全光交換在數據中心演進中的應用

責任編輯：editor004 |來源：企業網D1Net 2016-04-28 11:00:39 本文摘自：光纖在線

目前的數據中心架構很難通過簡單擴展升級滿足大數據流量運營帶來的更高速率，更低時延，以及對降低運營成本的需求。多年來，全光交換已經在各種不同的網絡應用中解決了許多類似的挑戰，現在有望在數據中心大規模部署。數據中心運營商正在尋求把全光交換添加到一個通用的管理平臺下面，以構建可擴展的網絡，動態地響應不斷變化的業務需求，并同時減少所有相關的運營成本。

演進中的數據中心概況

數據中心運營商目前面臨著一系列的挑戰，其中最主要的是由于移動、視頻和以云為基礎的虛擬業務不斷增長帶來的網絡流量的爆炸式增長。這種不斷增長的流量，加上無數移動應用的動態特性，迅速超出了當前數據中心架構的能力，引起網絡擁塞和網絡過載，進而導致時延的增加，服務和應用性能的劣化，并最終帶來運營成本成指數增長。

基于這一點，數據中心運營商通常部署更多的分組路由器和分組交換機，以緩解擁塞，并確保所需帶寬的可用性。不幸的是，這種方法導致惡性循環--成本不斷增加，設備利用率不斷。

作為一種經濟有效的解決辦法，數據中心架構師們正致力于創新性的設計，包括采用全光交換來支撐新興云業務所需的大容量業務的快速增長。更重要的是，這些設計旨在提高網絡的可擴展性的同時，節約了成本，機架空間和功耗。雖然這些架構方法采取多種形式，但幾乎所有都要求增加全光交換以創立更動態的光纖連接以及處理劇增的數據速率。

全光交換的前景

運營商們正在尋求更有效的方法來獲得最大限度地網絡投資回報。運營商需要按需分配帶寬的能力，允許他們在需要時，把容量導引到需要的地方。運營商還需要保證網絡服務質量，以支持大量不同應用對時延，抖動和可用性的要求。全光交換是該解決方案的關鍵組成部分，能夠允許數據中心運營商構建可擴展的方案，可以根據短期業務需求以及可預測的長期網絡行為來重新配置光纖的連接。

光纖層是網絡中的所有其它網絡分層的基礎，當加上例如軟件定義網絡（SDN）這類新的管理模式時，光纖層可以根據當前需求動態地重新分配光纖資源，這顯著地增加了數據中心的可擴展性和效率。本文重點介紹了驅動全光交換來實現這些可能性的主要趨勢和應用。

全光交換：在數據中心中的應用

概況：

在數據中心中，全光交換有許多潛在的應用。從根本上講，全光交換可以允許動態的重構光纖網絡，實現對大容量的數據流的低時延承載。這種新的靈活的光層被設計成與現有的分組路由器和交換機一起使用來擴展數據中心，以應對不斷增長的流量需求。在下面介紹的應用中，全光交換不是用來取代分組交換機和路由器，而是被添加到現有的架構中形成新的混合架構，以充分利用全光交換和分組路由技術各自的優勢，建設靈活可擴展的數據中心網絡。

當前的三層數據中心結構

大型數據中心有上萬臺服務器簇分布在不同的房間，大樓和園區內。為了在所有的服務器之間提供可靠的，可擴展的連接，數據中心網絡一般分層建設，組合使用分組路由器和電路交換機。這種配置創建了能共享數據，提供跨服務器群服務，又能有效地連接到外部網絡的體系。

核心層/城域層-——核心/城域層為所有進出數據中心的數據流提供高速分組交換。它還連接多個匯聚模塊，建立彈性的路由結構。從本質上講，它平衡了外部網絡和匯聚層之間的流量并實現了數據對等。

匯聚層——匯聚層就是提供跨服務器群服務的設備互聯的地方。它還有訪問外部網絡的功能。這一層使許多重要的數據中心功能得以實現，包括連接，搜索，防火墻，服務器負載均衡和入侵檢測等等。

接入層——接入層是服務器與網絡連接的地方。接入層設備包括含有不同類型服務器的機架，以及用于連接同一機架內服務器的機架頂部交換機（TOR）和其他用于連接域內的分組交換機。

全光交換可加到數據中心的每一層，以提高性能和降低成本。圖1顯示了基本的分層方法，包括在每一層中的所有光開關可能的位置。

　　圖1：在數據中心中全光開關可能的位置

數據中心在核心/城域層的對等操作

對等操作可以使數據中心運營商們實現網絡之間的連接，在城域/核心和對等仲裁設備之間，使用層2/3交換機實現業務交換。在這個功能上，實現可靠高效且低延遲的大業務數據塊傳送至關重要。上面的圖2表示出了光交換在數據中心對等操作領域中的應用。光開關在這一層同時提供了在外網和對等仲裁設備之間的業務指配和保護倒換。由于全光交換經常被放置在這樣的關鍵數據中心互連點，因此很自然的需要把信號和網絡監視功能結合到光開關結構中。

圖2：全光開關對等操作中心負責服務供應，保護倒換和數據鏡像

此外，光交叉連接（OXC）可以提供更高附加值的服務，包括入侵檢測，合法攔截和故障定位。

為了實現數據鏡像和網絡監控功能，在光開關內部結構中集成了光學抽頭用于從信號光中分離出一部分信號。也可以把光功率監測器集成到光開關內部，用于監控網絡和對等開關之間的光信號。集成的光學探測器監控所有承載對等業務的光纖以快速定位光纖和設備故障。

一旦出現某個設備或光纖失效，全光開關可以通過故障點周圍的保護倒換來恢復服務。保護倒換可通過更高級別的數據中心控制平面啟動，或者根據預先指定規則由開關本身自動完成。把功率監視器和開關集成在同一個盒子里可以實現快速，自動化的保護倒換。該光學層的自動保護倒換可以被配置成1：1，1 + 1，1：N或M：N的保護倒換模式。此外，集成多種功能于一個光開關節省了寶貴的機架空間，節省了運營成本，大大改善了投資回報和服務。

數據中心匯聚層

數據中心匯聚通常是由OEO分組路由器和連接服務器群并提供到城域和核心網連接的交換機組成。該層包含了許多傳統數據中心服務，包括連接，搜索，防火墻，負載均衡和入侵檢測。

當前的數據中心匯聚架構是為了處理過去以短的，突發流量為主的業務模式而優化設計的。但是，這種結構在處理服務器之間較大的持續的數據流時既沒有效率，也不經濟有效。而在虛擬云為基礎的業務大行其道的今天，大的持續的數據流變得越來越普遍。這些持續的數據流如今在日常運營中很常見，如虛擬機遷移，負載均衡和數據存儲以及備份，并且隨著以移動，智能為主要特點的高級云虛擬服務的興起而變得越來越流行。

由于數據流在匯聚層沒有放大或再生的情況可能穿過多個全光開關連接，因此使用低損耗的全光開關非常關鍵。Polatis 7000系列光開關(384x384矩陣規模)典型連接損耗僅約1.5dB。此外，在無光連接方面，建立跨多個全光交換的連接路徑時，最重要的是減少時間延遲。真正的dark fiber光開關，如Polatis的 DirectLight專利技術，可以在即使光纖中沒有光信號存在的情況下建立光纖鏈路的連接。通過dark fiber交換技術，在即使沒有光信號存在的情況下，經過多個全光開關的所有連接可以在同一個開關周期內同時完成指配。而其他一些全光開關技術要求必須有光信號存在才能建立和保持連接。這種技術在設置經過多個開關的路徑時往往具有較長的時延，這是因為光路連接只能按順序進行，當光信號順序傳輸到每一個光開關時，當前光開關涉及的連接才能建立。

圖3給出了全光開關在匯聚層為持續性大數據流創建全光連接的情況，這些數據流不需要分組路由器或交換機提供完整服務。由于數據業務以光速通過光開關，不需要緩沖，這種方法避免了經過路由器時的緩沖和延遲問題。

通過發揮這兩種技術的優勢，結合分組路由器和交換機以及全光交換的混合OOO/ OEO（全光交換/光電交換）架構，使數據中心能夠最佳地處理短的，突發的業務，以及更大的持續數據流，這也被稱為路由器旁路。

　　圖3：數據中心匯聚層實現新的虛擬云計算服務的Polatis全光開關

服務器群匯聚層

第三種數據中心的應用（圖4中示出）為服務器群匯聚，它反映小范圍內匯聚層的應用。服務器群通常為多個獨立的機架，這些機架往往容納了多個與TOR以太網交換機互聯的數據服務器。大量服務器機架排列成集群，而TOR交換機則通過光收發器連接到數據中心匯聚層。

大型服務器群可能包含分散在不同物理位置的數千個服務器。妥善管理這些設備的成本，空間，電力和制冷，同時不斷提高服務器的處理效率，對于數據中心運營成功至關重要。

隨著服務器群變得越來越大，以及越來越多的服務成為基于云的服務，服務器群匯聚的需求也在增長。引入可重構光纖層可以明顯地改善服務器之間的通信效率。這在提高總的服務交付效率的同時，也提高了設備的使用率，相應的也降低了成本。在重大災害發生時，增強的物理層交換還可以顯著加快業務的恢復。

　　圖4：Polatis全光開關在服務器群匯聚中的作用

全光交換和軟件定義網絡

另一個推動在數據中心中使用光交換的重要趨勢是軟件定義網絡（SDN）。越來越多的運營商正在尋求采用SDN來改善當前的運營，并加快新能力的部署，以支持基于云的虛擬服務。

如今的數據中心，大部分網絡設備的管理和控制是通過供應商特定的專用軟件實現的。這一點限制了創新，因為新功能的引入依賴于設備商的部署周期，這意味著可能需要幾個月來設計，測試和部署新功能。要增加新的特性，或集成新技術，同樣必須分別與各設備供應商一起來完成專有系統的升級。

SDN的強大在于它可以允許運營商基于SDN標準編寫高層的軟件應用，這些SDN標準可使基礎的網絡操作自動化，方便的創建新的業務。SDN的控制靈活性，極大地簡化了新技術的集成，例如將光交換納入現有的網絡基礎設施中，而SDN動態監控和響應網絡變化的能力，使得使運營商能夠充分利用光交換的固有能力。

當前已部署的典型數據中心的架構使用分組路由器和交換機，這需要在每個端口進行光-電-光（OEO）轉換。以太網交換機通常用于服務器群中做為TOR來交換低速電信號，同時，分組路由器，以及更高性能的交換機用在數據匯聚層和對等中心來交換更高速的光信號。

該技術的缺點是，使用能耗高，需要大量的制冷設備來驅散由電交換機及OEO轉換電路產生的熱量。OEO分組技術也是數據格式相關的，當比特速率增加或信號格式變化時，需要更換相應的交換機設備。這對于正在部署越來越多的光纖，并迅速提升線路速率到40和100 Gbps（及以上）的數據中心來說成本會很昂貴。隨著數據速率的提高，OEO設備的成本，功耗和尺寸將急劇增加。

此外，由于需要進行緩沖，以及對數據進行再定時，OEO設備顯著增加了延遲。穿過多個OEO交換連接的信號會積累非預期的抖動和延遲，阻礙快速部署對時延要求苛刻的業務。

因此，我們迫切需要新的方法來擴展數據中心，以支持下一代新興業務。由于全光（OOO）交換連接不需要任何的OEO轉換，它們幾乎沒有延遲并且與數據格式無關，這使得它們非常適合用于數據中心。全光交換的靈活性和可擴展性，是單獨使用OEO技術不能達到的。在本文中描述的上述應用，充分利用了全光交換在混合的OOO/OEO架構中與OEO設備并行使用時， OOO與OEO技術各自不同的長處。

OOO和OEO開關功能的差異性影響了它們在數據中心的布置。OEO交換機和路由器提供了分組交換和較低層的電路交換，而純OOO開關將整個大容量光信號從一路光纖直接交換到另一路光纖。隨著數據中心流量持續增長，架構師們發現，交換整個光纖上的所有數據已提上日程。用OEO電路交換機或路由器來實現此大容量信息匯聚功能非常昂貴，且與全光交換相比，需要更多的電力和制冷資源。

綜合來看，全光交換對于數據中心交換是一種綠色環保的選擇。全光開關不需要做任何的OEO轉換，需要更少的電力，更少的制冷設備以及比OEO交換更小的體積。

另外需要特別指出，全光交換與數據格式無關，可以通過單模光纖以任何信號格式交換10,40和100 Gbs 的數據信號。因為只需要一個全光開關連接就能交換光纖上的所有波長，因此全光交換對于交換波分復用格式（WDM，CWDM和DWDM）特別經濟有效。

與之相反，為了切換WDM信號，OEO開關必須首先解復用，使用一個OEO開關連接去交換每個單獨的波長，最后再用復用器把這些波長再復用到一路光纖中。

SDN提供了一種不同的，更全面地對網絡部署的思考，以及一種新的方式來協調網絡運營來降低成本，加快服務創新和交付。有了SDN，運營商可以實時調整網絡行為，并在幾小時或幾天內部署新的應用和網絡業務，而不是像當前需要幾個星期或幾個月的時間。

通過在控制層匯集網絡狀態，利用SDN應用程序，SDN為運營商提供了所需要的動態配置，管理和優化網絡資源的工具。并且有了SDN，運營商可以編寫這些程序，實時而不必等待廠商在其專有軟件平臺上來建立和部署這些特性。

SDN的目的是更快速的動態部署定制化的服務和應用。SDN給了數據中心運營商更多的靈活性去重構網絡，按需分配容量，以及快速應對突發業務負載和其他網絡動態性。這使得資源更有效地利用，提高了利用率，并最終降低成本。

在SDN架構中，網絡智能化被集中在基于軟件的SDN控制器中來維持對全局網絡的可見性，這對高層應用來說是一個邏輯實體。網絡控制器以獨立于供應商的方式與具備SDN功能的交換機或路由器通過OpenFlow或其他標準協議進行通信。與供應商無關是SDN的一個關鍵優勢，它可以幫助運營商避免被鎖定在某一個特定的供應商專有的方案上。

容量最大性能最好384*384光開關

Polatis 7000系列光開關是一款完全無阻塞全光矩陣開關，最大可支持384x384光纖端口，高密8芯MTP光纖接口，與業界其他光開關方案相比，7000光開關提高了20%交換容量、而空間卻減少了40%, 同時保持Polatis DirectLight?技術在性能和可靠性上的優勢。

　　超緊湊1RU48×48光矩陣開關

6000 Lite光矩陣開關是一款高密度，1RU的48x48光開關，具有電信級冗余性和可生存性。它包括一個OpenFlowSDN客戶端，在尺寸僅僅1RU的空間中提供高密度端口數，并且具有極低的成本和功耗。

基于DirectLight技術的Polatis全光開關

DirectLight光束偏轉技術在最低光損耗和最高的光學性能方面確立了行業標準， Polatis 6000系列192x192全光開關典型損耗小于1dB。圖5為Polatis獨特的DirectLight專利技術，它結合了帶有集成位置傳感器的壓電驅動，為光纖準直器陣列在自由空間提供無阻塞連接，從而避免了與傳統的MEMS微鏡技術相關的性能損傷。

　　圖5：Polatis DirectLight_光束偏轉技術

Polatis開關為真正的暗光纖開關，其開關完全與光路上的光功率水平、波長和傳播方向無光，可以允許對暗光纖進行預配置。這樣就避免了在跨越網狀網或多級交換網絡帶來的開關時延的串聯疊加。具有真正的與波長，數據速率或協議無關等透明性，由于對系統預算的影響很小，DirectLight技術給數據中心架構帶來了靈活性。Polatis技術可以是允許對一個開關連接，或整個開關用一個命令在25ms開關時間內完成配置。

Polatis開關核心周圍是多層冗余的高可靠性架構。Polatis的驅動器的壽命已經通過現場部署的光開關累計超過十億小時工作未出現開關故障得以證實。Polatis6000系列192x192開關具有超過21年的預計平均故障間隔時間（MTBF）。Polatis DirectLight光開關的設計是為了滿足具有最高性能和最高可靠性要求的最苛刻的應用而設計的，具有極低的損耗，體積小，低功耗，開關速度快等特點，使其非常適用于數據中心應用。

電信級開關控制接口

Polatis還提供了一套完整的安全運營命令語言（TL1，SNMP和OpenFlow）來設置，指配和管理開關，如圖6所示。也可以使用Polatis友好圖形用戶界面來設置和監控開關連接。OpenFlow客戶端使Polatis開關可在SDN中部署，使用OpenFlow功能控制平面。這使得數據中心運營商可按需重構網絡，在最需要的地方部署更多資源，以最低成本最佳使網絡資源。Polatis網絡接口支持具有多種用戶類型和多個同步會話的安全訪問控制。