京东网络开放之路——数据中心光互联技术的思考与实践
“数据中心是云计算的核心支持平台，云计算的发展对数据中心网络架构提出了严峻的挑战，传统电互连网络架构难以在带宽、设备开销、能耗、管理复杂度等方面同时满足云应用的要求，因此以低能耗、低开销、高带宽为特点的光互连网络架构出现并受到研究人员的广泛关注。”
什么是光互联
随着数字化的进程，数据的处理、存储和传输得到了飞速的发展。高带宽的需求使得短距互联成了系统发展的瓶颈。受损耗和串扰等因素的影响，基于铜线的电互联的高带宽情况下的传输距离受到了限制，成本也随之上升。而且过多的电缆也会增加系统的重量和布线的复杂度。与电互连相比，基于多模光纤的光互连具有高带宽、低损耗、无串扰和匹配及电磁兼容等问题，而开始广泛地应用于机柜间、框架间和板间的高速互连。
根据Synergy第三方报告显示，预测到2019年底之前，全球超大规模数据中心数量将超过500个，届时83%的公有云服务器和86%的公有云负载都将承载在超级数据中心，超级数据中心服务器部署量占比将从21%上升到47%，处理能力占比从39%提升到68%，流量占比从34%提升到53%。
数据中心网络结构
数据中心网络内部互联速率上升到吉比特之后，光互联因其带宽、连接距离和易部署等优势而被大量使用。随着网络规模的扩大，特别是随着云业务的发展，东西向流量急剧增加，能占到总流量的70%左右。这就使得数据中心内部的网络节点数越来越多，互联端口的类型也越来越丰富。光模块在数据中心的使用数量成指数增长，光互联对网络系统稳定性的影响日趋加大，在网络硬件成本中的占比也相当可观。
数据中心网络中的互联示例
网络设备互联的应用场景日益丰富，光模块的技术方案也随之不断发展，从传统的分立器件、化合物半导体芯片发展到光学集成PIC、硅基光子SiP，光互联技术始终按照摩尔定律向高速、集成、低功耗的方向发展。下图列出数据中心用到的模块类型演进路线。面对众多的光模块类型和互联方案，需要根据网络所承载的业务需求灵活选择，在优化网络性能的同时降低综合成本。
虽然光收发模块的设计初衷是可插拔和标准化，但是出于部署习惯和系统兼容性的考虑，网络设备厂商往往将光模块与设备捆绑起来提供给数据中心用户。终端用户只能被动接受网络设备厂家选择的光模块类型和技术方案。但是随着数据中心网络规模逐步增加，网络架构变得更加复杂和多样化，技术方案的自主和降低成本的压力驱使我们解耦光模块与网络设备的绑定。更进一步，随着网络的开放化和网络设备的白盒化，自主引入的定制光模块变得势在必行。
京东云数据中心光互联实践
统一技术标准
解决光模块与网络设备兼容问题，简化网络建设与运维
作为可插拔组件，光模块要适应来自不同厂家的不同类型的网络设备，这就需要统一的技术指标来实现最广泛的兼容性。MSA作为业内普遍遵循的光模块技术规范，定义了电气特性、连接器、管理接口及机械结构等基本规则。但是MSA的限制相对来说比较宽松，不同的厂家在具体执行时不尽相同。网络建设者需要根据自身的应用需求和运维习惯来完善和细化技术要求，不但对光模块提出要求，同时也对网络设备光端口提出技术要求。
定制化功能
光端口自适应控制，降低故障率
作为网络的建设者和使用者，我们将网络设备与光模块结合起来，从系统层面实现光模块与网络设备的动态自动适配。以设备端数据链路层帧错误校验为判断依据，自动调整光模块及网络设备的信号完整性参数，形成正向反馈机制。在不增加硬件成本的基础上，降低因信号完整性失配带来的光链路失效。
优化方案
降低系统成本和认证成本
a)根据网络部署情况，从众多光互联方案中灵活选择光互联方案，满足应用需求的同时最大限度降低综合成本。以100G节点互联为例，根据不同的连接场景对几种主流方案做综合对比，以实现最优性价比。
b)直接与模块/设备厂家合作，充分利用厂家的技术资源，构建光模块功能与可靠性认证体系，简化供应关系。
开放与定制化优势
- 光模块与交换机解耦，自主选择光互联技术方案，适应网络迭代
- 统一标准，解决光模块与网络设备兼容问题，简化网络建设与运维
- 定制化电气特性及管理接口，降低故障率与运维成本
- 直接与光模块厂家合作，引导技术方案，降低成本
数据中心光互连技术具有较大的潜力解决云计算网络所面临的一系列问题。尽管该领域仍存在一系列待解决的问题，但可以预期，随着光器件的成熟和研究的深入，低成本、低能耗、高带宽、低时延的数据中心光互连架构将有力推动云计算技术的发展。
参考资料
[1] https://www.gigalight.com/cn/...
[2]https://product.pconline.com....
[3]《云计算数据中心光互连网络：研究现状与趋势》http://cjc.ict.ac.cn/online/b...
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