云計算時(shí)代的DCI技術(shù)

  近年來(lái)，人工智能、虛擬/增強現實(shí)、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)的涌現都離不開(kāi)云計算的支持。云計算是數百萬(wàn)臺分布在全球各地數據中心的服務(wù)器通過(guò)網(wǎng)絡(luò )連接在一起組成的大型分布式計算平臺。今天，數據中心不再是一座孤立的機房，而是一個(gè)建筑群。一個(gè)數據中心可以包含很多個(gè)分支數據中心，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)，共同完成相應的業(yè)務(wù)部署。

  而實(shí)現這些數據中心間互通的紐帶就是——數據中心間互聯(lián)技術(shù)（注，下文簡(jiǎn)稱(chēng)DCI）

  根據Cisco發(fā)布的云指數報告，過(guò)去五年，數據中心間的互聯(lián)帶寬保持了近33%的年增長(cháng)率，互聯(lián)帶寬達到了~100Tb/s量級。

圖 1 Cisco發(fā)布的數據中心年流量增長(cháng)趨勢

  當把若干個(gè)數據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，這就組成了數據中心間互聯(lián)光網(wǎng)絡(luò )（注，后面簡(jiǎn)稱(chēng)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 )拓撲以點(diǎn)到點(diǎn)和簡(jiǎn)單組網(wǎng)為主，復雜度較低。

  2、城域數據中心間互聯(lián)距離較短，單位傳輸成本的降低對數據中心很有吸引力。

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

  4、互聯(lián)業(yè)務(wù)種類(lèi)相對單一，以100G的以太網(wǎng)為主，電層設備復雜度較低。

  5、結合流量的快速增長(cháng)，模塊化的設備以及靈活可擴張的組網(wǎng)方式更受歡迎。

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

  為了更好的建設和維護數據中心間互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )，適配快速增加的數據中心間流量，DCI技術(shù)應運而生。

  從黑盒封閉到開(kāi)放解耦

  在過(guò)去的網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)體系中，系統廠(chǎng)商提供整套解決方案，包括設備安裝、系統調試、運維支持等，系統整體類(lèi)似于封閉的黑盒，不同廠(chǎng)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(cháng)到了800Gb/s，由于電層設備的主要成本來(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，很少有一家系統廠(chǎng)家持續保持產(chǎn)品上的領(lǐng)先優(yōu)勢。這意味著(zhù)，如果繼續采用封閉系統構建網(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，封閉系統中的私有網(wǎng)管軟件無(wú)法與用戶(hù)已有資源管理、權限管理、建設流程和日常維護系統打通，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，讓用戶(hù)可以按需定制自己的網(wǎng)絡(luò )，規避獨家綁定，確保供應安全。

  阿里云基礎設施光網(wǎng)絡(luò )團隊，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，突破了傳統封閉式的系統理念。

  DCI網(wǎng)絡(luò )可以看成由底層硬件設備和上層管控軟件共同組成，其中設備分為光層設備和電層設備，兩者的角色類(lèi)比于城市的交通設施，光層設備類(lèi)似基礎道路，電層設備則是路上的交通工具。同電層技術(shù)的快速演化相比，光層設備屬于基礎設施中的基礎設施，技術(shù)演進(jìn)相對較慢，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。光層設備和電層設備來(lái)自不同廠(chǎng)家，同時(shí)在一套光層設備組成的“公路”上，可以支持來(lái)自不同電層設備廠(chǎng)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(chǎng)家的不同類(lèi)型的交通工具，開(kāi)放解耦DCI網(wǎng)絡(luò )也擁有類(lèi)似的能力

  同時(shí)，需要設備提供統一接口能力。軟件定義網(wǎng)絡(luò )（Software defined networks）的發(fā)展，Netconf協(xié)議得到了大多數設備廠(chǎng)家的共識。阿里巴巴也在早期加入了OpenConfig組織，參與光網(wǎng)絡(luò )相關(guān)的數據模型定義?；贜etconf協(xié)議和OpenConfig模型，可以采用第三方云軟件平臺直接對接廠(chǎng)家設備實(shí)現管控，這種完全解耦的系統減少了管控路徑上的環(huán)節，對響應新增網(wǎng)絡(luò )級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 )

  靈活架構支持網(wǎng)絡(luò )可擴張

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

  在較長(cháng)一段時(shí)間內，光層設備的合分波單元僅支持固定通道間隔，實(shí)際上，隨著(zhù)單波速率不斷提升，電層設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到基于波長(cháng)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

  在規模大的DCI網(wǎng)絡(luò )中，業(yè)務(wù)分布更復雜，需要考慮基于ROADM（Reconfigurable Optical Add Drop Multiplexer）的Mesh網(wǎng)絡(luò )架構。在數據中心較為分散的城市，往往會(huì )采用星型架構。如果主站不具備光層穿通能力，那么衛星站之間的流量需要在主站進(jìn)行光-電-光轉換，不僅增加額外成本，還會(huì )增加站點(diǎn)間的傳輸時(shí)延。當主站是ROADM時(shí)，衛星站之間的業(yè)務(wù)可以在主站穿通直達對端，并且穿通的波長(cháng)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)建設完畢，光電解耦是合理的。在Mesh DCI網(wǎng)絡(luò )中，考慮到后續站點(diǎn)的增加和網(wǎng)絡(luò )規模的擴大，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)確保光復用段（Optical Multiplex Section，OMS）內的設備都來(lái)自于同一個(gè)廠(chǎng)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)多的設備之間協(xié)議的約定細節中。網(wǎng)絡(luò )建設的第一天只有站點(diǎn)A和B之間的連接，設備來(lái)自于供應商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商T1和T2承建。為了應對不同廠(chǎng)商設備連接頭不同導致的無(wú)法互通的問(wèn)題，我們設計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(chǎng)家的接頭規格，并將廠(chǎng)家的線(xiàn)序“翻譯”成通用線(xiàn)序。這樣，任意兩個(gè)方向之間通過(guò)萬(wàn)能連纖盒實(shí)現了全連接?？梢哉f(shuō)，萬(wàn)能連纖盒以四兩撥千斤的方式實(shí)現了光層異構，為DCI網(wǎng)絡(luò )規模的擴大打開(kāi)了自由之門(mén)。

圖 8 基于萬(wàn)能連纖盒的異構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數字通信系統相比，光網(wǎng)絡(luò )中依然保留了大量的模擬屬性，例如光功率如何調整，放大器的增益、斜率如何配置等。為了應對這樣的挑戰，需要能實(shí)現可供第三方使用的開(kāi)放光網(wǎng)絡(luò )設計工具。通過(guò)抽象出多層級模型，描述不同廠(chǎng)家設備的行為和功能，廠(chǎng)家的差異性體現則在模型的關(guān)鍵規格參數中。結合實(shí)際組網(wǎng)拓撲數據、業(yè)務(wù)資源數據等信息，規劃器求解端到端最優(yōu)化問(wèn)題，可以計算獲得所有設備上的目標配置值以及此時(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，小心的選擇從當前配置到目標配置的調節路徑。受限于光放大器非線(xiàn)性、光纖Kerr非線(xiàn)性以及受激拉曼散射效應的影響，不僅當前調節的業(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測。在配置器中引入了實(shí)時(shí)狀態(tài)檢查單元，實(shí)時(shí)采集的設備性能數據經(jīng)過(guò)定制的檢查邏輯，判斷當前調節路徑是否存在風(fēng)險，不斷更新。如此反復，最終安全的實(shí)現預設的調節目標。

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

  發(fā)展和挑戰

  不斷涌現的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)以及快速演進(jìn)的云計算，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，簡(jiǎn)單且靈活的架構體系以及軟件自動(dòng)化是DCI的主要創(chuàng )新點(diǎn)。在可預見(jiàn)的未來(lái)里，5G網(wǎng)絡(luò )，物聯(lián)網(wǎng)（IoT），增強現實(shí)技術(shù)（AR）和虛擬現實(shí)（VR），以及邊緣云計算將繼續推動(dòng)DCI網(wǎng)絡(luò )快速增長(cháng)。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(mǎn)足客戶(hù)和業(yè)務(wù)的需求，并最終推動(dòng)云計算邁向新的階段！