數(shù)據(jù)中心互連布線的發(fā)展與前沿趨勢

  今年在圣地亞哥舉行的光通信峰會上，數(shù)據(jù)中心互連(DCI)領(lǐng)域的應(yīng)用成為一個熱門話題。數(shù)據(jù)中心互聯(lián)正成為網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域中快速發(fā)展的重要部分，近期光纖布線領(lǐng)域內(nèi)的多個令人興奮的進(jìn)展都聚焦于此。本文將探討該領(lǐng)域不斷發(fā)展的原因，重點(diǎn)介紹數(shù)項(xiàng)全新的布線技術(shù)如何讓數(shù)據(jù)中心互聯(lián)部分對安裝商來說能更加友好。

  設(shè)計和部署極高密度的數(shù)據(jù)中心互連，最佳實(shí)踐是什么樣的?

  ??數(shù)據(jù)中心園區(qū)布局

  在互聯(lián)網(wǎng)上快速搜索一下超大規(guī)模或多租戶數(shù)據(jù)中心的支出公告，就能找到多個擴(kuò)張計劃，總規(guī)模能達(dá)數(shù)十億美元。這種投資能收獲什么? 通常，是一個數(shù)據(jù)中心園區(qū)，它由位于不同建筑物中的幾個數(shù)據(jù)機(jī)房模塊組成，這些數(shù)據(jù)機(jī)房通常比一個足球場還要大，數(shù)據(jù)機(jī)房之間的流量通常超過100 Tbps(圖1)。

圖1 示例數(shù)據(jù)中心園區(qū)布局

  對于這些數(shù)據(jù)中心為什么發(fā)展得這么龐大，細(xì)節(jié)的原因有很多，但是我們可以簡化為兩個趨勢。第一個是機(jī)器間通信帶來的指數(shù)級東西向的流量增長;第二個趨勢就是更扁平化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的應(yīng)用，如脊葉結(jié)構(gòu)和Clos架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。其目標(biāo)是在園區(qū)內(nèi)建立一個大型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這也使數(shù)據(jù)中心之間的數(shù)據(jù)傳輸達(dá)到甚至超過100Tbps。

  可以想象，這種規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)會在整個網(wǎng)絡(luò)中遇到多個特別的挑戰(zhàn)，從電源和冷卻，到設(shè)備的連接。在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備互聯(lián)上，已經(jīng)評估了多種方法來提供100 Tbps(甚至更高)的傳輸速率，但是普遍的模型是通過多芯單模光纖以較低的速率傳輸。需要注意的是，這些連接的長度通常是2-3公里或更短。通過我們的建模分析，至少在未來幾年內(nèi)，使用更多的光纖以低數(shù)據(jù)速率傳輸仍然是最具成本效益的方法。這個成本模型揭示了為什么行業(yè)投入如此多的錢來開發(fā)高芯數(shù)光纜和相關(guān)的硬件。

  既然我們了解了高芯數(shù)光纜的需求所在，我們就可以把注意力轉(zhuǎn)移到數(shù)據(jù)中心互連市場上的替代方案上了。業(yè)界一致認(rèn)為帶狀光纜是這個應(yīng)用領(lǐng)域唯一可行的解決方案。傳統(tǒng)的松管光纜和單芯光纖端接安裝時間過長、光纖接頭熔接硬件過大而不實(shí)用。例如，使用松套管結(jié)構(gòu)設(shè)計的3456芯光纜需要200多個小時才能熔接結(jié)束，假設(shè)每次熔接需要4分鐘。如果您使用帶狀光纖的配置，熔接時間下降到不到40小時。除了節(jié)省這些時間外，在相同的硬件空間占用情況下，帶狀熔接設(shè)備的容量通常是單芯光纖熔接密度的四到五倍。

  一旦業(yè)界認(rèn)定帶狀光纜是最好的選擇，將很快意識到通過傳統(tǒng)的帶狀光纜設(shè)計在現(xiàn)有管道空間中無法實(shí)現(xiàn)所需的光纖密度。因此，業(yè)內(nèi)就著手將傳統(tǒng)帶狀光纜內(nèi)部的光纖密度提高一倍。

  ??光纜的結(jié)構(gòu)

  光纜的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了兩種設(shè)計方法。第一種方法使用具有更緊密封裝子單元的標(biāo)準(zhǔn)矩陣帶，而另一種方法使用具有中心或開槽設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)光纜結(jié)構(gòu)設(shè)計、使用可相互疊錯的松散結(jié)合的帶狀光纖設(shè)計(參見圖2)。

圖2 極高密度應(yīng)用下的不同帶狀光纜的設(shè)計

  ??探索端接辦法和面臨的挑戰(zhàn)

  既然我們了解了這些新的帶狀光纜設(shè)計，我們也必須探索端接它們的辦法和面臨的挑戰(zhàn)。根據(jù)美國國家電氣規(guī)范(NEC)，由于該光纜僅適用于室外防火等級，因此在進(jìn)入建筑物50英尺以必須內(nèi)轉(zhuǎn)換為具有室內(nèi)防火評級的光纜，通常是通過將MTP®/MPO或LC帶狀尾纖(一端預(yù)先安裝連接器的光纜)或帶有耦合器及尾纖的集成硬件(硬件預(yù)先安裝了耦合器及尾纖)拼接在一個密度極高的熔纖柜中來實(shí)現(xiàn)的。因此，在這個應(yīng)用環(huán)境中，用戶不再只是考慮室外光纜的設(shè)計，而是要針對這些昂貴和勞動密集型的鏈路部署尋求完整的端到端的解決方案(圖3)。

圖3 極高芯數(shù)室外光纜通過熔纖柜連接至室內(nèi)光纜

  在決定最佳的點(diǎn)對點(diǎn)方案時，必須對幾個因素進(jìn)行考量。時間研究表明，最耗時的過程是帶狀光纖色帶的識別和熔纖盤的光纜分支路由“分支”指的是在開剝光纜外皮后，帶狀光纖進(jìn)入硬件內(nèi)部到熔纖盤的過程中，為了保護(hù)帶狀光纖，會用波紋管或網(wǎng)眼套管保護(hù)。隨著光纜的光纖芯數(shù)的增加，這個步驟會變得更加耗時費(fèi)力。

  通常，安裝和熔接單根3456光纖鏈路需要數(shù)百英尺的波紋管或網(wǎng)眼套管。同樣的耗時過程也會應(yīng)用在室內(nèi)光纜上，無論它們是直熔還是熔接到提供了尾纖及耦合器的硬件上。目前市場上不同光纜產(chǎn)品的分支操作時間差別可以很大。

  有些室內(nèi)室外光纜中都集成了可分支路由的光纜子單元線束，在連接到熔接盤的時候就不需要再進(jìn)行分支，而有的產(chǎn)品則需要多種配件來分支和保護(hù)光纜。這種光纜通常安裝于特制的熔纖柜上，熔纖盤設(shè)計也進(jìn)行了優(yōu)化，以匹配路由子單元的光纖數(shù)。

圖4 具有帶狀光纖束子單元的光纜

圖5 極高密度光纜的分支組件樣品

  另一個耗時的任務(wù)是色帶識別和正確的排序，以確保正確的熔接。因?yàn)橐桓?456光纜包含288條12芯的光纖帶，所以需要清晰的標(biāo)識，以便在光纜外護(hù)套拆下后進(jìn)行分選。標(biāo)準(zhǔn)的矩陣色帶可以用噴墨打印機(jī)打印識別字符，而許多網(wǎng)絡(luò)設(shè)計依賴于不同長度和數(shù)字的連接號碼來幫助識別色帶。這一步至關(guān)重要，因?yàn)榇罅康墓饫w和路由必須被識別。當(dāng)光纜在初次安裝后被損壞或切斷時，這種帶狀標(biāo)記在網(wǎng)絡(luò)修復(fù)方面也變得至關(guān)重要。

  前瞻性的趨勢

  擁有3456芯光纖的光纜看起來也只是一個起點(diǎn)，因?yàn)樾袠I(yè)已經(jīng)開始討論超過5000芯光纖的光纜了。由于管道尺寸沒有變大，一個新興的趨勢是使用的光纖涂層尺寸已經(jīng)從工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的250微米減少到200微米。纖芯和包層的尺寸保持不變，因此不影響光學(xué)性能。這種減少的光纖涂層尺寸可以在如以前相同大小的管道內(nèi)，允許多鋪設(shè)數(shù)百或數(shù)千的光纖。

  另一個趨勢是客戶對于點(diǎn)對點(diǎn)方案的需求不斷增長。包含數(shù)千芯光纖的光纜解決了管道密度的問題，但在風(fēng)險和網(wǎng)絡(luò)部署速度方面也帶來了許多挑戰(zhàn)。有助于消除這些風(fēng)險和降低部署速度的創(chuàng)新解決方案將繼續(xù)成熟和發(fā)展。

  對極高密度光纜的需求似乎正在加速。人工智能、5G和更大的數(shù)據(jù)中心園區(qū)都在以某種方式推動對這些數(shù)據(jù)中心互聯(lián)的需求。這些部署將繼續(xù)挑戰(zhàn)行業(yè)，以開發(fā)可有效擴(kuò)展的端到端解決方案，從而最大限度地利用管道資源，而不是讓問題變得越來越麻煩。