灵动·高速·高效|支持SDN的数据中心全光交换解决方案

    数据中心运营商在应对网络流量的爆炸式增长方面面临着诸多挑战，由此导致的网络拥塞和彻底的网络过载会增加延迟，降低服务和应用程序的性能，并最终导致运营支出呈指数级增长。运营商需要在相同的占地面积内拥有更多容量，并能够灵活地在最需要资源的时间和地点动态的分配资源。虽然光互连被广泛的部署在数据中心的处理网元之间以提供高速传输，但交换仍是以电的方式进行，光纤层连接主要保持静态。

    全光交换的最新发展与软件定义网络(SDN)模式相结合，创造了引人瞩目的解决方案，使光纤层置于软件控制之下。这些解决方案可以在数千个节点之间按需提供动态、低损耗的连接，并具有光速数据延迟。SDN将光纤层（Layer 0/1）光路交换机和传统Layer 2/3分组交换机、路由器的管理集成在一个公共控制平面下，实现网络资源的抽象和虚拟化。通过使用支持SDN的动态光交叉连接来增强网络设计，数据中心运营商可以创建可扩展的解决方案，动态响应不断变化的业务需求，同时通过自动化服务配置和绕过瓶颈来降低运营成本。这种方案的优势包括：

    由于光路交换机不需要任何光电转换，因此消耗的能量非常少，并且几乎不会增加数据路径的延迟。连接完全透明且与格式无关，这使其非常适合用于光传输速率不断提高的面向未来的数据中心网络基础设施。

    在当今的三层数据中心网络架构中，支持SDN的全光交换被引入到多个层级，以优化数据中心的网络资源，以及现有的分组路由器和交换机。全光交换不能替代分组交换和路由，它被加入到现有网络中，以提供关键拥塞点所需的容量、灵活性和可扩展性，满足繁重且持续的流量需求。大型数据中心拥有分布在房间、建筑物和园区中的数万台服务器集群，为了在所有服务器之间提供可靠和可扩展的互连，数据中心网络通常在核心/城域、汇聚和接入层使用分组路由器和电路交换机的组合分层构建。这种层次结构实现了数据的高效共享，和跨服务器群提供服务，同时还连接到外部网络。图1显示了基本的分层方法，包括每层中全光交换的潜在位置。

图1: 数据中心中全光交换的潜在位置

    对等互联允许运营商互连其网络以交换流量，通常在城域/核心和对等仲裁器之间使用第 2/3 层交换机。在此功能中，以低延迟可靠、高效地传输大流量块至关重要。

    该层中的全光交换在外部网络和对等仲裁器之间提供流量供应和保护交换。此外，光路交换机还可以提供入侵检测、合法拦截、故障定位等多项增值服务。为了执行数据镜像和网络监控功能，分离部分信号的光分路器可以与交换结构集成。

    光功率监视器也可以集成在光路交换机内，以监视网络和对等交换机之间的光信号。集成光探测器监测所有承载对等流量的光纤中的光功率，以快速检测和定位光纤和设备故障。在设备或光纤发生故障时，光路交换机可以通过故障周围的保护倒换来恢复业务。保护倒换可以由上级数据中心控制平面发起，也可以由光路交换机自动执行，以尽量减少业务中断。

    光层自动保护倒换可配置为对光纤和设备进行1:1、1+1、1:N或M:N保护。此外，将多种功能组合到单个光路交换机中可节省宝贵的机架空间并减少运营支出，同时大大提高所提供的服务和投资回报率。

    数据中心汇聚通常由连接服务器群并提供对核心/城域网络访问的分组路由器和交换机堆栈执行。路由器还承载许多其他功能，包括防火墙、负载均衡和入侵检测等。

    当前的数据中心汇聚架构已针对处理过去占主导地位的短时间、突发流量模式进行了优化。但是，它们对于处理服务器集群之间更大的持久数据流来说既不高效也不经济，然而这些数据流在基于虚拟云的服务中越来越常见。这些持久性数据流现在在虚拟机迁移、负载均衡和数据存储备份等日常操作中很常见。许多研究表明，这些所谓的“大象”流量现在主导着集群到集群的流量，超过90%的网络容量被持续时间超过10秒的流量占用，将大象流卸载到动态配置的光路，可以缓解拥塞。图 2 显示了如何将光路交换机包含在汇聚层中，将分组路由器和交换机与光路交换机相结合的混合架构允许数据中心以最佳方式处理短突发流量和更大的持久数据流，这通常被称为路由器旁路。

图2：数据中心汇聚层中的光路交换机支持新的虚拟云服务

    图3是服务器集群汇聚。服务器集群通常是独立的机架，其中包含与架顶式 (TOR) 以太网交换机互连的多个数据服务器。大量服务器机架被排列成集群或服务器场域，TOR交换机通过光收发器连接到数据中心汇聚层。在服务器集群环境中，保护数据和数据访问非常重要，大型服务器集群可能包含分布在各种物理位置的数千台服务器。正确管理设备成本、空间、电力和冷却，同时不断提高处理效率对于数据中心运营的成功至关重要。

图 3：用于服务器集群汇聚的光路交换机

    随着服务器集群越来越大，越来越多的服务基于云，对服务器集群汇聚的需求也在增长。引入可重新配置的光学层可提高服务器集群之间的通信效率，并实现计算、内存和存储资源的分解，从而显著提高吞吐量，通过提高整体服务交付效率和设备利用率来降低成本。在发生重大灾难时，增强的物理光纤层交换还可以显着加快业务重建和恢复的速度。

    SDN正在推动数据中心在 L0/L1 采用光路交换。越来越多的多租户数据中心运营商正在寻求SDN来改善当前运营，并加速新功能的开发，以支持基于云的虚拟服务。

    在当今的数据中心，大部分网络设备都是通过供应商特定的专有软件进行管理和控制的，这限制了创新，因为新功能的引入取决于设备供应商的开发周期，这意味着设计、测试和部署新服务可能需要几个月的时间。要添加功能或集成新技术，同样需要每个设备供应商单独完成专有系统升级。

    SDN的强大之处在于，它允许运营商编写基于开放标准的高级软件应用程序，从而使基本网络操作自动化，并促进新服务的创建。SDN 提供了一种管理网络组件和协调网络运营的新方式，以降低成本并加快服务创新和交付。借助SDN，运营商可以实时调整网络行为，并在几小时或几天内部署新的应用程序和网络服务，而不是几周或几个月。

    在 SDN 架构中，网络智能集中在虚拟化 SDN 控制器中，这些控制器维护网络的全局视图。网络控制器通过基于标准的协议（例如 NETCONF、RESTCONF）以独立于供应商的方式与支持 SDN 的交换机或路由器进行通信。

    图 4 显示了开放网络论坛 (ONF) 定义的 SDN 架构的逻辑视图。在此示例中，网络数据平面基础设施，包括 L0/L1 光路交换机以及 L2/L3 分组路由器和交换机，均由 SDN 控制平面管理。每个网络设备直接与 SDN 控制器连接。

图4：软件定义网络的逻辑视图（来源：开放网络基金会）

    图 5 显示了 Polatis 支持 SDN 的全光交换如何优化多供应商数据中心网络中的资源，展示了在 OpenDaylight SDN 控制平面下运行的数据中心汇聚层，使用RESTCONF和 NETCONF 协议来管理 Polatis 光路交换机和其他网元。Polatis 光交换层的拓扑和属性通过驻留在服务抽象层中的插件发布到 SDN 控制器和编排层。

    通过SDN控制器中的 Packet-Circuit FlowMapper 使用从监控网络端点之间的流计算得出的数据分析来识别持久的东西向数据流。一旦被识别，控制器就可以使用 RESTCONF和 NETCONF 动态地重新配置网络，为通过光路交换层的这些大数据流创建低延迟光路。通过 L2/L3 分组交换路由器将这些大流量卸载到光路交换层缓解拥塞并减少延迟，从而显著提高网络基础设施的效率和吞吐量。

图 5：数据中心运营商使用支持 SDN 的全光交换来优化网络资源

    支持 SDN 的全光交换已准备好在数据中心网络中进行更大规模的部署。动态光交叉连接为运营商提供了光纤层的灵活性，允许其网络扩展并动态响应不断变化的业务需求，实现更多基本操作的自动化并降低网络运行成本。SDN技术的日益普及也消除了传输层创新的障碍，使运营商更容易通过在多供应商网络基础设施中集成新型光路交换解决方案来提高竞争力。