Чтобы выжить, акулы должны постоянно плавать, а ЦОДы – искать возможности для удовлетворения постоянно растущих требований приложений. Последние же, как и акулы, ненасытны – им всегда требуется более высокая пропускная способность и более низкая задержка в сети.
Для повышения пропускной способности оптических систем передачи специалисты работают в двух направлениях: совершенствуют саму оптическую передачу и используют мультиплексирование. Конечно, эти два направления не исключают друг друга. Многие из наиболее привлекательных технологий используют как мультиплексирование, так и усовершенствованную оптику.
Таксономия WDM.
Хотя существует множество технологий аналогового и цифрового мультиплексирования, в ЦОДах обычно применяют спектральное (WDM), когда для создания нескольких потоков передачи информации задействуют разные длины волн, передаваемые в одном волокне. Наиболее известные варианты WDM: грубое (coarse, CWDM) и плотное (dense, DWDM). Разница между ними заключается в расстоянии между оптическими каналами: между каналами CWDM – 20 нм, а между каналами DWDM – 0,4 нм. Большее расстояние между спектральными каналами позволяет использовать для CWDM недорогие неохлаждаемые лазеры.
В числе новых технологий, работающих по схеме CWDM, – CLR4 и CWDM4. Для создания четырех каналов передачи данных они используют длины волн 1270, 1290, 1310 и 1330 нм. Как и другие системы WDM, оборудование CWDM дает операторам ЦОДов возможность обеспечить более высокую скорость передачи данных по дуплексными волоконно-оптическими соединениям.
CWDM и DWDM применяют в основном на протяженных линиях связи: от 500 м до 70 км. Третья технология на основе WDM, которая быстро набирает популярность в ЦОДах, – это коротковолновое мультиплексирование (shortwave, SWDM). SWDM использует преимущества более коротких длин волн – 850, 880, 910 и 940 нм, – выбранных с шагом 30 нм друг от друга. Для операторов ЦОДов системы SWDM особенно привлекательны из-за своей высокой емкости и экономичности при связи на небольших расстояниях.
В ЦОДах WDM будет эффективна для повышения пропускной способности в основном в двух областях. Первая – это внешние подключения. Требования современных и будущих приложений, таких как 5G, IoT и машинное обучение, обусловливают необходимость более скоростных каналов между ЦОДом и внешними сетями.
Вторая область – каналы связи между коммутаторами в сети самого ЦОДа. По мере того как ЦОДы переходят от традиционной трехуровневой топологии к mesh-архитектурам leaf-spine, плотность портов серверов растет. Высокоскоростные оптоволоконные соединения коммутатора поддерживают больший объем трафика серверов, сохраняя при этом больше портов для их подключения.
Применение различных схем WDM позволяет сетевым менеджерам достичь правильного баланса производительности, плотности и стоимости. Например, технология двунаправленной передачи BiDi использует дуплексную схему для удвоения пропускной способности канала. Это удвоение становится важным по мере перехода к скоростям 100G, 400G и выше, обеспечивая более высокие скорости при сохранении дуплексной схемы связи.
WDM + усовершенствованная оптика.
Для решения проблемы дефицита пропускной способности, скорее всего, потребуется сочетание передовой оптики и различных схем модуляции. Один из примеров –мультиплексирование SWDM с многомодовыми волокнами OM5. В то время как BiDi поддерживает две различные длины волны для удвоения пропускной способности, SWDM4 позволяет вести передачу на четырех длинах волн, увеличивая пропускную способность вчетверо. SWDM4 обеспечивает большую пропускную способность при более низких линейных скоростях, например, система 100G BiDi должна использовать два потока по 50G, тогда как SWDM4 достигает той же пропускной способности с помощью четырех потоков по 25G – более низкие линейные скорости часто означают возможность передачи на большие расстояния.
Кроме того, волокно OM5 было специально разработано для поддержки большей длины волны, а передача на таких длинах также поддерживает большую дальность. Например, новейшая система BiDi обеспечивает соединение 400G на основе четырех каналов BiDi дальностью 100 м на OM4 и 150 м на OM5.
Операторы ЦОДов сочетают многомодовую оптику и WDM для организации 100G-соединений с использованием недорогих изделий на основе VCSEL-лазеров, которые также требуют гораздо меньше электроэнергии, чем их одномодовые эквиваленты.
Пространственное мультиплексирование.
WDM, являясь довольно зрелой технологией, до сих пор остается основным средством мультиплексирования для сетей ЦОДов. Но сейчас активно ведутся исследования в области мультиплексирования с пространственным разделением (SDM), и эти новые технологии могут стать еще одним эффективным средством повышения пропускной способности оптических систем связи. Один из вариантов SDM использует волокна с несколькими сердцевинами (Multiple Cores Fiber, MCF).
В настоящее время кабели с MCF рассматриваются для трансокеанских соединений с высокой пропускной способностью. В будущем может появиться возможность объединить WDM и SDM для дальнейшего увеличения пропускной способности оптических волокон. Так, есть данные о том, что путем объединения указанных технологий при использовании 50 спектральных каналов (на сетке 50 ГГц) достигается общая пропускная способность 255 Тбит/с (полезная – 200 Тбит/с) по волоконной линии связи протяженностью 1 км.
Помимо дальнемагистральных подводных линий связи, SDM может найти применение в менее масштабных региональных сетях. Предполагается, что мультиплексирование с пространственным разделением будет использоваться не в качестве замены других методов, включая мультиплексирование WDM, а в сочетании с ними.
Что учитывать при принятии решения.
Для менеджеров ЦОДов понимание разницы между различными технологиями мультиплексирования – лишь первый шаг в гораздо более масштабной задаче, которая включает в себя определение того, где и какие системы связи следует использовать. Основные факторы принятия решения – емкость и задержка, но существенное влияние окажут также общая стоимость, размер и назначение ЦОДа.
Для гипермасштабируемых ЦОДов большие расстояния могут означать, что системы на базе одномодового волокна наиболее экономичны, причем добавление по мере необходимости технологий мультиплексирования позволит сбалансировать затраты на оптоволокно и трансиверы. Корпоративные центры обработки данных, как правило, меньше по размеру, а потому в них более оправдано применение кабельной инфраструктуры на основе многомодового волокна.