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光纤通信技术：运营数据中心网络所需要的关键技术
摘要
在本文中，我们回顾未来三到四年内仓库规模的大型数据处理中心的增长趋势，以大型数据中心的应用为推动的互联网的转型，为了支撑大型数据处理中心的光纤通信技术的机遇与挑战。
介绍
过去十年中，宽带接入网的部署迅速成长遍布世界各地。宽带访问量的激增提供了如光纤到家（FTTH）等技术并引起了许多新WEB应用程序的兴起，从传统的搜索到在线交互地图，社交网络，办公软件，视频流媒体，移动网络等等。大多数的免费应用都是在数据中心运行且对最终用户是透明的。数据处理中心和内容流正变得越来越受欢迎并迅速成长。这一趋势正推动我们现代互联网的转型。
图1引用了来自ATLAs 网络观察台2009年年度报告的两张图。图1a是具有一些大核心的顶级服务提供商提供的骨干连接到区域许可供应商和更低一级的本地网络服务供应商(ISPs)的早期网络层次结构图。如图1b所示，今天的网络已经转变为更加网状的连通性模型。网络的核心由传统的骨干网络供应商主导，现在是通过超级公司提供丰富的项目，主持以及内容分发网络(CDN)服务。不难想象网络逐渐从传统核心提供商朝着项目供应商直接联系面向消费者的方向发展。
表1列出了ATLAS在2007至2009年间前十大公共网络域间自治系统(ASs)。我们看到项目供应商如谷歌和康卡斯特等在2007年未上榜却在2009年占据前列。值得注意的是这些报告仅考虑了在ASs已测量且公开可测的带宽。剩余未测量值可通过下列三种方式估计：数据中心内部的流量，用于互联数据中心和操作内容分销网络的后端带宽，虚拟专用网(VPN)流量。
这些数据证明了从最初专注于网络连接的传统运营商到专注于内容的非传统公司的转变。新型互联网应用如云计算和CDN等现在正在重塑网络格局。内容供应商和云计算运营商如亚马孙，微软和谷歌等正成为大容量光网络部署背后的主要推力。虽然市场研究公司不能看到大多数的网络需求，但这些需求确实如ATLAS的报告所证明的那样在不断的增长。
根据远程地理研究的报告【2】2002年至2008年，总的私人网络部署呈复合式增长，年增长率为47%。2008年底，私人网络约占国际带宽使用的20%。这个报告还说：“这些实体对象越来越有类似于最大型航空公司的能力要求。
本文剩下的部分组织如下。我们给出一个互联网风格的计算和它的好处的高级视图。我们从一个仓库规模计算机(WSCs)的简要说明开始，并讨论数据中心内的光学互联想支持WSC基础架构的需求和挑战。我们专注于产品特性和数据中心间远程光网络的需求。最后，我们总结了为了维持仓库规模计算增长需求应考虑的光通信技术。
互联网式计算
图2展示了当时的网络风格的计算的高级视图。中心是通过大容量网络连接的地理分布式的大型数据中心云。一个用户通过他/她的本地网络服务提供商的运营商网络访问云，该运营商网络通过互联网存在点(POPs)与数据中心网络互连。就一个用户而言，数据中心网络作为一台计算机。由网络和多个仓库规模数据中心构成的云服务框架是对用户透明的。
互联网风格的计算提供了很多好处。可拓展性是第一个。所有用户的资料都保留在网络中，只要有网络随时随地都可以访问连接。数据会自动备份上传，因此无需担心在丢失数据到设备或硬件故障。网络风格的计算还为普通数据的共享和协作提供了平台。例如，谷歌文件允许多个合作者同时查看并编辑同一个文件。由于最终用户不需要担心维护自己的计算机设备，所以运营费用和资本减少。网络风格的计算通过如虚拟化等技术更好地利用计算资源。
没有良好可信赖且可升级的网络基础设施，以上的优势都无法实现。
内部数据中心通信
一个数据中心是由成千上万台联网的服务器群组成在一起的大规模的平行超级计算机基础结构。为了以经济高效的方式优化性能和功能，数据中心的设备通常由现成的商用组件制成，因此他们可以采用消费规模经济的优势商品。图3展示了一个典型的数据中心群，其中机架中的20-40台机器安排一个服务器。在同一机架的服务器通过机架顶部(TOR)连接开关。机架式交换机连接到提供机架和用于仓库规模计算的集群结构之间的集群开关。
图4展示了WSC的一张图：WSC数据中心，设备机架中的服务器以及WSC中的互连电缆的概述。显然，数据中心运营商会欢迎如图4c所示可以简化所有接线的创新。（对WSC的很好介绍，请参阅【4】）
理想状况下，人们希望拥有一个直接将数据中心的一个服务器连接到另一个服务器的全网状内部数据中心网络，这样应用软件就不必考虑他们用来分配计算工作的机器的位置。然而这种设计花费非常昂贵。
事实上，集群互连是通过分布式交换层次结构进行聚合（图5）【5】。数据中心内交换结构具有比城域网和长程网络更大的容量。另外，数据中心内部环境是光纤繁多的环境，这种环境下频谱效率通常不高。注意如图5所示那样，大型数据中心可以由一个建筑物或多个建筑物组成。数据中心内部光学互联的要求范围为10m至10km。
这儿有形成数据中心内部集群结构的多种拓扑结构【6-8】。集群互联的常见拓扑结构有环面，超立方体【6】，粗树型【7】和扁蝶型【8】。不管为集群内连接选择了哪种拓扑结构，端口密度最后都会限制可以连接到一个交换机的服务器数量和集中式控制器的扩展将限制一个集群中可以管理的节点数。因此最大化交换机端口密度和一个集群的节点数是数据中心内部网络设备设计需要考虑的一个重要因素。
为了方便说明，以如图6所示【9】的太阳计算机系统公司（现属于甲骨文公司旗下）的最新集群交换机（DS3456）作为一个例子。该交换机大约占据两个机架的空间，包含1152无限带宽(IB)口。每个IB口使用60Gb/s的CXP模块，该模块采用12个5Gbs/s(DDR 速率)并行光通道和带状光纤连接。每个CXP模块能散开到3个20Gb/s IB链路以通过4times;5Gb/sQSFP收发器连接三个服务器节点。此类交换机总共可以连接3456个服务器节点。这个交换机总二等分原始宽带为55Tb/s。在数据中心环境中可以使用上段提到的各种拓扑结构将这些交换机分阶段连接以形成更大的结构。DS3456交换机的一个显著功能是IB收发器模块几乎完全覆盖整个正面。因此收发器端口密度限制了我么可以构建的交换机大小以及可以连接到交换机的主机数量。
集成能帮助提高端口密度和系统进出量。图7展示了短距离光收发器从单个10 Gb/s SFP 到局有4个10 Gb/s并行光通道的4times;10G QSFP模块和具有12个并行10Gb/s通道的CXP有源光缆(AOC)的发展。
理想状况下为了充分利用集成的优势，随着模块尺寸的缩小，模块的功能也应按比例缩小，这样当我们装入更多的收发器进入相同机箱空间时单位空间的总功耗才不会变。否则扩展模块本身的大小无法给我们提供所需要的端口数收益。在图7d中虚线表示端口速度与模块的1：1功率比例。实线表示实际功率比例。电子驱动，接受和管理电路的集成显然有助于将功率缩放到比1：1还小。
平行光学在数据中心内部通信中一直占据重要地位。它利用了垂直腔面发射激光器（VCSELs）的低成本和低功耗的优势，以及计算机体系结构和仓库规模计算中数据通道的自然并行性。此外，电信号速率与光信号速率非常吻合，无需昂贵且耗电的串行解码器或数据速率转换所需要的齿轮箱。但缺点是MTP/MPO光纤端成本昂贵，并且外部连接需要带状光纤。为了进一步缩小密度和达到更高的数据速率，使用波分复用(WDM)或者硅光子学的光子集成电路(PIC)是不可避免的。
为了满足数据中心运营中带宽需求的持续增长，数据速率，功率和空间密度都需要发展。在接下来的三到四年中，数据中心运营商希望看到光收发器的速度提升4倍，同时保持功率和空间分布不变。然而这种发展要求短程互联能够实现的新技术。对于VCSELs，传统的开关键控(OOK)调制将执行高达20Gb/s的速度。除此以外，电子和光学组件性能对带宽能力和分散性都要求很高。为了保持4times;和10times;的传输速度缩放，收发器模块需要新技术。这些技术示例包括电子色散补偿，集成低功率硅光子学和新信号调制方法。
从长远来看，根据国际半导体技术路线图（ITRS）的预测[11]，因为目前受引脚数、时钟速度和功耗的限制，数字互补金属氧化物半导体（CMOS）芯片的处理能力将在2022年将大大超过总的片外输入/输出（I / O） 带宽。光子集成有望弥合这一差距。光互连不仅可以以更高的时钟速率运行，而且可以利用三维进行互连。 IBM Labs [12]已经演示了在多芯片模块载体上以10 Gb / s的速度进行混合光学互连的方法，该方法将互连扩展到了第三维。全球研究人员正在研究在未来的硅芯片上集成光子层的技术，这将有助于缓解芯片外带宽的瓶颈。
数据中心间通信
如图2所示，数据中心在地理上分布。它们通常位于土地价格便宜和电力充足且价格低廉的农村地区的发电厂附近。分布式数据中心不仅提供冗余，而且还需要负载来平衡计算需求，并通过减少传输延迟来改善客户体验。
需要长途光网络来将流量从数据中心传输到用户所在位置的人口中心。这些网络旨在降低互连带宽成本，在远程数据中心位置之间移动数据并确保数据中心操作的可扩展容量。诸如FTTH之类的新宽带接入网络基础设施的日益增长的部署只会加剧数据中心间远程和城域网的带宽需求。
与容易获得光纤的数据中心内部环境不同，在长距离网络中，数据中心之间的光纤非常罕见（部分是由于它们所处的偏远位置）。远程传输光纤的建造或获取非常昂贵且耗时。数据中心之间的流量主要是由云计算应用程序生成的，并且流量巨大。因此，容量和频谱效率对于数据中心之间的通信链接非常重要。其次，因为数据中心通常位于偏远地区需要超长的传输距离，从500到6000 km不等，同时再生最少。再生器要花钱，并增加运营支出。有时，远程数据中心之间根本没有空间和电源可用于再生。
第三，与需要大量中间添加/删除操作的传统电信网络不同，数据中心光网络大多是点对点胖管道连接，几乎没有中间添加/删除操作。 容量和范围比光学层的灵活性重要得多。
运营商网络和数据中心网络的共同需求是远程容量的平稳升级。
从经济角度来看，在成本，覆盖范围，容量和频谱效率之间需要权衡。光纤丰富的地方没有为了获得终极的传输带宽和距离而支付新尖端技术费用的点。对于光纤稀缺的长途网络，采用最新的传输技术是很有意义的。相干光接收机对于维持下一代数据中心远程网络的增长特别重要。与传统的光调制格式相比，启用了数字信号处理（DSP）的相干光接收机不仅提供了更好的频谱效率，还提供了对振幅自发辐射（ASE）噪声，色散和偏振模色散（PMD）的更高容忍度。这有助于最大化系统范围和容量。这样的系统也能利用具有过多PMD值的传统不良光纤。
对于任何网络运营商而言，最终的设计目标是最大程度地提高总容量并最小化单个的成本。香农指出，在加性高斯白噪声（AWGN）受限的信道中，信息容量与信道带宽成线性比例，但与信噪比（SNR）成对数比例【13】。因此，通过探索光纤中更多的光纤频谱来增加容量要比提高SNR或使用具有高阶星座的高级调制格式如M正交幅度调制（QAM）容易得多。当今大多数商业WDM光纤传输系统都利用C波段进行传输，因为自然界有着最小的光纤损耗和最成熟的成本最低的低噪声宽带掺铒光纤放大器（EDFA）的C波段。这些特性有助于最大化香农公式中的信噪比。
L波段是除了C波段之外下一个将要使用的自然频谱区域，对光纤传输工程师而言并不是什么新鲜事物。 EDFA能在L波段工作，并且L波段的光纤损耗仍然非常低。事实上，最新的实验室实验使用C波段和L波段都做出了创纪录的传输能力【14，15】。此外，该领域还具有部署大型有效面积光纤（LEAF）的重要嵌入式基础。 LEAF在C波段波长处的色散很小，从而导致很高的非线性损失。 结果，因为L波段的色散较大，所以非线性损失较低，因此L波段波长的性能在LEAF上优于的C波段波长。
最终，光纤的非线性限制了光纤内部可达到的信噪比和极限容量【16】（图8）。当今最先进的商用系统具有80个间隔为100GbE的50GHz传输通道，总容量可达8Tb/s或等效频谱效率达2/b/sHz。仿真结果表明，我们离达到极限非线性限制的C波段容量不远了【16】。
增加信噪比，覆盖范围和容量以及降低光纤非线性的一种方法是在新建筑物中部署低损耗的大芯的纯二氧化硅光纤。这种光纤已经广泛用于海底传输网络中。
保持信噪比并减少光纤的非线性的另一项关键技术是分布式拉曼放大，这有助于延长未再生的传输距离。 使用拉曼放大，一方面可以降低光发射功率，从而降低光学克尔非线性效应。一方面拉曼放大不错的优点是它可以在任何波段下工作，并且用来开拓除了C波段和L波段以外的新的传输频谱。
但是如果管理不当，给我们带来所有这些好处的拉曼效应也会引起增益倾斜问题。光纤中任何两个波长之间都会发生拉曼放大效应。短波信号会放大长波信号并引起光谱倾斜（图9）。与其他非线性光纤效应不同，受激拉曼增益随通道间距而增加。 随着信号发射功率和光纤波长数量的增加，它也迅速增加。
图10展示了70km，25GHz间隔的LEAF链路的激发拉曼散射(SRS)倾斜度与发射功率的关系图，分别只有C波段波长和C L波段波长。令人惊讶的是，引入L波段波长会显着增加拉曼增益倾斜。在–1dBm发射功率下，当C波段和L波段同时存在时，传播70 km跨度后频谱倾斜大于3.5 dB。因此，在用于未来L频段升级的系统的初始设计中，应考虑增益倾斜的控制。
研究还表明，每波长传输400 Gb / s可能是单载波调制的最高可实现极限【17】。要超过400 Gb / s的信道速度，可能必须采取例如正交频分复用（OFD
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