数据中心网络中光分组交换超低延迟控制平面的实验验证

摘要： 与电网络架构相比，光互连网络有望降低延迟和功耗，同时提高数据中心网络的二分带宽。虽然已提出光路交换网络方案（其重构时间为毫秒级），但已有纳米级时延交换开关的实验验证表明：集中式调度此类交换架构会带来较高复杂度，导致总交换延迟显著增加。本文提出基于中央交换调度器的高速控制平面设计方案，该方案采用纳秒级光交换技术，其端到端延迟较最优电交换机显著降低。我们讨论了该控制平面在FPGA板卡上的实现方案并量化分析了各延迟分量，重点研究了限制调度延迟与端到端延迟的输出端口分配电路设计。通过FPGA实现的控制系统，在32×32交换矩阵中实验验证了机架级光分组交换能力，其最小端到端首尾延迟达到71.0纳秒，性能超越当前最先进电交换机。我们通过实验评估了异步控制平面操作对交换性能的影响，进而提出新型并行分配电路设计——该设计使调度延迟降低42.7%，最小端到端延迟缩短至54.6纳秒；更重要的是，该方案支持扩展至双倍规模交换矩阵（64×64）时仍能保持小于71.0纳秒的最小端到端延迟。在开发的周期精确网络仿真器中，我们验证了该系统在60%端口容量下可实现纳秒级交换，在满负荷时平均端到端延迟低于10微秒且全流量负载下保持零丢包。