适用于超大规模数据中心的高效100G/400G光端机解决方案

Rang-Chen (Ryan) Yu

摘要：介绍了适用于超大规模数据中心的高效100G/400G光端机解决方案。

关键词：数据中心；云计算；光端机

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2018.7.007

全球网络数据中心的流量在十年来一直保持高速增长，在可预见的未来尚无任何减弱的迹象。智能手机及其他移动设备、社交媒体与应用、流媒体视频、增强现实与虚拟现实日益普及，正在吸引著越来越多的新用户，每位用户持有的设备数量保持增长，并且每台设备使用的数据量也在不断攀升，这样，数据中心的流量就发生了显著的提升。据分析师预测，截至2020年，全球连接到互联网的设备数量将达到2000亿台。近期的证据表明，逐步走向成熟的消费电子产品市场可能只是冰山一角。云计算和机器间的部署中数据带宽的增长速度正在超过消费者的数据通信速率，推动着对大容量数据中心基础设施的巨大需求。

数据中心和光学互连的增长趋势

在过去的十年间，AWS、微软、谷歌和脸书之类的顶尖互联网站公司一直都忙于部署规模越来越大的数据中心，满足客户的需求，对于其中一些企业来说，在每座建筑物中使用的计算机服务器数量现在甚至已经超过了10万台。在房地产及电能的供应充足而成本较低的地区，这类超大规模数据中心的提供商将附近到处蔓生的数据中心的处理能力合并起来，从而充分利用起规模经济。根据思科的预计，截至2020年，全部数据中心中近一半装机的服务器都将位于超大规模数据中心之内。这些服务器将占到68%的处理能力，以及超过一半（53%）的数据中心总流量。

随着云端需要为越来越多的关键任务型的商业应用及高时效性的消费者应用提供支持，在全球范围内，数据中心的部署愈发要靠近人口中心。网络公司建设的数据中心越来越多的采用多座建筑物，这些建筑物紧紧相邻，通过极大的带宽相互连接到一起。在人口较为稠密的地区，跨越各个相互独立的电网来建立起数据中心，可以进一步地减少延迟、改善消费者的体验。对于依靠一个单一电网的更大规模的数据中心来说，这一战略还可以降低风险、克服局限。

在每一座超大规模数据中心建筑物的内部，都可能有数万台以至数十万台的计算机服务器，通过不同层次的以太网交换机相互连接到一起，形成一种集体性的计算能力，致力于网络公司自身的服务（例如，谷歌或脸书），或者出租给企业客户（例如，亚马逊的AWS或微软的Azur）。尽管可以通过很多种方案来实现计算器服务器的互连，在201 8年，典型超大规模数据中心网络连接的特点在于采用了DAC（直连铜缆），在25或2x25 Gbps的速度下，在数米的距离内将服务器连接到架顶（ToR）服务器，然后再采用大量的100 Gbps光学链路，通过规模庞大的交换结构（通常称为叶脊架构）实现ToR交换机的互连。根据这类数据中心的具体数量，典型的光学互连覆盖范围最大可达到500米（DR），但是大型数据中心所需的距离则要长达2公里（FR）。

当前一代的100 G光端机以4信道的光发送机和光接收机为基础，分别在25 Gbps的速度下并行运行，从而达到100 Gbps的聚合带宽。目前共有两种类型的100G光端机：对于希望部署更多的光纤并且降低每台光端机成本的用户，适合使用PSM-4（并行单模一4）型的光端机。对于期望部署较少光纤的用户，则更加适用CWDM4（粗放型WDM-4）型的光端机。这两种类型的100G光端机在当今都已实现大批量的部署。

100G/400G的过渡及100G PAM-4技术即将到来

当前超大规模数据中心的特点在于互连速度过渡的速度更快，往往每三年发生一次迭代。极具创新性的100 G互连系统正在成为主流，在过去两年间已经得到广泛部署，而下一次的速度过渡也正在逼近。尽管当前正在考虑200 Gbps的速度，而业界的一致观点则是400 Gbps将成为下一步自然而然的选择。

当前基于4x25 G的100G技术的封装过程过于复杂，并且无法扩展到400G。为了降低100G的成本，并且通过经济的方式来支持400G的光学元件，业界正在转向采用一项新的技术，采用在50GBaud下使用PAM-4（4级脉冲幅度调制）编码的光学元件，从而实现每信道100G的速度，然后再通过4xl00G的聚合来达到400G的速度。制定100GLambda MSA（多源协议）的目的是定义这一新的行业标准，并已获得了23家企业的推广支持，而这就代表了一个广泛的行业生态系统，其中包含了生产半导体集成电路、光端机模块、网络系统的企业，以及作为最终用户的网络公司。

采用单信道100G光学元件的巨大优势包括显著减少了光学元件的数量从而降低成本，为经济型的400G速度构建起了坚实的基础，并且，当电气接口在未来迁移到100G的串行接口时，无需再逆向操作。据估计，PAM-4100 G在元件数量上可减少60%，而功率要求则可降低33%。

100G Lambda MSA最近还公布了一份规范的初稿，其中定义了100G FR（2公里）、100G LR （10公里）及400G FR4（2公里），并且还潜在地定义了400G LR4（10公里）。随着数字信号处理以及高速硅光子学之类高速光电子设备技术的进步，我们预计业界将会很快采纳并实施此类技术，现场的部署最早可能从2019年开始。

数据中心间（DCI）解决方案

在世界各地，超大规模数据中心都靠近人口中心部署，并且通过超高的带宽互连起来。尽管各大洲各大洋之间部署了许多的超高速光纤链路，其中的大部分链路都连接在数据中心园区内的各个数据中心大楼之间，或者连接在同一都市区的各个数据中心之间。这些数据中心建筑通过极高的带宽相互连接在一起，每秒的速度可达到数十兆位的级别。

对于几公里范围内互连到一起的数据中心，运营商可以选择部署简单的100G CWDM4（2公里）或100G LR4（10公里）型的光端机，然后再通过数百对的光纤来迁移到100G FR/LR（使用PAM-4技术）。如果光纤数量不足，并且添加更多的光纤成本过于高昂，那么运营商就可能选择部署DWDM（密集波分复用）光端机解决方案，从而达到每对光纤40xl00G的聚合带宽。对于这类园区内的短距离互连来说，与复杂性更高的相干传输技术相比，采用直接检测的单信道100G PAM-4要经济得多，是一种更具吸引力的解决方案，需要具有偏振复用/多路分解功能的振幅与相位调制/解码功能，以及配有精密控制光学本机振荡器的相干检测功能。

对于80公里距离内的互连数据中心，采用了先进数字信号处理技术的100G PAM-4 DWDM在成本上仍然具有优势，由于在全部DWDM信道上可以共享补偿，因此在可调谐色散补偿要求提高的情况下优势依然明显。将会采用相干检测来覆盖超出80公里的传输距离。在数据中心过渡到400G后，DCI解决方案将相应的扩展，而4xl00G PAM-4则仍可用于传输距离相对较短的DCI应用，相干的400G则将为其他的数据中心间连接拓展覆盖范围。

光端机形状系数

对于100G的数据中心应用来说，业界采用了QSFP28（四分之一小形状系数可插拔）收发模块。由于业界正在为从100G过渡到400G进行准备，多种新兴的MSA形状系数都在参与竞争，希望争得一席之地。其中一个领先的选项就是QSFP-DD（四分之一小形状系数可插拔双密度），这一选项衍生自QSFP28，数据的电气连接性能高出2倍，而机械长度稍长一些，保留了与QSFP28的兼容性。QSFP-DD收发模块与线缆笼改进了热设计，支持1 2瓦以上的功率耗散。

另一个竞争对手是OSFP（八进制小形状系数可插拔）光端机，与QSFP-DD接口相比，这一光端机的尺寸稍大一些也稍长一些。OSFP模块的主要优势在于形状系数较大，这样可实现更高的功率耗散，达到16瓦。不利之处则是缺少与QSFP28的向下的兼容性，而且尺寸稍大，降低了面板信息点的密度。

第三种MSA称为COBO（板载光学元件联盟），定义了一种脱离开系统面板信息点而直接配置在系统印刷电路板上的电气接口。这种配置的优势在于可以灵活的放置收发模块，使其更加接近速度更高的开关集成电路接口，便于处理信号完整性上的问题。由于COBO收发模块安装在二维的印刷电路板表面，还可以为散热器的实施提供更多的空间，从而潜在的为提高功率耗散的额定值而提供支持。

对于以快速的步伐进行大力投入、从而跟上技术发展与服务创新的潮流的主要的网络公司来说，超大规模数据中心正在迅速的成为一种关键的基础设施。在世界各地的超大规模数据中心内，对速度更快的电气与光学信号技术的开发工作将继续加速大规模的数据聚合。100G和400G光学技术的最新发展可以促成广泛而又高效的超大规模数据中心连接解决方案，为内容日益丰富的数据密集型应用提供大力支持。