數(shù)據(jù)中心如何向400G/800G遷移？

跨數(shù)據(jù)中心的情況再次發(fā)生變化。

圖 1：以太網路線圖

加速采用云基礎設施和服務正在推動對更多帶寬、更快速度和更低延遲性能的需求。 先進的交換機和服務器技術正在迫使布線和架構發(fā)生變化。 無論您的設施的市場或重點如何，您都需要考慮企業(yè)或云架構的變化，這些變化可能是支持新要求所必需的。 這意味著了解推動采用云基礎架構和服務的趨勢，以及使您的組織能夠滿足新要求的新興基礎架構技術。

在規(guī)劃未來時，需要考慮以下幾點。

一、數(shù)據(jù)中心格局正在演變

1、全球數(shù)據(jù)使用

當然，這些變化的核心是正在重塑消費者期望和對更多更快通信的需求的全球趨勢，例如：

社交媒體流量爆炸式增長 5G 服務的推出，通過大規(guī)模的小型蜂窩密集化實現(xiàn) 加速物聯(lián)網和 IIoT（工業(yè)物聯(lián)網）的部署 從傳統(tǒng)的辦公室工作轉向遠程選項

2、超大規(guī)模供應商的增長

在全球范圍內，真正的超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心可能不到十幾個左右，但它們對整體數(shù)據(jù)中心景觀的影響是巨大的。 根據(jù)最近的研究，僅在 2020 年，全世界的在線時間就達到了 12.5 億年。大約 53% 的流量通過超大規(guī)模設施。

3、與多租戶數(shù)據(jù)中心 (MTDC / co-Location) 設施建立超大規(guī)模合作

隨著對更低延遲性能的需求增加，超大規(guī)模和云規(guī)模供應商努力將他們的存在擴展到更靠近最終用戶/終端設備的地方。 許多人正在與 MTDC 或托管數(shù)據(jù)中心合作，將他們的服務定位在所謂的網絡“邊緣”。 當邊緣物理上靠近時，較低的延遲和網絡成本會擴大新的低延遲服務的價值。

在超大規(guī)模領域，MTDC 和主機代管設施正在調整其基礎設施和架構，以支持更典型的超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心日益增長的規(guī)模和流量需求。 同時，這些大的數(shù)據(jù)中心必須繼續(xù)靈活地滿足客戶對與云提供商入口交叉連接的請求。

4、Spine-Leaf 和 Fabric Mesh 網絡

支持低延遲、高可用性、超高帶寬應用的需求幾乎不僅限于超大規(guī)模和托管數(shù)據(jù)中心。 所有數(shù)據(jù)中心設施現(xiàn)在都必須重新考慮其處理最終用戶和利益相關者不斷增長的需求的能力。 作為回應，數(shù)據(jù)中心管理人員正在迅速轉向光纖更密集的網狀結構網絡。 任意對任意連接、更高光纖數(shù)的主干電纜和新的連接選項使網絡運營商能夠支持更高的通道速度，因為他們準備過渡到每秒 400 G。

5、啟用人工智能 (AI) 和機器學習 (ML)

此外，部分受物聯(lián)網和智慧城市應用驅動的大型數(shù)據(jù)中心提供商正在轉向人工智能和機器學習，以幫助創(chuàng)建和完善數(shù)據(jù)模型，以支持近乎實時的邊緣計算能力。除了有可能實現(xiàn)新的應用世界（想想商業(yè)上可行的自動駕駛汽車）之外，這些技術還需要海量數(shù)據(jù)集（通常稱為數(shù)據(jù)湖）、數(shù)據(jù)中心內的海量計算能力和足夠大的管道來推動在需要時將模型細化到邊緣。

6、向 400G/800G 遷移的時機

不要僅僅因為你今天以 40G 甚至 100G 的速度運行，就不要陷入虛假的安全感。 如果數(shù)據(jù)中心發(fā)展的歷史教會了我們什么，那就是變化的速度——無論是帶寬、光纖密度還是通道速度——都呈指數(shù)級加速。 向 400G 的過渡比您想象的要近。 不確定？ 將您當前支持的 10G（或更快）端口的數(shù)量加起來，想象它們發(fā)展到 100G，您會意識到對 400G（及更高）的需求并不遙遠。

二、對數(shù)據(jù)中心意味著什么？

隨著數(shù)據(jù)中心經理展望未來，基于云的演進跡象無處不在。

在云本身內部，硬件正在發(fā)生變化。 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心中典型的多個不同網絡已經發(fā)展為使用池化硬件資源和軟件驅動管理的更加虛擬化的環(huán)境。 這種虛擬化推動了以盡可能快的方式路由應用訪問和活動的需求，迫使許多網絡管理員問：“我如何設計我的基礎架構來支持這些云優(yōu)先的應用？”

答案從啟用更高的信道速度開始。 從 25 到 50 到 100G 及以上的演進是達到 400G 及以上的關鍵，它已開始取代傳統(tǒng)的 1/10G 遷移路徑。 但它不僅僅是提高信道速度，還有更多。 我們必須更深入地挖掘。

三、什么正在推動向更高速度的轉變？

數(shù)據(jù)中心行業(yè)正處于拐點。 400G 的采用速度非?？欤芸?800G 預計將開始比 400G 更快。 正如人們所預料的那樣，對于“什么推動了向 400G 的過渡？”沒有簡單的答案。 有多種因素在起作用，其中許多是相互交織的。 當通道速率增加時，新技術可以降低每比特成本。

最新數(shù)據(jù)顯示，100G 通道速率將與八進制交換機端口相結合，從 2022 年開始將 800G 選項推向市場。然而，這些端口正以多種方式被利用，如 Light Counting 數(shù)據(jù)所示，正如在光計數(shù)數(shù)據(jù)6中所示，其中400G和800G主要被分解為4X或8X 100G。正是這種突破性的應用，成為了這些新型光學應用的早期驅動因素。

四、向 400G 的過渡是一項集體努力

400G/800G 遷移的四大支柱

當您開始考慮支持遷移到 400G 的“具體細節(jié)”時，很容易被所涉及的所有移動部件所淹沒。 為了幫助您更好地了解需要考慮的關鍵變量，我們將它們分為四個主要領域：

增加交換機端口密度 光收發(fā)器技術 連接器選項 布線進展

這四個領域共同代表了遷移工具箱的重要組成部分。 使用它們來微調您的遷移策略，以滿足您當前和未來的需求。

更高的交換機端口密度（radix）——ToR 的終結？

隨著序列化/反序列化器(SERDES)為交換專用芯片從10G、25G、50G移動提供電氣I/O，交換速度正在提高。一旦IEEE802.3ck成為被批準的標準，SERDES預計將達到100G。開關專用集成電路(asic)也在增加I/O端口密度(又名基數(shù))。更高的基數(shù)asic支持更多的網絡設備連接，提供了消除層頂機架(ToR)交換機的潛力。這反過來又減少了云網絡所需的交換機總數(shù)。(一個擁有100,000臺服務器的數(shù)據(jù)中心可以支持兩級交換，基數(shù)為512。)更高的基數(shù)asic意味著更低的資本支出(更少的交換機)，更低的運營支出(更少的交換機供電和冷卻所需的能源)，并通過更低的延遲改善網絡性能。

圖 4：Effects of higher Radix switches on switch bandwidth

與基數(shù)和交換速度的提高密切相關的是從架頂式 (ToR) 拓撲向行中 (MoR) 或行尾 (EoR) 配置的轉變，以及結構化的好處 布線方法適用于促進行內服務器和 MoR/EoR 交換機之間的許多連接。 使用新的高基交換機需要以更高的效率管理大量服務器附件的能力。 這反過來又需要新的光學模塊和結構化布線，例如 IEEE802.3cm 標準中定義的那些。 IEEE802.3cm 標準支持可插拔收發(fā)器的優(yōu)勢，可與大型數(shù)據(jù)中心的高速服務器網絡應用一起使用，定義一個 QSFP-DD 收發(fā)器的八個主機連接。

圖 5：架構從 ToR 轉變?yōu)?MoR/EoR

收發(fā)器技術

正如 QSFP28 外形尺寸的采用通過提供高密度和低功耗推動了 100G 的采用一樣，新的收發(fā)器外形尺寸正在實現(xiàn)向 400G 和 800G 的飛躍。 當前的 SFP、SFP+ 或 QSFP+ 光學器件足以實現(xiàn) 200G 鏈路速度。 然而，躍升至 400G 需要將收發(fā)器的密度提高一倍。 沒問題。

QSFP-雙密度 (QSFP-DD7) 和八進制（2 倍四倍）小型可插拔 (OSFP8) 多源協(xié)議 (MSA) 使網絡能夠將與 ASIC 的電氣 I/O 連接數(shù)量增加一倍。 這不僅允許匯總更多 I/O 以達到更高的聚合速度，還允許 ASIC I/O 連接的總數(shù)到達網絡。

具有 32 個 QSFP-DD 端口的 1U 交換機外形與 256 (32x8) 個 ASIC I/O 匹配。 這樣，我們既可以在交換機之間建立高速鏈路（8*100或800G），又可以在附加服務器時保持大連接數(shù)。

新的收發(fā)器格式

圖 6：OSFP 與 QSFP-DD 收發(fā)器

隨著 OEM 試圖進入超大規(guī)模和云規(guī)模數(shù)據(jù)中心的好位置，400G 的光學市場受到成本和性能的推動。 2017 年，CFP8 成為第一代 400G 模塊規(guī)格，用于核心路由器和 DWDM 傳輸客戶端接口。 CFP8 收發(fā)器是 CFP MSA 指定的 400G 外形尺寸類型。模塊尺寸略小于 CFP2，而光學器件支持 CDAUI-16 (16x25G NRZ) 或 CDAUI-8 (8x50G PAM4) 電氣 I/O。帶寬密度方面，分別支持CFP和CFP2收發(fā)器8倍和4倍的帶寬密度。

“第二代”400G 外形模塊采用 QSFP-DD 和 OSFP。 QSFP-DD 收發(fā)器向后兼容現(xiàn)有的 QSFP 端口。它們建立在現(xiàn)有光模塊 QSFP+ (40G)、QSFP28 (100G) 和 QSFP56 (200G) 的成功之上。

OSFP 與 QSFP-DD 光學器件一樣，支持使用 8 個通道而不是 4 個通道。兩種類型的模塊都支持 1RU 卡（交換機）中的 32 個端口。為了支持向后兼容性，OSFP 需要一個 OSFP-to-QSFP 適配器。

調制方案

圖 7：使用更高速的調制方案來支持 50G 和 100G 技術

網絡工程師長期以來一直在為 1G、10G 和 25G 使用不歸零 (NRZ) 調制，并使用主機端前向糾錯 (FEC) 來實現(xiàn)更遠距離的傳輸。 為了從 40G 到 100G，業(yè)界簡單地轉向并行化 10G/25G NRZ 調制，同時利用主機端 FEC 來實現(xiàn)更長的距離。 在實現(xiàn) 200G/400G 和更快的速度時，需要新的解決方案。

因此，光網絡工程師采用了四級脈沖幅度調制（PAM4）來實現(xiàn)超高帶寬網絡架構； PAM4 是 400GPAM4 的當前解決方案。 這在很大程度上基于 IEEE802.3，它已經為多模 (MM) 和單模 (SM) 應用完成了速率高達 400G (802.3bs/cd/cu) 的新以太網標準。 有多種分線選項可用于適應大型數(shù)據(jù)中心中的不同網絡拓撲。

更復雜的調制方案意味著需要能夠提供更好的回波損耗和衰減的基礎設施。

預測——OSFP 與 QSFP-DD

關于 OSFP 與 QSFP-DD，現(xiàn)在判斷行業(yè)將走向何方還為時過早。這兩種外形尺寸都得到的數(shù)據(jù)中心以太網交換機供應商的支持，并且都擁有大量的客戶支持。也許企業(yè)會更喜歡 QSFP-DD 作為對當前基于 QSFP 的光學器件的增強。隨著 OSFP-XD 的引入，OSFP 似乎正在推動地平線的擴展，將通道數(shù)量擴展到 16 個，并著眼于未來 200G 的通道速率。

對于高達 100G 的速度，QSFP 已成為選解決方案，因為與雙工收發(fā)器相比，它具有尺寸、功率和成本優(yōu)勢。 QSFP-DD 在此成功的基礎上提供了向后兼容性，允許在具有新 DD 接口的交換機中使用 QSFP 收發(fā)器。

展望未來，許多人認為 100G QSFP-DD 封裝將在未來幾年流行。 OSFP 技術可能更適合 DCI 光鏈路或那些特別需要更高功率和更多光 I/O 的鏈路。 OSFP 支持者設想在未來出現(xiàn) 1.6T 甚至 3.2T 收發(fā)器。

聯(lián)合封裝光學器件 (CPO) 提供了通往 1.6T 和 3.2T 的替代路徑。但 CPO 將需要一個新的生態(tài)系統(tǒng)，該生態(tài)系統(tǒng)可以將光學器件移近交換機 ASIC，以在降低功耗的同時實現(xiàn)更高的速度。該軌道正在光互聯(lián)網絡論壇 (OIF) 中開發(fā)。 OIF 現(xiàn)在正在討論可能最適合“下一個速率”的技術，許多人主張將其翻倍至 200G。其他選項包括更多的車道——可能是 32 條，因為一些人認為最終將需要更多的車道和更高的車道率，以以可承受的網絡成本跟上網絡需求。

唯一確定的預測是，布線基礎設施必須具有內置的靈活性，以支持您未來的網絡拓撲和鏈路要求。雖然天文學家長期以來一直認為“每個光子都很重要”，因為網絡設計人員希望將每比特的能量降低到幾 pJ/Bit9，但每個級別的守恒都很重要。高性能布線將有助于減少網絡開銷。

未完待續(xù)……

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