数据中心的发展:如何克服布线的挑战

由罗恩格伦和拉塞尔柯克兰，康宁公司
出现在布线安装与维护2018年7月

数据中心内部的技术正在发生变化。但在我们花时间讨论如何做之前，我们需要先谈谈为什么。2017年，近2.5亿用户首次登录互联网，2018年用户数量已同比增长7%。社交媒体每秒钟有11个新用户，平均每人每天至少花6个小时在网上。在全球范围内，预计到2020年，全球每人将拥有6到7台手机，而在美国每人将拥有13台。那么这些有什么重要的呢?

答案很简单:收益。几乎所有的公司都有网站来吸引客户并与客户互动，电子商务在2017年赚了近1.5万亿美元。如果你的网站加载时间超过3秒，你可能会失去近四分之一的访问者。仅仅一秒钟的延迟就意味着11%的页面浏览量的损失和7%的转化率的下降。埃里克森进行的一项研究表明，几秒钟的视频缓冲会引发焦虑水平的上升，就像独自观看恐怖片或试图解决复杂的数学问题一样。所有这些都转化为对更快连接和更大容量的需求。

服务器活动在过去几年中有所增加，预计这种增加将继续下去。服务器速度驱动收发器销售和开发。从图1中可以看到，1G连接正在迅速成为遗迹，很快10G连接也将消失。25G收发器目前已经在市场上站稳了脚跟，但在未来几年内应该会被50G所取代。此外，许多超大规模和云数据中心有望率先采用100G服务器速度。这些更高的服务器速度可以由相同数据速率的2光纤收发器或在交换机上利用并行光学和间断能力的40、200、100和400G的并行光收发器来支持。

收发器制造商使用几种不同的技术来实现这些不断增长的数据速率。无论收发器之间的连接是多模还是单模光纤，这些不同的技术都依赖于相同的基本工具。第一个也是最简单的方法就是增加波特率。换句话说，它只是你打开或关闭激光的速度。第一种方法适用于较低的数据速率，如10G，但在较高的数据速率时就会出现问题，因为信噪比开始成为一个问题。

下一个选择是增加纤维的数量。在使用两根光纤创建10G或25G连接的情况下，现在可以使用8根光纤通过在并行传输场景中使用几对光纤创建40G或100G连接。接下来，我们可以增加波长的数量。这是通过使用多个源并将信号复用到单个光纤中，并在接收到信号后对其进行解复用来实现的。这通常被称为WDM，或波分复用。

实现更高数据速率的另一种方法是改变调制的格式。该收发器可以使用脉冲幅度调制(PAM4)，而不是使用简单的非归零或NRZ，在同一时隙中携带四倍的数据量。较高的数据速率，无论使用NRZ还是PAM4，都需要某种向前的纠错算法。由于噪声对PAM4的影响更大，因此需要更复杂的FEC算法。不管使用哪一种方法，最终，你看到的要么是2根或8根光纤的解决方案。有一些早期的400G解决方案可能使用16或32根光纤，但都可以使用8根光纤(base-8)基础设施实现。

选择双工(2光纤)和并联(8光纤)解决方案似乎是一个简单的选择，因为您看到了收发器的传统连接方式，但我们将花一些时间来探索这两种选择。我们将根据价格、功耗、密度和灵活性对每个选项进行评估。

企业数据中心的链路平均长度为49米，90%以上的链路长度小于100米。因此，对于大多数数据中心来说，多模光纤和相关光学设备足以满足大多数链路的要求。对于大于100米的链路，单模并行光学链路是一个有效的选择。此外，PSM4和SR4光学器件的价格点具有可比性。由于这个原因，大多数超大规模和云数据中心几乎只使用单模链路。对于双工连接，必须开发新的组件以实现更高的数据速率。相比之下，并行光连接利用现有技术来构建下一代收发器。此外，并行光学可以利用四个非冷却激光器或一个单独的激光器与一个波导分离器和四个调制器耦合。这些特性不仅使它们的制造成本更低，而且还降低了它们的总体功耗。

大多数数据中心所有者和管理者都同意，电力是数据中心内最大的单一运营支出。因此，任何能够降低能耗的地方都将对整体运营产生重大影响。一个10G的连接使用1W的功率。相比之下，一个40G的并联光学器件消耗1.5W的功率。由于并行光解决方案为每个收发器提供了4个10G链路，因此您可以实现相同数量的10G连接，并节省60%的电力。另一个需要考虑的问题是冷却的成本。一般来说，你的电子产品每消耗1kw的电力，就需要1kw的冷却。因此，电子产品功耗的减少也转化为由于冷却而产生的功耗的减少。

利用并行光学链接还有助于降低总拥有成本(TCO)，提供了一个显著密集的解决方案。大多数高密度SFP+交换线卡通常最多提供48个端口。您可以购买36口的高密度QSFP线卡。如果在断接模式下操作线路卡，那么每个端口现在都可以用作4个10G端口。因此，使用一个QSFP线路卡，您可以支持多达144条10G链路。这将使交换机的密度增加两倍，从而减少支持网络所需的线路卡数量。这意味着更少的电源、风扇盒、监控器、系统控制器、fabric模块和软件许可证。因此，与部署使用离散10G端口的系统相比，部署使用并行光学系统的成本要低85%。这减少了底盘和线路卡的数量，创造了额外的电力和冷却成本节省约67%。

为了利用这些节约成本的特性，结构化布线系统必须支持8根光纤连接。使用base-8结构的电缆系统为您在系统设计中提供了最大的灵活性和更清晰的迁移路径，从而实现更高的数据速率。如果您使用并行光学技术来实现最大密度和节省电力，那么您现在就有了升级系统的明确路径。随着网络从断接10/25G迁移到原生40/100G，断接模式下使用的现有40/100G光学和线路卡可以继续用于操作原生40/100G链路。现在，通过开关、线路卡和相关的并行光收发器，可以实现两代速度。

随着数据中心的不断发展，数据中心管理者面临着许多问题。其中一些已经讨论过了，但是这种增长也会影响现在和将来支持这些技术的电缆基础设施。布线基础设施需要满足部署截止日期的要求，需要易于安装，不必担心过度设计，并且仍然能够轻松升级，以满足技术丰富的环境的需求。换句话说，布线基础设施需要可靠(24 x 7 x 365的正常运行时间)、灵活(模块化以适应变化)和可伸缩(支持数据中心的增长)。

结构化布线的部署并不是一个新概念。数据中心环境继续远离安装时对设备进行补丁和连接的做法。数据中心光缆系统使用多光纤连接器，称为预端中继。一般情况下，预端中继由12 ~ 144根光纤组成，用于连接数据中心的不同区域。但是，不断增加的数据中心占用空间和正在部署的不断变化的网络架构正在导致这些典型的主干大小不够。这些主干现在被要求在室内额定组件中拥有288,432甚至576根纤维。使用高纤维数的主干将允许电缆路径中更大的纤维密度。更大的中继还可以减少电缆拉力的数量，从而减少部署所需的时间。电缆拉力的减少也降低了整体安装成本。

图4描述了三种不同部署场景的光纤密度。

总共4,440根光纤，使用370 x 12根mtp - mtp边缘干线

总共13,680根光纤，使用95 x 144根mtp - mtp边缘干线

总共16,128根光纤，使用56 x 288光纤mtp到mtp边缘干线

数据中心开始超越单一建筑或数据大厅的限制。最大的数据中心正在发展到包括多幢建筑，这些校园环境要求电缆基础设施包括预先终止的多纤维连接器辫子主干或散装电缆安装。这些利用室内/室外电缆的辫子主干的纤维数可达864根。连接性的需求使得大量电缆的纤维数量从864根增加到1728根和3456根。

可以部署各种解决方案来满足高纤维数的要求。我们将根据安装环境讨论可以使用的三个选项。在所有这些场景中，唯一不变的是使用多光纤连接器。这些连接器的结果是更快的安装时间，并提供了从2光纤收发器到8光纤收发器的路径。利用结构化电缆和多光纤连接器可以部署断接应用程序，从而降低TCO。

数据中心内各区域间互联时，需要部署多根光纤中继。例如，从主分布区(MDA)到水平分布区(HDA)或设备分布区(EDA)。中继将与中继的多光纤连接器连接到带有所述壳体的模块或适配器面板上的光纤配电箱。这允许通过跳线连接到活动组件。MTP中继部署在数据中心的一个房间内，但如果路径允许通过一个牵引抓地力(容纳多光纤连接器并保护它们)，则可以被拉到相邻的房间。需要注意的一件重要的事情是，这些主干的部署需要仔细规划，以确保适当的主干长度是正确的，并且可以实现清晰的路径。

辫子中继部署在两个应用程序中的一个中。

1. 当有堵塞的通道(管道)和牵引抓手不能通过这些通道。
2. 当从一栋建筑的不同楼层或数据中心园区的不同建筑连接数据中心房间时。

除了前面的应用程序外，如果数据中心两个区域之间的确切距离不完全知道，可能需要使用辫子中继。

在拔出辫子主干后，需要采取额外的步骤为它们的终止做准备。这些步骤包括接触电缆以暴露光纤和分岔电缆以保护光纤分布外壳后部的光纤。电缆裸露的一端将与多纤维拼接连接器，辫子组件，辫子盒式或预先存根外壳连接。

高纤数电缆采用带状化光纤，使一根电缆的纤维密度最大化。与光纤密度相比，带状电缆的外径较小，可以在拥塞的线路中部署。如前所述，这些电缆可以包含864、1728和3456纤维。

这些电缆的终端可以使用多纤维连接器，辫子组件，辫子盒，或预先存根外壳。与预终止电缆相比，这些类型的部署可以增加部署时间。这是因为电缆的两端需要准备终端与分叉套件，以保护带状光纤在光纤分配外壳。现场端接电缆的光学性能可能不如工厂预端接电缆。

我们已经讨论了数据中心经理在规划新数据中心时必须考虑的许多主题。随着数据中心的规模不断增长，这些主题只会使规划更具挑战性。但是，了解不断增加的技术变化和未来的数据中心需求可以使数据中心设计过程更有价值，还可以增加TCO。