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数据中心的光互连 – 照亮云

简介

随着数据存储和计算资源进入云端,数据中心对于存储和数据传输能力的需求在过去十年中急剧增加(参考文献 1)。存储的数据需要不断在这些数据中心之间以及内部进行访问和传输,使得数据中心里存储数据的后平板和数据服务器的后平板之间的互连负载呈现成倍增长。一个大型的数据中心可能需要数十万个互连。推动更高容量数据中心互连带宽的关键因素包括:

  • 千兆以太网增长 -10 千兆以太网 (GE)、25 GE 和 40 GE 网络适配器的增长。
  • 云信息技术:一个请求可以触发一个数据中心中的服务器之间以及不同数据中心中的服务器之间的多个数据交换。
  • 新型存储技术:闪存、固态硬盘 (SSD)存储,软件定义的存储提升了云存储的吸引力。
  • 持续数据可用性和移动性:将虚拟计算和存储资源分布在多台物理设备上
  • 资源的动态分配:为资源共享动态分配服务器、存储和网络资源

行动互连

下图典型的 Clos 拓扑(图 1)的图解,很多最大的数据中心(参考文献 1)均有应用。需要大量互连来维持个人数据中心内数千台服务器之间以及其他校园数据中心里的有效沟通。

图 1 互连 Clos 拓扑

这提供了架顶式(TOR) 交换机与所有其他服务器之间更直接的互连,但它同时也需要大量的互连。叶脊架构里的每个叶节点交换机都连接到网络结构中的每个交换机。脊节点交换机和叶节点交换机之间与叶节点交换机和架顶式交换机之间的连接等级相同。当后平板的数据速率超过 10GB/s 达到 25GB/s,并提高到 800GB/s 时,传统上用于连接后平板和架顶式 (TOR) 交换机以及连接叶节点交换机与架顶式交换机的铜接头已演变为光学互连,以适应所需的更高数据速率(参考文献 2)。这种迁移意味着需要新增更多光纤来代替铜接头和功能更强大的光电收发器组建,具有性价比高、外型紧凑、高效节能的特点,可满足这些要求。由于这些数据速率使用的传统收发器组件是为长距离互连(成本高)而配置,功耗更高,并且外形尺寸往往较大,通常不适用于长距离系统中的数据中心,这也促使了对有源和无源元件新技术和新设计的需求,来满足上述要求。带有单模光纤(SMF)、多模光纤 (MMF)、相干数字光学传输、密集波分复用(DWDM)、多空间模式、增加的数据速率和其他技术的光学互连带宽增强将全部投入使用,因为各光学数据中心互连开始要求数据传输速率接近长距离光纤连接的数据传输速率。能耗是一个关键的考虑因素,正确选择光学互连可以最大程度地减少能耗和相关的散热(参考文献 3),并可能影响所需的光学设计和光学滤波片。

数据中心的光学滤波片

图 2 – 应用于电信/数据中心的部分益瑞电薄膜光学滤波片

光纤互连各末端使用的光学接收器通常使用光学滤波片来处理波分复用、粗波分复用、密集波分复用和其他多波长配置中应用的不同波长信道。这些较短互连应用中使用的光学滤波片采用与长途和城域应用中使用的滤波片相同的基础滤波片涂层技术,但其光学设计、滤波片尺寸和厚度经过调整以满足这些超紧凑型产品的独特要求。以尽可能低的成本维持所需的光学性能一直至关重要,现在已有一些与传统电信产品分开的滤波片解决方案可满足这些需求。用于互连应用的定制滤波片解决方案是常态,滤波片制造商正在迅速满足这些需求。这些产品中使用的滤波片包括用于单通道波分复用系统(粗波分复用带通(图3)和密集波分复用边缘滤波片(图4))的典型单波长带通和边缘通道。标准模具或其他光学滤波片也可能应用于这些系统中使用的集成可调谐激光组件(ITLA)源。

图3 – 典型 CWDM 带通滤波片

图4 – 典型DWDM边缘通道滤波片

结论

云存储和分布式计算数据中心的出现推动了数据中心内部数据传输速率不断提高的需求。这反过来又扩大了光学互连的作用和能力,并推动了这些数据中心所使用的专用滤波片和光电子器件的爆炸性增长的需求。云存储使用的未来是非常光明的。

参考文献