Tecnologia DCI na era da computação em nuvem

Nos últimos anos, graças ao suporte da computação em nuvem, tecnologias como inteligência artificial, realidade virtual/aumentada e a Internet das Coisas surgiram como cogumelos. A computação em nuvem é uma plataforma de computação distribuída em larga escala composta por milhões de servidores distribuídos em data centers em todo o mundo conectados entre si por meio de rede. Hoje, o data center não é mais uma sala de computadores isolada, mas um complexo de edifícios. Um data center pode conter muitas filiais de data center, que estão localizadas em locais diferentes, mas podem ser interconectadas por meio da rede para concluir conjuntamente a implementação de negócios correspondente.

O link para realizar a interconexão entre esses data centers é a tecnologia de interconexão entre os data centers (doravante denominada tecnologia DCI)

Rede DCI: O link para realizar a interconexão entre centros de dados 

De acordo com o relatório de índice de nuvem divulgado pela Cisco, a largura de banda de interconexão entre data centers manteve uma taxa de crescimento anual de quase 33% nos últimos cinco anos, e a largura de banda de interconexão atingiu a ordem de 100 Tb/s.

Figure1  Anual tendências de crescimento do tráfego in data center publicado pela Cisco

Quando vários centros de dados são conectados por fibras ópticas e a tecnologia de comunicação óptica é usada para transportar a transmissão de informações, uma rede de interconexão de centros de dados (rede DCI) é formada.

Salgumas características óbvias de trede DCI:

• A topologia de rede é principalmente ponto a ponto e rede simples, com baixa complexidade;
• A distância de interconexão entre data centers metropolitanos é curta, e a redução do custo unitário de transmissão é muito atrativa para data centers;
• Concentra-se mais no atraso da rede. Pequenos atrasos nos equipamentos podem reduzir a dificuldade de seleção da localização do data center;
• O principal tipo de serviço de interconexão é o serviço Ethernet 100G, com baixa complexidade de equipamentos da camada elétrica;
• Combinado com o rápido crescimento do tráfego, equipamentos modulares e redes flexíveis e escaláveis ​​são mais populares;
• Requisitos especiais de hardware, como ser acomodado em um gabinete de servidor, realizar saídas de ar frontais e traseiras e uma fonte de alimentação CC de alta tensão.

A tecnologia DCI surgiu para melhor construir e manter a rede de interconexão entre os data centers e se adaptar ao tráfego crescente entre os data centers.

De um fechado caixa preta para abrir desacoplamento

No sistema de operação de rede passado, os fabricantes de sistemas forneceram um conjunto completo de soluções, incluindo instalação de equipamentos, depuração do sistema e suporte de operação e manutenção. Todo o sistema é semelhante a uma caixa preta fechada, e o hardware e o software de diferentes fabricantes não são compatíveis entre si.

Em segundo lugar, há a questão do custo. Beneficiando-se da evolução contínua da tecnologia de transmissão óptica coerente, a taxa de onda única aumentou de 100 Gb/s para 800 Gb/s. Como o principal custo dos equipamentos da camada elétrica vem dos dispositivos ópticos, o aumento da taxa de onda única é propício à redução dos custos unitários. No entanto, nos últimos 10 anos, poucos fabricantes de sistemas mantiveram sua liderança de produto, o que significa que, se você continuar usando um sistema fechado para construir a rede, não poderá aproveitar os dividendos do desenvolvimento tecnológico em primeiro lugar.

Fig. 2 Evolução da taxa de onda única e capacidade de fibra única na camada elétrica

Além disso, o software de gerenciamento de rede privada no sistema fechado não pode ser conectado com o gerenciamento de recursos existente do usuário, gerenciamento de autoridade, processo de construção e sistema de manutenção de rotina, o que dificulta a melhoria do nível de automação de ponta a ponta, encurtando o tempo de provisionamento do serviço.

O primeiro ponto de ruptura Tecnologia DCI é abrir o sistema fechado, permitindo que os usuários personalizem sua própria rede, evitando vinculação exclusiva e garantindo a segurança do fornecimento. A equipe de rede óptica de infraestrutura em nuvem do Alibaba propôs o conceito de tecnologia DCI aberta e desacoplada por meio de pesquisa e trabalhou com parceiros da indústria para promover a formação e o crescimento do ecossistema de tecnologia DCI, rompendo o conceito do sistema fechado tradicional.

A rede DCI pode ser vista como uma combinação de dispositivos de hardware subjacentes e software de gerenciamento e controle de camada superior. Os dispositivos são divididos em dispositivos de camada óptica e dispositivos de camada elétrica. Os papéis dos dois são análogos às instalações de transporte urbano. Os dispositivos de camada óptica são semelhantes às estradas, e os dispositivos de camada elétrica são veículos na estrada. Comparado com a rápida evolução da tecnologia da camada elétrica, os equipamentos da camada ótica atuam como infraestrutura, cuja evolução tecnológica é relativamente lenta. Portanto, o primeiro passo do desacoplamento está bem aqui – separar estradas e veículos e desacoplar a camada óptica e a camada elétrica. Depois disso, os equipamentos da camada ótica e os equipamentos da camada elétrica virão de diferentes fabricantes e, ao mesmo tempo, a “estrada” composta por um conjunto de equipamentos da camada ótica poderá suportar “veículos” de diferentes fabricantes de equipamentos da camada elétrica.

Fig.3 As pessoas podem dirigir diferentes tipos de veículos de diferentes fabricantes na estrada, e a rede DCI aberta e desacoplada também tem uma capacidade semelhante

É importante que os dispositivos forneçam uma interface unificada. Com o desenvolvimento de redes definidas por software, o protocolo Netconf foi aceito pela maioria dos fabricantes de equipamentos. Alibaba também se juntou à organização OpenConfig nos primeiros dias para participar da definição de modelos de dados relacionados a redes ópticas. Baseado no protocolo Netconf e no modelo OpenConfig, uma plataforma de software em nuvem de terceiros pode se conectar diretamente aos equipamentos dos fabricantes para gerenciamento e controle, cujo sistema totalmente desacoplado reduz os links durante o gerenciamento e controle e tem melhor iniciativa e mais liberdade na respondendo às necessidades de novas funções no nível da rede.

Figura 4 Rede DCI aberta e desacoplada

Arquitetura flexível suporta escalabilidade de rede

Após a abertura do sistema fechado, o próximo passo é escolher o hardware adequado para construir um rede DCI que pode ser expandido de forma flexível. Por um longo período de tempo, as unidades de multiplexação e demultiplexação de dispositivos de camada óptica suportam apenas um intervalo de canal fixo. De fato, à medida que a taxa de onda única continua a aumentar, a largura do espectro exigida pelos dispositivos de camada elétrica também continua a aumentar. Para ser compatível com a taxa de onda única em constante evolução, a unidade de multiplexação e demultiplexação de intervalo fixo deve ser atualizada para uma unidade de multiplexação e demultiplexação flexível baseada em um interruptor seletivo de comprimento de onda (WSS).

Figure5 Unidade flexível MUX e DEMUX e espectro de grade flexível

Em uma rede DCI de grande escala, a distribuição do serviço é mais complexa e a arquitetura de rede Mesh baseada no Reconfigurable Optical Add Drop Multiplexer (ROADM) precisa ser considerada. Em cidades onde os data centers estão mais dispersos, uma arquitetura em estrela é frequentemente usada. Se a estação mestra não tiver a penetrabilidade da camada óptica, o tráfego entre as estações satélites precisa ser convertido de luz em eletricidade para luz na estação principal, o que não apenas aumenta o custo extra, mas também aumenta o atraso de transmissão entre as estações. Quando a estação principal é um ROADM, os serviços entre as estações de satélite podem passar pela estação principal diretamente para a extremidade oposta, e o comprimento de onda e a rota de passagem podem ser configurados através do software de gerenciamento de rede, o que reduz bastante a operação e manutenção de mão de obra custos da rede DCI e melhora a eficiência do provisionamento de serviços.

Figura 6 Sinergia entre rede IP e rede DCI com suporte para ROADM

Nota: “estação” na figura refere-se a “estação de satélite”

No cenário ponto a ponto, a camada óptica foi construída no primeiro dia e, portanto, é adequada para o desacoplamento fotoelétrico. Na rede Mesh DCI, considerando o aumento de sites subsequentes e a expansão da escala da rede, a camada óptica precisa ser ainda mais desacoplada. Recomendamos desacoplar o ROADM de acordo com a direção indicada e garantir que os dispositivos da Seção Multiplex Óptica (OMS) sejam do mesmo fabricante. Desta forma, a parte da camada óptica na rede DCI pode ser segmentada de forma eficaz, e os detalhes de concordância excessivos entre os dispositivos podem ser evitados. No primeiro dia de construção da rede, há apenas uma conexão entre os sites A e B, e o equipamento vem do fornecedor M. Um novo site C é adicionado no dia seguinte, então a conexão entre o site C e o site B é construída pelo fornecedor T1, e a conexão entre o site C e o site A é feita pelo fornecedor T2. 

Para lidar com o problema da incapacidade de comunicação devido a diferentes conectores de equipamentos de diferentes fabricantes, projetamos uma caixa de conexão de fibra universal que suporta cartões plug-in flexíveis, que consiste em um backplane totalmente conectado e um plug-in de direção adaptável. em cartão. As placas adaptadoras em cada direção podem corresponder às especificações do conector do fabricante e “traduzir” a seqüência de linha do fabricante em uma seqüência de linha comum. Desta forma, quaisquer duas direções são totalmente conectadas através da caixa de conexão de fibra universal. A caixa de conexão de fibra universal percebe habilmente a heterogeneidade da camada óptica e abre as portas da liberdade para a expansão da rede DCI.

Fig.7 Diagrama esquemático de ROADM heterogêneo e esquema de desacoplamento de camada óptica baseado na caixa de conexão de fibra universal

Nota: "A Caixa" na figura se refere "Caixa de conexão de fibra universal" e"D" refere-se a "direção".

A automação de controle melhora a eficiência da rede

Comparado com o sistema de comunicação digital IP, um grande número de propriedades analógicas ainda são retidas na rede óptica, como como ajustar a potência óptica e como configurar o ganho e a inclinação do amplificador. Para enfrentar esses desafios, são necessárias ferramentas de projeto de rede óptica aberta que possam ser usadas por terceiros. Ao abstrair um modelo multinível, o comportamento e as funções dos equipamentos de diferentes fabricantes são descritos e as diferenças entre os fabricantes são refletidas nos principais parâmetros de especificação do modelo. Combinado com os dados reais de topologia de rede, dados de recursos de serviço e outras informações, o planejador resolve o problema de otimização de ponta a ponta e pode calcular e obter o valor de configuração de destino em todos os dispositivos e a margem de desempenho neste momento.

Ao adicionar serviços ou otimizar configurações em uma rede existente, você precisa escolher o caminho de ajuste da configuração atual para a configuração de destino com tanto cuidado quanto um alpinista. Devido à influência da não linearidade do amplificador óptico, não linearidade de Kerr de fibra e efeitos de espalhamento Raman estimulados, não apenas o canal de serviço atualmente regulado precisa de atenção, mas também os canais e canais adjacentes nos OMSs relacionados próximos precisam ser monitorados.

Uma unidade de verificação de status em tempo real é introduzida no configurador e os dados de desempenho do equipamento coletados em tempo real passam por uma lógica de verificação personalizada para determinar se o caminho de ajuste atual apresenta riscos e é atualizado continuamente. Ao fazer isso repetidamente, o alvo de ajuste predefinido pode ser alcançado com segurança no final.

Fig. 8 Ferramentas de projeto de rede óptica aberta e processo de configuração automatizado disponíveis para terceiros

Ddesenvolvimento e Cdesafios

O surgimento contínuo de serviços de Internet e a computação em nuvem em rápida evolução impulsionaram a rede DCI a florescer na última década. Sistemas abertos e desacoplados, arquitetura simples e flexível e automação de software são as principais inovações da DCI. Em um futuro próximo, redes 5G, Internet das Coisas (IoT), realidade aumentada (AR) e realidade virtual (VR) e computação em nuvem de ponta continuarão a impulsionar o rápido crescimento das redes DCI. Um ecossistema DCI aberto será mais propício ao desenvolvimento e introdução de novas tecnologias, promoverá a inovação tecnológica e a prosperidade industrial, atenderá melhor às necessidades dos clientes e dos negócios e, finalmente, impulsionará a computação em nuvem para um novo estágio!