數(shù)據(jù)中心的系統(tǒng)互連架構(gòu)設(shè)計和物理布線互連設(shè)計日益成為數(shù)據(jù)中心的焦點�；�于光互連速率和密度的不斷升級展望，人們對數(shù)據(jù)中心的架構(gòu)設(shè)計和投資成本回報性產(chǎn)生了躊躇和疑慮。數(shù)據(jù)中心的系統(tǒng)設(shè)計橫跨了多個學(xué)科，確實很少人能對數(shù)個學(xué)科的未來都有精確的預(yù)計�；�于不同存儲量和不同計算量的數(shù)據(jù)中心理應(yīng)有不同的設(shè)計模型，希望本文對鏈路采用平行和波分復(fù)用的架構(gòu)討論能夠厘清一些思路,帶來更多有益的思考。

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

在數(shù)據(jù)中心內(nèi)。普遍建議的光互連方案如下：

基于系統(tǒng)對運算和傳輸速率的不同，系統(tǒng)設(shè)備的內(nèi)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(shù)（500米到2公里）。近年來海量數(shù)據(jù)中心更引入CWDM4（2公里鏈路）作為減少光纖數(shù)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(rèn)為：鏈路采用多模光互連技術(shù)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(xiàn)技術(shù)的平滑升級,并不需要觸動現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)布線架構(gòu).

人們之前一直擔(dān)憂多模VCSEL 的技術(shù)瓶頸到25GB/b將是極限,從而對多模數(shù)據(jù)中心的可延伸性產(chǎn)生了顧慮，近而放棄多模數(shù)據(jù)中心架構(gòu)直接采用理論上(注意是理論上)可一直擴展升級的單模數(shù)據(jù)中心架構(gòu).可是最近的研究表明,50G VCSEL NRZ 技術(shù)并不是問題,在同樣的QSFP28封裝空間內(nèi),可以輕松地實現(xiàn)8*25G AOC 光互連.這使得系統(tǒng)架構(gòu)面向8*25G 和4*50G 根本不是問題.可能人們進一步會擔(dān)心400G VCSEL 技術(shù)可行性,目前盡管我們沒有結(jié)論,但是400G VCSEL 遇到的技術(shù)瓶頸和單模400G遇到的技術(shù)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(dāng)然還在于,采用OM5光纖將需要更換現(xiàn)有的布線架構(gòu).但是這個問題和其它問題是糾結(jié)在一起的,并不適合單項的做結(jié)論,它需要就其它技術(shù)做權(quán)衡取舍.

PSM4技術(shù)是對多模100G 數(shù)據(jù)中心的補充.目前業(yè)界低估了PSM4技術(shù)的潛在性.而把焦點放在了CWDM4技術(shù)上.這或許多少有些誤區(qū).PSM4技術(shù)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(yè)標(biāo)準(zhǔn)的500米,其實PSM4技術(shù)應(yīng)該是10KM 傳輸?shù)囊?guī)格,只是業(yè)內(nèi)對于它的應(yīng)用幾乎是不假思索的定義為2KM.這是一個焦點被轉(zhuǎn)移后錯誤的認(rèn)知.從一開始,分布式計算和并行傳輸就應(yīng)該是這個領(lǐng)域的綱領(lǐng)性標(biāo)準(zhǔn).100G PSM4的成本應(yīng)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(shù),PSM4技術(shù)使用了4倍光纖數(shù)量,光纖的成本可以假設(shè)為零,系統(tǒng)設(shè)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(shù)據(jù)機房的布線成本.讓我們細致地討論這些集合不同領(lǐng)域的知識和見解,然后給出一個建設(shè)性結(jié)論

l  光纖傳輸之所以采用粗波分復(fù)用和密集粗波分復(fù)用是由于已經(jīng)布設(shè)的光纜資源的有限性,所以設(shè)計者考慮用波分復(fù)用設(shè)備替代單波長設(shè)備.在光纖資源并不緊張的情況下,這種空分復(fù)用技術(shù)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(shè)的時候應(yīng)該布設(shè)足夠的光纖以便于日后擴容采用.數(shù)據(jù)中心和骨干城域網(wǎng)不同, 骨干城域網(wǎng)的光纜建設(shè)已經(jīng)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(shè)的光纜資源都是有限的,因此必須啟用波分復(fù)用技術(shù).但是數(shù)據(jù)中心不同,數(shù)據(jù)中心屬于第一次建設(shè), 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(fù)用技術(shù).不能為波分復(fù)用而去做波分系統(tǒng)，波分復(fù)用僅是對現(xiàn)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(xiàn)在的需求看來基本是沒有必要付出的.波分復(fù)用僅是同一種速率下的密度升級,按照現(xiàn)有的模塊與系統(tǒng)設(shè)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(tǒng)的速率和帶寬升級.

l  現(xiàn)有的100G CWDM4 模塊是無法直接升級到200G與400G 的.常規(guī)的波分復(fù)用系統(tǒng)可以被升級,是因為有源和無源被分割成兩個獨立的系統(tǒng).無源是和速率波長無關(guān)的,所以可以自由升級.現(xiàn)在的數(shù)據(jù)中心CWDM4模塊集成了有源和無源技術(shù)，好處是空間緊湊,壞處也是明顯的，這個架構(gòu)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(dāng)系統(tǒng)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(xiàn)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(xiàn)在的系統(tǒng)運作毫無意義.

l  現(xiàn)有CWDM4模塊對數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)增加了可靠性風(fēng)險.緊湊型CWDM4�？齑嬖跍仫h和可靠性問題.CWDM4的規(guī)模部署需要數(shù)據(jù)中心將機房溫度嚴(yán)格設(shè)定在估計15-50-度的范圍,否則可能出現(xiàn)由于溫飄和光芯片可靠性招致的嚴(yán)重誤碼現(xiàn)象.如果機房的水冷和空調(diào)系統(tǒng)一旦間歇性失靈.數(shù)據(jù)中心將出現(xiàn)災(zāi)難.CWDM4模塊需要一個更可靠的工作環(huán)境帶給系統(tǒng)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(nèi)使所有模塊的購買成本增大一倍.就我們已經(jīng)做過的驗證,4*25G CWDM CHIP 業(yè)內(nèi)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(fā)射結(jié)構(gòu)的可靠性或AWG 的溫漂性.我們知道CWDM4技術(shù)正在進步,但是到目前為止,大家都在閉著眼睛過河

l  CWDM4的光纖是否帶來了光纖資源的節(jié)約和長期性升級時候的一勞永逸?沒那么簡單!當(dāng)我們做系統(tǒng)設(shè)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(gòu)去布置,而不要思考光纖復(fù)用的問題,因為在此時考慮復(fù)用是沒有意義的.我們根本不知道未來的技術(shù)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(xiàn)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(shù)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(xiàn)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(jīng)分析過，PSM4�？斓哪芎暮凸芾沓杀具h遠為數(shù)據(jù)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(tǒng)。雖然沒有精確的計算,但是PSM4模塊的好處是非常多的:傳輸?shù)耐�明�?/span>,無溫飄,可靠性更高,以及在某些情況下輕易地實現(xiàn)通道的分流監(jiān)測.

我們需要再次強化一個概念,波分復(fù)用技術(shù)是空分復(fù)用技術(shù),它和系統(tǒng)速率和帶寬毫無關(guān)系.系統(tǒng)架造師如果把波分復(fù)用技術(shù)和系統(tǒng)從40G/100G 向200G/400G 升級的相關(guān)技術(shù)融作一體考量的時候,就必然陷阱兩種不同技術(shù)思維的誤區(qū),招致錯誤的結(jié)論.波分復(fù)用技術(shù)的價值僅在于對現(xiàn)有光鏈路的改造以及資源非常緊張的應(yīng)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(shù).讓我們進一步闡釋.一個數(shù)據(jù)中心鏈路通常包括四種架構(gòu)設(shè)計:設(shè)備架構(gòu),布線架構(gòu),擴容架構(gòu).

l  設(shè)備架構(gòu):保證系統(tǒng)采用何種速率和吞吐率,只能基于現(xiàn)有的技術(shù)

l  布線架構(gòu):保證系統(tǒng)需要多少光纖資源,必須一次性想好道路的寬度

l  升級架構(gòu)：系統(tǒng)從低速率（如10G/40G）向高速率（如100G/200G/400G演進的技術(shù)路徑和成本

l  擴容架構(gòu):如何利用空分復(fù)用技術(shù)把現(xiàn)有系統(tǒng)提升系統(tǒng)的容量和密度

     對于擴容架構(gòu),我們有必要做進一步的論證,如下圖是兩個典型數(shù)據(jù)中心波分復(fù)用光互連架構(gòu)

(A) 方案是有源和無源分離的設(shè)計方案

(B) 方案類似現(xiàn)在100G CWDM4 數(shù)據(jù)中心的結(jié)構(gòu).

     我們很容易發(fā)現(xiàn),就系統(tǒng)升級而言,A方案僅需要更換交換路由設(shè)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(rèn)為現(xiàn)有CWDM4數(shù)據(jù)中心因為謀求更緊湊的設(shè)備,導(dǎo)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(rèn)為這些被留下的光纜一定可被再利用進入下一代數(shù)據(jù)中心也是值得商榷的,下一代數(shù)據(jù)中心比如400G 數(shù)據(jù)中心,如果采用FR8或LR8,這個波長是1550NM 色散位移光纖,而現(xiàn)在的100G CWDM4 是采用1310NM 的光纜.

數(shù)據(jù)中心作為一個蓬勃發(fā)展的新事物,有太多值得討論的空間,本文最后的推薦結(jié)論是:

1)    多模數(shù)據(jù)中心仍然是數(shù)據(jù)中心發(fā)展的核心.不但因為成本，也因為技術(shù)的可靠性.多模數(shù)據(jù)中心可以說是為數(shù)據(jù)中心而生.

2)    在長距離數(shù)據(jù)中心發(fā)展上,PSM4技術(shù)優(yōu)于CWDM4,PSM8技術(shù)優(yōu)于CWDM8,以此類推.數(shù)據(jù)中心適宜定位平行技術(shù)作為主流.至少這個布局不會是一個全輸?shù)挠螒?/span>.并行技術(shù)不但透明且易于做OMA管理.

3)    除非情不得已,數(shù)據(jù)中心采用NRZ技術(shù)演進是最可靠和低成本的.有時候我們要考慮,一旦數(shù)據(jù)中心被PAM4主導(dǎo),它的下一步是PAM8/PAM16嗎?這樣的話系統(tǒng)將變得越來越不透明和難于管理.如果我們采用PSM4+PAM4的結(jié)構(gòu)一定優(yōu)于CWDM4+PAM4的結(jié)構(gòu).

4)    目前采用集成CWDM4技術(shù)做數(shù)據(jù)中心的第一次部署從一開始就把數(shù)據(jù)中心定義為過渡型而非固定型.這個理念需要修正.我認(rèn)為這正是專業(yè)人士和非專業(yè)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(shù).目前的CWDM4技術(shù)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(tǒng)地擴容能力，CWDM4作為數(shù)據(jù)中心第一次部署并不恰當(dāng).客觀上,這種技術(shù)的第一次部署是限制了系統(tǒng)的可能性與靈活性，帶來事與愿違的成本上升,必須十分謹(jǐn)慎!

結(jié)語:數(shù)據(jù)中心的平行架構(gòu)和CWDM架構(gòu)頗有點宇宙和哲學(xué)的意味,把這個問題講清楚頗費腦筋.CWDM技術(shù)是平行技術(shù)的延伸,而非對抗性技術(shù).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?jīng)]有發(fā)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.

深圳市易飛揚通信技術(shù)有限公司 李振東

2017-7-1