全光算力網絡關鍵技術及建設策略研究

李 成

（中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

傳統計算資源網絡使用電子信號進行數據傳輸和處理，帶寬瓶頸、能耗高等問題較為突出。而全光算力網絡利用光學器件和光纖等光學元件先將數據轉換為光信號，然后將光信號傳輸至指定區域。此種傳輸模式不僅數據傳輸速度快，而且可以有效降低能耗，符合我國網絡發展要求。近年來，我國一直在推動云網聯合，通過軟件定義網絡（Software Defined Network，SDN）技術強化網絡彈性和靈活性。目前，人工智能技術愈發完善，邊緣算計也得到重視，云計算從中心云發展模式逐漸走向邊緣。此種情況下，算力網絡應具備一網多云、多邊協同和一體供給能力，若要實現該建設目標，則需不斷革新網絡技術，加大網絡建設力度，同時有效解決現存問題。

1 全光算力網絡關鍵技術

1.1 全光交叉技術

全光交叉技術指利用光學器件和光學信號進行光路交叉的技術，是光網絡中核心技術之一，可以實現在光域內對光信號進行靈活的交換、路由和連接，高容量、低時延是其主要技術優勢。該技術可細分為光開關技術、光波分復用技術、光網絡管理和控制技術等。以光開關技術為例，其依靠光開關實現光信號交叉連接。光開關可以根據光輸入端口、目標輸出端口調度控制來完成光信號的傳輸工作。常見的光開關包括光機械開關、基于硅光子的熱光開關和電光開關等。全光交叉技術組網示意如圖1所示。

圖1 全光交叉技術組網示意

1.2 全光算力錨點+OSU靈活管道技術

該技術主要應用于全光算力網絡，具有數據傳輸效率高、靈活性高等優勢。全光算力錨點指利用光傳輸介質進行高速計算資源傳輸和處理的節點，可以根據用戶需求和任務要求，將算力資源動態分配給不同的計算任務，實現高效計算資源利用和靈活服務調度。光學掃描單元（Optical Scanning Unit，OSU）靈活管道技術是一種基于光學開關的靈活光網絡架構，可以根據流量需求和優先級動態分配光路徑與連接，實現高帶寬、低延遲的數據傳輸，還可以在光域內進行靈活的光路交叉和路由，實現快速、可靠的數據轉發和處理。

1.3 開放光網絡技術

我國光網絡已經應用多年，在應用過程中始終以封閉系統為主，即網絡中所有硬件設備、控制軟件均來自同一廠家，軟硬件強耦合。如今，該系統整體性能漸漸無法滿足使用需求，若要改善此種情況則應采取相應措施使光網絡趨于開放。隨著SDN技術的規模部署，網絡開放和解耦已經成為必然趨勢。開放光網絡需建立在多供應商的市場環境下，并豐富全光底座形態，實現業務創新。以開放光網絡總體架構來看，其主要由電層設備、光層設備、管控平臺組成，當前面向專線接入的光傳送網絡的電力接地裝置（Optical Transport Network - Electrical Power Earthing Device，OTN-EPE）、面向數據中心光互聯的數據中心互聯（Data Center Interconnect，DCI）設備、5G前傳波分設備等開放組網部署已經在多個運營商和互聯網公司應用[1]。

1.4 頻譜拓展技術

基于我國目前的器件技術水平，提高頻率利用率難度較大。在頻譜效率無法繼續提高的情況下，若要獲得更大的傳輸容量，必須拓展光纖頻譜，提高光纖使用效率，向短波長、長波長頻譜區域繼續擴展，目標是將50 GHz間隔波長數量從80個擴展到120個，C波段的4 THz（32 nm）頻譜帶寬拓展到6 THz（48 nm），系統傳輸容量增加50%。但鑒于拓展頻譜帶寬會導致拓展前C波段傳輸性能下降，因此應提前優化器件和相關系統。

1.5 超100 Gb/s傳輸技術

網絡傳輸技術在我國已經應用多年，經過多次升級后，現有網絡傳輸技術已經相對成熟，但我國依然在持續突破技術瓶頸，力爭早日實現高速度、長距離、大容量傳輸目標。大數據時代下，各行各業發展過程中都會產生大量數據信息，網絡需以快速、穩定的傳輸方式傳輸數據。然而，100 Gb/s傳輸技術無論在能耗上，還是在傳輸質量上都逐漸出現技術短板，需開發200 Gb/s/400 Gb/s/800 Gb/s傳輸技術，這些傳輸技術不但能降低能耗與成本，還可以擴大系統容量。若要提升線路檢測速率，可以從提高線路波特率、使用高階調制和多載波方面入手，具體如圖2所示。

圖2 提升傳輸線路速率的技術方向

從200 Gb/s傳輸技術來看，其16QAM技術得到很大優化，與100 Gb/s傳輸技術相比，在傳輸容量方面已經可以做到翻倍傳輸，然而其依然存在劣勢，即傳輸距離小。若要做到長距離傳輸，則應采用75 GHz通道間隔傳輸，雖然在技術層面上可以實現，但是會產生運營困難、運維成本高等問題，因此該方面還應繼續研究。主流廠家單波200 Gb/s產品相對成熟，16QAM碼型頻譜利用率較高，正交相移鍵控（Quadrature Phase Shift Keying，QPSK）碼型傳輸性能指標也符合實際應用標準，通用性較強。400 Gb/s傳輸技術的16QAM雖然應用范圍不廣泛，但在特殊商用領域也得到具體使用，而800 Gb/s傳輸技術尚不完善，因此還未滿足實際商用條件[2]。

2 全光算力網絡建設策略

2.1 打造高質量骨干光纜網

骨干光纜網作為全光算力網絡核心部分，其建設情況與全光算力網絡運行質量息息相關，而要想打造高質量骨干光纜網，則要優化區域光纜布局，打通跨省互聯，加密光纜網格，實現區域內時延最優。此外，在選擇光纜時，需優先選擇低損耗的單模光纖以提供更長的傳輸距離和更高的傳輸質量。需注意，這些光纜應符合國際使用標準。敷設光纜前應事先規劃路徑，避免因外在因素影響光纜使用情況，敷設光纜時盡量不要出現彎折和擠壓情況，敷設完畢后也要做好定期巡檢及維護工作。為提升連接穩定性，光纜連接技術主要包括機械連接、熔接連接、冷接連接。連接方式不同，適用環境也會有所不同，光纜連接點布局應根據實際連接方式來設置。通過各種監測設備監測光纜指標，包括損耗情況、色散情況等，在骨干光纜網中使用冗余設計和容錯機制，確保即使在某個鏈路或節點出現故障時，仍能保持高可用性和連通性。通過備份光纜和冗余路徑，實現快速切換和故障恢復[3]。

2.2 打造高質量骨干傳輸網

高質量骨干傳輸網應具備大帶寬、高可靠性、高安全指數、低時延以及靈活調度等優勢，國家樞紐間部署應用超100G技術和光交叉連接（Optical Cross-Connect，OXC）器。優化光電網絡立體結構，首先規劃光纖網絡，合理設置傳輸距離、光纖數量和接入方式，使整個骨干傳輸網布局更加合理；其次優選光纖材料，做好質檢工作，只有具有低色散、低損耗、低非線性特點的光纖材料，才能有效確保信號傳輸質量；再次在骨干傳輸網中適當安裝光放大器，以起到延長光信號傳輸距離、提升傳輸質量等作用；最后通過光路由算法和調度策略，優化光信號傳輸路徑和分配，以減少傳輸延遲和丟包率。文章采用光學交換機和光網絡管理系統，實時監測光纖的健康狀態[4]。

2.3 擴大算力錨點覆蓋范圍

優化全光算力錨點結構，推動波分向城域和接入下沉來實現全光傳送，再通過一系列措施不斷擴大算力錨點覆蓋范圍，具體如下。首先，在不同地區建設更多的算力中心，實現分布式算力服務，從而解決用戶與算力中心之間的網絡延遲問題，并滿足用戶多元化需求。其次，確保算力中心之間和算力中心與用戶之間始終保持網絡連接穩定，再采用高速、低延遲網絡設備和傳輸技術，提升網絡可靠性和傳輸速率。再次，與云服務提供商、運營商等合作，通過私有線路或專用鏈路提升網絡連接可靠性，發揮智能算法、資源調度系統的作用，實現算力資源的跨地域優化調度，優化算力資源動態配置，最大限度地利用資源，擴大覆蓋范圍，并根據需求提供彈性擴展服務。最后，結合用戶需求和地理條件，提供物理節點部署方案，讓用戶可以在自己的地區或附近地區部署算力節點，以便更好地享受服務[5]。

2.4 增強光網絡服務能力

提高全光網絡智能化水平，首先進行自主調控和光智能調度，相關部門持續跟進超長距開放光關鍵技術研究與實踐，國家和政府不斷完善相關標準和政策，同時實施網際互連協議（Internet Protocol，IP）+光協同多級協同調度模式。此外，應做到以下幾點：第一，提高帶寬和傳輸速率；第二，加快光信號調制速度；第三，用光纖布線、光纖交換機替代傳統電子交換機；第四，引入多層次網絡結構，減少網絡節點之間的跳數；第五，積極應用光放大器，強化光信號傳輸質量，擴大光網絡覆蓋范圍；第六，完善光網絡管理和運維系統，實時監測和管理光網絡運行狀態，及時發現并解決故障，增強光網絡的穩定性和可靠性；第七，根據用戶需求，提供多元化光網絡服務，如支持按需調整帶寬和傳輸速率、提供可編程光網絡接口等。

3 計算和網絡的聯合布局優化

計算與網絡分屬不同體系，多年來兩者雖有融合，但實際上依然是分別發展、獨立規劃的狀態，此種發展模式無法滿足5G時代發展要求。首先，無論是單芯片還是單設備，其計算能力都有待加強，現有計算能力無法為網絡聯合服務提供數據支持。其次，邊緣計算要求計算單元貼近用戶，而現有技術難以高效滿足該要求。最后，如今各種高新技術飛速發展，新業務融合趨勢愈加明顯，算力類型在中央處理器（Central Processing Unit，CPU）通力計算基礎上不斷向圖形處理器（Graphics Processing Unit，GPU）、專用集成電路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）等專用類型靠攏，此時應結合用戶快速接入計算服務要求，計算節點在布局時也應結合網絡情況和業務需求等方面。若要解決這些問題，則必須完善頂層設計，優化計算與網絡的聯合布局。簡而言之，從計算處理單元、網絡控制系統等方面入手，加快其處理速度，再在建設5G核心網、承載網時一邊增強邊緣計算，一邊提升網絡承載能力[6]。

4 結 論

全光算力網絡構建只有借助多種關鍵技術、光學設備、光學路由、調度算法等，才能保障光信號傳輸速度、安全性。全光算力網絡為我國網絡技術的主要發展方向之一，我國在此方面曾投入大量人力、物力和財力。以目前發展情況來看，雖然該技術存在挑戰和限制，但在不斷開發、引進新技術和新設備后，必然可以突破技術瓶頸。在此過程中，應重視計算與網絡的聯合布局優化工作，為全光算力網絡的建設提供優質環境。