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

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言隨著網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、云計(jì)算和機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用需求的不斷增長(zhǎng)，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(shù)成為解決數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)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(shí)施OCS技術(shù)的突破性成果[1]。
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; d" ^9 n5 |- b% O, g: O3 _: z架構(gòu)演進(jìn)：網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)主要依賴電子分組交換，但光線路交換的引入為這種架構(gòu)帶來(lái)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(luò)（使用Spine模塊連接聚合模塊）到(b)基于Apollo OCS的架構(gòu)（其中Spine模塊被直通式OCS取代）的演變。
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7 ~) l) v, V3 uApollo架構(gòu)支持動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)和擴(kuò)展能力，實(shí)現(xiàn)更靈活和高效的網(wǎng)絡(luò)管理。
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: L, q! d. X0 M' [% v* S  X圖2展示了簡(jiǎn)化的Fabric擴(kuò)展，說(shuō)明OCS配置如何根據(jù)聚合模塊的數(shù)量重新分配網(wǎng)絡(luò)連接。
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核心技術(shù)：Palomar OCS系統(tǒng)
Apollo系統(tǒng)的核心是Palomar OCS，采用先進(jìn)的MEMS技術(shù)實(shí)現(xiàn)光交換。


圖3說(shuō)明了基于3D MEMS的NxN光開(kāi)關(guān)原理，其中鏡面在兩個(gè)軸向上傾斜以在輸入和輸出端口之間引導(dǎo)光束。

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7 ^/ ?3 K% \$ P1 A: q圖4呈現(xiàn)了Palomar OCS光學(xué)核心的設(shè)計(jì)和光路，顯示帶內(nèi)光信號(hào)路徑（綠線）和用于鏡面調(diào)節(jié)的監(jiān)控通道（紅箭頭）。

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圖5顯示了Palomar OCS光學(xué)核心的照片，標(biāo)識(shí)了關(guān)鍵組件：光纖準(zhǔn)直器、相機(jī)模塊、封裝的MEMS、注入模塊和二向色分光器及合光器。
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5 s  a" A5 X6 Y9 k$ S! {) V, K# M% I1 E組件集成：環(huán)行器和WDM技術(shù)
Apollo系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵創(chuàng)新是使用光環(huán)行器實(shí)現(xiàn)雙向通信，并采用先進(jìn)的WDM技術(shù)實(shí)現(xiàn)高帶寬傳輸。
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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(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，以及(c)帶集成環(huán)行器的雙向CWDM4光收發(fā)器。
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WDM技術(shù)的發(fā)展對(duì)系統(tǒng)的成功起著重要作用，在保持向后兼容性的同時(shí)實(shí)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(shù)回顧和路線圖，突出顯示了光互連技術(shù)的演進(jìn)。

物理部署：數(shù)據(jù)中心實(shí)施
2 c4 i- V1 Y' o3 XApollo在數(shù)據(jù)中心環(huán)境中的物理實(shí)施需要仔細(xì)規(guī)劃和組織，以確保可靠性和運(yùn)行效率。
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) s$ p8 p  g; b4 z圖8描繪了Apollo在數(shù)據(jù)中心機(jī)房的物理布局，顯示OCS在四個(gè)獨(dú)立區(qū)域的分布。


) R. [; U+ i- ?) D' B9 v圖9展示了(a)Apollo區(qū)域的一半，包括OCS機(jī)架和光纖電纜分布，以及(b)聚合模塊的一半，包括到網(wǎng)絡(luò)機(jī)架的光纖電纜分布。
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$ N8 p7 y( S3 ]性能特征：光學(xué)指標(biāo)
# J# Z9 ]6 T- q# m; L& JApollo系統(tǒng)在光學(xué)特性方面實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的性能指標(biāo)。

1 ~7 B( T* z+ D5 C' }7 k# }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(gè)輸入/輸出端口的回波損耗與端口編號(hào)的關(guān)系。
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; @+ i3 x4 W5 ~5 K) U' I多代技術(shù)支持：技術(shù)集成
- v% O1 `+ y/ _$ d3 X9 }1 R2 b; lApollo的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)是能夠同時(shí)支持多代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。


圖11顯示了基于Apollo網(wǎng)絡(luò)中的互操作性，展示了不同代際和速度的交換ASIC和光學(xué)技術(shù)如何共存。

+ _$ K$ B1 I' Z. @3 ~1 Y% YMEMS實(shí)現(xiàn)：技術(shù)細(xì)節(jié)
. ^2 U. U& w9 a7 I. H9 P8 S. I: nApollo使用的MEMS技術(shù)代表了光交換的先進(jìn)方法。
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圖12顯示了(a)具有176個(gè)可單獨(dú)控制的微鏡的Palomar MEMS鏡面封裝的照片和(b)具有四個(gè)梳狀驅(qū)動(dòng)區(qū)域用于雙向旋轉(zhuǎn)的MEMS鏡面熱圖像。


6 _$ L1 u+ F: h+ V3 D. |0 u% w圖13呈現(xiàn)了(a)OCS機(jī)箱的系統(tǒng)級(jí)圖表和(b)顯示現(xiàn)場(chǎng)可更換單元的后視圖。
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優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用
  X  p( v! C1 Y" W  uApollo系統(tǒng)為數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)了幾個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)：
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降低網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性

增強(qiáng)可擴(kuò)展性

提升性能

適應(yīng)未來(lái)架構(gòu)

結(jié)論：影響與未來(lái)發(fā)展
Apollo的成功實(shí)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(luò)不斷增長(zhǎng)的需求。系統(tǒng)在高性能、可擴(kuò)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(luò)技術(shù)的重要進(jìn)步。

8 j9 U* I/ b; D6 \7 Y0 a隨著數(shù)據(jù)中心的持續(xù)發(fā)展，Apollo展示的原理和技術(shù)對(duì)未來(lái)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計(jì)產(chǎn)生重要影響，滿足現(xiàn)代計(jì)算應(yīng)用不斷增長(zhǎng)的需求。
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參考文獻(xiàn)
[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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