全新数据中心网络架构可解决延迟和吞吐量问题

数据中心内的数据流量及其支持的服务正在迅速增长。就Google而言，其数据中心的带宽需求每年大约翻番。为此，在硬件方面已经取得了很大的进步。交换机Tomahawk 4刚达到25.6兆位/秒。收发器技术最近又突破了400G。

到2021年，所有数据中心流量的大约95%将来自云端，并且在云应用中，大多数数据包都在500字节以下。随着尺寸变小，您需要更快地切换以匹配。不幸的是，网络仍在等待延迟方面挣扎。

随着数据中心系统的扩展，使用中的电子分组交换网络会遇到“长尾延迟”，通常会达到数百毫秒甚至更长，比中位数值延迟值高几个数量级。详细说来，正常情况下，每100名用户中有1名的等待时间达到峰值并不是问题，但是当1%的用户变成数千名用户时，这将成为一个真正的问题。

最近发布的名为PULSE的体系结构提供了创新的解决方案。本杰明(Benjamin)等人设计了一种由分布式硬件调度程序控制的光电路交换网络。在MATLAB上建模时，该架构的平均延迟约为1微秒，尾部延迟约为5微秒。当考虑到调整开销时，它的吞吐量是惊人的每秒25.6Pb，尽管瞬时节点到节点的限制是100Gbps。

这是通过网络的一些关键功能来完成的。使用了平行星形耦合器，它允许光线从任何端口均等地传输到所有其他连接的端口。每个机架有64个节点，总共有64个机架，每个节点都有多个收发器以方便子网。每个收发器都通过不同的星形耦合器将其节点连接到不同的子网。

在数据传输期间，发射器和接收器被调谐到相同的时隙和波长。因此，对于每个耦合器，在同一机架中都有一个对应的节点调度程序，用于处理源-目标机架对。此外，请求会提前几个时期(周期持续时间)发送到调度程序。创新的调度算法为每个电路周期计算一个新的波长。该架构的关键特征是其纳秒级电路的重新配置速度。

由于子网是完全独立的，因此这种独特的设置允许重复使用波长。结果，该网络可以支持超过25万个频道。此外，该系统允许100%的波长使用。此架构不需要缓冲、寻址和网络内交换。但是，它确实需要极快的过滤、调度、数据恢复、可调波长切换和同步。在这种布局下，节点可以有效地共享资源，并使瓶颈最小化。

令人惊讶的发现之一是，相对于当前的网络架构，其成本约为5美元 / Gbps，实际上具有很高的成本效益。为此，该网络每位仅消耗82皮焦耳。收发器的成本在下降，这将进一步使PULSE等系统受益。此外，在数据中心刷新周期内，仅需要升级终端节点收发器，从而可以节省更多成本。