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(huì)上，數(shù)據(jù)中心互連(DCI)領(lǐng)域的應(yīng)用成為一個(gè)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(gè)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(duì)安裝商來說能更加友好。

  設(shè)計(jì)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(gè)擴(kuò)張計(jì)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(gè)數(shù)據(jù)中心園區(qū)，它由位于不同建筑物中的幾個(gè)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(gè)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(duì)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(gè)趨勢。第一個(gè)是機(jī)器間通信帶來的指數(shù)級(jí)東西向的流量增長;第二個(gè)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(gè)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(huì)在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中遇到多個(gè)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(píng)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(gè)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(gè)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(shí)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(jì)的3456芯光纜需要200多個(gè)小時(shí)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(shí)間下降到不到40小時(shí)。除了節(jié)省這些時(shí)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(shí)到通過傳統(tǒng)的帶狀光纜設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)的標(biāo)準(zhǔn)光纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、使用可相互疊錯(cuò)的松散結(jié)合的帶狀光纖設(shè)計(jì)(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(jì)

  ??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(jì)，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(jí)，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(píng)級(jí)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(gè)密度極高的熔纖柜中來實(shí)現(xiàn)的。因此，在這個(gè)應(yīng)用環(huán)境中，用戶不再只是考慮室外光纜的設(shè)計(jì)，而是要針對(duì)這些昂貴和勞動(dòng)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(duì)點(diǎn)方案時(shí)，必須對(duì)幾個(gè)因素進(jìn)行考量。時(shí)間研究表明，最耗時(shí)的過程是帶狀光纖色帶的識(shí)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(huì)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(gè)步驟會(huì)變得更加耗時(shí)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(shí)過程也會(huì)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(shí)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(shí)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(jì)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(gè)耗時(shí)的任務(wù)是色帶識(shí)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(shí)，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(shí)別字符，而許多網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)依賴于不同長度和數(shù)字的連接號(hào)碼來幫助識(shí)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(shí)別。當(dāng)光纜在初次安裝后被損壞或切斷時(shí)，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(gè)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(gè)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(gè)趨勢是客戶對(duì)于點(diǎn)對(duì)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(xiǎn)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(xiǎn)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(duì)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(dòng)對(duì)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。