应对800G以太网挑战：数据中心迁移

news2024/9/19 6:06:24

在过去几年中，云基础设施和服务的大规模使用推动了对更多带宽、更快速度和更低延迟性能的需求。交换机和服务器技术的改进要求布线和架构随之调整。因此，800G以太网对数据中心迁移的需求，特别是对速率（包括带宽、光纤密度和通道速度）的需求急剧增加。

拥抱400G/800G以太网变革

应用方面，交换机端口的分线应用技术正受到积极推广；通常，400G和800G的高速网络连接常被拆分为4×100G或8×100G。容量方面，目前支持64×400G端口，带宽为25Tb/s，博通的Tomahawk 4交换芯片未来有可能支持32×800G端口。在物理层，2017年IEEE 802.3bs标准的批准为200G和400G以太网的发展铺平了道路。因此，400G的应用迅速增加。可以想象，800G以太网的应用预计会在不久的将来以更快的速度实现扩展。为了改高每比特的功耗和成本，业界正在合作推出800G数据中心，并开始向1.6T及更高速率迈进。

800G以太网网络迁移的关键要素

1. 增加交换机端口密度

随着技术的进步和市场需求的变化，SERDES（串行器/解串器）和ASIC（专用集成电路）的设计和制造技术不断进步。SERDES技术具有将并行数据转换为串行信号的功能，在相对较少的物理引脚和电路资源的基础上实现高速数据传输。这使得交换机能够以有限的硬件资源支持更多端口。此外，作为专门设计的专用集成电路，ASIC可以提供高度集成的硬件解决方案。通过使用ASIC，交换机可以在单个芯片上集成多个端口或接口，从而减少物理空间占用，提高交换机端口密度。

因此，相应减少了400/800G网络所需的交换机总数，这进一步增加了对新光模块和结构化布线的需求。

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2. 光模块技术

新一代光模块封装

CFP封装最早由CFP MSA协会发布，应用于早期100G光模块。随着芯片技术的发展，MSA还推出了CFP2、CFP4和CFP8标准。CFP8封装于2017年推出，应用于早期的400G光模块，可支持16路25G NRZ信号进行400G传输。后来逐渐被尺寸更小的QSFP-DD（双密度四通道）小型可插拔格式和OSFP封装所取代。OSFP封装支持八组高速电光模块通道，可提供高达400Gbps(8x50G PAM-4)的连接接口。现在QSFP-DD和OSFP已经成为大多数厂商的首选封装技术。

总体而言，随着光模块封装技术的升级，光模块功耗越来越低，体积越来越小，这对400G/800G数据中心迁移具有重要意义。如果您想了解各种光模块封装的更多信息，请查看800G光模块概述：QSFP-DD和OSFP封装。

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更高速的调制方案

长期以来，1G、10G和25G光模块一直采用不归零（NRZ）调制技术。与NRZ不同，PAM4使用四个信号电平，每个符号周期可以代表两个比特。在相同波特率下，PAM4的吞吐量是NRZ的两倍，有效减少了传输通道的损耗，提高了带宽利用率。

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在400G/800G数据中心中，NRZ调制方案需要大量光纤。此外，光模块芯片的时间裕度、传输链路损耗和尺寸也无法满足400G/800G以太网的要求。随着大数据和云计算的发展，PAM4作为目前最高效的调制技术，已成为400G高速端口发展的必然趋势。目前，4*100G PAM4和8*50G PMA4的400G接口标准已由IEEE工作组正式提出，并应用于200G/400G/800G光模块。在不久的将来，PAM4将以其自身的优势（如高性能等）成为高速以太网信号调制的主流方式。随着以太网的迁移，信号调制技术将继续向更复杂的方向发展和创新。

有关调制技术的更多详细信息，请查看此文章：400G以太网中的PAM4是什么？与NRZ有什么区别？

3. 连接器选项

MPO和双工连接器广泛用于400G和800G光模块。MPO连接器通常用于多模光纤传输——该连接器具有高密度设计，允许同时连接多根光纤。MPO方案中，400G以太网通常通过8根光纤传输，每根光纤的速率为50Gbps；通过16根光纤的800G以太网，每根光纤的速率为50Gbps。

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双工连接器一般用于单模光纤传输，每个连接器连接两根光纤。为了增加通道数和通道速率，占地面积更小的双工连接器可以为高速模块提供更灵活的分线选项。400G连接方案使用四个双工连接器；800G则使用八个双工连接器。通过使用双工连接器，单模光纤可以实现高带宽和长距离传输。同时，单模光纤具有良好的隔离能力，提高了信号的传输质量。

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总之，MPO连接器和双工连接器在400G/800G以太网的高速、带宽传输中都发挥着重要作用。目前，这两类连接器的选择已经不再单一由速率决定的，而是受到更多因素的影响，例如支持的数据通道数、占用的空间以及光模块和交换机的价格等。此外，为了适应不同场景的需求，光模块连接器的选择也呈现出越来越多元化的趋势。未来，还将为更大的800G数据中心生产更多定制化的光模块连接器设计。组织也将提出新的标准来满足800G以太网带来的市场需求。

4. 布线技术的进步

为应对800G以太网迁移变革的挑战，光纤布线在以下几个方面带来了机遇：OM5光纤类型；波分复用（WDM）；超低损耗（ULL）元件；减少服务器叶交换机（TOR）的数量；更高光纤数的布线；单模光纤和多模光纤应用的正确组合。

OM5光纤：与前代产品相比，OM5光纤有两大优势——衰减（3dB/km）低于OM3和OM4（3.5dB/km）；将有效模式带宽（EMB）规格从850nm扩展至953nm，更有利于SWDM技术的应用。
WDM：目前数据中心主要采用两种WDM技术：粗波分复用（CWDM）和密集波分复用（DWDM）。它们可以提供更多的波长并扩大每根光纤的容量，适合更长距离的应用并节省成本。
ULL：该技术包括低损耗连接器、插座、光纤和分路器等高质量组件。采用ULL组件，光模块具有更低的插入损耗和回波损耗，可以提供更稳定和高质量的信号传输。

如何实现800G以太网迁移

1. 设计更高速的基础设施

为了重新设计800G以太网的数据中心，我们需要考虑上一部分中提到的要点。

交换机端口密度：增加每个交换机的端口密度或分层交换机框架以减少交换机结构层的数量。
光模块技术：QSFP-DD和OSFP封装（向后兼容QSFP+和QSFP28）。
光纤布线：新的布线设计，如200µm和可卷曲带状光纤，可最大限度地减少占地面积，或叶脊架构，可优化服务器到服务器通信的直接路径。

2. 现有基础设施的安排

光纤芯：使用现有的8/12/24光纤子单元干线，同时在新的高速基础设施中采用基于16光纤的设计。
仪器测试和验证：使用手持式测试设备测试通道性能（包括IL和RL）。

800G以太网网络迁移的挑战与前景

迈向以太网800G

随着科技的进步，调制格式和光纤传输系统不断升级，800G数据中心迁移逐渐提上日程。IEEE（电气和电子工程师协会）制定了支持800G以太网的标准，例如IEEE 802.3ck和IEEEP 802.3cn。此外，多源协议（MSA）相继提出了800G Pluggable MSA、100G Lambda MSA、QSFP-DD800 MSA等。这些标准推动了800G以太网的实施和应用。