獲得了良好的阻塞率效果，得出MRM分立環(huán)在不增加硬件設備的情況下，分組上下路的界限。
　　3.基于兩級或多級ROADM環(huán)網的無阻塞網絡結構設計和性能研究
　　針對MRM結構物理結構對稱，邏輯結構不對稱的問題，設計了一種RMR結構，同時滿足了網絡的無阻塞、可擴展、邏輯對稱等

8、特性；另外，針對MRM或RMR結構縱向可擴展，橫向不可擴展的問題，研究了三級RRR(Ring-Ring-Ring)網絡，研究了無阻塞、橫向可擴展的三種解決方案；最后針對RRR網絡的滿配問題，提出了一種基于無阻塞的二層多級環(huán)結構，對多級無阻塞環(huán)網進行研究，同時滿足了網絡的大容量、無阻塞、可擴展、共享池等特性。開展的主要工作包括：
　　1）對ROADM環(huán)網同時出現在輸入級和輸出級的RMR方案進行了研究，指出RMR結構必須采取相應的規(guī)則

9、和策略，方可有效保證兩級環(huán)網的無阻塞特性。RMR方式將環(huán)網放在中間級，既滿足了無阻塞條件、可擴展特性；其對稱性又減少了長線數量；其邏輯對稱性彌補了MRM結構的不足，并將其簡化為RWR結構，成為數據中心無阻塞網絡的最佳解決方案之一。
　　2）詳細分析了三級網絡全部使用環(huán)網（即 RRR方式）所面臨的挑戰(zhàn)，研究了RRR模式下的波長沖突及三種解決方案：考慮采用增加波長信道數、增加中間級環(huán)網數量、或引入波長轉換器（即Tunable Wave