數(shù)據(jù)中心互連部分光纖部署的機遇與挑戰(zhàn)

  導語：數(shù)據(jù)中心互連應用已經(jīng)成為網(wǎng)絡領域中一個重要且快速增長的部分。本文將探討這種增長的幾個原因，包括市場變化、網(wǎng)絡架構變化和技術變化。

  數(shù)據(jù)的巨大增長推動了數(shù)據(jù)中心園區(qū)的建設，尤其是超大型數(shù)據(jù)中心的建設?，F(xiàn)在，一個園區(qū)里的幾棟建筑都必須用足夠的帶寬連接起來。為了保持單個園區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)中心之間的信息流動，需要多大帶寬?每個數(shù)據(jù)中心今天可以以高達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要求和距離是獨一無二的。帶寬需求可高達100 Tbps甚至200 Tbps。

  是什么推動了園區(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)增長受到設備對設備通信的支持。第二個趨勢與采用更平坦的網(wǎng)絡架構有關，例如脊葉網(wǎng)絡或CLOS網(wǎng)絡。其目標是在園區(qū)內(nèi)擁有一個大型網(wǎng)絡結構，因此需要在設備之間建立大量的連接。

  傳統(tǒng)上，數(shù)據(jù)中心構建在由核心交換機、匯聚交換機和接入交換機組成的三層拓撲結構上。雖然成熟且廣泛部署，但傳統(tǒng)的三層體系結構已不再滿足超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心園區(qū)環(huán)境不斷增加的工作負載和時延需求。作為響應，今天的超大型數(shù)據(jù)中心正在遷移到脊葉架構(見圖2)。在脊葉架構中，網(wǎng)絡分為兩個階段。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端和負載平衡連接。

  理想情況下，每個葉交換機都會扇出到每個脊交換機，以最大限度地提高服務器之間的連接，因此，網(wǎng)絡需要高進制脊核心交換機。在許多環(huán)境中，大型脊交換機連接到更高級別的脊交換機，通常稱為園區(qū)或聚合離子脊交換機，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)絡結構和采用高進制交換機，我們期望看到網(wǎng)絡變得更大、更模塊化和更可擴展。

圖2.脊葉結構以及高進制交換機需要數(shù)據(jù)中心結構中的大量互連。

  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。要使用此方法達到200 Tbps，每個數(shù)據(jù)中心互連需要超過3000芯光纖。當您考慮將每個數(shù)據(jù)中心連接到單個園區(qū)中的每個數(shù)據(jù)中心所需的光纖時，密度很容易超過10000芯光纖!

  一個常見的問題是，何時使用DWDM(密集波分復用收發(fā)器)或其他技術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10公里的數(shù)據(jù)中心互連應用通常使用CWDM (粗波分復用) 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)?；ミB。

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

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

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)確定了對極端密度網(wǎng)絡的需求，那么了解構建這些網(wǎng)絡的最佳方法是很重要的。這些網(wǎng)絡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展的或不可行的。如果使用松套管設計安裝1728芯光纖，假設每個接頭4分鐘，則熔接時間將超過100小時。如果使用帶狀光纜配置，則熔接時間將降至20小時以下。盡管20小時仍然對熔接來說需要大量時間，但與單芯光纜類型相比，它節(jié)省了大量時間。

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

  圖4.不同的帶狀電纜設計，適用于極端密度應用。

  利用這些新的光纜設計，可以在相同的管道空間中實現(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)絡所有者能夠?qū)崿F(xiàn)超大型等級數(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計，使同一管道空間的光纖容量翻倍。

  當利用這些新的帶狀光纜設計時，網(wǎng)絡所有者需要考慮硬件和連接選項，這些選項可以充分處理和擴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)絡時，有幾個關鍵領域需要考慮。

  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個單獨的帶狀熔接。在本應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，因為準備時間長，光纖管理難度大。

  另一個可能具有挑戰(zhàn)性的領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，需要立即對光纖進行充分標記和分類。為了避免損壞任何光纖，應優(yōu)先確保在加載到硬件中時將帶狀堆疊捆綁在一起并加以保護。在大多數(shù)安裝中，導致重新準備光纜的錯誤是可以控制的。在極端密度網(wǎng)絡的情況下，一個錯誤可能會對項目的完成產(chǎn)生嚴重的影響，并且可能只需要因為一個點而延遲一周。

  極端密度網(wǎng)絡的未來將如何發(fā)展?

  目前最重要的因素是光纖數(shù)量是否會在3456芯處停止，或者如果我們看到這些數(shù)量會更高。當前的市場趨勢表明，芯數(shù)要求甚至超過5000芯。為了保持基礎設施仍能擴大規(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，因此光學性能沒有變化。但是，這種尺寸的減小，當延伸到光纜中數(shù)百到數(shù)千芯光纖時，可以大大減少光纜的總橫截面積。這項技術已經(jīng)在一些光纜設計中得到應用，并被制造商用于微型松套管光纜。

  另一個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。這些相對較短的距離使一根光纜能夠在沒有任何熔接點的情況下提供連接。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間，距離正在增加，可以接近75公里。在這些應用中使用極端密度光纜設計會降低預算，因為在長距離內(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及更高的速度運行使用更少的光纖。

  我們可以預計，隨著網(wǎng)絡所有者為即將到來的光纖密集型5G產(chǎn)品的推出做準備，對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)能夠有效擴展以達到所需光纖數(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 康寧公司全球應用營銷總監(jiān) | 翻譯：王堅