康寧光通信馬銳：IT服務(wù)數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)淺析

　　Iccsz訊 康寧光通信企業(yè)網(wǎng)亞太區(qū)市場(chǎng)經(jīng)理馬銳對(duì)IT服務(wù)數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)進(jìn)行了淺析，隨著云計(jì)算技術(shù)安全性穩(wěn)定性的大幅提高，越來越多的企業(yè)開始使用第三方云服務(wù)來處理各種數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求。因此，云服務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的投入在未來幾年將會(huì)迅速增加，成為數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力。相比較而言，傳統(tǒng)企業(yè)IT基礎(chǔ)設(shè)施費(fèi)用則呈現(xiàn)出逐年下降的趨勢(shì)(如圖1所示)。

圖1. 全球網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施費(fèi)用細(xì)分市場(chǎng)對(duì)比趨勢(shì)  來源：LightCounting and Forbes

　　用于第三方IT服務(wù)的云數(shù)據(jù)中心與傳統(tǒng)企業(yè)數(shù)據(jù)中心對(duì)比，具有很多新的特點(diǎn)。云數(shù)據(jù)中心需要更高的帶寬，更低的時(shí)延，更大的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和更快的升級(jí)頻率等。2016年大約全球80%的40GbE光傳輸設(shè)備銷售額來自互聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)企業(yè)。從2017年開始由于云數(shù)據(jù)中心的驅(qū)動(dòng)100GbE光傳輸設(shè)備需求迅速增長。預(yù)計(jì)到2022年云服務(wù)對(duì)以太網(wǎng)收發(fā)器的需求將達(dá)到全球市場(chǎng)的70%(如圖2所示)，并且在2018年后開始帶動(dòng)200GbE和400GbE的銷售。相對(duì)而言，傳統(tǒng)企業(yè)對(duì)以太網(wǎng)收發(fā)器的需求將會(huì)保持平穩(wěn)，并將長期以10GbE網(wǎng)絡(luò)為主。本文中我們將根據(jù)IT服務(wù)類用戶的需求特點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)中心光纖類型的選擇，傳輸方式的選擇和布線結(jié)構(gòu)的選擇進(jìn)行淺析。

圖2. 全球以太網(wǎng)收發(fā)器銷售額分布($M)  來源：LightCounting

　　光纖類型的選擇

　　在數(shù)據(jù)中心以太網(wǎng)設(shè)計(jì)中，光纖類型的選擇需要根據(jù)數(shù)據(jù)中心對(duì)傳輸速率，傳輸距離等的需求進(jìn)行綜合考慮。目前云計(jì)算數(shù)據(jù)中心已經(jīng)普遍部署40G乃至100G以太網(wǎng)來支持日益增長的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求。多模光纖系統(tǒng)因技術(shù)成熟度高，總體成本較低等優(yōu)點(diǎn)，仍舊被大多數(shù)數(shù)據(jù)中心所采用。然而業(yè)界普遍認(rèn)為傳統(tǒng)的OM3/4多模光纖主要用來支持100m-150m的短距離傳輸。因此為了延長多模光纖在高速網(wǎng)絡(luò)中的傳輸距離，相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)組織正式命名了基于波分復(fù)用技術(shù)的OM5多模光纖。

表1. 使用不同光纖類型和收發(fā)器支持的40G/100G以太網(wǎng)最大傳輸距離對(duì)比

　　*COC=使用Corning產(chǎn)品測(cè)試

　　面對(duì)三種多模光纖，數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)人員應(yīng)該根據(jù)數(shù)據(jù)中心的實(shí)際需求進(jìn)行選擇。在表1中我們列出了不同光纖類型使用不同收發(fā)器時(shí)能夠支持40G/100G以太網(wǎng)的最大傳輸距離。目前因只有40G SR4和100G SR4是IEEE正式發(fā)布的國際標(biāo)準(zhǔn)，因此使用其他收發(fā)器類型的傳輸距離均為企業(yè)測(cè)試結(jié)果。根據(jù)表1數(shù)據(jù)可以看出在不使用SWDM收發(fā)器的前提下，OM5光纖與OM4光纖支持的40G/100G最大傳輸距離相同。而且通過使用eSR4收發(fā)器的并行通信方式，OM4光纖可以支持550m(40G)和300m(100G)的最大傳輸距離，均長于使用SWDM收發(fā)器下的OM5光纖的傳輸距離。因此在數(shù)據(jù)中心傳輸距離需要超過150m時(shí)OM5光纖并非唯一選擇。此外，康寧根據(jù)對(duì)過去三年部署的OM3和OM4數(shù)據(jù)中心通道長度的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，大約95%已部署OM3系統(tǒng)90%已部署OM4系統(tǒng)長度在100m以內(nèi)(如圖3所示)?？傮w來說OM3/OM4光纖能夠滿足90%的40G/100G數(shù)據(jù)中心連接需求。對(duì)于少數(shù)需要支持300m傳輸?shù)?A href="http://m.3xchallenge.com/site/CN/Search.aspx?page=1&keywords=%e6%95%b0%e6%8d%ae%e4%b8%ad%e5%bf%83&column_id=ALL&station=%E5%85%A8%E9%83%A8" target="_blank">數(shù)據(jù)中心，則可以使用OM4/eSR4或OM5/SWDM的組合方式。

圖3. 數(shù)據(jù)中心以太網(wǎng)OM3/4連接通道長度分布

　　傳輸方式的選擇

　　近年來云數(shù)據(jù)中心的發(fā)展持續(xù)驅(qū)動(dòng)對(duì)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?。傳統(tǒng)上我們一直在使用加快光源開關(guān)速率的方式在單一通道內(nèi)增加串行傳輸速率，例如從1G增加到10G。但隨著對(duì)更高速率網(wǎng)絡(luò)需求的大幅提升，傳統(tǒng)的串行傳輸方式已經(jīng)無法滿足數(shù)據(jù)中心發(fā)展的需要。目前能夠支持40G/100G網(wǎng)絡(luò)的傳輸方式主要可分為兩類，一類是基于WDM技術(shù)的串行傳輸方式，一類是通過在多根光纖上同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)的并行傳輸方式。我們?cè)诒?中簡述了兩種傳輸方式的優(yōu)缺點(diǎn)和主要應(yīng)用環(huán)境。

表2. WDM串行傳輸與并行傳輸方式的對(duì)比

　　與選擇光纖類型類似，選擇哪種傳輸方式主要根據(jù)數(shù)據(jù)中心部署速率，傳輸距離以及整體預(yù)算等進(jìn)行綜合考慮。目前大多數(shù)已部署的40G/100G數(shù)據(jù)中心均采用并行傳輸方式。主要原因有如下幾點(diǎn)。首先，采用并行傳輸可以滿足絕大多數(shù)40G/100G數(shù)據(jù)中心對(duì)傳輸距離的要求。此外，并行傳輸使用的收發(fā)器可以利用現(xiàn)有收發(fā)器的市場(chǎng)規(guī)模優(yōu)勢(shì)降低成本。例如40G收發(fā)器只需使用4個(gè)相同的10G光源和光組件，既有產(chǎn)品市場(chǎng)規(guī)模大，成熟度高，相應(yīng)的價(jià)格較低。如果使用40G波分復(fù)用收發(fā)器，則需要使用多個(gè)不同波長的光源，新波段的光源因處于產(chǎn)品生命周期的早期，成本較高。

　　并行傳輸方式被廣泛使用的另一個(gè)主要原因是并行傳輸支持端口分支應(yīng)用。使用并行傳輸方式的40G/100G光收發(fā)器既可以傳輸一路40G/100G信號(hào)，又可以同時(shí)傳輸4路獨(dú)立的10G/25G信號(hào)。這種方式給用戶帶來的一個(gè)最顯著的好處就是可以在相同的空間內(nèi)提高10G/25G端口的密度。我們以40G網(wǎng)絡(luò)為例來具體說明使用端口分支方式如何提高端口密度。

　　常規(guī)的帶有QSFP收發(fā)器端口的40G交換機(jī)板卡可以提供36個(gè)40G端口。如果我們使用端口分支的方式將一個(gè)40G端口分支為4個(gè)10G端口，則36個(gè)40G端口可以支持4×36=144個(gè)10G鏈路。比較而言，常規(guī)的帶有SFP+收發(fā)器端口的10G交換機(jī)板卡可以提供48個(gè)10G端口。如果需要達(dá)到同樣的10G端口數(shù)，則需要部署3個(gè)48口10G交換機(jī)。目前全球已出貨的40G QSFP交換機(jī)大概有一半應(yīng)用于10G端口分支。采用這種方式不但可以提高10G端口密度3倍左右，而且每個(gè)10G端口能耗可以降低60%，成本可以降低30%-45%。而且當(dāng)數(shù)據(jù)中心未來需要升級(jí)為全40G網(wǎng)絡(luò)時(shí)，無需重新購買40G收發(fā)器和交換機(jī)就可以平滑升級(jí)。同樣的方式也適用于100G乃至未來的200G/400G網(wǎng)絡(luò)(如圖4所示)。因此，在可以預(yù)見的未來，并行傳輸方式仍將被大多數(shù)高密度數(shù)據(jù)中心所采用。

圖4. 并行分支應(yīng)用演進(jìn)

　　布線結(jié)構(gòu)的選擇

　　為了應(yīng)對(duì)高速增長的數(shù)據(jù)處理需求，尤其是逐漸增加的數(shù)據(jù)中心內(nèi)服務(wù)器之間東西向的數(shù)據(jù)傳輸需求，云數(shù)據(jù)中心開始采用有別于傳統(tǒng)三層交換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的新型網(wǎng)絡(luò)來提高效率，降低時(shí)延。其中如圖5所示的脊葉(Spine-leaf)兩層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)近來被越來越多的云數(shù)據(jù)中心所采用。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)需要每一個(gè)脊交換機(jī)與每一個(gè)葉交換機(jī)相連，從而提高路由效率。隨著云數(shù)據(jù)中心規(guī)模的不斷增大，不但在一個(gè)數(shù)據(jù)中心內(nèi)部需要大量的布線連接，而且在一個(gè)園區(qū)內(nèi)的不同數(shù)據(jù)中心之間也需要大量的布線連接。數(shù)據(jù)中心內(nèi)和數(shù)據(jù)中心之間的全交叉互聯(lián)需求給布線結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及安裝測(cè)試等都帶來了新的挑戰(zhàn)。

圖5.傳統(tǒng)三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與脊葉(Spine-leaf)兩層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的對(duì)比

　　我們以圖6所示的網(wǎng)絡(luò)示意圖為例來分析使用不同布線方案對(duì)用戶的影響。如表3所示，我們對(duì)比三種不同的布線方式，LC跳線端到端直連，72芯MTP預(yù)端接光纜連接MDA和HDA配線區(qū)，576芯MTP預(yù)端接光纜連接MDA和HDA配線區(qū)。通過對(duì)比我們可以發(fā)現(xiàn)，方案2和方案3采用結(jié)構(gòu)化布線，預(yù)端接MTP光纜連接MDA和HDA配線區(qū)的方式相比較方案1跳線直連可以大大減少安裝，標(biāo)識(shí)，測(cè)試以及故障查找的工作量，從而降低安裝測(cè)試和維護(hù)的成本，并且可以大量節(jié)省時(shí)間滿足云計(jì)算數(shù)據(jù)中心對(duì)快速部署快速交付的要求。此外，在網(wǎng)絡(luò)需要遷移增加和變更時(shí)，方案1需要重新在兩層交換之間安裝端到端的長跳線，工作量大安裝難度高。而方案2和方案3只需在MDA或HDA配線區(qū)使用短跳線配置即可。

圖6. 脊葉兩層交換網(wǎng)絡(luò)配置示意圖

(10G網(wǎng)絡(luò)，4個(gè)脊交換機(jī)，48個(gè)葉交換機(jī)，每個(gè)葉交換機(jī)帶32個(gè)服務(wù)器，收斂比1：1。)

表3. 布線方案對(duì)比

　　使用MTP預(yù)端接光纜的結(jié)構(gòu)化布線方案對(duì)比LC跳線端到端直連的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以大量節(jié)省線槽資源(如圖7所示)。對(duì)于服務(wù)于第三方的云計(jì)算數(shù)據(jù)中心來說，空間的節(jié)省就代表著成本的節(jié)省。在部署高密度的數(shù)據(jù)中心時(shí)，使用預(yù)端接方案，特別是使用高芯數(shù)預(yù)端接光纜可以有效節(jié)省線槽資源。不但便于安裝鋪設(shè)，更有利于整個(gè)數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)的空氣流動(dòng)從而降低日常運(yùn)行時(shí)的制冷成本。

圖7.不同布線方案線槽占用率對(duì)比

        作者：康寧光通信企業(yè)網(wǎng)亞太區(qū)市場(chǎng)經(jīng)理馬銳