基于數(shù)據(jù)中心高性能光互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)技術(shù)的研究

王彤 李慧芳

（蘭州城市學(xué)院電子與信息工程學(xué)院 甘肅省蘭州市 730070）

1 光互聯(lián)的基本概念及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)技術(shù)概述

隨著數(shù)據(jù)處理和數(shù)字化進程的發(fā)展，數(shù)據(jù)的傳輸和存儲也發(fā)生了質(zhì)的飛躍，短距離互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展受到了高寬帶的約束。由于傳輸過程中的損耗與網(wǎng)絡(luò)互繞，造成銅線進行網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆绞皆诟邔拵ЬW(wǎng)速條件下不能有效運行，成本相應(yīng)較高。電纜數(shù)量增多，會造成互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)負(fù)荷較大導(dǎo)致布線難度加大，且拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜、網(wǎng)絡(luò)能耗難以優(yōu)化。比起電互連，光互聯(lián)的帶寬高、損耗低、無網(wǎng)絡(luò)互繞且電磁兼容性強，并且光互聯(lián)已經(jīng)逐漸在機柜間、板間和框架間得到應(yīng)用。

調(diào)研Synergy 第三方數(shù)據(jù)顯示，在2020年下半年，全球超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心已多于541 個，數(shù)據(jù)中心規(guī)模運行后，云服務(wù)器和云負(fù)載的超級數(shù)據(jù)中心將超過85%，其處理能力也會上升30 個百分點。到 2022年，全球 IP 流量預(yù)計將達到每月396EB，屆時將有285 億固定和移動個人設(shè)備和連接，日益增長的數(shù)據(jù)流量需求對網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)提出更高要求。

1.1 數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

當(dāng)數(shù)據(jù)互聯(lián)中心的內(nèi)部網(wǎng)速達到吉比特/秒時，分布式光互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)由于易部署、連接距離長、高帶寬等優(yōu)點被大量使用。隨著互聯(lián)網(wǎng)規(guī)模和業(yè)務(wù)發(fā)展的日趨成熟和壯大，東西分流逐漸加強，數(shù)據(jù)中心設(shè)備數(shù)量增多，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)不斷上升，從而豐富了互聯(lián)網(wǎng)端口類型，如圖1所示。光互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)增加了光模塊的數(shù)據(jù)流向使用率，加大了光模塊對互聯(lián)網(wǎng)的穩(wěn)定性影響，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備硬件占比日趨增加。

1.2 數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中的互聯(lián)示例

隨著網(wǎng)絡(luò)設(shè)備互聯(lián)的普及，光模塊的自主方案設(shè)計逐漸發(fā)展，經(jīng)歷了分立器件、硅基光子SIP、化合物半導(dǎo)體芯片、光學(xué)集成等幾個發(fā)展階段，光互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)一直呈正向發(fā)展，不僅高速，而且耗能少、集成，如圖2所示。在諸多技術(shù)方案可供選擇的同時，擇優(yōu)考慮互聯(lián)網(wǎng)所能承載的數(shù)據(jù)，確保成本降低是很有必要的。

盡管光收發(fā)模塊被設(shè)計成可插撥和標(biāo)準(zhǔn)化，但考慮到系統(tǒng)的兼容性和部署習(xí)慣，廠家通常把光模塊和設(shè)備實行捆綁，并將有關(guān)數(shù)據(jù)向中心用戶提供。隨著數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)規(guī)模日趨發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)變得逐漸復(fù)雜，就需要用戶自行設(shè)計技術(shù)方案，降低成本，所以解綁光模塊和互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備勢在必然。而且，網(wǎng)絡(luò)逐漸開放，設(shè)備逐漸白盒化，自主引進光模塊將成為一種必然趨勢。

2 光交換節(jié)點設(shè)計和交換機制設(shè)計

2.1 光交換節(jié)點設(shè)計

光交換節(jié)點在互聯(lián)網(wǎng)中所起到的作用是十分重要的，對很多環(huán)節(jié)的影響都是決定性的。光分組交換機的應(yīng)用大大改變了互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)狀，使得原來存在的很多問題都得到了有效的解決。光互聯(lián)自身具有一定的優(yōu)越性，可實現(xiàn)高帶寬的光連接解決核心層的阻塞問題。高基數(shù)光分組交換機的使用能夠使資源共享的效率大大提升。雖然高基數(shù)光分組交換機具有很多突出的優(yōu)勢，但其設(shè)計工作并不是一項簡單的任務(wù)，會面臨很多困難與挑戰(zhàn)。

光域交換和電域交換之間存在很大的差距，光域交換在輸入數(shù)據(jù)及輸出數(shù)據(jù)的過程中可以借助多種方式實現(xiàn)，例如我們所熟知的波長域、時間域與空間域等。分組之間的交換任務(wù)主要是借助分配之間間隔等方式實現(xiàn)的。

圖1：普適性數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的結(jié)構(gòu)技術(shù)

圖2：光模塊速率發(fā)展

圖3：光模塊技術(shù)指標(biāo)規(guī)范

隨著研究工作的深入開展提出了空-時交換結(jié)構(gòu)STIA (Spacetime Interconnection Network Architecture)。這種結(jié)構(gòu)下交換機包含的線卡數(shù)量為M 張，所有的線卡都具有N 個端口，即輸出端口與輸入端口。在這種模式下時隙交換單元決定著端口的選擇，為了提高吞吐，STIA 交換機充分發(fā)揮了波長域的作用實現(xiàn)分組編碼。簡單來說就是在具體的應(yīng)用過程中實現(xiàn)電分組到光分組的轉(zhuǎn)化，這種轉(zhuǎn)化工作的實現(xiàn)是借助波長信道完成的。綜上，STIA 交換機的應(yīng)用能夠大大降低能耗，除此之外不僅使交換機的吞吐得以提高，對于其擴展性的提高也具有十分重要的促進作用。

2.2 光交換機制設(shè)計

圖4：網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及模塊結(jié)構(gòu)控制

電域交換和光域交換是兩者不同的交換類型，兩者都具有各自的特點，雖然在上述內(nèi)容的闡述中已經(jīng)對光域交換模式所具有的突出優(yōu)勢進行了詳細(xì)的解釋與說明，但并不代表光域交換類型就是完美的。光域交換的局限性是沒有設(shè)置光緩存單元，該單元的主要作用在于對即將路由以及競爭失敗的分組進行存儲，所有通常情況下該功能的實現(xiàn)都是借助OBS 以及OCS 實現(xiàn)的。信息傳輸與光電路交換是有先后順序的，一般來說光電路的行為發(fā)生在信息傳輸前，需要進行路徑的預(yù)約，完成預(yù)約后等待配置的信息反饋，接受到來自配置器的反饋后再進行數(shù)據(jù)分組的發(fā)送工作。光突發(fā)交換在具體的工作過程中也是以同樣的方式進行的。無論是哪種交換機制在具體的應(yīng)用過程中都存在固有的弱點與缺陷，為了提高應(yīng)用效率、保障網(wǎng)絡(luò)的正常運行，研究人員在后續(xù)的研究過程中對其進行了完善。

光電路交換的應(yīng)用使得之前存在的很多問題都得到了有效的解決，首先從網(wǎng)絡(luò)連通性角度來看與之前相比大大提高。原來的模式在使用的過程中無論是數(shù)據(jù)的緩存還是數(shù)據(jù)的輸出與接收都面臨著一定的限制，而光電路交換的使用使這些問題得以解決。以3D-MEMS 交換機為例，該交換機的硬件配置時延與優(yōu)化調(diào)度時延分別是10～100 ms、100ms～1s，表明光電路交換的部署具有嚴(yán)格的限制，并不是所有的層面都滿足部署條件，只有核心層符合要求。在這種情況下，以G.Porter 為代表的研究人員對此問題展開了深入研究與分析，提出了TMS (Traffic Matrix Switching)調(diào)度機制，使這種局面得到了改變。

3 基于SDN的光互聯(lián)技術(shù)

軟件定義網(wǎng)絡(luò)實際上指的是對控制層以及數(shù)據(jù)層進行分離，分離的目的在于將網(wǎng)絡(luò)功能釋放出來，從根本上說屬于控制架構(gòu)范疇。基于SDN 架構(gòu)可通過軟件對光分組傳送資源進行動態(tài)分配，根據(jù)業(yè)務(wù)顆粒的大小、服務(wù)等級、保護和恢復(fù)策略，對基于任意帶寬顆粒的波長和子波長的匯聚與交換靈活實現(xiàn)，不同底層設(shè)備在協(xié)議控制下根據(jù)業(yè)務(wù)流量靈活分配路徑帶寬，從而減少調(diào)整與部署開銷。

SDN 架構(gòu)在具體的應(yīng)用過程中具有多種類型的實現(xiàn)形式，OpenFlow 技術(shù)就是其中的一種，在實際應(yīng)用過程中OpenFlow 技術(shù)與控制器之間需要密切配合，這樣才能確保網(wǎng)絡(luò)相關(guān)功能的實現(xiàn)。以M.Channegowda 為代表的研究人員對OpenFlow 技術(shù)進行了深入研究，并提出了光 SDN 控制架構(gòu)[1]，此架構(gòu)提出的重要意義在于能夠為抽象方案的落實提供保障。該架構(gòu)分組為SDN 應(yīng)用層、拓展性O(shè)penflow（OF）協(xié)議以及硬件抽象層。每一個組件所具有的功能存在一定的差異性，以硬件抽象層為例，該組件的主要作用在于能夠?qū)崿F(xiàn)技術(shù)細(xì)節(jié)的隱藏，可以根據(jù)硬件所處的具體狀態(tài)進行編程接口的供應(yīng)。硬件抽象層包含多個組成部分，其中硬件表示層的主要職責(zé)是通過統(tǒng)一的信息格式向硬件接口提供設(shè)備的特征信息和功能。以控制層為例，OF 交換機所具有的流表數(shù)量并不是單一的，可以是一張也可以是很多張，各個流實體所包含的行為也具有多樣性的特點。Openflow addendum v0.3 在實際應(yīng)用過程中會受到一定限制，雖然將其應(yīng)用于電路交換能夠取得很好的效果，但是在光電路交換技術(shù)方面的應(yīng)用中其功能就不能很好的發(fā)揮出來，在這種情況下提出了增強型Openflow 協(xié)議，該協(xié)議的提出不僅給予了流標(biāo)識新的定義，與此同時還實現(xiàn)了CFlow_Mod 與Switch_Feature的修改。以SDN 應(yīng)用層為例，研究人員在研究的過程中對該層面的功能進行了補充，在原來的基礎(chǔ)上增加了更多新功能，擴大了其應(yīng)用范圍。依據(jù)學(xué)者[2]進行的實驗平臺的構(gòu)建，對相關(guān)內(nèi)容進行了測試，測試結(jié)果顯示建立在OF 條件下的SDN 控制平臺不僅可以為動態(tài)網(wǎng)絡(luò)控制的實現(xiàn)提供條件，同時還有利于實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的控制。

4 京東公司數(shù)據(jù)中心光互聯(lián)技術(shù)的實踐應(yīng)用

云計算的核心平臺是數(shù)據(jù)中心，所以，要發(fā)展云計算，數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)須得到完善，基于寬帶、耗能、管理和設(shè)備開銷等因素，傳統(tǒng)的電互連很難滿足云應(yīng)用的需求，而光互聯(lián)憑借其優(yōu)勢逐步占據(jù)市場，以下就京東公司構(gòu)建的某區(qū)域數(shù)據(jù)中心光互聯(lián)技術(shù)應(yīng)用的實踐展開分析[3]。

4.1 統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)建設(shè)和運維插拔組件需要進一步簡化，光模塊與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的兼容需要進一步解決，因此，在技術(shù)方面和廣泛兼容性方面要求二者標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一。根據(jù)MSA（Multi Source Agreement）多源協(xié)議提出的標(biāo)準(zhǔn)，對光模塊的結(jié)構(gòu)封裝和相關(guān)接口做出規(guī)范，如圖3所示。但多源協(xié)議的限制條件相對寬松，不同廠家的執(zhí)行效果也不同。因此，初期京東公司網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架人員要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)實際需求和運維情況細(xì)化有關(guān)要求，在對光模塊提出要求的同時，對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備光端口的技術(shù)也有相關(guān)要求。

4.2 定制化功能

由于光端口自適應(yīng)控制，有效降低了故障率。京東公司在建設(shè)和使用網(wǎng)絡(luò)的過程中，有效綜合光模塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，讓其在系統(tǒng)層面實現(xiàn)動態(tài)自助調(diào)配。把設(shè)備端數(shù)據(jù)鏈路傳輸幀出現(xiàn)的錯誤作為分析基礎(chǔ)，對光模塊和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的有關(guān)參數(shù)進行實時調(diào)整，形成積極有效的正面反饋體系，如圖4所示。確保成本不變的前提下，盡量減少因碼字傳輸問題造成的光模塊鏈接失效[4]。

4.3 開放與定制優(yōu)化方案

（1）將光模塊和交換機共同解耦，為適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)變更發(fā)展，對光互聯(lián)技術(shù)方案實行自由選擇。

（2）把標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，化解光模塊和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備兼容性障礙，使網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運維得到進一步簡化。

（3）將電氣化和運維成本降低，制定相應(yīng)的電器特性和管理接口。

（4）和光模塊廠家直接對口幫扶，引進先進技術(shù)，構(gòu)建光模塊功能與可靠性認(rèn)證體系，降低成本，簡化供應(yīng)關(guān)系。

對于處理云計算網(wǎng)絡(luò)面臨的有關(guān)問題，數(shù)據(jù)中心光互聯(lián)技術(shù)起著關(guān)鍵作用。雖然光互聯(lián)技術(shù)也存在一些不同程度的問題，但可以預(yù)知，隨著信息技術(shù)和光互聯(lián)技術(shù)的日益發(fā)展，數(shù)據(jù)中心光互聯(lián)技術(shù)將助推云計算向前發(fā)展，而且成本較低、耗能較少、耗時短、帶寬高。

5 結(jié)語

隨著云計算、數(shù)據(jù)中心等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體系的不斷演進，光互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)技術(shù)因在能耗、帶寬、傳輸透明性等方面的優(yōu)勢逐步主導(dǎo)市場。本文對光互聯(lián)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)技術(shù)及應(yīng)用進行研究，對光互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的不同類型進行了分析和特點總結(jié)。通過對企業(yè)應(yīng)用案例的進展情況分析得出，在對網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的過程中應(yīng)分析如網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、交換節(jié)點、靈活的交換機制、分布式控制策略多方面因素的共同影響，除了降低成本之外，設(shè)備開銷、能源消耗、技術(shù)水平等都是需要考慮的重要問題。光互聯(lián)架構(gòu)的設(shè)計要堅持實事求是，做到具體問題具體分析。隨著光器件的成熟和研究的深入，光互聯(lián)架構(gòu)云數(shù)據(jù)中心的優(yōu)勢將成為我國云數(shù)據(jù)中心發(fā)展的重點，進一步擴大連通性能、擴展性能等技術(shù)優(yōu)勢。