新一代數(shù)據(jù)中心光纖布線技術(shù)發(fā)展趨勢
文：孫慧永
市場背景：
在最近的5-6年內(nèi)，中國數(shù)據(jù)中心的建設(shè)處于高速增長的階段，同時根據(jù)第三方調(diào)查機構(gòu)AMI的預測，在今后的5年甚至更長的一段時期，國內(nèi)數(shù)據(jù)中心的建設(shè)還將持續(xù)處于快速增長通道內(nèi)，根據(jù)報告顯示，亞太區(qū)數(shù)據(jù)中心布線市場復合年增長率將達到32.8%，預計中國的復合年增長率將達到37.5%，比整體綜合布線市場的復合年增長率高出23.9 %，中國2011年數(shù)據(jù)中心布線市場規(guī)模將有望達到9-10億人民幣。
中國國內(nèi)傳統(tǒng)布線市場近幾年來原本由國際布線品牌完全主導現(xiàn)象逐漸演變?yōu)閲鴥?nèi)品牌與國際品牌分庭抗禮的格局，而在數(shù)據(jù)中心布線市場，特別是大中型數(shù)據(jù)中心布線市場，根據(jù)統(tǒng)計，70%的市場份額由專業(yè)于數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域的國際布線品牌約5-6家品牌形成寡頭壟斷的市場。由于數(shù)據(jù)中心布線市場對產(chǎn)品的專業(yè)性，產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性要求遠遠高于傳統(tǒng)布線市場，特別是光纖產(chǎn)品應用技術(shù)上，布線品牌間還存在著相當?shù)牟罹啵笮蛿?shù)據(jù)中心項目的建設(shè)與應用，極大的推動了光纖布線產(chǎn)品技術(shù)的發(fā)展，對數(shù)據(jù)中心光纖布線將提出新的更高的要求，并產(chǎn)生新的技術(shù)課題促進了數(shù)據(jù)中心布線技術(shù)的發(fā)展，引導數(shù)據(jù)中心布線產(chǎn)品技術(shù)的方向進而在布線市場中產(chǎn)生主流效應。
關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)中心 多模光纖 布線技術(shù) 趨勢
一，光纖技術(shù)的應用和發(fā)展
數(shù)據(jù)中心布線系統(tǒng)需要不斷提升帶寬，為快速增長的網(wǎng)絡（如核心層網(wǎng)絡，匯聚層網(wǎng)絡及SAN存儲網(wǎng)絡）傳輸應用提前鋪好道路，而采用光纖傳輸可以為不斷發(fā)掘帶寬潛力提供保障。與單模光纖相比較，由于多模光纖較低的有源+無源的綜合成本，將促使多模光纖在數(shù)據(jù)中心的應用中占有絕對的優(yōu)勢，大中型數(shù)據(jù)中心超過85%的光纖布線系統(tǒng)采用的是多模光纖。2009年8月，TIA 正式批準OM4，一種新類別EIA/TIA492AAAD多模光纖標準的推出，為多模光纖今后大量應用提供了良好的發(fā)展前景，多模光纖從OM1到OM2，采用VCSEL激光優(yōu)化技術(shù)后的OM3再到OM4整整發(fā)展了4個階段，帶寬也是逐級提升，各級別的帶寬與10G傳輸?shù)木嚯x對應關(guān)系如下圖（1）所示。
隨著2010年6月IEEE 802.3ba新的以太網(wǎng)40G/100G標準發(fā)布后，多模光纖在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域的應用將翻開新的一頁，40G與100G的高速傳輸不再僅僅依靠單模采用成本極高的WDM串行方式進行傳輸，新一代以太網(wǎng)40G/100G標準將采用OM3與OM4多模光纖多通道并行傳輸?shù)姆绞?，這種多模并行傳輸?shù)姆绞较啾容^單模WDM串行傳輸方式，在40G/100G上的總體成本（包含有源設(shè)備，光模塊，無源器件）分別只占單模系統(tǒng)的1/3與1/10，可見多模優(yōu)勢十分明顯，市場的應用趨向通常是由成本與價格因素來驅(qū)動與決定哪種技術(shù)模式能在市場取大最大的應用。
多模光纖40G的傳輸模式采用每對光纖支持10Gbps的速率4*10Gbp=40Gbps，需要用到各4根光纖發(fā)送與接收共8芯光纖，100G采用各10根光纖發(fā)送與接收10*10Gbps=100G，共使用20芯光纖，采用標準MTP/MPO的多芯連接系統(tǒng)將可以較好的支持新一代光網(wǎng)絡40G/100G的傳輸，40G與100G在多模的傳輸模式如下圖（2）所示，40G的傳輸模式是在12芯的MTP/MPO連接器內(nèi)取最外兩側(cè)各4芯進行傳輸，中間4芯處于空置狀態(tài)，而100G的傳輸模式是采用兩個12芯的MTP/MPO連接器取中間10芯進行傳輸，如果采用MTP/MPO高密度24芯連接器，則在一個24芯的MTP/MPO連接器上完成100G的接收與發(fā)送。100G傳輸時，每12芯中的兩側(cè)各1芯處于空置狀態(tài)。
由于新一代40G/100G的光纖技術(shù)標準與應用標準都已經(jīng)出臺，為數(shù)據(jù)中心的規(guī)劃者有了更明確的光纖類型選擇方向，OM3與OM4光纖將成為數(shù)據(jù)中心的應用主流，如表（1）顯示為多模OM3，OM4光纖分別應用于40G/100G對應的傳輸協(xié)議與支持應用距離，雖然多模40G/100G的傳輸距離無法與單模光纖長達10KM或40KM相比較，但在數(shù)據(jù)中心室內(nèi)的應用環(huán)境下，據(jù)統(tǒng)計中小型數(shù)據(jù)中心超過90%的光纖鏈路長度小于100米，大型數(shù)據(jù)心超過70%的光纖鏈路長度小于100米，超過85%的長度小于150米，多?？梢詽M足絕大部分鏈路的需要，隨著網(wǎng)絡設(shè)備技術(shù)的提升，今后多模光纖支持的傳輸距離有可能進一步增加。
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傳輸協(xié)議類型
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光纖類型
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支持傳輸距離
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40GBase-SR4
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850nm VCSEL OM3光纖
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100米
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40GBase-SR4
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850nm VCSEL OM4光纖
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150米
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100GBase-SR10
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850nm VCSEL OM3光纖
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100米
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100GBase-SR10
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850nm VCSEL OM4光纖
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150米
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北美電信工業(yè)協(xié)會2009年6月發(fā)布的標準 ANSI/TIA 568C.3，對于以MTP/MPO多芯連接器組成的光纖連接通道定義了三種光纖連接模式，分別為TYPE- A,TYPE-B,TYPE-C, 在10Gbps及以下的傳輸應用中，以太網(wǎng)設(shè)備端口采用雙工模式，MTP/MPO主干鏈路最終將被轉(zhuǎn)換為雙工類型連接器如LC，SC等，而在40G/100G的狀態(tài)下設(shè)備端口如QSFP將直接與MTP/MPO連接器相連接，不論光纖通道中由幾條光纜來連接，也不論中間連接的光纖是哪種TYPE連接方式，40G/100G的設(shè)備端與設(shè)備端之間最終通道連接方式需要形成TYPE-B的模型狀態(tài)，使設(shè)備發(fā)送端與接收端的通道相互對應，否則將無法正常通信，如圖（3）所示：
當前數(shù)據(jù)中心的主干網(wǎng)絡設(shè)備端口正大量從1GbE切換到10GbE, 根據(jù)Intel公司一份預測顯示，如圖（4）以X86
服務器端口為例從2011年開始將有少量40GbE端口開始正式應用，而到2015年后將開始大量的應用。而作為基礎(chǔ)設(shè)施之一的數(shù)據(jù)中心布線系統(tǒng)與網(wǎng)絡設(shè)備不一樣，網(wǎng)絡設(shè)備通常3-5年需要更新?lián)Q代，數(shù)據(jù)中心布線系統(tǒng)特別是光纖布線系統(tǒng)，通常需要支持約2~3代以上的網(wǎng)絡設(shè)備更新，所以光纖布線系統(tǒng)的部署應用上必須比當前實際網(wǎng)絡應用超前3~5年。根據(jù)美國第三方咨詢機構(gòu)Alan Flatman對多模光纖在數(shù)據(jù)中心的應用分析預測，從2011年開始支持40GbE的多模光纖通道部署將占有一定的比例且逐年顯著增長，如下圖（5）
二，光纖布線產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展
隨著光纖技術(shù)升級，作為數(shù)據(jù)中心“中樞神經(jīng)”的光纖布線系統(tǒng)產(chǎn)品技術(shù)也正在經(jīng)歷著新一代的更新?lián)Q代，以中國國內(nèi)市場中的數(shù)據(jù)中心布線產(chǎn)品技術(shù)來看，如果我們將2005年到2010年這5年間所發(fā)展出來的專業(yè)應用于數(shù)據(jù)中心布線光纖解決方案的產(chǎn)品線看作為第一代數(shù)據(jù)中心光纖布線產(chǎn)品技術(shù)，以第一代預連接（或稱預端接）產(chǎn)品技術(shù)為代表的數(shù)據(jù)中心光纖布線產(chǎn)品在這期間得到了良好的應用與推廣。那么隨著光纖技術(shù)新標準的不斷發(fā)布，由幾家國際布線品牌寡頭壟斷的中國大中型數(shù)據(jù)中心布線市場將引領(lǐng)布線產(chǎn)品技術(shù)進入數(shù)據(jù)中心第二代，而寡頭內(nèi)的份額與排名有可能因為新一代數(shù)據(jù)中心產(chǎn)品技術(shù)方案差異與市場運作的方式與效果不同而產(chǎn)生變化。數(shù)據(jù)中心第二代光纖布線系統(tǒng)比較有代表性的產(chǎn)品線如超低損預連接光纜方案，高密度光纖配線系統(tǒng)以及彎曲不敏感光纖系統(tǒng)等組成。
1，超低損預連接方案
預連接光纜方案在數(shù)據(jù)中心布線中有多種連接方式，應用比較廣泛的主要有3種主流應用：（1）MTP/MPO到MTP/MPO預連接光纜配套兩端內(nèi)含MPO-LC分支的預連接模塊; (2) MTP/MPO到LC預連接光纜配套一端端接內(nèi)含MPO-LC分支的預連接模塊，另一端LC端直接配套LC適配器面板; (3) LC到LC預連接光纜配套兩端直接連接LC適配器面板。隨著前述今后以太網(wǎng)40G/100G采用多通道光纖傳輸標準的正式發(fā)布，今后在數(shù)據(jù)中心的光纖主干部署中，MTP/MPO到MTP/MPO并采用OM3，OM4光纖的預連接方案成為前述三種預連接技術(shù)方案中的首選方案，與第一代MTP/MPO連接方式的要求不同，第一代的方案應用初期主要為了支持10GbE的應用，根據(jù)10GbE以太網(wǎng)對OM3整體光纖通道衰減的要求為2.6dB, 而如果支持今后40G/100G的網(wǎng)絡的整體通道衰減需控制在分別1.9dB和1.5dB以內(nèi)，各種傳輸應用與通道衰減的對應關(guān)系如表（2）所示，第一代MTP/MPO的單個連接損耗業(yè)界通常只控制在0.75dB以內(nèi)，顯然這樣的性能對于后續(xù)40G/100G的應用將會因為通道衰減超過標準值而產(chǎn)生有效鏈路長度縮短的問題。
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s
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光纖類型
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最大傳輸距離
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最大通道衰減
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10GBase-SR
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850nm VCSEL OM3光纖
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300米
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2.6dB
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10GBase-SR
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850nm VCSEL OM4光纖
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550米
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2.6dB
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40GBase-SR4
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850nm VCSEL OM3光纖
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100米
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1.9dB
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40GBase-SR4
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850nm VCSEL OM4光纖
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150米
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1.5dB
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100GBase-SR10
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850nm VCSEL OM3光纖
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100米
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1.9dB
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100GBase-SR10
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850nm VCSEL OM4光纖
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150米
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1.5dB
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新一代數(shù)據(jù)中心預連接系統(tǒng)的MTP/MPO的衰減值將要求采用低損耗的連接器，業(yè)界將會要求至少單個MTP/MPO連接點衰減值要小于0.5dB才能讓通道發(fā)揮出標準界定的40G/100G最長傳輸距離，目前不同廠家對于預連接系統(tǒng)衰減控制的水平有所不同，以德國羅森伯格公司HDCS數(shù)據(jù)中心布線系統(tǒng)所推出的第二代VelaTM系列預連接系統(tǒng)為例，VelaTM系列預連接系統(tǒng)將推出新一代超低損耗的MTP連接系統(tǒng)，超低損MTP方案的實現(xiàn)主要從連接器的本身的插芯精度，研磨工藝，3D幾何端面測試技術(shù)三方面相結(jié)合，單個多模MTP連接點已經(jīng)可以控制到0.3dB以下。第二代預連接系統(tǒng)如圖（6）所示。超低損的第二代預連接光纜為數(shù)據(jù)中心的今后40G/100G的順利升級提供基礎(chǔ)保障。
除了控制光纖通道光學性能外，第二代預連接系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上也有新的升級，預連接光纖的光纖分支將會更多的采用圓形光纖分支，與上一代扁平MTP/MPO分支相比，更易于在狹小空間上高密度配線且光纖彎折與盤纖沒有方向性。主干光纖采用第二代高抗拉小直徑光纜，光纜本身提高抗拉力抗壓參數(shù)以外更加節(jié)省管槽空間，同時主干光纜布線安裝更加便利。而預連接光纜兩端的安裝拉手至少可支持500N以上的安裝拉力，可以充分滿足數(shù)據(jù)中心在各種安裝環(huán)境中的機械與可靠性要求。
2，高密度配線系統(tǒng)
預連接光纜通常作為數(shù)據(jù)中心的主干安裝在機房的走線通道上，一旦部署將不會輕易移動與改變，而與預連接光纜主干不同的是端接于預連接兩端的光纖模塊與配線系統(tǒng)，將需要隨著應用的升級而進行升級。當前的數(shù)據(jù)中心主干更多的是應用10GbE的網(wǎng)絡，而10GbE的設(shè)備光端口SFP更多的是采用LC類型的端口連接方式，但后續(xù)40G與100G傳輸時，可能更多的會采用MTP/MPO的接口方式，如何使布線系統(tǒng)能夠不但支持當前又能支持今后的需要？我們的方法是僅需對高密度配線系統(tǒng)中的模塊進行靈活的升級而不需要去更換主干光纖鏈路，今后的配線系統(tǒng)中模塊的升級預計將如下圖（7）所示的方式演進
。圖中模塊1為當前支持10GbE應用的OM3，OM4 MTP/MPO轉(zhuǎn)LC形式; 模塊2為支持40GbE應用為提高主干光纖利用率，采用2*12芯MTP/MPO的端口轉(zhuǎn)換為3*8芯MTP/MPO，此模塊應用在40G時可增加50%的主干光纖利用率; 當網(wǎng)絡升級到100GbE時，將直接采用MTP/MPO適配器面板對配線系統(tǒng)進行升級,直接采用MTP/MPO跳線插接于適配器面板與設(shè)備端口。
配線系統(tǒng)除了滿足網(wǎng)絡升級應用的要求以外，追求高密度布線始終數(shù)據(jù)中心對光配線系統(tǒng)的一個重要衡量指標，減少配線系統(tǒng)占用機柜的空間，將可最大限度提升生產(chǎn)網(wǎng)絡設(shè)備安裝空間，以增加機房單位面積的利用率與投置回報率。下一代專業(yè)的數(shù)據(jù)中心的布線系統(tǒng)將會采用多種配線方式，如專門為數(shù)據(jù)機房設(shè)計的新一代配線系統(tǒng)可安裝于網(wǎng)絡橋架上的TOR方式，或為地板下走線方式的數(shù)據(jù)中心直接安裝于活動地板下方的集中式區(qū)域配線系統(tǒng)。以上所述新一代的高密度配線系統(tǒng)將不再占用機柜的空間。對于光纖配線最為集中的MDA區(qū)域，數(shù)據(jù)中心配線系統(tǒng)將不會僅僅追求越來越高的密度，MDA區(qū)域光纖配線系統(tǒng)的可維護性與高密相比也是同等重要，而越高的密度將會影響可維護性，新一代數(shù)據(jù)中心的配線系統(tǒng)發(fā)展方向?qū)⑹遣季€高密度與布線系統(tǒng)可維護性兩者之間取得最佳的平衡。
3，彎曲不敏感光纖
數(shù)據(jù)中心中高密度配線區(qū)中的光纖跳線往往是管理的核心，當光纖配線架端口密度越高，跳線的管理相對也就不再容易，光纖跳線如果彎折半徑過小將直接導致光纖整體通道衰減增加。如果彎折嚴重，衰減過大有可能導致該通道通訊中斷。對于大中型數(shù)據(jù)中心來說，在高密度配線區(qū)域中跳線數(shù)量成千上萬條，很難保證每根跳線的管理都能保證其在標準要求的光纜直徑10倍以上的彎折半徑以內(nèi)。而對于數(shù)據(jù)中心來說網(wǎng)絡運行的可靠性是數(shù)據(jù)中心致命要素之一，正因為如此，新一代的數(shù)據(jù)中心將越來越多采用彎曲不敏感的光纖系統(tǒng)來解決這個問題。與傳統(tǒng)跳線不一樣，采用彎曲不敏感光纖的跳線，當我們光纖的彎折半徑為7.5mm繞上2-3圈，衰減甚至不超過0.1dB,而同等條件下如果采用普通光纖制作的跳線，衰減可能已經(jīng)超過0.6dB,下圖（8）為羅森伯格HDCS系統(tǒng)VelaTM彎折不敏感光纖跳線的彎折狀態(tài)與實時測試。
如前所述，當OM3，OM4的布線需要能支持到下一代40G/100G網(wǎng)絡，而每一代網(wǎng)絡應用的升級，標準對通道最大衰減的要求更為嚴格，跳線是布線系統(tǒng)管理、移動、改變的核心，當跳線系統(tǒng)采用彎曲不敏感光纖后將會使整體光纖通道的可靠性增加一個等級。通過采用彎曲不敏感光纖來提升光纖物理通道可靠性的方式相比其他方式性價比更高，從這一方面來看，彎曲不敏感光纖在新一代數(shù)據(jù)中心將會得到越來越廣泛的應用。
結(jié)束語
光纖的技術(shù)的進步特別是多模光纖標準的不斷演進為數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)中心光纖布線系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡基礎(chǔ)設(shè)施成為布線行業(yè)中一個新的課題，與傳統(tǒng)布線相比顯現(xiàn)越來專業(yè)化的應用方向發(fā)展，同時也在逐漸影響布線行業(yè)內(nèi)品牌的競爭格局。新一代光纖預連接系統(tǒng)，高密度配線技術(shù)以及彎曲不敏感光纖等多種產(chǎn)品應用技術(shù)的不斷推出，為數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡今后升級與發(fā)展提供了堅實的基礎(chǔ)支撐。
文獻摘要：
1,《中國綜合布線市場發(fā)展報告》綜合布線工作組 2010年3月，
2, Ensuring 40/100G Performance , TIA ，2010,Dec
3, OM4 Fiber: The Next Generation of Multmode Fiber,TIA ，2010,Jun
