????數據中心運營商在應對網絡流量的爆炸式增長方面面臨著諸多挑戰，由此導致的網絡擁塞和徹底的網絡過載會增加延遲，降低服務和應用程序的性能，并最終導致運營支出呈指數級增長。運營商需要在相同的占地面積內擁有更多容量，并能夠靈活地在最需要資源的時間和地點動態的分配資源。雖然光互連被廣泛的部署在數據中心的處理網元之間以提供高速傳輸，但交換仍是以電的方式進行，光纖層連接主要保持靜態。

????全光交換的最新發展與軟件定義網絡(SDN)模式相結合，創造了引人矚目的解決方案，使光纖層置于軟件控制之下。這些解決方案可以在數千個節點之間按需提供動態、低損耗的連接，并具有光速數據延遲。SDN將光纖層（Layer 0/1）光路交換機和傳統Layer 2/3分組交換機、路由器的管理集成在一個公共控制平面下，實現網絡資源的抽象和虛擬化。通過使用支持SDN的動態光交叉連接來增強網絡設計，數據中心運營商可以創建可擴展的解決方案，動態響應不斷變化的業務需求，同時通過自動化服務配置和繞過瓶頸來降低運營成本。這種方案的優勢包括：

????由于光路交換機不需要任何光電轉換，因此消耗的能量非常少，并且幾乎不會增加數據路徑的延遲。連接完全透明且與格式無關，這使其非常適合用于光傳輸速率不斷提高的面向未來的數據中心網絡基礎設施。

????在當今的三層數據中心網絡架構中，支持SDN的全光交換被引入到多個層級，以優化數據中心的網絡資源，以及現有的分組路由器和交換機。全光交換不能替代分組交換和路由，它被加入到現有網絡中，以提供關鍵擁塞點所需的容量、靈活性和可擴展性，滿足繁重且持續的流量需求。大型數據中心擁有分布在房間、建筑物和園區中的數萬臺服務器集群，為了在所有服務器之間提供可靠和可擴展的互連，數據中心網絡通常在核心/城域、匯聚和接入層使用分組路由器和電路交換機的組合分層構建。這種層次結構實現了數據的高效共享，和跨服務器群提供服務，同時還連接到外部網絡。圖1顯示了基本的分層方法，包括每層中全光交換的潛在位置。

圖1: 數據中心中全光交換的潛在位置

????對等互聯允許運營商互連其網絡以交換流量，通常在城域/核心和對等仲裁器之間使用第 2/3 層交換機。在此功能中，以低延遲可靠、高效地傳輸大流量塊至關重要。

????該層中的全光交換在外部網絡和對等仲裁器之間提供流量供應和保護交換。此外，光路交換機還可以提供入侵檢測、合法攔截、故障定位等多項增值服務。為了執行數據鏡像和網絡監控功能，分離部分信號的光分路器可以與交換結構集成。

????光功率監視器也可以集成在光路交換機內，以監視網絡和對等交換機之間的光信號。集成光探測器監測所有承載對等流量的光纖中的光功率，以快速檢測和定位光纖和設備故障。在設備或光纖發生故障時，光路交換機可以通過故障周圍的保護倒換來恢復業務。保護倒換可以由上級數據中心控制平面發起，也可以由光路交換機自動執行，以盡量減少業務中斷。

????光層自動保護倒換可配置為對光纖和設備進行1:1、1+1、1:N或M:N保護。此外，將多種功能組合到單個光路交換機中可節省寶貴的機架空間并減少運營支出，同時大大提高所提供的服務和投資回報率。

????數據中心匯聚通常由連接服務器群并提供對核心/城域網絡訪問的分組路由器和交換機堆棧執行。路由器還承載許多其他功能，包括防火墻、負載均衡和入侵檢測等。

????當前的數據中心匯聚架構已針對處理過去占主導地位的短時間、突發流量模式進行了優化。但是，它們對于處理服務器集群之間更大的持久數據流來說既不高效也不經濟，然而這些數據流在基于虛擬云的服務中越來越常見。這些持久性數據流現在在虛擬機遷移、負載均衡和數據存儲備份等日常操作中很常見。許多研究表明，這些所謂的“大象”流量現在主導著集群到集群的流量，超過90%的網絡容量被持續時間超過10秒的流量占用，將大象流卸載到動態配置的光路，可以緩解擁塞。圖 2 顯示了如何將光路交換機包含在匯聚層中，將分組路由器和交換機與光路交換機相結合的混合架構允許數據中心以最佳方式處理短突發流量和更大的持久數據流，這通常被稱為路由器旁路。

圖2：數據中心匯聚層中的光路交換機支持新的虛擬云服務

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????圖3是服務器集群匯聚。服務器集群通常是獨立的機架，其中包含與架頂式 (TOR) 以太網交換機互連的多個數據服務器。大量服務器機架被排列成集群或服務器場域，TOR交換機通過光收發器連接到數據中心匯聚層。在服務器集群環境中，保護數據和數據訪問非常重要，大型服務器集群可能包含分布在各種物理位置的數千臺服務器。正確管理設備成本、空間、電力和冷卻，同時不斷提高處理效率對于數據中心運營的成功至關重要。

圖 3：用于服務器集群匯聚的光路交換機

????隨著服務器集群越來越大，越來越多的服務基于云，對服務器集群匯聚的需求也在增長。引入可重新配置的光學層可提高服務器集群之間的通信效率，并實現計算、內存和存儲資源的分解，從而顯著提高吞吐量，通過提高整體服務交付效率和設備利用率來降低成本。在發生重大災難時，增強的物理光纖層交換還可以顯著加快業務重建和恢復的速度。

??? SDN正在推動數據中心在 L0/L1 采用光路交換。越來越多的多租戶數據中心運營商正在尋求SDN來改善當前運營，并加速新功能的開發，以支持基于云的虛擬服務。

????在當今的數據中心，大部分網絡設備都是通過供應商特定的專有軟件進行管理和控制的，這限制了創新，因為新功能的引入取決于設備供應商的開發周期，這意味著設計、測試和部署新服務可能需要幾個月的時間。要添加功能或集成新技術，同樣需要每個設備供應商單獨完成專有系統升級。

??? SDN的強大之處在于，它允許運營商編寫基于開放標準的高級軟件應用程序，從而使基本網絡操作自動化，并促進新服務的創建。SDN 提供了一種管理網絡組件和協調網絡運營的新方式，以降低成本并加快服務創新和交付。借助SDN，運營商可以實時調整網絡行為，并在幾小時或幾天內部署新的應用程序和網絡服務，而不是幾周或幾個月。

????在 SDN 架構中，網絡智能集中在虛擬化 SDN 控制器中，這些控制器維護網絡的全局視圖。網絡控制器通過基于標準的協議（例如 NETCONF、RESTCONF）以獨立于供應商的方式與支持 SDN 的交換機或路由器進行通信。

????圖 4 顯示了開放網絡論壇 (ONF) 定義的 SDN 架構的邏輯視圖。在此示例中，網絡數據平面基礎設施，包括 L0/L1 光路交換機以及 L2/L3 分組路由器和交換機，均由 SDN 控制平面管理。每個網絡設備直接與 SDN 控制器連接。

圖4：軟件定義網絡的邏輯視圖（來源：開放網絡基金會）

????圖 5 顯示了 Polatis 支持 SDN 的全光交換如何優化多供應商數據中心網絡中的資源，展示了在 OpenDaylight SDN 控制平面下運行的數據中心匯聚層，使用RESTCONF和 NETCONF 協議來管理 Polatis 光路交換機和其他網元。Polatis 光交換層的拓撲和屬性通過駐留在服務抽象層中的插件發布到 SDN 控制器和編排層。

????通過SDN控制器中的 Packet-Circuit FlowMapper 使用從監控網絡端點之間的流計算得出的數據分析來識別持久的東西向數據流。一旦被識別，控制器就可以使用 RESTCONF和 NETCONF 動態地重新配置網絡，為通過光路交換層的這些大數據流創建低延遲光路。通過 L2/L3 分組交換路由器將這些大流量卸載到光路交換層緩解擁塞并減少延遲，從而顯著提高網絡基礎設施的效率和吞吐量。

圖 5：數據中心運營商使用支持 SDN 的全光交換來優化網絡資源

????支持 SDN 的全光交換已準備好在數據中心網絡中進行更大規模的部署。動態光交叉連接為運營商提供了光纖層的靈活性，允許其網絡擴展并動態響應不斷變化的業務需求，實現更多基本操作的自動化并降低網絡運行成本。SDN技術的日益普及也消除了傳輸層創新的障礙，使運營商更容易通過在多供應商網絡基礎設施中集成新型光路交換解決方案來提高競爭力。