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数据中心互联如何提速

Dai Ren

代仁

2019-09-10 394
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数据中心互联流量迅猛发展,驱动DCI提速需求

随着大数据、云计算、移动互联网的迅猛发展,越来越多的企业选择建设多个数据中心,数据中心间流量与日俱增。根据相关报告,DCI流量年复合增速达到31.9%,由此带来的数据中心间互联带宽不足问题,给业务的发展带来挑战。如何有效的提升DCI带宽,来匹配业务快速发展的诉求,并降低每bit成本成为DCI方案首先要解决的问题。

最近几年,数据中心承载业务向着云存储、虚拟现实、边缘计算、机器学习、深度学习以及人工智能方向等方向发展,上层应用对作为基础设施的网络的可靠性和带宽要求越来越高。为应对挑战,数据中心内部互联DCN已迎来单端口400G时代,核心交换机为上层应用提供400GE 高吞吐,低时延,0丢包的承载服务, 400G DC出口路由器也开始逐步商用。而作为DC互联承载的DCI网络,也必将适应DCN和路由器接口的发展趋势,为云间互联提供超宽高速的解决方案,实现数据中心互联的提速。

WDM技术:DCI大带宽时代的首选方案

DCI网络经历了从Internet互联,再到Mbit/s专线,发展到现在数10T的波分互联,从单端口光纤直连时代走到了为节省光纤、提升光纤利用率、简化资源管理、快速实现扩容的WDM1时代。

WDM技术天然具有大带宽低时延的特性,天然硬管道确保了数据传输质量,成为DCI大带宽时代的首选方案。而本来规划使用8~10年的超大型数据中心DCI网络,不到3年就面临扩容瓶颈的现状,使得WDM技术在单波速率(车载)和波道数(车道)上需持续挖掘光纤传输潜力,突破传输容量和距离瓶颈,同时通过技术革新带宽升级来降低每bit成本,以满足数据中心有效提速诉求。

如何提升WDM DCI传输容量

WDM系统传输总容量可表述为

其中C代表传输总容量(Tbit/s),R代表每个信道的线路速率(Gbit/s),W代表每个信道所占用的谱宽(GHz),B代表系统有效谱宽(THz)。从以上公式可以看出,增加WDM系统的总容量的方法有两种:

1. 提升单波频谱效率R/W:即增加每个信道的线路速率R,比如从100G提升到200G,400G…同时降低单个信道占用的带宽W;

2. 扩展有效谱宽B

为了实现更高的超宽容量:

在“车载”能力上,DCI需提供400GE接口承载能力,并具备多个接入端口的聚合传输能力,意味着单波能力需要向400G更高速率方向发展。 如下图所示,多载波本质上并没有提升单波速率。波特率不变条件下,采用“偏振复用2”和“更高阶的调制模式”一般不会导致信道带宽W的增加。光通信中,一般将光分离成x、y两个垂直偏振 方向上的光信号来承载更多信息量提升传输容量(理论上,光可以分离N多个偏振方向来承载更多信息,但是调制解调困难,短期内无法看到商用的可能性)。调制模式不变条件下,采用“更高的波特率”往往会导致信道带宽W的同步增加,从而未必能对提升WDM系统总容量有贡献。综上,提升单波的速率重点在于调制模式和波特率的提升。同时,受香农理论极限限制,在单波速率不断提升时,超高速单波传输距离受到了可用信噪比限制,如何不断逼近理论极限,在单波传输容量提升的同时,通过编解码技术和整形补偿等算法提升系统传输距离可用性,成为急待突破的问题。

在“车道”容量上:业界常用的C波段80波/96系统已无法满足超大型数据中心的要求,类似于无线技术,通过扩展谱宽,在现有C波段的基础上,寻求更宽光谱,将“车道”扩展到新的波段上(如超宽C波段,L波段等),成为业界研究和产品开发方向。同时,光层平台一旦部署下去,最大波道数能力就已限定,后续将无法接受光层改造而导致的业务频繁中断,所以在初期部署时,需要考虑预埋能平滑扩展的光层能力。为支持更宽波段,除了合分波单板外,电层OTU单板和其他光层单板上也需要成体系的支持,包括激光器、放大器、接收器等,这些都涉及到现有技术的革新。

综上,数据中心间互联要实现有效提速,关键在于基于WDM的DCI技术是否能在单波信道速率和波道数上能有效提升,在硬件设计,算法,芯片,激光器,接收器,放大器等系统组件上实现技术突破,持续逼近理论极限。目前,单波100G/200G已成为DCI主流商用技术,单波400G/600G已有成功商用案例,单波800G预计也将在明年实现商用,单纤容量能力如何,及传输性能和其中关键技术值得关注和期待。

1.WDM: Wavelength Division Multiplexing, 在同一根光纤中同时传输两个或众多不同波长光信号的技术,称为波分复用。
2.偏振复用:利用光的不同偏振态携带信息进行光通信。一般在光纤中的偏振复用指利用两种正交的偏振态来携带各自信息。

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