????數據中心運營(yíng)商在應對網(wǎng)絡(luò )流量的爆炸式增長(cháng)方面面臨著(zhù)諸多挑戰，由此導致的網(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)和應用程序的性能，并最終導致運營(yíng)支出呈指數級增長(cháng)。運營(yíng)商需要在相同的占地面積內擁有更多容量，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據中心的處理網(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千個(gè)節點(diǎn)之間按需提供動(dòng)態(tài)、低損耗的連接，并具有光速數據延遲。SDN將光纖層（Layer 0/1）光路交換機和傳統Layer 2/3分組交換機、路由器的管理集成在一個(gè)公共控制平面下，實(shí)現網(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)增強網(wǎng)絡(luò )設計，數據中心運營(yíng)商可以創(chuàng )建可擴展的解決方案，動(dòng)態(tài)響應不斷變化的業(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)降低運營(yíng)成本。這種方案的優(yōu)勢包括：

????由于光路交換機不需要任何光電轉換，因此消耗的能量非常少，并且幾乎不會(huì )增加數據路徑的延遲。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)的數據中心網(wǎng)絡(luò )基礎設施。

????在當今的三層數據中心網(wǎng)絡(luò )架構中，支持SDN的全光交換被引入到多個(gè)層級，以?xún)?yōu)化數據中心的網(wǎng)絡(luò )資源，以及現有的分組路由器和交換機。全光交換不能替代分組交換和路由，它被加入到現有網(wǎng)絡(luò )中，以提供關(guān)鍵擁塞點(diǎn)所需的容量、靈活性和可擴展性，滿(mǎn)足繁重且持續的流量需求。大型數據中心擁有分布在房間、建筑物和園區中的數萬(wàn)臺服務(wù)器集群，為了在所有服務(wù)器之間提供可靠和可擴展的互連，數據中心網(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的組合分層構建。這種層次結構實(shí)現了數據的高效共享，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: 數據中心中全光交換的潛在位置

????對等互聯(lián)允許運營(yíng)商互連其網(wǎng)絡(luò )以交換流量，通常在城域/核心和對等仲裁器之間使用第 2/3 層交換機。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 )和對等仲裁器之間提供流量供應和保護交換。此外，光路交換機還可以提供入侵檢測、合法攔截、故障定位等多項增值服務(wù)。為了執行數據鏡像和網(wǎng)絡(luò )監控功能，分離部分信號的光分路器可以與交換結構集成。

????光功率監視器也可以集成在光路交換機內，以監視網(wǎng)絡(luò )和對等交換機之間的光信號。集成光探測器監測所有承載對等流量的光纖中的光功率，以快速檢測和定位光纖和設備故障。在設備或光纖發(fā)生故障時(shí)，光路交換機可以通過(guò)故障周?chē)谋Ｗo倒換來(lái)恢復業(yè)務(wù)。保護倒換可以由上級數據中心控制平面發(fā)起，也可以由光路交換機自動(dòng)執行，以盡量減少業(yè)務(wù)中斷。

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

????數據中心匯聚通常由連接服務(wù)器群并提供對核心/城域網(wǎng)絡(luò )訪(fǎng)問(wèn)的分組路由器和交換機堆棧執行。路由器還承載許多其他功能，包括防火墻、負載均衡和入侵檢測等。

????當前的數據中心匯聚架構已針對處理過(guò)去占主導地位的短時(shí)間、突發(fā)流量模式進(jìn)行了優(yōu)化。但是，它們對于處理服務(wù)器集群之間更大的持久數據流來(lái)說(shuō)既不高效也不經(jīng)濟，然而這些數據流在基于虛擬云的服務(wù)中越來(lái)越常見(jiàn)。這些持久性數據流現在在虛擬機遷移、負載均衡和數據存儲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”流量現在主導著(zhù)集群到集群的流量，超過(guò)90%的網(wǎng)絡(luò )容量被持續時(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包含在匯聚層中，將分組路由器和交換機與光路交換機相結合的混合架構允許數據中心以最佳方式處理短突發(fā)流量和更大的持久數據流，這通常被稱(chēng)為路由器旁路。

圖2：數據中心匯聚層中的光路交換機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)器集群通常是獨立的機架，其中包含與架頂式 (TOR) 以太網(wǎng)交換機互連的多個(gè)數據服務(wù)器。大量服務(wù)器機架被排列成集群或服務(wù)器場(chǎng)域，TOR交換機通過(guò)光收發(fā)器連接到數據中心匯聚層。在服務(wù)器集群環(huán)境中，保護數據和數據訪(fǎng)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千臺服務(wù)器。正確管理設備成本、空間、電力和冷卻，同時(shí)不斷提高處理效率對于數據中心運營(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

????隨著(zhù)服務(wù)器集群越來(lái)越大，越來(lái)越多的服務(wù)基于云，對服務(wù)器集群匯聚的需求也在增長(cháng)。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)現計算、內存和存儲資源的分解，從而顯著(zhù)提高吞吐量，通過(guò)提高整體服務(wù)交付效率和設備利用率來(lái)降低成本。在發(fā)生重大災難時(shí)，增強的物理光纖層交換還可以顯著(zhù)加快業(yè)務(wù)重建和恢復的速度。

??? SDN正在推動(dòng)數據中心在 L0/L1 采用光路交換。越來(lái)越多的多租戶(hù)數據中心運營(yíng)商正在尋求SDN來(lái)改善當前運營(yíng)，并加速新功能的開(kāi)發(fā)，以支持基于云的虛擬服務(wù)。

????在當今的數據中心，大部分網(wǎng)絡(luò )設備都是通過(guò)供應商特定的專(zhuān)有軟件進(jìn)行管理和控制的，這限制了創(chuàng )新，因為新功能的引入取決于設備供應商的開(kāi)發(fā)周期，這意味著(zhù)設計、測試和部署新服務(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)設備供應商單獨完成專(zhuān)有系統升級。

??? SDN的強大之處在于，它允許運營(yíng)商編寫(xiě)基于開(kāi)放標準的高級軟件應用程序，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)調網(wǎng)絡(luò )運營(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，運營(yíng)商可以實(shí)時(shí)調整網(wǎng)絡(luò )行為，并在幾小時(shí)或幾天內部署新的應用程序和網(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，這些控制器維護網(wǎng)絡(luò )的全局視圖。網(wǎng)絡(luò )控制器通過(guò)基于標準的協(xié)議（例如 NETCONF、RESTCONF）以獨立于供應商的方式與支持 SDN 的交換機或路由器進(jìn)行通信。

????圖 4 顯示了開(kāi)放網(wǎng)絡(luò )論壇 (ONF) 定義的 SDN 架構的邏輯視圖。在此示例中，網(wǎng)絡(luò )數據平面基礎設施，包括 L0/L1 光路交換機以及 L2/L3 分組路由器和交換機，均由 SDN 控制平面管理。每個(gè)網(wǎng)絡(luò )設備直接與 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(kāi)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)化多供應商數據中心網(wǎng)絡(luò )中的資源，展示了在 OpenDaylight SDN 控制平面下運行的數據中心匯聚層，使用RESTCONF和 NETCONF 協(xié)議來(lái)管理 Polatis 光路交換機和其他網(wǎng)元。Polatis 光交換層的拓撲和屬性通過(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 使用從監控網(wǎng)絡(luò )端點(diǎn)之間的流計算得出的數據分析來(lái)識別持久的東西向數據流。一旦被識別，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據流創(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(zhù)提高網(wǎng)絡(luò )基礎設施的效率和吞吐量。

圖 5：數據中心運營(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 的全光交換已準備好在數據中心網(wǎng)絡(luò )中進(jìn)行更大規模的部署。動(dòng)態(tài)光交叉連接為運營(yíng)商提供了光纖層的靈活性，允許其網(wǎng)絡(luò )擴展并動(dòng)態(tài)響應不斷變化的業(yè)務(wù)需求，實(shí)現更多基本操作的自動(dòng)化并降低網(wǎng)絡(luò )運行成本。SDN技術(shù)的日益普及也消除了傳輸層創(chuàng )新的障礙，使運營(yíng)商更容易通過(guò)在多供應商網(wǎng)絡(luò )基礎設施中集成新型光路交換解決方案來(lái)提高競爭力。