用“OTN處理器+相干DSP”實現1.6Tbps+ 數據中心互聯平臺

　　數據中心離不開光傳輸網絡(OTN)，而芯片則是OTN底層的硬件。從芯片角度如何實現數據中心互聯(DCI)?日前，在北京舉行的“2016中國光網絡研討會”上，Microsemi公司產品市場經理Kevin So和ClariPhy亞太區高級總監Andrew Qiu介紹了從器件角度看的DCI挑戰，并推出以OTN處理器和相干DSP為核心技術開發出的新一代平臺設備。

DCI快速增長

　　針對中國互聯網用戶的數據顯示，每分鐘有大量的數據產生。實際上，消費者和企業的云業務時時刻刻都在推動著數據中心的發展。

　　數據中心(DC)的架構包括存儲設備、服務器以及大量的交換設備。和外界互聯主要有兩種通道：1.去互聯網;2.去另一個數據中心，即數據中心的互聯(DCI)。DCI是本文關注的內容。

　　Facebook(臉書)曾觀測了數據中心24小時流量，統計表明，其中58%是內部交換，18%是數據中心之間的交換(如圖1)。這18%是很可觀的。一般超大規模數據中心(DC之間 / 東-西向互聯)約有20萬服務器，相當于960Tbps DCI帶寬。而傳統的電信運營商/服務商的兩個局端設備之間流量只有25Tbps。相比之下，數據中心的流量是普通電信流量的40倍!這說明數據中心之間的流量激增劇烈。

　　推動DCI發展的因素主要是分布式數據中心的崛起。數據中心的演進分為三步。1.傳統數據中心，一般建在大樓里;2.大型倉庫規模數據中心，例如這兩年貴州正在興建的大型數據中心;3.下一步是城域范圍的分布式數據中心，其邏輯上是單個巨無霸數據中心。而分布式數據中心的網絡構架需要大量的光傳輸帶寬。

　　那么，ICP(網絡內容服務商)DCI的市場到底有多大?據Ovum等公司分析，到2019年，光傳輸設備市場規模預計在150億美元市場規模。其中數據中心會占到15%。所以DCI會占可觀的比例(如圖2)。

DCI的需求

　　1.DC內部的冷卻要求。

　　數據中心(DC)的規模動輒上萬、幾十萬服務器/交換機，功耗越來越高，因此，散熱非常重要。數據中心大多遵循“熱通道和冷通道”的結構布局。為此，DC機架上的光傳輸設備必須與散熱結構對應。

　　2.數據中心的連接通常有兩種方法：暗光纖和租用線。

　　暗光纖相當于利用光纖電纜線構建私有專網，因此ICP(互聯網內容提供商)需要自己購買光傳輸設備，ICP也需要運行維護自己的網絡。不過，暗光纖并非隨處可得，與地區/環境有關，例如在北美，城域和長距離均有穩定的保障;在中國，城域有可能，長距離基本沒戲。

　　租用線相當于向傳統CSP(通信服務提供商)購買波長或以太網傳輸服務。

　　通常情況下，ICP會同時兼用暗光纖和租用線兩種方式。

　　3.DC間需要物理層加密。

　　自從斯諾登“棱鏡門”事件以后，ICP強制推出新的加密政策以防止數據外泄，即數據在離開DC的任何時候要進行物理層加密，這驅動了DWDM平臺的加密需求。

　　另一個要求是SDN的控制與管理。當前每個設備商會有網管系統，都有特殊的接口。普通電信運營商用自己的網管系統。互聯網ICP客戶不僅有北向接口，還有南向接口。這要求設備內部之間支持開放性的標準。因此對DCI端口協議和端口速率提出要求，預測如圖3所示。10G以太網會繼續成為連接DC交換機的主流速率和協議;40GE僅限于少數ICP(比如Microsoft/Azure);100G端口今年才在市場出現，因為QSFP28模塊的供給困難限制了早期的推廣;不同垂直市場的DC要求更多的協議，例如金融/政府偏向光纖通道，因此會喜歡采用光模塊;海底電纜采用OTU4，中小企業采用POS/STM-64。因此，要求針對DCI優化的光傳輸設備需要支持DC光模塊。

相干光傳輸是100G及以上傳輸的首選

　　目前，業界一致公認相干光是100G及以上傳輸的首選，可以在100G和超100G上實現最低總擁有成本(TCO)。方法是關鍵器件采用DSP，因為基于CMOS的DSP可對光纖噪聲損耗進行數字補償;可免去昂貴的色散補償模塊(DCM);而且可以方便網絡管理，支持多種傳輸方式，靈活的架構適合光纖長度的變化;采用新DSP可擴展到每波長400G或更高，用更大的容量來降低每比特成本;另外，可以節省成本，和電信網絡用的是同樣的技術;未來是單光纖(L+C波段)從10Tbps升級到70Tbps的唯一選擇。 相干WDM光模塊演進趨勢如圖4所示。

　　超大規模DC的趨勢和要求促使OEM(原始設備生產商)開發出新一代DCI優化平臺，其特點是：支持DC客戶端光模塊(QSFP、QSFP28等);支持由前向后的空氣流通;支持交直流供電;控制層軟件最小化甚至沒有;開放的API和OS(Linux、SDN北向API等)。

　　在產品規格方面，客戶端速率有10G、40G和100G。WDM線路側速率：相干100G和200G。尺寸是與服務器類似的1~2RU。另外，DCI特殊性能是加密和便于SDN控制的LLDP。

OTN是DCI首選的網絡協議

　　為何數據中心互聯選擇OTN做網絡協議?好處是可以從1G擴展到100G或更高;具有針對波長的OAM管理(快速故障隔離和保護倒換);低延時，透明承載所有業務;用匯聚高效地利用100G波長;節省成本(因為和電信運營商采用的是同樣的技術);讓線速/滿帶寬加密成為可能。

　　DCI流量在運營商網絡傳輸時可利用OTN交換的好處是：1.給運營商帶來創收機會;2.可帶來新的應用，例如數據中心之間的帶寬點播;3.白天，DC間開啟最小帶寬(保證業務支持)，夜間，DC間開啟最大帶寬(緩存數據庫鏡像等)，以享受更低電費的帶寬費。

　　OTN交換是如何做到這些的?主要是用G.HAO動態調整ODUflex的大小。Microsemi公司的DIGI系列芯片是支持G.Hao方案的OTN 處理器。

相干DSP + OTN 處理器可以滿足DCI要求

　　由于ICP對傳輸的要求與運營商不同，因此OEM需要以OTN處理器和相干DSP為核心技術開發出為DCI優化的新一代平臺設備。Microsemi和ClariPhy可助力1.6Tbps+ 優化的DCI平臺。Microsemi有高密度的單芯片Nx10/40/100G OTN處理器——DIGI4，不僅每端口功耗減半，還具備OTN加密功能。ClariPhy公司的LightSpeed II作為業界第一款40/100/200G FlexCoherent DSP已經量產。

本文來源于中國科技期刊《電子產品世界》2016年第6期第77頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。