数据中心互联开放光传输系统设计（上）

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10GDWDM 80波（50 GHz/grid）系统发展到当前的800GDWDM 40波系统（150GHz/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，数据中心互联光传输系统在网络架构、系统设计、设备硬件形态、软件接口定义、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。

数据中心光互联网络结构

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AZ需要通过高性能网络连接，往返延迟需要小于2ms，对应光纤传输距离约为200km。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160km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80km，对应单跨段的光传输系统。

云网络在一个区域内，一般由3~4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2ms的前提下，2个AZ的互联也可以通过第3个AZ进行中转。

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 等 ，业务粒度从1Mbit/s 到 100Gbit/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 channeltransport unit，OTU）的映射，这导致传输电层板卡的类型和结构更加复杂。

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 160km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（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。

3.光传输系统路线选择

如图所示，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400Gbit/s，下一代单波长速率800Gbit/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，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。

开放光传输系统的设备设计

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，盒式电层板卡的成本更具有优势，从而被广泛使用。

来源：邮电设计技术