全光交换在数据中心演进中的应用

4/28/2016,光纤在线讯：目前的数据中心架构很难通过简单扩展升级满足大数据流量运营带来的更高速率，更低时延，以及对降低运营成本的需求。多年来，全光交换已经在各种不同的网络应用中解决了许多类似的挑战，现在有望在数据中心大规模部署。数据中心运营商正在寻求把全光交换添加到一个通用的管理平台下面，以构建可扩展的网络，动态地响应不断变化的业务需求，并同时减少所有相关的运营成本。 

演进中的数据中心概况 
      数据中心运营商目前面临着一系列的挑战，其中最主要的是由于移动、视频和以云为基础的虚拟业务不断增长带来的网络流量的爆炸式增长。这种不断增长的流量，加上无数移动应用的动态特性，迅速超出了当前数据中心架构的能力，引起网络拥塞和网络过载，进而导致时延的增加，服务和应用性能的劣化，并最终带来运营成本成指数增长。 

      基于这一点，数据中心运营商通常部署更多的分组路由器和分组交换机，以缓解拥塞，并确保所需带宽的可用性。不幸的是，这种方法导致恶性循环--成本不断增加，设备利用率不断。 

      作为一种经济有效的解决办法，数据中心架构师们正致力于创新性的设计，包括采用全光交换来支撑新兴云业务所需的大容量业务的快速增长。更重要的是，这些设计旨在提高网络的可扩展性的同时，节约了成本，机架空间和功耗。虽然这些架构方法采取多种形式，但几乎所有都要求增加全光交换以创立更动态的光纤连接以及处理剧增的数据速率。 

全光交换的前景 
      运营商们正在寻求更有效的方法来获得最大限度地网络投资回报。运营商需要按需分配带宽的能力，允许他们在需要时，把容量导引到需要的地方。运营商还需要保证网络服务质量，以支持大量不同应用对时延，抖动和可用性的要求。全光交换是该解决方案的关键组成部分，能够允许数据中心运营商构建可扩展的方案，可以根据短期业务需求以及可预测的长期网络行为来重新配置光纤的连接。 

       光纤层是网络中的所有其它网络分层的基础，当加上例如软件定义网络（SDN）这类新的管理模式时，光纤层可以根据当前需求动态地重新分配光纤资源，这显著地增加了数据中心的可扩展性和效率。本文重点介绍了驱动全光交换来实现这些可能性的主要趋势和应用。 

全光交换：在数据中心中的应用 
概况： 
      在数据中心中，全光交换有许多潜在的应用。从根本上讲，全光交换可以允许动态的重构光纤网络，实现对大容量的数据流的低时延承载。这种新的灵活的光层被设计成与现有的分组路由器和交换机一起使用来扩展数据中心，以应对不断增长的流量需求。在下面介绍的应用中，全光交换不是用来取代分组交换机和路由器，而是被添加到现有的架构中形成新的混合架构，以充分利用全光交换和分组路由技术各自的优势，建设灵活可扩展的数据中心网络。 

当前的三层数据中心结构 
      大型数据中心有上万台服务器簇分布在不同的房间，大楼和园区内。为了在所有的服务器之间提供可靠的，可扩展的连接，数据中心网络一般分层建设，组合使用分组路由器和电路交换机。这种配置创建了能共享数据，提供跨服务器群服务，又能有效地连接到外部网络的体系。 

      核心层/城域层?——核心/城域层为所有进出数据中心的数据流提供高速分组交换。它还连接多个汇聚模块，建立弹性的路由结构。从本质上讲，它平衡了外部网络和汇聚层之间的流量并实现了数据对等。 

      汇聚层——汇聚层就是提供跨服务器群服务的设备互联的地方。它还有访问外部网络的功能。这一层使许多重要的数据中心功能得以实现，包括连接，搜索，防火墙，服务器负载均衡和入侵检测等等。 

      接入层——接入层是服务器与网络连接的地方。接入层设备包括含有不同类型服务器的机架，以及用于连接同一机架内服务器的机架顶部交换机（TOR）和其他用于连接域内的分组交换机。 

      全光交换可加到数据中心的每一层，以提高性能和降低成本。图1显示了基本的分层方法，包括在每一层中的所有光开关可能的位置。 


图1：在数据中心中全光开关可能的位置

数据中心在核心/城域层的对等操作 
      对等操作可以使数据中心运营商们实现网络之间的连接，在城域/核心和对等仲裁设备之间，使用层2/3交换机实现业务交换。在这个功能上，实现可靠高效且低延迟的大业务数据块传送至关重要。上面的图2表示出了光交换在数据中心对等操作领域中的应用。光开关在这一层同时提供了在外网和对等仲裁设备之间的业务指配和保护倒换。由于全光交换经常被放置在这样的关键数据中心互连点，因此很自然的需要把信号和网络监视功能结合到光开关结构中。 


 图2：全光开关对等操作中心负责服务供应，保护倒换和数据镜像
 
此外，光交叉连接（OXC）可以提供更高附加值的服务，包括入侵检测，合法拦截和故障定位。 

      为了实现数据镜像和网络监控功能，在光开关内部结构中集成了光学抽头用于从信号光中分离出一部分信号。也可以把光功率监测器集成到光开关内部，用于监控网络和对等开关之间的光信号。集成的光学探测器监控所有承载对等业务的光纤以快速定位光纤和设备故障。 

      一旦出现某个设备或光纤失效，全光开关可以通过故障点周围的保护倒换来恢复服务。保护倒换可通过更高级别的数据中心控制平面启动，或者根据预先指定规则由开关本身自动完成。把功率监视器和开关集成在同一个盒子里可以实现快速，自动化的保护倒换。该光学层的自动保护倒换可以被配置成1：1，1 + 1，1：N或M：N的保护倒换模式。此外，集成多种功能于一个光开关节省了宝贵的机架空间，节省了运营成本，大大改善了投资回报和服务。 

数据中心汇聚层 
      数据中心汇聚通常是由OEO分组路由器和连接服务器群并提供到城域和核心网连接的交换机组成。该层包含了许多传统数据中心服务，包括连接，搜索，防火墙，负载均衡和入侵检测。 

      当前的数据中心汇聚架构是为了处理过去以短的，突发流量为主的业务模式而优化设计的。但是，这种结构在处理服务器之间较大的持续的数据流时既没有效率，也不经济有效。而在虚拟云为基础的业务大行其道的今天，大的持续的数据流变得越来越普遍。这些持续的数据流如今在日常运营中很常见，如虚拟机迁移，负载均衡和数据存储以及备份，并且随着以移动，智能为主要特点的高级云虚拟服务的兴起而变得越来越流行。 

注：低损耗全光交换在汇聚层的重要性 

      由于数据流在汇聚层没有放大或再生的情况可能穿过多个全光开关连接，因此使用低损耗的全光开关非常关键。Polatis 7000系列光开关(384x384矩阵规模)典型连接损耗仅约1.5dB。此外，在无光连接方面，建立跨多个全光交换的连接路径时，最重要的是减少时间延迟。真正的dark fiber光开关，如Polatis的 DirectLight专利技术，可以在即使光纤中没有光信号存在的情况下建立光纤链路的连接。通过dark fiber交换技术，在即使没有光信号存在的情况下，经过多个全光开关的所有连接可以在同一个开关周期内同时完成指配。而其他一些全光开关技术要求必须有光信号存在才能建立和保持连接。这种技术在设置经过多个开关的路径时往往具有较长的时延，这是因为光路连接只能按顺序进行，当光信号顺序传输到每一个光开关时，当前光开关涉及的连接才能建立。 

      图3给出了全光开关在汇聚层为持续性大数据流创建全光连接的情况，这些数据流不需要分组路由器或交换机提供完整服务。由于数据业务以光速通过光开关，不需要缓冲，这种方法避免了经过路由器时的缓冲和延迟问题。 
      通过发挥这两种技术的优势，结合分组路由器和交换机以及全光交换的混合OOO/ OEO（全光交换/光电交换）架构，使数据中心能够最佳地处理短的，突发的业务，以及更大的持续数据流，这也被称为路由器旁路。 


 图3：数据中心汇聚层实现新的虚拟云计算服务的Polatis全光开关 

服务器群汇聚层 
      第三种数据中心的应用（图4中示出）为服务器群汇聚，它反映小范围内汇聚层的应用。服务器群通常为多个独立的机架，这些机架往往容纳了多个与TOR以太网交换机互联的数据服务器。大量服务器机架排列成集群，而TOR交换机则通过光收发器连接到数据中心汇聚层。 

      大型服务器群可能包含分散在不同物理位置的数千个服务器。妥善管理这些设备的成本，空间，电力和制冷，同时不断提高服务器的处理效率，对于数据中心运营成功至关重要。 

      随着服务器群变得越来越大，以及越来越多的服务成为基于云的服务，服务器群汇聚的需求也在增长。引入可重构光纤层可以明显地改善服务器之间的通信效率。这在提高总的服务交付效率的同时，也提高了设备的使用率，相应的也降低了成本。在重大灾害发生时，增强的物理层交换还可以显著加快业务的恢复。 


 图4：Polatis全光开关在服务器群汇聚中的作用 

全光交换和软件定义网络 
      另一个推动在数据中心中使用光交换的重要趋势是软件定义网络（SDN）。越来越多的运营商正在寻求采用SDN来改善当前的运营，并加快新能力的部署，以支持基于云的虚拟服务。 

      如今的数据中心，大部分网络设备的管理和控制是通过供应商特定的专用软件实现的。这一点限制了创新，因为新功能的引入依赖于设备商的部署周期，这意味着可能需要几个月来设计，测试和部署新功能。要增加新的特性，或集成新技术，同样必须分别与各设备供应商一起来完成专有系统的升级。 

      SDN的强大在于它可以允许运营商基于SDN标准编写高层的软件应用，这些SDN标准可使基础的网络操作自动化，方便的创建新的业务。SDN的控制灵活性，极大地简化了新技术的集成，例如将光交换纳入现有的网络基础设施中，而SDN动态监控和响应网络变化的能力，使得使运营商能够充分利用光交换的固有能力。 

注：光-电-光转换中固有的问题 

      当前已部署的典型数据中心的架构使用分组路由器和交换机，这需要在每个端口进行光-电-光（OEO）转换。以太网交换机通常用于服务器群中做为TOR来交换低速电信号，同时，分组路由器，以及更高性能的交换机用在数据汇聚层和对等中心来交换更高速的光信号。 

      该技术的缺点是，使用能耗高，需要大量的制冷设备来驱散由电交换机及OEO转换电路产生的热量。OEO分组技术也是数据格式相关的，当比特速率增加或信号格式变化时，需要更换相应的交换机设备。这对于正在部署越来越多的光纤，并迅速提升线路速率到40和100 Gbps（及以上）的数据中心来说成本会很昂贵。随着数据速率的提高，OEO设备的成本，功耗和尺寸将急剧增加。 

      此外，由于需要进行缓冲，以及对数据进行再定时，OEO设备显著增加了延迟。穿过多个OEO交换连接的信号会积累非预期的抖动和延迟，阻碍快速部署对时延要求苛刻的业务。 

      因此，我们迫切需要新的方法来扩展数据中心，以支持下一代新兴业务。由于全光（OOO）交换连接不需要任何的OEO转换，它们几乎没有延迟并且与数据格式无关，这使得它们非常适合用于数据中心。全光交换的灵活性和可扩展性，是单独使用OEO技术不能达到的。在本文中描述的上述应用，充分利用了全光交换在混合的OOO/OEO架构中与OEO设备并行使用时， OOO与OEO技术各自不同的长处。 

      OOO和OEO开关功能的差异性影响了它们在数据中心的布置。OEO交换机和路由器提供了分组交换和较低层的电路交换，而纯OOO开关将整个大容量光信号从一路光纤直接交换到另一路光纤。随着数据中心流量持续增长，架构师们发现，交换整个光纤上的所有数据已提上日程。用OEO电路交换机或路由器来实现此大容量信息汇聚功能非常昂贵，且与全光交换相比，需要更多的电力和制冷资源。 

      综合来看，全光交换对于数据中心交换是一种绿色环保的选择。全光开关不需要做任何的OEO转换，需要更少的电力，更少的制冷设备以及比OEO交换更小的体积。 

      另外需要特别指出，全光交换与数据格式无关，可以通过单模光纤以任何信号格式交换10,40和100 Gbs 的数据信号。因为只需要一个全光开关连接就能交换光纤上的所有波长，因此全光交换对于交换波分复用格式（WDM，CWDM和DWDM）特别经济有效。 

      与之相反，为了切换WDM信号，OEO开关必须首先解复用，使用一个OEO开关连接去交换每个单独的波长，最后再用复用器把这些波长再复用到一路光纤中。 

      SDN提供了一种不同的，更全面地对网络部署的思考，以及一种新的方式来协调网络运营来降低成本，加快服务创新和交付。有了SDN，运营商可以实时调整网络行为，并在几小时或几天内部署新的应用和网络业务，而不是像当前需要几个星期或几个月的时间。 

        通过在控制层汇集网络状态，利用SDN应用程序，SDN为运营商提供了所需要的动态配置，管理和优化网络资源的工具。并且有了SDN，运营商可以编写这些程序，实时而不必等待厂商在其专有软件平台上来建立和部署这些特性。
 
      SDN的目的是更快速的动态部署定制化的服务和应用。SDN给了数据中心运营商更多的灵活性去重构网络，按需分配容量，以及快速应对突发业务负载和其他网络动态性。这使得资源更有效地利用，提高了利用率，并最终降低成本。 


      在SDN架构中，网络智能化被集中在基于软件的SDN控制器中来维持对全局网络的可见性，这对高层应用来说是一个逻辑实体。网络控制器以独立于供应商的方式与具备SDN功能的交换机或路由器通过OpenFlow或其他标准协议进行通信。与供应商无关是SDN的一个关键优势，它可以帮助运营商避免被锁定在某一个特定的供应商专有的方案上。 


容量最大性能最好384*384光开关 
Polatis 7000系列光开关是一款完全无阻塞全光矩阵开关，最大可支持384x384光纤端口，高密8芯MTP光纤接口，与业界其他光开关方案相比，7000光开关提高了20%交换容量、而空间却减少了40%, 同时保持Polatis DirectLight?技术在性能和可靠性上的优势。 
 


超紧凑1RU48×48光矩阵开关 

6000 Lite光矩阵开关是一款高密度，1RU的48x48光开关，具有电信级冗余性和可生存性。它包括一个OpenFlowSDN客户端，在尺寸仅仅1RU的空间中提供高密度端口数，并且具有极低的成本和功耗。 


 
基于DirectLight技术的Polatis全光开关 
      DirectLight光束偏转技术在最低光损耗和最高的光学性能方面确立了行业标准， Polatis 6000系列192x192全光开关典型损耗小于1dB。图5为Polatis独特的DirectLight专利技术，它结合了带有集成位置传感器的压电驱动，为光纤准直器阵列在自由空间提供无阻塞连接，从而避免了与传统的MEMS微镜技术相关的性能损伤。 


图5：Polatis DirectLight_光束偏转技术
 
      Polatis开关为真正的暗光纤开关，其开关完全与光路上的光功率水平、波长和传播方向无光，可以允许对暗光纤进行预配置。这样就避免了在跨越网状网或多级交换网络带来的开关时延的串联叠加。具有真正的与波长，数据速率或协议无关等透明性，由于对系统预算的影响很小，DirectLight技术给数据中心架构带来了灵活性。Polatis技术可以是允许对一个开关连接，或整个开关用一个命令在25ms开关时间内完成配置。 

      Polatis开关核心周围是多层冗余的高可靠性架构。Polatis的驱动器的寿命已经通过现场部署的光开关累计超过十亿小时工作未出现开关故障得以证实。Polatis6000系列192x192开关具有超过21年的预计平均故障间隔时间（MTBF）。Polatis DirectLight光开关的设计是为了满足具有最高性能和最高可靠性要求的最苛刻的应用而设计的，具有极低的损耗，体积小，低功耗，开关速度快等特点，使其非常适用于数据中心应用。 

电信级开关控制接口 
      Polatis还提供了一套完整的安全运营命令语言（TL1，SNMP和OpenFlow）来设置，指配和管理开关，如图6所示。也可以使用Polatis友好图形用户界面来设置和监控开关连接。OpenFlow客户端使Polatis开关可在SDN中部署，使用OpenFlow功能控制平面。这使得数据中心运营商可按需重构网络，在最需要的地方部署更多资源，以最低成本最佳使网络资源。Polatis网络接口支持具有多种用户类型和多个同步会话的安全访问控制。 


 图6：数字中心运营可以利用具有扩展功能电信级的控制选项来优化数据中心资源 

 结论 
      数据中心运营商正在寻求用全光交换实现光纤层的灵活性，实现网络扩展，动态响应不断变化的业务需求，使更多基本操作自动化以减少网络运营成本，这些需求使得全光交换有望在很多数据中心应用上实现大规模部署称为可能。 
      Polatis为数据中心提供了性能优越的全光开关，具有极低的光插损，可以增加网络覆盖规模，同时减少对光放大的需求。此外，Polatis光开关极低回损降低了对高比特率信号的损伤，而低串扰增强了安全性，使新的混合数据中心应用和架构得以实现，拓展了当前数据中心设施的能力以满足当前和未来的业务的需求。 

      Polatis光开关产品线设计目的就是是为了满足光纤层包括地点合用、托管，对等和云计算服务等的连接需求，其各类光开关产品已经在要求最苛刻，最具挑战的数据中心等重要项目中超过了10年以上的应用。 

凌云集团&光纤器件与仪器事业部介绍
      凌云光技术集团创办于1996年6月9日，是致力于光通信与传感（Fiber Optical Communication & Sensing）、视觉与图像（ Vision & imaging ）领域的高科技企业，为国内最早从事光通信与视觉图像领域的企业之一。二十年来，为世界上五十多家光电子专业技术公司在中国内地与香港特区作产品推广、应用技术服务、市场拓展和渠道建设等工作。自2000年起，凌云公司开始在高端视觉图像和光通信领域进行专业的自主研发生产。当前，自主产品产值近4亿，占集团总产值40%。凌云公司崇尚集体艰苦奋斗，致力成为客户心中最优的、战略的、放心的与荣耀的选择，共同努力把公司建设成为广泛受人尊敬与信任的现代高科技企业。目前，公司拥有超过百余项自主产权和专利技术，员工队伍近1000人。

      凌云光技术集团光纤器件与仪器事业部，1996年成立，为Finisar、TeraXion、Fujikura、NKT Photonics、VPI Photonics、SHF、General Photonics、EXFO、Polatis等二十多家世界著名的专业技术公司在中国做产品推广、应用技术支持和市场拓展等工作，事业部专注于40G/100G/400G/1T光传输系统、光纤激光、集成光子学、光纤传感等诸多应用领域，为广大用户提供软件模拟、核心光器件，测试仪表等高端产品解决方案。
凌云公司是美国Polatis公司在中国市场的合作伙伴，负责Polatis产品的市场推广和售后服务工作。如有任何该产品的相关问题，欢迎随时与我们联系。

翻译：黄毓娜、赵永鹏、张华，北京凌云光子技术有限公司


来源北京凌云厂商供稿