基于数据中心高性能光互联网络架构技术的研究

王彤 李慧芳

（兰州城市学院电子与信息工程学院 甘肃省兰州市 730070）

1 光互联的基本概念及网络结构技术概述

随着数据处理和数字化进程的发展，数据的传输和存储也发生了质的飞跃，短距离互联网的发展受到了高宽带的约束。由于传输过程中的损耗与网络互绕，造成铜线进行网络传输的方式在高宽带网速条件下不能有效运行，成本相应较高。电缆数量增多，会造成互联网系统负荷较大导致布线难度加大，且拓扑结构复杂、网络能耗难以优化。比起电互连，光互联的带宽高、损耗低、无网络互绕且电磁兼容性强，并且光互联已经逐渐在机柜间、板间和框架间得到应用。

调研Synergy 第三方数据显示，在2020年下半年，全球超大规模数据中心已多于541 个，数据中心规模运行后，云服务器和云负载的超级数据中心将超过85%，其处理能力也会上升30 个百分点。到 2022年，全球 IP 流量预计将达到每月396EB，届时将有285 亿固定和移动个人设备和连接，日益增长的数据流量需求对网络架构提出更高要求。

1.1 数据中心网络结构

当数据互联中心的内部网速达到吉比特/秒时，分布式光互联网架构由于易部署、连接距离长、高带宽等优点被大量使用。随着互联网规模和业务发展的日趋成熟和壮大，东西分流逐渐加强，数据中心设备数量增多，网络节点数不断上升，从而丰富了互联网端口类型，如图1所示。光互联网络增加了光模块的数据流向使用率，加大了光模块对互联网的稳定性影响，网络设备硬件占比日趋增加。

1.2 数据中心网络中的互联示例

随着网络设备互联的普及，光模块的自主方案设计逐渐发展，经历了分立器件、硅基光子SIP、化合物半导体芯片、光学集成等几个发展阶段，光互联网技术一直呈正向发展，不仅高速，而且耗能少、集成，如图2所示。在诸多技术方案可供选择的同时，择优考虑互联网所能承载的数据，确保成本降低是很有必要的。

尽管光收发模块被设计成可插拨和标准化，但考虑到系统的兼容性和部署习惯，厂家通常把光模块和设备实行捆绑，并将有关数据向中心用户提供。随着数据中心网络规模日趋发展，互联网结构变得逐渐复杂，就需要用户自行设计技术方案，降低成本，所以解绑光模块和互联网设备势在必然。而且，网络逐渐开放，设备逐渐白盒化，自主引进光模块将成为一种必然趋势。

2 光交换节点设计和交换机制设计

2.1 光交换节点设计

光交换节点在互联网中所起到的作用是十分重要的，对很多环节的影响都是决定性的。光分组交换机的应用大大改变了互联网络的现状，使得原来存在的很多问题都得到了有效的解决。光互联自身具有一定的优越性，可实现高带宽的光连接解决核心层的阻塞问题。高基数光分组交换机的使用能够使资源共享的效率大大提升。虽然高基数光分组交换机具有很多突出的优势，但其设计工作并不是一项简单的任务，会面临很多困难与挑战。

光域交换和电域交换之间存在很大的差距，光域交换在输入数据及输出数据的过程中可以借助多种方式实现，例如我们所熟知的波长域、时间域与空间域等。分组之间的交换任务主要是借助分配之间间隔等方式实现的。

图1：普适性数据中心应用的结构技术

图2：光模块速率发展

图3：光模块技术指标规范

随着研究工作的深入开展提出了空-时交换结构STIA (Spacetime Interconnection Network Architecture)。这种结构下交换机包含的线卡数量为M 张，所有的线卡都具有N 个端口，即输出端口与输入端口。在这种模式下时隙交换单元决定着端口的选择，为了提高吞吐，STIA 交换机充分发挥了波长域的作用实现分组编码。简单来说就是在具体的应用过程中实现电分组到光分组的转化，这种转化工作的实现是借助波长信道完成的。综上，STIA 交换机的应用能够大大降低能耗，除此之外不仅使交换机的吞吐得以提高，对于其扩展性的提高也具有十分重要的促进作用。

2.2 光交换机制设计

图4：网络设备及模块结构控制

电域交换和光域交换是两者不同的交换类型，两者都具有各自的特点，虽然在上述内容的阐述中已经对光域交换模式所具有的突出优势进行了详细的解释与说明，但并不代表光域交换类型就是完美的。光域交换的局限性是没有设置光缓存单元，该单元的主要作用在于对即将路由以及竞争失败的分组进行存储，所有通常情况下该功能的实现都是借助OBS 以及OCS 实现的。信息传输与光电路交换是有先后顺序的，一般来说光电路的行为发生在信息传输前，需要进行路径的预约，完成预约后等待配置的信息反馈，接受到来自配置器的反馈后再进行数据分组的发送工作。光突发交换在具体的工作过程中也是以同样的方式进行的。无论是哪种交换机制在具体的应用过程中都存在固有的弱点与缺陷，为了提高应用效率、保障网络的正常运行，研究人员在后续的研究过程中对其进行了完善。

光电路交换的应用使得之前存在的很多问题都得到了有效的解决，首先从网络连通性角度来看与之前相比大大提高。原来的模式在使用的过程中无论是数据的缓存还是数据的输出与接收都面临着一定的限制，而光电路交换的使用使这些问题得以解决。以3D-MEMS 交换机为例，该交换机的硬件配置时延与优化调度时延分别是10～100 ms、100ms～1s，表明光电路交换的部署具有严格的限制，并不是所有的层面都满足部署条件，只有核心层符合要求。在这种情况下，以G.Porter 为代表的研究人员对此问题展开了深入研究与分析，提出了TMS (Traffic Matrix Switching)调度机制，使这种局面得到了改变。

3 基于SDN的光互联技术

软件定义网络实际上指的是对控制层以及数据层进行分离，分离的目的在于将网络功能释放出来，从根本上说属于控制架构范畴。基于SDN 架构可通过软件对光分组传送资源进行动态分配，根据业务颗粒的大小、服务等级、保护和恢复策略，对基于任意带宽颗粒的波长和子波长的汇聚与交换灵活实现，不同底层设备在协议控制下根据业务流量灵活分配路径带宽，从而减少调整与部署开销。

SDN 架构在具体的应用过程中具有多种类型的实现形式，OpenFlow 技术就是其中的一种，在实际应用过程中OpenFlow 技术与控制器之间需要密切配合，这样才能确保网络相关功能的实现。以M.Channegowda 为代表的研究人员对OpenFlow 技术进行了深入研究，并提出了光 SDN 控制架构[1]，此架构提出的重要意义在于能够为抽象方案的落实提供保障。该架构分组为SDN 应用层、拓展性Openflow（OF）协议以及硬件抽象层。每一个组件所具有的功能存在一定的差异性，以硬件抽象层为例，该组件的主要作用在于能够实现技术细节的隐藏，可以根据硬件所处的具体状态进行编程接口的供应。硬件抽象层包含多个组成部分，其中硬件表示层的主要职责是通过统一的信息格式向硬件接口提供设备的特征信息和功能。以控制层为例，OF 交换机所具有的流表数量并不是单一的，可以是一张也可以是很多张，各个流实体所包含的行为也具有多样性的特点。Openflow addendum v0.3 在实际应用过程中会受到一定限制，虽然将其应用于电路交换能够取得很好的效果，但是在光电路交换技术方面的应用中其功能就不能很好的发挥出来，在这种情况下提出了增强型Openflow 协议，该协议的提出不仅给予了流标识新的定义，与此同时还实现了CFlow_Mod 与Switch_Feature的修改。以SDN 应用层为例，研究人员在研究的过程中对该层面的功能进行了补充，在原来的基础上增加了更多新功能，扩大了其应用范围。依据学者[2]进行的实验平台的构建，对相关内容进行了测试，测试结果显示建立在OF 条件下的SDN 控制平台不仅可以为动态网络控制的实现提供条件，同时还有利于实现网络的控制。

4 京东公司数据中心光互联技术的实践应用

云计算的核心平台是数据中心，所以，要发展云计算，数据中心的网络架构须得到完善，基于宽带、耗能、管理和设备开销等因素，传统的电互连很难满足云应用的需求，而光互联凭借其优势逐步占据市场，以下就京东公司构建的某区域数据中心光互联技术应用的实践展开分析[3]。

4.1 统一技术标准

网络架构建设和运维插拔组件需要进一步简化，光模块与网络设备的兼容需要进一步解决，因此，在技术方面和广泛兼容性方面要求二者标准统一。根据MSA（Multi Source Agreement）多源协议提出的标准，对光模块的结构封装和相关接口做出规范，如图3所示。但多源协议的限制条件相对宽松，不同厂家的执行效果也不同。因此，初期京东公司网络构架人员要根据网络实际需求和运维情况细化有关要求，在对光模块提出要求的同时，对网络设备光端口的技术也有相关要求。

4.2 定制化功能

由于光端口自适应控制，有效降低了故障率。京东公司在建设和使用网络的过程中，有效综合光模块设备和网络技术，让其在系统层面实现动态自助调配。把设备端数据链路传输帧出现的错误作为分析基础，对光模块和网络设备的有关参数进行实时调整，形成积极有效的正面反馈体系，如图4所示。确保成本不变的前提下，尽量减少因码字传输问题造成的光模块链接失效[4]。

4.3 开放与定制优化方案

（1）将光模块和交换机共同解耦，为适应网络技术变更发展，对光互联技术方案实行自由选择。

（2）把标准统一，化解光模块和网络设备兼容性障碍，使网络建设和运维得到进一步简化。

（3）将电气化和运维成本降低，制定相应的电器特性和管理接口。

（4）和光模块厂家直接对口帮扶，引进先进技术，构建光模块功能与可靠性认证体系，降低成本，简化供应关系。

对于处理云计算网络面临的有关问题，数据中心光互联技术起着关键作用。虽然光互联技术也存在一些不同程度的问题，但可以预知，随着信息技术和光互联技术的日益发展，数据中心光互联技术将助推云计算向前发展，而且成本较低、耗能较少、耗时短、带宽高。

5 结语

随着云计算、数据中心等网络技术体系的不断演进，光互联网络架构技术因在能耗、带宽、传输透明性等方面的优势逐步主导市场。本文对光互联数据中心网络架构技术及应用进行研究，对光互联网络架构的不同类型进行了分析和特点总结。通过对企业应用案例的进展情况分析得出，在对网络设计的过程中应分析如网络结构、交换节点、灵活的交换机制、分布式控制策略多方面因素的共同影响，除了降低成本之外，设备开销、能源消耗、技术水平等都是需要考虑的重要问题。光互联架构的设计要坚持实事求是，做到具体问题具体分析。随着光器件的成熟和研究的深入，光互联架构云数据中心的优势将成为我国云数据中心发展的重点，进一步扩大连通性能、扩展性能等技术优势。