全光算力網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)及建設(shè)策略研究

李 成

（中通服咨詢設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

傳統(tǒng)計(jì)算資源網(wǎng)絡(luò)使用電子信號進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和處理，帶寬瓶頸、能耗高等問題較為突出。而全光算力網(wǎng)絡(luò)利用光學(xué)器件和光纖等光學(xué)元件先將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為光信號，然后將光信號傳輸至指定區(qū)域。此種傳輸模式不僅數(shù)據(jù)傳輸速度快，而且可以有效降低能耗，符合我國網(wǎng)絡(luò)發(fā)展要求。近年來，我國一直在推動云網(wǎng)聯(lián)合，通過軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）技術(shù)強(qiáng)化網(wǎng)絡(luò)彈性和靈活性。目前，人工智能技術(shù)愈發(fā)完善，邊緣算計(jì)也得到重視，云計(jì)算從中心云發(fā)展模式逐漸走向邊緣。此種情況下，算力網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具備一網(wǎng)多云、多邊協(xié)同和一體供給能力，若要實(shí)現(xiàn)該建設(shè)目標(biāo)，則需不斷革新網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，加大網(wǎng)絡(luò)建設(shè)力度，同時(shí)有效解決現(xiàn)存問題。

1 全光算力網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)

1.1 全光交叉技術(shù)

全光交叉技術(shù)指利用光學(xué)器件和光學(xué)信號進(jìn)行光路交叉的技術(shù)，是光網(wǎng)絡(luò)中核心技術(shù)之一，可以實(shí)現(xiàn)在光域內(nèi)對光信號進(jìn)行靈活的交換、路由和連接，高容量、低時(shí)延是其主要技術(shù)優(yōu)勢。該技術(shù)可細(xì)分為光開關(guān)技術(shù)、光波分復(fù)用技術(shù)、光網(wǎng)絡(luò)管理和控制技術(shù)等。以光開關(guān)技術(shù)為例，其依靠光開關(guān)實(shí)現(xiàn)光信號交叉連接。光開關(guān)可以根據(jù)光輸入端口、目標(biāo)輸出端口調(diào)度控制來完成光信號的傳輸工作。常見的光開關(guān)包括光機(jī)械開關(guān)、基于硅光子的熱光開關(guān)和電光開關(guān)等。全光交叉技術(shù)組網(wǎng)示意如圖1所示。

圖1 全光交叉技術(shù)組網(wǎng)示意

1.2 全光算力錨點(diǎn)+OSU靈活管道技術(shù)

該技術(shù)主要應(yīng)用于全光算力網(wǎng)絡(luò)，具有數(shù)據(jù)傳輸效率高、靈活性高等優(yōu)勢。全光算力錨點(diǎn)指利用光傳輸介質(zhì)進(jìn)行高速計(jì)算資源傳輸和處理的節(jié)點(diǎn)，可以根據(jù)用戶需求和任務(wù)要求，將算力資源動態(tài)分配給不同的計(jì)算任務(wù)，實(shí)現(xiàn)高效計(jì)算資源利用和靈活服務(wù)調(diào)度。光學(xué)掃描單元（Optical Scanning Unit，OSU）靈活管道技術(shù)是一種基于光學(xué)開關(guān)的靈活光網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，可以根據(jù)流量需求和優(yōu)先級動態(tài)分配光路徑與連接，實(shí)現(xiàn)高帶寬、低延遲的數(shù)據(jù)傳輸，還可以在光域內(nèi)進(jìn)行靈活的光路交叉和路由，實(shí)現(xiàn)快速、可靠的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和處理。

1.3 開放光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

我國光網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)應(yīng)用多年，在應(yīng)用過程中始終以封閉系統(tǒng)為主，即網(wǎng)絡(luò)中所有硬件設(shè)備、控制軟件均來自同一廠家，軟硬件強(qiáng)耦合。如今，該系統(tǒng)整體性能漸漸無法滿足使用需求，若要改善此種情況則應(yīng)采取相應(yīng)措施使光網(wǎng)絡(luò)趨于開放。隨著SDN技術(shù)的規(guī)模部署，網(wǎng)絡(luò)開放和解耦已經(jīng)成為必然趨勢。開放光網(wǎng)絡(luò)需建立在多供應(yīng)商的市場環(huán)境下，并豐富全光底座形態(tài)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)創(chuàng)新。以開放光網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)來看，其主要由電層設(shè)備、光層設(shè)備、管控平臺組成，當(dāng)前面向?qū)＞€接入的光傳送網(wǎng)絡(luò)的電力接地裝置（Optical Transport Network - Electrical Power Earthing Device，OTN-EPE）、面向數(shù)據(jù)中心光互聯(lián)的數(shù)據(jù)中心互聯(lián)（Data Center Interconnect，DCI）設(shè)備、5G前傳波分設(shè)備等開放組網(wǎng)部署已經(jīng)在多個(gè)運(yùn)營商和互聯(lián)網(wǎng)公司應(yīng)用[1]。

1.4 頻譜拓展技術(shù)

基于我國目前的器件技術(shù)水平，提高頻率利用率難度較大。在頻譜效率無法繼續(xù)提高的情況下，若要獲得更大的傳輸容量，必須拓展光纖頻譜，提高光纖使用效率，向短波長、長波長頻譜區(qū)域繼續(xù)擴(kuò)展，目標(biāo)是將50 GHz間隔波長數(shù)量從80個(gè)擴(kuò)展到120個(gè)，C波段的4 THz（32 nm）頻譜帶寬拓展到6 THz（48 nm），系統(tǒng)傳輸容量增加50%。但鑒于拓展頻譜帶寬會導(dǎo)致拓展前C波段傳輸性能下降，因此應(yīng)提前優(yōu)化器件和相關(guān)系統(tǒng)。

1.5 超100 Gb/s傳輸技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)在我國已經(jīng)應(yīng)用多年，經(jīng)過多次升級后，現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)已經(jīng)相對成熟，但我國依然在持續(xù)突破技術(shù)瓶頸，力爭早日實(shí)現(xiàn)高速度、長距離、大容量傳輸目標(biāo)。大數(shù)據(jù)時(shí)代下，各行各業(yè)發(fā)展過程中都會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)信息，網(wǎng)絡(luò)需以快速、穩(wěn)定的傳輸方式傳輸數(shù)據(jù)。然而，100 Gb/s傳輸技術(shù)無論在能耗上，還是在傳輸質(zhì)量上都逐漸出現(xiàn)技術(shù)短板，需開發(fā)200 Gb/s/400 Gb/s/800 Gb/s傳輸技術(shù)，這些傳輸技術(shù)不但能降低能耗與成本，還可以擴(kuò)大系統(tǒng)容量。若要提升線路檢測速率，可以從提高線路波特率、使用高階調(diào)制和多載波方面入手，具體如圖2所示。

圖2 提升傳輸線路速率的技術(shù)方向

從200 Gb/s傳輸技術(shù)來看，其16QAM技術(shù)得到很大優(yōu)化，與100 Gb/s傳輸技術(shù)相比，在傳輸容量方面已經(jīng)可以做到翻倍傳輸，然而其依然存在劣勢，即傳輸距離小。若要做到長距離傳輸，則應(yīng)采用75 GHz通道間隔傳輸，雖然在技術(shù)層面上可以實(shí)現(xiàn)，但是會產(chǎn)生運(yùn)營困難、運(yùn)維成本高等問題，因此該方面還應(yīng)繼續(xù)研究。主流廠家單波200 Gb/s產(chǎn)品相對成熟，16QAM碼型頻譜利用率較高，正交相移鍵控（Quadrature Phase Shift Keying，QPSK）碼型傳輸性能指標(biāo)也符合實(shí)際應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，通用性較強(qiáng)。400 Gb/s傳輸技術(shù)的16QAM雖然應(yīng)用范圍不廣泛，但在特殊商用領(lǐng)域也得到具體使用，而800 Gb/s傳輸技術(shù)尚不完善，因此還未滿足實(shí)際商用條件[2]。

2 全光算力網(wǎng)絡(luò)建設(shè)策略

2.1 打造高質(zhì)量骨干光纜網(wǎng)

骨干光纜網(wǎng)作為全光算力網(wǎng)絡(luò)核心部分，其建設(shè)情況與全光算力網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行質(zhì)量息息相關(guān)，而要想打造高質(zhì)量骨干光纜網(wǎng)，則要優(yōu)化區(qū)域光纜布局，打通跨省互聯(lián)，加密光纜網(wǎng)格，實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)時(shí)延最優(yōu)。此外，在選擇光纜時(shí)，需優(yōu)先選擇低損耗的單模光纖以提供更長的傳輸距離和更高的傳輸質(zhì)量。需注意，這些光纜應(yīng)符合國際使用標(biāo)準(zhǔn)。敷設(shè)光纜前應(yīng)事先規(guī)劃路徑，避免因外在因素影響光纜使用情況，敷設(shè)光纜時(shí)盡量不要出現(xiàn)彎折和擠壓情況，敷設(shè)完畢后也要做好定期巡檢及維護(hù)工作。為提升連接穩(wěn)定性，光纜連接技術(shù)主要包括機(jī)械連接、熔接連接、冷接連接。連接方式不同，適用環(huán)境也會有所不同，光纜連接點(diǎn)布局應(yīng)根據(jù)實(shí)際連接方式來設(shè)置。通過各種監(jiān)測設(shè)備監(jiān)測光纜指標(biāo)，包括損耗情況、色散情況等，在骨干光纜網(wǎng)中使用冗余設(shè)計(jì)和容錯機(jī)制，確保即使在某個(gè)鏈路或節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，仍能保持高可用性和連通性。通過備份光纜和冗余路徑，實(shí)現(xiàn)快速切換和故障恢復(fù)[3]。

2.2 打造高質(zhì)量骨干傳輸網(wǎng)

高質(zhì)量骨干傳輸網(wǎng)應(yīng)具備大帶寬、高可靠性、高安全指數(shù)、低時(shí)延以及靈活調(diào)度等優(yōu)勢，國家樞紐間部署應(yīng)用超100G技術(shù)和光交叉連接（Optical Cross-Connect，OXC）器。優(yōu)化光電網(wǎng)絡(luò)立體結(jié)構(gòu)，首先規(guī)劃光纖網(wǎng)絡(luò)，合理設(shè)置傳輸距離、光纖數(shù)量和接入方式，使整個(gè)骨干傳輸網(wǎng)布局更加合理；其次優(yōu)選光纖材料，做好質(zhì)檢工作，只有具有低色散、低損耗、低非線性特點(diǎn)的光纖材料，才能有效確保信號傳輸質(zhì)量；再次在骨干傳輸網(wǎng)中適當(dāng)安裝光放大器，以起到延長光信號傳輸距離、提升傳輸質(zhì)量等作用；最后通過光路由算法和調(diào)度策略，優(yōu)化光信號傳輸路徑和分配，以減少傳輸延遲和丟包率。文章采用光學(xué)交換機(jī)和光網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測光纖的健康狀態(tài)[4]。

2.3 擴(kuò)大算力錨點(diǎn)覆蓋范圍

優(yōu)化全光算力錨點(diǎn)結(jié)構(gòu)，推動波分向城域和接入下沉來實(shí)現(xiàn)全光傳送，再通過一系列措施不斷擴(kuò)大算力錨點(diǎn)覆蓋范圍，具體如下。首先，在不同地區(qū)建設(shè)更多的算力中心，實(shí)現(xiàn)分布式算力服務(wù)，從而解決用戶與算力中心之間的網(wǎng)絡(luò)延遲問題，并滿足用戶多元化需求。其次，確保算力中心之間和算力中心與用戶之間始終保持網(wǎng)絡(luò)連接穩(wěn)定，再采用高速、低延遲網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和傳輸技術(shù)，提升網(wǎng)絡(luò)可靠性和傳輸速率。再次，與云服務(wù)提供商、運(yùn)營商等合作，通過私有線路或?qū)Ｓ面溌诽嵘W(wǎng)絡(luò)連接可靠性，發(fā)揮智能算法、資源調(diào)度系統(tǒng)的作用，實(shí)現(xiàn)算力資源的跨地域優(yōu)化調(diào)度，優(yōu)化算力資源動態(tài)配置，最大限度地利用資源，擴(kuò)大覆蓋范圍，并根據(jù)需求提供彈性擴(kuò)展服務(wù)。最后，結(jié)合用戶需求和地理?xiàng)l件，提供物理節(jié)點(diǎn)部署方案，讓用戶可以在自己的地區(qū)或附近地區(qū)部署算力節(jié)點(diǎn)，以便更好地享受服務(wù)[5]。

2.4 增強(qiáng)光網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力

提高全光網(wǎng)絡(luò)智能化水平，首先進(jìn)行自主調(diào)控和光智能調(diào)度，相關(guān)部門持續(xù)跟進(jìn)超長距開放光關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)踐，國家和政府不斷完善相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和政策，同時(shí)實(shí)施網(wǎng)際互連協(xié)議（Internet Protocol，IP）+光協(xié)同多級協(xié)同調(diào)度模式。此外，應(yīng)做到以下幾點(diǎn)：第一，提高帶寬和傳輸速率；第二，加快光信號調(diào)制速度；第三，用光纖布線、光纖交換機(jī)替代傳統(tǒng)電子交換機(jī)；第四，引入多層次網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，減少網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的跳數(shù)；第五，積極應(yīng)用光放大器，強(qiáng)化光信號傳輸質(zhì)量，擴(kuò)大光網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍；第六，完善光網(wǎng)絡(luò)管理和運(yùn)維系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測和管理光網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決故障，增強(qiáng)光網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性；第七，根據(jù)用戶需求，提供多元化光網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，如支持按需調(diào)整帶寬和傳輸速率、提供可編程光網(wǎng)絡(luò)接口等。

3 計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合布局優(yōu)化

計(jì)算與網(wǎng)絡(luò)分屬不同體系，多年來兩者雖有融合，但實(shí)際上依然是分別發(fā)展、獨(dú)立規(guī)劃的狀態(tài)，此種發(fā)展模式無法滿足5G時(shí)代發(fā)展要求。首先，無論是單芯片還是單設(shè)備，其計(jì)算能力都有待加強(qiáng)，現(xiàn)有計(jì)算能力無法為網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合服務(wù)提供數(shù)據(jù)支持。其次，邊緣計(jì)算要求計(jì)算單元貼近用戶，而現(xiàn)有技術(shù)難以高效滿足該要求。最后，如今各種高新技術(shù)飛速發(fā)展，新業(yè)務(wù)融合趨勢愈加明顯，算力類型在中央處理器（Central Processing Unit，CPU）通力計(jì)算基礎(chǔ)上不斷向圖形處理器（Graphics Processing Unit，GPU）、專用集成電路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）等專用類型靠攏，此時(shí)應(yīng)結(jié)合用戶快速接入計(jì)算服務(wù)要求，計(jì)算節(jié)點(diǎn)在布局時(shí)也應(yīng)結(jié)合網(wǎng)絡(luò)情況和業(yè)務(wù)需求等方面。若要解決這些問題，則必須完善頂層設(shè)計(jì)，優(yōu)化計(jì)算與網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合布局。簡而言之，從計(jì)算處理單元、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)等方面入手，加快其處理速度，再在建設(shè)5G核心網(wǎng)、承載網(wǎng)時(shí)一邊增強(qiáng)邊緣計(jì)算，一邊提升網(wǎng)絡(luò)承載能力[6]。

4 結(jié) 論

全光算力網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建只有借助多種關(guān)鍵技術(shù)、光學(xué)設(shè)備、光學(xué)路由、調(diào)度算法等，才能保障光信號傳輸速度、安全性。全光算力網(wǎng)絡(luò)為我國網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的主要發(fā)展方向之一，我國在此方面曾投入大量人力、物力和財(cái)力。以目前發(fā)展情況來看，雖然該技術(shù)存在挑戰(zhàn)和限制，但在不斷開發(fā)、引進(jìn)新技術(shù)和新設(shè)備后，必然可以突破技術(shù)瓶頸。在此過程中，應(yīng)重視計(jì)算與網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合布局優(yōu)化工作，為全光算力網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)提供優(yōu)質(zhì)環(huán)境。