CN108476080A - 多维光电子交换机 - Google Patents

Abstract

一种用于将光信号从输入装置传输到输出装置的L维光电子交换机，所述光电子交换机包括：多个叶交换机，每个叶交换机具有基数R，并且以L维阵列布置，其中每个维度i具有相应尺寸R _i (i=1、2、...、L)，每个叶交换机具有带坐标的相关联L元组(x ₁ 、...、x _L )，从而给出其相对于L个维度中的每一者的位置；其中每个叶交换机是L个子阵列的成员，所述L个子阵列中的每一者与所述L个维度中的不同维度相关联，并且包括：多个R _i 叶交换机，其坐标仅在第i维上存在差别，每个叶交换机具有用于连接到输入装置或输出装置的C个客户端端口以及用于连接到脊交换机的F个架构端口；多个S _i 脊交换机，每个脊交换机具有用于连接到所述叶交换机的所述架构端口的R个架构端口，并且其中在给定的子阵列中，所述子阵列中的每个叶交换机经由光有源交换机连接到每个脊交换机。

Description

多维光电子交换机

领域

根据本发明的实施方案的一个或多个方面涉及光电子交换机，并且更具体地讲，涉及多维光电子交换机以及其中使用的交换元件。

背景

数据流量的目前和持续增长以及数据中心对交换速度和降低能源消耗的要求带动了大量近期的创新。具体地讲，已经意识到，光交换提供了许多期望的属性但光学装置需要由包括传统电子数据服务器的电子装置控制并且与其连接。

光学装置本身不一定减小交换机的尺寸或复杂性。为了提高光交换单元的组装和应用的灵活性，期望提高光交换机的可扩展性。做到这样的一种方式涉及交换网络内的部件的拓扑。期望产生高度可扩展的光交换单元。因此，仍要求最佳地受益于光学器件的速度和组装在适于巨大可扩展性的架构中的CMOS电子器件的灵活性的包交换。

概述

在较高的水平，本发明的总体结构涉及叶交换机(其为客户端侧交换机，输入装置和输出装置可以连接到所述叶交换机)的阵列，所述阵列包括许多子阵列，每个子阵列与不同的维度相关联，并且其中可以经由脊交换机(其为架构侧交换机，没有外部连接)在给定的子阵列内沿该维度的“方向”发生交换。为了最容易地理解信号可以如何从源叶交换机交换到目的地叶交换机，考虑二维阵列，其中源叶交换机和目的地叶交换机定位在不同的行(其为与“水平”维度相关联的子阵列)和列(其为与“垂直”维度相关联的子阵列)中。信号随后将在两次跳跃中进行交换：第一次跳跃使信号从源叶交换机到达同一行中的另一中间叶交换机，所述另一中间叶交换机与目的地叶交换机在同一列中。随后，在第二次跳跃中，信号沿着所述列从中间叶交换机交换到目的地叶交换机。因此，可以看出，当光电子交换机延伸到L个维度时，信号(例如，其可以是数据包)可以在最多L次跳跃中从任何源叶交换机交换到任何目的地叶交换机，每次跳跃局限于单个子阵列。

期望一种诸如这样的光电子交换机，以满足尽可能多的外部装置。通过两种主要方式可以实现这一点。第一种方式是增加阵列中的维度的数量，并且第二种方式是增加维度的尺寸R _i 。增加维度的数量必定会要求包括更大的叶交换机，以便满足在不止一个维度上进行交换。增加维度的尺寸R _i 可能意味着用于控制在给定的维度内从例如源叶交换机到中间叶交换机的交换的脊交换机需要具有大基数(radix)，以便优选地以非阻塞方式且保留对分带宽来适应该子阵列中的所有叶交换机之间的交换。在本发明中，每个子阵列中包括额外的交换元件，并且更具体地讲，本发明的第一方面提供用于将光信号从输入装置传输到输出装置的L维光电子交换机，所述光电子交换机包括：

多个叶交换机，每个叶交换机具有基数R，并且以L维阵列布置，其中每个维度i具有相应尺寸R _i (i = 1、2、...、L)，每个叶交换机具有带坐标的相关联L元组(x ₁ 、...、x _L )，从而给出其相对于L个维度中的每一者的位置；

其中每个叶交换机是L个子阵列的成员，所述L个子阵列中的每一者与所述L个维度中的不同维度相关联，并且包括：

多个R _i 叶交换机，其坐标仅在第i维上存在差别，每个叶交换机具有用于连接到输入装置或输出装置的C个客户端端口以及用于连接到脊交换机的F个架构端口；

多个S _i 脊交换机，每个脊交换机具有用于连接到叶交换机的架构端口的R个架构端口，并且

其中在给定的子阵列中，所述子阵列中的每个叶交换机经由光有源交换机连接到每个脊交换机。

将光有源交换机***在叶交换机与脊交换机之间意味着可以使用更少的脊交换机来提供相同数量的叶交换机之间的交换。因此，在本发明的优选实施方案中，在给定的子阵列中，叶交换机的数量大于脊交换机的数量。在给定的子阵列中，可以存在比每个脊交换机的架构端口的数量多的叶交换机。这可以从考虑基数R的角度来理解，所述基数对于叶交换机和脊交换机两者是相同的。在其中L > 1的本发明的实施方案中，叶交换机要求每个维度上至少一个架构端口用于交换，并且因此，存在较少的架构端口可用于在任何给定的子阵列内进行交换。在子阵列中，脊交换机上的架构端口只涉及与所述子阵列相关联的维度上的交换。因此，在平衡网络中，较少的脊交换机能够因为光电子交换机的多维本质而支持较多的叶交换机。在优选实施方案中，L等于二或更多，并且可以采取下列值中的任一者：2、3、4、5、6、7、8、9、10。

在本发明的实施方案中，由脊交换机在给定子阵列内的叶交换机之间提供交换，所述脊交换机可以是电子包交换机并且可以被称为EPS或AOBM。也应注意，贯穿本申请，叶交换机可以被称为“光学包处理模块”或“OPPM”。

为了了解本发明的有利效果，考虑其中脊交换机仅经由单个脊交换机或一群平行的脊交换机进行连接的子阵列(“平行”意味着脊交换机仅连接到叶交换机，而不连接到其他脊交换机)。这些脊交换机中的每一者有必要连接到讨论中的子阵列中的每个叶交换机，并且每个叶交换机必须连接到每个脊交换机，否则也许不可能提供每个叶交换机与子阵列中的所有其他叶交换机之间的连接。

因此，如上文提及，针对较大子阵列，要求大量的大基数脊交换机。每个叶交换机仍有必要连接到每个脊交换机，但在本发明中，叶交换机经由光有源交换机连接到脊交换机。在本文中，“有源交换机”是以下交换机：其中可以有源地控制和改变信号穿过所述交换机(例如，从其输入端到其输出端)的路径，从而实际上提供全网能力，而无需交换机内的全网链接。光有源交换机可以是光电路交换机或OCS (术语在本文中互换地使用)。更具体地讲，每个光有源交换机可以具有多个输入端和多个输出端，输入端的数量与输出端的数量相同。光有源交换机的“基数”是指输入端的数量或输出端的数量，而不是输入端和输出端的总数。因此，给定的光有源交换机的输出端可以连接到子阵列中的多个或一组脊交换机。给定的叶交换机可以连接到光有源交换机的集群，每个光有源交换机连接到一组脊交换机。更具体地讲，给定的叶交换机所连接的光有源交换机的集群中的每一者可以连接到不同组的不相交的脊交换机(“不相交”意味着给定集群中的两个光交换机不会连接到同一个脊交换机，即，脊交换机组没有重叠)。

通过这种方式，讨论中的叶交换机连接到子阵列中的所有脊交换机，但经由较小基数的光有源交换机进行连接。由于光有源交换机也具有多个输入端，因此，这些输入端可以在多个叶交换机之间共享。换言之，针对给定的光交换机集群(其输出端提供到子阵列中的所有脊交换机的连接)，集群中的每个光有源交换机的每个输入端可以连接到相应的(即，不同)叶交换机。因此，叶交换机可以分成多个集群，并且具体地讲：在给定的子阵列中，叶交换机可以分成多个集群，所述集群各自含有多个叶交换机。每个集群自身可以具有相关联的光有源交换机集群，经由所述光有源交换机集群，光有源交换机在阵列中的叶交换机集群中的每一者与脊交换机中的每一者之间提供连接。换言之，每个叶交换机集群可以与一个或多个架构入口光有源交换机的集群相关联以形成线卡组件，集群中的每个叶交换机可以连接到线卡组件中的每个架构入口光有源交换机，并且架构入口光交换机可以被布置成使得光信号在从叶交换机到脊交换机的传输期间穿过所述架构入口光有源交换机。

任选地，在给定的子阵列中，每个脊交换机可以连接到定位在所述子阵列中的线卡组件中的架构入口光有源交换机，并且所述线卡组件中不超过一个架构入口光有源交换机连接到给定的脊交换机。在线卡组件内，可以存在L组不同的架构入口光有源交换机，每一组被配置成在含有所述线卡组件的相应子阵列内传输光信号，这些子阵列中的每一者与L个维度中的相应维度相关联。

为了使拓扑规律性最大化，优选的是在本发明的实施方案中采用的所有或基本上所有的光有源交换机都具有相同的基数，或更具体地讲，相同数量的输入端和输出端。具体地讲，当给定的子阵列中的所有光有源交换机具有给定的基数时，在不损害对分带宽的情况下，相同数量的脊交换机有可能支持增加了所述基数倍的数量的叶交换机。例如，如果使用基数为3的光有源交换机，那么子阵列可以是三倍的尺寸。换言之，使阵列放大的机会大大增加，而无需增大所采用的脊交换机的尺寸。

上述连接涉及信号从叶交换机的输出端到脊交换机的输入端的传送。为了完成信号从子阵列中的一个叶交换机到子阵列中的另一叶交换机的传输，所述信号必须从脊交换机的输出端发送到目的地(或中间)叶交换机上的架构端口。因此，在一些实施方案中，也经由光有源交换机来进行这种传送。因此，子阵列中的每个叶交换机可以连接到光有源交换机的第二或“架构出口”集群。为清楚起见，前一段落中描述的布置自此以后被称为光有源交换机的“架构入口”集群。简言之，架构出口集群具有架构入口集群的镜像配置。换言之，架构出口集群中的给定光有源交换机的输入端相应地连接到一组脊交换机的输出端，并且集群中的每个光有源交换机的输入端连接到不同组的不相交的脊交换机的输出端。随后，架构出口集群中的给定光有源交换机的每个输出端连接到与所述架构出口集群相关联的叶交换机集群中的每个叶交换机的架构端口，并且因此，集群中的给定叶交换机上的每个架构端口连接到与所述叶交换机集群相关联的架构出口集群内的不同光有源交换机。可以限定其他叶交换机集群，例如，可以存在含有来自每个架构入口集群的一个叶交换机的集群。

叶交换机的每个集群可以进一步与一个或多个架构出口光有源交换机的集群相关联以形成架构出口布置，给定的集群中的每个叶交换机可以连接到架构出口布置中的每个架构出口光有源交换机，并且架构出口光有源交换机可以被布置成使得光信号在从脊交换机到叶交换机的传输期间穿过所述架构出口光有源交换机。每个脊交换机可以连接到定位于该子阵列中的架构出口布置中的架构出口光有源交换机，并且所述架构出口布置中不超过一个架构出口光有源交换机连接到给定的脊交换机。

当叶交换机、光有源交换机和脊交换机如上所述时，在给定的子阵列内，叶交换机经由五级Clos网络有效地连接，即，叶交换机→(架构入口)光有源交换机→脊交换机→(架构出口)光有源交换机→叶交换机。如从以上描述中将显而易见，架构入口光有源交换机与架构出口光有源交换机是不同的实体，但只存在一组叶交换机。因此，这个网络被最佳地表示(如将在本申请中稍后更详细地看出)为未折叠式Clos网络，但严格来说，它可以被视作部分折叠式Clos网络。使用诸如这样的Clos或部分折叠式Clos网络意味着有可能以非阻塞的方式适应子阵列中的R _i 个叶交换机之间的一对一配对的任意组合。

前述段落中描述的布置无需用于所有L个维度上的交换。在本发明的一些实施方案中，仅关于与M个维度相关联的子阵列，给定的子阵列中的每个叶交换机可以经由光有源交换机连接到每个脊交换机，其中M < L。上文呈现的其他可选特征可以应用于其中经由光有源交换机来进行叶交换机之间的交换的任何或全部维度。

根据本发明的第一方面的光电子交换机可以被布置在光底板上。因此，组成部件(即，叶交换机、光有源交换机和脊交换机)可以定位在卡上。卡可以是其上形成有电子部件、光学部件和控制部件(即，仲裁器)的印刷电路板。卡也可以容纳在光学部件和电子部件两者之间。具体地讲，本发明的实施方案可以包括两种类型的卡：线卡和架构卡。更具体地讲，部件可以定位在线卡或架构卡上。线卡是“面向客户端的”卡，而架构卡是“面向架构的”卡。

叶交换机和架构入口光有源交换机(即，线卡组件)可以定位在相应的线卡上。更具体地讲，单个线卡包括至少一个叶交换机和至少一个架构入口光有源交换机。在一些实施方案中，单个线卡可以包括多个叶交换机和/或多个架构入口光有源交换机。在存在叶交换机集群和相关联的架构入口光有源交换机集群的实施方案中，叶交换机集群以及其相关联的架构入口光有源交换机集群优选地安装在相同的线卡上。在本发明的N维实施方案中，每个叶交换机是N个子阵列的成员，如本申请中先前讨论。

在存在叶交换机集群和架构入口光有源交换机集群的实施方案中，每个叶交换机集群以及其相关联的架构入口光有源交换机集群可以定位在它们自己的线卡上。在给定的子阵列中，脊交换机和架构出口光交换机可以定位在架构卡上。架构卡也可以包括仲裁器，所述仲裁器用于控制信号穿过定位于所述架构卡上的架构出口光有源交换机的路径。架构卡还可以包括多个仲裁器，每一者被配置成控制信号穿过架构卡上的相应架构出口光有源交换机的路径。并非所有的脊都需要在相同的架构卡上。然而，有利的是对它们进行包装，使得连接到相同脊的架构出口OCS全部都被包装在与所述脊相同的卡上。在实践中，这意味着脊和架构出口OCS的集群被包装在相同的卡上(以类似于叶和架构入口OCS的方式)。

本发明的光电子交换机中存在两个控制元件：路由/负载平衡，以及仲裁。

包处理器基于包的目的地地址和当前位置来作出路由决策。在从叶到脊的路径上，路由决策选择路由到哪个脊(一般尝试使可用脊上的负载平衡)，继而确定本地叶交换机和架构入口光有源交换机两者上的特定输出端口。架构入口光有源交换机的输出端标识符传递到仲裁器，以便它可以判定它的哪些输入端需要连接到它的哪些输出端。在从脊到叶的路径上，路由决策根据包的目的地来选择适当的叶，继而确定脊和架构出口光有源交换机的本地输出端口。

仲裁由仲裁器执行，并且它是一个过程，借以确定信号应采取哪条路径来穿过光有源交换机，即，从哪个输入端到哪个输出端，以便确保入射到光有源交换机上的所有信号都指向正确的下一交换元件(其可以是脊交换机或叶交换机，视信号处于哪个“级”而定)。因此，在一些实施方案中，可以存在与给定的子阵列中的每个光有源交换机相关联的仲裁器，换言之，线卡可以包括仲裁器，所述仲裁器用于控制信号穿过定位于线卡上的线卡组件中包括的架构入口光有源交换机的路径，或者可以存在多个仲裁器，每一者被配置成控制信号穿过相应的架构入口光有源交换机的路径。或者，由于光有源交换机可以具有小基数(例如，2、3、4、5、6、7或8)，因此仲裁过程相对简单(例如，与基数为24的交换元件相比)，并且多个仲裁器可以组合成单个仲裁部件，所述单个仲裁部件可以是ASIC。在一些实施方案中，可以存在单个仲裁器，或者位于每个线卡上的如上所述的单个仲裁部件。在本段落所描述的实施方案中，由仲裁器执行的控制被限制在讨论中的线卡的范围内。这将与控制平面相关联的延迟和同步问题最小化：卡上的距离/飞行时间可以被控制到可定位在距彼此相当大的距离处的卡上的单个卡的物理维度内的更紧密公差。此外，通过具有若干个仲裁器，每一者与较少数量(例如，一个)光有源交换机相关联，可以很快且平行地解决大量的小问题，与不得不相对缓慢地集中解决更复杂的问题相反。

广义地讲，光有源交换机被仲裁器控制，所述仲裁器被配置成基于存储在将被交换的数据包中的目的地信息来控制给定的子阵列内的光有源交换机和脊交换机中的至少一者的动作。这随后允许提供路线，所述路线确保所有数据以非阻塞方式到达合适的叶交换机，并且使瓶颈的出现最小化。叶交换机中的包处理器可以各自连接到仲裁器。当在传送侧包处理器处接收到数据包时，它可以将请求发送到所述包处理器所连接的仲裁器，所述请求优选地识别目的地叶交换机或者识别数据包应被发送到的下一叶交换机(其可能是目的地叶交换机)。仲裁器随后能够建立方案，所述方案在最大可能的程度上确保每个包能够执行它的下一次跳跃。下文更详细地描述叶交换机的结构。

仲裁器可以使用专用控制通道连接到其他部件，诸如，包处理器和光有源交换机。它们也可以连接到驱动器芯片，所述驱动器芯片被配置成控制光有源交换机的动作。

本发明的第二方面提供一种叶交换机，所述叶交换机可以用在根据本发明的第一方面的光电子交换机中。具体地讲，所述叶交换机可以包括：

客户端端口，所述客户端端口用于连接到输入装置或输出装置和连接到所述客户端端口的客户端部分；

第一架构部分和第二架构部分，所述第一架构部分和第二架构部分分别连接到第一架构端口和第二架构端口以处理信号并与脊交换机或光有源交换机通信，所述第一架构部分具有传送侧和接收侧，

其中所述传送侧包括：

传送侧输入端，所述传送侧输入端用于接收携带信息的第一电子信号，所述信息包括有关所述第一电子信号的目的地叶交换机的信息，所述第一电子信号是从以下各项中的任一者接收：

所述第二架构部分的输出端，或者

输入装置，经由所述客户端部分和所述客户端端口进行；

调制器，所述调制器用于将所述第一电子信号转换成含有相同信息的第一多个光信号；

传送侧多路复用器，所述传送侧多路复用器用于将所述第一多个光信号转换成多路复用的架构输出信号以传送到光有源交换机的输入端；

其中所述接收侧包括：

接收侧多路分用器，所述接收侧多路分用器用于从光有源交换机的输出端接收多路复用的架构输入信号，并且将所述多路复用的架构输入信号转换成第二多个光信号；

光检测器，所述光检测器用于将所述第二多个光信号转换成第二电子信号；以及

接收侧输出端，所述接收侧输出端用于将所述第二电子信号发送到以下各项中的任一者：

所述第二架构部分的传送侧输入端，或者

输出装置，经由所述客户端部分和所述客户端端口进行。

应注意，上文中的术语“端口”不一定指的是物理孔或插口。相反，叶交换机的“客户端端口”和“架构端口”指的是负责准备或处理将被相应地发送到客户端和架构/从客户端和架构接收的信号的叶交换机的区域。根据本发明的第二方面的叶交换机能够充当中间叶交换机，因为第二电子信号可以被发送到另一架构端口(其在本文中可以被称为“架构部分”)以沿着不同的维度重传，或者发送到客户端端口以传送到输出装置。

因此，第二结构端口优选地能够执行与第一架构部分相同的功能，并且具有等效的特征。第二架构端口可以基本上与第一架构端口相同。

根据本发明的第二方面的叶交换机提供用于构建本发明的第一方面的可扩展多维光电子交换机所需的功能。归因于对第一电子信号的调制，大多数的数据传输能够在光域而不是电子域中进行。这意味着数据可以以高数据速率且在长距离上以比在电子域的情况下低的功率和功率损耗来传输。此外，光域的使用使得能够使用波分多路复用(WDM)。另一重要的优点是比特率独立性，其中交换机平面数据以包率而非比特率操作。

每个叶交换机的传送侧优选地包括传送侧包处理器，所述传送侧包处理器被配置成以包的形式接收第一电子信号，所述包具有包头，所述包头含有目的地信息的。除了数据本身之外，包中所包括的信息可以包括与包的目的地(例如，客户端端口/目的地叶交换机)相关的信息。包头可以包括另外的各项信息，包括源和目的地地址、包长度、协议版本、序列号、有效载荷类型、跳跃计数、服务质量指标以及其他信息。

传送侧包处理器可以被配置成执行包分割，其中具有相同目的地叶交换机的数据包被布置到具有预定尺寸的帧中，并且其中数据包可以分成被布置在多个对应的帧中的多个包片段，并且其中一个帧可以含有来自一个或多个数据包的数据。每个包片段可以具有包片段头，所述包片段头包括至少识别所述包片段最初所属的包的信息，以便可以在随后的处理和传送之后重建所述包。

例如，考虑以下情况：其中包处理器被配置成使得帧有效载荷大小为1000 B，并且400 B、800 B和800 B的三个包输入到叶交换机中。如果这些包中的每一者将在单独的帧中发送，每个帧一个包，那么这将代表(400 + 800 + 800)/3000 = 67%的效率。然而，通过使用包分割，第一帧可以包括400 B包和第一个800 B包中的200 B，并且随后第二帧可以包括第二个800 B包和第一个800 B包的剩余200 B。这导致100%的效率。通过这个过程构建的帧代表数据包本身，并且因此当包经历不止一次跳跃以便到达目的地叶交换机时，在中间叶交换机处可以发生更多的分割。应注意，即使在信号穿过脊交换机和两个光有源交换机以便到达中间叶交换机的情况下，这仍然只是单次跳跃。换言之，跳跃可以被定义为信号从一个叶交换机传输到另一个叶交换机。

为了使效率最大化，可以直到帧的填充比例达到预定阈值，优选地80%以上，更优选地90%以上并且最优选地100%才对帧进行后续处理(例如，转发所述帧以便转换成第一多个光信号)。或者可以在经过预定的时间量之后再发送包以供后续处理。通过这种方式，如果针对给定的叶交换机的数据包停止到达包处理器，那么仍然可以发送仍低于阈值填充比例的帧以供后续处理，而不是在包处理器上停滞。预定的时间量可以在50 ns与1000 ns之间，但优选地在50 ns与200 ns之间。最优选地，时间间隔为约100 ns。因此，传送侧包处理器可以包括或与传送侧存储器相关联，所述传送侧存储器用于在帧的构建期间临时存储不完整的帧。经过的时间可以视流量需求而改变；通常，流量流动的速率越高，经过的时间将越短，并且流量流动的速率较低可以导致时间间隔增加。

当包处理器被配置成执行包分割时，接收侧还可以包括接收侧包处理器，所述接收侧包处理器被配置成当原始包被散布在超过一个帧上时从包片段中重建原始包。这可以参考上文描述的包片段头来完成。当包在它从源到目的地的行程上经历连续的中间叶交换机的若干次单独分割时，接收侧包处理器对包的最终重组可以被延迟，直到原始包的所有组成部分都到达目的地叶交换机。因此，接收侧包处理器可以包括或与接收侧存储器相关联，以便临时存储组成部分。

传送侧可以包括多个调制器，优选地光调制器。光调制器可以是相位或强度调制器，例如，电吸收调制器(EAM)、弗朗兹-凯尔迪什(Franz-Keldysh)调制器、基于量子限制斯塔克(Stark)效应的调制器、马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)调制器，并且多个调制器优选地包括8个调制器。每个调制器可以只与单个光源相关联，或者可以被较少的光源点亮，其中光源在调制器之间共享。每个调制器可以被配置成接收来自输入端或传送侧包处理器的电子信号以及来自光源的未调制光。通过将这两者组合，调制器生成经调制的光信号，所述经调制的光信号与来自光源的未调制光具有相同波长，并且携带由原始(第一)电子信号携带的信息。这个经调制的光信号随后可以传送到传送侧多路复用器。光源优选地采取激光器的形式，以便生成局限于波长的窄带的大体上单色的光束。为了使损耗最小化，调制器优选地被配置成具有在电磁谱的C带或L带中(即，从1530 nm到1625 nm)的波长的光。更优选地，光具有落在C带或“铒窗口”内的波长，即具有从1530 nm到1565 nm的波长。

激光器可以是固定波长激光器或可调谐激光器。在调制器的阵列中，与每个调制器相关联的光源应具有非重叠带宽的不同波长，以便使多路复用器中的串扰最小化。当光源是激光器时，调制器可以采取电吸收调制器(EAM)的形式，所述EAM使用变化的电压来调制激光的强度，以携带电子信号中所含有的信息。使用EAM意味着只改变激光的强度而不是频率，并且因此防止经调制的光信号的波长发生任何变化。

在叶交换机包括多个调制器的实施方案中，传送侧包处理器还可以被配置成执行包切片，其中将帧(如由上文描述的包分割过程构建)或数据包切片成第一多个电子信号。第一多个电子信号中的每一者随后可以被发送到多个调制器中的不同调制器，由此所述第一多个电子信号被转换成第一多个光信号。光检测器(其可以是光电二极管)可以将第二多个光信号转换成第二多个电子信号。更优选地，接收侧可以包括多个光检测器，所述光检测器可以彼此相同或者彼此基本上相同。接收侧包处理器可以被配置成将代表包切片的第二多个电子信号重新组合成第二电子信号。通过在发送到另一叶交换机之前将包或帧分成多个切片，可以使用许多不同波长来发送数据，所述许多不同波长由多路复用器多路复用到单个光链路中。通过这种方式，可以并行地发送若干项信息，并且导致增加的带宽和更有效的数据传输。

在传送侧包处理器被配置成执行包切片和包分割两者的情况下，首先进行包分割步骤(即，数据帧的形成)，之后对帧进行切片。相应地，在接收信号的目的地(或中间)叶交换机上，在从帧中重建原始包之前，包处理器将第二多个电子信号(即，包切片)重新组合成单个第二电子信号。

在分割之后，构建帧，每个帧含有意图针对单个叶交换机的数据，所述单个叶交换机是指整体传输中的下一叶交换机，而不一定是最终的目的地叶交换机。在这之后，数据被转换成彼此波长不同的第一多个光信号，所述光信号被传送侧多路复用器多路复用，具体地讲，波分多路复用，以形成多路复用的架构输出信号。优选地，叶交换机被配置成在突发模式下操作，其中叶交换机被配置成向多路复用的架构输出信号发送一连串的连续突发，每个突发包括来自单个数据帧的包和/或包片段，并且使得每个突发仅包括将要在它们的下一次跳跃中发送到单个叶交换机的包和/或包片段。每个连续突发可以包括将要在它们的下一次跳跃中发送到不同的单个叶交换机的数据帧。相连的突发对可以隔开预定的时间间隔，所述预定的时间间隔可以在50 ns与1000 ns之间，但优选在50 ns与200 ns之间。最优选地，时间间隔为约100 ns。优选地，连接到单个子阵列中的有源交换机的所有架构端口被配置成同步地操作，即，每个架构端口同时将突发发送到光有源交换机的输入端。通过这种方式，光有源交换机可以在一个交换动作中将每个信号路由到给定的脊交换机。

传送侧包处理器还可以被配置成对输入的数据包执行纠错。这可以借助诸如错误检测和重传或者前向纠错(FEC)来完成。此外，叶交换机还可以包括管理端口，所述管理端口被配置成执行架构管理过程，所述架构管理过程包括初始化、编程路由/转发表、故障报告、诊断、统计报告和计量。

当包需要执行不止一次跳跃以便到达它的目的地叶交换机时，可以完全从源叶交换机和目的地叶交换机的坐标之间的比较中推导出路线。例如，在被称为维度排序路由的过程中，第一次跳跃可以使源和目的地叶交换机的第一坐标匹配，第二次跳跃可以使源和目的地叶交换机的第二坐标匹配，以此类推，直到所有的坐标匹配为止，即，直到包已经被传输到目的地叶交换机为止。例如，在四维网络中，如果源叶交换机具有坐标(a, b, c, d)并且目的地叶交换机具有坐标(w, x, y, z)，那么维度排序路线可以是：(a, b, c, d) →(w, b, c, d) → (w, x, c, d) → (w, x, y, d) → (w, x, y, z)。在沿着路线的任何点处，包处理器可以将源叶交换机的坐标与目的地叶交换机的坐标进行比较，并且确定哪些坐标尚未匹配。随后将例如利用最低指数或最高指数来决定沿着非匹配方向路由。

本发明的光有源交换机或光电路交换机可以是基于马赫-曾德尔干涉仪(MZI)的布置，并且更具体地讲，可以采取MZI级联交换机的形式。MZI级联交换机包括多个MZI，每个MZI具有：在输入耦合器处分开的两个臂，其中两个臂将分开的路径馈送到输出耦合器中，在所述输出耦合器处所述两个臂重新组合；以及两个输出部分。多个MZI优选地布置成提供从MZI级联交换机的每个输入端到每个输出端的通路。在最大可能的程度上，臂具有相同长度。或者，在期望具有默认输出端的情况下，臂可能不平衡。每个MZI可以在一个或两个臂处包括电光区域，其中折射率视经由一个或多个电极施加到所述区域的电压而定。因此，可以通过经由电极施加偏压来控制行进穿过光电区域的光的相位差。通过调整相位差以及因此输出耦合处产生的干涉，光可以从MZI的一个输出端交换到另一个输出端。

考虑以下情况：其中每个光有源交换机具有K _i 个输入端和K _i 个输出端，其可以由例如多个1×2和2×1 MZI组成，所述MZI被布置成提供从每个输入端到每个输出端的通路。当K _i 为5或更多时，MZI级联交换机在用于将K _i 个输入端连接到K _i 个输出端的全网格上是有益的，因为全网格需要 ¹ / ₂ K _i (K _i + 1)根光纤来将所有的输入端连接到所有的输出端，而MZI级联交换机仅需要2K _i 根光纤。有可能通过建立K _i “1 × K _i 多路分用器树”和K _i “K _i ×1多路复用器树”来创建具有K _i = 2n个输入端和输出端的MZI级联交换机，其中每个树包括n级的1×2(多路分用器)或2×1(多路复用器)交换机，其中第k级处具有2k个交换机。通过在每一侧上建立(K _i + 1)个树并且省略内部连接，可以在每个级联交换机上支持另外的端口，以便输入端不连接到与它本身连接到相同交换机的输出端。诸如这样的MZI级联交换机大部分是波长不可知的，并且因此能够将整个多路复用的架构输出信号从输入端交换到输出端，而无需首先在输入端和输出端处要求任何多路分用/多路复用。

脊交换机可以是电子有源交换机或电子包交换机，诸如，电子纵横交换机。优选地，脊交换机可以是电子共享存储器型交换机。电子共享存储器型交换机是还包括存储器的电子纵横交换机。交换机内存在存储器是有利的，因为这意味着当电子共享存储器型交换机处出现瓶颈(如上所述)时，交换机不仅可以执行交换，而且可以执行缓冲，即，存储包的队列。这意味着叶交换机上的包处理器上的电子器件可以被简化。

在本发明的优选实施方案中，为便于制造，脊交换机中的每一者与叶交换机中的每一者可以含有相同的部件。换言之，所有的叶交换机和脊交换机可以彼此相同或基本上相同。通过这种方式，可以通过组装一组相同或基本上相同的元件来构建根据本发明的光电子交换机，并且随后可以使用例如软件来控制这些元件的功能。脊交换机是完全“面向架构的”，即，它们并未连接到外部装置，并且相应地，它们没有客户端端口或客户端部分。然而，必须要强调的是，交换元件的物理结构与叶交换机相同，仅仅是各种(相同)部件的使用或功能可有区别。因此，脊交换机可以包括：

第一架构部分和第二架构部分，所述第一架构部分和第二架构部分分别连接到第一架构端口和第二架构端口以处理信号并与叶交换机或光有源交换机通信，所述第一架构部分具有传送侧和接收侧，

其中所述传送侧包括：

传送侧输入端，所述传送侧输入端用于接收携带信息的第一电子信号，所述信息包括有关所述第一电子信号的目的地叶交换机的信息，所述第一电子信号是从所述第二架构部分的输出端接收；

调制器，所述调制器用于将所述第一电子信号转换成含有相同信息的第一多个光信号；

传送侧多路复用器，所述传送侧多路复用器用于将所述第一多个光信号转换成多路复用的架构输出信号以传送到光有源交换机的输入端；

其中所述接收侧包括：

接收侧多路分用器，所述接收侧多路分用器用于从光有源交换机的输出端接收多路复用的架构输入信号，并且将所述多路复用的架构输入信号转换成第二多个光信号；

光检测器，所述光检测器用于将所述第二多个光信号转换成第二电子信号；以及

接收侧输出端，所述接收侧输出端用于将所述第二电子信号发送到所述第二架构部分的传送侧输入端。

在兼容的情况下，上文参考叶交换机陈述的任选特征同样适用于脊交换机。

如上文讨论，脊交换机可以是某种电子交换机。由于来自光有源的输出是光信号，因此这些信号必须转换成电子信号，所述电子信号随后使用脊交换机进行交换。因此，光-电子(在本文中，“O/E”)转换器可以定位在子阵列中的脊交换机的输入端处并且优选地在每个输入端处，以用于转换来自例如光有源交换机的架构入口集群的信号。类似地，在具有第二组光有源交换机的那些实施方案中，例如，在架构出口集群中，电子-光(在本文中，“E/O”)转换器可以定位在脊交换机的输出端处并且优选地在每个输出端处。在这些O/E和E/O转换之间，信号可以以电子交换信号的形式进行交换。优选的是在脊交换机处而不是在光有源交换机处具有O/E和E/O转换器，因为如先前讨论，有利的是光学地而不是电子地传送信号。O/E转换器可以包括光检测器或多个光检测器，多个光检测器中的每一者对应于脊交换机的输入端。

在采用波分多路复用的实施方案中，在信号可以被电子地交换之前，可能首先需要将信号多路分用。因此，O/E转换器可以包括多路分用器，所述多路分用器用于将多路复用的架构输出信号多路分用(成为例如第一多个光交换信号)，之后再将多路分用的信号转换成电子交换信号，借此所述信号被脊交换机交换。E/O转换器随后可以将所交换的电子交换信号转换成对应的第二多个光交换信号，所述第二多个光交换信号随后可以被多路复用成单个信号来形成多路复用的架构输入信号，以便传送到光有源交换机。因此，E/O转换器还可以包括多路复用器。在优选实施方案中，电子有源交换机可以被配置成在无法满足与包或帧相关的请求的情况下临时地存储所述包或数据帧的队列。

多路复用器、传送侧多路复用器、多路分用器和接收侧多路分用器中的任一者或全部优选地采取阵列波导光栅(AWG)的形式，所述AWG是无源装置。AWG允许沿着单个光纤携带不同长度的多个光信号。由于由调制器产生的多个经调制的光信号的波长全都不同，因此，由AWG产生的多路复用的架构输出信号几乎没有经受串扰，因为不同波长的光仅线性地干涉。或者，代替AWG，多路复用的信号可以被广播到许多波长选择滤波器，每个波长选择滤波器被调谐来接收期望的***信号中的一者的波长。

诸如本发明的交换机的交换***中需要考虑的是带宽。在以下讨论中，“带宽”用来指的是具体部分能够实现的最大数据传输速率，并且一般以吉比特每秒(在本文中，缩写为“Gbps”)来测量。具体地讲，重要的是确保在局部和全局比例上存在带宽保存。为了确保在给定的时间内比可以同时被传输离开给定的叶交换机的数据多的数据不可能进入所述叶交换机(即，导致在所述叶交换机上局部化的瓶颈)，叶交换机上的客户端端口的总带宽不超过同一叶交换机上的架构端口的总带宽。更优选地，叶交换机上的架构端口的总带宽超过同一叶交换机上的客户端端口的总带宽，并且最优选地，叶交换机上的每个架构端口的带宽超过或等于所述叶交换机上的所有客户端端口的总带宽。通过这种方式，可以避免由来自多个客户端端口的出乎意料地大量输入数据全部指向相同叶交换机上的相同架构端口造成的局部瓶颈。具体地讲，这允许将所有的信号一起多路复用，以便随后以非阻塞方式传送。在上述本发明的实施方案中，叶交换机和脊交换机经由光有源交换机进行连接。然而，还设想，可以使用其他类型的交换机，而不是连接在脊交换机与叶交换机之间的光有源交换机。例如，这些交换机可以被称为中间交换机。这些中间交换机可以是电子有源交换机，诸如，电子包交换机，并且可以与上文参考脊交换机所述的电子有源交换机具有相同的部件。当然，上文已经详细地讨论了其中中间交换机是光有源交换机的实施方案。在一些实施方案中，中间交换机中的每一者与脊交换机和/或叶交换机中的每一者可以具有相同的部件。在包括这些中间交换机的实施方案中，叶交换机和脊交换机的定义的差别仅在于“光有源交换机”可以被“中间交换机”替换。中间交换机可以被限定为包括以下各项的交换元件：

第一架构部分和第二架构部分，所述第一架构部分和第二架构部分分别连接到第一架构端口和第二架构端口以处理信号并与脊交换机或叶交换机通信，所述第一架构部分具有传送侧和接收侧，

其中所述传送侧包括：

传送侧输入端，所述传送侧输入端用于接收携带信息的第一电子信号，所述信息包括有关所述第一电子信号的目的地叶交换机的信息，所述第一电子信号是从所述第二架构部分的输出端接收；

调制器，所述调制器用于将所述第一电子信号转换成含有相同信息的第一多个光信号；

传送侧多路复用器，所述传送侧多路复用器用于将所述第一多个光信号转换成多路复用的架构输出信号以传送到脊交换机或叶交换机的输入端；

其中所述接收侧包括：

接收侧多路分用器，所述接收侧多路分用器用于从叶交换机或脊交换机的输出端接收多路复用的架构输入信号，并且将所述多路复用的架构输入信号转换成第二多个光信号；

光检测器，所述光检测器用于将所述第二多个光信号转换成第二电子信号；以及

接收侧输出端，所述接收侧输出端用于将所述第二电子信号发送到所述第二架构部分的传送侧输入端。

上文关于脊交换机和叶交换机陈述的所有任选特征也可以应用于中间交换机。此外，上文关于包括光有源交换机的光电子交换机陈述的所有任选特征也可以应用于包括中间交换机的光电子交换机。

下文参考附图描述本发明的另外任选特征。

附图简单描述

参考说明书、权利要求书和附图将领会并理解本发明的这些和其他特征和优点，其中：

图1到图4是示出根据本发明的三个不同实施方案的给定的子阵列中的叶交换机、脊交换机与光有源交换机之间的连接的示意图。仅在单个维度上示出所述连接。

图5A/图5B分别是示出线卡和架构卡的示意图。

图6是示出交换元件的二维阵列中的叶交换机、脊交换机与光有源交换机之间的连接的示意图，描绘了两个维度上的连接。

图7是示出给定的子阵列中的一个维度上的叶交换机、脊交换机与光有源交换机之间的连接的替代表示的示意图。该图突出了“向上”和“向下”方向上的差异，并且示出架构和线卡上的叶和脊的布置。

图8、图9和图10示出2D光电子交换机的部分折叠的表示。

图11示出可以用在本发明的实施方案中的叶交换机的实例。

图12示出根据本发明的光电子交换机中的值得注意的各种量与参数之间的关系。

详细描述

下文结合附图阐明的详细描述意图作为根据本发明提供的光电子交换机的示例性实施方案的描述，而不意图表示其中可以构建或利用本发明的唯一形式。该描述结合示出的实施方案阐明本发明的特征。如本文中其他地方指示，相似的元件编号意图指明相似的元件或特征。

在根据本发明的光电子交换机中，每个子阵列中的叶交换机由脊交换机和光有源交换机连接。图1中示出给定的子阵列中的连接的实例，其中叶交换机(即，架构端口和客户端端口)和脊交换机(仅架构端口)的基数为四，即，每一者具有四个输入端和四个输出端。此处，必须要强调的是，附图的左手边的八个叶交换机1到8与附图的右手边的八个叶交换机1到8相同。它们各自被示出两次(即，在“未折叠”配置中)，因为连接并不是双向的，并且在“折叠”配置中示出它们将容易混淆。在此实例中，存在沿着附图的中心示出的四个脊交换机。

对于本发明而言最重要的是，还存在一群八个架构入口光有源交换机1A到8A，其在本实施方案中为光电路交换机并且在本文中被称为“OCS”，以及一群八个架构出口OCS1B到8B。所有的OCS都具有基数二。不同于叶交换机，OCS 1A到8A与OCS 1B到8B不同。当如图1所示那样连接时，叶交换机、脊交换机和OCS形成5层Clos网络，其中五层为：

1. 叶交换机1到8

2. OCS 1A到8B

3. 脊交换机

4. OCS 1B到8B

5. 叶交换机1到8。

现在将更详细地讨论如图1所示的光电子交换机的布局，以便确切地展示上文节段“发明概述”中所使用的术语中的一些术语的意义，其中特别注意“集群”的组成。在图1中，八个叶交换机1到8被布置成四个集群，每个集群含有两个叶交换机，即，{1, 2}、{3,4}、{5, 6}、{7, 8}。这些叶交换机集群中的每一者与架构入口OCS 1A到8A的集群相关联，如下表1所示。

叶交换机的集群	架构入口OCS的集群
		1、2	1A、2A
3、4	3A、4A
		5、6	5A、6A
7、8	7A、8A

表1。

集群中的每个叶交换机连接到相关联的集群中的每个架构入口OCS，例如，叶交换机1连接到架构入口OCS 1A和2A，并且叶交换机2连接到架构入口OCS 1A和2A。这也同样适用于每个集群中的组成叶交换机。仍集中于单个集群，可以在图1中看出，架构入口OCS 1A连接到脊交换机1和2，并且架构入口OCS 2A连接到脊交换机3和4。因此，在架构入口OCS的给定集群中，不会有两个架构入口OCS连接到相同的脊交换机。换言之，在架构入口OCS的给定集群中，架构入口OCS中的每者连接到一组不同的不相交的脊交换机。在图1中，架构入口OCS的所有集群的情况都一样。

架构出口OCS 1B到8B存在对应的集群布置。下表2中示出叶交换机1到8与架构出口OCS 1B到8B之间的关联。

叶交换机的集群	架构出口OCS的集群
		1、2	1B、2B
3、4	3B、4B
		5、6	5B、6B
7、8	7B、8B

表2。

如从图1所示的对称布置中将了解，架构出口OCS 1B到8B与脊交换机1到4之间的连接与架构入口OCS 1A到8A的相同。架构出口OCS 1B连接脊交换机1和2，并且架构出口OCS2B连接脊交换机3和4。因此，在给定集群中，不会有两个架构出口OCS连接到相同的脊交换机。换言之，在架构出口OCS的给定集群中，架构出口OCS中的每一者连接到不同的不相交的脊交换机子集。在图1中，架构出口OCS的所有集群的情况都一样。

图2、图3和图4示出给定阵列内的交换元件的类似Clos网络布置，所述子阵列同样包括具有相关联的架构入口OCS和架构出口OCS集群的叶交换机的集群。图1的描述仍适用于这些附图，因此将不会在此全部描述这些附图，仅突出差别。

在图2中，叶交换机和脊交换机的基数为六，并且架构入口和架构出口OCS的基数为二。下表3列出叶交换机的集群、架构入口OCS的集群与架构出口OCS的集群之间的关联。

叶交换机的集群	架构入口OCS的集群	架构出口OCS的集群
			1、2	1A、2A、3A	1B、2B、3B
3、4	4A、5A、6A	4B、5B、6B
			5、6	7A、8A、9A	7B、8B、9B
7、8	10A、11A、12A	10B、11B、12B
			9、10	13A、14A、15A	13B、14B、15B
11、12	16A、17A、18A	16B、17B、18B

表3。

叶交换机1和2中的每一者连接到架构出口OCS 1A到3A中的每一者。那么，架构入口OCS 1A连接到脊交换机1和2，架构入口OCS 2A连接到脊交换机3和4，并且架构入口OCS3A连接到脊交换机5和6。同样的模式适用于叶交换机/架构入口OCS的集群中的每者。同样的情况也适用于架构出口OCS的集群。

在图3中，叶交换机和脊交换机的基数为四，与架构入口和架构出口OCS的基数一样。下表3列出叶交换机的集群、架构入口OCS的集群与架构出口OCS的集群之间的关联。

叶交换机的集群	架构入口OCS的集群	架构出口OCS的集群
			1、2、3、4	1A、2A	1B、2B
5、6、7、8	3A、4A	3B、4B
			9、10、11、12	5A、6A	5B、6B
13、14、15、16	7A、8A	7B、8B

表4。

叶交换机1到4中的每一者连接到架构出口OCS 1A和2A中的每一者。那么，架构入口OCS 1A连接到脊交换机1到4，架构入口OCS 2A连接到脊交换机5到8。同样的模式适用于叶交换机/架构入口OCS的集群中的每者。同样的情况也适用于架构出口OCS的集群。

图4中示出又一另外的实例，其中叶交换机和脊交换机的基数为四，OCS的基数为二，并且子阵列含有八个叶交换机。此附图还突出了各种部件可以如何定位在线卡和架构卡上。

在图1到图4中，示出一维布置。然而，本发明决不限于诸如这样的一维布置。例如，图1到图4中示出的各种交换元件之间的连接的布置可以用来使更高维阵列中的给定叶交换机属于其部分的单个子阵列的交换元件互连。例如，考虑以行和列的叶交换机的二维布置(在这种情况下，每个行和每个列代表子阵列)。那么，子阵列中的对应于例如给定行的叶交换机可以如图1到图4所示那样连接。在优选实施方案中，针对拓扑规律性，阵列中的与给定维度相关联的子阵列中的每一者可以以相同的方式连接，或者整个阵列中的所有子阵列进行连接。

在图6中，示出叶交换机的二维阵列，其中叶交换机和脊交换机与光有源交换机分别组织在线卡和架构卡上。图5A和图5B分别更详细地示出线卡和架构卡上的部件的布置。在讨论整个阵列的更高水平之前，将先描述这些。

图5A示出线卡。线卡包括两个叶交换机L1和L2，以及两个(架构入口)光有源交换机，在这种情况下是光电路交换机O1和O2。OCS O1和O2中的每一者与不同维度相关联(此处表示为D1和D2，其中D1是水平维度并且D2是垂直维度)。叶交换机L1和L2中的每一者具有到OCS O1和O2中的每一者的连接，以便有助于在两个维度上进行交换。D1上的交换与D2上的交换相同，并且因此，本描述中将只考虑D1上的交换，即，仅右手边的集束或圈出的连接的“D1集束”。具体地讲，D1集束含有来自OCS O1的两个输出端，以及来自架构的两个输入端，所述两个输入端在没有经过OCS O1和O2的情况下(各一个)到达L1和L2。

图5B示出架构卡。架构卡包括两个脊交换机(或AOBM) S1和S2，以及四个(架构出口)光有源交换机。应注意，在图6所示的布置中并且实际上，所有的阵列具有不止一个维度，定位在给定架构卡上的部件仅与一个维度上的交换相关联。这参考图6的高水平结构更详细地说明。每个脊交换机具有基数四，即，它具有四个输入端和四个输出端。首先考虑输入端。输入端并不来自架构卡上的OCS O1’到O4’，因为这些是信号经由其离开架构而不是从中进入架构的架构出口OCS。首先考虑S1。相反，到脊交换机S1和S2的输入端对应于(即，连接到)子阵列中含有的线卡中的每一者的D1集束中的输出端，对于此而言，讨论中的架构卡负责交换。

脊交换机S1和S2中的每一者的四个输出端连接到OCS O1’至O4’。更具体地，脊交换机S1和S2中的每一者具有到OCS O1’至O4’中的每一者一个输出端。架构出口OCS O1’至O4’(每一者具有两个输入端，每个脊交换机S1和S2一个)中的每一者具有两个输出端。这两个输出端对应于(即，连接到)上文参考图5A讨论的D1集束中的两个输入端。

相同的连接布置处于适当位置以用于D2上的交换，但在附图中并未示出这些。通过以这种方式布置交换元件，形成如上所述的五层Clos网络，其能够以非阻塞的方式将信号从给定的子阵列中的一个叶交换机交换到相同子阵列中的另一叶交换机。

图6示出整个阵列的图解，不同于仅分别示出单个线卡和架构卡的图5A和图5B。从图6中可以了解拓扑的“星状”性质。考虑阵列中的子阵列中的一者，例如，所示D1方向上的线卡的顶行。子阵列中的线卡LC1到LC4中的每一者连接到中心架构卡FC1，信号通过所述FC1被交换。同样的情况适用于D2方向上的子阵列。为了详细地了解交换过程，有用的是描绘示例性信号在D1或D2方向上从例如并非定位在相同子阵列中的LC2到LC12的路径的轮廓。首先，假设如上所述的维度排序路由，信号将首先在D1方向上交换。因此，在经由FC1进行的过程中，信号从LC2传送到LC4。更具体地讲，信号可以源于LC2中的L1，所述信号从L1行进到O1(因为所述信号首先在D1方向上进行交换)，并且随后采取D1集束中的连接中的一者到达例如FC1的S2的输入端，而且随后在脊交换机S2内发生交换，并且信号经由S2的输出端中的一者输出到O4’。信号随后从O4’行进到例如LC4的L1的输入端(经由LC4的D1集束)。此处，所述信号在内部交换到连接到LC4的O2的输入端，即，连接到与维度D2上的交换相关联的架构入口OCS的L1的输出端。随后，信号从D2集束发送到例如FC8的S1的输入端，FC8是含有负责在含有LC4和LC12两者的子阵列中的交换的脊交换机的架构卡。随后，信号在FC8的S1内交换到连接到例如FC12的L2的输出端，并且随后信号从该输出端到行进到FC12的L2。在这一点上，信号已经到达期望的叶交换机，并且随后，信号传输到L2的客户端输出端并且从那里传输到外部装置。这个过程仅扩展到三个或更多维度中，由此每个线卡具有一个或多个OCS以及与第三维度上的交换相关联的另一连接集束。

图7示出一维情况的替代表示，其突出信号在横穿给定子阵列时的“向上”和“向下”行程之间的差异。如附图所示，“向上”行程指的是信号从叶交换机穿过架构入口OCS并且行进到脊交换机中。相反，“向下”行程是从脊交换机穿过架构出口OCS并且到目的地叶交换机中。“向上”部分中示出的OCS是与叶交换机一起定位在线卡上的架构入口OCS。在此实例中，叶交换机的集群含有两个叶交换机，并且相关联的架构入口OCS的集群每一者仅含有一个架构入口OCS。在“向下”部分中，OCS是架构出口OCS并且与两个脊交换机一起布置在架构卡上(所述脊交换机是“向上”部分中示出的相同脊交换机)。

图8示出如上文更详细地描述的根据本发明的实施方案的光电子交换机中的连接的一维实例。在图8中，仅在部分折叠的配置中描绘叶交换机一次。应注意，这不是真正的折叠式Clos网络，因为架构入口和架构出口OCS是不同的，因此信号无法恰好沿着相同路线“上”和“下”行进(见图7)。类似地，图9示出根据本发明的2维光电子交换机的部分折叠表示。图10示出2维光电子交换机的替代未折叠表示，所述2维光电子交换机包括在附图的边缘处的六十四个叶交换机的阵列和在中心的两组十六个脊交换机(每个维度上的交换与一组相关联)。虚线表示一个维度上的连接，并且实线表示另一个维度上的连接。

应注意，本发明的实施方案不限于其中叶交换机和脊交换机具有基数四并且OCS具有基数二的布置。

图11示出用在本发明的实施方案中的典型叶交换机1的架构侧F1的更详细视图。首先，将描述叶交换机1的架构，之后描述信号穿过叶交换机1的路径。架构侧F1分成两个部分：传送侧Tx和接收侧Rx。传送侧Tx包括包处理器PP-Tx、EAM MOD1、MOD2、...、MODQ的阵列，其中每一者接收来自光源阵列LS1、LS2、...、LSQ中的一者的输入。EAM阵列中的每一者连接到单个多路复用器MUX，所述MUX随后将它的WDM信号输出到光有源交换机，所述光有源交换机可以被认为是实现本发明的实施方案的光电子交换机的所有叶交换机1之间的互连的“架构”。接收侧Rx具有类似的结构。更具体地讲，接收侧Rx包括包处理器PP-Rx，其接收来自光检测器PD1、PD2、...、PDQ的阵列的输入，其中每个光检测器接收来自单个多路分用器DEMUX的输入。多路分用器接收来自光有源交换机(图11中未示出)的输入。控制器CTRL也被包括在叶交换机1中，并且不限于传送侧Tx或接收侧Rx。控制器CTRL双向地连接到两个包处理器PP-Tx、PP-Rx和仲裁器，所述仲裁器由标记为AR的箭头示出。

在更高水平，应注意，在附图的左手侧发生的所有的数据传输都是在电域中发生的，并且在附图的右手侧发生的所有数据传输都是在光域中发生的，即，所有的数据传输在多路复用器MUX与多路分用器DEMUX之间进行。

现在，将描述包穿过叶交换机1的各种部件的行程。包含有将从源叶交换机传输到目的地叶交换机的信息。具体地讲，包含有与预期的目的地叶交换机相关的信息。在由包采取的行程的以下描述中，假设与所述包相关联的所有数据都具有相同的预期目的地叶交换机。

以下过程在电域中进行。包可以例如从连接到叶交换机1的客户端侧的客户端部分入射在叶交换机1的传送侧Tx上。或者，可以经由集成交换机从叶交换机1 (即，同一叶交换机)的接收侧Rx接收包，使得所述包可以被转发到另一叶交换机(未示出)以传输到不同的维度。入射在传送侧Tx上的包进入包处理器PP-Tx，在所述包处理器中所述包被切片成采取包切片形式的第一多个Q个电子信号，每个电子信号具有相同的目的地叶交换机。电信号中的每一者随后传送到Q个EAM MOD1、MOD2、...、MODQ中的一者。此时，电信号中的每一者含有对应于包切片中的数据的信息和与包的目的地叶交换机相关的信息。

现在考虑入射在MOD1上的包切片。MOD1具有两个输入：(a)电包切片，以及(b)来自光源LS1的给定波长的光。选择光通道来使串扰最小化并且相对容易以较高产率制造波导。介于0.4 nm与2 nm之间的光通道间隔是优选的。激光将具有对本申请来说实用的窄线宽，并且优选地不小于1 KHz。在其他配置中，频率分辨率和间隔将视装置的精细度且因此无源部件而定。如果存在例如8个波长，那么装置可以相当“粗糙”，但如果使用更多的波长，则将要求更高的规格。

MOD 1随后对来自光源LS1的光进行调制来携带包切片中含有的信息，以便产生具有给定波长的光信号。从这点来说，数据传输是在光域中。每个调制器类似地操作以产生第一多个Q个光信号。来自EAM MOD1、MOD2、...、MODQ中的每一者的Q个光包切片入射在多路复用器MUX上，其中发生波分多路复用以将Q个光信号(每个EAM一个)组合到单个输出光纤中。Q个光信号中的每一者具有不同的波长，并且因此将信号之间的串扰最小化。形成多路复用的架构输出信号的多路复用信号随后传送到光有源交换机。在叶交换机1中生成的光信号随后经由架构传输到它们的目的地叶交换机或中间叶交换机，并且路由到目的地叶交换机

出于本描述的目的，将继续参考图11，但在正常使用中，源和目的地叶交换机将不是相同的叶交换机。然而，源和目的地叶交换机可以是相同的叶交换机，例如，用于测试目的。然而，源和目的地叶交换机将基本上彼此相同，因此，基于图11的描述也同样适用。来自光有源交换机的光多路复用架构输入信号入射在位于叶交换机1的接收侧Rx上的多路分用器DEMUX上。多路复用的架构输入信号被多路分用器DEMUX多路分用成第二多个Q个光信号，所述光信号等效于在源叶交换机1上的多路复用器MUX处组合的那些。Q个多路分用的信号随后入射在光检测器PD1、PD2、...、PDQ的阵列中的每一者上。在所述光电检测其中，所述多路分用的信号被转换回到同样含有原始包切片中所含有的信息的第二多个Q个电信号。电信号随后传输到包处理器PP-Rx，其中使用包切片的头中含有的信息，将它们重新组合成入射在源叶交换机1的包处理器PP-Tx上的原始包。

图12示出根据本发明的实施方案的光电交换机中所涉及的各种量之间的数学关系，其中：

• L =维数

• R ₁ =叶和脊的基数

• R ₂ =每个集群的许多叶的基数，每个集群的脊的数量

• C =每个叶、平行的脊的客户端端口

• F =每个叶的架构端口

• U =每个叶的未使用端口

• N =客户端端口的总数

• P ₁ =叶的总数

• P ₂ =脊的总数

• P ₃ =OCS的总数

• D =直径

• B =对分带宽。

尽管本文中已经具体地描述并示出了光电子交换机的示例性实施方案，但本领域的技术人样将明白很多修改和变化。因此，应理解，根据本发明的原理构建的光电子交换机可以体现为不同于本文中具体描述的那样。本发明也在所附权利要求书及其等效物中限定。

Claims (37)

1.一种用于将光信号从输入装置传输到输出装置的L维光电子交换机，所述光电子交换机包括：

多个叶交换机，每个叶交换机具有基数R，并且以L维阵列布置，其中每个维度i具有相应尺寸R _i (i = 1、2、...、L)，每个叶交换机具有带坐标的相关联L元组(x ₁、...、x _L )，从而给出其相对于L个维度中的每一者的位置；

其中每个叶交换机是L个子阵列的成员，所述L个子阵列中的每一者与所述L个维度中的不同维度相关联，并且包括：

多个R _i 叶交换机，其坐标仅在第i维上存在差别，每个叶交换机具有用于连接到输入装置或输出装置的C个客户端端口以及用于连接到脊交换机的F个架构端口；

多个S _i 脊交换机，每个脊交换机具有用于连接到所述叶交换机的所述架构端口的R个架构端口，并且

其中在给定的子阵列中，所述子阵列中的每个叶交换机经由光有源交换机连接到每个脊交换机。

2.根据权利要求1所述的光电子交换机，其中在给定的子阵列中，叶交换机的数量大于脊交换机的数量。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的光电子交换机，其中所述叶交换机被分成多个集群，每个集群含有多个叶交换机。

4.根据权利要求3所述的光电子交换机，其中：

每个叶交换机集群与一个或多个架构入口光有源交换机的集群相关联以形成线卡组件，

所述集群中的每个叶交换机连接到所述线卡组件中的每个架构入口光有源交换机，并且

所述架构入口光交换机被布置成使得光信号在从叶交换机到脊交换机的传输期间穿过所述架构入口光有源交换机。

5. 根据权利要求4所述的光电子交换机，其中在给定的子阵列中：

每个脊交换机连接到定位于所述子阵列中的线卡组件中的架构入口光有源交换机，并且

所述线卡组件中不超过一个架构入口光有源交换机连接到给定的脊交换机。

6.根据权利要求5所述的光电子交换机，其中在线卡组件内，存在L组不同的架构入口光有源交换机，每一组被配置成在含有所述线卡组件的相应子阵列内传输光信号，所述子阵列中的每一者与所述L个维度中的相应维度相关联。

7.根据权利要求4至6中任一项所述的光电子交换机，其中每个线卡组件定位在相应的线卡上。

8.根据权利要求7所述的光电子交换机，其中所述线卡包括仲裁器，所述仲裁器用于控制信号穿过架构入口光有源交换机的路径，所述架构入口光有源交换机被包括在定位于所述线卡上的所述线卡组件中。

9.根据权利要求8所述的光电子交换机，其中所述线卡包括多个仲裁器，每个仲裁器被配置成控制信号穿过相应的架构入口光有源交换机的路径。

10.根据权利要求4至9中任一项所述的光电子交换机，其中：

每个叶交换机集群进一步与一个或多个架构出口光有源交换机的集群相关联以形成架构出口布置，

给定的集群中的每个叶交换机连接到所述架构出口布置中的每个架构出口光有源交换机，并且

所述架构出口光有源交换机被布置成使得光信号在从脊交换机到叶交换机的传输期间穿过所述架构出口光有源交换机。

11. 根据权利要求10所述的光电子交换机，其中在给定的子阵列中：

每个脊交换机连接到定位于所述子阵列中的架构出口布置中的架构出口光有源交换机，并且

所述架构出口布置中不超过一个架构出口光有源交换机连接到给定的脊交换机。

12.根据权利要求10或权利要求11所述的光电子交换机，其中在给定的子阵列中，所述脊交换机和所述架构出口光有源交换机定位在架构卡上。

13.根据权利要求12所述的光电子交换机，其中所述架构卡包括仲裁器，所述仲裁器用于控制信号穿过定位于所述架构卡上的架构出口光有源交换机的路径。

14.根据权利要求13所述的光电子交换机，其中所述架构卡包括多个仲裁器，每个仲裁器被配置成控制信号穿过所述架构卡上的相应的架构出口光有源交换机的路径。

15.根据权利要求10至14中任一项所述的光电子交换机，其中在给定的子阵列中，架构出口光有源交换机的数量与架构入口光有源交换机的数量相同。

16.根据权利要求15所述的光电子交换机，其中在给定的子阵列中，所述叶交换机、脊交换机、架构入口光有源交换机和所述架构出口光有源交换机被布置在五级Clos网络中，其中：

第一级由所述叶交换机组成；

第二级由所述架构入口光有源交换机组成；

第三级由所述脊交换机组成；

第四级由所述架构出口光有源交换机组成；

第五级由所述叶交换机组成。

17.根据权利要求1至16中任一项所述的光电子交换机，其中每个光有源交换机上的输入端的数量与输出端的数量相同。

18.根据权利要求1至17中任一项所述的光电子交换机，其中所述光有源交换机是光电路交换机。

19.根据权利要求18所述的光电子交换机，其中所述光电路交换机是马赫-曾德尔干涉仪(MZI)级联交换机，所述MZI级联交换机包括多个MZI，每个MZI具有：在输入耦合器处分开的两个臂，其中两个臂将分开的路径馈送到输出耦合器，在所述输出耦合器处所述两个臂重新组合；以及两个输出部分，所述多个MZI被布置成提供从所述MZI级联交换机的每个输入端到每个输出端的通路。

20.根据权利要求1至19中任一项所述的光电子交换机，其中所述脊交换机是电子有源交换机。

21.根据权利要求20所述的光电子交换机，其中所述电子有源交换机是电子纵横交换机或电子共享存储器型交换机。

22.根据前述权利要求中任一项所述的光电子交换机，其中每个叶交换机包括：

客户端端口，所述客户端端口用于连接到输入装置或输出装置和连接到所述客户端端口的客户端部分；

第一架构部分和第二架构部分，所述第一架构部分和第二架构部分分别连接到第一架构端口和第二架构端口以处理信号并与脊交换机或光有源交换机通信，所述第一架构部分具有传送侧和接收侧，

其中所述传送侧包括：

传送侧输入端，所述传送侧输入端用于接收携带信息的第一电子信号，所述信息包括有关所述第一电子信号的目的地叶交换机的信息，所述第一电子信号是从以下各项中的任一者接收：

所述第二架构部分的输出端，或者

输入装置，经由所述客户端部分和所述客户端端口进行；

调制器，所述调制器用于将所述第一电子信号转换成含有相同信息的第一多个光信号；

传送侧多路复用器，所述传送侧多路复用器用于将所述第一多个光信号转换成多路复用的架构输出信号以传送到光有源交换机的输入端；

其中所述接收侧包括：

接收侧多路分用器，所述接收侧多路分用器用于从光有源交换机的输出端接收多路复用的架构输入信号，并且将所述多路复用的架构输入信号转换成第二多个光信号；

光检测器，所述光检测器用于将所述第二多个光信号转换成第二电子信号；以及

接收侧输出端，所述接收侧输出端用于将所述第二电子信号发送到以下各项中的任一者：

所述第二架构部分的传送侧输入端，或者

输出装置，经由所述客户端部分和所述客户端端口进行。

23.根据权利要求22所述的光电子交换机，其中所述第一架构部分的所述传送侧包括传送侧包处理器，所述传送侧包处理器被配置成以包的形式接收所述第一电子信号，所述包具有包头，所述包头含有所述目的地信息。

24.根据权利要求23所述的光电子交换机，其中所述传送侧包处理器被配置成执行包分割，其中：

具有相同目的地叶交换机的数据包被布置到具有预定尺寸的帧中；

数据包可以在一个或多个帧上分成包片段；并且

帧可以含有来自一个或多个包的数据。

25.根据权利要求24所述的光电子交换机，其中所述第一架构部分的所述接收侧包括接收侧包处理器，所述接收侧包处理器被配置成在所述包被散布在超过一个帧上时从所述包片段中重新创建原始数据包。

26.根据权利要求23至25中任一项所述的光电子交换机，其中：

所述第一架构部分的所述传送侧包括多个调制器；

所述传送侧包处理器被配置成执行包切片，其中帧或包被切成第一多个电子信号；并且

在切片之后，所述传送侧包处理器被配置成将所述第一多个电子信号中的每一者发送到所述多个调制器中的不同调制器，由此所述第一多个电子信号被转换成所述第一多个光信号。

27.根据权利要求26所述的光电子交换机，其中所述第一架构部分的所述接收侧包括多个光检测器，所述光检测器被配置成将所述第二多个光信号转换成第二多个电子信号，并且还包括接收侧包处理器，所述接收侧包处理器被配置成将所述第二多个电子信号重新组合成所述第二电子信号。

28.根据权利要求23至27中任一项所述的光电子交换机，其中所述传送侧包处理器在一连串的连续突发中发送帧和/或包片段，每个突发仅含有具有所述相同目的地叶交换机的包和/或包片段，并且其中相连的突发对隔开一定的时间间隔。

29.根据权利要求1至28中任一项所述的光电子交换机，其中所述脊交换机中的每一者与所述叶交换机中的每一者含有相同的部件。

30.根据权利要求29所述的光电子交换机，其中每个脊交换机包括：

第一架构部分和第二架构部分，所述第一架构部分和第二架构部分分别连接到第一架构端口和第二架构端口以处理信号并与叶交换机或光有源交换机通信，所述第一架构部分具有传送侧和接收侧，

其中所述传送侧包括：

传送侧输入端，所述传送侧输入端用于接收携带信息的第一电子信号，所述信息包括有关所述第一电子信号的目的地叶交换机的信息，所述第一电子信号是从所述第二架构部分的输出端接收；

调制器，所述调制器用于将所述第一电子信号转换成含有相同信息的第一多个光信号；

传送侧多路复用器，所述传送侧多路复用器用于将所述第一多个光信号转换成多路复用的架构输出信号以传送到光有源交换机的输入端；

其中所述接收侧包括：

接收侧多路分用器，所述接收侧多路分用器用于从光有源交换机的输出端接收多路复用的架构输入信号，并且将所述多路复用的架构输入信号转换成第二多个光信号；

光检测器，所述光检测器用于将所述第二多个光信号转换成第二电子信号；以及

接收侧输出端，所述接收侧输出端用于将所述第二电子信号发送到所述第二架构部分的传送侧输入端。

31.一种用于将光信号从输入装置传输到输出装置的L维光电子交换机，所述光电子交换机包括：

多个叶交换机，每个叶交换机具有基数R，并且以L维阵列布置，其中每个维度i具有相应尺寸R _i (i = 1、2、...、L)，每个叶交换机具有带坐标的相关联L元组(x ₁ 、...、x _L )，从而给出其相对于L个维度中的每一者的位置；

其中每个叶交换机是L个子阵列的成员，所述L个子阵列中的每一者与所述L个维度中的不同维度相关联，并且包括：

多个R _i 叶交换机，其坐标仅在第i维上存在差别，每个叶交换机具有用于连接到输入装置或输出装置的C个客户端端口以及用于连接到脊交换机的F个架构端口；

多个S _i 脊交换机，每个脊交换机具有用于连接到所述叶交换机的所述架构端口的R个架构端口，并且

其中在给定的子阵列中，所述子阵列中的每个叶交换机经由中间交换机连接到每个脊交换机。

32.根据权利要求31所述的光电子交换机，其中所述脊交换机中的每一者与所述叶交换机中的每一者含有相同的部件。

33.根据权利要求32所述的光电子交换机，其中每个脊交换机包括：

第一架构部分和第二架构部分，所述第一架构部分和第二架构部分分别连接到第一架构端口和第二架构端口以处理信号并与叶交换机或光有源交换机通信，所述第一架构部分具有传送侧和接收侧，

其中所述传送侧包括：

传送侧输入端，所述传送侧输入端用于接收携带信息的第一电子信号，所述信息包括有关所述第一电子信号的目的地叶交换机的信息，所述第一电子信号是从所述第二架构部分的输出端接收；

调制器，所述调制器用于将所述第一电子信号转换成含有相同信息的第一多个光信号；

传送侧多路复用器，所述传送侧多路复用器用于将所述第一多个光信号转换成多路复用的架构输出信号以传送到光有源交换机的输入端；

其中所述接收侧包括：

接收侧多路分用器，所述接收侧多路分用器用于从光有源交换机的输出端接收多路复用的架构输入信号，并且将所述多路复用的架构输入信号转换成第二多个光信号；

光检测器，所述光检测器用于将所述第二多个光信号转换成第二电子信号；以及

接收侧输出端，所述接收侧输出端用于将所述第二电子信号发送到所述第二架构部分的传送侧输入端。

34.根据权利要求31至33中任一项所述的光电子交换机，其中每个中间交换机是电子有源交换机或电子包交换机。

35.根据权利要求31至34中任一项所述的光电子交换机，其中所述中间交换机中的每一者与所述脊交换机中的每一者和/或所述叶交换机中的每一者含有相同的部件。

36.根据权利要求35所述的光电子交换机，其中每个中间交换机包括：

第一架构部分和第二架构部分，所述第一架构部分和第二架构部分分别连接到第一架构端口和第二架构端口以处理信号并与叶交换机或脊交换机通信，所述第一架构部分具有传送侧和接收侧，

其中所述传送侧包括：

传送侧输入端，所述传送侧输入端用于接收携带信息的第一电子信号，所述信息包括有关所述第一电子信号的目的地叶交换机的信息，所述第一电子信号是从所述第二架构部分的输出端接收；

调制器，所述调制器用于将所述第一电子信号转换成含有相同信息的第一多个光信号；

传送侧多路复用器，所述传送侧多路复用器用于将所述第一多个光信号转换成多路复用的架构输出信号以传送到脊交换机或叶交换机的输入端；

其中所述接收侧包括：

接收侧多路分用器，所述接收侧多路分用器用于从叶交换机或脊交换机的输出端接收多路复用的架构输入信号，并且将所述多路复用的架构输入信号转换成第二多个光信号；

光检测器，所述光检测器用于将所述第二多个光信号转换成第二电子信号；以及

接收侧输出端，所述接收侧输出端用于将所述第二电子信号发送到所述第二架构部分的传送侧输入端。

37.一种光电子交换机，所述光电子交换机基本上如本文中参考图1到图10所描述并如所述图所示。