飞向无限，以及更遥远的未来！走向400G网络的故事

作者：Anthony Robinson，康宁光通信

我们对带宽无尽的欲望驱使这个行业发展得更快，不断地让网络摆脱延迟的影响

就像巴斯光年（Buzz Lightyear）和其他电影中的玩具一样，数据中心行业从不懈怠。我们对带宽无限的欲望继续挑战着技术开发人员，从而比任何时候都更快速、更高效地推送数据。他们不断地设计更吸引人的应用程序、流程和产品，以丰富我们的社交和工作；将日常平凡、复杂的任务自动化减少人的干预，并将这一切都融入到我们今天生活的数字网络中。这是最基础的供需关系。我们需要它，他们用这样的方式制造了一种我们从未意识到的超级依赖性。朋友经常开玩笑，说不知道在搜索引擎出现之前的我们是怎么活下来的！

是什么驱动更快、更有效的网络？基本上是我们，是人类自己！我们很容易感到无聊。我们一直在寻找新的、更具互动性的方式来自娱自乐，用一种前所未有的、更令人兴奋的、更吸引人的交流方式沟通，我们期待这一切立刻发生。即刻现在。我们不再用电话与人交谈。短信已经过时，图片信息也迅速成为昨日黄花。如果你想和孩子们打成一片，那就尽可能多地播放流媒体为主的内容，日以继夜。而不止于此。我们想在信息高速公路上连接更多的设备，我们想要改进的分析内容，我们想要更多的机器为我们做比想象还要多的事情，我们希望所想即所得。

我记得在2010年，IEEE批准了40Gb和100Gb的数据，当时我就想，我们根本没有必要使用这么高的速度。以今天的标准来看，那时的宽带简直就是可怜——就像试图用吸管来吹一个巨大的气球一样——但在当时已经够用了，因为当时我的带宽消耗量远不及我今天生活所需的带宽需求。但当我的孩子们开始使用他们的手机、平板电脑和在线游戏平台时，我可怜的小铜线连接就开始抱怨别人对它的要求了。谢天谢地，现在光纤传输速度超过了过去的30倍，虽然家里的设备越来越多，但是我总是可以做的更多，很多，很多！

让我给大家介绍一下技术路线图的背景，让大家了解一下我们今天的情况。直到2010年，生活都很简单。我们在光纤网络上运行10Gb，使用1芯光纤发射和1芯光纤接收。无论什么样的终端设备，还是部署了哪个收发器，都不重要，因为它们的操作都是一样的。然后IEEE批准了40Gb，使用了一个不同的PMD（Physical Media Dependent）接口与并行光学方案。

并行光学

与串行（双工）传输不同，并行光学使用8芯或更多的光纤，而不是传统的2芯光纤。我们在4芯光纤上发射信号，每芯光纤10Gb，在另外4芯光纤上接收，每芯光纤10Gb，以达到我们的40Gb聚合速度（称为40G-SR4）。由于2010年速率最快的交换机ASIC（application-specific integrated circuits）是10Gb，要达到100Gb（即100GBASE- SR10）且同时得到批准，我们需要20芯光纤，每10芯传输10Gb，另外10芯接收10Gb。值得庆幸的是，在2015年IEEE批准了100G-SR4通过4芯光纤传输25Gb，并通过另外4芯光纤接收25Gb，使用了与40GBASE-SR4相同的8芯光纤平台，从而达到了我们的100Gb总速。随后我们向200G迈进，最终实现了400G，且光纤数量和通道的一致性仍在继续。

因此，现在这个永不间断的行业，让网络管理者和用户需要作出选择：随着越来越多的技术和解决方案选项的出现，需要针对部署什么样的基础架构解决方案做出关键决策，以确保无缝地迁移到更高的速度。现在，我来帮您把它们分解一下。

BiDi

在IEEE批准40&100Gb的三年后，2013年底，思科推出了40G BiDi，该技术由Avago Technologies开发，现在是富士康互联技术公司（FOIT的一个业务部门）的一部分。这项开创性技术是为了使现有的两芯多模光纤能够在数据中心设施中使用WDM（波分复用）技术。为了实现40Gb传输，两个20Gb信号在同一条多模光纤上，但波长不同，在850nm和910nm处“双向”发射和接收20G信号，因此得名BiDi。我们在2018年看到了100G BiDi的发布。

UNIV

在BiDi发布后不久，Arista和Juniper推出了他们的40Gb通用收发器（UNIV），使用另一种WDM技术在一对光纤上运行。这一次，它在传统的单模1310nm区域单向发射了4 x 10Gb，中心波长为1271、1291、1311和1331nm，但仍然可以通过一对多模光纤或单模光纤传播（因此有了UNIV这个名字）。

SWDM4

我们的第三个WDM方案是SWDM4。使用与UNIV相似的4波长方法，关键区别在于它们在更传统的多模光纤的 850nm区域发射，中心波长为850、880、910和940nm，可选择40Gb和100Gb。

200Gb也有WDM选项，但关键是与并行光学不同，并行光学是一个被IEEE标准完全认可的标准。这些仍是专有技术，或者作为MSA（Multi-Source Agreement）的一部分，不能彼此互联，也不能与任何标准许可的收发器相互兼容。BiDi必须连接到另一个BiDi，UNIV必须连接到UNIV，以此类推。这有可能严重限制网络管理者在寻求下一个速率迁移时可用的选项，通常“供应商锁定”在某一个制造商，并限制我前面提到的那些关键基础设施选择。

有清晰的记录表明，使用低成本组件的并行光学器件总是首先投放市场，3-5年后才会有WDM同类产品随之上市。如果您决定采用WDM的双光纤网络策略，而您的企业和客户恰好需要技术升级，如果WDM产品还没上市，您还有什么选择？

要么暂停直到其发布上市，但这会影响公司的收入和声誉；要么升级网络以支持并行光纤部署。但是，如果您现在已经有了并行光纤网络（即使您仍在遵循WDM路径），您可以选择在同一个布线设备中使用这两种技术，而无需进行任何计划外升级。

调制技术

传统的NRZ调制（不归零）使用0和1两个值。把它想象成一个灯泡是发射器，而你的眼睛是接收器。你只需要开灯或关灯作为信号，但如果你的眼睛和我的一样糟糕，那么随着速度的提高，识别或接收信号会变得困难重重。为了满足100G的传输速率，PAM4（Pulse Amplitude Modulation）被开发出来，它使NRZ的速率加倍并简化， 使用4个离散值00、01、10和11将灯调亮、打开到最亮、调暗和关灯。PAM4用于某些（但不是全部）100G选项。然而，这将成为400G的标准。值得注意的是，随着速度的提高，我们可能会看到其他调制技术的引入。

现在为了使这篇文章不像畅销小说那样长，我只提到了以太网和不同的多模选项。请注意，单模并不意味着更容易。在40G问世之前，单模一直是2芯光纤，就像我们传统的多模。和多模一样，我们开始看到了40G甚至更高速率的单模的并行光收发器选项的出现，这是因为用户需要更长的传输距离，但仍然想要利用端口突破能力——因此就采用了更大的速率端口并将其分为4个较小的速率端口，以获得更低的总体成本。与传统单模 10km的距离相比，500m PSM4的距离更短，因此成本更低。

当前的行业趋势是，一旦产量开始稳定，部署高速并行光学并将其拆分出每个端口的成本与使用原生速度光学器件（例如，1 个 100G 分为4 个 25G而不是4 个 原生 25G）相比会变得更低，且速率越高，因此成本效益就越高。此外，端口分支实现了更高的密度，同时降低了电力和冷却的能源成本。

400G——我们的今天

正如我前面提到的，我们对带宽无限的欲望驱动了这个行业实现了更快的速度、更短的延迟。人工智能（AI）和机器学习（ML）、无服务器计算、分布式闪存和更快的服务器CPU/GPU/FPGA的激增都是驱动400G发展的因素。例如，Broadcom的Tomahawk III ASIC支持12.8Tb/s或128x100g光信号，并且还在对25.6Tb/s （256x100g）、51.2Tb/s （512 x 100G）和102.4Tb/s （256x400g）进行开发。

将越来越多的吞吐量压缩到同一个内存中，提供了比以往更快地处理数据的机会，满足了我们指尖对速度的需求。但这并非没有挑战，您将在下面的表格中看到，我们提供了几种不同的选项来支持距离、通道和光纤类型。

以下是IEEE标准发布或仍在开发的所有400G光学PMD（Physical Media Dependent）列表：

400G光学

除此之外，2016年还形成了两个MSA标准，考虑了400G收发器的物理尺寸和形状，由8个通道连接。MSA为了研究连接形式而考虑了收发器的物理尺寸和形状，以及收发器的封装形式。它们是QSFP-DD（Quad Small Form-Factor Pluggable – Double Density）和OSFP（Octal Small Form-Factor Pluggable）。康宁是这两个MSA标准成员。

QSFP-DD - http://www.qsfp-dd.com/

QSFP-DD使用与QSFP28相同的外形物理尺寸，因此在使用相同的板卡时可以完全兼容。在光纤接口方面，最新规范（2019年7月5.0版）列出了以下选项：

公头MPO

• MPO-12 单排
• MPO-16 单排
• MPO-12 双排

双工 LC

双 CS

MDC*

SN*

*MDC和SN是新一代极小型连接器，于2019年初推出，将在另一篇文章中进行介绍。这些都是由超大规模运营商驱动的，他们希望在收发器上直接把400G分支为4x100G的光路。

OSFP - https://osfpmsa.org/。

OSFP的外形设计考虑了更高的速度（QSFP-DD和OSFP都可以处理800G的散热），因此其占用空间比QSFP-DD稍大一些。这主要是因为在收发器顶部有一组额外的散热片，用来发散由于更高的功率要求而产生的更多的热量（请注意，QSFP-DD已增加了散热片的设计以来散发更多热量）。温度的升高对于QSFP-DD和OSFP来说是一样的，典型的要求是8-15W之间的多模模式。为了实现兼容QSFP28，您需要使用适配器。

2019年1月 OSFP规范列出了：

公头 MPO

•  MPO-12 单排
•  MPO-16 单排
• MPO-12 双排

双工 LC

双 CS

细心的人可能已经注意到PMD与MSA中列出的选项不一致，完全正确。事实上，虽然MSA中列出了不同的光纤接口，目前只有针对CS、MDC或SN接口的收发器，对于多模 LC尚无确定的解决方案，只有500m、2km和10km的单模。

“那么，我们什么时候能看到400G收发器普遍上市呢？”我听到你们的需求了！我们在2019年初看到了Arista和Cisco的声明，预计产品将在2020年交付。Arista已经宣布了QSFP-DD和OSFP的选项，Cisco仅针对QSFP-DD。

结论

对于阅读本文的许多人来说，飞向无限，更确切地说是400G，似乎是一个相当遥远的距离。然而，我们都逐渐意识到，在IT行业，我们永远不会停止追求极限，我们都必须接受这样一个事实：我们今天所热爱的将很快成为昨天的记忆。

在过去的9年里，我们经历了比前30年更多的网络速度提升（接下来还会有更多）。有了这么多选择，用最灵活和可扩展的光纤基础设施规划正确的技术迁移路径，应该是您的首要任务。如果您不这样做，您可能会发现自己不得不继续投资额外的光纤布线，因为支持下一次技术更新的光学器件还没有开发出来。

您可不能打盹放松，引用《玩具总动员》里的玩具们讲的一句话：“我们无处不在！”

Anthony Robinson 是康宁光通信全球数据中心的市场开发经理