高速率需求驅(qū)動(dòng)OM3/OM4高密度光纖連接在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用

文｜美國(guó)康寧公司 Doug Coleman 著 郭輝略 譯

為了響應(yīng)服務(wù)器虛擬化、網(wǎng)絡(luò)匯聚以及緩和服務(wù)器I/O瓶頸的需求，10GBase-SR以太網(wǎng)逐漸成為數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)。采用OM3/OM4激光優(yōu)化50/125μm多模光纖的連接已經(jīng)成為數(shù)據(jù)中心的光傳輸媒介的最佳選擇。目前數(shù)據(jù)中心普遍布署的是OM3/OM4連接解決方案，不僅可以滿(mǎn)足10G雙纖串行傳輸?shù)男枨螅乙部梢蕴峁┫蛭磥?lái)的40G/100G遷移的并行光通道。同時(shí)，數(shù)據(jù)中心中的高端口數(shù)的10G/40G/100G設(shè)備需要高密度的光纖連接，以簡(jiǎn)化線纜管理、優(yōu)化布線路線和空間的利用，并實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保。

1 高傳輸速率需求

服務(wù)器虛擬化和網(wǎng)絡(luò)匯聚是高速率網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力。服務(wù)器虛擬化把多個(gè)應(yīng)用集成在一個(gè)服務(wù)器上，提高了服務(wù)器的利用率，從而減少了服務(wù)器的數(shù)量。虛擬化軟件和多核處理器的技術(shù)增長(zhǎng)提升了單個(gè)服務(wù)器所能支持的應(yīng)用數(shù)量（如圖1所示）。傳統(tǒng)的每個(gè)服務(wù)器只支持一個(gè)應(yīng)用，其利用率為15%～20%，虛擬服務(wù)器目前可以支持20～25個(gè)應(yīng)用，能夠?qū)⒗寐侍嵘?0%～90%。預(yù)期在不遠(yuǎn)的將來(lái)，虛擬服務(wù)器可以支持100個(gè)應(yīng)用。在一個(gè)物理服務(wù)器上運(yùn)行25個(gè)應(yīng)用，實(shí)際上相當(dāng)于減少了24個(gè)單一應(yīng)用的服務(wù)器，大大降低了材料和能源的消耗。

圖1

每個(gè)服務(wù)器所支持的應(yīng)用數(shù)量的增加產(chǎn)生了10G以上傳輸速率的需求。根據(jù)服務(wù)器的帶寬需求，一個(gè)8核處理器將驅(qū)動(dòng)數(shù)十個(gè)Gbps的帶寬，這就要求有更高的服務(wù)器輸入輸出，即要求高速網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架的支持。圖2是服務(wù)器連接速度的預(yù)測(cè)（10G、40G、100G），預(yù)計(jì)在后續(xù)兩年內(nèi)，10G系統(tǒng)會(huì)在服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)（包括核心和邊緣交換機(jī)）得到迅速部署。

因?yàn)槊總€(gè)網(wǎng)絡(luò)需要特定的電子設(shè)備和布線系統(tǒng)，利用多網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)中心將面臨著運(yùn)行和維護(hù)方面的問(wèn)題。以太網(wǎng)和光纖通道是典型的網(wǎng)絡(luò)，以太網(wǎng)為用戶(hù)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間提供了LAN，而光纖通道則提供了服務(wù)器和存儲(chǔ)之間的連接，形成一個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（SAN）。在標(biāo)準(zhǔn)的做法中，光纖通道和以太網(wǎng)會(huì)被組合應(yīng)用，即FCoE（Fibre Channel over Ethernet）。FCoE僅僅是一種傳輸方式，即光纖通道幀在服務(wù)器端被封裝進(jìn)以太網(wǎng)幀。服務(wù)器將光纖通道幀封裝進(jìn)以太網(wǎng)幀，然后把他們送進(jìn)以太網(wǎng)，在接收端，這些以太網(wǎng)幀將被解封裝為光纖通道幀。這種組合網(wǎng)絡(luò)利用低成本的以太網(wǎng)設(shè)備來(lái)傳送以太網(wǎng)和光纖通道數(shù)據(jù)。表1提供了FCIA的FCoE傳輸速率的發(fā)展路標(biāo)。10G FCoE利用串行雙工光傳輸，而40G/100G FCoE則需要并行光通道傳輸。

圖2

表1 FCoE 路標(biāo)

2 OM3和OM4光纖是數(shù)據(jù)中心的選擇

OM3和OM4激光優(yōu)化50/125μm多模光纖是數(shù)據(jù)中心光纖連接的最佳選擇。由于多模光纖在串行或并行傳輸應(yīng)用中，只需要低成本的850nm光收發(fā)器，對(duì)比單模光纖，多模光纖有可觀的優(yōu)勢(shì)。多模光纖的并行傳輸標(biāo)準(zhǔn)在2010年6月修正的IEEE 802.3ba 40G/100G以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中闡明。該標(biāo)準(zhǔn)指定并行光傳輸而非串行傳輸，這是因?yàn)樵跇?biāo)準(zhǔn)制定時(shí)850nm VCSEL的調(diào)制技術(shù)的限制。OM3和OM4是標(biāo)準(zhǔn)中包含的僅有的多模光纖。該40G/100G標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有針對(duì)UTP/STP銅纜的規(guī)范。

表2提供了OM3和OM4在以太網(wǎng)和光纖通道的標(biāo)準(zhǔn)傳輸距離。這些距離計(jì)算中，除了OM4 40G/100G系統(tǒng)假定全部的接頭損耗為1.0dB，其他的系統(tǒng)都假定全部接頭損耗為1.5dB。OM3和OM4完全有能力支持傳統(tǒng)的和未來(lái)的傳輸速率要求，預(yù)期可以為物理層提供15～20年的服務(wù)壽命。

表2 850 nm 以太網(wǎng)傳輸距離（m）

850 nm 光纖通道距離（m）

3 高密度光連接

目前已經(jīng)有配置的48 SFP+端口線路板的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)產(chǎn)品的應(yīng)用，每個(gè)交換機(jī)子架使用超過(guò)1000芯的OM3/OM4光纖，以支持10G雙工光纖串行系統(tǒng)運(yùn)行。未來(lái)的40G/100G交換機(jī)計(jì)劃使用超過(guò)每子架4000芯光纖以支持并行光纖系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的高光纖芯數(shù)要采用高密度的光纜和硬件解決方案以最大程度的利用空間和布線通道，簡(jiǎn)化線纜管理以及到系統(tǒng)電子設(shè)備的連接。

彎曲性能為優(yōu)化的OM3/OM4光纖提供了顯著優(yōu)化的光纜彎曲半徑和更小的硬件組件，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的最高密度連接。對(duì)比傳統(tǒng)的多模光纖，彎曲性能優(yōu)化的OM3/OM4光纖在4000芯以上的應(yīng)用中，使主干光纜的直徑減少了15%～30%，硬件配線面板的占用空間也相應(yīng)減少。主干光纜直徑的減少意味著更少的布線通道和空間，也就提高了布線支架的使用率，減少了安裝材料的成本。

今天的數(shù)據(jù)中心需要安裝高密度的12芯MPO OM3/OM4主干光纜，這種光纜可以用于目前的雙工光纖串行傳輸，同時(shí)也可以有效遷移到未來(lái)的并行光傳輸系統(tǒng)，即提供交換機(jī)設(shè)備和服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)接口之間的MPO接口連接。

康寧公司的Pretium EDGETM高密度模塊化的4U和1U光纖配線架通過(guò)MPO/LC模塊的使用，可以很容易的支持雙工光纖串行傳輸，并簡(jiǎn)化到并行光傳輸?shù)倪w移。MPO/LC模塊可以實(shí)現(xiàn)從主干光纜終端的12芯MPO接口到單工或雙工光纖LC接頭的轉(zhuǎn)換。單工和雙工跳線被用于系統(tǒng)設(shè)備端口和交叉配線面板之間的連接。在需要實(shí)現(xiàn)并行光傳輸時(shí)，MPO/LC模塊可以很容易的移除并用MPO耦合器模塊來(lái)代替。在收發(fā)器接口，40G多模光纖傳輸使用12芯MPO，100G多模光纖傳輸將使用24芯MPO接頭。

Pretium EDGETM配線架集成了可以容納MPO/LC模塊的托盤(pán)。每個(gè)托盤(pán)有4個(gè)獨(dú)立的MPO/LC模塊，便于移動(dòng)、增加和改變。4U和1U的配線架分別有12個(gè)和2個(gè)托盤(pán)。4U的配線架通常用于連接高密度網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，或者用于交叉連接。1U的配線架通常用于主干光纜到架頂邊緣交換機(jī)的連接。從圖3和圖4可以看到配線架的設(shè)計(jì)，表3、表4列出了配線架的容量。

MPO/LC分支跳線已經(jīng)成為高端口數(shù)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)連接的常用解決方案。分支跳線一端為MPO接頭，另一端則是單工或者雙工LC接頭。對(duì)比傳統(tǒng)的雙芯跳線，分支跳線顯著的減少了設(shè)備機(jī)柜中的線纜體積，便于管理，且提升了制冷效率。另外，分支跳線也可以配置等差長(zhǎng)度的管線支腳，以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備線路板卡上不同接口位置所需的不同線纜長(zhǎng)度。當(dāng)遷移到并行光傳輸時(shí)，只需移除分支跳線，更換為適當(dāng)?shù)腗PO跳線即可。

圖3 4U 光纖配線架

圖4 1U 光纖配線架

表3

表4

4 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)有的和未來(lái)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)驅(qū)動(dòng)著高速率網(wǎng)絡(luò)和光纖在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用。高密度光纖連接解決方案對(duì)滿(mǎn)足這一發(fā)展趨勢(shì)至關(guān)重要：既優(yōu)化線纜管理和數(shù)據(jù)中心的實(shí)際應(yīng)用，也提供一個(gè)從雙工串行傳輸?shù)?2芯和24芯并行傳輸?shù)囊子趯?shí)現(xiàn)的遷移路徑。綜上所述，康寧公司的高密度OM3/OM4光纖連接解決方案足以應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。