數據中心40/100G網(wǎng)絡(luò )設計

　　隨著(zhù)數據中心持續擴張和可擴展性的需求,布線(xiàn)基礎設施必須提供可靠性、可管理性和靈活性。部署一個(gè)光連接解決方案的基礎設施需要滿(mǎn)足當前和未來(lái)的數據速率的需求。選擇光學(xué)連接類(lèi)型的一個(gè)關(guān)鍵因素是可擴展性?？蓴U展性不僅是指數據中心額外增加的服務(wù)器,交換機,或者存儲設備的物理擴張,而且也指基礎設施的可擴展性來(lái)支持逐漸增加的數據速率的遷移途徑。隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展和標準完成，定義了數據速率如40/100G以太網(wǎng)、光纖通道(32G及更高),InfiniBand(40G及更高),布線(xiàn)基礎設施安裝如今必須提供可擴展性以適應更高的帶寬來(lái)支持未來(lái)的應用。

　　速度的需求

　　1G和10G的數據速率并不足以滿(mǎn)足未來(lái)高帶寬應用的需求。更高的數據數率的需求受制于很多因素。在數據中心環(huán)境中，例如交換和路由、虛擬化、匯聚和高性能計算環(huán)境，這些需要更高的網(wǎng)絡(luò )速度。此外,互聯(lián)網(wǎng)交換和服務(wù)提供商點(diǎn)對點(diǎn)互聯(lián)和高帶寬應用,如視頻點(diǎn)播將推動(dòng)從10G遷移到40/100G接口的需求。

　　IEEE 802.3ba 40G和100G以太網(wǎng)標準被批準

　　電氣和電子工程師協(xié)會(huì )(IEEE)802.3ba 40/100G以太網(wǎng)標準于2010年6月批準。標準提供了詳細的指導，40/100G的傳輸使用多模和單模光纖。標準沒(méi)有對CAT UTP/STP銅纜進(jìn)行指導。

　　OM3和OM4是唯一被納入標準的多模光纖。多模光纖在850nmVCSEL激光調整范圍利用并行光學(xué)傳輸代替串行傳輸，當時(shí)指導已被開(kāi)發(fā)。單模光纖指導利用雙路光纖波分復用(WDM)串行傳輸。40/100G多模光纖物理媒介相關(guān)(PMD)的轉化相比于單模光纖PMD的短距離互聯(lián)在數據中心中提供一個(gè)重要的價(jià)值定位。

　　并行光學(xué)傳輸,與傳統的串行傳輸相比,使用并行光學(xué)接口，數據同時(shí)在多條光纖上發(fā)送和接收。40/100G以太網(wǎng)接口分別是4x10G(圖1)通道在4條光纖每個(gè)方向和10x10G(圖2)通道在10條光纖每個(gè)方向。

圖1:40G并行光學(xué)傳輸

圖2:100G并行光學(xué)傳輸

　　表1提供了OM3和OM4光纖以太網(wǎng)規定的傳輸距離。每個(gè)距離假設1.5dB總連接器損耗除了OM440/100G的情況,假設1.0dB總連接器損耗。OM3和OM4完全有能力支持已有和新的數據速率,作為預期15-20年的使用壽命的物理層。當評估OM3和OM4布線(xiàn)基礎設施所需的性能以滿(mǎn)足40/100G以太網(wǎng)通道傳輸插入損耗的要求時(shí),應考慮三個(gè)條件:帶寬、全部連接器插入損耗,和傾斜角。所有這些因素可以影響布線(xiàn)基礎設施的能力以滿(mǎn)足標準規定的傳輸距離。

　　*10G標準推薦的距離

　　**工程長(cháng)度

表1：OM3和OM4以太網(wǎng)標準規定的距離

　　1.帶寬

　　OM3和OM4光纖被選為40/100G網(wǎng)絡(luò )唯一的多模光纖。光纖為850 nm傳輸優(yōu)化，分別具有最小2000MHz?km和4700 MHz?km有效模態(tài)帶寬(EMB)。兩個(gè)EMB測量技術(shù)是利用現有帶寬測量。最小有效模態(tài)帶寬(EMBc)計算方法提供了最可靠和精確的測量，相比差模態(tài)延遲(DMD)掩模技術(shù)。minEMBc是真正的可擴展的帶寬值計算,可以準確預測性能不同的數據速率和鏈接長(cháng)度。連接性解決方案使用OM3和OM4光纖使用minEMBc測量技術(shù),部署在數據中心的光學(xué)基礎設施將滿(mǎn)足IEEE設定的性能標準,光纖通道,InfiniBand帶寬。

　　2.插入損耗

　　插入損耗在當前數據中心布線(xiàn)部署中是一個(gè)關(guān)鍵的性能參數。在一個(gè)系統信道內的全部連接器損耗對于一個(gè)給定的數據速率，會(huì )影響系統處理超過(guò)最大可支持的距離的能力。40/100G以太網(wǎng)標準指定了OM3光纖100米距離最大信道損耗為1.9dB,其中包括一個(gè)1.5dB總連接器損耗。OM4光纖150米距離最大信道損耗為1.5dB,其中包括一個(gè)1.0dB總連接器損耗預算。MPO連接組件的插入損耗規范應被評估在設計數據中心布線(xiàn)基礎設施時(shí)。使用低損耗MPO連接組件,可以實(shí)現最大的靈活性，能夠引入多個(gè)連接器連接進(jìn)鏈路,這樣可以支持結構化布線(xiàn)結構。

　　3.傾斜角

　　IEEE 802.3ba標準包括一個(gè)79 ns的光學(xué)媒介傾斜角。并行光學(xué)傳輸光學(xué)傾斜角,光信號在不同光纖之間的傳輸時(shí)差,是一個(gè)關(guān)鍵的要素。過(guò)度傾斜,或延遲,通過(guò)不同信道,會(huì )發(fā)生傳播錯誤。MPO連接解決方案傾斜角測試已經(jīng)規范符合嚴格的0.75ns傾斜，是InfiniBand標準中定義的需求。連接解決方案的部署與嚴格的傾斜角性能確保布線(xiàn)基礎設施與各種各樣的應用的兼容性。當評估40/100G應用的光學(xué)布線(xiàn)基礎設施解決方案時(shí),選擇一個(gè)符合0.75 ns傾斜要求確保性能不僅為了40/100G,也是為了InfiniBand。此外,低傾斜角連接性解決方案保證光纜設計和提供終端長(cháng)期可靠運行的質(zhì)量和一致性。

　　在數據中心部署一個(gè)40/100G光學(xué)布線(xiàn)基礎設施

　　在數據中心被推薦的布線(xiàn)基礎設施部署是基于TIA-942指導，“數據中心電信基礎設施標準。”利用分布式星拓撲實(shí)現結構化布線(xiàn)，提供最靈活和可管理的基礎設施?，F今許多數據中心部署利用TIA-942規范減少拓撲，水平布線(xiàn)區(HDAs)被整合進(jìn)主布線(xiàn)區(MDA)。在這個(gè)整合架構中,布線(xiàn)被安裝在MDA和設備布線(xiàn)區之間(圖3)。

圖3：收縮/減少的星型拓撲結構

　　為了優(yōu)化性能滿(mǎn)足數據中心需求,布線(xiàn)基礎設施的拓撲結構不應該單獨選擇;基礎設施必須考慮拓撲結構和產(chǎn)品解決方案。

　　如今在數據中心部署所選擇的光纜必須支持未來(lái)應用的數據速率,如100G以太網(wǎng)，光纖通道≥32G和InfiniBand≥40G。為此,OM3或OM4光纖是必須的。而且是40/100G以太網(wǎng)標準包括的唯一多模光纖,OM3 OM4光纖提供最高的性能,以及在數據中心中結構化布線(xiàn)安裝通常需要擴展安裝距離。

　　除了討論性能要求,選擇物理連接也很重要。因為并行光學(xué)技術(shù)需要數據在多個(gè)光纖中同時(shí)傳輸,一個(gè)多芯光纖(或陣列)連接器是必需的。如今利用基于MPO連接器連接安裝,在需要的時(shí)候為遷移到這個(gè)多芯光纖并行光學(xué)接口提供了途徑。

　　工廠(chǎng)預端接MPO的解決方案允許通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的即插即用系統實(shí)現連接。滿(mǎn)足當今串行以太網(wǎng)應用的需要,MPO預端接主干/水平布線(xiàn)可以簡(jiǎn)單地安裝到預端接模塊,面板,或者分支跳線(xiàn)(圖4)。

圖4：預端接解決方案

　　光纜從10G遷移至40G-100G，使用基于MPO系統是一個(gè)簡(jiǎn)單容易的部署。從10G開(kāi)始,12芯光纖MPO光纜被部署在兩個(gè)10G交換機之間。模塊被使用在12芯光纖MPO到雙工LC之間進(jìn)行轉換，從而可以連接到交換機(圖5)。

圖5:通過(guò)12芯光纖MPO布線(xiàn)傳輸10G

　　當交換機遷移到40G,模塊被移除,取而代之的是一個(gè)12芯光纖MPO適配器面板。需要使用12芯光纖MPO跳線(xiàn)在交換機之間建立連接(圖6)。

圖6：通過(guò)12芯光纖MPO布線(xiàn)傳輸40G

　　未來(lái)的100G網(wǎng)絡(luò )需要24芯光纖MPO跳線(xiàn)建立鏈接。系統使用12芯光纖MPO主干布線(xiàn)將需要一個(gè)24芯光纖到兩個(gè)12芯光纖MPO的轉換跳線(xiàn)(圖7)。

圖7：通過(guò)12芯光纖MPO布線(xiàn)傳輸100G

　　多個(gè)損耗性能層級對MPO連接解決方案有效。正如連接器損耗在當前部署的應用(如10G以太網(wǎng))必須被考慮,插入損耗對于40/100G以太網(wǎng)應用也是一個(gè)關(guān)鍵因素。例如,IEEE 802.3ae定義了一個(gè)最大300米的距離，當使用OM3多模光纖傳輸10G以太網(wǎng)(10GBASE-SR)。為了實(shí)現這個(gè)距離,鏈接總損耗為2.6dB需要最大總連接器損耗為1.5 dB。隨著(zhù)信道的總連接器損耗增加到1.5dB以上,可支持的距離減少，信道損耗增大。當需要更長(cháng)的距離或多個(gè)連接器耦合時(shí),低損耗性能模塊和連接可能是必要的。

　　同樣,對于類(lèi)似的40/100G以太網(wǎng)，總連接器損耗是必須被考慮的。MPO連接器耦合的最大連接器損耗規格為0.5dB和0.35dB，提供基礎設施變化的設計，物理連接和信道距離應被考慮來(lái)做出最終產(chǎn)品性能的選擇。

　　表2總結了IEEE 802.3 10G/40G/100G 距離和鏈接的損失的標準。

表2: IEEE 802.3

　　鏈路損耗從10G遷移到40G再到100G，使用基于MPO的系統是一個(gè)簡(jiǎn)單和容易的部署。

　　在這個(gè)例子中,兩個(gè)50米鏈路從MDA到HDA的連接，部署10G交換機,損耗的計算是從HDA到MDA以及HDA到HDA的。然后損耗與表2進(jìn)行對比，在這種情況下,10G網(wǎng)絡(luò )的兩個(gè)鏈接最大損耗應低于2.6 dB(圖8)。

圖8:10G鏈路損耗在12芯MPO布線(xiàn)

　　隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )遷移到40G,鏈路損耗要求更加嚴格。在這個(gè)例子中,兩個(gè)50米鏈路從MDA到HDA鏈接，部署40G交換機,損耗的計算是從MDA到HDA,以及HDA到HDA。然后損耗與表2進(jìn)行對比。在這種情況下,使用OM3光纖的40G網(wǎng)絡(luò )，兩個(gè)鏈接最大損耗應低于1.9 dB(圖9)。

圖9:40G鏈路損耗在12芯MPO布線(xiàn)

　　隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )遷移到100G,鏈路損耗的需求跟40G是一樣的。在這種情況下,兩個(gè)50米鏈路從MDA到HDA連接，部署100G交換機，損耗計算是從MDA到HDA，以及HDA到HDA，然后損耗與表2進(jìn)行對比。在這種情況下,使用OM3光纖的100G網(wǎng)絡(luò )，兩個(gè)鏈接最大損耗應低于1.9 dB(圖10)。

圖10:100G鏈路損耗在12芯MPO布線(xiàn)

　　為未來(lái)做好準備

　　為了最好地滿(mǎn)足未來(lái)的需要,基于MPO的連接利用OM3或OM4光纖是在數據中心最理想的解決方案。與生俱來(lái)的模塊化和靈活性的優(yōu)化,與TIA-942標準兼容的結構化布線(xiàn)安裝,基于MPO的光纖系統可以被安裝在現今的應用中使用,同時(shí)提供一個(gè)簡(jiǎn)單的遷移途徑到未來(lái)高速如40/100G以太網(wǎng)技術(shù)。

　　作者：康寧光通信中國 市場(chǎng)技術(shù)部著(zhù)