现如今,几乎每家企业组织都希望能够更快地获取更多的数据信息,而这一需求也就推动了数据中心以太网速度的快速变化。超大规模数据中心都在纷纷部署100千兆以太网(100GbE),并期望在未来几年内将其迁移到200GbE或400GbE,并且,这些数据中心运营商们还在寻求更快的速度。在企业级别的数据中心,这方面的变化要稍微显得有些缓慢。直到最近,我们才看到10GbE成为企业的主流,但由于可用以太网速度的发展正在加速,所以10GbE在企业级数据中心还将持续5年或10年是令人怀疑的。相反,我们将看到一个大规模迅速朝着25GbE和100GbE迁移的高潮。

以太网

迁移到更快的以太网不仅仅是插入更快的网络接口卡(NIC)而已,其还涉及到光纤使用方式的变化以及数据的传输方式的改变。在本文中,我们将为广大读者朋友们介绍以太网网络技术的变化,研究数据中心的主要需求,并探索如何适应更高速度需求的迁移策略,而不会干扰中断正在进行的数据中心操作。

数据中心以太网的简要介绍

从历史上看,以太网的速度经历了一个10倍的增长历程:从10 Mbps到100 Mbps,到1GbE再到10GbE和100GbE.从GbE到10GbE的改变,数据中心架构进行了简单的转换,但是,今天的企业客户正在对其传统架构进行其他方面的改造,以提高效率。网络已经从多层发展到脊叶(spine-leaf)或结构化/网格设计扁平化,以便为用户提供容错的,低延迟的服务。增加设备之间的数据速率,进而增强了服务传输。

为了实现更高的传输速度,数据中心架构师们已经改变了信号的传输方式,将其由双工10GbE传输转变为40GbE和100GbE并行传输。并行传输使用更多的光纤,并且在10GbE元件的基础上,驱动100GbE需要许多光纤。事实上,40GbE是受企业欢迎的,因为除了数据传输速率的提升,它在网络设备上提供了更高密度和更低成本的10G端口,占40GbE QSFP端口使用率的50%以上。企业可以使用20根光纤(10根并行10GbE光纤)产生100GbE,但与40GbE的使用四个并行10GbE电路(八个光纤,四个用于传输,四个用于接收)的布线方案相比,这种布线方案更难管理。

在2016年,25GbE被标准化,作为基本的以太网元件,已经开始了从10GbE到25GbE的转变。使用25GbE替换10GbE提供了一种使用四个光纤对达到100GbE的方法,从连接器和布线角度来看,这更容易进行管理。基于25GbE的100GbE具有八根光纤(四根发射和四根接收)具有成本效益,并已经被广泛部署。服务器附件速率正在转向25Gbps;将100GbE与4x25GbE接口相结合,可以推动更快的应用程序运行,降低成本,提高网络设备密度。

而对于50GbE以太网技术而言。该技术允许您企业得以能够使用四个发送和四个接收通道达到200GbE.随着50GbE以太网技术的发展和逐步标准化,200GbE将可能使用相同的光纤基础设施和类似的连接。

编码技术的改进也帮助进一步提高了效率和速度。通过多模光纤和PSM4由单模光纤从NRZ编码转换为PAM4可提供更高的效率。这些发展进步技术的普及采用要比GbE和10GbE时要快得多。每千兆位成本的降价,更高的速度和更低的延迟使这些改变更有吸引力。

布线和传输要求

那么,这些传输速度的提升如何映射到数据中心的需求方面呢?下面,就让我们来看三种情况吧,分别是:传统、多租户和超大规模数据中心。

一处传统的企业数据中心采用10GbE以太网技术作为典型元素,uplink端口是40GbE或100GbE.许多大中型企业正在考虑通过将服务器迁移到25GbE来提高100GbE的效率。通过25GbE以太网的采用,企业对于100GbE的兴趣也在增长。此外,当前的诸多企业正在从OM4演变为OM5(宽带多模)光纤,这使得他们能够在每个光纤中具有四个通道,因此是一个光纤对中的带宽的四倍。例如,使用OM5光纤,单个光纤对可以传输40GbE或100GbE,而不需要8根光纤。OM5光纤能够以较便宜的垂直共振腔表面放射激光(vertical cavity surface emitting lasers ,VCSEL)实现这种短波分复用(short-wave-division multiplexing ,SWDM)。

双工应用程序已经发展演进并且随着从10Gbps发展到更高的速度迁移到了并行。但是,数据速率的提高与WDM相结合意味着双工光纤仍然需要更高的速度。此外,使用WDM双向(Bi-Di)或SWDM技术,25,40,50,100GbE及以上的双工光纤对可提供更高的效率。

多租户数据中心(简称MTDCs)是另一类应用。 广域网连接到单个客户端的网卡需要长的单模扩展链接。虽然多模链路较便宜,但多模不能支持这种场景的距离和速度要求。在这些情况下,MTDCs在单个租户空间外运行单模光纤,并在笼式环境内部使用多模光纤。实际上,在其数据中心中为客户端提供服务的基础架构设计在其从MTDC租赁的笼式环境中复制。与数据中心园区环境相比,许多较大的MTDC正在采用一些超大规模数据中心所使用的相同的做法。

过渡策略

对于正在考虑采用一种新的“短距离”设计的企业组织而言,多模光纤仍将提供灵活性,能源效率和几代的数据速率增长。现有和近期开发的收发器能够提供双工和并行选项,以适应距离和资本预算。第一个建议是关注最低成本的双工设计。这样做,使企业组织能够在今天充分利用10GbE和25GbE的双工应用,具备在脊柱或核心需要时并行的能力。双工连接占用与MPO连接相同的空间。只有当网络保持并行时,纯粹的并行设计才是有效的。从平行回到双工可以增加四倍的必要的机柜空间。

从双工设计开始,用户可以从双工转移到并行并返回到双工,而不会因数据速率的增加而重新使用光纤端口。例如,使用10 Gbps作为基准,四个光纤对将提供40GbE上行链路(4x10 Gbps)。同样的光纤布线可以提供100Gbps的通道速率增加到25GbE.随着网络的发展,企业组织可以利用诸如SWDM的技术,并且可以通过单根光纤提供相同的40GbE或100GbE,从而保留原始光纤的使用。

随着近期OM5宽带多模光纤的标准化,短距离多模基础设施的价值大大增强。OM5能够提供与OM3和OM4相同的传统短波长应用的支持能力,在许多情况下,其可以扩展布线架构的可支持距离和/或设计灵活性。除此之外,它提供的最大价值是能够支持更高频率的波长,从而有助于诸如SWDM等技术的更有效的实现。这种方法可以使用成本效益高的VCSEL技术在光纤对上提供四倍的带宽。

随着数据中心发展到具备更高的处理速度,如果操作人员们仍然使用与初始10 / 100GbE部署相同的并行设计,光纤计数就会失控。通过开始采用双工设计并进一步采用单模光纤和OM5多模光纤,数据中心运营商们可以轻松地升级到更高速的以太网标准,同时有效利用空间和布线。

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