數據中心光通信技術

謝崇進

（阿里巴巴集團阿里技術保障美國研究所，美國 加利福利亞州 圣馬特奧94402）

數據中心光通信技術

謝崇進

（阿里巴巴集團阿里技術保障美國研究所，美國 加利福利亞州 圣馬特奧94402）

由于互聯網業務的快速發展，數據中心的流量已經占據全球通信網絡流量絕大部分。作為高速信息傳輸的主要載體，如今光通信技術已經在數據中心中得到了廣泛應用，從距離幾米服務器間的光互連到連接世界各地數據中心的光網絡。概要介紹了數據中心的光通信技術，包括數據中心之間互連的廣域網、城域網技術和數據中心內部服務器及交換機之間光互連技術，并對各個領域內一些不同的技術方案做了簡要的討論和比較。

數據中心；光通信；廣域網；城域網；光模塊

1 引言

互聯網已經進入了人們生活的各個方面，正在對人類社會產生深遠的影響。從電子商務、社交網絡、網絡游戲，到網絡視頻、云計算、虛擬現實等，互聯網上各種新的應用層出不窮，所產生的數據量和對通信容量和計算能力的需求一直在以指數級快速增長?；旧纤械幕ヂ摼W業務和應用的處理與計算都是在數據中心進行的。在數據中心，成千上萬臺服務器通過網絡連接起來，像一臺巨大的超級計算機一樣協同一致地工作［1］。根據《Cisco全球云計算指數白皮書》，到2019年，全球通信網絡流量的99%是和數據中心相關的，其中數據中心內部的網絡流量占到全部流量的 70%以上，如圖 1 所示［2］。

高錕（Charles K Kao）博士1966年指出光纖的損耗可以降到 20 dB／km 以下，1970年美國康寧（Corning）公司第一次拉出損耗為17 dB／km的光纖，光纖通信產業發展至今已有50年。1977年第一個商用光纖通信系統由AT&T在美國芝加哥投入使用，容量為45 Mbit／s，今天單模光纖的容量已達到100 Tbit／s［3］，技術的發展使光纖通信系統的容量在過去30多年里提高了6個數量級。從距離幾米服務器交換機之間的連接、到連接千家萬戶的接入網、再到跨越1萬多km的海底光纜，今天的光纖通信已經覆蓋了信息傳輸從短距到長距的各個方面，成為了今天信息社會和大數據時代的重要基礎設施。近年來，由于互聯網和云計算的發展，光纖通信的應用主體已經從電信運營商的中心機房轉向了數據中心。在美國，2008年互聯網公司數據中心對光纖通信的需求超過了電信運營商，今天數據中心或許已經成為光纖通信的最大市場［4］。

圖1 Cisco發布的2019年全球通信網絡流量預測（總流量預計達到10.5 ZB，1 ZB=1021byte）

本文描述了數據中心中使用和需要的光通信技術，包括連接數據中心間的廣域網和城域網技術以及數據中心內部的光互連技術。首先對數據中心的網絡作了簡單的概述，使讀者對光纖通信在數據中心中的應用有個總體的了解；而后對數據中心廣域網、城域網及數據中心內網中使用的光通信技術作了詳細的闡述；最后進行了簡要的總結。

2 數據中心網絡架構

圖2給出了典型的大型互聯網公司數據中心網絡架構，包括廣域網、城域網和數據中心內網。分布在不同地區的數據中心通過廣域網相互連接，根據架構的不同，每個或部分數據中心通過外部通道和公共Internet相連，用戶通過公共Internet和外部通道進入數據中心。為改善用戶體驗、降低訪問時延，一般會在靠近用戶或用戶集中的地方設立 POP（point of presence）點，POP點通過專線直接連接到數據中心。這樣可以減少用戶訪問數據在公共Internet中的滯留時間。

一般每個地區的數據中心有幾個不同的數據中心組成，主要為了容災和備份的需求，也有的是為了將位于同一個地區內幾個數據中心組成一個超級虛擬數據中心，這樣每個數據中心可以相對較小，設計和建設相對容易。同一地區的數據中心通過城域網連接起來。因為時延的要求，城域網中不同數據中心的距離不容許超過80 km。

圖2 典型的大型互聯網公司數據中心網絡架構

每個數據中心內部有成千上萬臺服務器，這些服務器通過數據中心內網相互連接。數據中心內網有幾個重要的參數：可連接的服務器的數量 （可擴張性）、對分帶寬（bisection bandwidth）和時延?？蓴U展性指在增加服務器數量時不需要改變網絡架構。最理想的情況是在一個大型數據中心內的任何兩個服務器之間都能以很小的時延和服務器的全部帶寬（full bandwidth）進行通信，但在實際的網絡設計中，必須考慮成本，網絡架構設計和技術選擇必須在成本和性能之間進行平衡。今天的數據中心內網大多采用多層結構，但隨著技術的發展，網絡架構有走向扁平化的趨勢［5］。

從上面的描述可以看出，和傳統的電信網絡不同，數據中心的網絡主要是機器和機器之間通信的網絡（machineto-machine network）。隨著網絡速率的不斷提高，光通信技術在數據中心得到大量的使用。在如今的數據中心網絡中，幾乎每個連接都采用了光通信技術，包括數據中心內部距離幾米的服務器和交換機之間的連接。下面對廣域網、城域網和數據中心內網中采用的光通信技術分別進行詳細的闡述。

3 廣域網光通信技術

光通信具有大帶寬、長距離傳輸信息的優點，它的主要應用場景是在兩點之間提供大帶寬的信息傳輸通道，所以在誕生之初，主要應用領域是長途干線網。長距離、大容量的干線傳輸網技術一直是光通信技術的前沿研究領域，致力于解決噪聲（光纖損耗）、光纖線性損傷（如色散）和光纖非線性損傷對傳輸容量和距離的限制，提高單信道速率、單根光纖的容量和無電中繼的傳輸距離。圖3給出了自1985年以來單根光纖容量的發展。在過去30年里，光通信單信道的速率從1 Gbit／s發展到1 Tbit／s、單模光纖的容量從1 Gbit／s發展到 100 Tbit／s，分別提高了 1000 倍和 10 萬倍。無電中繼的傳輸距離從最初的10 km到提高到跨域太平洋的1萬多km。這些容量和距離的進展得益于光纖技術、光放大技術、非線性管理技術、調制解調技術、光信號檢測技術等的發展［6］。今天單模光纖的容量已經接近了香農極限［7］。為進一步提高光纖的容量，近年來，空分復用技術受到了廣泛的重視?？辗謴陀眉夹g采用多芯子和多模光纖來提高單根光纖的傳輸容量，該技術不僅包括多芯子和多模光纖本身，還涉及空分復用光放大技術和多進多出（multiple-input multiple-output）信號處理技術。采用空分復用技術，單根光纖高達2 Pbit／s傳輸容量光通信系統已經在實驗室得到驗證［8］。

圖3 單根光纖的容量發展

今天數字相干光通信技術已經成為干線傳輸網的主要技術。圖4給出了數字相干光通信系統框架。數字相干光通信不僅僅是提高了接收機的靈敏度，更重要的有以下3點：可以利用正交相位和正交極化方向來調制信號，信號空間從強度調制時的一維擴大到四維，大大提高了頻譜效率；可以在發射端和接收端大量使用數字信號處理技術，使得許多傳輸系統的損傷，包括線性和非線性損傷，可以在電領域采用數字信號處理技術來補償，這大大簡化了線路系統的設計和管理；容易在系統中采用復雜的編解碼技術，使得系統的容量接近香農極限。

圖4 數字相干光通信系統框架

目前100Gbit／sPDM-QPSK （polarization-divisionmultiplexed quadrature-phase-shift-keying）在陸地和跨洋干線系統中得到廣泛應用，采用EDFA（erbium-doped fiber amplifier）光放大器技術和 SD-FEC（soft-decision forward-errorcorrection）技術，無電中繼傳輸距離在陸地和跨洋系統中可以超過3 000 km和10 000 km。使用靈活柵格和C波段，容量可達12 Tbit／s。進一步提高系統容量可以采用高階調制格式如 8QAM （8-level quadrature-amplitude modulation）或16QAM［9］，但是高階調制需要更高的 OSNR（Optical-Signalto-Noise Ratio光信噪比）。對于同樣的符號速率，16QAM所需的OSNR比QPSK高近7 dB，這意味著在同樣的光纖、光放大器和跨段距離的條件下，采用16QAM雖然可以把容量提高一倍，但無電中繼的傳輸距離會降低5倍。有許多技術可以提高16QAM的傳輸距離，如采用拉曼光放大器、低損耗和低非線性光纖、編碼調制技術、非線性補償技術等等。實驗證明，采用新型低損耗低非線性光纖及拉曼放大器技術，16QAM可以達到和QPSK在標準單模光纖和EDFA系統中相同的傳輸距離［10］。采用16QAM和L波段技術，系統的容量可以比現在提高4倍，達48 Tbit／s。

對于呈指數形式增加的網絡流量需求，單從硬件角度來提高網絡的容量已經難以滿足需求，特別是在光纖傳輸容量已接近香農極限的今天。必須硬件和軟件結合，從廣域網的層面建立一個靈活開放的光傳輸網來提高廣域網的效率，以滿足社會對網絡流量快速增長的需求。如圖5所示，一個靈活開放的傳輸網將分開線路系統和終端系統，不同廠商的設備可以相互連接［11］，采用統一的管理控制平臺，如SDN （software defined networking）控制器或NMS（network management system）。ROADM（reconfigurable optical add drop multiplexer）和靈活可編程的收發信機（flexible transponder）可以大大提高網絡的靈活性和對流量的靈活調度能力。

4 城域網光通信技術

幾年前貝爾實驗室城域網流量增長白皮書指出，城域網流量的增長速度將大大高于干線網絡，城域網將成為光通信的最大市場，其中數據中心的城域網占很大一部分［12］。數據中心的城域網和電信運營商的城域網有很大的不同，主要的不同點列在表1中。

表1 數據中心城域網和電信運營商城域網比較

從表1可以看出，相對于電信運營商，數據中心的城域網要簡單得多。由于節點較少、距離較短、業務單一，數據中心城域網基本是點對點的傳輸系統，但是因為大量數據傳輸的需求，對容量要求較大。

圖5 開放靈活的光傳輸網絡

數據中心城域網是目前很熱門的研究領域，各種新的技術和方案層出不窮。從檢測技術角度，可以把數據中心城域網方案分成相干檢測和直接檢測兩種技術方案。相干檢測方案即采用數字相干光通信技術，和廣域網中相干光通信技術類似。但因為傳輸距離短，很多方面可以簡化，如可以采用低成本的光器件如硅光器件、HD-FEC（hard-decision FEC）、簡化數字信號處理模塊中的色散補償等，即使性能低一些也能滿足要求。另外，一些高階的調制格式如64QAM，雖然傳輸距離短，但仍然可以滿足80 km的需求，適合在數據中心城域網中使用，因為單波長可達400 Gbit／s，可以大大降低單位比特的傳輸成本。

對于直接檢測方案，有許多不同的技術。最簡單的是二進制強度調制即 OOK（on-off-keying）技術，但該技術對器件的帶寬要求較高，而且對光纖色散匹配的要求很高。為減輕這些要求，人們開始采用高階強度調制，如四電平幅度調制（4-level pulse-amplitude modulation，PAM4）對系統帶寬的要求比OOK降低一半，對色散的容忍性可以比OOK提高4倍。隨著PAM4的芯片的成熟，PAM4已經在實際系統中得到應用。另外一種得到大量研究的直接檢測技術是 DMT（discrete multi-tone）技術［13］。DMT 實際上是一種多載波技術，它對每個載波不是采用同一種調制格式，而是根據每個載波的信噪比的不同對每個載波采用不同調制格式，即對高信噪比的載波采用高階調制格式、低信噪比的載波采用低階調制格式，從而可以最大限度地優化信道的頻譜效率。DMT技術包括強度調制—直接檢測的DMT技術和單邊帶—直接檢測的DMT技術。單邊帶DMT技術比強度調制DMT技術的頻譜效率高一倍，同時對光纖色散的容忍度很高，但它需要正交相位調制技術，發射機的復雜度比強度調制DMT技術高很多［14］。此外還有其他的直接檢測技術如Stokes矢量直接檢測接收機技術［15］。直接檢測和相干檢測最大的不同是在接收端不需要本震源，發射端有的采用強度調制，相對簡單，有的采用正交相位調制，和相干檢測的復雜度一樣。

相干檢測和直接檢測技術各有優確點。直接檢測相對比較簡單、成本低、尺寸小，有可能做成可插拔的光模塊，直接插在交換機和路由器上，但是它對線路系統要求較高，如系統色散需要精確匹配、所需光信噪比較高，此外它的容量比相干檢測系統低，C波段一般只可以達到4～8 Tbit／s。相干檢測技術的優點一是容量高，如采用64QAM，在C波段的容量可達36 Tbit／s；二是對線路系統要求低，對系統色散基本沒有什么要求。它的缺點一是成本相對較高，但因為高階調制可以大幅降低單位比特的成本，這個缺點將會越來越不顯著，二是尺寸相對較大，做成目前100 Gbit／s普遍采用的QSFP28封裝模式難度很大。

城域網數據中心光互連一般是交換機或路由器通過灰光光模塊連接到波分光傳輸設備，波分傳輸設備不同波長的信道通過合波器集中到一根光纖后經過光放大器和傳輸光纖傳送到另一個數據中心，如圖6（a）所示。近年來出現了另一種設備形態，如圖6（b）所示，即交換機或路由器直接出彩光，該彩光可以是外接可插拔彩光光模塊，也可以是彩光光模塊直接集成到交換機或路由器中。這些不同波長的彩光直接連接到合波器再經過放大后傳送到另一個數據中心。方案A的好處是交換機、路由器及波分傳輸設備是分開的，用戶可以自由選擇各自最合適的方案。方案B的優點是省了一對灰光光模塊，但是如果采用相干檢測彩光光模塊，交換機和路由器端口的密度會降低，如采用直接檢測彩光光模塊，對線路系統要求提高且傳輸容量受到限制，另外方案B把光傳輸和交換機／路由器結合在一起，有可能會限制技術的選擇自由度。灰光光模塊成本比彩光光模塊低很多，所以從成本上比較，這兩種方案難分仲伯，各自有自己的應用場景。

圖6 城域網數據中心互連方案形態

5 數據中心內光互聯技術

數據中心內的鏈路距離較短，大多在幾米到幾百米的范圍內。有的大型數據中心包括幾個大的建筑物，建筑物和建筑物間的連接距離相對較長，但最長距離在2 km之內。雖然距離短，但隨著數據中心速率的提高，銅纜已經難以勝任連接的要求，越來越多的連接采用光互連技術。圖7是目前數據中心以太網速率的演變圖，這里有兩個速率：服務器至交換機的速率和交換機至交換機的速率提高。一般數據中心的速率指的是交換機至交換機的速率。今天的數據中心的正從 40 Gbit／s向 100 Gbit／s演變，下一代可能會跳過 200 Gbit／s直接演進到 400 Gbit／s。在這樣的速率下，大多數鏈路采用光互連方案。因為距離短，光纖容易鋪設，和長途干線不同，數據中心內部一般采用平行鏈路來提高互聯速率，如圖 8 所示。如對于 40 Gbit／s和 100 Gbit／s，采用 4 條平行通道，即 4×10 Gbit／s和 4×25 Gbit／s。這 4 條平行通道可以是4根光纖或4個波長。在發射端，信號被分成平行的幾路通道，經驅動電路放大后驅動激光器陣列（對于采用外調制器的方案，信號驅動調制器陣列），電光轉換后的信號耦合進光纖后傳送到接收端。在接收端，光信號經探測器陣列轉換成電信號，再經接收機電路處理后送到信號目的地。

圖7 數據中心以太網速率

自從1996年VCSEL （vertical cavity surface emitting laser）被建議用作短距離數 據通信 以來［16］，VCSEL 一直 在短距離數據通信中占有重要的地位。直到40 Gbit／s，多模技術（多模光纖和VCSEL相結合的技術）一直是數據中心光互連的主要技術。到100 Gbit／s后，單通道速率達到25 Gbit／s，由于模式色散的影響，多模技術的傳輸距離受到限制，單模技術開始在數據中心應用得到重視。根據采用多模還是單模、多個光纖還是多個波長，可以把100 Gbit／s 技術分為4種類型 ：SR4、SWDM4、PSM4 和CWDM4［17-20］。這 4種類型都是采用 4個通道，每個通道速率為 25 Gbit／s。SR4和 SWDM4采用多模技術，PSM4和CWDM4采用單模技術。SR4采用850 nm波長的VCSEL陣列和 MPO （multiple parallel optical）多模光纖（雙向8根光纖），IEEE定義的最大傳輸距離為OM4光纖100 m。采用低線寬的VCSEL和均衡技術，SR4傳輸距離可增加到300 m。SWDM4也是采用多模技術，但和SR4不同的是它采用 850～950 nm范圍內4個波長的VCSEL陣列和雙向兩根多模光纖，傳輸距離和SR4相似。PSM4和SR4相對應的單模技術，采用1 310 nm波長的DFB（分布式反饋）激光器陣列和MPO單模光纖（雙向8根光纖），最大傳輸距離為500 m。CWDM4采用單模粗波分技術，即1 270～1 330 nm范圍內相隔20 nm的4個波長。相對于PSM4，CWDM4對激光器要求更高，且需要合分波器，但傳輸距離可達2 km。這4種技術具體特性和性能指標列在表2中。具體采用哪種技術需要綜合考慮性能和成本。單模技術傳輸距離較長，而且技術升級到更高速率時光纖仍然可以使用，有的數據中心看中這一點會優先考慮單模技術方案。但多模技術成本相對較低，對于大多數鏈路在100 m之內的數據中心，多模技術方案在成本上更具優勢。

圖8 數據中心光互連鏈路框架

100 Gbit／s之后的下一個以太網速率很有可能是400 Gbit／s，IEEE 802.3 在 2014 年啟動了 400 Gbit／s以太網研究組，定義 400 Gbit／s 以太網標準［21］。400 Gbit／s 以 太網物理層對多模光纖和單模光纖距離目標和100 Gbit／s一樣。如圖9所示，有多種方法可以使光通道達到400 Gbit／s。一是增加通道速率，如提高符號速率或調制階數，50 Gbaud的PAM4信號可以不改變現有通道數就可以實現 400 Gbit／s；二是增加光纖數，如在現有 25 Gbit／s通道速率的基礎上，采用16根光纖可以達到 400 Gbit／s；三是增加波長，如在PSM4基礎上，每根光纖4個波長就可以實現 400 Gbit／s。不論采用哪種方法，400 Gbit／s 的單位比特的成本和功耗應該比100 Gbit／s的低。

表2 4 種 100 Gbit／s 技術

圖9 提高速率到400 Gbit／s的方法

目前光模塊采用熱插拔的方式，通過交換機的面板接口和電子走線和交換芯片連接在一起，如圖10（a）所示。隨著交換機速率的提高，這段電子走線將會對信號產生愈來愈大的損傷，同時可插拔接口也限制了面板的密度。為解決這個問題，可以把光模塊移到交換機中去，使光模塊靠近交換芯片，光模塊通過光纖接到面板上，這種方式稱為板載光模塊，如圖10（b）所示。板載光模塊不僅可以減少電子走線對信號的損傷，簡化模塊設計，還可以大大增加面部密度。最終電子芯片和光子芯片將集成在一起，大大簡化系統、降低功耗和成本，如圖10（c）所示［22］。板載光模塊和光電集成模塊對器件的可靠性要求很高，因為板載模塊和光電集成器件的故障都需要更換整個交換機電路板，不像更換可插拔光模塊那樣簡單易操作。

圖10 光和電結合的方式

6 結束語

本文綜述了數據中心網絡所需的光通信技術，包括廣域網、城域網和數據中心內網。可以看到，隨著網絡速率的提高，光通信技術幾乎用在數據中心的所有鏈路中。從距離幾米的服務器互連到連接位于世界各地數據中心的跨洋廣域網，作為高帶寬、高密度和長距離的信息傳輸載體，光通信技術將直接影響未來數據中心的發展。如何在各個層面提高光傳輸通道的容量和效率來滿足數據中心快速發展的需求，將是一項十分挑戰的工作。

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Optical communication technologies for datacenters

XIE Chongjin
R&D Lab，Ali Infrastructure Service，Alibaba Group，San Mateo，CA 94402，USA

Due to the fast growth of internet services，datacenter related traffic has become the major part of the global network traffic.As a main technology for high-speed data transmission，optical communication technologies have been widely used in today’s datacenter networks，from a few meter server-to-server interconnects to transoceanic datacenter-to-datacenter optical networks.Here the optical communication technologies for datacenters were reviewed，including technologies connecting datacenters in wider-area networks and metro-area networks as well as optical interconnect technologies within datacenters，and the advantages and disadvantages of some technologies in the networks were discussed.

datacenter，optical communication，wide-area network，metro-area network，optical transceiver

TP393

A

10.11959／j.issn.1000-0801.2016154

2016-04-30；

2016-05-10

謝崇進（1970-），男，博士后，博士論文獲2003年中國百名優秀博士論文提名獎。于2001年5月加入位于美國新澤西州的朗訊公司貝爾實驗室，從事光纖通信系統和網絡技術研究工作，貝爾實驗室杰出研究員（Distinguished Member of Technical Staff），主要研究領域涉及光纖通信系統和網絡的各個方面。在貝爾實驗室工作期間，參與了多項大容量高速光通信系統的研究， 包括 10 Gbit／s和 40 Gbit／s的光直接檢測系統及100 Gbit／s 和 400 Gbit／s 的光相干檢 測系統，3 次獲得 貝 爾實驗室主席獎。于2014年11月加入阿里巴巴集團，任系統研發美國研究所資深技術總監，負責數據中心光互連和光網絡技術。共發表200多篇學術論文，出版了兩個學術著作章節，編輯出版一篇學術著作，并獲得50多項美國和其他國家專利。受邀參加美國工程院2013年工程前沿課題研討會 （只有100位45歲以下的杰出科研人員和工程師受邀參加）。擔任Journal of Lightwave Technology的副編輯和多個國際學術會議技術委員會主席及委員。美國光學學會的會士（OSA Fellow）和電氣與電子工程師協會的高級會員（IEEE Senior Member）。