美国康宁公司    饶丹曙
 
    随着数据中心的不断发展,作为IT基础设施的结构化布线对于支持当前和未来的业务发展至关重要。企业所采用的数据中心结构化布线应该具有以下基本特征:可靠性、可管理、可扩展和灵活性。所使用的布线系统,应具有超过20年的使用寿命,能经历系统设备解决方案的多次换代,以及数据通信速率未来好几代的变化。
1  数据中心的设计
    当谈到数据中心整体需求的时候,我们需要采用标准来进行整体布局和设计。TIA 942《数据中心电信基础设施标准》,全面阐述了数据中心的结构化布线。TIA 942建议使用星型拓扑结构,并在典型的企业数据中心里,定义了以下区域和空间。
    数据中心电信空间包含主配线区、区域配线区、设备配线区(如图1所示)。主配线区用于主交叉连接,是数据中心结构化布线系统分布区域的中心点。ZDA空间用于实施区域分布结构,是数据中心内MDA和各区域之间的连接点。数据中心采取这种结构,可以使主干布线一次性安装,并让需要移动、增加或改变的区域可以灵活地进行重新配置。EDA是终端设备存放的区域,包括计算机、服务器系统和网络设备。为了达到数据中心要求的优化性能,布线基础设施的拓扑结构应该和产品方案一起考虑,而不是单独设计。
图1  TIA 942 数据中心机房布线结构
    综合布线只是在设计阶段主要考虑的方面。若要达到TIA 942中定义的连接性,形成灵活、可管理的基础设施,必须与所采用的产品的模块化布线方案相结合。模块化布线解决方案由配线主干光缆组成,这些主干光缆预端接了12芯的MTP连接器,然后连接到模块或分支光缆(模块和分支光缆的作用是将12芯MTP连接器分接到单芯连接器上)。接着用跳线将系统设备连接到模块,这个系统就完成了。
    采用模块化MTP布线系统,包括MTP光缆组件、分支模块和分支光缆,可以带来许多好处:节省了光缆路由空间,提高布线时间,减少了机柜和机架中的大体积线缆。在结构化布线拓扑中,采用模块化、高密度解决方案,可以很方便的扩展到上千个端口,并减少数据中心的改造时间,从而降低运营成本。
2 存储局域网络
    采用主干光缆加模块的系统可以满足数据中心大多数区域的布线要求,然而存储局域网络(SAN),尤其是针对SAN导向器(大端口数交换机),通常需要专门的解决方案。由于SAN导向器具有非常高密度的端口,如果采用模块加跳线的解决方案,就需要机架辟出许多空间来布放这些跳线。同时,大量的跳线在高密度下也带来跳线管理问题。为了处理这个特别的需求,采用客户化的分支光缆解决方案可以缓解上述问题。分支光缆方案可以充分利用配线架上MTP连接器的密度,然后,将光缆分支成单/双芯连接器连接到网络设备。通过采用12芯分支光缆取代独立的跳线,极大地降低了在SAN导向器、垂直光纤管理器和光纤路由的臃塞。
    除了结构化布线的优点,基于MTP的布线基础设施,可以方便地升级到更高的数据传输速率,包括并行光学技术;在32Gb、64Gb和128Gb光纤信道技术,以及40Gb、100Gb以太网中,可以采用这种技术。
    目前,在光纤万兆串行传输系统中,通常采用850nm VCSEL激光器直接调制技术。在数据中心环境下,通常需要通信设备在极端温度下运行。当850nm VCSEL直接调制时,由于可靠性问题,采用双工光纤串行传输时其速率不能超过16GbE。因此,40Gb、100Gb以太网将采用并行光学技术。
    并行光学技术(包括850nm VCSEL矩阵和OM3光纤)为以太网和光纤通道(Fiber Channel)提供了低成本、高速率的解决方案。并行光传输技术采用空分多路复用,即将高速信号分配给几根光纤同时发送和接受;在接受端,信号经过解复用还原成高速信号。在整个并行光信道中,需要采用多芯连接器MTP连接。
    2008年1月,电气与电子工程协会成立了IEEE 802.3ba任务组,研究40和100GbE数据传输速率指南。项目授权(PAR)内容包括采用激光优化50/125 μm多模光纤(OM3)传输至少100m的要求。其中,OM3光纤是唯一列入PAR计划的多模光纤。
    在五月份的IEEE会议上,采纳了几个基本方案,作为建立40和100GbE标准初始草案的基础。基于OM3光纤,并采用并行光学技术的40和100GbE传输技术作为基准方案被采纳。这个方案把40和100GbE接口,分别定义为每个方向4根光纤的4×10GbE信道(如图2所示),和每个方向10根光纤的10×10GbE信道(如图3所示)。
图2  并行光学技术传输40G速率信号
图3  并行光学技术传输100G速率信号
    为保证布线基础设施符合将来的40和100GbE要求,必须考虑光纤带宽、时延和连接器插入损耗,从而保证使系统达到采用OM3多模光纤传输距离100m的要求。
    OM3是目前唯一适用于40和100GbE系统的多模光纤。该光纤优化于850nm波长传输,具有最小2000MHz•km 的有效模式带宽。康宁公司采用最小模式带宽(minEMBc)来计算上述带宽值,与差分模式延迟(DMD)技术相比,它为OM3光纤提供了更准确的测量。有了minEMBc,就可以得到一个真实、可测量的值,从而可靠地衡量系统性能。
3 关健技术指标
    光学时延是指光信号在沿着不同光纤传输的时间差,是并行光传输系统的一个重要考虑因素。不同信道之间的过量偏差、延迟会产生比特错误。布线系统的时延偏差要求也是基于40和100GbE传输来考虑的。部署低偏差的布线设施,可以保证不同应用之间的一致性。例如,InfiniBand是一种使用并行光传输的协议,要求具有0.75ns的布线偏差标准。
    在某个传输速率下,系统传输信道的插入损耗会影响最大传输距离。当总的连接器损耗增加时,以固定传输率能达到的传输距离会减少。目前采用的40和100GbE传输的基准方案规定,在100m的传输距离下,总连接器损耗要小于1.5dB。据此,在设计数据中心布线时,可以计算出连接部件的插入损耗要求。使用低损耗的连接部件,就可以在系统链路中设计更多的连接点,增加系统设计和施工的灵活性。
    一个符合TIA 942标准并采取模块化布线设计方案的布线结构,能满足数据中心对可靠性、可管理、可扩展和灵活性的要求。通过设计和使用低损耗高质量的产品,不仅能使数据中心符合当前的需求,而且可以很好地适应将来的发展需要
4 “易境” 面向未来的数据中心布线解决方案
    康宁公司最新推出的数据中心“易境”解决方案是一种高集成度的数据中心光纤布线解决方案,不仅提高了技术性能,而且极大地简化了布线安装。“易境”是在康宁公司全球广泛使用的“即插即用”产品系列基础上,采用最新的“抗弯曲”多模光纤技术,开发出的新一代解决方案。相比常规的“预端接”产品系列,它可以做到更小型化,更高的系统密度。另外,在目前快速发展的存储网络中, 最令用户头疼的是如何解决SAN导向器(高密度端口光纤通道交换机)的光纤连接问题。用“易境”方案,可以针对目前常用的SAN导向器,采用客户化的工程设计方法,将各连接组件集成到光纤交换机。同时,由于整个系统采用了“预端接”产品,并采用通用极性管理方案,解决了用户设计和施工中必须进行“极性”匹配的困难,大大提高了系统设计和安装的效率以及将来移动、增加和改变的速度。
    通过前面对数据中心电信基础设施的设计和技术要求的分析,我们可以得出的结论是:结构化布线必须保证系统端到端的“连接性”,任何其中某一项产品都必须保证其可靠的、可重复的性能和质量,才能够保证整个系统的性能。康宁公司“易境”系统通过工厂“预端接”产品方案,可以提供非常高性能的系统。
    光纤连接器的配对连接损耗是影响布线系统损耗的主要因素。目前40G和100G系统建议的连接器损耗是1.5dB,而业界的多模光纤MPO连接器平均水平是0.75dB,也就是只允许系统中有两对MPO连接器。若采用“易境”系统,其多模MTP连接器每对连接损耗为0.35dB,即在系统中可以设计四个光纤主干连接点,大大方便了系统的设计,并能满足所有数据中心的需求(如图4所示)。
图4“易境”方案MTP光纤连接器
图5为“易境”方案连接器插入损耗
    “易境”方案主干光缆采用12芯MTP连接器(如图6所示),可以支持12芯至144芯光纤连接。由于采用了康宁的抗弯曲光纤,光缆可以在达到同样机械性能的情况下,减小大约65%的体积;同时,在应用时只需满足5倍光缆外径的弯曲半径。这样,相比采用普通光缆,可以节省桥架空间。在接入机架或机柜时,可以容纳更高的密度。更为重要的是,在光学性能上,由于采用了特殊设计和工艺控制,可以保证链路支持未来100G 的要求。
图6“易境”方案主干光缆
    表1 “易境”产品100G适用测试。
    
 光学时延参数  最大值
 光缆组件  0.75 ns
    注:光缆组件包括光缆和MTP多芯连接器
    随着光纤交换机端口的增加,现在一个机柜可能需要支持1500芯至3000芯光纤的路由。采用常规的光纤跳线将会带来光纤走线如一堆乱麻,为将来升级和维护带来极大的困难。“易境”方案采用MDA主干配线方式,通过MTP连接器接到交换机机柜。然后,通过定制的分支光缆接入交换机板卡。分支后的双芯LC或SC连接器采用Uniboot技术,减少了空间,可以满足用手指方便地插拔(如图7所示)。
图7  “易境”高密度SAN导向器订制化方案
5  结束语
    本文详细探讨了数据中心通信基础设施的设计标准,以及能够支持未来数据中心网络和计算发展的布线技术和指标。特别讨论了目前发展最迅速的存储局域网的发展和需求。最后针对这些需求,提出了数据中心光纤布线“易境”解决方案,及其满足未来数据中心建设的基本特性。