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【深度】数据中心光通信技术综述

2016-06-12 16:21
Timeless落尘
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  由于互联网业务的快速发展,数据中心的流量已经占据全球通信网络流量绝大部分。作为高速信息传输的主要载体,如今光通信技术已经在数据中心中得到了广泛应用,从距离几米服务器间的光互连到连接世界各地数据中心的光网络。本文概要介绍了数据中心的光通信技术,包括数据中心之间互连的广域网、城域网技术和数据中心内部服务器及交换机之间光互连技术,并对各个领域内一些不同的技术方案做了简要的讨论和比较。

  1、引言

  互联网已经进入了人们生活的各个方面,正在对人类社会产生深远的影响。从电子商务、社交网络、网络游戏,到网络视频、云计算、虚拟现实等,互联网上各种新的应用层出不穷,所产生的数据量和对通信容量和计算能力的需求一直在以指数级快速增长。

  基本上所有的互联网业务和应用的处理与计算都是在数据中心进行的。在数据中心,成千上万台服务器通过网络连接起来,像一台巨大的超级计算机一样协同一致地工作。根据《Cisco全球云计算指数白皮书》,到2019年,全球通信网络流量的99%是和数据中心相关的,其中数据中心内部的网络流量占到全部流量的70%以上,如图1所示。

  图1 Cisco发布的2019年全球通信网络流量预测

  高馄博士1966年指出光纤的损耗可以降到20 dB/km以下,1970年美国康宁公司第一次拉出损耗为17 dB/km的光纤,光纤通信产业发展至今已有50年。

  1977年第一个商用光纤通信系统由AT&T在美国芝加哥投入使用,容量为45 Mbit/s,今天单模光纤的容量已达到100 Tbit/s,技术的发展使光纤通信系统的容量在过去30多年里提高了6个数量级。

  从距离几米服务器交换机之间的连接、到连接千家万户的接入网、再到跨越1万多公里的海底光缆,今天的光纤通信已经覆盖了信息传输从短距到长距的各个方面,成为了今天信息社会和大数据时代的重要基础设施。

  近年来,由于互联网和云计算的发展,光纤通信的应用主体已经从电信运营商的中心机房转向了数据中心。在美国,2008年互联网公司数据中心对光纤通信的需求超过了电信运营商,今天数据中心或许已经成为光纤通信的最大市场。

  本文描述了数据中心中使用和需要的光通信技术,包括连接数据中心间的广域网和城域网技术以及数据中心内部的光互连技术。首先对数据中心的网络作了简单的概述,使读者对光纤通信在数据中心中的应用有个总体的了解;而后对数据中心广域网、城域网及数据中心内网中使用的光通信技术作了详细的阐述;最后进行了简要的总结。

  2、数据中心网络架构

  图2给出了典型的大型互联网公司数据中心网络架构,包括广域网、城域网和数据中心内网。分布在不同地区的数据中心通过广域网相互连接,根据架构的不同,每个或部分数据中心通过外部通道和公共互联网相连,用户通过公共互联网和外部通道进入数据中心。为改善用户体验、降低访问时延,一般会在靠近用户或用户集中的地方设立POP点,POP点通过专线直接连接到数据中心。这样可以减少用户访问数据在公共互联网中的滞留时间。

  图2 典型的大型互联网公司数据中心网络架构

  一般每个地区的数据中心有几个不同的数据中心组成,主要为了容灾和备份的需求,也有的是为了将位于同一个地区内几个数据中心组成一个超级虚拟数据中心,这样每个数据中心可以相对较小,设计和建设相对容易。同一地区的数据中心通过城域网连接起来。因为时延的要求,城域网中不同数据中心的距离不容许超过80公里。

  每个数据中心内部有成千上万台服务器,这些服务器通过数据中心内网相互连接。数据中心内网有几个重要的参数:可连接的服务器的数量(可扩张性)、对分带宽和时延。可扩展性指在增加服务器数量时不需要改变网络架构。最理想的情况是在一个大型数据中心内的任何两个服务器之间都能以很小的时延和服务器的全部带宽进行通信,但在实际的网络设计中必须考虑成本,网络架构设计和技术选择必须在成本和性能之间进行平衡。今天的数据中心内网大多采用多层结构,但随着技术的发展,网络架构有走向扁平化的趋势。

  从上面的描述可以看出,和传统的电信网络不同,数据中心的网络主要是机器和机器之间通信的网络。随着网络速率的不断提高,光通信技术在数据中心得到大量的使用。在如今的数据中心网络中,几乎每个连接都采用了光通信技术,包括数据中心内部距离几米的服务器和交换机之间的连接。下面对广域网、城域网和数据中心内网中采用的光通信技术分别进行详细的阐述。

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