基于數據中心高性能光互聯網絡架構技術的研究

王彤 李慧芳

（蘭州城市學院電子與信息工程學院 甘肅省蘭州市 730070）

1 光互聯的基本概念及網絡結構技術概述

隨著數據處理和數字化進程的發展，數據的傳輸和存儲也發生了質的飛躍，短距離互聯網的發展受到了高寬帶的約束。由于傳輸過程中的損耗與網絡互繞，造成銅線進行網絡傳輸的方式在高寬帶網速條件下不能有效運行，成本相應較高。電纜數量增多，會造成互聯網系統負荷較大導致布線難度加大，且拓撲結構復雜、網絡能耗難以優化。比起電互連，光互聯的帶寬高、損耗低、無網絡互繞且電磁兼容性強，并且光互聯已經逐漸在機柜間、板間和框架間得到應用。

調研Synergy 第三方數據顯示，在2020年下半年，全球超大規模數據中心已多于541 個，數據中心規模運行后，云服務器和云負載的超級數據中心將超過85%，其處理能力也會上升30 個百分點。到 2022年，全球 IP 流量預計將達到每月396EB，屆時將有285 億固定和移動個人設備和連接，日益增長的數據流量需求對網絡架構提出更高要求。

1.1 數據中心網絡結構

當數據互聯中心的內部網速達到吉比特/秒時，分布式光互聯網架構由于易部署、連接距離長、高帶寬等優點被大量使用。隨著互聯網規模和業務發展的日趨成熟和壯大，東西分流逐漸加強，數據中心設備數量增多，網絡節點數不斷上升，從而豐富了互聯網端口類型，如圖1所示。光互聯網絡增加了光模塊的數據流向使用率，加大了光模塊對互聯網的穩定性影響，網絡設備硬件占比日趨增加。

1.2 數據中心網絡中的互聯示例

隨著網絡設備互聯的普及，光模塊的自主方案設計逐漸發展，經歷了分立器件、硅基光子SIP、化合物半導體芯片、光學集成等幾個發展階段，光互聯網技術一直呈正向發展，不僅高速，而且耗能少、集成，如圖2所示。在諸多技術方案可供選擇的同時，擇優考慮互聯網所能承載的數據，確保成本降低是很有必要的。

盡管光收發模塊被設計成可插撥和標準化，但考慮到系統的兼容性和部署習慣，廠家通常把光模塊和設備實行捆綁，并將有關數據向中心用戶提供。隨著數據中心網絡規模日趨發展，互聯網結構變得逐漸復雜，就需要用戶自行設計技術方案，降低成本，所以解綁光模塊和互聯網設備勢在必然。而且，網絡逐漸開放，設備逐漸白盒化，自主引進光模塊將成為一種必然趨勢。

2 光交換節點設計和交換機制設計

2.1 光交換節點設計

光交換節點在互聯網中所起到的作用是十分重要的，對很多環節的影響都是決定性的。光分組交換機的應用大大改變了互聯網絡的現狀，使得原來存在的很多問題都得到了有效的解決。光互聯自身具有一定的優越性，可實現高帶寬的光連接解決核心層的阻塞問題。高基數光分組交換機的使用能夠使資源共享的效率大大提升。雖然高基數光分組交換機具有很多突出的優勢，但其設計工作并不是一項簡單的任務，會面臨很多困難與挑戰。

光域交換和電域交換之間存在很大的差距，光域交換在輸入數據及輸出數據的過程中可以借助多種方式實現，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主要是借助分配之間間隔等方式實現的。

圖1：普適性數據中心應用的結構技術

圖2：光模塊速率發展

圖3：光模塊技術指標規范

隨著研究工作的深入開展提出了空-時交換結構STIA (Spacetime Interconnection Network Architecture)。這種結構下交換機包含的線卡數量為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 交換機充分發揮了波長域的作用實現分組編碼。簡單來說就是在具體的應用過程中實現電分組到光分組的轉化，這種轉化工作的實現是借助波長信道完成的。綜上，STIA 交換機的應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 光交換機制設計

圖4：網絡設備及模塊結構控制

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，雖然在上述內容的闡述中已經對光域交換模式所具有的突出優勢進行了詳細的解釋與說明，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都是借助OBS 以及OCS 實現的。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生在信息傳輸前，需要進行路徑的預約，完成預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據分組的發送工作。光突發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用過程中都存在固有的弱點與缺陷，為了提高應用效率、保障網絡的正常運行，研究人員在后續的研究過程中對其進行了完善。

光電路交換的應用使得之前存在的很多問題都得到了有效的解決，首先從網絡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據的緩存還是數據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化調度時延分別是10～100 ms、100ms～1s，表明光電路交換的部署具有嚴格的限制，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)調度機制，使這種局面得到了改變。

3 基于SDN的光互聯技術

軟件定義網絡實際上指的是對控制層以及數據層進行分離，分離的目的在于將網絡功能釋放出來，從根本上說屬于控制架構范疇。基于SDN 架構可通過軟件對光分組傳送資源進行動態分配，根據業務顆粒的大小、服務等級、保護和恢復策略，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，不同底層設備在協議控制下根據業務流量靈活分配路徑帶寬，從而減少調整與部署開銷。

SDN 架構在具體的應用過程中具有多種類型的實現形式，OpenFlow 技術就是其中的一種，在實際應用過程中OpenFlow 技術與控制器之間需要密切配合，這樣才能確保網絡相關功能的實現。以M.Channegowda 為代表的研究人員對OpenFlow 技術進行了深入研究，并提出了光 SDN 控制架構[1]，此架構提出的重要意義在于能夠為抽象方案的落實提供保障。該架構分組為SDN 應用層、拓展性Openflow（OF）協議以及硬件抽象層。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實現技術細節的隱藏，可以根據硬件所處的具體狀態進行編程接口的供應。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是通過統一的信息格式向硬件接口提供設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 在實際應用過程中會受到一定限制，雖然將其應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方面的應用中其功能就不能很好的發揮出來，在這種情況下提出了增強型Openflow 協議，該協議的提出不僅給予了流標識新的定義，與此同時還實現了CFlow_Mod 與Switch_Feature的修改。以SDN 應用層為例，研究人員在研究的過程中對該層面的功能進行了補充，在原來的基礎上增加了更多新功能，擴大了其應用范圍。依據學者[2]進行的實驗平臺的構建，對相關內容進行了測試，測試結果顯示建立在OF 條件下的SDN 控制平臺不僅可以為動態網絡控制的實現提供條件，同時還有利于實現網絡的控制。

4 京東公司數據中心光互聯技術的實踐應用

云計算的核心平臺是數據中心，所以，要發展云計算，數據中心的網絡架構須得到完善，基于寬帶、耗能、管理和設備開銷等因素，傳統的電互連很難滿足云應用的需求，而光互聯憑借其優勢逐步占據市場，以下就京東公司構建的某區域數據中心光互聯技術應用的實踐展開分析[3]。

4.1 統一技術標準

網絡架構建設和運維插拔組件需要進一步簡化，光模塊與網絡設備的兼容需要進一步解決，因此，在技術方面和廣泛兼容性方面要求二者標準統一。根據MSA（Multi Source Agreement）多源協議提出的標準，對光模塊的結構封裝和相關接口做出規范，如圖3所示。但多源協議的限制條件相對寬松，不同廠家的執行效果也不同。因此，初期京東公司網絡構架人員要根據網絡實際需求和運維情況細化有關要求，在對光模塊提出要求的同時，對網絡設備光端口的技術也有相關要求。

4.2 定制化功能

由于光端口自適應控制，有效降低了故障率。京東公司在建設和使用網絡的過程中，有效綜合光模塊設備和網絡技術，讓其在系統層面實現動態自助調配。把設備端數據鏈路傳輸幀出現的錯誤作為分析基礎，對光模塊和網絡設備的有關參數進行實時調整，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 開放與定制優化方案

（1）將光模塊和交換機共同解耦，為適應網絡技術變更發展，對光互聯技術方案實行自由選擇。

（2）把標準統一，化解光模塊和網絡設備兼容性障礙，使網絡建設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，構建光模塊功能與可靠性認證體系，降低成本，簡化供應關系。

對于處理云計算網絡面臨的有關問題，數據中心光互聯技術起著關鍵作用。雖然光互聯技術也存在一些不同程度的問題，但可以預知，隨著信息技術和光互聯技術的日益發展，數據中心光互聯技術將助推云計算向前發展，而且成本較低、耗能較少、耗時短、帶寬高。

5 結語

隨著云計算、數據中心等網絡技術體系的不斷演進，光互聯網絡架構技術因在能耗、帶寬、傳輸透明性等方面的優勢逐步主導市場。本文對光互聯數據中心網絡架構技術及應用進行研究，對光互聯網絡架構的不同類型進行了分析和特點總結。通過對企業應用案例的進展情況分析得出，在對網絡設計的過程中應分析如網絡結構、交換節點、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，設備開銷、能源消耗、技術水平等都是需要考慮的重要問題。光互聯架構的設計要堅持實事求是，做到具體問題具體分析。隨著光器件的成熟和研究的深入，光互聯架構云數據中心的優勢將成為我國云數據中心發展的重點，進一步擴大連通性能、擴展性能等技術優勢。