新一代数据中心光纤布线技术发展趋势

文｜罗森伯格亚太电子有限公司 孙慧永

1 背景

在最近的5～6年内，中国数据中心的建设处于高速增长的阶段，同时根据第三方调查机构的AMI预测，在今后的5年甚至更长的一段时期内，国内数据中心的建设还将持续处于快速增长中。根据报告显示，亚太区数据中心布线市场复合年增长率将达到32.8%，预计中国的复合年增长率将达到37.5%，比整体综合布线市场的复合年增长率高出23.9 %，中国2011年数据中心布线市场规模将有望达到9～10亿人民币。

中国国内传统布线市场近几年来原本由国际布线品牌完全主导现象逐渐演变为国内品牌与国际品牌分庭抗礼的格局。而在数据中心布线市场上，特别是大中型数据中心布线市场，根据统计，70%的市场份额由数据中心领域的国际布线品牌约5～6家品牌形成寡头垄断的市场。由于数据中心布线市场对产品的专业性、产品质量与可靠性要求远远高于传统布线市场，特别是在光纤产品应用技术上，布线品牌间还存在着相当的差距。而大型数据中心项目的建设与应用，极大的推动了光纤布线产品技术的发展，对数据中心光纤布线将提出新的更高的要求，并产生新的技术课题，促进了数据中心布线技术的发展，引导数据中心布线产品技术的方向，进而在布线市场中产生主流效应。

2 光纤技术的应用和发展

数据中心布线系统需要不断提升带宽，为快速增长的网络（如核心层网络，汇聚层网络及SAN存储网络）传输应用提前铺好道路，而采用光纤传输可以为不断发掘带宽潜力提供保障。与单模光纤相比，由于多模光纤技术较低的有源+无源的综合成本，将促使多模光纤在数据中心的应用中占有绝对的优势，大中型数据中心超过85%的光纤布线系统采用的是多模光纤。2009年8月，TIA 正式批准OM4，一种新类别TIA/EIA 492AAAD多模光纤标准的推出，为多模光纤今后大量应用奠定了坚实的基础。多模光纤从OM1到OM2，采用VCSEL激光优化技术后，OM3再到OM4，整整发展了4个阶段，带宽也是逐级提升，各级别的带宽与10G传输的距离对应关系如图1所示。

图1

随着2010年6月IEEE 802.3ba新的以太网40G/100G标准发布后，多模光纤在数据中心领域的应用将翻开新的一页。40G与100G的高速传输不再仅仅依靠单模采用成本极高的WDM串行方式进行传输，新一代以太网40G/100G标准将采用OM3与OM4多模光纤多通道并行传输的方式，这种多模并传输的方式相比较单模WDM串行传输方式，在40G/100G上的总体成本（包含有源设备，光模块，无源器件）分别只占单模系统的1/3与1/10，可见多模优势十分明显，市场的应用趋向通常是由成本与价格因素来驱动以及决定哪种技术模式能在市场取得最大的应用。

多模光纤40G的传输模式采用每对光 纤 支 持10Gbps的 速 率（4×10Gbps=40Gbps），需要用到各4根光纤发送与接收共8芯光纤，100G采用各10根光纤发送与接收（10×10Gbps=100G），共使用20芯光纤，采用标准MTP/MPO的多芯连接系统，可以较好的支持新一代光网络40G/100G的传输。40G与100G在多芯光纤内的传输模式如图2所示。40G的传输模式是在12芯的MTP/MPO连接器内取最外两侧各4芯进行传输，中间4芯处于空置状态，而100G的传输模式是采用两个12芯的MTP/MPO连接器中取中间10芯进行传输，如果采用MTP/MPO高密度24芯连接器，则在一个24芯的MTP/MPO连接器上完成100G的接收与发送。100G传输时，每12芯中的两侧各1芯处于空置状态。

图2

由于新一代40G/100G的光纤技术的标准与应用标准都已经出台，为数据中心的规划者提供了更明确的光纤类型选择方向。OM3与OM4光纤将成为数据中心的应用主流，表1显示为多模OM3、OM4光纤分别应用于40G/100G对应的传输协议与支持应用距离，虽然多模40G/100G的传输距离无法与单模光纤长达10km或40km相比较，但在数据中心室内的应用环境下，据统计中小型数据中心超过90%的光纤链路长度小于100m，大型数据心超过70%的光纤链路长度小于100m，超过80%的长度小于150m，多模可以满足绝大部分链路的需要。随着网络设备的技术的提升，今后多模光纤支持的传输距离有可能进一步增加。

表1

北美电信工业协会2008年6月发布的标准 ANSI/TIA 568C.3对于以MTP/MPO的多芯连接器组成的光纤连接通道定义了三种光纤连接模式，分别为TYPE- A、TYPE-B、TYPE-C。在10Gbps及以下的传输应用中，以太网设备端口采用双工模式，MTP/MPO主干链路最终将被转换为双工类型连接器如LC、SC等。而在40G/100G的状态下设备端口如QSFP将直接与MTP/MPO连接器相连接。不论光纤通常中由几条光缆来连接，也不论中间连接的光纤是采用哪种TYPE连接方式，40G/100G的设备端与设备端之间最终通道连接方式需要形成TYPE-B的模型状态，使设备发送端与接收端的通道相互对应，否则将无法正常通信，如图3所示。

图3

当前数据中心的主干网络设备端口正大量从1GBE切换到10GBE，根据Intel公司一份预测显示，图4以x86服务器端口为例，从2011年开始将有少量的40GBE端口开始正式应用，而到2015年后将开始大量应用。而作为基础设施之一的数据中心布线系统与网络设备不一样，网络设备通常3～5年需要更新换代，数据中心的布线系统特别是光纤布线系统，通常需要支持约2～3代以上的网络设备的更新，所以光纤布线系统的部署必须比当前网络应用超前3～5年。根据美国第三方咨询机构Alan Flatman对多模光纤在数据中心的应用分析预测，从2011年开始支持40GBE的多模光纤通道部署将占有一定的比例且逐年增长，如图5所示。

图4

图5

3 光纤布线产品技术发展

随着光纤技术升级，作为数据中心的“中枢神经”的光纤布线系统产品技术也正在经历着更新换代，以中国国内市场中的数据中心布线产品技术来看，如果我们将2005年到2010年这5年间，所发展出来的专业应用于数据中心布线光纤解决方案的产品线看作第一代的数据中心光纤布线产品技术，以第一代预连接（或称预端接）产品技术为代表的数据中心光纤布线产品，在这期间得到了良好的应用与推广。那么随着光纤技术新的标准的不断发布，由几家国际布线品牌垄断的中国大中型数据中心布线市场将引领布线产品技术进入数据中心第二代。而布线品牌的份额与排名有可能因为新一代数据中心产品技术方案的差异以及市场运作的方式与效果不同而产生变化。数据中心第二代光纤布线系统比较有代表性产品线如超低损预连接光缆方案、高密度光纤配线系统以及弯曲不敏感光纤系统等组成。

3.1 超低损预连接方案

预连接光缆方案在数据中心布线中有多种连接方式，应用比较广泛的主要由3种主流应用：（1）MTP/MPO到MTP/MPO预连接光缆配套两端内含MPO-LC分支的预连接模块；（2）MTP/MPO到LC预连接光缆配套一端端接内含MPO-LC分支的预连接模块，另一端LC端直接配套LC适配器面板；（3）LC到LC预连接光缆配套两端直接连接LC适配器面板。

随着今后以太网40G/100G采用多通道光纤传输标准的正式发布，今后在数据中心的光纤主干部署中，MTP/MPO到MTP/MPO采用OM3、OM4光纤的预连接方案成为前述三种预连接技术方案中的首选。与第一代MTP/MPO连接方式的要求不同，第一代的方案应用初期主要为了支持10GBE的应用，根据10GBE以太网对OM3整体光纤通道衰减的要求为2.6dB，而如果支持今后40G/100G的网络的整体通道衰减需分别控制在1.9dB和1.5dB以内，各种传输应用与通道衰减的对应关系如表2所示。第一代MTP/MPO的单个连接损耗，业界通常只控制在0.75dB以内，显然这样的性能对于后续40G/100G的应用，会因为通道衰减超过标准值而产生有效链路长度缩短的问题。

表2

新一代数据中心预连接系统的MTP/MPO的衰减值将要求采用低损耗的连接器，业界将会要求至少单个MTP/MPO连接点衰减值要小于0.5dB才能让通道发挥出标准界定的40G/100G最长传输距离。目前不同厂家对于预连接系统衰减控制的水平有所不同，以德国罗森伯格公司HDCS数据中心布线系统所推出的第二代VelaTM系列预连接系统为例，VelaTM系列预连接系统将推出新一代超低损耗的MTP连接系统，超低损MTP方案的实现主要从连接器本身的插芯精度、研磨工艺、3D几何端面测试技术三方面相结合，单个多模MTP连接点已经可以控制到0.3dB以下。第二代预连接系统如图6所示。超低损的第二代预连接光缆为数据中心的今后40G/100G的顺利升级提供基础保障。

图6

除了控制光纤通道光学性能外，第二代预连接系统结构上也有新的升级。预连接光纤分支将会更多的采用圆形光纤分支，与上一代扁平MTP/MPO分支相比，更易于在狭小的空间上，高密度配线且光纤弯折与盘纤没有方向性。主干光纤采用第二代高抗拉小直径光缆，光缆本身除了提高抗拉力抗压参数以外更加节省管槽空间，同时主干光缆布线安装更加便利。而预连接光缆两端的安装拉手至少可支持500N以上的安装拉力，可以充分满足数据中心在各种安装环境中的机械与可靠性要求。

3.2 高密度配线系统

预连接光缆通常作为数据中心的主干安装在机房的走线通道上，一旦部署将不会轻易移动与改变，而与预连接光缆主干不同的是端接于预连接两端的光纤模块与配线系统，将需要随着应用的升级而进行升级。当前的数据中心主干更多的是应用10GBE的网络，而10GBE的设备光端口SFP更多的是采用LC类型的端口连接方式，但后续40G与100G传输时，可能更多的会采用MTP/MPO的接口方式。如何使布线系统能够支持当前又能支持今后的需要？我们的方法是仅需对高密度配线系统中的模块进行灵活的升级而不需要去更换主干光纤链路，今后的配线系统中模块的升级预计将如图7的方式演进。图7中模块1为当前支持10GBE应 用 的OM3，OM4 MTP/MPO转LC形式；模块2为支持40GBE应用为提高主干光纤利用率，采用2×12芯MTP/MPO的端口转换为3×8芯MTP/MPO，此模块应用在40G时可增加50%的主干光纤利用率；当网络升级到100GBE时，将直接采用MTP/MPO适配器面板对配线系统进行升级，直接采用MTP/MPO跳线插接于适配器面板与设备端口。

图7

配线系统除了满足网络升级应用的要求以外，追求高密度布线始终是数据中心对光配线系统的一个重要衡量指标，减少配线系统占用机柜的空间，将最大限度的提升生产网络设备安装空间，以增加机房单位面积的利用率与投资回报率。下一代数据中心的布线系统将会采用多种配线方式，如专门为数据机房设计的新一代配线系统可安装于网络桥架上的TOR方式，或为地板下走线方式的数据中心直接安装于活动地板下方的集中式区域配线系统。以上所述新一代的高密度配线系统将不再占用机柜的空间。对于光纤配线最为集中的MDA区域，数据中心配线系统将不会仅仅追求越来越高的密度，MDA区域光纤配线系统的可维护性与高密度相比也是同等重要，而越高的密度将会影响可维护性。新一代数据中心的配线系统发展方向将是布线高密度与布线系统可维护性两者之间取得最佳的平衡。

3.3 弯曲不敏感光纤

数据中心中高密度配线区的光纤跳线往往是管理的核心，当光纤配线架端口密度越高，跳线的管理相对不再容易，光纤跳线如果弯折半径过小将直接导致光纤整体通道衰减增加。如果弯折严重，衰减过大有可能导致该通道通信中断。对于大中型数据中心来说，在高密度配线区域中，跳线数量成千上万条，很难保证每根跳线的管理都能保证其在标准要求的光缆直径10倍以上的弯折半径以内。而对于数据中心来说，网络运行的可靠性是数据中心致命要素之一，正因为如此，新一代的数据中心将越来越多的采用弯曲不敏感的光纤系统来解决这个问题。与传统跳线不一样，采用弯曲不敏感光纤的跳线，当我们光纤的弯折半径为7.5mm绕上2～3圈，衰减甚至不超过0.1dB，而如果同等条件下采用普通光纤制作的跳线，衰减可能超过0.6dB。图8为罗森伯格HDCS系统VelaTM弯折不敏感光纤跳线的弯折状态与实时测试。

图8

如前所述，当OM3、OM4的布线需要支持到下一代40G/100G网络，而每一代网络应用的升级标准对通道最大衰减的要求更为严格，跳线是布线系统管理、移动、改变的核心，当跳线系统采用弯曲不敏感光纤后，将会使整体光纤通道的可靠性增加一个等级。通过采用弯曲不敏感光纤来提升光纤物理通道可靠性的方式，相比其他方式性价比更高，从这一方面来看，弯曲不敏感光纤在新一代数据中心中将会得到越来越广泛的应用。

4 结束语

光纤技术的进步特别是多模光纤标准的不断演进，为数据中心网络技术的发展奠定了基础。数据中心光纤布线系统作为数据中心网络基础，设施成为布线行业中一个新的课题，同时也在逐渐影响布线行业内品牌的竞争格局。新一代光纤预连接系统、高密度配线技术以及弯曲不敏感光纤等多种产品应用技术的不断推出，为数据中心的网络今后升级与发展提供了坚实的基础支撑。