數(shù)據(jù)中心無阻塞環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能研究.pdf

1、數(shù)據(jù)中心作為基礎(chǔ)服務(wù)的載體，近些年在大數(shù)據(jù)的推動下，建設(shè)規(guī)模日益擴(kuò)大。但是在為用戶提供高帶寬需求的同時(shí)，巨大的能源消耗、成本問題和日益復(fù)雜的連線復(fù)雜度成為制約數(shù)據(jù)中心的重要瓶頸。許多研究機(jī)構(gòu)紛紛采用光電路交換(optical circuit switching，OCS)以彌補(bǔ)傳統(tǒng)電分組交換網(wǎng)絡(luò)的不足。光交換網(wǎng)絡(luò)以其固有的低能耗、大帶寬、易布線等優(yōu)點(diǎn)，成為數(shù)據(jù)中心內(nèi)部光電混合網(wǎng)絡(luò)的研究熱點(diǎn)。不過，由于數(shù)據(jù)中心的帶寬需求日益膨脹，很多研究機(jī)

2、構(gòu)雖然提出了一些節(jié)能化的解決方案，但是在無阻塞擴(kuò)展、低能耗組網(wǎng)、簡化布線等方面依舊存在欠缺，因此，數(shù)據(jù)中心混合交換光網(wǎng)絡(luò)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面仍然還有很大的空間。
　　在眾多的數(shù)據(jù)中心混合交換光網(wǎng)絡(luò)方案中，ROADM環(huán)網(wǎng)因其具有多方面的優(yōu)勢而引起了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注：1）在邏輯上等效于一個(gè)光開關(guān)，利用ROADM的上下路功能可靈活實(shí)現(xiàn)任意波長在任意節(jié)點(diǎn)的無阻塞切換；2）是一個(gè)集交換和傳輸于一體的結(jié)構(gòu)，可簡單通過拉伸環(huán)網(wǎng)擴(kuò)大覆蓋范圍、實(shí)現(xiàn)分布式

3、網(wǎng)絡(luò)；3）易于布線特點(diǎn)，上千臺服務(wù)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(shù)量、節(jié)省光纖成本。本文針對ROADM環(huán)網(wǎng)，主要研究基于環(huán)網(wǎng)的無阻塞擴(kuò)展問題，具體完成了以下幾個(gè)方面的工作：
　　1.基于一級單向ROADM環(huán)網(wǎng)的三級Clos網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能研究
　　首先，針對無阻塞擴(kuò)展問題，我們闡述了經(jīng)典的Clos結(jié)構(gòu)，即三級MMM（MEMS-MEMS-MEMS）網(wǎng)絡(luò)。所謂經(jīng)典Clos網(wǎng)絡(luò)，

4、是一種將小規(guī)模開關(guān)無阻塞地?cái)U(kuò)展成大規(guī)模開關(guān)的常用方法，而業(yè)界常用的“胖樹”結(jié)構(gòu)只是其模塊化的產(chǎn)物。我們對ROADM環(huán)網(wǎng)出現(xiàn)在三級Clos網(wǎng)絡(luò)中的具體情況進(jìn)行了詳細(xì)的梳理和研究：指出波長約束出現(xiàn)某一級時(shí)，會對網(wǎng)絡(luò)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(jié)構(gòu)無阻塞、容量大，但長線數(shù)量多的問題，重點(diǎn)介紹了單級環(huán)網(wǎng)帶來的主要約束條件，對ROADM環(huán)網(wǎng)出現(xiàn)在三級Clos網(wǎng)絡(luò)中的輸入級、中間級、輸出級的具

5、體情況進(jìn)行了詳細(xì)的梳理和研究。
　　2）比較上述三種單級環(huán)網(wǎng)，將環(huán)網(wǎng)放在中間級的方式（即MRM方式）既滿足了無阻塞、可擴(kuò)展特性；其對稱性又減少了長線數(shù)量；可以使用良好的路由策略而避免復(fù)雜選路問題所帶來的時(shí)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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（MRM雙向環(huán)網(wǎng)）
　　針對上述單向ROADM環(huán)網(wǎng)絡(luò)非一致路由的問題，重點(diǎn)介紹了雙向MRM環(huán)網(wǎng)的主要挑戰(zhàn)，討論了各種業(yè)務(wù)情況下，波長對環(huán)容量、跳數(shù)

6、對容量的影響，開展的主要工作包括：
　　1）詳細(xì)推導(dǎo)了基于一對雙向 MRM環(huán)網(wǎng)絡(luò)下，波長與雙向環(huán)容量在 point-to-point和all-to-all兩種業(yè)務(wù)模式下的函數(shù)關(guān)系，由此得出多級雙向環(huán)MRM網(wǎng)絡(luò)容量可以增加1.5倍的結(jié)論。
　　2）通過設(shè)計(jì)一種逐點(diǎn)均衡的單向MRM環(huán)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)，采用Optisystem12得到了物理跳數(shù)與雙向環(huán)容量的定量關(guān)系，由此得出多個(gè)站點(diǎn)共享一對 EDFA時(shí)，最多可以將干路EDFA數(shù)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(shè)計(jì)方案，通過改善上下路結(jié)構(gòu)，以達(dá)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(jìn)行了驗(yàn)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(shè)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(wǎng)的無阻塞網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能研究
　　針對MRM結(jié)構(gòu)物理結(jié)構(gòu)對稱，邏輯結(jié)構(gòu)不對稱的問題，設(shè)計(jì)了一種RMR結(jié)構(gòu)，同時(shí)滿足了網(wǎng)絡(luò)的無阻塞、可擴(kuò)展、邏輯對稱等

8、特性；另外，針對MRM或RMR結(jié)構(gòu)縱向可擴(kuò)展，橫向不可擴(kuò)展的問題，研究了三級RRR(Ring-Ring-Ring)網(wǎng)絡(luò)，研究了無阻塞、橫向可擴(kuò)展的三種解決方案；最后針對RRR網(wǎng)絡(luò)的滿配問題，提出了一種基于無阻塞的二層多級環(huán)結(jié)構(gòu)，對多級無阻塞環(huán)網(wǎng)進(jìn)行研究，同時(shí)滿足了網(wǎng)絡(luò)的大容量、無阻塞、可擴(kuò)展、共享池等特性。開展的主要工作包括：
　　1）對ROADM環(huán)網(wǎng)同時(shí)出現(xiàn)在輸入級和輸出級的RMR方案進(jìn)行了研究，指出RMR結(jié)構(gòu)必須采取相應(yīng)的規(guī)則

9、和策略，方可有效保證兩級環(huán)網(wǎng)的無阻塞特性。RMR方式將環(huán)網(wǎng)放在中間級，既滿足了無阻塞條件、可擴(kuò)展特性；其對稱性又減少了長線數(shù)量；其邏輯對稱性彌補(bǔ)了MRM結(jié)構(gòu)的不足，并將其簡化為RWR結(jié)構(gòu)，成為數(shù)據(jù)中心無阻塞網(wǎng)絡(luò)的最佳解決方案之一。
　　2）詳細(xì)分析了三級網(wǎng)絡(luò)全部使用環(huán)網(wǎng)（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(shù)、增加中間級環(huán)網(wǎng)數(shù)量、或引入波長轉(zhuǎn)換器（即Tunable Wave