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近年来,作为承载云计算和大数据等多种新型计算和应用的核心基础设施,数据中心得到快速发展。业务和通信模式的转变对连接大规模服务器、存储设备等硬件资源的数据中心网络提出新的挑战。传统电交换网络架构面临网络带宽受限、能量消耗过大等问题,难以满足大规模数据中心网络的需求。光电混合数据中心网络结合光交换和电交换的优势,按照需求动态调整网络拓扑和带宽,能够有效提升网络的性能、降低功耗和布线复杂度等。本文面向软件定义光电混合数据中心网络,针对当前光互连网络架构扩展性和性能的不足、组播资源利用率低、链路调度未考虑短流等问题,分别对新型光互连网络架构、高效组播优化机制、带优先级的光电混合调度机制等挑战性问题展开研究,论文的主要工作包括:(1)针对目前光交换网络架构在可扩展性、灵活性以及性能方面的不足,提出一种高性能的光交换网络架构DETOUR。DETOUR设计为分布式光交换网络架构,将光交换机按照2D-Torus拓扑连接,有效提升光交换网络的规模,支持网络的动态扩展。DETOUR基于“广播-选择”光交换机制,能够灵活的支持单播、组播、广播等多种通信模式。DETOUR设计一种支持在两个维度上进行光信号交换的光交换机,每个光交换机广播的光信号能够到达DETOUR中任意的光交换机,从而支持在任意光交换机之间建立直连的光链路。根据DETOUR网络架构的特性,提出一种基于递归的冲突波长调整算法,并通过理论证明DETOUR光交换网络的无阻塞特性。与其它光交换网络架构相比,DETOUR能够同时满足扩展性、灵活性以及高性能的要求。实验表明,与OvS和Jellyfish相比,DETOUR能有效减少34%和57%的平均流完成时间,降低21%和30%的能量消耗。(2)针对现有数据中心组播优化方案资源利用率低、可扩展性差的问题,提出一种物理层分光组播和报文复制电组播协同优化机制iCAST。iCAST面向应用层感知组播需求,提出一种贪心的组播树构建算法和灵活的组播流切换策略。在构建组播树的过程中,iCAST优先为大流量组播组分配光组播链路,如果不能完全覆盖,则寻找可用的电组播。在构建完组播树配置的过程中,iCAST通过灵活的路由策略将组播流量在电交换网络和光交换网络之间切换,避免为等待光链路资源而阻塞组播流。通过自由空间光和光分束器搭建光电混合组播原型系统,并重新设计高性能计算框架MPICH以支持iCAST。实验表明,与MPICH中现有的环形算法相比,iCAST减少一个数量级的组播流完成时间。(3)针对当前光链路调度算法优化平均流完成时间,尤其是短流完成时间存在的不足,提出一种流调度和链路调度联合优化机制HyFabric。HyFabric采用最短剩余处理时间(Shortest Remaining Processing Time,SRPT)优先策略优化平均流完成时间。为了支持SRPT策略,HyFabric重新设计了柜顶(Top of Rack,ToR)交换机中的队列,能够根据SRPT策略进行报文出队列和丢弃。ToR交换机包含虚拟输出队列将不同目的ToR交换机的报文累积,经过ToR交换机上的调度器选择光交换或者电交换网络。HyFabric提出一种基于优先级的多级稳定婚姻算法为虚拟输出队列中累积的报文分配光链路,优先级根据累积报文中的优先级信息计算。与以往工作相比,HyFabric能够有效结合光交换和电交换网络,共同实现SRPT策略,最小化平均流完成时间。实验表明,与ProjecToR和Solstice相比,HyFabric能减少平均流完成时间93%以上,降低平均能量消耗32%以上。