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數據中心：平行還是波分復用

來源: | 作者:pro6f912c | 發布時間: 2017-08-08 | 5395 次瀏覽 | 分享到:

數據中心的系統互連架構設計和物理布線互連設計日益成為數據中心的焦點?；诠饣ミB速率和密度的不斷升級展望，人們對數據中心的架構設計和投資成本回報性產生了躊躇和疑慮。數據中心的系統設計橫跨了多個學科，確實很少人能對數個學科的未來都有精確的預計?；诓煌鎯α亢筒煌嬎懔康臄祿行睦響胁煌脑O計模型，希望本文對鏈路采用平行和波分復用的架構討論能夠厘清一些思路,帶來更多有益的思考。

數據中心的系統互連架構設計和物理布線互連設計日益成為數據中心的焦點。基于光互連速率和密度的不斷升級展望，人們對數據中心的架構設計和投資成本回報性產生了躊躇和疑慮。數據中心的系統設計橫跨了多個學科，確實很少人能對數個學科的未來都有精確的預計?；诓煌鎯α亢筒煌嬎懔康臄祿行睦響胁煌脑O計模型，希望本文對鏈路采用平行和波分復用的架構討論能夠厘清一些思路,帶來更多有益的思考。

數據中心是一個含混的概念。它不僅僅包括計算機系統和其它與之配套的設備（例如通信和存儲系統），還包含冗余的數據通信連接、環境控制設備、監控設備以及各種安全裝置。因此我們在考量數據中心設計的時候必須基于計算能力、存儲能力，互連能力，以及環境控制和監控能力來做對應的設計，這些設計無疑將帶來計算成本、存儲成本，互連成本，以及環境控制和監控的成本。如果我們不清晰地依據當前的技術以及當前的需求，結合未來需求和未來技術展望性做出合理的規劃，數據中心會成為一個巨大燒錢的倉庫。數據中心一旦建成，其是不可逆的。架構設計師必須非常小心！

在數據中心內。普遍建議的光互連方案如下：

基于系統對運算和傳輸速率的不同，系統設備的內連可以采用10G AOC（300米鏈路），4*10G AOC（300米鏈路）和4*25G AOC（100米鏈路）以及100G PSM4 技術（500米到2公里）。近年來海量數據中心更引入CWDM4（2公里鏈路）作為減少光纖數量管理的手段。由于不同方案會帶來不同的性能和成本，我們認為：鏈路采用多模光互連技術是最成熟和最合理的方案，按照目前的成本估量，40G 多模鏈路的成本是10G 多模鏈路成本的2.5-3.0倍，而100G 多模鏈路大約是40G 的2.5-3.0倍,其中40G/100G 多模鏈路采用的均是MPO 多模光纖,意味著從40G 到100G 可以實現技術的平滑升級,并不需要觸動現有的網絡布線架構.

人們之前一直擔憂多模VCSEL 的技術瓶頸到25GB/b將是極限,從而對多模數據中心的可延伸性產生了顧慮，近而放棄多模數據中心架構直接采用理論上(注意是理論上)可一直擴展升級的單模數據中心架構.可是最近的研究表明,50G VCSEL NRZ 技術并不是問題,在同樣的QSFP28封裝空間內,可以輕松地實現8*25G AOC 光互連.這使得系統架構面向8*25G 和4*50G 根本不是問題.可能人們進一步會擔心400G VCSEL 技術可行性,目前盡管我們沒有結論,但是400G VCSEL 遇到的技術瓶頸和單模400G遇到的技術瓶頸是相同的.某種意義上,是錯覺打亂了人們的眼睛,就已知的知識,200G VCSEL AOC將進一步縮短傳輸距離(估計是50米)，但是康寧的OM5光纖可以很好地彌補這一缺陷.問題當然還在于,采用OM5光纖將需要更換現有的布線架構.但是這個問題和其它問題是糾結在一起的,并不適合單項的做結論,它需要就其它技術做權衡取舍.

PSM4技術是對多模100G 數據中心的補充.目前業界低估了PSM4技術的潛在性.而把焦點放在了CWDM4技術上.這或許多少有些誤區.PSM4技術采用的是單模MPO 光纖傳輸,目前的傳輸距離到2KM非常輕松,而不是行業標準的500米,其實PSM4技術應該是10KM 傳輸的規格,只是業內對于它的應用幾乎是不假思索的定義為2KM.這是一個焦點被轉移后錯誤的認知.從一開始,分布式計算和并行傳輸就應該是這個領域的綱領性標準.100G PSM4的成本應該是100G VCSEL 的3倍.,只要人們愿意,未來可能降低到1.5-2倍水平.相對于100G CWDM4技術,PSM4技術使用了4倍光纖數量,光纖的成本可以假設為零,系統設計者考慮最多的是:一,光纖資源的有限性和日后可擴容性, 二,數據機房的布線成本.讓我們細致地討論這些集合不同領域的知識和見解,然后給出一個建設性結論。

光纖傳輸之所以采用粗波分復用和密集粗波分復用是由于已經布設的光纜資源的有限性,所以設計者考慮用波分復用設備替代單波長設備.在光纖資源并不緊張的情況下,這種空分復用技術本身是增加成本的,因為光纖成本接近于零,如果空間建筑允許,第一次布設的時候應該布設足夠的光纖以便于日后擴容采用.數據中心和骨干城域網不同, 骨干城域網的光纜建設已經完成，不管是之前思慮不周還是沒有了望到更長遠的需求，地底下被埋設的光纜資源都是有限的,因此必須啟用波分復用技術.但是數據中心不同,數據中心屬于第一次建設, 它不需要采用未來還不明確的在哪種速率和帶寬下的波分復用技術.不能為波分復用而去做波分系統，波分復用僅是對現有光纖資源的一個有效利用手段,這個手段需要付出很多成本代價,但是在現在的需求看來基本是沒有必要付出的.波分復用僅是同一種速率下的密度升級,按照現有的模塊與系統設計,它的第一次部署等同于喧賓奪主或者本木倒置,必將阻礙系統的速率和帶寬升級.

現有的100G CWDM4 模塊是無法直接升級到200G與400G 的.常規的波分復用系統可以被升級,是因為有源和無源被分割成兩個獨立的系統.無源是和速率波長無關的,所以可以自由升級.現在的數據中心CWDM4模塊集成了有源和無源技術，好處是空間緊湊,壞處也是明顯的，這個架構根本無法直接更換一個更高速率或更多波長(如8波,16波)的模塊,意味著當系統需要升級的時候.我們過去為CWDM4而CWDM4的成本都打了水漂.因為采用PSM4同樣可以實現光連接,且成本更低.按目前的直接材料成本和制成費用核算,單個CWDM4成本是PSM4的1.35-1.5倍.這些多出的成本對于現在的系統運作毫無意義。

現有CWDM4模塊對數據中心系統增加了可靠性風險.緊湊型CWDM4?？齑嬖跍仫h和可靠性問題.CWDM4的規模部署需要數據中心將機房溫度嚴格設定在估計15-50-度的范圍,否則可能出現由于溫飄和光芯片可靠性招致的嚴重誤碼現象.如果機房的水冷和空調系統一旦間歇性失靈.數據中心將出現災難.CWDM4模塊需要一個更可靠的工作環境帶給系統巨大的能耗(PDU增大).如果僅僅因為使用CWDM4模塊而必須犧牲巨大的能耗,這些能耗的損失將在一個月內使所有模塊的購買成本增大一倍.就我們已經做過的驗證,4*25G CWDM CHIP 業內還沒有絕對的可靠性保證.任何一路的可靠性將影響到四路也就是整個模塊的可靠性.CWDM4的可靠性隱患包括:CWDM 光芯片的可靠性,自由空間發射結構的可靠性或AWG 的溫漂性.我們知道CWDM4技術正在進步,但是到目前為止,大家都在閉著眼睛過河。

CWDM4的光纖是否帶來了光纖資源的節約和長期性升級時候的一勞永逸?沒那么簡單!當我們做系統設計的時候一定要考慮到在一開始，光纖資源就必須按照平行架構去布置,而不要思考光纖復用的問題,因為在此時考慮復用是沒有意義的.我們根本不知道未來的技術需要多少光纖資源.把一個PSM4模塊升級到PSM8和把一個CWDM4模塊升級到CWDM8,理論上都需要仍掉現在的PSM4模塊和CWDM4模塊(很顯然這個情況下仍掉的錢是不同的).把一個PSM4模塊升級到PSM8確實需要動用8根光纖,但是這個升級遭遇的技術瓶頸是更簡單低成本的.只要有需求,我們事實上在任何時候可以把一個PSM4模塊升級到CWDM4從而有效地利用光纖資源.人們會說,如果不是現在,而是將來把100G PSM4升級到100G CWDM4,那不是白白損失了一個PSM4模塊嗎?我們在之前已經分析過，PSM4模快的能耗和管理成本遠遠為數據中心建造者賺回了不止10個CWDM4模塊.并且由于PSM4模塊的可靠性，拆卸下來的模塊仍然可以被利用于其它新建的系統。雖然沒有精確的計算,但是PSM4模塊的好處是非常多的:傳輸的通明性,無溫飄,可靠性更高,以及在某些情況下輕易地實現通道的分流監測.

我們需要再次強化一個概念,波分復用技術是空分復用技術,它和系統速率和帶寬毫無關系.系統架造師如果把波分復用技術和系統從40G/100G 向200G/400G 升級的相關技術融作一體考量的時候,就必然陷阱兩種不同技術思維的誤區,招致錯誤的結論.波分復用技術的價值僅在于對現有光鏈路的改造以及資源非常緊張的應用(比如租用光纖資源的成本和稀缺性).它不能被視作一個初始技術.讓我們進一步闡釋.一個數據中心鏈路通常包括四種架構設計:設備架構,布線架構,擴容架構。

設備架構:保證系統采用何種速率和吞吐率,只能基于現有的技術
布線架構:保證系統需要多少光纖資源,必須一次性想好道路的寬度
升級架構：系統從低速率（如10G/40G）向高速率（如100G/200G/400G演進的技術路徑和成本
擴容架構:如何利用空分復用技術把現有系統提升系統的容量和密度

對于擴容架構,我們有必要做進一步的論證,如下圖是兩個典型數據中心波分復用光互連架構

(A) 方案是有源和無源分離的設計方案

(B) 方案類似現在100G CWDM4 數據中心的結構.

我們很容易發現,就系統升級而言,A方案僅需要更換交換路由設備,而B方案的升級將只剩下光纜可以被再度利用.所以我們傾向認為現有CWDM4數據中心因為謀求更緊湊的設備,導致了升級成本的根本上升.因為除了光纜,什么也無法留下.即便我們認為這些被留下的光纜一定可被再利用進入下一代數據中心也是值得商榷的,下一代數據中心比如400G 數據中心,如果采用FR8或LR8,這個波長是1550NM 色散位移光纖,而現在的100G CWDM4 是采用1310NM 的光纜.

數據中心作為一個蓬勃發展的新事物,有太多值得討論的空間,本文最后的推薦結論是:

1) 多模數據中心仍然是數據中心發展的核心.不但因為成本，也因為技術的可靠性.多模數據中心可以說是為數據中心而生.

2) 在長距離數據中心發展上,PSM4技術優于CWDM4,PSM8技術優于CWDM8,以此類推.數據中心適宜定位平行技術作為主流.至少這個布局不會是一個全輸的游戲.并行技術不但透明且易于做OMA管理.

3) 除非情不得已,數據中心采用NRZ技術演進是最可靠和低成本的.有時候我們要考慮,一旦數據中心被PAM4主導,它的下一步是PAM8/PAM16嗎?這樣的話系統將變得越來越不透明和難于管理.如果我們采用PSM4+PAM4的結構一定優于CWDM4+PAM4的結構.

4) 目前采用集成CWDM4技術做數據中心的第一次部署從一開始就把數據中心定義為過渡型而非固定型.這個理念需要修正.我認為這正是專業人士和非專業人士的分界點.從我接觸光通信時候起，我們就知道CWDM屬于一種增容的技術.目前的CWDM4技術界于離散和集成之間,并不成熟,而且無法擴充到8波或16波，這極大限制了CWDM系統地擴容能力，CWDM4作為數據中心第一次部署并不恰當.客觀上,這種技術的第一次部署是限制了系統的可能性與靈活性，帶來事與愿違的成本上升,必須十分謹慎!

結語:數據中心的平行架構和CWDM架構頗有點宇宙和哲學的意味,把這個問題講清楚頗費腦筋.CWDM技術是平行技術的延伸,而非對抗性技術.有多少個平行宇宙就有多少種CWDM宇宙.如果平行宇宙不存在,CWDM宇宙將很快塌縮到沒有發展空間.或者我們從另外一個意義上看,上帝總是寧愿相信簡單.平行=簡單。

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