資料中心100G主流市場分析

  支援100G的介面與應用技術種類非常多且各具特點。這對於即將部署100G的資料中心使用者的選擇帶來了困惑：具體選擇什麼型別的100G對於資料中心使用者從技術層面，長遠升級以及投資回報率上更具有優勢呢?本文嘗試從這些角度提供一些可供參考的建議。
   自2010年IEEE802.3ba標準釋出之日起，100G的應用從技術層面已經具備了可行性，從2010年以來到現在，100G的應用與技術層面的探討一直備受關注。而由於IEEE802.3ba中無論是單模還是基於多模光纖技術所支援的100G應用並未形成規模化的應用趨勢，這與早期標準多模光纖應用以10G*10並行傳輸100G的方式，以及單模光纖基於WDM技術支援長距離的方式，總體光收發器與光纖鏈路的合併總體成本偏高，埠功耗高，特別是多模光纖100G與40G介面與通道不統一等因素相關，更重要的是100G的市場實際需求還未真正被激發起來。
   經過最近2-3年的發展，100G的應用已經形成多種技術型別與聯盟，無論是已經標準化的IEEE802.3bm還是以SWDM，MSA等多個織織所推出的100G應用模型。支援100G的介面與應用技術種類非常多且各具特點。這對於即將部署100G的資料中心使用者的選擇帶來了困惑：具體選擇什麼型別的100G對於資料中心使用者從技術層面，長遠升級以及投資回報率上更具有優勢呢?本文嘗試從這些角度提供一些可供參考的建議。
   資料中心100G應用處於一觸即發的靜默期
   IEEE802.3ba標準自2010年釋出後，40G基於多模光纖並行傳輸的規模化應用實際是從2013年下半年開始的，其間也有一部分使用者選擇基於BIDI技術等40G應用，經過這幾年的規模化部署，40G已經整體市場已經趨於穩定狀態。而100G的規模化部署將處於一觸即發的靜默狀態，為什麼這麼說呢?因為100G的應用當前對許多使用者來說是有真實需求的。

下圖1乙太網埠趨勢的預測來自DELL，可以看到2016年100G的應用處於急速增長前的階段。

圖1 全球乙太網交換機埠趨勢

    那麼哪些原因使100G的應用落地?有幾個方面因素促使100G乙太網規模化應用。從巨集觀上看，近年來資料通訊量處於快速增長的趨勢，據Cisco的報告中顯示，全球行動網路的資料通訊量年複合增長率57%; 物聯網(IoT)在中國市場投資增長年複合增長達到30%以上，物聯網的快速增長使得機器之間MTM(Machine to Machine)的資料通訊量急增且許多資料24小時不間斷; 除此以外，據統計，全球三網合一寬頻網路投資年複合增長率達到15%左右。除了上述的幾大類可以預測的資料增長大趨勢，未來幾年還有許多基於互連網的技術的應用將促進全球基於IP資料通訊量的快速增長，年複合增長率達到25%且雲端計算資料中心比例在持續增長，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展都需要依賴資料中心網路技術的支援。採用雲端計算虛擬化的技術雲端計算資料中心可以大幅度提高資料中心伺服器的利用率，據Cisco的預測報告中統計，全球雲端計算資料中心伺服器負荷是傳統資料中心伺服器負荷的2.6倍以上且每年差距還正在不斷拉大。為應對伺服器埠資料量的不斷提升。IEEE802.3by標準工作小組正在制訂伺服器埠採用25G的標準，可採用多種介質如多模光纖或雙軸平行電纜DAC，以及即將釋出的新標準即基於Cat8銅纜的25GBase-T與40GBase-T等技術。當伺服器埠從10G升級到25G的時候，資料中心的接入層網路到核心網路之間的主幹連線以及虛擬化資料中心Spine與Leaf之間連線都需同步升級到100G的網路，網路總體演進需滿足收斂比的要求。多模光纖每通道傳輸25G相當於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服務埠25G的應用是大勢所趨，這個新的25G標準將在2016年內正式釋出。這些方面都在促使資料中心100G網路應用的迫切性與必要性。
    資料中心型別不同決定了不同的需求，當前不是所有資料中心使用者都有部署100G的需要，什麼樣型別的使用者最需要部署100G的網路?要回答這個問題，我們可以把資料中心分成兩個大類，IDC(Internet Data Center網際網路資料中心)與EDC(Enterprise Data Center 企業資料中心)。相對而言部分IDC資料中心部署100G的主幹網路更具有迫切性，具體來說如大的互連網公司或運營商的資料中心或一些規模化的雲端計算資料中心等，也不完全排除部分大的企業資料中心使用者，但從總體比例上來看當前階段IDC採用100G的比例或迫切性更高。
    資料中心100G主流應用模型與特點
     當前市場中可以實現100G應用的介面技術種類已經非常豐富，對於資料中心的實際而言，大部分資料中心的連線點之間距離不超過500米，除非超大型資料中心的園區主幹可能會有部分超過500米。筆者根據自己的經驗，從現在的大量100G介面模型中選擇了最有可能應用於資料中心的4個模型的特點來作進一步的分析，供即將需部署100G的使用者作參考。
       模型1：100GBase-SR4, 此應用模型符合新的標準IEEE802.3bm,該標準已經於2015年正式釋出。採用8芯多模光纖組成的4個通道並行傳輸。多模OM3與OM4光纖均支援100G應用，介面採用12芯MPO介面，其中中間4四芯光纖不啟用，每個通道支援25G，傳輸模型與IEEE802.3ba中40GBase-SR4完全一致，收發器採用QSFP28，具體通道與介面如下圖3所示：
            圖3 100G Base-SR4傳輸模型與介面
        100GBase-SR4的總體特點：介面模型與40GBase-SR4是完全一致，與QSFP28的光模組上採用MTP/MPO光纖聯結器進行對接。原MTP/MPO的物理光纖鏈路可以直接升級為100G應用。本模型可採用常規OM3與OM4多模光纖分別支援100G應用70米與100米的距離。
      值得關注的是，目前已經有部分主流光收發器廠家在推動100GBase-eSR4，主要是加大發光功率以增加傳輸距離，100GBase-eSR4有望在基於OM4光纖的基礎上達到200米的傳輸距離以達到絕大部分資料中心主幹應用長度覆蓋範圍, eSR4將解決並行多模光纖傳輸距離的瓶頸，很大程度提升了SR4光介面的可用性。
      模型2：100GBase-SWDM4，SWDM(Short Wavelength Division Multiplexing)是指短波段波長分波多工技術，在一芯多模光纖上傳輸4個波段的光訊號。多模光纖中四個波段的視窗分別是850nm,880nm,910nm以及940nm。波長分波多工的原理與單模上的CWDM類似，而SWDM是首次將波長分波多工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OM3及OM4的多模光纖的主要傳輸視窗定義在850nm, 而如果採用SWDM技術則需要有四個視窗傳輸光訊號，四個波段光源仍採用價效比高的VCSEL垂直腔面發射鐳射器。為了提高整體的頻寬，新一代多模光纖WBMMF(Wideband Multimode Fiber)的頻寬將有了新的提升，頻寬效能最高點處於大約在880nm波段附近且最高頻寬點高於傳統OM4多模光纖，參考下圖5關於傳統多模OM4光纖與WBMMF光纖的頻寬對比圖。

                                          圖5 Source from OFS
       WBMMF同樣也是50/125um的規格，目前TIA-42工作組已經正在制定新的行業標準，新的WBMMF光纖標準為TIA-492AAAE，該標準有望在2016年下半年正式發行。WBMMF可以與常規OM3及OM4光纖向下相容。 SWDM技術同樣可以採用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聯盟的幾家成員公司在推動，該聯盟主要以網路裝置廠家以及光模組裝置廠家為主，基於SWDM 100G的光模組將優先採用小型化介面QSFP28以支援交換機皮膚更高的密度。

100GBase-SWDM4的總體特點：SWDM4的QSFP28光模組上光纖介面採用多模雙工LC介面僅需要2芯光纖。採用WBMMF光纖可以支援100G距離達到300米，即便採用常用OM4光纖，也可以支援100G達到至少100米的距離。相比SR4模型，SWDM4多模光纖數量只需要25%的光纖量。

      模型3：100GBase-PSM4
       100GBase-PSM4的總體特點：採用單模光纖並行傳輸的模式，每個100G模型採用8芯單模光纖共構成4個獨立的通道，每通傳輸25G資料。介面採用12芯MPO介面，其中MPO介面的中間4芯光纖不啟用，每個通道支援25G，光纖傳輸模型類似100GBase-SR4，最大的差別是PSM4採用單模光纖作為傳輸介質，採用鐳射光源1310視窗，收發器同樣採用小型化介面QSFP28，聯結器採用MTP/MPO單模APC，如下圖6所示。
       100GBase-PSM4的總體特點：採用QSFP28的介面，使用單模MTP/MPO光纖聯結器進行對接。本模型可採用常規OS2單模光纖可以支援距離達到500米，在這個距離範圍內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聯盟在進行推廣中。
        模型4：100GBase-CWDM4
      100GBase-CWDM4是基於單模粗波長分波多工技術的100G傳輸模型，光纖收發器採用單模鐳射光源，採用LC雙工介面，每芯光纖上支援4個長波段的訊號傳輸，這4個發射視窗分別是1271nm,1291nm,1311nm,1331nm，每個波段傳輸25G。光纖收發器也是採用QSFP28小型化收發器，與傳統單模10KM及以上的高昂的收發器成本不同，100GBase-CWDM4基於2KM長度的光收發器的成本具有一定的價格競爭力，傳輸介面模型如下圖7所示。
     從當前價格上來看，基於SR4多模100G雖然佈線成本相對高一些，但總體價格有一定的優勢，特別是光收發器的價格明顯低於其他幾種型別。而基於CWDM單模粗波長分波多工的光收發器價格明顯高於其他3種型別。PSM4與SWDM總體價格差異不大。由於短波長分波多工技術是由少部分光收發器廠家參與的SWDM聯盟，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短波長分波多工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。
     資料中心100G未來發展應用分析
     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標準組織的批准。其次，SR4的很重要的一個優勢是可以在100G網路裝置介面上直接採用1分4的MPO/MTP轉LC跳線，直接可以將1個100G埠分解成4個獨立的25G介面，可以統一交換機的介面種類同時也降低了單位流量的擁有成本。再次，從現階段來比較，SR4的整體價格是當前最具有價效比的方案之一。最後非常關鍵的一點是，該模型可以從現有40GBase-SR4的佈線系統直接升級為100G，對於原有40G資料中心升級來說將會是首選。基於以上分析，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也有支援距離相對短的缺點，目前採用OM4最長只有100米，但隨著eSR4的推出，後期應用距離也將不是最大的問題。