iPronics：基于软件定义光电子技术的数据中心网络优化-凡亿课堂

引言

数据中心的需求要求在网络优化方面不断创新。结合了光电子技术、电子技术和软件层的硬件具有根植于可编程性的变革潜力。

在系统架构层面，软件定义网络（SDN）在过去十年中改变了数据中心的管理方式，实现了控制平面元素与数据平面元素的分离。这种设计创新的灵活性实现了动态流量路由选择、网络调整和资源分配-所有这些都通过软件控制来实现。

这一进步已经为网络通信带来了巨大的好处。然而，SDN 在数据中心的协调能力的全部潜力仍然有限，这主要是由于支持此类应用所需的物理硬件的刚性所致。此外，许多现有的网络设备，尤其是电信设备，缺乏开放的应用编程接口（API）。这使得它们与 SDN 控制器不兼容。

这种瓶颈的某些方面很容易理解。与软件开发相比，硬件开发承担的风险更大，需要的投资也更多。而且，在通信的某些子领域，软件和硬件的发展速度往往不同。

为了避免这些差异，网络分解促进了开放式硬件设计（推动标准化）。开发可编程接口和开源硬件设计，将基础设施组件概念化，然后建模为 "白盒 "交换机，就能实现这一行业要求。

技术必须在 SDN 和硬件层之间架起一座桥梁。要实现这一目标，理想的硬件必须具有智能功能，可根据软件发出的指令动态调整功能。试想一下，光纤路径可根据实时流量变化进行重新配置；带宽可动态分配，以确定关键应用的优先级；网络拓扑结构可随时调整-所有这些都可通过软件控制实现。

随着带宽要求的不断提高，数据通信和电信业的现状和未来都将越来越好，光子技术完全有能力在电子技术达到特定应用的极限时取代电子技术。如果这些光子平台要成为在这些领域的软件环境中发挥作用的最佳解决方案，那么这些系统就必须具备可编程性、适应性和灵活性。

图 1. 软件定义光电子技术（SDP）可调元件的编程方案，元件的不同状态隔离：交叉状态、条状状态和可调耦合器。这些状态可分别使光线在两个输出端口之间交叉、保持同一路径和/或分裂。在网状排列中连接可调元件，为集成电路提供了无限的灵活性，并利用这些分立元件实现了无数的光子功能。

由于摩尔定律在未来是否可行的问题依然存在，最近光子集成技术的进步产生了可编程 PIC，为根据不断变化的网络条件和用户需求进行动态流量优化打开了大门footnote。在软件与光子技术的融合过程中，软件定义光电子技术（SDP）有望取得进展，为数据中心带来直接效益。

核心优势

要权衡使用 SDP 的优势，必须考虑系统整体性能的提升，更重要的是，必须考虑从这种提升中受益的应用领域。静态硬件--针对特定任务精心设计的固定配置-支撑着光通信领域前所未有的进步。这种硬件支持一种在稳定性和性能方面都非常出色的方法。

然而，电信和数据通信技术的发展方向和新技术的出现清楚地表明，这种硬件方法缺乏必要的适应性，无法支持不断发展的通信领域的持续进步。

适应性是 SDP 的直接优势。在实时操作能力的保护伞下，SDP 技术能在纳秒级的时间内适应信号变化等波动。为了最大限度地提高终端用户的工作效率，这些技术还提供了实时洞察力和数据驱动的决策能力。这就优化了资源分配。

任务并行化进一步促进了资源分配。通过在同一设备上执行多个光子功能，执行时间得以延长，同时该机制消除了光/电/光（OEO）转换的需要。这从根本上减少了延迟，提高了效率。此外，它还确保了执行复杂任务所需的系统数量减少，这在资源有限的环境中是重要的优势。

与功能前和功能中优化的适应性一样，SDP 带来的可能性还包括重新配置和恢复。如今，先进的 SDP 技术被认为具有自愈能力，并能针对特定功能进行优化。这种质量旨在使这些技术能够检测并应对特定系统中的故障。系统问题的自动诊断、重新配置能力和故障恢复能力可最大限度地减少停机时间，提高系统的可用性。

最后，目前正在设计的 SDP 技术将对带宽透明，并支持不同的数据管理和处理方法。点对点和多点交换、添加-下降-波长，以及通过滤波或应用延迟来支持即时纠正损伤的可能性，都具有明显的优势，而不需要增加延迟的 OEO 转换和存储器，这可能占网络功耗的很大比例。另一项支持的功能是波分复用。由于 SDN 可使用户高效管理复杂的动态流量模式，因此可能会出现使用传统单波长传输的现有网络容量不足的情况。SDP 技术将有助于克服这一瓶颈，这对于将云计算和人工智能等对带宽要求较高的应用推向主流重要。

图 2. 器件光学层方案，包括 72 个可调元件（金色）和监控光电探测器（蓝色）。在基本架构中，可调元件的尺寸限制了滤波器的自由光谱范围，但添加其他可编程电路后，就可以绕过这一限制。可集成的高性能构件包括高速光电探测器（PD）、射频（RF）调制器、MUX/DEMUX、有限脉冲响应（FIR）滤波器、无限脉冲响应（IIR）滤波器和光 I/O。ITU 滤波器：国际电信联盟推荐的滤波器。

图 3. 软件定义光电子（SDP）技术的不同层：软件层、光学光子层和电子层。每一层都与不同的功能有关，并能实现不同的功能，根据用户的目标功能提高整体性能。

编程成形

在集成商从日益灵活的替换硬件解决方案中获益之前，设计师和工程师必须解决集成过程中遇到的巨大障碍。有些挑战与直接的设计几何图形和元件选择有关，是最基本的也是显而易见的。而另一些挑战则在技术上更为艰巨。如前所述，将灵活的硬件与现有的静态基础设施整合在一起会带来兼容性问题。

可调元件的编程概念依赖于相位执行器（图 1a-c）。该元件由两个输入端口和两个输出端口组成，光可以在其中交叉（交叉状态）；保持相同路径（条形状态）；和/或在两个输出端口之间分离（可调耦合器）。通过在网状排列中连接许多这样的可调元件，就有可能将 PIC 离散化-反过来，使用这些离散元件设计任何类型的光子功能都具有无限的灵活性。

从元件架构到器件架构，设计的复杂性不断加深。基于可编程光电子技术的设备的光学层方案需要众多元件以不同的排列方式进行配置。在图 2 中，72 个可调元件（金）呈六边形排列。虽然可调元件的尺寸限制了基线结构中滤波器的自由光谱范围，但增加其他同样可编程的电路可以解决这一限制。调制器、高速光电探测器、MUX/DEMUX、色散补偿模块以及其他/不同类型的滤波器等元件都能实现这一功能。

可以使用基于分层软件栈的软件（如 Python）来协调这种由可调元件组成的系统。在堆栈的最底层，必须集成应用程序接口，作为与控制层的通信渠道，控制层将根据用户的特定需求提供执行不同功能的指令。作为堆栈的中间层，将插入自修复、自动路由和资源优化等高级库。在堆栈的最高层，添加了特定领域库，以提供交换、均衡、分插复用和矩阵乘法等常用功能。南向 API 使控制层能够与该设备通信，根据用户的特定需求提供功能指令。SDP 设备的软件将运行优化算法来执行特定功能。

电子层在光子元件编程方面也发挥着作用：电子输入负责确保执行器发生必要的变化。驱动单元控制每个执行器，监控单元控制每个光端口的监控光电探测器。通过这两个单元之间的通信，设计人员可以在设备中编入反馈回路，从而优化用户所需功能的性能。

因此，与静态 PIC 相比，可编程 PIC 在提高可靠性方面的每一层都发挥着重要作用（图 3）。从根本上说，软件控制可以确保可编程 PIC 的性能可以调整到无差错状态。

提升数据中心

在数据中心，SDP 技术将影响光纤管理、流量优化和拓扑优化。作为每种机制的大脑，SDN 层通过接收请求、分析网络状态和指示 SDP 设备进行相应调整，在总体层面上协调变化。

就数据中心领域内的这三个关键领域而言，SDP 的影响方式是有区别的。在光纤管理方面，SDP 可以实现光路的实时重新配置，适应不断变化的流量模式，减少人工光纤修补的需要。同时，软件控制还能自动进行光纤调配和故障排除，确保高效的资源分配，避免耗时的人工干预。

SDP 还可以根据不同的应用需求，对数据中心的流量进行微调。这样，关键应用就能获得优先带宽，最大限度地减少延迟，避免拥塞和其他瓶颈。对带宽分配和优先级的灵活控制可以为不同的流量类型提供特定的服务级别。

而且，与物理上受限的传统网络相比，SDP 允许用户即时调整拓扑结构。原则上，随着采用范围的扩大，网络扩展将像更改软件设置一样毫不费力。

实务上的挑战

虽然 SDP 为光网络带来了可编程性和灵活性，但它从实验室走向数据中心的过程中也面临着各种障碍。其中许多最明显的障碍来自于材料科学的发现甚至创新，包括最近在集成光电子技术价值链各个环节掀起的研发热潮。

首先，基于不同可调元件的技术在性能和制造成熟度之间有不同的权衡。选择合适的技术需要仔细考虑具体需求和应用（表 1）。例如，硅光子技术可以在芯片上集成高度成熟、低功耗的热光移相器，提供微秒级的重新配置时间，但在某些应用中，这被认为太慢，无法实现最佳功能。利用其他材料，工程师可以在硅光子芯片上集成电光移相器。虽然这些芯片可以提供纳秒级的重新配置时间，但重新配置的优势是以更高的损耗为代价的。在这些情况下，可调谐元件体积庞大可能是另一个潜在的不利因素。

在实现广泛应用的道路上，标准化是另一个需要考虑的问题，光通信技术的标准化进程比以往任何时候都要快。谷歌的开路开关就是一个很好的例子，它展示了光可编程性的变革力量。这种创新设备利用基于 MEMS 的光路交换机，在其数据中心内提供动态网络重新配置。具体就 SDP 而言，供应商之间的互操作性和协作对于集成的广泛应用很重要。

成本因素也很重要。长期效益有希望，但 SDP 解决方案的前期成本可能会立即高于传统方法。因此，有必要进行明确的成本效益分析和后续论证。