数据中心不断扩张,如何应对布线的挑战 | 光通信 | 康宁

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作者:Ron Gruen 和 Russell Kirkland  康宁光通信

数据量增长不断推动数据中心变革

正如大家所知,技术正在不断驱动数据中心的变革。带来这一变革的驱动因素是什么?2017年,近 2.5亿用户首次登录互联网,而这一数量在2018年又增长了7%。每秒钟就有11个新用户在看社交媒 体,人均每天花在网上的时间约6个小时。

而数据中心不断变革的原因其实很简单,就是为了“销售额”!现在,几乎所有公司都有了自己的官网,而2017年电子商务帮助企业获得了近1.5万亿美元。但是,如果你的网站加载时间超过三秒,你 可能会失去近四之一的访问者。仅一秒钟的延迟就能损失11%的页面浏览量和7%的商机!

因此,服务器计算速度在过去数年中不断增长,且在未来还将继续增长。服务器计算速度也推动了 收发器的销售和发展。你可以从图1中看到,1G连接迅速成为过去,10G也很快就会消失。25G收发器 目前在市场上立足,但是在未来几年将会被50G收发器取代。此外,许多超大型和云数据中心预计在未来几年将采用100G的服务器端口速度。这些更高的服务器速度可以由2芯或8芯并行光学收发器来实现40G、100G 、200G和400G通道速率。

 

   
 
图 1. 全球服务器出货量(来源: Dell’Oro Group)
 

通过不同的技术实现更高的传输速率

收发器制造商使用几种不同的技术来实现传输速率的增长。

第一种方法也是最简单的方法,增加波特率。换句话说,就是看你能多块的开关激光器。这种方法适用于低数据速率例如10G,但在更高的数据速率传输时,信噪比便成为较难解决的问题。

第二种方法是增加光纤的数量。将2芯扩展至8芯,你可以使用并行传输的方式通过8芯传输来实现一个40G或100G的连接。

第三种方法是通过增加波长数。这种方法通过使用多个光源和多路复用信号到一根光纤中,接收时再解复用。通常被称为WDM或波分复用。

第四种方法是通过改变调制的格式。收发器使用脉冲幅度调制(PAM4)在同一个时间段内携带4倍的数据量替代非归零调制(NRZ)来实现更高的数据率。

更高的数据速率,无论使用NRZ还是PAM4,都需要某种前向纠错(FEC)算法。因为干扰信号对PAM4的影响非常大,这就需要一个更复杂的FEC算法。无论使用哪种方法,最后所使用的光纤链路(如图2)都是2芯或8芯。有一些早期的400G解决方案可能会用到16芯或32芯,但这两种也都可以通过基于8芯的架构来实现。

 

   
 
图2. 迁移路径
 

 

2芯还是8芯?

那么我们是选择双工(2芯)还是并行传输(8芯)解决方案呢?下面我们将从价格、功耗、密度、和灵活性几个方面来讨论。

对于企业数据中心,平均的链路长度为49米,且超过90%的链路短于100米。因此对于大多数企业数据中心来说,多模光纤及相关光器件足够满足大部分链路的需求。

对于链路长度大于100米的,单模并行通信是一种有效的方式。在PSM4和SR4光器件的价格可比的情况下,超大规模数据中心和云数据中心通常会部署单模链路。

就双工连接而言,为了实现更高的速率就要研发新的组件。比较而言,并行通信连接使用现有的技术来生产下一代收发器。此外并行光学器件既可以使用4个自然冷却激光器又可以使用耦合1个波分和4个调制器的单一激光器。这不仅能够降低制造成本,而且可以降低综合功耗。

 

   
  图3. 并行收发器节省功耗和成本  

 

大部分数据中心业主和管理人员都同意能耗是数据中心内部最大的单一运营成本。因此,采用低能耗的产品解决方案将有助于降低运营成本。一个10G收发器的功率低于1W,而一个40G并行光学收发器的功耗为1.5W。一个40G收发器相当于4个10G收发器,但是耗电量却减少了60%。而且冷却系统同样需要耗费电力。所以电子设备的节能也将带来冷却系统的节能,从而实现整体的电力节省。 

最后,在高密度解决方案中,利用并行光学链接有助于降低总拥有成本。一个36端口高密度QSFP转换卡,每个端口可以用作四个10G端口使用。一个QSFP转换器,可以支持多达144个10G链接,能够减少线卡的数量,减少电力供应、冷却设备、监控设备、控制器和软件许可证的数量。而为了实现以上这些成本的节约,结构化布线系统必须支持8芯连接。

使用基于8芯结构化布线系统,将使布线系统更加灵活,升级更高数据速率的网络也将更加平滑,大部分原有的光纤配件和转换器模块都可以继续使用。

基于8芯结构化布线

部署结构化布线并不是一个新概念。数据中心正在不断地从以往的临时连接,转向预端接主干光缆等多纤连接器。数据中心光纤布线系统通常采用12到144芯MTP/MPO预端接光缆作为主干光缆。但不断增长的数据中心规模和网络架构的演变,需要更高芯数的光缆来支持,比如288,432甚至576芯光缆。高芯数缆的使用可以大大增加在有限的桥架空间内部署光缆的密度。同时由于减少缆的数量,从而减少部署时间,降低了安装成本。

图 4 描绘了3种不同芯数光缆的部署场景,占用的线槽空间是相同的

• 采用370 x 12芯MTP光缆部署,总芯数4,440芯

• 采用95 x 144芯MTP光缆部署,总芯数13,680芯

• 采用56 x 288芯MTP光缆部署,总芯数16,128芯

 

   
  图 4: 采用不同芯数缆在线槽 (12" 6")内的填充率   

 

数据中心规模逐渐扩大,单个建筑已无法满足超大型数据中心的需求。超大型数据中心往往包括多个建筑,园区网络环境要求布线基础设施包括高芯数预链接光缆或普通光缆作为主干。这些主干光缆芯数需求有时甚至超过864,高达1728或3456芯光纤。

结构化布线方案

满足高芯数部署需求,有多种解决方案,而这些方案都将使用多芯连接器MTP/MPO。这些连接器能带来更快的安装时间,并提供从2芯收发器向8芯收发器演进的路径。利用结构化布线和多芯连接器能够实现分离式的部署,从而降低总拥有成本。

1. 多芯连接器预端接主干缆

在同一个机房内部署主干缆时,例如从MDA连接至HAD或EDA区域。MTP预端接主干缆是解决高芯数光缆部署的一个关键的组件,同时也是性价比最优的解决方案。并可实现未来平滑迁移至40/100/200/400GbE传输系统。另外,安装MTP光纤预端接主干,终端可以是单个MTP端口,也可以是MTP-LC模块。

2. 多芯连接器预端接尾缆

预端接尾缆有两种应用场景:

1) 当光缆路由需要通过较小管道时,且管道尺寸较小不允许MTP接头安全通过。

2) 当部署预端接光缆时,不确定光缆部署的具体长度和路径,或有分支需求。

当安装部署尾纤主干缆时,需要注意保护缆两端暴露的部分,裸纤的一端可以端接快速连接器或者熔接尾纤等。

3. 高芯数光缆

某些应用和部署场景可能需要超高芯数光缆。例如当部署864、1728和3456芯光缆时,将会面临路由管道的挑战。带状缆的外径(OD)较小,较适合部署在拥挤的管路上。

这种缆的末端可以使用多种光纤连接器、尾纤组件、尾纤盒等进行端接。与MTP预端接光缆相比,该类型光缆可能导致部署时间的增加。因为光缆末端现场端接需要大量时间,同时光学性能可能不如工厂预端接光缆。

 

   
  图6. 3456芯超高密度光缆  

 

总结

这里我们讨论了许多话题,当规划一个新的数据中心时,数据中心的管理者必须考虑其规模的持续增长,设备端口带宽的升级、网络架构的变化等因素,这些都将具有挑战性。