從分組交換到光電路交換：OCS在電信與AI基礎(chǔ)設(shè)施中的工程價值

  ICC訊 在電信網(wǎng)絡(luò)、云計算與人工智能基礎(chǔ)設(shè)施持續(xù)演進(jìn)的背景下，互連技術(shù)的重要性正在被重新定義。長期以來，網(wǎng)絡(luò)互連體系主要建立在電子分組交換（Electronic Packet Switching，EPS）之上，該架構(gòu)憑借技術(shù)成熟、協(xié)議完善和良好的規(guī)?；芰?，支撐了互聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)中心的快速發(fā)展。隨著光—電—光（OEO）技術(shù)的成熟，EPS 在相當(dāng)長一段時間內(nèi)被視為兼顧性能與成本的主流實(shí)現(xiàn)方式。

  然而，隨著 AI 訓(xùn)練規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大、數(shù)據(jù)中心內(nèi)部東西向流量快速增長，以及電信網(wǎng)絡(luò)向虛擬化、云化架構(gòu)演進(jìn)，傳統(tǒng)以電子分組交換為核心的互連架構(gòu)在帶寬擴(kuò)展能力、時延可控性以及系統(tǒng)能效方面逐漸暴露出局限。尤其是在對高帶寬、低時延和連接確定性要求更為突出的應(yīng)用場景中，業(yè)界開始重新思考互連的實(shí)現(xiàn)路徑，光電路交換（OCS）也由此再次進(jìn)入技術(shù)討論的核心視野。 

  互連為何成為關(guān)鍵：現(xiàn)代數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施的底層支撐

  互連技術(shù)往往處于系統(tǒng)架構(gòu)的“幕后”，卻在很大程度上決定著數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施的整體運(yùn)行效果。無論是電信核心網(wǎng)中的業(yè)務(wù)流量路由，AI模型的實(shí)時推理，合法監(jiān)聽系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，還是數(shù)據(jù)中心之間的災(zāi)備與容錯機(jī)制，其系統(tǒng)性能的優(yōu)劣，最終都取決于底層互連架構(gòu)的效率與能力。

  隨著業(yè)務(wù)負(fù)載日益呈現(xiàn)出分布式和數(shù)據(jù)密集型特征，系統(tǒng)對互連提出了更為嚴(yán)苛的要求：更高的帶寬、更低的時延以及更優(yōu)的能效表現(xiàn)。這種需求增長并非線性，而是隨著應(yīng)用規(guī)模和復(fù)雜度被快速放大，其影響范圍也從計算集群擴(kuò)展至電信網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控系統(tǒng)以及云原生架構(gòu)等更廣泛的基礎(chǔ)設(shè)施場景。

  現(xiàn)有系統(tǒng)中的互連實(shí)現(xiàn)方式

  在傳統(tǒng)架構(gòu)中，無論是電信網(wǎng)絡(luò)還是數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)，互連主要依賴電子分組交換設(shè)備，包括以太網(wǎng)（Ethernet）、IP/MPLS 網(wǎng)絡(luò)以及 InfiniBand 等。這類架構(gòu)的共同特征是：在信號傳輸與交換過程中，需要多次進(jìn)行光—電—光（OEO）轉(zhuǎn)換。

  在系統(tǒng)規(guī)模較小時，這些轉(zhuǎn)換帶來的額外開銷并不明顯；但隨著系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大、鏈路速率提升以及端口數(shù)量增加，OEO 轉(zhuǎn)換引入的時延與功耗開銷會被顯著放大，逐步演變?yōu)橛绊懴到y(tǒng)整體性能與能效的關(guān)鍵因素。其在不同應(yīng)用場景中的影響表現(xiàn)為：

  ?  AI/ML 計算集群：在大規(guī)模并行訓(xùn)練場景下，GPU 之間的高頻通信更容易形成瓶頸，影響分布式訓(xùn)練效率與計算資源利用率；

  ?  電信網(wǎng)絡(luò)：隨著路由與轉(zhuǎn)發(fā)路徑變長，系統(tǒng)整體能耗成本上升，系統(tǒng)可擴(kuò)展性受限。

  總體來看，這些問題反映了以電子分組交換為核心的傳統(tǒng)互連模式，在大規(guī)模計算、實(shí)時通信和高并發(fā)數(shù)據(jù)流并存的條件下，難以同時滿足性能、時延確定性和能效方面的綜合要求。

  光電路交換（OCS）：互連技術(shù)范式的轉(zhuǎn)變

  光電路交換（Optical Circuit Switching，OCS）從機(jī)制層面改變了傳統(tǒng)互連的實(shí)現(xiàn)方式。不同于在網(wǎng)絡(luò)中反復(fù)進(jìn)行光—電—光（OEO）轉(zhuǎn)換，OCS 將信號始終保持在光域內(nèi)完成端到端傳輸，從源端直達(dá)目的端，盡量減少中間的電子處理環(huán)節(jié)。

  可以將 OCS 理解為一種由軟件控制的可重構(gòu)光路連接系統(tǒng)：當(dāng)兩臺服務(wù)器或兩個機(jī)架需要通信時，OCS 會在毫秒級時間尺度內(nèi)為其建立一條專用的光學(xué)通道。在這條通道上，不涉及分組解析，不需要排隊(duì)和緩存，也無需多級轉(zhuǎn)發(fā)和信號轉(zhuǎn)換，從而避免由分組處理引入的額外時延與不確定性。

  在具體實(shí)現(xiàn)層面，OCS 可基于多種技術(shù)路線構(gòu)建，包括壓電陶瓷、MEMS 微鏡、液晶器件以及硅光子等，用于對光路進(jìn)行精確控制。這些技術(shù)使 OCS 能夠以非阻塞（Non-blocking）的方式實(shí)現(xiàn)光路切換，并在保持系統(tǒng)可擴(kuò)展性的同時，支持更大規(guī)模的端口數(shù)量和靈活重構(gòu)需求，為現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心與電信網(wǎng)絡(luò)的互連升級提供可選路徑。

  OCS 相較傳統(tǒng)交換架構(gòu)的關(guān)鍵優(yōu)勢

  OCS 與傳統(tǒng)基于 OEO 的交換架構(gòu)之間的差異，不僅體現(xiàn)在單一性能指標(biāo)的提升，而體現(xiàn)在互連機(jī)制與系統(tǒng)運(yùn)行方式的根本不同。通過將信號始終保持在光域內(nèi)完成端到端傳輸，OCS 避免了分組解析、多級轉(zhuǎn)發(fā)及緩存排隊(duì)等電子處理環(huán)節(jié)，從系統(tǒng)層面構(gòu)建出確定性更強(qiáng)、時延更低、能耗更優(yōu)且更易擴(kuò)展的互連路徑，為高性能互連提供了不同于電子分組交換的實(shí)現(xiàn)方式。

  OCS 具備顯著優(yōu)勢的典型應(yīng)用場景

  正是由于上述互連機(jī)制上的差異，光電路交換（OCS）在對帶寬、時延以及連接確定性高度敏感的應(yīng)用場景中，能夠?qū)⒓軜?gòu)優(yōu)勢直接轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)價值。通過在光域內(nèi)實(shí)現(xiàn)按需直連與可重構(gòu)連接，OCS 構(gòu)建了一種高容量、低時延、低能耗且行為可預(yù)測的互連體系，在需要同時滿足高并發(fā)通信與穩(wěn)定連接特性的場景中，展現(xiàn)出尤為顯著的優(yōu)勢：

  ?  AI/ML 工作負(fù)載：在 GPU 或其他加速器之間提供高帶寬、低時延的互連通道，適配大規(guī)模并行通信及光互連、光計算等新型架構(gòu)需求。

  ?  電信核心網(wǎng)絡(luò)：支持光路的動態(tài)重構(gòu)與靈活調(diào)度，可在業(yè)務(wù)高峰或鏈路異常情況下繞開擁塞節(jié)點(diǎn)，提升網(wǎng)絡(luò)整體吞吐能力與業(yè)務(wù)連續(xù)性。

  ?  合法監(jiān)聽：通過建立專用、安全的光學(xué)通道實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)流量采集與監(jiān)測，避免分組解析帶來的處理開銷，同時提升系統(tǒng)穩(wěn)定性與實(shí)時性。

  ?  災(zāi)備與容災(zāi)：支持地理位置分散的數(shù)據(jù)中心之間快速重構(gòu)光路，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵業(yè)務(wù)在故障情況下的快速切換與恢復(fù)。

  ?  邊緣計算與 5G：在邊緣節(jié)點(diǎn)與中心云之間提供靈活、可擴(kuò)展的互連能力，為分布式計算架構(gòu)和新一代移動網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)演進(jìn)提供支撐。

  面向未來的互連架構(gòu)演進(jìn)

  隨著電信、云計算與計算系統(tǒng)的持續(xù)融合，互連架構(gòu)正從基礎(chǔ)支撐能力演變?yōu)榫哂袘?zhàn)略意義的系統(tǒng)資產(chǎn)。光電路交換（OCS）并非只是提供更高速度的連接方式，而正在成為支撐解耦化、可組合以及面向能效優(yōu)化的數(shù)據(jù)中心架構(gòu)的重要基礎(chǔ)能力之一。

  面向未來的基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計，將逐步圍繞“能交換直連時優(yōu)先交換，必須路由時才引入分組處理”的原則展開。通過 OCS 構(gòu)建按需可重構(gòu)的光學(xué)通道，使數(shù)據(jù)傳輸在保持高效率與低能耗的同時，能夠更加靈活地適配不同工作負(fù)載和系統(tǒng)規(guī)模的動態(tài)變化。

  POLATIS® OCS：面向規(guī)?；渴鸬墓こ虒?shí)踐積累

  作為 HUBER+SUHNER 旗下光電路交換專業(yè)品牌，POLATIS® OCS 憑借 25 年互連系統(tǒng)工程積累，基于自研專利 DirectLight? 光束偏轉(zhuǎn)技術(shù)，為全光交換提供了極致穩(wěn)定性與靈活性的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)。該技術(shù)通過緊湊型壓電陶瓷驅(qū)動，對來自輸入與輸出光纖陣列的準(zhǔn)直光束進(jìn)行精確對準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)低損耗、低失真且低串?dāng)_的光連接。

  在系統(tǒng)層面，POLATIS® OCS 通過集成位置傳感器構(gòu)建閉環(huán)反饋機(jī)制，可在時間變化、溫度波動及外部擾動等條件下持續(xù)校準(zhǔn)光路對準(zhǔn)狀態(tài)，確保光連接在長期運(yùn)行中的一致性與可靠性。同時，光路切換過程與鏈路中的光功率、波長及傳播方向無關(guān)，不僅支持暗光纖的預(yù)配置，也避免了在網(wǎng)狀或多級光交換網(wǎng)絡(luò)中因級聯(lián)切換而引入的額外時延。