飛向無(wú)限，以及更遙遠(yuǎn)的未來(lái)！走向400G網(wǎng)絡(luò)的故事

作者：Anthony Robinson，康寧光通信

我們對(duì)帶寬無(wú)盡的欲望驅(qū)使這個(gè)行業(yè)發(fā)展得更快，不斷地讓網(wǎng)絡(luò)擺脫延遲的影響

就像巴斯光年（Buzz Lightyear）和其他電影中的玩具一樣，數(shù)據(jù)中心行業(yè)從不懈怠。我們對(duì)帶寬無(wú)限的欲望繼續(xù)挑戰(zhàn)著技術(shù)開(kāi)發(fā)人員，從而比任何時(shí)候都更快速、更高效地推送數(shù)據(jù)。他們不斷地設(shè)計(jì)更吸引人的應(yīng)用程序、流程和產(chǎn)品，以豐富我們的社交和工作；將日常平凡、復(fù)雜的任務(wù)自動(dòng)化減少人的干預(yù)，并將這一切都融入到我們今天生活的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)中。這是最基礎(chǔ)的供需關(guān)系。我們需要它，他們用這樣的方式制造了一種我們從未意識(shí)到的超級(jí)依賴性。朋友經(jīng)常開(kāi)玩笑，說(shuō)不知道在搜索引擎出現(xiàn)之前的我們是怎么活下來(lái)的！

是什么驅(qū)動(dòng)更快、更有效的網(wǎng)絡(luò)？基本上是我們，是人類自己！我們很容易感到無(wú)聊。我們一直在尋找新的、更具互動(dòng)性的方式來(lái)自?shī)首詷?lè)，用一種前所未有的、更令人興奮的、更吸引人的交流方式溝通，我們期待這一切立刻發(fā)生。即刻現(xiàn)在。我們不再用電話與人交談。短信已經(jīng)過(guò)時(shí)，圖片信息也迅速成為昨日黃花。如果你想和孩子們打成一片，那就盡可能多地播放流媒體為主的內(nèi)容，日以繼夜。而不止于此。我們想在信息高速公路上連接更多的設(shè)備，我們想要改進(jìn)的分析內(nèi)容，我們想要更多的機(jī)器為我們做比想象還要多的事情，我們希望所想即所得。

我記得在2010年，IEEE批準(zhǔn)了40Gb和100Gb的數(shù)據(jù)，當(dāng)時(shí)我就想，我們根本沒(méi)有必要使用這么高的速度。以今天的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看，那時(shí)的寬帶簡(jiǎn)直就是可憐——就像試圖用吸管來(lái)吹一個(gè)巨大的氣球一樣——但在當(dāng)時(shí)已經(jīng)夠用了，因?yàn)楫?dāng)時(shí)我的帶寬消耗量遠(yuǎn)不及我今天生活所需的帶寬需求。但當(dāng)我的孩子們開(kāi)始使用他們的手機(jī)、平板電腦和在線游戲平臺(tái)時(shí)，我可憐的小銅線連接就開(kāi)始抱怨別人對(duì)它的要求了。謝天謝地，現(xiàn)在光纖傳輸速度超過(guò)了過(guò)去的30倍，雖然家里的設(shè)備越來(lái)越多，但是我總是可以做的更多，很多，很多！

讓我給大家介紹一下技術(shù)路線圖的背景，讓大家了解一下我們今天的情況。直到2010年，生活都很簡(jiǎn)單。我們?cè)诠饫w網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行10Gb，使用1芯光纖發(fā)射和1芯光纖接收。無(wú)論什么樣的終端設(shè)備，還是部署了哪個(gè)收發(fā)器，都不重要，因?yàn)樗鼈兊牟僮鞫际且粯拥?。然后IEEE批準(zhǔn)了40Gb，使用了一個(gè)不同的PMD（Physical Media Dependent）接口與并行光學(xué)方案。

并行光學(xué)

與串行（雙工）傳輸不同，并行光學(xué)使用8芯或更多的光纖，而不是傳統(tǒng)的2芯光纖。我們?cè)?芯光纖上發(fā)射信號(hào)，每芯光纖10Gb，在另外4芯光纖上接收，每芯光纖10Gb，以達(dá)到我們的40Gb聚合速度（稱為40G-SR4）。由于2010年速率最快的交換機(jī)ASIC（application-specific integrated circuits）是10Gb，要達(dá)到100Gb（即100GBASE- SR10）且同時(shí)得到批準(zhǔn)，我們需要20芯光纖，每10芯傳輸10Gb，另外10芯接收10Gb。值得慶幸的是，在2015年IEEE批準(zhǔn)了100G-SR4通過(guò)4芯光纖傳輸25Gb，并通過(guò)另外4芯光纖接收25Gb，使用了與40GBASE-SR4相同的8芯光纖平臺(tái)，從而達(dá)到了我們的100Gb總速。隨后我們向200G邁進(jìn)，最終實(shí)現(xiàn)了400G，且光纖數(shù)量和通道的一致性仍在繼續(xù)。

因此，現(xiàn)在這個(gè)永不間斷的行業(yè)，讓網(wǎng)絡(luò)管理者和用戶需要作出選擇：隨著越來(lái)越多的技術(shù)和解決方案選項(xiàng)的出現(xiàn)，需要針對(duì)部署什么樣的基礎(chǔ)架構(gòu)解決方案做出關(guān)鍵決策，以確保無(wú)縫地遷移到更高的速度。現(xiàn)在，我來(lái)幫您把它們分解一下。

BiDi

在IEEE批準(zhǔn)40&100Gb的三年后，2013年底，思科推出了40G BiDi，該技術(shù)由Avago Technologies開(kāi)發(fā)，現(xiàn)在是富士康互聯(lián)技術(shù)公司（FOIT的一個(gè)業(yè)務(wù)部門(mén)）的一部分。這項(xiàng)開(kāi)創(chuàng)性技術(shù)是為了使現(xiàn)有的兩芯多模光纖能夠在數(shù)據(jù)中心設(shè)施中使用WDM（波分復(fù)用）技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)40Gb傳輸，兩個(gè)20Gb信號(hào)在同一條多模光纖上，但波長(zhǎng)不同，在850nm和910nm處“雙向”發(fā)射和接收20G信號(hào)，因此得名BiDi。我們?cè)?018年看到了100G BiDi的發(fā)布。

UNIV

在BiDi發(fā)布后不久，Arista和Juniper推出了他們的40Gb通用收發(fā)器（UNIV），使用另一種WDM技術(shù)在一對(duì)光纖上運(yùn)行。這一次，它在傳統(tǒng)的單模1310nm區(qū)域單向發(fā)射了4 x 10Gb，中心波長(zhǎng)為1271、1291、1311和1331nm，但仍然可以通過(guò)一對(duì)多模光纖或單模光纖傳播（因此有了UNIV這個(gè)名字）。

SWDM4

我們的第三個(gè)WDM方案是SWDM4。使用與UNIV相似的4波長(zhǎng)方法，關(guān)鍵區(qū)別在于它們?cè)诟鼈鹘y(tǒng)的多模光纖的 850nm區(qū)域發(fā)射，中心波長(zhǎng)為850、880、910和940nm，可選擇40Gb和100Gb。

200Gb也有WDM選項(xiàng)，但關(guān)鍵是與并行光學(xué)不同，并行光學(xué)是一個(gè)被IEEE標(biāo)準(zhǔn)完全認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)。這些仍是專有技術(shù)，或者作為MSA（Multi-Source Agreement）的一部分，不能彼此互聯(lián)，也不能與任何標(biāo)準(zhǔn)許可的收發(fā)器相互兼容。BiDi必須連接到另一個(gè)BiDi，UNIV必須連接到UNIV，以此類推。這有可能嚴(yán)重限制網(wǎng)絡(luò)管理者在尋求下一個(gè)速率遷移時(shí)可用的選項(xiàng)，通?！肮?yīng)商鎖定”在某一個(gè)制造商，并限制我前面提到的那些關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施選擇。

有清晰的記錄表明，使用低成本組件的并行光學(xué)器件總是首先投放市場(chǎng)，3-5年后才會(huì)有WDM同類產(chǎn)品隨之上市。如果您決定采用WDM的雙光纖網(wǎng)絡(luò)策略，而您的企業(yè)和客戶恰好需要技術(shù)升級(jí)，如果WDM產(chǎn)品還沒(méi)上市，您還有什么選擇？

要么暫停直到其發(fā)布上市，但這會(huì)影響公司的收入和聲譽(yù)；要么升級(jí)網(wǎng)絡(luò)以支持并行光纖部署。但是，如果您現(xiàn)在已經(jīng)有了并行光纖網(wǎng)絡(luò)（即使您仍在遵循WDM路徑），您可以選擇在同一個(gè)布線設(shè)備中使用這兩種技術(shù)，而無(wú)需進(jìn)行任何計(jì)劃外升級(jí)。

調(diào)制技術(shù)

傳統(tǒng)的NRZ調(diào)制（不歸零）使用0和1兩個(gè)值。把它想象成一個(gè)燈泡是發(fā)射器，而你的眼睛是接收器。你只需要開(kāi)燈或關(guān)燈作為信號(hào)，但如果你的眼睛和我的一樣糟糕，那么隨著速度的提高，識(shí)別或接收信號(hào)會(huì)變得困難重重。為了滿足100G的傳輸速率，PAM4（Pulse Amplitude Modulation）被開(kāi)發(fā)出來(lái)，它使NRZ的速率加倍并簡(jiǎn)化， 使用4個(gè)離散值00、01、10和11將燈調(diào)亮、打開(kāi)到最亮、調(diào)暗和關(guān)燈。PAM4用于某些（但不是全部）100G選項(xiàng)。然而，這將成為400G的標(biāo)準(zhǔn)。值得注意的是，隨著速度的提高，我們可能會(huì)看到其他調(diào)制技術(shù)的引入。

現(xiàn)在為了使這篇文章不像暢銷小說(shuō)那樣長(zhǎng)，我只提到了以太網(wǎng)和不同的多模選項(xiàng)。請(qǐng)注意，單模并不意味著更容易。在40G問(wèn)世之前，單模一直是2芯光纖，就像我們傳統(tǒng)的多模。和多模一樣，我們開(kāi)始看到了40G甚至更高速率的單模的并行光收發(fā)器選項(xiàng)的出現(xiàn)，這是因?yàn)橛脩粜枰L(zhǎng)的傳輸距離，但仍然想要利用端口突破能力——因此就采用了更大的速率端口并將其分為4個(gè)較小的速率端口，以獲得更低的總體成本。與傳統(tǒng)單模 10km的距離相比，500m PSM4的距離更短，因此成本更低。

當(dāng)前的行業(yè)趨勢(shì)是，一旦產(chǎn)量開(kāi)始穩(wěn)定，部署高速并行光學(xué)并將其拆分出每個(gè)端口的成本與使用原生速度光學(xué)器件（例如，1 個(gè) 100G 分為4 個(gè) 25G而不是4 個(gè) 原生 25G）相比會(huì)變得更低，且速率越高，因此成本效益就越高。此外，端口分支實(shí)現(xiàn)了更高的密度，同時(shí)降低了電力和冷卻的能源成本。

400G——我們的今天

正如我前面提到的，我們對(duì)帶寬無(wú)限的欲望驅(qū)動(dòng)了這個(gè)行業(yè)實(shí)現(xiàn)了更快的速度、更短的延遲。人工智能（AI）和機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）、無(wú)服務(wù)器計(jì)算、分布式閃存和更快的服務(wù)器CPU/GPU/FPGA的激增都是驅(qū)動(dòng)400G發(fā)展的因素。例如，Broadcom的Tomahawk III ASIC支持12.8Tb/s或128x100g光信號(hào)，并且還在對(duì)25.6Tb/s （256x100g）、51.2Tb/s （512 x 100G）和102.4Tb/s （256x400g）進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

將越來(lái)越多的吞吐量壓縮到同一個(gè)內(nèi)存中，提供了比以往更快地處理數(shù)據(jù)的機(jī)會(huì)，滿足了我們指尖對(duì)速度的需求。但這并非沒(méi)有挑戰(zhàn)，您將在下面的表格中看到，我們提供了幾種不同的選項(xiàng)來(lái)支持距離、通道和光纖類型。

以下是IEEE標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布或仍在開(kāi)發(fā)的所有400G光學(xué)PMD（Physical Media Dependent）列表：

400G光學(xué)

除此之外，2016年還形成了兩個(gè)MSA標(biāo)準(zhǔn)，考慮了400G收發(fā)器的物理尺寸和形狀，由8個(gè)通道連接。MSA為了研究連接形式而考慮了收發(fā)器的物理尺寸和形狀，以及收發(fā)器的封裝形式。它們是QSFP-DD（Quad Small Form-Factor Pluggable – Double Density）和OSFP（Octal Small Form-Factor Pluggable）?？祵幨沁@兩個(gè)MSA標(biāo)準(zhǔn)成員。

QSFP-DD - http://www.qsfp-dd.com/

QSFP-DD使用與QSFP28相同的外形物理尺寸，因此在使用相同的板卡時(shí)可以完全兼容。在光纖接口方面，最新規(guī)范（2019年7月5.0版）列出了以下選項(xiàng)：

公頭MPO

• MPO-12 單排
• MPO-16 單排
• MPO-12 雙排

雙工 LC

雙 CS

MDC*

SN*

*MDC和SN是新一代極小型連接器，于2019年初推出，將在另一篇文章中進(jìn)行介紹。這些都是由超大規(guī)模運(yùn)營(yíng)商驅(qū)動(dòng)的，他們希望在收發(fā)器上直接把400G分支為4x100G的光路。

OSFP - https://osfpmsa.org/。

OSFP的外形設(shè)計(jì)考慮了更高的速度（QSFP-DD和OSFP都可以處理800G的散熱），因此其占用空間比QSFP-DD稍大一些。這主要是因?yàn)樵谑瞻l(fā)器頂部有一組額外的散熱片，用來(lái)發(fā)散由于更高的功率要求而產(chǎn)生的更多的熱量（請(qǐng)注意，QSFP-DD已增加了散熱片的設(shè)計(jì)以來(lái)散發(fā)更多熱量）。溫度的升高對(duì)于QSFP-DD和OSFP來(lái)說(shuō)是一樣的，典型的要求是8-15W之間的多模模式。為了實(shí)現(xiàn)兼容QSFP28，您需要使用適配器。

2019年1月 OSFP規(guī)范列出了：

公頭 MPO

• ?MPO-12 單排
• ?MPO-16 單排
• MPO-12 雙排

雙工 LC

雙 CS

細(xì)心的人可能已經(jīng)注意到PMD與MSA中列出的選項(xiàng)不一致，完全正確。事實(shí)上，雖然MSA中列出了不同的光纖接口，目前只有針對(duì)CS、MDC或SN接口的收發(fā)器，對(duì)于多模 LC尚無(wú)確定的解決方案，只有500m、2km和10km的單模。

“那么，我們什么時(shí)候能看到400G收發(fā)器普遍上市呢？”我聽(tīng)到你們的需求了！我們?cè)?019年初看到了Arista和Cisco的聲明，預(yù)計(jì)產(chǎn)品將在2020年交付。Arista已經(jīng)宣布了QSFP-DD和OSFP的選項(xiàng)，Cisco僅針對(duì)QSFP-DD。

結(jié)論

對(duì)于閱讀本文的許多人來(lái)說(shuō)，飛向無(wú)限，更確切地說(shuō)是400G，似乎是一個(gè)相當(dāng)遙遠(yuǎn)的距離。然而，我們都逐漸意識(shí)到，在IT行業(yè)，我們永遠(yuǎn)不會(huì)停止追求極限，我們都必須接受這樣一個(gè)事實(shí)：我們今天所熱愛(ài)的將很快成為昨天的記憶。

在過(guò)去的9年里，我們經(jīng)歷了比前30年更多的網(wǎng)絡(luò)速度提升（接下來(lái)還會(huì)有更多）。有了這么多選擇，用最靈活和可擴(kuò)展的光纖基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃正確的技術(shù)遷移路徑，應(yīng)該是您的首要任務(wù)。如果您不這樣做，您可能會(huì)發(fā)現(xiàn)自己不得不繼續(xù)投資額外的光纖布線，因?yàn)橹С窒乱淮渭夹g(shù)更新的光學(xué)器件還沒(méi)有開(kāi)發(fā)出來(lái)。

您可不能打盹放松，引用《玩具總動(dòng)員》里的玩具們講的一句話：“我們無(wú)處不在！”

Anthony Robinson 是康寧光通信全球數(shù)據(jù)中心的市場(chǎng)開(kāi)發(fā)經(jīng)理