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超越边缘:面向未来数据中心的高速、高密度数据布线

| 2019-05-24 阅读 27

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如今,数据中心在全球各地得到了广泛应用,只是分布并不均匀。5G等技术的推出需要更低的网络延迟,这将推动数据中心更接近用户的边缘,这意味着计算能力、存储和数据中心设施需要在地理位置上更靠近所需服务的位置。

无人驾驶汽车和增强现实等应用将需要提供低于1毫秒的延迟、端到端链接的系统支持,这将改变人们现在所知道的数据中心格局。

如今,数据中心的规模将越来越大,带宽需求也越来越大。大规模引入支持5G的小型无线网络将主要与光纤电缆相连,从而推动从“宏”单元站点(小单元聚合在一起)到支持数据中心对高密度光纤解决方案的需求。

人们需要为数据中心处理大数据流量的巨大增长做好准备。机器对机器(M2M)或“东西向”通信,预计在2015~2020年期间的复合年增长率将达到44%。部分符合这一发展趋势的是,预计到2019年,100G网络将占据数据中心光收发器传输容量的50%以上。此外,400G部署将在未来一年获得更多的发展动力,预计将以极快的速度发展,占到2021年以太网端口的大部分出货量.400G的发展带来了显著的成本节约,每RU的密度将增加4倍。这些创新还将提高两倍的电源性能效率,为“边缘”设定的节能目标做出积极贡献。


单模光纤还是多模光纤?

在以往,在单模光纤(SMF)和多模光纤(MMF)解决方案之间的选择是相对确定的,前者以较高的价格提供最高带宽,后者虽然速度较慢但灵敏度较高,并且更具成本效益。

如今,决策中的关键因素包括:确定当前带宽需求是否能够满足;距离需求是否满足预期网络架构的特定目标;未来以太网和/或光纤通道速度是否能够得到支持;是否能够轻松地迁移到投资回报率(ROI)中。这四个相互依赖的标准必须考虑达到最佳平衡。

对于看似无限带宽的单模光纤(SMF),网络设计者和数据中心通常认为它是确保未来不出现带宽瓶颈的最佳策略。传统上,与单模光纤(SMF)光学系统相关的成本较高,这一成本增加归因于光收发器模块的价格,总体成本受无源光布线基础设施的价格影响较小。

与此同时,人们承认,尽管成本有所下降,但单模光纤(SMF)技术确实在长距离和带宽能力方面优于多模光纤(MMF)。但随着企业开始向高速数据传输过渡,替代光纤布线系统是否提供以前只有单模光纤(SMF)才能满足的功能?

重要的是要认识到,在确定哪种级别的光纤在特定环境中提供最佳投资回报在决策方面已经发生了转变。技术进步使得多模光纤(MMF)在为当前和未来的网络需求做出明智选择方面成为。

多模光纤(MMF)数据管道是否足够大以支持未来的流量?

多模光纤支持当今大部分应用,并以极低的成本应用在数据中心。此外,它还具备满足未来数据中心的数据功能的能力,并提供可以支持高达800G以太网的路线图。

随着光纤传输技术的进步,多模光纤(MMF)的带宽能力呈指数增长。最近的多模光纤(MMF)传输技术采用更快的垂直腔面发射激光器(VCSEL)已经从10G发展到25G,4级脉冲幅度调制(PAM4)和短波分复用(SWDM)将增加一倍。

由于已经部署了40GE/100GE,并且IEEE定义了25GE/50GE/200GE/400GE的目标,以太网被认为是的网络平台。它可以提供数据中心架构,以满足未来的应用需求,同时提供当今的低运营成本。

在IEEE之外,SWDM联盟多源协议(MSA)规定在两个MMF(双工传输/光纤对)上启用100G,支持OM3、OM4、OM4+和OM5等级的传输。SWDM多模光纤解决方案无法支持“突破”模式,这是广泛采用该技术的一个限制因素。此外,预计在不久的将来,多模光纤(MMF)的线速将从50G加速到100G,这意味着多模光纤(MMF)应用更高效(所需的光纤对更少),并且扩大了多模光纤(MMF)“双工”和“平行”光学器件的范围,利用单一波长与缩小需要多个波长的多模光纤(MMF)应用的范围。

短距离应用,如交换机到服务器和机器对机器(M2M)互连,是多模式光纤在数据中心内增加真正好处的地方。经过优化的光纤现在提供了一系列光纤功能,以帮助数据中心运营商根据运营需求规划成功的基础设施安装和升级。


应用驱动的决策


软件定义网络(SDN)的兴起使数据中心设计人员从传统的三层拓扑(图1)重新调整为“脊柱和叶片”架构(图2)。

图1

图2

将3个三层架构折叠到脊柱和叶片时,每个叶片连接到每个脊柱交换机,从而在脊柱处驱动更高的端口/连接器密度。解决更高密度连接挑战和提高脊柱效率的常用做法是使用可以执行“突破”配置的电缆组件和设备(参见图3)。

图3

以40G多模光纤(MMF)数据中心部署为例,超过50%的40G市场采用被认为与“突破”配置有关,即40G到4×10G。关键驱动因素不是40G端到端,而是提供10G的分发效率。

持续增量效率的相同概念将推动100G(4×25G)和400G(4×100G或2×200G)的增长。但是,应该注意的是,早期的短波波分复用(SWDM)不太可能支持“突破”模式/配置。在评估短波波分复用(SWDM)与单波长高速传输和网络架构设计的优势时,应考虑这一点。

•每个端口节约30%的成本(收发器成本)

•电源效率提高两倍

•每个RU的密度提高4倍

•更多的创收设备空间

•在空间有限的情况下增加价值


电缆覆盖范围

超大规模数据中心通常是容纳超过50000个服务器端口的大型设施。在这种设施中,距离(服务器/交换机之间的距离)通常超过150米。在如此长的距离内,有利于单模光纤的“80/20”网络流量分布规则并不罕见。企业数据中心的情况正好相反,通常95%的范围小于100米,这更有利于多模光纤。

先进等级的光纤提供远远超出标准的扩展范围多模光纤(MMF),同样增强收发器规格以达到同样的目的。图表(参见表1)给出了基于标准(非扩展范围)收发器的链路距离示例。

成本激励


与通常在单模光纤(SMF)收发器光学器件中看到的较高成本激光器相比,多模光纤(MMF)收发器以较低成本的垂直腔面发射激光器 (VCSEL)制造。这些垂直腔面发射激光器 (VCSEL)利用更大的多模光纤(MMF)纤芯/包层直径(50/125微米 - OM3、OM4、OM4 +和OM5),使整体解决方案成本更低。

网络安装的结构化布线元件(包括光纤布线)通常占IT经理预算的5%以下。虽然在考虑每个光纤通道/链路时,光纤等级本身(单模光纤或多模光纤)的成本占有线系统构成的非常小的百分比。以10G多模光纤(MMF)信道为例,将收发器的成本增加到无源光缆基础设施,收发器的成本约占总成本的80%。

人们希望简化和降低单模收发器光学模块的成本,这可能会带来一些折衷,例如IEEE 400GBASE-DR4,它的目标是500米——这比目前单模光纤(SMF)解决方案还要短。

随着光电子技术的成熟和数量的增加,多模光纤(MMF)和单模光纤(SMF)之间的差距有望在未来缩小,但是,作为当今的解决方案,单模光纤(SMF)的价格通常是多模光纤(MMF)解决方案的1.5倍至4倍,具体取决于数据速率/收发器使用的模块类型。


结论


单模光纤在超过400米(高达10 G)和通常超过150米(40G数据速率及以上)的情况下继续发挥着重要作用,其中包括跨服务器通道和跨站点的应用程序。

100G-BASE-PSM4(并行单模)的推出带来了一种新型的单模光纤(SMF)收发器,其中采用了低成本的产品。预计这将推动多模光纤(MMF)和单模光纤(SMF)解决方案之间更紧密的价格协调,从而提高单模光纤(SMF)的普及率,特别是对于绿地100G部署。

然而,在数据中心中有大量预先存在的MMF(OM3、OM4、OM4+)安装基础,传统网络扩展约占市场需求的50%。设备制造商和客户都对支持和最大化这一传统基础设施的投资回报(ROI)方面还有既得利益。因此,预计不会很快大规模迁移至棕地的单模光纤(SMF)。

无论如何,当今多模光纤解决方案的带宽远远超出了它们所感知的限制。在这种情况下,带宽不再是考虑多模光纤(MMF)以满足当前或未来需求的障碍。此外,多模光纤(MMF)是大多数数据中心用途中最具成本效益的选择,其中覆盖范围通常小于150米。随着其支持的应用程序、带宽和路线图的扩展,多模光纤(MMF)的业务案例继续得到加强。

预计数据中心规模将在物理上得到增长(见图4),对于当前和未来的多模应用而言,光纤在覆盖范围方面的关键限制因素是光纤解决模型/色散相互作用的能力,并考虑更先进的光纤等级(解决相互作用)的时间,例如Signature CoreTM OM4(OM4 +)和Signature Core OM5(OM5 +)。

OM4核心(OM4+)为绝大多数光纤应用提供最佳性能,在大多数情况下远远优于OM5。

而企业仅仅选择下一代多模光纤(MMF)已经不足以让它回归到最佳价值,最好的价值在于了解当今和未来的应用需求,以及承认先进的调制/线路速率将要遵循的路径。

(来源:企业网D1net)

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