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(jìn)程的發(fā)展，數(shù)據(jù)的傳輸和存儲(chǔ)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(guò)程中的損耗與網(wǎng)絡(luò)互繞，造成銅線進(jìn)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(yùn)行，成本相應(yīng)較高。電纜數(shù)量增多，會(huì)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(wú)網(wǎng)絡(luò)互繞且電磁兼容性強(qiáng)，并且光互聯(lián)已經(jīng)逐漸在機(jī)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(gè)，數(shù)據(jù)中心規(guī)模運(yùn)行后，云服務(wù)器和云負(fù)載的超級(jí)數(shù)據(jù)中心將超過(guò)85%，其處理能力也會(huì)上升30 個(gè)百分點(diǎn)。到 2022年，全球 IP 流量預(yù)計(jì)將達(dá)到每月396EB，屆時(shí)將有285 億固定和移動(dòng)個(gè)人設(shè)備和連接，日益增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)流量需求對(duì)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(dá)到吉比特/秒時(shí)，分布式光互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)由于易部署、連接距離長(zhǎng)、高帶寬等優(yōu)點(diǎn)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(qiáng)，數(shù)據(jù)中心設(shè)備數(shù)量增多，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(duì)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(jì)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(gè)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(shí)，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(jì)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(shí)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(jì)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(shì)在必然。而且，網(wǎng)絡(luò)逐漸開(kāi)放，設(shè)備逐漸白盒化，自主引進(jìn)光模塊將成為一種必然趨勢(shì)。

2 光交換節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和交換機(jī)制設(shè)計(jì)

2.1 光交換節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

光交換節(jié)點(diǎn)在互聯(lián)網(wǎng)中所起到的作用是十分重要的，對(duì)很多環(huán)節(jié)的影響都是決定性的。光分組交換機(jī)的應(yīng)用大大改變了互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)狀，使得原來(lái)存在的很多問(wèn)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(shí)現(xiàn)高帶寬的光連接解決核心層的阻塞問(wèn)題。高基數(shù)光分組交換機(jī)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(jī)具有很多突出的優(yōu)勢(shì)，但其設(shè)計(jì)工作并不是一項(xiàng)簡(jiǎn)單的任務(wù)，會(huì)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(guò)程中可以借助多種方式實(shí)現(xiàn)，例如我們所熟知的波長(zhǎng)域、時(shí)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(shí)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(kāi)展提出了空-時(shí)交換結(jié)構(gòu)STIA (Spacetime Interconnection Network Architecture)。這種結(jié)構(gòu)下交換機(jī)包含的線卡數(shù)量為M 張，所有的線卡都具有N 個(gè)端口，即輸出端口與輸入端口。在這種模式下時(shí)隙交換單元決定著端口的選擇，為了提高吞吐，STIA 交換機(jī)充分發(fā)揮了波長(zhǎng)域的作用實(shí)現(xiàn)分組編碼。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是在具體的應(yīng)用過(guò)程中實(shí)現(xiàn)電分組到光分組的轉(zhuǎn)化，這種轉(zhuǎn)化工作的實(shí)現(xiàn)是借助波長(zhǎng)信道完成的。綜上，STIA 交換機(jī)的應(yīng)用能夠大大降低能耗，除此之外不僅使交換機(jī)的吞吐得以提高，對(duì)于其擴(kuò)展性的提高也具有十分重要的促進(jìn)作用。

2.2 光交換機(jī)制設(shè)計(jì)

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(diǎn)，雖然在上述內(nèi)容的闡述中已經(jīng)對(duì)光域交換模式所具有的突出優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了詳細(xì)的解釋與說(shuō)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(méi)有設(shè)置光緩存單元，該單元的主要作用在于對(duì)即將路由以及競(jìng)爭(zhēng)失敗的分組進(jìn)行存儲(chǔ)，所有通常情況下該功能的實(shí)現(xiàn)都是借助OBS 以及OCS 實(shí)現(xiàn)的。信息傳輸與光電路交換是有先后順序的，一般來(lái)說(shuō)光電路的行為發(fā)生在信息傳輸前，需要進(jìn)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(lái)自配置器的反饋后再進(jìn)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(guò)程中也是以同樣的方式進(jìn)行的。無(wú)論是哪種交換機(jī)制在具體的應(yīng)用過(guò)程中都存在固有的弱點(diǎn)與缺陷，為了提高應(yīng)用效率、保障網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行，研究人員在后續(xù)的研究過(guò)程中對(duì)其進(jìn)行了完善。

光電路交換的應(yīng)用使得之前存在的很多問(wèn)題都得到了有效的解決，首先從網(wǎng)絡(luò)連通性角度來(lái)看與之前相比大大提高。原來(lái)的模式在使用的過(guò)程中無(wú)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(wèn)題得以解決。以3D-MEMS 交換機(jī)為例，該交換機(jī)的硬件配置時(shí)延與優(yōu)化調(diào)度時(shí)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(duì)此問(wèn)題展開(kāi)了深入研究與分析，提出了TMS (Traffic Matrix Switching)調(diào)度機(jī)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(shí)際上指的是對(duì)控制層以及數(shù)據(jù)層進(jìn)行分離，分離的目的在于將網(wǎng)絡(luò)功能釋放出來(lái)，從根本上說(shuō)屬于控制架構(gòu)范疇?；赟DN 架構(gòu)可通過(guò)軟件對(duì)光分組傳送資源進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配，根據(jù)業(yè)務(wù)顆粒的大小、服務(wù)等級(jí)、保護(hù)和恢復(fù)策略，對(duì)基于任意帶寬顆粒的波長(zhǎng)和子波長(zhǎng)的匯聚與交換靈活實(shí)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(kāi)銷。

SDN 架構(gòu)在具體的應(yīng)用過(guò)程中具有多種類型的實(shí)現(xiàn)形式，OpenFlow 技術(shù)就是其中的一種，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)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(shí)現(xiàn)。以M.Channegowda 為代表的研究人員對(duì)OpenFlow 技術(shù)進(jìn)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?yàn)槌橄蠓桨傅穆鋵?shí)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(gè)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(jìn)行編程接口的供應(yīng)。硬件抽象層包含多個(gè)組成部分，其中硬件表示層的主要職責(zé)是通過(guò)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(jī)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(gè)流實(shí)體所包含的行為也具有多樣性的特點(diǎn)。Openflow addendum v0.3 在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中會(huì)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(lái)，在這種情況下提出了增強(qiáng)型Openflow 協(xié)議，該協(xié)議的提出不僅給予了流標(biāo)識(shí)新的定義，與此同時(shí)還實(shí)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(guò)程中對(duì)該層面的功能進(jìn)行了補(bǔ)充，在原來(lái)的基礎(chǔ)上增加了更多新功能，擴(kuò)大了其應(yīng)用范圍。依據(jù)學(xué)者[2]進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建，對(duì)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示建立在OF 條件下的SDN 控制平臺(tái)不僅可以為動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)控制的實(shí)現(xiàn)提供條件，同時(shí)還有利于實(shí)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(shí)踐應(yīng)用

云計(jì)算的核心平臺(tái)是數(shù)據(jù)中心，所以，要發(fā)展云計(jì)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(kāi)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(shì)逐步占據(jù)市場(chǎng)，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(shí)踐展開(kāi)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(yùn)維插拔組件需要進(jìn)一步簡(jiǎn)化，光模塊與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的兼容需要進(jìn)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(duì)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(duì)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(shí)際需求和運(yùn)維情況細(xì)化有關(guān)要求，在對(duì)光模塊提出要求的同時(shí)，對(duì)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(guò)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(shí)現(xiàn)動(dòng)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(cuò)誤作為分析基礎(chǔ)，對(duì)光模塊和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的有關(guān)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)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(wèn)題造成的光模塊鏈接失效[4]。

4.3 開(kāi)放與定制優(yōu)化方案

（1）將光模塊和交換機(jī)共同解耦，為適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)變更發(fā)展，對(duì)光互聯(lián)技術(shù)方案實(shí)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(yùn)維得到進(jìn)一步簡(jiǎn)化。

（3）將電氣化和運(yùn)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(duì)口幫扶，引進(jìn)先進(jìn)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(jiǎn)化供應(yīng)關(guān)系。

對(duì)于處理云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)面臨的有關(guān)問(wèn)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(wèn)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(jì)算向前發(fā)展，而且成本較低、耗能較少、耗時(shí)短、帶寬高。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著云計(jì)算、數(shù)據(jù)中心等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體系的不斷演進(jìn)，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(shì)逐步主導(dǎo)市場(chǎng)。本文對(duì)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(jìn)行研究，對(duì)光互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的不同類型進(jìn)行了分析和特點(diǎn)總結(jié)。通過(guò)對(duì)企業(yè)應(yīng)用案例的進(jìn)展情況分析得出，在對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的過(guò)程中應(yīng)分析如網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、交換節(jié)點(diǎn)、靈活的交換機(jī)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(kāi)銷、能源消耗、技術(shù)水平等都是需要考慮的重要問(wèn)題。光互聯(lián)架構(gòu)的設(shè)計(jì)要堅(jiān)持實(shí)事求是，做到具體問(wèn)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(shì)將成為我國(guó)云數(shù)據(jù)中心發(fā)展的重點(diǎn)，進(jìn)一步擴(kuò)大連通性能、擴(kuò)展性能等技術(shù)優(yōu)勢(shì)。