数据中心无源光互联关键技术研究

摘要

近年来，随着云计算、社交网络、虚拟现实等应用兴起和普及，全球网络流量呈指数增长。而数据中心作为构建信息高速公路的关键环节，在全球范围的信息互联中担当着越来越重要的角色。快速增长的数据流量在各类数据中心内存储，处理，计算，传输，并根据用户的请求进行即时响应。根据预测，大型数据中心的带宽需求将每四年增加二十倍。传统的数据中心已无法满足容量及能耗方面的要求，日渐增大的带宽压力与可承担能耗之间的矛盾难以调和，亟需新的互联架构和传输技术来应对大容量、高能效、低时延等多重挑战。光传输技术作为一种大容量，低能耗的通信方式正逐步覆盖包括数据中心在内的短距通信场景。另一方面，数据中心的网络交换部分仍主要基于商用交换机，大量的光电光转换极大的限制了数据中心的能耗及时延性能。也亟需新的互联架构、交换技术及相应的协议来满足未来数据中心容量、能耗、时延方面的要求。 针对上述挑战，本文面向低能耗的数据中心光互联进行了无源光互联技术研究；针对其本地性、突发性、并发性的流量特性，设计了多种基于光耦合器的无源光互联结构；针对光耦合器分光损耗所导致的功率预算紧张，提出了一套针对该结构的可扩展性研究方法，其中包含物理层多重因素的影响，如器件的插入损耗，接收机类型，接收机带宽，调制格式，判决电平等。在此基础上研究了引入放大器对于柜顶连接的成本、能耗、及可扩展性的影响。 为实现前述基于光耦合器的无源光互联内各端口间的无冲突通信，设计了一种基于周期的集中式介质访问控制协议为各端口提供寻址机制和信道访问；提出了最大优先的波长/时间资源分配算法；根据数据中心流量特点建立流量模型，并仿真测试了无源光网络结构的平均分组时延及丢包性能。结果表明在10Gbps光网络接口速率的条件下，无源光网络结构结合所提出的资源分配算法可以实现微秒级的平均分组时延。与改良的传统电分组交换中使用的iSLIP算法相比较优势明显。同时对网络配置参数，如端口规模，传输窗口设置及收发机调谐时间对于分组时延及丢包率的影响进行了研究和探讨。 在基于光耦合器的无源光互联中提出并实现了物理层网络编码（PLNC）方案，分别从物理层和网络层证明了该技术在无源光互联中应用的可行性及网络增益。物理层上利用多种调制格式实现了50GHz栅格密集波分复用系统中的的全光PLNC；网络层上针对PLNC的特性提出了相应的资源分配算法，并对采用PLNC的无源光互联结构进行了平均分组时延和丢包率等性能分析。仿真结果表明在可用波长资源较少时，采用PLNC在高网络负载条件下可大幅降低平均分组时延约100倍，且在降低丢包率方面也有明显性能提升。尤其是在网络负载较高的情况下，波长资源不足时原结构迅速趋于饱和，使用PLNC则仍能维持较低的分组时延和丢包率。 针对数据中心内部大带宽传输时延敏感的需求，利用高速收发芯片及大带宽光电器件搭建光传输系统,实现了单通道100Gbps实时双二进制光信号传输；利用光电器件及光纤链路的低通特性进行信号整形，在收端实现双二进制信号的判决。其中电信号的产生与判决在芯片上实现，发射端采取模拟前向反馈均衡，避免了系统中的数字信号处理从而显著降低了相关时延。

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