[发明专利]基于软件定义的数据中心网络系统及数据通信方法

说明书

技术领域

本发明涉及云计算数据中心技术领域，特别是一种数据中心网络系统及数据通信方法。

背景技术

云计算是一种利用互联网实现随时、随地、按需、便捷地访问共享资源池的计算模式，这类资源池包括服务器、网络资源、存储资源和应用程序等。而数据中心是云计算的核心平台和基础设施，数据中心网络（DCN）则是数据中心内互连大规模服务器实现大型分布式计算的网络，实现数据中心内服务器间海量数据的传输和通信。目前有多种数据中心网络结构，典型代表结构有Fat-tree（改进型电交换数据中心网络），Helios（混合光电路交换和电分组交换数据中心网络）以及OSA（全光电路交换数据中心网络）。

其中Fat-tree是传统树形数据中心网络结构的一种改进结构。网络分为3层，分别是：核心层交换机、汇聚层交换机和接入层交换机。通过增加一定的布线复杂度来连接成一个胖树形网络，即每台接入交换机与每台汇聚交换机都相连，构成完全二分图，每台汇聚交换机又与某部分核心交换机相连，提供无阻塞通信。Fat-tree结构在一定程度上提高了网络可靠性，但是存在很多设计缺陷：1）扩展性差，随着交换机数量增多，网络内部连线特别复杂。2）核心交换机瓶颈，核心交换机是带宽和性能的瓶颈。3）能耗过高，能耗问题是数据中心运营商不可忽视的关键问题之一。

Helios网络架构是由ToR交换机（称为pod交换机）和核心层交换机组成的两层结构。pod交换机是常见的电分组交换机，核心层由电分组交换机和光电路交换机组成，从而构成混合光电路交换和电分组交换数据中心网络结构。其中核心层电分组交换机用于pod交换机之间的全通信，而光电路交换机用于pod交换机之间高带宽缓慢变换流量（通常是长持续时间流量）的通信。Pod交换机与光电路交换机连接时采用WDM（wavelength division multiplex，波分复用）技术将多个端口的不同载波波长的光信号复用到同一条光纤链路中进行传输，充分利用光纤的高带宽、大容量的特性提高数据中心网络性能。但是Helios结构也存在一些不足：1）时延大，在光交换中使用光电路交换机，即基于微电机系统（MEMS）的交换机，当流量矩阵变化时，光电路交换机的重构过程非常耗时，通常为几十毫秒，从而导致网络时延比较长。2）能耗大。

全光互连数据中心网络OSA网络结构利用光电路交换机连接所有的架顶（ToR）交换机。其中每个架顶交换机上有多个不同波长的光收发器。不同的数据调制到不同波长的光载波上进行传输，首先，不同波长的光信号被复用器复用，然后，波长选择开关（WSS）将接收到的复用信号通过不同波长映射到不同的输出端口，最后，光信号通过光交换矩阵实现不同端口之间的通信。同时为了有效利用光交换机端口，通过使用光环形器（Optical Circulator）实现在同一条光纤上实现双向传输数据。从而在架顶交换机之间建立一个点到点的连接。OSA网络结构可实现粗粒度灵活带宽，提高网络吞吐量，但是也存在不足：1）时延大，该结构使用MEMS交换机进行信号交换，其重构时间一般需要几十毫秒，则该结构不能应对流量快速波动的应用。2）不易处理突发流量，与分组交换相比，光电路交换对于突发流量的支持不好。

综上所述，现有数据中心网络结构难以满足未来云计算数据处理和传输的带宽、时延和能耗等要求，已经成为现代云计算数据中心的瓶颈所在。

发明内容

本发明的一个目的就是提供一种高性能、高吞吐量和高扩展性的基于软件定义的数据中心网络系统。

本发明的该目的是通过这样的技术方案实现的，它包括有核心电交换机、光路由器、架顶交换机、服务器、控制模块、光载波分发单元和多波长光源子系统，每台架顶交换机下均连接有一台以上的服务器，每台架顶交换机均分别与核心电交换机和光路由器连接，控制模块控制架顶交换机选择电交换或光路由进行数据通信，控制模块控制光载波分发单元分配多波长光源子系统产生的光载波，为每台架顶交换机提供相应波长的光载波。

进一步，所述光载波分发单元为波长选择开关或由光耦合器与波长选择开关构成。

进一步，所述架顶交换机设置有电光电转换电路，用于将服务器上传的电信号转换成光信号，发送至核心电交换机或光路由器；并将核心电交换机或光路由器发送的光信号转换为电信号，再转发至目的服务器。

进一步，所述核心电交换机设置有光电光转换电路，用于将架顶交换机上传的光信号转换为电信号，读取其转发的目的服务器地址信息，再转换为光信号，根据目的服务器地址信息发送至相应架顶交换机和目的服务器。