TW201918078A - 運用於資料中心網路之光交換系統 - Google Patents
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Abstract
本發明揭露一種運用於資料中心網路之光交換系統,其包含前端緩衝器設備、中央智能排程控制器以及光流量交換機,該中央智能排程控制器連接該前端緩衝器設備與該光流量交換機,其中,前端緩衝器設備接收來自一伺服器群的流量訊務,該中央智能排程控制器依據該前端緩衝器設備所接收之流量訊務,判斷出該流量訊務具衝突情況時,啟動智能排程演算法以管控該前端緩衝器設備之運作,並建立虛擬光路徑,而該光流量交換機依據該中央智能排程控制器之管控,利用該中央智能排程控制器建立之該虛擬光路徑執行虛擬光電路交換,俾達到該流量訊務之快速交換。
Description
本發明係關於一種網路系統,特別的是,係一種運用於資料中心網路上之光交換系統。
中華民國專利號I552536揭露一種光資料中心網路系統以及光交換器,其所提的光交換器為商用化的光選擇交換器(Wavelength Selective Switch,WSS)所構成,將光資料中心的網路系統分三層架構來實現,包括多個第一層光交換器、多個第二層光交換器以及多個第三層光交換器,其中,多個第一層光交換器透過帶狀光纖(ribbon fiber)互相連接形成一群組(pod),而多個第二層光交換器透過帶狀光纖互相連接形成一巨群組(macro pod),且每一個第二層光交換器並與一個群組中的所有第一層光交換器連接,最後,多個第三層光交換器也是透過帶狀光纖互相連接,且每一個第三層光交換器並與一個巨群組中的所有第二層光交換器連接。此專利主要是針對光資料中心網路系統,利用三層金字塔架構來實現。
另外,美國專利公開號為US 20140205292,其發明名 稱為OPTICAL PACKET SWITCHING SYSTEM,為一種光封包交換機的設計,其所提的光緩衝器是一般的Fiber Delay Line的設計,僅做長時間的光延遲設計,並無訊務flow智慧型排程的光緩衝設計,且也未針對光流量交換機上的光緩衝器需求而設計。
由上可知,現有習用方式無法有效提升光交換機的交換總量(Throughput),因而如何找出一種網路系統,特別是,可運用於資料中心網路上,並且具設備簡化優點且可提升交換總量之光交換系統,此將成為本技術領域人員努力追求之目標
本發明提出一種光交換系統,可運用於資料中心網路上,主要是利用智慧型排程機制技術加上可程式化的光流量交換機的系統設計,使原來在資料中心的光流量交換機之交換埠減少,但配合智慧型排程機制下,卻使整體交換總量(Throughput)較原光交換機進一步增加,期盼達到交換埠數量減少,但整體系統交換總量增加之目的。
本發明係提出一種運用於資料中心網路之光交換系統,其包含:前端緩衝器設備,係接收來自一伺服器群的流量訊務;中央智能排程控制器,係連接該前端緩衝器設備,用以依據該前端緩衝器設備所接收之流量訊務,判斷該流量訊務是否具衝突情況,以於判斷出該流量訊務具衝突情況時,啟動智能排程演算法以管控該前端緩衝器設備之運作,並建立虛擬光路徑;以及光流量交換機,係連接 該中央智能排程控制器與該前端緩衝器設備,用以依據該中央智能排程控制器之管控,利用該中央智能排程控制器建立之該虛擬光路徑執行虛擬光電路交換,俾達到該流量訊務之快速交換。
於一實施例中,該前端緩衝器設備為2n*n之可程式化的L2網路交換機。另外,對應該前端緩衝器設備之設計,該光流量交換機為n*n之核心光流量交換機。
於另一實施例中,該中央智能排程控制器判斷該流量訊務未有衝突情況時,傳送直通指令至該前端緩衝器設備,以令該前端緩衝器設備將該流量訊務直接傳遞至該光流量交換機。
於又一實施例中,該智能排程演算法包括檢查產生衝突之流量訊務的優先權,以令高優先權者直接進入該光流量交換機,以及令低優先權者進入該前端緩衝器設備以進行緩衝處理。
該智能排程演算法更包括於該流量訊務之優先權相同時,檢查該流量訊務之級別長度,以令級別大之流量訊務具有較高的優先權,俾優先從該前端緩衝器設備進入該光流量交換機,而令級別小之流量訊務繼續進入該前端緩衝器設備以進行緩衝處理。
該智能排程演算法更包括於該流量訊務之級別長度相同時,檢查時間排程,以依據時間軸的FIFO,將先進入FIFO排程之流量訊務優先處理。
該智能排程演算法更包括於該流量訊務進入該FIFO 排程時,每隔一段時間將該流量訊務在該FIFO排程的優先權增加。
於再一實施例中,該中央智能排程控制器係預先建立該虛擬光路徑,以透過時間交換機制操控該光流量交換機進行該虛擬光電路交換。
於又另一實施例中,該光流量交換機接收該前端緩衝器設備所傳送之流量訊務,俾依據該中央智能排程控制器預先設定的光交換路徑,進行該流量訊務的交換與傳送。
本發明提出一個包括可程式化光流量交換機的系統設計,配合智慧型排程機制技術,在前端緩衝器設備上進行中央智能排程機制的管控,將最適當的訊務flow經過智慧型排程機制下,送往光流量交換機進行光交換傳送,因此,在此一系統設計下,配合智慧型排程機制,可程式化的光流量交換機之交換埠數量可減少,但整體交換總量較原先的光交換機卻進一步增加。綜上,在光流量交換機研究上,未有人提出可程式化的光流量交換機之設計,且透過光流量交換機並配合智能排程機制的管控,無論在交換埠數量減少數量上,或是整體系統交換總量增加上,皆有顯著的進步,可進一步達成綠能減碳的終極目的。
1‧‧‧運用於資料中心網路之光交換系統
10‧‧‧前端緩衝器設備
11‧‧‧中央智能排程控制器
12‧‧‧光流量交換機
20‧‧‧2n*2n網路交換機
22‧‧‧2n*2n光流量交換機
100‧‧‧伺服器群
S41~S45‧‧‧流程
第1圖為本發明之運用於資料中心網路之光交換系統的示意系統架構;第2A和2B圖為本發明使用128*128的核心光流量交換機以及傳統256*256的核心光流量交換機的架構示意 圖;第3圖為本發明之光交換系統在不同路徑數下整體光流量交換機之交換總量(Throughput)的比較圖;以及第4圖為本發明之運用於資料中心網路之光交換系統中智能排程演算法的檢測流程。
以下藉由特定的具體實施形態說明本發明之技術內容,熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之優點與功效。然本發明亦可藉由其他不同的具體實施形態加以施行或應用。
本發明為運用於資料中心網路上包括可程式化光流量交換機的系統設計,主要是利用可程式化光流量交換機應用在資料中心上,利用智慧型排程機制技術加上可程式化光流量交換機的系統設計,使得前端緩衝器設備、光流量交換機、中央智能排程控制器構成一光交換系統。
請參閱第1圖,其所示為本發明之運用於資料中心網路之光交換系統的示意系統架構。如圖所示,本發明之一種運用於資料中心網路之光交換系統1包括:前端緩衝器設備10、中央智能排程控制器11以及光流量交換機12。
前端緩衝器設備10係接收來自一伺服器群100的流量訊務,由於本案是應用於光交換系統,故流量訊務即指光流量訊務,但並不以此為限。
中央智能排程控制器11係連接該前端緩衝器設備10,該中央智能排程控制器11依據該前端緩衝器設備10 所接收之流量訊務,判斷出該流量訊務具衝突情況時,啟動智能排程演算法以管控該前端緩衝器設備10之運作,並建立虛擬光路徑。
光流量交換機12係連接該中央智能排程控制器11與該前端緩衝器設備10,該光流量交換機12依據該中央智能排程控制器11之管控,基於該虛擬光路徑執行虛擬光電路交換,以達到該流量訊務之快速交換。
於一實施例中,本發明之前端緩衝器設備10可為2n*n之可程式化的L2網路交換機,且對應該前端緩衝器設備10之設計,該光流量交換機12可為n*n之核心光流量交換機。
於另一實施例中,當中央智能排程控制器11判斷流量訊務未有衝突情況時,則傳送直通指令至前端緩衝器設備10,以令該前端緩衝器設備10將該流量訊務直接傳遞至該光流量交換機12。
具體來說,前端緩衝器設備10接受SDN(Software Defined Networking)為基礎的中央智能排程機制的管控,若是輸入流量訊務沒有衝突,則中央智能排程控制器11則執行直通(pass-through)指令給前端緩衝器設備10,令輸入的該流量訊務可直接傳遞(bypass)至光流量交換機12,若是輸入的流量訊務有衝突發生,可能是輸入埠(port)數量不夠支援同時太多的輸入流量訊務,又或者是同瞬間有2個以上的流量訊務要到同一個輸出埠時,上述情況發生時,就會產出流量訊務衝突。此狀況應由中央智能排程控制器11 來管控,若是衝突發生時,中央智能排程控制器11就啟動其中的排程演算法來管控發生衝突的流量訊務。
中央智能排程控制器中的智能排程演算法可針對產生衝突之流量訊務,提供該些流量訊務優先順序判斷以及發出對前端緩衝器設備10之控管指令,以控制前端緩衝器設備10之運作。
智能排程演算法可包括檢查產生衝突之流量訊務的優先權,以令高優先權者直接進入該光流量交換機,以及令低優先權者進入該前端緩衝器設備以進行緩衝處理。
當流量訊務之優先權相同時,則進一步檢查該流量訊務之級別長度,以令級別大之流量訊務具有較高的優先權,俾優先從該前端緩衝器設備進入該光流量交換機,而令級別小之流量訊務繼續進入該前端緩衝器設備以進行緩衝處理。
當流量訊務之級別長度相同時,則檢查時間排程,並依據時間軸的FIFO,將先進入FIFO排程之流量訊務優先處理。另外,智能排程演算法更於該流量訊務進入該FIFO排程時,每隔一段時間將該流量訊務在該FIFO排程的優先權增加。
有關智能排程演算法的判斷和管控,將於之後再詳述。
於一實施例中,中央智能排程控制器11係預先建立該虛擬光路徑,以透過時間交換機制操控該光流量交換機進行該虛擬光電路交換。具體來說,中央智能排程控制器11 是一個集中式具有智慧型排程之中央控制器,具備SDN能力的智慧型控制器(smart controller),於本系統中,中央智能排程控制器11分別與前端緩衝器設備10、光流量交換機12等溝通,視流量訊務衝突情況是否發生,來啟動智能排程演算法,利用智能排程演算法的4種排程機制,以管控前端緩衝器設備10之運作,之後,中央智能排程控制器11接著建立虛擬光路徑,來操控光流量交換機12進行虛擬光電路交換,藉此達到光訊務快速交換之目的。
於一實施例中,光流量交換機12接收該前端緩衝器設備10所傳送之流量訊務,俾依據該中央智能排程控制器11預先設定的光交換路徑,進行該流量訊務的交換與傳送。具體來說,光流量交換機12可為全光的流量交換機(Optical Flow Switch),它的控制面是接受中央智能排程控制器11而被管控,亦即由中央智能排程控制器11通知光流量交換機12如何來進行光路光訊務的交換與傳送。
中央智能排程控制器11是預先建立虛擬光路徑(virtual light path),來操控並排程光流量交換機12進行虛擬光電路交換(virtual circuit switching),藉此達到光訊務快速交換的任務與目的,中央智能排程控制器11還利用智能排程機制,提高系統整體交換的交換總量(Throughput)。光流量交換機12前端是接上前端緩衝器設備10,當前端緩衝器設備10送出流量訊務(如光流量訊務)時,光流量交換機12就依照中央智能排程控制器11預先設定的光交換路徑,來進行該光訊務的交換與傳送。
由上可知,本發明為一種運用於資料中心網路上之光交換系統,其主要利用可程式化光流量交換機應用在資料中心上,利用智慧型排程機制技術加上可程式化光流量交換機的系統設計,使得可程式化核心光流量交換機之交換埠數量,可較原來光交換機之交換埠數量(如256)降為一半的交換埠數量(如128),但整體光流量交換機之交換總量較原光交換機從原來50%提昇到60%,另外,若交換埠數量降為3/4的交換埠數量(如192)時,交換總量則從原來50%更進一步提昇到99%。
請參閱第2A和2B圖,其所示為本發明使用128*128的核心光流量交換機以及傳統256*256的核心光流量交換機的架構示意圖,其中,第2A圖為傳統256*256的核心光流量交換機的架構圖,其中,傳統系統是採用2n*2n光流量交換機22搭配2n*2n網路交換機20,另外,第2B圖為本發明使用128*128的核心光流量交換機的架構圖,其中,本發明則是採用n*n光流量交換機12搭配2n*n前端緩衝器設備10。
請同時參考第2A和2B圖,本發明所提出的系統設計,配合中央智能排程控制器11內慧型排程機制技術,在前端緩衝器設備10(例如可程式化的L2網路交換機)上進行以SDN為基礎的智能排程機制的管控,將最適當的流量訊務經過此智慧型排程機制下,送往光流量交換機12進行光交換傳送。在本發明系統在配合智能排程機制管控下,原來需要256*256的核心2n*2n光流量交換機22,現在可 僅用128*128的核心光流量交換機12來取代,如此,可較原來光流量交換機之交換埠數量減少50%,但整體光流量交換機之交換總量,可從原來50%的交換總量,提昇到60%的交換總量,此較原光交換機增加20%的交換總量效能,如第3圖所示,另外,若交換埠數量降為3/4的交換埠數量(如192*192)時,則交換總量從原來50%更進一步提昇到99%,較傳統的2n*2n光流量交換機22增加接近1倍的交換總量效能,如第3圖所示。
由上可知,本發明提出一個包括可程式化光流量交換機的光交換系統,配合智慧型排程機制技術,可對前端緩衝器設備進行智能排程機制的管控,將最適當的流量訊務經過智慧型排程機制下,送往光流量交換機進行光交換傳送,在本發明下,可程式化光流量交換機之交換埠數量,可較原來光流量交換機之交換埠數量大幅減少,但整體光流量交換機之交換總量較原先光交換機卻顯著增加。
中央智能排程控制器其上的智能排程演算法包括四種排程機制,第一個是檢查衝突訊務(flow)的優先權(Priority),優先權高的優先通過,直接進入光流量交換機,優先權低的訊務則進入前端緩衝器設備,進行緩衝處理。若是相同的優先權,則進行第二個檢查排程,即判斷訊務級別長短(Level Length),其中,訊務級別大的訊務具有較高的優先權,可優先從前端緩衝器設備進入光流量交換機,反之,訊務級別較短的訊務,則繼續進入前端緩衝器設備,進行緩衝處理。若衝突訊務屬同一個級別的訊務長 度,則是具有同樣的優先權,則要進行第三個檢查排程,即判斷時間軸的FIFO,此時就是進入FIFO排程,依照時間先到先處理。最後,第四個排程是採用時間FIFO排程時,當訊務進入FIFO排程後,每隔一段時間將其在FIFO的優先權增加,以避免有訊務餓死(starvation)的情況發生。
中央智能排程控制器就啟動其上的排程演算法詳細說明如下:Algorithm:Intelligent Scheduler while(true)do{/* do forever */於一段flow偵查時間區間內,接收所有輸入之flow;將所收到flow依據其priority,加入multi-level FIFO queue;於multi-level FIFO queue,找出priority最高之flow;若priority最高之flow數=1,將所找到flow交換至輸出埠輸出;若priority最高之flow數>1,由其中找出level_length最大之flow;若level_length最大之flow數=1,將所找到flow交換至輸出埠輸出;若level_length最大之flow數>1,由其中找出arriving time最早之flow;將所找到flow交換至輸出埠輸出; 其他未輸出之flow進入光緩衝器延遲輸出;定期將其他未輸出flow之priority增加;}end while
請參閱第4圖,其所示為本發明之運用於資料中心網路之光交換系統中智能排程演算法的檢測流程。如圖所示,於流程S41中,即接收所有輸入之流量訊務。於流程S42中,即判斷優先權高低,當優先權最大之流量訊務的數量大於1時,則進入流程S43,反之,若僅有一個,則進入流程S45,即該流量訊務為要輸出之流量訊務。於流程S43中,即判斷級別長度,當即別長度最大之流量訊務的數量大於1時,則進入流程S44,反之,若僅有一個,則進入流程S45,即該流量訊務為要輸出之流量訊務。於流程S44中,即流量訊務到達時間,並找出流量訊務最早者,即為要輸出之流量訊務。
於流程S45中,該流程即找到該流量訊務並交換至輸出埠輸出,其他未輸出之流量訊務進入光緩衝器延遲輸出,並定期將其他未輸出流量訊務之優先權增加。換言之,即便無法輸出的流量訊務,也會逐漸提高其優先權,避免訊務餓死的情況發生。
本發明為運用於資料中心網路上之光交換系統,透過可程式化光流量交換機應用在資料中心上,以及搭配智慧型排程機制技術,以完成一種創新的光交換系統。本發明 與其他習用技術相互比較下,更具備下列兩項優點。
第一,本系統配合中央智能排程機制管控下,原來需要2n*2n(如256*256)的核心光流量交換機,現在可僅用n*n(如128*128)的核心光流量交換機來取代,如此,可較原來光交換機之交換埠數量減少50%((2n-n)/2n * 100%),但整體光流量交換機之交換總量從原來的50%進步到60%,此較原光交換機增加20%的交換總量效能。另外,若用交換埠數量為原3/4的交換埠數量的核心光流量交換機來取代(如192*192),如此,可較原來光交換機之交換埠數量減少25%((256-192)/256 * 100%),但整體光流量交換機之交換總量從原來的50%提昇到99%,此較原光交換機增加接近1倍的交換總量效能。
第二,本發明提出訊務流量排程機制,可強化光流量交換機之前端緩衝器設備,目前光流量交換機之前端緩衝器並未支援智慧型排程機制。本發明所提出之智能排程演算法,包括四種排程機制,第一個是檢查衝突訊務的優先權高低,優先權高的優先通過,直接進入光流量交換機,優先權低的訊務則進入前端緩衝器設備,進行緩衝處理。若是相同的優先權,則進行第二個檢查排程,即考慮訊務級別長短,訊務級別大的訊務具有較高的優先權,可優先從前端緩衝器設備進入光流量交換機,否則則是較短的訊務,則繼續進入前端緩衝器設備,進行緩衝處理。若屬同一個訊務級別的訊務長度,則是有同樣的優先權,則要進行第三個檢查排程,加入時間軸的FIFO,此時就是進入 FIFO排程,依照時間先到先處理。最後,第四個排程是時間FIFO排程,當訊務進入FIFO排程時,每隔一段時間將其在FIFO的優先權增加,以避免有訊務餓死情況產生。
上列詳細說明乃針對本發明之一可行實施例進行具體說明,惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍,凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更,均應包含於本案之專利範圍中。
Claims (10)
- 一種運用於資料中心網路之光交換系統,其包含:前端緩衝器設備,係接收來自一伺服器群的流量訊務;中央智能排程控制器,係連接該前端緩衝器設備,用以依據該前端緩衝器設備所接收之流量訊務,判斷該流量訊務是否具衝突情況,以於判斷出該流量訊務具衝突情況時,啟動智能排程演算法以管控該前端緩衝器設備之運作,並建立虛擬光路徑;以及光流量交換機,係連接該中央智能排程控制器與該前端緩衝器設備,用以依據該中央智能排程控制器之管控,利用該中央智能排程控制器建立之該虛擬光路徑執行虛擬光電路交換,俾達到該流量訊務之快速交換。
- 如申請專利範圍第1項所述之光交換系統,其中,該前端緩衝器設備為2n*n之可程式化的L2網路交換機。
- 如申請專利範圍第2項所述之光交換系統,其中,該光流量交換機為n*n之核心光流量交換機。
- 如申請專利範圍第1項所述之光交換系統,其中,該中央智能排程控制器判斷該流量訊務未有衝突情況時,傳送直通指令至該前端緩衝器設備,以令該前端緩衝器設備將該流量訊務直接傳遞至該光流量交換機。
- 如申請專利範圍第1項所述之光交換系統,其中,該智能排程演算法包括檢查產生衝突之流量訊務的優先權,以令高優先權者直接進入該光流量交換機,以及令 低優先權者進入該前端緩衝器設備以進行緩衝處理。
- 如申請專利範圍第5項所述之光交換系統,其中,該智能排程演算法更包括於該流量訊務之優先權相同時,檢查該流量訊務之級別長度,以令級別大之流量訊務具有較高的優先權,俾優先從該前端緩衝器設備進入該光流量交換機,而令級別小之流量訊務繼續進入該前端緩衝器設備以進行緩衝處理。
- 如申請專利範圍第6項所述之光交換系統,其中,該智能排程演算法更包括於該流量訊務之級別長度相同時,檢查時間排程,以依據時間軸的FIFO,將先進入FIFO排程之流量訊務優先處理。
- 如申請專利範圍第7項所述之光交換系統,其中,該智能排程演算法更包括於該流量訊務進入該FIFO排程時,每隔一段時間將該流量訊務在該FIFO排程的優先權增加。
- 如申請專利範圍第1項所述之光交換系統,其中,該中央智能排程控制器係預先建立該虛擬光路徑,以透過時間交換機制操控該光流量交換機進行該虛擬光電路交換。
- 如申請專利範圍第1項所述之光交換系統,其中,該光流量交換機接收該前端緩衝器設備所傳送之流量訊務,俾依據該中央智能排程控制器預先設定的光交換路徑,進行該流量訊務的交換與傳送。
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