數(shù)據(jù)中心昂首步入新時代——初探40G/100G以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.3ba

文｜美國康寧公司

1 引言

數(shù)據(jù)中心日益頻繁的擴容和升級，要求其基礎(chǔ)布線具備高可靠性、可管理性和靈活多變性。另一個要素是可升級擴展性，不僅指服務(wù)器、交換機或存儲設(shè)備的物理擴容，還要求數(shù)據(jù)中心能夠向更高速率演進。隨著技術(shù)進步，40G/100G以太網(wǎng)、光纖通道 協(xié) 議（8G→ 16G→ 32G）、InfiniBand（2.5Gbps→10Gbps→40G/100Gbps）等標(biāo)準(zhǔn)的制定，基礎(chǔ)布線必須適宜未來帶寬迅猛增長的各種應(yīng)用。

IEEE 802.3ba標(biāo)準(zhǔn)順應(yīng)了數(shù)據(jù)中心、運營商網(wǎng)絡(luò)等流量密集，高性能計算環(huán)境中數(shù)量越來越多應(yīng)用的高帶寬需求。而數(shù)據(jù)中心內(nèi)部虛擬化和虛擬機數(shù)量的繁衍、融合網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)、視頻點播和社交網(wǎng)絡(luò)等需求也是40G/100G標(biāo)準(zhǔn)成行的推動力量。

由IEEE 802.3ba工作小組開發(fā)的40G/100G以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，于2010年6月正式獲得批準(zhǔn)，支持每秒40G/100G以太網(wǎng)幀傳送，同時確立了通過主干網(wǎng)絡(luò)、多模光纖、單模光纖和Twinax銅纜連接的物理層通信規(guī)范。標(biāo)準(zhǔn)沒有對UTP/STP銅纜提出建議。

2 標(biāo)準(zhǔn)定義的光纖

OM3/OM4是標(biāo)準(zhǔn)定義的用于40G/100G傳輸?shù)膬煞N多模光纖，最小有效模式帶寬分別為2000MHz·km和4700MHz·km。與IEEE 802.3ae不同的是，IEEE 802.3ba標(biāo)準(zhǔn)中的850nm工作波長VCSEL光源調(diào)制性能降低，

因此定義物理層PMD（物理介質(zhì)相關(guān)子層）采用并行光學(xué)傳輸信號。而單模光纖則在一對光纖上采用WDM（波分復(fù)用）方式進行傳輸。

3 并行光學(xué)

IEEE 802.3ba標(biāo)準(zhǔn)要求在一條40G/100G信道復(fù)用多條通道（Lane）來實現(xiàn)傳輸。40GBase-SR4和100GBase-SR10在發(fā)送端分別把40G/100G數(shù)據(jù)流分成4對和10對10G碼流到并行通道，在接收端再分別把并行通道的碼流重組成40G/100G數(shù)據(jù)流。

40G以太網(wǎng)采用12芯光纖，每個信道擁有4芯發(fā)射光纖和4芯接收光纖，中間4芯光纖閑置。100G以太網(wǎng)采用24芯光纖，分為兩個12芯陣列，一個陣列用于發(fā)射，另一陣列用于接收。每個陣列中，中間10芯光纖用于傳輸流量，而外側(cè)2芯光纖閑置，如圖1所示。

4 光纖連接器與光纖收發(fā)器

性能的保證需要物理連接的支持，IEEE 802.3ba標(biāo)準(zhǔn)中明確指出，多模收發(fā)器使用MTP陣列光纖連接器，以便支持多芯并行光纖信道。

QSFP收發(fā)器提供4個10Gbps發(fā)射通道和4個10Gbps接收通道，支持目前40G以太網(wǎng)多模光纖和Twinax銅纜應(yīng)用，未來可能支持單模應(yīng)用。QSFP在通道速率增至25Gbps時可投入100G以太網(wǎng)應(yīng)用。40G系統(tǒng)采用12芯MTP連接器用于QSFP光收發(fā)器接口，如圖2所示。

圖1

圖2

CXP收發(fā)器擁有12個10Gbps發(fā)射通道和12個10Gbps接收通道，支持1個100G以太網(wǎng)端口或最多3個40G以太網(wǎng)端口，適合多模光纖和Twinax銅纜。100G系統(tǒng)采用24芯MTP陣列連接器用于CXP光收發(fā)器接口，如圖3所示。

100G網(wǎng)絡(luò)需要一根24芯的MTP跳線跳接CXP收發(fā)器。若主干鏈路采用12芯MTP，則需要一根“12～24”芯MTP跳線跳接到CXP接口，如圖4所示。

圖3

圖4

支持40G/100G的MTP解決方案可從現(xiàn)行“即插即用通用系統(tǒng)”簡單演進，只要將MTP-LC模塊與LC跳線分別升級為MTP面板與MTP跳線即可。

IEEE 802.3ba定義的OM3/OM4以太網(wǎng)和光纖通道協(xié)議的傳輸距離，如表1、表2所示。

表1

表2

40G/100G光纖通道損耗為：

OM3傳輸距離100m，最大1.9dB（包括預(yù)留1.5dB連接器插損）。

OM4傳輸距離150m，最大1.5dB（包括預(yù)留1.0dB連接器插損）。

光纜最大衰減3.5dB/km@850nm。這樣能夠保證OM3/OM4有足夠的能力支持目前和未來15～20年物理層對數(shù)據(jù)速率的需求。

5 布線性能指標(biāo)要求

以O(shè)M3/OM4多模光纖構(gòu)建40G/100G基礎(chǔ)布線時，三項指標(biāo)的評估是必要的——有效模式帶寬、插入損耗、通道偏差。因為其中任何一項都會影響光纖介質(zhì)能否滿足100m/150m傳輸距離的標(biāo)準(zhǔn)，如圖5所示。

圖5

（1）有效模式帶寬

雖說“DMD（差分模型延遲）模板”是一種標(biāo)準(zhǔn)化的測試方式，但當(dāng)今光纖測量方式的主流是EMBc，即有效模式帶寬計算。這是因為在確保從光源到光纖的整體傳輸性

美國康寧公司-企業(yè)網(wǎng)專欄能方面，EMBc比DMD具有諸多優(yōu)點。具體地說，EMBc是在DMD測試的基礎(chǔ)之上，將發(fā)光源根本特性與光纖模態(tài)結(jié)構(gòu)緊密結(jié)合，為光纖提供精準(zhǔn)量化的帶寬數(shù)值（MHz·km），還能評測出所支持的比特率、鏈路長度等相應(yīng)指標(biāo)。而DMD只能得出Yes/No的測試結(jié)果，粗略判定光纖性能是否合格。EMBc方式能夠確保所評測的多模光纖適用標(biāo)準(zhǔn)定義的所有發(fā)光源，例如，包括兩種最極端的激光光源，分別為功率集中在纖芯和功率集中在纖芯的邊緣。可以這么說，數(shù)據(jù)中心只有部署了經(jīng)EMBc驗證的OM3和OM4光纖所組成的互聯(lián)系統(tǒng)，才能滿足IEEE標(biāo)準(zhǔn)中所闡釋的有關(guān)帶寬的性能規(guī)范?？祵幑饫w不但經(jīng)過康寧光纖測試中心（CFT）嚴(yán)格的EMBc測試，而且還采用ClearCurve?優(yōu)化光纖提供最強抗彎特性，如圖6所示。

圖6

（2）插入損耗

插入損耗指光纖通道上所有連接器的損耗之和，這個參數(shù)將會影響給定數(shù)據(jù)速率下光纖傳輸?shù)淖畲缶嚯x。當(dāng)連接器衰減值增大，光纖通道所支持的數(shù)據(jù)速率必然下降。40G/100G標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定OM3/OM4光纖的傳輸距離和通道最大衰減值如前所述。在數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)布線設(shè)計的初期，所有允許的連接組件的插損值必須經(jīng)過嚴(yán)格評估。IEEE 802.3ae 10GBase-SR所定義的通道最大損耗1.5dB。標(biāo)準(zhǔn)定義的單個連接器最大損耗為0.75dB，最大回波損耗為-20dB?？祵帢?biāo)準(zhǔn)MTP連接器的最大損耗是0.5dB，在基礎(chǔ)布線設(shè)計之初若考慮提高物理連接的可變性并增加通道傳輸距離，可采用0.35dB低損耗MTP系統(tǒng)，從而實現(xiàn)最佳的結(jié)構(gòu)化布線，達(dá)到最大的靈活性，如圖7所示。

圖7

（3）通道偏差

IEEE 802.3ba定義的40G/100G以太網(wǎng)偏差是79ns。偏差是指光信號經(jīng)不同光纖路徑傳輸產(chǎn)生的時延，這是并行光學(xué)技術(shù)重要的性能指標(biāo)。不同的通道之間如果偏差或延遲過大，傳輸將會出錯。良好的偏差性能可確保布線連接系統(tǒng)輕松支持諸如40G/100G以太網(wǎng)、InfiniBand和未來光纖通道協(xié)議等多種通信傳輸協(xié)議，光纖通道的高度一致性可保證系統(tǒng)長期可靠運行。

康寧公司MTP解決方案已被驗證，完全滿足對通道偏差指標(biāo)最嚴(yán)格要求的InfiniBand標(biāo)準(zhǔn)，即10Gbps數(shù)據(jù)速率下傳輸300m的最大偏移0.75ns。

6 IEEE 802.3ba與IEEE 802.3ae

10G標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.3ae所定義的是一種采用850nm VCSEL的OM3光纖傳輸300m的高性能傳輸標(biāo)準(zhǔn)，大大高于IEEE 802.3ba所定義的40G/100G的傳輸距離，這對VCSEL光纖收發(fā)器廠商提出了更高要求，同時也大大增加了生產(chǎn)成本，導(dǎo)致了高昂的市場價格，考慮到經(jīng)濟因素IEEE決定降低VCSEL性能，這是推出40G/100G短距離傳輸?shù)脑颉?/p>

7 數(shù)據(jù)中心局域網(wǎng)應(yīng)用中的單模光纖與多模光纖

在數(shù)據(jù)中心短距離傳輸?shù)沫h(huán)境下，OM3/OM4激光優(yōu)化50μm多模光纖仍然將是一種長期選擇，源于多模光纖比單模光纖擁有無可比擬的成本優(yōu)勢，特別是可用于串行/并行光學(xué)傳輸850nm工作波長光纖收發(fā)器的價格，僅為典型40G/100G單模光纖收發(fā)器的1/5和1/11。

8 行業(yè)發(fā)展

40G/100G高速以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.3ba標(biāo)準(zhǔn)的確定，使得網(wǎng)絡(luò)設(shè)備廠商在40G/100G方面開始推出產(chǎn)品，運營商也開始評估高速網(wǎng)絡(luò)的未來發(fā)展方向。40G/100G和10G以太網(wǎng)相比較，主要是在光電接口和物理層方面有區(qū)別。大部分交換機設(shè)備廠商率先支持的是40G以太網(wǎng)，而大部分路由和核心設(shè)備廠商率先支持的是100G以太網(wǎng)。

從業(yè)界來看，100G瞄準(zhǔn)的是廣域網(wǎng)和城域網(wǎng)，40G針對的則是IDC和局域網(wǎng)。因為更貼近目前的需求， 40G產(chǎn)品將會比100G產(chǎn)品推廣的更快。新的IT構(gòu)架，如云計算、三網(wǎng)融合、智能家電及3G，使用戶對網(wǎng)速的需求以數(shù)量級為單位遞增。從家庭應(yīng)用來說，IPTV、智能家電、3D游戲、視頻會議的普及會使家庭寬帶需求輕易達(dá)到100M以上，對于以太網(wǎng)帶寬的需求肯定會越來越高。

本文重點關(guān)注數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域，未對應(yīng)用較少的單模光纖和Twinax銅纜的40G/100G標(biāo)準(zhǔn)進行闡述。

9 面向未來的帶寬

與日俱增的高速應(yīng)用迫切要求提升以太網(wǎng)鏈路匯聚能力，促使出臺40G/100G以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。基于MTP陣列連接器技術(shù)的OM3/OM4多模光纖連接方案為高帶寬的鏈路匯聚提供了可靠的物理層傳輸保障。我們有理由相信，沖破了帶寬瓶頸的數(shù)據(jù)中心，必將昂首闊步邁進40G/100G新時代。