當談到數據中心的速度時，時機就是一切。而當前業界所面臨的挑戰是如何準確的預測未來需求，以了解您企業數據中心必須在未來的短期和長期分別應交付的服務做好準備，并盡可能以最新和最靈活的方式展示。技術和適用標準發展得越快，工作就隨之變得越困難。數據中心業界目前的加速速度是突破性的和瘋狂的。

根據最新的數據中心發展趨勢顯示，帶寬需求每年的增速為25%至35%，而預計這一飛速增長的勢頭還將持續多年。這種持續增長的影響可以從業界轉向更高的交換機的速度看出。根據市場研究公司Dell′Oro，Group近期的一項研究顯示，以太網交換機的營收將在未來十年內保持持續的增長，其中25G和100G端口的銷量最大。

而40G端口的營收在2016年達到頂峰。今天，這些端口被廣泛用于服務器連接，每個QSFP 40G端口支持四臺10G服務器連接。然而，隨著服務器的迅速發展，新的設計將比10G上行鏈路提供更多的消耗。因此，下一代服務器連接可能是25G，而不是40G。

早在2015年6月，由Mellanox宣布推出的全球首款25/100G以太網平臺就已經使我們邁入了25G時代。該平臺支持25G和40G的服務器連接，但似乎對于下一代的服務器連接速度25G將是更受歡迎的選擇。我們預計，到2020年，通道容量將翻倍增加到50G和100G，從而能夠為下一代的交換機提供高速鏈路。增加到50G和100G系列的通道將需要時間，但遠不如以前的時間久。在制定50 Gb/s串行鏈路和200 Gb/秒四通道鏈路的標準方面，該行業似乎已然超前。

　　圖1：數據中心設計

推動增長的因素是什么?

吞吐速度的激增是由各種因素所造成的結果。服務器密度每年增加約20%。處理器的性能也在增長，英特爾不久前宣布推出一款22核處理器。同時，虛擬化的密度正在以30%的速率上升，這些因素都在推動交換機的上行鏈路速度。

IP流量也將繼續增長，預計到2019年將比2014年翻一番，復合年均增長率(CAGR)為33%。由于消費者和企業云使用率的持續上升，這一上升對全球帶寬需求的增長將產生巨大影響。

影響數據中心帶寬的其他關鍵趨勢包括數據中心內部流量的增加，隨著物聯網的日益普及，預計未來五年將增長三倍。一些業界人士預測到2020年，全球范圍內互聯的物聯網設備共計將高達500億款，所有生成的數據都需要在數據中心處理、分析和存儲。

這些變化的最終效果是數據中心專業人員現在必須支持更高的服務器密度，部署更多的光纖，并加快在核心和聚合網絡中遷移到更高速度的計劃。數據中心內的網絡基礎設施必須能夠擴展，以支持這些重大變化。

改變網絡架構

數據中心流量的變化不僅僅是速度和體積，而且還包括傳輸走向，數據流的走向正在從南北走向向東西走向變化。

傳統的數據中心架構采用了如圖2所示的三層拓撲結構。核心層通常位于主分布區(MDA)中，各種網絡交換機之間、以及數據中心外部的網絡資源相互連接。該層提供連接各種接入交換機的聚合層。在大型和超大型數據中心中，聚合層通常位于中間分布區域(IDA)中。在較小的數據中心設施中，通常是位于水平分配區域(HDA)或設備分配區域(EDA)。接入層從數據中心到用戶連接到網絡的各個節點運行。

該模型的設計為可擴展數據中心網絡提供了可預測的基礎，但在支持當今的低延遲、虛擬化應用程序方面卻不太理想。結果，造成了“葉和脊椎”的架構的迅速和戲劇性的轉變。

如圖3所示，葉和脊模型是一種流線型的網絡設計，并在東西走向遷移數據流量，使服務器能夠合作交付基于云的應用程序。在這種拓撲結構中，網絡分布在多個葉片交換機上，使得葉片交換機層對于提供最大規模和性能是至關重要的。每個葉片交換機連接到每個脊柱交換機，創建一個高度彈性的任何到任何的互聯結構。光纖鏈路的網格創建了一個大容量的網絡資源，或者與所有連接的設備共享的“結構”。所有光纖以相同的速度運行。速度越高，光纖結構的容量就越高。

光纖網絡需要大量的光纖連接，特別是在交換機層。設備供應商們不斷努力，按順序增加線卡的密度，以便跟上需求的步伐。隨著密度的增加，布線連接和管理解決方案如光分配框架，面板和滾道變得更加重要。

　　圖2：傳統三層拓撲

　　圖3：葉和脊柱拓撲

不斷發展演化的標準

應用程序標準組織，即IEEE 802.3(以太網)和ANSI / T11(光纖通道委員會)一直在忙于更新推薦指南，以跟上企業客戶的帶寬快速增長的步伐。這些標準組織的目標不僅僅是為了促進線性速度的提高。他們還鼓勵開發更高速度的應用程序，從而提高數據中心設備之間鏈接的成本效益。為此，許多中間速度正在被開發，以便用來填補10G、40G、100G和400G之間的差距。表1列出了各種以太網的標準。而仍在處理中的被用紅色標出。

表1：IEEE 802.3以太網光纖相關標準——包括已完成及正在進行中的(紅色標出)

遷移選項

圍繞著遷移到更高線路速率的討論是復雜的，并且還在迅速演變。其包括關于光纖類型、調制和傳輸方案、連接器配置、當然還包括對于成本的考慮等諸多范圍的廣泛的決定。圖4和圖5顯示了兩種可能的遷移路徑，但還有許多其他路徑。確定哪一種最適合任何給定的環境意味著必須仔細考慮每個方面的因素。以下只是必須權衡的諸多問題中的部分。

　　圖4：帶有MPO中繼線的10GBASE-SR雙工光纖鏈路

　　圖5：交換機和服務器中具有并行操作的40GBASE-SR4鏈路

40G或25G通道?

直到最近，可接受的遷移路線圖概述了從10G通道升級到40G的輪廓預測。自從IEEE 802.3by標準被批準以來，數據中心業界已經開始轉向25G通道作為下一個里程碑。這是由一些因素所共同決定的。對于剛剛進入該領域的企業用戶而言，直接遷移到40G光纖是成本代價昂貴的，而25G光纖則使數據中心能夠最大化現有的10G基礎設施。也許更重要的是，25G通道可以更容易地遷移到50G(2x25G)和100G(4x25G)。

預終端vs現場終端電纜?

快速開展網絡服務的能力已經推動預終端布線系統變成了許多數據中心環境中的首選技術。通過一些估計，較之現場終端系統，預終端電纜的即插即用功能可以節省90%的時間。

在網絡維護方面——特別是處理移動/添加/更改——預終端系統估計比現場終端解決方案快50%。這一價值隨著網絡中光纖連接數的增加而增加。在預終端解決方案中，MPO / MTP光纖由于易于使用及其高速度而迅速成為單模和多模連接的事實上的系統，更不用說高密度。

串行或并行傳輸?

隨著數據速率為響應應用程序越來越高的要求而變得越來越多，市場已經引入平行光纖技術。這種趨勢得到了對基于MPO的中繼線的持續需求的支持，數十年來成為數據中心的主打。使用激光優化的多模光纖(LOMMF)，串行光纖可以經濟高效地支持高達10G的速度。但由于10G鏈路讓位于25G或40G，串行傳輸的唯一選擇是切換到昂貴的單模解決方案。然而，并行光學器件為40G和100G以太網提供了更具成本效益的解決方案。

　　圖6:光纖帶寬比較

切換到并行光纖器件也有助于驅動MPO連接器的使用。在北美，預計到2020年，40/100GbE通信鏈路的MPO光纖連接器銷售額將年均增長15.9%，到2020年達到1.26億美元。然而，平行光學技術的趨勢可能會隨著更多的技術而逆轉，進而開發出更好的使用單個纖維。各種新技術，如PAM4和WDM(下文將討論)預計將有助于吸引更多的連接回到雙工。

單模、多模或寬帶多模?

可插拔光學器件的成本繼續限制了數據中心中單模光纖(SMF)的實現。雖然新技術和制造效率有助于降低SMF的價格，但這方面的價格下降仍然不足以彌補單模光纖的高成本。 在大型數據中心的設計中，從設施入口到主要分配區域、從地板到地面的這數據中心的兩個區域的SMF的使用正在增加。

多模光纖(MMF)繼續為企業數據中心提供更有吸引力的性能、密度和成本之間的平衡。MMF所面臨的挑戰是距離，這意味著隨著數據流量的增長和互聯速度的增加，最大距離會因為通信鏈路往往會降低。但新興的更高質量的組件和工程鏈接可以提供鏈路能力，以支持更長的距離和新的數據中心拓撲。

最近，出現了一種改進的選擇，最終可能為光纖遷移提供最佳解決方案。如前所述，寬帶多模光纖(WBMMF)是一種新型光纖，經ANSI / TIA-492AAAE批準，預計將被ANSI / TIA-942-B推薦使用。由CommScope在2015年推出，WBMMF增強了短波分復用(SWDM)技術的能力，可提供可用帶寬至少增加四倍，同時保持與OM3和OM4光纖的兼容性，并支持所有傳統的多模應用。通過復用在850nm-950nm區域中間隔的四個波長，WBMMF的一條鏈可以將數據容量增加四倍。圖6顯示了OM3，OM4和OM4寬帶光纖之間的帶寬比較。

調制方案

現在也有了新的高階調制方案。已經提出了用于數據中心或數據中心光鏈路的具有四個幅度電平(PAM-4)的脈沖幅度調制。如圖7所示，PAM-4是一種調制技術。四個不同的脈沖幅度用于傳輸信息。與NRZ(二進制調制)相比，PAM-4實現了固定帶寬的傳輸容量的兩倍。然而，缺點是需要更高的信噪比(SNR)。盡管如此，它的簡單性和低功耗使PAM-4調制成為100Gi最有希望的調制技術之一。

收發器技術

除了開發更先進的調制方案以增加通道速度，業界還正在開發各種WDM方案以增加每根纖維的通道數或波長數。 WDM已經使用了二十多年，通過減少光纖數量來增加長途網絡的數據速率。其也被用于單模以太網應用，例如10GBASE-LR4和100GBASE-LR4，它們使用粗WDM技術在同一光纖上組合四個波長。這一概念也被擴展到多模光纖，通過所謂的短波WDM或SWDM。如圖8所示，SWDM使用波長從850nm到940 nm。

　　圖7：PAM4和NRZ模式

　　圖8：SWDM組合的4個波長從850 nm到940 nm

智能系統

自動化基礎架構管理(AIM)系統可以通過提供物理層和所有連接設備的精確映射，大大幫助了遷移過程。因為AIM系統會自動監測和記錄使用的所有端口和光纖，所以它們可以幫助確保從雙工升級到并行時的可用容量。相反，AIM可以幫助識別冗余電纜和交換機端口，并使其可用于并行到雙工遷移。 AIM的ISO/IEC 18598標準于2017年批準。

預終端的基于MPO的光纖解決方案繼續成為高性能網絡的最佳選擇。這些系統提供出色的工廠終端性能，加上速度和敏捷性，以支持私有，類似云的企業級DC的擴展需求。將OM3增加到OM4的帶寬是今天高容量網絡的另一個“必須”。在OM4選項中，WBMMF是最終選擇，因為它能夠將OM4的實際容量提高四倍。最后，為了提高網絡設備和支持物理網絡的有效密度，我們支持使用SWDM雙工鏈路進行結構鏈路連接。

對于8光纖、12光纖和24光纖MPO技術之間的持續爭論，也可能會變得更加清晰。 MPO 12光纖系統已部署多年。它們支持雙工和并行應用，具有出色的靈活性和適用于大多數數據中心應用。操作一致性的好處將爭論聚焦在將來的應用中繼續使用同一個系統。當然，增加OM3到OM4的帶寬對未來更高容量的網絡是有利的。

與此同時，MPO 24光纖系統增加了物理網絡的密度和容量。與8光纖和12光纖系統相比，這些系統支持雙工和并行應用，并提供更低的每個光纖成本。因此，這是推薦采用的高密度網絡或主要是雙工應用的網絡系統。

　　圖9：具有不同光纖數量的MPO連接器

MPO 8光纖系統支持主流用于4X10G配置的受歡迎的四通道QSFP應用，用于存儲和服務器網絡附件。然而，下一代服務器附件可能會轉移到25或50G。

這些可能非常類似于使用100G(4X25G)光學器件以同樣的方式部署的40G QSFP。

網絡結構鏈路不需要突破低速端口。因此，雙纖雙工鏈路(如100G SWDM)是非常有吸引力的選擇。這些雙光纖鏈接使用12光纖或24光纖解決方案實現更高的密度。