光電混合數(shù)據(jù)中心內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)交換結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、數(shù)據(jù)中心起到承載網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用、存儲網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)、提供運(yùn)維環(huán)境的作用，在通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中占有舉足輕重的地位。近年來隨著云計(jì)算、社交網(wǎng)絡(luò)、高清電視、網(wǎng)絡(luò)游戲等新興網(wǎng)絡(luò)技術(shù)或網(wǎng)絡(luò)需求的出現(xiàn)，數(shù)據(jù)中心的架構(gòu)和其中承載的業(yè)務(wù)模型正在發(fā)生著意義深遠(yuǎn)地改變。由于數(shù)據(jù)中心規(guī)模的不斷擴(kuò)大和業(yè)務(wù)傳輸需求的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)中心內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)交換結(jié)構(gòu)面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)電分組交換結(jié)構(gòu)造成了巨大的能耗、降溫、和溫室氣體排放問題。并且這些問題在不久的將來將得

2、到進(jìn)一步的惡化。光交換技術(shù)因其超大傳輸帶寬和相對較低的能耗越來越受到研究人員關(guān)注。近年來，人們嘗試將光交換技術(shù)引入到數(shù)據(jù)中心內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)交換結(jié)構(gòu)中，從而形成了光電混合數(shù)據(jù)中心內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)交換結(jié)構(gòu)。光電混合數(shù)據(jù)中心內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)交換結(jié)構(gòu)充分結(jié)合兩種交換技術(shù)的優(yōu)勢，利用電分組交換技術(shù)靈活的特點(diǎn)處理數(shù)據(jù)量較小的業(yè)務(wù)“老鼠流”；利用光電路交換技術(shù)節(jié)能的特點(diǎn)處理數(shù)據(jù)量較大的業(yè)務(wù)“大象流”。研究表明，通過光交換技術(shù)引入，數(shù)據(jù)中心有潛力減少約75%的能量消耗。

3、r>　　本論文主要針對目前混合光電路-電分組數(shù)據(jù)中心內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)交換結(jié)構(gòu)中存在的關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)進(jìn)行深入研究。以滿足數(shù)據(jù)中心發(fā)展趨勢和業(yè)務(wù)需求為目標(biāo)，論文研究了光電混合數(shù)據(jù)中心內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)交換結(jié)構(gòu)中電分組頭部處理、光交換結(jié)構(gòu)資源利用以及光交換結(jié)構(gòu)連線復(fù)雜度和擴(kuò)展性等問題。具體來說，論文進(jìn)行了下述幾個(gè)方面的研究工作：
　　研究了電域分組交換機(jī)處理機(jī)柜間通過電分組方式傳輸?shù)姆?wù)器到服務(wù)器數(shù)據(jù)分組難題
　　針對光電混合數(shù)據(jù)中心內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)交換結(jié)

4、構(gòu)中通過電分組方式傳輸?shù)臋C(jī)柜間業(yè)務(wù)在通過機(jī)柜間電分組交換結(jié)構(gòu)時(shí)，分組交換機(jī)存在的頭部處理負(fù)載繁重和轉(zhuǎn)發(fā)表流表項(xiàng)冗長問題進(jìn)行研究：
　　1)論文提出在柜頂交換機(jī)首先根據(jù)目的服務(wù)器地址將粒度較小的服務(wù)器到服務(wù)器數(shù)據(jù)分組匯聚成粒度較大的柜頂交換機(jī)到柜頂交換機(jī)數(shù)據(jù)幀。
　　2)當(dāng)處理數(shù)據(jù)中心通過電分組方式傳輸?shù)哪康牡刂贩植疾痪鶆虻臋C(jī)柜間業(yè)務(wù)時(shí)，論文在數(shù)學(xué)上分析了柜頂交換機(jī)數(shù)據(jù)幀匯聚調(diào)度過程中存在的丟包率和系統(tǒng)公平性折中關(guān)系。

5、　　3)根據(jù)此折中關(guān)系，論文提出了適合于柜頂交換機(jī)的匯聚調(diào)度算法。該算法在保證柜頂交換機(jī)最小數(shù)據(jù)丟包率的前提下，最小化系統(tǒng)的平均時(shí)延和時(shí)延抖動。
　　研究了光電路交換結(jié)構(gòu)頻譜資源利用和連線復(fù)雜度問題
　　針對光電混合數(shù)據(jù)中心內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)交換結(jié)構(gòu)中的光電路交換結(jié)構(gòu)處理帶寬請求不均勻的機(jī)柜間光電路傳輸業(yè)務(wù)造成頻譜資源浪費(fèi)現(xiàn)象和當(dāng)柜頂交換機(jī)分布面積較為廣泛時(shí)光電路交換結(jié)構(gòu)光纖長連線數(shù)量過多問題，論文做了如下研究：
　　1)論文提

6、出了一種新型的基于彈性頻譜分配策略的頻分復(fù)用環(huán)狀數(shù)據(jù)中心內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)光電路交換結(jié)構(gòu)。
　　2)論文研究了該結(jié)構(gòu)中存在的頻譜分配問題，提出了求解該問題的整數(shù)線性規(guī)劃模型和貪婪性啟發(fā)式算法。
　　3)論文研究了該交換結(jié)構(gòu)處理不同業(yè)務(wù)模型時(shí)的系統(tǒng)性能并證明了該結(jié)構(gòu)的可行性。
　　研究了光電路交換結(jié)構(gòu)擴(kuò)展性問題
　　為進(jìn)一步解決基于彈性頻譜分配策略的頻分復(fù)用環(huán)狀數(shù)據(jù)中心內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)光電路交換結(jié)構(gòu)支持的柜頂交換機(jī)數(shù)量受限于單個(gè)光纖

7、環(huán)中C波段頻譜資源總量的難題，論文繼續(xù)研究了數(shù)據(jù)中心內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)光電路交換結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展性問題：
　　1)論文提出了一種基于多環(huán)的數(shù)據(jù)中心內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)光電路交換結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以在避免大量長光纖連線的前提下支持多達(dá)數(shù)萬個(gè)柜頂交換機(jī)間的無阻塞連接。
　　2)論文研究了該結(jié)構(gòu)中存在的路由和頻譜分配問題并提出了固定頻譜分配和彈性頻譜分配兩種求解路由和頻譜分配問題的可行策略。
　　3)對于固定頻譜分配策略和彈性頻譜分配策略，論文分別給出了路