W centrum danych prędkość jest najważniejsza. Wyzwaniem jest patrzenie w przyszłość i wiedza, na co być przygotowanym w najbliższej przyszłości, a w dalszej perspektywie wytypować najbardziej optymalny i elastyczny kierunek rozwoju. Im szybciej technologie i standardy ewoluują, tym trudniej jest wytypować optymalny kurs.
Ostatnie trendy w centrach danych przewidują, że zapotrzebowanie na pasmo będzie wzrastać o 25 procent do 35 procent rocznie. Kluczowym czynnikiem tego trwałego wzrostu prędkości jest przejście na wyższe prędkości przełączania. Według niedawnego opracowania firmy Dell’Oro, dochody z przełączników Ethernet będą rosły w dalszym ciągu do końca dekady, przy czym największa sprzedaż przewidywana jest dla portów 25G i 100G.
Szacuje się, że przychody portów 40G osiągnęły najwyższy poziom, a teraz będą spadać na korzyść portów 25G i 50G. Porty 40G są powszechnie stosowane w dzisiejszych połączeniach z serwerami, przy czym każdy port QSFP 40G obsługuje cztery połączenia 10G. Serwery szybko się rozwijają, i nowe generacje serwerów mogą używać większych prędkości niż 10G dla łącza typu uplink.
Migracja do prędkości 25G na linię będzie postępować, tak jak będzie się zwiększać popularność przełączników 25G. Oczekuje się, ciągłego wzrostu prędkości na linię, aż do osiągając 100G do roku 2020, kiedy to prawdopodobnie pojawi się nowa generacja szybkich switch fabriców. Wiele czynników napędza wzrost przepustowości w centrach danych.
- Upakowanie dla serwerów wzrasta o około 20% rocznie.
- Możliwości procesorów rosną, Intel niedawno zaprezentował 22-rdzeniowy procesor.
- Ilość środowisk zwirtualizowanych wzrasta o 30%, co powoduje zwiększenie prędkości łączy typu uplink przełączników.
- Ruch na kierunku wschód-zachód w centrum danych znacznie przewyższył wielkość ruchu północ-południe
Projekt sieci musi odzwierciedlać ogromną ilość ruchu sieciowego, a co ważniejsze, musi umożliwić skalowanie serwerom, pamięcią masowym i urządzeniom sieciowym niezależnie i z jak najmniejszymi przerwami i rekonfiguracjami. W rezultacie specjaliści centrów przetwarzania danych muszą wziąć pod uwagę większe upakowanie serwerów, wdrażać większą liczbę włókien światłowodowych i przyspieszyć plany migracji do wyższych prędkości w sieciach rdzeniowych i agregacyjnych. Infrastruktura sieciowa w centrum danych musi mieć możliwość skalowania w celu obsługi tych istotnych trendów.
Zmiana architektury sieciowej
Zmiana wielkości ruchu i kierunku jego przepływu w centrum danych wymaga projektowania sieci, które umożliwia zapewnienie szybkiego wzrost ruchu danych na kierunku wschód-zachód.
Tradycyjna architektura centrum danych wykorzystywała trójwarstwową topologię, jak pokazano na rysunku 2. Warstwa rdzeniowa, zazwyczaj zlokalizowana w głównym obszarze dystrybucji (MDA), jest miejscem, w którym różne przełączniki sieciowe łączone są między sobą, a także do urządzeń ulokowanych na zewnątrz centrum danych. Warstwa ta łączy urządzenia z warstwy agregującej, która to łączy różne przełączniki z warstwy dostępu. W dużych centrach danych korporacyjnych i chmurowych warstwa agregująca jest zazwyczaj zlokalizowana w obszarze dystrybucji pośredniej (IDA). W mniejszych obiektach jest to zazwyczaj obszar dystrybucji poziomej (HDA) lub obszar dystrybucji sprzętu (EDA).
Projekt według tego modelu zapewnia przewidywalne ścieżki rozbudowy dla skalowalnej sieci w centrum danych, ale jest mniej niż idealny, jeśli chodzi o wspieranie dzisiejszych, zwirtualizowanych aplikacji wymagających małych opóźnień. W rezultacie nastąpiło szybkie przejście do architektury “leaf-and-spine”.
Rys. 1 Projekt Data Center
Rys. 2 Tradycyjna trójwarstwowa topologia
Rys. 3 Topologia leaf-and-spine
Zilustrowany na rysunku 3 model leaf-and-spine jest projektem sieci, zoptymalizowanym w ruchu na kierunku wschód-zachód, co pozwala serwerom na szybszą komunikację i współpracę w dostarczaniu aplikacji opartych na chmurze.
Każdy przełącznik typu leaf jest podłączony do każdego z przełączników typu spine, tworząc bardzo odporną na awarie strukturę typu każdy do każdego. Siatka łączy światłowodowych tworzy zasoby sieciowe o wysokiej wydajności lub “fabric”, które są współużytkowane przez wszystkie podłączone urządzenia. Wszystkie połączenia fabryk działają z taką samą prędkością. Im większa prędkość, tym większa jest pojemność fabryki.
Sieci typu “fabric” wymagają dużej liczby połączeń światłowodowych, zwłaszcza w warstwie przełączającej. Sprzedawcy sprzętu ciągle pracują, aby zwiększyć gęstość swoich kart liniowych, aby dotrzymać kroku takim potrzebom.
Biorąc pod uwagę coraz większą gęstość portów, połączenia kablowe i rozwiązania w zakresie zarządzania, takie jak światłowodowe stojaki dystrybucyjne, panele i dukty kablowe stają się bardziej istotne.
Ewolucja standardów
Organizacje normalizujące aplikacje sieciowe, mianowicie IEEE 802.3 (Ethernet) i ANSI / T11 (komitety Fibre Channel) są zajęte aktualizowaniem aplikacji, aby dotrzymać kroku szybkiemu zwiększaniu się wymagań dotyczących przepustowości. Celem tych grup jest nie tylko umożliwienie ewolucji dla stale rosnących przepływności linii transmisyjnych. Zachęcają również do opracowywania szybszych aplikacji, które zwiększą efektywność kosztową połączeń między sprzętem w centrach danych. W tym celu opracowano szereg pośrednich prędkości które wypełniają lukę pomiędzy 10G, 40G, 100G i 400G. Tabela 1 zawiera listę różnych standardów Ethernetu. Te, które są w trakcie opracowania są wymienione w kolorze niebieskim.
Tab. 1 Standardy Ethernetu światłowodowego IEEE 802.3
Opcje dotyczące migracji
Dyskusja dotycząca migracji do wyższych przepływności w liniach transmisyjnych jest złożona i szybko się rozwija. Obejmuje szeroki zakres decyzji dotyczących typów włókien, modulacji i typów transmisji, konfiguracji złączy i, oczywiście, rozważań dotyczących kosztów . Na rysunkach 4 i 5 pokazano dwie możliwe ścieżki migracji, ale jest wiele innych. Ustalenie, która z nich jest najlepsza w danym środowisku oznacza staranne rozważenie każdego możliwego aspektu.
Rys. 4 10GBase-sr na łączu duplex z kasetami MPO
Rys. 5 40GBase-Sr4 na równoległej optyce między przełącznikiem a serwerem
Linie 40G czy 25G?
Do niedawna przyjęta mapa drogowa migracji zakładała przeskok z linii o prędkości 10G do 40G. Od czasu zatwierdzenia standardu IEEE 802.3by branża migrowała na 25G jako następnej generacji technologii przełączania . Wynika to głównie z faktu, że nowsze linie 25G, które oferują łatwą migrację do 50G (2x25G) i 100G (4x25G), zapewniają lepszy zwrot z inwestycji niż migracja do 40G.
Schematy modulacji
Dostępne są również nowe, bardziej efektywne sposoby modulacji. Zaproponowano modulację amplitudy impulsów z czterema poziomami amplitudy (PAM-4). Jak pokazano na rysunku 6, PAM-4 jest techniką modulacji, która wykorzystuje cztery różne amplitudy impulsów do transmisji danych. W porównaniu z tradycyjną NRZ (modulacja binarna), PAM-4 umożliwia dwukrotnie większą przepustowość przy tej samej szybkości transmisji. Minusem jest jednak to, że wymaga wyższego współczynnika sygnału do szumu (SNR), co stawia surowsze wymagania dotyczące infrastruktury fizycznej. Mimo to, charakteryzuje się prostotą i niskim zużyciem energii co sprawiaja, że modulacja PAM-4 jest jedną z najbardziej obiecujących technik modulacji dla 100G i następnych prędkości.
Rys. 6 Modulacje NRZ i PAM4
Technologie transceiverów
Oprócz opracowywania bardziej zaawansowanych schematów modulacji w celu zwiększenia prędkości transmisji, opracowywane są różne techniki multipleksowania z podziałem długości fali (WDM) w celu zwiększenia liczby linii za pomocą długości fali tak aby transmisja odbywała się na pojedynczym włóknie. WDM są używane przez ponad dwadzieścia lat w celu zwiększenia szybkości transmisji danych w sieciach dalekiego zasięgu przy jednoczesnej redukcji liczby włókien. Jest również używany w aplikacjach Ethernetowych jednomodowych, takich jak 10GBASE-LR4 i 100GBASE-LR4, które multipleksują cztery długości fali na tym samym włóknie za pomocą technologii WDM o małej gęstości. Koncepcja ta została rozszerzona na światłowód wielomodowy za pomocą tzw. WDM lub SWDM krótkodystansowego. Jak pokazano na Rysunku 7, SWDM wykorzystuje długość fali od 850 nm do 940 nm.
Rys. 7 połączone cztery długości fal z zakresu 850-940nm w SWDM
Transmisja szeregowa czy równoległa?
Ponieważ coraz bardziej wymagające aplikacje powodują zwiększenie szybkości transmisji danych, rynek wykorzystuje coraz bardziej równoległą optykę. Tendencja ta jest poparta nieustającym popytem na łącza trunk budowane w oparciu o złącza MPO. Dzięki światłowodom wielomodowym optymalizowanym pod transmisję laserową (LOMMF), optyka szeregowa może efektywnie wspierać prędkość do 10G. Ale w przeszłości używanie transmisji szeregowej do obsługi prędkości 25G lub 40G wymagało przełączania się na kosztowne rozwiązania jednomodowe. Optyka równoległa zapewnia jednak bardziej ekonomiczne rozwiązanie migracji do protokołów Ethernet 40G, 100G i 200 / 400G.
Przejście na optykę równoległą jest możliwe dzięki zastosowaniu złączy MPO. W Ameryce Północnej sprzedaż złączy światłowodowych MPO dla połączeń komunikacyjnych 40 / 100GbE ma rosnąć o 15,9 procent rocznie do 2020 r., osiągając poziom 126 milionów USD w 2020 r. Jednakże tendencja do wdrażania równoległej optyki może ustępować w miarę pojawiania się nowych technologii, które lepiej wykorzystują pary dupleksowe. Technologie takie jak PAM4 i SWDM powinny w najbliższym czasie zapewnić bardziej opłacalne wsparcie dla aplikacji wykorzystujących połącznia duplex w centrum danych .
Fabrycznie zakończone czy zakańczanie na budowie?
Konieczność szybkiego przywracania poprawnej pracy sieci zwiększyła wartość i zapotrzebowanie na prefabrykowane systemy okablowania. Zgodnie z niektórymi szacunkami, cecha plug-and-play dotycząca kabli przekłada się na 90-procentowe oszczędności czasu w porównaniu z systemem zakończonym na budowie i jej obsługa zajmuje o około 50 procent mniej czasu w kontekście jej utrzymania. Wartości te rosną wraz ze wzrostem liczby połączeń światłowodowych.
Systemy zakończone fabrycznie są jedynym realnym rozwiązaniem w przypadku systemów o bardzo niskich tłumieniach, które są wymagane do obsługi szybkich łączy światłowodowych. Wśród preterminowanych rozwiązań złącze MPO / MTP szybko staje się de facto systemem połączeń zarówno jedno- jak i wielomodowych dzięki łatwości użycia i szybkości, nie mówiąc już o dużej gęstości połączeń.
Światłowody jednomodowe, wielomodowe czy szerokopasmowe wielomodowe?
Koszt optyki nadal ogranicza implementację włókien jednomodowego (SMF) w centrach danych. Choć nowe technologie i wydajność produkcyjna pomagają obniżyć ceny SMF, wciąż to nie wystarczy aby zniwelować wysokie koszty optyki jednomodowej. Dwa obszary centrum przetwarzania danych, w których rośnie SMF, to obszar wprowadzenia kabli do budynku i połączenia z głównym obszarem dystrybucji oraz w obiektach o ekstremalnej skali w projektach centrów danych typu mega.
W centrach danych typu enterprise włókna wielomodowe (MMF) oferują bardziej atrakcyjną równowagę pomiędzy wydajnością, gęstością i kosztami. Wyzwaniem dla MMF jest odległość. W miarę wzrostu ruchu danych i zwiększania prędkości połączeń, maksymalna odległość dla łącza komunikacyjnego może się zmniejszyć. Jednak pojawienie się elementów o wyższej jakości i zmodyfikowanych łączy może zapewnić połączenia obsługujące większe odległości i nowe topologie centrum danych.
Rys. 8 Porównanie pasma dla włókien wielomodowych
Systemy inteligentne
Automatyczne systemy zarządzania infrastrukturą (AIM) mogą znacznie pomóc w procesie migracji, zapewniając dokładne odwzorowanie warstwy fizycznej i wszystkich podłączonych urządzeń. Ponieważ systemy AIM automatycznie monitorują i dokumentują wszystkie używane porty w tym światłowodowe, mogą pomóc w zapewnieniu dostępności odpowiedniej liczby włókien podczas migracji z połączeń dupleks do równoległych.
AIM może pomóc w identyfikacji nadmiaru portów okablowania i przełączników i udostępniać je do migracji z dupleksu do optyki równoległej. Norma ISO / IEC 18598, a także europejska norma EN 50667 dla AIM została ratyfikowana w 2016 r. Dokument ISO / IEC jest przyjmowany niemal bez zmian przez TIA jako ANSI / TIA-5048.
Pogląd Commscope
Preterminowane rozwiązania oparte na technologii MPO są najlepszym wyborem dla sieci o wysokiej wydajności. Systemy te zapewniają doskonałe fabrycznie wykonane zakończenie, a także szybkość i elastyczność związaną z rozbudową centrów danych prywatnych, oraz firmowych typu cloud.
Zwiększenie przepustowości od OM3 do OM4 to kolejny “must have” dla dzisiejszych sieci o dużej pojemności. Z portfolio światłowodów MMF, OM5 jest optymalnym wyborem ze względu na jego zdolność do zwiększenia praktycznej pojemności o cztery razy w porównaniu do OM4. Ponadto, w celu zwiększenia efektywnej gęstości urządzeń sieciowych wspiera się użycie dupleksu SWDM do łączenia przełączników.
Rys. 9 Złącza MPO o różnej liczbie włókien
Trwająca debata na temat 8-włókowej, 12-włóknowej i 24-włóknowej technologii MPO mogłaby być nieco bardziej przejrzysta. Systemy MPO 12-włóknowe są wdrażane od lat. Obsługują dupleksowe i równoległe aplikacje z dużą elastycznością i wystarczającym zasięgiem dla większości aplikacji centrum danych. Korzyść z kompatybilności operacyjnej stanowiłaby argument za kontynuowaniem tego samego systemu w przyszłych zastosowaniach. Oczywiście zwiększenie przepustowości od OM3 do OM4 i ostatecznie do OM5 jest korzyścią dla sieci o większej pojemności w przyszłości.
W przypadku systemów MPO 24-włóknowych zwiększają one gęstość i pojemność sieci fizycznej. Systemy te obsługują dupleksowe i równoległe zastosowania i oferują niższe koszty na włókno w porównaniu do systemów 8-włókien i 12-włókien. W rezultacie jest to zalecany system dla sieci dużej gęstości lub sieci głównie z aplikacjami typu duplex.
Systemy MPO z ośmioma włóknami obsługują popularne aplikacje QSFP z czterema liniami, głównie w konfiguracjach 4X10G lub 4X25G do podłączenia sieci pamięci masowych i serwerów.
Łącza pomiędzy switch fabricami nie wymagają kabli breakout do portów o niższej prędkości. Dlatego bardzo korzystnym wyborem są dwukierunkowe łącza dupleksowe, takie jak 100G SWDM. Te połączenia światłowodowe dupleksowe są realizowane z większą gęstością, używając rozwiązań 12-włókienowych lub 24-włóknowych.
W przypadku wdrożenia systemu MPO 24-włókien , rozwiązania CommScope obsługują zarówno 8-włóknowe równoległe i dupleksowe aplikacje oferując optymalne wsparcie dla szerokiego zakresu zastosowań występujących w centrach danych. Systemy światłowodowe MPO 24 zapewniają zoptymalizowane wsparcie zarówno dla aplikacji dupleksowych, jak i równoległych i mogą zapewnić niższe koszty całkowite przy jednoczesnym wsparciu wielu nowych aplikacji optycznych.
Podsumowanie
Chociaż ważne jest, aby zrozumieć szeroki wachlarz opcji technicznych i pojawiających się problemów, należy je rozpatrywać w kontekście środowiska danego centrum danych. Jak to wpływa na szybkość zmian i skalowanie wymagań w centrum danych? Jaki jest całkowity koszt posiadania dla różnych scenariuszy migracji?
Jako menedżer centrum danych pamiętaj, nie musisz planować wszystkiego samemu. Liczba badań i podejmowanych decyzji może ogromna. Istnieje wiele kompetentnych zasobów wiedzy, takich jak CommScope, którzy mają rozwiązania i doświadczenie, które pomogą Ci podjąć właściwą decyzję. Wykorzystując naszą wiedzę techniczną i szeroką perspektywę planowania, możemy pomóc Ci opracować długoterminową strategię migracji dla centrum danych, która pozwali osiągnąć cechy wysokiej adaptacji, osiągania odpowiedniej pojemności i wydajności . Niezależnie od tego, jak szybko zmieniają się wymagania.
Opracowano na podstawie materiałów CommScope – źródło