Все, что нужно знать об оптическом коммутационном устройстве

Стремительное развитие облачных вычислений, больших данных и искусственного интеллекта привело к резкому росту потребности в пропускной способности сети. Центры обработки данных и поставщики сетевых услуг также сталкиваются со все более строгими требованиями к пропускной способности и задержке. На этом фоне коммутация оптических каналов стала одним из главных направлений отрасли. Традиционные коммутаторы при обработке большого объема трафика на больших расстояниях не только характеризуются высокой задержкой и энергопотреблением, но и ограничены вычислительными возможностями своих коммутационных микросхем, из-за чего не могут удовлетворить эти требования. Коммутация оптических каналов, напротив, обеспечивает передачу данных по сквозному соединению непосредственно на оптическом уровне, устраняя необходимость преобразования оптического сигнала в электрический и обратно. Это обеспечивает решение для передачи данных с низкой задержкой и низким энергопотреблением. В этой статье объясняется, что такое коммутация оптических каналов и каковы ее конкретные применения.

Что такое OCS и как он работает

OCS — это сетевое устройство, использующее оптические компоненты для обмена данными. Благодаря технологии оптической коммутации оно устанавливает прямые физические каналы между различными оптоволоконными линиями, обеспечивая прямую передачу оптических сигналов и устраняя необходимость преобразования оптического сигнала в электрический и обратно или электрического сигнала в оптический и обратно, требуемого традиционными коммутаторами. Это значительно снижает задержку и энергопотребление, связанные с преобразованием сигналов. OCS также управляет подключением и отключением оптических переключателей и манипулирует оптическими сигналами внутри оптических кабелей, создавая пути передачи сигналов с минимальными потерями и задержкой.

Ключевыми компонентами OCS являются оптические коммутаторы, мультиплексирование с разделением по длине волны (WDM) и оптические усилители.

Будучи основой коммуникационных систем, оптические коммутаторы направляют оптические сигналы с одного порта на другой без необходимого преобразования оптического сигнала в электрический традиционные коммутаторы. Существует множество типов оптических коммутаторов, включая жидкокристаллические коммутаторы, микроэлектромеханические коммутаторы (MEMS) и массивы кремниевых фотонных коммутаторов. Они обеспечивают физическое соединение между оптическими сигналами, и их можно выбирать в зависимости от конкретных потребностей.

Мультиплексирование WDM объединяет несколько оптических сигналов с разными длинами волн в одном оптическом волокне, значительно увеличивая пропускную способность сети и позволяя устройствам обрабатывать большие объёмы данных. Оптические усилители являются ключевыми компонентами при передаче на большие расстояния, обеспечивая целостность оптического сигнала и его доставку к месту назначения без искажений. Они усиливают оптические сигналы по мере их прохождения через сеть.

Принцип работы OCS

Принцип работы OCS аналогичен коммутации телефонных цепей. Когда двум портам необходимо установить связь, контроллер настраивает путь в матрице оптического коммутатора, используя оптические компоненты для маршрутизации оптического сигнала от одного волокна к другому и формирования независимого физического оптического пути.

В ходе этого процесса оптические сигналы передаются напрямую, без преобразования в электрические сигналы, а также без разбора и буферизации электронными микросхемами. Поскольку процесс не включает ретайминг сигнала, коррекцию ошибок или пересылку пакетов, обеспечиваются чрезвычайно низкая сквозная задержка и скорость передачи, приближающаяся к скорости света. После установления оптического пути обе взаимодействующие стороны используют ресурсы канала исключительно для себя до окончания связи или выдачи контроллером новой команды. Этот выделенный канал и скорость передачи, близкая к скорости света, делают OCS чрезвычайно эффективным в приложениях, требующих высокой скорости, стабильности и крайне низкой задержки.

Преимущества OCS

OCS приобрела популярность благодаря следующим преимуществам.

Высокая пропускная способность: OCS поддерживает высокоскоростную передачу сигналов от 1G до 800G, обеспечивая гибкую адаптацию. Поскольку ему не требуются оптические модули, он не имеет ограничений по скорости и обладает потенциалом для перехода на более высокие скорости, такие как 1.6T и 3.2T.

Низкая задержка: Поскольку OCS устраняет необходимость оптико-электрического преобразования, буферизации и обработки в часы пик, возникает только физическая задержка, связанная с прохождением оптических сигналов через среду. Свет распространяется с чрезвычайно высокой скоростью, что делает эту технологию подходящей для приложений, крайне чувствительных к задержкам.

Низкое энергопотребление: Во время передачи сигнала сигналам не требуется оптико-электрическое преобразование, что устраняет необходимость обработки с помощью DSP и коммутирующих микросхем. Это значительно снижает энергопотребление OCS и соответствует требованиям энергосбережения.

Высокая надежность: Поскольку OCS использует выделенные линии передачи, он обеспечивает чрезвычайно высокую надежность, практически отсутствие перегрузок и стабильное качество обслуживания.

Масштабируемость: Поскольку OCS работает непосредственно поверх оптическое волокно без оптических модулей ее можно легко расширить, добавив больше оптических коммутаторов и оптических волокон для удовлетворения требований к пропускной способности в различных сценариях.

Недостатки OCS

Конечно, несмотря на свои преимущества, OCS также имеет определенные ограничения.

Во-первых, скорости коммутации в массово используемых OCS низкие: время коммутации составляет миллисекунды по сравнению с наносекундами у традиционных коммутаторов. Это делает OCS непригодными для пакетных сервисов, требующих планирования на уровне микросекунд.

Во-вторых, его степень детализации недостаточна. В отличие от традиционных коммутаторов, он не может гибко обрабатывать небольшие пакеты и способен устанавливать только оптические пути на уровне портов. В результате он плохо справляется с кратковременным трафиком и динамическими всплесками.

В-третьих, аппаратные затраты на OCS высоки, поскольку требуется значительный объём оптоволоконной кабельной разводки. Кроме того, высоки эксплуатационные расходы и затраты на техническое обслуживание, что делает развёртывание и применение OCS непригодными для некоторых малых и средних сетей.

Наконец, OCS использует систему управления для планирования и требует интеграции с SDN или специализированным программным обеспечением планирования для реализации интеллектуального планирования. В противном случае сложность эксплуатации и затраты на обслуживание будут высокими.

Применение

Соединение крупных центров обработки данных

Для крупномасштабного межрегионального соединения центров обработки данных OCS обеспечивает стабильную поддержку сверхвысокой пропускной способности, удовлетворяя потребности в репликации и миграции данных, а также расширении бизнеса. Он также создает оптические каналы с чрезвычайно низкой задержкой и высокой надежностью между центрами обработки данных, обеспечивая передачу информации. Кроме того, он снижает общее энергопотребление центра обработки данных и обеспечивает гибкую передачу данных.

Соединение кластера высокопроизводительных вычислений

Поскольку задачи HPC-вычислений требуют интенсивного обмена данными между узлами, OCS может создавать фиксированные оптические пути между вычислительными узлами, предоставляя им эксклюзивный доступ ко всему каналу и передавая сигналы почти со скоростью света, что обеспечивает высокую пропускную способность и низкую задержку.

Оборонные и научно-исследовательские сети

В связи с высокой степенью конфиденциальности данных в сфере обороны и научных исследований передача данных требует высокого уровня безопасности и оперативности. OCS создает выделенные каналы, которые являются частными и фиксированными и не используются для других целей. Это обеспечивает высокий уровень безопасности и исключительно низкую задержку, что делает систему идеальной для приложений защищенной передачи информации.

Заключение

Оптическая коммутация каналов благодаря таким преимуществам, как высокая пропускная способность, низкая задержка и низкое энергопотребление, играет важную роль в центрах обработки данных, высокопроизводительных вычислениях и приложениях, чувствительных к задержкам. Несмотря на относительно высокую стоимость и ограниченную скорость коммутации, с постоянным развитием технологий ее можно развивать параллельно с традиционными коммутаторами для создания более эффективных и энергоэффективных сетей.