数据中心互联开放光传输系统设计.pdf
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1、邮电设计技术/2024/02收稿日期:2024-01-040 引言新型的云计算将多个物理分离的数据中心看成一个整体的云数据中心,所有计算节点虚拟成一个大型的计算资源池,云计算不仅可以跨服务器运行,也可以跨数据中心运行,而光传输网络是实现数据中心高质量互联的重要技术。数据中心光互联网络从2010年左右逐步兴起,从最初的10G DWDM 80波(50 GHz/grid)系统发展到当前的800G DWDM 40波系统(150 GHz/grid),单波速率经历10G到800G的升级,系统容量从800G快速提升到32T,增长到原来的40倍。伴随着速率和容量的快速增长,针对数据中心的应用场景,数据中心互联
2、光传输系统在网络架构、系统设计1-3、设备硬件形态、软件接口定义4-6、系统保护、网络管理和自动化运维方面都有着持续的发展和创新。1 数据中心光互联网络结构1.1 云网络结构云计算是由一个区域(Region)内多个不同的可用区(availability zone,AZ)共同提供服务,每个 AZ 的物理位置不同。为了容灾备份的需求,不同的AZ之间的距离需要足够远,从而降低多个AZ同时受到地区停电或极端天气(如洪水等)影响的可能性。每个AZ都具有独立的电源、制冷设备和网络基础架构,从而保证在一个AZ数据中心出现故障时,其余的AZ仍然可以数据中心互联开放光传输系统设计Design of Open O
3、ptical Transmission System forData Center Interconnection关键词:开放光传输系统;数据中心互联;光保护doi:10.12045/j.issn.1007-3043.2024.02.001文章编号:1007-3043(2024)02-0001-06中图分类号:TN913文献标识码:A开放科学(资源服务)标识码(OSID):摘要:介绍了云计算互联网络的结构以及数据中心互联开放光传输系统的演进和当前主流的光传输系统方案。结合数据中心互联的场景和业务特点,分析和介绍了开放光传输设备的硬件设计和软件设计。在系统设计方面,介绍了统一网管、高速保护系统、
4、故障定位和止损系统。针对网络智能化需求,讨论了系统性能估计、故障预测以及数字孪生网络等技术。Abstract:It introduces the architecture of cloud computing interconnection networks and the evolution of open optical transmission sys-tem in data center interconnection,it also introduces the current mainstream optical transmission system solutions.Comb
5、inedwith the scenario and service characteristics of data center interconnection,it analyzes and introduces the hardware and soft-ware design of open optical transmission equipment.In terms of system design,unified network management,high-speedprotection system,fault location and loss stopping syste
6、m are introduced.In response to the demand for network intelligence,technologies such as system performance estimation,fault prediction,and digital twin networks are discussed.Keywords:Open optical transmission system;Data center interconnect;Optical protection周谞,王娟,鲁婉婕,金宇,李升男(百度在线网络技术有限公司,北京 100089
7、)Zhou Xu,Wang Juan,Lu Wanjie,Jin Yu,Li Shengnan(Baidu Online Network Technology Co.,Ltd.,Beijing 100089,China)周谞,王娟,鲁婉婕,金宇,李升男数据中心互联开放光传输系统设计本期专题Monthly Topic引用格式:周谞,王娟,鲁婉婕,等.数据中心互联开放光传输系统设计 J.邮电设计技术,2024(2):1-6.012024/02/DTPT支持该区域的云计算服务正常的工作,提供区域云服务的高可用性。对于同一个区域,云计算需要支撑计算、存储和数据资源的高性能互访,因此同一个区域内的不同A
8、Z需要通过高性能网络连接,往返延迟需要小于2 ms,对应光纤传输距离约为200 km。预留20%的时延冗余用于交换机转发和业务处理时延,一般最长传输距离控制在160 km以内。综合考虑灾备需求和网络延迟的互访体验,典型的光纤传输距离为80 km,对应单跨段的光传输系统。云网络在一个区域内,一般由34个AZ组成,每个AZ之间采用点到点直连,相互之间形成Mesh全连接结构,这样可以保证在不同AZ之间的访问延迟最低。如果区域内的AZ数量比较多,在传输时延不超过2 ms 的前提下,2个AZ的互联也可以通过第3个AZ进行中转。1.2 数据中心光传输系统的演进在传统的电信传输网络中,光传输网络需要覆盖从骨
9、干网、城域网到接入网的全场景,网络结构包括骨干的点到点结构、城域的环形结构和接入网的星形结构。针对电信网络,光传输系统的光层和电层需要进行联合系统设计,追求端到端的最佳系统性能,因此更加注重光层性能的联合调优,包括光放大器、合分波、波长选择开关等,这导致光传输系统一般采用封闭系统设计。如图1(a)所示,即光层和电层采用同一厂商,这同时也利于实际工程的快速建设和业务部署。此外,在电信网络中OTN设备需要支持多种上层业务或协议,如 SDH、ATM、以太网等,业务粒度从1 Mbit/s 到100 Gbit/s,同时需要支撑从小粒度的多元化业务到大粒度的光通道传输单元(optical channelt
10、ransport unit,OTU)的映射,这导致传输电层板卡的类型和结构更加复杂。如1.1节中所述,数据中心互联的光网络一般以点到点的光传输系统为主,传输场景限定在160 km 以内,对于大容量相干光通信系统来说,系统有充足的光信噪比余量。由于数据中心光互联网络结构简单,可以独立地设计高性能的开放光层设备,即可保证不同的电层设备能够平滑地接入到系统中,不同厂商的电层信号可以在同一套系统的不同波道进行并行和高质量传输,如图1(b)所示。在业务承载方面,数据中心光互联主要承载的业务类型为单一的以太网业务,因此,电层传输设备的结构也更简单,在2.1节设备硬件设计中会重点介绍。1.3 光传输系统路线
11、选择如图2所示,由于数据中心互联光传输系统的结构和业务简单,除了传统的 OTN 传输设备,还可以采用 IP over WDM 的方案承载业务。传统的 OTN 传输设备互联具有业务接入速率灵活的特点,可以很好地解决传输系统单波长速率和IP 设备(交换机、路由器等)接口速率不匹配的问题。例如,当前数据中心互联光传输系统典型的单波速率为400 Gbit/s,下一代单波长速率800 Gbit/s的设备即将大规模商用,而数据中心互联的存量 IP 网络设备接口大部分还在 100GE,400GE接口的占比较小,因此,采用OTN电层板卡可以很好地完成从低速率的以太网业务到高速率的OTN 业务的汇聚和转换。同时
12、,由于 OTN 设备形态对电层板卡功耗、体积、散热等方面要求较为宽松,OTN传输设备的系统性能一般可以覆盖 DCI 全场景的应用。针对数据中心互联80 km 的场景,光互联网络论坛(optical Internetworking forum,OIF)还推出了基于100G ZR/400G ZR标准的 IP over WDM 方案7,该方案图1开放光传输系统结构示意图2IP over WDM 互联方案示意电层厂商A电层厂商C电层厂商B电层厂商A电层厂商C电层厂商B开放光层同厂商光电同厂商光电(a)封闭光传输系统(b)开放光传输系统IP设备传输电层开放光层IP 设备传输电层灰光短距光模块灰光短距光模
13、块(a)OTN传输设备互联开放光层相干光模块IP设备IP 设备(b)IP over WDM互联相干光模块周谞,王娟,鲁婉婕,金宇,李升男数据中心互联开放光传输系统设计本期专题Monthly Topic02邮电设计技术/2024/02利用硅光等光子集成技术的发展,可以实现低功耗、小体积的相干彩光光模块封装接口 QSFP-DD 或OSFP,该封装功耗和体积都可以直接兼容交换机接口,典型功耗低于20 W。100G ZR/400G ZR光模块可以直接插入交换机端口,接入开放光层设备,从而实现 IP over WDM 的业务承载。但是对功耗的严格要求,限制了光模块的传输性能,因此该方案一般适用于单跨段、
14、低损耗的点到点传输系统。例如,微软在2023 年 OFC 上报道其 400G ZR 的主要应用场景在40 km以内,跨段光纤衰减12 dB8。2 开放光传输系统的设备设计2.1 硬件设计数据中心开放光传输系统的创新包括硬件创新、标准的软件接口和统一的网络控制器等,其中硬件创新分为光层设计和电层设计2个方面。光层设备的定义是指负责在光域内进行信号处理的设备,例如完成光信号合分波、光功率放大、光保护、光监控等功能。传统的框式电信设备,由于追求场景覆盖的多样性,一般以器件类型和参数为中心进行设计和开发光层板卡。典型的光层板卡如光放大板卡,根据光放大器的类型开发设计掺铒光纤放大器(EDFA)和拉曼放大
15、器的光放板卡,又根据光放增益的范围设计不同型号的EDFA 放大板卡。根据不同应用场景的实际特点,使用不同的板卡组合从而达到最优的效果,导致板卡的种类和型号较多。开放光传输系统多采用高集成的方案,如图3所示,一套点到点的开放光传输系统,只有光保护板卡、合分波板卡和光放大板卡3种类型器件组成。光放板卡集成了可变增益(switched gain)的 EDFA 模块(覆盖不同的增益范围)、光监控通道(OSC)模块和光频谱监控模块等。高集成化的设计,最大程度地减少光层板卡的类型,减少了系统内部连纤工作,从而提高工程人员施工便利性,同时也降低运维人员的学习门槛。电层设备主要负责在电域内进行信号处理,主要将
16、各种客户侧的业务信号转换成线路侧的标准 OTN帧格式信号,从而在光纤中进行传输。同时,在接收端完成 OTN 信号的接收,转换为各种业务信号。传统框式设备需要承载多类型、多速率的业务,在传输线路侧和业务客户侧往往需要一个电交叉板卡,完成业务的汇聚和交换等操作。在数据中心互联中,盒式电层设备只需要完成简单的高速率线路侧到低速率客户侧的映射,承载业务为单一的以太网业务,业务映射简单,这导致盒式设备的电层板卡可以去除电交叉单元。如图3所示,只需要将 OTN 的高速率信号映射为多个低速以太网信号即可,由于结构简单,线路侧和支路侧常常可以在一块板卡上实现,被称为支线合一板卡。由于板卡结构和业务承载简单,盒
17、式电层板卡的成本更具有优势,从而被广泛使用。2.2 软件设计在传统的电信传输网络中,设备软件对用户来说是一个黑盒,用户只能通过网管界面和有限功能的网管北向接口和设备进行交互,以实现对光传输系统的配置、管理和维护。不同厂商设备接口协议的私有属性和多样化,增加了光传输系统的运维复杂度和成本,也使得网络运维自动化的开发受限于厂商的研发投入和时间进度,不利于光传输系统的智能化发展。图3开放光传输设备硬件设计电层厂商A电层厂商C电层厂商B电层厂商A电层厂商C电层厂商B合分波板卡光保护板卡光保护板卡合分波板卡开放光层光放大板卡光放大板卡光放大板卡光放大板卡客户侧单元客户侧板卡2客户侧板卡1客户侧单元n电交
18、叉板卡客户侧单元以太网业务以太网业务以太网业务电层设备框线路侧板卡以太网业务SDH 业务ATM业务支路侧线路侧支线合一板卡客户侧单元线路侧单元支路侧线路侧周谞,王娟,鲁婉婕,金宇,李升男数据中心互联开放光传输系统设计本期专题Monthly Topic032024/02/DTPT针对上述传统设备软件存在的问题,由互联网及云服务提供商为主推动的开源项目OpenConfig定义实现了一套通用的、供应商中立的设备软件接口模型。该方案使用数据建模语言YANG为设备的配置数据和状态数据提供了一致的结构语义,结合以数据模型为驱动的网络设备管控协议如 NETCONF、RESTCONF、gNMI等,屏蔽不同厂商
19、硬件的差异,给网络设备的管控提供标准化和一致的接口。除了同时涵盖了IP网络设备与光网络设备的 OpenConifg 项目,同样基于YANG语言实现的、由北美运营商为主推动并开源的项目OpenROADM定义的另一套标准化接口与数据模型则主要致力于推动网络设备、支持可重构光分插复用器(ROADM)设备的开放和互联标准。OpenConfig与OpenROADM项目对设备数据模型和软件接口做出了标准化的定义与规范,降低了多供应商网络中设备管控的复杂度。但这种“灰盒”解决方案没有对设备的操作系统提出标准化的要求,设备软件功能的具体实现仍依赖于各个厂商各自封闭的操作系统与底层驱动。为进一步增强光传输系统软
20、硬件解耦程度、提升光传输系统开放性,SONiC-OTN项目被提出。该项目定义了光传输抽象接口(OTAI)来对光传输网络特有的硬件操作进行抽象,使能了开源网络操作系统SONiC在光传输系统中的应用。综上,从 OpenConfig 和 OpenROADM 定义的设备数据模型与软件接口形成的灰盒方案,到开源光传输操作系统SONiC-OTN形成的白盒方案,随着开放光传输网络设备软件设计的不断深入,开放程度不断提升。3 开放光传输系统的系统设计3.1 统一网管为了实现对开放光传输系统的管理和监控,传输网管仍然是运维人员与设备交互的主要界面。但是与传统网管不同的是,应用于开放光传输系统的网管必须实现多厂商
21、设备的无差别纳管,即统一网管。虽然开放光传输设备在硬件上白盒化和软件上标准化,屏蔽了各传输厂商带来的差异性,为统一网管采用标准的接口和协议管理各厂商设备奠定基础,但是统一网管对各厂商设备的软件适配和测试工作是必不可少的。统一网管对设备的适配工作并不仅停留在设备软件模型的验收上,还需从运维人员的角度,对日常建设和运维过程中的全部应用场景进行模拟操作和测试。适配测试工作可以重点分为子网/网元维护、网元/板卡操作、告警/事件上报、系统功能优化4个方面。子网/网元维护能够展示传输拓扑,协助管理者梳理并掌控传输设备的部署以及其系统级别的性能指标,并联动告警,比如光缆染色等,实现快速定位设备和光缆故障等;
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- 数据中心 开放 传输 系统 设计
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