數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡布線為大數(shù)據(jù)時代鋪路

       【訊石光通訊咨詢網(wǎng)】前言

        伴隨云時代的來臨，大數(shù)據(jù)(Big data)也吸引了越來越多的關注，人們用它來描述和定義信息爆炸時代產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)。我們來了解一下大數(shù)據(jù)的概念，大數(shù)據(jù)是指數(shù)據(jù)集，它的數(shù)據(jù)量已經(jīng)大到無法用傳統(tǒng)的工具進行采集、存儲、管理與分析。IDC研究表明：全球產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量僅在2011就達到1.8ZB(或1.8萬億GB)，且根據(jù)預測，未來十年全球數(shù)據(jù)存儲量將增長50倍。ZB到底是多大容量的概念?1ZB的對象存儲數(shù)據(jù)，相當于107億塊3T的硬盤，假設數(shù)據(jù)都是存儲3份，一臺服務器可以掛48塊硬盤，那么需要2億臺服務器。假設一個機架可以放10臺類似的服務器，那么將需要2000萬個機架的服務器才容得下1ZB。

        數(shù)據(jù)本身與通信技術的結合給現(xiàn)代人生活帶來不可比擬的便利性，我們?nèi)粘Ｉ?、工作的每一方面對網(wǎng)絡與數(shù)據(jù)的依賴性越來越大，而所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)需要有強大的網(wǎng)絡通信技術與大容量數(shù)據(jù)中心作后盾。大數(shù)據(jù)時代對數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡通信技術帶來很大的挑戰(zhàn)，本文將主要圍繞大數(shù)據(jù)時代數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡與布線系統(tǒng)的技術標準及網(wǎng)絡基礎設施物理層發(fā)展趨勢作一下探討。

        關鍵詞：大數(shù)據(jù) 云計算 數(shù)據(jù)中心布線系統(tǒng) 網(wǎng)絡基礎設施

        一、大數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡技術發(fā)展的關系

        網(wǎng)絡應用需求的快速上升是數(shù)據(jù)量需求產(chǎn)生的主要來源，我們可以從全球IP數(shù)據(jù)通信量增長的趨勢中大致看到今后網(wǎng)絡應用需求量的增長，如下圖1。(Source: Cisco Visual Networking Index )

圖1

　　基于網(wǎng)絡流量的增長與網(wǎng)絡應用需求快速上升，IDC做出了今后幾年全球數(shù)據(jù)量將迅猛增長的預期 ，如下圖2顯示了從2005年到2015年間的數(shù)據(jù)存儲量的增長趨勢。

圖2

        數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)存儲量增長與許多應用需求有關，筆者認為其中兩個領域對數(shù)據(jù)量的增長影響明顯：移動互連網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)。移動互連網(wǎng)應用近年來快速崛起，根據(jù)Cisco的市場報告統(tǒng)計，移動互連網(wǎng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量年均增長達到90%以上，且移動終端的總量即將超過傳統(tǒng)PC，這方面的增長將對全球數(shù)據(jù)量上升產(chǎn)生較大影響;另一方面物聯(lián)網(wǎng)在越來越多的行業(yè)中得到了應用， “萬物互聯(lián)”是物聯(lián)網(wǎng)的終極目標，這部分的數(shù)據(jù)增長是數(shù)據(jù)流量絕對量的增長。物聯(lián)網(wǎng)的時代將是傳感器自動不間斷上傳大量數(shù)據(jù)并通過網(wǎng)絡儲存在數(shù)據(jù)中心內(nèi)，對網(wǎng)絡與數(shù)據(jù)中心的存儲量起到了很大推波助瀾的作用。

　　網(wǎng)絡是所有數(shù)據(jù)流通的基礎，大數(shù)據(jù)的產(chǎn)生與網(wǎng)絡技術的發(fā)展密切相關也是相輔相成，通信行業(yè)與IT行業(yè)需要更為緊密的“握手”才能使數(shù)據(jù)通信不產(chǎn)生瓶頸。事實上，網(wǎng)絡基礎設施也在朝著這個方向進行，目前國內(nèi)的城域網(wǎng)干線網(wǎng)絡正在思考升級到100G的網(wǎng)絡，同時也在研究下一代400G的骨干。而為了支持移動終端的數(shù)據(jù)量快速上升，第4代移動通信LTE技術已經(jīng)走向成熟，4G基站正在批量建設階段。而對于通用住宅方面已經(jīng)在快速推進FTTH光纖到戶1G-EPON與10G-EPON的應用，種種網(wǎng)絡基礎設施的進步是為大數(shù)據(jù)產(chǎn)生與應用起到了橋梁紐帶作用，大數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡基礎設施的發(fā)展相得益彰，所有網(wǎng)絡通信技術的進步是作為外圍網(wǎng)絡環(huán)境為大數(shù)據(jù)鋪路。如果我們把外圍的網(wǎng)絡基礎環(huán)境比作人體的神經(jīng)，那么數(shù)據(jù)中心將是人體的大腦，而所有數(shù)據(jù)量的上升需要更大規(guī)模的數(shù)據(jù)中心與其相適應，對于數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的網(wǎng)絡基礎架構同樣面臨著進一步升級的需要，布線系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)中心內(nèi)部連接與管理的基礎設施，對于數(shù)據(jù)中心的運行可靠性、可管理性及大數(shù)據(jù)流的支持起到了十分關鍵的作用。

        二、數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡基礎標準化發(fā)展應對大數(shù)據(jù)

        根據(jù)2012版本的TIA-942-A數(shù)據(jù)中心電信基礎設施標準，對于數(shù)據(jù)架構基本還采用傳統(tǒng)的網(wǎng)絡架構模型，對于虛擬化的網(wǎng)絡架構基本沒有涉及?；诋斍熬W(wǎng)絡技術日新月異的變化狀況，云計算虛擬化的網(wǎng)絡發(fā)展特別是采用Fabric虛擬矩陣的網(wǎng)絡將是大型數(shù)據(jù)中心網(wǎng)格架構的重要發(fā)展趨勢，采用無阻塞的交換矩陣的網(wǎng)絡結構是從網(wǎng)絡層面應對大數(shù)據(jù)時代的技術手段之一。下圖3為典型的虛擬矩陣架構網(wǎng)絡。

圖3
　　

       為應對大數(shù)據(jù)的挑戰(zhàn)，云計算虛擬化網(wǎng)絡技術的應用是必然的技術發(fā)展趨勢，基于這樣的網(wǎng)絡架構的應用，2013年北美通信工業(yè)協(xié)會TIA正式批準了TIA-942-A-1新版數(shù)據(jù)中心基礎設施標準的附錄1，該附錄從新的主流虛擬化網(wǎng)絡架構并結合相應布線系統(tǒng)管理角度進行了定義。標準中網(wǎng)絡架構涉及胖樹型(Fat-Tree)、全網(wǎng)型(Full-Mesh)以及混合型的模塊化矩陣全網(wǎng)型(POD-Interconnect-Mesh)等多種應用方式。此標準的及時批準對支持當前及今后一段時間內(nèi)數(shù)據(jù)中心特別是云計算數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡與布線系統(tǒng)的構建起到推動與促進作用，適應了大數(shù)據(jù)時代對網(wǎng)絡的基礎要求。

　　面臨海量的數(shù)據(jù)存儲與數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)中心為了提高資源利用效率與數(shù)據(jù)分析計算能力，將大量采用虛擬化云計算的技術，包括服務器虛擬化技術、網(wǎng)絡虛擬化技術以及存儲虛擬化技術等。網(wǎng)絡架構總體的趨勢將采用大二層虛擬化的網(wǎng)絡，核心層采用40G/100G，接入層采用10G的方式基本已經(jīng)成為網(wǎng)絡升級的方向。當前可以參考的網(wǎng)絡物理層的標準如下圖4所示：

圖4
　　

        在上述虛擬矩陣的數(shù)據(jù)中心主干網(wǎng)絡中，更多地將從10G網(wǎng)絡升級到40G/100G。IEEE 803.3ba已經(jīng)于2010年已經(jīng)正式發(fā)布采用40G/100G的網(wǎng)絡技術標準，基于數(shù)據(jù)中心主干鏈路距離88%以上小于100米的距離，多模光纖OM3/OM4采用MTP與QSFP接口多通道并行傳輸?shù)姆绞交诹己玫男詢r比，被業(yè)界認為是數(shù)據(jù)中心主干鏈路應用的首選方案。當前標準中對于100G的應用方案采用的是10G*10的通道模型。2013年3月IEEE 802.3bm標準組織成立特別工作小組研究下一代基于多模OM3萬兆光纖25G*4通道支持100G最小100米的標準，此預研標準對后續(xù)數(shù)據(jù)中心的應用影響明顯，提高了光纖系統(tǒng)的應用密度，為后續(xù)更高級別的網(wǎng)絡擴展提供了空間與物理基礎。

        基于當前數(shù)據(jù)中心內(nèi)主干網(wǎng)絡主要由光纖作為傳輸介質的背景，TIA標準化組織已經(jīng)在研發(fā)基于100 Ohm平衡雙絞線銅纜支持40G BASE-T的網(wǎng)絡草案標準。

        PN-568-C.2-1已經(jīng)發(fā)行，預計正式標準將于2014年正式發(fā)行，發(fā)行后正式標準的編號將定義為ANSI/TIA-568-C.2-1。該標準將銅纜雙絞線帶寬擴展至2000MHz，預計將繼續(xù)采用RJ45作為接口標準。定義銅纜級別為CAT.8，可以支持40G BASE-T網(wǎng)絡傳輸距離達到30米的距離，基本滿足數(shù)據(jù)中心40G鏈路55%的距離。銅纜支持40G的應用是對40G標準的一個重要補充，雖然距離比較短僅30米，在規(guī)模較大的數(shù)據(jù)中心主干內(nèi)無法成為主流。但預期銅纜方案的成本優(yōu)勢將對大量規(guī)模較小的數(shù)據(jù)中心建設來說，是一種較有優(yōu)勢的方案,有助于促使數(shù)據(jù)中心更快及更大范圍推進40G網(wǎng)絡的應用。

        三、支持大數(shù)據(jù)網(wǎng)絡物理層技口技術分析

        當網(wǎng)絡主干走向40G/100G的高速網(wǎng)絡時，數(shù)據(jù)中心接入層設備與服務器網(wǎng)絡接口從1000M走向10G是必然，過去的接入層網(wǎng)絡速率在1000M及以下，采用銅纜RJ45的接口模式在整體市場中處于主導地位。而當網(wǎng)絡上升到10G時，將有多種接口模型可供選擇，現(xiàn)階段還沒有一種接口在市場上形成絕對主流。當前10G接口類型較多，技術要求也差異較大，應用10G接口前需要對主流的技術方案進行綜合評估與分析，以確定什么方案更符合各自的要求。下圖5為目前市場上主流的10G接口及參數(shù)以供參考。

圖5

       以上5種類型10G接口所列出的數(shù)據(jù)僅供參考，由于10G的技術更新速度很快，不同時間階段對于技術指標是有差異的。以上幾中10G接口類型中，基于功耗、端口密度、支持距離等方面思考，筆者認為長遠看CX4銅纜方案并不占有太大的優(yōu)勢。采用CX4接口的10G應用相對少，今后越來越少的用戶采用基于CX4接口的10G 應用。而共余4種方式，我們可以通過幾個應用方向進行分析，可以作為后續(xù)10G升級的參考選擇。

       1. SFP+ DAC的10G無源銅纜解決方案優(yōu)點：接口功耗小，相對成本在4中方案中較低，延時較低,適應于虛擬化的網(wǎng)絡環(huán)境。缺點：支持距離太短，基本只能適用于TOR(交換機置頂Top of the Rack)的網(wǎng)絡架構，不可以自適應向下兼容1000M的網(wǎng)絡應用。線纜本身故障需要帶SPF+插頭同步更換，維護成本相對較高。適用環(huán)境：應用于網(wǎng)絡結構相對簡單，設備變動、新增與移動較少且維護管理要求不高場合，如業(yè)務較單一的云計算模塊化數(shù)據(jù)中心或互連網(wǎng)數(shù)據(jù)中心等。

       2. SFP+ AOC的10G有源光纜解決方案優(yōu)點：接口功耗較小; 成本比DAC略高但相比其余方案要低，支持距離最長可達300米,可以支持EOR等各種網(wǎng)絡布線架構且光纜直徑較小，可以應用于高密度機柜布置;延時較低, 適應于虛擬化的網(wǎng)絡環(huán)境。缺點：不可以自適應向下兼容1000M的網(wǎng)絡應用。線纜本身采用有源芯片電路，故障率相對高，出現(xiàn)故障需要帶SFP+插頭連同內(nèi)部光電收發(fā)芯片同步更換，維護成本很高。適用環(huán)境：應用于網(wǎng)絡管理簡單、設備變動、新增與移動較少且對網(wǎng)絡連接可靠性要求不高的場合，如云計算數(shù)據(jù)中心或第三方運維托管數(shù)據(jù)中心，以及網(wǎng)絡結構單一的備份數(shù)據(jù)中心等。

       3. SFP+ 10G BASE-SR的光纜解決方案優(yōu)點：芯片技術成熟，接口功耗較小;支持距離較長，OM3光纖300米及OM4光纖550米,可以支持TOR、EOR等各種網(wǎng)絡布線架構且光纜直徑較小，可以應用于高密度機柜布置; 光模塊與光跳線分離，無源光跳線可靠性高、日常維護方便、維護成本相對較低, 延時較低, 靈活適應于各種類型網(wǎng)絡環(huán)境。缺點：不可以自適應向下兼容1000M的網(wǎng)絡應用，總體方案成本相比較其他方案偏高。適用環(huán)境：應用于網(wǎng)絡結構復雜、設備變動、新增與移動比較頻繁且對網(wǎng)絡連接可靠性與管理要求較高的場合，能適用于各類數(shù)據(jù)中心應用的需要，特別對于金融業(yè)，政府部門及各類企業(yè)級數(shù)據(jù)中心中應用更合適。

       4. RJ45 BASE-T的銅纜解決方案優(yōu)點：成本相對光纖方案要低，且可以向下自適應1000M網(wǎng)絡。支持距離較長，最長可達100米,可以支持TOR、EOR等各種網(wǎng)絡布線架構。銅纜跳線與端口有源芯片分離，布線可靠性高且日常維護方便、維護成本相對較低,靈活適應于各種類型網(wǎng)絡環(huán)境。缺點：芯片技術還不太成熟，功耗相對較大，特別是長距離應用，線徑粗不適合很高密度的機柜管理，延時相對大，對云計算虛擬化不利。適用環(huán)境：應用于網(wǎng)絡結構復雜、設備變動、新增與移動比較頻繁且對網(wǎng)絡連接可靠性要求比較高但對密度要求不高且對機房節(jié)能要求不高的數(shù)據(jù)中心環(huán)境，如金融業(yè)，政府部門及各類企業(yè)級數(shù)據(jù)中心中。

        需要關注的是，10G BASE-T的芯片技術還在不斷演進，從早期10G BASE-T采用130nm的技術，到現(xiàn)在的40nm芯片技術，功耗已經(jīng)從超過10W每端口降到的4-6W，今后還將有望進一步采用28nm芯片，預計功耗可以小于3W。各種10G接口技術都在進步，不同時期的優(yōu)勢特點也有變化，至于什么技術在市場上能笑到最后，仍需拭目以待。

        四、大數(shù)據(jù)提升智能基礎設施管理系統(tǒng)應用價值

        大數(shù)據(jù)時代的數(shù)據(jù)中心布線系統(tǒng)，我們不僅僅關注前面所述的作為10G/40G/100G的傳輸通道，管理是數(shù)據(jù)中心布線的另一項非常重要卻易被忽視的功能。大數(shù)據(jù)的壓力迫使數(shù)據(jù)中心發(fā)揮更高運算與數(shù)據(jù)處理效率，促進虛擬化技術在數(shù)據(jù)中心中更普遍的應用，而網(wǎng)絡虛擬化技術卻進一步加劇了物理層管理的難度。智能基礎設施管理系統(tǒng)以管理為核心的理念將在今后的數(shù)據(jù)中心中發(fā)揮出更大的價值。參考以下圖6虛擬化網(wǎng)絡解決方案，下圖為基于數(shù)據(jù)中心330機架*4總共1320個機架的網(wǎng)絡規(guī)模，采用TOR的架構，TOR交換下行服務器機柜采用獨立柜內(nèi)布線的方式，這部分不是智能基礎設施管理系統(tǒng)實時監(jiān)控的重點，管理的重點是分布式轉發(fā)核心區(qū)域，此區(qū)域實際部署過程中如管理不善極易混亂，采用智能基礎設施管理系統(tǒng)對相應物理鏈路層路由進行主動管理模式，使得更復雜網(wǎng)絡正確實施提供了保障。

圖6 Source From DELL Force10

        虛擬化網(wǎng)絡為了降低延時提升數(shù)據(jù)轉發(fā)效率，采用了非常復雜的交換矩陣，導致鏈路的連接關系非常復雜，采用傳統(tǒng)手動工單對布線系統(tǒng)被動管理的方式將很難適應此類網(wǎng)絡結構的管理，同時項目移交后對用戶的后續(xù)日常維護將造成非常大的困擾。采用智能基礎設施管理系統(tǒng)不僅僅能對布線系統(tǒng)進行操作指引與實時導航作用，更重要的是智能基礎設施管理系統(tǒng)以流程化主動糾錯的模式促使管理人員遵守標準的IT流程化管理要求，提高網(wǎng)絡與基礎設施的維護效率與管理水平，杜絕因操作錯誤造成系統(tǒng)宕機風險與損失。

        大數(shù)據(jù)時代的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡核心交換矩陣將采用40G/100G，核心主干物理層網(wǎng)絡是智能基礎設施管理系統(tǒng)的管理重點。與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心相比，如采用相同的行業(yè)模型來分析投資回報率ROI，假設對于傳統(tǒng)10G核心網(wǎng)絡，由于管理原因造成數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡中斷問題產(chǎn)生的損失是1個單位，而大數(shù)據(jù)采用40G/100G網(wǎng)絡在相同宕機時間的損失可能是4-10個單位。顯然，在大數(shù)據(jù)時代對于智能基礎設施應用的投資回報率更高，從而促使智能基礎設施管理系統(tǒng)應用價值得到了提升，促進智能基礎設施更廣泛地應用在數(shù)據(jù)中心內(nèi)。

        五、結束語

        大數(shù)據(jù)的時代是數(shù)據(jù)應用需求的急速增長作為驅動的源泉，云計算是基于虛擬化技術發(fā)展而來，不僅僅為大數(shù)據(jù)計算處理提供技術保障，同時云計算本身也是一種服務模式，從某一方面來說云計算的大量落地也是促進了大數(shù)據(jù)發(fā)展的原因之一，兩者相輔相成。對于網(wǎng)絡的基礎架構來說，在大數(shù)據(jù)與云計算相互促進的背景下，網(wǎng)絡基礎為了不成為整體應用發(fā)展的瓶頸，需要整體網(wǎng)絡技術不斷的升級，包括外圍的干線網(wǎng)絡、LTE第四代移動網(wǎng)絡以及FTTH光纖到戶等。而數(shù)據(jù)中心的物理層網(wǎng)絡是支持云計算大數(shù)據(jù)的核心，也是最迫切需要得到提升的關鍵基礎設施，數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡物理層行業(yè)標準化發(fā)展相比較實際應用需求保持一定的領先性，10G/40G/100G等網(wǎng)絡基礎與接口技術逐步走向成熟為大數(shù)據(jù)鋪平了道路。大數(shù)據(jù)時代數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡基礎的復雜性，又使得智能基礎設施管理系統(tǒng)的應用價值得到了良好的體現(xiàn)。數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡基礎技術已經(jīng)作好準備以迎接大數(shù)據(jù)時代的到來。