康寧光通信：飛向無限，以及更遙遠的未來！走向400G網(wǎng)絡(luò)的故事

  ICC訊 我們對帶寬無盡的欲望驅(qū)使這個行業(yè)發(fā)展得更快，不斷地讓網(wǎng)絡(luò)擺脫延遲的影響

  我記得在2010年，IEEE批準了40Gb和100Gb的數(shù)據(jù)，當時我就想，我們根本沒有必要使用這么高的速度。以今天的標準來看，那時的寬帶簡直就是可憐——就像試圖用吸管來吹一個巨大的氣球一樣——但在當時已經(jīng)夠用了，因為當時我的帶寬消耗量遠不及我今天生活所需的帶寬需求。但當我的孩子們開始使用他們的手機、平板電腦和在線游戲平臺時，我可憐的小銅線連接就開始抱怨別人對它的要求了。謝天謝地，現(xiàn)在光纖傳輸速度超過了過去的30倍，雖然家里的設(shè)備越來越多，但是我總是可以做的更多，很多，很多!

  讓我給大家介紹一下技術(shù)路線圖的背景，讓大家了解一下我們今天的情況。直到2010年，生活都很簡單。我們在光纖網(wǎng)絡(luò)上運行10Gb，使用1芯光纖發(fā)射和1芯光纖接收。無論什么樣的終端設(shè)備，還是部署了哪個收發(fā)器，都不重要，因為它們的操作都是一樣的。然后IEEE批準了40Gb，使用了一個不同的PMD(Physical Media Dependent)接口與并行光學方案。

  并行光學

  與串行(雙工)傳輸不同，并行光學使用8芯或更多的光纖，而不是傳統(tǒng)的2芯光纖。我們在4芯光纖上發(fā)射信號，每芯光纖10Gb，在另外4芯光纖上接收，每芯光纖10Gb，以達到我們的40Gb聚合速度(稱為40G-SR4)。由于2010年速率最快的交換機ASIC(application-specific integrated circuits)是10Gb，要達到100Gb(即100GBASE- SR10)且同時得到批準，我們需要20芯光纖，每10芯傳輸10Gb，另外10芯接收10Gb。值得慶幸的是，在2015年IEEE批準了100G-SR4通過4芯光纖傳輸25Gb，并通過另外4芯光纖接收25Gb，使用了與40GBASE-SR4相同的8芯光纖平臺，從而達到了我們的100Gb總速。隨后我們向200G邁進，最終實現(xiàn)了400G，且光纖數(shù)量和通道的一致性仍在繼續(xù)。

  因此，現(xiàn)在這個永不間斷的行業(yè)，讓網(wǎng)絡(luò)管理者和用戶需要作出選擇：隨著越來越多的技術(shù)和解決方案選項的出現(xiàn)，需要針對部署什么樣的基礎(chǔ)架構(gòu)解決方案做出關(guān)鍵決策，以確保無縫地遷移到更高的速度?，F(xiàn)在，我來幫您把它們分解一下。

  BiDi

  在IEEE批準40&100Gb的三年后，2013年底，思科推出了40G BiDi，該技術(shù)由Avago Technologies開發(fā)，現(xiàn)在是富士康互聯(lián)技術(shù)公司(FOIT的一個業(yè)務(wù)部門)的一部分。這項開創(chuàng)性技術(shù)是為了使現(xiàn)有的兩芯多模光纖能夠在數(shù)據(jù)中心設(shè)施中使用WDM(波分復用)技術(shù)。為了實現(xiàn)40Gb傳輸，兩個20Gb信號在同一條多模光纖上，但波長不同，在850nm和910nm處“雙向”發(fā)射和接收20G信號，因此得名BiDi。我們在2018年看到了100G BiDi的發(fā)布。

  UNIV

  在BiDi發(fā)布后不久，Arista和Juniper推出了他們的40Gb通用收發(fā)器(UNIV)，使用另一種WDM技術(shù)在一對光纖上運行。這一次，它在傳統(tǒng)的單模1310nm區(qū)域單向發(fā)射了4 x 10Gb，中心波長為1271、1291、1311和1331nm，但仍然可以通過一對多模光纖或單模光纖傳播(因此有了UNIV這個名字)。

  SWDM4

  我們的第三個WDM方案是SWDM4。使用與UNIV相似的4波長方法，關(guān)鍵區(qū)別在于它們在更傳統(tǒng)的多模光纖的 850nm區(qū)域發(fā)射，中心波長為850、880、910和940nm，可選擇40Gb和100Gb。

  200Gb也有WDM選項，但關(guān)鍵是與并行光學不同，并行光學是一個被IEEE標準完全認可的標準。這些仍是專有技術(shù)，或者作為MSA(Multi-Source Agreement)的一部分，不能彼此互聯(lián)，也不能與任何標準許可的收發(fā)器相互兼容。BiDi必須連接到另一個BiDi，UNIV必須連接到UNIV，以此類推。這有可能嚴重限制網(wǎng)絡(luò)管理者在尋求下一個速率遷移時可用的選項，通?！肮?yīng)商鎖定”在某一個制造商，并限制我前面提到的那些關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施選擇。

  有清晰的記錄表明，使用低成本組件的并行光學器件總是首先投放市場，3-5年后才會有WDM同類產(chǎn)品隨之上市。如果您決定采用WDM的雙光纖網(wǎng)絡(luò)策略，而您的企業(yè)和客戶恰好需要技術(shù)升級，如果WDM產(chǎn)品還沒上市，您還有什么選擇?

  要么暫停直到其發(fā)布上市，但這會影響公司的收入和聲譽;要么升級網(wǎng)絡(luò)以支持并行光纖部署。但是，如果您現(xiàn)在已經(jīng)有了并行光纖網(wǎng)絡(luò)(即使您仍在遵循WDM路徑)，您可以選擇在同一個布線設(shè)備中使用這兩種技術(shù)，而無需進行任何計劃外升級。

  調(diào)制技術(shù)

  傳統(tǒng)的NRZ調(diào)制(不歸零)使用0和1兩個值。把它想象成一個燈泡是發(fā)射器，而你的眼睛是接收器。你只需要開燈或關(guān)燈作為信號，但如果你的眼睛和我的一樣糟糕，那么隨著速度的提高，識別或接收信號會變得困難重重。為了滿足100G的傳輸速率，PAM4(Pulse Amplitude Modulation)被開發(fā)出來，它使NRZ的速率加倍并簡化, 使用4個離散值00、01、10和11將燈調(diào)亮、打開到最亮、調(diào)暗和關(guān)燈。PAM4用于某些(但不是全部)100G選項。然而，這將成為400G的標準。值得注意的是，隨著速度的提高，我們可能會看到其他調(diào)制技術(shù)的引入。

  現(xiàn)在為了使這篇文章不像暢銷小說那樣長，我只提到了以太網(wǎng)和不同的多模選項。請注意，單模并不意味著更容易。在40G問世之前，單模一直是2芯光纖，就像我們傳統(tǒng)的多模。和多模一樣，我們開始看到了40G甚至更高速率的單模的并行光收發(fā)器選項的出現(xiàn)，這是因為用戶需要更長的傳輸距離，但仍然想要利用端口突破能力——因此就采用了更大的速率端口并將其分為4個較小的速率端口，以獲得更低的總體成本。與傳統(tǒng)單模10km的距離相比，500m PSM4的距離更短，因此成本更低。

  當前的行業(yè)趨勢是，一旦產(chǎn)量開始穩(wěn)定，部署高速并行光學并將其拆分出每個端口的成本與使用原生速度光學器件(例如，1個 100G分為4個 25G而不是4個 原生 25G)相比會變得更低，且速率越高，因此成本效益就越高。此外，端口分支實現(xiàn)了更高的密度，同時降低了電力和冷卻的能源成本。

  400G——我們的今天

  正如我前面提到的，我們對帶寬無限的欲望驅(qū)動了這個行業(yè)實現(xiàn)了更快的速度、更短的延遲。人工智能(AI)和機器學習(ML)、無服務(wù)器計算、分布式閃存和更快的服務(wù)器CPU/GPU/FPGA的激增都是驅(qū)動400G發(fā)展的因素。例如，Broadcom的Tomahawk III ASIC支持12.8Tb/s或128x100g光信號，并且還在對25.6Tb/s (256x100g)、51.2Tb/s (512 x 100G)和102.4Tb/s (256x400g)進行開發(fā)。

  將越來越多的吞吐量壓縮到同一個內(nèi)存中，提供了比以往更快地處理數(shù)據(jù)的機會，滿足了我們指尖對速度的需求。但這并非沒有挑戰(zhàn)，您將在下面的表格中看到，我們提供了幾種不同的選項來支持距離、通道和光纖類型。

  以下是IEEE標準發(fā)布或仍在開發(fā)的所有400G光學PMD(Physical Media Dependent)列表：

  400G光學

  除此之外，2016年還形成了兩個MSA標準，考慮了400G收發(fā)器的物理尺寸和形狀，由8個通道連接。MSA為了研究連接形式而考慮了收發(fā)器的物理尺寸和形狀，以及收發(fā)器的封裝形式。它們是QSFP-DD(Quad Small Form-Factor Pluggable – Double Density)和OSFP(Octal Small Form-Factor Pluggable)?？祵幨沁@兩個MSA標準成員。

  QSFP-DD - http://www.qsfp-dd.com/

  QSFP-DD使用與QSFP28相同的外形物理尺寸，因此在使用相同的板卡時可以完全兼容。在光纖接口方面，最新規(guī)范(2019年7月5.0版)列出了以下選項：

  公頭MPO

•   MPO-12 單排
•   MPO-16 單排
•   MPO-12 雙排

  雙工 LC

  雙 CS

  MDC*

  SN*

  *MDC和SN是新一代極小型連接器，于2019年初推出，將在另一篇文章中進行介紹。這些都是由超大規(guī)模運營商驅(qū)動的，他們希望在收發(fā)器上直接把400G分支為4x100G的光路。

  OSFP - https://osfpmsa.org/.

  OSFP的外形設(shè)計考慮了更高的速度(QSFP-DD和OSFP都可以處理800G的散熱)，因此其占用空間比QSFP-DD稍大一些。這主要是因為在收發(fā)器頂部有一組額外的散熱片，用來發(fā)散由于更高的功率要求而產(chǎn)生的更多的熱量(請注意，QSFP-DD已增加了散熱片的設(shè)計以來散發(fā)更多熱量)。溫度的升高對于QSFP-DD和OSFP來說是一樣的，典型的要求是8-15W之間的多模模式。為了實現(xiàn)兼容QSFP28，您需要使用適配器。

  2019年1月OSFP規(guī)范列出了:

  公頭 MPO

•   MPO-12 單排
•   MPO-16 單排
•   MPO-12 雙排

  雙工 LC

  雙 CS

  細心的人可能已經(jīng)注意到PMD與MSA中列出的選項不一致，完全正確。事實上，雖然MSA中列出了不同的光纖接口，目前只有針對CS、MDC或SN接口的收發(fā)器，對于多模 LC尚無確定的解決方案，只有500m、2km和10km的單模。

  “那么，我們什么時候能看到400G收發(fā)器普遍上市呢?”我聽到你們的需求了!我們在2019年初看到了Arista和Cisco的聲明，預計產(chǎn)品將在2020年交付。Arista已經(jīng)宣布了QSFP-DD和OSFP的選項，Cisco僅針對QSFP-DD。

  結(jié)論

  對于閱讀本文的許多人來說，飛向無限，更確切地說是400G，似乎是一個相當遙遠的距離。然而，我們都逐漸意識到，在IT行業(yè)，我們永遠不會停止追求極限，我們都必須接受這樣一個事實：我們今天所熱愛的將很快成為昨天的記憶。

  在過去的9年里，我們經(jīng)歷了比前30年更多的網(wǎng)絡(luò)速度提升(接下來還會有更多)。有了這么多選擇，用最靈活和可擴展的光纖基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃正確的技術(shù)遷移路徑，應(yīng)該是您的首要任務(wù)。如果您不這樣做，您可能會發(fā)現(xiàn)自己不得不繼續(xù)投資額外的光纖布線，因為支持下一次技術(shù)更新的光學器件還沒有開發(fā)出來。

  您可不能打盹放松，引用《玩具總動員》里的玩具們講的一句話：“我們無處不在!”

  作者：康寧光通信全球數(shù)據(jù)中心的市場開發(fā)經(jīng)理 Anthony Robinson