????數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商在應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量的爆炸式增長(zhǎng)方面面臨著諸多挑戰(zhàn)，由此導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)擁塞和徹底的網(wǎng)絡(luò)過(guò)載會(huì)增加延遲，降低服務(wù)和應(yīng)用程序的性能，并最終導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)支出呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。運(yùn)營(yíng)商需要在相同的占地面積內(nèi)擁有更多容量，并能夠靈活地在最需要資源的時(shí)間和地點(diǎn)動(dòng)態(tài)的分配資源。雖然光互連被廣泛的部署在數(shù)據(jù)中心的處理網(wǎng)元之間以提供高速傳輸，但交換仍是以電的方式進(jìn)行，光纖層連接主要保持靜態(tài)。

????全光交換的最新發(fā)展與軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)模式相結(jié)合，創(chuàng)造了引人矚目的解決方案，使光纖層置于軟件控制之下。這些解決方案可以在數(shù)千個(gè)節(jié)點(diǎn)之間按需提供動(dòng)態(tài)、低損耗的連接，并具有光速數(shù)據(jù)延遲。SDN將光纖層（Layer 0/1）光路交換機(jī)和傳統(tǒng)Layer 2/3分組交換機(jī)、路由器的管理集成在一個(gè)公共控制平面下，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的抽象和虛擬化。通過(guò)使用支持SDN的動(dòng)態(tài)光交叉連接來(lái)增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商可以創(chuàng)建可擴(kuò)展的解決方案，動(dòng)態(tài)響應(yīng)不斷變化的業(yè)務(wù)需求，同時(shí)通過(guò)自動(dòng)化服務(wù)配置和繞過(guò)瓶頸來(lái)降低運(yùn)營(yíng)成本。這種方案的優(yōu)勢(shì)包括：

????由于光路交換機(jī)不需要任何光電轉(zhuǎn)換，因此消耗的能量非常少，并且?guī)缀醪粫?huì)增加數(shù)據(jù)路徑的延遲。連接完全透明且與格式無(wú)關(guān)，這使其非常適合用于光傳輸速率不斷提高的面向未來(lái)的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。

????在當(dāng)今的三層數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，支持SDN的全光交換被引入到多個(gè)層級(jí)，以優(yōu)化數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)資源，以及現(xiàn)有的分組路由器和交換機(jī)。全光交換不能替代分組交換和路由，它被加入到現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中，以提供關(guān)鍵擁塞點(diǎn)所需的容量、靈活性和可擴(kuò)展性，滿足繁重且持續(xù)的流量需求。大型數(shù)據(jù)中心擁有分布在房間、建筑物和園區(qū)中的數(shù)萬(wàn)臺(tái)服務(wù)器集群，為了在所有服務(wù)器之間提供可靠和可擴(kuò)展的互連，數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)通常在核心/城域、匯聚和接入層使用分組路由器和電路交換機(jī)的組合分層構(gòu)建。這種層次結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高效共享，和跨服務(wù)器群提供服務(wù)，同時(shí)還連接到外部網(wǎng)絡(luò)。圖1顯示了基本的分層方法，包括每層中全光交換的潛在位置。

圖1: 數(shù)據(jù)中心中全光交換的潛在位置

????對(duì)等互聯(lián)允許運(yùn)營(yíng)商互連其網(wǎng)絡(luò)以交換流量，通常在城域/核心和對(duì)等仲裁器之間使用第 2/3 層交換機(jī)。在此功能中，以低延遲可靠、高效地傳輸大流量塊至關(guān)重要。

????該層中的全光交換在外部網(wǎng)絡(luò)和對(duì)等仲裁器之間提供流量供應(yīng)和保護(hù)交換。此外，光路交換機(jī)還可以提供入侵檢測(cè)、合法攔截、故障定位等多項(xiàng)增值服務(wù)。為了執(zhí)行數(shù)據(jù)鏡像和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控功能，分離部分信號(hào)的光分路器可以與交換結(jié)構(gòu)集成。

????光功率監(jiān)視器也可以集成在光路交換機(jī)內(nèi)，以監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)和對(duì)等交換機(jī)之間的光信號(hào)。集成光探測(cè)器監(jiān)測(cè)所有承載對(duì)等流量的光纖中的光功率，以快速檢測(cè)和定位光纖和設(shè)備故障。在設(shè)備或光纖發(fā)生故障時(shí)，光路交換機(jī)可以通過(guò)故障周圍的保護(hù)倒換來(lái)恢復(fù)業(yè)務(wù)。保護(hù)倒換可以由上級(jí)數(shù)據(jù)中心控制平面發(fā)起，也可以由光路交換機(jī)自動(dòng)執(zhí)行，以盡量減少業(yè)務(wù)中斷。

????光層自動(dòng)保護(hù)倒換可配置為對(duì)光纖和設(shè)備進(jìn)行1:1、1+1、1:N或M:N保護(hù)。此外，將多種功能組合到單個(gè)光路交換機(jī)中可節(jié)省寶貴的機(jī)架空間并減少運(yùn)營(yíng)支出，同時(shí)大大提高所提供的服務(wù)和投資回報(bào)率。

????數(shù)據(jù)中心匯聚通常由連接服務(wù)器群并提供對(duì)核心/城域網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)的分組路由器和交換機(jī)堆棧執(zhí)行。路由器還承載許多其他功能，包括防火墻、負(fù)載均衡和入侵檢測(cè)等。

????當(dāng)前的數(shù)據(jù)中心匯聚架構(gòu)已針對(duì)處理過(guò)去占主導(dǎo)地位的短時(shí)間、突發(fā)流量模式進(jìn)行了優(yōu)化。但是，它們對(duì)于處理服務(wù)器集群之間更大的持久數(shù)據(jù)流來(lái)說(shuō)既不高效也不經(jīng)濟(jì)，然而這些數(shù)據(jù)流在基于虛擬云的服務(wù)中越來(lái)越常見(jiàn)。這些持久性數(shù)據(jù)流現(xiàn)在在虛擬機(jī)遷移、負(fù)載均衡和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)備份等日常操作中很常見(jiàn)。許多研究表明，這些所謂的“大象”流量現(xiàn)在主導(dǎo)著集群到集群的流量，超過(guò)90%的網(wǎng)絡(luò)容量被持續(xù)時(shí)間超過(guò)10秒的流量占用，將大象流卸載到動(dòng)態(tài)配置的光路，可以緩解擁塞。圖 2 顯示了如何將光路交換機(jī)包含在匯聚層中，將分組路由器和交換機(jī)與光路交換機(jī)相結(jié)合的混合架構(gòu)允許數(shù)據(jù)中心以最佳方式處理短突發(fā)流量和更大的持久數(shù)據(jù)流，這通常被稱為路由器旁路。

圖2：數(shù)據(jù)中心匯聚層中的光路交換機(jī)支持新的虛擬云服務(wù)

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????圖3是服務(wù)器集群匯聚。服務(wù)器集群通常是獨(dú)立的機(jī)架，其中包含與架頂式 (TOR) 以太網(wǎng)交換機(jī)互連的多個(gè)數(shù)據(jù)服務(wù)器。大量服務(wù)器機(jī)架被排列成集群或服務(wù)器場(chǎng)域，TOR交換機(jī)通過(guò)光收發(fā)器連接到數(shù)據(jù)中心匯聚層。在服務(wù)器集群環(huán)境中，保護(hù)數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)訪問(wèn)非常重要，大型服務(wù)器集群可能包含分布在各種物理位置的數(shù)千臺(tái)服務(wù)器。正確管理設(shè)備成本、空間、電力和冷卻，同時(shí)不斷提高處理效率對(duì)于數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)的成功至關(guān)重要。

圖 3：用于服務(wù)器集群匯聚的光路交換機(jī)

????隨著服務(wù)器集群越來(lái)越大，越來(lái)越多的服務(wù)基于云，對(duì)服務(wù)器集群匯聚的需求也在增長(zhǎng)。引入可重新配置的光學(xué)層可提高服務(wù)器集群之間的通信效率，并實(shí)現(xiàn)計(jì)算、內(nèi)存和存儲(chǔ)資源的分解，從而顯著提高吞吐量，通過(guò)提高整體服務(wù)交付效率和設(shè)備利用率來(lái)降低成本。在發(fā)生重大災(zāi)難時(shí)，增強(qiáng)的物理光纖層交換還可以顯著加快業(yè)務(wù)重建和恢復(fù)的速度。

??? SDN正在推動(dòng)數(shù)據(jù)中心在 L0/L1 采用光路交換。越來(lái)越多的多租戶數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商正在尋求SDN來(lái)改善當(dāng)前運(yùn)營(yíng)，并加速新功能的開發(fā)，以支持基于云的虛擬服務(wù)。

????在當(dāng)今的數(shù)據(jù)中心，大部分網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都是通過(guò)供應(yīng)商特定的專有軟件進(jìn)行管理和控制的，這限制了創(chuàng)新，因?yàn)樾鹿δ艿囊肴Q于設(shè)備供應(yīng)商的開發(fā)周期，這意味著設(shè)計(jì)、測(cè)試和部署新服務(wù)可能需要幾個(gè)月的時(shí)間。要添加功能或集成新技術(shù)，同樣需要每個(gè)設(shè)備供應(yīng)商單獨(dú)完成專有系統(tǒng)升級(jí)。

??? SDN的強(qiáng)大之處在于，它允許運(yùn)營(yíng)商編寫基于開放標(biāo)準(zhǔn)的高級(jí)軟件應(yīng)用程序，從而使基本網(wǎng)絡(luò)操作自動(dòng)化，并促進(jìn)新服務(wù)的創(chuàng)建。SDN 提供了一種管理網(wǎng)絡(luò)組件和協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)的新方式，以降低成本并加快服務(wù)創(chuàng)新和交付。借助SDN，運(yùn)營(yíng)商可以實(shí)時(shí)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)行為，并在幾小時(shí)或幾天內(nèi)部署新的應(yīng)用程序和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，而不是幾周或幾個(gè)月。

????在 SDN 架構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)智能集中在虛擬化 SDN 控制器中，這些控制器維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的全局視圖。網(wǎng)絡(luò)控制器通過(guò)基于標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議（例如 NETCONF、RESTCONF）以獨(dú)立于供應(yīng)商的方式與支持 SDN 的交換機(jī)或路由器進(jìn)行通信。

????圖 4 顯示了開放網(wǎng)絡(luò)論壇 (ONF) 定義的 SDN 架構(gòu)的邏輯視圖。在此示例中，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)平面基礎(chǔ)設(shè)施，包括 L0/L1 光路交換機(jī)以及 L2/L3 分組路由器和交換機(jī)，均由 SDN 控制平面管理。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備直接與 SDN 控制器連接。

圖4：軟件定義網(wǎng)絡(luò)的邏輯視圖（來(lái)源：開放網(wǎng)絡(luò)基金會(huì)）

????圖 5 顯示了 Polatis 支持 SDN 的全光交換如何優(yōu)化多供應(yīng)商數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中的資源，展示了在 OpenDaylight SDN 控制平面下運(yùn)行的數(shù)據(jù)中心匯聚層，使用RESTCONF和 NETCONF 協(xié)議來(lái)管理 Polatis 光路交換機(jī)和其他網(wǎng)元。Polatis 光交換層的拓?fù)浜蛯傩酝ㄟ^(guò)駐留在服務(wù)抽象層中的插件發(fā)布到 SDN 控制器和編排層。

????通過(guò)SDN控制器中的 Packet-Circuit FlowMapper 使用從監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)端點(diǎn)之間的流計(jì)算得出的數(shù)據(jù)分析來(lái)識(shí)別持久的東西向數(shù)據(jù)流。一旦被識(shí)別，控制器就可以使用 RESTCONF和 NETCONF 動(dòng)態(tài)地重新配置網(wǎng)絡(luò)，為通過(guò)光路交換層的這些大數(shù)據(jù)流創(chuàng)建低延遲光路。通過(guò) L2/L3 分組交換路由器將這些大流量卸載到光路交換層緩解擁塞并減少延遲，從而顯著提高網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的效率和吞吐量。

圖 5：數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商使用支持 SDN 的全光交換來(lái)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源

????支持 SDN 的全光交換已準(zhǔn)備好在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行更大規(guī)模的部署。動(dòng)態(tài)光交叉連接為運(yùn)營(yíng)商提供了光纖層的靈活性，允許其網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展并動(dòng)態(tài)響應(yīng)不斷變化的業(yè)務(wù)需求，實(shí)現(xiàn)更多基本操作的自動(dòng)化并降低網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行成本。SDN技術(shù)的日益普及也消除了傳輸層創(chuàng)新的障礙，使運(yùn)營(yíng)商更容易通過(guò)在多供應(yīng)商網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施中集成新型光路交換解決方案來(lái)提高競(jìng)爭(zhēng)力。