Fibre Channel - The Need for Speed with OM3/OM4 Optical Connectivity

Os data centers corporativos se concentram tradicionalmente no armazenamento de dados e na preparação para recuperação de desastres, mas nem sempre atendem ao fluxo e refluxo da demanda por recuperação de dados multiusuário em tempo real. No atual mercado digital em evolução, há mais usuários e mais dados. Esse crescimento pressiona os data centers a facilitar transmissões de dados mais rápidas para um número crescente de usuários da Internet em todo o mundo. Diante do big data, as operações do data center estão mudando do armazenamento para a análise e o processamento de dados em tempo real com base na demanda. 

Hoje, as organizações estão se voltando para o blockchain, um sistema que atua como um guardião de registros digitais, utilizando vários data centers protegidos em todo o mundo para verificar as alterações nos conjuntos de dados. O blockchain reforçará a necessidade de infraestruturas seguras baseadas em redes dos data centers. De acordo com a empresa de pesquisa Research and Markets, o mercado de blockchain deve saltar de US$ 1,2 bilhão em 2018 para US$ 23 bilhões em 2023, em parte devido ao desenvolvimento de aplicações e serviços voltados para empresas fora das funções tradicionais de finanças e transações. Os data centers devem se adaptar às novas estratégias de negócios.

Para preparar o caminho para tecnologias como essa, grandes data centers estão evoluindo suas infraestruturas digitais, impulsionados pelo rápido crescimento da computação em nuvem. Muitas empresas, incluindo gigantes da Internet, estão aumentando os investimentos em data centers, tanto no mercado interno quanto no exterior, para garantir que estejam prontos para a próxima geração de serviços em nuvem. Mas elas precisam da infraestrutura certa para garantir a transmissão rápida e contínua de dados, voz e vídeo para um número cada vez maior de usuários. E não só isso, elas precisam de uma maneira segura de rastrear dados confidenciais. Por esses motivos, muitos data centers estão fazendo a transição das atuais arquiteturas de rede em árvore de 3 níveis para uma arquitetura de rede spine-leaf, que pode acomodar sistemas blockchain e demandas crescentes de processamento de dados. Mas o que essa mudança acarreta?

Em contraste com a empresa tradicional, onde o tráfego do data center é dominado por interações cliente-servidor locais (de norte a sul), o tráfego de rede do grande data center da Internet é dominado pelo tráfego de servidor a servidor (leste a oeste), necessário para aplicações de computação em nuvem. O número de usuários acessando dados por meio das aplicações não é apenas enorme. Eles também têm demandas diversificadas e fragmentadas e exigem uma experiência do usuário ininterrupta. Os data centers da Internet exigem largura de banda maior e uma arquitetura de rede muito mais eficiente para suportar os pesados picos de tráfego de seu grande número de usuários. Esses picos no tráfego de dados podem ser causados por qualquer coisa, desde videochamada, demanda por música e vídeos on-line, jogos, compras, eventos de notícias e muitos outros.

A atual arquitetura de rede em árvore de 3 níveis predominante é baseada no modelo de transmissão norte-sul tradicional. Quando um servidor precisa se comunicar com outro servidor de um segmento de rede diferente, ele deve passar pelo caminho da camada de acesso -> camada de agregação -> camada de núcleo <- camada de agregação <- camada de acesso. Em um serviço de big data com milhares de servidores se comunicando em um ambiente de computação em nuvem, esse modelo não é eficaz, pois consome uma grande quantidade de largura de banda do sistema e cria problemas de latência.

Para enfrentar esses desafios, os grandes data centers de Internet mundiais estão adotando cada vez mais uma arquitetura de rede spine-leaf, que é mais eficaz para transferir dados entre servidores (leste a oeste).  Consulte a Figura 1.

Essa arquitetura de rede consiste principalmente em duas partes – uma camada de comutação spine e uma camada de comutação leaf. Seu recurso mais útil é que cada switch leaf é conectado a cada switch spine em um pod, o que melhora muito a eficiência da comunicação e reduz o atraso entre os servidores. Além disso, uma arquitetura de rede spine-leaf de 2 níveis evita a necessidade de dispendiosos dispositivos de comutação da camada de núcleo e torna mais fácil adicionar gradualmente switches e dispositivos de rede para expansão com base nas necessidades de negócios, economizando nos custos de investimento inicial.

Os gerentes de data center encontram novos problemas ao implantar um data center com uma arquitetura spine-leaf de 2 níveis. Visto que um switch leaf é necessário para conectar cada switch spine, gerenciar uma grande quantidade de cabeamento torna-se um grande desafio. O módulo mesh de interconexão da Corning (Tabela 1) resolve este problema.

Muitos usuários começaram a usar placas de linha de switch 40G de alta densidade para fazer parte das aplicações 10G. Na verdade, de acordo com os fornecedores de transceptores, mais de 50% de todas as implantações multimodo 40G está aproveitando esta capacidade. Por exemplo, uma placa de linha SFP+ 10G de alta densidade tem 48 portas 10G, enquanto uma placa QSFP+ 40G de alta densidade pode ter 36 portas 40G. Dessa forma, uma placa de linha 40G pode ser usada para obter portas 4x36 = 144 x 10G no mesmo espaço de cabeamento e condições de consumo de energia, reduzindo, assim, o custo e o consumo de energia do 10G de porta única. Essas economias de custo também podem ser apreciadas à medida que as velocidades aumentam para 100G, e vimos anúncios no final de 2018 de que o 400G começará a ser comercializado este ano, ambos com a capacidade de invadir as conexões de servidor de baixa velocidade.

Para fins de simplicidade, ficaremos com o exemplo de divisão de 40G. A Figura 2 mostra três aplicações típicas de módulos mesh no sistema de cabeamento. Quatro canais 40G QSFP (A, B, C, D) são divididos em canais 10G 4x4 na entrada MTP do módulo mesh. Os canais 10G são então misturados dentro do módulo mesh, de modo que os quatro canais 10G associados ao transceptor QSFP A sejam divididos nas quatro saídas MTP. O resultado é que os quatro transceptores SFP conectados a uma saída MTP recebem um canal 10G de cada um dos transceptores QSFP A, B, C e D. Assim, alcançamos uma conexão mesh 10G totalmente em malha entre as portas do switch spine QSFP e as portas do switch leaf, sem nunca ter que interromper as conexões LC na área de distribuição principal (do inglês MDA).

O exemplo abaixo descreve como otimizar a estrutura de cabeamento de uma spine-leaf na MDA. Por exemplo, usamos um switch leaf com uma placa de linha de porta 48 x SFP+ 10G e um switch spine com placas de linha de porta 4x36 QSFP+ 40G. Se um switch leaf tiver uma taxa de excesso de demanda de 3:1, 16 portas de uplink 10G de cada switch leaf precisarão se conectar a 16 switches spine. Dado que a porta 40G do switch spine é usada como quatro portas 10G, cada switch spine precisa conectar 4x36x4 = 576 switches leaf, conforme mostrado na Figura 3.

Se o cabeamento tradicional for usado para obter uma trama mesh completa dos switches spine e leaf, uma porta QSFP+ 40G de cada switch spine é dividida em 4 canais de 10G através de um módulo MTP-para-LC na MDA e, em seguida, conectado de forma cruzada através um patch cable com o número correspondente de módulos MTP-para-LC que se conectam aos canais 10G do switch leaf (conforme mostrado no lado esquerdo da Figura 4). O método tradicional não foi amplamente utilizado porque o sistema de cabeamento é muito complexo, o custo é relativamente alto e exige muito espaço em rack na MDA. Nesse cenário, o uso de um módulo mesh pode ser uma boa solução para resolver esses problemas. Conforme mostrado no gráfico do lado direito da Figura 4, no caso de um módulo de rede usado em MDA, a malha completa dos switches leaf é obtida sem a necessidade dividir a porta 40G do switch spine em canais de 10G por meio de um módulo MTP-para-LC. Isso melhora muito a estrutura de cabeamento da MDA, eliminando enormes campos de patch LC para LC, e pode ser de grande valor para o usuário, conforme mostrado na Tabela 2.

Assim que a infraestrutura adequada estiver instalada para suportar a quantidade crescente de tráfego de dados, os data centers podem proteger melhor esses dados. Os blockchains se tornaram soluções populares por meio de exemplos recentes, como Bitcoin e Ethereum, mas não se limitam ao setor financeiro.  A tecnologia é uma espécie de registro externo. Seu método criptográfico pode distribuir dados por vários computadores, o que torna mais difícil de serem hackeados.

Uma das principais características do blockchain é sua tendência a uma “comunidade compartilhada”, onde usuários privados podem alugar o espaço extra em seus discos rígidos para que outros usuários armazenem dados. Isso, entretanto, não elimina o potencial de interesse comercial. Os data centers que implementam a tecnologia podem fornecer aos clientes um método de armazenamento ainda mais seguro para informações confidenciais.

As infraestruturas de rede do data center estão passando por grandes transformações para atender à crescente demanda contínua do tráfego de dados e à necessidade de armazenar com segurança as informações confidenciais. Ao mesmo tempo, elas devem oferecer suporte à Internet das coisas, às redes 5G e a bilhões de novos dispositivos, enquanto continuam a fornecer velocidade e escala crescentes, necessárias para essa interconexão.

Os data centers estão mudando, não apenas no nível da arquitetura, mas também no físico. Há cada vez mais conexões multifibras que fornecem conexões de alta densidade. A interface 10G não é mais suficiente para suportar as demandas de largura de banda do data center.

À medida que os requisitos de largura de banda de rede para o data center aumentam, o backbone da rede do data center vem sendo gradualmente atualizado de 10G para 40G, com as implantações de 100G tornando-se a norma. Ao usar atualmente 40G dividido em 4 x 10G, ou 100G como 4 x 25G, a arquitetura de rede spine-leaf fornecerá uma estrutura de rede econômica e eficiente para gerenciar a grande distribuição de dados. O uso do módulo mesh para obter uma trama mesh completa da rede spine-leaf suporta a rede 40G ou 100G atual, garantindo a transição perfeita para as capacidades de rede 400G futuras, conforme a demanda do usuário aumenta.

Os data centers não devem apenas evoluir para atender à demanda de maior tráfego e mais dispositivos, mas também devem priorizar o armazenamento seguro dos dados confidenciais dos usuários. Ao transformar sua arquitetura e adotar uma estratégia de blockchain, eles podem dar o próximo passo em direção a uma sociedade completamente conectada.