400G數(shù)據(jù)中心光纖網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)總體成本分析

  基于光纖傳輸?shù)幕A(chǔ)架構(gòu)的總體擁有成本分析

  現(xiàn)存的IEEE標(biāo)準(zhǔn)以及MSA所定義的400G傳輸方案，在傳輸介質(zhì)、傳輸距離以及封裝形式上具有很大的差異，除了400G-CR4銅纜方案通常只能用于柜內(nèi)傳輸，其余的光模塊方案均可在一定距離范圍內(nèi)支持?jǐn)?shù)據(jù)中心各層級(jí)交換機(jī)-服務(wù)器、交換機(jī)-交換機(jī)之間的連接。

  400G傳輸方案在150m內(nèi)同時(shí)可選多模或單模傳輸方案，超過500m距離的傳輸，只能選擇單模傳輸方案。由于每個(gè)數(shù)據(jù)中心的架構(gòu)、平均通道長度以及長度分布的不同，對(duì)光模塊的選擇也不能一概而論。因此，本文試圖采用一種基于成本分析的方法來提出一種數(shù)據(jù)中心光模塊選擇的思路。

  01 成本分析法

  光收發(fā)器方面：

  根據(jù)市場調(diào)研和各種收發(fā)器制造商提供的信息，同時(shí)參考了100G收發(fā)器的大致成本水平。根據(jù)推斷，當(dāng)400G收發(fā)器達(dá)到市場成熟度時(shí)，其成本將比現(xiàn)在的100G收發(fā)器高出300%。400G收發(fā)器的定價(jià)可能隨市場容量及工藝水平的成熟而變化，故在本文中的推論僅做參考。

  我們先推斷多模收發(fā)器與單模收發(fā)器的價(jià)格差異的大概如下表：

  表中價(jià)格排序星數(shù)越少，表示相對(duì)價(jià)格越便宜。

  因此，當(dāng)距離允許的情況下，僅考慮收發(fā)器的價(jià)格，用戶當(dāng)然會(huì)優(yōu)先選擇多模收發(fā)器。同時(shí)， 400G-DR4的收發(fā)器成本會(huì)優(yōu)于400G-FR8或400G-FR4。

  布線通道方面：

  接著我們來評(píng)估布線通道成本。我們考量依據(jù)基于結(jié)構(gòu)化布線，結(jié)構(gòu)化布線支持100G到400G升級(jí)的方式參考之前的400G網(wǎng)絡(luò)布線鏈路設(shè)計(jì)原則，直連方式不在討論范圍內(nèi)。結(jié)構(gòu)化布線基礎(chǔ)設(shè)施有三個(gè)組件：跳線、預(yù)端接光纜、適配器面板/或MPO/MTP-LC模塊，和配線架。針對(duì)每一種400G傳輸?shù)腜MD，對(duì)應(yīng)的連接器類型和光纖選型、光纖芯數(shù)均不同，因此相對(duì)的布線成本也會(huì)有較大差異。下圖顯示了基于兩連接點(diǎn)和四連接點(diǎn)的結(jié)構(gòu)化布線基礎(chǔ)架構(gòu)的典型配置。跳線和預(yù)端接主干光纜的數(shù)量，我們使用基于結(jié)構(gòu)化布線分段的簡單數(shù)學(xué)，如下圖所示：

  假設(shè)N是中繼分段數(shù)，那么跳線數(shù)= N + 1;適配器面板數(shù)量= 2N;主干光纜數(shù)量= N.

  通常在結(jié)構(gòu)化布線基礎(chǔ)設(shè)施中，光纖配線架擁有特定的端口密度設(shè)計(jì)。在計(jì)算中，讀者應(yīng)考慮每機(jī)架單元(1U)的光纖連接器密度，通常為24端口、48端口，和72端口，并計(jì)算了布線通道的總成本(包括結(jié)構(gòu)化布線的所有組件)，然后折算成每端口成本。

  以單模CWDM與PSM4為例，下圖顯示了針對(duì)不同數(shù)量的“中繼分段”和“端口密度”的結(jié)構(gòu)化布線的相對(duì)成本，這表明與雙工LC基礎(chǔ)設(shè)施相比，基于MPO/MTP的基礎(chǔ)架構(gòu)與其相關(guān)的成本增加較多。與基于2芯光纖的雙工LC基礎(chǔ)設(shè)施相比，基于MPO/MTP的PSM4基礎(chǔ)設(shè)施的較高成本顯然來自于光纖芯數(shù)的4倍增長。隨著中繼分段的數(shù)量增加，連接器的數(shù)量也增加，這進(jìn)一步增加了成本差異。下圖中所示的數(shù)據(jù)表示看出每個(gè)端口的通道成本不隨端口密度而變化，而是隨著中繼段的數(shù)量而變化。

  總體擁有成本：

  在前面的內(nèi)容里已經(jīng)討論了CWDM4與PSM4的收發(fā)器和光纜/連接器件方面的相對(duì)成本差異。在這一節(jié)中，我們將討論包含光收發(fā)器和結(jié)構(gòu)化布線基礎(chǔ)設(shè)施連接的通道的總成本。

  我們需要考慮兩種不同的構(gòu)建方案的總體成本：

  1、全新部署的通道的總成本，并比較100G和400G的Gbps成本

  2、從100G升級(jí)到400G時(shí)的總成本

  對(duì)于全新部署的場景，上圖(a)分別表示了基于CWDM4和PSM4架構(gòu)的100G通道的相對(duì)總體擁有成本。結(jié)果表明，在應(yīng)用于100G傳輸時(shí)CWDM4是構(gòu)建100G通道的經(jīng)濟(jì)高效的解決方案，而100G-PSM4通道可能比CWDM4通道成本高出約30-40%。如果CWDM4通道的成本基數(shù)為1，則PSM4通道的成本約為1.36。另一點(diǎn)值得注意的是，對(duì)于基于CWDM4的通道，80%的成本為光收發(fā)器，20%為布線基礎(chǔ)設(shè)施，而PSM4通道，收發(fā)器成本占60%，布線基礎(chǔ)設(shè)施占40%。當(dāng)用戶考慮在原有的布線基礎(chǔ)設(shè)施上做升級(jí)時(shí)，此成本分配分析可能會(huì)有所幫助。

  在比較兩個(gè)400G選項(xiàng)時(shí)，我們得出了不同的結(jié)論。在400G的情況下，采用PSM4架構(gòu)的光通道可能比采用CWDM便宜。這主要是由于收發(fā)器成本與100G相比增加了3倍。在400G情況下，CWDM4收發(fā)器占了近90%的總體成本，而基于PSM4的收發(fā)器占60%的總體成本。如果數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施僅針對(duì)特定速度構(gòu)建，那么對(duì)于100G，CWDM4是經(jīng)濟(jì)高效的選擇，而400G則是PSM4更有性價(jià)比。

  100G到400G的升級(jí)方案有兩種可能性的選擇

  2.a 布線基礎(chǔ)設(shè)施保持不變。

  2.b布線架構(gòu)改變，即100G布線架構(gòu)與400G布線架構(gòu)在光纖數(shù)量、連接器類型上有變化。

  在2.a情況下，從100G升級(jí)到400G的成本差異僅來自于收發(fā)器，因?yàn)椴恍枰碌墓饫|布線/連接器件(如果現(xiàn)有的100G布線基礎(chǔ)設(shè)施滿足400G的插入損耗預(yù)算和回波損耗限要求)。在2.b情況下，100G往400G遷移基于整體架構(gòu)的變化，光纜布線和連接器件的額外成本可能會(huì)比新增的收發(fā)器的成本更多。例如，當(dāng)用戶考慮從CWDM4到PSM4的遷移時(shí)，由于PSM4架構(gòu)的光纖數(shù)量的增加而導(dǎo)致額外的光纜布線/連接器件成本;而在從PSM4到CWDM4的情況下，需要把MPO/MTP連接器轉(zhuǎn)換為雙工LC連接器。

  考慮到所有這些并根據(jù)各種可能的設(shè)計(jì)方式，我們計(jì)算了100G和400G的總體擁有成本。如果100G-CWDM4通道成本基數(shù)為1，則遷移到400G -FR4將產(chǎn)生約1.4的額外成本，100G和400G物理連接的總成本將為2.4。如果將相同的100G-CWDM4布線更改為通過從雙工LC更改為基于MPO/MTP接口來運(yùn)行，則所需的額外成本為1.47，比使用雙工LC多出約5%。從雙工LC切換到基于MPO/MTP的布線基礎(chǔ)設(shè)施時(shí)，光纖數(shù)量增加了4倍，但基于PSM4的光收發(fā)器的低成本將抵消總成本。

  在第二種情況下，我們假設(shè)初始基礎(chǔ)設(shè)施基于100G-PSM4并遷移到400G-DR4(PSM4)。在這種情況下，產(chǎn)生的額外成本(與100G-CWDM4鏈接的參考成本基數(shù)1相比)為0.68。從100G的PSM4遷移到400G-FR4(CWDM4)架構(gòu)時(shí)，額外成本為1.64。對(duì)于這種特定的結(jié)構(gòu)化布線設(shè)計(jì)，根據(jù)表和表中列出的合理假設(shè)，總成本分析表明選擇基于PSM4的收發(fā)器和基于MPO/MTP的結(jié)構(gòu)化布線基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)于未來的應(yīng)用最具備成本效益。

  2、對(duì)各類布線架構(gòu)成本的推論

  以上情況針對(duì)100G到400G單模的升級(jí)，相對(duì)容易比較出兩種方案的差異性。目前的數(shù)據(jù)中心400G連接通常位于Spine-Leaf以及Spine-Core層級(jí)，在通道較長的情況下，我們將采用單模模塊，而未來的數(shù)據(jù)中心的ToR-Leaf連接，400G多模方案與單模方案都將承擔(dān)一定的份額，因此，我們還得考慮多模光收發(fā)器及布線對(duì)成本的影響。

  當(dāng)比較多模方案，如400G-SR8與400G-SR4.2或400G-DR4方案時(shí)，我們可以采用同樣的方法進(jìn)行比較?，F(xiàn)行的數(shù)據(jù)中心建設(shè)，用戶普遍接受MPO/MTP作為多模通道的接口，采用MPO/MTP-LC盒子將MPO/MTP端口轉(zhuǎn)換成LC雙工端口(具體的升級(jí)路徑請(qǐng)參考第四章相關(guān)內(nèi)容)。

  我們將不同布線等級(jí)、不同連接器的大致成本排列情況匯總?cè)缦拢?

  從連接器類型看單模與多模的成本差異：

  從光纜種類看單模與多模的成本差異：

  400G-SR8將采用MPO/MTP-16或MPO/MTP-24連接器，采用16芯光纖傳輸;而400G-SR4.2依然保持MPO/MTP-12的連接器，采用8芯光纖傳輸。從以上大概價(jià)格排序進(jìn)行通道的排列組合時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)布線通道的成本與長度有直接聯(lián)系，與連接器類型也有直接聯(lián)系，比如，雖然400G-SR8的成本比400G-SR4.2要低，但是采用這種方案時(shí)， MPO/MTP-16連接器的成本比MPO/MTP-12連接器的成本高出不少，對(duì)于連接點(diǎn)較多的通道(如四/六連接點(diǎn)通道)，MPO/MTP-16連接器的成本與MPO/MTP-12連接器的成本相差不小。

  如果從光纜成本的角度出發(fā)，400G-SR4.2方案在平均長度超過100m的情況下將要用到OM5光纜，OM5光纜比OM3/OM4光纜的成本要高，光纜與連接器的整體成本，在到達(dá)長度拐點(diǎn)后，會(huì)有不同的結(jié)論，再將單模MPO/MTP連接器加入考慮時(shí)，情況會(huì)更復(fù)雜。

  由此可知，僅考慮建設(shè)成本時(shí)，我們可以通過以上成本分析法的原則，將400G通道的整體成本分析應(yīng)同時(shí)考慮收發(fā)器的成本和綜合布線光纜及收發(fā)器成本。本文所引用的成本相對(duì)性僅是對(duì)市場的一種推斷，不同器件的成本隨市場的成熟度可能會(huì)有較大變化，當(dāng)進(jìn)行實(shí)際分析時(shí)，用戶應(yīng)自行進(jìn)行判斷。

  摘自：數(shù)據(jù)中心400G網(wǎng)絡(luò)布線技術(shù)白皮書