La aplicación de la interconexión de centros de datos urgió como un segmento importante y de rápido crecimiento en el escenario de la red. Este artículo explorará varias de las razones de este crecimiento, incluidos los cambios en el mercado, la arquitectura y la tecnología de la red.
El enorme crecimiento de los datos impulsó la construcción del campi del centro de datos, principalmente centros de datos a hiperescala. Ahora, varios edificios de un campus pueden conectarse entre sí, con el ancho de banda adecuado. ¿Cuánto ancho de banda puedes pedir? Para mantener el flujo de información entre los centros de datos en un solo campus, cada centro de datos puede estar transmitiendo a otros centros de datos con capacidades de hasta 200 Tbps en la actualidad, con el mayor ancho de banda necesario en el futuro (ver Figura 1).
La siguiente pregunta es qué impulsa la necesidad de este enorme ancho de banda entre los edificios del campus. Esto puede explicarse por las tendencias crecientes que se desarrollan en dos frentes. Primera, el crecimiento exponencial del tráfico de este a oeste está respaldado por la comunicación de máquina a máquina. La segunda tendencia está relacionada con la adopción de arquitecturas de red más planas, como las redes spine-leaf o Clos. El objetivo es tener una gran malla de redes en el campus, lo que requiere grandes cantidades de conectividad entre las instalaciones.
Tradicionalmente, un centro de datos se diseñó con una topología de tres niveles, que consistía en enrutadores centrales, enrutadores de agregación y switches de acceso. Aunque madura y ampliamente implementada, la arquitectura heredada de tres niveles ya no satisface las crecientes demandas de la carga de trabajo y la latencia de los entornos de campus de centros de datos a gran escala. En respuesta, los centros de datos de hiperescala de hoy en día se están moviendo hacia una arquitectura spine-leaf (ver Figura 2). En la spine-leaf, la red se divide en dos etapas. La etapa spine se usa para agregar y enrutar paquetes al destino final, y la etapa leaf se usa para conectar hosts finales y conexiones de equilibrio de carga a través del spine.
Idealmente, cada switch leaf se distribuye en cada switch spine, para maximizar la conectividad entre servidores y, en consecuencia, la red requiere switches spine/de núcleo high-radix. En muchos entornos, los switches spine grandes están conectados a un switch spine de nivel superior, comúnmente conocido como spine de campus o de iones agregados, para unirse a todos los edificios del campus. Como resultado de esta arquitectura de red más plana y la adopción de switches high-radix, esperamos ver que la red se haga más grande, más modular y más escalable.
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| Figura 2. La arquitectura spine-leaf y el switch high radix requieren interconexiones masivas en la estructura del centro de datos. |
Enfoques de conectividad DCI
Entonces, ¿cuál es la mejor y más económica tecnología para proporcionar esa cantidad de ancho de banda entre edificios en un campus de centro de datos? Se han evaluado varios enfoques para proporcionar velocidades de transmisión a este nivel, pero el modelo predominante es transmitir a velocidades más bajas en muchas fibras. Para lograr 200 Tbps con este método, se requieren más de 3.000 fibras para cada interconexión de centro de datos. Al considerar las fibras necesarias para conectar cada centro de datos a cada centro de datos en un solo campus, las densidades pueden superar fácilmente las 10.000 fibras.
Una pregunta común es cuándo tiene sentido utilizar DWDM u otras tecnologías para aumentar el rendimiento de cada fibra en lugar de aumentar constantemente la cantidad de fibras. Actualmente, las aplicaciones de interconexión de centros de datos de hasta 10 km suelen utilizar transceptores de 1310 nm, que no corresponden a las longitudes de onda de transmisión de 1550 nm de los sistemas DWDM. Por lo tanto, las interconexiones masivas están respaldadas por el uso de cables de alto número de fibras entre los centros de datos.
La siguiente pregunta es cuándo reemplazar los transceptores de 1310 nm con transceptores DWDM enchufables en los interruptores de borde, agregando una unidad mux/demux. La respuesta es cuándo o si DWDM se convierte en un enfoque económico para estos enlaces de interconexión del centro de datos del campus. Cuando esto suceda, se logrará el mismo ancho de banda utilizando transceptores DWDM asociados con cables con un número de fibras mucho menor.
Para llegar a una estimación de esta transición, debemos mirar el precio del transceptor DWDM y compararlo con los transceptores existentes. Según el modelo de precios para todo el enlace, el pronóstico actual es que las conexiones basadas en arquitecturas ricas en fibra de 1310 nm seguirán siendo más baratas en el futuro cercano (ver Figura 3). Una alternativa PSM4 (8 fibras) resultó ser económica para aplicaciones de menos de 2 km, otro factor que aumenta el número de fibras.
To arrive at an estimate for this transition, we need to look at the DWDM transceiver price and compare with incumbent transceivers. Based on price modeling for the entire link, the current prediction is that connections based on fiber-rich 1310-nm architectures will continue to be cheaper for the foreseeable future (see Figure 3). A PSM4 (8-fiber) alternative has proven cost-effective for applications less than 2 km, another factor driving up the fiber count.
Mejores prácticas para la selección de cables
Ahora que hemos establecido la necesidad de redes de densidad extrema, es importante comprender las mejores formas de construirlas. Estas redes presentan nuevos desafíos en cableado y hardware. Por ejemplo, el uso de cables loose tube y empalmes de fibra única no es escalable ni factible. Si está instalando un cable de 1728 fibras con un diseño loose tube, el tiempo de empalme será de más de 100 horas, considerando cuatro minutos por empalme. Con una configuración de cable plano, el tiempo de empalme se reduce a menos de 20 horas. Aunque 20 horas sigue siendo un tiempo significativo para reparar una conexión, esto representa un gran ahorro de tiempo en comparación con los tipos de cables de fibra única.
Al mismo tiempo, los diseños de cables tradicionales presentan desafíos importantes cuando se instalan en conductos de 2 o 4 pulgadas de uso común. Han llegado al mercado nuevos diseños de cables y cintas, que básicamente han duplicado la capacidad de fibra en la misma área de sección transversal. Estos productos generalmente caen bajo dos enfoques de diseño: uno de ellos usa cinta de matriz estándar con las subunidades compresibles más cercanas y el otro usa diseños de cable estándar con diseño de núcleo central o tallado con cintas de diseño de red ligeramente unidas, que pueden doblarse entre sí (ver Figura 4).
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| Figura 4. Diferentes diseños de cable plano para aplicaciones de densidad extrema. |
Aprovechar estos diseños de cables más nuevos permite una concentración mucho mayor de fibras en el mismo espacio de conducto. La Figura 5 ilustra cómo el uso de diferentes combinaciones de nuevos cables de estilo de densidad extrema permite a los propietarios de redes lograr las densidades de fibra requeridas por las interconexiones del centro de datos de hiperescala.
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| Figura 5. Uso de diseños de cables de densidad extrema para duplicar la capacidad de fibra en el mismo espacio de conducto. |
Al aprovechar estos nuevos diseños de cables planos, los propietarios de redes deben considerar las opciones de hardware y conectividad que pueden manejar y escalar adecuadamente con estos recuentos de fibra muy altos. Puede ser fácil sobrecargar tu hardware existente, y hay varias áreas clave a considerar a medida que desarrollas tu red completa.
¿Cuántos cables de planta de interior necesitarás instalar para conectar un cable externo de 1728 a 3456 fibras? Si estás utilizando 288 cables planos de fibra en el entorno de tu planta de interior, tu hardware debe poder acomodar adecuadamente de 12 a 14 cables. Tu hardware también tendría que administrar 288 empalmes de cinta separados. El uso de cualquier tipo de cable de fibra única y un método de empalme de fibra única en esta aplicación no es realmente factible ni aconsejable, debido a los enormes tiempos de preparación y al difícil manejo de la fibra.
Lo que también puede ser un desafío es monitorear las fibras para garantizar el empalme correcto. Las fibras deben etiquetarse y clasificarse adecuadamente inmediatamente después de abrir el cable, debido a la magnitud de las fibras que deben trazarse y enrutarse. Asegurarse de que las pilas de cintas se puedan agrupar y proteger mientras se cargan en el hardware debe ser una prioridad para evitar daños en las fibras. En la mayoría de las instalaciones, un error que requiere que el cable se vuelva a preparar es manejable. En el caso de redes de densidad extrema, un error puede tener un impacto grave en la finalización del proyecto y puede costar una semana de retraso para una sola ubicación.
Tendencias futuras de cableado
¿Qué depara el futuro para las redes de densidad extrema? El factor más importante ahora es si los recuentos de fibra se detendrán en 3456 o si veremos que esos recuentos aumentan aún más. Las tendencias actuales del mercado sugieren que habrá requisitos para recuentos superiores a 5000. Para mantener la infraestructura que aún se puede escalar, habrá un aumento en la presión para reducir el tamaño de los cables. Con la densidad de empaquetamiento de fibra acercándose a sus límites físicos, las opciones para reducir significativamente los diámetros de cable se vuelven significativamente más desafiantes.
Un enfoque que gana fuerza es usar fibras en las que el tamaño del recubrimiento se ha reducido de una medida típica de 250 micrones a 200 micrones. Los tamaños del núcleo de fibra y del revestimiento permanecen sin cambios, por lo que no hay cambios en el rendimiento óptico. Pero esta reducción de tamaño, cuando se extiende de cientos a miles de fibras en un cable, puede proporcionar una reducción sustancial en el área de la sección transversal total del cable. Esta tecnología ya se ha aplicado a algunos proyectos de cables y se ha utilizado para crear microcables loose tube que están disponibles comercialmente.
El desarrollo también se centró en la mejor manera de proporcionar enlaces de interconexión de centros de datos a ubicaciones más alejadas y no ubicadas en el mismo campus físico. En un entorno de campus de centro de datos típico, las longitudes de interconexión típicas del centro de datos son 2 km o menos. Estas distancias relativamente cortas permiten utilizar un cable para proporcionar conectividad sin puntos de empalme. Sin embargo, dado que los centros de datos también se están implementando en áreas metropolitanas para reducir los tiempos de latencia, las distancias están aumentando y pueden acercarse hasta los 75 km. El uso de un diseño de cable de densidad extrema en estas aplicaciones tiene menos sentido financiero debido al costo de conectar la gran cantidad de fibras a larga distancia. En estos casos, los sistemas DWDM más tradicionales seguirán siendo la mejor opción, ya que funcionarán con menos fibras a 40G y más.
Podemos esperar que la demanda de cableado de densidad extrema migre desde los entornos de los centros de datos para mercados de acceso a medida que los propietarios de la red se preparan para las próximas implementaciones de 5G con uso intensivo de fibra. Continuará siendo un desafío en la industria desarrollar productos que se puedan escalar de manera efectiva para lograr el recuento de fibras necesario, sin sobrecargar los conductos existentes y los entornos internos de las fábricas.
David Hessong es el gerente de desarrollo del mercado global de centros de datos y Derick Whitehurst es director de marketing de aplicaciones globales en Corning Optical Communications.
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