光路交換（OCS）：現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵技術(shù)，Spine層交換機(jī)替代方案！

  ICC訊 在人工智能、大數(shù)據(jù)和高性能計(jì)算等新興應(yīng)用的推動(dòng)下，數(shù)據(jù)中心內(nèi)部流量正在呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。傳統(tǒng)的OEO(光-電-光)交換架構(gòu)逐漸顯現(xiàn)出帶寬、功耗、延遲和擴(kuò)展性等方面的瓶頸。為應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，光路交換(OCS)正逐步走入業(yè)界視野，并在數(shù)據(jù)中心Spine層替代傳統(tǒng)交換機(jī)，成為實(shí)現(xiàn)高性能、低能耗和可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。本文將系統(tǒng)梳理基于OEO的網(wǎng)絡(luò)所面臨的挑戰(zhàn)，闡述OCS作為解決方案的核心價(jià)值，并探討其在現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心架構(gòu)中的應(yīng)用與優(yōu)勢(shì)。對(duì)于希望在快速變化的數(shù)字時(shí)代保持領(lǐng)先地位的企業(yè)而言，OCS結(jié)合先進(jìn)的軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)與編排系統(tǒng)，將成為邁向高效、低耗、可持續(xù)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵一步。

  傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Spine-Leaf架構(gòu)設(shè)計(jì)及局限性

  數(shù)據(jù)中心Spine-Leaf網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的提出，旨在幫助數(shù)據(jù)中心應(yīng)對(duì)日益增長(zhǎng)的流量需求，實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展性。這一架構(gòu)已經(jīng)被廣泛部署，并成為超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的主流網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。Spine-Leaf架構(gòu)由兩層組成：Spine脊層(核心骨干交換機(jī)或Spine模塊)和Leaf葉層 (接入交換機(jī)或聚合模塊)。Spine交換機(jī)負(fù)責(zé)連接所有Leaf交換機(jī)，而Leaf則直接連接服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的高容量數(shù)據(jù)傳輸。這種互聯(lián)方式確保了數(shù)據(jù)的高效流動(dòng)，支持網(wǎng)絡(luò)的增強(qiáng)橫向可擴(kuò)展性，避免了早期架構(gòu)常見(jiàn)的瓶頸問(wèn)題。

  傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)：ToR交換機(jī)、聚合模塊、OEO Spine模塊、多個(gè)聚合模塊互聯(lián)在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心Spine-Leaf架構(gòu)中，Spine與Leaf層均采用OEO交換機(jī)。其工作流程是：光信號(hào)進(jìn)入交換機(jī)后，先被轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，用于定時(shí)與交換，再轉(zhuǎn)換回光信號(hào)進(jìn)行傳輸。這種方式在過(guò)去發(fā)揮了重要作用，但隨著人工智能(AI)、機(jī)器學(xué)習(xí)(ML)以及其他計(jì)算密集型新興應(yīng)用所帶來(lái)的服務(wù)器間流量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，傳統(tǒng)OEO交換機(jī)已逐漸難以應(yīng)對(duì)。顯然，數(shù)據(jù)中心亟需更加靈活和可擴(kuò)展的基礎(chǔ)設(shè)施。

  當(dāng)前數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的挑戰(zhàn)OEO交換機(jī)的作用與弊端

  現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，需要具備高性能、可擴(kuò)展性和高可靠性，才能支撐海量的應(yīng)用和服務(wù)。盡管網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施在技術(shù)上不斷進(jìn)步，但在采用傳統(tǒng)OEO(光-電-光)交換機(jī)時(shí)，仍存在一些關(guān)鍵性挑戰(zhàn)：

  ① 帶寬限制：OEO交換機(jī)需要將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)以完成定時(shí)與交換，再將其重新轉(zhuǎn)換為光信號(hào)進(jìn)行傳輸。這一過(guò)程將信號(hào)帶寬限制在特定的傳輸速率范圍內(nèi)，并且在升級(jí)到更高的速率和更高效的傳輸格式時(shí)，必須更換相關(guān)設(shè)備。隨著數(shù)據(jù)流量以前所未有的速度增長(zhǎng)，這類交換機(jī)逐漸成為瓶頸，限制了網(wǎng)絡(luò)的性能與可擴(kuò)展性。例如，機(jī)器學(xué)習(xí)所需的大規(guī)模數(shù)據(jù)傳輸、高清視頻流以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析，都要求具備更高的帶寬能力，而傳統(tǒng)OEO交換機(jī)在高效支持這些需求方面捉襟見(jiàn)肘。

  ② 功耗問(wèn)題：OEO交換機(jī)在光電信號(hào)轉(zhuǎn)換過(guò)程中會(huì)消耗大量電力，這種高能耗不僅提升了運(yùn)營(yíng)成本，也因能耗增加和散熱需求加劇而帶來(lái)更大的環(huán)境影響。在可持續(xù)發(fā)展與能效被高度重視的今天，OEO交換機(jī)的高功耗成為一大挑戰(zhàn)。隨著減碳?jí)毫Φ某掷m(xù)加大，OEO交換機(jī)的高能耗問(wèn)題正成為數(shù)據(jù)中心面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

  ③ 時(shí)延問(wèn)題：OEO交換機(jī)在信號(hào)轉(zhuǎn)換與定時(shí)過(guò)程中不可避免地產(chǎn)生額外時(shí)延，使其在自動(dòng)駕駛、遠(yuǎn)程醫(yī)療等對(duì)實(shí)時(shí)性要求極高的場(chǎng)景中表現(xiàn)受限。隨著越來(lái)越多應(yīng)用對(duì)低延遲提出更高要求，OEO交換機(jī)的局限性愈加明顯。

  ④ 擴(kuò)展性不足：數(shù)據(jù)中心對(duì)端口數(shù)量和吞吐能力的需求不斷增長(zhǎng)，OEO交換機(jī)的擴(kuò)展性局限日益突出。其架構(gòu)很難通過(guò)簡(jiǎn)單擴(kuò)展?jié)M足需求，往往需要依賴昂貴且復(fù)雜的基礎(chǔ)設(shè)施改造。隨著企業(yè)業(yè)務(wù)的發(fā)展和數(shù)據(jù)中心規(guī)模擴(kuò)展， OEO在流量處理和端口密度上的短板成為制約其發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸。

  OCS光路交換機(jī)全光交換的解決方案

  正因如此，OCS光路交換機(jī)憑借獨(dú)特的架構(gòu)特性被視為應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)的關(guān)鍵路徑。接下來(lái)，我們從其基本原理和應(yīng)用邏輯入手，看看它為何能脫穎而出：OCS光路交換的基本原理光路交換機(jī)(Optical Circuit Switches，OCS)為傳統(tǒng)OEO交換機(jī)提供了一種極具吸引力的替代方案。它能夠在無(wú)需光電轉(zhuǎn)換的情況下，直接在光域完成信號(hào)的路由。這種直接的光交換方式能夠解決OEO交換機(jī)所面臨的諸多局限性。

  在Spine層，分組交換機(jī)主要處理大規(guī)模聚合流量，而對(duì)復(fù)雜的統(tǒng)計(jì)復(fù)用或解復(fù)用操作需求不高，尤其是在Leaf層或聚合層已完成大量流量匯聚的情況下。此時(shí)，通過(guò)合理的云服務(wù)器布局(依托預(yù)測(cè)性分析)以及由高精度SDN控制器實(shí)現(xiàn)的精細(xì)化流量路徑控制，可以最大限度地降低對(duì)統(tǒng)計(jì)復(fù)用和解復(fù)用的依賴。在這種架構(gòu)下，聚合層頂部端口的流量只需直接轉(zhuǎn)發(fā)至另一聚合層端口，OCS光路交換機(jī)即可滿足端口間直連的需求。而更細(xì)粒度的分組交換，則由機(jī)架頂部(ToR)交換機(jī)和聚合層交換機(jī)完成。這種分工既優(yōu)化了資源配置，又發(fā)揮了OCS在高帶寬、低延遲傳輸中的優(yōu)勢(shì)。

  為什么OCS適合Spine層?Spine層作為網(wǎng)絡(luò)骨干，主要負(fù)責(zé)Leaf之間的互聯(lián)，其流量模式往往具有較強(qiáng)的可預(yù)測(cè)性和穩(wěn)定性。OCS的低延遲、高能效特性，恰好與Spine層的工作模式契合，使其成為OEO的理想替代方案。

  從分組交換到Spine層光路交換OCS 的核心優(yōu)勢(shì)

  如果說(shuō)原理解釋了OCS“為什么可行”，那么接下來(lái)這些應(yīng)用優(yōu)勢(shì)則展示了它“為什么值得采用”：

  ① 速率無(wú)關(guān)性：當(dāng)今數(shù)據(jù)中心是異構(gòu)的，同時(shí)運(yùn)行著多種不同速率和帶寬。與OEO交換機(jī)相關(guān)的收發(fā)器固定速率限制了網(wǎng)絡(luò)靈活性，而OCS則完全速率無(wú)關(guān)，能夠在不同傳輸速率之間靈活切換，并支持更快速的擴(kuò)容和擴(kuò)展。這意味著無(wú)論是當(dāng)前的 800G，還是未來(lái)的1.6T、3.2T互聯(lián)，OCS都能無(wú)縫適配，為數(shù)據(jù)中心的長(zhǎng)期演進(jìn)提供了“免升級(jí)”的架構(gòu)保障。

  ② 高帶寬能力：由于OCS光路交換不依賴固定速率，可以充分利用光纖的全部容量，從而實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)吞吐。這使得網(wǎng)絡(luò)資源利用更加高效，能夠滿足現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心不斷增長(zhǎng)的帶寬需求。例如，在AI訓(xùn)練場(chǎng)景中，成千上萬(wàn)塊GPU節(jié)點(diǎn)之間需要快速完成數(shù)據(jù)傳輸，OCS可提供足夠的帶寬，避免因網(wǎng)絡(luò)擁塞而延誤模型訓(xùn)練進(jìn)度。

  ③ 功耗效率：光電轉(zhuǎn)換是OEO的能耗大戶，而OCS則完全避免了這一過(guò)程，能夠顯著降低功耗。這不僅能減少運(yùn)營(yíng)成本，還降低了碳排放，與可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)高度契合。采用OCS的數(shù)據(jù)中心可實(shí)現(xiàn)顯著的節(jié)能效果，從而在降低成本的同時(shí)推動(dòng)環(huán)境可持續(xù)性。

  ④ 降低時(shí)延：OCS因免去了光電信號(hào)轉(zhuǎn)換過(guò)程，可實(shí)現(xiàn)近乎零時(shí)延。這對(duì)需要實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和低延遲通信的應(yīng)用尤其關(guān)鍵。例如，在虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，即時(shí)反饋對(duì)用戶體驗(yàn)至關(guān)重要。OCS能確保數(shù)據(jù)幾乎瞬時(shí)傳輸與接收，從而極大提升交互體驗(yàn)。

  ⑤ 高擴(kuò)展性：OCS架構(gòu)具有天然的可擴(kuò)展性，能夠支持更多端口與更高聚合吞吐量，非常適合現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心動(dòng)態(tài)且持續(xù)增長(zhǎng)的需求。隨著企業(yè)和數(shù)據(jù)中心的規(guī)模不斷擴(kuò)大，OCS能夠輕松擴(kuò)展以滿足這些需求，而無(wú)需頻繁且復(fù)雜的基礎(chǔ)設(shè)施升級(jí)。

  Spine層由OCS替代OEO的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

在數(shù)據(jù)中心Spine層部署OCS的優(yōu)勢(shì)

  在數(shù)據(jù)中心中采用光路交換機(jī)(OCS)能夠帶來(lái)諸多好處，顯著提升整體網(wǎng)絡(luò)性能、運(yùn)行效率和可持續(xù)性，具體優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

  ① 網(wǎng)絡(luò)性能增強(qiáng)：OCS更高的帶寬與更低的時(shí)延，能夠全面提升網(wǎng)絡(luò)性能，實(shí)現(xiàn)更快速的數(shù)據(jù)傳輸和更靈敏的應(yīng)用響應(yīng)。這對(duì)大數(shù)據(jù)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)和高性能計(jì)算等數(shù)據(jù)密集型任務(wù)尤為關(guān)鍵。在支持大型AI項(xiàng)目的數(shù)據(jù)中心中，OCS的高速數(shù)據(jù)傳輸能力可以加速模型訓(xùn)練與部署，提升整體算力利用率。

  ② 成本節(jié)約：OCS的能效優(yōu)勢(shì)可帶來(lái)顯著的成本節(jié)省，體現(xiàn)在能源消耗和制冷需求兩方面。此外，OCS的高可擴(kuò)展性減少了頻繁且昂貴的基礎(chǔ)設(shè)施升級(jí)需求。某超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的研究表明：相較傳統(tǒng)OEO交換機(jī)，在Spine層部署OCS，能耗可降低高達(dá)40%。

  ③ 可持續(xù)發(fā)展：更低的能耗和更高的運(yùn)行效率，使OCS有助于打造更加綠色的數(shù)據(jù)中心，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。那些將可持續(xù)發(fā)展作為重點(diǎn)的數(shù)據(jù)中心，可以借助OCS在保持高性能與高效率的同時(shí)，推動(dòng)實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展目標(biāo)。

  ④ 網(wǎng)絡(luò)管理簡(jiǎn)化：OCS能通過(guò)減少OEO轉(zhuǎn)換帶來(lái)的復(fù)雜性，從而簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。這意味著更容易的管理、維護(hù)與故障排查。網(wǎng)絡(luò)管理員能在簡(jiǎn)潔的基礎(chǔ)設(shè)施上完成監(jiān)控和維護(hù)，降低出錯(cuò)與宕機(jī)風(fēng)險(xiǎn)。

  ⑤ 面向未來(lái)的網(wǎng)絡(luò)：在數(shù)據(jù)中心中，新增存儲(chǔ)設(shè)備、升級(jí)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施或系統(tǒng)擴(kuò)容后，往往需要對(duì)數(shù)據(jù)或路徑進(jìn)行再分配，以優(yōu)化性能、提升冗余度或?qū)崿F(xiàn)負(fù)載均衡。通過(guò)合理的數(shù)據(jù)再分配，運(yùn)營(yíng)方可以確保數(shù)據(jù)在資源間均衡分布，減少熱點(diǎn)問(wèn)題，從而提升整體系統(tǒng)效率。這一過(guò)程可能復(fù)雜，并可能涉及大量數(shù)據(jù)遷移，但對(duì)于維持?jǐn)?shù)據(jù)中心的最佳性能至關(guān)重要。隨著流量的不斷增長(zhǎng)，OCS提供了一種“面向未來(lái)”的解決方案，能夠在無(wú)需重大改造的情況下輕松適應(yīng)增長(zhǎng)需求。其可擴(kuò)展性與高性能特征，使其成為長(zhǎng)期網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)中的戰(zhàn)略性投資。OCS 的另一優(yōu)勢(shì)在于其對(duì)信號(hào)和協(xié)議的中立性。即便未來(lái)傳輸速率進(jìn)一步提升或協(xié)議發(fā)生變化，也無(wú)需對(duì)設(shè)備進(jìn)行頻繁升級(jí)。這意味著數(shù)據(jù)中心可以放心部署OCS，確保在面對(duì)數(shù)據(jù)激增與技術(shù)迭代時(shí)，基礎(chǔ)設(shè)施依然能夠從容應(yīng)對(duì)。

  動(dòng)態(tài)路徑管理 ：SDN/編排器可以基于實(shí)時(shí)流量需求動(dòng)態(tài)分配和管理光路，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能與資源使用。例如，在高峰流量期間，SDN/編排器能夠?qū)?shù)據(jù)流量重路由到更少擁塞的路徑上，確保網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行順暢高效。

  自動(dòng)化部署：自動(dòng)化的部署與配置減少了人工干預(yù)，降低了出錯(cuò)風(fēng)險(xiǎn)，并提升了運(yùn)營(yíng)效率。數(shù)據(jù)中心能夠從中受益，加快業(yè)務(wù)上線速度，同時(shí)減少人工錯(cuò)誤，從而實(shí)現(xiàn)更可靠、更高效的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)。

  流量工程：先進(jìn)的流量工程能力使得SDN/編排器能夠在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡，防止擁塞并最大化網(wǎng)絡(luò)吞吐量。這在流量模式高度多變的環(huán)境中尤為關(guān)鍵，例如云數(shù)據(jù)中心，SDN/編排器可以確保資源得到最優(yōu)利用。

  增強(qiáng)的可視化與控制：SDN/編排器能夠?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)提供全面可視性，支持主動(dòng)監(jiān)控與快速故障排查。網(wǎng)絡(luò)管理員能夠深入洞察網(wǎng)絡(luò)性能與健康狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決潛在問(wèn)題，避免影響服務(wù)交付。

  可擴(kuò)展性與靈活性：SDN/編排器具備良好的擴(kuò)展能力，能夠靈活適應(yīng)不斷變化的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，滿足未來(lái)業(yè)務(wù)增長(zhǎng)和新應(yīng)用需求。隨著數(shù)據(jù)中心規(guī)模的擴(kuò)大與新技術(shù)的涌現(xiàn)，它們可通過(guò)預(yù)測(cè)流量與工作負(fù)載，提前完成流量工程規(guī)劃，從而確保網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施始終與發(fā)展節(jié)奏保持一致。在數(shù)據(jù)中心Spine層將OEO交換機(jī)替換為光路交換機(jī)(OCS)，能夠帶來(lái)顯著的優(yōu)勢(shì)，包括更高的帶寬、更低的時(shí)延、更高的能效以及更強(qiáng)的可擴(kuò)展性。為了充分發(fā)揮這些優(yōu)勢(shì)，必須結(jié)合先進(jìn)的軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)控制器或編排器，從而實(shí)現(xiàn)光路徑的動(dòng)態(tài)管理與優(yōu)化，確保網(wǎng)絡(luò)資源的高效利用。隨著數(shù)字化環(huán)境的不斷演進(jìn)，將OCS與先進(jìn)的 SDN/編排解決方案結(jié)合，能夠確保數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)保持敏捷、高效，既能滿足未來(lái)不斷增長(zhǎng)的需求，又能兼顧能耗控制。

  HUBER+SUHNER POLATISOCS的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)

  1.相較于其他全光(OOO)交換解決方案，HUBER+SUHNER旗下的POLATIS®系列OCS在Spine層具備顯著優(yōu)勢(shì)，包括：

  2.行業(yè)最低光損耗與卓越的穩(wěn)定性能

  3.最全面的NxN對(duì)稱矩陣交換機(jī)產(chǎn)品，端口規(guī)模從16×16到384×384，支持模塊化擴(kuò)展，可連接數(shù)千光纖端點(diǎn)

  4.高密度交換矩陣，占用極少機(jī)架空間

  5.協(xié)議與速率無(wú)關(guān)，可交換任意類型的信號(hào)

  6.單次連接切換時(shí)間<50ms

  7.近乎零延遲，支持關(guān)鍵實(shí)時(shí)應(yīng)用

  8.真正的“暗光纖”交換，無(wú)需光信號(hào)即可建立和保持連接，支持未來(lái)路徑的預(yù)配置

  9.全面軟件控制，可與主流編排解決方案無(wú)縫對(duì)接

  10.兼容主流軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)接口，包括NETCONF與RESTCONF

  11.高可靠性設(shè)計(jì)，支持雙冗余、熱插拔網(wǎng)卡與電源

  12.環(huán)保節(jié)能，低功耗

HUBER+SUHNER為數(shù)據(jù)中心提供涵蓋光纖、電纜、跳線、光纖管理、結(jié)構(gòu)化布線解決方案、POLATIS光路交換機(jī)、收發(fā)器及WDM器件在內(nèi)的完整產(chǎn)品組合，并在全球范圍內(nèi)提供技術(shù)支持服務(wù)，幫助數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的全天候運(yùn)行。

  隨著AI、大數(shù)據(jù)與超算不斷推高算力需求，數(shù)據(jù)中心正邁入高帶寬、低時(shí)延、低能耗的新階段。傳統(tǒng)OEO架構(gòu)已難以支撐這一趨勢(shì)，而光路交換機(jī)(OCS)憑借速率無(wú)關(guān)性、低功耗、低時(shí)延和高擴(kuò)展性，正成為關(guān)鍵的替代技術(shù)。結(jié)合SDN與智能編排，OCS不僅能顯著提升網(wǎng)絡(luò)性能，還能簡(jiǎn)化架構(gòu)管理、降低運(yùn)維成本，并推動(dòng)綠色可持續(xù)發(fā)展。在這一進(jìn)程中，HUBER+SUHNER POLATIS依托領(lǐng)先的光交換技術(shù)與完善的產(chǎn)品組合，為數(shù)據(jù)中心演進(jìn)提供堅(jiān)實(shí)保障。未來(lái)，那些率先部署 OCS 的數(shù)據(jù)中心，將在性能、能效與可擴(kuò)展性方面搶占先機(jī)，真正構(gòu)筑面向未來(lái)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。