The Data Center Evolution: How to Overcome its cabling challenges

Por Ron Gruen y Russell Kirkland, Corning Incorporated
Presente en Cabling Installation & Maintenance de julio de 2018

La tecnología dentro del centro de datos está cambiando. Pero antes de dedicar tiempo a discutir cómo, primero debemos comenzar con el por qué. En 2017, casi 250 millones de usuarios se conectaron a Internet por primera vez, y el número de usuarios ya había aumentado un 7% en 2018. Las redes sociales reciben 11 nuevos usuarios por segundo, y se estima que una persona promedio pasa al menos seis horas diarias online. Se espera que para 2020 haya entre seis y siete dispositivos por persona en todo el mundo, y solo en los EE. UU., ese número aumentará a 13. ¿Entonces, por qué es importante?

La respuesta es simple: ingreso. Casi todas las empresas tienen sitios web para atraer e interactuar con sus clientes, y el comercio electrónico generó casi 1,5 billones de dólares en 2017. Si tu sitio web tarda más de tres segundos en cargarse, podrías estar perdiendo casi una cuarta parte de tus visitantes. Solo un segundo retraso equivale a una pérdida del 11% en las vistas y una reducción del 7% en las conversiones. Un estudio realizado por Ericsson mostró que unos segundos de búfer de video pueden desencadenar el mismo aumento en los niveles de ansiedad que ver una película de terror solo o tratar de resolver problemas matemáticos complejos. Todo esto se traduce en la necesidad de conexiones más rápidas y mayor capacidad.

La actividad del servidor ha aumentado en los últimos años y se espera que este aumento continúe. La velocidad del servidor impulsa las ventas y el desarrollo del transceptor. Como puedes ver en la Figura 1, las conexiones 1G se están convirtiendo rápidamente en reliquias y, pronto, las conexiones 10G también desaparecerán. Los transceptores 25G están actualmente en el mercado, pero se espera que los transceptores 50G los superen en los próximos años. Además, se espera que muchos centros de datos de hiperescala y en la nube sean los primeros en adoptar velocidades de servidor de 100G. Estas velocidades de servidor más altas pueden ser compatibles con transceptores de 2 fibras con velocidades de datos iguales o transceptores ópticos paralelos de 40, 200, 100 y 400G en el switch, que utilizan ópticas paralelas y capacidades de división.

Los fabricantes de transceptores utilizan varias tecnologías diferentes para lograr estas velocidades de datos cada vez mayores. Ya sea que la conexión entre los transceptores se realice con fibra multimodo o monomodo, estas diferentes tecnologías tienen las mismas herramientas básicas. La primera y más simple es simplemente aumentar la velocidad de transmisión. En otras palabras, es solo la velocidad a la que puede encender o apagar el láser. Este primer método funciona bien para velocidades de datos más bajas, como 10G, pero se vuelve problemático a velocidades de datos más altas, donde la relación señal-ruido comienza a convertirse en un problema.

La siguiente opción es aumentar el número de fibras. Donde usaste dos fibras para crear una conexión 10G o 25G, ahora puedes usar ocho para crear una conexión 40G o 100G, usando múltiples pares en un escenario de transmisión en paralelo. Entonces, podemos simplemente aumentar el número de longitudes de onda. Esto se hace utilizando múltiples fuentes, multiplexando la señal en una sola fibra y demultiplexándola tan pronto como se recibe. Esto se conoce más comúnmente como WDM o multiplexación por división de ondas.

Otro método para obtener velocidades de datos más altas es cambiar el formato de la modulación. En lugar de usar un código simple sin retorno a cero o NRZ, el transceptor puede usar modulación de amplitud de pulso (del inglés PAM4) para transportar cuatro veces la cantidad de datos en el mismo intervalo de tiempo. Las velocidades de datos más altas, ya sea que utilicen NRZ o PAM4, requieren algún tipo de algoritmo de corrección de errores directo. Dado que el ruido tiene un impacto mucho mayor en PAM4, requiere un algoritmo FEC más complejo. Independientemente de cuál de estos métodos se utilice, al final, está buscando una solución de 2 u 8 fibras. Hay algunas soluciones iniciales de 400G que pueden usar 16 o 32 fibras, pero cualquiera de ellas se puede lograr usando una infraestructura de 8 fibras (base 8).

La elección de una solución dúplex (2 fibras) en lugar de paralela (8 fibras) puede parecer simple cuando observa cómo se conectan tradicionalmente los transceptores, pero llevará algún tiempo explorar ambas opciones. Evaluaremos cada opción en términos de precio, consumo de energía, densidad y flexibilidad.

Para los centros de datos corporativos, la longitud promedio del enlace es de 49 metros y más del 90% de los enlaces tienen menos de 100 metros. Por lo tanto, para la mayoría de los centros de datos, la fibra multimodo y la óptica asociada son suficientes para la mayoría de los enlaces. Para enlaces de más de 100 metros, los enlaces ópticos monomodo paralelos son una opción válida. Además, los precios de las ópticas PSM4 y SR4 son comparables. Por esta razón, la mayoría de los centros de datos de hiperescala y en la nube emplean enlaces de modo único casi exclusivamente. Para las conexiones dúplex, se deben desarrollar nuevos componentes para lograr velocidades de datos más altas. Por el contrario, las conexiones ópticas paralelas utilizan tecnologías existentes para construir transceptores de próxima generación. Además, la óptica paralela puede utilizar cuatro láseres no refrigerados o un solo láser acoplado a un divisor de guía de ondas y cuatro moduladores. Estos atributos no solo hacen que su fabricación sea más barata, sino que también reducen el consumo total de energía.

La mayoría de los propietarios y administradores de centros de datos están de acuerdo en que la energía es, con mucho, el mayor gasto operativo en un centro de datos. Por esta razón, cualquier reducción en el consumo de energía tendrá un impacto importante en el opex global. Una sola conexión de 10G utiliza 1W de potencia. Por el contrario, una óptica paralela de 40G consume 1,5W de energía. Como una solución óptica paralela ofrece cuatro enlaces 10G por transceptor, puede obtener la misma cantidad de conexiones 10G con un ahorro de energía del 60%. Otro punto a tener en cuenta es el coste de refrigeración. Como regla general, por cada 1 kW de potencia consumida por su electrónica, necesita 1 kW de refrigeración. Por tanto, la reducción del consumo energético de la electrónica también se traduce en una reducción del consumo energético por refrigeración.

El uso de enlaces ópticos paralelos también ayuda a reducir el costo total de propiedad (del inglés TCO), proporcionando una solución significativamente más densa. La mayoría de las placas de línea de switch SFP+ de alta densidad se ofrecen normalmente en un máximo de 48 puertos. Es posible comprar una placa de línea QSFP de alta densidad con 36 puertos. Si esta placa de línea se opera en modo de división, cada uno de estos puertos ahora se puede usar como cuatro puertos 10G. Por lo tanto, con una sola placa de línea QSFP, puedes admitir hasta 144 enlaces 10G. Esto triplica la densidad de tu switch, lo que reduce la cantidad de placas de línea necesarias para admitir tu red. Esto se traduce en menos fuentes de alimentación, bandejas de ventiladores, supervisores, controladores del sistema, módulos de estructura y licencias de software. Como resultado, implementar un sistema que usa óptica paralela cuesta un 85% menos en comparación con implementar un sistema que usa puertos 10G discretos. Esta reducción en el número de chasis y placas de línea crea un ahorro adicional de energía y refrigeración de aproximadamente un 67%.

Para utilizar cualquiera de estos atributos de ahorro de costos, tu sistema de cableado estructurado debe estar configurado para admitir una conexión de 8 fibras. El uso de un sistema de cableado estructurado base-8 proporciona más flexibilidad en el diseño del sistema y una ruta de migración más clara para velocidades de datos más altas. Si utilizaste ópticas paralelas para lograr la máxima densidad y ahorros de energía, ahora tienes una forma gratuita de actualizar tu sistema. A medida que la red se migra de 10/25G a 40/100G nativa, la óptica 40/100G y placas de línea existentes que se utilizan en el modo de división pueden seguir utilizándose para operar enlaces 40/100G nativos. Ahora tienes la capacidad de dos generaciones de velocidades de switches, placas de línea y transceptores ópticos paralelos asociados.

A medida que los centros de datos continúan creciendo, los administradores de centros de datos enfrentan muchas preocupaciones. Algunas de ellas ya se han discutido, pero este crecimiento también afecta la infraestructura de cableado que soporta estas tecnologías ahora y en el futuro. La infraestructura de cableado debe cumplir con las demandas de los plazos de implementación, ser fácil de instalar, sin temor a ser demasiado compleja y aún tener la capacidad de actualizarse fácilmente para satisfacer las necesidades de un entorno rico en tecnología. En otras palabras, la infraestructura de cableado debe ser confiable (tiempo de actividad 24 horas al día x 7 días a la semana x 365 días al año), flexible (modular para adaptarse a los cambios) y escalable (respaldar el crecimiento del centro de datos).

La implementación de cableado estructurado no es un concepto nuevo. Los entornos de centros de datos continúan distanciándose de la práctica de aplicación de patches y conexión de equipo a medida que se instalan. Los sistemas de cableado óptico del centro de datos utilizan conectores multifibra, conocidos como troncales preterminados. Los troncales preterminados suelen tener de 12 a 144 fibras y se utilizan para conectar diferentes áreas del centro de datos. Pero la huella cada vez mayor del centro de datos y las arquitecturas de red en constante implementación hacen que estos tamaños de troncales típicos sean insuficientes. Estos troncales ahora deben tener recuentos de 288, 432 y hasta 576 fibras en un conjunto clasificado para uso en interiores. El uso de troncales de alto número de fibras permitirá una mayor densidad de fibra en las vías de los cables. Los troncales más grandes también pueden reducir el tiempo de implementación requerido al reducir la cantidad de extensiones de cable. La reducción de la tracción del cable también reduce el costo total de instalación.

La Figura 4 describe la densidad de fibra para tres escenarios de implementación diferentes.

4.440 fibras en total utilizando troncales MTP®-a-MTP EDGE™ de 370 x 12 fibras

13.680 fibras en total utilizando troncales MTP-a-MTP EDGE de 95 x 144 fibras

16.128 fibras en total utilizando troncales MTP-a-MTP EDGE de 56 x 288 fibras

Los centros de datos están comenzando a crecer más allá de los confines de un solo edificio o data hall. Los centros de datos más grandes están creciendo para incluir varios edificios, y estos entornos de campus requieren que la infraestructura de cableado incluya troncales de conectores multifibra preterminados o instalaciones de cables de gran volumen. Estos troncos pigtail que utilizan cables internos/externos pueden tener un recuento de hasta 864 fibras. Los requisitos de conectividad están impulsando el número de fibras de cable en grandes volúmenes más allá de 864 fibras, hasta 1.728 y 3.456 fibras.

Se pueden implementar varias soluciones para cumplir con los requisitos de un alto número de fibras. Discutiremos tres opciones que se pueden utilizar según el entorno de instalación. La única constante en todos estos escenarios será el uso de conectores multifibra. Estos conectores dan como resultado tiempos de instalación más rápidos y proporcionan una ruta de 2 transceptores de fibra a 8 transceptores de fibra. El uso de cableado estructurado y conectores multifibra permitirá la implementación de aplicaciones de división que pueden reducir el TCO.

Los troncales multifibra se implementan cuando se conectan áreas dentro de un centro de datos. Por ejemplo, el área de distribución principal (del inglés MDA) al área de distribución horizontal (del inglés HDA) o al área de distribución de equipos (del inglés EDA). Los troncales estarán dispuestos en una carcasa de distribución de fibra con los conectores multifibra del tronco para un módulo adaptador o panel con la carcasa. Esto permite realizar conexiones al componente activo mediante un puente. Los troncales MTP se implantan en una sala del centro de datos, pero se pueden transportar a salas adyacentes si las vías permiten el paso de un alza de tracción que aloja el conector multifibra y las protege. Una cosa importante a tener en cuenta es que la implementación de estos troncales requiere una planificación cuidadosa, para asegurar longitudes de troncales adecuadas y para llegar a vías sin obstrucciones.

Los troncales pigtail se implementan en una de las dos aplicaciones siguientes.

1. Cuando hay una vía (conducto) congestionada, las alzas de tracción no se pueden pasar.
2. Al conectar centros de datos de diferentes pisos de un edificio o diferentes edificios en un campus de centro de datos.

Además de las aplicaciones anteriores, puede ser deseable un tronco pigtail si no se conocen con exactitud las distancias exactas entre dos áreas del centro de datos.

Después de tirar los troncos pigtail, se necesitan pasos adicionales para prepararlos para la terminación. Estos pasos incluyen acceder al cable para exponer la fibra y furcar el cableado para proteger las fibras en la parte posterior de las carcasas de distribución de fibra. El extremo desnudo del cable terminará con conectores de empalme multifibra, montajes en espiral, casetes con pigtail o una carcasa con puntas.

Los cables de alto número de fibras utilizan fibra en cinta para maximizar la densidad de la fibra en un cable. Los cables de cinta tienen un diámetro externo (DE) pequeño en comparación con la densidad de la fibra, lo que les permite implementarse en vías congestionadas. Como se mencionó anteriormente, estos cables pueden contener 864, 1728 y 3456 fibras.

La terminación de estos cables se puede realizar mediante conectores multifibra, montajes en espiral, casetes con pigtail o una carcasa con puntas. Estos tipos de implementaciones pueden resultar en tiempos de implementación más largos en comparación con los cables preterminados. Esto se debe a que los dos extremos del cable deben prepararse para la terminación con kits de furcación, que protegen la fibra de cinta en la carcasa de distribución de fibra. Es posible que el rendimiento óptico de los cables terminados en campo no sea tan bueno como el de los cables preterminados en fábrica.

Discutimos muchos de los temas que los administradores de centros de datos deben considerar al planificar un nuevo centro de datos. A medida que el tamaño de los centros de datos sigue creciendo, estos temas solo hacen que la planificación sea más desafiante. Pero ser consciente de los crecientes cambios tecnológicos y los requisitos futuros del centro de datos puede hacer que el proceso de diseño del centro de datos sea más gratificante, además de aumentar el TCO.