新一代數據中心光纖布線技術發展趨勢

文｜羅森伯格亞太電子有限公司 孫慧永

1 背景

在最近的5～6年內，中國數據中心的建設處于高速增長的階段，同時根據第三方調查機構的AMI預測，在今后的5年甚至更長的一段時期內，國內數據中心的建設還將持續處于快速增長中。根據報告顯示，亞太區數據中心布線市場復合年增長率將達到32.8%，預計中國的復合年增長率將達到37.5%，比整體綜合布線市場的復合年增長率高出23.9 %，中國2011年數據中心布線市場規模將有望達到9～10億人民幣。

中國國內傳統布線市場近幾年來原本由國際布線品牌完全主導現象逐漸演變為國內品牌與國際品牌分庭抗禮的格局。而在數據中心布線市場上，特別是大中型數據中心布線市場，根據統計，70%的市場份額由數據中心領域的國際布線品牌約5～6家品牌形成寡頭壟斷的市場。由于數據中心布線市場對產品的專業性、產品質量與可靠性要求遠遠高于傳統布線市場，特別是在光纖產品應用技術上，布線品牌間還存在著相當的差距。而大型數據中心項目的建設與應用，極大的推動了光纖布線產品技術的發展，對數據中心光纖布線將提出新的更高的要求，并產生新的技術課題，促進了數據中心布線技術的發展，引導數據中心布線產品技術的方向，進而在布線市場中產生主流效應。

2 光纖技術的應用和發展

數據中心布線系統需要不斷提升帶寬，為快速增長的網絡（如核心層網絡，匯聚層網絡及SAN存儲網絡）傳輸應用提前鋪好道路，而采用光纖傳輸可以為不斷發掘帶寬潛力提供保障。與單模光纖相比，由于多模光纖技術較低的有源+無源的綜合成本，將促使多模光纖在數據中心的應用中占有絕對的優勢，大中型數據中心超過85%的光纖布線系統采用的是多模光纖。2009年8月，TIA 正式批準OM4，一種新類別TIA/EIA 492AAAD多模光纖標準的推出，為多模光纖今后大量應用奠定了堅實的基礎。多模光纖從OM1到OM2，采用VCSEL激光優化技術后，OM3再到OM4，整整發展了4個階段，帶寬也是逐級提升，各級別的帶寬與10G傳輸的距離對應關系如圖1所示。

圖1

隨著2010年6月IEEE 802.3ba新的以太網40G/100G標準發布后，多模光纖在數據中心領域的應用將翻開新的一頁。40G與100G的高速傳輸不再僅僅依靠單模采用成本極高的WDM串行方式進行傳輸，新一代以太網40G/100G標準將采用OM3與OM4多模光纖多通道并行傳輸的方式，這種多模并傳輸的方式相比較單模WDM串行傳輸方式，在40G/100G上的總體成本（包含有源設備，光模塊，無源器件）分別只占單模系統的1/3與1/10，可見多模優勢十分明顯，市場的應用趨向通常是由成本與價格因素來驅動以及決定哪種技術模式能在市場取得最大的應用。

多模光纖40G的傳輸模式采用每對光 纖 支 持10Gbps的 速 率（4×10Gbps=40Gbps），需要用到各4根光纖發送與接收共8芯光纖，100G采用各10根光纖發送與接收（10×10Gbps=100G），共使用20芯光纖，采用標準MTP/MPO的多芯連接系統，可以較好的支持新一代光網絡40G/100G的傳輸。40G與100G在多芯光纖內的傳輸模式如圖2所示。40G的傳輸模式是在12芯的MTP/MPO連接器內取最外兩側各4芯進行傳輸，中間4芯處于空置狀態，而100G的傳輸模式是采用兩個12芯的MTP/MPO連接器中取中間10芯進行傳輸，如果采用MTP/MPO高密度24芯連接器，則在一個24芯的MTP/MPO連接器上完成100G的接收與發送。100G傳輸時，每12芯中的兩側各1芯處于空置狀態。

圖2

由于新一代40G/100G的光纖技術的標準與應用標準都已經出臺，為數據中心的規劃者提供了更明確的光纖類型選擇方向。OM3與OM4光纖將成為數據中心的應用主流，表1顯示為多模OM3、OM4光纖分別應用于40G/100G對應的傳輸協議與支持應用距離，雖然多模40G/100G的傳輸距離無法與單模光纖長達10km或40km相比較，但在數據中心室內的應用環境下，據統計中小型數據中心超過90%的光纖鏈路長度小于100m，大型數據心超過70%的光纖鏈路長度小于100m，超過80%的長度小于150m，多模可以滿足絕大部分鏈路的需要。隨著網絡設備的技術的提升，今后多模光纖支持的傳輸距離有可能進一步增加。

表1

北美電信工業協會2008年6月發布的標準 ANSI/TIA 568C.3對于以MTP/MPO的多芯連接器組成的光纖連接通道定義了三種光纖連接模式，分別為TYPE- A、TYPE-B、TYPE-C。在10Gbps及以下的傳輸應用中，以太網設備端口采用雙工模式，MTP/MPO主干鏈路最終將被轉換為雙工類型連接器如LC、SC等。而在40G/100G的狀態下設備端口如QSFP將直接與MTP/MPO連接器相連接。不論光纖通常中由幾條光纜來連接，也不論中間連接的光纖是采用哪種TYPE連接方式，40G/100G的設備端與設備端之間最終通道連接方式需要形成TYPE-B的模型狀態，使設備發送端與接收端的通道相互對應，否則將無法正常通信，如圖3所示。

圖3

當前數據中心的主干網絡設備端口正大量從1GBE切換到10GBE，根據Intel公司一份預測顯示，圖4以x86服務器端口為例，從2011年開始將有少量的40GBE端口開始正式應用，而到2015年后將開始大量應用。而作為基礎設施之一的數據中心布線系統與網絡設備不一樣，網絡設備通常3～5年需要更新換代，數據中心的布線系統特別是光纖布線系統，通常需要支持約2～3代以上的網絡設備的更新，所以光纖布線系統的部署必須比當前網絡應用超前3～5年。根據美國第三方咨詢機構Alan Flatman對多模光纖在數據中心的應用分析預測，從2011年開始支持40GBE的多模光纖通道部署將占有一定的比例且逐年增長，如圖5所示。

圖4

圖5

3 光纖布線產品技術發展

隨著光纖技術升級，作為數據中心的“中樞神經”的光纖布線系統產品技術也正在經歷著更新換代，以中國國內市場中的數據中心布線產品技術來看，如果我們將2005年到2010年這5年間，所發展出來的專業應用于數據中心布線光纖解決方案的產品線看作第一代的數據中心光纖布線產品技術，以第一代預連接（或稱預端接）產品技術為代表的數據中心光纖布線產品，在這期間得到了良好的應用與推廣。那么隨著光纖技術新的標準的不斷發布，由幾家國際布線品牌壟斷的中國大中型數據中心布線市場將引領布線產品技術進入數據中心第二代。而布線品牌的份額與排名有可能因為新一代數據中心產品技術方案的差異以及市場運作的方式與效果不同而產生變化。數據中心第二代光纖布線系統比較有代表性產品線如超低損預連接光纜方案、高密度光纖配線系統以及彎曲不敏感光纖系統等組成。

3.1 超低損預連接方案

預連接光纜方案在數據中心布線中有多種連接方式，應用比較廣泛的主要由3種主流應用：（1）MTP/MPO到MTP/MPO預連接光纜配套兩端內含MPO-LC分支的預連接模塊；（2）MTP/MPO到LC預連接光纜配套一端端接內含MPO-LC分支的預連接模塊，另一端LC端直接配套LC適配器面板；（3）LC到LC預連接光纜配套兩端直接連接LC適配器面板。

隨著今后以太網40G/100G采用多通道光纖傳輸標準的正式發布，今后在數據中心的光纖主干部署中，MTP/MPO到MTP/MPO采用OM3、OM4光纖的預連接方案成為前述三種預連接技術方案中的首選。與第一代MTP/MPO連接方式的要求不同，第一代的方案應用初期主要為了支持10GBE的應用，根據10GBE以太網對OM3整體光纖通道衰減的要求為2.6dB，而如果支持今后40G/100G的網絡的整體通道衰減需分別控制在1.9dB和1.5dB以內，各種傳輸應用與通道衰減的對應關系如表2所示。第一代MTP/MPO的單個連接損耗，業界通常只控制在0.75dB以內，顯然這樣的性能對于后續40G/100G的應用，會因為通道衰減超過標準值而產生有效鏈路長度縮短的問題。

表2

新一代數據中心預連接系統的MTP/MPO的衰減值將要求采用低損耗的連接器，業界將會要求至少單個MTP/MPO連接點衰減值要小于0.5dB才能讓通道發揮出標準界定的40G/100G最長傳輸距離。目前不同廠家對于預連接系統衰減控制的水平有所不同，以德國羅森伯格公司HDCS數據中心布線系統所推出的第二代VelaTM系列預連接系統為例，VelaTM系列預連接系統將推出新一代超低損耗的MTP連接系統，超低損MTP方案的實現主要從連接器本身的插芯精度、研磨工藝、3D幾何端面測試技術三方面相結合，單個多模MTP連接點已經可以控制到0.3dB以下。第二代預連接系統如圖6所示。超低損的第二代預連接光纜為數據中心的今后40G/100G的順利升級提供基礎保障。

圖6

除了控制光纖通道光學性能外，第二代預連接系統結構上也有新的升級。預連接光纖分支將會更多的采用圓形光纖分支，與上一代扁平MTP/MPO分支相比，更易于在狹小的空間上，高密度配線且光纖彎折與盤纖沒有方向性。主干光纖采用第二代高抗拉小直徑光纜，光纜本身除了提高抗拉力抗壓參數以外更加節省管槽空間，同時主干光纜布線安裝更加便利。而預連接光纜兩端的安裝拉手至少可支持500N以上的安裝拉力，可以充分滿足數據中心在各種安裝環境中的機械與可靠性要求。

3.2 高密度配線系統

預連接光纜通常作為數據中心的主干安裝在機房的走線通道上，一旦部署將不會輕易移動與改變，而與預連接光纜主干不同的是端接于預連接兩端的光纖模塊與配線系統，將需要隨著應用的升級而進行升級。當前的數據中心主干更多的是應用10GBE的網絡，而10GBE的設備光端口SFP更多的是采用LC類型的端口連接方式，但后續40G與100G傳輸時，可能更多的會采用MTP/MPO的接口方式。如何使布線系統能夠支持當前又能支持今后的需要？我們的方法是僅需對高密度配線系統中的模塊進行靈活的升級而不需要去更換主干光纖鏈路，今后的配線系統中模塊的升級預計將如圖7的方式演進。圖7中模塊1為當前支持10GBE應 用 的OM3，OM4 MTP/MPO轉LC形式；模塊2為支持40GBE應用為提高主干光纖利用率，采用2×12芯MTP/MPO的端口轉換為3×8芯MTP/MPO，此模塊應用在40G時可增加50%的主干光纖利用率；當網絡升級到100GBE時，將直接采用MTP/MPO適配器面板對配線系統進行升級，直接采用MTP/MPO跳線插接于適配器面板與設備端口。

圖7

配線系統除了滿足網絡升級應用的要求以外，追求高密度布線始終是數據中心對光配線系統的一個重要衡量指標，減少配線系統占用機柜的空間，將最大限度的提升生產網絡設備安裝空間，以增加機房單位面積的利用率與投資回報率。下一代數據中心的布線系統將會采用多種配線方式，如專門為數據機房設計的新一代配線系統可安裝于網絡橋架上的TOR方式，或為地板下走線方式的數據中心直接安裝于活動地板下方的集中式區域配線系統。以上所述新一代的高密度配線系統將不再占用機柜的空間。對于光纖配線最為集中的MDA區域，數據中心配線系統將不會僅僅追求越來越高的密度，MDA區域光纖配線系統的可維護性與高密度相比也是同等重要，而越高的密度將會影響可維護性。新一代數據中心的配線系統發展方向將是布線高密度與布線系統可維護性兩者之間取得最佳的平衡。

3.3 彎曲不敏感光纖

數據中心中高密度配線區的光纖跳線往往是管理的核心，當光纖配線架端口密度越高，跳線的管理相對不再容易，光纖跳線如果彎折半徑過小將直接導致光纖整體通道衰減增加。如果彎折嚴重，衰減過大有可能導致該通道通信中斷。對于大中型數據中心來說，在高密度配線區域中，跳線數量成千上萬條，很難保證每根跳線的管理都能保證其在標準要求的光纜直徑10倍以上的彎折半徑以內。而對于數據中心來說，網絡運行的可靠性是數據中心致命要素之一，正因為如此，新一代的數據中心將越來越多的采用彎曲不敏感的光纖系統來解決這個問題。與傳統跳線不一樣，采用彎曲不敏感光纖的跳線，當我們光纖的彎折半徑為7.5mm繞上2～3圈，衰減甚至不超過0.1dB，而如果同等條件下采用普通光纖制作的跳線，衰減可能超過0.6dB。圖8為羅森伯格HDCS系統VelaTM彎折不敏感光纖跳線的彎折狀態與實時測試。

圖8

如前所述，當OM3、OM4的布線需要支持到下一代40G/100G網絡，而每一代網絡應用的升級標準對通道最大衰減的要求更為嚴格，跳線是布線系統管理、移動、改變的核心，當跳線系統采用彎曲不敏感光纖后，將會使整體光纖通道的可靠性增加一個等級。通過采用彎曲不敏感光纖來提升光纖物理通道可靠性的方式，相比其他方式性價比更高，從這一方面來看，彎曲不敏感光纖在新一代數據中心中將會得到越來越廣泛的應用。

4 結束語

光纖技術的進步特別是多模光纖標準的不斷演進，為數據中心網絡技術的發展奠定了基礎。數據中心光纖布線系統作為數據中心網絡基礎，設施成為布線行業中一個新的課題，同時也在逐漸影響布線行業內品牌的競爭格局。新一代光纖預連接系統、高密度配線技術以及彎曲不敏感光纖等多種產品應用技術的不斷推出，為數據中心的網絡今后升級與發展提供了堅實的基礎支撐。