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層交換機替代方案！

  ICC訊 在人工智能、大數(shù)據(jù)和高性能計算等新興應用的推動下，數(shù)據(jù)中心內(nèi)部流量正在呈指數(shù)級增長。傳統(tǒng)的OEO(光-電-光)交換架構(gòu)逐漸顯現(xiàn)出帶寬、功耗、延遲和擴展性等方面的瓶頸。為應對這一挑戰(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，成為實現(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值，并探討其在現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心架構(gòu)中的應用與優(yōu)勢。對于希望在快速變化的數(shù)字時代保持領(lǐng)先地位的企業(yè)而言，OCS結(jié)合先進的軟件定義網(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)中心應對日益增長的流量需求，實現(xiàn)可擴展性。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。Spine-Leaf架構(gòu)由兩層組成：Spine脊層(核心骨干交換機或Spine模塊)和Leaf葉層 (接入交換機或聚合模塊)。Spine交換機負責連接所有Leaf交換機，而Leaf則直接連接服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，從而實現(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，支持網(wǎng)絡(luò)的增強橫向可擴展性，避免了早期架構(gòu)常見的瓶頸問題。

  傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)：ToR交換機、聚合模塊、OEO Spine模塊、多個聚合模塊互聯(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。其工作流程是：光信號進入交換機后，先被轉(zhuǎn)換為電信號，用于定時與交換，再轉(zhuǎn)換回光信號進行傳輸。這種方式在過去發(fā)揮了重要作用，但隨著人工智能(AI)、機器學習(ML)以及其他計算密集型新興應用所帶來的服務(wù)器間流量呈指數(shù)級增長，傳統(tǒng)OEO交換機已逐漸難以應對。顯然，數(shù)據(jù)中心亟需更加靈活和可擴展的基礎(chǔ)設(shè)施。

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

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

  ① 帶寬限制：OEO交換機需要將光信號轉(zhuǎn)換為電信號以完成定時與交換，再將其重新轉(zhuǎn)換為光信號進行傳輸。這一過程將信號帶寬限制在特定的傳輸速率范圍內(nèi)，并且在升級到更高的速率和更高效的傳輸格式時，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，這類交換機逐漸成為瓶頸，限制了網(wǎng)絡(luò)的性能與可擴展性。例如，機器學習所需的大規(guī)模數(shù)據(jù)傳輸、高清視頻流以及實時數(shù)據(jù)分析，都要求具備更高的帶寬能力，而傳統(tǒng)OEO交換機在高效支持這些需求方面捉襟見肘。

  ② 功耗問題：OEO交換機在光電信號轉(zhuǎn)換過程中會消耗大量電力，這種高能耗不僅提升了運營成本，也因能耗增加和散熱需求加劇而帶來更大的環(huán)境影響。在可持續(xù)發(fā)展與能效被高度重視的今天，OEO交換機的高功耗成為一大挑戰(zhàn)。隨著減碳壓力的持續(xù)加大，OEO交換機的高能耗問題正成為數(shù)據(jù)中心面臨的嚴峻挑戰(zhàn)。

  ③ 時延問題：OEO交換機在信號轉(zhuǎn)換與定時過程中不可避免地產(chǎn)生額外時延，使其在自動駕駛、遠程醫(yī)療等對實時性要求極高的場景中表現(xiàn)受限。隨著越來越多應用對低延遲提出更高要求，OEO交換機的局限性愈加明顯。

  ④ 擴展性不足：數(shù)據(jù)中心對端口數(shù)量和吞吐能力的需求不斷增長，OEO交換機的擴展性局限日益突出。其架構(gòu)很難通過簡單擴展?jié)M足需求，往往需要依賴昂貴且復雜的基礎(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光路交換機全光交換的解決方案

  正因如此，OCS光路交換機憑借獨特的架構(gòu)特性被視為應對挑戰(zhàn)的關(guān)鍵路徑。接下來，我們從其基本原理和應用邏輯入手，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(Optical Circuit Switches，OCS)為傳統(tǒng)OEO交換機提供了一種極具吸引力的替代方案。它能夠在無需光電轉(zhuǎn)換的情況下，直接在光域完成信號的路由。這種直接的光交換方式能夠解決OEO交換機所面臨的諸多局限性。

  在Spine層，分組交換機主要處理大規(guī)模聚合流量，而對復雜的統(tǒng)計復用或解復用操作需求不高，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，通過合理的云服務(wù)器布局(依托預測性分析)以及由高精度SDN控制器實現(xiàn)的精細化流量路徑控制，可以最大限度地降低對統(tǒng)計復用和解復用的依賴。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光路交換機即可滿足端口間直連的需求。而更細粒度的分組交換，則由機架頂部(ToR)交換機和聚合層交換機完成。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。

  為什么OCS適合Spine層?Spine層作為網(wǎng)絡(luò)骨干，主要負責Leaf之間的互聯(lián)，其流量模式往往具有較強的可預測性和穩(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

  如果說原理解釋了OCS“為什么可行”，那么接下來這些應用優(yōu)勢則展示了它“為什么值得采用”：

  ① 速率無關(guān)性：當今數(shù)據(jù)中心是異構(gòu)的，同時運行著多種不同速率和帶寬。與OEO交換機相關(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，并支持更快速的擴容和擴展。這意味著無論是當前的 800G，還是未來的1.6T、3.2T互聯(lián)，OCS都能無縫適配，為數(shù)據(jù)中心的長期演進提供了“免升級”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)中心不斷增長的帶寬需求。例如，在AI訓練場景中，成千上萬塊GPU節(jié)點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)擁塞而延誤模型訓練進度。

  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程，能夠顯著降低功耗。這不僅能減少運營成本，還降低了碳排放，與可持續(xù)發(fā)展目標高度契合。采用OCS的數(shù)據(jù)中心可實現(xiàn)顯著的節(jié)能效果，從而在降低成本的同時推動環(huán)境可持續(xù)性。

  ④ 降低時延：OCS因免去了光電信號轉(zhuǎn)換過程，可實現(xiàn)近乎零時延。這對需要實時數(shù)據(jù)處理和低延遲通信的應用尤其關(guān)鍵。例如，在虛擬現(xiàn)實應用中，即時反饋對用戶體驗至關(guān)重要。OCS能確保數(shù)據(jù)幾乎瞬時傳輸與接收，從而極大提升交互體驗。

  ⑤ 高擴展性：OCS架構(gòu)具有天然的可擴展性，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)中心動態(tài)且持續(xù)增長的需求。隨著企業(yè)和數(shù)據(jù)中心的規(guī)模不斷擴大，OCS能夠輕松擴展以滿足這些需求，而無需頻繁且復雜的基礎(chǔ)設(shè)施升級。

  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

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

  ① 網(wǎng)絡(luò)性能增強：OCS更高的帶寬與更低的時延，能夠全面提升網(wǎng)絡(luò)性能，實現(xiàn)更快速的數(shù)據(jù)傳輸和更靈敏的應用響應。這對大數(shù)據(jù)分析、機器學習和高性能計算等數(shù)據(jù)密集型任務(wù)尤為關(guān)鍵。在支持大型AI項目的數(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)勢可帶來顯著的成本節(jié)省，體現(xiàn)在能源消耗和制冷需求兩方面。此外，OCS的高可擴展性減少了頻繁且昂貴的基礎(chǔ)設(shè)施升級需求。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，在Spine層部署OCS，能耗可降低高達40%。

  ③ 可持續(xù)發(fā)展：更低的能耗和更高的運行效率，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，推動實現(xiàn)綠色發(fā)展目標。

  ④ 網(wǎng)絡(luò)管理簡化：OCS能通過減少OEO轉(zhuǎn)換帶來的復雜性，從而簡化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。這意味著更容易的管理、維護與故障排查。網(wǎng)絡(luò)管理員能在簡潔的基礎(chǔ)設(shè)施上完成監(jiān)控和維護，降低出錯與宕機風險。

  ⑤ 面向未來的網(wǎng)絡(luò)：在數(shù)據(jù)中心中，新增存儲設(shè)備、升級網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施或系統(tǒng)擴容后，往往需要對數(shù)據(jù)或路徑進行再分配，以優(yōu)化性能、提升冗余度或?qū)崿F(xiàn)負載均衡。通過合理的數(shù)據(jù)再分配，運營方可以確保數(shù)據(jù)在資源間均衡分布，減少熱點問題，從而提升整體系統(tǒng)效率。這一過程可能復雜，并可能涉及大量數(shù)據(jù)遷移，但對于維持數(shù)據(jù)中心的最佳性能至關(guān)重要。隨著流量的不斷增長，OCS提供了一種“面向未來”的解決方案，能夠在無需重大改造的情況下輕松適應增長需求。其可擴展性與高性能特征，使其成為長期網(wǎng)絡(luò)演進中的戰(zhàn)略性投資。OCS 的另一優(yōu)勢在于其對信號和協(xié)議的中立性。即便未來傳輸速率進一步提升或協(xié)議發(fā)生變化，也無需對設(shè)備進行頻繁升級。這意味著數(shù)據(jù)中心可以放心部署OCS，確保在面對數(shù)據(jù)激增與技術(shù)迭代時，基礎(chǔ)設(shè)施依然能夠從容應對。

  動態(tài)路徑管理 ：SDN/編排器可以基于實時流量需求動態(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)運行順暢高效。

  自動化部署：自動化的部署與配置減少了人工干預，降低了出錯風險，并提升了運營效率。數(shù)據(jù)中心能夠從中受益，加快業(yè)務(wù)上線速度，同時減少人工錯誤，從而實現(xiàn)更可靠、更高效的網(wǎng)絡(luò)運營。

  流量工程：先進的流量工程能力使得SDN/編排器能夠在整個網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)負載均衡，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。

  增強的可視化與控制：SDN/編排器能夠為網(wǎng)絡(luò)運營提供全面可視性，支持主動監(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，及時發(fā)現(xiàn)并解決潛在問題，避免影響服務(wù)交付。

  可擴展性與靈活性：SDN/編排器具備良好的擴展能力，能夠靈活適應不斷變化的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，滿足未來業(yè)務(wù)增長和新應用需求。隨著數(shù)據(jù)中心規(guī)模的擴大與新技術(shù)的涌現(xiàn)，它們可通過預測流量與工作負載，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交換機替換為光路交換機(OCS)，能夠帶來顯著的優(yōu)勢，包括更高的帶寬、更低的時延、更高的能效以及更強的可擴展性。為了充分發(fā)揮這些優(yōu)勢，必須結(jié)合先進的軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)控制器或編排器，從而實現(xiàn)光路徑的動態(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，將OCS與先進的 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，既能滿足未來不斷增長的需求，又能兼顧能耗控制。

  HUBER+SUHNER POLATISOCS的獨特優(yōu)勢

  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，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對稱矩陣交換機產(chǎn)品，端口規(guī)模從16×16到384×384，支持模塊化擴展，可連接數(shù)千光纖端點

  4.高密度交換矩陣，占用極少機架空間

  5.協(xié)議與速率無關(guān)，可交換任意類型的信號

  6.單次連接切換時間<50ms

  7.近乎零延遲，支持關(guān)鍵實時應用

  8.真正的“暗光纖”交換，無需光信號即可建立和保持連接，支持未來路徑的預配置

  9.全面軟件控制，可與主流編排解決方案無縫對接

  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，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、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)中心實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的全天候運行。

  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、低時延、低能耗的新階段。傳統(tǒng)OEO架構(gòu)已難以支撐這一趨勢，而光路交換機(OCS)憑借速率無關(guān)性、低功耗、低時延和高擴展性，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，還能簡化架構(gòu)管理、降低運維成本，并推動綠色可持續(xù)發(fā)展。在這一進程中，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)中心演進提供堅實保障。未來，那些率先部署 OCS 的數(shù)據(jù)中心，將在性能、能效與可擴展性方面搶占先機，真正構(gòu)筑面向未來的競爭優(yōu)勢。