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

逍遙設(shè)計自動化

引言隨著網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、云計算和機器學(xué)習(xí)應(yīng)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(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)模實施OCS技術(shù)的突破性成果[1]。

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5 ~! Y- Y" p% F5 o$ f* M% v: C% u架構(gòu)演進：網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的轉(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)帶來了根本性的改變。
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) H) e8 R" w  n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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Apollo架構(gòu)支持動態(tài)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)和擴展能力，實現(xiàn)更靈活和高效的網(wǎng)絡(luò)管理。

" c( w+ h. d3 F6 T. ^/ I9 c- t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(luò)連接。
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2 }% z. \+ @- ^核心技術(shù)：Palomar OCS系統(tǒng)
Apollo系統(tǒng)的核心是Palomar OCS，采用先進的MEMS技術(shù)實現(xiàn)光交換。
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& i4 |) e5 b5 D, J% s: v圖3說明了基于3D MEMS的NxN光開關(guān)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(dǎo)光束。
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% @0 S% d. c* Y9 ?0 Y# v) m# w圖4呈現(xiàn)了Palomar OCS光學(xué)核心的設(shè)計和光路，顯示帶內(nèi)光信號路徑（綠線）和用于鏡面調(diào)節(jié)的監(jiān)控通道（紅箭頭）。
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# S1 o9 E$ G. d圖5顯示了Palomar OCS光學(xué)核心的照片，標(biāo)識了關(guān)鍵組件：光纖準(zhǔn)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。
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組件集成：環(huán)行器和WDM技術(shù)
  C8 b  W4 c4 c3 m9 R, p! k, aApollo系統(tǒng)的一個關(guān)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(shù)實現(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)行器實現(xiàn)細節(jié)，以及(c)帶集成環(huán)行器的雙向CWDM4光收發(fā)器。

WDM技術(shù)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(shù)回顧和路線圖，突出顯示了光互連技術(shù)的演進。
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, k5 g9 k1 O8 I物理部署：數(shù)據(jù)中心實施
Apollo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。
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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(luò)機架的光纖電纜分布。
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# K- F" a8 b6 V* x" X性能特征：光學(xué)指標(biāo)
+ E: s4 F% F6 K( M& CApollo系統(tǒng)在光學(xué)特性方面實現(xiàn)了優(yōu)異的性能指標(biāo)。
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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(guān)系。

7 I7 u: ?4 A: j8 g2 }1 \多代技術(shù)支持：技術(shù)集成
) n" y! J# `7 H6 Y9 [( C. HApollo的一個主要優(yōu)勢是能夠同時支持多代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。


& O. q7 {( M* t7 u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。
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MEMS實現(xiàn)：技術(shù)細節(jié)
Apollo使用的MEMS技術(shù)代表了光交換的先進方法。
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; V8 d7 e; P  o. V% A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(qū)動區(qū)域用于雙向旋轉(zhuǎn)的MEMS鏡面熱圖像。

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' C# h" x9 u: O' y' [1 T' h% {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。

2 N+ y1 c7 ?' p3 \優(yōu)勢與應(yīng)用
7 g' I' E" {/ J1 g  LApollo系統(tǒng)為數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)帶來了幾個顯著優(yōu)勢：
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降低網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性

增強可擴展性

提升性能

適應(yīng)未來架構(gòu)
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結(jié)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(luò)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(luò)技術(shù)的重要進步。
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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)對未來網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計產(chǎn)生重要影響，滿足現(xiàn)代計算應(yīng)用不斷增長的需求。

$ k0 }+ ?; F1 _* y& O參考文獻
3 T2 {. V# d1 r: W: h0 _. 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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