DCI-Technologie im Cloud-Computing-Zeitalter

Dank der Unterstützung des Cloud Computing sind in den letzten Jahren Technologien wie künstliche Intelligenz, virtuelle/erweiterte Realität und das Internet der Dinge wie Pilze aus dem Boden geschossen. Cloud Computing ist eine groß angelegte verteilte Computerplattform, die aus Millionen von Servern besteht, die in Rechenzentren auf der ganzen Welt verteilt sind und durch Netzwerke miteinander verbunden sind. Heute ist das Rechenzentrum kein isolierter Computerraum mehr, sondern ein Gebäudekomplex. Ein Rechenzentrum kann viele Rechenzentrumszweige enthalten, die sich an verschiedenen Orten befinden, aber über das Netzwerk miteinander verbunden werden können, um gemeinsam die entsprechende Geschäftsbereitstellung durchzuführen.

Die Verbindung zur Realisierung der Verbindung zwischen diesen Rechenzentren ist die Verbindungstechnologie zwischen Rechenzentren (im Folgenden als DCI-Technologie bezeichnet).

DCI-Netzwerk: Die Verbindung zur Realisierung der Verbindung unter Rechenzentren 

Laut dem von Cisco veröffentlichten Cloud-Index-Bericht verzeichnete die Verbindungsbandbreite zwischen Rechenzentren in den letzten fünf Jahren eine jährliche Wachstumsrate von fast 33 % und die Verbindungsbandbreite hat die Größenordnung von 100 Tbit/s erreicht.

Figure1  Jahr Verkehrswachstumstrends in Rechenzentrum, veröffentlicht von Cisco

Wenn mehrere Rechenzentren über Glasfasern verbunden sind und optische Kommunikationstechnologie zur Informationsübertragung eingesetzt wird, entsteht ein Rechenzentrums-Verbindungsnetzwerk (DCI-Netzwerk).

SEinige offensichtliche Merkmale von tDas DCI-Netzwerk:

• Die Netzwerktopologie besteht hauptsächlich aus Punkt-zu-Punkt- und einfachen Netzwerken mit geringer Komplexität.
• Die Verbindungsentfernung zwischen Metro-Rechenzentren ist kurz und die Reduzierung der Übertragungskosten pro Einheit ist für Rechenzentren sehr attraktiv.
• Konzentriert sich mehr auf die Netzwerkverzögerung. Kleine Verzögerungen bei der Ausrüstung können die Schwierigkeit bei der Standortwahl für ein Rechenzentrum verringern.
• Der Haupttyp des Verbindungsdienstes ist der 100G-Ethernet-Dienst mit geringer Komplexität der elektrischen Schichtausrüstung;
• In Verbindung mit dem schnellen Wachstum des Datenverkehrs erfreuen sich modulare Geräte sowie flexible und skalierbare Netzwerke zunehmender Beliebtheit.
• Besondere Anforderungen an die Hardware, wie z. B. die Unterbringung in einem Serverschrank, die Realisierung von Luftauslässen vorne und hinten sowie eine Hochspannungs-Gleichstromversorgung.

Die DCI-Technologie wurde entwickelt, um das Verbindungsnetzwerk zwischen Rechenzentren besser aufzubauen und zu warten und sich an den schnell zunehmenden Datenverkehr zwischen Rechenzentren anzupassen.

Aus ein geschlossener Blackbox zum Öffnen der Entkopplung

In früheren Netzwerkbetriebssystemen stellten die Systemhersteller einen vollständigen Lösungssatz bereit, einschließlich Geräteinstallation, System-Debugging sowie Betriebs- und Wartungsunterstützung. Das gesamte System ähnelt einer geschlossenen Blackbox und die Hardware und Software verschiedener Hersteller sind nicht miteinander kompatibel.

Zweitens gibt es die Frage der Kosten. Dank der kontinuierlichen Weiterentwicklung der kohärenten optischen Übertragungstechnologie ist die Single-Wave-Rate von 100 Gbit/s auf 800 Gbit/s gestiegen. Da die Hauptkosten der elektrischen Schichtausrüstung auf optische Geräte zurückzuführen sind, trägt die Erhöhung der Einzelwellenrate zur Reduzierung der Stückkosten bei. Allerdings konnten in den letzten 10 Jahren nur wenige Systemhersteller ihre Produktführerschaft behaupten, was bedeutet, dass Sie die Vorteile der technologischen Entwicklung gar nicht erst genießen können, wenn Sie weiterhin ein geschlossenes System zum Aufbau des Netzwerks verwenden.

Abb. 2 Entwicklung der Einzelwellenrate und Einzelfaserkapazität in der elektrischen Schicht

Darüber hinaus kann die private Netzwerkverwaltungssoftware im geschlossenen System nicht mit dem vorhandenen Ressourcenverwaltungs-, Berechtigungsverwaltungs-, Bauprozess- und Routinewartungssystem des Benutzers verbunden werden, was es schwierig macht, den Grad der End-to-End-Automatisierung zu verbessern Verkürzung der Servicebereitstellungszeit.

Der erste Durchbruchpunkt von DCI-Technologie besteht darin, das geschlossene System zu öffnen, sodass Benutzer ihr eigenes Netzwerk anpassen können, exklusive Bindungen vermieden werden und die Versorgungssicherheit gewährleistet ist. Das Alibaba Cloud Infrastructure Optical Network Team schlug das Konzept der offenen und entkoppelten DCI-Technologie durch Forschung vor und arbeitete mit Industriepartnern zusammen, um die Bildung und das Wachstum des DCI-Technologie-Ökosystems zu fördern und so das Konzept des traditionellen geschlossenen Systems zu durchbrechen.

Das DCI-Netzwerk kann als eine Kombination aus zugrunde liegenden Hardwaregeräten und Verwaltungs- und Steuerungssoftware der oberen Schicht betrachtet werden. Die Geräte werden in Geräte mit optischer Schicht und Geräte mit elektrischer Schicht unterteilt. Die Rollen der beiden sind analog zu städtischen Transporteinrichtungen. Geräte mit optischer Schicht ähneln Straßen, und Geräte mit elektrischer Schicht sind Fahrzeuge auf der Straße. Im Vergleich zur schnellen Entwicklung der elektrischen Schichttechnologie fungieren optische Schichtgeräte als Infrastruktur, deren technologische Entwicklung relativ langsam ist. Daher ist hier der erste Schritt der Entkopplung – die Trennung von Straßen und Fahrzeugen sowie die Entkopplung der optischen Schicht von der elektrischen Schicht. Danach werden die Ausrüstung für die optische Schicht und die Ausrüstung für die elektrische Schicht von verschiedenen Herstellern stammen, und gleichzeitig kann die „Straße“, die aus einer Reihe von Geräten für die optische Schicht besteht, „Fahrzeuge“ von verschiedenen Herstellern von Ausrüstung für die elektrische Schicht tragen.

Abb.3 Menschen können verschiedene Fahrzeugtypen unterschiedlicher Hersteller auf der Straße fahren, und auch das offene und entkoppelte DCI-Netzwerk verfügt über eine ähnliche Fähigkeit

Es ist wichtig, dass die Geräte eine einheitliche Schnittstelle bieten. Mit der Entwicklung softwaredefinierter Netzwerke haben sich die meisten Gerätehersteller auf das Netconf-Protokoll geeinigt. Alibaba trat in den frühen Tagen auch der OpenConfig-Organisation bei, um an der Definition von Datenmodellen für optische Netzwerke mitzuwirken. Basierend auf dem Netconf-Protokoll und dem OpenConfig-Modell kann eine Cloud-Softwareplattform eines Drittanbieters zur Verwaltung und Steuerung direkt eine Verbindung zu den Geräten der Hersteller herstellen, wodurch das vollständig entkoppelte System die Verbindungen während der Verwaltung und Steuerung reduziert und eine bessere Initiative und mehr Freiheit bietet Reaktion auf die Anforderungen neuer Funktionen auf Netzwerkebene.

Abbildung 4 Offenes und entkoppeltes DCI-Netzwerk

Die flexible Architektur unterstützt die Skalierbarkeit des Netzwerks

Nachdem das geschlossene System geöffnet wurde, besteht der nächste Schritt darin, geeignete Hardware für den Aufbau auszuwählen DCI-Netzwerk das flexibel erweitert werden kann. Über einen langen Zeitraum hinweg unterstützen die Multiplex- und Demultiplexeinheiten optischer Schichtgeräte nur ein festes Kanalintervall. Tatsächlich nimmt mit zunehmender Einzelwellenrate auch die für elektrische Schichtbauelemente erforderliche Spektrumsbreite weiter zu. Um mit der sich ständig weiterentwickelnden Single-Wave-Rate kompatibel zu sein, sollte die Multiplex- und Demultiplexeinheit mit festem Intervall zu einer flexiblen Multiplex- und Demultiplexeinheit auf Basis eines Wavelength Selective Switch (WSS) aufgerüstet werden.

Abbildung 5: Flexible MUX- und DEMUX-Einheit und flexibles Gitterspektrum

In einem großen DCI-Netzwerk ist die Dienstverteilung komplexer und die auf dem rekonfigurierbaren optischen Add-Drop-Multiplexer (ROADM) basierende Mesh-Netzwerkarchitektur muss berücksichtigt werden. In Städten, in denen die Rechenzentren stärker verteilt sind, wird häufig eine Sternarchitektur verwendet. Wenn die Hauptstation nicht über die Durchlässigkeit der optischen Schicht verfügt, muss der Verkehr zwischen den Satellitenstationen an der Hauptstation von Licht auf Strom umgestellt werden, was nicht nur die zusätzlichen Kosten erhöht, sondern auch die Übertragungsverzögerung zwischen den Stationen erhöht. Wenn die Hauptstation ein ROADM ist, können die Dienste zwischen Satellitenstationen durch die Hauptstation direkt zum gegenüberliegenden Ende geleitet werden, und die weitergeleitete Wellenlänge und Route können über die Netzwerkverwaltungssoftware konfiguriert werden, was den Arbeitsaufwand für Betrieb und Wartung erheblich reduziert senkt die Kosten des DCI-Netzwerks und verbessert die Effizienz der Dienstbereitstellung.

Abbildung 6 Synergie zwischen IP-Netzwerk und DCI-Netzwerk, das ROADM unterstützt

Hinweis: „Station“ in der Abbildung bezieht sich auf „Satellitenstation“

Im Punkt-zu-Punkt-Szenario wurde die optische Schicht am ersten Tag aufgebaut und ist somit für die fotoelektrische Entkopplung geeignet. Im Mesh-DCI-Netzwerk muss die optische Schicht angesichts der Zunahme nachfolgender Standorte und der Erweiterung des Netzwerkumfangs weiter entkoppelt werden. Wir empfehlen, den ROADM entsprechend der vorgegebenen Richtung zu entkoppeln und darauf zu achten, dass die Geräte im Optical Multiplex Section (OMS) vom gleichen Hersteller sind. Auf diese Weise kann der Teil der optischen Schicht im DCI-Netzwerk effektiv segmentiert und übermäßige Übereinstimmungsdetails zwischen den Geräten vermieden werden. Am ersten Tag des Netzwerkaufbaus besteht nur eine Verbindung zwischen den Standorten A und B, und die Ausrüstung kommt vom Lieferanten M. Am nächsten Tag wird ein neuer Standort C hinzugefügt, dann wird die Verbindung zwischen Standort C und Standort B vom Lieferanten hergestellt T1 und die Verbindung zwischen Standort C und Standort A erfolgt über den Lieferanten T2. 

Um das Problem der Kommunikationsunfähigkeit aufgrund unterschiedlicher Anschlüsse der Geräte verschiedener Hersteller zu lösen, haben wir eine universelle Glasfaser-Anschlussbox entwickelt, die flexible Steckkarten unterstützt. Sie besteht aus einer vollständig verbundenen Rückwandplatine und einem richtungsadaptiven Stecker. in Karte. Die Adapterplatinen in jeder Richtung können den Steckerspezifikationen der Hersteller entsprechen und die Leitungsfolge der Hersteller in eine gemeinsame Leitungsfolge „übersetzen“. Auf diese Weise werden zwei beliebige Richtungen vollständig über die universelle Glasfaser-Anschlussbox verbunden. Die universelle Glasfaser-Anschlussbox realisiert die Heterogenität der optischen Schicht gekonnt und öffnet die Tür zur Freiheit für den Ausbau des DCI-Netzwerks.

Abb.7 Schematische Darstellung des heterogenen ROADM- und optischen Schicht-Entkopplungsschemas basierend auf der universellen Glasfaser-Anschlussbox

Hinweis: "Die Kiste" in der Abbildung bezieht sich auf "Universelle Glasfaser-Anschlussbox" und"D"  bezieht sich auf "Richtung" .

Die Steuerungsautomatisierung verbessert die Netzwerkeffizienz

Im Vergleich zum digitalen IP-Kommunikationssystem bleiben im optischen Netzwerk noch viele analoge Eigenschaften erhalten, z. B. die Einstellung der optischen Leistung sowie die Konfiguration der Verstärkung und Steigung des Verstärkers. Um solche Herausforderungen zu meistern, sind offene Design-Tools für optische Netzwerke erforderlich, die von Dritten verwendet werden können. Durch die Abstraktion eines mehrstufigen Modells werden das Verhalten und die Funktionen der Geräte verschiedener Hersteller beschrieben, und die Unterschiede zwischen den Herstellern spiegeln sich in den wichtigsten Spezifikationsparametern des Modells wider. In Kombination mit den tatsächlichen Netzwerktopologiedaten, Serviceressourcendaten und anderen Informationen löst der Planer das Problem der End-to-End-Optimierung und kann den Zielkonfigurationswert auf allen Geräten und die Leistungsmarge zu diesem Zeitpunkt berechnen und erhalten.

Wenn Sie Dienste hinzufügen oder Konfigurationen in einem bestehenden Netzwerk optimieren, müssen Sie den Anpassungspfad von der aktuellen Konfiguration zur Zielkonfiguration so sorgfältig wie ein Kletterer wählen. Aufgrund des Einflusses der Nichtlinearität des optischen Verstärkers, der Kerr-Faser-Nichtlinearität und der stimulierten Raman-Streueffekte muss nicht nur der aktuell regulierte Servicekanal beachtet werden, sondern auch benachbarte Kanäle und Kanäle auf den nahegelegenen zugehörigen OMSs müssen überwacht werden.

In den Konfigurator wird eine Echtzeit-Statusprüfeinheit eingeführt, und die in Echtzeit erfassten Geräteleistungsdaten durchlaufen eine angepasste Prüflogik, um festzustellen, ob der aktuelle Anpassungspfad Risiken birgt, und werden kontinuierlich aktualisiert. Durch wiederholtes Vorgehen kann das voreingestellte Einstellziel am Ende sicher erreicht werden.

Abb. 8 Offene Design-Tools für optische Netzwerke und automatisierter Konfigurationsprozess, die Dritten zur Verfügung stehen

DEntwicklung und Challenges

Das kontinuierliche Aufkommen von Internetdiensten und das sich schnell weiterentwickelnde Cloud Computing haben dem DCI-Netzwerk im letzten Jahrzehnt zu einem Aufschwung verholfen. Offene und entkoppelte Systeme, einfache und flexible Architektur und Softwareautomatisierung sind die wichtigsten Innovationen von DCI. In naher Zukunft werden 5G-Netzwerke, das Internet der Dinge (IoT), Augmented Reality (AR) und Virtual Reality (VR) sowie Edge Cloud Computing das schnelle Wachstum von DCI-Netzwerken weiterhin vorantreiben. Ein offenes DCI-Ökosystem wird der Entwicklung und Einführung neuer Technologien förderlicher sein, technologische Innovation und industriellen Wohlstand fördern, Kunden- und Geschäftsanforderungen besser erfüllen und letztendlich Cloud Computing auf eine neue Stufe heben!