高密度光纖鏈路在數(shù)據(jù)中心中的應用

文｜美國康寧公司 Martyn Easton Angela Lambert 郝鎮(zhèn)江 譯

良好的結(jié)構(gòu)化布線系統(tǒng)可以很好地適應數(shù)據(jù)中心將來的成長及變化，而不會成為其發(fā)展的障礙。

更多的服務器、存儲設備、交換機、更高要求的空調(diào)系統(tǒng)、更多的線纜需要綁扎在一起。數(shù)據(jù)中心的應用及需求增長是如此之快，其中最難的挑戰(zhàn)是如何把它們存放在有限的機房空間內(nèi)？擴建機房本來已經(jīng)不容易，幸運的是，新的技術(shù)經(jīng)?？梢园旬a(chǎn)品做得更加緊湊，占用更加少的空間。想一想多核心的處理器、刀片式服務器、多磁盤陣列及固體驅(qū)動器等，這些設備必須聯(lián)接在一起才能發(fā)揮作用。

表 1 不同布線結(jié)構(gòu)帶來的差別

現(xiàn)在，數(shù)據(jù)中心的設備將被組織并分成不同的功能區(qū)域：服務器區(qū)、存儲設備區(qū)、中心交換機區(qū)、路由器和高性能的集群計算機區(qū)。這種有序的安排，對于服務要求的增長、電源及冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化設計會有所幫助?？梢韵胂?，物理的空間是很難再增加的，數(shù)據(jù)中心將會按照功能模塊劃分區(qū)域，當需要對新增需求投資時，這種結(jié)構(gòu)不會因時間的流逝而阻礙投資的效用。

1 促進無縫聯(lián)接

在此基礎架構(gòu)上，互聯(lián)問題會影響到線路“互聯(lián)”的需求（或者是“串聯(lián)”）。在很早以前，數(shù)據(jù)中心的角色就是聯(lián)接到“任何地方”。很多用戶在廣域網(wǎng)中都想訪問所有服務器上運行的服務，所以需要服務器都可以直接訪問到存儲的設備。核心交換機是促進背板交換形式的聯(lián)接，但也同時意味著布線需要提供每個功能區(qū)域，每個模塊和每個核心區(qū)域之間的互聯(lián)。隨著時間的增長，將會增加更多的線路及更快的鏈路速度。

傳統(tǒng)的方案，從服務器到交換機及存儲設備，會使用個別的長跳線去直接互接。在一個小的數(shù)據(jù)中心中，這是可取的。但是當設備及數(shù)據(jù)中心的應用開始增長時，這種點到點形式會慢慢扼殺數(shù)據(jù)中心。所有人都有這樣的經(jīng)驗，隨著時間的增長，如面條般的跳線會越來越多。設備的變更、增加變得難以控制及管理。由于間接性的存儲損耗，個別的線路性能和可靠性開始下降?？衫玫木€路布放空間變得擁擠及阻塞，嚴重影響到將來應用的擴展。

現(xiàn)今結(jié)構(gòu)化布線的設計，開始慢慢被人們所接受。它很好地適應將來數(shù)據(jù)中心的模塊化設計思路，增加可管理性、可靠性及可測量性。然而，它同時帶來了比較高的初期建設費用及需要注意布線系統(tǒng)中因增加更多的聯(lián)接后產(chǎn)生額外的損耗。

當設計及建設一個結(jié)構(gòu)化光纜布線系統(tǒng)時，不可避免的問題是：使用那種光纜？將會有多少種標準？對于光纜的問題，答案將會是比較清晰的：OM3（激光優(yōu)化50μm的光纜）能提供比較低的系統(tǒng)總價格（光纜加上激光發(fā)射器），能支持足夠多的設備及鏈路長度，而且?guī)捘苤С謱?00Gbps/sec協(xié)議。行業(yè)的OM4標準也已經(jīng)發(fā)布，它本質(zhì)上是一個高帶寬的OM3光纖，支持更長的鏈路和更多的應用。因為高速度的數(shù)據(jù)應用通常會使現(xiàn)有鏈路的長度變短，所以必須計劃好線路的結(jié)構(gòu)及未來如何升級。

4U 的光纖配線架的前視圖。這里顯示在配線架的前部做好標簽系統(tǒng)非常重要的，而且標簽需要定期更新。

光纖數(shù)量的需求需要有詳細的計劃及計算。首先，考慮每個設備機柜的數(shù)據(jù)交換結(jié)構(gòu)及級別。其次是考慮將要使用設備的類型及密度?；谝阎O備的類型（比如是刀片式服務器）是可能設計及提供光纖在每個機柜的數(shù)量。有兩個需要考慮的要點：

（1）確認每行機柜需要總光纖數(shù)量，配置后可以靈活更改每個機柜光纖使用量。

（2）計劃好光纖線路及互聯(lián)光纖配線箱，方便將來在每行的機柜上增加光纖。例如，處理能力從10Gbps鏈路升級到40G及100G時，意味著每個鏈路從使用2芯光纖升級到8芯或20芯平行的光纖。

根據(jù)設備技術(shù)的發(fā)展，很難從開始就提供超前數(shù)量的光纖。但是使用靈活的光纖布線系統(tǒng)去支持將來的需求，而且在將來增加光纖數(shù)量時對于整體的布線系統(tǒng)不會產(chǎn)生太大的影響，建議最少在每個機柜中布置24芯的光纖。對于虛擬計算、高密度刀片式服務器、集中的以太網(wǎng)光纖通道、10G線路等應用，每個機柜中布置48芯或是96芯給高可用性的光纖配線箱是一個好的選擇。

文章其余的部分，將會重點陳述在構(gòu)建靈活的布線系統(tǒng)時，如何去選擇有效的組件。

2 危險的跳線

跳線是一種容易管理的系統(tǒng)，但是它也可能是復雜及麻煩的系統(tǒng)。通常的問題都是這樣：這條跳線的另一端在那里？如果（跳線）沒有插上會有什么影響？如何才能提供新的線路？

一個健全的標簽及文檔系統(tǒng)是關(guān)鍵，但是大部分的跳線，特別是在高密度應用的區(qū)域，經(jīng)常是出乎用戶邏輯控制之外。

端口密度將會因適合光纖交換機接口類型而受到限制。相對那些小的標準化接頭已經(jīng)把線纜的體積從3mm直徑變成2mm甚至更小。但是現(xiàn)在，有太多的光纖跳線來自于現(xiàn)場制作，彎曲引起的問題越來越嚴重。幸運的是，一種新的，有彈性的，對于彎曲不敏感的光纖出現(xiàn)，并可以很好地解決上述的問題。

表 2 不同類型的光鏈路協(xié)議及參數(shù)

12芯的MPO接頭已經(jīng)在數(shù)據(jù)中心的應用中，越來越來適應其發(fā)展

一個額外的方法，是使用Harness多光纖組合跳線。它可以把6條跳線大小的體積集中到一條3mm的線纜中。當更多地使用Harness跳線時，它也能很好地減少聯(lián)接到交換機接口上的跳線體積，使其更好訪問及線纜的走向很清晰，管理也更加容易。使用工業(yè)標準的MPO接頭后，在同樣體積的雙芯LC接頭情況下，一端的Harness跳線可以提高跳線的密度并減少機柜中線路互聯(lián)的使用空間。下一代的并行光路傳輸速率40G和100Gbps/sec，將會使用這種MPO結(jié)構(gòu)的激光光源接口。

3 配線箱變得更加重要

在結(jié)構(gòu)化布線系統(tǒng)中，高密度、高芯數(shù)的主干光纜將需要更多的交叉互聯(lián)及匯聚聯(lián)接點。而光纖接頭在網(wǎng)絡中是容易受到損害的，所以，適當?shù)姆椒ㄊ前讯私狱c放在光纖箱中進行保護。

對于光纖配線箱的基本要求是：提供關(guān)鍵的光纖功能及保護互聯(lián)的光纖。通常光纖配線箱會占用較多的機柜空間，然而太少的空間會影響到光纖的可靠性或光纖系統(tǒng)的組織及管理。所以光纖配線箱在設計時要把更多的光纖聯(lián)接點存放在內(nèi)，而且不影響跳線的管理及系統(tǒng)的功能。

一個設計好的光纖端接配線箱應有如下的品質(zhì)。

（1）一個良好的對于每根進入配線箱中的線纜進行扭力釋放。其中有一個問題是牽拉光纖接頭時不注意使用光纜中的紡輪紗牽引線。

一條144芯緊套光纜，如果是在現(xiàn)場端接，需要大概0.92英寸的直徑，這將會是工廠預端系統(tǒng)線纜的2倍。

（2）確認手指能夠在面板前面方便插撥跳線，并確認跳線已經(jīng)正確鎖緊在耦合器上。同樣的，當跳線被撥下時，將不會影響其他跳線。

（3）一個清晰的，有條理和容易看到的標簽系統(tǒng)，它需要放在你的面前，而不是藏起來。同時它需要容易增加、刪除和更改上面的信息。

（4）跳線的組織及管理，當光纖系統(tǒng)密度提高時，避免大量跳線的混亂狀態(tài)開始變得困難。一個好的配線箱將會提供一個直視的，有路由導向及容易管理跳線變更的功能。

在早期的建設中，數(shù)據(jù)中心的增長是動態(tài)變化的。但是在開始設計建筑物中的光纖配線箱時，只是看到當時的最少應用量。隨著空間的增長，可以提供的光纖端接能力和對機柜空間的要求，也在增長。

4 正確的聯(lián)接

光纖接頭日益重要也是一個難題?，F(xiàn)在所有數(shù)據(jù)中心的接頭都是在工廠做好的，不管是光纖跳線還是端接的主干光纜，但是接頭的選擇和性能的關(guān)鍵是提供任意的聯(lián)接。雙芯的接頭在交叉互聯(lián)和設備接口上是必須的。

升級后的40G和100G網(wǎng)絡協(xié)議，我們稱為并行的連續(xù)光路協(xié)調(diào)，MPO接頭也變得更加詳細及成為將來的設備標準。另外一個挑戰(zhàn)是布線系統(tǒng)需要無縫地從10G升級到40G、100G，就好像某些應用會存在，但是接頭類型需要變更一樣。一個好的消息是12芯的MPO主干光纜已經(jīng)變得十分流行，而且它是適應將來的變化，而不需要更換接頭，只需要管理好極性而且光纖配線箱已經(jīng)為高芯數(shù)光纜做好了準備。

在光鏈路的總體損耗計劃中，光纖接頭通常是其中的弱項。網(wǎng)絡協(xié)議越來越快，總體損耗的余量開始緊張并受到控制，接頭的損耗已經(jīng)超出了線纜本身的損耗值，簡單來說，更低損耗的一對光纖接頭會更加理想。然而，對于多芯的MPO接頭，每個光纖組都是重要的，所以最大的損耗是已經(jīng)考慮好的。

接頭引起的傳輸模式聲噪必須引起重視，如果沒有理解好模式聲噪的影響，將不容易說明配對接頭可以增加接頭的可接受損耗，這是一個復雜而難以檢測的事情。所以請確認接頭的供應商明白這個問題并且已經(jīng)在實驗室里做好相關(guān)的質(zhì)量評估。

最后一點，不同類型接頭配合使用的結(jié)果是每次使用都十分正常，確認性能的方法是考慮周全，保證質(zhì)量和接頭的終端幾何尺寸。這些屬性不經(jīng)常被考慮或是在現(xiàn)場很難看到及測量。借助于設備，將可以評估每個模塊甚至于每個工廠研磨的接頭，保證其投放在數(shù)據(jù)中心現(xiàn)場時的質(zhì)量。

5 光纖系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

除非我們看到有一天在數(shù)據(jù)中心里實現(xiàn)無線網(wǎng)絡，否則線纜將是從A點到B點的必須傳輸介質(zhì)。纖芯是如此的細小而且纖芯傳輸?shù)墓庠磪^(qū)域也很窄，肉眼幾乎無法看到，但是線纜本身可以做得很堅固。

光纜最先大量使用在室外工廠，布線系統(tǒng)很大程度上是取決于它的需求。當光纜開始遷移到室內(nèi)使用時，光纖布線設計方向是：

（1）光纖的最低要求芯數(shù)已經(jīng)從6芯到12芯。

（2）遵循建筑物的防火要求，通常的結(jié)果是要求大量線纜的外套是要低煙及阻燃。

（3）有大量短距離線纜和光纖接頭，因而需要可以直接使用的聯(lián)接方式。

因此，細小的光纖做得比較大，從而方便現(xiàn)場的處理及實現(xiàn)端接。在過去的幾年中，更多的光鏈路在室內(nèi)得到應用，特別是在數(shù)據(jù)中心的環(huán)境下。纖芯數(shù)量不斷增加的結(jié)果是線纜開始變得更粗，而且不好處理。所以最終用戶需要面對一個選擇，是使用一條比較大芯數(shù)的線纜還是使用幾條小芯數(shù)線纜？特別是有一行機柜的都是核心交換機，需要聯(lián)接到服務器機柜的情況下，使用幾條小芯數(shù)的線纜看起來更加有吸引力，因為它可以做到光纜直接聯(lián)接各個機柜，而不是列頭柜。

所以我們需要一個方案，線纜既可以做到高芯數(shù)，而又擁有細的線纜一樣的特性。由于光纖在數(shù)據(jù)中心的應用，現(xiàn)場預端接變得更加有吸引力。在一些大的項目中，數(shù)據(jù)中心內(nèi)上萬條獨立的光纜接頭難以管理的問題迎刃而解，只因為使用現(xiàn)場預端接的即插即用系統(tǒng)。

這是使用工廠預端接光纜的新趨勢。這個趨勢有一個新的挑戰(zhàn)是線纜必須計算好長度。因為線纜需要做一些盤繞，所以小的線纜直徑及柔韌性變得很重要。解決現(xiàn)場預端接的困局，將會允許使用體積更小的帶狀光纖或是松套光纜，這也得益于工廠內(nèi)的光纜生產(chǎn)及端接工藝。

小直徑的線纜可以在線槽、線管、地下及天花上存放更多的數(shù)量，它們更加柔軟，而且轉(zhuǎn)彎半徑更加小，容易安裝。工廠預端接的高芯數(shù)線纜變成非常有用及友好的系統(tǒng)設計工具，保留關(guān)鍵的工廠生產(chǎn)線纜高適應性的設計目標。

好的布線不但跟隨潮流，還期望適應未來、整齊、整潔和易于管理。它也被期望容易使用、可靠及可持續(xù)運行，可以跟上發(fā)展的策略。

使用良好的結(jié)構(gòu)化布線廠家產(chǎn)品是數(shù)據(jù)中心有價值的資產(chǎn)。確認安裝路徑和空間，設計余留的機柜空間。尋求產(chǎn)品帶來的價值和功能，并重新分配資金給它們，則它們在長期的運行中會體現(xiàn)出它們的價值所在。