Google | 現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心光線路交換技術的概念到實現(xiàn)

逍遙設計自動化

引言隨著網(wǎng)絡服務、云計算和機器學習應用需求的不斷增長，現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心正在快速發(fā)展。在這種背景下，光線路交換(OCS)技術成為解決數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡挑戰(zhàn)的變革性方案。本文探討Apollo系統(tǒng)，這是在數(shù)據(jù)中心規(guī)模實施OCS技術的突破性成果[1]。

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架構演進：網(wǎng)絡設計的轉變傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡主要依賴電子分組交換，但光線路交換的引入為這種架構帶來了根本性的改變。
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圖1展示了從(a)傳統(tǒng)的分層數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡（使用Spine模塊連接聚合模塊）到(b)基于Apollo OCS的架構（其中Spine模塊被直通式OCS取代）的演變。

Apollo架構支持動態(tài)網(wǎng)絡重構和擴展能力，實現(xiàn)更靈活和高效的網(wǎng)絡管理。
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圖2展示了簡化的Fabric擴展，說明OCS配置如何根據(jù)聚合模塊的數(shù)量重新分配網(wǎng)絡連接。
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核心技術：Palomar OCS系統(tǒng)
% S$ X, n6 U5 |8 m, NApollo系統(tǒng)的核心是Palomar OCS，采用先進的MEMS技術實現(xiàn)光交換。


/ k( N: a8 X4 d; d3 x  X) U圖3說明了基于3D MEMS的NxN光開關原理，其中鏡面在兩個軸向上傾斜以在輸入和輸出端口之間引導光束。
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圖4呈現(xiàn)了Palomar OCS光學核心的設計和光路，顯示帶內(nèi)光信號路徑（綠線）和用于鏡面調節(jié)的監(jiān)控通道（紅箭頭）。
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圖5顯示了Palomar OCS光學核心的照片，標識了關鍵組件：光纖準直器、相機模塊、封裝的MEMS、注入模塊和二向色分光器及合光器。

組件集成：環(huán)行器和WDM技術
- s+ V+ b( C3 C' GApollo系統(tǒng)的一個關鍵創(chuàng)新是使用光環(huán)行器實現(xiàn)雙向通信，并采用先進的WDM技術實現(xiàn)高帶寬傳輸。
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  B9 O$ r3 G2 [9 ?+ ^; M圖6展示了(a)光環(huán)行器作為三端口非互易器件的工作原理，(b)集成環(huán)行器實現(xiàn)細節(jié)，以及(c)帶集成環(huán)行器的雙向CWDM4光收發(fā)器。

6 |, ~. b# Q" p" M, _0 j; MWDM技術的發(fā)展對系統(tǒng)的成功起著重要作用，在保持向后兼容性的同時實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率。
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圖7顯示了WDM單�；ミB技術回顧和路線圖，突出顯示了光互連技術的演進。
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0 l8 Q% O5 V& w% x物理部署：數(shù)據(jù)中心實施
# a, {8 }; n/ X) i) L" n' lApollo在數(shù)據(jù)中心環(huán)境中的物理實施需要仔細規(guī)劃和組織，以確�？煽啃院瓦\行效率。
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圖8描繪了Apollo在數(shù)據(jù)中心機房的物理布局，顯示OCS在四個獨立區(qū)域的分布。


圖9展示了(a)Apollo區(qū)域的一半，包括OCS機架和光纖電纜分布，以及(b)聚合模塊的一半，包括到網(wǎng)絡機架的光纖電纜分布。

性能特征：光學指標
9 L8 r) d$ a# @8 K0 U" KApollo系統(tǒng)在光學特性方面實現(xiàn)了優(yōu)異的性能指標。

- p& G1 h1 {; z圖10展示了(a) Palomar OCS 136x136交叉連接的代表性插入損耗直方圖和(b) 136個輸入/輸出端口的回波損耗與端口編號的關系。

多代技術支持：技術集成
7 Q  Q. w- @) R2 Y% Y5 F5 p; ~" L! lApollo的一個主要優(yōu)勢是能夠同時支持多代網(wǎng)絡技術。
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6 s0 [8 ]: Y1 s  c* \5 O圖11顯示了基于Apollo網(wǎng)絡中的互操作性，展示了不同代際和速度的交換ASIC和光學技術如何共存。
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MEMS實現(xiàn)：技術細節(jié)
5 q3 O; D( i1 C4 k3 G5 }7 XApollo使用的MEMS技術代表了光交換的先進方法。


圖12顯示了(a)具有176個可單獨控制的微鏡的Palomar MEMS鏡面封裝的照片和(b)具有四個梳狀驅動區(qū)域用于雙向旋轉的MEMS鏡面熱圖像。

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9 s: W/ J4 F0 a% [5 G  C/ P圖13呈現(xiàn)了(a)OCS機箱的系統(tǒng)級圖表和(b)顯示現(xiàn)場可更換單元的后視圖。

優(yōu)勢與應用
Apollo系統(tǒng)為數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡帶來了幾個顯著優(yōu)勢：
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降低網(wǎng)絡復雜性

增強可擴展性

提升性能

適應未來架構
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結論：影響與未來發(fā)展
Apollo的成功實施證明了光線路交換能夠有效滿足現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡不斷增長的需求。系統(tǒng)在高性能、可擴展性和靈活性方面的綜合能力使其成為數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡技術的重要進步。
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! j2 c* [! D/ S' k$ }+ f: h$ l隨著數(shù)據(jù)中心的持續(xù)發(fā)展，Apollo展示的原理和技術對未來網(wǎng)絡架構的設計產(chǎn)生重要影響，滿足現(xiàn)代計算應用不斷增長的需求。

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+ I" m. l% z: p6 W% C( T[1] R. Urata, H. Liu, K. Yasumura, E. Mao, J. Berger, X. Zhou, C. Lam, R. Bannon, D. Hutchinson, D. Nelson, L. Poutievski, A. Singh, J. Ong, and A. Vahdat, "Mission Apollo: Landing Optical Circuit Switching at Datacenter Scale," in Google LLC, 2024.
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