光数据中心组网的关键技术研究

The growing popularity of cloud and multimedia services is increasing the traffic volume that data centers need to handle, leading to serious bottlenecks in data center networks in terms of both capacity and energy consumption. Reducing the power and improving the bandwidth required by the communications inside the data center through use of optical technology opens a way to solve this problem. However, the current optical switching technologies are not able to support the bursty traffic generated by the servers, and hence, new optical interconnect architectures are urgently needed. The purpose of this project is to enable highly scalable, flexible and energy-efficient network inside the data center by developing novel optical data center networks architecture based on integration of elastic spectrum allocation and passive optical interconnect, which is a new concept proposed by the applicant and her team. In the project, we will tackle several fundamental research problems by building theoretical models as well as carrying out simulations and experiments to verify the newly developed optical data center network archietecture, which has a high potential to achieve the following challenging goals: (1) Reducing energy consumption of the data center network by at least a factor of 10; (2) Offering ultra-high bandwidth capacity (≥1Pb/s) inside the data center; and (3) Flexible provisioning of server-to-server optical connectivity inside the data center.

云技术和多媒体业务的日益普及，使得数据中心需要处理的流量不断增加，将导致在容量和能耗两个重要方面出现严重的瓶颈。利用光通信技术降低数据中心通信所需的功耗并提升带宽，为解决这一问题开辟了新的道路。然而，目前的光交换技术无法有效的支持服务器产生的极具突发性的流量，因此迫切需要新的光数据中心组网架构。本项目针对数据中心中严峻的带宽和能耗问题，开展对支持高度可扩展的，灵活的并且高效节能的数据中心组网关键技术的研究。我们将基于由申请人及其团队首创的新概念--无源光互连，并结合弹性频谱分配机制，通过理论建模，仿真和实验的手段探究新型光数据中心网络架构，实现如下具有挑战性的目标：（1）较现有技术至少10倍的降低数据中心网络的能耗；（2）提供超高的带宽容量（≥1Pb / s）；（3）灵活动态的配置服务器之间的光连接。

云技术和多媒体业务的日益普及，使得数据中心需要处理的流量不断增加，将导致在容量和能耗两个重要方面出现严重的瓶颈。利用光通信技术降低数据中心通信所需的功耗并提升带宽，为解决这一问题开辟了新的道路。然而，目前的光交换技术无法有效地支持服务器产生的极具突发性的流量，因此迫切需要新的光数据中心组网架构。本项目针对数据中心中严峻的带宽和能耗问题，开展对支持高度可扩展的，灵活的并且高效节能的数据中心组网关键技术的研究。在本项目中，我们专注于无源光互连技术的研究，并结合弹性频谱分配机制，通过理论建模、仿真和实验的手段探究了新型光数据中心网络架构。具体来说，我们提出了基于级联无源光交换器件（如阵列波导光栅路由器AWGR）的底层ToR（机柜顶）互联的多种结构，实现了底层ToR更高的连接度。我们还进行了物理层配置和逻辑层算法的跨层分析，结果显示这种结构能够在重要组件（如光收发机）的复杂度、与多点对多点之间的数据传输性能之间取得较好的平衡。另一方面，我们提出了应用于汇聚/核心层的支持透明多跳连接的弹性全光互联结构。在逻辑层上，我们提出了与物理层结构相匹配的混合策略路由和适应性频谱分配算法，验证了它能够增强弹性全光互联结构的连接性，提高资源利用率（40Gbps速率下频谱效率提升达33.3%，100Gbps下达25%）。为进一步提高光数据中心的多种重要资源（如CPU和内存）的资源利用率，我们研究了分离数据中心不同结构的优缺点，展望了分离数据中心提高资源利用率的前景。另外，我们还提出了在C波段上基于非线性感知离散多音传输的短距离光通信技术，速率达到200Gbps，实现了更高速率、更高频谱利用率的短距离光互联。短距离光互联技术与我们设计的新颖、灵活的光交叉互联架构相融合，能够实现光数据中心中更高的资源利用率、更大的带宽容量和更高的扩展性，为基于数据中心的不断快速增长的各种应用场景提供更好的支持。