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大数据时代的核心:超高速短距离光互联

日期: 2016-11-18
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[导读]大数据时代已经来临大数据在前几年还是一个带有科幻色彩的时髦名词,近年来随着云计算、虚拟化、高清视频、电子商务、社交网络以及飞速发展的高速无线网络等等各种新兴业务的不断涌现,当初的预言已经逐渐变为现实。


大数据时代已经来临


      大数据在前几年还是一个带有科幻色彩的时髦名词,近年来随着云计算、虚拟化、高清视频、电子商务、社交网络以及飞速发展的高速无线网络等等各种新兴业务的不断涌现,当初的预言已经逐渐变为现实。据Cisco Visual Networking Index(可视网络指数,简称VNI)预测,全球互联网总流量将在2016年跨过1ZB大关,并将在2019年再翻一倍。IEEE称,网络需要支持带宽平均需求每年以58%的增长率递增。用户数量、访问技术、接入速度以及视频点播和社交媒体等服务增长的同时将推动带宽的需求。

图1 近几年流量增长图(数据来源:Cisco VNI)


      云计算的部署,更加速了业务对网络带宽的需求。海量的数据在不断的交互。更强大的数据中心、更高的网络带宽是实现这一切的物理基础。云计算广泛采用虚拟化技术来进行计算资源的调度服务,同时服务器多核技术迅速发展,服务器的网卡进一步向高速万兆接口演进,使得云计算在服务器接入的IO处理层面不仅带宽扩大,而且流量激增;同时,用户对网络质量和速度的要求也在不断提高。使得向100G带宽过渡、并继续提出高密40G/100G端口的挑战需求是大势所趋。在此趋势下, 标准制定机构,基础设施设备商与运营商开始加速研发与部署新一代互联网——即40G/100G网络技术。

图2 802.3ba时间表


      目前,包括IEEE的多个光互联标准组织已为40G/100G制定了一整套规范。与标准制定几乎同时进行,设备商目前已经推出了40G/100G的产品或者升级方案。比较有代表性的有:中兴的ZXWM M920骨干OTN产品,H3C的SR8800-X系列,CR16000系列,阿朗的XRS 7950系列,Cisco的CRS-3系列,华为的LPUF-200等等。


新一代互联网络的物理层传输媒介


如下表所示,新一代互联网络的物理层有背板、铜缆和光纤等多种传输媒介。


表1 40G/100G物理层媒介


短距离通信互联的技术与标准


      伴随着整个网络飞速的发展,高带宽的需求使得短距互联成了系统发展的瓶颈。数据显示,80%的流量是发生在数据中心的机房内,也就是交换机,防火墙,路由器这些设备之间。这种机房内的通信一般称之为短距离互联(Short Reach Interconnection)或者甚短距离互联(Very Short Reach Interconnection)。

图3 几种短距离互联方式


      光通信得到大规模应用之前,短距离通信一般使用铜缆进行电互联。受损耗和串扰等因素的影响,基于铜线的电互联的高带宽情况下的传输距离受到了限制,成本也随之上升。而且过多的电缆也会增加系统的重量和布线的复杂度。电互联传输带宽小、时延大、高速信号之间串扰大、功耗大等缺点,已经成为电互联进一步发展的巨大障碍。与电互联相比,基于多模光纤的光互联具有高带宽、低损耗、无串扰和匹配及电磁兼容等问题,而开始广泛地应用于机柜间、框架间和板间的高速互联。光互联作为一种新的互联方式,具有极高的通信带宽,极小的功耗,能够很好地解决电互联发展受限的问题。


在短距离通信中,光互联相比于电通信,有显著优点:


· 单位功耗明显低于电通信


· 低失真, 低串扰


· 总体拥有成本(Total Own Cost)低


· 升级改造便捷


· 集成度高,向前兼容性高


· 器件少,接口少


· 体系灵活度高,更加简化


· 部署灵活


· 模块化程度高


· 尺寸小,密度高


      据调查,光互联的发展将在未来的五年内由机架间向板间互联普及,十年内成本也会接近甚至低于电互联。

图4 容量为10 Tbps的电和光互联功耗对比

 

        对于如何规范、加速板间以及芯片间的通信,国际机构在标准制定上也做了很多工作。之前已经有了一个标准802.3ap针对此问题,该标准规定了在企业级网络和数据中心的基于机箱的模块化平台中,网络设备厂商如何在背板最远1米的范围内进行千兆和万兆以太网的传输。新一代互联网标准制定以来,为适应新的网络标准,IEEE又制定了802.3bj来对高速网络的短距离通信进行规范。除此之外, 802.3ba定义的CAUI-10, 802.3bm定义的CAUI-4也对芯片至芯片, 芯片至模块接口也是短距离通信的规范。


光互联所用的基础技术-激光


      光互联从光源大致分为两种: 有源(Active optical network, AON)/无源(Passive optical network, PON)。所谓有源,就是在数据的传输过程中加入若干有源的中继,用单独的光纤牵到终端.而无源则只使用分光器,仅仅需要在数据的源头与接收端使用光源与电源。日常所见的EPON,GPON都是无源通信。


      光源类型有三种: LED,EEL(Edge emitting Laser),VCSEL(垂直腔面发射激光器)。其中LED是自发辐射,EEL与VCSEL是两种激光光源。多模光纤可以使用LED,单模光纤必须使用激光。由于VCSEL相对于EEL的显著优势,是现在的发展趋势。


      与LED类似,VCSEL是从晶圆的表面发射光.而EEL从边缘发射。除了生产与成本上的优点, VCSEL相对于LED与EEL还有如下优点:


· 温漂小


· 低门限电流(用TTL电平即可驱动,放大器设计大大简化,功耗降低


· 垂直表面发射,光路耦合性能提高

 

· 易于集成,封装


· 高速(上升下降在100ps级别)


 

表2 三种光源参数对比


      领先的光学半导体器件商MACOM近日推出新器件MALD-37345,MATA-37344。其中MALD-37345为4组带有输入均衡器的28G VCSEL驱动,MATA-37344为一个28G的跨阻放大器。这个系列与前面的一个系列(MALD-37045/MATA-37044)兼容,由于可以省去外接CDR,设计人员在进行系统设计时的成本功耗实现了进一步降低。这个产品组合主要面向板级光互联与短距离互联,也可以用在光收发器与有源光互联领域。


    下图是一个VCSEL用于数据中心短距离通信的示例,关键器件有VCSEL驱动器、CDR、TIA、激光源和激光接收二极管等等。

图5 VCSEL用于短距离通信示例

 

         高速光信号的传输过程中由于不带时钟信号,会产生相位偏移。CDR是用来补偿光路中的相位偏移的。

图6 典型的时钟恢复电路

 

       TIA是用来补偿传输中的幅度衰减的。TIA是放大器类型的一种。光电传输通讯系统中跨阻放大器的作用是将电流信号转换成电压信号,用于接收光电二极管从光纤感应的弱电流并且进行一定强度低噪声放大。其工作原理是:PIN的光敏面受探测光照射时,由于PN结处于反向偏置,光生载流子在电场的作用下产生漂移,在外电路产生光电流;光电流通过跨阻放大器放大输出,这样就实现了光信号转换成电信号进而将电信号初步放大的功能。在光互联系统中,OSNR(信号和噪声的比值)是衡量整个系统传输性能的重要指标之一。TIA能将电信号进行一定强度的低噪放大。信号在经过光纤传输后,光功率和色散必然在一定程度上有所衰减,光放大器将光信号转化为电信号来进行放大处理时,TIA能有效地抑制噪声信号的放大。

图7 典型的TIA电路


      另外,在硅光子集成高速光互联解决方案上,MACOM的MAOP-L284CN:将激光器集成在硅光子集成电路(L-PIC™)中,包括四个高带宽Mach-Zehnder调制器,与四个CWDM O band激光器和一个CWDM多路复用器集成在一起,每个信道支持高达28 Gb/s。L-PIC工作在标准的单模光纤上,MACOM也提供集成了CDR的MASC-37053A调制器驱动器,与L-PIC匹配合作实现更加优化的性能和功耗,适用于100G CWDM4和CLR4高速传输解决方案。


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