数据中心互连布线的发展与前沿趋势

2020-05-21 09:03

今年在圣地亚哥举行的光通信峰会上，数据中心互连（DCI）领域的应用成为一个热门话题。数据中心互联正成为网络领域中快速发展的重要部分，近期光纤布线领域内的多个令人兴奋的进展都聚焦于此。本文将探讨该领域不断发展的原因，重点介绍数项全新的布线技术如何让数据中心互联部分对安装商来说能更加友好。

设计和部署极高密度的数据中心互连，最佳实践是什么样的？

在互联网上快速搜索一下超大规模或多租户数据中心的支出公告，就能找到多个扩张计划，总规模能达数十亿美元。这种投资能收获什么？通常，是一个数据中心园区，它由位于不同建筑物中的几个数据机房模块组成，这些数据机房通常比一个足球场还要大，数据机房之间的流量通常超过100 Tbps（图1）。

图1所示。示例数据中心园区布局

对于这些数据中心为什么发展得这么庞大，细节的原因有很多，但是我们可以简化为两个趋势。第一个是机器间通信带来的指数级东西向的流量增长；第二个趋势就是更扁平化网络架构的应用，如脊叶结构和Clos架构网络。其目标是在园区内建立一个大型网络结构，这也使数据中心之间的数据传输达到甚至超过100Tbps。

可以想象，这种规模的网络建设会在整个网络中遇到多个特别的挑战，从电源和冷却，到设备的连接。在网络设备互联上，已经评估了多种方法来提供100 Tbps（甚至更高）的传输速率，但是普遍的模型是通过多芯单模光纤以较低的速率传输。需要注意的是，这些连接的长度通常是2－3公里或更短。通过我们的建模分析，至少在未来几年内，使用更多的光纤以低数据速率传输仍然是最具成本效益的方法。这个成本模型揭示了为什么行业投入如此多的钱来开发高芯数光缆和相关的硬件。

既然我们了解了高芯数光缆的需求所在，我们就可以把注意力转移到数据中心互连市场上的替代方案上了。业界一致认为带状光缆是这个应用领域唯一可行的解决方案。传统的松管光缆和单芯光纤端接安装时间过长、光纤接头熔接硬件过大而不实用。例如，使用松套管结构设计的3456芯光缆需要200多个小时才能熔接结束，假设每次熔接需要4分钟。如果您使用带状光纤的配置，熔接时间下降到不到40小时。除了节省这些时间外，在相同的硬件空间占用情况下，带状熔接设备的容量通常是单芯光纤熔接密度的四到五倍。

一旦业界认定带状光缆是最好的选择，将很快意识到通过传统的带状光缆设计在现有管道空间中无法实现所需的光纤密度。因此，业内就着手将传统带状光缆内部的光纤密度提高一倍。

光缆的结构出现了两种设计方法。第一种方法使用具有更紧密封装子单元的标准矩阵带，而另一种方法使用具有中心或开槽设计的标准光缆结构设计、使用可相互叠错的松散结合的带状光纤设计（参见图2）。

图2。极高密度应用下的不同带状光缆的设计。

既然我们了解了这些新的带状光缆设计，我们也必须探索端接它们的办法和面临的挑战。根据美国国家电气规范（NEC），由于该光缆仅适用于室外防火等级，因此在进入建筑物50英尺以必须内转换为具有室内防火评级的光缆，通常是通过将MTP^?／MPO或LC带状尾纤（一端预先安装连接器的光缆）或带有耦合器及尾纤的集成硬件（硬件预先安装了耦合器及尾纤）拼接在一个密度极高的熔纤柜中来实现的。因此，在这个应用环境中，用户不再只是考虑室外光缆的设计，而是要针对这些昂贵和劳动密集型的链路部署寻求完整的端到端的解决方案（图3）。

图3。极高芯数室外光缆通过熔纤柜连接至室内光缆

在决定最佳的点对点方案时，必须对几个因素进行考量。时间研究表明，最耗时的过程是带状光纤色带的识别和熔纤盘的光缆分支路由。“分支”指的是在开剥光缆外皮后，带状光纤进入硬件内部到熔纤盘的过程中，为了保护带状光纤，会用波纹管或网眼套管保护。随着光缆的光纤芯数的增加，这个步骤会变得更加耗时费力。

通常，安装和熔接单根3456光纤链路需要数百英尺的波纹管或网眼套管。同样的耗时过程也会应用在室内光缆上，无论它们是直熔还是熔接到提供了尾纤及耦合器的硬件上。目前市场上不同光缆产品的分支操作时间差别可以很大。

有些光缆在室内和室外光缆中都集成了可分支路由的光缆子单元线束，在连接到熔接盘的时候就不需要再进行分支，而有的产品则需要多种配件来分支和保护光缆。这种光缆通常安装于特制的熔纤柜上，熔纤盘设计也进行了优化，以匹配路由子单元的光纤数。

图4。具有带状光纤束子单元的光缆。

图5：极高密度光缆的分支组件样品。

另一个耗时的任务是色带识别和正确的排序，以确保正确的熔接。因为一根3456光缆包含288条12芯的光纤带，所以需要清晰的标识，以便在光缆外护套拆下后进行分选。标准的矩阵色带可以用喷墨打印机打印识别字符，而许多网络设计依赖于不同长度和数字的连接号码来帮助识别色带。这一步至关重要，因为大量的光纤和路由必须被识别。当光缆在初次安装后被损坏或切断时，这种带状标记在网络修复方面也变得至关重要。

前瞻性的趋势

拥有3456芯光纤的光缆看起来也只是一个起点，因为行业已经开始讨论超过5000芯光纤的光缆了。由于管道尺寸没有变大，另一个新兴的趋势是使用的光纤涂层尺寸已经从工业标准的250微米减少到200微米。纤芯和包层的尺寸保持不变，因此不影响光学性能。这种减少的光纤涂层尺寸可以在如以前相同大小的管道内，允许多铺设数百或数千的光纤。

另一个趋势是客户对于点对点方案的需求不断增长。包含数千芯光纤的光缆解决了管道密度的问题，但在风险和网络部署速度方面也带来了许多挑战。有助于消除这些风险和降低部署速度的创新解决方案将继续成熟和发展。

对极高密度光缆的需求似乎正在加速。人工智能、5G和更大的数据中心园区都在以某种方式推动对这些数据中心互联的需求。这些部署将继续挑战行业，以开发可有效扩展的端到端解决方案，从而最大限度地利用管道资源，而不是让问题变得越来越麻烦。