數(shù)據(jù)中心互連部分光纖部署的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

  導(dǎo)語：數(shù)據(jù)中心互連應(yīng)用已經(jīng)成為網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域中一個(gè)重要且快速增長的部分。本文將探討這種增長的幾個(gè)原因，包括市場變化、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)變化和技術(shù)變化。

  數(shù)據(jù)的巨大增長推動(dòng)了數(shù)據(jù)中心園區(qū)的建設(shè)，尤其是超大型數(shù)據(jù)中心的建設(shè)?，F(xiàn)在，一個(gè)園區(qū)里的幾棟建筑都必須用足夠的帶寬連接起來。為了保持單個(gè)園區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)中心之間的信息流動(dòng)，需要多大帶寬?每個(gè)數(shù)據(jù)中心今天可以以高達(dá)200 Tbps的容量向其他數(shù)據(jù)中心傳輸，而未來需要更高的帶寬(見圖1)。

圖1.概念園區(qū)布局。DCI要求和距離是獨(dú)一無二的。帶寬需求可高達(dá)100 Tbps甚至200 Tbps。

  是什么推動(dòng)了園區(qū)建筑之間如此巨大的帶寬需求?

  首先，東西向通信量的指數(shù)增長受到設(shè)備對(duì)設(shè)備通信的支持。第二個(gè)趨勢(shì)與采用更平坦的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)有關(guān)，例如脊葉網(wǎng)絡(luò)或CLOS網(wǎng)絡(luò)。其目標(biāo)是在園區(qū)內(nèi)擁有一個(gè)大型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因此需要在設(shè)備之間建立大量的連接。

  傳統(tǒng)上，數(shù)據(jù)中心構(gòu)建在由核心交換機(jī)、匯聚交換機(jī)和接入交換機(jī)組成的三層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上。雖然成熟且廣泛部署，但傳統(tǒng)的三層體系結(jié)構(gòu)已不再滿足超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心園區(qū)環(huán)境不斷增加的工作負(fù)載和時(shí)延需求。作為響應(yīng)，今天的超大型數(shù)據(jù)中心正在遷移到脊葉架構(gòu)(見圖2)。在脊葉架構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)分為兩個(gè)階段。脊階段用于聚合數(shù)據(jù)包并將其路由到最終目的地，葉階段用于連接主機(jī)端和負(fù)載平衡連接。

  理想情況下，每個(gè)葉交換機(jī)都會(huì)扇出到每個(gè)脊交換機(jī)，以最大限度地提高服務(wù)器之間的連接，因此，網(wǎng)絡(luò)需要高進(jìn)制脊核心交換機(jī)。在許多環(huán)境中，大型脊交換機(jī)連接到更高級(jí)別的脊交換機(jī)，通常稱為園區(qū)或聚合離子脊交換機(jī)，以將園區(qū)中的所有建筑連接在一起。由于這種更平坦的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和采用高進(jìn)制交換機(jī)，我們期望看到網(wǎng)絡(luò)變得更大、更模塊化和更可擴(kuò)展。

圖2.脊葉結(jié)構(gòu)以及高進(jìn)制交換機(jī)需要數(shù)據(jù)中心結(jié)構(gòu)中的大量互連。

  如何以最具成本效益的方式提供最佳的連接?

  業(yè)界已經(jīng)評(píng)估了多種方法，但普遍的模式是在大量的光纖上以較低的速率傳輸。要使用此方法達(dá)到200 Tbps，每個(gè)數(shù)據(jù)中心互連需要超過3000芯光纖。當(dāng)您考慮將每個(gè)數(shù)據(jù)中心連接到單個(gè)園區(qū)中的每個(gè)數(shù)據(jù)中心所需的光纖時(shí)，密度很容易超過10000芯光纖!

  一個(gè)常見的問題是，何時(shí)使用DWDM(密集波分復(fù)用收發(fā)器)或其他技術(shù)來增加每根光纖的吞吐量，而不是不斷增加光纖的數(shù)量?目前，長達(dá)10公里的數(shù)據(jù)中心互連應(yīng)用通常使用CWDM (粗波分復(fù)用) 1310nm收發(fā)器，與DWDM系統(tǒng)的1550nm傳輸波長不匹配。因此，在數(shù)據(jù)中心之間使用高芯數(shù)光纜來支持大規(guī)模互連。

  下一個(gè)問題是，何時(shí)通過添加一個(gè)多路復(fù)用器單元將1310nm收發(fā)器替換為接入交換機(jī)中的可插入式DWDM收發(fā)器?答案是，對(duì)于園區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)中心互連鏈路，DWDM何時(shí)或是否成為一種經(jīng)濟(jì)有效的方法。

  為了推算這種轉(zhuǎn)換的可行性，我們需要查看DWDM收發(fā)器的價(jià)格，并與現(xiàn)有收發(fā)器進(jìn)行比較?；趯?duì)整個(gè)鏈路的價(jià)格建模，目前的預(yù)測是，在可預(yù)見的未來，基于光纖豐富的1310nm體系結(jié)構(gòu)的連接將繼續(xù)占據(jù)低成本優(yōu)勢(shì)(見圖3)。PSM4(8芯光纖)替代方案已被證明對(duì)小于2公里的應(yīng)用具有成本效益，這也是提高光纖數(shù)量的另一個(gè)因素。

圖3. 可插拔式DWDM收發(fā)器與100G CWDM4。

  如何選擇合適的光纖?

  既然我們已經(jīng)確定了對(duì)極端密度網(wǎng)絡(luò)的需求，那么了解構(gòu)建這些網(wǎng)絡(luò)的最佳方法是很重要的。這些網(wǎng)絡(luò)在布線和硬件方面都提出了新的挑戰(zhàn)。例如，使用松套管光纜和單芯光纖熔接是不可擴(kuò)展的或不可行的。如果使用松套管設(shè)計(jì)安裝1728芯光纖，假設(shè)每個(gè)接頭4分鐘，則熔接時(shí)間將超過100小時(shí)。如果使用帶狀光纜配置，則熔接時(shí)間將降至20小時(shí)以下。盡管20小時(shí)仍然對(duì)熔接來說需要大量時(shí)間，但與單芯光纜類型相比，它節(jié)省了大量時(shí)間。

  同時(shí)，傳統(tǒng)的光纜纜設(shè)計(jì)安裝在常用的2或4英寸管道中時(shí)也面臨著巨大的挑戰(zhàn)。新的光纜和帶狀設(shè)計(jì)已經(jīng)進(jìn)入市場，在相同的橫截面積上，光纖容量基本上翻了一番。這些產(chǎn)品通常分為兩種設(shè)計(jì)方法：一種方法使用具有更緊密可封裝子單元的標(biāo)準(zhǔn)矩陣帶，另一種方法使用具有中心或槽芯設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)電纜設(shè)計(jì)，具有可相互重疊的松散結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)帶(見圖4)。

  圖4.不同的帶狀電纜設(shè)計(jì)，適用于極端密度應(yīng)用。

  利用這些新的光纜設(shè)計(jì)，可以在相同的管道空間中實(shí)現(xiàn)更高的光纖密度。圖5說明了如何使用不同的極端密度類型的新光纜組合，使網(wǎng)絡(luò)所有者能夠?qū)崿F(xiàn)超大型等級(jí)數(shù)據(jù)中心互連所需的光纖密度。

  圖5.采用極端密度光纜設(shè)計(jì)，使同一管道空間的光纖容量翻倍。

  當(dāng)利用這些新的帶狀光纜設(shè)計(jì)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)所有者需要考慮硬件和連接選項(xiàng)，這些選項(xiàng)可以充分處理和擴(kuò)展這些非常高的光纖數(shù)量。它可以很容易地壓垮現(xiàn)有的硬件，在建立完整的網(wǎng)絡(luò)時(shí)，有幾個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域需要考慮。

  需要安裝多少建筑物內(nèi)部光纜才能連接到1728至3456芯光纖建筑物外部光纜?如果您目前在內(nèi)部建筑環(huán)境中使用288根光纖帶狀光纜，您的硬件必須能夠充分容納12至14根光纜。您的硬件還必須管理288個(gè)單獨(dú)的帶狀熔接。在本應(yīng)用中使用任何單芯光纜和單芯光纖熔接方法都是不可行或不可取的，因?yàn)闇?zhǔn)備時(shí)間長，光纖管理難度大。

  另一個(gè)可能具有挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域是追蹤光纖以確保正確熔接。由于必須追蹤和布線的光纖數(shù)量巨大，光纜打開后，需要立即對(duì)光纖進(jìn)行充分標(biāo)記和分類。為了避免損壞任何光纖，應(yīng)優(yōu)先確保在加載到硬件中時(shí)將帶狀堆疊捆綁在一起并加以保護(hù)。在大多數(shù)安裝中，導(dǎo)致重新準(zhǔn)備光纜的錯(cuò)誤是可以控制的。在極端密度網(wǎng)絡(luò)的情況下，一個(gè)錯(cuò)誤可能會(huì)對(duì)項(xiàng)目的完成產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，并且可能只需要因?yàn)橐粋€(gè)點(diǎn)而延遲一周。

  極端密度網(wǎng)絡(luò)的未來將如何發(fā)展?

  目前最重要的因素是光纖數(shù)量是否會(huì)在3456芯處停止，或者如果我們看到這些數(shù)量會(huì)更高。當(dāng)前的市場趨勢(shì)表明，芯數(shù)要求甚至超過5000芯。為了保持基礎(chǔ)設(shè)施仍能擴(kuò)大規(guī)模，縮小光纜尺寸的壓力將加大。隨著光纖封裝密度已經(jīng)接近其物理極限，以有意義的方式進(jìn)一步減小光纜直徑的選擇變得更具挑戰(zhàn)性。

  一種逐漸流行的方法是使用涂層尺寸從通常的250um減小到200um的光纖。纖芯和包層尺寸保持不變，因此光學(xué)性能沒有變化。但是，這種尺寸的減小，當(dāng)延伸到光纜中數(shù)百到數(shù)千芯光纖時(shí)，可以大大減少光纜的總橫截面積。這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在一些光纜設(shè)計(jì)中得到應(yīng)用，并被制造商用于微型松套管光纜。

  另一個(gè)重要的問題就是如何最好地提供數(shù)據(jù)中心互連連接，以連接距離遠(yuǎn)得多且不在同一物理園區(qū)中配置的位置。在典型的數(shù)據(jù)中心園區(qū)環(huán)境中，典型的數(shù)據(jù)中心互連長度不超過2公里。這些相對(duì)較短的距離使一根光纜能夠在沒有任何熔接點(diǎn)的情況下提供連接。然而，隨著數(shù)據(jù)中心也被部署在大城市周圍以減少延遲時(shí)間，距離正在增加，可以接近75公里。在這些應(yīng)用中使用極端密度光纜設(shè)計(jì)會(huì)降低預(yù)算，因?yàn)樵陂L距離內(nèi)連接大量光纖的成本較高。在這些情況下，更傳統(tǒng)的DWDM系統(tǒng)將繼續(xù)是首選，以40G及更高的速度運(yùn)行使用更少的光纖。

  我們可以預(yù)計(jì)，隨著網(wǎng)絡(luò)所有者為即將到來的光纖密集型5G產(chǎn)品的推出做準(zhǔn)備，對(duì)極端密度光纜的需求將從數(shù)據(jù)中心環(huán)境遷移到接入市場。在不壓垮現(xiàn)有管道和建筑內(nèi)部環(huán)境的情況下，開發(fā)能夠有效擴(kuò)展以達(dá)到所需光纖數(shù)量的產(chǎn)品將繼續(xù)是行業(yè)的挑戰(zhàn)。

  康寧光通信作者：David Hesson 康寧全球數(shù)據(jù)中心市場開發(fā)經(jīng)理 | Derek Whitehurst 康寧公司全球應(yīng)用營銷總監(jiān) | 翻譯：王堅(jiān)