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数据中心AOC互连的现在和未来

数据中心是全球协作的特定设备网络,可以为一家或多家企业的互连数据处理、存储及通信设备提供存放空间,包括一个房间或一组联网房间,把各种数据设备存放在满足供电、空调、通信、冗余和安全需求的环境内。

数据中心网络架构图示例

以下图的Cisco数据中心网络架构为例,我们可以看到数据中心内部主要分为服务器群、服务器阵列、存储局域网、互连网络以及接入网几个部分。

1.服务器群:通过千兆和万兆以太网连接计算资源与办公区用户。

2.服务器阵列:用于连接集群,实现服务器虚拟化,并缩短应用延迟。

3.存储域/阵列:用于实现存储资源的融合于虚拟化,以便更加有效地进行资源共享。

4.数据中心互连:通过光或传统WAN线路将主数据中心与备用或从数据中心相连。数据复制和业务连续性最佳实践要求在数据中心之间建立高速低延迟连接。

5.接入网络:为通过内部网、互联网或外部网远程连接的员工、客户或合作伙伴提供安全接入。

数据中心AOC互连的现在和未来

来自思科

上图是数据中心内部的结构示意图,我们可以看到,数据中心是由一个有层次结构的物理设施组成的整体。虽然当前云计算数据中心强调虚拟化,通过软件定义网络(SDN)以及网络功能虚拟化(NFV)等技术使传统数据中心更具弹性化、动态化,但在很大程度上虚拟数据中心还是要建立在可靠的物理连接上。

数据中心内部互连方案

一个完整的网络基础设施解决方案包括电缆、配线架系统、信息口和跳线等,所有部件的设计都以实现最大兼容性和最佳性能为目标。其中设备之间的互连有两种方式:一为端口模块+线缆/跳线方案,二为互连Cable方案,如图所示。

数据中心AOC互连的现在和未来

来自易飞扬(Gigalight)

其中方案二包括直连线缆(Direct attach copper cable,DAC)和有源光缆(Active optical cable,AOC)两种方式。

这两种方式有利有弊,下面是这两种互联方式的优劣对比。

 方式一:端口模块+线缆方式二:互连Cable
1.部署灵活
2.可平滑升级,充分保护设备投资,只需要按需更换通信模块与线缆
3.产品选择余地大
1.可靠性高
2.高速端口模式下,设备端口密度可以做到很高,提升设备集成度
3.成本较低
1.高速端口模式下,设备端口密度低
2.一般情况下成本较高
3.可靠性相对低一些
1.部署灵活度不高
2.未来升级受到一定的限制
3.可选产品范围不大

其实很好理解,端口模块+线缆的方式部署很灵活,可以根据不同需要选择不同产品,但是它不像互连Cable产品那样性能稳定。相比于前者,互连Cable方案减少了插入损耗、耦合方案下的信号噪声更小。当前这种方案可能还有一些限制,不如前一种方案灵活简便,却是未来数据中心走向大规模集成化、规范化的必由之路。

AOC在数据中心互连中优势

下面我们重点介绍上面所说的第二种方案:互连Cable方案。一是DAC,二是AOC。DAC一般应用在7m/10m以内的场景下,比如接入交换机(ToR)和服务器网卡之间的连接。DAC成本较低,短距离应用下功耗、散热性能也较好,因此被大量应用。

市场上有很多DAC产品,十分常见,这里不再作更多赘述。我们重点聊聊AOC。

有源光缆(AOC)由两个光电收发器和光纤跳线组成,从一端进入的电信号经过光模块转换成光信号,经过耦合处理进入光缆后,光信号到达另一端后再转变为电信号。目前光电转换接口的方案主要包括垂直共振腔面发射型激光技术(VCSEL)和硅光子学技术,封装类型主要是:QSFP+,SFP28,QSFP28等。有源光缆2007年开始应用于高速互联市场,10年开始应用数据中心的SAN,2011年用于相机与计算机之间的高清相片传输,2014年开始应用于USB3.0数据线。近些年来更是由于不断增长的市场需求而被越来越多的高性能数据中心厂商所使用。数据中心AOC互连的现在和未来

市场上比较常见的AOC产品

AOC的线缆部分由多模光纤组成,比起单模光纤更容易制造且成本更低。多模光纤中心玻璃芯较粗(50um或62.5um),可传播多种模式的光,但是较大的模间色散限制了传输数字信号的频率,随着距离的增加会更严重,因此AOC一般只用于交换机之间的短距离传输。数据中心扩展带宽速率的主要方式主要分为波分复用、并行光纤传输和增加面板密度等。基于多模光纤的AOC是专为数据中心短距离互连而生的技术,也属于并行(多模)光纤传输的范畴。

有源光缆(AOC)性能优异,在光学耦合以及信号完整性设计上表现突出,BER值一般在之间。AOC常用的耦合方式为在激光器和光纤之间增加45°棱镜来实现,角度误差一般要求在0.1°以内,在耦合过程中要保证激光器、棱镜、光纤的光轴中心在一条直线上,所以操作上存在一些难度。易飞扬(Gigalight)的工程师们高度重视对光纤耦合部分的研究,开发了并行光耦合精密器件封装平台,解决了VCSEL阵列和PD阵列在单模和多模条件下的高效并行光耦合问题。当前AOC主要的耦合方式还包括采用垂直腔面发射激光器(VCSEL)加微型反射棱镜耦合、半导体激光器加锥端球面透镜耦合、激光器加微透镜阵列耦合等方式。

数据中心AOC互连的现在和未来

易飞扬FA 45度耦合光引擎专利示意图

AOC的另一个重要优势在于信号完整性方面。信号完整性设计已成为一个专门的职业,尤其在高速率的AOC设计中,常常会出现由于色散效应、不连续性等导致的串音干扰,信号畸变等问题。由超细微互连结构带来的大传输损耗,以及以多激励、多负载、多I/O数为特色的大型复杂网络的电磁仿真等问题也是信号完整性工程师亟待解决的重要课题。电磁兼容问题在AOC的设计过程中尤为重要,其中采用电磁屏蔽的方法切断电磁骚扰的耦合路径,可以有效抑制电磁干扰的影响。得益于此,高频的EMI信号直接在AOC的模块部分进行处理,有源光缆的EMI抗干扰度高于DAC。

未来数据中心应用,200G还是400G?

得益于以上所说的诸多优点,AOC产品是光器件厂商重点研发的对象;其中,200G/400G的AOC产品可以说最能代表一个光器件企业的核心竞争力。毫无疑问,未来的数据中心最终将迈向400G,市场将逐渐淘汰掉低速率的网络;虽然目前整个市场还处于100G产品的初期阶段,但是400G产品已经成为众多有志企业抢占的行业制高点。

当前的400G光模块的主要封装形式包括CFP8、OSFP、QSFP-DD和COBO。CFP8体积稍大、里面有很多激光器,成本最高。QSFP-DD采用了新技术,体积最小,但是散热、功耗问题很明显,标准目前处于不断完善的过程。上述封装类型的模块都可以通过与光纤跳线连接的方式应用到实际场景中。

数据中心AOC互连的现在和未来

400G QSFP-DD光模块(Mellanox)

至于400G AOC,由于缺乏现实应用的土壤,仅仅停留在实验室研发或者测试样品阶段,相当一部分企业已经研制出400G的AOC产品,但实际上真正能做到量产的程度几乎没有;另外由于100G产品成本的快速下滑,400G有源光缆(以及模块)的规模商用更会延后,200G的产品预计会有相对较长的应用周期。面向未来的超大数据中心,200G产品也许并不像一开始被预测的那么不受欢迎。

数据中心AOC互连的现在和未来

来自易飞扬(Gigalight)

小结

数据中心在未来的网络规划和建设当中,会变得越来越重要。中国作为全球最大的通信市场,数据中心方面尚处于建设初期,未来增长潜力巨大;当前国内的数据中心市场正在面向100G全面升级,比如中国市场BAT、美团、今日头条等都面临着面向100G的光网互联需求。而这些互联网公司的采购模式以及建网方式正在影响整个通信行业,新供应商进入的难度更大;对于企业来说,跟随技术革新的同时,还需要面对品质、交付周期的挑战。

这对于短距离传输的有源光缆AOC产品来说是一个重大的利好;但由于部署场景的不同,对于工业级的温度、功耗等都为光器件企业提出新的要求。不管是现在的100G场景还是未来的400G应用,易飞扬(Gigalight)将时刻走在行业前沿,为市场提供满意的产品和方案。

原创文章,作者:易飞扬,如若转载,请注明出处:https://www.gigalight.com/cn/bbs/market/datacenter-aoc.html

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