数据中心光互连 – 云存储的亮点

介绍

随着数据存储和计算资源进入云盘,数据中心对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地从这些数据中心以及数据中心内部进行访问和传输,这使数据中心内数据服务器从底板到背板的互连负载呈指数级增长。 单个大型数据中心可能需要数十万个互连。

驱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 – 万兆以太网(GE),25GE和40GE网络适配器的增长
•云IT:单个请求可触发一个数据中心内的服务器以及不同数据中心内的服务器之间的多个数据交换。
•新的存储技术:闪存,固态硬盘(SSD)存储,软件定义的存储增强了云存储的吸引力
•持续的数据可用性和移动性:分配虚拟计算和跨越多个物理设备的存储资源
•动态分配资源:动态分配服务器,存储和网络资源共享

互联的运作

如下图所示,在许多最大的数据中心(参考文献1)中使用的典型Clos拓扑(图1),需要大量的互连来维持在各个数据中心中的数千个服务器之间的有效通信, 以及其他园区数据中心之间的通信。

图1互连Clos拓扑结构

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,但是它也导致需要大量的互连。 Leaf Spine体系结构中的每个Le枝叶交换机连接到网络结构中的每个交换机。 当枝叶切换到机架交换机的顶端时,脊柱交换机与枝叶交换机具有相同的连接级别。

由于背板上的数据速率已经超过了10GB / s速率,达到了25GB / s,并且已经达到800GB / s,传统上用于连接背板到机架顶部(TOR)交换机和TOR到枝叶交换机的铜连接已经迁移 到光互连以适应更高的数据速率(参考文献2)。 这种迁移意味着需要添加更多的光纤来代替铜连接和功能更强大的光电收发器组件,这些组件具有成本效益,紧凑和高效的能力来满足这些需求。 这也促使对于有源和无源部件的新技术和设计的需求以满足这些需求,因为在远距离系统中以这些数据速率使用的传统收发器部件通常不适合在数据中心中使用,因为它们被配置为较长距离 互连(更高的成本),更高的功耗并且通常具有更大的外形因素。

使用单模光纤(SWM fiberF),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,增加的数据速率以及其他技术的光学互连带宽增强将全部使用 的光纤数据中心互连开始要求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,光学互连的正确选择可以最大限度地减少这种情况和相关的散热(参考文献3),并可能影响所需的光学设计和滤光片。 (参考文献3)

应用于数据中心的光滤波片

Fig.2 – 应用于通信和数据中心的Iridian的滤波片

在光纤互连的每一端使用的光收发器通常使用光滤波器来构建WDM,CWDM和DWDM以及其他多波长配置中使用的不同波长信道。在这些较短的互连应用中使用的光滤波器与长途或城域网应用中使用的滤波器具有相同的基础滤波片涂膜技术,但是在光学设计,滤波片尺寸和厚度方面加以调整,以满足这些超小型产品的独特要求。与往常一样,以尽可能低的成本保持所需的光学性能至关重要,现在已有一组与传统通信产品分离的滤波器解决方案可满足这些需求。用于互连应用的定制滤波片是通常的解决方案,滤波片制造商正在迅速地满足这些需求。这些产品中使用的滤波器包括单通道波长WDM系统(CWDM带通(图3)和DWDM边通滤波片(图4))中使用的典型单波长带通和边通滤波片。标准具或其他光滤波片也可用于这些系统中使用的集成激光组件(ITLA)源。

Fig.3 – 典型的CWDM 带通滤波片

Fig.4 典型的DWDM 边通滤波片

结论

云存储和分布式计算数据中心的出现推动了对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,推动了这些中心所使用的专用滤光片和光电器件的爆炸性需求。 所有支持云计算的未来都有非常光明的前景。

参考

1)Zhou, X., Optical Fiber Technology (2017), http://dx.doi.org/10.1016/j.yofte.2017.10.002
2)Chongjin Xie 978-1-5090-5016-1/17- 2017 IEEE Optical Interconnects Conference (OI) Pages: 37 – 38
3)Joseph M. Kahn and David A. B. Miller, NATURE PHOTONICS | VOL 11 | JANUARY 2017 | www.nature.com/naturephotonics.