数据中心的发展:如何克服其布线挑战

作者:Ron Gruen和Russell Kirkland，康宁公司yobet评论
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，我们需要先从为什么开始。2017年，近2.5亿用户首次登录互联网，2018年用户数量已经同比增长7%。社交媒体每秒钟就有11个新用户，据估计，平均每人每天上网至少6个小时。在全球范围内，预计到2020年，全球每人将拥有6至7台智能手机，美国每人将拥有13台。为什么这些都很重要呢?

答案很简单:收入。几乎所有公司都有网站来吸引客户并与之互动，2017年电子商务收入近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%的转换减少。爱立信进行的一项研究表明，几秒钟的视频缓冲可以引发焦虑程度的增加，就像独自看一部恐怖电影或试图解决复杂的数学问题一样。所有这些都意味着需要更快的连接和更大的容量。

服务器活动在过去几年中有所增加，预计这种增长将继续下去。服务器速度驱动收发器的销售和开发。如图1所示，1G连接正在迅速成为遗迹，很快10G也将消失。25G收发器目前在市场上有一个立足点，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预计将成为100G服务器速度的早期采用者。这些更高的服务器速度可以由具有相同数据速率的双光纤收发器或交换机上使用并行光学和断路功能的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提高波特率。换句话说，这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，如10G，但在较高的数据速率下，信噪比开始成为问题。

下一个选择是增加纤维的数量。在您使用两根光纤创建10G或25G连接的地方，现在您可以使用八根光纤通过在并行传输场景中使用几对光纤来创建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。而不是使用简单的不归零或NRZ，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的影响要大得多，因此需要更复杂的FEC算法。不管使用哪一种方法，最终，您看到的是2或8根光纤的解决方案。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)基础设施来实现。

当您查看收发器的传统连接方式时，选择双工(2根光纤)还是并行(8根光纤)解决方案似乎是一个简单的选择，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、密度和灵活性来评估每种选择。

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，多模光纤和相关的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，单模平行光链路是一个有效的选择。此外，PSM4和SR4光学器件的价格点是相当的。由于这个原因，大多数超大规模和云数据中心几乎完全采用单模链路。对于双工连接，必须开发新的组件来实现更高的数据速率。相比之下，并行光学连接利用现有技术来构建下一代收发器。此外，平行光学可以利用四个非冷却激光器或一个激光耦合波导分频器和四个调制器。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总体功耗。

大多数数据中心所有者和管理人员都会同意，电力是数据中心内最大的运营费用。出于这个原因，我们可以降低功耗的任何地方都将对总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，40G并行光消耗1.5W的功率。由于并行光解决方案为每个收发器提供4个10G链路，因此您可以实现相同数量的10G连接，同时节省60%的功率。另一个需要考虑的是冷却成本。一般来说，电子设备每消耗1千瓦的电力，就需要1千瓦的冷却。因此，电子设备耗电量的减少也转化为冷却耗电量的减少。

利用并行光链路还有助于通过提供显着更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端口的高密度QSFP线卡。如果您在断接模式下操作该线卡，那么每个端口现在都可以用作四个10G端口。因此，使用单个QSFP线路卡，您可以支持多达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卡数量。这意味着更少的电源、风扇托盘、管理器、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，部署使用并行光学的系统成本降低了85%。机箱和线卡数量的减少创造了大约67%的额外电源和冷却成本节省。

为了利用这些节省成本的属性，您的结构化布线系统必须设置为支持8光纤连接。使用基数为8的结构化布线系统为您提供了最大的系统设计灵活性和更清晰的迁移路径，以实现更高的数据速率。如果您采用并行光学来实现最大密度和节能，那么您现在就有了升级系统的明确途径。随着网络从断接10/25G迁移到本地40/100G，现有的40/100G光器件和在断接模式下使用的线卡可以继续用于运行本地40/100G链路。现在，您可以从交换机、线卡和相关的并行光收发器中获得两代速度。

随着数据中心的不断发展，数据中心管理人员面临着许多问题。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(模块化以适应更改)和可扩展(支持数据中心增长)。

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设备安装时修补和连接设备的实践。数据中心光缆系统使用多光纤连接器，称为终端中继。一般情况下，预端接中继的长度为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体系结构导致这些典型的中继大小不足。这些干线现在要求在室内额定组件中有288、432甚至576根纤维。使用高纤维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拉电缆的次数来减少部署时间。电缆拉拔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。

4440根光纤，利用370 × 12纤MTP-to-MTP EDGE中继

13680根光纤，使用95 × 144根MTP-to-MTP EDGE中继

16128根光纤，使用56 × 288根MTP-to-MTP EDGE中继

数据中心开始超越单个建筑或数据大厅的限制。最大的数据中心正在增长，包括多个建筑物，这些校园环境要求布线基础设施包括预端接多光纤连接器尾纤干线或批量电缆安装。这些使用室内/室外电缆的尾纤干线可拥有多达864根光纤。连接性需求正在推动光缆数量从864根增加到1728根和3456根。

可以部署各种解决方案来满足高光纤数的要求。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，不变的是多光纤连接器的使用。这些连接器可以缩短安装时间，并提供从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可降低TCO的断接应用。

数据中心内各区域之间的互连需要部署多光纤中继。例如，主配电区(MDA)到水平配电区(HDA)或设备配电区(EDA)。主干线将在光纤分配外壳上着陆，主干线的多光纤连接器连接到带有外壳的模块或适配器面板。这允许通过跳线连接到有源组件。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牵引手柄，则可以将其拉到相邻的房间。需要注意的一件重要事情是，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。

辫子干线部署在两个应用程序之一中。

1. 当有堵塞的通道(管道)，拉握把不能通过这些通道。
2. 连接建筑物不同楼层或数据中心园区内不同建筑物的数据中心房间时。

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完全清楚，那么辫子干线可能是可取的。

在尾纤主干被拉出后，需要额外的步骤来准备它们的终止。这些步骤包括进入电缆以暴露光纤和分岔电缆以保护光纤配电壳后部的光纤。电缆的裸端将使用多光纤拼接连接器、尾纤组件、尾纤卡带或预存根外壳进行端接。

高纤数电缆利用带状化光纤，最大限度地提高单根电缆的光纤密度。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，这些电缆包含864、1728和3456光纤。

这些电缆的终端可以使用多光纤连接器、尾纤组件、尾纤卡带或预存根外壳来完成。与预端接电缆相比，这些类型的部署可能会增加部署时间。这是因为电缆的两端都需要用分岔套件进行终端准备，以保护光纤配电箱内的带状光纤。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管理人员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，这些主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，并且还可以增加TCO。