数据中心100G主流应用技术分析与市场预测

7/11/2016，自2010年IEEE802.3ba标准发布之日起，100G的应用从技术层面已经具备了可行性，从2010年以来到现在，100G的应用与技术层面的探讨一直备受关注。而由于IEEE802.3ba中无论是单模还是基于多模光纤技术所支持的100G应用并未形成规模化的应用趋势，这与早期标准多模光纤应用以10G*10并行传输100G的方式，以及单模光纤基于WDM技术支持长距离的方式，总体光收发器与光纤链路的合并总体成本偏高，端口功耗高，特别是多模光纤100G与40G接口与通道不统一等因素相关，更重要的是100G的市场实际需求还未真正被激发起来。经过最近2-3年的发展，100G的应用已经形成多种技术类型与联盟，无论是已经标准化的IEEE802.3bm还是以SWDM，MSA等多个织织所推出的100G应用模型。支持100G的接口与应用技术种类非常多且各具特点。这对于即将部署100G的数据中心用户的选择带来了困惑：具体选择什么类型的100G对于数据中心用户从技术层面，长远升级以及投资回报率上更具有优势呢?本文尝试从这些角度提供一些可供参考的建议。

二，数据中心100G应用处于一触即发的静默期
IEEE802.3ba标准自2010年发布后，40G基于多模光纤并行传输的规模化应用实际是从2013年下半年开始的，其间也有一部分用户选择基于BIDI技术等40G应用，经过这几年的规模化部署，40G已经整体市场已经趋于稳定状态。而100G的规模化部署将处于一触即发的静默状态，为什么这么说呢?因为100G的应用当前对许多用户来说是有真实需求的。

下图1以太网端口趋势的预测来自DELL，可以看到2016年100G的应用处于急速增长前的阶段。


那么哪些原因使100G的应用落地?有几个方面因素促使100G以太网规模化应用。从宏观上看，近年来数据通信量处于快速增长的趋势，据Cisco的报告中显示，全球移动网络的数据通信量年复合增长率57%; 物联网(IoT)在中国市场投资增长年复合增长达到30%以上，物联网的快速增长使得机器之间MTM(Machine to Machine)的数据通信量急增且许多数据24小时不间断; 除此以外，据统计，全球三网合一宽带网络投资年复合增长率达到15%左右。除了上述的几大类可以预测的数据增长大趋势，未来几年还有许多基于互连网的技术的应用将促进全球基于IP数据通信量的快速增长，年复合增长率达到25%且云计算数据中心比例在持续增长，如下图2所示。


图2：Source: Cisco Global Cloud Index, 2014–2019

上述提及的多方面应用的快速发展都需要依赖数据中心网络技术的支持。采用云计算虚拟化的技术云计算数据中心可以大幅度提高数据中心服务器的利用率，据Cisco的预测报告中统计，全球云计算数据中心服务器负荷是传统数据中心服务器负荷的2.6倍以上且每年差距还正在不断拉大。为应对服务器端口数据量的不断提升。IEEE802.3by标准工作小组正在制订服务器端口采用25G的标准，可采用多种介质如多模光纤或双轴平行电缆DAC，以及即将发布的新标准即基于Cat8铜缆的25GBase-T与40GBase-T等技术。当服务器端口从10G升级到25G的时候，数据中心的接入层网络到核心网络之间的主干连接以及虚拟化数据中心Spine与Leaf之间连接都需同步升级到100G的网络，网络总体演进需满足收敛比的要求。多模光纤每通道传输25G相当于IEEE803.3bm标准中将单个传输通道分离出来，无论从市场还是技术实现服务端口25G的应用是大势所趋，这个新的25G标准将在2016年内正式发布。这些方面都在促使数据中心100G网络应用的迫切性与必要性。

三、数据中心100G 主流应用模型与特点

　　当前市场中可以实现100G应用的接口技术种类已经非常丰富，对于数据中心的实际而言，大部分数据中心的连接点之间距离不超过500米，除非超大型数据中心的园区主干可能会有部分超过500米。笔者根据自己的经验，从现在的大量100G接口模型中选择了最有可能应用于数据中心的4个模型的特点来作进一步的分析，供即将需部署100G的用户作参考。

　　模型1 ：100GBase-SR4 
此应用模型符合新的标准IEEE802.3bm,该标准已经于2015年正式发布。采用8芯多模光纤组成的4个通道并行传输。多模OM3与OM4光纤均支持100G应用，接口采用12芯MPO接口，其中中间4四芯光纤不启用，每个通道支持25G，传输模型与IEEE802.3ba中40GBase-SR4完全一致，收发器采用QSFP28，具体通道与接口如下图3所示：


　　图3 100G Base-SR4传输模型与接口

　　100GBase-SR4的总体特点：接口模型与40GBase-SR4是完全一致，与QSFP28的光模块上采用MTP/MPO光纤连接器进行对接。原MTP/MPO的物理光纤链路可以直接升级为100G应用。本模型可采用常规OM3与OM4多模光纤分别支持100G应用70米与100米的距离。
　　值得关注的是，目前已经有部分主流光收发器厂家在推动100GBase-eSR4，主要是加大发光功率以增加传输距离，100GBase-eSR4有望在基于OM4光纤的基础上达到200米的传输距离以达到绝大部分数据中心主干应用长度覆盖范围, eSR4将解决并行多模光纤传输距离的瓶颈，很大程度提升了SR4光接口的可用性。

　　模型2 ：100GBase-SWDM4 
SWDM (Short Wavelength Division Multiplexing)是指短波段波分复用技术，在一芯多模光纤上传输4个波段的光信号。多模光纤中四个波段的窗口分别是850nm,880nm,910nm以及940nm。波分复用的原理与单模上的CWDM类似，而SWDM是首次将波分复用技术应用多模光纤短波段上，可以参考下图4传输原理的模型。


　　图4：100G Base-SWDM4传输原理

　　传统OM3及OM4的多模光纤的主要传输窗口定义在850nm, 而如果采用SWDM技术则需要有四个窗口传输光信号，四个波段光源仍采用性价比高的VCSEL垂直腔面发射激光器。为了提高整体的带宽，新一代多模光纤WBMMF(Wideband Multimode Fiber)的带宽将有了新的提升，带宽性能最高点处于大约在880nm波段附近且最高带宽点高于传统OM4多模光纤，参考下图5关于传统多模OM4光纤与WBMMF光纤的带宽对比图。


　　图5： Source from OFS

　　WBMMF同样也是50/125um的规格，目前TIA-42工作组已经正在制定新的行业标准，新的WBMMF光纤标准为TIA-492AAAE，该标准有望在2016年下半年正式发行。WBMMF可以与常规OM3及OM4光纤向下兼容。 SWDM技术同样可以采用OM4光纤作为传输介质，只是传输距离要作相应的缩减。目前SWDM非完全公开技术，是由SWDM联盟的几家成员公司在推动，该联盟主要以网络设备厂家以及光模块设备厂家为主，基于SWDM 100G的光模块将优先采用小型化接口QSFP28以支持交换机面板更高的密度。
　　100GBase-SWDM4的总体特点：SWDM4的QSFP28光模块上光纤接口采用多模双工LC接口仅需要2芯光纤。采用WBMMF光纤可以支持100G距离达到300米，即便采用常用OM4光纤，也可以支持100G达到至少100米的距离。相比SR4模型，SWDM4多模光纤数量只需要25%的光纤量。
　　
模型3 ：100GBase-PSM4
　　100GBase-PSM4的总体特点：采用单模光纤并行传输的模式，每个100G模型采用8芯单模光纤共构成4个独立的通道，每通传输25G数据。接口采用12芯MPO接口，其中MPO接口的中间4芯光纤不启用，每个通道支持25G，光纤传输模型类似100GBase-SR4，最大的差别是PSM4采用单模光纤作为传输介质，采用激光光源1310窗口，收发器同样采用小型化接口QSFP28，连接器采用MTP/MPO单模APC，如下图6所示。


　　图6，100G Base-PSM4传输模型

　　100GBase-PSM4的总体特点：采用QSFP28的接口，使用单模MTP/MPO光纤连接器进行对接。本模型可采用常规OS2单模光纤可以支持距离达到500米，在这个距离范围内PSM4模型的整体价格才具有一定的竞争力。目前100GBase-PSM4还未得到IEEE标准化组织的承认，主要由PSM4 MSA联盟在进行推广中。

模型4 ：100GBase-CWDM4

　　100GBase-CWDM4是基于单模粗波分复用技术的100G传输模型，光纤收发器采用单模激光光源，采用LC双工接口，每芯光纤上支持4个长波段的信号传输，这4个发射窗口分别是1271nm,1291nm,1311nm,1331nm，每个波段传输25G。光纤收发器也是采用QSFP28小型化收发器，与传统单模10KM及以上的高昂的收发器成本不同，100GBase-CWDM4基于2KM长度的光收发器的成本具有一定的价格竞争力，传输接口模型如下图7所示。


　　图7，100G Base-CWDM4传输模型

　　100GBase-CWDM4的总体特点：基于单模光纤的粗波分复用技术上已经比较成熟，但这种应用模式还未被标准化组织IEEE正式批准，目前由CWDM4 MSA进行技术标准的统一与市场推广。

　　4 个模型的统一比较表： 以下将上述的4种100G技术类型作表格如下。



数据中心类型不同决定了不同的需求，当前不是所有数据中心用户都有部署100G的需要，什么样类型的用户最需要部署100G的网络?要回答这个问题，我们可以把数据中心分成两个大类，IDC(Internet Data Center互联网数据中心)与EDC(Enterprise Data Center 企业数据中心)。相对而言部分IDC数据中心部署100G的主干网络更具有迫切性，具体来说如大的互连网公司或运营商的数据中心或一些规模化的云计算数据中心等，也不完全排除部分大的企业数据中心用户，但从总体比例上来看当前阶段IDC采用100G的比例或迫切性更高。

四、 100G 光收发器与布线市场价格分析

　　上述4种100G应用类型中主体成本由光收发器与布线两个部分构成，不同技术类型光收发器与布线产品成本比率是不同的。为了方便统一比较，我们将以上4种产品按完整传输通道的方式中多模统一采用OM4光纤作为比较基础，每个通道设定布线长度为100米，通道中包含2个光收发器以及完整的布线系统，布线系统包括了主干预端接光缆以及配线架及跳线等按端口数作平均分配，根据计算可以得出当前的价格趋势与大致比例如下图8所示，需要注意的是绝对价格通常不完全正确，因为这与供货渠道与市场有关。这些数据仅用于作为统一基准的比较作参考。


 
　　图8　4种100G应用方案价格比较

　　 从当前价格上来看，基于SR4多模100G虽然布线成本相对高一些，但总体价格有一定的优势，特别是光收发器的价格明显低于其他几种类型。而基于CWDM单模粗波分复用的光收发器价格明显高于其他3种类型。PSM4与SWDM总体价格差异不大。由于短波分复用技术是由少部分光收发器厂家参与的SWDM联盟，目前不是公开技术，暂时市场价格相对还维持较高水平，但从技术与成本构成来说，SWDM短波分复用技术还有较大的价格下降空间，这种产品在未来有一定的市场潜力。

五，数据中心100G 未来发展应用分析
　　结合前面的相关分析可以看出，100G Base-SR4从当前来看具有良好的应用前景，首先从IEEE802.3标准化组织来看，目前100G Base-SR4已经是标准化的应用，而其他三种产品目前还未得到IEEE802.3标准组织的批准。其次，SR4的很重要的一个优势是可以在100G网络设备接口上直接采用1分4的MPO/MTP转LC跳线，直接可以将1个100G端口分解成4个独立的25G接口，可以统一交换机的接口种类同时也降低了单位流量的拥有成本。再次，从现阶段来比较，SR4的整体价格是当前最具有性价比的方案之一。最后非常关键的一点是，该模型可以从现有40GBase-SR4的布线系统直接升级为100G，对于原有40G数据中心升级来说将会是首选。基于以上分析，这种模型在100G应用的初期将会得到更为广泛的应用。当然SR4也有支持距离相对短的缺点，目前采用OM4最长只有100米，但随着eSR4的推出，后期应用距离也将不是最大的问题。

　　100G Base-SWDM4具有非常大的潜力应用，首先从可管理性角度上来看，SWDM技术可以减少75%光纤的数量达到同样等级的100G速率，对于减化线缆管理并适用于更高密度的应用。其次，SWDM技术可以支持更长的传输距离采用WBMMF的光纤有望达到300米的距离，适用于绝大部分数据中心对于主干距离的要求。再次从产品制造成本上看，SWDM光收发器采用VCSEL光源生产成本与SR4相比差异并不大，但为什么现在市场上价格比SR4明显要高约30%-50%，这与当前以SWDM产品技术对有源光收发器未标准化以及SWDM技术由SWDM联盟主导未对外开放有关。但技术本身具有较大的优势。在100G初期看来，SWDM在市场上的容量预估不如SR4产品，但在中后期，预估基于SWDM的100G应用将会有爆发式增长的机会。相比较现有数据中心升级与扩容更多用户选择SR4技术，全新建设的数据中心部分客户将可能青睐SWDM的产品。

　　100GBase-PSM4基于单模光纤并行传输的方式相比较多模应用距离至少达到500米，可以满足98%数据中心主干的要求，与传统单模收发器价格过高不同，基于PSM4技术的收发器价格差异不是很大，加上单模光缆比多模光缆价格更有优势，有源加无源总体系统价格还是具有一定的竞争力，特别是当主干米数平均长度超过300米的时候价格优势更能得到体现。总体来看对于规模较大的数据中心主干长度有可能超过300米应用的数据中心来看，PSM4是具有应用前景的。但由于单模接口基于MTP/MPO的方式，光纤端面比较敏感，现场维护要求相对较高。预测PSM4在100G的市场中会取得一部分的机会特别对于大型数据中心或部分互连网IDC的用户，但从更长远来看，PSM4成本缺少较大幅度下降的基础，预计PSM4比较难以成为主流。

　　100G Base-CWDM4基于单模传统的波分复用技术最大达到2KM的距离，总体来看该技术的最大优势在于支持长距离的应用，适用于超大规模的数据中心主干的应用，以及数据中心产业园内各幢数据中心建筑主干之间的100G连接。 由于该应用未被IEEE标准化组织批准，会有一定的局限性，适用于超大规模互连网数据中心部分用户，同样100G Base-CWDM4预计不会成为数据中心100G主流应用，而会成为超大规模100G数据中心主干应用中细分市场中的一部分。

六，结束语

　　当前，100G接口的应用模型在市场上不下10种类型，不同接口有不同的应用侧重点。对于较多的数据中心用户来说，如同雾里看花无从下手。本文从当前市场中提取4种类型的接口技术聚焦于数据中心应用领域对接口技术模型，市场价格以及未来趋势多个维度进行分析与预测，希望能给部分即将部署100G的数据中心用户提供有价值的参考。


作者：罗森伯格亚太电子有限公司：孙慧永