康寧光通信：大型IT/服務(wù)提供商數據中心的結構化布線(xiàn)設計

“結構化布線(xiàn)”被定義為建筑物或園區基礎設施通信布線(xiàn)，包括許多標準化的被稱(chēng)為子系統的更小元素（因此是結構化的）。為了使其有效，結構化布線(xiàn)是以這樣的方式組織的，即單獨的光纖易于定位、移動(dòng)、增加和變更,更易于管理，并且布線(xiàn)周?chē)谐渥愕目諝饬鲃?dòng)。

也許沒(méi)有比數據中心更需要有效結構化布線(xiàn)的環(huán)境。因不容忍停機或網(wǎng)絡(luò )故障，數據中心的所有者和運營(yíng)者是致力于使用結構化布線(xiàn)的主要目標客戶(hù)資源之一。原因很清楚：即使因更傾向云服務(wù)外包而越來(lái)越少的傳統數據中心，例如一些IT服務(wù)提供商仍然有物理結構支持云，而這些結構需要結構化布線(xiàn)。

幸運的是，什么是有效的結構化布線(xiàn)不是開(kāi)放的解釋?zhuān)喾吹?，在A(yíng)NSI / TIA-942-B標準中標題為“數據中心電信基礎設施標準”有清楚的解釋?zhuān)谶@篇白皮書(shū)中，我們將探討在數據中心中充分利用結構化布線(xiàn)的標準和關(guān)鍵的考慮因素—無(wú)論其大小如何。

考慮今天運營(yíng)的不同類(lèi)型的數據中心：

自用型數據中心：也稱(chēng)為企業(yè)數據中心，這些設施是由大公司私自擁有的。該公司設計、建設和運營(yíng)自己的設備，還可以為云服務(wù)或音樂(lè )流媒體提供服務(wù)獲取利潤。

整租型數據中心：由IT服務(wù)提供商（也稱(chēng)為云服務(wù)提供商）擁有，這些數據中心從事銷(xiāo)售空間的業(yè)務(wù)。企業(yè)不需要建立自己的設施，而是在整租型設施中購買(mǎi)空間和部署數據中心基礎設施。

主機托管數據中心：這些設施像整租型數據中心一樣，但是企業(yè)只租一個(gè)機架、機柜或籠區。IT服務(wù)提供商是運行基礎設施的提供商。

專(zhuān)用托管數據中心：IT服務(wù)提供商在這些數據中心運營(yíng)和租用服務(wù)器容量，但每個(gè)企業(yè)客戶(hù)都控制自己的專(zhuān)用服務(wù)器。

共享主機數據中心：在這些設施中，企業(yè)客戶(hù)在IT服務(wù)提供商的服務(wù)器上購買(mǎi)空間。這些服務(wù)器在企業(yè)客戶(hù)之間共享

如今，在這些行業(yè)中，這些不同類(lèi)型的數據中心如何投資于其基礎設施正在發(fā)生重大轉變。LightCounting和福布斯的報告稱(chēng)，云/ IT服務(wù)提供商的投資在上升，企業(yè)IT的投資在下降，如圖1所示。

這一轉變的進(jìn)一步證據體現在戴爾Oro服務(wù)器投資報告中，其中最大的一部分是用于安裝云類(lèi)型的設備。見(jiàn)圖2.

隨著(zhù)企業(yè)越來(lái)越多地決定將部分或全部基礎設施外包給IT服務(wù)提供商，結果不足為奇：取而代之的是更少的自建大型設施的數據中心。見(jiàn)圖3。

這些超大規模、多租戶(hù)數據中心結構化布線(xiàn)的要求可能不同于過(guò)去企業(yè)擁有設施的較小的單租戶(hù)的安裝，但TIA-942提供指導。

TIA-942總是推薦有交叉連接和互連區域的星型結構。這個(gè)標準定義了五種不同的交叉連接和互連區域：主配線(xiàn)區（MDA）、中間配線(xiàn)區（IDA）、水平配線(xiàn)區（HDA）、區域配線(xiàn)區（ZDA）和設備配線(xiàn)區（EDA）。 

這些區域代表從機架和機柜到路由器、交換機和其他組件的主要區域的完整網(wǎng)絡(luò )。TIA-942還提供了冗余定義的指導下，他們的排名分為四個(gè)等級，稱(chēng)為評級。等級1是最小冗余的最低層。等級4提供在數據中心結構化布線(xiàn)最高冗余，通常部署在大型IT服務(wù)提供商的數據中心。本標準所涵蓋的其他基本內容包括區域架構和能效指南。有關(guān)標準主題的簡(jiǎn)介，請參見(jiàn)表1。

當涉及結構化布線(xiàn)時(shí)，標準涉及主干和水平布線(xiàn)，如圖4所示。每個(gè)分布區域或正方形，都是有一個(gè)接入面板。

各個(gè)區域需要多少的光纖取決于網(wǎng)絡(luò )的速度、網(wǎng)絡(luò )的架構、超額認購和交換機的配置。讓我們看看這些考慮下的幾個(gè)例子來(lái)說(shuō)明它們是如何影響數據中心的光纖數量。

表2顯示了當數據中心網(wǎng)絡(luò )速率從10G遷移到100G時(shí)如何影響光纖數量計算的。左邊是物理架構，有四個(gè)機架或機柜，每個(gè)機柜或機架上有一個(gè)架頂的交換機和一個(gè)列頭的交換機。接下來(lái)是TIA-942推薦的星型結構布線(xiàn)的邏輯結構，最后最右邊的是網(wǎng)絡(luò )速率。10G需要2芯光纖的支持；40G可以通過(guò)2芯或8芯的光纖運行；而100G需要2芯、8芯甚至20芯的光纖，這取決于收發(fā)器的情況。所以你看，取決于網(wǎng)絡(luò )的速率，一個(gè)端口需要少則2芯光纖或者多達20芯光纖。提要：網(wǎng)絡(luò )速率會(huì )影響光纖數量計算。檢查路由（以太網(wǎng)IEEE和存儲方面的光纖通道ANSI）以獲得每端口光纖數量的詳細信息。

現在讓我們看看網(wǎng)絡(luò )的邏輯結構是如何影響數據中心的光纖芯數的。表3中的示例，每個(gè)結構的速率都是用8芯傳40G連接每個(gè)交換機。點(diǎn)對點(diǎn)結構是最簡(jiǎn)單的，邏輯上是一個(gè)星型結構，物理上也是用8芯光纖連接每個(gè)機柜構成一個(gè)星型結構。一個(gè)完整的網(wǎng)狀結構將每個(gè)交換機連接到其他交換機，同樣的5個(gè)交換機相互需要用32芯光纖連接。這個(gè)邏輯網(wǎng)格在交叉連接處物理地被“線(xiàn)纜”連接，需要32芯光纖來(lái)完成。本例中的最后一個(gè)架構是脊葉結構，其中每個(gè)脊交換機（交換機1和2）必須連接到每個(gè)葉交換機（交換機3-5）。在具有相同五個(gè)交換機的相同物理配置中，脊葉邏輯結構需要16芯光纖。因此，根據數據中心的體系結構，它可以為每個(gè)機柜連接使用8芯、16芯或32芯光纖。重點(diǎn)：架構冗余增加了光纖數量。

接下來(lái)，讓我們考慮超額認購對光纖芯數的影響。簡(jiǎn)單地說(shuō)，超額認購是交換機的輸入與輸出通道的比值。在圖4的示例中，星型架構在物理上和邏輯上使用恒定的10G網(wǎng)絡(luò )速度。顯示的變量是超額認購率。該示例顯示了一個(gè)4:1的超額認購率，24個(gè)10G通道輸入，其中6個(gè)通道輸出；中間的示例顯示，24個(gè)10G通道輸入12個(gè)通道輸出，為2:1的比率；底部示例是1:1的比率，每個(gè)交換機的輸入和輸出都是 24個(gè)10G通道。根據超額認購率，所有其他變量保持不變，所需的每個(gè)交換機的光纖芯數可以是12, 24或48芯。重點(diǎn)：超額認購率越低，光纖數量越高。最終，超額認購率是網(wǎng)絡(luò )輸入/輸出交換需求的函數，也就是說(shuō)，光纖芯數也是由這一需求驅動(dòng)的。

最后，看看網(wǎng)絡(luò )交換機配置如何驅動(dòng)光纖芯數。使用固定的架構，并在機架上的所有服務(wù)器上運行10G速率，我們重新配置交換機右側發(fā)生的事情。在表5中，所有下行的通道是10G；兩個(gè)40G端口中是四通道小形狀可插拔的40G光收發(fā)器（QSFP），即8芯 MTP連接；他們分成四個(gè)10G端口實(shí)現多達16個(gè)端口，兩個(gè)40G端口用于上行，或2 x 8 = 16芯。在中間，我們看到同一個(gè)交換機，所有四個(gè)40G端口回到核心交換機-相當于8 x 4 = 32芯光纖。最后一個(gè)場(chǎng)景顯示，10G的均等分布于上行和下行，40G端口在16×10G端口拆分為10G，增加的10G端口使其總計達到64芯光纖。重點(diǎn)：只需決定如何配置交換機，就影響在這些情況下的光纖芯數從16, 32到64芯。 

請注意，此交換機配置僅針對這些服務(wù)器的以太網(wǎng)側。如果服務(wù)器有一個(gè)光纖通道網(wǎng)絡(luò )和/或用于無(wú)線(xiàn)寬帶技術(shù)（InfiniBand）高速計算的端口，光纖芯數將繼續攀升。

此外，我們已經(jīng)研究了四個(gè)變量如何獨立地增加數據中心所需的光纖芯數，因此想象混合變量可以在驅動(dòng)光纖芯數方面的影響甚至更高。改變網(wǎng)絡(luò )的運行速度會(huì )影響光纖芯數，當然，但是改變速度和架構呢？或者改變速度和超額認購率？已經(jīng)相對較高光纖芯數甚至會(huì )更高。

剩下的問(wèn)題是如何連接這種類(lèi)型的數據中心。典型地，今天越來(lái)越大的數據中心擴展到不同的位置，像如圖5所示企業(yè)園區。

室內光纜通常在每個(gè)建筑物內使用，通過(guò)室內/外通用光纜和過(guò)渡接頭盒進(jìn)行連接。見(jiàn)表6。

圖 5: 大型IT服務(wù)提供商數據中心 表 6: 數據中心布線(xiàn)區域 

當涉及部署方法時(shí)，有三個(gè)考慮要素：

預端接光纜：通常用于室內高密度布線(xiàn)，這些主干在工廠(chǎng)用8或12芯光纖MTP連接器端接。他們是理想的用于MDA到HDA或EDA的安裝，涉及橋架走線(xiàn)方式和地板走線(xiàn)，其中整個(gè)光纖芯數被部署運行在每個(gè)鏈接的末端的單一位置。見(jiàn)圖6。

尾纜：這些半預連接的組件在工廠(chǎng)一端用MTP連接器端接，以便于高光纖芯數的部署，同時(shí)在另一端不端接，以匹配小導管或允許現場(chǎng)長(cháng)度變化。在建筑安裝中經(jīng)常使用尾纜，對于管道太小而不能拉拽和在訂購之前不能確定線(xiàn)纜路徑的情況是理想的。請參閱圖7。

散狀光纜：此部署選項需要兩端的終端連接，通常使用MTP光學(xué)連接器。散狀電纜是最好的部署，需要中心拉拽安裝和極高的光纖芯數（如1728芯光纖或更高）。見(jiàn)圖 8。

表7 提供三種部署方法及其對應的光纖芯數的概述。將所有這些信息付諸實(shí)踐，下面的例子說(shuō)明了四路脊交換機是如何布線(xiàn)的以及由此產(chǎn)生的光纖芯數。表8來(lái)自思科的大規?？蓴U展的數據中心白皮書(shū)，展示了Nexus 7000交換機?；谥圃焐痰慕ㄗh，有48個(gè)葉交換機，32個(gè)端口下行到服務(wù)器和32個(gè)端口返回到矩陣。在這個(gè)例子中，我們使用兩個(gè)Cisco 3064交換機在每一個(gè)24個(gè)機柜的頂部創(chuàng )建一個(gè)“A” 矩陣和一個(gè)“B” 矩陣。圖9顯示了這些建議如何轉化為邏輯架構。

表7 提供三種部署方法及其對應的光纖芯數的概述。

將所有這些信息付諸實(shí)踐，下面的例子說(shuō)明了四路脊交換機是如何布線(xiàn)的以及由此產(chǎn)生的光纖芯數。表8來(lái)自思科的大規?？蓴U展的數據中心白皮書(shū)，展示了Nexus 7000交換機?；谥圃焐痰慕ㄗh，有48個(gè)葉交換機，32個(gè)端口下行到服務(wù)器和32個(gè)端口返回到矩陣。在這個(gè)例子中，我們使用兩個(gè)Cisco 3064交換機在每一個(gè)24個(gè)機柜的頂部創(chuàng )建一個(gè)“A” 矩陣和一個(gè)“B” 矩陣。圖9顯示了這些建議如何轉化為邏輯架構。

Cisco 四路脊交換機配置 

如圖10和表9所示，思科的脊葉結構指導提供了一個(gè)四路脊交換機與48個(gè)葉交換機。從機架開(kāi)始逆向作業(yè)，每個(gè)葉交換機向外有32個(gè)端口，轉換為每個(gè)交換機所需64芯光纖。在每個(gè)機架上有兩個(gè)交換機，每個(gè)機柜需要128芯光纖來(lái)支持這種結構。這個(gè)設計要求10G和1:1的超額認購，如前所述，我們將使用可被12整除的光纖芯數來(lái)繼續做這個(gè)例子。

當談到布線(xiàn)這個(gè)場(chǎng)景時(shí)，我們有不同的選項。它們不一定都是不錯的選項，就像圖11所描繪的那樣，使用跳線(xiàn)超過(guò)3000條。最好是將跳線(xiàn)合并成48、72芯光纜，如圖12所示。甚至更好的是選項3：使用高芯數主干，每個(gè)576芯光纖，使我們從3000個(gè)跳線(xiàn)降到六個(gè)576芯主干光纜。請參閱圖13。

為了理解為什么有些選項比其他選項更好，讓我們探討它們在數據中心中的初始安裝和不可避免的移動(dòng)、添加和變更時(shí)相對容易的使用（這意味著(zhù)花費精力）。表10說(shuō)明了一切。

高芯數主干案例的探討是它們對數據中心不動(dòng)產(chǎn)的有價(jià)值影響-布線(xiàn)的途徑。TIA569提供計算以了解布線(xiàn)中橋架/管道/走線(xiàn)槽占的百分比以及推薦的最大填充率不超過(guò)25%的建議。它可能不是直觀(guān)的，事實(shí)上，50%填充率實(shí)際上消耗了整個(gè)路徑，因為線(xiàn)纜之間的空間是方程的一部分。  考慮到這一點(diǎn)，參照圖14，使用3000個(gè)以上的跳線(xiàn)的第一個(gè)選項根本不是一種選擇。然而，第二個(gè)布線(xiàn)選項（48個(gè) 72芯光纖主干）在4×6英寸橋架中工作，但在4×4英寸橋架中就不太好。兩個(gè)橋架尺寸都可以很容易地容納六個(gè)576芯光纖主干選項。

結論

高芯數的主干光纜最適合今天的數據中心。只信靠12和24芯光纖主干連接每個(gè)機柜的日子不會(huì )再多了；現在，我們在關(guān)注那些規模和光纖芯數日益增長(cháng)來(lái)支持更高速度的數據中心，更大的超額認購率、冗余結構，創(chuàng )新的交換機配置。很明顯，大型設施是新的標準；企業(yè)IT客戶(hù)將繼續從小型租戶(hù)單一設施運營(yíng)商轉向外包全部或部分數據中心基礎設施。幸運的是，有成熟的結構化布線(xiàn)方法和多年經(jīng)驗解決數據中心挑戰的全球制造商以及TIA-942持續提供指導的保證。