论文总字数：22396字

目 录

1绪论 1

1.1引言 1

1.2光互联网络技术 2

1.2.1互联网络 2

1.2.2光互联在数据中心互联中的优势 2

1.3数据中心光互联用到的光学元件 3

1.3.1半导体光放大器 3

1.3.2阵列波导光栅 4

1.3.3波长选择开关（WSS） 4

1.3.4 MEMS(Micro Electro-Mechanical System)光开关 5

1.3.5光环形器 5

1.3.6光复用器和解复用器 6

1.3.7可调谐波长转换器（TWC） 6

1.4数据中心网络的流量特征 7

1.5数据中心光互联架构 8

1.5.1Proteus 9

1.5.2DOS 9

1.5.3Petabit 10

1.5.4节能 11

1.5.5分布式控制 11

1.5.6OFDM 12

1.5.7多平面 12

1.5.8微秒 13

1.5.9 IRIS 14

1.6本章小结 14

2OFDM架构中的调制原理 15

2.1OFDM的原理 15

2.2OFDM的光调制实现方式 15

2.2.1 电-光OFDM 15

2.2.2 全光OFDM 16

2.3电光外调制器 16

2.3.1相位调制器 16

2.3.2马赫曾德调制器 16

2.3.3同相/正交调制器 17

3数据中心OFDM架构仿真 18

3.1电-光OFDM架构 18

3.1.1电-光OFDM架构的传输光路 18

3.1.2电-光OFDM架构的仿真 19

3.1.3仿真结果及分析 19

3.1.4电-光OFDM架构的优点 21

3.2全光OFDM架构 22

3.2.1全光OFDM架构的传输光路 22

3.2.2全光OFDM架构的仿真及结果分析 23

4总结 24

参考文献 25

致谢 27

基于数据中心光互联网络的架构研究及OFDM架构仿真

王恩惠

, China

Abstract：In recent years, optical network has been widely used in long-distance telecommunication network by replacing the electric network with copper cable as its carrier because of its high bandwidth, low delay and low power consumption. For the Data Center Network (DCN) network, there are various problems in the interconnection, including high energy consumption, higher latency, low throughput, fixed link and limited reconfiguration. So the introduction of optical interconnection in DCN helps to reduce these problems to a large extent. At present, there are a variety of data center network architectures based on optical interconnect that have been proposed, including proteus, DOS, petabit, distributed control, energy-saving, OFDM, multi-plane, microsecond and IRIS. The first chapter of this paper mainly describes the development of optical network, the concept of optical interconnection network technology, the traffic characteristics of data center networks and components used in data center networks based on optical interconnect, and then the core principles of these various internet architectures are summarized. The second chapter introduces moulation principles of the OFDM architecture mentioned in the first part. The third chapter is the simulation of the specific electro-optical OFDM and all-optical OFDM architecture, and the analysis of the results; The fourth chapter is the summary of the preceding article, obtaining the conclusion that the application of electro-optic OFDM in the data center network can not be underestimated.

Key words: data center network(DCN); optical interconnect; optical orthogonal frequency division multiplexing(O-OFDM)

1绪论

1.1引言

1876年，在贝尔并沃森的设计研究之下，电话诞生，现代通信的大门也从此打开。从那时至今，100多年里，通讯媒介由以前的电报电话，经历了无线通讯、互联网络，演变成如今由电子产品主导的普及计算服务。一次次的技术更迭，极大程度上扭转了民众的惯常爱好，带动了普罗大众思维的转变。二十一世纪刚刚“落地”，就进入了计算时代。归功于普遍的信息设备，各种多样的信息随处可见。数字化便捷的信息服务丰富了人们的平常生活，而各种信息背后，技术的支持就来源于大规模计算系统。

大规模计算系统分为两种：一种是以超级计算机为例的用于精确计算的高性能计算系统，另一种就是用于通用服务的数据中心。比起超级计算机，数据中心使用的设备一般比较平价，多被公司企业所建设。数据中心的发展潜力在于使得服务请求响应速度加快。经过这几年的发展，数据中心的两个发展瓶颈（处理瓶颈和互联瓶颈）已经只剩下互联瓶颈留待解决。处理瓶颈已随着多核处理器的发展渐渐消弭。除此推动力外，最近几年云服务的兴起也带动着数据中心网络研究的发展。这几年中，由于社交网络和云计算等新兴应用的发展，主要来自流媒体视频的互联网流量呈指数级增长，因此需要更强大的数据中心。数据中心服务器中托管的数据密集型应用程序（例如云计算应用程序，搜索引擎等）的正常运行，还需要数据中心服务器之间的高度互动。这种所需的交互对数据中心网络构成了重大挑战，这就需要更高效的互联方案，以获得高带宽和更低的延迟。其次，数据中心设计和部署中另一重大的问题是功耗。据绿色和平组织的IT绿色报告估计^[1]，2007年全球来自数据中心的电力需求约为3300亿千瓦时。据估计，截至2020年，电力供应需求将增长为原来的四倍（超过1亿千瓦时）。据一些估计^[2]，2006年美国数据中心的能源消耗是总能源消耗的1.5％，成本高于45亿美元。在数据中心里，服务器的功耗最多，为IT总功率的40％左右，网络设备则消耗总功耗的23％左右^[3]。因此，网络设备功耗的降低对数据中心站点的整体功耗有重大影响。为了面对这种增加的通信带宽需求和数据中心的功耗，必须开发新的互联方案，以提供高吞吐量，降低延迟，降低功耗。

1966年，光纤之父高锟《适合于光频率的绝缘介质纤维表面波导》的文章发表，文中提出通过调整玻璃的纯净度和调整玻璃的组成成分，能够减少光传输在玻璃光纤中的损耗，从而为光纤传送奠定了理论基础；1970年，损耗为20dB/km的光纤在美国康宁玻璃公司首次成型，几近同时，日美研制出了常温下可持续输出的体积小、易调制的的半导体激光器，这也预示着光纤通信正要在通信方面大放异彩^[4]。等到90年代时，掺铒光纤放大器^[5]的出现使得传输过程不用经过光电光中继，直接在光域进行处理，实现了长距离光纤传输，同时密集波分复用技术（DWDM）的发展，很大程度地使得光传输的带宽得以提高^[6]。

在传统电信网络中，伴随着不透明网络规模的拓展，网络设计人员不得不面对诸如成本较高，散热，功耗以及运维成本等问题。近年来针对这一问题，光网络作为解决方案在长途电信网络中被大范围应用，以提供高吞吐量，低延迟和低功耗。迄今为止已经提出了几种利用光的高带宽的方案，比如时分复用（TDM）、空分复用（SDM）和波分复用（WDM）。在WDM的情况下，数据使用多个单独的波长进行复用，可以同时在光纤中的同一信道中传输，从而提供更高的带宽。慢慢地，光通信网络已经从传统的不透明网络演变为全光网络（即透明网络）。在全光网络中，承载业务的光信号只在每个路由节点处（即进出口网络时）经历光-电-光（OEO）转换，而光信号从源节点传输到目的节点的过程不需要发生光域与电域之间的转换，全部都在光域内进行。另一方面，全光网络在其网络节点的交换处使用光交叉连接（OXC）和可重构光分插复用器设备（ROADM），以提供更高的带宽，更低的功耗和更低的运营、运行和维护成本。

EDFA DWDN的异军突起，还有光分叉连接设备和光分路（Optical Splitter）、光复用（Optical Multiplexer）等器材的引入，导致optical net正成蒸蒸日上之势。光通信技术的应用范围也从起初的电信网阶段经由数据通信阶段发展到了现今的计算通信阶段。在计算通信阶段，研究适用于计算机系统的光互联构架、光交换技术以及集成光子芯片成为了工业界和学术界人士广泛关注的话题^[7]。

1.2光互联网络技术

1.2.1互联网络

互联网络（Internet）是一种连通众多传输线路的大范围网络，是最高层次的骨干网络。像大树的结构一样，互联网络为枝干，从其上生出一些较大的枝丫，即地区性网络，地区性网络再分出好些枝节，也就是广域网（WAN），再之后继续分叉，广域网连接着局域网（LAN），局域网里连接着许多计算机。这样，把许多计算机连接在一起，实现资源共享。

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