采用PIC交换机的可扩展光分组结构的装置与方法

摘要

各实施例提供了采用光子集成电路交换机的可扩展光分组交织结构。所述结构采用可以以集中式和分布式结合方式设置的紧凑型硅光子电路。在一实施例中，光交换机结构包括：多个基于光子的核心交换机和多个与所述基于光子的核心交换机以及多组架顶式交换机TORs光学耦合的光子接口单元PIUs。每个PIU包括与所述多组TORs中与该PIU相关联的一组TORs光学耦合的NxN硅光子交换机SiP，其中N是每组中TORs的数量。所述PIU还包括多个与该PIU相关联的该组TORs以及与所述基于光子的核心交换机耦合的1xP SiP交换机，其中P是所述基于光子的核心交换机的数量。

说明书

本申请要求由Hamid Mehrvar等人于2014年4月25日提交的申请号为61/984,571、发明名称为“采用较小PIC交换机的可扩展光分组交织结构和方法”的美国临时申请的权益，其全部内容通过引用结合于此。

技术领域

本发明涉及光通信，并且在具体实施例中，涉及采用光子集成电路(PIC)交换机的可扩展光分组结构的装置与方法。

背景技术

数据中心流量的增加拉伸了电子分组交换的上限容量。光交换是潜在的一种解决方案。但是，单独的光交换机通常尺寸较小。另一方面，实际的核心交换机可能需要设计数十兆兆位(Tb)的吞吐量。如果要部署光子核心交换机，它们应符合这种容量。目前，可以建立在硅光子电路中的交换机为4x4和8x8。考虑到接口速率为100Gbps(千兆位/秒)，吞吐量为0.8Tbps(兆兆位/秒)，容量可能不足。针对这种容量部署，核心交换机容量应扩展到几十兆兆位。因此，硅光子交换机应该扩展到50Tbps或更高，以比得上其电子对应物。为满足这种要求，需要改进的具有光子集成电路(PIC)交换机的可扩展光分组结构。

发明内容

根据一实施例，一种用于光分组交换的光交换机包括：NxN硅光子(SiP)交换机，提供N对N接口之间的连接，其中N是整数；和多个1xP SiP交换机，提供1对P接口之间的连接，其中P是整数。所述NxN SiP交换机将N个架顶式交换机(TORs)中的每个彼此连接，并且每个1xP SiP交换机将P个基于光子的核心交换机与N个TORs连接。每个基于光子的核心交换机与包括所述光交换机的G个类似的光交换机连接，其中G是整数。

根据另一实施例，一种用于光分组交换的光交换机包括：NxN硅光子(SiP)交换机，提供N对N接口之间的连接，其中N是整数；和NxP SiP交换机，提供N对P接口之间的连接，其中P是整数。所述NxN SiP交换机将N个架顶式交换机(TORs)中的每个彼此连接，并且所述NxP SiP交换机将P个基于光子的核心交换机与N个TORs连接。所述N个TORs中的每个均通过M个接口连接到M个NxP SiP交换机，其中M是整数。

根据另一实施例，一种用于光分组交换的光交换机包括：NxN硅光子(SiP)交换机，提供N对N接口之间的连接，其中N是整数；和N个MxP SiP交换机，其中每个提供M对P接口之间的连接，其中P和M是整数。所述NxN SiP交换机将N个架顶式交换机(TORs)中的每个彼此连接，并且所述N个MxP SiP交换机将P个基于光子的核心交换机与N个TORs连接。

根据又一实施例，一种操作具有PIC交换机的光交换机结构的方法，包括：在PIU从TOR接收光分组；判断所述光分组是否具有与所述PIU直接耦合的目的地TOR。所述方法还包括执行下述发送步骤之一：一旦确定所述目的地TOR与所述PIU直接耦合，就通过所述PIU的NxN硅光子(SiP)交换机向所述目的地TOR发送所述光分组。一旦确定所述目的地TOR与所述PIU直接耦合，就通过所述PIU的1xP SiP交换机向与所述目的地TOR耦合的基于光子的核心交换机发送所述光分组，其中N和P的值为整数。

为了可以更好地理解本发明的以下详细描述，前述内容已相当广泛地概述了本发明实施例的特征。以下将对本发明实施例的附加特征和优点进行描述，其形成本发明权利要求的主题。本领域技术人员应理解所公开的概念和具体实施例可以轻而易举地用作修改或设计其它结构或过程的基础，以便执行本发明的相同目的。本领域技术人员还应认识到，这种等效构造并不脱离所附权利要求中阐述的本发明的精神和范围。

附图说明

为了更完整地理解本发明及其优点，现结合附图参考以下描述，其中：

图1A和图1B示出了采用PIC交换机的光分组交织结构的实施例；

图2示出了具有环型总线或环型的光分组交织结构的另一实施例；

图3示出了采用环型交换机的光分组交织结构的另一实施例；

图4示出了采用NxN硅光子交换机的光分组交织结构的另一实施例；

图5示出了可以与GxN TOR连接的G_NxG_N交换机结构的实施例；

图6示出了环型交换机结构的最大遍历距离；

图7示出了环型交换机结构的空间复用；

图8示出了采用MxP PIC交换机的光分组交织结构的构件的实施例；

图9示出了采用PIC交换机的光分组交织结构的集中式控制架构的实施例；

图10示出了采用PIC交换机的光分组交织结构的分布式控制架构的实施例；以及

图11示出了采用PIC交换机的光分组结构的操作方法的实施例。

除非另有说明，相应的数字和符号在不同附图中通常指代相应的部件。绘制附图以清楚说明各实施例的相关方面，并不一定按比例进行绘制。

具体实施方式

以下对当前优选实施例的形成和使用进行详细讨论。然而，应当理解，本发明提供可以在多种特定背景下体现的许多适用性发明构思。所讨论的具体实施例仅用于说明形成和使用本发明的具体方式，并不限制本发明的范围。

本文中提供的系统和方法实施例用于采用可扩展光分组交织结构的交换机，其中可扩展光分组交织结构采用光子集成电路(PIC)交换机。所述结构采用可以以集中式和分布式结合方式设置的尺寸紧凑的硅光子电路或芯片。所述结构包括包含硅光子(SiP)交换机的光子接口单元(PIU)，其提供内连接给架顶式交换机，也称为架顶交换机(TORs)，并且还包括TORs和核心SiP交换机之间的光子交换机接口。在各实施例中，核心SiP交换机可以实现PIUs的互连性。在一实施例中，所述核心SiP包括多个按照下面描述的方式设置的高速SiP环型总线，也称为环。在另一实施例中，所述核心SiP交换机是通过PIUs连接到所有NxG TORs的多个G_NxG_N>

图1A和图1B示出了根据一实施例的采用PIC交换机的光分组交织结构100的架构。所述交织结构100包括与多个PIUs 105耦合的核心光子交换机120。每个PIU 105可以与一组TORs 110耦合，在此也称为超级TORs。TORs 110也与多个数据服务器或服务器群耦合。在各实施例中，核心光子交换机120为可以基于各种合适架构的SiP结构。例如，核心光子交换机120可包括使PIUs 105相互连接的一个或多个成对的高速环型总线(环)。可选地，核心光子交换机120是使PIUs 105相互连接的小型G_NxG_N>

为了理解图2所示多种可能用途之一，以下将进行更充分的详细描述，现在对多个数据中心到多站点数据中心的连接进行描述。在第一数据中心，一系列服务器与架顶式(TOR)交换机连接。这些TORs很大程度上位于同一位置，并且可以认为是位于同一位置。出于这种讨论的目的，在第一数据中心存在N个TORs。交换系统将连接G个不同的数据中心(其中每个可以具有不同数量的TORs)。为了连接到交换系统，PIU向所述N个TORs中的每个提供连接。所述N个TORs中的每个都具有M个接口。该PIU将具有向核心交换机结构提供交换功能的能力，该交换功能使M个TOR接口连接。在图2所示示例中，核心交换机结构具有P层，因此需要可以利用M个1xP交换机来实现的MxP交换功能。该MxP交换功能提供与核心交换机的连接，使得能够与连接其它数据中心(以下也称为超级TORs)的其它PIUs连接。PIU还可以提供NxN交换功能，使得数据包从一个TOR路由到同一站点的另一个TOR。核心交换功能使得G个超级TORs通过G个PIUs连接。这可以通过采用使各个所述G个数据中心连接的多个环来进行提供，如图2所示。如下所述，采用两个不同方向的交换环可以是一种可能的实现方式。

图2示出了采用PIC交换机的光分组交织结构200的实施例。在这种结构中，交织结构200的核心光子交换机包括多个顺时针环型交换机结构220和多个逆时针环型交换机结构221。两个环型交换机结构通过G个PIUs 205(G为整数)与G组相应的超级TORs 210连接。每组超级TORs 210包括与一个相应PIU 205连接的N个超级TORs(N为整数)。(N个超级TORs的组中)每个超级TOR 210为一组可以与数据服务器连接的单独TORs。具体地，每个PIU 205包括使对应于该PIU 205的所述N个超级TORs 210中的每个内连接的NxN SiP芯片206。所述NxN SiP芯片206将每个所述超级TORs 210与同一组N个TORs 210中的每个其它超级TORs 210光学连接，从而提供NxN光学连接。PIU 205还包括多个将N个超级TORs 210与所述两个环型交换机结构光学连接的1xP SiP交换机207。N个超级TORs 210的组中每个超级TOR 210具有M个接口，并且每个接口将一个1xP SiP交换机207(M为整数)用到多个顺时针环型交换机结构220和逆时针环型交换机结构221。每个1xP SiP交换机207将超级TOR 210与P个环型交换机结构220或P个环型交换机结构221连接。

可以使每个所述顺时针环型交换机结构220与相应的逆时针环型交换机结构221配对。这样，每个顺时针环型交换机结构220及其配对的逆时针环型交换机结构221通过每个PIU 205中的各个lxP SiP交换机207连接到超级TOR 210。每个顺时针环型交换机结构220包括与G个相应的PIUs 205连接并分布在圆形光子路径(波导或光纤)上的G个端口(本文中也称为节点)，所述光子路径以顺时针方向在端口或节点之间循环数据。每个逆时针环型交换机结构221也包括与G个相应的PIUs 205连接的G个端口。逆时针环型交换机结构221的端口分布在圆形光子路径上，所述光子路径以逆时针方向在端口之间循环数据。多组环型交换机结构220和221中的每个包括如下所述的P个类似环型交换机结构。

交织结构200的设计和实施复杂性决定了N和M的合适或最优选择。MxP环型交换机结构随M个TOR接口一起使用。因此，环型交换机结构包括(MxP)/2个顺时针环型交换机结构220和(MxP)/2个逆时针环型交换机结构221。这样，对于N＝8，M＝8，P＝8和G＝8，其中所述M个接口中的每个均工作在100Gbps，则结构容量为2x(MxPxG)＝102兆兆位/秒(Tb/s)。输入/输出(I/O)容量为2x(M接口/TOR)x(N TOR/PIU)x(G PIU)x100Gbps/接口＝MxNxGx100G＝102Tb/s。增加数量P允许比接口容量更多的交换容量，这有助于通过为争用连接采用不同的交换机核心来处理争用。对于硅光子实现方式，每个环具有G个2x2交换机元件(单元)。这种交换机单元的实施例示例为马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder Interferometer)。为了分离出环上的串扰，环的每个2x2交换机单元可以以级联的1x2和2x1交换机单元来实现。假设最大遍历半个环，则计算出交换机元件(单元)(其中，一个超级TOR与另一超级TOR相连接)的最大总数为logP+logN+2*(G/2)+logN+logP＝20个交换机单元。假设每个交换单元的插入损耗为0.6分贝(dB)，则交换机插入损耗为20x0.6＝12分贝。得出耦合损耗为2.5分贝(光纤进)+2.5分贝(光纤出)＝5分贝。计算出链路损耗为交换机插入+5分贝耦合损耗＝17分贝。得出激光束到接收器的损耗为3分贝的插接线损耗与链路损耗之和，其为20分贝。

在另一实施例中，PIUs 205包括MxP交换机，而不是M个1xP交换机207。在这种情况下，所述MxP交换机将超级TOR的M个接口与P个交换机连接。PIU中MxP交换机的总数为N。

在另一实施例中，PIUs 205包括NxP交换机，而不是1xP交换机207。在这种情况下，如果超级TOR具有M个接口，则需要M个NxP SiP交换机，其中，每个NxP SiP交换机与所有TORs上的M个接口之一连接。

图3示出了采用环型交换机的光分组交织结构300的另一实施例。该图示出了G个PIUs 305和SiP环型交换机结构320之间的连通性。交织结构300可以包括与G个PIUs 305连接的多个类似环型交换机结构。每个PIU 305与多个相应的TORs 310连接。在这个例子中，每个PIU 305通过该PIU 305中的8x8SiP芯片306使8个TORs 310内连接。每个PIU 305还通过该PIU 305中的多个1xP SiP交换机307与一对端口或节点327连接。每个1xP SiP交换机307连接到一个节点327作为输入，连接到另一节点327作为输出。输入/输出节点对327通过环型交换机结构320中的相应2x2交换机328与圆形光路对329连接。该圆形光路对329可以是光纤或芯片上的波导。该圆形光路对329通过相应2x2交换机328与多对节点327交叉连接。节点327可以共享圆形光路对329以进行并行通信，光信号通过一个方向(顺时针或逆时针)上的路径进行传输。多对节点327连接到各组TOR 310。在一示例中，对于G＝10和N＝8，环型交换机结构320包括10对节点327，其对应于交换机结构周围代表10个PIUs 305的1x8交换机和8x1交换机。PIU 305包括多个1xP SiP交换机307。1xP交换机307的数量为MxN，其中，N为超级TORs的数量，M为每个超级TOR上的接口数量。如图所示，(节点对327中的)8x1芯片可以是三级级联的1x2 SiP芯片。2x2芯片328可以是一对1x2和2x1 SiP芯片。8x8 SiP芯片306可以设置成低串扰交换机结构，例如路由和选择结构、其等效扩展榕树(Dilated Banyan)结构或其增强版本，例如增强的扩展榕树(EDB)。其它选择包括采用扩展贝奈斯(Dilated Benes)或带有EDB的混合扩展贝奈斯(Hybrid Dilated Benes with EDB，HDBE)。在其它实施例中，上述交换机可以是具有合适设计的任何光子电路或芯片。

图4示出了采用G_NxG_N>NxG_N交换机结构420。其通过G个PIUs>NxG_N交换机结构420光学连接的多个1xP交换机407。N个超级TORs410的组中的每个超级TOR>NxG_N交换机结构420连接。每个1xP交换机407将超级TOR>NxG_N交换机结构420连接。在另一实施例中，PIU可以采用多个MxP>

交织结构400的设计和实施复杂性决定了N和M的合适或最优选择。MxP核心G_NxG_N交换机结构随M个TOR接口一起使用。每个核心G_NxG_N交换机结构本质上是GxG，其具有NxG个输入和NxG个输出。这种连通性通过G_NxG_N交换机致使G个PIUs>NxG_N交换机结构包括多组MxP核心G_NxG_N交换机结构420。这样，对于速率为100Gbps，N＝8，M＝8，P＝8和G＝8，结构容量为2x(MxPx交换机容量)＝2xMxPx0.8Tb/s＝102Tb/s。I/O容量为(M接口/TOR)x(N>

在另一实施例中，可以将元件数量设置为N＝16，P＝16，G＝16和M＝16或者设置为N＝32，P＝32，G＝16和M＝4。这样，结构容量为2x(MxPx交换机容量)＝2x(8x16x(16x100G))＝408Tb/s。I/O容量为2x(M接口/TOR)x(N TOR/PIU)x(G PIU)x100Gbps I/O＝2x(MxNxGx100G)＝408Tb/s。计算出全部的单元/路径为logP+logN+(2logG+2)+logN+logP＝26个单元。因而交换机插入损耗为26x0.6＝15.6分贝。得出耦合损耗为2.5分贝(光纤进)+2.5分贝(光纤出)＝5分贝。得出激光束到接收器的损耗为3分贝的插接线损耗和链路损耗之和，其为23.6分贝。

图5示出了可以用于上述光分组结构实施例中的G_NxG_N交换机结构500的实施例。例如，多个G_NxG_N交换机结构500可以形成核心交换机结构420。G_NxG_N交换机结构500是具有GxN个输入和GxN个输出的GxG交换机510。G个输入中的每个通过Nx1(扇入)交换机连接到N个TORs，并且G个输出中的每个通过1xN(扇出)交换机连接到N个TORs。GxG交换机510结构的实施例示例为带有EDB的混合扩张贝奈斯(Hybrid>

上述实施例提供了采用硅光子技术实现的无缓冲空间的交换机。本实施例的结构采用紧凑型或小型的SiP芯片，而不依赖于阵列波导光栅(AWGs)和光-电-光(OEO)转换。因此，本文中给出的结构与其它交换机结构架构相比具有较低功耗、较小占用空间和重量。例如，芯片在光子交换卡中可以进行垂直和/或水平设置并排列。PIUs与核心交换机结构可以通过光子波导或光纤以各种实现方式进行连接，例如，在单个卡或芯片上或者在多个互连的卡或芯片上。此外，本文中的结构可以利用小型SiP芯片扩展到多达数千万亿位/秒，例如通过在设计中堆叠大量芯片得以实现。相较于速率为28G和56G的电子域串行器/解串器(SerDes)设备，可以实现100G、200G、400G的较高速率。

图6示出了环型交换机结构，例如顺时针环型交换机结构220和逆时针环型交换机结构221的最大遍历距离。假设环型交换机结构中存在N个节点，由于存在两组成对的环(顺时针和逆时针)，一个交换实例中遍历的最大节点为N/2-1＝3。例如，节点1至6、7或8的流量采用逆时针环，节点1至2、3、4或5的流量采用顺时针环。采用许多顺时针和许多逆时针环(P＞＝4)使得能够在合适算法的帮助下最大化地进行空间复用，并且通过将PIU与其它节点连接，使得遍历距离变为N/4-1＝1。因此，吞吐量变得与容量相等。

图7示出了环型光子交换机结构中的空间复用。交换机存在一个接口，但是，任何或所有6个节点可以同时发送到其它节点。例如，节点1发送到节点2，节点2发送到节点3，节点3发送到节点4，节点4发送到节点5，节点6发送到节点1。为了通过采用空间复用使吞吐量最大化，使用一种环形分配算法来判断哪个环将数据从源TOR向目的地TOR发送。所述环型分配算法考虑两个主要因素：公平性和吞吐量最大化。所述环型分配算法可以为交换机控制器调度方案的一部分，以优化选择从源TOR到目的地TOR的较佳路径。

图8示出了采用PIC交换机的光分组交织结构的构件的实施例。每个TOR或超级TOR 810(TORs集)具有(通过PIU的1xP交换机807)连接到核心光子交换机结构820的M个接口。对于M＝N＝P＝G＝8(其中，N是每个PIU中TORs的数量，M是每个TOR的接口数量，G是交换机的尺寸，P是PIUs的数量)，每个PIU的容量为NxMx100G＝6.4Tb。对于8个PIUs，容量变为8x6.4＝51.2Tb。MxP＝64的交换机平面的吞吐量为64x0.8Tb＝51.2Tb。

图9示出了采用PIC交换机的光分组交织结构的集中式控制架构900的的实施例。在该架构900中，TOR 910(或超级TOR)可以使用核心交换机结构920之一向任何TOR 910发送数据。核心交换机结构920可以为NxN交换机结构(如图所示)或环型交换机结构。中央控制器930向任何可用交换机结构920上的每个TOR 910分配时隙。在每个时隙中发送数据包或包装(即许多数据包的集合)。例如，在环型交换机结构的例子中，时隙分配可以基于源和目的地之间的距离以使空间复用最大化。中央控制器930可以与PIU 905相关联的PIU控制器915并与核心交换机结构920相关联的交换机控制器921进行通信。PIU控制器915可以与中央控制器930进行请求、授权和同步信息通信，以交换来自/传输至TORs 910的数据。中央控制器930还可以与交换机控制器921进行通信，以确定核心交换机结构920中的数据交换。TORs 910之间交换的数据路径与控制器之间的通信分开。也可以通过使所有输入数据传输同步来实现更简单的控制。控制器可以是连接到其各自交换机元件或者同交换机元件一起嵌入同一芯片中的任何合适的处理芯片(例如，CPUs)。

集中式控制架构900的功能包括两层控制：主层(由中央控制器930)和本地层(由PIU控制器915和交换机控制器921)。集中式控制器930提供交换同步和争用调度。集中式控制器930为每个时隙发送同步脉冲，并在每个时隙的开始处理来自TORs 910的传输请求。请求可以在带外(不同于数据带的频带)。来自每个TOR 910的请求为针对队首数据包(或包装)的TOR的目的地址。集中式控制器930为下一时隙分配各交换机上的时隙，然后(例如，在时隙中间)向TOR发送授权。因此，硅光子芯片交换机的连接映射用于下一时隙。

PIU控制器915的功能包括形成包装或光子帧。PIU控制器915决定组内或组间连接。如果是组间连接的话，PIU控制器915利用电子设备存储帧。PIU控制器915在每个时隙的开始发送带外(数据频带外的)请求，并监测授权是否已经在时隙的中间从中央控制器930到达。如果授权存在，则PIU控制器915从队列中对帧进行移除并将该帧转换成光子帧以便用于下一时隙的传输。如果没有接收到授权，则PIU控制器915重新发送请求。如果是组内连接的话，PIU控制器915通过PIU中本地的8x8SiP交换机将帧发送到目的地TOR。

图10示出了采用PIC交换机的光分组交织结构的分布式控制架构1000的实施例。在该架构1000中，TOR 1010(或超级TOR)可以利用任何核心交换机结构1020向任何TOR 1010发送数据。核心交换机结构可以为NxN交换机结构(如图所示)或环型交换机结构。主控制器1030与PIUs 1005相关联的PIU控制器1015以及与核心交换机结构1020相关联的交换机控制器1021进行通信，以给任何可用交换机结构1020上的每个TOR 1010协同分配时隙。在每个时隙中发送数据包或包装。例如，在环型交换机结构的例子中，时隙分配可以基于源和目的地之间的距离使空间复用最大化。各控制器彼此之间也进行请求、授权和同步信息通信，以通过核心交换机结构1020交换来自/传输至TORs 1010的数据。主控制器1030的功能是协调其它控制器之间的这种通信。PIU控制器1015和交换机控制器1021通过直接通信和/或通过主控制器1030做出各种彼此间协作所需要的交换决定和请求。控制器可以是连接到其各自交换机元件或者同交换机元件一起嵌入同一芯片中的任何合适的处理芯片(例如，CPUs)。

图11示出了采用PICs交换机的光分组结构架构的操作方法的实施例。在步骤1110中，PIU从与该PIU直接光学耦合的源TOR或TORs组(超级TOR)中接收光信号形式的数据(例如，数据包)。在步骤1120中，(例如，由控制器)作出是否向与该PIU直接耦合的目的地TOR(或超级TOR)发送数据这一决定。如果数据是用于与该PIOU直接耦合的目的地TOR，则在步骤1130中，该数据通过PIU中的本地NxN SiP交换机交换或导向到目的地TOR。所述本地NxN SiP交换机耦合到源和目的地TORs。可选地，如果目的地TOR不与PIU直接耦合，则在步骤1140中，该数据或数据包通过PIU中的本地1xP或NxP SiP交换机发送到与PIU光学耦合的核心交换机结构(例如，环型交换机结构或G_NxG_N交换机结构)。具体地，一旦确定核心交换机结构与第二PIU光学耦合，就选择该核心交换机结构，其中第二PIU进而又与目的地TOR直接耦合。在步骤1150中，第二PIU通过第二PIU中的本地1xP或NxP>

虽然本公开内容中提供了几个实施例，但是应当理解，所公开的系统和方法在不脱离本公开内容的精神或范围的前提下可以体现为许多其它具体形式。本发明实施例应被认为是说明性而不是限制性的，其意图并不限于本文中所给出的细节。例如，可以将各种元件或组件组合或集成在另一系统中，或者可以忽略或不实施某些特征。

此外，在不脱离本公开内容范围的前提下，可以将各实施例中描述并示意为分离或单独的技术、系统、子系统和方法与其它系统、模块、技术或方法进行组合或结合。所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口、装置或中间单元的间接耦合或通信连接，可以是电气、机械或其它的形式。在不脱离本文中所公开的精神和范围的前提下，本领域技术人员可以确定改变、替换和修改的其它实施例。