zzkates

Как оценить возможности распределенной виртуализированной архитектуры ЦОД Недавно я был в Гонконге и проходил мимо промышленного района Kowloon, я обратил внимание на конструкцию из нескольких громадных зданий без опознавательных знаков и почти совсем без окон. Мне пришло в голову, что это может быть какое-то исправительное учреждение или секретный правительственный объект. Потом я заметил, что для тюрьмы вокруг зданий недостаточно колючей проволоки, и никаких визуальных обозначений гособъекта. К счастью, есть телефон с картами GPS, которые обозначили комплекс как очередной крупный ЦОД. В то время, как наметился мощный тренд по созданию более крупных, мощных и централизованных ЦОДов для удовлетворения растущих потребностей конечных пользователей, появился еще один, менее заметный, тренд перемещения ЦОДов ближе к конечным пользователям по той же причинам. Огромные ЦОДы работают эффективно за счет централизации ресурсов (например, бесперебойные источники питания, генераторы, HVAC-оборудование, другие сети и т.д.). Целью является минимизация стоимости и получение при этом максимальной функциональности и повышение надежности самого ЦОДа. Однако многие конечные пользователи обнаружили, что им удобнее, чтобы некоторые критически важные элементы ИТ-инфраструктуры находились физически ближе к их офисам, а не в ЦОДе, который может находится довольно далеко. Данный факт обусловил появление ЦОДов, физически более близко расположенных к клиенту (виртуализированный центр обработки данных), что в сущности включает в себя некое ответвление сети централизованного ЦОДа, расположенное поближе к пользователю, при этом обеспечивающее доступность традиционных услуг ЦОДа. В некоторых случаях, например, для удаленного бизнес-парка, строительство небольшого локального ЦОДа полного цикла может быть оправдано; для остальных случаев виртуальный ЦОД – это еще одна оптимальная опция. Почему крупные централизованные ЦОДы подходят не всем Сегодня корпорации еще больше зависят от работы своей ИТ-инфраструктуры. Поэтому они не хотят брать на себя какие-то сложности управления ИТ-инфраструктурой, что чаще всего не является основным профилем их деятельности. Вместо этого они просто предпочитают перенести ИТ-ресурсы туда, где такие ресурсы, как пространство, питание и подключение к сети имеются в избытке и могут управляться удалённо. Возникает следующий вопрос: «Как я должен использовать критически важные приложения в ЦОДе, находящемся на расстоянии 80 километров от меня, также используемом другими компаниями и, в некоторых случаях, труднодоступном с точки зрения физического расположения?» Для некоторых бизнес-приложений данные параметры не являются важными, например, для некоторых функций управления персоналом или приложений маркетинга или управления клиентами, но для других, таких как электронная торговля с использованием проприетарных алгоритмов расчета, приложения 3D-моделирования или процессы, связанные с интенсивными транзакциями, доступность приложений критически важна – а доступность связанна с временем отклика (латентностью) и жестким контролем работы приложения. Альтернатива – расположить ИТ-ресурсы прямо на базе предприятия, но есть и вариант, предполагающий, что кто-то все-таки будет управлять этой средой. Почему большинству крупных корпораций требуются виртуальные ЦОДы? Так как все больше корпоративных заказчиков переходит на облачные приложения, производительность и скорость внедрения инноваций (в нашем случае, скорость архитектурных изменений) становятся еще более важным параметром. Это обусловило потребность располагать какую-то часть инфраструктуры в высокопроизводительной и контролируемой ИТ-среде, в то время как остальные части ИТ-инфраструктуры могут работать в публичной облачной среде, что в итоге формирует гибридную облачную сеть. Это стремление создало новую концепцию облачной среды – гибридное облако. Такой тип облачной инфраструктуры характеризуется тем, что часть ИТ-ресурсов располагается в публичной облачной среде, а другая часть – на базе частных ИТ-сред, чаще всего для соответствия специфическим требованиям конечных пользователей, например, уровню безопасности, близости местонахождения, доступности и отказоустойчивость. Многие крупные корпорации, включая компании, работающие в сфере финансовых услуг и розничных продаж, могут самостоятельно построить свое собственное облако с закрытой инфраструктурой, или пользоваться услугами оператора/интегратора ЦОДа, который владеет ИТ-ресурсами и осуществляет их поддержку и который может подключить это облако к главному ЦОДу, предлагающему большой выбор других облачных сервисов. Компании также могут дополнить любое публичное облако таких вариантом частной ИТ-инфрастуктуры, предлагая полноценное гибридное облачное решение. Что такое виртуальный ЦОД? Концепция виртуального ЦОДа предлагает различные возможности генерации прибыли и ряд других преимуществ. Виртуальный ЦОД является просто «ответвлением» более крупного централизованного ЦОДа, который предлагает подобные сервисы, только с дополнительными преимуществами, вроде возможности обслуживания специфических потребностей заказчика. Удовлетворяя потребности крупных корпораций, в том числе посредством виртуального ЦОДа, операторы центров обработки данных могут привлечь более крупных и выгодных клиентов, получая доступ к новому сегменту рынка. Фактически, компании из списка Fortune 500 уже оценили преимущества данной стратегии, построив свои собственные частные сети на арендованном пространстве и наняв компании для управления инфраструктурой. Данная концепция виртуального ЦОДа продемонстрировала свою популярность в крупных мегаполисах, где офисы клиентов расположены на больших расстояниях друг от друга. Преодоление ограничений Основная проблема – как наиболее эффективных образом расширить сеть от центрального ЦОДа к местоположению виртуального ЦОДа. Фактически, существует несколько вариантов преодоления этой проблемы, которые предполагают совершенствование архитектуры за счет инновационных технологий, упрощение эксплуатации и обеспечение ультравысокой производительности. Основные проблемы, связанные с эксплуатацией ЦОДа, касаются издержек на аренду или приобретение площадей под постройку ЦОДа, питание и обеспечение высокой скорости соединения. В данном случае, две важнейшие технологические инновации позволяют воплотить такие решения в жизнь: оптическая интеграция и суперканалы. Оптическая интеграция Ценность оптической интеграции состоит в интеграции множества дискретных оптических компонентов в одной оптической интегральной микросхеме, известной также как PIC. Ключевое преимущество PIC заключается в сокращении необходимого под оборудование пространства и энергопотребления и обеспечении значительно более высокой производительностью и емкости сети. Принцип функционирования оптической интегральной микросхемы такой же, как и в ИС, используемых в обычных ноутбуках, которые в свое время заменили дискретные транзисторы, обладавшие крупными размерами и потреблявшими больше энергии. По сути, реальное преимущество оптической интеграции заключается в том, что она использует компоненты с самым высоким потреблением энергии (например, лазеры со стороны магистрали) и интегрирует их в маленькое компактное устройство, потребляющее значительно меньше энергии и занимающее меньше места. Оптические суперканалы Оптические суперканалы – это группа более низкоскоростных оптических каналов с высокой степенью гранулярности, которые объединены в одну единую большую оптическую группу, обеспечивающую, соответственно, более высокую производительностью, а также простоту управления благодаря меньшему количеству каналов. Например, вам было бы проще управлять волоконными каналами 50 X 10G или 5 X 100G? Теперь, если принять за факт, что оптические суперканалы на базе PIC являются наиболее простым и экономически выгодным способом развертывания дополнительной емкости сети, следующий вопрос касается отказоустойчивости. К счастью, технология PIC настолько надежна, что она гарантирует время наработки на отказ на уровне более одного милиарда часов (по данным Infinera). Таким образом, решение на базе технологии оптической интеграции отличается повышенной надежностью и простотой эксплуатации за счет использования высокопроизводительных суперканалов. Сети, которые обеспечивают максимальный возврат инвестиций (ROI) Внедрение оптической интеграции и оптических суперканалов не только помогают добиться более высокой эффективности сетевой инфраструктуры, также это способ увеличить показатель ROI. Однако, стоит признать, что 500 Гбит/с – это огромная емкость, а конкретному клиенту, быть может, потребуется только 100-200 Гбит/с. Решить данную дилемму поможет программная технология, умеющаяся разделять емкость суперканалов по запросу. А так как оптические суперканалы и оптическая интеграция тесно взаимосвязаны, клиенты могут просто активировать необходимую им пропускную способность, либо увеличить пропускную способность с шагом в 100 Гбит/с, так же просто, как активировать программу на компьютере. Заключение Так как рынок ЦОД продолжает развиваться, крупные централизованные ЦОДы и небольшие виртуальные ЦОДы, которые находятся ближе к конечным пользователям, продолжат сосуществовать. Концепция гибридного облака играет важную роль: она отвечает потребностям крупных корпораций размещать поблизости определенные критически важные ресурсы, при этом оставляя другие ИТ-ресурсы в крупной, более экономичной и централизованной среде. Данное решение также создает возможность для операторов ЦОДов предлагать сервисы с высокой добавленной стоимостью, начиная с базового виртуальное хранилище данных и вычислительных сервисов и заканчивая полностью аутсорсинговыми ИТ-решениями, которые превратят операторов ЦОДов в важных партнеров для крупных заказчиков. Самым критически важным элементом этой модели является сеть, которая должна быть простой в эксплуатации и эффективной. С точки зрения технологии, такие решения, как оптическая интеграция и суперканалы, могут стать ключевым элементом для создания простых, эффективных и высокопроизводительных виртуальных ЦОДов.

Оптические сети: направление развития Терабитные суперканалы и варианты архитектуры с многоуровневой коммутацией предоставляют возможность оптимально распределить ёмкость и повысить эффективность сети в соответствии с динамикой ее роста. Каждый год производится около 150 миллионов километров нового оптоволокна, а совокупная длина существующих с 1997 года оптоволовонных сетей во много раз превышает это количество. Сетевые операторы должны обеспечить максимальный возврат инвестиций в развертывание оптоволоконных сетей, а также обеспечить готовность сетевого оборудования к требованиям будущего, учитывая колоссальный рост спроса на пропускную способность. В опорных сетях уже достигнуты значительные успехи за счет миграции с 10 Гбит/с на оптические волны100 Гбит/с, обеспечивающие пропускную способность на уровне 8 Тбит/с и повышенную ёмкость на стандартной сетке частот ITU-T (МСЭ-Т) G.694.1 50 ГГц в С-диапазоне на частоте. Однако прогнозы относительно увеличения пропускной способности сети уже говорят, что емкости даже на уровне 8 Тбит/с на волокно вскоре будет уже недостаточно. Более того, эксплуатационные затраты на развёртывание такой большой ёмкости с шагом в 100G могут быть высокими. Операторы сети должны быть готовы к невиданному ранее росту требований к ёмкости и соответственному повышению эксплуатационной эффективности, чтобы обеспечить своевременное удовлетворение потребности со стороны клиентов наиболее гибким и экономически эффективным способом. В данной статье объясняется, каким образом оптические сети нового поколения могут заменить существующую жесткую структуру каналов гибкой сетью оптических суперканалов с переменной шириной полосы пропускания. Внедрив суперканалы терабитного уровня, операторы смогут удовлетворить соответствующие требования к типу модуляции и дальности передачи, благодаря программной коммутации оптических каналов. Эффективное использование полосы пропускания Чтобы наиболее эффективно использовать спектральную емкость волокна и при этом снизить капитальные затраты, в большинстве городских сетей связи и оптических сетей дальней связи применяется технология мультиплексирование по длине волны повышенной плотности (DWDM) для передачи нескольких волн по одному волокну. МСЭ стандартизировал фиксированный план каналов (DWDM) со встроенными резервными полосами частот между всеми оптическими каналами для мультиплексирования и демультиплексирования и дальнейшей маршрутизации отдельных волн, а также для фильтрации волн в конечной точке. Эти резервные полосы частот занимают до 25% спектра, что означает некоторую потерю ёмкости. Отрасль сейчас активно мигрирует на архитектуры, базирующиеся на оптических суперканалах, которые гораздо шире, чем традиционные каналы сети МСЭ-Т (ITU-T), но не имеют внутренних резервных полос между каналами. Обычная поканальная фильтрация (DWDM) Суперканал с множественными несущими частотами 1,2 Тбит/с 600 ГГц 1,2 Тбит/с 462,5 ГГц Каналы 12 х 100 G Каналы 12 х 100 G Рис.1. Защитные полосы DWDM и требования к спектру На Рис.1 показано различие: слева – волны 12 х 100G с использованием стандартной -сетки с резервными полосами, выделенными красным цветом. Таким образом, 1,2 Тбит/с пропускной способности, требуемой для передачи, занимает 600 ГГц оптического спектра. Справа – суперканал эквивалентой емкости с множеством несущих частот, также с волнами 12 х 100G. Поскольку суперканал коммутируется или мультиплексируется/демультиплексируется целиком, никаких внутренних резервных полос не нужно, кроме тех, что находятся у нижней и верхней границы суперканала (обозначены красным цветом). Так что для получения такой же емкости (1,2 Тбит/с) требуется всего 462,5 ГГц, т.е. происходит сокращение необходимого оптического спектра на 23% (таким же образом вы, например, экономите свои средства, покупая одну экономичную упаковку товара вместо двенадцати отдельных упаковок). С точки зрения оптического канала, сэкономленная часть спектра - это разница между двенадцатью дискретными каналами 50 ГГц и одним суперканалом 462,5 ГГц. –Выше описан всего один пример, так как суперканалы могут быть внедрены множеством других способов, обеспечивая емкость до 24 Тбит/с на волокно. На Рис.2 показаны альтернативные способы реализации суперканала. 462,5 ГГц 462,5 ГГц 462,5 ГГц 1,2 Тбит/с PM-QPSK (квадратурная фазовая манипуляция с поляризационным мультиплексированием) 1,2 Тбит/с PM-QPSK (квадратурная фазовая манипуляция с поляризационным мультиплексированием) 1,2 Тбит/с PM-QPSK (квадратурная фазовая манипуляция с поляризационным мультиплексированием) 1 лазер 2 лазера 12 лазеров 4 модулятора 8 модуляторов 48 модуляторов Электроника 384 Гбод Электроника 192 Гбод Электроника 32 Гбод Рис.2. Варианты внедрения суперканала Одноволновый суперканал слева наиболее прост во внедрении и требует наименьшее количество компонентов, но для поддержки 385 Гбод ему необходим ультрабыстрая микросхема, которая не будет доступан, вероятно, еще лет 8 или около того. Одноволновый суперканал также не отличается гибкостью при распределении или маршрутизации полосы пропускания с меньшей степенью гранулярности, так как состоит из одной неделимой волны. Двухволновый суперканал на рисунке в центре чуть посложнее: требуемое количество компонентов всего в два раза больше, но ему опять-таки требуется электроника на 192 Гбод, появление которой не ожидается в последующие 5 лет. Он также накладывает некоторые ограничения, но позволяет сконфигурировать и обработать две волны с выбором одного интегрированного канала или двух отдельных каналов. 12-волновый суперканал, состоящий из двенадцати волн по 100G и показанный справа, действительно требует в двенадцать раз больше компонентов по сравнению с одноволновым вариантом, но при этом работает на скоростях, которые осуществимы при использовании современных кремниевых полупроводников. Он также обеспечивает более высокую степень гибкости, поскольку отдельные волны могут комбинироваться при любой перестановке групп каналов, а различные форматы модуляции можно применять к каждой дискретной волне, чтобы ещё больше снизить капитальные затраты. Большинство сетевых операторов, скорее всего, смирились бы с подобным повышением сложности архитектуры , чтобы добиться повышения емкости сети сейчас, нежели стали бы ждать несколько лет в надежде на появление более простого решения. Однако, оптическая интеграция делает возможным внедрение всех необходимых компонентов для реализации суперканала терабитного масштаба на базе множества несущих частот на паре оптических интегральных схем (Photonic Integrated Circuits, PIC), выполняющих, соответственно, функцию передачи и приема. Оптические ИС третьего поколения, поддерживающие суперканалы 5 х 100G, совместимые с сеткой частот МСЭ-Т, используются в отрасли уже больше 2 лет. Они реализуют свыше 600 оптических функций на паре чипов, которые способны заменить свыше 100 дискретных оптических компонентов и более 250 оптоволоконных соединений, причем обеспечивая значительное увеличение плотности, снижение потребление электроэнергии, а также улучшение показателей тепловыделения и отказоустойчивости. Таким образом, оптические ИС (PIC) уже способны сократить количество компонентов до показателей, характерных в случае применения одноволновых решений, и предлагают наиболее практичным подход к масштабированию оптоволоконных сетей с учетом требований будущего. Оптимальный баланс между дальностью передачи и спектральной эффективностью Форматы модуляции более высокого порядка эффективней используют спектр, но в большей степени подвержены искажениям и помехам и не могут гарантировать высокой степени надежности при передаче сигнала на большие расстояния. Например, квадратурно-амплитудная модуляция типа 16QAM c кодировкой 4 бит на символ спектрально в два раза эффективней квадратурной фазовой манипуляции (QPSK) с кодировкой 2 бит на символ, но дальность передачи в этом случае составляет примерно четверть от возможностей QPSK. Возможность поволновой модуляции позволила бы оптимизировать каждый канал по соотношению дальности передачи и спектральной эффективности и таким образом обеспечить большую экономию на издержках, но для этого потребовалась бы гибкая сетка частот для поддержки каналов с изменяемой полосой пропускания. Последняя спецификация G.694.1 МСЭ-Т относительно WDM-каналов (мультиплексирование со спектральным разделением каналов) определила гибкую сетку частот, имеющую гранулярность 12,5 ГГц, вместо большей ширины 50 ГГц в стандартной сетке. Гибкая сетка позволяет провайдеру определять ширину агрегатного суперканала с шагом в 12,5 ГГц для поддержки любой комбинации оптических несущих, форматов модуляции и скоростей передачи данных, чтобы найти оптимальный баланс между спектральной эффективностью и дальностью передачи оптических сигналов. Кроме этого, гибкая сетка частот делает возможным распределение интервалов между несущими и модифицировать форматы модуляции для удовлетворения меняющихся потребностей Это позволяет эффективно использовать ресурсы в ответ на колебания объемов передаваемого трафика. За последние двадцать лет стандарты скорости передачи данных и форматы модуляции систем оптической передачи претерпели значительные изменения, но повышать скорость передачи данных, сохраняя при этом спектральную эффективность и дальность передачи, становится все сложнее. Гибкая сетка частот позволит сегодняшним операторам развертывать линейные системы, которые впоследствии смогут обеспечить поддержку практически любого типа суперканала и удовлетворить требования к сети в будущем, что позволит оправдать капитальные затраты в настоящее время. Многоуровневая коммутация При проектировании сетей нужно учитывать не только ёмкость сети, но и комбинацию типов сервисов. Несмотря на то, что линейная скорость передачи превышает 100 Гбит/с, свыше 95% сервисов со стороны клиента составляют сервисы 10G и меньше, причём для агрегирования этих сервисов в канал 100G используются отдельные мукспондеры. Но мукспондеры 100G не дают какой-либо возможности агрегировать или коммутировать трафик низкоскоростных сервисов в пределах канала или между различными каналами. Это обуславливает низкую загруженность организованных каналов и, следовательно, необходимости развертывания большего количества каналов 100 G, закладывая в архитектуру сети дополнительные «издержки на мукспондеры». Архитектура на базе цифровой коммутации решает эту проблему путем агрегирования клиентских сервисов в линейные соединения, но по мере удовлетворения спроса имеет больше смысла использовать оптическую коммутацию для снижения затрат. Оптическая сеть следующего поколения должна поддерживать архитектуру многоуровневой коммутации, интегрирующей цифровую и оптическую коммутацию с возможностью переконфигурирования. Это объединяет преимущества цифровой коммутации для оптимизации передачи низкоскоростных сервисов и оптической коммутации для обеспечения простоты эксплуатации и гибкости архитектуры для передачи экспресс-трафика. Только оптическая коммутация (мукспондеры). Конфигурируемый оптический мультиплексор ввода-вывода. Только цифровая коммутация. Многоуровневая коммутация. Рис.3. Оптическая, цифровая и многоуровневая коммутация. Рис.3 иллюстрирует разницу. При исключительно оптической коммутации мукспондеры агрегируют низкоскоростной трафик в каналы с большей пропускной способностью, которыекоммутируются как единое целое без возможности ввода/вывода трафик на промежуточных узлах. Данный подход очень эффективен при условии достаточного заполнения каналов со стороны магистрали. При исключительно цифровой коммутации низкоскоростной трафик эффективно агрегируется в каналы со стороны магистрали, но весь трафик сервисов маршрутизируется на промежуточных узлах, даже если он ввод/вывод на этих узлах не происходит. Цифровая коммутация эффективна для заполнения каналов со стороны магистрали и ввода/вывода трафика из этих каналов в нескольких узлах ввода/вывода. С помощью многоуровневой коммутации цифровая коммутация может эффективно агрегировать трафик в каналы со стороны магистрали для повышения эффективности расходования пропускной способности, и эти каналы затем можно напрямую направить по оптическому соединению на те узлы, где происходит ввод/вывод трафика клиентовТаким образом, в двух экстремальных сценариях можно довольствоваться минимальным количеством каналов: в случае недостаточного заполнения каналов при низкой потребности в пропускной способности, или в случае очень высокой потребности в пропускной способности, при которой можно эффективно заполненить всю полосу пропускания. Перспектива Постоянно растущий спрос на дополнительную полосу пропускания в оптических сетях заставляет производителейразвивать новые технологии высокими темпами, чтобы повысить спектральную эффективность и коэффициент использование полосы пропускания, понижая при этом совокупную стоимость передачи бита информации. Суперканалы с множественными несущими (базирующиеся на гибкой сетке частот, которая поддерживает каналы с различной пропускной способностью) увеличивают емкость путем удаления неэффективных резервных полос, используемых в фиксированной сетке частот, и разрешения использования различных форматов модуляции применительно к отдельным волнам, что позволяет операторам конфигурировать свои сети с целью получения оптимального соотношения между спектральной эффективностью и дальностью передачи. Квадратурная амплитудная модуляция типа 16QAM может обеспечить до 24 Тбит/с ёмкости на волокно, но за счет гораздо меньшей дальности передачи сигнала по сравнению с квадратурной фазовой манипуляцией QPSK. Для поддержки суперканалов с множественными несущими требуется гибкая сетка частот, позволяющая распределять полосу пропускания канала или емкость коммутации по мере необходимости для каждого отдельного суперканала с изменяемой пропускной способностью. Архитектура сети на базе гибкой сетки частот поддерживает выделение дополнительной полосы пропускания в С-диапазоне шагом в 12,5 ГГц, позволяя эффективно использовать С-диапазон для каналов как на базе фиксированной, так и на базе гибкой сетки частот. Для достижения максимальной эффективности передачи данных посуперканалам, имеющих значительно большую пропускную способность, чем каналы 100G с фиксированной сеткой частот, необходима архитектура, в которой используется многоуровневая коммутация с интеграцией оптического и цифрового уровней. Эта архитектура повышает эффективность использования полосы пропускания суперканала, обеспечивая агрегацию низкоскоростных цифровых сервисов в оптической транспортной сети как в пределах одного суперканала, так и между ними и оптимизирует маршрутизацию суперканала между конечными пунктами маршрута с помощью оптической коммутации на базе гибкой сетки частот. Полученный в результате «оптический уровень данных» также идеально подходит для использования интегрированного уровня управления, будь то технология GMPLS (Обобщённая многопротокольная коммутация по меткам) сегодня или уровень управления сетью SDN (программно определяемая сеть) операторского класса в будущем.