Google | 现代数据中心光线路交换技术的概念到实现

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引言随着网络服务、云计算和机器学习应用需求的不断增长，现代数据中心正在快速发展。在这种背景下，光线路交换(OCS)技术成为解决数据中心网络挑战的变革性方案。本文探讨Apollo系统，这是在数据中心规模实施OCS技术的突破性成果[1]。

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架构演进：网络设计的转变传统数据中心网络主要依赖电子分组交换，但光线路交换的引入为这种架构带来了根本性的改变。

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图1展示了从(a)传统的分层数据中心网络（使用Spine模块连接聚合模块）到(b)基于Apollo OCS的架构（其中Spine模块被直通式OCS取代）的演变。

' q$ {' C& L) |Apollo架构支持动态网络重构和扩展能力，实现更灵活和高效的网络管理。

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. e0 u* q! P* n; ?图2展示了简化的Fabric扩展，说明OCS配置如何根据聚合模块的数量重新分配网络连接。

核心技术：Palomar OCS系统
Apollo系统的核心是Palomar OCS，采用先进的MEMS技术实现光交换。
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图3说明了基于3D MEMS的NxN光开关原理，其中镜面在两个轴向上倾斜以在输入和输出端口之间引导光束。

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图4呈现了Palomar OCS光学核心的设计和光路，显示带内光信号路径（绿线）和用于镜面调节的监控通道（红箭头）。
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4 U2 k! }0 k+ |# F# c图5显示了Palomar OCS光学核心的照片，标识了关键组件：光纤准直器、相机模块、封装的MEMS、注入模块和二向色分光器及合光器。

组件集成：环行器和WDM技术
Apollo系统的一个关键创新是使用光环行器实现双向通信，并采用先进的WDM技术实现高带宽传输。

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0 J7 k2 m/ h; Y! W) v图6展示了(a)光环行器作为三端口非互易器件的工作原理，(b)集成环行器实现细节，以及(c)带集成环行器的双向CWDM4光收发器。
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3 n  v5 p; Z7 ]/ w! GWDM技术的发展对系统的成功起着重要作用，在保持向后兼容性的同时实现更高的数据速率。

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2 y6 f/ \5 @6 ]  L5 O3 Q+ V图7显示了WDM单模互连技术回顾和路线图，突出显示了光互连技术的演进。
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8 a, ?5 [# a' t; Q$ F2 x物理部署：数据中心实施
- w9 Y6 `6 C% K+ p# ?3 G! E* wApollo在数据中心环境中的物理实施需要仔细规划和组织，以确保可靠性和运行效率。
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图8描绘了Apollo在数据中心机房的物理布局，显示OCS在四个独立区域的分布。
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/ L) w- G2 q7 B图9展示了(a)Apollo区域的一半，包括OCS机架和光纤电缆分布，以及(b)聚合模块的一半，包括到网络机架的光纤电缆分布。
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性能特征：光学指标
Apollo系统在光学特性方面实现了优异的性能指标。

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图10展示了(a) Palomar OCS 136x136交叉连接的代表性插入损耗直方图和(b) 136个输入/输出端口的回波损耗与端口编号的关系。
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多代技术支持：技术集成
Apollo的一个主要优势是能够同时支持多代网络技术。
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图11显示了基于Apollo网络中的互操作性，展示了不同代际和速度的交换ASIC和光学技术如何共存。

( d- h( E0 g, f3 _0 KMEMS实现：技术细节
Apollo使用的MEMS技术代表了光交换的先进方法。
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2 e, ?  y8 `! U! c  z: L图12显示了(a)具有176个可单独控制的微镜的Palomar MEMS镜面封装的照片和(b)具有四个梳状驱动区域用于双向旋转的MEMS镜面热图像。
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图13呈现了(a)OCS机箱的系统级图表和(b)显示现场可更换单元的后视图。

优势与应用
, S+ q! _* f3 u! QApollo系统为数据中心网络带来了几个显著优势：

降低网络复杂性

增强可扩展性

提升性能

适应未来架构
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结论：影响与未来发展
- m/ a# W1 x/ [* _9 Q" ]Apollo的成功实施证明了光线路交换能够有效满足现代数据中心网络不断增长的需求。系统在高性能、可扩展性和灵活性方面的综合能力使其成为数据中心网络技术的重要进步。

5 a8 G) d/ N/ W0 }: L1 Z7 o随着数据中心的持续发展，Apollo展示的原理和技术对未来网络架构的设计产生重要影响，满足现代计算应用不断增长的需求。
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参考文献
' b& }- A. J' M4 \[1] R. Urata, H. Liu, K. Yasumura, E. Mao, J. Berger, X. Zhou, C. Lam, R. Bannon, D. Hutchinson, D. Nelson, L. Poutievski, A. Singh, J. Ong, and A. Vahdat, "Mission Apollo: Landing Optical Circuit Switching at Datacenter Scale," in Google LLC, 2024.
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