數(shù)據(jù)中心互聯(lián)開放光傳輸系統(tǒng)設(shè)計

周 谞，王 娟，魯婉婕，金 宇，李升男（百度在線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司，北京 100089）

0 引言

新型的云計算將多個物理分離的數(shù)據(jù)中心看成一個整體的云數(shù)據(jù)中心，所有計算節(jié)點虛擬成一個大型的計算資源池，云計算不僅可以跨服務(wù)器運行，也可以跨數(shù)據(jù)中心運行，而光傳輸網(wǎng)絡(luò)是實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心高質(zhì)量互聯(lián)的重要技術(shù)。

數(shù)據(jù)中心光互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)從2010年左右逐步興起，從最初的10G DWDM 80 波（50 GHz/grid）系統(tǒng)發(fā)展到當前的800G DWDM 40波系統(tǒng)（150 GHz/grid），單波速率經(jīng)歷10G 到800G 的升級，系統(tǒng)容量從800G 快速提升到32T，增長到原來的40 倍。伴隨著速率和容量的快速增長，針對數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用場景，數(shù)據(jù)中心互聯(lián)光傳輸系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、系統(tǒng)設(shè)計［1-3］、設(shè)備硬件形態(tài)、軟件接口定義［4-6］、系統(tǒng)保護、網(wǎng)絡(luò)管理和自動化運維方面都有著持續(xù)的發(fā)展和創(chuàng)新。

1 數(shù)據(jù)中心光互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.1 云網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

云計算是由一個區(qū)域（Region）內(nèi)多個不同的可用區(qū)（availability zone，AZ）共同提供服務(wù)，每個AZ 的物理位置不同。為了容災備份的需求，不同的AZ之間的距離需要足夠遠，從而降低多個AZ同時受到地區(qū)停電或極端天氣（如洪水等）影響的可能性。每個AZ 都具有獨立的電源、制冷設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)，從而保證在一個AZ 數(shù)據(jù)中心出現(xiàn)故障時，其余的AZ 仍然可以支持該區(qū)域的云計算服務(wù)正常的工作，提供區(qū)域云服務(wù)的高可用性。

對于同一個區(qū)域，云計算需要支撐計算、存儲和數(shù)據(jù)資源的高性能互訪，因此同一個區(qū)域內(nèi)的不同AZ需要通過高性能網(wǎng)絡(luò)連接，往返延遲需要小于2 ms，對應(yīng)光纖傳輸距離約為200 km。預留20%的時延冗余用于交換機轉(zhuǎn)發(fā)和業(yè)務(wù)處理時延，一般最長傳輸距離控制在160 km 以內(nèi)。綜合考慮災備需求和網(wǎng)絡(luò)延遲的互訪體驗，典型的光纖傳輸距離為80 km，對應(yīng)單跨段的光傳輸系統(tǒng)。

云網(wǎng)絡(luò)在一個區(qū)域內(nèi)，一般由3～4 個AZ 組成，每個AZ 之間采用點到點直連，相互之間形成Mesh 全連接結(jié)構(gòu)，這樣可以保證在不同AZ 之間的訪問延遲最低。如果區(qū)域內(nèi)的AZ 數(shù)量比較多，在傳輸時延不超過2 ms 的前提下，2個AZ的互聯(lián)也可以通過第3個AZ進行中轉(zhuǎn)。

1.2 數(shù)據(jù)中心光傳輸系統(tǒng)的演進

在傳統(tǒng)的電信傳輸網(wǎng)絡(luò)中，光傳輸網(wǎng)絡(luò)需要覆蓋從骨干網(wǎng)、城域網(wǎng)到接入網(wǎng)的全場景，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包括骨干的點到點結(jié)構(gòu)、城域的環(huán)形結(jié)構(gòu)和接入網(wǎng)的星形結(jié)構(gòu)。針對電信網(wǎng)絡(luò)，光傳輸系統(tǒng)的光層和電層需要進行聯(lián)合系統(tǒng)設(shè)計，追求端到端的最佳系統(tǒng)性能，因此更加注重光層性能的聯(lián)合調(diào)優(yōu)，包括光放大器、合分波、波長選擇開關(guān)等，這導致光傳輸系統(tǒng)一般采用封閉系統(tǒng)設(shè)計。如圖1（a）所示，即光層和電層采用同一廠商，這同時也利于實際工程的快速建設(shè)和業(yè)務(wù)部署。此外，在電信網(wǎng)絡(luò)中OTN 設(shè)備需要支持多種上層業(yè)務(wù)或協(xié)議，如SDH、ATM、以太網(wǎng)等，業(yè)務(wù)粒度從1 Mbit/s 到100 Gbit/s，同時需要支撐從小粒度的多元化業(yè)務(wù)到大粒度的光通道傳輸單元（optical channel transport unit，OTU）的映射，這導致傳輸電層板卡的類型和結(jié)構(gòu)更加復雜。

圖1 開放光傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

如1.1 節(jié)中所述，數(shù)據(jù)中心互聯(lián)的光網(wǎng)絡(luò)一般以點到點的光傳輸系統(tǒng)為主，傳輸場景限定在160 km 以內(nèi)，對于大容量相干光通信系統(tǒng)來說，系統(tǒng)有充足的光信噪比余量。由于數(shù)據(jù)中心光互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，可以獨立地設(shè)計高性能的開放光層設(shè)備，即可保證不同的電層設(shè)備能夠平滑地接入到系統(tǒng)中，不同廠商的電層信號可以在同一套系統(tǒng)的不同波道進行并行和高質(zhì)量傳輸，如圖1（b）所示。在業(yè)務(wù)承載方面，數(shù)據(jù)中心光互聯(lián)主要承載的業(yè)務(wù)類型為單一的以太網(wǎng)業(yè)務(wù)，因此，電層傳輸設(shè)備的結(jié)構(gòu)也更簡單，在2.1 節(jié)設(shè)備硬件設(shè)計中會重點介紹。

1.3 光傳輸系統(tǒng)路線選擇

如圖2 所示，由于數(shù)據(jù)中心互聯(lián)光傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和業(yè)務(wù)簡單，除了傳統(tǒng)的OTN 傳輸設(shè)備，還可以采用IP over WDM 的方案承載業(yè)務(wù)。傳統(tǒng)的OTN 傳輸設(shè)備互聯(lián)具有業(yè)務(wù)接入速率靈活的特點，可以很好地解決傳輸系統(tǒng)單波長速率和IP 設(shè)備（交換機、路由器等）接口速率不匹配的問題。例如，當前數(shù)據(jù)中心互聯(lián)光傳輸系統(tǒng)典型的單波速率為400 Gbit/s，下一代單波長速率800 Gbit/s的設(shè)備即將大規(guī)模商用，而數(shù)據(jù)中心互聯(lián)的存量IP 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口大部分還在100GE，400GE 接口的占比較小，因此，采用OTN 電層板卡可以很好地完成從低速率的以太網(wǎng)業(yè)務(wù)到高速率的OTN 業(yè)務(wù)的匯聚和轉(zhuǎn)換。同時，由于OTN 設(shè)備形態(tài)對電層板卡功耗、體積、散熱等方面要求較為寬松，OTN 傳輸設(shè)備的系統(tǒng)性能一般可以覆蓋DCI 全場景的應(yīng)用。

圖2 IP over WDM 互聯(lián)方案示意

針對數(shù)據(jù)中心互聯(lián)80 km 的場景，光互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)論壇（optical Internetworking forum，OIF）還推出了基于100G ZR/400G ZR 標準的IP over WDM 方案［7］，該方案利用硅光等光子集成技術(shù)的發(fā)展，可以實現(xiàn)低功耗、小體積的相干彩光光模塊封裝接口QSFP-DD 或OSFP，該封裝功耗和體積都可以直接兼容交換機接口，典型功耗低于20 W。100G ZR/400G ZR 光模塊可以直接插入交換機端口，接入開放光層設(shè)備，從而實現(xiàn)IP over WDM 的業(yè)務(wù)承載。但是對功耗的嚴格要求，限制了光模塊的傳輸性能，因此該方案一般適用于單跨段、低損耗的點到點傳輸系統(tǒng)。例如，微軟在2023 年OFC 上報道其400G ZR 的主要應(yīng)用場景在40 km以內(nèi)，跨段光纖衰減<12 dB［8］。

2 開放光傳輸系統(tǒng)的設(shè)備設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

數(shù)據(jù)中心開放光傳輸系統(tǒng)的創(chuàng)新包括硬件創(chuàng)新、標準的軟件接口和統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)控制器等，其中硬件創(chuàng)新分為光層設(shè)計和電層設(shè)計2個方面。

光層設(shè)備的定義是指負責在光域內(nèi)進行信號處理的設(shè)備，例如完成光信號合分波、光功率放大、光保護、光監(jiān)控等功能。傳統(tǒng)的框式電信設(shè)備，由于追求場景覆蓋的多樣性，一般以器件類型和參數(shù)為中心進行設(shè)計和開發(fā)光層板卡。典型的光層板卡如光放大板卡，根據(jù)光放大器的類型開發(fā)設(shè)計摻鉺光纖放大器（EDFA）和拉曼放大器的光放板卡，又根據(jù)光放增益的范圍設(shè)計不同型號的EDFA 放大板卡。根據(jù)不同應(yīng)用場景的實際特點，使用不同的板卡組合從而達到最優(yōu)的效果，導致板卡的種類和型號較多。

開放光傳輸系統(tǒng)多采用高集成的方案，如圖3 所示，一套點到點的開放光傳輸系統(tǒng)，只有光保護板卡、合分波板卡和光放大板卡3種類型器件組成。光放板卡集成了可變增益（switched gain）的EDFA 模塊（覆蓋不同的增益范圍）、光監(jiān)控通道（OSC）模塊和光頻譜監(jiān)控模塊等。高集成化的設(shè)計，最大程度地減少光層板卡的類型，減少了系統(tǒng)內(nèi)部連纖工作，從而提高工程人員施工便利性，同時也降低運維人員的學習門檻。

圖3 開放光傳輸設(shè)備硬件設(shè)計

電層設(shè)備主要負責在電域內(nèi)進行信號處理，主要將各種客戶側(cè)的業(yè)務(wù)信號轉(zhuǎn)換成線路側(cè)的標準OTN幀格式信號，從而在光纖中進行傳輸。同時，在接收端完成OTN 信號的接收，轉(zhuǎn)換為各種業(yè)務(wù)信號。傳統(tǒng)框式設(shè)備需要承載多類型、多速率的業(yè)務(wù)，在傳輸線路側(cè)和業(yè)務(wù)客戶側(cè)往往需要一個電交叉板卡，完成業(yè)務(wù)的匯聚和交換等操作。

在數(shù)據(jù)中心互聯(lián)中，盒式電層設(shè)備只需要完成簡單的高速率線路側(cè)到低速率客戶側(cè)的映射，承載業(yè)務(wù)為單一的以太網(wǎng)業(yè)務(wù)，業(yè)務(wù)映射簡單，這導致盒式設(shè)備的電層板卡可以去除電交叉單元。如圖3 所示，只需要將OTN 的高速率信號映射為多個低速以太網(wǎng)信號即可，由于結(jié)構(gòu)簡單，線路側(cè)和支路側(cè)常常可以在一塊板卡上實現(xiàn)，被稱為支線合一板卡。由于板卡結(jié)構(gòu)和業(yè)務(wù)承載簡單，盒式電層板卡的成本更具有優(yōu)勢，從而被廣泛使用。

2.2 軟件設(shè)計

在傳統(tǒng)的電信傳輸網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)備軟件對用戶來說是一個黑盒，用戶只能通過網(wǎng)管界面和有限功能的網(wǎng)管北向接口和設(shè)備進行交互，以實現(xiàn)對光傳輸系統(tǒng)的配置、管理和維護。不同廠商設(shè)備接口協(xié)議的私有屬性和多樣化，增加了光傳輸系統(tǒng)的運維復雜度和成本，也使得網(wǎng)絡(luò)運維自動化的開發(fā)受限于廠商的研發(fā)投入和時間進度，不利于光傳輸系統(tǒng)的智能化發(fā)展。

針對上述傳統(tǒng)設(shè)備軟件存在的問題，由互聯(lián)網(wǎng)及云服務(wù)提供商為主推動的開源項目OpenConfig定義實現(xiàn)了一套通用的、供應(yīng)商中立的設(shè)備軟件接口模型。該方案使用數(shù)據(jù)建模語言YANG為設(shè)備的配置數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)提供了一致的結(jié)構(gòu)語義，結(jié)合以數(shù)據(jù)模型為驅(qū)動的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備管控協(xié)議如NETCONF、RESTCONF、gNMI 等，屏蔽不同廠商硬件的差異，給網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的管控提供標準化和一致的接口。除了同時涵蓋了IP 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與光網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的OpenConifg 項目，同樣基于YANG 語言實現(xiàn)的、由北美運營商為主推動并開源的項目OpenROADM 定義的另一套標準化接口與數(shù)據(jù)模型則主要致力于推動網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、支持可重構(gòu)光分插復用器（ROADM）設(shè)備的開放和互聯(lián)標準。

OpenConfig 與OpenROADM 項目對設(shè)備數(shù)據(jù)模型和軟件接口做出了標準化的定義與規(guī)范，降低了多供應(yīng)商網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備管控的復雜度。但這種“灰盒”解決方案沒有對設(shè)備的操作系統(tǒng)提出標準化的要求，設(shè)備軟件功能的具體實現(xiàn)仍依賴于各個廠商各自封閉的操作系統(tǒng)與底層驅(qū)動。為進一步增強光傳輸系統(tǒng)軟硬件解耦程度、提升光傳輸系統(tǒng)開放性，SONiC-OTN項目被提出。該項目定義了光傳輸抽象接口（OTAI）來對光傳輸網(wǎng)絡(luò)特有的硬件操作進行抽象，使能了開源網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)SONiC在光傳輸系統(tǒng)中的應(yīng)用。

綜上，從OpenConfig 和OpenROADM 定義的設(shè)備數(shù)據(jù)模型與軟件接口形成的灰盒方案，到開源光傳輸操作系統(tǒng)SONiC-OTN 形成的白盒方案，隨著開放光傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)備軟件設(shè)計的不斷深入，開放程度不斷提升。

3 開放光傳輸系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計

3.1 統(tǒng)一網(wǎng)管

為了實現(xiàn)對開放光傳輸系統(tǒng)的管理和監(jiān)控，傳輸網(wǎng)管仍然是運維人員與設(shè)備交互的主要界面。但是與傳統(tǒng)網(wǎng)管不同的是，應(yīng)用于開放光傳輸系統(tǒng)的網(wǎng)管必須實現(xiàn)多廠商設(shè)備的無差別納管，即統(tǒng)一網(wǎng)管。

雖然開放光傳輸設(shè)備在硬件上白盒化和軟件上標準化，屏蔽了各傳輸廠商帶來的差異性，為統(tǒng)一網(wǎng)管采用標準的接口和協(xié)議管理各廠商設(shè)備奠定基礎(chǔ)，但是統(tǒng)一網(wǎng)管對各廠商設(shè)備的軟件適配和測試工作是必不可少的。

統(tǒng)一網(wǎng)管對設(shè)備的適配工作并不僅停留在設(shè)備軟件模型的驗收上，還需從運維人員的角度，對日常建設(shè)和運維過程中的全部應(yīng)用場景進行模擬操作和測試。適配測試工作可以重點分為子網(wǎng)/網(wǎng)元維護、網(wǎng)元/板卡操作、告警/事件上報、系統(tǒng)功能優(yōu)化4個方面。

子網(wǎng)/網(wǎng)元維護能夠展示傳輸拓撲，協(xié)助管理者梳理并掌控傳輸設(shè)備的部署以及其系統(tǒng)級別的性能指標，并聯(lián)動告警，比如光纜染色等，實現(xiàn)快速定位設(shè)備和光纜故障等；網(wǎng)元/板卡操作是統(tǒng)一網(wǎng)管通過標準軟件接口對設(shè)備狀態(tài)的配置和查詢，比如光層光放、倒換保護板卡、電層OTU 板卡以及風扇、電源、主控等公共單元板卡；告警/事件上報是設(shè)備以訂閱的方式將設(shè)備的重要行為事件（比如上/下電、重啟等）和故障狀態(tài)提交，除了日常運維關(guān)注的故障部件、發(fā)生時間、恢復時間以外，統(tǒng)一網(wǎng)管多采用當前告警、歷史告警等形式來區(qū)分長期積累的大量告警，以保證管理者不遺漏現(xiàn)網(wǎng)故障。

統(tǒng)一網(wǎng)管的系統(tǒng)功能優(yōu)化包含工程建設(shè)和運維2個方面，比如工程建設(shè)涉及到的設(shè)備上線、網(wǎng)管設(shè)備接入、軟件升級、傳輸業(yè)務(wù)路徑建立等。日常運維涉及到板卡/模塊故障替換、故障環(huán)回定位、光纜故障業(yè)務(wù)倒換、當前/歷史性能監(jiān)控、設(shè)備下線/利舊等，針對這些工程運維操作，實現(xiàn)相應(yīng)的自動化功能，設(shè)計友好的交互界面，是提升統(tǒng)一網(wǎng)管易用性的主要工作。

3.2 高速保護系統(tǒng)設(shè)計

數(shù)據(jù)中心互聯(lián)傳輸系統(tǒng)的光纖敷設(shè)在戶外開放環(huán)境中，戶外的施工會導致光纖中斷或裂化等故障，因此開放光傳輸系統(tǒng)通常采用光層保護技術(shù)，保證承載業(yè)務(wù)的不中斷。在開放光傳輸系統(tǒng)中典型的系統(tǒng)保護方式包括光通道保護（OCH-P）和光復用段保護（OMS-P）2 種，OCH-P 的保護板卡位于電層板卡線路側(cè)輸出端，主要保護單個光波長通道的業(yè)務(wù)。OMS-P的保護板卡位于波分復用器后，用于保護所有波分復用信號。

相比傳統(tǒng)的電信業(yè)務(wù)，云計算服務(wù)在同一個區(qū)域內(nèi)的不同AZ 機房內(nèi)進行分布式的計算和存儲等操作，因此，區(qū)域內(nèi)不同AZ 之間的互聯(lián)傳輸系統(tǒng)對穩(wěn)定性提出了更高的要求。幾十年來，電信行業(yè)一直遵守著50 ms的ITU 標準保護倒換恢復時間［9］，但近年來在DCI 互聯(lián)高速光保護系統(tǒng)上出現(xiàn)了更多的創(chuàng)新［10-11］。依靠新型的高速光開關(guān)和更高效的相干數(shù)字信號處理（DSP）業(yè)務(wù)恢復算法，可以實現(xiàn)5 ms 的光層高速保護倒換和業(yè)務(wù)恢復，讓業(yè)務(wù)層丟包數(shù)量減少90%。傳統(tǒng)的光層保護板卡一般采用機械式或MEMS 光開關(guān)，光開關(guān)切換時間在1～10 ms，高速保護倒換系統(tǒng)一般需要光開關(guān)的切換時間在微秒級別，例如磁光開關(guān)的典型時間為30 μs。應(yīng)用于長途光傳輸?shù)腄SP 模塊在處理光層保護倒換時，一般需要考慮到幾百或上千千米的主備路由傳輸長度差，這導致DSP 模塊內(nèi)部色散處理單元需要進行大范圍的掃描和鎖定，但是對于點到點單跨段為主的DCI 互聯(lián)，DSP 可以針對性地進行色散優(yōu)化處理，從而實現(xiàn)3～4 ms的業(yè)務(wù)恢復時間。

此外，為了防止傳輸保護倒換的中斷引起IP 設(shè)備的端口震蕩和協(xié)議收斂，傳輸電層設(shè)備一般采用電層告警延遲發(fā)送技術(shù)。在常規(guī)模式下，因為傳輸設(shè)備線路側(cè)中斷時，傳輸電層設(shè)備在客戶側(cè)會向IP 設(shè)備發(fā)送LF（local fault）信號，防止網(wǎng)絡(luò)設(shè)備端口單向通信，造成數(shù)據(jù)黑洞現(xiàn)象。但是一般傳輸保護倒換時間極短（ms級別），遠小于協(xié)議收斂的秒級別，因此，傳輸設(shè)備會采用LF告警延遲發(fā)送技術(shù)，在保護倒換的業(yè)務(wù)中斷期間，持續(xù)向交換機發(fā)送凈荷為空的以太網(wǎng)包，超出一定的設(shè)置時間，才認為業(yè)務(wù)是真正中斷，再向IP 設(shè)備發(fā)送LF告警，防止IP層的協(xié)議收斂丟包。

3.3 故障定位和止損系統(tǒng)

光傳輸網(wǎng)絡(luò)的可靠運行需要依賴故障發(fā)現(xiàn)、故障定位和及時的故障止損。由于開放光傳輸系統(tǒng)在底層設(shè)備軟件層面實現(xiàn)了標準化，因此在自動化故障定位和自動止損上具有天然優(yōu)勢。

故障定位需要通過檢測和分析設(shè)備的告警信號、采集設(shè)備的性能指標、檢查設(shè)備的配置變化等方式來確定故障的具體位置和原因。光傳輸系統(tǒng)中最常見的故障類型包括光纖故障、設(shè)備故障、電力故障等。其中，設(shè)備故障和電力故障通常會在設(shè)備側(cè)有明確的告警信號，因此定位相對容易；光纖故障伴隨著線路側(cè)收光丟失、倒換保護等告警信號以及收光功率抖動等性能指標的變化，因此在復雜的組網(wǎng)中需要結(jié)合時空信息關(guān)聯(lián)進行故障定位。

自動止損作為一種高階的運維功能在開放光傳輸系統(tǒng)中也得到了應(yīng)用。在一個具備雙路由保護的系統(tǒng)中，如果單個路由出現(xiàn)異常，可以通過光功率監(jiān)測、電信號質(zhì)量監(jiān)測的方式觸發(fā)倒換保護，從而實現(xiàn)故障止損；如果已有監(jiān)測指標設(shè)置不合理導致倒換保護失效，則可以通過在軟件層面監(jiān)測特定告警的產(chǎn)生觸發(fā)光路切換，避免信號完全中斷；如果多個路由同時故障導致信號質(zhì)量劣化，可以與IP 設(shè)備聯(lián)動直接關(guān)閉對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)端口，或者選擇直接關(guān)閉光傳輸鏈路避免丟包率持續(xù)走高。自動止損的第2 個思路是配置調(diào)整：如果故障的產(chǎn)生是由于光鏈路衰耗異常增大或系統(tǒng)配置異常，則可以通過上層控制器進行全局配置優(yōu)化，保證信號質(zhì)量。

除了在故障發(fā)生后才做相應(yīng)處理外，通過日常巡檢來及時發(fā)現(xiàn)和解決潛在問題，降低故障發(fā)生的概率，也是保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行的一個重要方面。最常見的方法是做信號質(zhì)量檢測，主要包括光纖鏈路的輸入輸出光功率變化（評估鏈路衰耗變化）、pre-FEC 和post-FEC 誤碼率（評估系統(tǒng)的信號傳輸質(zhì)量）、光譜信號分析（保證所有波道都處于可用狀態(tài)）。

除此之外，常見的設(shè)備狀態(tài)檢查（溫度變化、電力情況、風扇與冷卻）在故障預防中也起到了關(guān)鍵作用。盡管日常巡檢可以手動運行，但通常會選擇自動化工具實現(xiàn)定期巡檢，提高效率和準確性。

3.4 性能估計和風險預測

開放光傳輸系統(tǒng)實現(xiàn)光層與電層設(shè)備的解耦，可以充分考慮系統(tǒng)保有成本、技術(shù)路徑選擇，靈活地進行系統(tǒng)建設(shè)和擴容，波分系統(tǒng)也具有波長間異廠商、多速率混傳的特點。在系統(tǒng)靈活度增加的同時，由于不同波長來自不同的供應(yīng)商以及不同的線路側(cè)速率對系統(tǒng)性能要求不同，為保證各波長的性能在開放光傳輸系統(tǒng)的全生命周期中處于最優(yōu)水平，因此要求網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃者具備精準傳輸性能估計（QoT-E）［12］的能力，用以指導系統(tǒng)中的波長新增與刪減。

在光傳輸系統(tǒng)運行過程中，難以避免地會出現(xiàn)光纖中斷、設(shè)備硬件失效等故障，為保證網(wǎng)絡(luò)的整體高可用性，在做好系統(tǒng)冗余保護、故障快速止損的同時，更加需要對潛在的風險進行有效預警與解除，從而減少故障的發(fā)生。

精準性能估計與風險預測的統(tǒng)一手段是為光傳輸系統(tǒng)建立數(shù)字孿生體［13-14］，在系統(tǒng)規(guī)劃、建設(shè)、運行的全生命周期內(nèi)對傳輸性能、健康度進行表征。光傳輸系統(tǒng)的數(shù)字孿生體一般由物理理論模型以及數(shù)據(jù)驅(qū)動的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型共同組成，在系統(tǒng)規(guī)劃階段，物理理論模型占主導作用，配合廠商測試的電層、光層特性數(shù)據(jù)以及預訓練的光組件、端到端等通用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型形成孿生體的雛形；系統(tǒng)建設(shè)上線后，根據(jù)telemetry 實時采集的電層、光層數(shù)據(jù)，如各波長收發(fā)光功率、糾前誤碼率、色散、光鏈路中各節(jié)點光功率等，進行光鏈路的物理參數(shù)校準以及各類任務(wù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的訓練及微調(diào)。光傳輸系統(tǒng)的完整數(shù)字孿生體建立后，數(shù)字空間則存在與物理實體高度一致的鏡像模型，可以方便地進行各類操作預演并評估操作結(jié)果，還可以對系統(tǒng)各部分的未來狀態(tài)進行預測。下面舉例說明數(shù)字孿生體在性能估計和風險預測方面的作用。

波道擴容過程中的入纖功率優(yōu)化。相鄰2次系統(tǒng)擴容建設(shè)間，隨著技術(shù)的發(fā)展會涉及更高線路速率、多波段（例如L波段）的擴容。為保證擴容后各波長的接收仍處于最佳性能狀態(tài)，需考慮SRS效應(yīng)、克爾非線性效應(yīng)后對各波長的入纖功率進行調(diào)優(yōu)，此時可通過數(shù)字孿生模型并結(jié)合尋優(yōu)算法為波長確定最佳的入纖功率。

OTU 故障預測。光傳輸系統(tǒng)中的設(shè)備故障率最高的部分為電層OTU，且電層部分故障后光層的所有冗余保護將失效。通過長周期監(jiān)測OTU 各關(guān)鍵參數(shù)來訓練故障預測神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可主動發(fā)現(xiàn)電層故障，有效提高業(yè)務(wù)穩(wěn)定性。

總的來看，開放光傳輸系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)封閉的光傳輸系統(tǒng)，更需要建立數(shù)字孿生體，以進行全生命周期的精準性能估計、風險預測及隱患處理。

4 結(jié)束語

數(shù)據(jù)中心互聯(lián)開放光傳輸系統(tǒng)作為近年來的研究熱點，從硬件、軟件和系統(tǒng)層面均有了較大的技術(shù)創(chuàng)新，這些技術(shù)在國內(nèi)外的云計算網(wǎng)絡(luò)中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著以通用大模型為代表的人工智能技術(shù)的突破進展，當前開放光傳輸系統(tǒng)正在向高速率、高容量、自動化和智能化發(fā)展，更多的創(chuàng)新技術(shù)將被研究和應(yīng)用。