云計(jì)算時(shí)代的DCI技術(shù)

  近年來(lái)，人工智能、虛擬/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)的涌現(xiàn)都離不開(kāi)云計(jì)算的支持。云計(jì)算是數(shù)百萬(wàn)臺(tái)分布在全球各地?cái)?shù)據(jù)中心的服務(wù)器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接在一起組成的大型分布式計(jì)算平臺(tái)。今天，數(shù)據(jù)中心不再是一座孤立的機(jī)房，而是一個(gè)建筑群。一個(gè)數(shù)據(jù)中心可以包含很多個(gè)分支數(shù)據(jù)中心，它們所處的位置不同，卻可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)起來(lái)，共同完成相應(yīng)的業(yè)務(wù)部署。

  而實(shí)現(xiàn)這些數(shù)據(jù)中心間互通的紐帶就是——數(shù)據(jù)中心間互聯(lián)技術(shù)（注，下文簡(jiǎn)稱DCI）

  根據(jù)Cisco發(fā)布的云指數(shù)報(bào)告，過(guò)去五年，數(shù)據(jù)中心間的互聯(lián)帶寬保持了近33%的年增長(zhǎng)率，互聯(lián)帶寬達(dá)到了~100Tb/s量級(jí)。

圖 1 Cisco發(fā)布的數(shù)據(jù)中心年流量增長(zhǎng)趨勢(shì)

  當(dāng)把若干個(gè)數(shù)據(jù)中心用光纖連接起來(lái)，并且采用光通信技術(shù)承載他們之間相互的信息傳遞，這就組成了數(shù)據(jù)中心間互聯(lián)光網(wǎng)絡(luò)（注，后面簡(jiǎn)稱DCI網(wǎng)絡(luò)）。

  從不同角度分析，DCI網(wǎng)絡(luò)有一些明顯特征：

  1、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟渣c(diǎn)到點(diǎn)和簡(jiǎn)單組網(wǎng)為主，復(fù)雜度較低。

  2、城域數(shù)據(jù)中心間互聯(lián)距離較短，單位傳輸成本的降低對(duì)數(shù)據(jù)中心很有吸引力。

  3、更加關(guān)心網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，小的設(shè)備時(shí)延可以減輕數(shù)據(jù)中心選址的困難。

  4、互聯(lián)業(yè)務(wù)種類相對(duì)單一，以100G的以太網(wǎng)為主，電層設(shè)備復(fù)雜度較低。

  5、結(jié)合流量的快速增長(zhǎng)，模塊化的設(shè)備以及靈活可擴(kuò)張的組網(wǎng)方式更受歡迎。

  6、特殊的硬件要求，例如容納在服務(wù)器機(jī)柜中，滿足前后出風(fēng)、高壓直流供電方式等。

  為了更好的建設(shè)和維護(hù)數(shù)據(jù)中心間互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，適配快速增加的數(shù)據(jù)中心間流量，DCI技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

  從黑盒封閉到開(kāi)放解耦

  在過(guò)去的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)體系中，系統(tǒng)廠商提供整套解決方案，包括設(shè)備安裝、系統(tǒng)調(diào)試、運(yùn)維支持等，系統(tǒng)整體類似于封閉的黑盒，不同廠家的硬件、軟件均不具備兼容互通的可能。

  其次，成本問(wèn)題。受益于相干光傳輸技術(shù)的不斷演進(jìn)，單波速率從100Gb/s增長(zhǎng)到了800Gb/s，由于電層設(shè)備的主要成本來(lái)自于光學(xué)器件，因此單波速率提高有利于降低單位成本。不過(guò)，過(guò)去10年，很少有一家系統(tǒng)廠家持續(xù)保持產(chǎn)品上的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。這意味著，如果繼續(xù)采用封閉系統(tǒng)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，將無(wú)法第一時(shí)間享受到技術(shù)發(fā)展的紅利。

圖 3 電層單波速率和單纖容量的演化圖

  另外，封閉系統(tǒng)中的私有網(wǎng)管軟件無(wú)法與用戶已有資源管理、權(quán)限管理、建設(shè)流程和日常維護(hù)系統(tǒng)打通，難以提升端到端的自動(dòng)化水平，從而縮短業(yè)務(wù)開(kāi)通時(shí)間。

  DCI技術(shù)的第一個(gè)突破點(diǎn)就是打開(kāi)封閉的系統(tǒng)，讓用戶可以按需定制自己的網(wǎng)絡(luò)，規(guī)避獨(dú)家綁定，確保供應(yīng)安全。

  阿里云基礎(chǔ)設(shè)施光網(wǎng)絡(luò)團(tuán)隊(duì)，研究提出開(kāi)放解耦DCI技術(shù)的概念，并和行業(yè)合作伙伴一起推進(jìn)了DCI技術(shù)生態(tài)的形成和壯大，突破了傳統(tǒng)封閉式的系統(tǒng)理念。

  DCI網(wǎng)絡(luò)可以看成由底層硬件設(shè)備和上層管控軟件共同組成，其中設(shè)備分為光層設(shè)備和電層設(shè)備，兩者的角色類比于城市的交通設(shè)施，光層設(shè)備類似基礎(chǔ)道路，電層設(shè)備則是路上的交通工具。同電層技術(shù)的快速演化相比，光層設(shè)備屬于基礎(chǔ)設(shè)施中的基礎(chǔ)設(shè)施，技術(shù)演進(jìn)相對(duì)較慢，往往都會(huì)超期服役。所以，解耦的第一刀就切在這里，把公路和交通工具分割開(kāi)，把光層和電層解耦。光層設(shè)備和電層設(shè)備來(lái)自不同廠家，同時(shí)在一套光層設(shè)備組成的“公路”上，可以支持來(lái)自不同電層設(shè)備廠家的“交通工具”。

圖 4 日常生活中的道路上可以自由的行駛來(lái)自不同廠家的不同類型的交通工具，開(kāi)放解耦DCI網(wǎng)絡(luò)也擁有類似的能力

  同時(shí)，需要設(shè)備提供統(tǒng)一接口能力。軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software defined networks）的發(fā)展，Netconf協(xié)議得到了大多數(shù)設(shè)備廠家的共識(shí)。阿里巴巴也在早期加入了OpenConfig組織，參與光網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的數(shù)據(jù)模型定義。基于Netconf協(xié)議和OpenConfig模型，可以采用第三方云軟件平臺(tái)直接對(duì)接廠家設(shè)備實(shí)現(xiàn)管控，這種完全解耦的系統(tǒng)減少了管控路徑上的環(huán)節(jié)，對(duì)響應(yīng)新增網(wǎng)絡(luò)級(jí)功能需求有更好的主動(dòng)性和自由度。

圖 5 開(kāi)放解耦的DCI網(wǎng)絡(luò)

  靈活架構(gòu)支持網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)張

  封閉系統(tǒng)打開(kāi)后，下一步就可選擇更合適的硬件來(lái)構(gòu)建可靈活擴(kuò)張的DCI網(wǎng)絡(luò)。

  在較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，光層設(shè)備的合分波單元僅支持固定通道間隔，實(shí)際上，隨著單波速率不斷提升，電層設(shè)備需要的頻譜寬度也不斷增加。為了兼容不斷發(fā)展的單波速率，固定間隔的合分波單元要升級(jí)到基于波長(zhǎng)選擇開(kāi)關(guān)（Wavelength Selective Switch，WSS）的靈活合分波單元。

圖 6 靈活合分波單元與靈活柵格頻譜，為了支持更多的上下路端口，需要將兩個(gè)WSS進(jìn)行合并

  在規(guī)模大的DCI網(wǎng)絡(luò)中，業(yè)務(wù)分布更復(fù)雜，需要考慮基于ROADM（Reconfigurable Optical Add Drop Multiplexer）的Mesh網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。在數(shù)據(jù)中心較為分散的城市，往往會(huì)采用星型架構(gòu)。如果主站不具備光層穿通能力，那么衛(wèi)星站之間的流量需要在主站進(jìn)行光-電-光轉(zhuǎn)換，不僅增加額外成本，還會(huì)增加站點(diǎn)間的傳輸時(shí)延。當(dāng)主站是ROADM時(shí)，衛(wèi)星站之間的業(yè)務(wù)可以在主站穿通直達(dá)對(duì)端，并且穿通的波長(zhǎng)和路由都可通過(guò)網(wǎng)管軟件進(jìn)行配置，大大減少DCI網(wǎng)絡(luò)的人工運(yùn)維成本，提升業(yè)務(wù)開(kāi)通效率。

圖 7 IP網(wǎng)絡(luò)與能夠支持ROADM的DCI網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)同

  點(diǎn)到點(diǎn)場(chǎng)景下，光層在第一天就已經(jīng)建設(shè)完畢，光電解耦是合理的。在Mesh DCI網(wǎng)絡(luò)中，考慮到后續(xù)站點(diǎn)的增加和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，光層需要進(jìn)一步解耦。我們推薦將ROADM按照方向進(jìn)行解耦，同時(shí)確保光復(fù)用段（Optical Multiplex Section，OMS）內(nèi)的設(shè)備都來(lái)自于同一個(gè)廠家。這樣的方式即可將DCI網(wǎng)絡(luò)中的光層部分有效切割，同時(shí)又避免陷入過(guò)多的設(shè)備之間協(xié)議的約定細(xì)節(jié)中。網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的第一天只有站點(diǎn)A和B之間的連接，設(shè)備來(lái)自于供應(yīng)商M。第二天增加了一個(gè)新的站點(diǎn)C，那么站點(diǎn)C與站點(diǎn)B之間的連接，站點(diǎn)C與站點(diǎn)A之間的連接分別由供應(yīng)商T1和T2承建。為了應(yīng)對(duì)不同廠商設(shè)備連接頭不同導(dǎo)致的無(wú)法互通的問(wèn)題，我們?cè)O(shè)計(jì)了一款支持靈活插卡的萬(wàn)能連纖盒，由全連接背板以及方向適配插卡組成。每個(gè)方向的適配板卡可以匹配廠家的接頭規(guī)格，并將廠家的線序“翻譯”成通用線序。這樣，任意兩個(gè)方向之間通過(guò)萬(wàn)能連纖盒實(shí)現(xiàn)了全連接?？梢哉f(shuō)，萬(wàn)能連纖盒以四兩撥千斤的方式實(shí)現(xiàn)了光層異構(gòu)，為DCI網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大打開(kāi)了自由之門(mén)。

圖 8 基于萬(wàn)能連纖盒的異構(gòu)ROADM和光層解耦方案示意

  管控自動(dòng)化提升網(wǎng)絡(luò)效率

  同IP數(shù)字通信系統(tǒng)相比，光網(wǎng)絡(luò)中依然保留了大量的模擬屬性，例如光功率如何調(diào)整，放大器的增益、斜率如何配置等。為了應(yīng)對(duì)這樣的挑戰(zhàn)，需要能實(shí)現(xiàn)可供第三方使用的開(kāi)放光網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)工具。通過(guò)抽象出多層級(jí)模型，描述不同廠家設(shè)備的行為和功能，廠家的差異性體現(xiàn)則在模型的關(guān)鍵規(guī)格參數(shù)中。結(jié)合實(shí)際組網(wǎng)拓?fù)鋽?shù)據(jù)、業(yè)務(wù)資源數(shù)據(jù)等信息，規(guī)劃器求解端到端最優(yōu)化問(wèn)題，可以計(jì)算獲得所有設(shè)備上的目標(biāo)配置值以及此時(shí)的性能余量。

  在已有網(wǎng)絡(luò)中新增業(yè)務(wù)或者做配置優(yōu)化時(shí)，需要像一個(gè)攀巖高手一樣，小心的選擇從當(dāng)前配置到目標(biāo)配置的調(diào)節(jié)路徑。受限于光放大器非線性、光纖Kerr非線性以及受激拉曼散射效應(yīng)的影響，不僅當(dāng)前調(diào)節(jié)的業(yè)務(wù)通道需要關(guān)注，相鄰的通道以及附近相關(guān)OMS上的通道同樣需要監(jiān)測(cè)。在配置器中引入了實(shí)時(shí)狀態(tài)檢查單元，實(shí)時(shí)采集的設(shè)備性能數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)定制的檢查邏輯，判斷當(dāng)前調(diào)節(jié)路徑是否存在風(fēng)險(xiǎn)，不斷更新。如此反復(fù)，最終安全的實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)的調(diào)節(jié)目標(biāo)。

圖 9 可供第三方使用的開(kāi)放光網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)工具和自動(dòng)化配置流程

  發(fā)展和挑戰(zhàn)

  不斷涌現(xiàn)的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)以及快速演進(jìn)的云計(jì)算，推動(dòng)了DCI網(wǎng)絡(luò)在過(guò)去的十年里蓬勃發(fā)展。開(kāi)放解耦的系統(tǒng)，簡(jiǎn)單且靈活的架構(gòu)體系以及軟件自動(dòng)化是DCI的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)。在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)里，5G網(wǎng)絡(luò)，物聯(lián)網(wǎng)（IoT），增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（AR）和虛擬現(xiàn)實(shí)（VR），以及邊緣云計(jì)算將繼續(xù)推動(dòng)DCI網(wǎng)絡(luò)快速增長(zhǎng)。一個(gè)開(kāi)放的DCI生態(tài)將會(huì)更有利于新技術(shù)的發(fā)展和引入、推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新和業(yè)界繁榮，更好滿足客戶和業(yè)務(wù)的需求，并最終推動(dòng)云計(jì)算邁向新的階段！