Lec 14 光网络与云网络（Optical & Cloud Networks）
Topics：Optical Network、Cloud Networking、Multi-Tenant Network、Virtual Network。本讲无指定论文，按主题 + 知识组织（这里以后可继续扩充）。两条主线：① 物理层的光怎样支撑大带宽、甚至能重构数据中心拓扑；② 云上如何在共享物理网络之上给每个租户切出隔离、可保证的虚拟网络。
总览
- 光网络：WDM、电路交换 vs 分组交换、数据中心里的光交换/可重构拓扑
- 云网络：多租户的挑战
- 网络虚拟化：VPC、Overlay（VXLAN）、地址/性能隔离
- 带宽保证与性能隔离
一、光网络
光纤用光传数据，带宽极大、衰减极小，是长途骨干与数据中心互联的物理基础。
定义 · WDM（波分复用）
在一根光纤里用多个不同波长（颜色）同时传多路信号，每个波长就是一条独立信道——单纤容量可达 Tbps 级。这是"在一根纤里开很多条并行高速路"。
在一根光纤里用多个不同波长（颜色）同时传多路信号，每个波长就是一条独立信道——单纤容量可达 Tbps 级。这是"在一根纤里开很多条并行高速路"。
定义 · 光电路交换 vs 分组交换
光电路交换：用光开关（如 MEMS 微镜）把输入纤直接接到输出纤，建立一条"光直通"路径——延迟低、带宽巨大、不在中途做电-光转换；但切换需要毫秒级、不适合细粒度短流。
分组交换：每个包都要被读包头、查表、转发（要光→电→光），灵活但有 per-packet 开销。
光电路交换：用光开关（如 MEMS 微镜）把输入纤直接接到输出纤，建立一条"光直通"路径——延迟低、带宽巨大、不在中途做电-光转换；但切换需要毫秒级、不适合细粒度短流。
分组交换：每个包都要被读包头、查表、转发（要光→电→光），灵活但有 per-packet 开销。
推论 · 数据中心里的可重构光拓扑
传统 Fat-Tree/Clos（见 [[Datacenter-Networks]]）是静态电拓扑，为最坏情况堆满带宽、成本高。一类前沿做法：用光交换机按需重构拓扑——监测流量热点，把光路临时接到"当前流量大的机架对"之间，用少量光器件提供"按需大带宽"。代价是重构有毫秒级延迟、调度复杂，适合大象流而非鼠流。这与广域网的集中式流量工程（[[Wide-Area-Networks]] 的 SWAN/B4）异曲同工：都是"集中决策 + 物理资源调度"。
传统 Fat-Tree/Clos（见 [[Datacenter-Networks]]）是静态电拓扑，为最坏情况堆满带宽、成本高。一类前沿做法：用光交换机按需重构拓扑——监测流量热点，把光路临时接到"当前流量大的机架对"之间，用少量光器件提供"按需大带宽"。代价是重构有毫秒级延迟、调度复杂，适合大象流而非鼠流。这与广域网的集中式流量工程（[[Wide-Area-Networks]] 的 SWAN/B4）异曲同工：都是"集中决策 + 物理资源调度"。
二、云网络：多租户的挑战
公有云上成千上万互不信任的租户共享同一套物理网络。
多租户要同时满足三件事
- 地址隔离：租户 A、B 可能都用 10.0.0.0/8，地址会撞——必须让各自以为独占整个地址空间。
- 安全隔离：A 的流量不能被 B 看到/注入。
- 性能隔离：B 跑满带宽不能饿死 A（避免"吵闹的邻居 noisy neighbor"）。
三、网络虚拟化
定义 · VPC 与 Overlay（VXLAN）
云给每个租户一张 VPC（虚拟私有云）——逻辑上独立的虚拟网络，租户自定义 IP/子网/路由。实现靠 overlay（覆盖网）：在宿主机的虚拟交换机里把租户的二层帧封装进物理网络的 IP 包（VXLAN 等），加一个 VNI（虚拟网络标识）区分租户；物理底层网络只看外层 IP，对租户地址一无所知。这就是"租户虚拟网络叠在共享物理底层之上"。
云给每个租户一张 VPC（虚拟私有云）——逻辑上独立的虚拟网络，租户自定义 IP/子网/路由。实现靠 overlay（覆盖网）：在宿主机的虚拟交换机里把租户的二层帧封装进物理网络的 IP 包（VXLAN 等），加一个 VNI（虚拟网络标识）区分租户；物理底层网络只看外层 IP，对租户地址一无所知。这就是"租户虚拟网络叠在共享物理底层之上"。
推论 · overlay 把"谁连谁"与"物理怎么走"解耦
封装后，租户网络的拓扑/地址完全由软件（虚拟交换机 + 控制器）定义，与物理布线无关——可任意迁移虚拟机、改虚拟拓扑而不动物理网。这正是 SDN（[[Software-Defined-Networking]]）思想在云里的落地：控制器集中下发"每台宿主机的虚拟交换机怎么封装/转发"。代价是封装开销 + 需要高效的虚拟交换/卸载（如 SR-IOV、智能网卡把封装下放到硬件）。
封装后，租户网络的拓扑/地址完全由软件（虚拟交换机 + 控制器）定义，与物理布线无关——可任意迁移虚拟机、改虚拟拓扑而不动物理网。这正是 SDN（[[Software-Defined-Networking]]）思想在云里的落地：控制器集中下发"每台宿主机的虚拟交换机怎么封装/转发"。代价是封装开销 + 需要高效的虚拟交换/卸载（如 SR-IOV、智能网卡把封装下放到硬件）。
四、带宽保证与性能隔离
地址/安全隔离靠 overlay 解决，但带宽是真共享的物理资源，最难隔离：
- 给租户带宽保证需要在共享链路上做准入/限速/调度（类似把"虚拟链路容量"分配给租户）；
- 与拥塞控制（[[Modern-Congestion-Control]] 的 SWIFT）、数据中心拓扑（[[Datacenter-Networks]]）协同，才能在高利用率下兼顾隔离。
本讲小结
光用 WDM 在一根纤里开多条 Tbps 信道；光电路交换延迟低带宽大但切换慢，催生了数据中心可重构光拓扑（按需把大带宽接到热点机架对）。云要在共享物理网上服务互不信任的多租户，靠 VPC + VXLAN overlay 实现地址/安全隔离、把虚拟网络与物理底层解耦（SDN 思想），而性能（带宽）隔离因物理资源真共享而最难，需准入/调度配合。