數(shù)據(jù)中心100G主流應用技術分析與市場預測

　　一，摘要

　　自2010年IEEE802.3ba標準發(fā)布之日起，100G的應用從技術層面已經(jīng)具備了可行性，從2010年以來到現(xiàn)在，100G的應用與技術層面的探討一直備受關注。而由于IEEE802.3ba中無論是單模還是基于多模光纖技術所支持的100G應用并未形成規(guī)模化的應用趨勢，這與早期標準多模光纖應用以10G*10并行傳輸100G的方式，以及單模光纖基于WDM技術支持長距離的方式，總體光收發(fā)器與光纖鏈路的合并總體成本偏高，端口功耗高，特別是多模光纖100G與40G接口與通道不統(tǒng)一等因素相關，更重要的是100G的市場實際需求還未真正被激發(fā)起來。經(jīng)過最近2-3年的發(fā)展，100G的應用已經(jīng)形成多種技術類型與聯(lián)盟，無論是已經(jīng)標準化的IEEE802.3bm還是以SWDM，MSA等多個織織所推出的100G應用模型。支持100G的接口與應用技術種類非常多且各具特點。這對于即將部署100G的數(shù)據(jù)中心用戶的選擇帶來了困惑：具體選擇什么類型的100G對于數(shù)據(jù)中心用戶從技術層面，長遠升級以及投資回報率上更具有優(yōu)勢呢?本文嘗試從這些角度提供一些可供參考的建議。

　　二，數(shù)據(jù)中心100G 應用處于一觸即發(fā)的靜默期

　　IEEE802.3ba標準自2010年發(fā)布后，40G基于多模光纖并行傳輸?shù)囊?guī)?；瘧脤嶋H是從2013年下半年開始的，其間也有一部分用戶選擇基于BIDI技術等40G應用，經(jīng)過這幾年的規(guī)?；渴穑?0G已經(jīng)整體市場已經(jīng)趨于穩(wěn)定狀態(tài)。而100G的規(guī)?；渴饘⑻幱谝挥|即發(fā)的靜默狀態(tài)，為什么這么說呢?因為100G的應用當前對許多用戶來說是有真實需求的。

　　下圖1以太網(wǎng)端口趨勢的預測來自DELL，可以看到2016年100G的應用處于急速增長前的階段。

　　圖1：全球以太網(wǎng)交換機端口趨勢

　　那么哪些原因使100G的應用落地?有幾個方面因素促使100G以太網(wǎng)規(guī)?；瘧?。從宏觀上看，近年來數(shù)據(jù)通信量處于快速增長的趨勢，據(jù)Cisco的報告中顯示，全球移動網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)通信量年復合增長率57%; 物聯(lián)網(wǎng)(IoT)在中國市場投資增長年復合增長達到30%以上，物聯(lián)網(wǎng)的快速增長使得機器之間MTM(Machine to Machine)的數(shù)據(jù)通信量急增且許多數(shù)據(jù)24小時不間斷; 除此以外，據(jù)統(tǒng)計，全球三網(wǎng)合一寬帶網(wǎng)絡投資年復合增長率達到15%左右。除了上述的幾大類可以預測的數(shù)據(jù)增長大趨勢，未來幾年還有許多基于互連網(wǎng)的技術的應用將促進全球基于IP數(shù)據(jù)通信量的快速增長，年復合增長率達到25%且云計算數(shù)據(jù)中心比例在持續(xù)增長，如下圖2所示。

　　圖2：Source: Cisco Global Cloud Index, 2014–2019

　　上述提及的多方面應用的快速發(fā)展都需要依賴數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡技術的支持。采用云計算虛擬化的技術云計算數(shù)據(jù)中心可以大幅度提高數(shù)據(jù)中心服務器的利用率，據(jù)Cisco的預測報告中統(tǒng)計，全球云計算數(shù)據(jù)中心服務器負荷是傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心服務器負荷的2.6倍以上且每年差距還正在不斷拉大。為應對服務器端口數(shù)據(jù)量的不斷提升。IEEE802.3by標準工作小組正在制訂服務器端口采用25G的標準，可采用多種介質如多模光纖或雙軸平行電纜DAC，以及即將發(fā)布的新標準即基于Cat8銅纜的25GBase-T與40GBase-T等技術。當服務器端口從10G升級到25G的時候，數(shù)據(jù)中心的接入層網(wǎng)絡到核心網(wǎng)絡之間的主干連接以及虛擬化數(shù)據(jù)中心Spine與Leaf之間連接都需同步升級到100G的網(wǎng)絡，網(wǎng)絡總體演進需滿足收斂比的要求。多模光纖每通道傳輸25G相當于IEEE803.3bm標準中將單個傳輸通道分離出來，無論從市場還是技術實現(xiàn)服務端口25G的應用是大勢所趨，這個新的25G標準將在2016年內正式發(fā)布。這些方面都在促使數(shù)據(jù)中心100G網(wǎng)絡應用的迫切性與必要性。

　　數(shù)據(jù)中心類型不同決定了不同的需求，當前不是所有數(shù)據(jù)中心用戶都有部署100G的需要，什么樣類型的用戶最需要部署100G的網(wǎng)絡?要回答這個問題，我們可以把數(shù)據(jù)中心分成兩個大類，IDC(Internet Data Center互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心)與EDC(Enterprise Data Center 企業(yè)數(shù)據(jù)中心)。相對而言部分IDC數(shù)據(jù)中心部署100G的主干網(wǎng)絡更具有迫切性，具體來說如大的互連網(wǎng)公司或運營商的數(shù)據(jù)中心或一些規(guī)模化的云計算數(shù)據(jù)中心等，也不完全排除部分大的企業(yè)數(shù)據(jù)中心用戶，但從總體比例上來看當前階段IDC采用100G的比例或迫切性更高。

　　三、數(shù)據(jù)中心100G 主流應用模型與特點

　　當前市場中可以實現(xiàn)100G應用的接口技術種類已經(jīng)非常豐富，對于數(shù)據(jù)中心的實際而言，大部分數(shù)據(jù)中心的連接點之間距離不超過500米，除非超大型數(shù)據(jù)中心的園區(qū)主干可能會有部分超過500米。筆者根據(jù)自己的經(jīng)驗，從現(xiàn)在的大量100G接口模型中選擇了最有可能應用于數(shù)據(jù)中心的4個模型的特點來作進一步的分析，供即將需部署100G的用戶作參考。

　　模型1 ：100GBase-SR4

　　此應用模型符合新的標準IEEE802.3bm,該標準已經(jīng)于2015年正式發(fā)布。采用8芯多模光纖組成的4個通道并行傳輸。多模OM3與OM4光纖均支持100G應用，接口采用12芯MPO接口，其中中間4四芯光纖不啟用，每個通道支持25G，傳輸模型與IEEE802.3ba中40GBase-SR4完全一致，收發(fā)器采用QSFP28，具體通道與接口如下圖3所示：

　　圖3 100G Base-SR4傳輸模型與接口

　　100GBase-SR4的總體特點：接口模型與40GBase-SR4是完全一致，與QSFP28的光模塊上采用MTP/MPO光纖連接器進行對接。原MTP/MPO的物理光纖鏈路可以直接升級為100G應用。本模型可采用常規(guī)OM3與OM4多模光纖分別支持100G應用70米與100米的距離。

　　值得關注的是，目前已經(jīng)有部分主流光收發(fā)器廠家在推動100GBase-eSR4，主要是加大發(fā)光功率以增加傳輸距離，100GBase-eSR4有望在基于OM4光纖的基礎上達到200米的傳輸距離以達到絕大部分數(shù)據(jù)中心主干應用長度覆蓋范圍, eSR4將解決并行多模光纖傳輸距離的瓶頸，很大程度提升了SR4光接口的可用性。

　　模型2 ：100GBase-SWDM4

　　SWDM (Short Wavelength Division Multiplexing)是指短波段波分復用技術，在一芯多模光纖上傳輸4個波段的光信號。多模光纖中四個波段的窗口分別是850nm,880nm,910nm以及940nm。波分復用的原理與單模上的CWDM類似，而SWDM是首次將波分復用技術應用多模光纖短波段上，可以參考下圖4傳輸原理的模型。

　　圖4：100G Base-SWDM4傳輸原理

　　傳統(tǒng)OM3及OM4的多模光纖的主要傳輸窗口定義在850nm, 而如果采用SWDM技術則需要有四個窗口傳輸光信號，四個波段光源仍采用性價比高的VCSEL垂直腔面發(fā)射激光器。為了提高整體的帶寬，新一代多模光纖WBMMF(Wideband Multimode Fiber)的帶寬將有了新的提升，帶寬性能最高點處于大約在880nm波段附近且最高帶寬點高于傳統(tǒng)OM4多模光纖，參考下圖5關于傳統(tǒng)多模OM4光纖與WBMMF光纖的帶寬對比圖。

　　圖5： Source from OFS

　　WBMMF同樣也是50/125um的規(guī)格，目前TIA-42工作組已經(jīng)正在制定新的行業(yè)標準，新的WBMMF光纖標準為TIA-492AAAE，該標準有望在2016年下半年正式發(fā)行。WBMMF可以與常規(guī)OM3及OM4光纖向下兼容。 SWDM技術同樣可以采用OM4光纖作為傳輸介質，只是傳輸距離要作相應的縮減。目前SWDM非完全公開技術，是由SWDM聯(lián)盟的幾家成員公司在推動，該聯(lián)盟主要以網(wǎng)絡設備廠家以及光模塊設備廠家為主，基于SWDM 100G的光模塊將優(yōu)先采用小型化接口QSFP28以支持交換機面板更高的密度。

　　100GBase-SWDM4的總體特點：SWDM4的QSFP28光模塊上光纖接口采用多模雙工LC接口僅需要2芯光纖。采用WBMMF光纖可以支持100G距離達到300米，即便采用常用OM4光纖，也可以支持100G達到至少100米的距離。相比SR4模型，SWDM4多模光纖數(shù)量只需要25%的光纖量。

　　模型3 ：100GBase-PSM4

　　100GBase-PSM4的總體特點：采用單模光纖并行傳輸?shù)哪Ｊ剑總€100G模型采用8芯單模光纖共構成4個獨立的通道，每通傳輸25G數(shù)據(jù)。接口采用12芯MPO接口，其中MPO接口的中間4芯光纖不啟用，每個通道支持25G，光纖傳輸模型類似100GBase-SR4，最大的差別是PSM4采用單模光纖作為傳輸介質，采用激光光源1310窗口，收發(fā)器同樣采用小型化接口QSFP28，連接器采用MTP/MPO單模APC，如下圖6所示。

　　圖6，100G Base-PSM4傳輸模型

　　100GBase-PSM4的總體特點：采用QSFP28的接口，使用單模MTP/MPO光纖連接器進行對接。本模型可采用常規(guī)OS2單模光纖可以支持距離達到500米，在這個距離范圍內PSM4模型的整體價格才具有一定的競爭力。目前100GBase-PSM4還未得到IEEE標準化組織的承認，主要由PSM4 MSA聯(lián)盟在進行推廣中。

　　模型4 ：100GBase-CWDM4

　　100GBase-CWDM4是基于單模粗波分復用技術的100G傳輸模型，光纖收發(fā)器采用單模激光光源，采用LC雙工接口，每芯光纖上支持4個長波段的信號傳輸，這4個發(fā)射窗口分別是1271nm,1291nm,1311nm,1331nm，每個波段傳輸25G。光纖收發(fā)器也是采用QSFP28小型化收發(fā)器，與傳統(tǒng)單模10KM及以上的高昂的收發(fā)器成本不同，100GBase-CWDM4基于2KM長度的光收發(fā)器的成本具有一定的價格競爭力，傳輸接口模型如下圖7所示。

　　圖7，100G Base-CWDM4傳輸模型

　　100GBase-CWDM4的總體特點：基于單模光纖的粗波分復用技術上已經(jīng)比較成熟，但這種應用模式還未被標準化組織IEEE正式批準，目前由CWDM4 MSA進行技術標準的統(tǒng)一與市場推廣。

　　4 個模型的統(tǒng)一比較表： 以下將上述的4種100G技術類型作表格如下。

　　四， 100G 光收發(fā)器與布線市場價格分析

　　上述4種100G應用類型中主體成本由光收發(fā)器與布線兩個部分構成，不同技術類型光收發(fā)器與布線產品成本比率是不同的。為了方便統(tǒng)一比較，我們將以上4種產品按完整傳輸通道的方式中多模統(tǒng)一采用OM4光纖作為比較基礎，每個通道設定布線長度為100米，通道中包含2個光收發(fā)器以及完整的布線系統(tǒng)，布線系統(tǒng)包括了主干預端接光纜以及配線架及跳線等按端口數(shù)作平均分配，根據(jù)計算可以得出當前的價格趨勢與大致比例如下圖8所示，需要注意的是絕對價格通常不完全正確，因為這與供貨渠道與市場有關。這些數(shù)據(jù)僅用于作為統(tǒng)一基準的比較作參考。

　　圖8　4種100G應用方案價格比較

　　從當前價格上來看，基于SR4多模100G雖然布線成本相對高一些，但總體價格有一定的優(yōu)勢，特別是光收發(fā)器的價格明顯低于其他幾種類型。而基于CWDM單模粗波分復用的光收發(fā)器價格明顯高于其他3種類型。PSM4與SWDM總體價格差異不大。由于短波分復用技術是由少部分光收發(fā)器廠家參與的SWDM聯(lián)盟，目前不是公開技術，暫時市場價格相對還維持較高水平，但從技術與成本構成來說，SWDM短波分復用技術還有較大的價格下降空間，這種產品在未來有一定的市場潛力。

　　五，數(shù)據(jù)中心100G 未來發(fā)展應用分析

　　結合前面的相關分析可以看出，100G Base-SR4從當前來看具有良好的應用前景，首先從IEEE802.3標準化組織來看，目前100G Base-SR4已經(jīng)是標準化的應用，而其他三種產品目前還未得到IEEE802.3標準組織的批準。其次，SR4的很重要的一個優(yōu)勢是可以在100G網(wǎng)絡設備接口上直接采用1分4的MPO/MTP轉LC跳線，直接可以將1個100G端口分解成4個獨立的25G接口，可以統(tǒng)一交換機的接口種類同時也降低了單位流量的擁有成本。再次，從現(xiàn)階段來比較，SR4的整體價格是當前最具有性價比的方案之一。最后非常關鍵的一點是，該模型可以從現(xiàn)有40GBase-SR4的布線系統(tǒng)直接升級為100G，對于原有40G數(shù)據(jù)中心升級來說將會是首選?；谝陨戏治?，這種模型在100G應用的初期將會得到更為廣泛的應用。當然SR4也有支持距離相對短的缺點，目前采用OM4最長只有100米，但隨著eSR4的推出，后期應用距離也將不是最大的問題。

　　100G Base-SWDM4具有非常大的潛力應用，首先從可管理性角度上來看，SWDM技術可以減少75%光纖的數(shù)量達到同樣等級的100G速率，對于減化線纜管理并適用于更高密度的應用。其次，SWDM技術可以支持更長的傳輸距離采用WBMMF的光纖有望達到300米的距離，適用于絕大部分數(shù)據(jù)中心對于主干距離的要求。再次從產品制造成本上看，SWDM光收發(fā)器采用VCSEL光源生產成本與SR4相比差異并不大，但為什么現(xiàn)在市場上價格比SR4明顯要高約30%-50%，這與當前以SWDM產品技術對有源光收發(fā)器未標準化以及SWDM技術由SWDM聯(lián)盟主導未對外開放有關。但技術本身具有較大的優(yōu)勢。在100G初期看來，SWDM在市場上的容量預估不如SR4產品，但在中后期，預估基于SWDM的100G應用將會有爆發(fā)式增長的機會。相比較現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心升級與擴容更多用戶選擇SR4技術，全新建設的數(shù)據(jù)中心部分客戶將可能青睞SWDM的產品。

　　100GBase-PSM4基于單模光纖并行傳輸?shù)姆绞较啾容^多模應用距離至少達到500米，可以滿足98%數(shù)據(jù)中心主干的要求，與傳統(tǒng)單模收發(fā)器價格過高不同，基于PSM4技術的收發(fā)器價格差異不是很大，加上單模光纜比多模光纜價格更有優(yōu)勢，有源加無源總體系統(tǒng)價格還是具有一定的競爭力，特別是當主干米數(shù)平均長度超過300米的時候價格優(yōu)勢更能得到體現(xiàn)。總體來看對于規(guī)模較大的數(shù)據(jù)中心主干長度有可能超過300米應用的數(shù)據(jù)中心來看，PSM4是具有應用前景的。但由于單模接口基于MTP/MPO的方式，光纖端面比較敏感，現(xiàn)場維護要求相對較高。預測PSM4在100G的市場中會取得一部分的機會特別對于大型數(shù)據(jù)中心或部分互連網(wǎng)IDC的用戶，但從更長遠來看，PSM4成本缺少較大幅度下降的基礎，預計PSM4比較難以成為主流。

　　100G Base-CWDM4基于單模傳統(tǒng)的波分復用技術最大達到2KM的距離，總體來看該技術的最大優(yōu)勢在于支持長距離的應用，適用于超大規(guī)模的數(shù)據(jù)中心主干的應用，以及數(shù)據(jù)中心產業(yè)園內各幢數(shù)據(jù)中心建筑主干之間的100G連接。 由于該應用未被IEEE標準化組織批準，會有一定的局限性，適用于超大規(guī)?；ミB網(wǎng)數(shù)據(jù)中心部分用戶，同樣100G Base-CWDM4預計不會成為數(shù)據(jù)中心100G主流應用，而會成為超大規(guī)模100G數(shù)據(jù)中心主干應用中細分市場中的一部分。

　　六，結束語

　　當前，100G接口的應用模型在市場上不下10種類型，不同接口有不同的應用側重點。對于較多的數(shù)據(jù)中心用戶來說，如同霧里看花無從下手。本文從當前市場中提取4種類型的接口技術聚焦于數(shù)據(jù)中心應用領域對接口技術模型，市場價格以及未來趨勢多個維度進行分析與預測，希望能給部分即將部署100G的數(shù)據(jù)中心用戶提供有價值的參考。

　　作者：羅森伯格亞太電子有限公司：孫慧永

　　參考文獻：

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　　[2] Cisco Visual Networking Index: Global Mobile Data Traffic Forecast Update, 2014–2019，2015-03

　　[3] OFS White Paper : WIDEBAND MULTIMODE FIBER MEETS THE NEED FOR HIGHER SPEEDS 2015-09