数据中心的发展:如何克服布线的挑战

By Ron Gruen和Russell Kirkland，康宁公司
出现在电缆安装和维护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之前，我们需要首先从为什么开始。2017年，近25亿用户首次登录互联网，2018年用户数量同比增长7%。社交媒体每秒钟有11个新用户，据估计，平均每人每天至少在网上花费6小时。在全球范围内，预计到2020年，全球每人将拥有6到7台设备，美国每人将拥有13台设备。那么为什么这些很重要呢?

答案很简单:收入。几乎所有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三秒，你可能会失去近四分之一的访问者。仅仅一秒钟的延迟就相当于11%的页面浏览量损失和7%的转化率下降。Ericsson进行的一项研究表明，几秒钟的视频缓冲可以引发与独自观看恐怖电影或试图解决复杂数学问题相同的焦虑水平的增加。所有这些都意味着对更快的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的销售和开发。如图1所示，1G连接很快就会过时，很快10G连接也会消失。25G收发器目前已在市场上站稳脚跟，但在未来几年内将被50G取代。此外，许多超大规模和云数据中心预计将率先采用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光纤收发器或交换机上利用并行光学和断开功能的40g、200g、100g和400G的并行光收发器支持。

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使用多模光纤还是单模光纤，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，就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，比如10G，但在较高的数据速率下，信噪比开始成为一个问题。

下一个选择是增加纤维的数量。您使用两根光纤来创建10G或25G连接，现在您可以使用八根光纤来创建40G或100G连接，在并行传输场景中使用几对光纤。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多路复用到单个光纤中，并在接收到信号后对其进行多路复用来实现的。这通常被称为WDM或波分多路复用。

另一种实现更高数据速率的方法是改变调制的格式。与使用简单的不归零或NRZ不同，收发器可以使用脉冲幅度调制(PAM4)在同一时隙中携带四倍的数据量。更高的数据速率，无论是使用NRZ还是PAM4，都需要某种前向纠错算法。由于噪声对PAM4有更大的影响，因此需要更复杂的FEC算法。不管使用哪一种方法，最终，你看到的都是2光纤或8光纤的解决方案。有一些早期的400G解决方案可能使用16根或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)与并行(8光纤)解决方案似乎是一个简单的选择，因为您可以查看收发器的传统连接方式，但我们将花一些时间来探索这两个选项。我们将根据价格、功耗、密度和灵活性对每个选项进行评估。

对于企业数据中心，平均链路长度为49米，超过90%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器件足以满足大多数链路的需求。对于大于100米的链路，单模平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全部采用单模链路。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，平行光连接利用现有技术来构建下一代收发器。此外，并行光学系统可以利用四个非冷却激光器或一个与波导分配器和四个调制器耦合的激光器。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整体功耗。

大多数数据中心所有者和管理人员都同意，电力是数据中心内部最大的运营支出。出于这个原因，我们可以降低功耗的任何地方都将对整体运营成本产生重大影响。单个10G连接使用1W的功率。相比之下，一个40G的平行光学器件只消耗1.5W的功率。由于并行光学解决方案为每个收发器提供4个10G链路，因此可以实现相同数量的10G连接，并节省60%的功耗。另一个需要注意的问题是冷却的成本。一般来说，你的电子产品每消耗1千瓦的电力，就需要1千瓦的冷却。因此，电子产品功耗的降低也转化为由于冷却而降低的功耗。

利用平行光学链路还有助于通过提供显著密集的解决方案来降低总拥有成本(TCO)。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。如果您以中断模式操作线路卡，那么每个端口现在都可以用作四个10G端口。因此，使用一个QSFP线路卡，您最多可以支持144条10G链路。这使交换机的密度增加了三倍，从而减少了支持网络所需的线路卡的数量。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降低了85%。机箱和线路卡数量的减少可额外节省约67%的电力和冷却成本。

为了利用这些节约成本的特性，必须将结构化布线系统设置为支持8光纤连接。使用base-8结构布线系统可使您在系统设计中获得最大的灵活性，并使您可以更清晰地迁移到更高的数据速率。如果您使用并行光学来实现最大密度和节能，那么您现在就有了一条升级系统的清晰路径。当网络从断接10/25G迁移到本机40/100G时，在断接模式中使用的现有40/100G光学器件和线卡可以继续用于操作本机40/100G链路。你现在有能力两代速度的开关，线路卡，和相关的并行光收发器。

随着数据中心的不断发展，数据中心经理面临着许多问题。其中一些已经讨论过，但这种增长也会影响现在和将来支持这些技术的布线基础设施。布线基础设施需要满足部署期限的要求，需要易于安装而不必担心过度设计，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正常运行时间)、灵活(模块化以适应变化)和可扩展(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在安装设备时对其进行修补和连接的做法。数据中心光纤布线系统使用多光纤连接器，称为预端中继。一般情况下，预端中继的长度为12 ~ 144根光纤，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导致这些典型的中继尺寸不足。这些中继现在要求在室内额定组件中具有288,432，甚至576根纤维。使用高纤维计数中继将允许在电缆路径中有更大的纤维密度。较大的中继还可以通过减少电缆牵引次数来减少所需的部署时间。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4440根光纤，使用370根12根光纤MTP-to-MTP EDGE中继

总共13680根光纤，使用95 x 144根光纤MTP-to-MTP EDGE中继

16,128根光纤，使用56根288根光纤MTP-to-MTP EDGE中继

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个建筑物，这些校园环境要求电缆基础设施包括预先端接的多光纤连接器辫子主干或批量电缆安装。这些利用室内/室外电缆的辫子主干可以有高达864根纤维。连接要求将散装电缆光纤数量推高至864根以上，达到1728根和3456根。

可以部署各种解决方案来满足高纤维计数的要求。我们将讨论根据安装环境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。这些连接器导致更快的安装时间，并提供了从2光纤收发器到8光纤收发器的路径。利用结构化布线和多光纤连接器将允许部署断开应用，从而降低TCO。

数据中心内各区域之间的互连需要部署多光纤中继。例如，从主分布区域MDA (main distribution area)到水平分布区域HDA (horizontal distribution area)或设备分布区域EDA (equipment distribution area)。中继将落在光纤配电外壳上，中继的多光纤连接器连接到带有该外壳的模块或适配器面板。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容纳多光纤连接器并保护它们的拉握，则可以拉到相邻的房间。需要注意的一件重要事情是，这些干线的部署需要仔细规划，以确保适当的干线长度是正确的，并且可以获得清晰的路径。

辫子状主干部署在两个应用程序之一中。

1. 当有一个拥挤的途径(管道)和拉握不能通过这些途径。
2. 当从建筑物的不同楼层或数据中心园区的不同建筑物连接数据中心房间时。

除了前面的应用程序之外，如果数据中心的两个区域之间的确切距离不确切地知道，那么可能需要一个辫子主干。

在猪尾干被拉扯后，需要额外的步骤来为终止做准备。这些步骤包括接触电缆以暴露光纤，并将电缆分叉以保护光纤分布壳体后部的光纤。电缆的裸端将与多光纤拼接连接器、尾辫组件、尾辫盒或预存根外壳连接。

高纤维计数电缆利用带状纤维，以最大限度地提高一根电缆的纤维密度。与光纤密度相比，带状电缆具有较小的外径(OD)，这使得电缆可以部署在拥挤的通道中。如前所述，这些电缆可以包含864、1728和3456根光纤。

这些电缆的终端可以使用多光纤连接器、尾辫组件、尾辫盒或预存根外壳进行。与预接电缆相比，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使用分叉套件来终止，以保护光纤分布壳体中的带状光纤。场端电缆的光学性能可能不如工厂预端电缆。

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。随着数据中心规模的不断增长，这些问题只会使规划更具挑战性。但是，意识到不断增长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，也可以提高TCO。