數據中心40/100G網絡設計

　　隨著數據中心持續擴張和可擴展性的需求,布線基礎設施必須提供可靠性、可管理性和靈活性。部署一個光連接解決方案的基礎設施需要滿足當前和未來的數據速率的需求。選擇光學連接類型的一個關鍵因素是可擴展性?？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支持逐漸增加的數據速率的遷移途徑。隨著技術的發展和標準完成，定義了數據速率如40/100G以太網、光纖通道(32G及更高),InfiniBand(40G及更高),布線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支持未來的應用。

　　速度的需求

　　1G和10G的數據速率并不足以滿足未來高帶寬應用的需求。更高的數據數率的需求受制于很多因素。在數據中心環境中，例如交換和路由、虛擬化、匯聚和高性能計算環境，這些需要更高的網絡速度。此外,互聯網交換和服務提供商點對點互聯和高帶寬應用,如視頻點播將推動從10G遷移到40/100G接口的需求。

　　IEEE 802.3ba 40G和100G以太網標準被批準

　　電氣和電子工程師協會(IEEE)802.3ba 40/100G以太網標準于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。標準沒有對CAT UTP/STP銅纜進行指導。

　　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傳輸代替串行傳輸，當時指導已被開發。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(PMD)的轉化相比于單模光纖PMD的短距離互聯在數據中心中提供一個重要的價值定位。

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

圖1:40G并行光學傳輸

圖2:100G并行光學傳輸

　　表1提供了OM3和OM4光纖以太網規定的傳輸距離。每個距離假設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布線基礎設施所需的性能以滿足40/100G以太網通道傳輸插入損耗的要求時,應考慮三個條件: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基礎設施的能力以滿足標準規定的傳輸距離。

　　*10G標準推薦的距離

　　**工程長度

表1：OM3和OM4以太網標準規定的距離

　　1.帶寬

　　OM3和OM4光纖被選為40/100G網絡唯一的多模光纖。光纖為850 nm傳輸優化，分別具有最小2000MHz?km和4700 MHz?km有效模態帶寬(EMB)。兩個EMB測量技術是利用現有帶寬測量。最小有效模態帶寬(EMBc)計算方法提供了最可靠和精確的測量，相比差模態延遲(DMD)掩模技術。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度。連接性解決方案使用OM3和OM4光纖使用minEMBc測量技術,部署在數據中心的光學基礎設施將滿足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部署中是一個關鍵的性能參數。在一個系統信道內的全部連接器損耗對于一個給定的數據速率，會影響系統處理超過最大可支持的距離的能力。40/100G以太網標準指定了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基礎設施時。使用低損耗MPO連接組件,可以實現最大的靈活性，能夠引入多個連接器連接進鏈路,這樣可以支持結構化布線結構。

　　3.傾斜角

　　IEEE 802.3ba標準包括一個79 ns的光學媒介傾斜角。并行光學傳輸光學傾斜角,光信號在不同光纖之間的傳輸時差,是一個關鍵的要素。過度傾斜,或延遲,通過不同信道,會發生傳播錯誤。MPO連接解決方案傾斜角測試已經規范符合嚴格的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應用的光學布線基礎設施解決方案時,選擇一個符合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期可靠運行的質量和一致性。

　　在數據中心部署一個40/100G光學布線基礎設施

　　在數據中心被推薦的布線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現結構化布線，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，水平布線區(HDAs)被整合進主布線區(MDA)。在這個整合架構中,布線被安裝在MDA和設備布線區之間(圖3)。

圖3：收縮/減少的星型拓撲結構

　　為了優化性能滿足數據中心需求,布線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應用的數據速率,如100G以太網，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。因為并行光學技術需要數據在多個光纖中同時傳輸,一個多芯光纖(或陣列)連接器是必需的。如今利用基于MPO連接器連接安裝,在需要的時候為遷移到這個多芯光纖并行光學接口提供了途徑。

　　工廠預端接MPO的解決方案允許通過一個簡單的即插即用系統實現連接。滿足當今串行以太網應用的需要,MPO預端接主干/水平布線可以簡單地安裝到預端接模塊,面板,或者分支跳線(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系統是一個簡單容易的部署。從10G開始,12芯光纖MPO光纜被部署在兩個10G交換機之間。模塊被使用在12芯光纖MPO到雙工LC之間進行轉換，從而可以連接到交換機(圖5)。

圖5:通過12芯光纖MPO布線傳輸10G

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

圖6：通過12芯光纖MPO布線傳輸40G

　　未來的100G網絡需要24芯光纖MPO跳線建立鏈接。系統使用12芯光纖MPO主干布線將需要一個24芯光纖到兩個12芯光纖MPO的轉換跳線(圖7)。

圖7：通過12芯光纖MPO布線傳輸100G

　　多個損耗性能層級對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)必須被考慮,插入損耗對于40/100G以太網應用也是一個關鍵因素。例如,IEEE 802.3ae定義了一個最大300米的距離，當使用OM3多模光纖傳輸10G以太網(10GBASE-SR)。為了實現這個距離,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。當需要更長的距離或多個連接器耦合時,低損耗性能模塊和連接可能是必要的。

　　同樣,對于類似的40/100G以太網，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做出最終產品性能的選擇。

　　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的系統是一個簡單和容易的部署。

　　在這個例子中,兩個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進行對比，在這種情況下,10G網絡的兩個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

　　隨著網絡遷移到40G,鏈路損耗要求更加嚴格。在這個例子中,兩個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進行對比。在這種情況下,使用OM3光纖的40G網絡，兩個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

　　隨著網絡遷移到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進行對比。在這種情況下,使用OM3光纖的100G網絡，兩個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

　　為未來做好準備

　　為了最好地滿足未來的需要,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。與生俱來的模塊化和靈活性的優化,與TIA-942標準兼容的結構化布線安裝,基于MPO的光纖系統可以被安裝在現今的應用中使用,同時提供一個簡單的遷移途徑到未來高速如40/100G以太網技術。

　　作者：康寧光通信中國 市場技術部著