400G時(shí)代：數(shù)據(jù)中心高速網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)

在當(dāng)今數(shù)字浪潮中，企業(yè)數(shù)據(jù)中心剛剛開(kāi)始在交換機(jī)上行鏈路中采用100G速率，然而行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)為400G應(yīng)用鋪平道路，相關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備也已投入市場(chǎng)。盡管對(duì)多數(shù)企業(yè)而言，實(shí)現(xiàn)這一高速率仍需一些時(shí)間過(guò)度，但超大規(guī)模云服務(wù)提供商已經(jīng)加速推進(jìn)，不僅定義了市場(chǎng)方向，推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步，更將在未來(lái)幾年內(nèi)將高速應(yīng)用滲透至企業(yè)領(lǐng)域。

事實(shí)上，這些行業(yè)引領(lǐng)者正將目光投向800G，并致力于發(fā)展光通信技術(shù)，為未來(lái)1.6T乃至3.2T速率鋪路。

驅(qū)動(dòng)因素與趨勢(shì)

數(shù)據(jù)中心已成為組織核心運(yùn)營(yíng)的基石。全球數(shù)字化進(jìn)程持續(xù)推動(dòng)對(duì)更高帶寬的需求，以支持日益增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)流量。據(jù)預(yù)測(cè)，到2025年，數(shù)據(jù)中心流量將突破180ZB (注：1 ZB的數(shù)據(jù)相當(dāng)于10億TB或1萬(wàn)億GB)。為應(yīng)對(duì)這一增長(zhǎng)，F(xiàn)rost & Sullivan預(yù)計(jì)到2025年，數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)的投資將達(dá)4320億美元。

以下關(guān)鍵因素正推動(dòng)400G需求上升：

• 數(shù)字化轉(zhuǎn)型與新興應(yīng)用：企業(yè)數(shù)字化進(jìn)程及新興應(yīng)用的普及，推動(dòng)云數(shù)據(jù)中心對(duì)400G的需求。遠(yuǎn)程辦公、在線交易和視頻流媒體等應(yīng)用顯著增加了云服務(wù)使用量。2020年第一季度云支出增長(zhǎng)25%，而傳統(tǒng)IT市場(chǎng)則下降3%。據(jù)思科預(yù)測(cè)，到2021年底，94%的工作負(fù)載將在云環(huán)境中運(yùn)行；Gartner則預(yù)計(jì)，到2025年，公共云服務(wù)支出將接近7000億美元。

• 新興應(yīng)用對(duì)數(shù)據(jù)的需求：傳媒行業(yè)采用未壓縮的高分辨率視頻格式（如RedCode Raw），使文件大小急劇增加。智能建筑和工業(yè)4.0計(jì)劃推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量在2025年超過(guò)300億臺(tái)。虛擬現(xiàn)實(shí)、人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、自動(dòng)駕駛及高頻交易等應(yīng)用要求極低延遲和高速連接。醫(yī)療影像、遠(yuǎn)程醫(yī)療及金融科技進(jìn)一步增加對(duì)帶寬的依賴。5G移動(dòng)技術(shù)、邊緣計(jì)算、虛擬化和軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）正重塑數(shù)據(jù)中心架構(gòu)，要求高性能連接。

架構(gòu)演進(jìn)：從三層到Spine-Leaf

為適應(yīng)東西向數(shù)據(jù)流和低延遲需求，數(shù)據(jù)中心也從傳統(tǒng)的三層架構(gòu)向Spine-Leaf架構(gòu)演進(jìn)。在Spine-Leaf架構(gòu)中，每一臺(tái)leaf交換機(jī)都連接到每一臺(tái)spine交換機(jī)，減少了數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中虛擬服務(wù)器間的交換機(jī)跳數(shù)，并顯著降低了延遲，同時(shí)當(dāng)服務(wù)器A需要與服務(wù)器B“通訊”時(shí)，還可提供下圖所示更好的冗余性。

進(jìn)一步地，超級(jí)Spine架構(gòu)通過(guò)二級(jí)Spine互聯(lián)多個(gè)Spine-Leaf網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)模塊化擴(kuò)展，支持?jǐn)?shù)據(jù)中心互聯(lián)（DCI），滿足大規(guī)模云服務(wù)需求。同時(shí)，邊緣數(shù)據(jù)中心的興起為5G和實(shí)時(shí)應(yīng)用提供本地?cái)?shù)據(jù)處理，推動(dòng)對(duì)400G連接的需求，以聚合數(shù)據(jù)并回傳至核心云數(shù)據(jù)中心。

技術(shù)進(jìn)展：推動(dòng)400G實(shí)現(xiàn)

多項(xiàng)技術(shù)進(jìn)步為400G提供了技術(shù)與經(jīng)濟(jì)可行性

• PAM4編碼：比傳統(tǒng)NRZ編碼比特率翻倍，支持每通道25G、50G和100G速率，為25G至800G的演進(jìn)提供高效路徑。
• 可插拔收發(fā)器：QSFP-DD和OSFP等接口支持8通道50G傳輸，實(shí)現(xiàn)400G應(yīng)用，并兼容多種多模和單模光纖。
• 光通信技術(shù)：短波分復(fù)用（SWDM）等技術(shù)可在單芯多模光纖上以多個(gè)波長(zhǎng)傳輸數(shù)據(jù)，減少光纖數(shù)量。新型低功耗單模收發(fā)器則支持500米傳輸，適應(yīng)數(shù)據(jù)中心短距離需求。

網(wǎng)卡速率也從10G逐步升級(jí)至25G、50G乃至100G，支持高度虛擬化、低延遲的環(huán)境需求。

400G應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)與部署方案

IEEE已制定多種400G標(biāo)準(zhǔn)，涵蓋多模和單模應(yīng)用，如下表所示：

在查閱表格時(shí)，理解以下幾個(gè)核心概念能幫你更好地做出選擇：

• 接口命名規(guī)則：后綴中的字母代表傳輸距離（如SR：短距，DR：500米，F(xiàn)R：2公里，LR：10公里），數(shù)字代表光通道數(shù)量。例如，F(xiàn)R4表示傳輸距離2公里、有4個(gè)光通道。
• PAM4調(diào)制技術(shù)：這是實(shí)現(xiàn)400G速率的關(guān)鍵。與傳統(tǒng)的NRZ（非歸零）編碼相比，PAM4每個(gè)信號(hào)周期可以傳輸2個(gè)比特，使有效數(shù)據(jù)速率翻倍，但也對(duì)鏈路質(zhì)量要求更高。
• 扇出（Breakout）功能：這是400G收發(fā)器的一個(gè)重要特性，允許將一個(gè)高速端口拆分為多個(gè)低速端口使用。例如，一個(gè)400G-SR8端口可以拆分為4個(gè)獨(dú)立的100G鏈路，這對(duì)于網(wǎng)絡(luò)平滑升級(jí)和連接不同速率的設(shè)備非常有用。

為優(yōu)化端口利用率和交換機(jī)密度，扇出設(shè)計(jì)可將400G端口拆分為4個(gè)100G或8個(gè)50G連接。Base-8 MTP連接系統(tǒng)支持即插即用部署，替代傳統(tǒng)的模塊盒與跳線方案。

在企業(yè)數(shù)據(jù)中心中，交換機(jī)至服務(wù)器鏈路可通過(guò)DAC（直連銅纜）、AOC（有源光纜）或結(jié)構(gòu)化布線實(shí)現(xiàn)。

成本考量與未來(lái)展望

400G部署需根據(jù)具體需求權(quán)衡，多模方案通常成本較低，但短距離單模方案因大規(guī)模應(yīng)用已顯著降價(jià)，在某些場(chǎng)景下更具吸引力。

盡管400G已成為現(xiàn)實(shí)，但技術(shù)演進(jìn)并未止步。IEEE Beyond 400Gb/s研究組正致力于800G標(biāo)準(zhǔn)，目標(biāo)包括在8對(duì)多模光纖上支持100米傳輸，在單模光纖上支持500米至2千米傳輸。1.6T標(biāo)準(zhǔn)也在制定中，超大規(guī)模云服務(wù)商正通過(guò)多源協(xié)議（MSA）推動(dòng)相關(guān)技術(shù)發(fā)展。

每一項(xiàng)新技術(shù)都伴隨挑戰(zhàn)與選擇，無(wú)論數(shù)據(jù)中心的規(guī)模與類型如何，星融元作為開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)先行者與推動(dòng)者，提供從10G到400G及更高速率的全面解決方案與專業(yè)服務(wù)，助力企業(yè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)平滑演進(jìn)。

本文基于西蒙白皮書(shū)《通往400G之路》整理，內(nèi)容僅供參考。