用於在相對低基交換機物理網絡上實現高基交換機拓撲結構的方法和系統的製作方法

2023-11-10 16:06:42

專利名稱：用於在相對低基交換機物理網絡上實現高基交換機拓撲結構的方法和系統的製作方法
技術領域：
本發明的實施例涉及光學裝置，以及具體地涉及構造基於低基(low-radix)交換機物理網絡的、基於光學的高基(high-radix)交換機拓撲結構。
背景技術：
為了讓大規模並行系統達到它們的全部性能潛力，應該平衡處理能力、存儲器容量以及通信資源。能夠通過考慮對剖帶寬和平均通信延時來測量通信性能。對剖帶寬表示在網絡的兩個基本相等的部分之間的帶寬。平均通信延時表示在發送信息的時刻到接收到該信息的時刻之間的平均時間延遲。延時能夠被測量為導向傳輸(fall-through)延遲與有效載荷傳輸時間之和。有效載荷傳輸時間是所傳輸的字節數除以物理鏈路的總帶寬，所述物理鏈路在電氣通信的情況下可以由一條或多條導線構成，或在光學通信的情況下可以由波導構成。導向傳輸延遲是在任何路徑上的1個比特針對特定的源到目的地的路線從源傳輸到目的地所花費的時間，以及能夠被確定為在導線或波導上的時間加上通過任何插入邏輯的任何傳播延遲加上在路由機構中弓丨發的任何控制延遲的總和。兩種根本不同的交換網絡是可能的分組交換和電路交換。電路交換網絡由一組通過通信鏈路連接的電路交換機構成。鏈路可以是導線、光纖或任何其他用於以電信號或光學信號傳輸信息的適當的裝置。電路交換機能夠配置為將輸入鏈路直接連接到輸出鏈路以創建從發送機到期望接收機的期望路徑。必須在通信事件之前配置電路交換網絡。因此， 電路交換網絡具有基於網絡的配置改變的物理路徑拓撲結構。分組交換網絡具有由利用鏈路互連的一組路由器構成的固定物理拓撲結構。當在分組交換網絡中將分組從源路由到目的地時，必須在每個路由器處做出路由判決。當分組到達路由器時，路由器檢查分組頭部的目的地地址部分。路由器然後將分組放置在通向去往目的地的路徑上的下個路由器的適當鏈路上或放置在實際到達目的地的鏈路上。高基交換機網絡通過減少消息必須經過的平均跳數，縮減了所有導向傳輸延遲部件，但是由於增加的布線複雜度而遭受成本方面的問題。在後續的描述中，術語「交換機」將表示電路交換網絡中的電路交換機或分組交換網絡中的路由器。對於具有相等數量的輸入和輸出鏈路的交換機來說，術語「基(radix)」表示與每個交換機相關聯的輸入或輸出鏈路的數量。每個鏈路包括一個或多個導線或波導。每個導線每時鐘周期能夠攜載1比特的信息。能夠在單個波導上對許多個不同的波長進行波分復用。因此，能夠攜載η個波長的波導每個時鐘周期能夠攜載η比特的信息。術語「鏈路寬度」表示每個時鐘周期能夠在鏈路上傳輸的比特數。術語「跳」表示從源到目的地橫跨的路徑的數量。如果消息或分組橫跨了 m跳，則m-1個交換機將參與做出路由判決。電路交換網絡通過消除在每個跳處做出路由判決的需求而減少了延時，但是導致如果經常進行重配置則發生問題的配置延遲。通信網絡的成本基於交換機、路由器、轉發器的數量，以及相關聯的系統級集成以及裝配努力，所有這些都受到布線複雜度的嚴重影響。布線複雜度表示為了形成網絡必須連接的鏈路的數量。由於管腳帶寬限制，大多數高性能通信結構由高基拓撲結構構建， 所述高基拓撲結構採用很多低帶寬連接而非較少的高帶寬連接。電氣高帶寬連接的使用就過度功耗以及確保存在足夠的信號完整性以提供可靠通信的難度來說存在問題。與高基交換機網絡相結合的具有非常大數量的節點的計算機系統在安裝時間上造成顯著的布線挑戰以及在物理連接器和電纜方面造成顯著成本。當由於需要重配置大量的電纜和導線而對網絡添加資源時，具有大量節點的網絡也會存在問題。近年來，提出了許多高基交換機拓撲結構用於實現大規模並行計算系統。例如，胖樹是用於諸如CM-5的連接機中的高基交換機拓撲結構，並且目前用於由Cray公司生產的系統的Black Widow交換機中。已經做出了許多其他的貢獻，其在物理交換機網絡上使用高基交換機拓撲結構，諸如由 John Kim, James Balfour, William Dally 在 proceedings of the 40th Annual IEEE/ACM International Symposium on Micro-architecture (MICRO) (Chicago, IL. 2007 年 12 月)上發表的 「Flattened Butterfly Topology for On-chip Networks」 中提出的扁平蝴蝶，以及由 Frederic Chong, Erin Egozy 和 Andre DeHon 在 proceedings of Advanced Research in VLSI and Parallel Systems ( MIT press, 1992 年 3 月)上發表的"Fault Tolerance and Performance of Multipath Multistage Interconnection Networks」中提出的加寬路徑多級交換機，以及由L. Rodney Goke 禾口 G. J. Lipovski 在 Proceedings of the International Symposium on Computer Architecture (ISCA), ACM, New York, 1973 上發表的「Banyan networks for partitioning multiprocessor systems" ψ 白勺因此，期望用於經濟地實現高基交換機拓撲結構以及高效地使用低基交換機物理網絡以及混合分組和電路交換控制方法的系統和方法。

發明內容
本發明的實施例針對在相對低基交換機物理網絡上實現高基交換機拓撲結構。在一個方法實施例中，該方法包括構造交換機物理網絡，所述交換機物理網絡包括經由鏈路連接的混合分組/電路交換機。然後，設計期望的高基分組交換機拓撲結構，用於在有關物理網絡上實現。然後，通過將混合分組/電路交換機配置成在物理網絡上實現邏輯分組交換機拓撲結構，將該分組交換機拓撲結構疊置在物理網絡上。能夠在經由物理網絡傳輸之後重配置混合分組/電路交換機，並且該混合分組/電路交換機可以被配置為實現替代的分組交換拓撲結構。在一個系統實施例中，混合分組/電路交換機包括光學電路交換機，其光學耦合到一個或多個輸入光學鏈路以及一個或多個輸出光學鏈路；以及分組交換裝置，其光學耦合到所述光學電路交換機。分組交換裝置將在輸入光學鏈路上輸入到電路交換機的光學信號轉換為電信號，該電信號被緩衝、分析、路由並轉換回被發送到光學電路交換機的光學信號，該光學電路交換機將該信號放置在輸出光學鏈路上。


圖1示出根據本發明的實施例配置的單個交換機裝置。圖2Α示出根據本發明的實施例配置的16芯光纖的截面圖。
圖2B示出根據本發明的實施例配置的光子晶體光纖的截面圖。圖3示出根據本發明的實施例配置的例示性電路交換機。圖4A示出由9個電路交換機構成的電路交換機網絡。圖4B示出配置為當光學鏈路發生故障時保持連接性的電路交換網絡。
圖5示出無源網絡的示例。圖6A-6C示出根據本發明的實施例配置的三個混合分組/電路交換機。圖7示出表示在根據本發明的實施例的用於在低基交換機物理網絡上實現高基交換機拓撲結構的方法中的許多步驟的流程圖。圖8示出根據本發明的實施例配置的環形交換機物理網絡800的示意性表示。圖9示出根據本發明的實施例的、能夠在圖8所示的網絡上實施的單向環交換機拓撲結構。圖IOA示出根據本發明的實施例的、從圖8中所示的交換機網絡的交換機0輸出的光學信號的輸出方向。圖IOB示出根據本發明的實施例配置的弦環交換機拓撲結構。圖11示出根據本發明的實施例的、在圖8B中所示的交換機拓撲結構的基5交換機的示意性表示。圖12示出根據本發明的實施例的、專用於向交換機和自交換機傳輸光學信號的鏈路的波導的示意性表示。圖13示出表示根據本發明的實施例的、光學信號在圖IOB中所示的交換機拓撲結構上採取的路徑的圖示。圖14示出根據本發明的實施例的、配置為圍繞分組交換機路由光學信號的16芯光纖的截面圖和示意性表示。圖15示出根據本發明的實施例配置的例示性交換機拓撲結構。圖16示出根據本發明的實施例配置的例示性物理Clos網絡。圖17示出根據本發明的實施例的、配置為在圖16所示的Clos交換機網絡中作為中間交換機操作的微鏡交換機。
具體實施例方式本發明的方法和系統實施例針對在相對低基物理網絡上實現高基通信交換機拓撲結構。本發明的實施例能夠使用光學技術來實現。術語定義
如本文中所用的，術語「光學信號」表示進行了幅度調製的特定波長的電磁輻射。換句話說，光學信號能夠由高幅度模式和低幅度模式構成，其中，例如，「高」幅度表示比特「1」， 而「低」幅度表示比特「0」。術語「波導」表示光學纖維、芯、或被低介電常數的限制層包圍的任何適當的光傳輸介質。如本文中使用的術語「鏈路」表示一個或多個波導。本文中使用的術語「交換機拓撲結構」表示交換機的配置或布置以及形成通信網絡的互連通信鏈路。
本文中使用的術語「物理」表示在真實物質世界中具有物質或材料存在的項，而不是作為想法或概念，並且能夠被觸摸和看見。本文中使用的術語「基」表示交換機的輸入或輸出埠的數量。本文中使用的術語「交換機」作為一般術語表示電路交換機以及混合分組/電路交換機，其在下文的小節I和II中分別進行了更詳細的描述。優點
本發明的實施例相較用於配置交換機網絡的傳統的基於電氣的系統和方法具有許多優點。在所有光學實現中，電路交換機制顯著最小化在基於電氣的網絡中將導致的能量和部件開銷。另外，能夠使用密集波分復用(「DWDM」)來進一步增加截面帶寬。相反，導線上的 DWDM簡直是不可行的，並且增加電交換機的截面帶寬的唯一方式是增加每個信道中導線的數量或增加每個導線的速度。增加導線速度在根本上受到信號完整性和功率問題的限制。 增加導線數量還導致了額外成本，且由於電氣部件輸入-輸出管腳限制而是有問題的。很多高基交換機網絡，一旦設計好，在它們的實例化中是靜態的。相反，本發明的實施例針對用於設計能夠在低基交換機物理網絡上實現的各種高基交換機拓撲結構的系統和方法。換句話說，電路交換機拓撲結構能夠被改變以滿足變化的業務模式的需求或對鏈路或交換機故障進行補償。注意，這僅在其中業務模式的持續時間長得足以攤銷配置時間的情況下才有用。這允許在每信道粒度上在一個或多個特定的電路交換路線之間劃分截面帶寬的選項。本發明的實施例還實現了低的源到目的地的跳計數以及與高基交換機拓撲結構相關聯的高截面帶寬，同時實現了低基交換機物理網絡的低成本、低鏈路計數以及簡單的互連複雜度。在小節I中描述了電路交換機和無源網絡。在小節II中描述了混合分組/電路交換機。在小節III中針對兩個例示性網絡描述了使用電路交換機在相對較低基交換機網絡上實現高基通信交換機拓撲結構的方法。I.電路交換機和無源網絡
交換網絡包括交換機裝置和鏈路的許多實例。通過將交換機裝置與鏈路互連以實現特定網絡拓撲結構，來配置物理網絡。圖1示出了根據本發明的實施例的連接到輸入光學鏈路104-106以及輸出光學鏈路107-109的單個交換機裝置102。如圖1的示例中所示，輸入光學鏈路104-106的每一個傳輸四個輸入光學信號到交換機裝置102，其中，由指向交換機裝置102的方向箭頭來表示輸入光學信號。輸出光學鏈路107-109的每一個傳輸四個光學信號離開交換機裝置102，其中，由離開交換機裝置102而指示的方向箭頭來表示輸出光學信號。光學鏈路能夠配置成具有4個波導，其中每個波導攜載1個光學信號，或使用DWDM， 每個光學鏈路104-109能夠被配置成具有單個波導，該單個波導被配置成攜載多個光學信號。多芯光纖(「MCF」)以及光子晶體光纖(「PCF」)僅僅是光學鏈路的兩個示例。MCF和 PCF包含多個波導，其中，每個波導能夠傳輸一個或多個光學信號。圖2A示出根據本發明的實施例配置的16芯光纖200的截面圖。該16芯光纖200包括16個延伸光纖200的長度的稱為「芯」的波導，諸如芯202。該芯被相對較低折射率的包覆材料204包圍，所述包覆材料204形成圍繞每個芯的包覆層。雖然多芯光纖被示出為具有圓形的截面，但是芯能夠布置為具有平面配置，以產生多芯光纖帶。本發明的實施例不限於16芯光纖。 光纖能夠被配置成具有任何適合數量的芯，以及芯能夠被配置為支持電磁輻射的一個或多個模式。圖2B 示出根據本發明的實施例配置的PCF 210的截面圖。該PCF 210由諸如氣孔212的孔的六角形柵格構成，或由在相對較高折射率材料214 (諸如矽石)中延伸光纖的長度的另一種適當的相對低折射率材料構成。如圖2B中所示，孔被布置為形成19個芯，諸如芯216，其中在芯中導引光。其他PCF能夠配置為具有更少或更多的芯，以及能夠配置為具有兩種或更多種材料的同心環，其作為布拉格反射器操作以將光限制到中央芯。返回圖1，交換機裝置102能夠用於將輸入光學鏈路104-106的特定輸入波導連接到輸出光學鏈路107-109的特定輸出波導。例如，交換機裝置102能夠配置為將在光學鏈路104的波導上輸入到交換機裝置102的光學信號110導引到光學鏈路109的特定波導。 圖1還示出了如何能夠根據物理上低基交換機拓撲結構構造高基交換機拓撲結構。在此情況下，因為存在3個輸入光學鏈路104-106以及3個輸出光學鏈路107-109，此交換機裝置 102的基為3。交換機裝置102可以是電路交換機或無源網絡。電路交換機需要被配置為在鏈路之間獲得期望的連接性。無源網絡由導線或光學波導構成，並且不包含能夠被配置的交換機。因此，無源網絡實現靜態的互連拓撲結構。電路交換機的優點是，其能夠被按照需要重配置以更高效地應付網絡的改變的需求或在鏈路或交換機裝置或兩者發生故障的情況下維持網絡中的連接性。電路交換機的其他優點包括沒有對於導向傳輸延遲的路由延遲貢獻，其有助於延時和功率。電路交換機的缺點是，在正對交換機進行配置時無法執行通信業務。因此，與電路交換機的靈活性益處相關聯的代價是由於在重配置時間期間降低的網絡可用性所導致的。如果重配置頻繁，則將觀察到平均分組延時的顯著增加，而如果重配置稀少，則由於重配置的網絡優點將超過由於重配置導致的可用性損失，會降低平均分組延時。圖3示出根據本發明實施例配置的例示性電路交換機300。電路交換機300包括微機電系統(「MEMS」)鏡場(mirror farm)302、第一透鏡陣列304和第二透鏡陣列306。進入16芯光纖308的16個波導(也稱為芯)以及外出16芯光纖310的16個芯，每個均被透鏡陣列304和306中的相關聯的透鏡所覆蓋。例如，進入芯光纖312被透鏡陣列304中的透鏡314所覆蓋，以及外出芯光纖316被透鏡陣列306中的透鏡318所覆蓋。MEMS鏡場 302由16個單獨的、機械控制的矽微鏡的陣列構成。透鏡陣列304中的透鏡每個可以被定向為將光導引到特定微鏡上。透鏡陣列306中的透鏡能夠被配置為將從鏡場302中的微鏡反射的光收集到對應的外出光纖中。通過將微鏡定向為將在特定進入芯上輸入的光學信號導引到特定外出芯中，能夠將電路交換機300用作電路交換機。進入芯能夠被直接連接到諸如分組交換機或計算機的第一計算裝置或連接到交換機網絡中的另一電路交換機，並且外出芯能夠被直接連接到諸如分組交換機或計算機的第二計算裝置或連接到交換機網絡中的另一電路交換機。例如，考慮從經由芯312連接到電路交換機300的網絡上的電路交換機始發的光學信號。在芯312上進入的光學信號通過透鏡314被導引到微鏡320上。微鏡320被預定向以將光學信號反射到透鏡318，透鏡318沿著芯316將光導引出交換機300。 芯316能夠直接通往網絡上的另一電路交換機或通往計算裝置。微鏡能夠被再定向以打破舊連接並進行新連接，以便在相同的物理網絡上實現各種不同的交換機拓撲結構。微鏡交換機不限於方形4X4鏡場302。在其他實施例中，能夠使用具有任何數量的行和列的微鏡和透鏡陣列的微鏡交換機，以為任何數量的進入和外出多芯光纖提供交換。圖 4A示出由9個電路交換機401-409構成的電路交換機網絡400。方向箭頭表示光學鏈路的物理實例化。虛線表示在電路交換機之間的邏輯的、直接電路路線。電路交換機401-409能夠是諸如圖3中所示的那些的基於鏡場的交換機。電路交換機被配置為使得每個電路交換機能夠在χ和y方向上直接傳輸到另一電路交換機。換句話說，電路交換機401-409被配置為使得光學信號邏輯上在由虛線標識的方向上行進，但是物理上在由方向箭頭表示的光學鏈路上行進。例如，電路交換機406能夠如虛線410指示地將光學信號直接傳輸到電路交換機405，以及電路交換機405也被配置為使得電路交換機406能夠如虛線411所指示地直接傳輸到電路交換機404。電路交換機網絡能夠配置為創建各種可能的電路路線，以及如上所述，能夠重配置為導引信號繞過發生故障的光學鏈路或滿足改變的業務需求。圖4B示出當光學鏈路發生故障時能夠如何重配置電路交換網絡400以維持完全連接性。在圖4B的示例中，虛線方向箭頭412表示發生故障的光學鏈路。結果，在圖4A中由虛線410和411表示的邏輯路徑不再存在。使用現存光學鏈路上的多餘容量並重配置電路交換機402-409，電路交換機406 能夠經由由點劃線414表示的邏輯路徑發送光學信號到電路交換機405，以及電路交換機 406能夠經由由點劃線416表示的邏輯路徑發送光學信號到電路交換機404。通過構建此新電路，維持了邏輯拓撲結構，以及分組路由協議能夠無視物理鏈路412的故障而推進。當沒有多餘容量時，則能夠重新劃分剩餘的容量以維持具有原始跳計數屬性的完全連接性， 但是其中每個路線的帶寬被減少，因為由於發生故障的鏈路容量損失，它的容量份額已經被降低。另一方面，無源網絡是其中輸入波導被物理連接到輸出波導的網絡。一旦被配置， 則無源網絡的拓撲結構不改變。無源網絡的益處包括實現成本比電路交換機低，以及由於拓撲結構固定而沒有與重配置相關聯的延時懲罰。缺點在於，拓撲結構不靈活，且無法動態適應新的業務需求或網絡上的部件故障。圖5示出無源網絡500的示例。在4芯光纖501-504上接收光學信號，以及在4 芯光纖505-508上輸出光學信號。如圖5的示例中所示，通過將4芯光纖501-504的每個芯連接到四個4芯光纖505-508的每個中的一個特定芯，來配置混洗網絡500。圖5揭示了用於實現此連接的一個特定實施例。每個光纖的芯均被標記為1到4。將光纖501-504 中的芯連接到光纖505-508中的芯的線能夠表示光纖。光纖501的芯均被光學連接到光纖 505-508中標記為「1」的芯。光纖402的芯均被連接到光纖505-508中標記為「2」的芯。 光纖503的芯均被連接到光纖505-508中標記為「3」的芯。光纖504的芯均被連接到光纖 505-508中標記為「4」的芯。II.混合分組/電路交換機
互連網絡的一個目的是連接計算端點，所述計算端點是用於網絡的消息業務的源和目的地。如上所述，當利用無源網絡配置時網絡可能不靈活，或當僅僅利用電路交換機裝置配置時網絡的成本會較高。另外，信息通常經由網絡以分組形式傳輸。分組交換涉及將消息分解為許多分組。每個分組包括頭部，在沿著路徑的每個交換機處對該頭部進行檢查以決定應該在哪個交換機輸出上發送分組以便將分組路由到適當的交換機。能夠作為路由過程的部分修改分組頭部，以及並非所有構成給定消息的分組都必須採用從源交換機到目的地交換機的相同路線。分組交換網絡的最常見形式是，以期望的網絡拓撲結構利用鏈路連接一組分組交換機裝置。當分組到達交換機時，分組交換機檢查分組頭部以確定目的地地址， 以及然後確定將分組放置在輸出光學鏈路的哪個波導上。分組交換機還包含各種緩衝器以提高總體性能，以及還包含其他存儲資源以及計算資源。通常，分組交換機僅僅是專用計算 直ο本發明的系統實施例致力於在電路交換網絡上實現分組交換網絡，以創建混合互連結構(fabric)，該混合互連結構具有分組交換的優點以及電路交換的重配置和低延時的益處。這些混合分組交換/電路交換網絡利用如下描述的分組和電路交換機的混合組合來實現。圖6A示出根據本發明的實施例配置的第一混合分組/電路交換機600的示意性表示。該混合交換機600包括光學耦合到電路交換機604的分組交換機602，該電路交換機 604又光學耦合到輸入和輸出光學鏈路606-611，如上參考圖1所描述的。如圖6A的示例中所示，輸入光學信號612和輸出光學信號614經由波導在分組交換機602與電路交換機 604之間傳輸。輸入光學信號在分組交換機602處經受光電(「0E」)轉換，以便每個分組中的信息能夠由分組交換機602緩衝、分析並路由到適當的目的地。一旦被路由，分組交換機 602使用電光(「E0」)轉換將信息轉換為輸出光學信號。輸出光學信號被發送到電路交換機 604以及輸出光學鏈路604-611的適當波導。可替換地，圖6B示出根據本發明的實施例配置的第二混合分組/電路交換機620 的示意性表示。混合交換機620幾乎與混合交換機600相同，但是分組交換機由計算機622 代替。計算機622從電路交換機604接收輸入光學信號，並發送輸出光學信號到電路交換機604。計算機622採用OE轉換將輸入光學信號轉換為電信號以供處理，並採用EO轉換將計算機622生成的電信號轉換為輸出光學信號，該輸出光學信號被發送到電路交換機604。 當計算機622發送信息時，其必須選擇輸出光學鏈路609-611的適當輸出波導。在某些實施例中，互連網絡能夠由混合分組/電路交換機構成，其中，許多分組交換機埠中的每個被連接到本地計算裝置。該本地計算裝置能夠是計算機、處理器、存儲器、傳感器或任何其他裝置。圖6C示出根據本發明的實施例的連接到本地計算裝置626的混合分組/電路交換機600。在此實施例中，分組交換機602被配置為確定分組是否去往本地計算裝置626或去往不同的交換機。當分組包括本地計算裝置626的地址時，分組交換機經由電或光學鏈路628傳遞分組，所述鏈路628將分組交換機602連接到本地計算裝置 626。當本地計算裝置626需要發送分組時，本地計算裝置626在電鏈路630上發送分組到分組交換機626。分組交換機602然後檢查分組中的目的地地址，以確定要使用哪個輸出波導614來將分組注入電路交換機604，其中，分組能夠經由光學鏈路609-611中的適當波導之一進行傳輸以到達目的地。III.實現交換機拓撲結構
為了簡潔起見，下面描述用於在具有16個交換機的環形和Clos網絡上實現網絡拓撲結構的方法實施例。這些交換機拓撲結構僅僅是採用本發明的方法能夠實現的很多不同類型的交換機拓撲結構的示例，並且絕不打算是窮舉性的。能夠採用本發明的方法的其他交換機拓撲結構的示例包括交叉式(croSS-bar)、X-網格、六面體(hex)網格以及立方體網格拓撲結構。網格也能夠具有纏繞或扭轉纏繞(twisted wrap)拓撲結構。其他拓撲結構包括弦環；各種多級網絡，諸如摺疊Clos、榕樹、肥樹；以及各種形式的超立方體，諸如k-元 η-立方體(k-ary n-cube)，其中k和η是整數。圖7示出根據本發明的實施例的用於在低基交換機的物理網絡上實現高基交換機的拓撲結構的方法中的許多步驟的流程圖。在步驟702，構造由經由一個或多個鏈路互連的光學交換機構成的物理網絡。每個交換機又能夠連接到任何數量的計算裝置，其是信息的源和/或目的地。在步驟704，基於構成物理交換機網絡的交換機和波導部件，然後設計交換機拓撲結構以用於在物理網絡中的交換機之間傳輸信息。交換機拓撲結構提供用於配置交換機以在物理網絡上的交換機之間傳輸信息的計劃。典型地，使用在接收最多業務的交換機之間具有最少跳數的交換機拓撲結構，來配置物理網絡。能夠在本發明的各種物理網絡上實現的交換機拓撲結構的示例包括環、弦環、網格、瘦樹(skinny tree)、Clos網絡或能夠使用物理網絡的可用交換機和波導實現的任何其他適合的交換機拓撲結構。在步驟 706，然後在物理網絡中配置交換機和波導以實現所選擇的交換機拓撲結構。在某些實施例中，光學交換機能夠被配置以實現分組交換、電路交換或分組和電路交換的組合。換句話說，根據如何傳輸信息，光學交換機能夠是電路交換機或混合分組/電路交換機。例如，如果使用分組來傳輸信息，則能夠利用混合分組/電路交換機來配置物理網絡，否則能夠使用電路交換機。另外，能夠利用這樣的交換機和波導來構造物理網絡，所述交換機和波導能夠被重配置以滿足變化的交換機拓撲結構，所述變化的交換機拓撲結構被選擇以滿足在物理網絡上的變化的業務模式的需求。A.環形物理網絡
圖8示出根據本發明的實施例配置的環形物理網絡800的示意性表示。物理網絡800 包括通過鏈路連接的16個光學交換機，其中，每個交換機用圓點來表示並由0-15的範圍內的數字來標識。例如，交換機0被分別經由鏈路802和804連接到交換機15和1。每個交換機又能夠被連接到許多不同節點(未示出)。如果使用分組經由物理網絡發送信息，則交換機0-15能夠是混合分組/電路交換機，以及交換機網絡800是在電路交換機網絡上實現的分組交換網絡。在其他實施例中，當不以分組發送信息時，交換機0-15能夠是電路交換機。接下來，能夠設計交換機拓撲結構以通過採用高基交換機來在給定交換機網絡的情況下具有最少數量的跳計數。所選擇的交換機的類型以及可用波導的數量限制了能夠在特定交換機網絡上實現的交換機拓撲結構的類型。典型地，能夠在具有高基交換機的物理網絡上實現更多樣的交換機拓撲結構。利用高基交換機配置的物理網絡相比採用相對較低基交換機的物理網絡一般可以被配置成具有更少的跳計數。例如，採用N個高基交換機的物理網絡典型地具有量級為Iog2(N)的跳計數。與之相對照的是，採用N個相對較低基交換機的類似物理網絡能夠具有量級為N的跳計數。為了示出選擇交換機拓撲結構如何能夠受到物理網絡的交 換機類型的限制，首先考慮用於網絡800的簡單單向環交換機拓撲結構，其中，網絡800中的交換機被假設成基為 2。圖9示出根據本發明的實施例的、能夠在物理網絡800上實現的交換機0-15的簡單單向環交換機拓撲結構900。在圖9中，單個波導由交換機之間的曲線段來表示，以及信息以由方向箭頭902表示的單向順時針方式傳輸。曲線段904表示連接交換機0和1的單個波導。交換機0-15是包括兩個輸入埠以及兩個輸出埠的基2交換機。例如，交換機0包括兩個輸入埠和兩個輸出埠。交換機O在第一輸入埠處在波導906中接收從交換機 15發送的光學信號，以及在由方向箭頭908表示的第二輸入埠中接收由節點(未示出)生成的光學信號。該節點能夠是計算機、電路或提供到另一環的橋的分組交換機。交換機0在波導904中通過第一輸出埠發送光學信號到交換機1，以及通過以下方式從物理網絡800 移除去往節點的光學信號經由通過第二輸出將這些光學信號發送到該節點，如由方向箭頭910表示的。 交換機拓撲結構900能夠在具有基2交換機0-15的網絡800上實現，所述基2交換機0-15經由單芯光學光纖或單芯光纖連接到其他交換機。為了使交換機0將信息傳輸到交換機2，信息首先被傳輸到交換機1。信息能夠以分組方式被攜載，所述分組包括標識目的地交換機2的頭部。交換機1將光學信號轉換為電信號，該電信號被電子連接的分組交換機讀取，所述分組交換機導引交換機1將編碼相同信息的電信號轉換為光學信號，並經由波導912將該光學信號傳輸到交換機2。將信息從交換機0送到交換機2所需的分組交換機路由器跳數為2。用於環交換機拓撲結構900的分組交換機路由器跳的最大數量是 15。通常，在由經由單個波導連接的N個基2交換機構成的環網絡上實現的環交換機拓撲結構具有N-I的最差情況跳計數，也稱為「交換直徑」。現在考慮能夠在物理網絡800上實現的高埠計數的、單向的、弦環交換機拓撲結構，其中，利用交換機0-15來實現網絡800，每個交換機是基5交換機。圖IOA示出根據本發明的實施例的配置為以單向方式將光學信號直接傳輸到交換機1、2、4和8以及將其傳輸到節點(未示出)的交換機0的輸出路徑。從交換機0到交換機1、2、4和8的每個分離傳輸在四個分離的波導1001-1004上以單跳實現。交換機0提取導向到節點的光學信號， 如由方向箭頭1005所表示的。圖IOB示出根據本發明的實施例配置的弦環交換機拓撲結構1010。通過在每個交換機處重複圖IOA中所示的用於交換機0的相同模式的輸入和輸出波導，來構造該弦環交換機拓撲結構1010。為了清楚起見，沒有示出通往連接到每個交換機的節點的波導。例如，檢查交換機拓撲結構1010揭示，交換機15被連接到波導1011-1014， 用於傳輸光學信號到交換機0、1、3和7。在交換機拓撲結構1010中的每個交換機以單跳從四個不同的交換機接收光學信號，提取目的為在連接到該交換機的節點處進行處理的光學信號，並以單跳傳輸光學信號到四個不同的交換機。結果，每個交換機具有用於基5的五個輸入埠和五個輸出埠。例如，圖11示出，基於圖IOB的弦環交換機拓撲結構，交換機0從交換機8、12、14和15在四個分離的波導上接收光學信號，在四個分離的波導上傳輸光學信號到交換機1、2、4和8，並在一個輸入波導和一個輸出波導上發送和接收來自節點的光學信號。由此，交換機0具有用於基5的五個輸入埠和五個輸出埠。下面的描述揭示如何能夠在物理網絡上實現交換機拓撲結構1010的高基交換機。如上所述，物理網絡800的交換機0-15能夠利用電路交換機300或混合分組/電路交換機600和620實現。基於交換機拓撲結構1010，必須確定每個交換機能夠被如何配置以提取去往連接到該交換機的節點的光學信號以及導引去往其他交換機的光學信號。圖12 示出根據本發明的實施例的專用於向交換機0和從交換機0傳輸光學信號的鏈路的波導。 方向箭頭1200表示光學信號在網絡上行進的方向。實曲線1201-1204表示專用於直接傳輸光學信號到交換機1、2、4和8的鏈路的分離波導，以及虛曲線1205-1208表示專用於從交換機8、12、14和15直接傳輸光學信號到交換機O的鏈路的分離波導。因此，需要鏈路的四個波導來向和從每個交換機傳輸光學信號。但是，對於所有16個交換機都是這種情況。 因此，交換機0-15中的每個交換機必須也被配置為允許不針對連接到交換機的節點的許多光學信號不受擾地通過。需要通過每個交換機的光學信號的數量能夠如下確定。圖13示出根據本發明的實施例的表示光學信號在交換機拓撲結構1010上採取的路徑的圖示並且能夠被用於配置圖8中所示的物理網絡800的每個交換機。在圖13中，平行於X軸1302延伸的17條平行線表示16個交換機，其中，在頂部和底部重複了交換機8。平行於y軸1304延伸的方向箭頭表示在由交換機拓撲結構1010揭示的交換機處開始和結束的光學信號的單向流。圖13 揭示，每個交換機需要被配置為使得11個光學信號不受擾地通過每個交換機。例如，基於交換機拓撲結構1010，方向箭頭1305-1308表示從交換機0發送到交換機1、2、4和8的光學信號，方向箭頭1309-1312表示從交換機8、12、14和15發送到交換機0的光學信號，以及方向箭頭1313-1324表示在它們去往其他交換機的路上通過交換機0的11個光學信號。 這11個光學信號能夠電路交換地通過交換機0。在交換機處終止或始發的光學信號被分組交換。交換機0-15能夠利用兩種不同類型的混合分組/電路交換機來實現。在一個實施例中，交換機0-15使用混合分組/電路交換機600或620來實現，其中，混合分組/電路交換機的電路交換機部分能夠使用如上參考圖6描述的基於MEMS鏡場的電路交換機300來實現。交換機0-15能夠配置為接收經由物理網絡800的鏈路傳輸的所有光學信號。換句話說，由於存在15個輸入波導和15個輸出波導，每個光學交換機具有至少15的基。每個交換機的鏡場中的鏡能夠如上參考圖3所述那樣定向，以讓11個波導攜載的光學信號不受擾地通過。但是，這些鏡能夠被定向為導引要被發送到節點的由4個波導攜載的光學信號進行分組交換。在第二實施例中，使用包括分組交換機的混合分組/電路交換機、結合無源地混洗由圍繞該分組交換機的11個波導所攜載的光學信號，來實現交換機0-15。換句話說，物理網絡800的每個交換機0-15是這樣的分組交換機其對在該分組交換機處終止的4個波導攜載的光學信號進行分組交換，而維持由剩餘11個波導攜載的光學信號不受擾。圖14 示出根據本發明的實施例的混合分組交換機/無源混洗網絡的截面圖和示意性表示。無源混洗通過將來自16芯光纖1406中的四個芯1401-1404接合(splice)到交換機0來構造。 每個芯中的編號表示在連續未中斷芯的另一端處連接的物理網絡800的交換機的編號。例如，芯1410提供用於將來自交換機13的光學信號傳輸到交換機5的連續未中斷連接。雖然所有芯在圖14中被示出為在交換機0處切斷，但在實踐中，由實方向箭頭連接的芯不切斷並表示通過交換機0的光學信號，以及虛線方向箭頭表示攜載去往以及來自交換機0的光學信號的接合的芯1401-1404。11個實方向箭頭對應於如上參考圖13所述的攜載通過交換機0的光學信號的11個波導1313-1324。例如，方向箭頭1412表示沿著將交換機13 連接到交換機5的芯1410的光學信號的不受擾傳輸，其對應於圖13中所示的波導1319。 虛線方向箭頭1414-1417表示從交換機15、14、12和8到交換機0的光學信號的傳輸，以及虛線箭頭1418-1421表示去往交換機1、2、4和8的光學信號的傳輸。交換機0被配置為分組交換機，以便提取去往節點1424的光纖1401-1404上傳輸的光學信號，並將由節點1424 生成的以供在其他節點處進行處理的光學信號放置到波導1401-1404中。注意，使用相同組的四個芯1401-1404來向和自交換機0發送光學信號。16芯光纖1406還包括額外未用芯，其能夠在其他芯之一發生故障的情況下使用或用於提供額外帶寬。例如，如果芯1403 不能支持在交換機0與交換機1之間的所有業務，則芯1422能夠被接合到交換機0並用於提供附加帶寬。B.摺疊Clos網絡 在替代實施例中，交換機網絡能夠由成行的交換機構成，其中，在給定行中的每個交換機被配置為傳輸信息到相鄰行中的任何交換機。圖15示出例示性高基交換機拓撲結構 1500。如在圖16的示例中所示，第一行中的交換機1501-1508中的每個具有8個波導，每個波導連接到第二行中的不同交換機。能夠在交換機1501-1508的行與交換機1509-1516 的行之間單向地或雙向地傳輸信息。這些高基交換機拓撲結構1600能夠被實現為「Clos網絡」。圖16示出根據本發明的實施例配置的例示性摺疊Clos網絡1600。Clos網絡1600由第一行8個交換機 1501-1508以及第二行8個交換機1509-1516構成。Clos網絡1600還包括四個中間混洗網絡1601-1604。混洗網絡1601-1604能夠使用無源網絡、電路交換機或混合分組/交換機來實現。每個交換機被經由4芯光纖連接到兩個不同的中間混洗網絡。例如，交換機1508 被經由4芯光纖1606連接到中間混洗網絡1602，並被經由4芯光纖1607連接到混洗網絡 1604。四芯光纖提供在物理網絡1600上實現Clos網絡1500所需的最小數量的芯。通過採用中間混洗網絡和4芯光纖，物理網絡1600在交換機之間延伸的光纖的數量是在利用交換機拓撲結構1600的情況下的1/4 (雖然光纖是多芯的)。因此，交換機網絡1500提供了其上能夠實現相對較高基交換機拓撲結構1500的較低基交換機網絡。MEMS交換機300能夠被用作混洗網絡1601-1604中的交換機。例如，在圖17中， 芯1701-1704能夠表示4芯光纖1601-1604中的一個的芯。鏡場302的微鏡1705-1708被定向為將從芯1701-1704輸出的光學信號導引到芯1709-1712，其中，每個芯1709-1712是 4芯光纖1605-1608之一中的芯。鏡場302的微鏡能夠被類似地定向以執行圖16中表示的剩餘光學互連。為了解釋的目的，前面的描述使用特定的術語來提供對於本發明的徹底理解。但是，對於本領域技術人員來說顯而易見的是，特定細節並非實現本發明所必需的。給出本發明的特定實施例的前面描述是為了說明和描述的目的。它們不意圖窮舉本發明或將本發明限於所公開的精確形式。顯然，鑑於上面的教導可以進行很多修改和變型。示出和描述實施例以最佳地解釋本發明的原理及其實際應用，從而使得本領域技術人員能夠最佳地利用本發明以及具有適合於考慮的特定用途的各種修改的各種實施例。本發明的範圍意圖由下面的權利要求及其等價物來限定。
權利要求
1.一種用於在物理低基交換機網絡上實現高基交換機拓撲結構的方法，所述方法包括構造所述物理網絡(702)，所述物理網絡包括經由鏈路連接的混合分組/電路交換機；設計能夠在所述物理網絡上實現的期望的交換機拓撲結構(704)；以及將所述混合分組/交換機配置成在所述物理網絡上實現所述交換機拓撲結構(706)， 其中所述混合分組/交換機被重配置。
2.根據權利要求1所述的方法，還包括配置所述混合分組/電路交換機以執行電路交換。
3.根據權利要求1所述的方法，還包括配置所述混合分組/電路交換機以執行分組交換。
4.根據權利要求1所述的方法，還包括配置所述混合分組/電路交換機以執行電路交換和分組交換的混合組合。
5.根據權利要求1所述的方法，其中所述混合分組/電路交換機還包括一個或多個基於微機電系統鏡場的電路交換機(300 )。
6.根據權利要求1所述的方法，其中所述鏈路還包括下述中的一種多芯光纖(200)；以及多芯光子晶體光纖(210)。
7.根據權利要求1所述的方法，其中配置所述交換機拓撲結構還包括在光纖的芯之間的光學信號的全光學傳輸中將多芯光纖的芯接合到其他多芯光纖的芯和交換機。
8.根據權利要求1所述的方法，其中配置所述交換機拓撲結構還包括在從進入光纖到外出光纖的光學信號的全光學傳輸中定向微機電系統微鏡交換機的鏡。
9.根據權利要求1所述的方法，其中配置所述混合分組/電路交換機還包括配置混合分組/電路交換機的每個以傳輸去往其他混合分組/電路交換機的光學信號。
10.根據權利要求1所述的方法，其中配置所述交換機拓撲結構還包括將交換機配置成具有量級為IogJN)的跳計數，其中N表示混合分組/電路交換機的數量以及r是所述混合分組/電路交換機的基。
11.一種混合分組/電路交換機，包括光學電路交換機(604)，所述光學電路交換機(604)被光學耦合到一個或多個輸入光學鏈路以及一個或多個輸出光學鏈路；以及分組交換裝置(602)，所述分組交換裝置(602)被光學耦合到所述光學電路交換機，其中所述分組交換裝置將在所述輸入光學鏈路上輸入到所述電路交換機的光學信號轉換為電信號，所述電信號被緩衝、分析、路由並轉換回光學信號，該轉換回的光學信號被發送到所述光學電路交換機並在所述輸出光學鏈路上輸出。
12.根據權利要求11所述的交換機，其中所述分組交換裝置還包括下述中的一種分組交換機；計算機(622)；以及與本地計算裝置(626)進行電氣通信的分組交換機。
13.根據權利要求11所述的交換機，其中所述電路交換機還包括基於微機電系統鏡場的電路交換機(300)。
14.根據權利要求11所述的交換機，其中所述光學鏈路還包括下述中的一種 多芯光纖(200)；以及光子晶體光纖(210)。
15.一種在電路交換機網絡上實現的分組交換網絡，其中所述網絡的交換機根據權利要求1進行配置。
全文摘要
本發明的實施例涉及在相對較低基物理網絡上實現高基交換機拓撲結構。在一個實施例中，該方法包括構造由經由一個或多個波導連接的一個或多個光學交換機構成的物理網絡(702)。然後，設計期望的交換機拓撲結構(704)用於在物理網絡上實現。然後，通過將光學交換機和波導配置(706)為在物理網絡上實現交換機拓撲結構，來將該交換機拓撲結構疊置在交換機網絡上。光學交換機能夠在經由物理網絡進行傳輸之後被重配置以及能夠被配置為實現電路交換或分組交換。
文檔編號H04B10/28GK102177668SQ200880131474
公開日2011年9月7日 申請日期2008年8月8日 優先權日2008年8月8日
發明者A·L·戴維斯, M·麥克拉倫, N·L·賓克特 申請人:惠普開發有限公司