高密度光纤链路在数据中心中的应用

文｜美国康宁公司 Martyn Easton Angela Lambert 郝镇江 译

良好的结构化布线系统可以很好地适应数据中心将来的成长及变化，而不会成为其发展的障碍。

更多的服务器、存储设备、交换机、更高要求的空调系统、更多的线缆需要绑扎在一起。数据中心的应用及需求增长是如此之快，其中最难的挑战是如何把它们存放在有限的机房空间内？扩建机房本来已经不容易，幸运的是，新的技术经常可以把产品做得更加紧凑，占用更加少的空间。想一想多核心的处理器、刀片式服务器、多磁盘阵列及固体驱动器等，这些设备必须联接在一起才能发挥作用。

表 1 不同布线结构带来的差别

现在，数据中心的设备将被组织并分成不同的功能区域：服务器区、存储设备区、中心交换机区、路由器和高性能的集群计算机区。这种有序的安排，对于服务要求的增长、电源及冷却系统的结构化设计会有所帮助。可以想象，物理的空间是很难再增加的，数据中心将会按照功能模块划分区域，当需要对新增需求投资时，这种结构不会因时间的流逝而阻碍投资的效用。

1 促进无缝联接

在此基础架构上，互联问题会影响到线路“互联”的需求（或者是“串联”）。在很早以前，数据中心的角色就是联接到“任何地方”。很多用户在广域网中都想访问所有服务器上运行的服务，所以需要服务器都可以直接访问到存储的设备。核心交换机是促进背板交换形式的联接，但也同时意味着布线需要提供每个功能区域，每个模块和每个核心区域之间的互联。随着时间的增长，将会增加更多的线路及更快的链路速度。

传统的方案，从服务器到交换机及存储设备，会使用个别的长跳线去直接互接。在一个小的数据中心中，这是可取的。但是当设备及数据中心的应用开始增长时，这种点到点形式会慢慢扼杀数据中心。所有人都有这样的经验，随着时间的增长，如面条般的跳线会越来越多。设备的变更、增加变得难以控制及管理。由于间接性的存储损耗，个别的线路性能和可靠性开始下降。可利用的线路布放空间变得拥挤及阻塞，严重影响到将来应用的扩展。

现今结构化布线的设计，开始慢慢被人们所接受。它很好地适应将来数据中心的模块化设计思路，增加可管理性、可靠性及可测量性。然而，它同时带来了比较高的初期建设费用及需要注意布线系统中因增加更多的联接后产生额外的损耗。

当设计及建设一个结构化光缆布线系统时，不可避免的问题是：使用那种光缆？将会有多少种标准？对于光缆的问题，答案将会是比较清晰的：OM3（激光优化50μm的光缆）能提供比较低的系统总价格（光缆加上激光发射器），能支持足够多的设备及链路长度，而且带宽能支持将来100Gbps/sec协议。行业的OM4标准也已经发布，它本质上是一个高带宽的OM3光纤，支持更长的链路和更多的应用。因为高速度的数据应用通常会使现有链路的长度变短，所以必须计划好线路的结构及未来如何升级。

4U 的光纤配线架的前视图。这里显示在配线架的前部做好标签系统非常重要的，而且标签需要定期更新。

光纤数量的需求需要有详细的计划及计算。首先，考虑每个设备机柜的数据交换结构及级别。其次是考虑将要使用设备的类型及密度。基于已知设备的类型（比如是刀片式服务器）是可能设计及提供光纤在每个机柜的数量。有两个需要考虑的要点：

（1）确认每行机柜需要总光纤数量，配置后可以灵活更改每个机柜光纤使用量。

（2）计划好光纤线路及互联光纤配线箱，方便将来在每行的机柜上增加光纤。例如，处理能力从10Gbps链路升级到40G及100G时，意味着每个链路从使用2芯光纤升级到8芯或20芯平行的光纤。

根据设备技术的发展，很难从开始就提供超前数量的光纤。但是使用灵活的光纤布线系统去支持将来的需求，而且在将来增加光纤数量时对于整体的布线系统不会产生太大的影响，建议最少在每个机柜中布置24芯的光纤。对于虚拟计算、高密度刀片式服务器、集中的以太网光纤通道、10G线路等应用，每个机柜中布置48芯或是96芯给高可用性的光纤配线箱是一个好的选择。

文章其余的部分，将会重点陈述在构建灵活的布线系统时，如何去选择有效的组件。

2 危险的跳线

跳线是一种容易管理的系统，但是它也可能是复杂及麻烦的系统。通常的问题都是这样：这条跳线的另一端在那里？如果（跳线）没有插上会有什么影响？如何才能提供新的线路？

一个健全的标签及文档系统是关键，但是大部分的跳线，特别是在高密度应用的区域，经常是出乎用户逻辑控制之外。

端口密度将会因适合光纤交换机接口类型而受到限制。相对那些小的标准化接头已经把线缆的体积从3mm直径变成2mm甚至更小。但是现在，有太多的光纤跳线来自于现场制作，弯曲引起的问题越来越严重。幸运的是，一种新的，有弹性的，对于弯曲不敏感的光纤出现，并可以很好地解决上述的问题。

表 2 不同类型的光链路协议及参数

12芯的MPO接头已经在数据中心的应用中，越来越来适应其发展

一个额外的方法，是使用Harness多光纤组合跳线。它可以把6条跳线大小的体积集中到一条3mm的线缆中。当更多地使用Harness跳线时，它也能很好地减少联接到交换机接口上的跳线体积，使其更好访问及线缆的走向很清晰，管理也更加容易。使用工业标准的MPO接头后，在同样体积的双芯LC接头情况下，一端的Harness跳线可以提高跳线的密度并减少机柜中线路互联的使用空间。下一代的并行光路传输速率40G和100Gbps/sec，将会使用这种MPO结构的激光光源接口。

3 配线箱变得更加重要

在结构化布线系统中，高密度、高芯数的主干光缆将需要更多的交叉互联及汇聚联接点。而光纤接头在网络中是容易受到损害的，所以，适当的方法是把端接点放在光纤箱中进行保护。

对于光纤配线箱的基本要求是：提供关键的光纤功能及保护互联的光纤。通常光纤配线箱会占用较多的机柜空间，然而太少的空间会影响到光纤的可靠性或光纤系统的组织及管理。所以光纤配线箱在设计时要把更多的光纤联接点存放在内，而且不影响跳线的管理及系统的功能。

一个设计好的光纤端接配线箱应有如下的品质。

（1）一个良好的对于每根进入配线箱中的线缆进行扭力释放。其中有一个问题是牵拉光纤接头时不注意使用光缆中的纺轮纱牵引线。

一条144芯紧套光缆，如果是在现场端接，需要大概0.92英寸的直径，这将会是工厂预端系统线缆的2倍。

（2）确认手指能够在面板前面方便插拨跳线，并确认跳线已经正确锁紧在耦合器上。同样的，当跳线被拨下时，将不会影响其他跳线。

（3）一个清晰的，有条理和容易看到的标签系统，它需要放在你的面前，而不是藏起来。同时它需要容易增加、删除和更改上面的信息。

（4）跳线的组织及管理，当光纤系统密度提高时，避免大量跳线的混乱状态开始变得困难。一个好的配线箱将会提供一个直视的，有路由导向及容易管理跳线变更的功能。

在早期的建设中，数据中心的增长是动态变化的。但是在开始设计建筑物中的光纤配线箱时，只是看到当时的最少应用量。随着空间的增长，可以提供的光纤端接能力和对机柜空间的要求，也在增长。

4 正确的联接

光纤接头日益重要也是一个难题。现在所有数据中心的接头都是在工厂做好的，不管是光纤跳线还是端接的主干光缆，但是接头的选择和性能的关键是提供任意的联接。双芯的接头在交叉互联和设备接口上是必须的。

升级后的40G和100G网络协议，我们称为并行的连续光路协调，MPO接头也变得更加详细及成为将来的设备标准。另外一个挑战是布线系统需要无缝地从10G升级到40G、100G，就好像某些应用会存在，但是接头类型需要变更一样。一个好的消息是12芯的MPO主干光缆已经变得十分流行，而且它是适应将来的变化，而不需要更换接头，只需要管理好极性而且光纤配线箱已经为高芯数光缆做好了准备。

在光链路的总体损耗计划中，光纤接头通常是其中的弱项。网络协议越来越快，总体损耗的余量开始紧张并受到控制，接头的损耗已经超出了线缆本身的损耗值，简单来说，更低损耗的一对光纤接头会更加理想。然而，对于多芯的MPO接头，每个光纤组都是重要的，所以最大的损耗是已经考虑好的。

接头引起的传输模式声噪必须引起重视，如果没有理解好模式声噪的影响，将不容易说明配对接头可以增加接头的可接受损耗，这是一个复杂而难以检测的事情。所以请确认接头的供应商明白这个问题并且已经在实验室里做好相关的质量评估。

最后一点，不同类型接头配合使用的结果是每次使用都十分正常，确认性能的方法是考虑周全，保证质量和接头的终端几何尺寸。这些属性不经常被考虑或是在现场很难看到及测量。借助于设备，将可以评估每个模块甚至于每个工厂研磨的接头，保证其投放在数据中心现场时的质量。

5 光纤系统的结构

除非我们看到有一天在数据中心里实现无线网络，否则线缆将是从A点到B点的必须传输介质。纤芯是如此的细小而且纤芯传输的光源区域也很窄，肉眼几乎无法看到，但是线缆本身可以做得很坚固。

光缆最先大量使用在室外工厂，布线系统很大程度上是取决于它的需求。当光缆开始迁移到室内使用时，光纤布线设计方向是：

（1）光纤的最低要求芯数已经从6芯到12芯。

（2）遵循建筑物的防火要求，通常的结果是要求大量线缆的外套是要低烟及阻燃。

（3）有大量短距离线缆和光纤接头，因而需要可以直接使用的联接方式。

因此，细小的光纤做得比较大，从而方便现场的处理及实现端接。在过去的几年中，更多的光链路在室内得到应用，特别是在数据中心的环境下。纤芯数量不断增加的结果是线缆开始变得更粗，而且不好处理。所以最终用户需要面对一个选择，是使用一条比较大芯数的线缆还是使用几条小芯数线缆？特别是有一行机柜的都是核心交换机，需要联接到服务器机柜的情况下，使用几条小芯数的线缆看起来更加有吸引力，因为它可以做到光缆直接联接各个机柜，而不是列头柜。

所以我们需要一个方案，线缆既可以做到高芯数，而又拥有细的线缆一样的特性。由于光纤在数据中心的应用，现场预端接变得更加有吸引力。在一些大的项目中，数据中心内上万条独立的光缆接头难以管理的问题迎刃而解，只因为使用现场预端接的即插即用系统。

这是使用工厂预端接光缆的新趋势。这个趋势有一个新的挑战是线缆必须计算好长度。因为线缆需要做一些盘绕，所以小的线缆直径及柔韧性变得很重要。解决现场预端接的困局，将会允许使用体积更小的带状光纤或是松套光缆，这也得益于工厂内的光缆生产及端接工艺。

小直径的线缆可以在线槽、线管、地下及天花上存放更多的数量，它们更加柔软，而且转弯半径更加小，容易安装。工厂预端接的高芯数线缆变成非常有用及友好的系统设计工具，保留关键的工厂生产线缆高适应性的设计目标。

好的布线不但跟随潮流，还期望适应未来、整齐、整洁和易于管理。它也被期望容易使用、可靠及可持续运行，可以跟上发展的策略。

使用良好的结构化布线厂家产品是数据中心有价值的资产。确认安装路径和空间，设计余留的机柜空间。寻求产品带来的价值和功能，并重新分配资金给它们，则它们在长期的运行中会体现出它们的价值所在。