康寧光通信：大型IT/服務(wù)提供商數(shù)據(jù)中心的結(jié)構(gòu)化布線設(shè)計(jì)

“結(jié)構(gòu)化布線”被定義為建筑物或園區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施通信布線，包括許多標(biāo)準(zhǔn)化的被稱為子系統(tǒng)的更小元素（因此是結(jié)構(gòu)化的）。為了使其有效，結(jié)構(gòu)化布線是以這樣的方式組織的，即單獨(dú)的光纖易于定位、移動(dòng)、增加和變更,更易于管理，并且布線周?chē)谐渥愕目諝饬鲃?dòng)。

也許沒(méi)有比數(shù)據(jù)中心更需要有效結(jié)構(gòu)化布線的環(huán)境。因不容忍停機(jī)或網(wǎng)絡(luò)故障，數(shù)據(jù)中心的所有者和運(yùn)營(yíng)者是致力于使用結(jié)構(gòu)化布線的主要目標(biāo)客戶資源之一。原因很清楚：即使因更傾向云服務(wù)外包而越來(lái)越少的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心，例如一些IT服務(wù)提供商仍然有物理結(jié)構(gòu)支持云，而這些結(jié)構(gòu)需要結(jié)構(gòu)化布線。

幸運(yùn)的是，什么是有效的結(jié)構(gòu)化布線不是開(kāi)放的解釋?zhuān)喾吹?，在ANSI / TIA-942-B標(biāo)準(zhǔn)中標(biāo)題為“數(shù)據(jù)中心電信基礎(chǔ)設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)”有清楚的解釋?zhuān)谶@篇白皮書(shū)中，我們將探討在數(shù)據(jù)中心中充分利用結(jié)構(gòu)化布線的標(biāo)準(zhǔn)和關(guān)鍵的考慮因素—無(wú)論其大小如何。

考慮今天運(yùn)營(yíng)的不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)中心：

自用型數(shù)據(jù)中心：也稱為企業(yè)數(shù)據(jù)中心，這些設(shè)施是由大公司私自擁有的。該公司設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)營(yíng)自己的設(shè)備，還可以為云服務(wù)或音樂(lè)流媒體提供服務(wù)獲取利潤(rùn)。

整租型數(shù)據(jù)中心：由IT服務(wù)提供商（也稱為云服務(wù)提供商）擁有，這些數(shù)據(jù)中心從事銷(xiāo)售空間的業(yè)務(wù)。企業(yè)不需要建立自己的設(shè)施，而是在整租型設(shè)施中購(gòu)買(mǎi)空間和部署數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施。

主機(jī)托管數(shù)據(jù)中心：這些設(shè)施像整租型數(shù)據(jù)中心一樣，但是企業(yè)只租一個(gè)機(jī)架、機(jī)柜或籠區(qū)。IT服務(wù)提供商是運(yùn)行基礎(chǔ)設(shè)施的提供商。

專(zhuān)用托管數(shù)據(jù)中心：IT服務(wù)提供商在這些數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)和租用服務(wù)器容量，但每個(gè)企業(yè)客戶都控制自己的專(zhuān)用服務(wù)器。

共享主機(jī)數(shù)據(jù)中心：在這些設(shè)施中，企業(yè)客戶在IT服務(wù)提供商的服務(wù)器上購(gòu)買(mǎi)空間。這些服務(wù)器在企業(yè)客戶之間共享

如今，在這些行業(yè)中，這些不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)中心如何投資于其基礎(chǔ)設(shè)施正在發(fā)生重大轉(zhuǎn)變。LightCounting和福布斯的報(bào)告稱，云/ IT服務(wù)提供商的投資在上升，企業(yè)IT的投資在下降，如圖1所示。

這一轉(zhuǎn)變的進(jìn)一步證據(jù)體現(xiàn)在戴爾Oro服務(wù)器投資報(bào)告中，其中最大的一部分是用于安裝云類(lèi)型的設(shè)備。見(jiàn)圖2.

隨著企業(yè)越來(lái)越多地決定將部分或全部基礎(chǔ)設(shè)施外包給IT服務(wù)提供商，結(jié)果不足為奇：取而代之的是更少的自建大型設(shè)施的數(shù)據(jù)中心。見(jiàn)圖3。

這些超大規(guī)模、多租戶數(shù)據(jù)中心結(jié)構(gòu)化布線的要求可能不同于過(guò)去企業(yè)擁有設(shè)施的較小的單租戶的安裝，但TIA-942提供指導(dǎo)。

TIA-942總是推薦有交叉連接和互連區(qū)域的星型結(jié)構(gòu)。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)定義了五種不同的交叉連接和互連區(qū)域：主配線區(qū)（MDA）、中間配線區(qū)（IDA）、水平配線區(qū)（HDA）、區(qū)域配線區(qū)（ZDA）和設(shè)備配線區(qū)（EDA）。 

這些區(qū)域代表從機(jī)架和機(jī)柜到路由器、交換機(jī)和其他組件的主要區(qū)域的完整網(wǎng)絡(luò)。TIA-942還提供了冗余定義的指導(dǎo)下，他們的排名分為四個(gè)等級(jí)，稱為評(píng)級(jí)。等級(jí)1是最小冗余的最低層。等級(jí)4提供在數(shù)據(jù)中心結(jié)構(gòu)化布線最高冗余，通常部署在大型IT服務(wù)提供商的數(shù)據(jù)中心。本標(biāo)準(zhǔn)所涵蓋的其他基本內(nèi)容包括區(qū)域架構(gòu)和能效指南。有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)主題的簡(jiǎn)介，請(qǐng)參見(jiàn)表1。

當(dāng)涉及結(jié)構(gòu)化布線時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)涉及主干和水平布線，如圖4所示。每個(gè)分布區(qū)域或正方形，都是有一個(gè)接入面板。

各個(gè)區(qū)域需要多少的光纖取決于網(wǎng)絡(luò)的速度、網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)、超額認(rèn)購(gòu)和交換機(jī)的配置。讓我們看看這些考慮下的幾個(gè)例子來(lái)說(shuō)明它們是如何影響數(shù)據(jù)中心的光纖數(shù)量。

表2顯示了當(dāng)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)速率從10G遷移到100G時(shí)如何影響光纖數(shù)量計(jì)算的。左邊是物理架構(gòu)，有四個(gè)機(jī)架或機(jī)柜，每個(gè)機(jī)柜或機(jī)架上有一個(gè)架頂?shù)慕粨Q機(jī)和一個(gè)列頭的交換機(jī)。接下來(lái)是TIA-942推薦的星型結(jié)構(gòu)布線的邏輯結(jié)構(gòu)，最后最右邊的是網(wǎng)絡(luò)速率。10G需要2芯光纖的支持；40G可以通過(guò)2芯或8芯的光纖運(yùn)行；而100G需要2芯、8芯甚至20芯的光纖，這取決于收發(fā)器的情況。所以你看，取決于網(wǎng)絡(luò)的速率，一個(gè)端口需要少則2芯光纖或者多達(dá)20芯光纖。提要：網(wǎng)絡(luò)速率會(huì)影響光纖數(shù)量計(jì)算。檢查路由（以太網(wǎng)IEEE和存儲(chǔ)方面的光纖通道ANSI）以獲得每端口光纖數(shù)量的詳細(xì)信息。

現(xiàn)在讓我們看看網(wǎng)絡(luò)的邏輯結(jié)構(gòu)是如何影響數(shù)據(jù)中心的光纖芯數(shù)的。表3中的示例，每個(gè)結(jié)構(gòu)的速率都是用8芯傳40G連接每個(gè)交換機(jī)。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)結(jié)構(gòu)是最簡(jiǎn)單的，邏輯上是一個(gè)星型結(jié)構(gòu)，物理上也是用8芯光纖連接每個(gè)機(jī)柜構(gòu)成一個(gè)星型結(jié)構(gòu)。一個(gè)完整的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)將每個(gè)交換機(jī)連接到其他交換機(jī)，同樣的5個(gè)交換機(jī)相互需要用32芯光纖連接。這個(gè)邏輯網(wǎng)格在交叉連接處物理地被“線纜”連接，需要32芯光纖來(lái)完成。本例中的最后一個(gè)架構(gòu)是脊葉結(jié)構(gòu)，其中每個(gè)脊交換機(jī)（交換機(jī)1和2）必須連接到每個(gè)葉交換機(jī)（交換機(jī)3-5）。在具有相同五個(gè)交換機(jī)的相同物理配置中，脊葉邏輯結(jié)構(gòu)需要16芯光纖。因此，根據(jù)數(shù)據(jù)中心的體系結(jié)構(gòu)，它可以為每個(gè)機(jī)柜連接使用8芯、16芯或32芯光纖。重點(diǎn)：架構(gòu)冗余增加了光纖數(shù)量。

接下來(lái)，讓我們考慮超額認(rèn)購(gòu)對(duì)光纖芯數(shù)的影響。簡(jiǎn)單地說(shuō)，超額認(rèn)購(gòu)是交換機(jī)的輸入與輸出通道的比值。在圖4的示例中，星型架構(gòu)在物理上和邏輯上使用恒定的10G網(wǎng)絡(luò)速度。顯示的變量是超額認(rèn)購(gòu)率。該示例顯示了一個(gè)4:1的超額認(rèn)購(gòu)率，24個(gè)10G通道輸入，其中6個(gè)通道輸出；中間的示例顯示，24個(gè)10G通道輸入12個(gè)通道輸出，為2:1的比率；底部示例是1:1的比率，每個(gè)交換機(jī)的輸入和輸出都是 24個(gè)10G通道。根據(jù)超額認(rèn)購(gòu)率，所有其他變量保持不變，所需的每個(gè)交換機(jī)的光纖芯數(shù)可以是12, 24或48芯。重點(diǎn)：超額認(rèn)購(gòu)率越低，光纖數(shù)量越高。最終，超額認(rèn)購(gòu)率是網(wǎng)絡(luò)輸入/輸出交換需求的函數(shù)，也就是說(shuō)，光纖芯數(shù)也是由這一需求驅(qū)動(dòng)的。

 

最后，看看網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)配置如何驅(qū)動(dòng)光纖芯數(shù)。使用固定的架構(gòu)，并在機(jī)架上的所有服務(wù)器上運(yùn)行10G速率，我們重新配置交換機(jī)右側(cè)發(fā)生的事情。在表5中，所有下行的通道是10G；兩個(gè)40G端口中是四通道小形狀可插拔的40G光收發(fā)器（QSFP），即8芯 MTP連接；他們分成四個(gè)10G端口實(shí)現(xiàn)多達(dá)16個(gè)端口，兩個(gè)40G端口用于上行，或2 x 8 = 16芯。在中間，我們看到同一個(gè)交換機(jī)，所有四個(gè)40G端口回到核心交換機(jī)-相當(dāng)于8 x 4 = 32芯光纖。最后一個(gè)場(chǎng)景顯示，10G的均等分布于上行和下行，40G端口在16×10G端口拆分為10G，增加的10G端口使其總計(jì)達(dá)到64芯光纖。重點(diǎn)：只需決定如何配置交換機(jī)，就影響在這些情況下的光纖芯數(shù)從16, 32到64芯。 

請(qǐng)注意，此交換機(jī)配置僅針對(duì)這些服務(wù)器的以太網(wǎng)側(cè)。如果服務(wù)器有一個(gè)光纖通道網(wǎng)絡(luò)和/或用于無(wú)線寬帶技術(shù)（InfiniBand）高速計(jì)算的端口，光纖芯數(shù)將繼續(xù)攀升。

此外，我們已經(jīng)研究了四個(gè)變量如何獨(dú)立地增加數(shù)據(jù)中心所需的光纖芯數(shù)，因此想象混合變量可以在驅(qū)動(dòng)光纖芯數(shù)方面的影響甚至更高。改變網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行速度會(huì)影響光纖芯數(shù)，當(dāng)然，但是改變速度和架構(gòu)呢？或者改變速度和超額認(rèn)購(gòu)率？已經(jīng)相對(duì)較高光纖芯數(shù)甚至?xí)摺?

剩下的問(wèn)題是如何連接這種類(lèi)型的數(shù)據(jù)中心。典型地，今天越來(lái)越大的數(shù)據(jù)中心擴(kuò)展到不同的位置，像如圖5所示企業(yè)園區(qū)。

室內(nèi)光纜通常在每個(gè)建筑物內(nèi)使用，通過(guò)室內(nèi)/外通用光纜和過(guò)渡接頭盒進(jìn)行連接。見(jiàn)表6。

圖 5: 大型IT服務(wù)提供商數(shù)據(jù)中心 表 6: 數(shù)據(jù)中心布線區(qū)域 

當(dāng)涉及部署方法時(shí)，有三個(gè)考慮要素：

預(yù)端接光纜：通常用于室內(nèi)高密度布線，這些主干在工廠用8或12芯光纖MTP連接器端接。他們是理想的用于MDA到HDA或EDA的安裝，涉及橋架走線方式和地板走線，其中整個(gè)光纖芯數(shù)被部署運(yùn)行在每個(gè)鏈接的末端的單一位置。見(jiàn)圖6。

尾纜：這些半預(yù)連接的組件在工廠一端用MTP連接器端接，以便于高光纖芯數(shù)的部署，同時(shí)在另一端不端接，以匹配小導(dǎo)管或允許現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)度變化。在建筑安裝中經(jīng)常使用尾纜，對(duì)于管道太小而不能拉拽和在訂購(gòu)之前不能確定線纜路徑的情況是理想的。請(qǐng)參閱圖7。

散狀光纜：此部署選項(xiàng)需要兩端的終端連接，通常使用MTP光學(xué)連接器。散狀電纜是最好的部署，需要中心拉拽安裝和極高的光纖芯數(shù)（如1728芯光纖或更高）。見(jiàn)圖 8。

表7 提供三種部署方法及其對(duì)應(yīng)的光纖芯數(shù)的概述。將所有這些信息付諸實(shí)踐，下面的例子說(shuō)明了四路脊交換機(jī)是如何布線的以及由此產(chǎn)生的光纖芯數(shù)。表8來(lái)自思科的大規(guī)?？蓴U(kuò)展的數(shù)據(jù)中心白皮書(shū)，展示了Nexus 7000交換機(jī)。基于制造商的建議，有48個(gè)葉交換機(jī)，32個(gè)端口下行到服務(wù)器和32個(gè)端口返回到矩陣。在這個(gè)例子中，我們使用兩個(gè)Cisco 3064交換機(jī)在每一個(gè)24個(gè)機(jī)柜的頂部創(chuàng)建一個(gè)“A” 矩陣和一個(gè)“B” 矩陣。圖9顯示了這些建議如何轉(zhuǎn)化為邏輯架構(gòu)。

表7 提供三種部署方法及其對(duì)應(yīng)的光纖芯數(shù)的概述。

將所有這些信息付諸實(shí)踐，下面的例子說(shuō)明了四路脊交換機(jī)是如何布線的以及由此產(chǎn)生的光纖芯數(shù)。表8來(lái)自思科的大規(guī)?？蓴U(kuò)展的數(shù)據(jù)中心白皮書(shū)，展示了Nexus 7000交換機(jī)?；谥圃焐痰慕ㄗh，有48個(gè)葉交換機(jī)，32個(gè)端口下行到服務(wù)器和32個(gè)端口返回到矩陣。在這個(gè)例子中，我們使用兩個(gè)Cisco 3064交換機(jī)在每一個(gè)24個(gè)機(jī)柜的頂部創(chuàng)建一個(gè)“A” 矩陣和一個(gè)“B” 矩陣。圖9顯示了這些建議如何轉(zhuǎn)化為邏輯架構(gòu)。

Cisco 四路脊交換機(jī)配置 

如圖10和表9所示，思科的脊葉結(jié)構(gòu)指導(dǎo)提供了一個(gè)四路脊交換機(jī)與48個(gè)葉交換機(jī)。從機(jī)架開(kāi)始逆向作業(yè)，每個(gè)葉交換機(jī)向外有32個(gè)端口，轉(zhuǎn)換為每個(gè)交換機(jī)所需64芯光纖。在每個(gè)機(jī)架上有兩個(gè)交換機(jī)，每個(gè)機(jī)柜需要128芯光纖來(lái)支持這種結(jié)構(gòu)。這個(gè)設(shè)計(jì)要求10G和1:1的超額認(rèn)購(gòu)，如前所述，我們將使用可被12整除的光纖芯數(shù)來(lái)繼續(xù)做這個(gè)例子。

當(dāng)談到布線這個(gè)場(chǎng)景時(shí)，我們有不同的選項(xiàng)。它們不一定都是不錯(cuò)的選項(xiàng)，就像圖11所描繪的那樣，使用跳線超過(guò)3000條。最好是將跳線合并成48、72芯光纜，如圖12所示。甚至更好的是選項(xiàng)3：使用高芯數(shù)主干，每個(gè)576芯光纖，使我們從3000個(gè)跳線降到六個(gè)576芯主干光纜。請(qǐng)參閱圖13。

為了理解為什么有些選項(xiàng)比其他選項(xiàng)更好，讓我們探討它們?cè)跀?shù)據(jù)中心中的初始安裝和不可避免的移動(dòng)、添加和變更時(shí)相對(duì)容易的使用（這意味著花費(fèi)精力）。表10說(shuō)明了一切。

高芯數(shù)主干案例的探討是它們對(duì)數(shù)據(jù)中心不動(dòng)產(chǎn)的有價(jià)值影響-布線的途徑。TIA569提供計(jì)算以了解布線中橋架/管道/走線槽占的百分比以及推薦的最大填充率不超過(guò)25%的建議。它可能不是直觀的，事實(shí)上，50%填充率實(shí)際上消耗了整個(gè)路徑，因?yàn)榫€纜之間的空間是方程的一部分。  考慮到這一點(diǎn)，參照?qǐng)D14，使用3000個(gè)以上的跳線的第一個(gè)選項(xiàng)根本不是一種選擇。然而，第二個(gè)布線選項(xiàng)（48個(gè) 72芯光纖主干）在4×6英寸橋架中工作，但在4×4英寸橋架中就不太好。兩個(gè)橋架尺寸都可以很容易地容納六個(gè)576芯光纖主干選項(xiàng)。

結(jié)論

高芯數(shù)的主干光纜最適合今天的數(shù)據(jù)中心。只信靠12和24芯光纖主干連接每個(gè)機(jī)柜的日子不會(huì)再多了；現(xiàn)在，我們?cè)陉P(guān)注那些規(guī)模和光纖芯數(shù)日益增長(zhǎng)來(lái)支持更高速度的數(shù)據(jù)中心，更大的超額認(rèn)購(gòu)率、冗余結(jié)構(gòu)，創(chuàng)新的交換機(jī)配置。很明顯，大型設(shè)施是新的標(biāo)準(zhǔn)；企業(yè)IT客戶將繼續(xù)從小型租戶單一設(shè)施運(yùn)營(yíng)商轉(zhuǎn)向外包全部或部分?jǐn)?shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施。幸運(yùn)的是，有成熟的結(jié)構(gòu)化布線方法和多年經(jīng)驗(yàn)解決數(shù)據(jù)中心挑戰(zhàn)的全球制造商以及TIA-942持續(xù)提供指導(dǎo)的保證。