当谈到数据中心的速度时，时机就是一切。而当前业界所面临的挑战是如何准确的预测未来需求，以了解您企业数据中心必须在未来的短期和长期分别应交付的服务做好准备，并尽可能以最新和最灵活的方式展示。技术和适用标准发展得越快，工作就随之变得越困难。数据中心业界目前的加速速度是突破性的和疯狂的。

　　根据最新的数据中心发展趋势显示，带宽需求每年的增速为25%至35%，而预计这一飞速增长的势头还将持续多年。这种持续增长的影响可以从业界转向更高的交换机的速度看出。根据市场研究公司Dell´Oro，Group近期的一项研究显示，以太网交换机的营收将在未来十年内保持持续的增长，其中25G和100G端口的销量最大。

　　而40G端口的营收在2016年达到顶峰。今天，这些端口被广泛用于服务器连接，每个QSFP 40G端口支持四台10G服务器连接。然而，随着服务器的迅速发展，新的设计将比10G上行链路提供更多的消耗。因此，下一代服务器连接可能是25G，而不是40G。

　　早在2015年6月，由Mellanox宣布推出的全球首款25/100G以太网平台就已经使我们迈入了25G时代。该平台支持25G和40G的服务器连接，但似乎对于下一代的服务器连接速度25G将是更受欢迎的选择。我们预计，到2020年，通道容量将翻倍增加到50G和100G，从而能够为下一代的交换机提供高速链路。增加到50G和100G系列的通道将需要时间，但远不如以前的时间久。在制定50 Gb/s串行链路和200 Gb/秒四通道链路的标准方面，该行业似乎已然超前。

图1：数据中心设计

　　推动增长的因素是什么?

　　吞吐速度的激增是由各种因素所造成的结果。服务器密度每年增加约20%。处理器的性能也在增长，英特尔不久前宣布推出一款22核处理器。同时，虚拟化的密度正在以30%的速率上升，这些因素都在推动交换机的上行链路速度。

　　IP流量也将继续增长，预计到2019年将比2014年翻一番，复合年均增长率(CAGR)为33%。由于消费者和企业云使用率的持续上升，这一上升对全球带宽需求的增长将产生巨大影响。

　　影响数据中心带宽的其他关键趋势包括数据中心内部流量的增加，随着物联网的日益普及，预计未来五年将增长三倍。一些业界人士预测到2020年，全球范围内互联的物联网设备共计将高达500亿款，所有生成的数据都需要在数据中心处理、分析和存储。

　　这些变化的最终效果是数据中心专业人员现在必须支持更高的服务器密度，部署更多的光纤，并加快在核心和聚合网络中迁移到更高速度的计划。数据中心内的网络基础设施必须能够扩展，以支持这些重大变化。

　　改变网络架构

　　数据中心流量的变化不仅仅是速度和体积，而且还包括传输走向，数据流的走向正在从南北走向向东西走向变化。

　　传统的数据中心架构采用了如图2所示的三层拓扑结构。核心层通常位于主分布区(MDA)中，各种网络交换机之间、以及数据中心外部的网络资源相互连接。该层提供连接各种接入交换机的聚合层。在大型和超大型数据中心中，聚合层通常位于中间分布区域(IDA)中。在较小的数据中心设施中，通常是位于水平分配区域(HDA)或设备分配区域(EDA)。接入层从数据中心到用户连接到网络的各个节点运行。

　　该模型的设计为可扩展数据中心网络提供了可预测的基础，但在支持当今的低延迟、虚拟化应用程序方面却不太理想。结果，造成了“叶和脊椎”的架构的迅速和戏剧性的转变。

　　如图3所示，叶和脊模型是一种流线型的网络设计，并在东西走向迁移数据流量，使服务器能够合作交付基于云的应用程序。在这种拓扑结构中，网络分布在多个叶片交换机上，使得叶片交换机层对于提供最大规模和性能是至关重要的。每个叶片交换机连接到每个脊柱交换机，创建一个高度弹性的任何到任何的互联结构。光纤链路的网格创建了一个大容量的网络资源，或者与所有连接的设备共享的“结构”。所有光纤以相同的速度运行。速度越高，光纤结构的容量就越高。

　　光纤网络需要大量的光纤连接，特别是在交换机层。设备供应商们不断努力，按顺序增加线卡的密度，以便跟上需求的步伐。随着密度的增加，布线连接和管理解决方案如光分配框架，面板和滚道变得更加重要。

图2：传统三层拓扑

图3：叶和脊柱拓扑

　　不断发展演化的标准

　　应用程序标准组织，即IEEE 802.3(以太网)和ANSI / T11(光纤通道委员会)一直在忙于更新推荐指南，以跟上企业客户的带宽快速增长的步伐。这些标准组织的目标不仅仅是为了促进线性速度的提高。他们还鼓励开发更高速度的应用程序，从而提高数据中心设备之间链接的成本效益。为此，许多中间速度正在被开发，以便用来填补10G、40G、100G和400G之间的差距。表1列出了各种以太网的标准。而仍在处理中的被用红色标出。

表1：IEEE 802.3以太网光纤相关标准——包括已完成及正在进行中的(红色标出)

　　迁移选项

　　围绕着迁移到更高线路速率的讨论是复杂的，并且还在迅速演变。其包括关于光纤类型、调制和传输方案、连接器配置、当然还包括对于成本的考虑等诸多范围的广泛的决定。图4和图5显示了两种可能的迁移路径，但还有许多其他路径。确定哪一种最适合任何给定的环境意味着必须仔细考虑每个方面的因素。以下只是必须权衡的诸多问题中的部分。

图4：带有MPO中继线的10GBASE-SR双工光纤链路

图5：交换机和服务器中具有并行操作的40GBASE-SR4链路

　　40G或25G通道?

　　直到最近，可接受的迁移路线图概述了从10G通道升级到40G的轮廓预测。自从IEEE 802.3by标准被批准以来，数据中心业界已经开始转向25G通道作为下一个里程碑。这是由一些因素所共同决定的。对于刚刚进入该领域的企业用户而言，直接迁移到40G光纤是成本代价昂贵的，而25G光纤则使数据中心能够最大化现有的10G基础设施。也许更重要的是，25G通道可以更容易地迁移到50G(2x25G)和100G(4x25G)。

　　预终端vs现场终端电缆?

　　快速开展网络服务的能力已经推动预终端布线系统变成了许多数据中心环境中的首选技术。通过一些估计，较之现场终端系统，预终端电缆的即插即用功能可以节省90%的时间。

　　在网络维护方面——特别是处理移动/添加/更改——预终端系统估计比现场终端解决方案快50%。这一价值随着网络中光纤连接数的增加而增加。在预终端解决方案中，MPO / MTP光纤由于易于使用及其高速度而迅速成为单模和多模连接的事实上的系统，更不用说高密度。

　　串行或并行传输?

　　随着数据速率为响应应用程序越来越高的要求而变得越来越多，市场已经引入平行光纤技术。这种趋势得到了对基于MPO的中继线的持续需求的支持，数十年来成为数据中心的主打。使用激光优化的多模光纤(LOMMF)，串行光纤可以经济高效地支持高达10G的速度。但由于10G链路让位于25G或40G，串行传输的唯一选择是切换到昂贵的单模解决方案。然而，并行光学器件为40G和100G以太网提供了更具成本效益的解决方案。

图6:光纤带宽比较

　　切换到并行光纤器件也有助于驱动MPO连接器的使用。在北美，预计到2020年，40/100GbE通信链路的MPO光纤连接器销售额将年均增长15.9%，到2020年达到1.26亿美元。然而，平行光学技术的趋势可能会随着更多的技术而逆转，进而开发出更好的使用单个纤维。各种新技术，如PAM4和WDM(下文将讨论)预计将有助于吸引更多的连接回到双工。

　　单模、多模或宽带多模?

　　可插拔光学器件的成本继续限制了数据中心中单模光纤(SMF)的实现。虽然新技术和制造效率有助于降低SMF的价格，但这方面的价格下降仍然不足以弥补单模光纤的高成本。 在大型数据中心的设计中，从设施入口到主要分配区域、从地板到地面的这数据中心的两个区域的SMF的使用正在增加。

　　多模光纤(MMF)继续为企业数据中心提供更有吸引力的性能、密度和成本之间的平衡。MMF所面临的挑战是距离，这意味着随着数据流量的增长和互联速度的增加，最大距离会因为通信链路往往会降低。但新兴的更高质量的组件和工程链接可以提供链路能力，以支持更长的距离和新的数据中心拓扑。

　　最近，出现了一种改进的选择，最终可能为光纤迁移提供最佳解决方案。如前所述，宽带多模光纤(WBMMF)是一种新型光纤，经ANSI / TIA-492AAAE批准，预计将被ANSI / TIA-942-B推荐使用。由CommScope在2015年推出，WBMMF增强了短波分复用(SWDM)技术的能力，可提供可用带宽至少增加四倍，同时保持与OM3和OM4光纤的兼容性，并支持所有传统的多模应用。通过复用在850nm-950nm区域中间隔的四个波长，WBMMF的一条链可以将数据容量增加四倍。图6显示了OM3，OM4和OM4宽带光纤之间的带宽比较。

　　调制方案

　　现在也有了新的高阶调制方案。已经提出了用于数据中心或数据中心光链路的具有四个幅度电平(PAM-4)的脉冲幅度调制。如图7所示，PAM-4是一种调制技术。四个不同的脉冲幅度用于传输信息。与NRZ(二进制调制)相比，PAM-4实现了固定带宽的传输容量的两倍。然而，缺点是需要更高的信噪比(SNR)。尽管如此，它的简单性和低功耗使PAM-4调制成为100Gi最有希望的调制技术之一。

　　收发器技术

　　除了开发更先进的调制方案以增加通道速度，业界还正在开发各种WDM方案以增加每根纤维的通道数或波长数。 WDM已经使用了二十多年，通过减少光纤数量来增加长途网络的数据速率。其也被用于单模以太网应用，例如10GBASE-LR4和100GBASE-LR4，它们使用粗WDM技术在同一光纤上组合四个波长。这一概念也被扩展到多模光纤，通过所谓的短波WDM或SWDM。如图8所示，SWDM使用波长从850nm到940 nm。

图7：PAM4和NRZ模式

图8：SWDM组合的4个波长从850 nm到940 nm

　　智能系统

　　自动化基础架构管理(AIM)系统可以通过提供物理层和所有连接设备的精确映射，大大帮助了迁移过程。因为AIM系统会自动监测和记录使用的所有端口和光纤，所以它们可以帮助确保从双工升级到并行时的可用容量。相反，AIM可以帮助识别冗余电缆和交换机端口，并使其可用于并行到双工迁移。 AIM的ISO/IEC 18598标准于2017年批准。

　　预终端的基于MPO的光纤解决方案继续成为高性能网络的最佳选择。这些系统提供出色的工厂终端性能，加上速度和敏捷性，以支持私有，类似云的企业级DC的扩展需求。将OM3增加到OM4的带宽是今天高容量网络的另一个“必须”。在OM4选项中，WBMMF是最终选择，因为它能够将OM4的实际容量提高四倍。最后，为了提高网络设备和支持物理网络的有效密度，我们支持使用SWDM双工链路进行结构链路连接。

　　对于8光纤、12光纤和24光纤MPO技术之间的持续争论，也可能会变得更加清晰。 MPO 12光纤系统已部署多年。它们支持双工和并行应用，具有出色的灵活性和适用于大多数数据中心应用。操作一致性的好处将争论聚焦在将来的应用中继续使用同一个系统。当然，增加OM3到OM4的带宽对未来更高容量的网络是有利的。

　　与此同时，MPO 24光纤系统增加了物理网络的密度和容量。与8光纤和12光纤系统相比，这些系统支持双工和并行应用，并提供更低的每个光纤成本。因此，这是推荐采用的高密度网络或主要是双工应用的网络系统。

图9：具有不同光纤数量的MPO连接器

　　MPO 8光纤系统支持主流用于4X10G配置的受欢迎的四通道QSFP应用，用于存储和服务器网络附件。然而，下一代服务器附件可能会转移到25或50G。

　　这些可能非常类似于使用100G(4X25G)光学器件以同样的方式部署的40G QSFP。

　　网络结构链路不需要突破低速端口。因此，双纤双工链路(如100G SWDM)是非常有吸引力的选择。这些双光纤链接使用12光纤或24光纤解决方案实现更高的密度。

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