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三种架构对光模块需求分析

2023/09/27

传统三层网络架构由接入层交换机,汇聚层交换机和核心层交换机组成,服务器通过接入层交换机接入网络,数据流量在网络中的路径通常为接入层交换机-汇聚层交换机-核心层交换机-汇聚层交换机-接入层交换机。其缺陷在于带宽是逐层收敛的,核心交换机的网络带宽要远小于各个接入层交换机处所有带宽的总和,核心层交换机成为性能瓶颈,东西向流量时延大,扩展性差。

      针对传统三层网络架构的缺点,胖树架构被提出。

胖树架构

当前,Fat-Tree 是业界普遍认可的实现无阻塞网络的技术。其基本理念是:使用大量低性能的交换机,构建出大规模的无阻塞网络,对于任意的通信模式,总有路径让他们的通信带宽达到网卡带宽。Fat-Tree 的另一个好处是,它用到的所有交换机都是相同的,这让我们能够在整个数据中心网络架构中采用廉价的交换机。胖树架构使用同构交换机,可以实现通信路径带宽无收敛,同时对于同一pod内部的流量,可以实现3跳的通信距离,提高东西向流量通信效率。

Spine-Leaf 网络架构

为进一步提升东西向流量效率,叶脊架构被提出。

Spine-Leaf 网络架构,也称为分布式核心网络,由于这种网络架构来源于交换机内部的 Switch Fabric,因此也被称为 Fabric 网络架构,同属于 CLOS 网络模型。事实已经证明,Spine-Leaf 网络架构可以提供高带宽、低延迟、非阻塞的服务器到服务器连接。叶脊架构只有leaf层和spine层两层交换机,降低了通信跳数的同时,也可以实现带宽无收敛。
假设每个交换机的端口数为k,那么三种架构的交换机数目,服务器数目和链路数对比如下:
 
架构 叶脊 胖树 传统三层
交换机数目 3k/2 5k^3/4 3k^2/4+k/2
服务器数目 k^2/2 k^3/4 k^3/4
链路数目 k^2 k^3 5k^3/8+k^2/2

 

可以看出来当端口数目固定时,胖树架构的链路数最多,网络规模最大,其光模块和光引擎的需求相比传统三层网络也更多,尽管叶脊架构相比传统三层网络的链路数较少,但是由于叶脊架构使用同构交换机组成无带宽收敛网络,其链路的带宽光模块要比传统三层网络更高,因而所需的光引擎光模块的速率也更高。

新恒利达投研团队认为:当下游应用厂商的需求到了一定的节骨点上了,传统的通讯的模型已经不能满足公司需求或者不能解决特定场景下的需求的时候,就必须要做出改变。而这种改变它只是一个架构,并不受限于某款型号或者某个厂家的交换机。光模块后续的这个巨大的爆发点还是来自于人工智能等发展起来之后,这里面还有很多新的业态。传统的数据中心,它的改造升级替换是一个循序渐进、持续增长的过程,它不像是突然一个高峰,突然间又没了。而叶脊架构对整个高端光模块的应用数量是传统架构的数十倍。高速率是光模块的未来发展必然趋势,随着光模块向400G、800G甚至1.6T等高速率演进,以Tb/s的光纤传输速度或将成为光通信传输速率瓶颈,而硅光子集成技术具备的超高传输速率能打破这一瓶颈,实现Pb/s量级的传输。同时,由于硅材料价格低廉且在半导体工艺中实现了成熟应用,能极大地降低光模块的采购成本及集成技术难度,突破传统光模块的成本限制。截至目前,硅光集成技术的研发及产业化主要集中于光模块产业链中的上游硅光芯片制造,以Intel、Luxtera为代表的国外企业为主导,国产化率较低。

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