基于AWGR的動態(tài)光網(wǎng)絡(luò)及拓撲映射

范修宏，臧大偉，程 東

(1.中國科學院 西安光學精密機械研究所，陜西 西安 710119；2.中國科學院 計算技術(shù)研究所，北京 100190)

0 引 言

現(xiàn)在的數(shù)據(jù)中心廣泛使用虛擬化技術(shù)，為了高效利用數(shù)據(jù)中心的物理資源，需要將盡可能多的虛擬拓撲映射到數(shù)據(jù)中心物理服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)鏈路上運行。然而，由于資源量及映射算法的不足，經(jīng)常會發(fā)生虛擬拓撲映射失敗的問題，據(jù)統(tǒng)計有99%的不成功映射是由于虛擬鏈路無法映射引起[1]。當前數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)缺乏彈性，是導致虛擬鏈路無法有效映射的主要原因，造成了數(shù)據(jù)中心硬件資源的極大浪費。光交換技術(shù)具有很強的靈活性和極低的能耗[2]，非常適合用來增強數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的彈性。

基于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與映射算法協(xié)同設(shè)計的思路，本文提出了一種基于AWGR器件的光電混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和面向此彈性網(wǎng)絡(luò)的虛擬拓撲映射算法。主要創(chuàng)新點在于，利用靈活可變的光域網(wǎng)絡(luò)，通過改變波長調(diào)整網(wǎng)絡(luò)之間的連接關(guān)系，重新分配鏈路的資源，從而提高數(shù)據(jù)中心的資源利用率和能效。模擬評測結(jié)果顯示，該方法可以極大提高數(shù)據(jù)中心的資源利用率和收益。

1 相關(guān)研究

在光電混合數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)研究方面，當前大量的研究試圖結(jié)合高帶寬的光域交換技術(shù)和高靈活性的電域交換技術(shù)，如c-Through,Helios,DOS,Proteus[3-5],Petabit Optical Switch[6]等經(jīng)典的光電混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。c-Through是一種基于慢速MEMS交換機的光電混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，它在電域樹形網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上增加一個光域交換機，每一個機柜中的柜頂交換機同時連接到電域網(wǎng)絡(luò)和光域網(wǎng)絡(luò)，大流量的網(wǎng)絡(luò)流在兩個機柜之間的光鏈路上傳輸。在運行過程中，流量監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)任意兩個機柜之間的帶寬需求，形成一個帶寬需求矩陣；為了提高光鏈路的帶寬利用率，光線路的配置轉(zhuǎn)變成一個最大權(quán)值的完美匹配問題，使用Edmonds算法來求解匹配結(jié)果，并配置MEMS光交換機，重構(gòu)光網(wǎng)絡(luò)的連接關(guān)系，然后使用基于VLAN的路由方法將ToR中的流量分配給電域網(wǎng)絡(luò)和光域網(wǎng)絡(luò)。但是，該結(jié)構(gòu)使用的MEMS交換機，配置延遲達到秒級，只適合處理持續(xù)時間達到數(shù)秒鐘的網(wǎng)絡(luò)流，而不能加速持續(xù)時間較短的網(wǎng)絡(luò)流。

如何利用光電混合網(wǎng)絡(luò)的靈活性，高效、動態(tài)地將用戶需求映射到物理拓撲是另外一個核心問題，可以分為在線映射算法和離線映射算法兩種。在線映射算法[7]為隨機到達的虛擬網(wǎng)絡(luò)請求給予資源分配，當虛擬網(wǎng)絡(luò)拓撲運行結(jié)束后，其自動將資源回收。離線映射算法已知虛擬拓撲映射請求的一些詳細時間，對一段時間內(nèi)收集到的虛擬拓撲請求進行集中的處理，由于虛擬拓撲一般需要長時間運行，本文所提出的方法為離線映射算法。按照虛擬拓撲映射計算方式的不同，映射算法分成集中式映射[8]與分布式映射[9]。集中式算法會在一個或幾個中心點上計算映射方式，由中心點負責資源的分配；而分布式算法將計算任務(wù)分配到若干的節(jié)點，由若干的節(jié)點共同來完成資源分配和拓撲映射。按照虛擬節(jié)點與鏈路處理的處理順序不同，將映射算法分為一階段映射[10]和二階段映射[11]。一階段算法同時映射虛擬節(jié)點和虛擬鏈路;而二階段映射算法通常先進行節(jié)點的映射、后進行鏈路的映射，本文提出的算法是一種二階段的映射算法。當前的研究主要在電域網(wǎng)絡(luò)上來進行拓撲的映射，例如文獻[12]提出了一種二階段的虛擬拓撲映射方法，在虛擬節(jié)點映射階段，采用貪婪算法將資源約束高的虛擬節(jié)點優(yōu)先映射到資源量大的物理節(jié)點，同時使用路徑分割的算法VNE-Splitting，將同一條網(wǎng)絡(luò)流分散到多條路徑上運行。這種方法提高了映射的成功率但需要特殊的硬件支持，并會產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)包亂序的問題。文獻[10]提出了一種一階段的虛擬拓撲映射算法，它將問題歸約為一個SID(subgraph isomorphism detection)問題[13]，并提出了一個啟發(fā)式的算法來尋找Isomorphism圖，該方法可以取得很好的收益，但是仍然是針對純電域網(wǎng)絡(luò)。

同時也有研究試圖在光域中映射虛擬拓撲，例如文獻[14]。但是它們通過波長的分配來動態(tài)變化鏈路的帶寬，而不會通過橋接光鏈路來降低網(wǎng)絡(luò)直徑，并不能有效增加數(shù)據(jù)中心的收益。

綜上所述，當前的研究中并未將光域橋接網(wǎng)絡(luò)用于虛擬拓撲映射的研究中，本文具有前瞻性和創(chuàng)新性。

2 數(shù)據(jù)中心資源形式化

在數(shù)據(jù)中心運行過程中，每個虛擬拓撲請求不僅包含如計算能力、放置位置等節(jié)點資源約束，還包含帶寬、延遲等鏈路資源約束。所映射到數(shù)據(jù)中心中的虛擬拓撲，可以共享相同的底層節(jié)點的計算資源和鏈路資源，而不能采用獨占模式。本節(jié)中給出虛擬網(wǎng)絡(luò)映射問題的形式化描述，并給出該問題一些評價指標。

假設(shè)每一個虛擬拓撲映射請求中只包含一個虛擬拓撲，因此可以用三元組V(i)(Gv,ta,td) 表示第i個虛擬網(wǎng)絡(luò)請求，其中Gv表示此請求包含的虛擬拓撲。當ta時刻，虛擬拓撲請求到達時，數(shù)據(jù)中心需要為此虛擬網(wǎng)絡(luò)分配滿足節(jié)點和鏈路資源約束的物理資源，在虛擬網(wǎng)絡(luò)運行持續(xù)td時間后，虛擬網(wǎng)絡(luò)運行完成，其占用的相應(yīng)資源被釋放。如果請求到來時，沒有足夠的資源分配，則將該請求放在等待隊列中，或直接拒絕映射。

3 基于AWGR的光電混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

光電混合網(wǎng)絡(luò)充分利用靈活可變的光域網(wǎng)絡(luò)，從物理鏈路層改變數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的拓撲架構(gòu)，從而可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的靈活調(diào)度和分配。本文所基于的數(shù)據(jù)中心物理網(wǎng)絡(luò)包括兩部分，分別為固定拓撲的電域網(wǎng)絡(luò)和動態(tài)可變的光域網(wǎng)絡(luò)。固定拓撲的電域網(wǎng)絡(luò)可以采用任意的拓撲結(jié)構(gòu)如Fat-tree,Torus，Mesh等，同時電域網(wǎng)絡(luò)根據(jù)自己的拓撲結(jié)構(gòu)均勻的分成若干的區(qū)塊，例如在樹形拓撲結(jié)構(gòu)中，每一個機柜就是一個區(qū)塊，區(qū)塊的數(shù)量與所采用的光交換機的端口數(shù)相等。在每一個區(qū)塊中選擇一個具有最大通信能力的物理位置作為光域網(wǎng)絡(luò)的連接點，例如在樹形拓撲中的連接點就是ToR(top of rack)交換機的上行端口，而在Torus拓撲中，可以是區(qū)塊中任意得到一個點，如圖1所示。

圖1 動態(tài)光電混合網(wǎng)絡(luò)實例

在該結(jié)構(gòu)中使用了多種光器件：首先是TWC(tunable wavelength converters)可調(diào)波長光調(diào)制器，它將輸入的光信號變換成給定波長輸出；目前的160 Gbps的波長轉(zhuǎn)換帶寬[15]的TWC已經(jīng)商用，其重構(gòu)時間只有十幾個納秒。其次是AWGR(arrayed-waveguide grating router)光波長路由器，它根據(jù)光的波長進行路由，允許不同輸入端口的光線路由至同一輸出端口；由端口i輸入的波長為w的信號將被路由 [(i+w-2)modN]+1 端口，其中N是端口數(shù)；基于這種特性，同一輸出端口可以接收不同波長的多個光信號，并復用在一條光纖上輸出，而不發(fā)生網(wǎng)絡(luò)競爭，當前高維度的512端口的AWGR器件技術(shù)已經(jīng)成熟。最后是用于接收端光電轉(zhuǎn)換的OCA(optical channel adapter)器件，在接收端它會將光信號變成電信號；OCA器件有一個1：N的多路解復用器，可以將光纖中混合光信號分離成多束單波長的光信號，并由后端的接收陣列將這N個光信號轉(zhuǎn)換為電信號。

在光電混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，采用一個單層的光網(wǎng)絡(luò)作為電域網(wǎng)絡(luò)的輔助網(wǎng)絡(luò)。如圖1所示，每一個ToR交換機分別通過電域接口和光域接口連接到上層的電域交換機和光域交換機，光域端口的發(fā)送鏈路通過TWC光器件連接到OCA器件的輸入端(Tx)，接收鏈路連接到OCA器件的接收端(Rx)。

在控制層面，系統(tǒng)有一個集中的控制器，負責帶寬需求測量、鏈路仲裁控制和鏈路重構(gòu)控制。在運行時，控制器收集系統(tǒng)中的拓撲映射請求信息，同時控制每個TWC波長變換器件和電域交換機的路由器件，根據(jù)鏈路匹配算法在兩個機柜間建立一條持續(xù)的光鏈路。

該光電混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與c-Through、DOS等有相似之處，但是有著本質(zhì)的區(qū)別：與經(jīng)典光電混合網(wǎng)絡(luò)c-Through相比，同樣在機柜之間建立起一條較持續(xù)的光線路，屬于光線路交換(OCS)的范疇；但由于系統(tǒng)中使用了TWC變換器件納秒級的波長變換特性，可以快速切換光線路，使用網(wǎng)絡(luò)能夠按照網(wǎng)絡(luò)流量特征實時、快速重構(gòu)。

4 虛擬拓撲映射算法

在虛擬拓撲映射過程中，分為節(jié)點映射、網(wǎng)絡(luò)分割、鏈路映射3個步驟，本文依次對3個步驟所采用的算法進行介紹。

4.1 虛擬節(jié)點映射算法

本文使用兩階段映射算法來完成虛擬拓撲的映射，即：首先根據(jù)虛擬節(jié)點的資源需求將虛擬節(jié)點映射到物理節(jié)點，然后再完成虛擬鏈路的映射。我們采用貪心策略完成虛擬節(jié)點的映射。在算法運行之前，會收集較長時間窗口內(nèi)的虛擬拓撲映射請求，并將其放在等待隊列中，如果請求隊列中的某個請求較長的時間沒有得到響應(yīng)，則刪除這個請求。

在算法運行時，首先會按照虛擬拓撲的收益將虛擬拓撲請求按照從高到低排序，優(yōu)先映射具有高收益的虛擬拓撲。然后，對于每一個虛擬拓撲中的虛擬節(jié)點按照對計算能力的需求程度排序，優(yōu)先對計算能力需求高的虛擬節(jié)點進行映射。定義3個公式

(1)

(2)

Tpb=αRp+(1-α)Rb

(3)

其中，Rp表示物理節(jié)點所擁有的計算能力與虛擬節(jié)點需要的計算能力的差值，Rb表示物理節(jié)點所擁有的網(wǎng)絡(luò)帶寬總和與虛擬節(jié)點需要的網(wǎng)絡(luò)帶寬的總和的差值，在選擇物理節(jié)點的時候，必須要滿足這兩個值大于0。而Tpb是計算能力差值和帶寬差值的一個和，根據(jù)計算資源和帶寬資源的昂貴程度來調(diào)整此值，并選取值最小的節(jié)點作為映射節(jié)點以保證盡可能的將虛擬節(jié)點映射到與其需求資源量相當?shù)奈锢砉?jié)點上。

算法1：虛擬節(jié)點映射算法

輸入：虛擬映射請求

輸出：虛擬節(jié)點位置

(1)按照收益高低排列虛擬拓撲請求；

(2)從隊列中選擇一個具有最高收益的虛擬拓撲映射請求VR；

(3)將此虛擬拓撲請求中虛擬節(jié)點按照計算資源需求排序；

(5)在物理拓撲中尋找物理節(jié)點ns滿足如下條件

如果有節(jié)點無法滿足此限制，則從隊列中刪除虛擬拓撲請求，并放在等待隊列中，GOTO步驟(2)；

(6)GOTO步驟(4)，直到所有的節(jié)點映射完成；

(7)GOTO步驟(2)，直到所有的請求被映射完成；

(8)算法結(jié)束。

如果有任何一個虛擬節(jié)點不滿足上述條件，則映射失敗并將已經(jīng)映射的節(jié)點恢復至原狀態(tài)，同時將此虛擬拓撲映射請求放到等待隊列中。

4.2 光域拓撲重構(gòu)

將虛擬節(jié)點映射到物理節(jié)點上之后，需要根據(jù)一定的規(guī)則對數(shù)據(jù)中心的光域網(wǎng)絡(luò)拓撲進行重構(gòu)，在不同的區(qū)塊間建立快速的光鏈路，以便之后將虛擬鏈路高效的映射到物理拓撲上。

算法2：光域網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)算法

輸入：帶寬需求

輸出：光交換機的連接關(guān)系

(1)虛擬節(jié)點映射完成后，統(tǒng)計物理節(jié)點兩兩之間的帶寬需求量，形成矩陣M；

(2)對于數(shù)據(jù)中心中任意兩個區(qū)域，根據(jù)M計算兩個區(qū)域之間的加權(quán)帶寬消耗并形成加權(quán)帶寬消耗矩陣M′；

(3)在加權(quán)帶寬消耗矩陣M′上使用Edmonds’算法，根據(jù)不同區(qū)塊之間的帶寬消耗值計算出一個完美匹配；

(4)根據(jù)計算所得的完美匹配結(jié)果，控制光交換機在不同的區(qū)域間構(gòu)建光域網(wǎng)絡(luò)拓撲。

定義物理拓撲中兩個區(qū)塊之間的加權(quán)帶寬消耗如式(4)所示

(4)

在算法中，統(tǒng)計任意兩個區(qū)域之間的物理節(jié)點的通信總量，形成加權(quán)帶寬消耗矩陣M′。為了構(gòu)建光域拓撲，使盡可能多的流量在光域網(wǎng)絡(luò)上傳輸，光線路的配置可以歸約為一個匹配問題，在本文中使用Edmonds’算法在若干的區(qū)域中計算出一個完美匹配。計算出完美匹配后，控制TWC改變波長，實現(xiàn)光域網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建；在重構(gòu)過程中，對應(yīng)鏈路中所承載的網(wǎng)絡(luò)流需要調(diào)度到其它鏈路中，防止重構(gòu)過程中的丟包。

4.3 虛擬鏈路映射算法

在虛擬節(jié)點映射到物理節(jié)點及光域拓撲建立完成之后，將虛擬鏈路映射到實際的物理鏈路上。在虛擬節(jié)點固定的情況下，求解將虛擬鏈路映射到物理鏈路上的最優(yōu)解可以歸約為不可分割流問題(UFP)，這個是NP-hard[16,17]問題。

本文中使用貪心策略，首先映射產(chǎn)生最大收益的拓撲的虛擬鏈路；映射每一條虛擬鏈路時，在虛擬節(jié)點映射到的兩個物理節(jié)點之間尋找一條滿足資源限制的最短路徑。對于同一個虛擬拓撲映射，優(yōu)先映射帶寬需求最大的鏈路；如果沒有找到滿足資源限制的k-shortest path，則將該虛擬拓撲映射請求放入等待隊列中，并刪除已經(jīng)映射的虛擬鏈路和頂點。

算法3：虛擬鏈路映射算法

輸入：物理節(jié)點帶寬需求

輸出：鏈路映射關(guān)系

(1)構(gòu)建物理節(jié)點鄰接矩陣Mj, 標示節(jié)點間的鄰接帶寬；

(2)將完成節(jié)點映射的虛擬拓撲映射請求按照收益由高到低排列；

(3)選擇具有最大收益的虛擬拓撲映射請求，如果沒有，則算法停止；

(4)將選擇到的虛擬拓撲中的虛擬鏈路按照帶寬需求由高到低排序；

(5)選擇帶寬需求最大虛擬鏈路開始映射；

(6)對于每一個虛擬鏈路映射請求，通過遞增k，尋找兩個物理節(jié)點之間的k-shortest path，并且該路徑滿足B(ps)≥B(pv) 如果找到這樣的路徑，將虛擬鏈路映射到此物理鏈路，并更新臨接矩陣Mj。 GOTO步驟(5)；

(7)如果沒有找到這樣的路徑，則刪除此虛擬拓撲請求，并放入等待隊列中，GOTO步驟(3)；

5 系統(tǒng)評測

本部分將對提出的結(jié)構(gòu)和算法進行評測，首先介紹評測所采用的拓撲生成、算法模擬等工具，然后通過實驗結(jié)果對其進行評價。在評測中，關(guān)注點在于使用動態(tài)光鏈路對虛擬鏈路映射性能和收益的提升。

5.1 評測指標

虛擬拓撲映射的主要目標在于提高數(shù)據(jù)中心物理資源的利用率，為更多的虛擬映射請求提供服務(wù)，從而提高數(shù)據(jù)中心的收益。對虛擬網(wǎng)絡(luò)映射的評價主要有：①物理拓撲的長期平均運營收益；②物理資源的有效利用率；③虛擬拓撲映射請求的接受率[1]。接受并映射一個虛擬拓撲的收益可以定義為式(5)，其中P(nv) 表示虛擬節(jié)點nv的計算能力需求值，B(lv) 表示虛擬鏈路lv的帶寬能力需求值，nv用來調(diào)節(jié)計算資源和帶寬資源收益的相對權(quán)重。根據(jù)式(5)，我們可以定義物理拓撲的長期平均運營收益為長時間的運營收益總和與運營收益的比值，如式(6)所示

(5)

(6)

(7)

(8)

虛擬拓撲請求的接受率不僅可以衡量物理拓撲資源的有效利用率，而且也是衡量映射算法是否高效的一個重要指標。虛擬拓撲請求的接收率定義為長時間內(nèi)被成功映射的虛擬拓撲數(shù)量Vs與虛擬拓撲請求總數(shù)V的比值，如式(9)所示

(9)

5.2 評測參數(shù)設(shè)置

為了對本文提出的結(jié)構(gòu)和算法進行評測，設(shè)計了一個光電混合網(wǎng)絡(luò)模擬器對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和映射算法進行仿真。模擬器根據(jù)提供的節(jié)點和鏈路關(guān)系，自動構(gòu)建物理拓撲結(jié)構(gòu)；在模擬映射過程中，它根據(jù)設(shè)置的隨機函數(shù)，生成若干的虛擬拓撲映射請求，并使用如上所示的算法執(zhí)行虛擬拓撲的映射；在映射完成后，模擬器會統(tǒng)計接受率、鏈路資源利用率、節(jié)點資源利用率等信息。

由于本系統(tǒng)不針對于任何的特定拓撲結(jié)構(gòu)，因此使用隨機拓撲來進行評測，其中使用GT-ITM工具[18]來生成隨機物理拓撲結(jié)構(gòu)，所有物理拓撲的規(guī)模是變化的，而光域網(wǎng)絡(luò)的鏈路節(jié)點也隨機在物理拓撲中分布。模擬器會隨機產(chǎn)生若干的虛擬拓撲映射請求，其中虛擬拓撲中虛擬節(jié)點的數(shù)目滿足2至50間的均勻分布，每一對虛擬節(jié)點之間以0.5的概率具有一條虛擬鏈路相連，因此每一個虛擬拓撲中邊數(shù)的期望值為n(n-1)/4。 每一個虛擬拓撲中的虛擬節(jié)點對計算能力的需求滿足10至100間的均勻隨機分布，每一條虛擬鏈路的帶寬需求滿足0至60的均勻隨機分布，同時定義收益公式中的調(diào)節(jié)參數(shù)α=0.8。

5.3 評測結(jié)果

本文與之前的工作的最大不同之處是將靈活的光域網(wǎng)絡(luò)與拓撲映射算法協(xié)同設(shè)計，克服以前固定拓撲不能有效映射網(wǎng)絡(luò)拓撲的問題。在評測中以系統(tǒng)的收益為評價的標準，首先評測高速橋接鏈路對收益的影響。

在評測中以文獻[19]中提出的完全貪心算法作為基準算法，在評測中固定光域網(wǎng)絡(luò)的連接點的個數(shù)為N/25， 其中N為物理節(jié)點的個數(shù)，因此光域網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點會隨著物理節(jié)點數(shù)的增加而增加。

從圖2所示的評測結(jié)果可見，與基準算法相比節(jié)點映射算法在沒有光網(wǎng)絡(luò)的情況下所獲得的總收益是基準算法的1.3倍；而如果增加光域拓撲結(jié)構(gòu)之后，系統(tǒng)所獲得的總收益是基準算法的2到3.1倍，并且隨著物理節(jié)點數(shù)目和規(guī)模的增加，擁有光域網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)可以獲得更大的收益，這主要是由于光域網(wǎng)絡(luò)縮短了網(wǎng)絡(luò)直徑，可以接受更多的虛擬拓撲映射請求。

圖2 不同結(jié)構(gòu)下節(jié)點數(shù)量與收益關(guān)系

同時，在此評測了光域網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模對收益的影響，在評測中電域網(wǎng)絡(luò)選擇了3種不同的規(guī)格，分別為1000、2000、3000節(jié)點；在評測中，以節(jié)點數(shù)為1000的物理拓撲作為基準，在不同的光域拓撲規(guī)模下分別評測收益率的變化。評測結(jié)果如圖3所示，對于同樣數(shù)量的光域網(wǎng)絡(luò)接入點，增加電域網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模不會使收益有倍數(shù)的增長，并且隨著物理拓撲規(guī)模的增長這種損耗就更加明顯，物理拓撲節(jié)點數(shù)為2000時，總收益能達到節(jié)點數(shù)為1000時的1.9倍，而物理拓撲節(jié)點數(shù)為3000時，總收益只能達到節(jié)點數(shù)為1000時的2.75倍。這主要是由于在光域接入點數(shù)量相同的情況下，隨著物理節(jié)點數(shù)的增加使每個分區(qū)的規(guī)模變大，光域網(wǎng)絡(luò)對映射的效果的加速作用減弱。

圖3 不同規(guī)模拓撲收益與光節(jié)點關(guān)系

我們評測了在不同情況下物理節(jié)點的資源利用情況，在與測試1中我們使用了相同的參數(shù)，從圖4的測試結(jié)果可見，在有光域網(wǎng)絡(luò)的情況下，節(jié)點的利用率會有倍數(shù)的提升，這一趨勢與總收益的增長有類似的趨勢。這主要是由于評測中采用的收益因子為0.8，在數(shù)據(jù)中心中最主要、最昂貴的資源是計算資源，因此隨著物理節(jié)點資源利用率的提升，其收益也會相應(yīng)提升。

圖4 不同結(jié)構(gòu)下節(jié)點數(shù)量與利用率關(guān)系

在當前數(shù)據(jù)中心中隨著節(jié)點數(shù)增加和網(wǎng)絡(luò)半徑的增大，節(jié)點之間的通信需要經(jīng)過若干次的電域交換機，期間伴隨多次光電轉(zhuǎn)換。在本文所提出的光電混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，由于光線路在不同網(wǎng)絡(luò)區(qū)間中采用光構(gòu)建了一條橋接鏈路，因此可以減少光電轉(zhuǎn)換的能耗。如圖5所示，對網(wǎng)絡(luò)的能耗情況進行了統(tǒng)計，在此假設(shè)數(shù)據(jù)包每經(jīng)過一級光電轉(zhuǎn)換消耗一個單位的電能。圖5數(shù)據(jù)顯示，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增加，光電混合網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能效果快速顯現(xiàn)，當節(jié)點規(guī)模達到3000時，最高能節(jié)省22%的光電轉(zhuǎn)換次數(shù)。

圖5 不同規(guī)模拓撲能效統(tǒng)計

最后，評測了虛擬拓撲映射的拒絕率，相對于純電域網(wǎng)絡(luò)，光電混合網(wǎng)絡(luò)中將虛擬拓撲請求拒絕率由23%降低為8%，大概有兩倍的性能提高。

綜合上述，采用靈活光域輔助網(wǎng)絡(luò)的光電混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在數(shù)據(jù)中心利用率、收益和拒絕率方面都有很大的提升。

6 結(jié)束語

隨著數(shù)據(jù)中心規(guī)模的增長，同一個虛擬拓撲中虛擬節(jié)點所分別映射到的物理節(jié)點間的距離越來越遠，其鏈路在映射過程中需要經(jīng)過若干的跳步，占用了大量的物理網(wǎng)絡(luò)資源，因此降低了數(shù)據(jù)中心的收益。以前工作通過優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)映射算法來提高收益，但受到數(shù)據(jù)中心固定拓撲的限制，很難取得較好的提升；本文將光電混合動態(tài)網(wǎng)絡(luò)與映射算法協(xié)同設(shè)計，提出了一種基于AWGR的動態(tài)光網(wǎng)絡(luò)和對應(yīng)的虛擬拓撲映射方法，該方法在當前數(shù)據(jù)中心的電域拓撲的基礎(chǔ)上，增加一層線路交換的光域網(wǎng)絡(luò)拓撲，在數(shù)據(jù)中心全域通過光域網(wǎng)絡(luò)來減少網(wǎng)絡(luò)直徑；結(jié)合與之匹配的虛擬拓撲映射方法，極大提升數(shù)據(jù)中心的利用率和能效，從而提高數(shù)據(jù)中心的收益。當前光網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在Google、Facebook等互聯(lián)網(wǎng)巨頭的數(shù)據(jù)中心中嘗試使用，其巨大的資源利用率和能效優(yōu)勢具有很大的應(yīng)用前景。