近年来,随着云计算、社交网络服务、流媒体等新兴应用和服务的发展,给互联网流量带来了极大的增长,数据中心正面临着巨大的变革。当前数据中心网络(DCN)通常部署的是基于商用电交换机来构建的多层胖树(FatTree)拓扑架构。由于受到半导体电路集成度的限制,DCN中使用的电交换机面临着带宽瓶颈;同时,由于多层电交换网络以及大量光-电-光(O/E/O)转换的使用,引入了很高的能耗和很大的延迟。这些限制因素使得DCN需要一种更高效的方案来满足高吞吐量、低延迟和低功耗的需求。光交换网络被认为是一种很有前途的解决方案。通过利用波分复用(WDM)技术,光交换可以提供更高的通信容量。同时,它不需要大量的光-电-光转换,因此将功耗保持在一个非常低的水平。它还将带来传输格式、速率和协议透明等优点。然而,在实际应用时,无论是光电路交换(OCS)还是光分组交换(OPS),都存在着诸多问题和挑战。OCS的慢速重构问题导致无法有效地处理动态、突发的流量流,灵活度和利用率较低;OPS虽然可以实现灵活、快速的交换,但是由于光器件和光电子技术不成熟,导致目前无法商用。本论文基于目前数据中心光交换的研究工作,充分结合光和电各自的优点,提出一种光和电近似于串行的混合架构ECHOES。不同于并行EPS/OCS混合方案在核心层使用电和光两种交换机,ECHOES的核心层都是光交换机,边缘层仍保留电交换机,同时光交换机和电交换机通过信息交互紧密结合在一起。ECHOES架构中使用了光和电的联合调度算法,集中地管理网络中的流量,并提供了良好的竞争解决效果。具体来说,本论文主要包含以下几点研究工作:1.系统描述了ECHOES架构的组成和工作原理。ECHOES使用边缘电交换节点的电缓存来缓存并汇聚数据包,然后将虚拟输出队列(VOQ)的状态信息作为光上路由信息传递给光核心交换机,通过一种高效的基于帧的调度算法来计算调度方案,解决了网络中的竞争问题。2.对ECHOES架构的吞吐量、延迟和扩展性进行了详细地仿真验证。仿真表明ECHOES架构在均匀业务流和非均匀业务流条件下都能够很好的工作,ECHOES架构支持高达0.93的工作负载,并且能够始终保证接近100%的吞吐量和微秒级的时延。仿真还证明了所采用的调度算法具有很好的可扩展性。3.结合数据中心的负载特性,对ECHOES架构的时延进行了分析和优化。分析表明通过对调度算法帧长的调节,可以很大程度地优化ECHOES架构的时延表现,同时注意对突发的高负载情况进行处理,能够得到很好的仿真结果。